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在工业自动化中，云基远程控制机器人系统面临高可用性和实时响应挑战。研究人员设计基于 Kubernetes 的架构，用自平衡机器人评估。结果显示该架构能减少停机时间，适用于云环境，为工业自动化提供可靠方案。
随着科技的飞速发展，工业自动化的浪潮正席卷全球。在这个智能化的时代，云基远程控制机器人系统凭借其灵活性和可扩展性，逐渐成为工业生产中的得力助手。想象一下，在现代化的工厂里，机器人能够按照预设的程序精准地完成各种复杂任务，不仅提高了生产效率，还大大降低了人力成本。然而，这看似完美的背后，却隐藏着诸多挑战。
其中，确保高可用性和实时响应性成为了亟待解决的难题。对于一些对服务中断极为敏感的应用场景，哪怕是短暂的停机，都可能带来巨大的损失。比如在一些精密制造领域，机器人控制的瞬间中断，可能导致产品出现瑕疵，严重影响产品质量和生产进度。而且，网络控制系统（NCS）虽然有着诸多优势，像低成本、灵活部署等，但依赖通信网络的它，也面临着数据包丢失、网络延迟、抖动以及时间同步等问题，这些都像一颗颗 “定时炸弹”，随时可能破坏系统的稳定性。
为了突破这些困境，来自国外的研究人员展开了一项极具意义的研究。他们聚焦于设计和实现一种基于 Kubernetes 的远程机器人控制架构，致力于提高系统的可用性和容错能力。经过不懈努力，他们成功构建了一套可行的系统，并通过实验验证了其有效性。这一研究成果对于推动工业自动化的发展具有重要意义，相关论文发表在《Expert Systems with Applications》上。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，他们将机器人控制引擎进行容器化处理，并采用双 pod 设置（由一个活动 pod 和一个备用 pod 组成）进行部署。其次，引入负载均衡器（LB），它能够在监测系统健康状况的同时，将控制命令无缝地路由到活动 pod 。此外，针对 ROS 2 缺乏跨网络通信原生支持的问题，开发了云桥代理，实现了机器人与远程服务器之间预定义 ROS 2 消息的交换。
下面来详细看看研究结果：
- 机器人系统和状态空间表示：研究选用了非完整约束的自平衡机器人，其配备两个由 ODrive v3.6 驱动器控制的无刷直流（BLDC）车轮，分别为右轮（WR）和左轮（WL），这两个车轮对维持机器人的稳定性起着关键作用。
- 高可用性系统设计：通过 Kubernetes 实现了冗余部署，当活动 pod 发生故障时，备用 pod 能自动接管工作，确保系统持续运行。同时，利用云桥和 LB，保障了分布式系统组件之间的无缝集成和高效通信。
- 实验结果：以对控制停机时间高度敏感的自平衡机器人为实验对象，在不同条件下对 Kubernetes pod 的定时行为进行分析。结果表明，该系统能够有效减少停机时间，在工业自动化场景中保持稳定且实时的通信。
研究结论和讨论部分指出，Kubernetes 在云基服务中应用广泛，本研究设计并实现的基于 Kubernetes 的高可用性远程控制机器人系统，验证了其在工业自动化和控制系统中的可行性。该系统利用 Kubernetes 容器化机器人引擎，结合 pod 冗余，大大提高了系统的可靠性。这一成果为工业自动化领域提供了新的思路和解决方案，有助于推动相关行业向更加智能化、高效化的方向发展。未来，研究人员还将继续探索，进一步优化系统性能，拓展其在更多复杂场景中的应用。
