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机器人如何交流：使用 gRPC 和 WebRTC 构建分布式机器人

作者：Joyce Lin (Viam) | 客座文章

如果您正在构建任何类型的分布式机器，例如机器人、无人机或物联网设备，以下两个问题很快就会浮现出来

  • 如何高效地发送结构化命令和数据？
  • 当网络不可靠时，如何保持通信的弹性？

在本文中，我将分享我们在 Viam（一个结合 gRPC 用于结构化 RPC 和 WebRTC 用于点对点流媒体的开源机器人平台）所使用的方法。即使您不是在构建机器人，相同的架构思想也可以帮助您设计更具可扩展性和适应性的系统。

弥合实验室级机器人技术与实际系统之间的鸿沟

ROS（机器人操作系统）长期以来一直是构建和原型化机器人系统（特别是在研究和学术领域）的首选框架。它在受信任的本地网络上运行良好，因为这就是它的设计初衷。

但如今的机器人不再局限于严格受控的实验室工作台。它们被部署在工厂车间、海上或偏远地区，这些地方的网络条件不可预测，可靠性至关重要。

ROS 本身不处理网络通信。如果您需要通过互联网与机器人通信，则需要自行设计解决方案。现代机器人技术需要的不仅仅是本地局域网协议。它需要支持云、点对点且具有弹性的通信堆栈。

Viam 没有依赖像 MQTT 这样的分布式消息堆栈或通过云中继命令，而是使用 gRPC 和 WebRTC 来支持 其机器人平台。这些协议协同使用，提供了一种现代替代方案，补充了 ROS 的优势。gRPC 提供结构化、语言无关的 API，并具有快速、高效的 Protobuf 序列化功能。WebRTC 则增加了低延迟的点对点连接，这对于在机器之间传输传感器数据或实时视频非常理想。

一些机器人开发者也在 ROS 之上叠加 gRPC 接口，将 ROS 丰富的生态系统与 gRPC 的现代传输和可扩展性融为一体。

为什么 gRPC 对机器人有意义

现代机器人不再是固定环境中的单一用途机器。它们是移动的、多组件的系统，需要与传感器、感知服务和控制回路协同工作，通常是实时工作。

gRPC 通过以下几个关键方式支持这些需求

  • 低延迟、实时控制：gRPC 支持连续、双向的流，允许系统向机械臂发送实时姿态更新，同时接收遥测数据，而无需额外的往返延迟。
  • 跨平台、多语言一致性：gRPC 自动为 Python、Go、C++ 等语言生成客户端库（存根），从而更轻松地以一致的接口连接不同的设备、SDK 和环境。
  • 轻量级和高效序列化：gRPC 在带宽受限环境或嵌入式设备中也很有帮助，这得益于 Protobuf 的轻量级二进制编码。
  • 安全优势：gRPC 在设计时就内置了端到端加密（默认使用 TLS）和认证功能，确保机器部件之间（无论是通过本地网络还是公共互联网）的安全通信，而无需开发人员额外添加安全层。
  • 机器部件的服务抽象：通过 gRPC 和 Protobuf，机器人的每个部件，从电机到摄像头再到传感器，都可以被建模为标准化的、语言无关的服务。
    Every robot part becomes an encapsulated, language-agnostic service

在 Viam 的公共 API 中，每个机器人组件都使用 Protobuf 定义为 gRPC 服务。机械臂、摄像头和传感器等组件暴露了类型化的方法，可以远程调用。以下是摘自 arm.proto 文件的摘录，该文件定义了机械臂的基本移动和姿态检索方法

// An ArmService services all arms associated with a robot
service ArmService {
  rpc MoveToPosition (MoveToPositionRequest) returns (MoveToPositionResponse);
  rpc GetEndPosition (GetEndPositionRequest) returns (GetEndPositionResponse);
  rpc GetJointPositions(GetJointPositionsRequest) returns (GetJointPositionsResponse);
}

这些 proto 服务可以生成 SDK 来帮助您操作机器。此示例使用 Python SDK 来移动机械臂。在底层，gRPC 负责将命令编码为 Protobuf 消息，并通过 HTTP/2（或 WebRTC，取决于环境）发送。

from viam.components.arm import ArmClient

arm = ArmClient.from_robot(robot=robot, name="my-arm")

# Move the arm to a target 3D position
arm.move_to_position(x=0.1, y=0.2, z=0.3, orientation=None, world_state=None)

为什么 WebRTC 也是其中一部分

乍一看，gRPC 和 WebRTC 可能显得多余。两者都可以流式传输数据并发送结构化消息。但它们解决了机器人领域中截然不同的挑战。

WebRTC 擅长建立直接的点对点连接，这在以下情况下至关重要：

  • 设备位于本地网络或受 NAT/防火墙限制时
  • 您想绕过中央中继或云服务器时
  • 您在机器之间传输高带宽传感器数据（如实时视频或 LIDAR）时

Viam 使用 gRPC 进行编排，WebRTC 作为底层传输协议，将两者结合起来，以实现快速、结构化的消息传递，并最大程度地减少路由开销。

使用 gRPC 实现灵活的传输层

虽然 WebRTC 支持分布式机器中的点对点通信，但 gRPC 也提供了灵活地更换底层传输层的能力。

这里有一个 运行在 WebRTC 和其他传输协议之上的 gRPC 服务器示例。Viam 还使用 Unix 域套接字 (UDS) 在 viam-server 和内部模块之间进行本地消息传递；使用蓝牙进行机器配置或代理网络流量；以及使用串口连接嵌入式外设。

由于 gRPC 在 API 层定义了一致的接口，我们可以根据环境或设备更改传输协议，而无需重写客户端逻辑，这在构建跨云、本地和受限网络的系统时是一个巨大的优势。

一个真实世界的例子：协调抓娃娃机

想象一下一台遥控抓娃娃机，就像您在街机厅看到的那种。它有两个主要组件：一个摄像头和一个机械臂。用户界面，例如 网络应用 或 移动应用，发送控制命令并接收实时视频流，以帮助引导爪子抓取奖品。

Viam enclosed robotic arm as a claw game at a conference

以下是 gRPC 和 WebRTC 在幕后协同工作的方式

  • 初始化：系统通过 HTTP/2 使用 gRPC 建立控制通道。每个组件注册其服务（例如 ArmService, CameraService）。
  • 连接：gRPC 协调对等元数据和信令的交换，以在 SDK 和机器部件之间建立 WebRTC 会话。
  • 实时操作：WebRTC 现在直接在对等方之间处理媒体和数据流。命令使用 gRPC 方法调用发送，通过 WebRTC 传输路由。视频和传感器流则反向流动。

Viam uses gRPC to initialize connections and WebRTC for peer-to-peer communication in this robot claw game

这种双协议方法即使在不可预测的网络条件下，也能实现实时交互、流畅的流媒体传输和弹性回退行为。

为什么这种模式对更广泛的社区很重要

gRPC 的结构和 WebRTC 的灵活性相结合，为新型分布式系统打开了大门，不仅限于机器人领域，还适用于任何需要以下特性的场景：

  • 松散耦合系统之间的实时双向通信
  • 跨语言和设备的类型化、版本化 API
  • 传输无关的灵活性，并在需要时可选择点对点通信

gRPC 组织对话。WebRTC 在网络中传输它。

Viam 实现实时机器人控制

gRPC 已经远远超出了简单的请求/响应 API。在机器人以外的许多行业中，机器之间的通信方式比以往任何时候都更加关键。gRPC 和 WebRTC 不仅仅是更快的协议，它们更是下一代分布式、弹性化和智能机器的重要构建模块。

如果您正在构建需要在设备、环境和网络之间相互通信的系统，那么是时候探索一个更具可扩展性和适应性的通信层了。

虽然您可以自行构建类似的堆栈，但 Viam 开箱即用地提供了这些功能。其机器上的功能是开源且免费使用的，当您扩展到机群时，还可以根据使用情况选择云服务。

技术审阅人：Nick Hehr (Viam)

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