如何應(yīng)對機器人設(shè)計開發(fā)中的三大挑戰(zhàn)

　　在幾次頂級機器人設(shè)計展(無人車輛系統(tǒng)國際協(xié)會(AUVSI)和NIWeek 2009機器人峰會)中與無人系統(tǒng)設(shè)計的領(lǐng)導者會面后，我想和大家分享一下從機器人領(lǐng)域頂尖科學家和工程師那里了解到的當今最大的挑戰(zhàn)。通過信息分享，機器人領(lǐng)域的研究人員能夠攜手應(yīng)對挑戰(zhàn)，推動機器人市場這個行業(yè)的發(fā)展，在2010年預(yù)計市場規(guī)模達到4700億美元，并通過創(chuàng)新實現(xiàn)真正的生活改善。

　　最近，機器人領(lǐng)域的著名科學家David Barrett博士（曾任iRobot公司副總裁，迪士尼夢幻工程公司主管，現(xiàn)任Olin學院SCOPE項目主管）在2009年NIWeek圖形化系統(tǒng)設(shè)計會議上發(fā)言，總結(jié)了當前我們面臨的三大挑戰(zhàn)。

? 創(chuàng)造更好的 (更小、更輕、更強大) 電池
? 創(chuàng)造更好的 (更小、更輕、更強大) 執(zhí)行機構(gòu)
? 解決對工業(yè)級、可靠的、兼容性良好的軟件開發(fā)系統(tǒng)的需要

　　這些挑戰(zhàn)也獲得了業(yè)內(nèi)其他領(lǐng)導者的響應(yīng)。FIRST機器人及DEKA研發(fā)公司的創(chuàng)始人Dean Kamen也表達了對機器人開發(fā)中傳統(tǒng)嵌入式方法的顧慮，同時描述了為什么他的團隊選擇NI LabVIEW軟件和NI CompactRIO可編程自動化控制器(PACs)用于 FIRST項目中的機器人自主控制系統(tǒng)。美國國防部地面機器人和無人系統(tǒng)主管Ellen Purdy關(guān)注于自主系統(tǒng)的進一步標準化和持久性(電池能力)需要。韓國浦項智能機器人研究所的Hee Chang Moon博士強調(diào)了對于集成的嵌入式系統(tǒng)（如NI CompactRIO）以及直觀式開發(fā)軟件的需求。TORC科技公司的Michael Fleming解釋了為什么TORC從原先的編程工具轉(zhuǎn)而使用LabVIEW來設(shè)計其復(fù)雜的自主系統(tǒng)。他特別談到了TORC如何從高級且功能強大的軟件中獲益，從而有助于簡化系統(tǒng)設(shè)計中的復(fù)雜問題。

圖1. FIRST RoboTIcs的Dean Kamen表示在LabVIEW和CompactRIO等工具的幫助下即使是高中學生也能解決某些最復(fù)雜的機器人設(shè)計中的問題。

　　從世界各地的設(shè)計工程師、教授和學生那里了解到了這些挑戰(zhàn)，我希望和大家分享一下美國國家儀器公司的一些開發(fā)經(jīng)驗。我們已經(jīng)清晰了解了關(guān)于設(shè)計更好的機器人和自主系統(tǒng)的需要，大家希望從LabVIEW及可重配置I/O技術(shù)中獲得幫助。這里向大家概括地展示一下我們正著手的工作。
更好的電池

　　盡管NI目前不制造電池，但我們計劃為我們的嵌入式硬件增加一些特性，從而有助于解決此問題。我們已經(jīng)在RIO硬件發(fā)展規(guī)劃中添加了新功能，尤其針對自主系統(tǒng)設(shè)計人員。我們正在設(shè)計針對CompactRIO和NI Single-Board RIO平臺的內(nèi)置自診斷和監(jiān)視API功能。機器人的開發(fā)人員可以通過這些功能直接了解電池狀態(tài)，從而設(shè)計更優(yōu)化的待機和節(jié)電模式。

　　我們不僅致力于電池的可訪問性和優(yōu)化，而且還在探索替代能源。從波浪發(fā)電到太陽能和風能，綠色工程學和機器人學科將很快相互融合并相互提供可行的解決方案，包括小型移動平臺上的極高效能源發(fā)生和收集。我們還致力于提供更高效的控制算法，如針對基于FPGA控制的面向現(xiàn)場控制(FOC) 算法。FOC也被稱為矢量控制，它能夠在更高速的電機環(huán)境下提高效率從而改善正弦控制。在所有控制技術(shù)中，它能在每瓦功率下提供最大扭矩。尖端技術(shù)的結(jié)合（如高級控制與綠色工程的結(jié)合）將實現(xiàn)多種關(guān)鍵應(yīng)用的開發(fā)，比如海洋中應(yīng)用的具有波浪收集能力的監(jiān)視系統(tǒng)，以及可以幫助農(nóng)民提高效率的太陽能農(nóng)機具。

圖2. FOC算法與LabVIEW FPGA模塊能將現(xiàn)有的電機控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為高性能、高效率的機器或機器人
更好的執(zhí)行機構(gòu)

　　與電池相同，NI也沒有制造執(zhí)行機構(gòu)的計劃，但我們擁有超過25年的與執(zhí)行機構(gòu)連接的經(jīng)驗，同時一直關(guān)注于改善執(zhí)行機構(gòu)控制的交互性。我們正與行業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先者如Maxon Motor合作，使得對這些設(shè)備的編程更加簡單。我們的設(shè)計團隊擁有執(zhí)行機構(gòu)選型和編程方面的第一手經(jīng)驗。舉例來說，我們最新創(chuàng)建的名為VINI的新型演示平臺，目的在于創(chuàng)建自主的即時定位與構(gòu)圖(SLAM)平臺，它采用了Hokuyo LIDAR、Ocean Server羅盤、CompactRIO嵌入式控制平臺，以及連接了NI智能相機和Axis低成本以太網(wǎng)攝像頭的NI工業(yè)控制器，以實現(xiàn)視覺處理。我們希望實現(xiàn)一個機械驅(qū)動的系統(tǒng)，配備Maxon Motor公司的基于CANopen的無刷伺服電機。在設(shè)計過程中，我們很快體會到選擇合適電機的重要性，尤其是不同的運動選項，如Mecanum或全向車輪。相對于標準的四輪驅(qū)動系統(tǒng)，就必須補償不同的驅(qū)動和扭矩需要。

圖3. 圖中顯示了VINI機器人構(gòu)架與實物，通過CompactRIO和NI工業(yè)控制器搭建成，具有可靠的感知系統(tǒng)、決策規(guī)劃和執(zhí)行控制能力。

　　隨著移動性需求從傳統(tǒng)的四輪系統(tǒng)向新型仿生機械的不斷演進，對精密執(zhí)行機構(gòu)的需要隨之大幅提高。舉例來說，2009年7月在RoboTIcs Business Review中的一篇文章中描述了一項被稱為RoboSwift的項目，它模仿了雨燕或燕子的行為方式，降低了被探測到的可能性，并優(yōu)化了在城市區(qū)域中的機動性。RoboSwift的翅膀甚至擁有可變后掠翼，使飛行機器人能夠改變翼的幾何形狀從而達到最佳的轉(zhuǎn)彎半徑。此類設(shè)計同樣需要執(zhí)行機構(gòu)的創(chuàng)新。

　　NI正努力使電機控制和接口設(shè)計更簡單。從電機驅(qū)動（如NI 9505和最近發(fā)布的NI 951x系列CompactRIO驅(qū)動接口模塊）到 LabVIEW 2009 NI SoftMotion Module中直觀的運動控制功能，再到LabVIEW中基于FPGA的CAN通信電機控制范例(ni.com/ipnet)、以及簡單數(shù)字控制(如PWM)，我們不斷使執(zhí)行機構(gòu)的控制更加簡單、高效、靈活。
工業(yè)級的機器人軟件

　　專家認為的最大的挑戰(zhàn)也是令我最激動的一項挑戰(zhàn)：機器人研發(fā)人員需要功能強大的軟件來設(shè)計他們的自主系統(tǒng)——不是專門針對特定機器人或任務(wù)的軟件，而是不但對現(xiàn)有算法開放且能夠解決當前也許還不知道的問題。這將是我認為最快獲得解決的挑戰(zhàn)。隨著你們及其他世界領(lǐng)先的軟件開發(fā)人員的努力，我們能夠讓設(shè)計人員在2010年獲得功能更強大的軟件包。目前最大的阻力是大家的慣性思維。許多公司正投資于錯誤的方法。法國巴黎Aldebaran Robotics公司的 AnneMarie Bourcier的話最近被Slashdot.org引述，他說“任何事情立即從頭設(shè)計都是相對簡單的?！?/P>

　　這是最近數(shù)十年來機器人領(lǐng)域的觀念，也正是我們沒有看到產(chǎn)品被廣泛采用和改進的原因。我們希望看到一些技術(shù)的趨同，并通過我們的創(chuàng)新能力使機器人產(chǎn)生其應(yīng)有的影響力。因而，機器人領(lǐng)域需要標準的、工業(yè)級的軟件。

　　1. 該軟件必須是直觀式的.

　　許多機器人研發(fā)人員都擁有機械工程或電子工程學的背景，但沒有時間或資金去學習最有用的計算機技術(shù)中的重要細節(jié)，然而他們卻需要從這些技術(shù)中獲得幫助。編程能力，如面向?qū)ο缶幊毯瓦f歸在機器人自動控制系統(tǒng)中是至關(guān)重要的，所以他們需要一款具有這些特性的編程語言。此外，用戶界面必須直觀靈活。通常自主系統(tǒng)的終端用戶是營救人員（如消防員）、士兵或老年人，無論是誰都很難面對一個復(fù)雜、難以理解的用戶界面來完成他們的任務(wù)。

　　2. 軟件必須具備與I/O的良好集成性.

　　每個自主系統(tǒng)都必須感知或察覺周圍世界的環(huán)境并做出反應(yīng)。傳感需要外部傳感器如激光測距儀及聲納傳感器，做出反應(yīng)則需要具有驅(qū)動不同類型執(zhí)行機構(gòu)的能力。除了感知系統(tǒng)、決策規(guī)劃和執(zhí)行控制以外，軟件工具還必須在真實硬件上輕松實現(xiàn)應(yīng)用，這意味著軟件必須具有與實時系統(tǒng)、實時嵌入式硬件、甚至FPGA 的強大交互性。許多軟件包，包括市場上的Microsoft Robotics Studio缺乏這種功能，它們能夠仿真并在開發(fā)機器上運行，但不具備實時硬件實現(xiàn)的能力。

　　3. 軟件必須是開放的靈活的.

　　許多自主算法都已進行過最優(yōu)化并可重用，但許多算法隨已完成但往往需要擴展功能。舉例來說，許多系統(tǒng)初始采用基本的搜索算法，如A* 至D*。許多機器人研發(fā)人員希望從這些基本算法開始，并在此基礎(chǔ)上添加他們的創(chuàng)新或最新研究成果，從而創(chuàng)建新型的搜索算法，或?qū)⑺鼈兣c新的地圖技術(shù)集成從而用于機器人救援或醫(yī)療輔助應(yīng)用。當前許多機器人軟件包的封閉特性讓設(shè)計工程師難以入手。像iRobot Aware等軟件包可用于他們的機器人，但不能用于自定義或獨特的機器人設(shè)計。

　　4. 軟件必須具備良好的交互性.

　　創(chuàng)新機器人設(shè)計并不簡單，它需要許多反復(fù)修改和原型設(shè)計。設(shè)計機器人所用的軟件應(yīng)能夠適應(yīng)這種情況。機器人研發(fā)人員需要一款可以輕松調(diào)試的軟件包，既可以進行直觀的仿真又能在實時硬件系統(tǒng)上快速實現(xiàn)，從而測試算法和真實I/O。接下來有可能還要再回到開發(fā)環(huán)境，對同樣的代碼進行進一步優(yōu)化或軟件調(diào)整。

　　開發(fā)中的軟件

　　NI產(chǎn)品開發(fā)組正努力應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，并為自主系統(tǒng)開發(fā)提供直觀的、集成I/O的、開放的、靈活的、交互式的軟件環(huán)境。我們擁有一個由具有數(shù)十年軟件設(shè)計經(jīng)驗的專家組成的團隊，研發(fā)了新版的LabVIEW軟件應(yīng)對上述需要。事實上Barrett博士宣稱LabVIEW正是工業(yè)界所需的軟件，稱其“能夠處理各類傳感器、多種執(zhí)行機構(gòu)、復(fù)雜動態(tài)控制算法，并能輕松在實時環(huán)境下實現(xiàn)系統(tǒng)?！?/P>

　　我們的設(shè)計團隊也在LabVIEW機器人模塊中添加了許多新功能，包括集成機器人專用的傳感器和執(zhí)行機構(gòu)、避障、搜索及運動學算法，以及新的可視化能力。我們深信創(chuàng)造機器人無需機器人專業(yè)的博士學位。你可以從功能強大的設(shè)計工具中獲益，從容地開發(fā)高端機器人。

圖4. 機器人軟件設(shè)計無需非常復(fù)雜。圖中簡單的LabVIEW框圖通過直觀、良好可讀性的編程提供了LIDAR傳感、障礙物回避決策、以及剎車制動功能。