應(yīng)對(duì)機(jī)器人設(shè)計(jì)開發(fā)中的三大挑戰(zhàn)

　　挑戰(zhàn)二. 更小、更輕、更強(qiáng)大的執(zhí)行機(jī)構(gòu)

　　出于機(jī)器人體積和自重的考慮，一般希望執(zhí)行機(jī)構(gòu)也更輕更小;但同時(shí)由于不同的運(yùn)動(dòng)要求，又希望執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有強(qiáng)大的功能。隨著移動(dòng)性需求從傳統(tǒng)的四輪系統(tǒng)向新型仿生機(jī)械的不斷演進(jìn)，對(duì)精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)的需求也隨之大幅提升。世界上眾多的專業(yè)廠商一直從事這方面的研發(fā)，不斷推出高性能的產(chǎn)品。

　　對(duì)于機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域來說，創(chuàng)造更小、更輕、更強(qiáng)大的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最終目標(biāo)是將它們用于機(jī)器人設(shè)計(jì)中，而且執(zhí)行機(jī)構(gòu)的強(qiáng)大功能往往需要通過復(fù)雜的編程才能發(fā)揮出來。因此，隨著執(zhí)行機(jī)構(gòu)變得越來越精密復(fù)雜，如何通過編程完成高精度和高復(fù)雜度的控制，也成為機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵問題之一。許多機(jī)器人領(lǐng)域的開發(fā)人員并不具有運(yùn)動(dòng)控制方面的專業(yè)背景，在這種情況下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的交互式控制開發(fā)更顯得尤為重要。NI依靠超過25年與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接的經(jīng)驗(yàn)，通過提供基于各種平臺(tái)的硬件接口模塊和交互式的軟件工具不斷降低控制開發(fā)的復(fù)雜性，同時(shí)提高交互性和靈活性。NI還與行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先制造商(如Maxon Moter)合作，使其產(chǎn)品的編程開發(fā)更加簡便。

　　此外，在構(gòu)建復(fù)雜運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，電機(jī)之間的協(xié)調(diào)工作也十分重要，比如在四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向或機(jī)械臂動(dòng)作中，就需要多個(gè)電機(jī)配合協(xié)調(diào)工作。運(yùn)用NI LabVIEW機(jī)器人模塊中所提供的Steering函數(shù)組和Kinematics函數(shù)組，就可以直接計(jì)算出在這些應(yīng)用中每個(gè)電機(jī)分別需要的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而幫助機(jī)器人設(shè)計(jì)人員縮短了從高性能電機(jī)到創(chuàng)新機(jī)器人應(yīng)用之間的距離。

　　圖2 NI嵌入式硬件平臺(tái)CompactRIO提供方便的電機(jī)接口，并可通過LabVIEW軟件交互式地完成軟件開發(fā)

　　圖3 基于LabVIEW FPGA實(shí)現(xiàn)的FOC算法可以進(jìn)一步提高現(xiàn)有電機(jī)控制系統(tǒng)的性能和效率

　　挑戰(zhàn)三. 對(duì)工業(yè)級(jí)軟件開發(fā)平臺(tái)的需求

　　除了硬件之外，機(jī)器人領(lǐng)域的研發(fā)人員還需要功能強(qiáng)大的軟件來設(shè)計(jì)他們的自主系統(tǒng)。人們往往容易忽視這一點(diǎn)，許多人認(rèn)為“任何事情立即從頭設(shè)計(jì)都是相對(duì)簡單的”,但這對(duì)于當(dāng)今機(jī)器人飛速發(fā)展的時(shí)代是不適用的。事實(shí)上，隨著一些技術(shù)領(lǐng)域的趨同并形成某種事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)新已經(jīng)不再意味著只是從零開始，更多的創(chuàng)新應(yīng)用都是將模塊化的算法和功能組織在一起而完成的。機(jī)器人領(lǐng)域亦不例外，需要標(biāo)準(zhǔn)、工業(yè)級(jí)的軟件提供現(xiàn)成可用的算法和工具，從而幫助研發(fā)人員更快地完成創(chuàng)新。

　　1. 該軟件必須是直觀式的

　　許多機(jī)器人研發(fā)人員都具有機(jī)械工程或電子工程背景，但沒有時(shí)間和精力去學(xué)習(xí)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，所以需要一款集成常用函數(shù)和算法的軟件開發(fā)工具，該工具還必須具有良好的交互性和易用性。此外，自主系統(tǒng)的終端用戶往往是營救人員(如消防員)、士兵或老年人等，他們也不一定具備計(jì)算機(jī)知識(shí)，因此用戶界面也必須足夠直觀。

　　圖4 機(jī)器人設(shè)計(jì)軟件應(yīng)該是非常直觀的。LabVIEW圖形化編程通過直觀的框圖和連線完成了LIDAR數(shù)據(jù)采集、障礙物回避決策、剎車制動(dòng)等三個(gè)步驟，清晰易讀(有文字的淡黃色部分為程序注釋)