通過創(chuàng)新圖形化開發(fā)平臺快速構(gòu)建移動機(jī)器人的原型

引言
從廣義范疇上說，機(jī)器人主要包括移動機(jī)器人、機(jī)械手、教育機(jī)器人三大種類。機(jī)械手與教育機(jī)器人都已經(jīng)有了相對成熟的行業(yè)解決方案，而移動機(jī)器人構(gòu)成復(fù)雜、應(yīng)用靈活，目前商業(yè)化程度還不高，主要處于前沿研究的階段，一直以來都是科學(xué)家和工程師們關(guān)注的重點(diǎn)，本文將主要探討移動機(jī)器人的快速原型與開發(fā)。
移動 機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，如圖1所示，從軍用、航空航天－比如無人飛行器 (UAV) 、無人潛航器 (UUV) 和無人地面車 (UGV) ，到工農(nóng)業(yè)裝備－比如采收機(jī)器人、智能化耕作機(jī)械，到家用服務(wù)機(jī)器人等，不一而足。而隨著應(yīng)用領(lǐng)域和環(huán)境的不同，機(jī)器人需要具備相對應(yīng)的自主程度，這也為機(jī)器人的開發(fā)帶來了不同的技術(shù)難點(diǎn)。全自主機(jī)器人通過會涉及到控制系統(tǒng)、自定位、實(shí)時(shí)視覺、多傳感器融合等關(guān)鍵技術(shù)，而遙操作機(jī)器人則往往側(cè)重于雙向力反饋控制、虛擬環(huán)境建模、力覺接口等方面的研究。

圖1 移動機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域
盡管按照不同的應(yīng)用場合機(jī)器人分類復(fù)雜且關(guān)鍵技術(shù)眾多，但他們具有某些共同的構(gòu)架和組成部分，是一個(gè)融合了眾多機(jī)電系統(tǒng)和子系統(tǒng)的綜合體系，并通過這些組成部分與子系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合協(xié)調(diào)工作。由于移動機(jī)器人構(gòu)成復(fù)雜、應(yīng)用靈活，雖則部分子系統(tǒng)已有現(xiàn)成的軟硬件工具和解決方案，但如何快速地把各子系統(tǒng)集成在一起、進(jìn)行早期的整體功能性驗(yàn)證，就成了決定機(jī)器人設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。

圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)――機(jī)器人設(shè)計(jì)的前沿方法
在Google X PRIZE機(jī)構(gòu)、FIRST組織（科學(xué)技術(shù)的啟示與認(rèn)知組織）、RoboCup以及美國國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）之間展開的競爭推進(jìn)了機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新。富有創(chuàng)新思維的開發(fā)者們將機(jī)器人學(xué)的前沿方法推進(jìn)到了圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在LabVIEW圖形化編程平臺下，機(jī)器人學(xué)的領(lǐng)域?qū)＜夷軌驅(qū)?fù)雜的機(jī)器人方案進(jìn)行快速的原型設(shè)計(jì)。這些創(chuàng)新工作者能夠不用關(guān)心底層的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，可以將注意力集中到解決手上的工程問題中去。
機(jī)器人設(shè)計(jì)通常包含以下部分的工作內(nèi)容，如圖2所示：
傳感器連接－連接到陀螺儀、CCD、光電、超聲等傳感器，獲取并處理信息
控制設(shè)計(jì)與仿真－根據(jù)工作環(huán)境和應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)機(jī)器人的控制算法
嵌入式控制－嵌入式控制系統(tǒng)相當(dāng)于機(jī)器人的‘大腦’，根據(jù)算法進(jìn)行控制決策，完成管理協(xié)調(diào)、信息處理、運(yùn)動規(guī)劃等任務(wù)
運(yùn)動控制（執(zhí)行器）－根據(jù)具體的作業(yè)指令，通過驅(qū)動控制器、編碼器和電機(jī)完成機(jī)器人的伺服控制與運(yùn)動執(zhí)行
網(wǎng)絡(luò)通訊與控制－機(jī)器人各子系統(tǒng)間的通訊網(wǎng)絡(luò)，完成分布式控制與實(shí)時(shí)控制

圖2 機(jī)器人設(shè)計(jì)平臺
過去，由于在每個(gè)領(lǐng)域中必須使用各自的傳統(tǒng)工具，其中涉及的知識具有較大的縱向深度，機(jī)械工程師、電氣工程師以及程序員團(tuán)隊(duì)都各自領(lǐng)導(dǎo)機(jī)器人學(xué)的開發(fā)。LabVIEW和NI硬件提供了一個(gè)獨(dú)特的、功能多樣的平臺，它提供了一套標(biāo)準(zhǔn)的可供所有機(jī)器人設(shè)計(jì)人員使用的工具，從而使機(jī)器人開發(fā)得到了統(tǒng)一。