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(dǎo)者會面后，我想和大家分享一下從機器人領(lǐng)域頂尖科學(xué)家和工程師那里了解到的當(dāng)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(xué)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(xué)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(dāng)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(dǎo)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(xué)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(xué)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(fēng)能，綠色工程學(xué)和機器人學(xué)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(dāng)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(xué)的背景，但沒有時間或資金去學(xué)習(xí)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(dāng)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(xué)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(xué)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。