應對機器人設計開(kāi)發(fā)中的三大挑戰

　　挑戰二. 更小、更輕、更強大的執行機構

　　出于機器人體積和自重的考慮，一般希望執行機構也更輕更小;但同時(shí)由于不同的運動(dòng)要求，又希望執行機構具有強大的功能。隨著(zhù)移動(dòng)性需求從傳統的四輪系統向新型仿生機械的不斷演進(jìn)，對精密執行機構的需求也隨之大幅提升。世界上眾多的專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)商一直從事這方面的研發(fā)，不斷推出高性能的產(chǎn)品。

　　對于機器人應用領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，創(chuàng )造更小、更輕、更強大的執行機構的最終目標是將它們用于機器人設計中，而且執行機構的強大功能往往需要通過(guò)復雜的編程才能發(fā)揮出來(lái)。因此，隨著(zhù)執行機構變得越來(lái)越精密復雜，如何通過(guò)編程完成高精度和高復雜度的控制，也成為機器人系統開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。許多機器人領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)人員并不具有運動(dòng)控制方面的專(zhuān)業(yè)背景，在這種情況下，執行機構的交互式控制開(kāi)發(fā)更顯得尤為重要。NI依靠超過(guò)25年與執行機構連接的經(jīng)驗，通過(guò)提供基于各種平臺的硬件接口模塊和交互式的軟件工具不斷降低控制開(kāi)發(fā)的復雜性，同時(shí)提高交互性和靈活性。NI還與行業(yè)內領(lǐng)先制造商(如Maxon Moter)合作，使其產(chǎn)品的編程開(kāi)發(fā)更加簡(jiǎn)便。

　　此外，在構建復雜運動(dòng)系統的執行機構時(shí)，電機之間的協(xié)調工作也十分重要，比如在四輪驅動(dòng)系統轉向或機械臂動(dòng)作中，就需要多個(gè)電機配合協(xié)調工作。運用NI LabVIEW機器人模塊中所提供的Steering函數組和Kinematics函數組，就可以直接計算出在這些應用中每個(gè)電機分別需要的轉動(dòng)速度，從而幫助機器人設計人員縮短了從高性能電機到創(chuàng )新機器人應用之間的距離。

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

　　圖3 基于LabVIEW FPGA實(shí)現的FOC算法可以進(jìn)一步提高現有電機控制系統的性能和效率

　　挑戰三. 對工業(yè)級軟件開(kāi)發(fā)平臺的需求

　　除了硬件之外，機器人領(lǐng)域的研發(fā)人員還需要功能強大的軟件來(lái)設計他們的自主系統。人們往往容易忽視這一點(diǎn)，許多人認為“任何事情立即從頭設計都是相對簡(jiǎn)單的”,但這對于當今機器人飛速發(fā)展的時(shí)代是不適用的。事實(shí)上，隨著(zhù)一些技術(shù)領(lǐng)域的趨同并形成某種事實(shí)上的標準，創(chuàng )新已經(jīng)不再意味著(zhù)只是從零開(kāi)始，更多的創(chuàng )新應用都是將模塊化的算法和功能組織在一起而完成的。機器人領(lǐng)域亦不例外，需要標準、工業(yè)級的軟件提供現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(guān)式的

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

　　圖4 機器人設計軟件應該是非常直觀(guān)的。LabVIEW圖形化編程通過(guò)直觀(guān)的框圖和連線(xiàn)完成了LIDAR數據采集、障礙物回避決策、剎車(chē)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)