通過(guò)創(chuàng )新圖形化開(kāi)發(fā)平臺快速構建移動(dòng)機器人的原型

引言
從廣義范疇上說(shuō)，機器人主要包括移動(dòng)機器人、機械手、教育機器人三大種類(lèi)。機械手與教育機器人都已經(jīng)有了相對成熟的行業(yè)解決方案，而移動(dòng)機器人構成復雜、應用靈活，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(lái)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(dòng)機器人的快速原型與開(kāi)發(fā)。
移動(dòng) 機器人的應用領(lǐng)域非常廣泛，如圖1所示，從軍用、航空航天－比如無(wú)人飛行器 (UAV) 、無(wú)人潛航器 (UUV) 和無(wú)人地面車(chē) (UGV) ，到工農業(yè)裝備－比如采收機器人、智能化耕作機械，到家用服務(wù)機器人等，不一而足。而隨著(zhù)應用領(lǐng)域和環(huán)境的不同，機器人需要具備相對應的自主程度，這也為機器人的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了不同的技術(shù)難點(diǎn)。全自主機器人通過(guò)會(huì )涉及到控制系統、自定位、實(shí)時(shí)視覺(jué)、多傳感器融合等關(guān)鍵技術(shù)，而遙操作機器人則往往側重于雙向力反饋控制、虛擬環(huán)境建模、力覺(jué)接口等方面的研究。

圖1 移動(dòng)機器人的應用領(lǐng)域
盡管按照不同的應用場(chǎng)合機器人分類(lèi)復雜且關(guān)鍵技術(shù)眾多，但他們具有某些共同的構架和組成部分，是一個(gè)融合了眾多機電系統和子系統的綜合體系，并通過(guò)這些組成部分與子系統的有機結合協(xié)調工作。由于移動(dòng)機器人構成復雜、應用靈活，雖則部分子系統已有現成的軟硬件工具和解決方案，但如何快速地把各子系統集成在一起、進(jìn)行早期的整體功能性驗證，就成了決定機器人設計成敗的關(guān)鍵性環(huán)節。

圖形化系統設計――機器人設計的前沿方法
在Google X PRIZE機構、FIRST組織（科學(xué)技術(shù)的啟示與認知組織）、RoboCup以及美國國防高級研究計劃局（DARPA）之間展開(kāi)的競爭推進(jìn)了機器人學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng )新。富有創(chuàng )新思維的開(kāi)發(fā)者們將機器人學(xué)的前沿方法推進(jìn)到了圖形化系統設計。在LabVIEW圖形化編程平臺下，機器人學(xué)的領(lǐng)域專(zhuān)家能夠對復雜的機器人方案進(jìn)行快速的原型設計。這些創(chuàng )新工作者能夠不用關(guān)心底層的實(shí)現細節，可以將注意力集中到解決手上的工程問(wèn)題中去。
機器人設計通常包含以下部分的工作內容，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
控制設計與仿真－根據工作環(huán)境和應用需求，設計機器人的控制算法
嵌入式控制－嵌入式控制系統相當于機器人的‘大腦’，根據算法進(jìn)行控制決策，完成管理協(xié)調、信息處理、運動(dòng)規劃等任務(wù)
運動(dòng)控制（執行器）－根據具體的作業(yè)指令，通過(guò)驅動(dòng)控制器、編碼器和電機完成機器人的伺服控制與運動(dòng)執行
網(wǎng)絡(luò )通訊與控制－機器人各子系統間的通訊網(wǎng)絡(luò )，完成分布式控制與實(shí)時(shí)控制

圖2 機器人設計平臺
過(guò)去，由于在每個(gè)領(lǐng)域中必須使用各自的傳統工具，其中涉及的知識具有較大的縱向深度，機械工程師、電氣工程師以及程序員團隊都各自領(lǐng)導機器人學(xué)的開(kāi)發(fā)。LabVIEW和NI硬件提供了一個(gè)獨特的、功能多樣的平臺，它提供了一套標準的可供所有機器人設計人員使用的工具，從而使機器人開(kāi)發(fā)得到了統一。