如何應對機器人設計開(kāi)發(fā)中的三大挑戰

　　在幾次頂級機器人設計展(無(wú)人車(chē)輛系統國際協(xié)會(huì )(AUVSI)和NIWeek 2009機器人峰會(huì ))中與無(wú)人系統設計的領(lǐng)導者會(huì )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今最大的挑戰。通過(guò)信息分享，機器人領(lǐng)域的研究人員能夠攜手應對挑戰，推動(dòng)機器人市場(chǎng)這個(gè)行業(yè)的發(fā)展，在2010年預計市場(chǎng)規模達到4700億美元，并通過(guò)創(chuàng )新實(shí)現真正的生活改善。

　　最近，機器人領(lǐng)域的著(zhù)名科學(xué)家David Barrett博士（曾任iRobot公司副總裁，迪士尼夢(mèng)幻工程公司主管，現任Olin學(xué)院SCOPE項目主管）在2009年NIWeek圖形化系統設計會(huì )議上發(fā)言，總結了當前我們面臨的三大挑戰。

? 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) 執行機構
? 解決對工業(yè)級、可靠的、兼容性良好的軟件開(kāi)發(fā)系統的需要

　　這些挑戰也獲得了業(yè)內其他領(lǐng)導者的響應。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(kāi)發(fā)中傳統嵌入式方法的顧慮，同時(shí)描述了為什么他的團隊選擇NI LabVIEW軟件和NI CompactRIO可編程自動(dòng)化控制器(PACs)用于 FIRST項目中的機器人自主控制系統。美國國防部地面機器人和無(wú)人系統主管Ellen Purdy關(guān)注于自主系統的進(jìn)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博士強調了對于集成的嵌入式系統（如NI CompactRIO）以及直觀(guān)式開(kāi)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而使用LabVIEW來(lái)設計其復雜的自主系統。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(jiǎn)化系統設計中的復雜問(wèn)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雜的機器人設計中的問(wèn)題。

　　從世界各地的設計工程師、教授和學(xué)生那里了解到了這些挑戰，我希望和大家分享一下美國國家儀器公司的一些開(kāi)發(fā)經(jīng)驗。我們已經(jīng)清晰了解了關(guān)于設計更好的機器人和自主系統的需要，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(zhù)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(wèn)題。我們已經(jīng)在RIO硬件發(fā)展規劃中添加了新功能，尤其針對自主系統設計人員。我們正在設計針對CompactRIO和NI Single-Board RIO平臺的內置自診斷和監視API功能。機器人的開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)這些功能直接了解電池狀態(tài)，從而設計更優(yōu)化的待機和節電模式。

　　我們不僅致力于電池的可訪(fǎng)問(wèn)性和優(yōu)化，而且還在探索替代能源。從波浪發(fā)電到太陽(yáng)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(dòng)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控制的面向現場(chǎng)控制(FOC) 算法。FOC也被稱(chēng)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)的結合（如高級控制與綠色工程的結合）將實(shí)現多種關(guān)鍵應用的開(kāi)發(fā)，比如海洋中應用的具有波浪收集能力的監視系統，以及可以幫助農民提高效率的太陽(yáng)能農機具。

圖2. FOC算法與LabVIEW FPGA模塊能將現有的電機控制系統轉換為高性能、高效率的機器或機器人
更好的執行機構

　　與電池相同，NI也沒(méi)有制造執行機構的計劃，但我們擁有超過(guò)25年的與執行機構連接的經(jīng)驗，同時(shí)一直關(guān)注于改善執行機構控制的交互性。我們正與行業(yè)內的領(lǐng)先者如Maxon Motor合作，使得對這些設備的編程更加簡(jiǎn)單。我們的設計團隊擁有執行機構選型和編程方面的第一手經(jīng)驗。舉例來(lái)說(shuō)，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(shí)定位與構圖(SLAM)平臺，它采用了Hokuyo LIDAR、Ocean Server羅盤(pán)、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(shí)現視覺(jué)處理。我們希望實(shí)現一個(gè)機械驅動(dòng)的系統，配備Maxon Motor公司的基于CANopen的無(wú)刷伺服電機。在設計過(guò)程中，我們很快體會(huì )到選擇合適電機的重要性，尤其是不同的運動(dòng)選項，如Mecanum或全向車(chē)輪。相對于標準的四輪驅動(dòng)系統，就必須補償不同的驅動(dòng)和扭矩需要。

圖3. 圖中顯示了VINI機器人構架與實(shí)物，通過(guò)CompactRIO和NI工業(yè)控制器搭建成，具有可靠的感知系統、決策規劃和執行控制能力。

　　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要隨之大幅提高。舉例來(lái)說(shuō)，2009年7月在RoboTIcs Business Review中的一篇文章中描述了一項被稱(chēng)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)化了在城市區域中的機動(dòng)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彎半徑。此類(lèi)設計同樣需要執行機構的創(chuàng )新。

　　NI正努力使電機控制和接口設計更簡(jiǎn)單。從電機驅動(dòng)（如NI 9505和最近發(fā)布的NI 951x系列CompactRIO驅動(dòng)接口模塊）到 LabVIEW 2009 NI SoftMotion Module中直觀(guān)的運動(dòng)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(jiǎn)單數字控制(如PWM)，我們不斷使執行機構的控制更加簡(jiǎn)單、高效、靈活。
工業(yè)級的機器人軟件

　　專(zhuān)家認為的最大的挑戰也是令我最激動(dòng)的一項挑戰：機器人研發(fā)人員需要功能強大的軟件來(lái)設計他們的自主系統——不是專(zhuān)門(mén)針對特定機器人或任務(wù)的軟件，而是不但對現有算法開(kāi)放且能夠解決當前也許還不知道的問(wèn)題。這將是我認為最快獲得解決的挑戰。隨著(zhù)你們及其他世界領(lǐng)先的軟件開(kāi)發(fā)人員的努力，我們能夠讓設計人員在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(huà)最近被Slashdot.org引述，他說(shuō)“任何事情立即從頭設計都是相對簡(jiǎn)單的?！?/P>

　　這是最近數十年來(lái)機器人領(lǐng)域的觀(guān)念，也正是我們沒(méi)有看到產(chǎn)品被廣泛采用和改進(jìn)的原因。我們希望看到一些技術(shù)的趨同，并通過(guò)我們的創(chuàng )新能力使機器人產(chǎn)生其應有的影響力。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(guān)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(méi)有時(shí)間或資金去學(xué)習最有用的計算機技術(shù)中的重要細節，然而他們卻需要從這些技術(shù)中獲得幫助。編程能力，如面向對象編程和遞歸在機器人自動(dòng)控制系統中是至關(guān)重要的，所以他們需要一款具有這些特性的編程語(yǔ)言。此外，用戶(hù)界面必須直觀(guān)靈活。通常自主系統的終端用戶(hù)是營(yíng)救人員（如消防員）、士兵或老年人，無(wú)論是誰(shuí)都很難面對一個(gè)復雜、難以理解的用戶(hù)界面來(lái)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(gè)自主系統都必須感知或察覺(jué)周?chē)澜绲沫h(huán)境并做出反應。傳感需要外部傳感器如激光測距儀及聲納傳感器，做出反應則需要具有驅動(dòng)不同類(lèi)型執行機構的能力。除了感知系統、決策規劃和執行控制以外，軟件工具還必須在真實(shí)硬件上輕松實(shí)現應用，這意味著(zhù)軟件必須具有與實(shí)時(shí)系統、實(shí)時(shí)嵌入式硬件、甚至FPGA 的強大交互性。許多軟件包，包括市場(chǎng)上的Microsoft Robotics Studio缺乏這種功能，它們能夠仿真并在開(kāi)發(fā)機器上運行，但不具備實(shí)時(shí)硬件實(shí)現的能力。

　　3. 軟件必須是開(kāi)放的靈活的.

　　許多自主算法都已進(jìn)行過(guò)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(lái)說(shuō)，許多系統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(kāi)始，并在此基礎上添加他們的創(chuàng )新或最新研究成果，從而創(chuàng )建新型的搜索算法，或將它們與新的地圖技術(shù)集成從而用于機器人救援或醫療輔助應用。當前許多機器人軟件包的封閉特性讓設計工程師難以入手。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計。

　　4. 軟件必須具備良好的交互性.

　　創(chuàng )新機器人設計并不簡(jiǎn)單，它需要許多反復修改和原型設計。設計機器人所用的軟件應能夠適應這種情況。機器人研發(fā)人員需要一款可以輕松調試的軟件包，既可以進(jìn)行直觀(guān)的仿真又能在實(shí)時(shí)硬件系統上快速實(shí)現，從而測試算法和真實(shí)I/O。接下來(lái)有可能還要再回到開(kāi)發(fā)環(huán)境，對同樣的代碼進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化或軟件調整。

　　開(kāi)發(fā)中的軟件

　　NI產(chǎn)品開(kāi)發(fā)組正努力應對這些挑戰，并為自主系統開(kāi)發(fā)提供直觀(guān)的、集成I/O的、開(kāi)放的、靈活的、交互式的軟件環(huán)境。我們擁有一個(gè)由具有數十年軟件設計經(jīng)驗的專(zhuān)家組成的團隊，研發(fā)了新版的LabVIEW軟件應對上述需要。事實(shí)上Barrett博士宣稱(chēng)LabVIEW正是工業(yè)界所需的軟件，稱(chēng)其“能夠處理各類(lèi)傳感器、多種執行機構、復雜動(dòng)態(tài)控制算法，并能輕松在實(shí)時(shí)環(huán)境下實(shí)現系統?！?/P>

　　我們的設計團隊也在LabVIEW機器人模塊中添加了許多新功能，包括集成機器人專(zhuān)用的傳感器和執行機構、避障、搜索及運動(dòng)學(xué)算法，以及新的可視化能力。我們深信創(chuàng )造機器人無(wú)需機器人專(zhuān)業(yè)的博士學(xué)位。你可以從功能強大的設計工具中獲益，從容地開(kāi)發(fā)高端機器人。

圖4. 機器人軟件設計無(wú)需非常復雜。圖中簡(jiǎn)單的LabVIEW框圖通過(guò)直觀(guān)、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(chē)制動(dòng)功能。