引言

機(jī)器人的研究與開發(fā)是當(dāng)今學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的熱點(diǎn)之一，機(jī)器人的發(fā)布數(shù)量較之過去有明顯增長，2010年機(jī)器人市場規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到4700億美元。過去人們往往只能在實(shí)驗(yàn)室或高科技競賽中見到機(jī)器人的身影，而如今它們已經(jīng)走入工業(yè)應(yīng)用甚至是普通人的生活中[1]。現(xiàn)在，機(jī)器人應(yīng)用所覆蓋的領(lǐng)域包括無人駕駛車輛、險(xiǎn)情救援、個(gè)人與服務(wù)機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、農(nóng)業(yè)與采礦、教育與智力開發(fā)等，并且隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷擴(kuò)展。

但是機(jī)器人的快速發(fā)展也為該領(lǐng)域的研究與開發(fā)人員帶來了巨大的挑戰(zhàn)。機(jī)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)任美國Olin學(xué)院SCOPE項(xiàng)目主管，）在2009年NIWeek圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)會議上總結(jié)了當(dāng)前機(jī)器人開發(fā)所面臨的三大挑戰(zhàn)：創(chuàng)造更小、更輕、更強(qiáng)大的電池；創(chuàng)造更小、更輕、更強(qiáng)大的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；需要一個(gè)工業(yè)級的、并且具有良好兼容性的軟件開發(fā)平臺。這些挑戰(zhàn)也獲得了業(yè)內(nèi)其他領(lǐng)導(dǎo)者的響應(yīng)：Segway思維車的發(fā)明人、FIRST機(jī)構(gòu)及DEKA研發(fā)公司的創(chuàng)始人Dean Kamen表達(dá)了對機(jī)器人開發(fā)中傳統(tǒng)嵌入式方法的顧慮；美國國防部地面機(jī)器人和自主系統(tǒng)主管Ellen Purdy關(guān)注于自主系統(tǒng)的進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化和持久性（電池能力）需要；韓國浦項(xiàng)智能機(jī)器人研究所的Hee Chang Moon博士強(qiáng)調(diào)了對于集成的嵌入式系統(tǒng)以及直觀式開發(fā)軟件的需求。認(rèn)識到這些挑戰(zhàn)，世界各地的業(yè)內(nèi)人士都在努力尋求這些挑戰(zhàn)的解決之道：Dean Kamen的團(tuán)隊(duì)選擇NI LabVIEW軟件和NI CompactRIO嵌入式硬件平臺用于FIRST項(xiàng)目中的機(jī)器人自主控制系統(tǒng)開發(fā)；TORC科技公司從傳統(tǒng)的編程工具轉(zhuǎn)而使用NI LabVIEW軟件平臺設(shè)計(jì)其復(fù)雜的自主系統(tǒng)，其CEO Michael Fleming在NIWeek會議上特別談到了TORC如何從功能強(qiáng)大的高級軟件中獲益，從而有助于簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的復(fù)雜問題。

接下來我們將展開分析這些挑戰(zhàn)，并探尋相應(yīng)的應(yīng)對方法。

 
圖1 FIRST機(jī)器人競賽平臺采用NI LabVIEW軟件和嵌入式硬件CompactRIO，在這些工具的幫助下即使是高中學(xué)生也能解決機(jī)器人設(shè)計(jì)中的復(fù)雜問題

挑戰(zhàn)一. 創(chuàng)造更小、更輕、更強(qiáng)大的電池

許多機(jī)器人需要在野外或嚴(yán)苛的環(huán)境中長時(shí)間獨(dú)立工作，需要可長時(shí)間獨(dú)立供電的電源。目前全世界有多家公司和研究機(jī)構(gòu)致力于這方面研究。許多廠商選擇NI平臺用于設(shè)計(jì)仿真、生產(chǎn)優(yōu)化、驗(yàn)證測試等各個(gè)環(huán)節(jié)，推動(dòng)其創(chuàng)新產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用，這些創(chuàng)新產(chǎn)品包括新型燃料電池、太陽能電池、基于小型移動(dòng)平臺的高效發(fā)電和蓄能裝置等。

能夠長時(shí)間獨(dú)立運(yùn)行的機(jī)器人系統(tǒng)不僅需要更高效的新型電池，還需要對能源的使用進(jìn)行優(yōu)化，例如通過增加電源管理功能有效地監(jiān)測電量消耗并選擇不同的節(jié)電模式，這樣才能真正發(fā)揮出新型電池的效能優(yōu)勢。NI計(jì)劃對其嵌入式硬件平臺CompactRIO和SingleBoard RIO增加內(nèi)置電源自診斷和監(jiān)視功能，使機(jī)器人開發(fā)人員可以通過相應(yīng)的API直接訪問電池狀態(tài)，從而設(shè)計(jì)更優(yōu)化的待機(jī)和節(jié)電模式。NI希望通過這些努力最終消除電源問題對機(jī)器人發(fā)展的制約。

挑戰(zhàn)二. 更小、更輕、更強(qiáng)大的執(zhí)行機(jī)構(gòu)

出于機(jī)器人體積和自重的考慮，一般希望執(zhí)行機(jī)構(gòu)也更輕更小；但同時(shí)由于不同的運(yùn)動(dòng)要求，又希望執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有強(qiáng)大的功能。隨著移動(dòng)性需求從傳統(tǒng)的四輪系統(tǒng)向新型仿生機(jī)械的不斷演進(jìn)，對精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)的需求也隨之大幅提升。世界上眾多的專業(yè)廠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(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域來說，創(chuàng)造更小、更輕、更強(qiáng)大的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最終目標(biāo)是將它們用于機(jī)器人設(shè)計(jì)中，而且執(zhí)行機(jī)構(gòu)的強(qiáng)大功能往往需要通過復(fù)雜的編程才能發(fā)揮出來。因此，隨著執(zhí)行機(jī)構(gòu)變得越來越精密復(fù)雜，如何通過編程完成高精度和高復(fù)雜度的控制，也成為機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵問題之一。許多機(jī)器人領(lǐng)域的開發(fā)人員并不具有運(yùn)動(dòng)控制方面的專業(yè)背景，在這種情況下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的交互式控制開發(fā)更顯得尤為重要。NI依靠超過25年與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接的經(jīng)驗(yàn)，通過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發(fā)的復(fù)雜性，同時(shí)提高交互性和靈活性。NI還與行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先制造商（如Maxon Moter）合作，使其產(chǎn)品的編程開發(fā)更加簡便。

此外，在構(gòu)建復(fù)雜運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，電機(jī)之間的協(xié)調(diào)工作也十分重要，比如在四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向或機(jī)械臂動(dòng)作中，就需要多個(gè)電機(jī)配合協(xié)調(diào)工作。運(yùn)用NI LabVIEW機(jī)器人模塊中所提供的Steering函數(shù)組和Kinematics函數(shù)組，就可以直接計(jì)算出在這些應(yīng)用中每個(gè)電機(jī)分別需要的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而幫助機(jī)器人設(shè)計(jì)人員縮短了從高性能電機(jī)到創(chuàng)新機(jī)器人應(yīng)用之間的距離。

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

 
圖3 基于LabVIEW FPGA實(shí)現(xiàn)的FOC算法可以進(jìn)一步提高現(xiàn)有電機(jī)控制系統(tǒng)的性能和效率

挑戰(zhàn)三. 對工業(yè)級軟件開發(fā)平臺的需求

除了硬件之外，機(jī)器人領(lǐng)域的研發(fā)人員還需要功能強(qiáng)大的軟件來設(shè)計(jì)他們的自主系統(tǒng)。人們往往容易忽視這一點(diǎn)，許多人認(rèn)為"任何事情立即從頭設(shè)計(jì)都是相對簡單的",但這對于當(dāng)今機(jī)器人飛速發(fā)展的時(shí)代是不適用的。事實(shí)上，隨著一些技術(shù)領(lǐng)域的趨同并形成某種事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)新已經(jīng)不再意味著只是從零開始，更多的創(chuàng)新應(yīng)用都是將模塊化的算法和功能組織在一起而完成的。機(jī)器人領(lǐng)域亦不例外，需要標(biāo)準(zhǔn)、工業(yè)級的軟件提供現(xiàn)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. 該軟件必須是直觀式的

許多機(jī)器人研發(fā)人員都具有機(jī)械工程或電子工程背景，但沒有時(shí)間和精力去學(xué)習(xí)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，所以需要一款集成常用函數(shù)和算法的軟件開發(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(tǒng)的終端用戶往往是營救人員（如消防員）、士兵或老年人等，他們也不一定具備計(jì)算機(jī)知識，因此用戶界面也必須足夠直觀。

 
圖4 機(jī)器人設(shè)計(jì)軟件應(yīng)該是非常直觀的。LabVIEW圖形化編程通過直觀的框圖和連線完成了LIDAR數(shù)據(jù)采集、障礙物回避決策、剎車制動(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）

2. 軟件必須具備與硬件的良好集成性

每個(gè)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)。感知系統(tǒng)需要外部傳感器（如激光測距儀、聲納傳感器等），做出反應(yīng)則要依靠不同類型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成。因此軟件工具必須能夠直接驅(qū)動(dòng)各種傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。除了感知系統(tǒng)和執(zhí)行控制，往往還需要在真實(shí)硬件上實(shí)現(xiàn)決策規(guī)劃，這意味著軟件必須具有與實(shí)時(shí)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)嵌入式硬件、甚至FPGA的強(qiáng)大交互性。目前的許多機(jī)器人軟件開發(fā)包缺乏類似功能，它們能夠仿真并在開發(fā)機(jī)器上運(yùn)行，但不具備在實(shí)時(shí)硬件目標(biāo)上的執(zhí)行能力。

 
圖5 基于NI嵌入式硬件平臺CompactRIO搭建成的機(jī)器人原型，從仿真到最終系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的軟件平臺均為NI LabVIEW

3. 軟件必須具備良好的交互性

完成機(jī)器人設(shè)計(jì)并不簡單，它需要反復(fù)修改和原型設(shè)計(jì)。因此機(jī)器人領(lǐng)域的研發(fā)人員需要一款可以輕松調(diào)試的軟件包，既可進(jìn)行直觀的仿真，又能在實(shí)時(shí)硬件系統(tǒng)上快速實(shí)現(xiàn)，從而測試算法和真實(shí)I/O。每次硬件實(shí)驗(yàn)之后都可能再回到開發(fā)環(huán)境，對代碼進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化或調(diào)整。這些都要求軟件開發(fā)工具具有極佳的交互性。

針對上述三點(diǎn)需求，NI LabVIEW軟件是一款理想的機(jī)器人開發(fā)軟件。LabVIEW圖形化編程方式使其天然具備直觀性。最新的LabVIEW機(jī)器人模塊還集成了常用的搜索、蔽障、路徑規(guī)劃、以及動(dòng)力學(xué)算法，可以最大程度地幫助機(jī)器人開發(fā)人員快速實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。此外，與硬件的無縫集成也是LabVIEW的一大特點(diǎn)。通過 LabVIEW軟件本身就可以連接各種傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。完成算法仿真的LabVIEW代碼可以直接下載到NI嵌入式實(shí)時(shí)硬件平臺CompactRIO或 SingleBoard RIO執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)真正的與硬件無縫集成。LabVIEW機(jī)器人模塊中還提供了多種機(jī)器人常用傳感器在實(shí)時(shí)硬件平臺下的現(xiàn)成驅(qū)動(dòng)程序，從而使機(jī)器人的開發(fā)更為簡單。最后，LabVIEW提供交互式的調(diào)試環(huán)境和豐富的界面設(shè)計(jì)工具，各種算法都可在實(shí)時(shí)嵌入式硬件上直接實(shí)現(xiàn)，并可方便地反復(fù)修改驗(yàn)證，滿足了機(jī)器人研究人員的調(diào)試需要。SCOPE項(xiàng)目主管Barrett博士稱LabVIEW正是工業(yè)界所需的軟件："我花了15年時(shí)間力圖探尋最佳機(jī)器人編程語言，NI LabVIEW無愧殊榮。它能夠處理各類傳感器、多種執(zhí)行機(jī)構(gòu)、復(fù)雜動(dòng)態(tài)控制算法，并能在實(shí)時(shí)環(huán)境下輕松進(jìn)行驗(yàn)證調(diào)試，完成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。"

除了上述優(yōu)點(diǎn)，NI LabVIEW還具有高度的靈活性和開放性。例如，LabVIEW機(jī)器人模塊已經(jīng)提供一些成熟的路徑搜索算法，用戶可重用這些算法，同時(shí)用戶也可以基于這些基本的搜索算法添加他們的創(chuàng)新或最新研究成果，從而創(chuàng)建新型的搜索算法。用戶也可以將這些算法與LabVIEW中提供的其他算法或第三方技術(shù)集成從而開發(fā)更多的創(chuàng)新應(yīng)用，如機(jī)器人救援或醫(yī)療輔助應(yīng)用。LabVIEW是一個(gè)開放的軟件，它支持許多廠商的硬件平臺或自定義設(shè)備，并且支持調(diào)用多種第三方開發(fā)工具產(chǎn)生的代碼或模型，使其應(yīng)用范圍拓展到機(jī)器人應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域。

結(jié)論

隨著機(jī)器人領(lǐng)域的快速發(fā)展，開發(fā)人員面臨著多方面的挑戰(zhàn)。全世界的研究機(jī)構(gòu)和相關(guān)廠商都在研究應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的辦法。事實(shí)上，現(xiàn)在已經(jīng)有一些工具可以幫助機(jī)器人領(lǐng)域的研發(fā)人員應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，比如NI LabVIEW軟件和嵌入式硬件平臺。我們深信專業(yè)知識不該成為創(chuàng)造機(jī)器人創(chuàng)新應(yīng)用的瓶頸，未來每個(gè)工程師都應(yīng)該能借助功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)工具從容地開發(fā)高端機(jī)器人。隨著技術(shù)的創(chuàng)新和進(jìn)步，許多問題將被解決，同時(shí)又會出現(xiàn)新的問題，但只要有靈活開放的開發(fā)工具，就能夠不斷解決這些問題，使機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展不斷達(dá)到新的高度。