如何应对机器人设计开发中的三大挑战

　　在几次顶级机器人设计展(无人车辆系统国际协会(AUVSI)和NIWeek 2009机器人峰会)中与无人系统设计的领导者会面后，我想和大家分享一下从机器人领域顶尖科学家和工程师那里了解到的当今最大的挑战。通过信息分享，机器人领域的研究人员能够携手应对挑战，推动机器人市场这个行业的发展，在2010年预计市场规模达到4700亿美元，并通过创新实现真正的生活改善。

　　最近，机器人领域的著名科学家David Barrett博士（曾任iRobot公司副总裁，迪士尼梦幻工程公司主管，现任Olin学院SCOPE项目主管）在2009年NIWeek图形化系统设计会议上发言，总结了当前我们面临的三大挑战。

• 创造更好的 (更小、更轻、更强大) 电池
• 创造更好的 (更小、更轻、更强大) 执行机构
• 解决对工业级、可靠的、兼容性良好的软件开发系统的需要

　　这些挑战也获得了业内其他领导者的响应。FIRST机器人及DEKA研发公司的创始人Dean Kamen也表达了对机器人开发中传统嵌入式方法的顾虑，同时描述了为什么他的团队选择NI LabVIEW软件和NI CompactRIO可编程自动化控制器(PACs)用于 FIRST项目中的机器人自主控制系统。美国国防部地面机器人和无人系统主管Ellen Purdy关注于自主系统的进一步标准化和持久性(电池能力)需要。韩国浦项智能机器人研究所的Hee Chang Moon博士强调了对于集成的嵌入式系统（如NI CompactRIO）以及直观式开发软件的需求。TORC科技公司的Michael Fleming解释了为什么TORC从原先的编程工具转而使用LabVIEW来设计其复杂的自主系统。他特别谈到了TORC如何从高级且功能强大的软件中获益，从而有助于简化系统设计中的复杂问题。

图1. FIRST RoboTIcs的Dean Kamen表示在LabVIEW和CompactRIO等工具的帮助下即使是高中学生也能解决某些最复杂的机器人设计中的问题。

　　从世界各地的设计工程师、教授和学生那里了解到了这些挑战，我希望和大家分享一下美国国家仪器公司的一些开发经验。我们已经清晰了解了关于设计更好的机器人和自主系统的需要，大家希望从LabVIEW及可重配置I/O技术中获得帮助。这里向大家概括地展示一下我们正着手的工作。
更好的电池

　　尽管NI目前不制造电池，但我们计划为我们的嵌入式硬件增加一些特性，从而有助于解决此问题。我们已经在RIO硬件发展规划中添加了新功能，尤其针对自主系统设计人员。我们正在设计针对CompactRIO和NI Single-Board RIO平台的内置自诊断和监视API功能。机器人的开发人员可以通过这些功能直接了解电池状态，从而设计更优化的待机和节电模式。

　　我们不仅致力于电池的可访问性和优化，而且还在探索替代能源。从波浪发电到太阳能和风能，绿色工程学和机器人学科将很快相互融合并相互提供可行的解决方案，包括小型移动平台上的极高效能源发生和收集。我们还致力于提供更高效的控制算法，如针对基于FPGA控制的面向现场控制(FOC) 算法。FOC也被称为矢量控制，它能够在更高速的电机环境下提高效率从而改善正弦控制。在所有控制技术中，它能在每瓦功率下提供最大扭矩。尖端技术的结合（如高级控制与绿色工程的结合）将实现多种关键应用的开发，比如海洋中应用的具有波浪收集能力的监视系统，以及可以帮助农民提高效率的太阳能农机具。

图2. FOC算法与LabVIEW FPGA模块能将现有的电机控制系统转换为高性能、高效率的机器或机器人
更好的执行机构

　　与电池相同，NI也没有制造执行机构的计划，但我们拥有超过25年的与执行机构连接的经验，同时一直关注于改善执行机构控制的交互性。我们正与行业内的领先者如Maxon Motor合作，使得对这些设备的编程更加简单。我们的设计团队拥有执行机构选型和编程方面的第一手经验。举例来说，我们最新创建的名为VINI的新型演示平台，目的在于创建自主的即时定位与构图(SLAM)平台，它采用了Hokuyo LIDAR、Ocean Server罗盘、CompactRIO嵌入式控制平台，以及连接了NI智能相机和Axis低成本以太网摄像头的NI工业控制器，以实现视觉处理。我们希望实现一个机械驱动的系统，配备Maxon Motor公司的基于CANopen的无刷伺服电机。在设计过程中，我们很快体会到选择合适电机的重要性，尤其是不同的运动选项，如Mecanum或全向车轮。相对于标准的四轮驱动系统，就必须补偿不同的驱动和扭矩需要。

图3. 图中显示了VINI机器人构架与实物，通过CompactRIO和NI工业控制器搭建成，具有可靠的感知系统、决策规划和执行控制能力。

　　随着移动性需求从传统的四轮系统向新型仿生机械的不断演进，对精密执行机构的需要随之大幅提高。举例来说，2009年7月在RoboTIcs Business Review中的一篇文章中描述了一项被称为RoboSwift的项目，它模仿了雨燕或燕子的行为方式，降低了被探测到的可能性，并优化了在城市区域中的机动性。RoboSwift的翅膀甚至拥有可变后掠翼，使飞行机器人能够改变翼的几何形状从而达到最佳的转弯半径。此类设计同样需要执行机构的创新。

　　NI正努力使电机控制和接口设计更简单。从电机驱动（如NI 9505和最近发布的NI 951x系列CompactRIO驱动接口模块）到 LabVIEW 2009 NI SoftMotion Module中直观的运动控制功能，再到LabVIEW中基于FPGA的CAN通信电机控制范例(ni.com/ipnet)、以及简单数字控制(如PWM)，我们不断使执行机构的控制更加简单、高效、灵活。
工业级的机器人软件

　　专家认为的最大的挑战也是令我最激动的一项挑战：机器人研发人员需要功能强大的软件来设计他们的自主系统——不是专门针对特定机器人或任务的软件，而是不但对现有算法开放且能够解决当前也许还不知道的问题。这将是我认为最快获得解决的挑战。随着你们及其他世界领先的软件开发人员的努力，我们能够让设计人员在2010年获得功能更强大的软件包。目前最大的阻力是大家的惯性思维。许多公司正投资于错误的方法。法国巴黎Aldebaran Robotics公司的 AnneMarie Bourcier的话最近被Slashdot.org引述，他说“任何事情立即从头设计都是相对简单的。”

　　这是最近数十年来机器人领域的观念，也正是我们没有看到产品被广泛采用和改进的原因。我们希望看到一些技术的趋同，并通过我们的创新能力使机器人产生其应有的影响力。因而，机器人领域需要标准的、工业级的软件。

　　1. 该软件必须是直观式的.

　　许多机器人研发人员都拥有机械工程或电子工程学的背景，但没有时间或资金去学习最有用的计算机技术中的重要细节，然而他们却需要从这些技术中获得帮助。编程能力，如面向对象编程和递归在机器人自动控制系统中是至关重要的，所以他们需要一款具有这些特性的编程语言。此外，用户界面必须直观灵活。通常自主系统的终端用户是营救人员（如消防员）、士兵或老年人，无论是谁都很难面对一个复杂、难以理解的用户界面来完成他们的任务。

　　2. 软件必须具备与I/O的良好集成性.

　　每个自主系统都必须感知或察觉周围世界的环境并做出反应。传感需要外部传感器如激光测距仪及声纳传感器，做出反应则需要具有驱动不同类型执行机构的能力。除了感知系统、决策规划和执行控制以外，软件工具还必须在真实硬件上轻松实现应用，这意味着软件必须具有与实时系统、实时嵌入式硬件、甚至FPGA 的强大交互性。许多软件包，包括市场上的Microsoft Robotics Studio缺乏这种功能，它们能够仿真并在开发机器上运行，但不具备实时硬件实现的能力。

　　3. 软件必须是开放的灵活的.

　　许多自主算法都已进行过最优化并可重用，但许多算法随已完成但往往需要扩展功能。举例来说，许多系统初始采用基本的搜索算法，如A* 至D*。许多机器人研发人员希望从这些基本算法开始，并在此基础上添加他们的创新或最新研究成果，从而创建新型的搜索算法，或将它们与新的地图技术集成从而用于机器人救援或医疗辅助应用。当前许多机器人软件包的封闭特性让设计工程师难以入手。像iRobot Aware等软件包可用于他们的机器人，但不能用于自定义或独特的机器人设计。

　　4. 软件必须具备良好的交互性.

　　创新机器人设计并不简单，它需要许多反复修改和原型设计。设计机器人所用的软件应能够适应这种情况。机器人研发人员需要一款可以轻松调试的软件包，既可以进行直观的仿真又能在实时硬件系统上快速实现，从而测试算法和真实I/O。接下来有可能还要再回到开发环境，对同样的代码进行进一步优化或软件调整。

 　　开发中的软件

　　NI产品开发组正努力应对这些挑战，并为自主系统开发提供直观的、集成I/O的、开放的、灵活的、交互式的软件环境。我们拥有一个由具有数十年软件设计经验的专家组成的团队，研发了新版的LabVIEW软件应对上述需要。事实上Barrett博士宣称LabVIEW正是工业界所需的软件，称其“能够处理各类传感器、多种执行机构、复杂动态控制算法，并能轻松在实时环境下实现系统。”

 　　我们的设计团队也在LabVIEW机器人模块中添加了许多新功能，包括集成机器人专用的传感器和执行机构、避障、搜索及运动学算法，以及新的可视化能力。我们深信创造机器人无需机器人专业的博士学位。你可以从功能强大的设计工具中获益，从容地开发高端机器人。

图4. 机器人软件设计无需非常复杂。图中简单的LabVIEW框图通过直观、良好可读性的编程提供了LIDAR传感、障碍物回避决策、以及刹车制动功能。