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Ro