机器人的图形化系统设计在科学及工程领域中激发创造力与变革

1983，哈佛大学的教育学教授Howard Gardner博士提出了多元智力的存在：语言智力、数理逻辑智力、空间智力、身体-知觉智力、音乐智力、人际交往智力、自我认知智力和自然观察智力。今天，教育家们正致力于鼓励学生发展对工程学的兴趣并开发以上各种智力。教育家发现机器人能够吸引学生的注意力，并提供可以使学生亲身体验的学习机会去开发各个方面的智力。

帮助学生探索科学和工程学概念，同时开发并充分发挥学生多方面智力的工具是至关重要的。应用NI LabVIEW图形化编程能使学生专注于工程问题的解决，而不会因低水平的实现细节而气馁。LabVIEW提供了高度集成的I/O，促进了基于实际项目和动手操作的教学方式。作为系统级的设计平台，LabVIEW 使学生能够在统一平台上实现机器人的设计、建模及部署。

现在，LabVIEW被用于从幼儿园到大学研究的各等级教学中的机器人应用。学生不仅学习到数学、科学和工程概念，还学到了被工业界广泛采用的编程范例。

美国国家仪器公司与LEGO®教育合作建立了WeDo，它是一款面向培养7岁及以上儿童动手实践的机器人平台。学生能够创建类似鸟、鳄鱼、飞机及更多其它东西的机器人，并可通过易用的基于LabVIEW的图形化软件实现控制。通过高级系统设计工具，如基于LabVIEW的工具，儿童能够将他们的想象在现实中实现，根据他们的创造编写故事，并在过程中与其他孩子互动。


图1. LEGO Education WeDo是培养7岁儿童动手实践教学的机器人平台。

LEGO MINDSTORMS NXT是基于LabVIEW图形化编程软件的另一款机器人平台，帮助10岁及以上儿童设计机器人和解决工程问题，同时不会因为低水平的编程和实现细节而感到气馁。板载ARM7微处理器的并行编程、算法设计和传感器数据处理因LabVIEW图形化编程而简化。FIRST LEGO League (FLL)等竞赛使9岁及以上儿童通过机器人和自己的研究能够解决现实世界中的问题。


图2. FLL使9岁及以上儿童通过机器人和自己的研究能够解决现实世界中的问题。

针对高中水平，FIRST机器人竞赛(FRC)使学生更加贴近现实世界中的专业体验。有限的时间、资金和资源对学生提出了挑战，要求在创新中尽可能协作。从2009年起，超过50,000名来自世界各地的学生参加了FRC，他们将采用NI CompactRIO 现场可编程门阵列(FPGA)可重配置嵌入式控制器作为机器人的大脑。竞赛中他们能通过LabVIEW或ANSI-C对CompactRIO进行编程。通过模块化的坚固的 CompactRIO硬件，团队能够实现复杂的视觉处理、机器人自我控制的操作或通过操纵杆人工控制的操作，并与各类传感器和I/O交互。他们必须在6周内完成所有任务。


图3. CompactRIO FPGA可重配置嵌入式控制器是FRC机器人的“大脑”。

机器人专家可通过LabVIEW轻松实现大多数前沿技术，如多核计算及并行处理。Victor Tango是一只佛吉尼亚理工大学与TORC Technologies公司的合作团队，他们采用LabVIEW在无人车辆Odin上实现多核处理，并最终在DARPA城市挑战赛上获得第三名。团队采用两台四核服务器及运行LabVIEW应用的CompactRIO来处理激光雷达(LIDAR)数据，并执行决策和控制算法。


图4. 无人车辆Odin获得DARPA城市挑战赛的第三名。

新加波南洋理工大学研究人员采用LabVIEW集成传感器和电机，最终部署到微控制器上成功开发了蜘蛛机器人，支持危险的救生任务。机器人的24个智能DC电机、智能视觉及距离传感器、以及无线通信可在低功率Analog Devices (ADI) Blackfin处理器及其它处理器上实现，并使用LabVIEW进行实时并行处理和编程。


图5. 南洋理工大学的研究人员开发了支持危险救生任务的蜘蛛机器人。

机器人技术激发了亲身体验、基于项目的多学科交叉，并促进开发和培养多种技能的教学形式，同时也演示了关键的科学和工程概念。今天，学生和教育者发现LabVIEW图形化系统设计所带来的直观的、图形化的方法是探索机器人技术的理想途径。

Anu Saha是美国国家仪器公司的院校产品经理。他拥有田纳西大学的计算机工程和电子工程学士学位。

来源：NI公司