应对机器人设计开发中的三大挑战

挑战三. 对工业级软件开发平台的需求

除了硬件之外，机器人领域的研发人员还需要功能强大的软件来设计他们的自主系统。人们往往容易忽视这一点，许多人认为"任何事情立即从头设计都是相对简单的",但这对于当今机器人飞速发展的时代是不适用的。事实上，随着一些技术领域的趋同并形成某种事实上的标准，创新已经不再意味着只是从零开始，更多的创新应用都是将模块化的算法和功能组织在一起而完成的。机器人领域亦不例外，需要标准、工业级的软件提供现成可用的算法和工具，从而帮助研发人员更快地完成创新。

1. 该软件必须是直观式的

许多机器人研发人员都具有机械工程或电子工程背景，但没有时间和精力去学习复杂的计算机软件技术，所以需要一款集成常用函数和算法的软件开发工具，该工具还必须具有良好的交互性和易用性。此外，自主系统的终端用户往往是营救人员（如消防员）、士兵或老年人等，他们也不一定具备计算机知识，因此用户界面也必须足够直观。


图4 机器人设计软件应该是非常直观的。LabVIEW图形化编程通过直观的框图和连线完成了LIDAR数据采集、障碍物回避决策、刹车制动等三个步骤，清晰易读（有文字的淡黄色部分为程序注释）

2. 软件必须具备与硬件的良好集成性

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。感知系统需要外部传感器（如激光测距仪、声纳传感器等），做出反应则要依靠不同类型的执行机构完成。因此软件工具必须能够直接驱动各种传感器和执行机构。除了感知系统和执行控制，往往还需要在真实硬件上实现决策规划，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。目前的许多机器人软件开发包缺乏类似功能，它们能够仿真并在开发机器上运行，但不具备在实时硬件目标上的执行能力。


图5 基于NI嵌入式硬件平台CompactRIO搭建成的机器人原型，从仿真到最终系统实现的软件平台均为NI LabVIEW

3. 软件必须具备良好的交互性

完成机器人设计并不简单，它需要反复修改和原型设计。因此机器人领域的研发人员需要一款可以轻松调试的软件包，既可进行直观的仿真，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。每次硬件实验之后都可能再回到开发环境，对代码进行进一步优化或调整。这些都要求软件开发工具具有极佳的交互性。

针对上述三点需求，NI LabVIEW软件是一款理想的机器人开发软件。LabVIEW图形化编程方式使其天然具备直观性。最新的LabVIEW机器人模块还集成了常用的搜索、蔽障、路径规划、以及动力学算法，可以最大程度地帮助机器人开发人员快速实现应用。此外，与硬件的无缝集成也是LabVIEW的一大特点。通过 LabVIEW软件本身就可以连接各种传感器和执行机构。完成算法仿真的LabVIEW代码可以直接下载到NI嵌入式实时硬件平台CompactRIO或 SingleBoard RIO执行，从而实现真正的与硬件无缝集成。LabVIEW机器人模块中还提供了多种机器人常用传感器在实时硬件平台下的现成驱动程序，从而使机器人的开发更为简单。最后，LabVIEW提供交互式的调试环境和丰富的界面设计工具，各种算法都可在实时嵌入式硬件上直接实现，并可方便地反复修改验证，满足了机器人研究人员的调试需要。SCOPE项目主管Barrett博士称LabVIEW正是工业界所需的软件："我花了15年时间力图探寻最佳机器人编程语言，NI LabVIEW无愧殊荣。它能够处理各类传感器、多种执行机构、复杂动态控制算法，并能在实时环境下轻松进行验证调试，完成系统实现。"

除了上述优点，NI LabVIEW还具有高度的灵活性和开放性。例如，LabVIEW机器人模块已经提供一些成熟的路径搜索算法，用户可重用这些算法，同时用户也可以基于这些基本的搜索算法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。用户也可以将这些算法与LabVIEW中提供的其他算法或第三方技术集成从而开发更多的创新应用，如机器人救援或医疗辅助应用。LabVIEW是一个开放的软件，它支持许多厂商的硬件平台或自定义设备，并且支持调用多种第三方开发工具产生的代码或模型，使其应用范围拓展到机器人应用的各个领域。

结论

随着机器人领域的快速发展，开发人员面临着多方面的挑战。全世界的研究机构和相关厂商都在研究应对这些挑战的办法。事实上，现在已经有一些工具可以帮助机器人领域的研发人员应对这些挑战，比如NI LabVIEW软件和嵌入式硬件平台。我们深信专业知识不该成为创造机器人创新应用的瓶颈，未来每个工程师都应该能借助功能强大的设计工具从容地开发高端机器人。随着技术的创新和进步，许多问题将被解决，同时又会出现新的问题，但只要有灵活开放的开发工具，就能够不断解决这些问题，使机器人领域的发展不断达到新的高度。