應(yīng)對機(jī)器人設(shè)計(jì)開發(fā)中的三大挑戰(zhàn)

　　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)境中長時間獨(dú)立工作，需要可長時間獨(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)證測試等各個環(huán)節(jié)，推動其創(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、基于小型移動平臺的高效發(fā)電和蓄能裝置等。

　　能夠長時間獨(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。