應對機器人設計開發中的三大挑戰

　　引言

　　機器人的研究與開發是當今學術界和工業界的熱點之一，機器人的發布數量較之過去有明顯增長，2010年機器人市場規模預計將達到4700億美元。過去人們往往只能在實驗室或高科技競賽中見到機器人的身影，而如今它們已經走入工業應用甚至是普通人的生活中[1]。現在，機器人應用所覆蓋的領域包括無人駕駛車輛、險情救援、個人與服務機器人、醫療機器人、農業與采礦、教育與智力開發等，并且隨著科技的發展，機器人的應用領域還在不斷擴展。

　　但是機器人的快速發展也為該領域的研究與開發人員帶來了巨大的挑戰。機器人領域的著名科學家David Barrett博士(曾任iRobot公司副總裁、迪士尼夢幻工程公司主管，現任美國Olin學院SCOPE項目主管，)在2009年NIWeek圖形化系統設計會議上總結了當前機器人開發所面臨的三大挑戰：創造更小、更輕、更強大的電池;創造更小、更輕、更強大的執行機構;需要一個工業級的、并且具有良好兼容性的軟件開發平臺。這些挑戰也獲得了業內其他領導者的響應：Segway思維車的發明人、FIRST機構及DEKA研發公司的創始人Dean Kamen表達了對機器人開發中傳統嵌入式方法的顧慮;美國國防部地面機器人和自主系統主管Ellen Purdy關注于自主系統的進一步標準化和持久性(電池能力)需要;韓國浦項智能機器人研究所的Hee Chang Moon博士強調了對于集成的嵌入式系統以及直觀式開發軟件的需求。認識到這些挑戰，世界各地的業內人士都在努力尋求這些挑戰的解決之道：Dean Kamen的團隊選擇NI LabVIEW軟件和NI CompactRIO嵌入式硬件平臺用于FIRST項目中的機器人自主控制系統開發;TORC科技公司從傳統的編程工具轉而使用NI LabVIEW軟件平臺設計其復雜的自主系統，其CEO Michael Fleming在NIWeek會議上特別談到了TORC如何從功能強大的高級軟件中獲益，從而有助于簡化系統設計中的復雜問題。

　　接下來我們將展開分析這些挑戰，并探尋相應的應對方法。

　　圖1 FIRST機器人競賽平臺采用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生也能解決機器人設計中的復雜問題

　　挑戰一. 創造更小、更輕、更強大的電池

　　許多機器人需要在野外或嚴苛的環境中長時間獨立工作，需要可長時間獨立供電的電源。目前全世界有多家公司和研究機構致力于這方面研究。許多廠商選擇NI平臺用于設計仿真、生產優化、驗證測試等各個環節，推動其創新產品的研發、生產和應用，這些創新產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電和蓄能裝置等。

　　能夠長時間獨立運行的機器人系統不僅需要更高效的新型電池，還需要對能源的使用進行優化，例如通過增加電源管理功能有效地監測電量消耗并選擇不同的節電模式，這樣才能真正發揮出新型電池的效能優勢。NI計劃對其嵌入式硬件平臺CompactRIO和SingleBoard RIO增加內置電源自診斷和監視功能，使機器人開發人員可以通過相應的API直接訪問電池狀態，從而設計更優化的待機和節電模式。NI希望通過這些努力最終消除電源問題對機器人發展的制約。