通過創新圖形化開發平臺快速構建移動機器人的原型

引言
從廣義范疇上說，機器人主要包括移動機器人、機械手、教育機器人三大種類。機械手與教育機器人都已經有了相對成熟的行業解決方案，而移動機器人構成復雜、應用靈活，目前商業化程度還不高，主要處于前沿研究的階段，一直以來都是科學家和工程師們關注的重點，本文將主要探討移動機器人的快速原型與開發。
移動 機器人的應用領域非常廣泛，如圖1所示，從軍用、航空航天－比如無人飛行器 (UAV) 、無人潛航器 (UUV) 和無人地面車 (UGV) ，到工農業裝備－比如采收機器人、智能化耕作機械，到家用服務機器人等，不一而足。而隨著應用領域和環境的不同，機器人需要具備相對應的自主程度，這也為機器人的開發帶來了不同的技術難點。全自主機器人通過會涉及到控制系統、自定位、實時視覺、多傳感器融合等關鍵技術，而遙操作機器人則往往側重于雙向力反饋控制、虛擬環境建模、力覺接口等方面的研究。

圖1 移動機器人的應用領域
盡管按照不同的應用場合機器人分類復雜且關鍵技術眾多，但他們具有某些共同的構架和組成部分，是一個融合了眾多機電系統和子系統的綜合體系，并通過這些組成部分與子系統的有機結合協調工作。由于移動機器人構成復雜、應用靈活，雖則部分子系統已有現成的軟硬件工具和解決方案，但如何快速地把各子系統集成在一起、進行早期的整體功能性驗證，就成了決定機器人設計成敗的關鍵性環節。

圖形化系統設計――機器人設計的前沿方法
在Google X PRIZE機構、FIRST組織（科學技術的啟示與認知組織）、RoboCup以及美國國防高級研究計劃局（DARPA）之間展開的競爭推進了機器人學領域的創新。富有創新思維的開發者們將機器人學的前沿方法推進到了圖形化系統設計。在LabVIEW圖形化編程平臺下，機器人學的領域專家能夠對復雜的機器人方案進行快速的原型設計。這些創新工作者能夠不用關心底層的實現細節，可以將注意力集中到解決手上的工程問題中去。
機器人設計通常包含以下部分的工作內容，如圖2所示：
傳感器連接－連接到陀螺儀、CCD、光電、超聲等傳感器，獲取并處理信息
控制設計與仿真－根據工作環境和應用需求，設計機器人的控制算法
嵌入式控制－嵌入式控制系統相當于機器人的‘大腦’，根據算法進行控制決策，完成管理協調、信息處理、運動規劃等任務
運動控制（執行器）－根據具體的作業指令，通過驅動控制器、編碼器和電機完成機器人的伺服控制與運動執行
網絡通訊與控制－機器人各子系統間的通訊網絡，完成分布式控制與實時控制

圖2 機器人設計平臺
過去，由于在每個領域中必須使用各自的傳統工具，其中涉及的知識具有較大的縱向深度，機械工程師、電氣工程師以及程序員團隊都各自領導機器人學的開發。LabVIEW和NI硬件提供了一個獨特的、功能多樣的平臺，它提供了一套標準的可供所有機器人設計人員使用的工具，從而使機器人開發得到了統一。