应对机器人设计开发中的三大挑战

应对机器人设计开发中的三大挑战

引言

　　机器人的研究与开发是当今学术界和工业界的热点之一，机器人的发布数量较之过去有明显增长，2010年机器人市场规模预计将达到4700亿美元。过去人们往往只能在实验室或高科技竞赛中见到机器人的身影，而如今它们已经走入工业应用甚至是普通人的生活中[1]。现在，机器人应用所覆盖的领域包括无人驾驶车辆、险情救援、个人与服务机器人、医疗机器人、农业与采矿、教育与智力开发等，并且随着科技的发展，机器人的应用领域还在不断扩展。

　　但是机器人的快速发展也为该领域的研究与开发人员带来了巨大的挑战。机器人领域的著名科学家David Barrett博士（曾任iRobot公司副总裁、迪士尼梦幻工程公司主管，现任美国Olin学院SCOPE项目主管，）在2009年NIWeek图形化系统设计会议上总结了当前机器人开发所面临的三大挑战：创造更小、更轻、更强大的电池；创造更小、更轻、更强大的执行机构；需要一个工业级的、并且具有良好兼容性的软件开发平台。这些挑战也获得了业内其他领导者的响应：Segway思维车的发明人、FIRST机构及DEKA研发公司的创始人Dean Kamen表达了对机器人开发中传统嵌入式方法的顾虑；美国国防部地面机器人和自主系统主管Ellen Purdy关注于自主系统的进一步标准化和持久性（电池能力）需要；韩国浦项智能机器人研究所的Hee Chang Moon博士强调了对于集成的嵌入式系统以及直观式开发软件的需求。认识到这些挑战，世界各地的业内人士都在努力寻求这些挑战的解决之道：Dean Kamen的团队选择NI LabVIEW软件和NI CompactRIO嵌入式硬件平台用于FIRST项目中的机器人自主控制系统开发；TORC科技公司从传统的编程工具转而使用NI LabVIEW软件平台设计其复杂的自主系统，其CEO Michael Fleming在NIWeek会议上特别谈到了TORC如何从功能强大的高级软件中获益，从而有助于简化系统设计中的复杂问题。

　　接下来我们将展开分析这些挑战，并探寻相应的应对方法。

　　图1 FIRST机器人竞赛平台采用NI LabVIEW软件和嵌入式硬件CompactRIO，在这些工具的帮助下即使是高中学生也能解决机器人设计中的复杂问题

　　挑战一. 创造更小、更轻、更强大的电池

　　许多机器人需要在野外或严苛的环境中长时间独立工作，需要可长时间独立供电的电源。目前全世界有多家公司和研究机构致力于这方面研究。许多厂商选择NI平台用于设计仿真、生产优化、验证测试等各个环节，推动其创新产品的研发、生产和应用，这些创新产品包括新型燃料电池、太阳能电池、基于小型移动平台的高效发电和蓄能装置等。

　　能够长时间独立运行的机器人系统不仅需要更高效的新型电池，还需要对能源的使用进行优化，例如通过增加电源管理功能有效地监测电量消耗并选择不同的节电模式，这样才能真正发挥出新型电池的效能优势。NI计划对其嵌入式硬件平台CompactRIO和SingleBoard RIO增加内置电源自诊断和监视功能，使机器人开发人员可以通过相应的API直接访问电池状态，从而设计更优化的待机和节电模式。NI希望通过这些努力最终消除电源问题对机器人发展的制约。