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20世紀以來(lái)隨著(zhù)電子技術(shù)的不斷發(fā)展，以及人類(lèi)對于自身的不斷了解，機器人的研究也在不斷的深入�，F階段能做出外表接近人類(lèi)的機器人，走路接近人類(lèi)的機器人……但這些都屬于很前沿的領(lǐng)域，研究門(mén)檻高，實(shí)際的商業(yè)用途不是很廣，所以大多還停留在樣品階段，走進(jìn)市場(chǎng)的很少。隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)和智能手機的大潮，嵌入式處理器正在完成以前臺式處理器做不到的事情，于是乎機器人現階段又被重新定義。在現在的消費領(lǐng)域，某些配備智能處理器和具有互聯(lián)網(wǎng)功能的產(chǎn)品也被成為了機器人，下面列舉一些成熟產(chǎn)品的例子： 下圖是兩款國內廠(chǎng)家生產(chǎn)的機器人的產(chǎn)品，屬于生活工具的類(lèi)別，一般放置在家中，無(wú)法自行移動(dòng)，采用嵌入式處理器，帶有攝像頭、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )模塊、顯示模塊，可以連接手機，通過(guò)手機APP端對機器人進(jìn)行相關(guān)設置，同時(shí)機器人攝像頭采集到的圖像也能實(shí)時(shí)傳給手機，也可以和手機進(jìn)行語(yǔ)音對講。機器人也帶有語(yǔ)音識別模塊，如可以向它詢(xún)問(wèn)“明天天氣如何”，他會(huì )從網(wǎng)絡(luò )獲取天氣信息然后回答你。這些放置在家中的機器人也可以實(shí)現安全監測的功能，通過(guò)手機實(shí)時(shí)查看家中的監控影像是一點(diǎn)，也可以適配各種傳感器，比如貼在門(mén)窗后面的加速度傳感器，當門(mén)窗被動(dòng)作時(shí)傳感器給機器人發(fā)出信號，機器人隨即通過(guò)設定的方式進(jìn)行報警。 
下圖是兩款國外生產(chǎn)的機器人，最主要的特點(diǎn)是可以運動(dòng)，屬于智能玩具的范疇。它們都是可以連接智能手機，通過(guò)手機對機器人進(jìn)行設置，然后把手機當做機器人的操作桿，操作機器人做出各種運動(dòng)，達到娛樂(lè )的目的，機器上裝有攝像頭，也可以在手機上同步看到機器人攝像頭拍攝到的視頻畫(huà)面。在玩法也有一些創(chuàng )新，如左邊的機器人在星戰電影里有原形，用手機的攝像頭對準該機器人，通過(guò)手機端的AR技術(shù)，在手機屏幕里可以給機器人加上各種效果，增加娛樂(lè )性。
還有一些具有特殊用途的機器人，比如掃地機器人，根據內部的路徑算法清潔地面，同時(shí)能自動(dòng)避開(kāi)障礙物，快沒(méi)電的時(shí)候能自動(dòng)返回充電樁充電。 以后服務(wù)機器人的趨勢會(huì )是以上列舉的這些機器人的集大成者，即在軟件智能和機械運動(dòng)上不斷發(fā)展。軟件智能方面通過(guò)高性能的嵌入式處理器實(shí)現視頻處理、網(wǎng)絡(luò )連接和語(yǔ)音識別等技術(shù)。機械運動(dòng)方面先搭配單片機和步進(jìn)電機通過(guò)輪子的滾動(dòng)實(shí)現移動(dòng)，通過(guò)機械零件的增加和算法的改進(jìn)，逐漸實(shí)現動(dòng)物甚至人體的肢體行走。下面的框圖列出了實(shí)現這樣的一個(gè)機器人需要采用的可能的技術(shù)：
高性能嵌入式處理器上運行著(zhù)機器人的核心系統。攝像頭采集視頻圖像，會(huì )對圖像中的事物進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的判別，比如識別人臉，對靜態(tài)事物的圖像采集也能讓機器人辨別障礙物，或者計算出靜態(tài)事物的大致幾何圖形甚至尺寸，對動(dòng)態(tài)事物的圖像采集，機器人可以計算出動(dòng)態(tài)事物的運動(dòng)軌跡甚至速度。4G和WIFI&BT模塊屬于無(wú)線(xiàn)通信模塊，有了無(wú)線(xiàn)通信機器人才能得到自身之外的更多信號，也可將自身的信息傳達給別人。語(yǔ)音識別模塊能讓機器人識別聲音，顯示&觸摸屏只是機器人與外界交互的一種方式，GPS模塊能讓機器人知道自己的位置信息，存儲模塊除了存儲機器人的系統和各類(lèi)軟件外，也讓機器人有了記憶功能，前面講的攝像頭采集視頻圖像并計算，計算的結果可以存儲在存儲模塊中，當遇到類(lèi)似的計算的時(shí)候就可以判別事物，同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )模塊可以將這類(lèi)信息傳遞出去分享給更多的機器人。單片機管理著(zhù)機器人各類(lèi)基礎的模塊，步進(jìn)電機控制機器人的運動(dòng)，各類(lèi)傳感器讓機器人有了感知外界環(huán)境的能力。紅外模塊可以實(shí)現對一些外部電器的操控，電池和電池管理模塊給整個(gè)機器人的運轉提供能量。 硬件結構是實(shí)現服務(wù)機器人運算和控制的基礎，在高性能嵌入式處理器上運行的操作系統，進(jìn)行著(zhù)服務(wù)機器人具體的運算和控制，相當于機器人的靈魂，目前主流的三大機器人操作系統有Ubuntu，Android和ROS，Android軟件平臺使用較廣泛，ROS為專(zhuān)用的機器人的軟件平臺。要實(shí)現對服務(wù)機器人的運算和控制，軟件平臺需要解決以下這些問(wèn)題： 1， 分布式計算現代機器人系統往往需要多個(gè)計算機同時(shí)運行多個(gè)進(jìn)程，當多個(gè)機器人需要協(xié)同完成一個(gè)任務(wù)時(shí)，往往需要互相通信來(lái)支撐任務(wù)的完成； 用戶(hù)通常通過(guò)臺式機、筆記本或者移動(dòng)設備發(fā)送指令控制機器人，這種人機交互接口可以認為是機器人軟件的一部分。 2， 軟件復用隨著(zhù)機器人研究的快速推進(jìn)，誕生了一批應對導航、路徑規劃、建圖等通用任務(wù)的算法。當然，任何一個(gè)算法實(shí)用的前提是其能夠應用于新的領(lǐng)域，且不必重復實(shí)現。 3， 快速測試為機器人開(kāi)發(fā)軟件比其他軟件開(kāi)發(fā)更具挑戰性，主要是因為調試準備時(shí)間長(cháng)，且調試過(guò)程復雜。況且，因為硬件維修、經(jīng)費有限等因素，不一定隨時(shí)有機器人可供使用。 ROS作為機器人專(zhuān)用的軟件平臺，可在ARM搭配Ubuntu的環(huán)境下運行，對服務(wù)機器人的運算和控制有著(zhù)很多優(yōu)化和實(shí)用性，ROS軟件平臺有以下的優(yōu)點(diǎn)： (1)點(diǎn)對點(diǎn)設計
一個(gè)使用ROS的系統包括一系列進(jìn)程，這些進(jìn)程存在于多個(gè)不同的主機并且在運行過(guò)程中通過(guò)端對端的拓撲結構進(jìn)行聯(lián)系。雖然基于中心服務(wù)器的那些軟件框架也可以實(shí)現多進(jìn)程和多主機的優(yōu)勢，但是在這些框架中，當各電腦通過(guò)不同的網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行連接時(shí)，中心數據服務(wù)器就會(huì )發(fā)生問(wèn)題。 ROS的點(diǎn)對點(diǎn)設計以及服務(wù)和節點(diǎn)管理器等機制可以分散由計算機視覺(jué)和語(yǔ)音識別等功能帶來(lái)的實(shí)時(shí)計算壓力，能夠適應多機器人遇到的挑戰。 (2)多語(yǔ)言支持 在寫(xiě)代碼的時(shí)候，許多編程者會(huì )比較偏向某一些編程語(yǔ)言。這些偏好是個(gè)人在每種語(yǔ)言的編程時(shí)間、調試效果、語(yǔ)法、執行效率以及各種技術(shù)和文化的原因導致的結果。為了解決這些問(wèn)題，我們將ROS設計成了語(yǔ)言中立性的框架結構。ROS現在支持許多種不同的語(yǔ)言，例如C++、Python、Octave和LISP，也包含其他語(yǔ)言的多種接口實(shí)現。 (3)精簡(jiǎn)與集成 大多數已經(jīng)存在的機器人軟件工程都包含了可以在工程外重復使用的驅動(dòng)和算法，不幸的是，由于多方面的原因，大部分代碼的中間層都過(guò)于混亂，以至于很困難提取出它的功能，也很難把它們從原型中提取出來(lái)應用到其他方面。 為了應對這種趨勢，我們鼓勵將所有的驅動(dòng)和算法逐漸發(fā)展成為和ROS沒(méi)有依賴(lài)性單獨的庫。ROS建立的系統具有模塊化的特點(diǎn)，各模塊中的代碼可以單獨編譯，而且編譯使用的CMake工具使它很容易的就實(shí)現精簡(jiǎn)的理念。ROS基本將復雜的代碼封裝在庫里，只是創(chuàng )建了一些小的應用程序為ROS顯示庫的功能，就允許了對簡(jiǎn)單的代碼超越原型進(jìn)行移植和重新使用。作為一種新加入的有優(yōu)勢，單元測試當代碼在庫中分散后也變得非常的容易，一個(gè)單獨的測試程序可以測試庫中很多的特點(diǎn)。 (4)工具包豐富 為了管理復雜的ROS軟件框架，利用了大量的小工具去編譯和運行多種多樣的ROS組建，從而設計成了內核，而不是構建一個(gè)龐大的開(kāi)發(fā)和運行環(huán)境。
(5)免費并且開(kāi)源 ROS所有的源代碼都是公開(kāi)發(fā)布的。我們相信這將必定促進(jìn)ROS軟件各層次的調試，不斷的改正錯誤。雖然像Microsoft Robotics Studio和Webots這樣的非開(kāi)源軟件也有很多值得贊美的屬性，但是我們認為一個(gè)開(kāi)源的平臺也是無(wú)可為替代的。當硬件和各層次的軟件同時(shí)設計和調試的時(shí)候這一點(diǎn)是尤其真實(shí)的。 現階段高性能嵌入式處理器在手機平板電腦上運用較多，但這類(lèi)處理器由于向著(zhù)手機的行業(yè)方向發(fā)展，接口方面比較傳統和固定，很難滿(mǎn)足機器人的設計需求。工業(yè)方向的高性能嵌入式處理器不算多，飛思卡爾的imx系列可以算一個(gè)不錯的平臺，主要是接口豐富，可定制化的形態(tài)較多，滿(mǎn)足機器人多元化接口的需求。同時(shí)imx系列對Ubuntu，Android這兩大操作系統的支持良好，系統在該平臺上運行穩定，通過(guò)Ubuntu可以支持ROS軟件平臺，ROS軟件平臺的優(yōu)點(diǎn)能很好的解決掉上述機器人軟件開(kāi)發(fā)的一些問(wèn)題。辰漢電子作為專(zhuān)攻飛思卡爾imx平臺設計研發(fā)的上市公司，在對平臺定制方面有著(zhù)多年的經(jīng)驗和成功案例，在工業(yè)機器人市場(chǎng)有著(zhù)穩定出貨的產(chǎn)品，公司也在服務(wù)機器人市場(chǎng)有著(zhù)務(wù)實(shí)的準備。 辰漢嵌入式 |
