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Darrick Addison 是一個在數據庫、網絡、用戶界面和嵌入式系統方面具有豐富經驗的開發人員，他介紹了機器人技術領域和與機器人系統有關的問題。他談到了機械設計、傳感系統、電子控制和軟件。他還討論了微控制器系統，包括串行接口連接和存儲映象接口連接，并談到了某些可供選擇的開放源代碼軟件。 “機器人（Robot）”一詞起源于捷克語，意為強迫勞動力或奴隸。這個詞是由劇作家 Karel Capek 引入的，他虛構創作的機器人很象 Frankenstein 博士的怪物－由化學和生物學方法而不是機械方法創造的生物。但現在流行文化中的機械機器人和這些虛構的生物創作物沒多大區別。基本上，一個機器人包括： * 機械設備，如可以與周圍環境進行交互的車輪平臺、手臂或其它構造。 * 設備上或周圍的傳感器，可以感知周圍環境并向設備提供有用的反饋。 * 根據設備當前的情況處理傳感輸入，并按照情況指示系統執行相應動作的系統。 在制造業領域，機器人的開發集中在執行制造過程的工程機器人手臂上。在航天工業中，機器人技術集中在高度專業的一種行星漫步者上。不同于一臺高度自動化的制造業設備，行星漫步者在月亮黑暗的那一面工作－ 沒有無線電通訊 －可能碰到意外的情況。至少，一個行星漫步者必須具備某種傳感輸入源、某種解釋該輸入的方法和修改它的行動以響應改變著的世界的方法。此外，對感知和適應一個部分未知的環境的需求需要智能（換句話說就是人工智能）。 從軍事科技和空間探索到健康產業和商業，使用機器人的優勢已經被認識到了這種程度－ 它們正在成為我們集體經驗和日常生活的一部分。 它們能把我們從危險和枯燥中解脫出來： * 安全：機器人技術已經被開發用于處理核能和放射性化學制品的很多不同用途，包括核武器、電廠、環境清潔和某些藥品的處理。 * 不愉快的事：機器人執行很多乏味、不愉快但必需的任務，如焊接和看門工作。 * 重復和精度：裝配線工作已經成為機器人技術工業的一個中流砥柱。機器人被廣泛地用于制造業，而且，在強調最小維護需求的空間探索中，使用機器人更具有吸引力。 機械平臺 －硬件基礎 一個機器人包括兩個主要部分：機器人的身體和某種形式的人工智能（artificial intelligence，AI）系統。很多不同的身體部分都可以叫做機器人。關節手臂被用于焊接和上漆；起重機和傳送帶系統在工廠中運送零件；巨型機器人機器搬運礦井深處的泥土。一般說來，機器人最有趣的一個方面是它們的行為，這需要一種形式的智能。機器人最簡單的行為是移動。典型地，輪子被作為讓機器人從一點移動到下一點的基本機械裝置。還需要某種力（如電力）讓輪子在命令時轉動。 電動機 很多種電動機向機器人提供能源，讓它們用不同的編程動作搬運材料、零件、工具或專用設備。電動機的效率等級表明多少消耗的電量轉化成機械能。讓我們看看現代機器人技術中目前被使用的一些機械設備。 直流電機： 永久磁鐵，直流（Permanent-magnet，direct-current，PMDC）電機只需要兩根導線，使用固定磁鐵、電磁鐵（定子和轉子）和開關。這些組成一個換向器來通過旋轉的磁場產生運動。 交流電機 交流電機在輸入導線循環能源，連續地運動磁場。直流電機和交流電機在收到一個信號時會全速運轉。 步進電機 步進電機就像沒有電刷的直流或交流電機。它通過按順序（步進地）向電動機中不同的磁鐵提供能源使其運轉。步進電機設計的目的是更好的控制，它不會只在命令時旋轉，還能夠以任意的“步／每秒”（最高到它的最大速度）的速度旋轉。 伺服電動機 伺服電動機是閉合線圈設備。在收到信號時，它可以自我調整直到與該信號匹配。伺服電動機用于無線電控制的飛機和汽車。它是有傳動裝置和反饋控制系統的簡單的直流電動機。 驅動機制 齒輪和鏈條： 齒輪和鏈條是機械平臺，它提供了一種向另一個地方傳送轉動動作的強大而精確的途徑（可能在傳送的時候改變了動作）。兩個齒輪之間速度的改變取決于每個齒輪上齒的數目。當加電的齒輪旋轉一周時，它根據齒輪上的齒數來拉動鏈條。 滑輪和皮帶： 滑輪和皮帶是機器人所使用的兩種另外的機械平臺，工作的方式與齒輪和鏈條一樣。滑輪是輪緣有凹槽的輪子，皮帶是可以放進這個凹槽的橡皮圈。 變速箱： 變速箱運轉的原理與齒輪和鏈條一樣，不過沒有鏈條。變速箱需要更精密的公差配合，因為不是使用一條又大又松的鏈條來傳送力量，也不用調整錯位，齒輪之間直接和對方嚙合。變速箱的示例可以在汽車的傳動裝置、落地大座鐘的定時機制和打印機的送紙裝置中找到。 電源 電源一般通過兩種電池提供。一次電池使用過一次就被丟棄；二次電池以一種（通常是）可逆的化學反應工作，可以多次充電。一次電池有較高的容量和較低的自放電率。二次（可充電）電池比一次電池電量小，但可以重復充電，按化學反應和環境的不同可以多達一千次。一般可充電電池第一次使用可以為電器或機器人提供 4 小時連續工作的能源。 理論上機器人可以使用幾百種不同類型和形式的電池。電池按化學反應和規格分類，按電壓和電量分級。電池的電壓由電池的化學反應決定，容量由化學反應和規格兩者共同決定。請參閱表 1 了解電池規格。 表 1. 電源
機器人平臺靠兩組獨立的電池運行，它們共享一根地線。這樣，電動機可以用一組電池，而電子設備可以用另一組電池。電子設備和電動機還可以在不同的電壓下工作。 電子控制 機器人中有兩個主要的硬件平臺。非調節電壓、電力和反電動勢峰的機械平臺以及干凈電源和 5 伏信號的電子平臺。這兩個平臺需要順序橋接，目的是讓數字邏輯控制機械系統。經典的組件是橋式繼電器。一個控制信號在繼電器的線圈產生磁場，物理地閉合開關。例如 MOSFET，它是高效率的硅開關，有很多種規格，象晶體管一樣可以作為固態繼電器控制機械系統。 另一方面，更大的機器人可能需要 PMDC 電動機，這樣 MOSFET 的“接通”電阻 Rd（on）會導致芯片熱量的極大散發，從而顯著地降低芯片的發熱溫度。MOSFET 中結點的溫度、MOSFET 封裝和散熱片的傳導系數是 PMDC 電動機的其它重要的特征。 晶體管廣義地分為兩種：雙極結晶體管（bipolar junction transistors，BJT）和場效應晶體管（field-effect transistors，FET）。在 BJT 器件中，基極小的電流調節發射極和接收極之間大得多的電流。在 FET 器件中，柵極電場的存在會調節源極和漏極之間的電流。 傳感器 機器人根據瞬間測量作出反應，這需要不同種類的傳感器。 多數系統中對時間的感知是通過電路和編程中內建的。要想在實際中讓這個具有生產性，機器人必須有感知硬件和軟件，還要能快速地更新。不管傳感器硬件或軟件如何，感知和傳感器可以被當作與外部事件交互（換句話說就是外部世界）。傳感器測量世界的某個屬性。變換器（transducer）一詞經常與傳感器一詞交替使用。交換器是傳感器的機制或元素，它將測量到的能源轉換成另一種形式的能源。傳感器接收能源并傳送一個信號到顯示器或計算機。傳感器使用變換器將輸入的信號（聲音、光線、壓力、溫度等）改變成機器人可以使用的模擬或數字形式。 邏輯傳感器： 傳感器的一個強大的抽象是邏輯傳感器，它是提供一個對象的傳感單元或模塊。它包括物理傳感器的信號處理和提取感知所需的軟件處理。 本體感受傳感器： 本體感受是航位推測法，機器人可以測量來自本身的信號。 接近傳感器： 接近傳感器測量環境中傳感器和對象之間相對的距離。 紅外線（IR）傳感器： 另一種活動的接近傳感器是紅外線傳感器。它發出接近紅外線的能量并測量有沒有相當多的紅外線返回。 碰撞和觸角傳感器： 另一類常見的機器人感知是觸覺的，或基于觸摸的，用碰撞和觸角來完成。觸角和觸須由牢固的電線構成。碰撞傳感器通常是機器人上一個突出的環，包括兩層。 微控制器系統 微控制器（Microcontrollers，MCU）是機器人內部使用的智能電子設備。它提供的功能類似于個人電腦內部的微處理器（中央處理單元或 CPU）所執行的功能。MCU 速度較慢，使用的內存比 CPU 少，設計目的是現實世界的控制問題。CPU 和 MCU 之間的一個主要區別是運行所需的外部組件的數目。MCU 經常可以不需要外部部件就能運行，一般只需要一個外部晶體或振蕩器。 微控制器有四個基本方面：速度、容量、存儲器和其它。速度以時鐘周期指定，通常以每秒百萬個周期（兆赫茲（Megahertz，MHz）計量。周期的使用根據不同的 MCU 而不同，這影響到處理器的可用速度。容量指定 MCU 可以一步處理的信息的字節數 － 它自然的信息簇。MCU 有 4 位、8 位、16 位和 32 位的，8 位的 MCU 是最常見的容量。MCU 在大多數 ROM 中的計數單位是千字節（KB），在 RAM 中是字節。很多 MCU 使用 Harvard 體系，程序保存在內存的一段中（通常是內部的或外部的 SRAM）。然后這就能夠讓處理器更有效地訪問獨立的內存。 微控制器的第四個方面就作為“其它”來講了，它包括諸如專用的輸入設備的特性，該設備經常（但不總是）有一個小的 LED 或 LCD 顯示作為輸出。微控制器還從設備獲取輸入并通過向設備中不同組件發送信號對其控制。程序計數器也通過微控制器掌握要執行哪條命令。 R/C 伺服電動機： 用于無線電控制模型（汽車、飛機等）的伺服電動機在很多種較小的機器人中很有用，因為它緊湊而且相當便宜。伺服電動機本身有內建的電動機、變速箱、位置反饋機制和控制電路。標準的無線電控制伺服電動機在航模、車模、船模中使用，可用來制作手臂、腿和其它來回移動而不是轉圈的機械附屬肢體。 氣體力學： 氣體力學是在大量商業機器人中使用的流體動力的名稱。氣體力學還用于多種仿生系統，這些系統屬于流體動力的范疇。流體動力的一個更廣為人知的分支是水力學。請訪問氣體力學 Web 站點（請參閱本文后面部分的 參考資料）以了解補充信息。 開放源代碼機器人控制軟件 開放機器人控制軟件（Open RObot COntrol Software，OROCOS）是為了開始開放源代碼機器人控制軟件項目所作的努力。我們開展了廣泛的討論，涉及的問題有可以重用其它項目的哪些經驗代碼和工具，應該在項目中集成哪些開放標準，還有什么樣的組織結構最適合這個項目。該項目的目的是按以下要求開發機器人控制軟件，如下所示： * 在開放源代碼和／或自由軟件的許可下 * 盡量模塊化 * 質量最好（從技術和軟件工程兩種角度） * 獨立于（但兼容）商業機器人生產廠商 * 用于各類機器人設備和計算機平臺 * 為所有編程語言本地化 * 以運動學、動力學、計劃、傳感、控制和硬件接口等方面的可配置的軟件組件為特點。 項目的目的不只是要復制現存的商業機器人控制器或機器人模擬／編程軟件包。OROCOS 項目希望開發可共享的庫、獨立組件（有時候被稱為軟件代理程序）和一個可以消除和控制所有分布式機器人系統的可配置的運行時環境。這類項目在以下幾種情況有用處： * 重用代碼 * 作為一個獨立的子系統使用 * 復制其組織結構 * 從管理一個開放源代碼項目的經驗中學習 * 設計和開發可擴展和可重用的軟件 開放源代碼矩陣庫 下面是滿足上面提到的要求的開放源代碼矩陣庫。我們推薦 Octave，因為它是 GPL 許可的，而且實現了所有需要的功能。 GNU Octave： GNU Octave 是一種高級語言，主要用于數字運算。它提供了一種方便的命令行界面，可以數字化地解決線性和非線性問題，也可以使用一種與 Matlab 基本上兼容的語言執行其它數字實驗。通過 Octave 自己的語言編寫的用戶定義函數或使用 C++、C、Fortran 或其它語言編寫的動態載入的模塊，它很容易擴展和定制。 GNU Octave 是免費分發的軟件。您可以重新分發它，或是修改它，但要符合自由軟件基金（Free Software Foundation）頒布的 GNU 通用公共許可（General Public License，GPL）條款。關于 GNU Octave 更詳細的信息可以在訪問 Octave Web 站點時找到（請參閱 參考資料）。 GSL（GNU 科學庫） GSL 是為數字運算開發一個現代的廣泛 ANSI C 語言庫正在進行的努力。GNU 科學庫（GNU ScientificLibrary，GSL）收集了數字運算的例程。這些例程由 GSL 小組用 ANSI C 語言從頭編寫，旨在為 C 語言程序員提供一種現代應用程序編程接口（Applications Programming Interface，API），同時允許包裝器為很高級的語言編寫。 GSL 是自由軟件。它遵照 GNU 通用公共許可分發。請訪問 Red Hat Web 站點（請參閱 參考資料）以了解更多關于 GSL 的信息。 實時內核 實時 Linux（Real-Time Linux，RTLinux） RTLinux（TM）是一個可靠的實時操作系統，處理對時間關鍵的任務，并將 Linux 作為最低優先權執行線程運行。在 RTLinux 中，內核與標準 Linux 共享一個或更多的處理器。這使系統能夠運行執行數據采集的、系統控制和機器人技術的精確計時的應用程序，同時作為標準的 Linux 工作站提供服務。在 ftp.rtlinux.com（請參閱 參考資料）Web 站點上可以獲得版本 3.0（最終版本）。 RTLinux.org 是開放源代碼用戶和開發人員社區的非商業 RTLinux 站點。其姐妹站點 RTLinux.com（請參閱 參考資料）討論商業支持和開發。 eCos（嵌入式可配置操作系統）： eCos 是一個深度嵌入應用程序的開放源代碼實時操作系統。它符合 Linux 不能達到的嵌入空間需求。在考慮應用程序和服務需求之前，Linux 目前內核最小約 500 千字節，占用 1.5 MB 內存。eCos 開放源代碼項目可以在它的 Web 站點上找到（請參閱 參考資料）。 RTEMS（GPL 許可）： RTEMS 是 C、C++ 和 Ada95 的開放源代碼實時操作系統和環境。它遵從 GNU 通用公共許可的條款分發。 請訪問 RTEMS 站點（請參閱 參考資料）以下載和獲取更多關于 RTEMS 的詳細信息。 實用程序和工具 ROBOOP（一個機器人技術面向對象 C++ 軟件包）： 本軟件包是一個關于機器人模擬的面向對象 C++ 軟件包。技術參考和下載在 參考資料中提供。 CORBA： 用于嵌入分布式軟件代理的實時通信和對象請求中介程序軟件包。每個獨立的軟件部分通過 IDL（Interface Definition Language，接口定義語言）的方式向 ORB 注冊它本身及其功能。請訪問其 Web 站點（請參閱 參考資料）以獲得 COBRA 技術信息、下載和文檔。 TANGO／TACO： 這個軟件對控制多設備和多工具的機器人系統也許有用。TANGO 是一個基于 COBRA 的面向對象控制系統。設備服務程序可以用 C++ 或 Java 編寫。TACO 是面向對象的，因為它將 所有 （物理的和邏輯的）控制系統中的控制點作為分布式環境中的對象來對待。所有行動都以類來實現。新的類可以以一種分級的方式從現存的類構建，這樣可以確保高度的軟件重用。類可以用 C++、用 C（使用一種稱為 C 中的對象的方法）、用 Python 或用 LabView（使用 G 編程語言）編寫。 TACO 設計成可移植的，并能夠在許多平臺（例如 Linux、Solaris、HP-UX、Windows/NT、Windows/95 和 OS9）上運行。要下載源代碼和其它技術文檔，請訪問其 Web 站點（請參閱 參考資料）。 控制器 任務控制體系： 任務控制體系（Task Control Architecture，TCA）為移動機器人簡化了任務級控制系統的建立。“任務級別”指的是完成給定的一套目標（任務）的感知、計劃和實時控制的集成和協調。TCA 提供了一個通用的控制框架，旨在控制多種機器人。TCA 提供了一種高級的獨立于機器的方法，可以在分布式機器之間發送消息（包括在 Lisp 和 C 進程之間）。TCA 提供了控制功能，如任務分解、監控和資源管理，這些對很多移動機器人應用程序來說是很常見的。 參考資料一節提供了任務控制體系的技術參考和下載信息。 EMC（增強的機器控制器）： EMC 軟件建立在 NIST 實時控制系統（Real time Control System，RCS）方法的基礎之上，使用 NIST RCS 庫編程。RCS 庫使向多種 UNIX 和微軟的平臺移植變得容易，它向操作系統資源提供了一種中性的應用程序編程接口（application programming interface，API），如共享的內存、信號量和計時器。EMC 軟件用 C 和 C++ 編寫，而且已經被移植到 PC Linux、Windows NT 和 Sun 的 Solaris 操作系統上。 Darwin2K： Darwin2K 是一個免費的機器人模擬和自動化設計開放源代碼工具包。它的特性是眾多的模擬功能和一個改良的運算法則，該法則能夠自動地綜合和優化機器人設計，使其符合任務特定的性能目標。 語言 RoboML（機器人標記語言）： RoboML 用于與機器人技術相關的數據的標準化表達。其設計的意圖是既支持機器人為主的進程之間和接口進程之間的通信語言，也支持人－ 機器人接口代理之間的通信語言，并提供了一種人 －機器人接口代理使用的歸檔數據的格式。 ROSSUM: 一種移動機器人的編程和模擬環境。Rossum 項目試圖幫助收集、開發和分發機器人應用程序軟件。Rossum 項目希望將類似的協作擴展到機器人軟件的開發。 XRCL（可擴展機器人控制語言，Extensible Robot Control Language）： XRCL（發音為 zircle）是個相對簡單、現代的編程語言和環境，設計成讓機器人技術研究人員可以通過共享代碼來共享他們的想法。它是一個開放源代碼項目，受 GNU Copyleft 的保護。 自動化系統內部控制的開放系統體系（Open System Architecture for Controls within Automation Systems，OSACA）： OSACA 是一個合作的歐洲項目，旨在增進機器工具和控制系統生產廠商在世界市場中的競爭性。項目的主要目標是規定獨立于生產廠商的開放控制系統的系統體系。 總結 機器人技術領域已經創造了很多種具有基本的物理和導航功能的機器人。同時，社會發展的趨勢也開始成為將機器人結合到從娛樂到衛生保健的日常生活中。而且，機器人可以將很多人從危險的情況中解脫出來，本質上就是讓機器人作為人類的替代品來使用。AI 機器人技術研究人員所研究的很多應用程序已經開始實現這種可能了。另外，機器人還可以用于更普通的工作，如看門工作。然而機器人最初是開發用于骯臟、枯燥和危險的應用程序，現在它們已經被看作是人類的助手了。不管是什么應用程序，隨著未來科技發展到一個新的境界，機器人將會需要更多而不是更少的智慧，從而會對我們的社會形成巨大的影響。 參考資料 * Edwin Wise（Howard W. Sams，2000）的 應用機器人技術提供了一個對機器人技術領域的面向項目的介紹。它指導新手迎接建造一個工作的機器人的挑戰，并向高級建造者提供新的想法和技術。 * CORBA 是一個實時通訊和嵌入式軟件代理的對象請求中間人軟件包。 * Darwin2K 是一個免費的機器人模擬和自動化設計開放源代碼工具包。 * eCos 是嵌入式可配置操作系統，一個深度嵌入應用程序的開放源代碼實時操作系統。 * EMC（增強的機器控制器）軟件建立在 NIST 實時控制系統（Real time Control System，RCS）方法的基礎之上，使用 NIST RCS 庫編程。 * GNU Octave 是一種高級語言，主要用于數字運算。 * GSL（GNU 科學庫）是開發一種現代、廣泛的 ANSI C 語言庫以用于數字運算所作的不間斷的努力。 * Robin R. Murphy（Massachusetts Institute of Technology-MIT，2000）的 介紹人工智能機器人技術旨在包含所有為人工智能機器人編程的主題，機器人的應用包括傳感、導航、路徑計劃和對非確定事物的導航。 * Orocos（開放機器人控制介紹）是開始開放源代碼機器人控制軟件項目的一個努力。該項目的第一階段（到 2001 年 9 月為止）開發了一個戰略性的景象，作出了高級設計決策并制定了庫規范的原型。從那時起，Orocos 將受到歐盟的一個授權的部分支持。 * OSACA 是自動化系統內部控制的開放系統體系。 * 氣體力學是在很多商業機器人中使用的流體動力的名稱。 * roboML（機器人標記語言，RoboticMarkup Language）用于與機器人技術有關的數據的標準化表達。 * ROBOOP 是一個機器人技術面向對象的 C++ 軟件包。 * Rossum 項目試圖幫助收集、開發和分發機器人應用程序軟件。 * RTEMS 是 C、C++ 和 Ada95 的開放源代碼實時操作系統和環境。 * RTLinux 是一個硬實時操作系統，處理對時間關鍵的任務，并將Linux 作為最低優先權執行線程運行。還可以獲得 商業支持和開發。 * TACO 將 所有 （物理的和邏輯的）控制系統中的控制點作為分布式環境中的對象對待。 * TCA（任務控制體系）為移動機器人簡化了任務級控制系統的建立。 * XRCL（發音為 zircle）是可擴展的機器人控制語言。 * 瀏覽 developerWorks上 更多 Linux 參考資料。 * 瀏覽 developerWorks上 更多開放源代碼參考資料。 關于作者 Darrick Addison 是 ASC Technologies Inc. 的高級軟件工程師／顧問。他從 1993 年就開始設計和開發自定義軟件應用程序了。他致力設計和開發的軟件各種各樣，有數據庫應用程序、網絡應用程序（TCP/IP 客戶機／服務器）、GUI 應用程序，還有不同商業和政府環境的嵌入式系統。現在他持有計算機科學學士學位，并正在 Johns Hopkins University 完成他的計算機科學／通信碩士學位。您可以通過 dtadd95@bellatlantic.net 聯系 Darrick。他會歡迎您的意見和問題。 來源：IBM公司，2001 年 9 月 01 日 |
