機(jī)器人入門從未有過如此簡單，回報也更高。 今天開展研究，明天就可能取得商業(yè)上的成功。 由于存在各種開源項目，工程師有機(jī)會專注于提供更好的“即插即用”解決方案的控制系統(tǒng)。

就在不久前，機(jī)器人還是狂熱的愛好者或工業(yè)自動化行業(yè)的大型制造商的天下，他們之間留有很大空白。 如今，這一空白正逐漸消失，隨著這兩類有著天壤之別的參與者交織在一起，衡量機(jī)器人好壞的標(biāo)準(zhǔn)正在發(fā)生變化。

機(jī)器人是一個快速擴(kuò)展的研究領(lǐng)域，但不僅于此，機(jī)器人如今對于愛好者、工業(yè)家以及他們之間的每個人來說都是一大機(jī)會。 應(yīng)用（而非限制）將塑造機(jī)器人行業(yè)，事實(shí)上，機(jī)器人的潛在應(yīng)用不限于單調(diào)、重復(fù)性的任務(wù)，例如焊接汽車車架、或高度專業(yè)化但受限的作業(yè)過程（如縫合傷口）。 實(shí)際上，將機(jī)器人僅限于到目前為止所想象的那些應(yīng)用是低估了其潛力，而且有些人認(rèn)為，這更是低估了機(jī)器人在未來世界的必要性。

機(jī)器人在不斷發(fā)展演變；他們可能永遠(yuǎn)不會有自我意識，其實(shí)地球上的大多數(shù)物種也是如此。 但它們的演變始終限制于人類的想象和開發(fā)新技術(shù)的能力，而人類的想象力正是不斷創(chuàng)造驚喜的可靠來源。

促進(jìn)了技術(shù)發(fā)展

構(gòu)想機(jī)器人時傾向于模仿人形不只是裝模作樣，這是合乎邏輯的假設(shè)，因?yàn)闄C(jī)器人需要根據(jù)所處的實(shí)際環(huán)境中行動，而不是工程師設(shè)計好的環(huán)境。 這促進(jìn)了先進(jìn)的智能視覺系統(tǒng)的開發(fā)，這個系統(tǒng)要能夠使用立體攝像機(jī)來判斷深度、尺寸、距離和速度。

總體來說，傳感器（不僅限于視覺）是機(jī)器人研發(fā)的關(guān)鍵領(lǐng)域。 像皮膚那樣做出反應(yīng)的織物（用于檢測壓力、熱和距離）可能有朝一日會穿在機(jī)器人形態(tài)的肢體上。 想象一下，如果機(jī)器人可以像步行動物那樣感受并知曉其腳下的地面，那么機(jī)器人行走會是多么簡單。 要將這種感官刺激傳輸?shù)健爸袠猩窠?jīng)系統(tǒng)”則需要在每個關(guān)節(jié)和肌肉處布置更多傳感器。因此傳感器無疑是研究的重點(diǎn)。

處理這么巨量的數(shù)據(jù)當(dāng)然需要功能強(qiáng)大的大型處理引擎來完成。 在這方面，未來也許更容易想象，因?yàn)榘雽?dǎo)體行業(yè)已生產(chǎn)出了極小亞微米級別尺寸的集成電路，并出現(xiàn)了像 FinFET 和石墨烯之類創(chuàng)新技術(shù)。 根據(jù)摩爾定律，晶體管的密度預(yù)計在未來許多年里將繼續(xù)增加，因此可以在更小的物理尺寸中提供更強(qiáng)大的處理能力。

所有這些處理能力將使軟件運(yùn)行更快、更流暢，從而實(shí)現(xiàn)人工智能。 對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究再次興起，這在很大程度上歸功于能處理這樣復(fù)雜運(yùn)算的強(qiáng)大多核處理器的出現(xiàn)。 深度學(xué)習(xí)算法也將廣泛用于機(jī)器人領(lǐng)域。

能夠設(shè)計和制造錯綜復(fù)雜零件的 3D 打印技術(shù)也會推動機(jī)器人革命。例如開放機(jī)器人硬件倡議便是一例，該倡議正在主持多個開源機(jī)械與電氣元件項目。 現(xiàn)在可以下載機(jī)器人部位的設(shè)計文件，在家打印出來，然后使用用于控制目的的開源硬件和軟件來構(gòu)造機(jī)器人。

不只是創(chuàng)客

“創(chuàng)客”領(lǐng)域正在發(fā)生巨大進(jìn)展，其中開源項目大部分就是由他們所帶動的。 現(xiàn)在提供的開源機(jī)器人項目的數(shù)量和多樣性已超出了創(chuàng)客社區(qū)，并且主要由高校推動，允許人們使用低成本且通常是 3D 打印套件來研究機(jī)器人。

雖然開源硬件越來越普遍，但開源軟件擁有悠久得多的歷史和較高的市場滲透率，尤其是在工業(yè)和消費(fèi)應(yīng)用（Linux 和 Android 是最突出的兩個）。 現(xiàn)在，這還包括機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）項目，該項目不是大多數(shù)人可能所想的實(shí)際“操作系統(tǒng)”，而是由工程師用來創(chuàng)建機(jī)器人軟件的中間件庫組成的一個模塊化框架。 它在 Linux 的衍生版本 Ubuntu 和 Debian 上運(yùn)行，所以需要一個能夠運(yùn)行 Linux 的主機(jī)處理器。 它也可直接安裝到大量預(yù)先配置好的機(jī)器人上（更多詳情，請訪問 ROS Kinetic 安裝說明）。

ROS 內(nèi)有大量的子項目，包括將 ROS 延伸至制造領(lǐng)域的 ROS-Industrial。 ROS 還在建立被稱為 ROS 2 的框架實(shí)時實(shí)現(xiàn)。 這將包括可移植到微控制器的元素，通過微控制器來控制機(jī)器人部位的動作，實(shí)現(xiàn)更分散的設(shè)計方式。

微控制器和微處理器之間的融合意味著，一些針對類微控制器應(yīng)用的較高端器件實(shí)際上就是能夠運(yùn)行基于 Linux 的操作系統(tǒng)的微處理器。 這一方面的主要推動者一直是 ARM 系列的 Cortex 內(nèi)核，范圍從 Cortex-A（應(yīng)用）到 Cortex-R（實(shí)時），當(dāng)然也包括 Cortex-M（微控制器）。 對于嵌入領(lǐng)域而言，最重要的內(nèi)核仍是 -M 系列，但使用 -A 系列的器件現(xiàn)在出現(xiàn)在了針對高端工業(yè)與汽車應(yīng)用以及有線/無線通信的設(shè)備中。 關(guān)于這方面的一個很好例子是 Zynq-7000 SoC 系列，該系列集成了一個含多達(dá) 444k 邏輯單元的 ARM? Cortex?-A9 MPCore 雙核處理器。 FPGA 結(jié)構(gòu)和雙核處理器的緊密集成特性使 Zynq-7000 SoC 適合需要高水平并行處理的應(yīng)用，例如機(jī)器視覺系統(tǒng)中的高級成像。 集成 ARM Cortex-A9 內(nèi)核還意味著，它能在商業(yè)/工業(yè)機(jī)器人中運(yùn)行 ROS 框架。

Zynq-7000 SoC 的架構(gòu)使其成為 Three Byte Intermedia 為數(shù)學(xué)博物館（Museum of Mathematics，MoMATH）開發(fā)一系列機(jī)器人（在 Embedded World 2015 上展出）的視覺系統(tǒng)的理想選擇。

圖 1：Xilinx Zynq-7000 架構(gòu)。

運(yùn)動中的世界

運(yùn)動是機(jī)器人的核心，不論是完全行走動作還是在受限區(qū)域僅可自由移動“物品”幾度的設(shè)備。 電機(jī)控制是機(jī)器人運(yùn)動的基礎(chǔ)，其中包括用于控制角度運(yùn)動的無刷直流電機(jī) (BLDC) 以及用于自動化及運(yùn)輸?shù)?AC 電機(jī)。 雖然 BLDC 被認(rèn)為是機(jī)器人行業(yè)的關(guān)鍵，但電機(jī)控制總體而言也很重要。 直流電機(jī)可減少齒輪和控制器數(shù)，現(xiàn)在采用此類電機(jī)的模塊選擇很廣泛，并可用于機(jī)器人。 這些模塊通常使用相對簡單的串口協(xié)議進(jìn)行雙向通信，允許多個模塊由單個 MCU 控制。 還集成 AC 電機(jī)控制并能通過接口連接至多個傳感器的微控制器可提供非常具有吸引力的機(jī)器人控制系統(tǒng)方案。

像來自 Infineon 的 XMC4500 系列之類的工業(yè)微控制器已經(jīng)過優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制、傳感器對接以及連接功能。 XMC4000 系列基于采用浮點(diǎn)及 DSP 指令的 ARM Cortex-M4。 這使之能夠執(zhí)行機(jī)器人應(yīng)用中所用復(fù)雜算法所需的處理能力，同時它還支持 CAN 等工業(yè)環(huán)境中使用的協(xié)議以及以太網(wǎng)、USB 和 SPI。 它還帶有 SD 及多媒體 SD 卡接口，以及專用于與外部存儲器和片外外設(shè)通信的接口。 此外，它還具有 LED 及觸摸感應(yīng)模塊，在需要人機(jī)接口時用于驅(qū)動 LED 并控制觸摸板。

Infineon XMC4500 框圖" src="http://www.digikey.com.cn/-/media/Images/Article Library/TechZone Articles/2016/August/Robotics is moving off the maker bench and into the mainstream/article-2016august-robotics-is-moving-off-fig2.jpg?ts=fd86d84c-f6ff-4a3a-a967-61bcf2b26a09&la=zh-CN-RMB" title="Infineon XMC4500" height="436" width="600"/>

圖 2：Infineon XMC4500 框圖。

高效處理 MAC（乘法與累加）指令的能力對于像機(jī)器人這樣的實(shí)時控制系統(tǒng)至關(guān)重要，并且是 Cortex-M4 的 DSP 指令的一項功能，但它不是此領(lǐng)域內(nèi)微控制器架構(gòu)的唯一選擇。 Renesas 的 32 位 RX 內(nèi)核就是選擇之一，用在其 RX200 系列上，它使用帶 5 級管線的可變長度 CISC Harvard 架構(gòu)，其累加器可以通過單個指令以及單周期乘法指令來處理 64 位結(jié)果。 RX210 系列的 MCU 在 50 MHz 時提供 78 DMIPS，并提供多種外設(shè)以及多達(dá)二十個擴(kuò)展功能定時器。 RX210 還集成專為符合 IEC 60730（家用電器安全標(biāo)準(zhǔn)）而設(shè)計的硬件功能；因?yàn)闄C(jī)器人可能用于家居環(huán)境，這是一個重大利好。

圖 3：Renesas RX210 框圖。

結(jié)論

機(jī)器人是一個快速發(fā)展演變的新興工程領(lǐng)域，目前只是小荷才露尖尖角，未來潛力無限。 正如科幻小說中經(jīng)常描繪的，人們擔(dān)心有一天會出現(xiàn)一心想要消滅人類的機(jī)器人，但這樣的擔(dān)心不可能阻止研究的繼續(xù)進(jìn)行。 如果您想要開始探索機(jī)器人的世界，何不看看這里提供的套件，即刻成為未來變革一份子！