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發布日期：2022-04-18 點擊率：125
機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上的成功。 由于存在各種開源項目，工程師有機會專注于提供更好的“即插即用”解決方案的控制系統。
就在不久前，機器人還是狂熱的愛好者或工業自動化行業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，衡量機器人好壞的標準正在發生變化。
機器人是一個快速擴展的研究領域，但不僅于此，機器人如今對于愛好者、工業家以及他們之間的每個人來說都是一大機會。 應用（而非限制）將塑造機器人行業，事實上，機器人的潛在應用不限于單調、重復性的任務，例如焊接汽車車架、或高度專業化但受限的作業過程（如縫合傷口）。 實際上，將機器人僅限于到目前為止所想象的那些應用是低估了其潛力，而且有些人認為，這更是低估了機器人在未來世界的必要性。
機器人在不斷發展演變；他們可能永遠不會有自我意識，其實地球上的大多數物種也是如此。 但它們的演變始終限制于人類的想象和開發新技術的能力，而人類的想象力正是不斷創造驚喜的可靠來源。
促進了技術發展
構想機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，因為機器人需要根據所處的實際環境中行動，而不是工程師設計好的環境。 這促進了先進的智能視覺系統的開發，這個系統要能夠使用立體攝像機來判斷深度、尺寸、距離和速度。
總體來說，傳感器（不僅限于視覺）是機器人研發的關鍵領域。 像皮膚那樣做出反應的織物（用于檢測壓力、熱和距離）可能有朝一日會穿在機器人形態的肢體上。 想象一下，如果機器人可以像步行動物那樣感受并知曉其腳下的地面，那么機器人行走會是多么簡單。 要將這種感官刺激傳輸到“中樞神經系統”則需要在每個關節和肌肉處布置更多傳感器。因此傳感器無疑是研究的重點。
處理這么巨量的數據當然需要功能強大的大型處理引擎來完成。 在這方面，未來也許更容易想象，因為半導體行業已生產出了極小亞微米級別尺寸的集成電路，并出現了像 FinFET 和石墨烯之類創新技術。 根據摩爾定律，晶體管的密度預計在未來許多年里將繼續增加，因此可以在更小的物理尺寸中提供更強大的處理能力。
所有這些處理能力將使軟件運行更快、更流暢，從而實現人工智能。 對神經網絡的研究再次興起，這在很大程度上歸功于能處理這樣復雜運算的強大多核處理器的出現。 深度學習算法也將廣泛用于機器人領域。
能夠設計和制造錯綜復雜零件的 3D 打印技術也會推動機器人革命。例如開放機器人硬件倡議便是一例，該倡議正在主持多個開源機械與電氣元件項目。 現在可以下載機器人部位的設計文件，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造機器人。
不只是創客
“創客”領域正在發生巨大進展，其中開源項目大部分就是由他們所帶動的。 現在提供的開源機器人項目的數量和多樣性已超出了創客社區，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，尤其是在工業和消費應用（Linux 和 Android 是最突出的兩個）。 現在，這還包括機器人操作系統（ROS）項目，該項目不是大多數人可能所想的實際“操作系統”，而是由工程師用來創建機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 上運行，所以需要一個能夠運行 Linux 的主機處理器。 它也可直接安裝到大量預先配置好的機器人上（更多詳情，請訪問 ROS Kinetic 安裝說明）。
ROS 內有大量的子項目，包括將 ROS 延伸至制造領域的 ROS-Industrial。 ROS 還在建立被稱為 ROS 2 的框架實時實現。 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器人部位的動作，實現更分散的設計方式。
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用的較高端器件實際上就是能夠運行基于 Linux 的操作系統的微處理器。 這一方面的主要推動者一直是 ARM 系列的 Cortex 內核，范圍從 Cortex-A（應用）到 Cortex-R（實時），當然也包括 Cortex-M（微控制器）。 對于嵌入領域而言，最重要的內核仍是 -M 系列，但使用 -A 系列的器件現在出現在了針對高端工業與汽車應用以及有線/無線通信的設備中。 關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 444k 邏輯單元的 ARM? Cortex?-A9 MPCore 雙核處理器。 FPGA 結構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用，例如機器視覺系統中的高級成像。 集成 ARM Cortex-A9 內核還意味著，它能在商業/工業機器人中運行 ROS 框架。
Zynq-7000 SoC 的架構使其成為 Three Byte Intermedia 為數學博物館（Museum of Mathematics，MoMATH）開發一系列機器人（在 Embedded World 2015 上展出）的視覺系統的理想選擇。
圖 1：Xilinx Zynq-7000 架構。
運動中的世界
運動是機器人的核心，不論是完全行走動作還是在受限區域僅可自由移動“物品”幾度的設備。 電機控制是機器人運動的基礎，其中包括用于控制角度運動的無刷直流電機 (BLDC) 以及用于自動化及運輸的 AC 電機。 雖然 BLDC 被認為是機器人行業的關鍵，但電機控制總體而言也很重要。 直流電機可減少齒輪和控制器數，現在采用此類電機的模塊選擇很廣泛，并可用于機器人。 這些模塊通常使用相對簡單的串口協議進行雙向通信，允許多個模塊由單個 MCU 控制。 還集成 AC 電機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器人控制系統方案。
像來自 Infineon 的 XMC4500 系列之類的工業微控制器已經過優化，可實現電機控制、傳感器對接以及連接功能。 XMC4000 系列基于采用浮點及 DSP 指令的 ARM Cortex-M4。 這使之能夠執行機器人應用中所用復雜算法所需的處理能力，同時它還支持 CAN 等工業環境中使用的協議以及以太網、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通信的接口。 此外，它還具有 LED 及觸摸感應模塊，在需要人機接口時用于驅動 LED 并控制觸摸板。
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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器人這樣的實時控制系統至關重要，并且是 Cortex-M4 的 DSP 指令的一項功能，但它不是此領域內微控制器架構的唯一選擇。 Renesas 的 32 位 RX 內核就是選擇之一，用在其 RX200 系列上，它使用帶 5 級管線的可變長度 CISC Harvard 架構，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 位結果。 RX210 系列的 MCU 在 50 MHz 時提供 78 DMIPS，并提供多種外設以及多達二十個擴展功能定時器。 RX210 還集成專為符合 IEC 60730（家用電器安全標準）而設計的硬件功能；因為機器人可能用于家居環境，這是一個重大利好。
圖 3：Renesas RX210 框圖。
結論
機器人是一個快速發展演變的新興工程領域，目前只是小荷才露尖尖角，未來潛力無限。 正如科幻小說中經常描繪的，人們擔心有一天會出現一心想要消滅人類的機器人，但這樣的擔心不可能阻止研究的繼續進行。 如果您想要開始探索機器人的世界，何不看看這里提供的套件，即刻成為未來變革一份子！
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