圖形化系統設計開啟機器人的新紀元

根據國際機器人聯盟 (The International Federation of Robotics) 統計，自從 1961 年通用汽車 (General Motors，GM) 操作第一款工業級機器手臂以來，全世界的機器人數量已經成長到共 450 萬架。

時至今日，從日常生活所使用的商業量產型機器人，如 iRobot Roomba 吸塵器與 LEGO® MINDSTORMS® NXT；到完整應用的機器人，如腹腔鏡手術機器人、微機電系統 (MEMS)，與自動化無人載具，機器人似乎已經無所不在。由 Google X PRIZE Foundation、FIRST (For Inspiration and Recognition of Science and Technology)、RoboCup，與 Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) 所主辦的相關競賽，正主導機器人領域的創新方向。

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圖 1. 維吉尼亞理工大學 (Virginia Tech) 使用圖形化系統設計方式，以迅速佈署 DARwIn 機器人的設計。

雙足式類人機器人的創新研究範例之一，即由維吉尼亞理工大學 (Virginia Tech) 的學生所開發。該機器人為美國首度朝機器人盃 (RoboCup) 叩關的類人機器人。RoboCup 為國際性的機器人足球競賽，為提升機器人、人工智慧，與相關領域的研究。

加速機器人創新

雙足式類人機器人，正式名稱為智慧型動態擬人機器人 (Dynamic Anthropomorphic Robot with Intelligence，DARwIn)，原是為了研究肢體義肢的移動 (Locomotion) 特性所開發。該研究專案是由 Dennis Hong 教授於維吉尼亞理工大學 (Virginia Tech) 的機器人與機器裝置實驗室 (Robotics & Mechanisms Laboratory，RoMeLa) 所指導進行。透過 NI LabVIEW 的圖形化系統設計平台，DARwIn 可擁有完整的運動範圍並精確模仿人類移動方式，因此僅需小幅修改即可參加 RoboCup 足球比賽 (如圖 1 所示)。

在 RoMeLa 的學生因而透過圖形化系統設計，在機器人研究領域居於領先地位。有了 LabVIEW 圖形化程式設計平台，機器人專家可設計、原型製作，並佈署完整的機器人設計作業。這些工程師亦可專注於解決設計問題，而不需額外耗費心力於低階的建置細節。

在過去，由於使用各領域傳統工具均需要深入的專業知識，因此機器工程師、電子工程師，與程式設計師必須分別開發機器人的各個部分。LabVIEW 與 NI 硬體提供通用的單一平台，提供所有工程師均可使用的標準工具組，並可普及機器人開發作業。

RoMeLa 的學生透過 LabVIEW 可分析動態雙足運動，並進行機器人控制系統的設計與原型製作。一旦該原型可完美執行，即可將控制運算式佈署至執行 LabVIEW Real-Time Module 的 PC/104 單板式電腦。

使用者不需精通電腦或程式設計，即可組合進階的機器人。舉例來說，某位學生可能對 LabVIEW 與視覺開發的經驗不多，卻能透過 IEEE 1394 相機與 NI 視覺開發 (Vision Development) 模組，在幾個小時之內撰寫出讓機器人追蹤紅色小球的運算式。透過 LabVIEW 與 NI 硬體，工程師可使用相同的圖形化程式設計語言，迅速設計並原型製作複雜的運算式，並將設計佈署至電腦、FPGA、微控制器，或即時系統；或虛擬介接至感測器/致動器。而現在，不限於機器工程師，其他領域的專家亦可替代機器設計師，完成某部分的工作。

圖 2. LabVIEW 針對完整的機器人設計作業，提供通用的單一工具。

以標準機器人平台解決實際挑戰

大多數的機器人系統均囊括 4 個開發範圍：感測與致動、控制設計與模擬、嵌入式控制器程式設計、網路通訊。範例之一即為由 Nexans 公司所開發的蜘蛛 (Spider) 水下無人載具 (ROV)；該公司精通於石油與天然氣應用的接管系統。

Nexans 公司所開發的蜘蛛可從船上進行遠端操作，在惡劣的環境條件下，於北海海床安裝輸送天然器的管線。為了因應海邊的嚴苛環境，Nexans 公司設計完整的湧浪補償 (Heave compensation) 系統，以動態控制從作業船至 ROV 的纜線張力。此系統是以 LabVIEW 進行程式設計，共有 3 組 FPGA 架構的即時嵌入式 NI CompactRIO 系統，執行湧浪補償控制、絞盤控制，與電力控制，並可溝通主要的 LabVIEW 人機介面 (HMI) 應用。於 LabVIEW 中所執行的閉迴路控制運算式，將收集感測器的相關讀數，針對纜線張力做出修正與反應。

此機器人應用的實例，展現了 LabVIEW 圖形化系統設計平台功能；從控制設計、3D 視覺化、嵌入式控制，乃至於資料擷取與溝通。

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圖 3. LabVIEW 圖形化系統設計可引領出無限潛能。

每位兒童都可能成為未來的愛迪生

圖形化系統設計不僅僅引領現今的機器設計師。即便是目前 8 歲大的孩童，只要對科學、科技、設計，與數學感到興趣，透過簡單易用的圖形化系統設計方式，也能於未來成為優秀的工程師。LEGO MINDSTORMS NXT 即展現了機器人是如何激發出無限的創意。透過 LabVIEW 架構的圖形化程式設計工具，有數以千計的孩童均可設計完整機器人。針對溝通感測器與致動器的 NXT，更可使用其中的嵌入式 ARM7 微控制器，建置平行的程式設計作業。他們已成為最年輕的機器人專業領域專家，更是新一代的愛迪生。

在技術水準改變迅速的同時，圖形化系統設計更肩負了機器人設計的持續創新使命。複雜的傳統式工具，可能延緩機器人技術的發展。LabVIEW 完整且具彈性的平台，可囊括設計、原型製作，與佈署的作業階段，讓工程師不需分心進行建置的細節，即可專注開發機器人。透過相同平台，亦可進行從 FPGA 至微控制器的程式設計：；自任何感測器與致動器虛擬傳送/接收訊號；數既並模擬動態控制系統；建置可遠端監控/控制機器人的介面。LabVIEW 圖形化系統設計平台，為所有機器人設計師的單一平台，加速了機器人設計的靈活性。

– Anu Saha

作者 Anu Saha 為學術產品經理。並擁有田納西大學 (the University of Tennessee) 的資訊工程與電子工程學位。

觀看 NI 機器人應用的相關影片。

此篇文章首次發表於 2008 年 Q1 的 NI 虛擬儀控季刊。

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