关于智能机器人的一种完整解决方案

发布时间：2016-12-21 www.cechina.cn

　　近年来工业机器人供应量在大多数行业都呈现出上涨的态势。而服务机器人发展历史较短。其在功能上的主要不同体现在两个方面：一是与人的沟通协作；二是在复杂环境下代替人的部分工作。
　　随着IT技术的高速发展，我们已经进入了全力打造智能型机器人的全新时代。 2015年世界智能型机器人市场约为269亿美元，今后10年间，CAGR（年平均成长率）同比增长9%，至2025年世界机器人市场将高达669亿美元。过去以制造业现场工厂自动化为主要应用领域，但目前机器人应用范围在逐渐增加，应用领域已经涉及医疗、物流家庭等服务行业。
　　机器人（robot）一词，最早出现在1920年捷克科幻作家恰配克的《罗索姆的万能机器人》中，原文作“Robota”，后来成为英文中通行的 “Robot”。更科学的定义是1967年由日本科学家森政弘与合田周平提出的：“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动 性、奴隶性等7个特征的柔性机器。”
　　国际机器人联合会将机器人分为两类，工业机器人和服务机器人。工业机器人是“一种应用于工业自动化的， 含有三个及以上的可编程轴的、自动控制的、可编程的、多功能执行机构，它可以是固定式的或移动式的”。服务机器人则是“一种半自主或全自主工作的机器人， 它能完成有益于人类健康的服务工作，但不包括从事生产的设备”。从定义可见，分类的标准是机器人的应用场合。
　　一般的机器人都由机械结构、控制驱动系统、感知系统、交互系统等部分组成。

　　图1 一般机器人的系统构成

　　未来产业与服务应用相结合的世界机器人市场必将成为一种趋势，为了迎合市场的需求，很多机器人解决方案顺势而出，比如机器人大脑采用Rockchip RK3288 为主平台的，4核 Cortex-A17 处理器，主频1.8GHz，内嵌最新一代GPU（Mali-T764）能顺利支持高分辨率（3840X2160）显示。机器人机身的部分采用NXP LPC54102 作为控制部分，驱动部分采用的是Toshiba TMPM375FSDMG 芯片，实现 FOC 适量控制。

　　一、基于 Rockchip RK3288 的新一代机器人大脑解决方案
　　1、功能框图

　　2、功能描述
　　① RK3288 最小系统
　　② 支持 WIFI & BT 功能
　　③ 集成 HDMI、USB、SD 卡、外部扩展口
　　3、重要特征
　　① 4 核 Cortex-A17 处理器，主频 1.8GHz，内嵌最新一代 GPU（Mali-T764）能顺利支持高分辨率（3840X2160）显示
　　② 符合 96Boards 接口定义
　　二、基于 NXP LPC54102和 Toshiba TMPM375FSDMG的轮式机器人方案
　　1、功能框图

　　2、功能描述
　　① 可实现通过遥控器控制偏航角的方式控制机器人的运动方向
　　② 可控制机器人的速度和运动距离
　　3、重要特征
　　① 采用九轴传感器，通过姿态算法来完成机器人的运动控制
　　② 机器人驱动板采用的是Toshiba TMPM375FSDMG，实现 FOC 适量控制
　　三、基于NXP低功耗蓝牙控制的机器人设计方案
　　Bluetooth Low Energy （BLE）控制的机器人参考设计采用FRDM-KW40板和Pololu Zumo机器人开发，并且可以通过手机APP控制。BLE控制的机器人基于KineTIs KW40Z片上系统（SOC），该系统包括一个ARM? Cortex M0+处理器，并配有面向BLE和802.15.4的2.4 GHz无线电。它采用HID over GATT配置文件实施，用作人机接口设备。该软件提供的特性包括：BLE数据到手机app的传输、电机控制和电池监测，等等。
　　1、低功耗蓝牙控制的机器人系统框图

　　2、低功耗蓝牙控制的机器人参考设计特性
　　其中包括恩智浦超低功耗的KineTIs KW40Z SoC，它为便携式、超低功耗的嵌入式系统提供Bluetooth Smart/Bluetooth Low Energy （BLE） v4.1和/或IEEE 802.15.4-2011射频连接
　　使用KineTIs软件开发工具包（SDK）开发，面向KineTIs MCU提供全面的软件支持，包括一个硬件抽象层（HAL）、每个MCU外设的驱动、连接堆栈、中间件、实时操作系统以及应用示例，旨在简化和加快基于Kinetis微控制器的应用开发。
　　3、支持器件
　　KW40Z： Kinetis KW40Z-2.4 GHz双模式：BLE和802.15.4无线连接微控制器（MCU），基于ARM Cortex-M0+内核
　　KW40Z是一款高集成度的单芯片器件，让便携式、超低功耗的嵌入式系统具备Bluetooth Smart/Bluetooth Low Energy （BLE） v4.1和IEEE? 802.15.4-2011射频连接。应用包括便携式医疗设备、可穿戴的运动和健身设备、AV遥控器、电脑键盘和鼠标、游戏控制器、门禁、安防系统、智能 能源和家庭网络。
　　KW40Z MCU集成了一个2.4 GHz收发器，支持多种FSK/GFSK和O-QPSK调制，一个ARM Cortex-M0+ 处理器，160 KB闪存和20 KB SRAM，BLE链路层硬件，802.15.4分组处理器，硬件安全和外围设备，优化后满足目标应用的要求。KW40Z拥有足够的片上内存，可为多模应用 同时运行Bluetooth Low Energy协议栈和IEEE 8021.5.4 MAC/PHY。
　　特性
　　多协议无线电方面：
　　符合2.4 GHz Bluetooth Low Energy V4.1
　　符合IEEE Std. 802.15.4-2011标准
　　典型的接收灵敏度（BLE） = -91 dBm
　　典型的接收灵敏度（802.15.4） = -102 dBm
　　发射输出功率可设置：-20 dBm至+5 dBm
　　内核和存储器方面：
　　高达48 MHz ARM? Cortex-M0+内核
　　片上160 KB闪存
　　片上20 KB SRAM
　　功耗低，工作电压范围：
　　9个低功耗模式，根据应用需求提供优化的电源
　　典型接收/发送电流（直流/支持直流）： 6.5 mA / 8.4 mA
　　旁路电压：1.71V至3.6V
　　DCDC转换器降压配置：2.1V至4.2V
　　DCDC转换器升压配置：0.9V 至1.795V
　　模拟模块：
　　16位模数转换器（ADC）
　　12位数模转换器 （DAC）
　　6位高速模拟比较器（CMP）
　　安全性：
　　AES-128加速器（AESA），真随机数发生器（TRNG）
　　支持软件：
　　BLE主机协议栈和配置文件、802.15.4 MAC和SMAC
　　Kinetis?软件开发套件（SDK）
　　FreeRTOS内核和裸机非抢占任务调度器
　　小结
　　在危险环境中的应用和成为人们工作生活的助手是未来机器人发展的两大趋势。当然了，要让机器人真的像人一样工作，成为人的助手，还具有相当大的挑战性。
　　首先，需要解决机器人在复杂环境中的运动能力。其次，提升感知和决策能力。对无人车来说，速度快是主要特点之一。如何在高速运动时，对时刻变化的环境做出合适的反应，决定了无人车的安全性，也是无人车产业化的最大障碍之一。众所周知，机器感知和决策的方式完全不同于人类，人类的感知具有极强的选择性，先前景后背景、先动态后静态、先非常态后常态等原则， 让人能够迅速地在复杂环境中发现目标。这种能力是非常值得机器人研究和效仿的。
　　总之，近年来市场对机器人的需求持续攀升，各国政府、相关研究机构和企业，都非常重视机器人技术的发展，投入了大量的资源，机器人技术的发展呈现良好态势。而机器人技术中的高精尖问题，更激发着全球众多优秀的机器人研发团队不断创新，开拓进取。在未来，机器人必将成为日常生活中必不可少的工具，带给人们更加舒适便捷的生活。