【導(dǎo)讀】隨著IT技術(shù)的高速發(fā)展，我們已經(jīng)進(jìn)入了全力打造智能型機(jī)器人的全新時(shí)代。 2015年世界智能型機(jī)器人市場約為269億美元，今后10年間，CAGR（年平均成長率）同比增長9%，至2025年世界機(jī)器人市場將高達(dá)669億美元。過去以制造業(yè)現(xiàn)場工廠自動化為主要應(yīng)用領(lǐng)域，但目前機(jī)器人應(yīng)用范圍在逐漸增加，應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)涉及醫(yī)療、物流家庭等服務(wù)行業(yè)。
近年來工業(yè)機(jī)器人供應(yīng)量在大多數(shù)行業(yè)都呈現(xiàn)出上漲的態(tài)勢。而服務(wù)機(jī)器人發(fā)展歷史較短。其在功能上的主要不同體現(xiàn)在兩個方面：一是與人的溝通協(xié)作；二是在復(fù)雜環(huán)境下代替人的部分工作。
機(jī)器人（robot）一詞，最早出現(xiàn)在1920年捷克科幻作家恰配克的《羅索姆的萬能機(jī)器人》中，原文作“Robota”，后來成為英文中通行的 “Robot”。更科學(xué)的定義是1967年由日本科學(xué)家森政弘與合田周平提出的：“機(jī)器人是一種具有移動性、個體性、智能性、通用性、半機(jī)械半人性、自動 性、奴隸性等7個特征的柔性機(jī)器。”
國際機(jī)器人聯(lián)合會將機(jī)器人分為兩類，工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人是“一種應(yīng)用于工業(yè)自動化的， 含有三個及以上的可編程軸的、自動控制的、可編程的、多功能執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它可以是固定式的或移動式的”。服務(wù)機(jī)器人則是“一種半自主或全自主工作的機(jī)器人， 它能完成有益于人類健康的服務(wù)工作，但不包括從事生產(chǎn)的設(shè)備”。從定義可見，分類的標(biāo)準(zhǔn)是機(jī)器人的應(yīng)用場合。
一般的機(jī)器人都由機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制驅(qū)動系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、交互系統(tǒng)等部分組成。
圖1 一般機(jī)器人的系統(tǒng)構(gòu)成
未來產(chǎn)業(yè)與服務(wù)應(yīng)用相結(jié)合的世界機(jī)器人市場必將成為一種趨勢，為了迎合市場的需求，很多機(jī)器人解決方案順勢而出，比如機(jī)器人大腦采用Rockchip RK3288 為主平臺的，4核 Cortex-A17 處理器，主頻1.8GHz，內(nèi)嵌最新一代GPU（Mali-T764）能順利支持高分辨率（3840X2160）顯示。機(jī)器人機(jī)身的部分采用NXP LPC54102 作為控制部分，驅(qū)動部分采用的是Toshiba TMPM375FSDMG 芯片，實(shí)現(xiàn) FOC 適量控制。
一、基于 Rockchip RK3288 的新一代機(jī)器人大腦解決方案
1、功能框圖
2、功能描述
① RK3288 最小系統(tǒng)
② 支持 WIFI & BT 功能
③ 集成 HDMI、USB、SD 卡、外部擴(kuò)展口
3、重要特征
① 4 核 Cortex-A17 處理器，主頻 1.8GHz，內(nèi)嵌最新一代 GPU（Mali-T764）能順利支持高分辨率（3840X2160）顯示
② 符合 96Boards 接口定義
二、基于 NXP LPC54102和 Toshiba TMPM375FSDMG的輪式機(jī)器人方案
1、功能框圖
2、功能描述
① 可實(shí)現(xiàn)通過遙控器控制偏航角的方式控制機(jī)器人的運(yùn)動方向
② 可控制機(jī)器人的速度和運(yùn)動距離
3、重要特征
① 采用九軸傳感器，通過姿態(tài)算法來完成機(jī)器人的運(yùn)動控制
② 機(jī)器人驅(qū)動板采用的是Toshiba TMPM375FSDMG，實(shí)現(xiàn) FOC 適量控制
三、基于NXP低功耗藍(lán)牙控制的機(jī)器人設(shè)計(jì)方案
Bluetooth® Low Energy （BLE）控制的機(jī)器人參考設(shè)計(jì)采用FRDM-KW40板和Pololu Zumo機(jī)器人開發(fā)，并且可以通過手機(jī)APP控制。BLE控制的機(jī)器人基于KineTIs KW40Z片上系統(tǒng)（SOC），該系統(tǒng)包括一個ARM® Cortex® M0+處理器，并配有面向BLE和802.15.4的2.4 GHz無線電。它采用HID over GATT配置文件實(shí)施，用作人機(jī)接口設(shè)備。該軟件提供的特性包括：BLE數(shù)據(jù)到手機(jī)app的傳輸、電機(jī)控制和電池監(jiān)測，等等。
1、低功耗藍(lán)牙控制的機(jī)器人系統(tǒng)框圖
2、低功耗藍(lán)牙控制的機(jī)器人參考設(shè)計(jì)特性
其中包括恩智浦超低功耗的KineTIs KW40Z SoC，它為便攜式、超低功耗的嵌入式系統(tǒng)提供Bluetooth® Smart/Bluetooth® Low Energy （BLE） v4.1和/或IEEE® 802.15.4-2011射頻連接
使用KineTIs軟件開發(fā)工具包（SDK）開發(fā)，面向KineTIs MCU提供全面的軟件支持，包括一個硬件抽象層（HAL）、每個MCU外設(shè)的驅(qū)動、連接堆棧、中間件、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及應(yīng)用示例，旨在簡化和加快基于Kinetis微控制器的應(yīng)用開發(fā)。
3、支持器件
KW40Z： Kinetis® KW40Z-2.4 GHz雙模式：BLE和802.15.4無線連接微控制器（MCU），基于ARM® Cortex®-M0+內(nèi)核
KW40Z是一款高集成度的單芯片器件，讓便攜式、超低功耗的嵌入式系統(tǒng)具備Bluetooth® Smart/Bluetooth® Low Energy （BLE） v4.1和IEEE® 802.15.4-2011射頻連接。應(yīng)用包括便攜式醫(yī)療設(shè)備、可穿戴的運(yùn)動和健身設(shè)備、AV遙控器、電腦鍵盤和鼠標(biāo)、游戲控制器、門禁、安防系統(tǒng)、智能 能源和家庭網(wǎng)絡(luò)。
KW40Z MCU集成了一個2.4 GHz收發(fā)器，支持多種FSK/GFSK和O-QPSK調(diào)制，一個ARM® Cortex®-M0+ 處理器，160 KB閃存和20 KB SRAM，BLE鏈路層硬件，802.15.4分組處理器，硬件安全和外圍設(shè)備，優(yōu)化后滿足目標(biāo)應(yīng)用的要求。KW40Z擁有足夠的片上內(nèi)存，可為多模應(yīng)用 同時(shí)運(yùn)行Bluetooth Low Energy協(xié)議棧和IEEE 8021.5.4 MAC/PHY。
特性
多協(xié)議無線電方面：
- 符合2.4 GHz Bluetooth Low Energy V4.1
- 符合IEEE Std. 802.15.4-2011標(biāo)準(zhǔn)
- 典型的接收靈敏度（BLE） = -91 dBm
- 典型的接收靈敏度（802.15.4） = -102 dBm
- 發(fā)射輸出功率可設(shè)置：-20 dBm至+5 dBm
內(nèi)核和存儲器方面：
- 高達(dá)48 MHz ARM® Cortex-M0+內(nèi)核
- 片上160 KB閃存
- 片上20 KB SRAM
功耗低，工作電壓范圍：
- 9個低功耗模式，根據(jù)應(yīng)用需求提供優(yōu)化的電源
- 典型接收/發(fā)送電流（直流/支持直流）： 6.5 mA / 8.4 mA
- 旁路電壓：1.71V至3.6V
- DCDC轉(zhuǎn)換器降壓配置：2.1V至4.2V
- DCDC轉(zhuǎn)換器升壓配置：0.9V 至1.795V
模擬模塊：
- 16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）
- 12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC）
- 6位高速模擬比較器（CMP）
安全性：
AES-128加速器（AESA），真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（TRNG）
支持軟件：
- BLE主機(jī)協(xié)議棧和配置文件、802.15.4 MAC和SMAC
- Kinetis®軟件開發(fā)套件（SDK）
- FreeRTOS內(nèi)核和裸機(jī)非搶占任務(wù)調(diào)度器
小結(jié)
在危險(xiǎn)環(huán)境中的應(yīng)用和成為人們工作生活的助手是未來機(jī)器人發(fā)展的兩大趨勢。當(dāng)然了，要讓機(jī)器人真的像人一樣工作，成為人的助手，還具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)性。
首先，需要解決機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的運(yùn)動能力。其次，提升感知和決策能力。對無人車來說，速度快是主要特點(diǎn)之一。如何在高速運(yùn)動時(shí)，對時(shí)刻變化的環(huán)境做出合適的反應(yīng)，決定了無人車的安全性，也是無人車產(chǎn)業(yè)化的最大障礙之一。眾所周知，機(jī)器感知和決策的方式完全不同于人類，人類的感知具有極強(qiáng)的選擇性，先前景后背景、先動態(tài)后靜態(tài)、先非常態(tài)后常態(tài)等原則， 讓人能夠迅速地在復(fù)雜環(huán)境中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。這種能力是非常值得機(jī)器人研究和效仿的。
總之，近年來市場對機(jī)器人的需求持續(xù)攀升，各國政府、相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)，都非常重視機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，投入了大量的資源，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)良好態(tài)勢。而機(jī)器人技術(shù)中的高精尖問題，更激發(fā)著全球眾多優(yōu)秀的機(jī)器人研發(fā)團(tuán)隊(duì)不斷創(chuàng)新，開拓進(jìn)取。在未來，機(jī)器人必將成為日常生活中必不可少的工具，帶給人們更加舒適便捷的生活。
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