机器人设计之软件设计

《机器人设计》丛书是面向未来30年各行各业的机器人而做的设计，因而其中的硬件设计会让很多人觉得不现实，软件设计会让很多企业觉得冗杂，智能设计和交互设计会让很多人觉得技术上不可行，外观设计会让企业觉得毫无意义，安全设计和伦理设计会让很多人和企业觉得太虚幻。请读者朋友们理性阅读。

0. 丛书介绍

《机器人设计》丛书按原定章节分别出版，包括《机器人设计之硬件设计》、《机器人设计之软件设计》、《机器人设计之智能设计》、《机器人设计之交互设计》、《机器人设计之外观设计》、《机器人设计之安全设计》、《机器人设计之伦理设计》。

按照交叉学科来算的话，《机器人设计》丛书能让机器人专业的学生学习到机器人的全面知识，能帮助“机器人专业”这一交叉学科的学生搭建完整的知识体系。

对应于当前的学科体系来拆分的话，《机器人设计之硬件设计》适用于机械自动化专业、体育类专业的高年级学生，能帮助学生搭建完整的硬件知识系统，并拥有设计复杂自动化系统的能力，这些知识和能力参考人体并反馈对人和动物体的理解；《机器人设计之软件设计》适用于计算机专业的高年级学生，能帮助学生搭建完整的软件知识系统，并拥有设计、优化、维护、编码高质量软件的能力；《机器人设计之智能设计》适用于人工智能专业、文学类专业的高年级学生，能帮助学生搭建完整的人工智能知识系统，并拥有设计完整的智能系统的能力，这里之所以还适用于文学类专业，是因为自然语言处理离不开语言语音的知识支撑，更重要的是因为完整的人工智能系统在根本上需要文学类知识的全面支撑；《机器人设计之交互设计》适用于心理学专业、媒体设计类专业的高年级学生，能帮助学生搭建人与机器人、机器人与机器人、动物与机器人之间交互所涉及到的完整的知识系统，并拥有设计优秀交互系统的能力；《机器人设计之外观设计》适用于艺术类专业的高年级学生；《机器人设计之安全设计》适用于信息安全专业的高年级学生；《机器人设计之伦理设计》适用于法律类专业、哲学类专业、师范教育类专业的高年级学生。

1. 概述

该部分主要介绍机器人的软件设计。软件是让构成机器人本体的所有硬件机构能够协同运转以完成一系列动作的灵魂，软件设计的好坏具有深远的影响，不仅能影响机器人的功能，更能影响机器人的效率和性能，对机器人的生命周期和扩展维护也具有很大的影响。

该部分首先介绍了机器人硬件之上的第一层软件——操作系统，这里包含了对硬件的管理功能、用户和应用层的服务接口、机器人交互接口。之后，在服务接口层之上，按信息流的方向介绍了信息采集系统、传输系统、分析系统、决策系统、运动控制系统，这些系统整体上完成了从环境感知、认知、决策到机器人产生动作反应的各个环节所对应的工作。最后，介绍了导航系统、诊断系统、标定系统、监控系统这几个辅助系统的设计，这些系统能在一定方面辅助机器人的工作，保障机器人的工作不会出错。

2. 操作系统

该部分主要介绍机器人操作系统的设计，整体上分为三层：内核层、服务接口层、应用层。内核层负责管理机器人本体涉及到的各种硬件，以及相应的通信和文件管理；服务接口层基于内核层封装了机器人的核心工作模块，并提供给用户和应用层软件调用，这些模块均为常驻内存、持续工作的服务；应用层则包含各种可随时装载卸载的任务，例如：与用户或其它机器人进行交互的各种UI、数据统计与报表等。其层次结构如下图所示：

此处的“CPU管理”设计为支持数百上千的处理器，而且是真正可并行工作的独立CPU管理；“内存管理”设计为支持至少EB以上的容量（1EB=1000PB=1000000TB），且具有较高的扩展性、并发性、独立性；“外存管理”设计为支持大容量、多种类、高速高效读写，不仅仅限定于磁盘；“输入输出管理”除了管理信息采集传感器、显示器和键盘等计算机外围设备之外，更重要的是管理机器人本体所涉及到的各个运动机构、内循环机构、平衡机构等。

本章所提到的GUI、NUI、RUI均为可随时加载卸载的模块。GUI主要用于机器人研发调试阶段，以及上市后的维修、人工诊断、升级等时刻；NUI主要用于机器人进入销售和客户日常使用阶段，为出厂时默认选择的人机交互模式；RUI主要用于一些特种机器人或者NUI不够成熟时期，根据设备和技术的不同分为脑电波远程操控、穿戴式机甲远程操控、电脑远程操控等。

2.0 操作系统概述

2.1 CPU管理

2.2 内存管理

2.3 外存管理

2.4 输入输出管理

2.5 通信管理

2.6 文件管理

2.7 服务管理

2.8 安全管理

2.9 图形用户接口（GUI）

2.10 自然用户接口（NUI）

2.11 远程交互接口（RUI）

3. 信息采集系统

4. 传输系统

5. 分析系统

6. 决策系统

7. 运动控制系统

8. 导航系统

9. 诊断系统

10. 标定系统

11. 监控系统

12. 附

本丛书正在撰写之中，详细全面的内容敬请期待丛书的出版，或者未来有机会的时候再写出单独的博文。

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