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作者：湯敏 NI中國技術(shù)市場(chǎng)工程師 時(shí)間：2009-10 引言 移動(dòng)機器人構成復雜、應用靈活，目前商業(yè)化程度還不高，相對處于前沿研究的階段，因此一直以來(lái)都是科學(xué)家和工程師們關(guān)注的重點(diǎn)。 移動(dòng)機器人具有某些共同的構架和組成部分，是一個(gè)融合了眾多機電系統和子系統的綜合體系，并通過(guò)這些組成部分與子系統的有機結合協(xié)調工作，雖然部分子系統已有現成的軟硬件工具和解決方案，但如何快速地把各子系統集成在一起、進(jìn)行早期的整體功能性驗證，就成了決定機器人設計成敗的關(guān)鍵性環(huán)節。 圖形化系統設計—機器人設計的前沿方法 在Google X PRIZE機構、FIRST組織(科學(xué)技術(shù)的啟示與認知組織)、RoboCup以及美國國防高級研究計劃局(DARPA)之間展開(kāi)的競爭推進(jìn)了機器人學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng )新。富有創(chuàng )新思維的開(kāi)發(fā)者們將機器人學(xué)的前沿方法推進(jìn)到了圖形化系統設計。在LabVIEW圖形化編程平臺下，機器人學(xué)的領(lǐng)域專(zhuān)家能夠對復雜的機器人方案進(jìn)行快速的原型設計。這些創(chuàng )新工作者能夠不用關(guān)心底層的實(shí)現細節，可以將注意力集中到解決手上的工程問(wèn)題中去。 機器人設計通常包含以下部分的工作內容，如圖1所示。 
感知系統——連接到陀螺儀、CCD、光電、超聲等傳感器，獲取并處理信息。 決策規劃——相當于機器人的‘大腦’，根據算法進(jìn)行控制決策，完成管理協(xié)調、信息處理、運動(dòng)規劃等任務(wù)。 執行控制——根據具體的作業(yè)指令，通過(guò)驅動(dòng)控制器、編碼器和電機完成機器人的伺服控制與運動(dòng)執行。 網(wǎng)絡(luò )通訊與控制——機器人各子系統間的通訊網(wǎng)絡(luò )，完成分布式控制與實(shí)時(shí)控制。 過(guò)去，由于在每個(gè)領(lǐng)域中必須使用各自的傳統工具，其中涉及的知識具有較大的縱向深度，機械工程師、電氣工程師以及程序員團隊都各自領(lǐng)導機器人學(xué)的開(kāi)發(fā)。LabVIEW和NI硬件提供了一個(gè)獨特的、功能多樣的平臺，它提供了一套標準的可供所有機器人設計人員使用的工具，從而使機器人開(kāi)發(fā)得到了統一。 來(lái)自弗吉尼亞理工大學(xué)機器人學(xué)與機械實(shí)驗室(RoMeLa)正在進(jìn)行智能動(dòng)態(tài)擬人機器人(DARwin)的雙足類(lèi)人機器人的開(kāi)發(fā)和研究，目的是對假肢進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。DARwin使用NI LabVIEW圖形化系統設計平臺，能夠實(shí)現全范圍運動(dòng)，并且能夠準確地模擬人類(lèi)運動(dòng)。LabVIEW可以分析動(dòng)態(tài)雙足運動(dòng)、設計并開(kāi)發(fā)機器人控制系統的原型。如果開(kāi)發(fā)的原型能夠令人滿(mǎn)意地工作，他們就將控制算法部署到運行LabVIEW實(shí)時(shí)模塊的PC/104單板計算機上。
通過(guò)LabVIEW，設計人員無(wú)需成為計算機專(zhuān)家或程序員，就可以開(kāi)發(fā)高級機器人。例如，一位只有有限LabVIEW和機器視覺(jué)經(jīng)驗的學(xué)生在短短幾個(gè)小時(shí)之內，就設計了一個(gè)讓機器人利用它帶有的IEEE 1394相機和NI機器視覺(jué)開(kāi)發(fā)模塊跟蹤一個(gè)紅球的算法。工程師們使用LabVIEW和NI硬件，就可以使用功能強大的圖形化編程語(yǔ)言快速地設計并開(kāi)發(fā)復雜算法的原型;并通過(guò)代碼生成方便地將控制算法部署到PC、FPGA、微控制器或實(shí)時(shí)系統之中;還可以與幾乎所有的傳感器、執行器進(jìn)行連接。通過(guò)LabVIEW和NI硬件平臺，可以支持CAN、以太網(wǎng)、串口、USB等多種接口，方便構建機器人系統的通訊網(wǎng)絡(luò )。領(lǐng)域專(zhuān)家不僅僅能夠完成機械工程師的工作，還能夠成為機器人設計者。 實(shí)例分析1：南洋理工大學(xué)使用NI LabVIEW設計救生機器人蜘蛛 南洋理工大學(xué)開(kāi)發(fā)了一個(gè)用于支持營(yíng)救工作的六足機器人蜘蛛。它是一個(gè)尺寸較小、可移動(dòng)的智能機器人，在搜尋被陷的受害者時(shí)，它可以越過(guò)障礙并到達通常難以觸及的地方。替代如清掃雷區使之無(wú)雷化等危險任務(wù)中的工作人員也是機器人蜘蛛的另一個(gè)潛在應用領(lǐng)域。 他們設計了一個(gè)高度可移動(dòng)的行走方案，它由六只獨立的下肢組成，可以任意方向移動(dòng)機器人，即使在機器人移動(dòng)通常不可行或過(guò)于危險的地帶。行走與旋轉均屬于模仿六足昆蟲(chóng)而得的基本的高層次運動(dòng)模式。通過(guò)三條下肢移動(dòng)而另外三條下肢抬高，機器人可以達到期望的行走速度，并提供惡劣地帶所需的足夠平衡。爬行時(shí)，機器人可以擠壓通過(guò)緊湊的空間和狹縫。單下肢的低層次運動(dòng)步態(tài)是3D空間內的幾何原語(yǔ)，如長(cháng)方形或圓形軌道。 24個(gè)自由度的多功能機電系統及智能運動(dòng)控制 下肢結構與運動(dòng)控制構成了機器人蜘蛛關(guān)鍵特性的一部分。24只智能DC有刷電機共同驅動(dòng)這些下肢，并充當行走結構中不可或缺的關(guān)節。這樣得到了一個(gè)堅固的輕型結構，從而降低了功耗并改善了運動(dòng)動(dòng)態(tài)特性。 除了這些下肢，機器人蜘蛛的特性還在于典型的自主機器人子系統，其中包括機器視覺(jué)、遠程測量和無(wú)線(xiàn)通信。機器人堅固的殼體內包含有嵌入式硬件、兩節7.2伏的鋰聚合物電池和電量測量裝置。任務(wù)參數、I/O設置和新的運動(dòng)步態(tài)均可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信或可移動(dòng)存儲介質(zhì)傳遞。 機器人蜘蛛的低層次運動(dòng)有賴(lài)于運行時(shí)計算的復雜數學(xué)模型。憑借ADI公司的Blackfin處理器的高級嵌入式計算能力和LabVIEW的確定性實(shí)時(shí)性能，機器人的運動(dòng)表現得有力而平穩�；贜I LabVIEW嵌入式模塊的程序連續運行一個(gè)逆動(dòng)力學(xué)算法，算法包含三角函數和矩陣運算，求解恰當的關(guān)節角q1與q2，以沿著(zhù)3D空間內的期望軌線(xiàn)精確移動(dòng)末端執行裝置。 所有六足的關(guān)節角度的計算并行完成以確保動(dòng)態(tài)運動(dòng)，相應地也得到了連續計算所得的24個(gè)電機的設置點(diǎn)。這些設置點(diǎn)通過(guò)一個(gè)串行RS485網(wǎng)絡(luò )傳遞至每只電機，并由分散PD控制器轉換為實(shí)際執行動(dòng)作。通過(guò)同樣的網(wǎng)絡(luò )，完成所有24只執行裝置的位置、反饋和溫度讀數的采集。 圖形化的實(shí)時(shí)系統設計平臺 機器人蜘蛛應用軟件是利用面向Blackfin處理器的LabVIEW嵌入式模塊編程實(shí)現的。LabVIEW為高層次編程、圖形化調試、圖形化多任務(wù)處理和確定性的實(shí)時(shí)行為，提供了一個(gè)理想的嵌入式軟件平臺。面向對象的設計模式有助于進(jìn)一步控制圖形化層次上的復雜度。例如電機或傳感器等主要對象，通過(guò)LabVIEW中表示類(lèi)的功能性全局變量加以抽象。主要的應用框架由以下多個(gè)任務(wù)組成。 ● 頂層主循環(huán)對由一個(gè)經(jīng)典狀態(tài)機表示的動(dòng)作進(jìn)行規劃，而狀態(tài)機通過(guò)軟件隊列和同步方法(如信號量)與其他循環(huán)連接。通信任務(wù)保持一個(gè)與外部世界的無(wú)線(xiàn)數據連接。 ● 視覺(jué)任務(wù)負責低層次的圖像處理和距離讀數。 ● 運動(dòng)控制任務(wù)管理高層次的運動(dòng)模式與低層次的肢體控制，并監測馬達的位置與狀態(tài)。 ● 日常任務(wù)充當一個(gè)通用錯誤處理器。檢測事件與異常，并將其及時(shí)間記錄到可移動(dòng)的存儲介質(zhì)，以供后續讀取。 通過(guò)采用LabVIEW嵌入式模塊所提供的圖形化編程環(huán)境，以及Blackfin處理器的高處理器性能，開(kāi)發(fā)周期也大為縮短�；贚abVIEW的圖形化快速調試模式在算法的工程實(shí)現過(guò)程中非常有用，縮短了5倍的開(kāi)發(fā)時(shí)間。 實(shí)例分析2：弗吉尼亞理工大學(xué)使用NI LabVIEW設計全自主地面車(chē)參加DARPA 城市挑戰賽 DARPA城市挑戰賽需要設計一輛全自主地面車(chē)能夠在城市環(huán)境中自動(dòng)導航行駛。在整個(gè)賽程中，全自主車(chē)需要在6小時(shí)內穿越60英里，途經(jīng)道路、路口和停車(chē)場(chǎng)等各種交通狀態(tài)。 來(lái)自弗吉尼亞理工大學(xué)的團隊需要在12個(gè)月開(kāi)發(fā)出全自主地面車(chē)，他們將開(kāi)發(fā)任務(wù)分成4個(gè)主要部分：基礎平臺、感知系統、決策規劃和通訊架構，如圖4所示。每一部分都基于NI的軟硬件平臺進(jìn)行開(kāi)發(fā)：通過(guò)NI硬件與現有車(chē)載系統進(jìn)行交互，并提供操作接口;使用LabVIEW圖形化編程環(huán)境來(lái)開(kāi)發(fā)系統軟件，包括通訊架構、傳感器處理和目標識別算法、激光測距儀和基于視覺(jué)的道路檢測、駕駛行為控制、以及底層的車(chē)輛接口。
參賽車(chē)Odin是2005年福特翼虎(Escape)混合動(dòng)力型越野車(chē)，并為自主駕駛做了一定程度的改裝。NI CompactRIO系統與翼虎操控系統進(jìn)行交互，通過(guò)線(xiàn)控驅動(dòng)的方式控制油門(mén)、方向盤(pán)、轉向和制動(dòng)。利用LabVIEW控制設計與仿真模塊開(kāi)發(fā)了路徑曲率和速度控制系統，并通過(guò)LabVIEW實(shí)時(shí)模塊和FPGA模塊部署到CompactRIO硬件平臺加以實(shí)現，從而建立了一個(gè)獨立的車(chē)輛控制平臺。與此同時(shí)使用LabVIEW觸摸屏模塊和NI TPC - 2006觸摸屏構建用戶(hù)界面并安裝在控制臺。 通過(guò)LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境，團隊快速可以構建系統原型并加快設計的往復周期。LabVIEW與硬件的無(wú)縫連接，對于執行某些關(guān)鍵操作如傳感器處理和車(chē)輛控制是至關(guān)重要的。由于城市挑戰賽問(wèn)題復雜且開(kāi)發(fā)時(shí)間很短，這些因素對于開(kāi)發(fā)團隊的成功發(fā)揮了關(guān)鍵作用。 結語(yǔ) 圖形化系統設計對于繼續加快機器人設計中的創(chuàng )新而言是必不可少的。復雜的傳統工具可能會(huì )阻礙機器人技術(shù)的進(jìn)步。LabVIEW提供了一個(gè)綜合的、可擴展的平臺，能夠橫跨設計、原型開(kāi)發(fā)和部署階段，因此工程師們能夠不用為微小的實(shí)現細節所困擾，可以更加關(guān)注機器人本身。他們可以使用同樣強大的平臺，對微控制器直至FPGA等各種控制器進(jìn)行編程;還可以同幾乎任何傳感器和執行器發(fā)送與接收信號;設計并仿真動(dòng)態(tài)控制系統;以及實(shí)現進(jìn)行遠程監視或控制機器人的接口。LabVIEW圖形化系統設計平臺通過(guò)為所有機器人設計者提供一個(gè)統一的平臺，鼓勵設計更為精妙的機器人。 參考文獻： [1] 嵌入式圖形系統設計助力救生機器人蜘蛛[R/OL]. http://sine.ni.com/cs/app/doc/p/id/cs-11745 [2]Victor Tango車(chē)隊“Odin”戰車(chē)殺手锏：應用NI LabVIEW助威 DARPA無(wú)人駕駛汽車(chē)城市挑戰賽[R/OL]. http://sine.ni.com/cs/app/doc/p/id/cs-11323 [3] NI LabVIEW 虛擬儀器動(dòng)力之源[R/OL].http://www.ni.com/labview/zhs/ [4] Nof, Shimon Y. Handbook of Industrial Robotics (2nd Edition ed)[M]. John Wiley & Sons, 1999 [5] Menzel P, D'Aluisio F . Robo sapiens: evolution of a new species[M]. The MIT Press,2000 |
| 一直對機器人的研究感興趣。如果再加入一個(gè)專(zhuān)家系統那不是就成了超人了嗎！ |
| study |
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| 學(xué)習了呵呵； |
| 現在的機器人還是國外的火爆��！ |
