用LabVIEW和CompactRIO開(kāi)發(fā)腿輪移動(dòng)機器人

　　項目背景

　　腿部和車(chē)輪這兩種方法在地面運動(dòng)平臺上被廣泛采用。經(jīng)過(guò)漫長(cháng)的演變過(guò)程，大多數陸地動(dòng)物的腿部都靈活有力，并能夠快速順暢地在不平坦的天然地形上奔馳。在另一方面，人類(lèi)發(fā)明了平地上專(zhuān)用的運動(dòng)車(chē)輪，其出色的功率效率和在平地上高速的流暢運行是腿部運動(dòng)無(wú)法比擬的。

　　由此，來(lái)自國立臺灣大學(xué)的仿生機器人實(shí)驗室(BioRoLa) 團隊致力于設計一個(gè)腿輪混合式機器人，它結合了車(chē)輪和腿部的移動(dòng)性，在平坦和惡劣環(huán)境下都能為室內室外行走提供一個(gè)移動(dòng)平臺。

　　機械設計

　　大多數混合動(dòng)力平臺上不同的輪子和腿都有不同的裝置和激勵器，相比這些平臺，這款名為Quattroped 的腿輪混合式移動(dòng)機器人采用了一種轉換機制，可將自身特定的一部分變形成為一個(gè)輪子或一條腿。從幾何角度來(lái)說(shuō)，一個(gè)輪子通常有一個(gè)圓形輪圈，而旋轉軸則位于輪圈中間。輪圈與地面接觸，而旋轉軸與機器人身體上的一點(diǎn)相連，此點(diǎn)就是“髖關(guān)節”。在一般情況下，輪式移動(dòng)時(shí)輪子在平地上運動(dòng)并不斷旋轉，車(chē)輪與地面的接觸點(diǎn)就位于髖關(guān)節下的一定距離處。相對而言，用腿移動(dòng)時(shí)腿部以周期性方式運動(dòng)，在髖關(guān)節和地面接觸點(diǎn)之間沒(méi)有特定的幾何配置;因此腿部在運動(dòng)中的相對位置具有周期性頻繁變化的特點(diǎn)。

　　基于這一觀(guān)察發(fā)現，將髖關(guān)節移出圓形輪圈中心并將連續運動(dòng)模式改為其他運動(dòng)模式，即能達到輪模式向腿模式的轉換。

　　這激發(fā)了我們去設計一種能直接控制圓形輪圈和髖關(guān)節的相對位置的模式，從而它既能進(jìn)行輪運動(dòng)又能進(jìn)行腿運動(dòng)。由于圓形輪圈是一個(gè)二維的對象，實(shí)現這一目標的最直接的方法是再增加一個(gè)自由度(DOF)，沿著(zhù)運動(dòng)方向調節髖關(guān)節相 對圓形輪圈的位置。兩個(gè)自由度的運動(dòng)也互相形成直角。此外，無(wú)論是輪模式還是腿模式都能有效運行同一組的驅動(dòng)功率。

　　機電一體化

　　我們采用NI CompactRIO嵌入式控制系統作為機器人控制器，它包括一個(gè)400MHz 的實(shí)時(shí)處理器和3M 現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)。FPGA直接連接NI C系列I/O 模塊，這些模塊能從載板傳感器和激勵器獲得數據。對于模擬I/O我們采用NI 9205和NI 9264I/O模塊，對于數字I/O采用NI 9401和NI 9403I/O模塊。FPGA與實(shí)時(shí)處理器相連，并通過(guò)IEEE 802.11無(wú)線(xiàn)方式與電腦進(jìn)行通訊。

 　　圖1. Quattroped - 腿輪混合式移動(dòng)平臺