使用LabVIEW和CompactRIO開(kāi)發(fā)腿輪混合式移動(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)?！　?/p>

圖1. Quattroped - 腿輪混合式移動(dòng)平臺

　　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NICompactRIO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。

　　機器人傳感器包括：馬達和功率放大器上用于健康監測的溫度傳感器;用于電源管理的電壓和電流測量傳感器;用于腿輪配置校準的霍爾(Hall)效應傳感器;用于身體狀態(tài)測量的6軸慣性制導儀和2軸測斜儀;用于離地間隙測量的3個(gè)紅外距離傳感器。全球定位系統、視覺(jué)和激光測距儀等各種傳感器也被用于提高機器人的感應能力。機器人上的激勵器包含8個(gè)用于驅動(dòng)的直流有刷電機，2個(gè)用于前腿車(chē)輪轉動(dòng)的高扭矩RC伺服電機，用于輪腿切換的四個(gè)小型RC伺服電機和四個(gè)小型直流有刷電機。

　　軟件

　　三個(gè)運行LabVIEW 的計算核心(PC，實(shí)時(shí)系統和FPGA)負責不同的任務(wù)。 用戶(hù)操作PC，將高級指令(如機器人應該以輪模式還是腿模式運行)發(fā)送到NI CompactRIO控制器?？刂破饕?kHz的循環(huán)速率運行，將關(guān)于機器人健康的重要信息發(fā)送回來(lái)，并在PC上記錄狀態(tài)數據。 機器人軟件架構包括各種狀態(tài)機，每個(gè)狀態(tài)代表一種機器人行為。 其他需要高速信號交換的算法以10 kHz的循環(huán)率在FPGA上運行。 包括直流電動(dòng)機、編碼器讀數以及基于PWM的RC伺服命令的比例-積分-微分(PID)控制。

　　機器人通電后，我們進(jìn)行電機校準，定義機器人每條腿輪上兩個(gè)活躍自由度的完全幾何配置。 通過(guò)匹配安裝在機器人身體上的霍爾效應傳感器和安裝在腿輪內部磁鐵的相對位置實(shí)現校準。 我們可以在腿模式或輪模式下操作經(jīng)校準過(guò)的機器人，這取決于當前RIM配置(即為車(chē)輪或半圈腿模式)。 另外，我們也可以通過(guò)腿輪轉換來(lái)改變腿輪配置。 機器人輪模式下的行為包括站立、行駛和入座。 站立和入座為兩個(gè)瞬態(tài)狀態(tài)，用以過(guò)度最初地面配置和行駛行為。 在行駛行為中，前進(jìn)速度和轉彎速率都連續可調。 同樣，當機器人在腿模式下運作時(shí)，站立和入座行為也屬于瞬時(shí)狀態(tài)。 站立起來(lái)后的機器人可以執行各種行為，包括步行、小跑、跨步、跨越障礙和爬樓梯。

　　NI軟硬件的益處

　　在一般情況下，機器人屬于高自由度的復雜系統。 機器人的成功發(fā)展需要花費時(shí)間和精力來(lái)妥善整合各種機械、電氣和計算機系統。 來(lái)自國立臺灣大學(xué)BioRoLa團隊，主要由擁有機械工程背景的學(xué)生組成，他們需要一個(gè)可靠、模塊化、易于使用及良好集成的平臺。

　　經(jīng)過(guò)廣泛的研究，我們發(fā)現NI產(chǎn)品能為我們的應用程序提供最佳解決方案，原因如下： LabVIEW為非編程背景的學(xué)生提供了直觀(guān)的圖形化流程圖表示方法，可以讓他們輕松建立過(guò)程圖并作為解決方案，然后再將過(guò)程圖轉化為軟件。 能在Windows，RTOS和基于FPGA的目標上使用相同的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境也極其有幫助。 由于開(kāi)發(fā)控制器軟件時(shí)我們不必花時(shí)間學(xué)習底層的編程語(yǔ)法，因而能夠花更多的時(shí)間專(zhuān)注于我們設計的機械部分。

　　“對于移動(dòng)機器人的開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，其大小，重量及性能都非常重要，因此堅固的模塊化CompactRIO系統非常適合用于開(kāi)發(fā)。 LabVIEW和NI硬件之間定義良好的兼容性顯著(zhù)地減少了開(kāi)發(fā)者執行系統集成的時(shí)間和精力。”

　　未來(lái)計劃

　　憑借NI LabVIEW圖形化系統設計和NI CompactRIO，一支機械工程學(xué)生團隊設計出了一個(gè)擁有優(yōu)雅軟件構造的復雜機電一體化系統，對于今后的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)擴展也很方便。 在硬件方面，我們正在將各種傳感器融合到當前的機電化系統中，以提高機器人的感應能力。 在動(dòng)作方面，我們正在完善和開(kāi)發(fā)具有閉環(huán)控制功能的腿部行為，以提高機器人在各種具有挑戰性的地形上的移動(dòng)能力，并開(kāi)發(fā)其腿部動(dòng)態(tài)步態(tài)。