針對新步態(tài)研究而開(kāi)發(fā)的完全自主型仿人機器人，成為美國首個(gè)參加RoboCup（機器人世界杯足球賽）的仿人機器人

Author(s):
Karl Muecke - Virginia Tech University

Industry:
Education, Research, Mechatronics

Products:
LabVIEW, Machine Vision, Real-Time Module

The Challenge:
開(kāi)發(fā)作為新步態(tài)研究平臺的機器人系統，設計美國第一個(gè)參加RoboCup（自主型機器人足球比賽）的仿人機器人。

The Solution:
該方案采用NI LabVIEW與第三方硬件交互,加速新步態(tài)研究的開(kāi)發(fā)與測試；同時(shí)采用LabVIEW實(shí)時(shí)模塊和NI視覺(jué)軟件創(chuàng )建人工智能，從而使機器人可以執行高級功能，如踢足球。

用NI LabVIEW開(kāi)發(fā)的機器人DARWin,是美國第一個(gè)進(jìn)入“機器人世界杯足球賽“的。

為研究雙足步態(tài)，弗吉尼亞理工大學(xué)機器人和機械實(shí)驗室（RoMela）設計了最初的智能型動(dòng)態(tài)擬人機器人(DARwIn)。在RoMela，我們在硬件上測試了步態(tài)研究的設想和理論。我們決定用RoboCup這一國際性機器人足球比賽作為展示這一款機器人優(yōu)越性和可行性的舞臺，同時(shí)展示DARwIn的魯棒性。

當前機器人編程和控制技術(shù)通常采用C代碼，其學(xué)習曲線(xiàn)比較陡峭，并且硬件更新難度也相對較大。在RoMeLa，我們采用NI技術(shù)加速新機器人步態(tài)研發(fā)，最終使完全自主型仿人機器人問(wèn)世。該機器人不僅可踢足球，也可作為新步態(tài)的研究平臺。我們采用LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)平臺不僅為了創(chuàng )建可擴展、適應性強的軟件,同時(shí)也可開(kāi)發(fā)執行高級任務(wù)的機器人大腦，如踢足球比賽。

LabVIEW作為可擴展硬件接口

由于RoMeLa中的機器人平臺多種多樣，我們需要選擇一款通過(guò)簡(jiǎn)單配置即可適應不同硬件設置的系統。大多數小型機器人研究使用個(gè)人數字助理（PDA）自主控制機器人。在PC104+計算機上采用 LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊后，幾乎無(wú)需任何開(kāi)銷(xiāo)即可實(shí)現計算機架構擴展。與PDA不同，該系統可兼容一系列不同傳感器――IEEE 1384相機、RS485通信、多個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和其他眾多設備。添加新相機或802.11端口、適配型驅動(dòng)器，寫(xiě)入C或C++代碼花費均需耗費大量時(shí)間，而 LabVIEW VI使得所有問(wèn)題迎刃而解。

目前，我們采用LabVIEW通過(guò)RS485控制機器人動(dòng)作，并從同一串行網(wǎng)絡(luò )的伺服電機內置電位計上讀取關(guān)節位置。在機器人行走或移動(dòng)的同時(shí)，帶加速度和方向信息速率的陀螺儀通過(guò)RS232串口與LabVIEW通信，此時(shí)程序即可實(shí)時(shí)修改行走步態(tài)進(jìn)而高效地控制機器人平衡。

最初的機器人研發(fā)平臺，僅需伺服電機和速率陀螺儀接口。然而，參加2007年7月RoboCup的競賽機器人所需的硬件和編程無(wú)疑更為復雜。除須機器人行走和維持平衡外，軟件還須提供視覺(jué)、大腦和通訊功能。由于在RoboCup比賽中，機器人必須完全自主和無(wú)線(xiàn)控制，因而只能采用網(wǎng)絡(luò )主機控制機器人的起/停信號。LabVIEW實(shí)時(shí)運行所有機器人軟件，成本和CPU時(shí)間都得以降低。

驗證步態(tài)研究

生成機器人步態(tài)數學(xué)公式時(shí)，很難可視化看到結果。采用LabVIEW不僅可調用其它計算軟件包生成的步態(tài)（如 Wolfram Mathematica或Microsoft Excel），而且可通過(guò)建立機器人的可視化運動(dòng)圖形幫助研究步態(tài)。利用LabVIEW的3D圖形控制，我們可以仿真機器人執行所生成步態(tài)時(shí)的行為。由于無(wú)需利用物理硬件設置和測試步態(tài)，節省了大量的研發(fā)時(shí)間。

在物理硬件上進(jìn)行機器人步態(tài)測試時(shí)，我們可以通過(guò)用戶(hù)控制的游戲手柄模仿機器人的人工智能。用戶(hù)作為機器人的眼睛和大腦，而手柄作為控制機器人動(dòng)作的接口，通過(guò)發(fā)送命令控制機器人行走、踢、撲救等動(dòng)作。利用LabVIEW游戲手柄VI，這種設想可輕松實(shí)現。我們可輕松地調試步態(tài)和運動(dòng)，無(wú)需同步調試機器人動(dòng)作。

創(chuàng )建人工智能

在未進(jìn)行任何預先視覺(jué)處理的情況下，短短兩小時(shí)內，一位研究生即可配置兩臺IEEE 1394相機并寫(xiě)一段VI程序（用于RoboCup所用桔黃色足球的相對位置識別和物理定位）。完成這一任務(wù)，全球任何其他院?？赡苄枰姸鄬W(xué)生花費很長(cháng)時(shí)間研究代碼。但是以我們的開(kāi)發(fā)效率，一位學(xué)生在短短一周內即可實(shí)現DARwIn足球動(dòng)作控制，該機器人是首臺而且是美國僅有的一臺參加RoboCup比賽的仿人機器人。