LabVIEW構(gòu)建的移動機(jī)器人及無人駕駛車

1956年，恩格伯格和喬治迪沃爾發(fā)明了第一個真正意義上的機(jī)器人，UNImate， 可以執(zhí)行存儲在磁鼓存儲器中的系統(tǒng)任務(wù)。到1961年，Unimate已經(jīng)被成功應(yīng)用于壓鑄件的運(yùn)輸和焊接，傳統(tǒng)上這樣的工作由工人擔(dān)任——冒著因排出氣體中毒或喪失肢體的風(fēng)險。 Unimate是機(jī)器人用于危險任務(wù)場合的早期例子，如今，機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、航空航天、教育等各個領(lǐng)域。

　　機(jī)器人分 類復(fù)雜且關(guān)鍵技術(shù)眾多，從廣義范疇上說，通常所說的機(jī)器人主要包括教育機(jī)器人、移動機(jī)器人、工業(yè)機(jī)械臂三大類。機(jī)械臂發(fā)展時間早，產(chǎn)業(yè)化程度高，相對已經(jīng)有了成熟的行業(yè)解決方案，特別在汽車制造等領(lǐng)域，機(jī)械臂已被廣泛的運(yùn)用于產(chǎn)線裝配。移動機(jī)器人構(gòu)成復(fù)雜、應(yīng)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，因此一直以來都是科學(xué)家和工程師們關(guān)注的重點。本文將主要探討移動機(jī)器人及無人駕駛車的研究和開發(fā)。

　　圖1 機(jī)器人系統(tǒng)的分類

　　盡管移動機(jī)器人構(gòu)成復(fù)雜且關(guān)鍵技術(shù)眾多，但具有某些共同的構(gòu)架和組成部分，是一個融合了眾多機(jī)電系統(tǒng)和子系統(tǒng)的綜合體系，并通過這些組成部分與子系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合協(xié)調(diào)工作，雖然部分子系統(tǒng)已有現(xiàn)成的軟硬件工具和解決方案，但如何快速地把各子系統(tǒng)集成在一起、進(jìn)行早期的整體功能性驗 證，就成了決定機(jī)器人設(shè)計成敗的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。

　　圖形化系統(tǒng)設(shè)計——機(jī)器人設(shè)計的前沿方法

　　在Google X PRIZE機(jī)構(gòu)、FIRST組織(科學(xué)技術(shù)的啟示與認(rèn)知組織)、RoboCup以及美國國防高級研究計劃局(DARPA)之間展開的競爭推進(jìn)了機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新。富有創(chuàng)新思維的開發(fā)者們將機(jī)器人學(xué)的前沿方法推進(jìn)到了圖形化系統(tǒng)設(shè)計。在LabVIEW圖形化編程平臺下，機(jī)器人學(xué)的領(lǐng)域?qū)＜夷軌驅(qū)?fù)雜的機(jī)器人方案進(jìn)行快速的原型設(shè)計。這些創(chuàng)新工作者能夠不用關(guān)心底層的實現(xiàn)細(xì)節(jié)，可以將注意力集中到解決手上的工程問題中去。

　　機(jī)器人設(shè)計通常包含以下部分的工作內(nèi)容，如圖2所示：

　　感知系統(tǒng)- 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(guī)劃- 相當(dāng)于機(jī)器人的‘大腦’，根據(jù)算法進(jìn)行控制決策，完成管理協(xié)調(diào)、信息處理、運(yùn)動規(guī)劃等任務(wù)

　　執(zhí)行控制- 根據(jù)具體的作業(yè)指令，通過驅(qū)動控制器、編碼器和電機(jī)完成機(jī)器人的伺服控制與運(yùn)動執(zhí)行

　　網(wǎng)絡(luò)通訊與控制- 機(jī)器人各子系統(tǒng)間的通訊網(wǎng)絡(luò)，完成分布式控制與實時控制

　　圖2 移動機(jī)器人的設(shè)計平臺

　　過去，由于在每個領(lǐng)域中必須使用各自的傳統(tǒng)工具，其中涉及的知識具有較大的縱向深度，機(jī)械工程師、電氣工程師以及程序員團(tuán)隊都各自領(lǐng)導(dǎo)機(jī)器人學(xué)的開發(fā)。LabVIEW和NI硬件提供了一個獨(dú)特的、功能多樣的平臺，它提供了一套標(biāo)準(zhǔn)的可供所有機(jī)器人設(shè)計人員使用的工具，從而使機(jī)器人開發(fā)得到了統(tǒng)一。

　　來自弗吉尼亞理工大學(xué)機(jī)器人學(xué)與機(jī)械實驗室(RoMeLa)的工科學(xué)生，在Dennis Hong教授的領(lǐng)導(dǎo)下正在進(jìn)行智能動態(tài)擬人機(jī)器人(DARwin)的雙足類人機(jī)器人的開發(fā)和研究，目的是對假肢進(jìn)行研究和開發(fā)。DARwin使用NI LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)全范圍運(yùn)動，并且能夠準(zhǔn)確地模擬人類運(yùn)動。學(xué)生使用LabVIEW分析動態(tài)雙足運(yùn)動、設(shè)計并開發(fā)機(jī)器人控制系 統(tǒng)的原型。如果開發(fā)的原型能夠令人滿意地工作，他們就將控制算法部署到運(yùn)行LabVIEW實時模塊的PC/104單板計算機(jī)上。

　　通過 LabVIEW，設(shè)計人員無需成為計算機(jī)專家或程序員，就可以開發(fā)高級機(jī)器人。例如，一位只有有限LabVIEW和機(jī)器視覺經(jīng)驗的學(xué)生在短短幾個小時之 內(nèi)，就設(shè)計了一個讓機(jī)器人利用它帶有的IEEE 1394相機(jī)和NI機(jī)器視覺開發(fā)模塊跟蹤一個紅球的算法。工程師們使用LabVIEW和NI硬件，就可以使用功能強(qiáng)大的圖形化編程語言快速地設(shè)計并開發(fā)復(fù)雜算法的原型;并通過代碼生成方便地將控制算法部署到PC、FPGA、微控制器或?qū)崟r系統(tǒng)之中;還可以與幾乎所有的傳感器、執(zhí)行器進(jìn)行連接。此外，通過 LabVIEW和NI硬件平臺，可以支持CAN、以太網(wǎng)、串口、USB等多種接口，方便地構(gòu)建機(jī)器人系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)在，領(lǐng)域?qū)＜也粌H僅能夠完成機(jī)械工 程師的工作，還能夠成為機(jī)器人設(shè)計者。

　　實例分析1：南洋理工大學(xué)使用NI LabVIEW設(shè)計救生機(jī)器人蜘蛛

　　南洋理工大學(xué)開發(fā)了一個用于支持營救工作的六足機(jī)器人蜘蛛。它是一個尺寸較小、可移動的智能機(jī)器人，在搜尋被陷的受害者時，它可以越過障礙并到達(dá)通常難以觸及的地方。替代如清掃雷區(qū)使之無雷化等危險任務(wù)中的工作人員也是機(jī)器人蜘蛛的另一個潛在應(yīng)用領(lǐng)域。

　　他們設(shè)計了一個高度可移動的行走方案，它由六只獨(dú)立的下肢組成，可以任意方向移動機(jī)器人，即使在機(jī)器人移動通常不可行或過于危險的地帶。行走與旋轉(zhuǎn)均屬于模仿六足昆蟲而得的基本的高層次運(yùn)動模式。通過三條下肢移動而另外三條下肢抬高，機(jī)器人可以達(dá)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，機(jī)器人可以擠壓通過緊湊的空間和狹縫。單下肢的低層次運(yùn)動步態(tài)是3D空間內(nèi)的幾何原語，如長方形或圓形軌道。

　　圖3 基于NI LabVIEW設(shè)計的救生機(jī)器人蜘蛛