LabVIEW構(gòu)建的移動(dòng)機(jī)器人及無(wú)人駕駛車

1956年，恩格伯格和喬治迪沃爾發(fā)明了第一個(gè)真正意義上的機(jī)器人，UNImate， 可以執(zhí)行存儲(chǔ)在磁鼓存儲(chǔ)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(xiǎn)。 Unimate是機(jī)器人用于危險(xiǎn)任務(wù)場(chǎng)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(gè)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(shuō)，通常所說(shuō)的機(jī)器人主要包括教育機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人、工業(yè)機(jī)械臂三大類。機(jī)械臂發(fā)展時(shí)間早，產(chǎn)業(yè)化程度高，相對(duì)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(dòng)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(duì)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)。本文將主要探討移動(dòng)機(jī)器人及無(wú)人駕駛車的研究和開(kāi)發(fā)。

　　圖1 機(jī)器人系統(tǒng)的分類

　　盡管移動(dòng)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(gè)融合了眾多機(jī)電系統(tǒng)和子系統(tǒng)的綜合體系，并通過(guò)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(yàn) 證，就成了決定機(jī)器人設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。

　　圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)——機(jī)器人設(shè)計(jì)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(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)之間展開(kāi)的競(jìng)爭(zhēng)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(kāi)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(jì)。在LabVIEW圖形化編程平臺(tái)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(jì)。這些創(chuàng)新工作者能夠不用關(guān)心底層的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，可以將注意力集中到解決手上的工程問(wèn)題中去。

　　機(jī)器人設(shè)計(jì)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(dòng)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(guò)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)時(shí)控制

　　圖2 移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)平臺(tái)

　　過(guò)去，由于在每個(gè)領(lǐng)域中必須使用各自的傳統(tǒng)工具，其中涉及的知識(shí)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(duì)都各自領(lǐng)導(dǎo)機(jī)器人學(xué)的開(kāi)發(fā)。LabVIEW和NI硬件提供了一個(gè)獨(dú)特的、功能多樣的平臺(tái)，它提供了一套標(biāo)準(zhǔn)的可供所有機(jī)器人設(shè)計(jì)人員使用的工具，從而使機(jī)器人開(kāi)發(fā)得到了統(tǒng)一。

　　來(lái)自弗吉尼亞理工大學(xué)機(jī)器人學(xué)與機(jī)械實(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)擬人機(jī)器人(DARwin)的雙足類人機(jī)器人的開(kāi)發(fā)和研究，目的是對(duì)假肢進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。DARwin使用NI LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)全范圍運(yùn)動(dòng)，并且能夠準(zhǔn)確地模擬人類運(yùn)動(dòng)。學(xué)生使用LabVIEW分析動(dòng)態(tài)雙足運(yùn)動(dòng)、設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)機(jī)器人控制系 統(tǒng)的原型。如果開(kāi)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(shí)時(shí)模塊的PC/104單板計(jì)算機(jī)上。

　　通過(guò) LabVIEW，設(shè)計(jì)人員無(wú)需成為計(jì)算機(jī)專家或程序員，就可以開(kāi)發(fā)高級(jí)機(jī)器人。例如，一位只有有限LabVIEW和機(jī)器視覺(jué)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生在短短幾個(gè)小時(shí)之 內(nèi)，就設(shè)計(jì)了一個(gè)讓機(jī)器人利用它帶有的IEEE 1394相機(jī)和NI機(jī)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(qiáng)大的圖形化編程語(yǔ)言快速地設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)復(fù)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?qū)崟r(shí)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(guò) LabVIEW和NI硬件平臺(tái)，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)?，F(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(jì)者。

　　實(shí)例分析1：南洋理工大學(xué)使用NI LabVIEW設(shè)計(jì)救生機(jī)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(jī)器人蜘蛛。它是一個(gè)尺寸較小、可移動(dòng)的智能機(jī)器人，在搜尋被陷的受害者時(shí)，它可以越過(guò)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(wú)雷化等危險(xiǎn)任務(wù)中的工作人員也是機(jī)器人蜘蛛的另一個(gè)潛在應(yīng)用領(lǐng)域。

　　他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)高度可移動(dòng)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(dòng)機(jī)器人，即使在機(jī)器人移動(dòng)通常不可行或過(guò)于危險(xiǎn)的地帶。行走與旋轉(zhuǎn)均屬于模仿六足昆蟲(chóng)而得的基本的高層次運(yùn)動(dòng)模式。通過(guò)三條下肢移動(dòng)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(shí)，機(jī)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(yùn)動(dòng)步態(tài)是3D空間內(nèi)的幾何原語(yǔ)，如長(zhǎng)方形或圓形軌道。

　　圖3 基于NI LabVIEW設(shè)計(jì)的救生機(jī)器人蜘蛛