LabVIEW構建的移動機器人及無人駕駛車

　　機器人分 類復雜且關鍵技術眾多，從廣義范疇上說，通常所說的機器人主要包括教育機器人、移動機器人、工業(yè)機械臂三大類。機械臂發(fā)展時間早，產業(yè)化程度高，相對已經有了成熟的行業(yè)解決方案，特別在汽車制造等領域，機械臂已被廣泛的運用于產線裝配。移動機器人構成復雜、應用靈活，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家和工程師們關注的重點。本文將主要探討移動機器人及無人駕駛車的研究和開發(fā)。

　　圖1 機器人系統(tǒng)的分類

　　盡管移動機器人構成復雜且關鍵技術眾多，但具有某些共同的構架和組成部分，是一個融合了眾多機電系統(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)的有機結合協(xié)調工作，雖然部分子系統(tǒng)已有現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、進行早期的整體功能性驗 證，就成了決定機器人設計成敗的關鍵性環(huán)節(jié)。

　　圖形化系統(tǒng)設計——機器人設計的前沿方法

　　在Google X PRIZE機構、FIRST組織(科學技術的啟示與認知組織)、RoboCup以及美國國防高級研究計劃局(DARPA)之間展開的競爭推進了機器人學領域的創(chuàng)新。富有創(chuàng)新思維的開發(fā)者們將機器人學的前沿方法推進到了圖形化系統(tǒng)設計。在LabVIEW圖形化編程平臺下，機器人學的領域專家能夠對復雜的機器人方案進行快速的原型設計。這些創(chuàng)新工作者能夠不用關心底層的實現細節(jié)，可以將注意力集中到解決手上的工程問題中去。

　　機器人設計通常包含以下部分的工作內容，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- 相當于機器人的‘大腦’，根據算法進行控制決策，完成管理協(xié)調、信息處理、運動規(guī)劃等任務

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

　　網絡通訊與控制- 機器人各子系統(tǒng)間的通訊網絡，完成分布式控制與實時控制

　　圖2 移動機器人的設計平臺

　　過去，由于在每個領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，機械工程師、電氣工程師以及程序員團隊都各自領導機器人學的開發(fā)。LabVIEW和NI硬件提供了一個獨特的、功能多樣的平臺，它提供了一套標準的可供所有機器人設計人員使用的工具，從而使機器人開發(fā)得到了統(tǒng)一。

　　來自弗吉尼亞理工大學機器人學與機械實驗室(RoMeLa)的工科學生，在Dennis Hong教授的領導下正在進行智能動態(tài)擬人機器人(DARwin)的雙足類人機器人的開發(fā)和研究，目的是對假肢進行研究和開發(fā)。DARwin使用NI LabVIEW圖形化系統(tǒng)設計平臺，能夠實現全范圍運動，并且能夠準確地模擬人類運動。學生使用LabVIEW分析動態(tài)雙足運動、設計并開發(fā)機器人控制系 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行LabVIEW實時模塊的PC/104單板計算機上。

　　通過 LabVIEW，設計人員無需成為計算機專家或程序員，就可以開發(fā)高級機器人。例如，一位只有有限LabVIEW和機器視覺經驗的學生在短短幾個小時之 內，就設計了一個讓機器人利用它帶有的IEEE 1394相機和NI機器視覺開發(fā)模塊跟蹤一個紅球的算法。工程師們使用LabVIEW和NI硬件，就可以使用功能強大的圖形化編程語言快速地設計并開發(fā)復雜算法的原型;并通過代碼生成方便地將控制算法部署到PC、FPGA、微控制器或實時系統(tǒng)之中;還可以與幾乎所有的傳感器、執(zhí)行器進行連接。此外，通過 LabVIEW和NI硬件平臺，可以支持CAN、以太網、串口、USB等多種接口，方便地構建機器人系統(tǒng)的通訊網絡?，F在，領域專家不僅僅能夠完成機械工 程師的工作，還能夠成為機器人設計者。

　　實例分析1：南洋理工大學使用NI LabVIEW設計救生機器人蜘蛛

　　南洋理工大學開發(fā)了一個用于支持營救工作的六足機器人蜘蛛。它是一個尺寸較小、可移動的智能機器人，在搜尋被陷的受害者時，它可以越過障礙并到達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中的工作人員也是機器人蜘蛛的另一個潛在應用領域。

　　他們設計了一個高度可移動的行走方案，它由六只獨立的下肢組成，可以任意方向移動機器人，即使在機器人移動通常不可行或過于危險的地帶。行走與旋轉均屬于模仿六足昆蟲而得的基本的高層次運動模式。通過三條下肢移動而另外三條下肢抬高，機器人可以達到期望的行走速度，并提供惡劣地帶所需的足夠平衡。爬行 時，機器人可以擠壓通過緊湊的空間和狹縫。單下肢的低層次運動步態(tài)是3D空間內的幾何原語，如長方形或圓形軌道。

　　圖3 基于NI LabVIEW設計的救生機器人蜘蛛