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

Author(s):
Karl Muecke - Virginia Tech University

Industry:
Education, Research, Mechatronics

Products:
LabVIEW, Machine Vision, Real-Time Module

The Challenge:
開發(fā)作為新步態(tài)研究平臺(tái)的機(jī)器人系統(tǒng)，設(shè)計(jì)美國第一個(gè)參加RoboCup（自主型機(jī)器人足球比賽）的仿人機(jī)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)研究的開發(fā)與測試；同時(shí)采用LabVIEW實(shí)時(shí)模塊和NI視覺軟件創(chuàng)建人工智能，從而使機(jī)器人可以執(zhí)行高級(jí)功能，如踢足球。

用NI LabVIEW開發(fā)的機(jī)器人DARWin,是美國第一個(gè)進(jìn)入“機(jī)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(jī)器人和機(jī)械實(shí)驗(yàn)室（RoMela）設(shè)計(jì)了最初的智能型動(dòng)態(tài)擬人機(jī)器人(DARwIn)。在RoMela，我們在硬件上測試了步態(tài)研究的設(shè)想和理論。我們決定用RoboCup這一國際性機(jī)器人足球比賽作為展示這一款機(jī)器人優(yōu)越性和可行性的舞臺(tái)，同時(shí)展示DARwIn的魯棒性。

當(dāng)前機(jī)器人編程和控制技術(shù)通常采用C代碼，其學(xué)習(xí)曲線比較陡峭，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(jī)器人步態(tài)研發(fā)，最終使完全自主型仿人機(jī)器人問世。該機(jī)器人不僅可踢足球，也可作為新步態(tài)的研究平臺(tái)。我們采用LabVIEW圖形化開發(fā)平臺(tái)不僅為了創(chuàng)建可擴(kuò)展、適應(yīng)性強(qiáng)的軟件,同時(shí)也可開發(fā)執(zhí)行高級(jí)任務(wù)的機(jī)器人大腦，如踢足球比賽。

LabVIEW作為可擴(kuò)展硬件接口

由于RoMeLa中的機(jī)器人平臺(tái)多種多樣，我們需要選擇一款通過簡單配置即可適應(yīng)不同硬件設(shè)置的系統(tǒng)。大多數(shù)小型機(jī)器人研究使用個(gè)人數(shù)字助理（PDA）自主控制機(jī)器人。在PC104+計(jì)算機(jī)上采用 LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊后，幾乎無需任何開銷即可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)架構(gòu)擴(kuò)展。與PDA不同，該系統(tǒng)可兼容一系列不同傳感器――IEEE 1384相機(jī)、RS485通信、多個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)和其他眾多設(shè)備。添加新相機(jī)或802.11端口、適配型驅(qū)動(dòng)器，寫入C或C++代碼花費(fèi)均需耗費(fèi)大量時(shí)間，而 LabVIEW VI使得所有問題迎刃而解。

目前，我們采用LabVIEW通過RS485控制機(jī)器人動(dòng)作，并從同一串行網(wǎng)絡(luò)的伺服電機(jī)內(nèi)置電位計(jì)上讀取關(guān)節(jié)位置。在機(jī)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(jī)器人平衡。

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

驗(yàn)證步態(tài)研究

生成機(jī)器人步態(tài)數(shù)學(xué)公式時(shí)，很難可視化看到結(jié)果。采用LabVIEW不僅可調(diào)用其它計(jì)算軟件包生成的步態(tài)（如 Wolfram Mathematica或Microsoft Excel），而且可通過建立機(jī)器人的可視化運(yùn)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(jī)器人執(zhí)行所生成步態(tài)時(shí)的行為。由于無需利用物理硬件設(shè)置和測試步態(tài)，節(jié)省了大量的研發(fā)時(shí)間。

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

創(chuàng)建人工智能

在未進(jìn)行任何預(yù)先視覺處理的情況下，短短兩小時(shí)內(nèi)，一位研究生即可配置兩臺(tái)IEEE 1394相機(jī)并寫一段VI程序（用于RoboCup所用桔黃色足球的相對位置識(shí)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(fèi)很長時(shí)間研究代碼。但是以我們的開發(fā)效率，一位學(xué)生在短短一周內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)DARwIn足球動(dòng)作控制，該機(jī)器人是首臺(tái)而且是美國僅有的一臺(tái)參加RoboCup比賽的仿人機(jī)器人。