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　　如前所述LabVIEW構筑智能的終端機器人及超高速車

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　　先進制造 ◇ 系列技術講座

　　1月11日13:30-17:00 2023 Ansys中國機器人行業典型研討會

　　結語

　　1956年，基尼伯格和喬治迪沃爾發明了第兩個真正意義上的機器人，Unimate，能繼續執行存儲在波季爾存儲器中的掌控系統各項任務。到1961年，Unimate已經被成功應用于紙類的運輸和焊接，現代上這樣的組織工作由工人擔任——冒著因排出氣體中毒或喪失肢體的風險。 Unimate是機器人用于危險各項任務場合的晚期例子，如今，機器人掌控系統已經被廣為應用于工業、農業、軍事、航空航天、基礎教育等各個應用領域。

機器人分類繁雜且關鍵性技術為數眾多，從廣義范疇上說，一般來說所說的機器人主要包括基礎教育機器人、終端機器人、工業機械臂三大類。機械臂發展時間早，產業化某種程度高，相對已經有了成熟的行業化解方案，特別在汽車制造等應用領域，機械臂已被廣為的運用于生產線裝配。終端機器人形成繁雜、應用靈活，目前商業化某種程度還不高，相對處于最前沿科學研究的階段，因此一直以來都是科學家和技師們關注的重點。 本文將主要探討終端機器人及超高速車的科學研究和開發。

　　圖1 機器人掌控系統的分類

盡管終端機器人形成繁雜且關鍵性技術為數眾多，但具有某些共同的構架和重要組成部分，是兩個融合了為數眾多機電掌控系統和組件的綜合體系，并透過這些重要組成部分與組件的有機結合協同組織工作，雖然部分組件已有現成的軟硬體輔助工具和化解方案，但如何快速地把各組件集成在一起、展開晚期的整體機能性驗證，就成了決定機器人設計成敗的關鍵性性環節。

　　GUI掌控系統設計——機器人設計的最前沿方法

　　在Google X PRIZE機構、FIRST組織（科學技術的啟示與認知組織）、RoboCup以及美國國防高級科學研究計劃處（DARPA）之間展開的競爭大力推進了機器人學應用領域的創新。富有創新思維的開發者們將機器人學的最前沿方法大力推進到了GUI掌控系統設計。在LabVIEWGUI編程平臺下，機器人學的專家能對繁雜的機器人方案展開快速的原型設計。這些創新工能不用關心底層的實現細節，能將注意力集中到化解手上的工程問題中去。

　　機器人設計一般來說包含以下部分的組織工作內容，如圖2所示：

　　感知掌控系統

－相連到陀螺儀、CCD、光電、超聲等感應器，獲取并處理信息

　　重大決策總體規劃

　　－相當于機器人的‘大腦’，根據演算法展開掌控重大決策，順利完成管理協同、信息處理、體育運動總體規劃等各項任務

　　繼續執行掌控

　?。鶕唧w的作業指令，透過驅動掌控器、編解碼器和電機順利完成機器人的轉換器掌控與體育運動繼續執行

　　互聯網通訊與掌控

　　－機器人各組件間的通訊互聯網，順利完成分布式系統掌控與實時掌控

　　過去，由于在每個應用領域中必須采用各別的現代輔助工具，其中涉及的知識具有較大的縱向深度，機械技師、電氣技師以及開發相關人員團隊都各別黨委機器人學的開發。LabVIEW和NI硬體提供了兩個獨特的、機能多樣的平臺，它提供了一套標準的可供所有機器人設計相關人員采用的輔助工具，從而使機器人開發得到了統一。

來自弗吉尼亞理工大學機器人學與機械實驗室（RoMeLa）的科折粉，在Dennis Hong教授的黨委下正在展開智能靜態隱喻機器人（DARwin）的四足類人機器人的開發和科學研究，目的是對義肢展開科學研究和開發。DARwin采用NI LabVIEWGUI掌控系統設計平臺，能實現全范圍體育運動，并且能準確地模隱喻類體育運動。小學生采用LabVIEW分析靜態四足體育運動、設計并開發機器人掌控掌控系統的原型。如果開發的原型能令人滿意地組織工作，他們就將Bilaspur布署到運行LabVIEW實時組件的PC/104希伯尼安斯排序機上。

透過LabVIEW，設計相關人員無需成為排序機專家或開發相關人員，就能開發高級機器人。例如，一位只有有限LabVIEW和機器聽覺經驗的小學生在短短幾個小時之內，就設計了兩個讓機器人利用它帶有的IEEE 1394相機和NI機器聽覺開發組件跟蹤兩個號球的演算法。技師們采用LabVIEW和NI硬體，就能采用機能強大的GUIC語言快速地設計并開發繁雜演算法的原型；并透過DDL方便快捷地將Bilaspur布署到PC、FPGA、微掌控器或實時掌控系統之中；還能與幾乎所有的感應器、繼續開傘器展開相連。此外，透過LabVIEW和NI硬體平臺，能支持CAN、調制解調器、串行、USB等多種接口，方便快捷地構筑機器人掌控系統的通訊互聯網?，F在，專家不僅僅能順利完成機械技師的組織工作，還能成為機器人設計者。

　　實例分析1：兩廣理工大學采用NI LabVIEW設計救生機器人蜘蛛

兩廣理工大學開發了兩個用于支持營救組織工作的六足機器人蜘蛛。它是兩個尺寸較小、可終端的智能機器人，在搜尋被陷的受害者時，它能越過障礙并到達一般來說難以觸及的地方。替代如清掃雷區使之無雷化等危險各項任務中的組織工作相關人員也是機器人蜘蛛的另兩個潛在應用應用領域。

他們設計了兩個高度可終端的行走方案，它由六只獨立的下肢組成，能任意方向終端機器人，即使在機器人終端一般來說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體育運動模式。透過三條下肢終端而另外三條下肢抬高，機器人能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，機器人能擠壓透過緊湊的空間和狹縫。單下肢的低層次體育運動步態是3D空間內的幾何原語，如長方形或圓形軌道。

　　圖3如前所述NI LabVIEW設計的救生機器人蜘蛛

　　1、24個自由度的多機能機電掌控系統及智能體育運動掌控下肢結構與體育運動掌控形成了機器人蜘蛛關鍵性特性的一部分。24只智能DC有刷電機共同驅動這些下肢，并充當行走結構中不可或缺的關節。這樣得到了兩個堅固的輕型結構，從而降低了功耗并改善了體育運動靜態特性。

　　除了這些下肢，機器人蜘蛛的特性還在于典型的自主機器人組件，其中包括機器聽覺、遠程測量和無線通信。機器人堅固的殼體內包含有嵌入式硬體、兩節7.2伏的鋰聚合物電池和電量測量裝置。各項任務參數、I/O設置和新的體育運動步態均能透過無線通信或可終端存儲介質傳遞。

機器人蜘蛛的低層次體育運動有賴于運行時排序的繁雜數學模型。憑借ADI公司的Blackfin處理器的高級嵌入式排序能力和LabVIEW的確定性實時性能，機器人的體育運動表現得有力而平穩。如前所述NI LabVIEW嵌入式組件的程序連續運行兩個逆動力學演算法，演算法包含三角函數和矩陣運算，求解恰當的關節角Θ1與Θ2，以沿著3D空間內的期望軌線精確終端末端繼續執行裝置。

　　所有六足的關節角度的排序并行順利完成以確保靜態體育運動，相應地也得到了連續排序所得的24個電機的設置點。這些設置點透過兩個串行RS485互聯網傳遞至每只電機，并由分散PD掌控器轉換為實際繼續執行動作。透過同樣的互聯網，順利完成所有24只繼續執行裝置的位置、反饋和溫度讀數的采集。

　　2、GUI的實時掌控系統設計平臺

機器人蜘蛛應用軟件是利用面向Blackfin處理器的LabVIEW嵌入式組件編程實現的。LabVIEW為高層次編程、GUI調試、GUI多各項任務處理和確定性的實時行為，提供了兩個理想的嵌入式軟件平臺。面向對象的設計模式有助于進一步掌控GUI層次上的繁雜度。例如電機或感應器等主要對象，透過LabVIEW中表示類的機能性全局變量加以抽象。

　　主要的應用框架由以下多個各項任務組成：

　　?頂層主循環對由兩個經典狀態機表示的動作展開總體規劃，而狀態機透過軟件隊列和同步方法（如信號量）與其它循環相連。通信各項任務保持兩個與外部世界的無線數據相連。

　　?聽覺各項任務負責低層次的圖像處理和距離讀數。

?體育運動掌控各項任務管理高層次的體育運動模式與低層次的肢體掌控，并監測馬達的位置與狀態。

　　?日常各項任務充當兩個通用錯誤處理器。檢測事件與異常，并將其及時間記錄到可終端的存儲介質，以供后續讀取。

　　透過采用LabVIEW嵌入式組件所提供的GUI編程環境，以及Blackfin處理器的高處理器性能，開發周期也大為縮短。如前所述LabVIEW的GUI快速調試模式在演算法的工程實現過程中非常有用，縮短了5倍的開發時間。

　　實例分析2：弗吉尼亞理工大學采用NI LabVIEW設計全自主地面車參加DARPA 城市挑戰賽

DARPA城市挑戰賽需要設計一輛全自主地面車能在城市環境中自動導航行駛。在整個賽程中，全自主車需要在6小時內穿越60英里，途經道路、路口和停車場等各種交通狀態。在比賽開始時，參賽者會拿到各項任務檔案公路網地圖，并指定需要按一定順序訪問的檢查站。車輛需要考慮所選道路的車速限制，可能的道路堵塞，以及其他交通狀況。車輛在行駛中必須遵守交通規則，在十字路口注意安全駕駛和避讓，妥善地處理與其他車輛之間的互動，以最高30英里的時速避讓靜態和靜態的障礙物。

來自弗吉尼亞理工大學的團隊需要在12個月開發出全自主地面車，他們將開發各項任務分成四個主要部分：基礎平臺、感知掌控系統、重大決策總體規劃和通訊架構，如圖4所示。每一部分都如前所述NI的軟硬體平臺展開開發：透過NI硬體與現有車載掌控系統展開交互，并提供操作接口；采用LabVIEWGUI編程環境來開發掌控系統軟件，包括通訊架構、感應器處理和目標識別演算法、激光測距儀和如前所述聽覺的道路檢測、駕駛行為掌控、以及底層的車輛接口。

　　圖4 超高速車Odin的掌控系統構架

他們的參賽車Odin是2005年福特翼虎(Escape)混合動力型越野車，并為自主駕駛做了一定某種程度的改裝。NI CompactRIO掌控系統與翼虎操控掌控系統展開交互，透過線控驅動(drive-by-wire)的方式掌控油門、方向盤、轉向和制動。小學生們利用LabVIEW掌控設計與仿真組件開發了路徑曲率和速度掌控掌控系統，并透過LabVIEW實時組件和FPGA組件布署到CompactRIO硬體平臺加以實現，從而建立了兩個獨立的車輛掌控平臺。與此同時，小學生采用LabVIEW觸摸屏組件和NI TPC - 2006觸摸屏構筑用戶界面并安裝在掌控臺。

　　LabVIEW平臺提供了兩個直觀，易于采用的調試環境，能讓開發團隊實時地監測源代碼的運行，從而方便快捷的實現硬體在環調試。透過LabVIEW開發環境，團隊快速能構筑掌控系統原型并加快設計的往復周期。此外， LabVIEW與硬體的無縫相連，對于繼續執行某些關鍵性操作如感應器處理和車輛掌控是至關重要的。由于城市挑戰賽問題繁雜且開發時間很短，這些因素對于開發團隊的成功發揮了關鍵性作用。

　　總結

GUI掌控系統設計對于繼續加快機器人設計中的創新而言是必不可少的。繁雜的現代輔助工具可能會阻礙機器人技術的進步。LabVIEW提供了兩個綜合的、可擴展的平臺，能橫跨設計、原型開發和布署階段，因此技師們能不用為微小的實現細節所困擾，能更加關注機器人本身。他們能采用同樣強大的平臺，對微掌控器直至FPGA等各種掌控器展開編程；還能同幾乎任何感應器和繼續開傘器發送與接收信號；設計并仿真靜態掌控掌控系統；以及實現展開遠程監視或掌控機器人的接口。LabVIEWGUI掌控系統設計平臺透過為所有機器人設計者提供兩個統一的平臺，鼓勵設計更為精妙的機器人。

　　( 文章來源：互聯網 )

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