The Challenge:
開發(fā)一個腿輪混合式移動機(jī)器人，使其能在平坦的地勢上快速流暢地行駛，也可在天然或人工不平坦的地形上順利通過。

The Solution:
使用NI LabVIEW和CompactRIO以及各種I / O模塊將機(jī)械、電子及軟件開發(fā)快速集成到功能型機(jī)器人原型。

項(xiàng)目背景

腿部和車輪這兩種方法在地面運(yùn)動平臺上被廣泛采用。  經(jīng)過漫長的演變過程，大多數(shù)陸地動物的腿部都靈活有力，并能夠快速順暢地在不平坦的天然地形上奔馳。 在另一方面，人類發(fā)明了平地上專用的運(yùn)動車輪，其出色的功率效率和在平地上高速的流暢運(yùn)行是腿部運(yùn)動無法比擬的。

由此，來自國立臺灣大學(xué)的仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室（BioRoLa）團(tuán)隊(duì)致力于設(shè)計(jì)一個腿輪混合式機(jī)器人，它結(jié)合了車輪和腿部的移動性，在平坦和惡劣環(huán)境下都能為室內(nèi)室外行走提供一個移動平臺。

機(jī)械設(shè)計(jì)

大多數(shù)混合動力平臺上不同的輪子和腿都有不同的裝置和激勵器，相比這些平臺，這款名為Quattroped的腿輪混合式移動機(jī)器人采用了一種轉(zhuǎn)換機(jī)制，可將自身特定的一部分變形成為一個輪子或一條腿。 從幾何角度來說，一個輪子通常有一個圓形輪圈，而旋轉(zhuǎn)軸則位于輪圈中間。  輪圈與地面接觸，而旋轉(zhuǎn)軸與機(jī)器人身體上的一點(diǎn)相連，此點(diǎn)就是“髖關(guān)節(jié)”。 在一般情況下，輪式移動時輪子在平地上運(yùn)動并不斷旋轉(zhuǎn)，車輪與地面的接觸點(diǎn)就位于髖關(guān)節(jié)下的一定距離處。相對而言，用腿移動時腿部以周期性方式運(yùn)動，在髖關(guān)節(jié)和地面接觸點(diǎn)之間沒有特定的幾何配置；因此腿部在運(yùn)動中的相對位置具有周期性頻繁變化的特點(diǎn)。

基于這一觀察發(fā)現(xiàn)，將髖關(guān)節(jié)移出圓形輪圈中心并將連續(xù)運(yùn)動模式改為其他運(yùn)動模式，即能達(dá)到輪模式向腿模式的轉(zhuǎn)換。  這激發(fā)了我們?nèi)ピO(shè)計(jì)一種能直接控制圓形輪圈和髖關(guān)節(jié)的相對位置的模式，從而它既能進(jìn)行輪運(yùn)動又能進(jìn)行腿運(yùn)動。  由于圓形輪圈是一個二維的對象，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最直接的方法是再增加一個自由度（DOF），沿著運(yùn)動方向調(diào)節(jié)髖關(guān)節(jié)相對圓形輪圈的位置。  兩個自由度的運(yùn)動也互相形成直角。  此外，無論是輪模式還是腿模式都能有效運(yùn)行同一組的驅(qū)動功率。

機(jī)電一體化

我們采用NICompactRIO嵌入式控制系統(tǒng)作為機(jī)器人控制器，它包括一個400MHz的實(shí)時處理器和3M現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）。 FPGA直接連接NI C系列I/O模塊，這些模塊能從載板傳感器和激勵器獲得數(shù)據(jù)。  對于模擬I/O我們采用NI 9205和NI 9264I/O模塊，對于數(shù)字I/O采用NI 9401和NI 9403I/O模塊。FPGA與實(shí)時處理器相連，并通過IEEE 802.11無線方式與電腦進(jìn)行通訊。

機(jī)器人傳感器包括：馬達(dá)和功率放大器上用于健康監(jiān)測的溫度傳感器；用于電源管理的電壓和電流測量傳感器；用于腿輪配置校準(zhǔn)的霍爾（Hall）效應(yīng)傳感器；用于身體狀態(tài)測量的6軸慣性制導(dǎo)儀和2軸測斜儀；用于離地間隙測量的3個紅外距離傳感器。全球定位系統(tǒng)、視覺和激光測距儀等各種傳感器也被用于提高機(jī)器人的感應(yīng)能力。機(jī)器人上的激勵器包含8個用于驅(qū)動的直流有刷電機(jī)，2個用于前腿車輪轉(zhuǎn)動的高扭矩RC伺服電機(jī)，用于輪腿切換的四個小型RC伺服電機(jī)和四個小型直流有刷電機(jī)。

軟件

三個運(yùn)行LabVIEW 的計(jì)算核心（PC，實(shí)時系統(tǒng)和FPGA）負(fù)責(zé)不同的任務(wù)。 用戶操作PC，將高級指令（如機(jī)器人應(yīng)該以輪模式還是腿模式運(yùn)行）發(fā)送到NI CompactRIO控制器。控制器以1kHz的循環(huán)速率運(yùn)行，將關(guān)于機(jī)器人健康的重要信息發(fā)送回來，并在PC上記錄狀態(tài)數(shù)據(jù)。 機(jī)器人軟件架構(gòu)包括各種狀態(tài)機(jī)，每個狀態(tài)代表一種機(jī)器人行為。  其他需要高速信號交換的算法以10 kHz的循環(huán)率在FPGA上運(yùn)行。 包括直流電動機(jī)、編碼器讀數(shù)以及基于PWM的RC伺服命令的比例-積分-微分（PID）控制。

機(jī)器人通電后，我們進(jìn)行電機(jī)校準(zhǔn)，定義機(jī)器人每條腿輪上兩個活躍自由度的完全幾何配置。  通過匹配安裝在機(jī)器人身體上的霍爾效應(yīng)傳感器和安裝在腿輪內(nèi)部磁鐵的相對位置實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。  我們可以在腿模式或輪模式下操作經(jīng)校準(zhǔn)過的機(jī)器人，這取決于當(dāng)前RIM配置（即為車輪或半圈腿模式）。 另外，我們也可以通過腿輪轉(zhuǎn)換來改變腿輪配置。  機(jī)器人輪模式下的行為包括站立、行駛和入座。 站立和入座為兩個瞬態(tài)狀態(tài)，用以過度最初地面配置和行駛行為。  在行駛行為中，前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)彎速率都連續(xù)可調(diào)。  同樣，當(dāng)機(jī)器人在腿模式下運(yùn)作時，站立和入座行為也屬于瞬時狀態(tài)。  站立起來后的機(jī)器人可以執(zhí)行各種行為，包括步行、小跑、跨步、跨越障礙和爬樓梯。

NI軟硬件的益處

在一般情況下，機(jī)器人屬于高自由度的復(fù)雜系統(tǒng)。  機(jī)器人的成功發(fā)展需要花費(fèi)時間和精力來妥善整合各種機(jī)械、電氣和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。  來自國立臺灣大學(xué)BioRoLa團(tuán)隊(duì)，主要由擁有機(jī)械工程背景的學(xué)生組成，他們需要一個可靠、模塊化、易于使用及良好集成的平臺。

經(jīng)過廣泛的研究，我們發(fā)現(xiàn)NI產(chǎn)品能為我們的應(yīng)用程序提供最佳解決方案，原因如下： LabVIEW為非編程背景的學(xué)生提供了直觀的圖形化流程圖表示方法，可以讓他們輕松建立過程圖并作為解決方案，然后再將過程圖轉(zhuǎn)化為軟件。 能在Windows，RTOS和基于FPGA的目標(biāo)上使用相同的圖形化開發(fā)環(huán)境也極其有幫助。  由于開發(fā)控制器軟件時我們不必花時間學(xué)習(xí)底層的編程語法，因而能夠花更多的時間專注于我們設(shè)計(jì)的機(jī)械部分。

“對于移動機(jī)器人的開發(fā)來說，其大小，重量及性能都非常重要，因此堅(jiān)固的模塊化CompactRIO系統(tǒng)非常適合用于開發(fā)。 LabVIEW和NI硬件之間定義良好的兼容性顯著地減少了開發(fā)者執(zhí)行系統(tǒng)集成的時間和精力。”

未來計(jì)劃

憑借NI LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和NI CompactRIO，一支機(jī)械工程學(xué)生團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了一個擁有優(yōu)雅軟件構(gòu)造的復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)，對于今后的進(jìn)一步開發(fā)擴(kuò)展也很方便。  在硬件方面，我們正在將各種傳感器融合到當(dāng)前的機(jī)電化系統(tǒng)中，以提高機(jī)器人的感應(yīng)能力。  在動作方面，我們正在完善和開發(fā)具有閉環(huán)控制功能的腿部行為，以提高機(jī)器人在各種具有挑戰(zhàn)性的地形上的移動能力，并開發(fā)其腿部動態(tài)步態(tài)。

鳴謝

作者誠摯感謝NI臺灣對于他們在設(shè)備支持和技術(shù)咨詢上的大力支持。 這項(xiàng)工作得到了97-2218-E-002-022和99-2218-E-002-012-合同下國家科學(xué)委員會（NSC）臺灣以及98R0331合同下國立臺灣大學(xué)的支持。