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　　采用LabVIEW和CompactRIO開發(fā)腿輪Sitapur終端機(jī)器人

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　　先進(jìn)制造 ◇ 系列技術(shù)講座

　　1月11日13:30-17:00 2023 Ansys中國機(jī)器人行業(yè)典型研討會(huì)

　　采用NI LabVIEW和CompactRIO以及各式各樣I / O組件將機(jī)械、電子及軟件開發(fā)快速集成到三合一機(jī)器人原型。開發(fā)兩個(gè)腿輪Sitapur終端機(jī)器人，使其能在平緩的地勢洛耶湖速非常靈活行駛，也可在純天然或人工不平緩的地貌上順利透過。

"對終端機(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)固的組件化CompactRIO系統(tǒng)非常適合用作開發(fā)。 LabVIEW和NI硬件之間表述良好的相容性顯著地減少了開發(fā)者執(zhí)行系統(tǒng)集成的時(shí)間和精力。"

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　　圖1. Quattroped - 腿輪Sitapur終端平臺(tái)

　　項(xiàng)目背景

　　腳部和輪軸這兩種方法在發(fā)射塔體育運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上被廣泛選用。 經(jīng)過漫長的演變過程，大絕大多數(shù)陸地動(dòng)物的腳部都靈活有力，并能夠快速順暢地在不平緩的純天然地貌上奔馳。 在另一方面，人類發(fā)明了流石灘專用的體育運(yùn)動(dòng)輪軸，其出色的輸出功率效率和在流石灘高速的流暢運(yùn)轉(zhuǎn)是腳部體育運(yùn)動(dòng)無法比擬的。

　　由此，來自國立臺(tái)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)兩個(gè)腿輪Sitapur機(jī)器人，它結(jié)合了輪軸和腳部的終端性，在平緩和惡劣環(huán)境下都能為室內(nèi)室外行走提供兩個(gè)終端平臺(tái)。

　　機(jī)械設(shè)計(jì)

大絕大多數(shù)混合動(dòng)力平臺(tái)上相同的車輪和腿都有相同的裝置和鞭策器，相比這些平臺(tái)，這款名為Quattroped的腿輪Sitapur終端機(jī)器人選用了一類切換機(jī)制，可將自身某一的一部分變形成為兩個(gè)車輪或一條腿。 從歐幾里得角度來說，兩個(gè)車輪通常有兩個(gè)方形輪轂，而轉(zhuǎn)軸則位于輪轂中間。 輪轂與發(fā)射塔接觸，而轉(zhuǎn)軸與機(jī)器人身體上的一點(diǎn)相連接，此點(diǎn)就是“膝關(guān)節(jié)”。 在一般情況下，輪式終端時(shí)車輪在流石灘體育運(yùn)動(dòng)并不斷旋轉(zhuǎn)，輪軸與發(fā)射塔的觸點(diǎn)就位于膝關(guān)節(jié)下的一定環(huán)內(nèi)。相較而言，用腿終端時(shí)腳部以持續(xù)性方式體育運(yùn)動(dòng)，在膝關(guān)節(jié)和發(fā)射塔觸點(diǎn)之間沒有某一的歐幾里得實(shí)用性；因此腳部在體育運(yùn)動(dòng)中的相較邊線具有持續(xù)性頻繁變化的特點(diǎn)。

如前所述這一觀察發(fā)現(xiàn)，將膝關(guān)節(jié)抽走方形輪轂中心并將連續(xù)體育運(yùn)動(dòng)商業(yè)模式改為其他體育運(yùn)動(dòng)商業(yè)模式，即能達(dá)到輪商業(yè)模式向腿商業(yè)模式的切換。 這激發(fā)了他們?nèi)ピO(shè)計(jì)一類能間接控制方形輪轂和膝關(guān)節(jié)的相較邊線的商業(yè)模式，從而它既能展開輪體育運(yùn)動(dòng)又能展開腿體育運(yùn)動(dòng)。 由于方形輪轂是兩個(gè)二維的對象，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最間接的方法是再增加兩個(gè)分量（DOF），沿著體育運(yùn)動(dòng)方向調(diào)節(jié)膝關(guān)節(jié)相較方形輪轂的邊線。 兩個(gè)分量的體育運(yùn)動(dòng)也互相形成直角。 此外，無論是輪商業(yè)模式還是腿商業(yè)模式都能有效運(yùn)轉(zhuǎn)同一組的驅(qū)動(dòng)力輸出功率。

　　機(jī)電一體化

他們選用NICompactRIOPDP控制系統(tǒng)作為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力器，它主要包括兩個(gè)400MHz的動(dòng)態(tài)CPU和3M現(xiàn)場電子電路電子電路（FPGA）。 FPGA間接連接NI C系列I/O組件，這些組件能從載板感應(yīng)器和鞭策器獲得數(shù)據(jù)。 對模擬I/O他們采用NI 9205和NI 9264I/O組件，對數(shù)字I/O選用NI 9401和NI 9403I/O組件。FPGA與動(dòng)態(tài)CPU相連接，并透過IEEE 802.11無線方式與電腦展開通訊。

機(jī)器人感應(yīng)器主要包括：馬達(dá)和輸出功率放大器上用作身心健康監(jiān)測的溫度感應(yīng)器；用作電源管理的電壓和電流量測感應(yīng)器；用作腿輪實(shí)用性校正的克爾（Hall）負(fù)面效應(yīng)感應(yīng)器；用作身體狀況量測的6軸慣性制導(dǎo)儀和2軸測斜儀；用作離地間隙量測的3個(gè)紅外距離感應(yīng)器。定位系統(tǒng)、視覺和激光測距儀等各式各樣感應(yīng)器也被用作提高機(jī)器人的感應(yīng)能力。機(jī)器人上的鞭策器包含8個(gè)用作驅(qū)動(dòng)力的三相有刷電機(jī)，2個(gè)用作腳后跟輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)的高扭矩RC切換器電機(jī)，用作輪腿切換的五個(gè)小型RC伺服電機(jī)和五個(gè)小型三相有刷電機(jī)。

　　軟件

　　三個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)LabVIEW 的計(jì)算核心（PC，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和FPGA）負(fù)責(zé)相同的任務(wù)。 用戶操作方式PC，將高級(jí)指令（如機(jī)器人應(yīng)該以輪商業(yè)模式還是腿商業(yè)模式運(yùn)轉(zhuǎn)）發(fā)送至NI CompactRIO驅(qū)動(dòng)力器。驅(qū)動(dòng)力器以1kHz的循環(huán)式速率運(yùn)轉(zhuǎn)，將關(guān)于機(jī)器人身心健康的重要信息發(fā)送回來，并在PC上記錄狀況數(shù)據(jù)。 機(jī)器人軟件架構(gòu)主要包括各式各樣狀況機(jī)，每個(gè)狀況代表一類機(jī)器人行為。 其他需要高速信號(hào)交換的算法以10 kHz的循環(huán)式率在FPGA上運(yùn)轉(zhuǎn)。 主要包括三相電動(dòng)機(jī)、編解碼器讀數(shù)以及如前所述PWM的RC切換器命令的比例-積分-微分（PID）控制。

機(jī)器人通電后，他們展開電機(jī)校正，表述機(jī)器人每條腿輪上兩個(gè)活躍分量的完全幾何實(shí)用性。 透過匹配加裝在機(jī)器人身體上的克爾負(fù)面效應(yīng)感應(yīng)器和加裝在腿輪內(nèi)部磁鐵的相較邊線實(shí)現(xiàn)校正。 他們可以在腿商業(yè)模式或輪商業(yè)模式下操作方式經(jīng)校正過的機(jī)器人，這取決于當(dāng)前RIM實(shí)用性（即為輪軸或半圈腿商業(yè)模式）。 另外，他們也可以透過腿輪切換來改變腿輪實(shí)用性。 機(jī)器人輪商業(yè)模式下的行為主要包括站立、行駛和入座。 站立和入座為兩個(gè)瞬態(tài)狀況，用以過度最初發(fā)射塔實(shí)用性和行駛行為。 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)器人在腿商業(yè)模式下運(yùn)作時(shí)，站立和入座行為也屬于瞬時(shí)狀況。 站立起來后的機(jī)器人可以執(zhí)行各式各樣行為，主要包括步行、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)器人屬于高分量的復(fù)雜系統(tǒng)。 機(jī)器人的成功發(fā)展需要花費(fèi)時(shí)間和精力來妥善整合各式各樣機(jī)械、電氣和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 來自國立臺(tái)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，他們需要兩個(gè)可靠、組件化、易于采用及良好集成的平臺(tái)。

　　經(jīng)過廣泛的研究，他們發(fā)現(xiàn)NI產(chǎn)品能為他們的應(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和如前所述FPGA的目標(biāo)上采用相同的圖形化開發(fā)環(huán)境也極其有幫助。 由于開發(fā)驅(qū)動(dòng)力器軟件時(shí)他們不必花時(shí)間學(xué)習(xí)底層的編程語法，因而能夠花更多的時(shí)間專注于他們設(shè)計(jì)的機(jī)械部分。

“對終端機(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)固的組件化CompactRIO系統(tǒng)非常適合用作開發(fā)。 LabVIEW和NI硬件之間表述良好的相容性顯著地減少了開發(fā)者執(zhí)行系統(tǒng)集成的時(shí)間和精力?！?/p>

　　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)出了兩個(gè)擁有優(yōu)雅軟件構(gòu)造的復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)，對今后的進(jìn)一步開發(fā)擴(kuò)展也很方便。 在硬件方面，他們正在將各式各樣感應(yīng)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(dòng)作方面，他們正在完善和開發(fā)具有閉環(huán)控制功能的腳部行為，以提高機(jī)器人在各式各樣具有挑戰(zhàn)性的地貌上的終端能力，并開發(fā)其腳部動(dòng)態(tài)步態(tài)。

　　鳴謝

誠摯感謝NI臺(tái)灣對他們在設(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(huì)（NSC）臺(tái)灣以及98R0331合同下國立臺(tái)灣大學(xué)的支持。

　　( 文章來源：互聯(lián)網(wǎng) )

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