引言

    1956年,，恩格伯格和喬治迪沃爾發(fā)明了第一個真正意義上的機(jī)器人，Unimate,，可以執(zhí)行存儲在磁鼓存儲器中的系統(tǒng)任務(wù),。到1961年，Unimate已經(jīng)被成功應(yīng)用于壓鑄件的運輸和焊接,，傳統(tǒng)上這樣的工作由工人擔(dān)任——冒著因排出氣體中毒或喪失肢體的風(fēng)險,。 Unimate是機(jī)器人用于危險任務(wù)場合的早期例子，如今,，機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè),、農(nóng)業(yè),、軍事、航空航天,、教育等各個領(lǐng)域,。

    機(jī)器人分類復(fù)雜且關(guān)鍵技術(shù)眾多，從廣義范疇上說,，通常所說的機(jī)器人主要包括教育機(jī)器人,、移動機(jī)器人、工業(yè)機(jī)械臂三大類,。機(jī)械臂發(fā)展時間早,，產(chǎn)業(yè)化程度高，相對已經(jīng)有了成熟的行業(yè)解決方案,，特別在汽車制造等領(lǐng)域,，機(jī)械臂已被廣泛的運用于產(chǎn)線裝配。移動機(jī)器人構(gòu)成復(fù)雜,、應(yīng)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(xué)家和工程師們關(guān)注的重點,。 本文將主要探討移動機(jī)器人及無人駕駛車的研究和開發(fā)。

    圖1 機(jī)器人系統(tǒng)的分類

    盡管移動機(jī)器人構(gòu)成復(fù)雜且關(guān)鍵技術(shù)眾多,，但具有某些共同的構(gòu)架和組成部分,，是一個融合了眾多機(jī)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(jī)結(jié)合協(xié)調(diào)工作,，雖然部分子系統(tǒng)已有現(xiàn)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(jìn)行早期的整體功能性驗證,，就成了決定機(jī)器人設(shè)計成敗的關(guān)鍵性環(huán)節(jié),。

圖形化系統(tǒng)設(shè)計——機(jī)器人設(shè)計的前沿方法

    在Google X PRIZE機(jī)構(gòu)、FIRST組織（科學(xué)技術(shù)的啟示與認(rèn)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(jìn)了機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新,。富有創(chuàng)新思維的開發(fā)者們將機(jī)器人學(xué)的前沿方法推進(jìn)到了圖形化系統(tǒng)設(shè)計。在LabVIEW圖形化編程平臺下,，機(jī)器人學(xué)的領(lǐng)域?qū)＜夷軌驅(qū)?fù)雜的機(jī)器人方案進(jìn)行快速的原型設(shè)計,。這些創(chuàng)新工作者能夠不用關(guān)心底層的實現(xiàn)細(xì)節(jié)，可以將注意力集中到解決手上的工程問題中去,。

機(jī)器人設(shè)計通常包含以下部分的工作內(nèi)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(dāng)于機(jī)器人的‘大腦’，根據(jù)算法進(jìn)行控制決策,，完成管理協(xié)調(diào),、信息處理、運動規(guī)劃等任務(wù)
執(zhí)行控制－根據(jù)具體的作業(yè)指令,，通過驅(qū)動控制器、編碼器和電機(jī)完成機(jī)器人的伺服控制與運動執(zhí)行
網(wǎng)絡(luò)通訊與控制－機(jī)器人各子系統(tǒng)間的通訊網(wǎng)絡(luò),，完成分布式控制與實時控制

   過去,，由于在每個領(lǐng)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(jī)械工程師,、電氣工程師以及程序員團(tuán)隊都各自領(lǐng)導(dǎo)機(jī)器人學(xué)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(biāo)準(zhǔn)的可供所有機(jī)器人設(shè)計人員使用的工具，從而使機(jī)器人開發(fā)得到了統(tǒng)一,。

   來自弗吉尼亞理工大學(xué)機(jī)器人學(xué)與機(jī)械實驗室（RoMeLa）的工科學(xué)生,，在Dennis Hong教授的領(lǐng)導(dǎo)下正在進(jìn)行智能動態(tài)擬人機(jī)器人（DARwin）的雙足類人機(jī)器人的開發(fā)和研究，目的是對假肢進(jìn)行研究和開發(fā),。DARwin使用NI LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計平臺,，能夠?qū)崿F(xiàn)全范圍運動，并且能夠準(zhǔn)確地模擬人類運動,。學(xué)生使用LabVIEW分析動態(tài)雙足運動,、設(shè)計并開發(fā)機(jī)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(jī)上,。

   通過LabVIEW，設(shè)計人員無需成為計算機(jī)專家或程序員,，就可以開發(fā)高級機(jī)器人,。例如，一位只有有限LabVIEW和機(jī)器視覺經(jīng)驗的學(xué)生在短短幾個小時之內(nèi),，就設(shè)計了一個讓機(jī)器人利用它帶有的IEEE 1394相機(jī)和NI機(jī)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(qiáng)大的圖形化編程語言快速地設(shè)計并開發(fā)復(fù)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?qū)崟r系統(tǒng)之中,；還可以與幾乎所有的傳感器,、執(zhí)行器進(jìn)行連接,。此外，通過LabVIEW和NI硬件平臺,，可以支持CAN,、以太網(wǎng)、串口,、USB等多種接口,，方便地構(gòu)建機(jī)器人系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)在,，領(lǐng)域?qū)＜也粌H僅能夠完成機(jī)械工程師的工作,，還能夠成為機(jī)器人設(shè)計者。

    實例分析1：南洋理工大學(xué)使用NI LabVIEW設(shè)計救生機(jī)器人蜘蛛

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

    他們設(shè)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(jī)器人，即使在機(jī)器人移動通常不可行或過于危險的地帶,。行走與旋轉(zhuǎn)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(jī)器人可以達(dá)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(jī)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(nèi)的幾何原語,，如長方形或圓形軌道。

圖3  基于NI LabVIEW設(shè)計的救生機(jī)器人蜘蛛

1,、24個自由度的多功能機(jī)電系統(tǒng)及智能運動控制
  
    下肢結(jié)構(gòu)與運動控制構(gòu)成了機(jī)器人蜘蛛關(guān)鍵特性的一部分,。24只智能DC有刷電機(jī)共同驅(qū)動這些下肢，并充當(dāng)行走結(jié)構(gòu)中不可或缺的關(guān)節(jié),。這樣得到了一個堅固的輕型結(jié)構(gòu),，從而降低了功耗并改善了運動動態(tài)特性。

    除了這些下肢,，機(jī)器人蜘蛛的特性還在于典型的自主機(jī)器人子系統(tǒng),，其中包括機(jī)器視覺、遠(yuǎn)程測量和無線通信。機(jī)器人堅固的殼體內(nèi)包含有嵌入式硬件,、兩節(jié)7.2伏的鋰聚合物電池和電量測量裝置,。任務(wù)參數(shù)、I/O設(shè)置和新的運動步態(tài)均可以通過無線通信或可移動存儲介質(zhì)傳遞,。

    機(jī)器人蜘蛛的低層次運動有賴于運行時計算的復(fù)雜數(shù)學(xué)模型,。憑借ADI公司的Blackfin處理器的高級嵌入式計算能力和LabVIEW的確定性實時性能，機(jī)器人的運動表現(xiàn)得有力而平穩(wěn),?；贜I LabVIEW嵌入式模塊的程序連續(xù)運行一個逆動力學(xué)算法，算法包含三角函數(shù)和矩陣運算,，求解恰當(dāng)?shù)年P(guān)節(jié)角Θ1與Θ2,，以沿著3D空間內(nèi)的期望軌線精確移動末端執(zhí)行裝置。

    所有六足的關(guān)節(jié)角度的計算并行完成以確保動態(tài)運動,，相應(yīng)地也得到了連續(xù)計算所得的24個電機(jī)的設(shè)置點。這些設(shè)置點通過一個串行RS485網(wǎng)絡(luò)傳遞至每只電機(jī),，并由分散PD控制器轉(zhuǎn)換為實際執(zhí)行動作,。通過同樣的網(wǎng)絡(luò)，完成所有24只執(zhí)行裝置的位置,、反饋和溫度讀數(shù)的采集,。

2、圖形化的實時系統(tǒng)設(shè)計平臺

    機(jī)器人蜘蛛應(yīng)用軟件是利用面向Blackfin處理器的LabVIEW嵌入式模塊編程實現(xiàn)的,。LabVIEW為高層次編程,、圖形化調(diào)試、圖形化多任務(wù)處理和確定性的實時行為,，提供了一個理想的嵌入式軟件平臺,。面向?qū)ο蟮脑O(shè)計模式有助于進(jìn)一步控制圖形化層次上的復(fù)雜度。例如電機(jī)或傳感器等主要對象,，通過LabVIEW中表示類的功能性全局變量加以抽象,。

主要的應(yīng)用框架由以下多個任務(wù)組成：

•頂層主循環(huán)對由一個經(jīng)典狀態(tài)機(jī)表示的動作進(jìn)行規(guī)劃，而狀態(tài)機(jī)通過軟件隊列和同步方法（如信號量）與其它循環(huán)連接,。通信任務(wù)保持一個與外部世界的無線數(shù)據(jù)連接,。
•視覺任務(wù)負(fù)責(zé)低層次的圖像處理和距離讀數(shù)。
•運動控制任務(wù)管理高層次的運動模式與低層次的肢體控制,，并監(jiān)測馬達(dá)的位置與狀態(tài),。
•日常任務(wù)充當(dāng)一個通用錯誤處理器。檢測事件與異常,，并將其及時間記錄到可移動的存儲介質(zhì),，以供后續(xù)讀取。

    通過采用LabVIEW嵌入式模塊所提供的圖形化編程環(huán)境，以及Blackfin處理器的高處理器性能,，開發(fā)周期也大為縮短,。基于LabVIEW的圖形化快速調(diào)試模式在算法的工程實現(xiàn)過程中非常有用,，縮短了5倍的開發(fā)時間,。

實例分析2：弗吉尼亞理工大學(xué)使用NI LabVIEW設(shè)計全自主地面車參加DARPA 城市挑戰(zhàn)賽

    DARPA城市挑戰(zhàn)賽需要設(shè)計一輛全自主地面車能夠在城市環(huán)境中自動導(dǎo)航行駛。在整個賽程中,，全自主車需要在6小時內(nèi)穿越60英里,，途經(jīng)道路、路口和停車場等各種交通狀態(tài),。在比賽開始時,，參賽者會拿到任務(wù)檔案公路網(wǎng)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(guī)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(tài)和動態(tài)的障礙物,。

    來自弗吉尼亞理工大學(xué)的團(tuán)隊需要在12個月開發(fā)出全自主地面車，他們將開發(fā)任務(wù)分成四個主要部分：基礎(chǔ)平臺,、感知系統(tǒng),、決策規(guī)劃和通訊架構(gòu)，如圖4所示,。每一部分都基于NI的軟硬件平臺進(jìn)行開發(fā)：通過NI硬件與現(xiàn)有車載系統(tǒng)進(jìn)行交互,，并提供操作接口；使用LabVIEW圖形化編程環(huán)境來開發(fā)系統(tǒng)軟件,，包括通訊架構(gòu),、傳感器處理和目標(biāo)識別算法、激光測距儀和基于視覺的道路檢測,、駕駛行為控制,、以及底層的車輛接口。

圖4     無人駕駛車Odin的系統(tǒng)構(gòu)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程度的改裝,。NI CompactRIO系統(tǒng)與翼虎操控系統(tǒng)進(jìn)行交互，通過線控驅(qū)動(drive-by-wire)的方式控制油門,、方向盤,、轉(zhuǎn)向和制動,。學(xué)生們利用LabVIEW控制設(shè)計與仿真模塊開發(fā)了路徑曲率和速度控制系統(tǒng)，并通過LabVIEW實時模塊和FPGA模塊部署到CompactRIO硬件平臺加以實現(xiàn),，從而建立了一個獨立的車輛控制平臺,。與此同時，學(xué)生使用LabVIEW觸摸屏模塊和NI TPC - 2006觸摸屏構(gòu)建用戶界面并安裝在控制臺,。

    LabVIEW平臺提供了一個直觀,，易于使用的調(diào)試環(huán)境，可以讓開發(fā)團(tuán)隊實時地監(jiān)測源代碼的運行,，從而方便的實現(xiàn)硬件在環(huán)調(diào)試,。通過LabVIEW開發(fā)環(huán)境，團(tuán)隊快速可以構(gòu)建系統(tǒng)原型并加快設(shè)計的往復(fù)周期,。此外,， LabVIEW與硬件的無縫連接，對于執(zhí)行某些關(guān)鍵操作如傳感器處理和車輛控制是至關(guān)重要的,。由于城市挑戰(zhàn)賽問題復(fù)雜且開發(fā)時間很短,，這些因素對于開發(fā)團(tuán)隊的成功發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

    總結(jié)

    圖形化系統(tǒng)設(shè)計對于繼續(xù)加快機(jī)器人設(shè)計中的創(chuàng)新而言是必不可少的,。復(fù)雜的傳統(tǒng)工具可能會阻礙機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步,。LabVIEW提供了一個綜合的、可擴(kuò)展的平臺,，能夠橫跨設(shè)計,、原型開發(fā)和部署階段,，因此工程師們能夠不用為微小的實現(xiàn)細(xì)節(jié)所困擾,，可以更加關(guān)注機(jī)器人本身。他們可以使用同樣強(qiáng)大的平臺,，對微控制器直至FPGA等各種控制器進(jìn)行編程,；還可以同幾乎任何傳感器和執(zhí)行器發(fā)送與接收信號；設(shè)計并仿真動態(tài)控制系統(tǒng),；以及實現(xiàn)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視或控制機(jī)器人的接口,。LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計平臺通過為所有機(jī)器人設(shè)計者提供一個統(tǒng)一的平臺，鼓勵設(shè)計更為精妙的機(jī)器人,。