六足機器蜘蛛設計用于在惡劣、崎嶇的環境中操作，具有最高的自由度，可實現最佳機動性。低開發風險、最高功能和智能嵌入式軟件與新穎獨特的設計方法相結合，將圖形編程與高計算處理性能和超低能耗方案相結合。關鍵 技術 包括 Blackfin 處理 器、 用于 Blackfin 處理 器 的 NI LabVIEW 嵌入式 模 塊 和 ZMobile 混合 信號 平臺。

專為惡劣環境中的任務而設計

任何救生設備的主要目的是防止額外的生命損失，同時盡快找到任何傷亡人員?？紤]到這一點，六足機器蜘蛛的開發已經完成，以支持災難任務期間的救援行動，例如地震后倒塌的建筑物，以增強完整的機器人解決方案。由于其機動性、體積小和機載智能，蜘蛛可以避開各種障礙物，進入難以到達的位置尋找被困的受害者。在危險任務中取代人類（例如，掃雷和中和雷區）是另一個潛在的應用領域。這些挑戰可以通過高度移動的步行計劃來應對。

六個獨立的支腿允許機器人以全向方式移動，即使在機器人通常無法移動或有風險的地形上也是如此。“行走”和“旋轉”屬于基本的高級運動模式，已被六足昆蟲采用。三個移動和三個抬起的“腳”可實現所需的步行速度，從而提供惡劣地形所需的足夠平衡。“爬行”是一種特殊的運動，允許機器人擠過狹小的空間和狹窄的插槽。

多功能機電一體化系統

腿部力學和運動控制是蜘蛛機器人的主要特征。共有 24 個智能直流有刷電機不僅驅動腿部，還充當行走機械師的組成部分。這導致了堅固而輕巧的結構，降低了功耗并改善了運動動態。

除了腿部外，六足機器人還具有典型的自主機器人子系統，包括機器視覺、距離測量和無線通信。嵌入式硬件和兩個7.2 V鋰聚合物電池（包括電量計）位于機器人的剛體中。任務參數、I/O 設置和新的運動步態可以通過無線傳輸或通過可移動介質傳輸。

圖3.ZMobile平臺集成并鏈接全過程I/O，提供高級功能塊。

具有 24 個自由度 （24DOF） 的智能運動

蜘蛛的低級運動依賴于運行時計算的復雜數學模型。得益于ADI公司Blackfin處理器的巨大嵌入式計算能力和Schmid Engineering的確定性實時服務，運動看起來堅定、動態和平穩。高級 LabVIEW VI（垂直 儀器 ） 以及 手動 優 化 的 Blackfin 數學 庫 用于 連續 運行 的 逆 運動 學 算法。該算法包括三角函數和矩陣運算，找到合適的關節角，Θ1和 Θ2，以在空間 （X， Y， Z） 中沿所需軌跡精確地移動末端執行器。根據高級運動模式，軌跡矢量沿計算的直線、矩形或圓移動。

軌跡可以通過三種不同的方式進行編程：

示教和回放是設計和訓練新模式或特殊模式的常用技術

3D CAD軟件允許目視檢查模擬軌跡。模型 將 導出 為 虛擬 實 境 文件， 并 導入 到 LabVIEW 的 圖片 控制 中?，F在，通過比較虛擬模型和真實模型來調整運動。

通過反向運動學算法在運行時連續計算軌跡。

這是對所有六個支腿的所有關節角度并行完成的，從而為所有電機連續計算 24 個設定點，以確保動態運動。這些設定點通過串行RS-485網絡傳輸到每個電機，并由分散式PD控制器轉換為物理動作。所有 24 個執行器的位置反饋和溫度讀數都通過同一網絡獲取。兩個機器人在新加坡機器人比賽中同時表演的著名肢體舞展示了出色的運動能力。

智能視覺和距離感應

除了智能運動和運動自由之外，智能攝像頭和距離測量傳感器還出現在蜘蛛機器人的“眼睛”中。物體和物質通過高性能圖像處理算法進行定位和跟蹤，例如在感興趣區域內查找質心。“眼睛”也可以編程以識別其附近的任何顏色。未來的版本將包括改進的圖像處理、模式匹配和邊緣檢測：利用Blackfin處理器的計算能力和高速圖像采集，將智能視覺提升到一個新的水平。

藍牙無線通信

提供與機器人在任何級別進行通信的能力，與“外部世界”保持永久無線藍牙通信接口：

在開發和測試期間調試 ZMobile 快速調試模式的通道。

讀取電機狀態和電池電量等關鍵參數以進行系統診斷。在線獲取重要的算法變量以進行調優。

在行動前下載新的任務數據。

在機器人競賽期間，兩只機器人蜘蛛通過無線通信通道連接起來，以同步它們的動作（見圖6）。這是一個更嚴重場景的原型，其中幾個機器人蜘蛛被賦予一個團隊完成的任務。

ZMobile低功耗嵌入式硬件

超低功耗混合信號ZMobile模塊是蜘蛛機器人的“心臟”。該 模 塊 由 Blackfin 處理 器 和 LabVIEW 嵌入式 驅動 技術， 由 瑞士 解決 方案 供應 商 施密德 工程 公司 提供。將傳感器、執行器、視覺、電池和無線通信集成到一個平臺上。南洋理工學院選擇ZMobile平臺有三個原因：

首先， 在 LabVIEW 中 對 蜘蛛 進行 編 程， 使 機器人 設計 人員 能夠 從 第一天 開始 就 專注于 這個 尖端 項目 的 主要 功能。由于圖形編程的高生產率，系統工程師能夠添加比同一開發期間最初指定的更多的功能。

其次，超低能耗方案，如ZMobile動態電源管理，是該自主機器人的一個重要功能，因為現在可以大大延長操作時間。這同樣適用于ZMobile模塊的功耗，該功耗在毫瓦范圍內，允許電機使用存儲在車載電池中的大部分剩余能量。

第三，可擴展的過程I/O插槽為將來集成更多傳感器和執行器提供了空間。

圖7.NI LabVIEW 嵌入式 模 塊 用于 Blackfin 處理 器 生成 實 時 代碼， 并 部署 在 低功耗 Blackfin 目標 ZMobile 模 塊 上。

實時圖形嵌入式軟件

整個 蜘蛛 機器人 應用 軟件 使用 LabVIEW 嵌入式 模 塊 進行 編 程， 該 模 塊 在 了 LabVIEW 的 Blackfin 處理 器 2.5 上， 由 Schmid Engineering 的 ZBrain BSP 為 NI LabVIEW 進行 擴展 （見 圖 8）。這提供了理想的嵌入式軟件平臺，提供高級編程、圖形調試、圖形多任務處理，同時提供確定性的實時行為。

圖8.整個 機器人 由 ZMobile 混合 信號 模 塊 控制， 該 模 塊 由 Blackfin 處理 器 和 LabVIEW 嵌入式 模 塊 驅動 用于 Blackfin 處理 器 的 LabVIEW 嵌入式 模 塊。

面向對象的設計模式有助于進一步管理圖形級別的復雜性。主要對象，如電機或傳感器，由函數全局變量抽象化，代表LabVIEW中的類。

主應用程序框架由幾個任務組成：

頂級主循環計劃操作，由通過軟件隊列和同步方法（如信號量）連接到其他循環的經典狀態機表示。

通信任務保持與外界的無線數據連接。

視覺任務負責低級圖像處理和測距。

運動任務管理高級運動模式和低水平肢體控制，并監控電機的位置和狀態。

內務處理任務充當常見的錯誤處理程序。檢測事件和錯誤并將其記錄到可移動媒體以及時間戳中，以供以后檢索。ZMobile 等功能（如看門狗、重新啟動和帶編程喚醒的關機）是在錯誤自我更正（例如錯誤回滾）不成功時從頭開始重新啟動的有效方法。

這些循環在協作式多任務環境中作為線程同時運行。毫秒級的上下文切換和驅動器級別的微秒級實時確定性可確保平穩和無故障的移動。最后，制造商的板級支持包滿足了對每個軟件組件和設備驅動程序線程安全的繁重并行性要求。

結論

由于 LabVIEW 嵌入式 模 塊 用于 Blackfin 處理 器 的 圖形 化 編 程 模型 和 Blackfin 處理 器 的 高 處理 器 性能， 我們 的 開發 時間 非常 成功， 開發 時間 也 大大 縮短。Schmid Engineering的圖形快速調試模式被證明是算法工程過程中的另一個助推器，將開發時間縮短了五倍。因此，ZMobile模塊可以被視為用戶友好型嵌入式系統工程的“殺手級產品”，不僅適用于機器人設計人員，也適用于任何構建機電一體化系統的人。視覺、更智能的電源管理和能量收集方案、傳感器融合、模糊邏輯和 GPS 數據收集方面的進步是有望添加到通用機電一體化平臺的組件。此外，計劃在其他移動，自主，生物啟發的機器人中重復使用模塊化硬件和軟件系統，例如以蛇為模型的機器人。

審核編輯：郭婷