六足機(jī)器蜘蛛設(shè)計(jì)用于在惡劣、崎嶇的環(huán)境中操作，具有最高的自由度，可實(shí)現(xiàn)最佳機(jī)動性。低開發(fā)風(fēng)險、最高功能和智能嵌入式軟件與新穎獨(dú)特的設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，將圖形編程與高計(jì)算處理性能和超低能耗方案相結(jié)合。關(guān)鍵 技術(shù) 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(huán)境中的任務(wù)而設(shè)計(jì)

任何救生設(shè)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。考慮到這一點(diǎn)，六足機(jī)器蜘蛛的開發(fā)已經(jīng)完成，以支持災(zāi)難任務(wù)期間的救援行動，例如地震后倒塌的建筑物，以增強(qiáng)完整的機(jī)器人解決方案。由于其機(jī)動性、體積小和機(jī)載智能，蜘蛛可以避開各種障礙物，進(jìn)入難以到達(dá)的位置尋找被困的受害者。在危險任務(wù)中取代人類（例如，掃雷和中和雷區(qū)）是另一個潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。這些挑戰(zhàn)可以通過高度移動的步行計(jì)劃來應(yīng)對。

六個獨(dú)立的支腿允許機(jī)器人以全向方式移動，即使在機(jī)器人通常無法移動或有風(fēng)險的地形上也是如此。“行走”和“旋轉(zhuǎn)”屬于基本的高級運(yùn)動模式，已被六足昆蟲采用。三個移動和三個抬起的“腳”可實(shí)現(xiàn)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(yùn)動，允許機(jī)器人擠過狹小的空間和狹窄的插槽。

多功能機(jī)電一體化系統(tǒng)

腿部力學(xué)和運(yùn)動控制是蜘蛛機(jī)器人的主要特征。共有 24 個智能直流有刷電機(jī)不僅驅(qū)動腿部，還充當(dāng)行走機(jī)械師的組成部分。這導(dǎo)致了堅(jiān)固而輕巧的結(jié)構(gòu)，降低了功耗并改善了運(yùn)動動態(tài)。

除了腿部外，六足機(jī)器人還具有典型的自主機(jī)器人子系統(tǒng)，包括機(jī)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(jì)）位于機(jī)器人的剛體中。任務(wù)參數(shù)、I/O 設(shè)置和新的運(yùn)動步態(tài)可以通過無線傳輸或通過可移動介質(zhì)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(yùn)動

蜘蛛的低級運(yùn)動依賴于運(yùn)行時計(jì)算的復(fù)雜數(shù)學(xué)模型。得益于ADI公司Blackfin處理器的巨大嵌入式計(jì)算能力和Schmid Engineering的確定性實(shí)時服務(wù)，運(yùn)動看起來堅(jiān)定、動態(tài)和平穩(wěn)。高級 LabVIEW VI（垂直 儀器 ） 以及 手動 優(yōu) 化 的 Blackfin 數(shù)學(xué) 庫 用于 連續(xù) 運(yùn)行 的 逆 運(yùn)動 學(xué) 算法。該算法包括三角函數(shù)和矩陣運(yùn)算，找到合適的關(guān)節(jié)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(zhí)行器。根據(jù)高級運(yùn)動模式，軌跡矢量沿計(jì)算的直線、矩形或圓移動。

軌跡可以通過三種不同的方式進(jìn)行編程：

示教和回放是設(shè)計(jì)和訓(xùn)練新模式或特殊模式的常用技術(shù)

3D CAD軟件允許目視檢查模擬軌跡。模型 將 導(dǎo)出 為 虛擬 實(shí) 境 文件， 并 導(dǎo)入 到 LabVIEW 的 圖片 控制 中。現(xiàn)在，通過比較虛擬模型和真實(shí)模型來調(diào)整運(yùn)動。

通過反向運(yùn)動學(xué)算法在運(yùn)行時連續(xù)計(jì)算軌跡。

這是對所有六個支腿的所有關(guān)節(jié)角度并行完成的，從而為所有電機(jī)連續(xù)計(jì)算 24 個設(shè)定點(diǎn)，以確保動態(tài)運(yùn)動。這些設(shè)定點(diǎn)通過串行RS-485網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)矫總€電機(jī)，并由分散式PD控制器轉(zhuǎn)換為物理動作。所有 24 個執(zhí)行器的位置反饋和溫度讀數(shù)都通過同一網(wǎng)絡(luò)獲取。兩個機(jī)器人在新加坡機(jī)器人比賽中同時表演的著名肢體舞展示了出色的運(yùn)動能力。

智能視覺和距離感應(yīng)

除了智能運(yùn)動和運(yùn)動自由之外，智能攝像頭和距離測量傳感器還出現(xiàn)在蜘蛛機(jī)器人的“眼睛”中。物體和物質(zhì)通過高性能圖像處理算法進(jìn)行定位和跟蹤，例如在感興趣區(qū)域內(nèi)查找質(zhì)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(jìn)的圖像處理、模式匹配和邊緣檢測：利用Blackfin處理器的計(jì)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(lán)牙無線通信

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

在開發(fā)和測試期間調(diào)試 ZMobile 快速調(diào)試模式的通道。

讀取電機(jī)狀態(tài)和電池電量等關(guān)鍵參數(shù)以進(jìn)行系統(tǒng)診斷。在線獲取重要的算法變量以進(jìn)行調(diào)優(yōu)。

在行動前下載新的任務(wù)數(shù)據(jù)。

在機(jī)器人競賽期間，兩只機(jī)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(yán)重場景的原型，其中幾個機(jī)器人蜘蛛被賦予一個團(tuán)隊(duì)完成的任務(wù)。

ZMobile低功耗嵌入式硬件

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

首先， 在 LabVIEW 中 對 蜘蛛 進(jìn)行 編 程， 使 機(jī)器人 設(shè)計(jì) 人員 能夠 從 第一天 開始 就 專注于 這個 尖端 項(xiàng)目 的 主要 功能。由于圖形編程的高生產(chǎn)率，系統(tǒng)工程師能夠添加比同一開發(fā)期間最初指定的更多的功能。

其次，超低能耗方案，如ZMobile動態(tài)電源管理，是該自主機(jī)器人的一個重要功能，因?yàn)楝F(xiàn)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(nèi)，允許電機(jī)使用存儲在車載電池中的大部分剩余能量。

第三，可擴(kuò)展的過程I/O插槽為將來集成更多傳感器和執(zhí)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(shí) 時 代碼， 并 部署 在 低功耗 Blackfin 目標(biāo) ZMobile 模 塊 上。

實(shí)時圖形嵌入式軟件

整個 蜘蛛 機(jī)器人 應(yīng)用 軟件 使用 LabVIEW 嵌入式 模 塊 進(jìn)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(jìn)行 擴(kuò)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(diào)試、圖形多任務(wù)處理，同時提供確定性的實(shí)時行為。

圖8.整個 機(jī)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(qū)動 用于 Blackfin 處理 器 的 LabVIEW 嵌入式 模 塊。

面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)模式有助于進(jìn)一步管理圖形級別的復(fù)雜性。主要對象，如電機(jī)或傳感器，由函數(shù)全局變量抽象化，代表LabVIEW中的類。

主應(yīng)用程序框架由幾個任務(wù)組成：

頂級主循環(huán)計(jì)劃操作，由通過軟件隊(duì)列和同步方法（如信號量）連接到其他循環(huán)的經(jīng)典狀態(tài)機(jī)表示。

通信任務(wù)保持與外界的無線數(shù)據(jù)連接。

視覺任務(wù)負(fù)責(zé)低級圖像處理和測距。

運(yùn)動任務(wù)管理高級運(yùn)動模式和低水平肢體控制，并監(jiān)控電機(jī)的位置和狀態(tài)。

內(nèi)務(wù)處理任務(wù)充當(dāng)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(guān)機(jī)）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(huán)在協(xié)作式多任務(wù)環(huán)境中作為線程同時運(yùn)行。毫秒級的上下文切換和驅(qū)動器級別的微秒級實(shí)時確定性可確保平穩(wěn)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(shè)備驅(qū)動程序線程安全的繁重并行性要求。

結(jié)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(fā) 時間 非常 成功， 開發(fā) 時間 也 大大 縮短。Schmid Engineering的圖形快速調(diào)試模式被證明是算法工程過程中的另一個助推器，將開發(fā)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(tǒng)工程的“殺手級產(chǎn)品”，不僅適用于機(jī)器人設(shè)計(jì)人員，也適用于任何構(gòu)建機(jī)電一體化系統(tǒng)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(shù)據(jù)收集方面的進(jìn)步是有望添加到通用機(jī)電一體化平臺的組件。此外，計(jì)劃在其他移動，自主，生物啟發(fā)的機(jī)器人中重復(fù)使用模塊化硬件和軟件系統(tǒng)，例如以蛇為模型的機(jī)器人。

審核編輯：郭婷