一  引言

　　機(jī)器人是整合控制論、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物。在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途?，F(xiàn)在，國(guó)際上對(duì)機(jī)器人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。一般來(lái)說(shuō)，人們都可以接受這種說(shuō)法，即機(jī)器人是靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。聯(lián)合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)給機(jī)器人下的定義：“一種可編程和多功能的、用來(lái)搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可用電腦改變和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)?！?/SPAN>

　　機(jī)器人一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)和復(fù)雜機(jī)械等組成。

　　執(zhí)行機(jī)構(gòu)即機(jī)器人本體，其臂部一般采用空間開鏈連桿機(jī)構(gòu)，其中的運(yùn)動(dòng)副（轉(zhuǎn)動(dòng)副或移動(dòng)副）常稱為機(jī)器人高科技產(chǎn)物（19張）關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)通常即為機(jī)器人的自由度數(shù)。出于擬人化的考慮，常將機(jī)器人本體的有關(guān)部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部（夾持器或末端執(zhí)行器）和行走部（對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人）等。

　　驅(qū)動(dòng)裝置是驅(qū)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào)，借助于動(dòng)力元件使機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作。它輸入的是電信號(hào)，輸出的是線、角位移量。機(jī)器人使用的驅(qū)動(dòng)裝置主要是電力驅(qū)動(dòng)裝置，如步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等，此外也有采用液壓、氣動(dòng)等驅(qū)動(dòng)裝置。

　　檢測(cè)裝置的作用是實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定信息進(jìn)行比較后，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以保證機(jī)器人的動(dòng)作符合預(yù)定的要求。

　　控制系統(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制，即機(jī)器人的全部控制由一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)完成。另一種是分散（級(jí)）式控制，即采用多臺(tái)微機(jī)來(lái)分擔(dān)機(jī)器人的控制。

　　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(shuō)，通常所說(shuō)的機(jī)器人主要包括教育機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人、工業(yè)機(jī)械臂三大類。機(jī)械臂發(fā)展時(shí)間早，產(chǎn)業(yè)化程度高，相對(duì)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(yùn)用于產(chǎn)線裝配。本文將主要探討移動(dòng)機(jī)器人及無(wú)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(dòng)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(gè)融合了眾多機(jī)電系統(tǒng)和子系統(tǒng)的綜合體系，并通過(guò)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(yàn)證，就成了決定機(jī)器人設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。

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

　　工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)思想及其開發(fā)順序 工業(yè)機(jī)器人是機(jī)械、電子、控制、信息處理、生物工程等多學(xué)科的技術(shù)結(jié)晶，也是現(xiàn)代科學(xué)向綜合技術(shù)發(fā)展的典型之一因此，研制開發(fā)工業(yè)機(jī)器人是一項(xiàng)難度較大的工作，需要有充分的技術(shù)準(zhǔn)備與一定的物質(zhì)條件。

　　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(guó)國(guó)防研究計(jì)劃局（DARPA）之間展開的競(jìng)爭(zhēng)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(jì)。在LabVIEW圖形化編程平臺(tái)下，機(jī)器人學(xué)的領(lǐng)域能夠?qū)?fù)雜的機(jī)器人方案進(jìn)行快速的原型設(shè)計(jì)。這些創(chuàng)新工作者能夠不用關(guān)心底層的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，可以將注意力集中到解決手上的工程問(wèn)題中去。

　　機(jī)器人設(shè)計(jì)通常包含以下部分的工作內(nèi)容，如圖2所示：

　　過(guò)去，由于在每個(gè)領(lǐng)域中必須使用各自的傳統(tǒng)工具，其中涉及的知識(shí)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(duì)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(gè)獨(dú)特的、功能多樣的平臺(tái)，它提供了一套標(biāo)準(zhǔn)的可供所有機(jī)器人設(shè)計(jì)人員使用的工具，從而使機(jī)器人開發(fā)得到了統(tǒng)一。

　　來(lái)自弗吉尼亞理工大學(xué)機(jī)器人學(xué)與機(jī)械實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(duì)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(jì)平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)全范圍運(yùn)動(dòng)，并且能夠準(zhǔn)確地模擬人類運(yùn)動(dòng)。學(xué)生使用LabVIEW分析動(dòng)態(tài)雙足運(yùn)動(dòng)、設(shè)計(jì)并開發(fā)機(jī)器人控制系統(tǒng)的原型。

　　通過(guò)LabVIEW，設(shè)計(jì)人員無(wú)需成為計(jì)算機(jī)或程序員，就可以開發(fā)機(jī)器人。例如，一位只有有限LabVIEW和機(jī)器視覺經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生在短短幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)，就設(shè)計(jì)了一個(gè)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(gè)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(yǔ)言快速地設(shè)計(jì)并開發(fā)復(fù)雜算法的原型；并通過(guò)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(shí)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。

三  實(shí)例分析1：南洋理工大學(xué)使用NI LabVIEW設(shè)計(jì)救生機(jī)器人蜘蛛

　　南洋理工大學(xué)開發(fā)了一個(gè)用于支持營(yíng)救工作的六足機(jī)器人蜘蛛。它是一個(gè)尺寸較小、可移動(dòng)的智能機(jī)器人，在搜尋被陷的受害者時(shí)，它可以越過(guò)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(wú)雷化等危險(xiǎn)任務(wù)中的工作人員也是機(jī)器人蜘蛛的另一個(gè)潛在應(yīng)用領(lǐng)域。

　　他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)高度可移動(dòng)的行走方案，它由六只獨(dú)立的下肢組成，可以任意方向移動(dòng)機(jī)器人，即使在機(jī)器人移動(dòng)通常不可行或過(guò)于危險(xiǎn)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(yùn)動(dòng)模式。通過(guò)三條下肢移動(dòng)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(shí)，機(jī)器人可以擠壓通過(guò)緊湊的空間和狹縫。

圖3  基于NI LabVIEW設(shè)計(jì)的救生機(jī)器人蜘蛛

　　1、24個(gè)自由度的多功能機(jī)電系統(tǒng)及智能運(yùn)動(dòng)控制

　　下肢結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(gè)堅(jiān)固的輕型結(jié)構(gòu)，從而降低了功耗并改善了運(yùn)動(dòng)動(dòng)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(cè)量和無(wú)線通信。機(jī)器人堅(jiān)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(cè)量裝置。任務(wù)參數(shù)、I/O設(shè)置和新的運(yùn)動(dòng)步態(tài)均可以通過(guò)無(wú)線通信或可移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)傳遞。

　　機(jī)器人蜘蛛的低層次運(yùn)動(dòng)有賴于運(yùn)行時(shí)計(jì)算的復(fù)雜數(shù)學(xué)模型。憑借ADI公司的Blackfin處理器的嵌入式計(jì)算能力和LabVIEW的確定性實(shí)時(shí)性能，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(yùn)行一個(gè)逆動(dòng)力學(xué)算法，算法包含三角函數(shù)和矩陣運(yùn)算，求解恰當(dāng)?shù)年P(guān)節(jié)角Θ1與Θ2，以沿著3D空間內(nèi)的期望軌線移動(dòng)末端執(zhí)行裝置。

　　2、圖形化的實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)

　　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(shí)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(shí)時(shí)行為，提供了一個(gè)理想的嵌入式軟件平臺(tái)。面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)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(duì)象，通過(guò)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(gè)任務(wù)組成：

　　●頂層主循環(huán)對(duì)由一個(gè)經(jīng)典狀態(tài)機(jī)表示的動(dòng)作進(jìn)行規(guī)劃，而狀態(tài)機(jī)通過(guò)軟件隊(duì)列和同步方法（如信號(hào)量）與其它循環(huán)連接。通信任務(wù)保持一個(gè)與外部世界的無(wú)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(yùn)動(dòng)控制任務(wù)管理高層次的運(yùn)動(dòng)模式與低層次的肢體控制，并監(jiān)測(cè)馬達(dá)的位置與狀態(tài)。

　　●日常任務(wù)充當(dāng)一個(gè)通用錯(cuò)誤處理器。檢測(cè)事件與異常，并將其及時(shí)間記錄到可移動(dòng)的存儲(chǔ)介質(zhì)，以供后續(xù)讀取。

四  實(shí)例分析2：弗吉尼亞理工大學(xué)使用NI LabVIEW設(shè)計(jì)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(jì)一輛全自主地面車能夠在城市環(huán)境中自動(dòng)導(dǎo)航行駛。在整個(gè)賽程中，全自主車需要在6小時(shí)內(nèi)穿越60英里，途經(jīng)道路、路口和停車場(chǎng)等各種交通狀態(tài)。在比賽開始時(shí)，參賽者會(huì)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(wèn)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(dòng)，以30英里的時(shí)速避讓靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的障礙物。

　　來(lái)自弗吉尼亞理工大學(xué)的團(tuán)隊(duì)需要在12個(gè)月開發(fā)出全自主地面車，他們將開發(fā)任務(wù)分成四個(gè)主要部分：基礎(chǔ)平臺(tái)、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(tái)進(jìn)行開發(fā)：通過(guò)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(lái)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(shí)別算法、激光測(cè)距儀和基于視覺的道路檢測(cè)、駕駛行為控制、以及底層的車輛接口。

圖4     無(wú)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(dòng)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(guò)線控驅(qū)動(dòng)（drive-by-wire）的方式控制油門、方向盤、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)。學(xué)生們利用LabVIEW控制設(shè)計(jì)與仿真模塊開發(fā)了路徑曲率和速度控制系統(tǒng)，并通過(guò)LabVIEW實(shí)時(shí)模塊和FPGA模塊部署到CompactRIO硬件平臺(tái)加以實(shí)現(xiàn)，從而建立了一個(gè)獨(dú)立的車輛控制平臺(tái)。

　　LabVIEW平臺(tái)提供了一個(gè)直觀，易于使用的調(diào)試環(huán)境，可以讓開發(fā)團(tuán)隊(duì)實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)源代碼的運(yùn)行，從而方便的實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)調(diào)試。通過(guò)LabVIEW開發(fā)環(huán)境，團(tuán)隊(duì)快速可以構(gòu)建系統(tǒng)原型并加快設(shè)計(jì)的往復(fù)周期。

　　LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。

五  總結(jié)

　　圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于繼續(xù)加快機(jī)器人設(shè)計(jì)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(huì)阻礙機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步。LabVIEW提供了一個(gè)綜合的、可擴(kuò)展的平臺(tái)，能夠橫跨設(shè)計(jì)、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(shí)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(tái)，對(duì)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(hào)；設(shè)計(jì)并仿真動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)；以及實(shí)現(xiàn)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視或控制機(jī)器人的接口。