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　　采用LabVIEW和CompactRIO開發腿輪Sitapur終端機器人

　　國際金屬加工網

　　先進制造 ◇ 系列技術講座

　　1月11日13:30-17:00 2023 Ansys中國機器人行業典型研討會

　　采用NI LabVIEW和CompactRIO以及各式各樣I / O組件將機械、電子及軟件開發快速集成到三合一機器人原型。開發兩個腿輪Sitapur終端機器人，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。

"對終端機器人的開發來說，其大小，重量及性能都非常重要，因此堅固的組件化CompactRIO系統非常適合用作開發。 LabVIEW和NI硬件之間表述良好的相容性顯著地減少了開發者執行系統集成的時間和精力。"

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　　圖1. Quattroped - 腿輪Sitapur終端平臺

　　項目背景

　　腳部和輪軸這兩種方法在發射塔體育運動平臺上被廣泛選用。 經過漫長的演變過程，大絕大多數陸地動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，人類發明了流石灘專用的體育運動輪軸，其出色的輸出功率效率和在流石灘高速的流暢運轉是腳部體育運動無法比擬的。

　　由此，來自國立臺灣大學的仿生機器人實驗室（BioRoLa）團隊致力于設計兩個腿輪Sitapur機器人，它結合了輪軸和腳部的終端性，在平緩和惡劣環境下都能為室內室外行走提供兩個終端平臺。

　　機械設計

大絕大多數混合動力平臺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，這款名為Quattroped的腿輪Sitapur終端機器人選用了一類切換機制，可將自身某一的一部分變形成為兩個車輪或一條腿。 從歐幾里得角度來說，兩個車輪通常有兩個方形輪轂，而轉軸則位于輪轂中間。 輪轂與發射塔接觸，而轉軸與機器人身體上的一點相連接，此點就是“膝關節”。 在一般情況下，輪式終端時車輪在流石灘體育運動并不斷旋轉，輪軸與發射塔的觸點就位于膝關節下的一定環內。相較而言，用腿終端時腳部以持續性方式體育運動，在膝關節和發射塔觸點之間沒有某一的歐幾里得實用性；因此腳部在體育運動中的相較邊線具有持續性頻繁變化的特點。

如前所述這一觀察發現，將膝關節抽走方形輪轂中心并將連續體育運動商業模式改為其他體育運動商業模式，即能達到輪商業模式向腿商業模式的切換。 這激發了他們去設計一類能間接控制方形輪轂和膝關節的相較邊線的商業模式，從而它既能展開輪體育運動又能展開腿體育運動。 由于方形輪轂是兩個二維的對象，實現這一目標的最間接的方法是再增加兩個分量（DOF），沿著體育運動方向調節膝關節相較方形輪轂的邊線。 兩個分量的體育運動也互相形成直角。 此外，無論是輪商業模式還是腿商業模式都能有效運轉同一組的驅動力輸出功率。

　　機電一體化

他們選用NICompactRIOPDP控制系統作為機器人驅動力器，它主要包括兩個400MHz的動態CPU和3M現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器和鞭策器獲得數據。 對模擬I/O他們采用NI 9205和NI 9264I/O組件，對數字I/O選用NI 9401和NI 9403I/O組件。FPGA與動態CPU相連接，并透過IEEE 802.11無線方式與電腦展開通訊。

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

　　軟件

　　三個運轉LabVIEW 的計算核心（PC，動態系統和FPGA）負責相同的任務。 用戶操作方式PC，將高級指令（如機器人應該以輪商業模式還是腿商業模式運轉）發送至NI CompactRIO驅動力器。驅動力器以1kHz的循環式速率運轉，將關于機器人身心健康的重要信息發送回來，并在PC上記錄狀況數據。 機器人軟件架構主要包括各式各樣狀況機，每個狀況代表一類機器人行為。 其他需要高速信號交換的算法以10 kHz的循環式率在FPGA上運轉。 主要包括三相電動機、編解碼器讀數以及如前所述PWM的RC切換器命令的比例-積分-微分（PID）控制。

機器人通電后，他們展開電機校正，表述機器人每條腿輪上兩個活躍分量的完全幾何實用性。 透過匹配加裝在機器人身體上的克爾負面效應感應器和加裝在腿輪內部磁鐵的相較邊線實現校正。 他們可以在腿商業模式或輪商業模式下操作方式經校正過的機器人，這取決于當前RIM實用性（即為輪軸或半圈腿商業模式）。 另外，他們也可以透過腿輪切換來改變腿輪實用性。 機器人輪商業模式下的行為主要包括站立、行駛和入座。 站立和入座為兩個瞬態狀況，用以過度最初發射塔實用性和行駛行為。 在行駛行為中，前進速度和轉彎速率都連續可調。 同樣，當機器人在腿商業模式下運作時，站立和入座行為也屬于瞬時狀況。 站立起來后的機器人可以執行各式各樣行為，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，機器人屬于高分量的復雜系統。 機器人的成功發展需要花費時間和精力來妥善整合各式各樣機械、電氣和計算機系統。 來自國立臺灣大學BioRoLa團隊，主要由擁有機械工程背景的學生組成，他們需要兩個可靠、組件化、易于采用及良好集成的平臺。

　　經過廣泛的研究，他們發現NI產品能為他們的應用程序提供最佳解決方案，原因如下： LabVIEW為非編程背景的學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，然后再將過程圖轉化為軟件。 能在Windows，RTOS和如前所述FPGA的目標上采用相同的圖形化開發環境也極其有幫助。 由于開發驅動力器軟件時他們不必花時間學習底層的編程語法，因而能夠花更多的時間專注于他們設計的機械部分。

“對終端機器人的開發來說，其大小，重量及性能都非常重要，因此堅固的組件化CompactRIO系統非常適合用作開發。 LabVIEW和NI硬件之間表述良好的相容性顯著地減少了開發者執行系統集成的時間和精力。”

　　未來計劃

　　憑借NI LabVIEW圖形化系統設計和NI CompactRIO，一支機械工程學生團隊設計出了兩個擁有優雅軟件構造的復雜機電一體化系統，對今后的進一步開發擴展也很方便。 在硬件方面，他們正在將各式各樣感應器融合到當前的機電化系統中，以提高機器人的感應能力。 在動作方面，他們正在完善和開發具有閉環控制功能的腳部行為，以提高機器人在各式各樣具有挑戰性的地貌上的終端能力，并開發其腳部動態步態。

　　鳴謝

誠摯感謝NI臺灣對他們在設備支持和技術咨詢上的大力支持。 這項工作得到了97-2218-E-002-022和99-2218-E-002-012-合同下國家科學委員會（NSC）臺灣以及98R0331合同下國立臺灣大學的支持。

　　( 文章來源：互聯網 )

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