嵌入式圖形系統(tǒng)設(shè)計(jì)助力救生機(jī)器人蜘蛛

(機(jī)器人蜘蛛利用其眾多的運(yùn)動模式之一——“爬行”擠壓通過狹小的空間。)

　　“現(xiàn)已成功完成功能強(qiáng)大且性能優(yōu)異的機(jī)器人的構(gòu)建，而且，通過采用用于Blackfin處理器的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。”

　　惡劣環(huán)境中營救任務(wù)的設(shè)計(jì)

　　任何救生設(shè)備的主要目的在于，在災(zāi)難之后的營救任務(wù)中快速阻止盡可能多的嚴(yán)重傷亡事故。謹(jǐn)記這一目標(biāo)，我們開始開發(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。

　　我們設(shè)計(jì)了一個高度可移動的行走方案，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(yùn)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(yùn)動步態(tài)是3D空間內(nèi)的幾何原語，如長方形或圓形軌道。

　　多功能機(jī)電系統(tǒng)

　　下肢結(jié)構(gòu)與運(yùn)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(jiān)固的輕型結(jié)構(gòu)，從而降低了功耗并改善了運(yùn)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治機(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(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量裝置。任務(wù)參數(shù)、I/O設(shè)置和新的運(yùn)動步態(tài)均可以通過無線通信或可移動存儲介質(zhì)傳遞。

　　24個自由度的智能運(yùn)動控制

　　機(jī)器人蜘蛛的低層次運(yùn)動有賴于運(yùn)行時計(jì)算的復(fù)雜數(shù)學(xué)模型。憑借模擬器件公司的Blackfin處理器的高級嵌入式計(jì)算能力和施密德工程公司的確定性實(shí)時服務(wù)，機(jī)器人的運(yùn)動表現(xiàn)得有力而平穩(wěn)。來自面向ADI公司的Blackfin處理器的NI LabVIEW嵌入式模塊的高層次虛擬儀器（VI），連續(xù)運(yùn)行一個逆動力學(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)的期望軌線精確移動末端執(zhí)行裝置。軌線向量根據(jù)高層次的運(yùn)動模式，沿著計(jì)算所得的直線、長方形或圓形軌道移動。

　　軌道可以通過以下三種方式編程實(shí)現(xiàn)：

　　通過學(xué)習(xí)和回放，設(shè)計(jì)和培訓(xùn)新的或特別的模式。

　　支持可視化檢驗(yàn)仿真軌道的3D CAD軟件。這些模型作為虛擬現(xiàn)實(shí)文件導(dǎo)出，并導(dǎo)入至LabVIEW的圖像控件。通過比較虛擬模型與實(shí)際模型，調(diào)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動。

　　運(yùn)行時利用逆動力學(xué)算法持續(xù)計(jì)算軌道。

　　所有六足的關(guān)節(jié)角度的計(jì)算并行完成以確保動態(tài)運(yùn)動，相應(yīng)地也得到了所有馬達(dá)的24個連續(xù)計(jì)算所得的設(shè)置點(diǎn)。這些設(shè)置點(diǎn)通過一個串行RS485網(wǎng)絡(luò)傳遞至每只馬達(dá)，并由分散PD控制器轉(zhuǎn)換為實(shí)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。

　　智能視覺與距離感測

　　除了智能運(yùn)動與自由移動外，機(jī)器人蜘蛛的特色在于它的“眼睛”裝有一個智能攝像頭和一個距離測量傳感器。目標(biāo)通過高性能圖像處理算法被定位與跟蹤。通過編程控制，它的“眼睛”還可以識別其附近范圍內(nèi)的任何顏色。后續(xù)版本將提供改進(jìn)的圖像處理、模式匹配和邊緣檢測等功能，從而將Blackfin處理器的計(jì)算能力和高速圖像采集提升到更高層次。

　　利用藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線通信

　　為實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人的通信，我們提供了一個藍(lán)牙通信接口以實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)功能，其中包括：

　　在開發(fā)與測試中調(diào)試用于ZMobile的快速調(diào)試模式的通道

　　讀入關(guān)鍵參數(shù)，如馬達(dá)狀態(tài)和電池電量水平，以供系統(tǒng)診斷

　　在線采集重要的算法參數(shù)，以供調(diào)節(jié)使用

　　在操作開始前下載新的任務(wù)數(shù)據(jù)

　　在開發(fā)過程中，兩個機(jī)器人蜘蛛通過無線通信信道相連，以實(shí)現(xiàn)其移動的同步。這是更為危急場景的原型構(gòu)造，這時接受同一項(xiàng)任務(wù)的多個機(jī)器人蜘蛛需要團(tuán)隊(duì)協(xié)作以完成任務(wù)。

　　低功耗的嵌入式ZMobile硬件 超低功耗混合信號目標(biāo)平臺ZMobile是機(jī)器人蜘蛛的核心所在。由瑞士的解決方案提供商施密德工程公司提供的ZMobile，將傳感器、激勵源、視覺、電池和無線通信集成于單個平臺。南洋理工學(xué)院基于三個原因選用了ZMobile平臺。

　　首先，ZMobile與LabVIEW相兼容，而且通過LabVIEW編程控制機(jī)器人蜘蛛，設(shè)計(jì)人員可以專注于項(xiàng)目的主要功能。借助圖形化編程的高效率，系統(tǒng)工程師們可以在開發(fā)周期中添加比最初規(guī)范設(shè)計(jì)更多的功能特性。

　　其次，ZMobile的超低能耗設(shè)計(jì)和動態(tài)功率管理，對于自治機(jī)器人是一項(xiàng)至關(guān)重要的特性，因?yàn)檫@樣可以顯著延長工作時間。這一點(diǎn)對于ZMobile的毫瓦級功耗同樣適用，這意味著板上的絕大多數(shù)剩余能量可供馬達(dá)使用。

　　第三，可擴(kuò)展的處理I/O插槽為將來集成更多的傳感器和激勵裝置提供了所需的空間。

　　實(shí)時圖形化嵌入式軟件

　　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)，后又通過來自施密德工程公司的面向NI LabVIEW的ZBrain BSP進(jìn)行擴(kuò)展。這為高層次編程、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(jì)模式有助于進(jìn)一步控制圖形化層次上的復(fù)雜度。例如馬達(dá)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(duì)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(yùn)動控制任務(wù)管理高層次的運(yùn)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。ZMobile充當(dāng)看門狗的角色——利用程序設(shè)定的喚醒機(jī)制重啟和關(guān)機(jī)，并為不能成功自我糾錯時提供重新啟動的有效措施。

　　這些循環(huán)在協(xié)作式多任務(wù)環(huán)境中以線程的方式同時運(yùn)行。驅(qū)動程序?qū)哟紊系暮撩爰壣舷挛那袚Q和微妙級實(shí)時確定性，確保了平穩(wěn)、無故障的移動。最后，嚴(yán)格的并行方式要求板卡支持軟件包滿足每一個軟件組件和設(shè)備驅(qū)動程序的線程安全性。

　　現(xiàn)已成功完成功能強(qiáng)大且性能優(yōu)異的機(jī)器人的構(gòu)建，而且，通過采用面向Blackfin處理器的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。施密德工程公司獨(dú)創(chuàng)的圖形化快速調(diào)試模式在算法的工程實(shí)現(xiàn)過程中非常有用，縮短了5倍的開發(fā)時間。ZMobile不僅對于機(jī)器人設(shè)計(jì)人員，是一款用戶界面友好的嵌入式系統(tǒng)工程的優(yōu)秀產(chǎn)品，而且對于任何構(gòu)建機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員也是如此。

　　視覺的提高、更為智能的功率管理和能量獲取設(shè)計(jì)、傳感器融合、模糊邏輯和GPS數(shù)據(jù)收集，都是有望添加至通用機(jī)電平臺的組件。此外，我們計(jì)劃在未來的移動、自治機(jī)器人中復(fù)用這個模塊化軟硬件系統(tǒng)。