用LabVIEW和CompactRIO開發(fā)腿輪移動機器人

　　項目背景

　　腿部和車輪這兩種方法在地面運動平臺上被廣泛采用。經(jīng)過漫長的演變過程，大多數(shù)陸地動物的腿部都靈活有力，并能夠快速順暢地在不平坦的天然地形上奔馳。在另一方面，人類發(fā)明了平地上專用的運動車輪，其出色的功率效率和在平地上高速的流暢運行是腿部運動無法比擬的。

　　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(shè)計一個腿輪混合式機器人，它結(jié)合了車輪和腿部的移動性，在平坦和惡劣環(huán)境下都能為室內(nèi)室外行走提供一個移動平臺。

　　機械設(shè)計

　　大多數(shù)混合動力平臺上不同的輪子和腿都有不同的裝置和激勵器，相比這些平臺，這款名為Quattroped 的腿輪混合式移動機器人采用了一種轉(zhuǎn)換機制，可將自身特定的一部分變形成為一個輪子或一條腿。從幾何角度來說，一個輪子通常有一個圓形輪圈，而旋轉(zhuǎn)軸則位于輪圈中間。輪圈與地面接觸，而旋轉(zhuǎn)軸與機器人身體上的一點相連，此點就是“髖關(guān)節(jié)”。在一般情況下，輪式移動時輪子在平地上運動并不斷旋轉(zhuǎn)，車輪與地面的接觸點就位于髖關(guān)節(jié)下的一定距離處。相對而言，用腿移動時腿部以周期性方式運動，在髖關(guān)節(jié)和地面接觸點之間沒有特定的幾何配置;因此腿部在運動中的相對位置具有周期性頻繁變化的特點。

　　基于這一觀察發(fā)現(xiàn)，將髖關(guān)節(jié)移出圓形輪圈中心并將連續(xù)運動模式改為其他運動模式，即能達到輪模式向腿模式的轉(zhuǎn)換。

　　這激發(fā)了我們?nèi)ピO(shè)計一種能直接控制圓形輪圈和髖關(guān)節(jié)的相對位置的模式，從而它既能進行輪運動又能進行腿運動。由于圓形輪圈是一個二維的對象，實現(xiàn)這一目標的最直接的方法是再增加一個自由度(DOF)，沿著運動方向調(diào)節(jié)髖關(guān)節(jié)相 對圓形輪圈的位置。兩個自由度的運動也互相形成直角。此外，無論是輪模式還是腿模式都能有效運行同一組的驅(qū)動功率。

　　機電一體化

　　我們采用NI CompactRIO嵌入式控制系統(tǒng)作為機器人控制器，它包括一個400MHz 的實時處理器和3M 現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)。FPGA直接連接NI C系列I/O 模塊，這些模塊能從載板傳感器和激勵器獲得數(shù)據(jù)。對于模擬I/O我們采用NI 9205和NI 9264I/O模塊，對于數(shù)字I/O采用NI 9401和NI 9403I/O模塊。FPGA與實時處理器相連，并通過IEEE 802.11無線方式與電腦進行通訊。

 　　圖1. Quattroped - 腿輪混合式移動平臺