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嵌入式图形系统设计助力救生机器人蜘蛛
作者:
Pom Yuan Lam -新加坡南洋理工学院
Marco Schmid -施密德工程公司
Anders Frederiksen - Analog Devices 公司(NI 供稿)

(机器人蜘蛛利用其众多的运动模式之一——“爬行”挤压通过狭小的空间。)
“现已成功完成功能强大且性能优异的机器人的构建,而且,通过采用用于 Blackfin
处理器的 LabVIEW 嵌入式模块所提供的图形化编程环境,以及 Blackfin 处理器的高处
理器性能,开发周期也大为缩短。”
恶劣环境中营救任务的设计
任何救生设备的主要目的在于,在灾难之后的营救任务中快速阻止尽可能多的严重伤亡
事故。谨记这一目标,我们开始开发了一个用于支持营救工作的六足机器人蜘蛛。它是
一个尺寸较小、可移动的智能机器人,在搜寻被陷的受害者时,它可以越过障碍并到达
通常难以触及的地方。替代如清扫雷区使之无雷化等危险任务中的工作人员也是机器人
蜘蛛的另一个潜在应用领域。
我们设计了一个高度可移动的行走方案,它由六只独立的下肢组成,可以任意方向移动
机器人,即使在机器人移动通常不可行或过于危险的地带。行走与旋转均属于模仿六足
昆虫而得的基本的高层次运动模式。通过三条下肢移动而另外三条下肢抬高,机器人可
以达到期望的行走速度,并提供恶劣地带所需的足够平衡。爬行时,机器人可以挤压通
过紧凑的空间和狭缝。单下肢的低层次运动步态是 3D 空间内的几何原语,如长方形或
圆形轨道。
多功能机电系统
下肢结构与运动控制构成了机器人蜘蛛关键特性的一部分。24 只智能 DC 有刷电机共同
驱动这些下肢,并充当行走结构中不可或缺的关节。这样得到了一个坚固的轻型结构,
从而降低了功耗并改善了运动动态特性。
除了这些下肢,机器人蜘蛛的特性还在于典型的自治机器人子系统,其中包括机器视觉、
远程测量和无线通信。机器人坚固的壳体内包含有嵌入式硬件、两节 伏的锂聚合物
电池和电量测量装置。任务参数、I/O 设置和新的运动步态均可以通过无线通信或可移
动存储介质传递。
24 个自由度的智能运动控制
机器人蜘蛛的低层次运动有赖于运行时计算的复杂数学模型。凭借模拟器件公司的
Blackfin 处理器的高级嵌入式计算能力和施密德工程公司的确定性实时服务,机器人的
运动表现得有力而平稳。来自面向 ADI 公司的 Blackfin 处理器的 NI LabVIEW 嵌入式模
块的高层次虚拟仪器(VI),连续运行一个逆动力学算法。算法包含三角函数和矩阵运
算,求解恰当的关节角Θ1 与Θ2,以沿着 3D 空间内的期望轨线精确移动末端执行装置。
轨线向量根据高层次的运动模式,沿着计算所得的直线、长方形或圆形轨道移动。
轨道可以通过以下三种方式编程实现:
通过学****和回放,设计和培训新的或特别的模式。
支持可视化检验仿真轨道的 3D CAD 软件。这些模型作为虚拟现实文件导出,并
导入至 LabVIEW 的图像控件。通过比较虚拟模型与实际模型,调节机器人的运
动。
运行时利用逆动力学算法持续计算轨道。
所有六足的关节角度的计算并行完成以确保动态运动,相应地也得到了所有马达的 24
个