針對新步態研究而開發的完全自主型仿人機器人

用NI LabVIEW開發的機器人DARWin,是美國第一個進入“機器人世界杯足球賽“的。

作者:
Karl Muecke - Virginia Tech University

行業:
大學/教育, 科研, 機電學/ 電工學

產品:
LabVIEW, 機器視覺, 實時模塊

挑戰:
開發作為新步態研究平臺的機器人系統，設計美國第一個參加RoboCup（自主型機器人足球比賽）的仿人機器人。

解決方案:
該方案采用NI LabVIEW與第三方硬件交互,加速新步態研究的開發與測試；同時采用LabVIEW實時模塊和NI視覺軟件創建人工智能，從而使機器人可以執行高級功能，如踢足球。

為研究雙足步態，弗吉尼亞理工大學機器人和機械實驗室（RoMela）設計了最初的智能型動態擬人機器人(DARwIn)。在RoMela，我們在硬件上測 試了步態研究的設想和理論。我們決定用RoboCup這一國際性機器人足球比賽作為展示這一款機器人優越性和可行性的舞臺，同時展示DARwIn的魯棒 性。

當前機器人編程和控制技術通常采用C代碼，其學習曲線比較陡峭，并且硬件更新難度也相對較大。在RoMeLa，我們采用NI技術加速新機器人步態研發，最終使完全自主型仿人機器人問世。該機器人不僅可踢足球，也可作為新步態的研究平臺。我們采用LabVIEW圖形化開發平臺不僅為了創建可擴展、適應性強的軟件,同時也可開發執行高級任務的機器人大腦，如踢足球比賽。

由于RoMeLa中的機器人平臺多種多樣，我們需要選擇一款通過簡單配置即可適應不同硬件設置的系統。大多數小型機器人研究使用個人數字助理（PDA）自主控制機器人。在PC104+計算機上采用 LabVIEW 實時模塊后，幾 乎無需任何開銷即可實現計算機架構擴展。與PDA不同，該系統可兼容一系列不同傳感器——IEEE 1384相機、RS485通信、多個無線網絡和其他眾多設備。添加新相機或802.11端口、適配型驅動器，寫入C或C++代碼花費均需耗費大量時間，而 LabVIEW VI使得所有問題迎刃而解。

目前，我們采用LabVIEW通過RS485控制機器人動作，并從同一串行網絡的伺服電機內置電位計上讀取關節位置。在機器人行走或移動的同時，帶加速度和方向信息速率的陀螺儀通過RS232串口與LabVIEW通信，此時程序即可實時修改行走步態進而高效地控制機器人平衡。

最初的機器人研發平臺，僅需伺服電機和速率陀螺儀接口。然而，參加2007年7月RoboCup的競賽機器人所需的硬件 和編程無疑更為復雜。除須機器人行走和維持平衡外，軟件還須提供視覺、大腦和通訊功能。由于在RoboCup比賽中，機器人必須完全自主和無線控制，因而 只能采用網絡主機控制機器人的起/停信號。LabVIEW實時運行所有機器人軟件，成本和CPU時間都得以降低。

生成機器人步態數學公式時，很難可視化看到結果。采用LabVIEW不僅可調用其它計算軟件包生成的步態（如 Wolfram Mathematica或Microsoft Excel），而且可通過建立機器人的可視化運動圖形幫助研究步態。利用LabVIEW的3D圖形控制，我們可以仿真機器人執行所生成步態時的行為。由于 無需利用物理硬件設置和測試步態，節省了大量的研發時間。

在物理硬件上進行機器人步態測試時，我們可以通過用戶控制的游戲手柄模仿機器人的人工智能。用戶作為機器人的眼睛和大 腦，而手柄作為控制機器人動作的接口，通過發送命令控制機器人行走、踢、撲救等動作。利用LabVIEW游戲手柄VI，這種設想可輕松實現。我們可輕松地 調試步態和運動，無需同步調試機器人動作。

在未進行任何預先視覺處理的情況下，短短兩小時內，一位研究生即可配置兩臺IEEE 1394相機并寫一段VI程序（用于RoboCup所用桔黃色足球的相對位置識別和物理定位）。完成這一任務，全球任何其他院校可能需要眾多學生花費很長 時間研究代碼。但是以我們的開發效率，一位學生在短短一周內即可實現DARwIn足球動作控制，該機器人是首臺而且是美國僅有的一臺參加RoboCup比 賽的仿人機器人。

作者信息:
Karl Muecke
Virginia Tech University
Room 6, Randolph Hall
Blacksburg, VA 24060
美國
Tel: (540) 231-2396
kmuecke@vt.edu