用LabVIEW和CompactRIO开发腿轮移动机器人

　　项目背景

　　腿部和车轮这两种方法在地面运动平台上被广泛采用。经过漫长的演变过程，大多数陆地动物的腿部都灵活有力，并能够快速顺畅地在不平坦的天然地形上奔驰。在另一方面，人类发明了平地上专用的运动车轮，其出色的功率效率和在平地上高速的流畅运行是腿部运动无法比拟的。

　　由此，来自国立台湾大学的仿生机器人实验室(BioRoLa) 团队致力于设计一个腿轮混合式机器人，它结合了车轮和腿部的移动性，在平坦和恶劣环境下都能为室内室外行走提供一个移动平台。

　　机械设计

　　大多数混合动力平台上不同的轮子和腿都有不同的装置和激励器，相比这些平台，这款名为Quattroped 的腿轮混合式移动机器人采用了一种转换机制，可将自身特定的一部分变形成为一个轮子或一条腿。从几何角度来说，一个轮子通常有一个圆形轮圈，而旋转轴则位于轮圈中间。轮圈与地面接触，而旋转轴与机器人身体上的一点相连，此点就是“髋关节”。在一般情况下，轮式移动时轮子在平地上运动并不断旋转，车轮与地面的接触点就位于髋关节下的一定距离处。相对而言，用腿移动时腿部以周期性方式运动，在髋关节和地面接触点之间没有特定的几何配置;因此腿部在运动中的相对位置具有周期性频繁变化的特点。

　　基于这一观察发现，将髋关节移出圆形轮圈中心并将连续运动模式改为其他运动模式，即能达到轮模式向腿模式的转换。

　　这激发了我们去设计一种能直接控制圆形轮圈和髋关节的相对位置的模式，从而它既能进行轮运动又能进行腿运动。由于圆形轮圈是一个二维的对象，实现这一目标的最直接的方法是再增加一个自由度(DOF)，沿着运动方向调节髋关节相 对圆形轮圈的位置。两个自由度的运动也互相形成直角。此外，无论是轮模式还是腿模式都能有效运行同一组的驱动功率。

　　机电一体化

　　我们采用NI CompactRIO嵌入式控制系统作为机器人控制器，它包括一个400MHz 的实时处理器和3M 现场可编程门阵列(FPGA)。FPGA直接连接NI C系列I/O 模块，这些模块能从载板传感器和激励器获得数据。对于模拟I/O我们采用NI 9205和NI 9264I/O模块，对于数字I/O采用NI 9401和NI 9403I/O模块。FPGA与实时处理器相连，并通过IEEE 802.11无线方式与电脑进行通讯。

 　　图1. Quattroped - 腿轮混合式移动平台