新加坡南洋理工學院 (Nanyang Polytechnic) 使用嵌入式圖形化系統設計 (GSD) 強化救生蜘蛛機器人

Author(s):
Pom Yuan Lam - Nanyang Polytechnic, Singapore
Marco Schmid - Schmid Engineering
Anders Frederiksen - Analog Devices

Industry:
Research, Machines/Mechanics

Products:
Embedded Module for Blackfin Processors, LabVIEW

The Challenge:
設計高機動性與高自由度的機器人，以於嚴苛環境中執行重要的救生任務。

The Solution:
將圖形化系統設計，整合高處理效能與極低的能源耗用模式，建立 6 腳式的多功能機器蜘蛛以進行救援任務。

為嚴苛環境中的任務所設計
任何救生設備的主要目的，即是要能於嚴重災難過後儘可能發現生還者，以避免死傷人數持續攀升。依此原則，我們即著手開發 6 腳式蜘蛛機器人，以支援任何救援行動。此高機動性的智慧型機器人，可避開障礙物並抵達搜索困難的區域，以尋找受困的生還者。此蜘蛛機器人更可取代傳統人力，至地雷區域進行危險的掃雷工作，以避免發生實際傷亡。

我們根據 6 隻獨立的機器腳，設計出高行動性的行走模式，可讓機器人進行全方向的移動，甚至可於一般機器人無法移動的地形上行動自如。這種行走搭配旋轉的高階運動模式，即以 6 腳昆蟲為靈感所開發。機器人是以 3 隻腳為單位，分別進行移動與抬起動作；此模式不僅可達到所需的前進速度，並可於崎嶇表面上有效達到平行狀態。當機器人爬行時，可穿過有限空間與狹窄的縫隙。單隻腳均以基本的運動步伐為主，將 3D 立體空間中的矩形或圓形軌道做為其幾何原型。

多功能機電系統
腳部的機器與運動控制，為蜘蛛機器人的關鍵功能之一。共有 24 組智慧型 DC 帶刷馬達驅動蜘蛛腳部，並構成整體的行動機制。此特性構成輕盈且堅固的重量架構、降低電力耗損，並提升運動的動態情形。

除了腳部之外，蜘蛛亦具有典型的自動化子系統，包含機器視覺、距離量測，與無線通訊。嵌入式硬體為 2 組 7.2 V 鋰聚合電池與電量計 (Fuel gauge)，安裝於機體之內。透過無線傳輸功能或可卸除式媒體，即可變更行動參數、I/O 設定，與新的運動步伐。

達 24 自由度 (Degrees of Freedom) 的智慧型運動
蜘蛛的基本移動，即依賴即時計算的複雜數學模型。透過 Analog Devices Blackfin 處理器的進階嵌入式計算功能，與 Schmid Engineering 的精確即時服務，才能達到動態且平順的運動狀態。適用於 ADI Blackfin 處理器的 NI LabVIEW 嵌入式 (Embedded) 模組，其所提供的高階虛擬儀器 (VI) 可持續執行逆向運動學 (Inverse kinematics) 運算式。此運算式包含三角函數與矩陣作業，可找出適合的關節旋轉角度 (Joint angle) Θ1 與 Θ2，照所需的 3D 軌道精確移動蜘蛛腳部的末端接觸點。軌道向量將根據高階的運動形式，依所計算的直線、矩形，或圓形而移動。

共有 3 種進行軌道程式設計的方式：

• 以「Teach-in」與「Playback」設計新型或特殊形式。
• 以 3D CAD 軟體可實際檢查所模擬的軌道。這些模型並將以虛擬的「Reality」檔案匯出，再接著匯入至 LabVIEW 的圖形控制中。比較虛擬與實際的模型之後，將進行運動的微調作業。
• 透過逆向運動運算式，於執行時間持續計算軌道。

系統將同時完成 6 隻腳的關節角度計算，即連續計算 24 組馬達的設定點 (Setpoint)，以確保動態的運動方式。系統透過序列 RS485 網路，將這些設定點傳送至各組馬達，並將其分散為各組 PD 控制器的實際運動。所有 24 組致動器的位置、反饋，與溫度讀數，均以同一網路進行擷取作業。

智慧型視覺與距離感測
除了智慧型運動與自由性之外，蜘蛛機器人的「眼睛」中，亦具有智慧型相機與距離量測感測器。透過高效能的影像處理運算式，將可定位並追蹤任何物體與物件。蜘蛛「眼睛」亦可透過程式設計，辨識出鄰近區域的顏色。未來版本的蜘蛛機器人，將透過 Blackfin 處理器的計算功能與進階的高速影像擷取，進而提升其影像處理、形式比對，與邊緣偵測的功能。

以藍芽進行無線通訊
我們以固定式的藍芽介面，保持與機器人之間的通訊，並包含數項功能：

• 於開發與測試期間，以 ZMobile 快速除錯模式進行通道除錯作業
• 讀取如馬達狀態與電池存量的重要參數，以進行系統診斷
• 線上擷取必要的運算式變數，以進行微調
• 在進行作業之前，必須先行下載新的作業資料

開發期間，我們以無線通訊通道連接 2 組蜘蛛機器人，以同步化其動作。若往後將使用多組蜘蛛機器人完成重要團隊任務，此即可做為基礎原型。

低功率的嵌入式ZMobile 硬體
極低功率的混合式訊號系統 ZMobile，即為蜘蛛機器人的心臟。ZMobile 為瑞士 Schmid Engineering 公司所提供的解決方案，於單一平台中整合感測器、視覺、電池，與無線通訊。南洋理工學院選擇 ZMobile 平台共有 3 個理由。

首先，ZMobile 可相容於 LabVIEW，並可透過 LabVIEW 進行蜘蛛的程式設計；讓工程師可專心撰寫此專案的重要函式。透過圖形化程式設計的高產能，系統工程師可於開發期間，新增原始預設的更多功能。

其次，由於作業時間可能極為冗長，因此 ZMobile 的低功率耗用與動態電力管理，為此自動化機器人所需的關鍵功能。由於 ZMobile 是以毫瓦特 (Milliwatt) 為其電力耗用單位，因此機器人電池的絕大多數電力均將用於馬達，而可避免額外浪費。

最後，可調整的處理 I/O 插槽可視情況提供空間，以整合更多感測器與致動器。

即時的圖形化嵌入式軟體
蜘蛛機器人應用軟體，即透過適用於 Blackfin 處理器的 LabVIEW 嵌入式 (Embedded) 模組進行程式設計，並由 Schmid Engineering 針對 NI LabVIEW 撰寫的 ZBrain BSP 擴充其功能。此即構成理想的嵌入式軟體平台，適於進行高階程式設計、圖形化除錯作業、圖形化多重任務處理 (Multitasking)，與精確的即時行動。物件導向 (Object-oriented) 的設計形式，將以圖形化方式達到進階的管理作業。如馬達或感測器的主要物件，均由 LabVIEW 中的功能性通用變數所引導。

主要應用架構包含數項作業：

• 透過軟體佇列與「Semaphore」的同步化方式，將常見的狀態機器連接至其他迴路，以進行高階主迴路動作。
• 通訊作業將透過無線資料連結功能，保持對外聯絡。
• 視覺作業將負責低階影像處理與距離讀取。
• 運動作業將管理高階運動形式與低階機器控制，並監控馬達位置與狀態。
• 清理 (Housekeeping) 作業則進行一般錯誤處理。所偵測的事件與錯誤，均將透過時間戳記 (Timestamp) 記錄至可移除式媒體，以用於往後的檢索作業。ZMobile 將以程式化的「Wake-up」功能進行重新開啟與關閉，除了監控功能之外，並可於自我錯誤修正功能失敗時，進行有效的重新開機作業。

在多工處理環境中，這些迴路均可如執行緒般同步執行。以毫秒 (Millisecond) 單位的環境切換 (Context switching)，與微秒 (Microsecond) 單位的即時驅動，可確保平順且無抖動的移動。最後，平行機制將要求各個軟體元件的執行緒安全性，而裝置驅動程式將符合介面卡的支援套件需求。

適用於 Blackfin 處理器的 LabVIEW 嵌入式模組，搭配 Blackfin 處理器的高處理效能，所構成的圖形化程式設計環境，不僅大幅縮短開發時間，並讓我們確實建立多功能的高階機器人。Schmid Engineering 公司的巧妙圖形化快速除錯模式 (Fast Debug Mode)，可協助撰寫運算式，並縮短約 5 倍的開發時間。ZMobile 為簡單易用的嵌入式系統設計產品，不僅適用於機器人工程師，亦可協助進行機電整合系統。

針對未來可能的需求，我們並將另外建置智慧型電力管理常式、感測器整合、模糊邏輯，與 GPS 資料蒐集功能，以新增至常見的機電整合平台。我們更將於未來的自動化機器人中，重新再使用相同的模組化硬體與軟體系統。

觀看新加坡機器人競賽的昆蟲式機器人功能影片。

將適用於 Blackfin 處理器的 LabVIEW 嵌入式 (Embedded) 模組佈署至客制系統

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Pom Yuan Lam
Nanyang Polytechnic, Singapore
Singapore
POM_Yuan_Lam@nyp.gov.sg

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