Ｓｔｉｑｕｉｔｏ在機(jī)器人技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用

1 摘 要

Stiquito是一個(gè)用來(lái)向?qū)W生介紹機(jī)器人技術(shù)的小型機(jī)械昆蟲(chóng)。它的新版本具有一個(gè)可預(yù)編程的微控制板，學(xué)生可以用來(lái)學(xué)習(xí)機(jī)器人技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)概念。

不同的人對(duì)機(jī)器人也有不同的理解。很多人把機(jī)器人想象成《星球大戰(zhàn)》中的R2D2和C3PO的樣子，它們能在任何環(huán)境中進(jìn)行自主的運(yùn)動(dòng)，和他人進(jìn)行談話交流。很少有人將其想象成為無(wú)人交通工具和制造設(shè)備，然而，機(jī)器人主要就應(yīng)用在這些領(lǐng)域。

機(jī)器人就是一個(gè)機(jī)電裝置，在接受人的一系列命令后反復(fù)執(zhí)行直到被通知停止為止。基于這個(gè)定義，建造一個(gè)玩具車(chē)并對(duì)其編程，使它沿地板上的一條黑帶運(yùn)動(dòng)，這就是一個(gè)機(jī)器人裝置的例子，而制造并驅(qū)動(dòng)一個(gè)無(wú)線控制的玩具車(chē)卻不是。

Stiquito是一個(gè)小型的六腳昆蟲(chóng)機(jī)器人，在教學(xué)中已經(jīng)沿用多年。為了能走路，機(jī)器人的腿部“肌肉”用撓性材料制成，原先設(shè)計(jì)成一個(gè)人工控制裝置，六條腿分為三組，兩個(gè)開(kāi)關(guān)連在一個(gè)繩索上。操作員通過(guò)按壓兩個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)控制這六條腿的運(yùn)動(dòng)。

設(shè)計(jì)完成大量的Stiquito機(jī)器人已成為具有教學(xué)意義的新事物，因?yàn)樗鼈儾荒芡ㄟ^(guò)一個(gè)可編程計(jì)算機(jī)來(lái)控制。研究者們希望通過(guò)一種簡(jiǎn)單易用的控制器，來(lái)研究群體機(jī)器人和新興系統(tǒng)，由于缺少這種可用的控制器，他們的研究工作也受到了限制。

另一個(gè)障礙是機(jī)器人的低功耗問(wèn)題，因此有必要設(shè)計(jì)完成一個(gè)可靠的控制器，并且同樣需要低成本、低功耗。Stiquito是一種新型的自控機(jī)器人，它通過(guò)一個(gè)微控制器來(lái)協(xié)調(diào)腿的動(dòng)作以產(chǎn)生前向運(yùn)動(dòng)。盡管控制器在出售時(shí)是已編程的，教師和研究人員仍可以對(duì)控制板重新編程來(lái)檢測(cè)機(jī)器人的其他功能。實(shí)際上，這個(gè)開(kāi)發(fā)板可以獨(dú)自用來(lái)學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)概念。

2 Stiquito發(fā)展史

20世紀(jì)90年代初，印第安納大學(xué)的JonathanMills在尋找一種機(jī)器人平臺(tái)來(lái)測(cè)試他在模擬邏輯上的研究。當(dāng)時(shí)大多數(shù)可用的平臺(tái)過(guò)于昂貴，尤其對(duì)年輕助教而言，其研究資金有限。因此，Mills開(kāi)始設(shè)計(jì)他廉價(jià)的機(jī)器人，在他的設(shè)計(jì)中，選擇了四種基礎(chǔ)原料：

驅(qū)動(dòng)裝置選擇鎳鈦諾(Dynalloy公司的撓性材料Flexinol裝置)，在電路控制下，這種材料可以提供一種類(lèi)似肌肉的反應(yīng)而精確地模仿生物動(dòng)作。

Flexinol裝置的反作用力選擇彈性發(fā)條線來(lái)產(chǎn)生。這種線能產(chǎn)生一種使Flexinol回歸原形的作用力，給機(jī)器人提供了支持。

機(jī)器人的身體選擇1/8英寸寬的方形塑膠桿；對(duì)于腿和身體的支持，以及塑膠的Flexinol附件，Mills選擇了鋁管。

從微型的兩英寸長(zhǎng)的四腿機(jī)器人到四英寸長(zhǎng)的軟腿機(jī)器人，Mills針對(duì)不同的設(shè)計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置Flexinol和地面平行，腿和地面接觸時(shí)垂直，這時(shí)，機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)動(dòng)。

Stiquito機(jī)器人的六腳被分成兩組三腳架，每一組中，兩條腿在機(jī)器人的一側(cè)，另外一條在機(jī)器人的另一側(cè)。這種分法可以讓機(jī)器人平滑運(yùn)動(dòng)，而沒(méi)有單獨(dú)控制每一條腿那樣復(fù)雜。

如圖1所示，Stiquito依靠交替活動(dòng)兩個(gè)三腳架來(lái)行走。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)三腳架活動(dòng)時(shí)，第二個(gè)處于“放松”狀態(tài)，當(dāng)它的腿和身體垂直時(shí)恢復(fù)該狀態(tài)。這樣，第二個(gè)三腳架被激活，第一個(gè)也就可以“放松”了。

最初設(shè)計(jì)的Stiquito只有一個(gè)自由度。兩年后，Mills設(shè)計(jì)了一個(gè)新版本的StiquitoII，它具有兩個(gè)自由度。如圖2所示，兩自由度就是說(shuō)塑性發(fā)條除了用來(lái)向后拉腿(第一個(gè)自由度)，還用來(lái)抬腿(第二個(gè)自由度)。

該機(jī)器人具有兩個(gè)自由度，通過(guò)撓性發(fā)條來(lái)完成拉腿和抬腿。

3 stiquito的教學(xué)應(yīng)用

多年來(lái)，Stiquito已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高中、社區(qū)學(xué)院、大學(xué)學(xué)院等來(lái)培養(yǎng)未來(lái)的工程師。此外，很多初、高中學(xué)生選擇Stiquito來(lái)完成他們的科學(xué)競(jìng)賽項(xiàng)目，而且成千上萬(wàn)的機(jī)器人愛(ài)好者通過(guò)Stiquito來(lái)涉獵機(jī)器人技術(shù)。一些使用Stiquito的實(shí)例如下：

新澤西技術(shù)學(xué)院的生物醫(yī)學(xué)工程系資助了一個(gè)工程預(yù)科的教學(xué)推廣計(jì)劃，其中設(shè)計(jì)制造Stiquito機(jī)器人是其特色之一。

(www.niit.edu/old/PreCollege/PrE-IOP/events.php)。

Texas AM將Stiquito用于工程和問(wèn)題求解導(dǎo)論課程(ENGRlll)

(http://crcd.tamu.edu.curriculum/engr111/stiquito/index.php)。

西密西根將Stiquito用于ECEl23移動(dòng)機(jī)器人：電子和計(jì)算機(jī)工程導(dǎo)論課程

(http://homepages.wmich.edu/~miller/ECE123.html)

在佩恩州有許多實(shí)踐項(xiàng)目中應(yīng)用了Stiquito

(www.me.psu.edu/me415/fal199/stiquito/intro.html)。

高中生Max Eskin用Stiquito來(lái)演示了步法，步態(tài)等實(shí)驗(yàn)(www.computer.org/books/stiquito/eskin.html)。

原版的Stiquito機(jī)器人讓使用者自己設(shè)計(jì)他們的控制電路。這在機(jī)器人控制中給使用者提供了一個(gè)非常好的創(chuàng)新機(jī)會(huì)，也為使用者提供了很多協(xié)助，(那些辛勤工作的教師)也從中受益。機(jī)器人需要為嵌入式系統(tǒng)的執(zhí)行提供包括詳細(xì)的控制方案的硬件支持。

4 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與教育

嵌入式系統(tǒng)在我們的日常生活中隨處可見(jiàn)，比如：微波爐、手機(jī)、汽車(chē)，等。嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)重要特征是它的裝置中包含了一個(gè)微處理器，這個(gè)處理器就相當(dāng)于裝置中的其他零部件一樣，可以供人們購(gòu)買(mǎi)。嵌入式系統(tǒng)的另外一些特征：

* 有專門(mén)的軟件，(這個(gè)軟件是可以用戶自定義的)，只具備簡(jiǎn)單有限的功能。

* 有限制的顯示裝置。

* 沒(méi)有我們一般意義上的鍵盤(pán)。

* 可替換的機(jī)電元件。

嵌入式系統(tǒng)的核心是微處理器或微控制器。它們都可以運(yùn)行軟件和進(jìn)行運(yùn)算。它們之間最主要的不同在于微控制器通常都由一個(gè)微處理器和其他一些外圍器件集成到同一個(gè)芯片上。這些外圍器件可能包括永久性存儲(chǔ)器(ROM，EEPROM或flash)，臨時(shí)的存儲(chǔ)器(RAM)，定時(shí)器單元，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元和通信單元。

嵌入式系統(tǒng)是世界范圍內(nèi)微處理器工業(yè)中最大和增長(zhǎng)最快的部分，它們使用的處理器約占處理器生產(chǎn)總數(shù)的99.99％(其中只有0.01％用于普通計(jì)算機(jī))。嵌入系統(tǒng)中微處理器增長(zhǎng)較大的原因是因?yàn)橄鄬?duì)于所有非個(gè)人電腦產(chǎn)品所使用的微處理器和微型控制而言，應(yīng)用在個(gè)人電腦上的微處理器是非常少的。平均而言，一般家庭中使用了大約30至100個(gè)處理器，其中只有5個(gè)是用于個(gè)人電腦的。在汽車(chē)、電視機(jī)、錄像機(jī)、影碟機(jī)、烤箱、微波爐，甚至在火爐的通風(fēng)口處的蓋子都使用了大量的微處理器和微控制器。有分析認(rèn)為嵌入系統(tǒng)占到全世界90％以上的電子設(shè)備。

嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展前景是光明的，因?yàn)樵絹?lái)越多的產(chǎn)品包含了比以往更精密復(fù)雜的電子元器件。事實(shí)上，今天的汽車(chē)?yán)锖?00多英鎊(91千克)的電子器件。目前一輛寶馬7系列的汽車(chē)和一輛奔馳S級(jí)轎車(chē)都包含有100個(gè)處理器。

盡管嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)活躍了數(shù)十年，但是直到現(xiàn)在才將計(jì)算機(jī)科學(xué)和計(jì)算機(jī)工程的課程合并到一起。只有少數(shù)高校開(kāi)設(shè)這類(lèi)課程，并且能夠在課堂上使用的教材也很匱乏。

為解決這一問(wèn)題，IEEE計(jì)算機(jī)組織和計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)(ACM)組成了一個(gè)聯(lián)合組織，來(lái)為計(jì)算機(jī)課程制定一個(gè)指導(dǎo)準(zhǔn)則。這個(gè)準(zhǔn)則的核心思想和“知識(shí)領(lǐng)域”正是嵌入式系統(tǒng)。這個(gè)組織推薦了一門(mén)至少有20個(gè)小時(shí)的嵌入式系統(tǒng)核心課程，并且建議這些課程也覆蓋到其他的嵌入系統(tǒng)選修課程。

5 利用Stiquito進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的教學(xué)

Stiquito的嵌入式控制的根本是基于NanjundanMohon在1993年開(kāi)發(fā)的電子主板。這個(gè)主板上包含一個(gè)摩托羅拉的68HCll控制器(內(nèi)含EPROM存儲(chǔ)器)，每一只Flexinol材質(zhì)的腿都獨(dú)立的由晶體管驅(qū)動(dòng)，并附帶一個(gè)紅外傳感器。軟件來(lái)控制機(jī)械昆蟲(chóng)的腿，并且根據(jù)接受到的紅外傳感器發(fā)出的信號(hào)來(lái)調(diào)整步伐。這個(gè)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程是一個(gè)自由度控制器來(lái)控制。

在1995年，Jonathan Mills觀察到一個(gè)有兩個(gè)自由度的此類(lèi)機(jī)器人，他也意識(shí)到這種形式的移動(dòng)可以使Stiquito更快。許多學(xué)生投入到設(shè)計(jì)兩自由度的自動(dòng)機(jī)器人的工作當(dāng)中，但直到2001年還沒(méi)有人成功。2001年，一些學(xué)生科研小組設(shè)計(jì)出了一些所學(xué)課程需要的機(jī)器人并帶其去參賽。毫無(wú)疑問(wèn)，這些機(jī)器人的設(shè)計(jì)是成功的，它們是基于Parallax Basic Stamp 2微搾制器而設(shè)計(jì)出來(lái)的，并且應(yīng)用在一個(gè)簡(jiǎn)單易用的操作平臺(tái)上，但此平臺(tái)卻相當(dāng)?shù)陌嘿F。我們所需要的則是一個(gè)簡(jiǎn)單，易于使用，而且是低成本的操作環(huán)境。

2003年，一個(gè)資深的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在北卡羅來(lái)納州立大學(xué)得到了Stiquito的控制器主板的所有需求，經(jīng)過(guò)了微芯(PIC)、Renesas、德州儀器等組織對(duì)低成本的微控制器調(diào)查研究之后，研究小組確定使用TIMSP430微控制器是最合適的選擇。通過(guò)使用這種裝置，他們成功研制設(shè)計(jì)并展示了電路實(shí)驗(yàn)板控制器。

通過(guò)進(jìn)一步研究，研究小組選用TIMSP430F112微處理器用在了機(jī)器人Stiquito身上(見(jiàn)圖3)。這個(gè)控制器有如下良好特征：

* 低功耗，運(yùn)行模式下電流約為200μA而待機(jī)狀態(tài)下則為0.7μA。這個(gè)特點(diǎn)對(duì)于微控制器Stiquito機(jī)器人是很重要的，這個(gè)特點(diǎn)也是設(shè)計(jì)電池電源時(shí)考慮的因素之一。MSP430的低功耗模式允許處理器處于一種空閑的狀態(tài)，同時(shí)僅僅保持最低的功耗。

* 10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器可以通過(guò)讀機(jī)載電位計(jì)的電壓值來(lái)控制機(jī)器人的速度，只有在速度計(jì)量有效的時(shí)候A/D轉(zhuǎn)換器才起作用。這個(gè)特性使得微控制器停留在低功耗的待機(jī)模式的時(shí)間得到最大化。

* 機(jī)載系列編程器(JTAG)。研究開(kāi)發(fā)人員可以利用由德州儀器公司為微控制器提供的自由軟件來(lái)進(jìn)行單步調(diào)試和觀察變量值。

* 4kB閃存。這個(gè)存儲(chǔ)器對(duì)于存儲(chǔ)控制Stiquito的運(yùn)動(dòng)所需代碼而言是綽綽有余的。事實(shí)上，在編程結(jié)束后有近70％的存儲(chǔ)器并沒(méi)有使用，這就預(yù)留很大的空間來(lái)增加新的內(nèi)容和功能。

除了TI的控制器之外，其他用于Stiquito的主要硬件如下：

* ULN2803AFW晶體管(達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)器)：這個(gè)晶體管用于放大微控制器的輸出電流，原來(lái)的電流太弱而不能驅(qū)動(dòng)彎曲的機(jī)器腿來(lái)控制Stiquito的移動(dòng)。

* LED指示燈：第一個(gè)LED用于指示當(dāng)前的電源輸出，第二個(gè)用于指示Stiquito移動(dòng)時(shí)與機(jī)器供應(yīng)電流的同步信號(hào)；第三個(gè)是用于電源指示燈。

* 電位器：電位器通過(guò)改變輸入電壓的電阻來(lái)控制Stiquito的移動(dòng)速度，微控制器通過(guò)感知電壓變化而調(diào)整機(jī)器人的速度。

6 實(shí)踐教育

我們大多數(shù)人通過(guò)參與實(shí)踐活動(dòng)使學(xué)習(xí)效果更加明顯，眾多與此相關(guān)的教材，參考書(shū)也都使得課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合在一起。Stiquito的低成本嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板，德州儀器集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)公司的免費(fèi)編譯器，這些都為學(xué)生們提供了一個(gè)容易使用的現(xiàn)成的平臺(tái)，學(xué)生們可以利用它來(lái)學(xué)習(xí)有關(guān)嵌入式系統(tǒng)的知識(shí)了。

學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)室或在家用個(gè)人電腦進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，只需要用一根很便宜的網(wǎng)線連接到網(wǎng)絡(luò)就可以進(jìn)行普通實(shí)驗(yàn)，建立一個(gè)實(shí)驗(yàn)室需要有聯(lián)網(wǎng)的電腦，可持續(xù)供電電源、萬(wàn)用表和用于理解教學(xué)儀器原理的混合信號(hào)示波器。

Stiquito控制板已經(jīng)使用在夏洛特的北卡羅來(lái)納大學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，它為學(xué)生提供了對(duì)課堂上所討論的技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)。一些實(shí)驗(yàn)包含了以下部分：

* 軟件開(kāi)發(fā)使用的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)、編碼和調(diào)試：

* 硬件技術(shù)如焊接、接口連接、設(shè)計(jì)、設(shè)備和儀器使用：

* 電源控制和預(yù)算。

定時(shí)器和中斷實(shí)驗(yàn)展示了實(shí)驗(yàn)室工作所需的技術(shù)和設(shè)備，學(xué)生在微控制板上附加了混合信號(hào)示波器，這樣做可以用于檢測(cè)輸出端口，可以用于監(jiān)控常規(guī)中斷服務(wù)程序的進(jìn)入和退出，以及啟動(dòng)硬件定時(shí)器。如果沒(méi)有一個(gè)帶有很大存儲(chǔ)深度的邊沿觸發(fā)示波器的話，這種實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行。

Stiquito也可以用于多學(xué)科活動(dòng)。例如，在2005年，UNC夏洛特機(jī)械工程學(xué)科的學(xué)生設(shè)計(jì)了一個(gè)Stiquito機(jī)器人來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。為了更進(jìn)一步理解機(jī)器人設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，機(jī)械工程學(xué)科的學(xué)生與進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)的學(xué)生組合成一個(gè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了另外一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，這些學(xué)習(xí)機(jī)械工程的學(xué)生通過(guò)這次合作學(xué)會(huì)了有關(guān)建立、編譯、下載新的Stiquito控制代碼的技術(shù)，而學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的學(xué)生則只是協(xié)助指導(dǎo)機(jī)械工程的學(xué)生來(lái)完成實(shí)驗(yàn)，但并不親自動(dòng)手幫助他們進(jìn)行一些實(shí)際的工作。

7 Stiquito的未來(lái)

Stiquito機(jī)器人的一個(gè)最重要的特性就是它的可擴(kuò)展性。正如原先所設(shè)計(jì)的模型被擴(kuò)展成可以進(jìn)行微控的新型機(jī)器人，新的設(shè)計(jì)還可以提高，更多的開(kāi)放端口可以用于增加傳感器或輸出設(shè)備。一個(gè)例子是可以增加代理傳感器，當(dāng)遇到墻壁時(shí)能使機(jī)器人停止前進(jìn)，或安裝一個(gè)無(wú)線收發(fā)器來(lái)和其他Stiquitos機(jī)器人或基站進(jìn)行通訊。

我們正在努力使Stiquito的身體大小減少到目前的一半，這個(gè)機(jī)器人將依靠印刷電路板作為他的機(jī)械機(jī)構(gòu)，仍然保持與原來(lái)嵌入式系統(tǒng)相同的特征。較小的身軀意味著消耗的電流更少。由于新PC機(jī)不再帶有并口，我們也正在設(shè)計(jì)一個(gè)新的JTAG接口，來(lái)連接到PC機(jī)的USB端口。

8 結(jié)論

我們能夠構(gòu)建一個(gè)更好的Stiquito嗎?回答是肯定的，每個(gè)部分都可以改良提高的。有這樣一本書(shū)，已經(jīng)出版到第四版，書(shū)中各個(gè)章節(jié)的內(nèi)容都是由那些進(jìn)行過(guò)Stiquito試驗(yàn)的人編纂完成的，將來(lái)這本書(shū)中還會(huì)包括更多有教育意義的活動(dòng)和應(yīng)用設(shè)計(jì)。