移動(dòng)機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)遙操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王殿君

(北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京102617)

遙操作是操作者的感知和操作能力在遠(yuǎn)端的延伸和擴(kuò)展。機(jī)器人遙操作系統(tǒng)可以將人的智能與機(jī)器人的智能有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，利用人的智能進(jìn)行高層次的感知理解、問(wèn)題求解、任務(wù)規(guī)劃以及任務(wù)分解等，利用機(jī)器人完成低級(jí)傳感和控制、路徑規(guī)劃、精密運(yùn)動(dòng)、信息處理、常規(guī)和重復(fù)性的任務(wù)等工作。這樣組成的人機(jī)智能系統(tǒng)就可以充分發(fā)揮人和機(jī)器人各自的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)這種人機(jī)之間的協(xié)調(diào)和交互，不但可以增強(qiáng)機(jī)器人完成操作任務(wù)的能力，同時(shí)還拓寬了機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域［1－2］。

對(duì)于以移動(dòng)機(jī)器人為控制對(duì)象的網(wǎng)絡(luò)遙操作系統(tǒng)，目前國(guó)內(nèi)的研究工作相對(duì)較少，還沒(méi)有建立比較完善的可以向普通網(wǎng)絡(luò)用戶提供服務(wù)的移動(dòng)機(jī)器人遙操作系統(tǒng)。至今，國(guó)內(nèi)的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)還不多，無(wú)法廣泛地進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)的普及、項(xiàng)目合作和資源共享［3－4］。

作者簡(jiǎn)要介紹了移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)，分析了機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)遙操作體系結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了遙操作遠(yuǎn)端控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了機(jī)器人遙操作實(shí)驗(yàn)。

1 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)

移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)總體框架示意圖如圖1［5－6］。

圖1 機(jī)器人系統(tǒng)總體框架示意圖

對(duì)于具有遙操作功能的移動(dòng)機(jī)器人，其控制器設(shè)計(jì)要求如下:(1)功能強(qiáng)大，具有強(qiáng)大的運(yùn)算和處理能力，能夠處理視頻信號(hào)、語(yǔ)音信號(hào)等;(2)接口豐富，具備多路直流電機(jī)、舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)控制;音頻、視頻接口;多路高速A/D、多路高速D/A、以太網(wǎng)和主/從USB 接口等;(3)通用性，機(jī)器人控制器應(yīng)當(dāng)能夠應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人、教育機(jī)器人、護(hù)理床等服務(wù)機(jī)器人;(4)高可靠性和穩(wěn)定性。

2 機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)遙操作體系結(jié)構(gòu)

隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和日益成熟，利用WLAN 和LAN 的混合組網(wǎng)，使基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制成為一個(gè)熱門的研究領(lǐng)域。

2.1 遙操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

移動(dòng)機(jī)器人遙操作主要由視頻的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸、用戶和機(jī)器人的控制數(shù)據(jù)的交互、通用網(wǎng)頁(yè)格式的遙操作界面組成。遙操作系統(tǒng)的總體架構(gòu)和連接圖如圖2所示。

圖2 遙操作系統(tǒng)的總體架構(gòu)和連接圖

機(jī)器人由自帶的供電系統(tǒng)供電，數(shù)據(jù)連接由WLAN 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，機(jī)器人可以不受電源和數(shù)據(jù)線纜的移動(dòng)限制。由上位機(jī)控制器中無(wú)線路由器連接到局域網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有計(jì)算機(jī)都可以通過(guò)連接機(jī)器人遙操作服務(wù)器而實(shí)現(xiàn)視頻和控制命令的傳輸。

2.2 遙操作應(yīng)用模式

典型的基于互聯(lián)網(wǎng)的遙操作模式是瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用主要由四大部分組成:瀏覽器、Web 服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器及其他企業(yè)系統(tǒng)。瀏覽器/服務(wù)器應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 瀏覽器/服務(wù)器應(yīng)用結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是基于瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的三層分布式控制結(jié)構(gòu)，遙操作移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示［7－8］。

圖4 遙操作移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)

3 機(jī)器人遙操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 遙操作網(wǎng)絡(luò)通訊

在Visual C++6.0 下建立一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，遙操作網(wǎng)絡(luò)通訊程序工作流程如圖5所示。

圖5 遙操作網(wǎng)絡(luò)通訊程序工作流程

用于網(wǎng)絡(luò)通訊的類包括一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接收類(CNetCmt)和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送類(CNetSend)。其中CNetCmt 的成員函數(shù)Listen 可完成網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽(tīng)的啟動(dòng)工作，成員函數(shù)AfterReceived 可以對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。CNetSend 類的成員函數(shù)ConnectTo 用于連接遠(yuǎn)程監(jiān)聽(tīng)端，成員函數(shù)Send 用于向已連接的遠(yuǎn)程端發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.2 遙操作遠(yuǎn)端控制程序

VoyCmder 為發(fā)送端，里面直接通過(guò)CNetSend 類對(duì)象的ConnectTo 函數(shù)連接到發(fā)送端，然后通過(guò)Send函數(shù)發(fā)送控制指令，遠(yuǎn)端瀏覽器控制程序界面如圖6所示。

圖6 遠(yuǎn)端瀏覽器程序界面

3.3 機(jī)器人導(dǎo)航網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)

建立了遠(yuǎn)程控制程序后，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了導(dǎo)航網(wǎng)頁(yè)。開(kāi)啟服務(wù)器上的IIS Internet 信息服務(wù)等服務(wù)程序?？蛻魴C(jī)在Internet 瀏覽器上通過(guò)服務(wù)器域名或IP 地址與服務(wù)器進(jìn)行連接，服務(wù)器返回客戶機(jī)網(wǎng)頁(yè)頁(yè)面在Internet 瀏覽器上顯示。導(dǎo)航網(wǎng)頁(yè)界面如圖7所示，用戶可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

圖7 導(dǎo)航網(wǎng)頁(yè)界面

4 移動(dòng)機(jī)器人遙操作實(shí)驗(yàn)

4.1 Helix 視頻播放設(shè)置

Helix 軟件是Real 公司新近開(kāi)源的流媒體視頻服務(wù)直播系統(tǒng)，在移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中用于傳輸視頻、音頻數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)直播。這里給出其配置過(guò)程:

(1)首先運(yùn)行Helix Server 后臺(tái)服務(wù)程序“Helix Server”，再打開(kāi)本地的基于網(wǎng)頁(yè)的服務(wù)配置界面“Helix Server Administrator”，在登錄時(shí)輸入安裝Helix Server 時(shí)建立的用戶名和密碼即可登陸配置界面;

(2)其次在“服務(wù)器設(shè)置里”的“IP 綁定”項(xiàng)中設(shè)置本機(jī)服務(wù)器的IP 地址;

(3)最后在“安全設(shè)置”的“用戶認(rèn)證”建立本地或網(wǎng)絡(luò)編碼器連接此服務(wù)程序的認(rèn)證用戶名和密碼，視頻編碼傳入權(quán)限設(shè)置。

4.2 遙操作實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所需軟件設(shè)備為IIS Internet 信息服務(wù)、Helix 編碼器、Helix 流媒體服務(wù)程序、機(jī)器人本地控制程序、機(jī)器人遠(yuǎn)端控制程序;硬件設(shè)備為可移動(dòng)機(jī)器人一臺(tái)、無(wú)線路由器一臺(tái)、可接入網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)2臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程為無(wú)線路由器將機(jī)器人上位機(jī)通過(guò)無(wú)線路由器連接到Internet 網(wǎng)絡(luò)(禁用DHCP 服務(wù))。兩臺(tái)可連入Internet 網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)一臺(tái)作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，其上運(yùn)行IIS 服務(wù)和Helix 流媒體服務(wù)。另一臺(tái)計(jì)算機(jī)只需連入Internet 網(wǎng)絡(luò)即可。

確保了三臺(tái)計(jì)算機(jī)連入網(wǎng)絡(luò)后，首先啟動(dòng)服務(wù)器上的IIS 和Helix 服務(wù)，再啟動(dòng)機(jī)器人筆記本上的Helix 編碼器。最后用第三臺(tái)電腦的Internet 瀏覽器訪問(wèn)服務(wù)器電腦進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)過(guò)程順利完整，機(jī)器人端控制服務(wù)程序及Helix 編碼界面達(dá)到預(yù)期效果，如圖8所示。

圖8 機(jī)器人端控制服務(wù)程序及Helix 編碼界面

5 結(jié)論

(1)移動(dòng)機(jī)器人采用基于瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的三層分布式控制結(jié)構(gòu)。

(2)基于VC 開(kāi)發(fā)了完整的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，包括本地控制程序、遠(yuǎn)程控制程序和導(dǎo)航網(wǎng)頁(yè)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

(3)基于網(wǎng)絡(luò)的遙操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的遙操作開(kāi)發(fā)提供了依據(jù)。

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