基于多線程的NAO機器人同步啟動技術研究與實現

郭敏+鄭定富

摘要：探討采用多線程軟件編程技術實現多個NAO機器人的同步啟動。首先，以 NAO 機器人為基礎，將多線程同步技術應用到多臺 NAO機器人的協調控制中，使多臺機器人在同一時刻同時啟動。其次，通過多線程方法執行并行任務，使多機器人在同一個系統中同時執行各自的任務，具有較穩定的同步性。最后，通過實驗驗證了該方法的有效性和可靠性。

關鍵詞：NAO 機器人；多線程；同步啟動；軟件編程

DOIDOI：10.11907/rjdk.171046

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）006-0127-03

0 引言

“仿人”是機器人研究與發展的一個主要方向，制造出全智能的機器人朋友是人類為之努力的目標。近幾十年來，通過科學家們的不懈努力，機器人領域已經擁有了不少令人驚嘆的偉大成果，仿人機器人也逐漸走進了人們的生活。2016年春晚，集體舞《心中的英雄》給億萬觀眾帶來了無限驚喜，跳舞機器人整齊的隊列、靈活的舞姿，耗費的是臺下無數科技人員的心血與努力。在集體表演中，要完成整齊劃一的舞蹈表演，準確實現多機器人的同步技術是關鍵。雖然數千個關節實現動作的協調性和一致性都離不開表演機器人硬件的支持，然而軟件編程更是機器人行為同步的重要組成。多線程同步方法為多機器人同步提供了新的可能，在機器人研究領域內具有重要的實踐意義。本文以Aldebaran Robotics公司的Nao機器人為研究對象，對多機器人同步技術進行研究，其硬件特性為：擁有25個自由度，具有一系列可以感知較為全面環境信息的傳感器，如攝像頭（2個）、麥克風（4個）、超聲波距離傳感器（1個）、慣性板（1個）、觸覺傳感器（9個）、壓力傳感器（8個）、紅外發射器和接收板（2個）。

多線程程序設計是指單個程序中使用多個線程，這些線程在同一時間并發運行，執行不同的任務[1]。在多線程、多任務操作系統中，系統每一個應用程序對應一個進程。一個進程又可以包含多個并發的線程，同時系統也可以將進程作為主線程來調度。多線程同步把多個機器人看作進程中的多個線程，執行多個任務，通過主線程的調度，實現多任務的同時動作，從而實現多機器人同步[2-4]。

近些年來，機器人技術研究已經取得了豐富研究成果。仿人Nao機器人的研究主要集中于基于Kinect的體感研究、動態穩定控制和機器人導航等方面。

針對Nao機器人的同步啟動研究也取得了進展。方法一：使用一臺機器人作為主機，將剩余機器人作為從機，由主機向從機發送命令，但由于該方法為點對點通訊，導致同步性不高；方法二：通過時鐘的某一設定值完成同步啟動，雖然肉眼基本同步，但由于每個機器人內的內部時鐘有著幾秒甚至幾分鐘的誤差，導致無法調整的誤差。文獻[5]中利用socket套接字編程，以一臺PC作為主機，廣播向多個機器人發送指令，實現了良好的實時同步效果，但同步動作還存在一定的穩定性不足問題。

本文將Nao機器人與多線程方法相結合，多個線程（即多個任務）并發運行，實現了多個Nao機器人的同步啟動。該方法對機器人數量沒有限制，通過主機PC控制，使多個Nao機器人實現精確啟動，穩定可靠。

1 方案設計

本文采用兩種方法來研究Nao機器人的同步啟動問題。方法一是利用NAO機器人自帶圖形化界面軟件Choregreaphe。以聲音信號為觸發信號來啟動多個機器人。即當機器人獲得某一指定聲音信號后，啟動并觸發機器人系統中的某個程序使機器人作出指定動作，如圖2、圖3所示。

Nao端的指令盒主要程序如下：

運用這種方法，機器人數量少時可以實現同步啟動。但是當機器人數量增多，或是機器人間隔增大以及人的位置變化，實驗結果顯示其動作同步性并不穩定，并且無法對其誤差進行調整，實驗效果并不理想。

方法二是利用圖4所示的網絡結構來對多個NAO機器人來進行控制，利用無線局域網實現多個機器人的同時啟動。圖中通用PC和NAO機器人都代表了網絡中的任意節點，因此其中的數量N是不確定的，可以為任意整數，即可以控制任意數量的機器人系統。

在多線程同步編程中，線程同步方法主要包含鎖、信號量和事件。本文采用event事件方式實現python多線程同步，一個線程可以發送信號，其它線程接收到信號后執行操作。Event內部包含了一個標志位，初始為false，使用set（）來將其設置為true，或者使用clear（）將其重新設置為false，is_set（）可以檢查標志位的狀態，當標志位置為true時，將各個客戶端的ip地址加入線程列表，通過服務端發送消息給各個IP地址，實現多個客戶端的線程同步。

以threading多線程編程為基礎，將一臺PC端作為主機，命令的發送端，而每一個NAO機器人即代表一個thread線程，從PC端接收動作指令后動作，其主要Python流程，如圖5、圖6所示。

通過以上程序，無線局域網中的各個NAO機器人開啟后，以待機姿勢等待PC端指令，按下回車后，機器人同時運行站立起來，并完成各個相同動作，經過多次試驗后，證明該方法準確有效，同時啟動時間一致并且后續動作也統一整齊。

2 實驗驗證及分析

實驗主要測試其語音和動作兩個方面的同步性，PC端是以Windows系統為平臺，首先測試同步啟動的動作同步性，如圖7所示。

實驗證明，基于多線程的軟件編程方法可以實現較為穩定的動作同步性；通過實驗，同樣，聲音也具有較好的同步性。

基于Python的多線程同步編程，實現多個NAO機器人的同時啟動，是將來實現智能化人形機器人協同的基礎，是機器人協同控制研究的良好開端，基于多線程同步的控制方法較為簡便和穩定。

3 結語

本文將多線程與NAO機器人相結合，研究多臺Nao機器人的同步啟動問題。在集體表演中多機器人同步是必須解決的重點和難點。針對這一問題，通過兩個方法對比驗證，即利用NAO機器人自帶圖形化界面軟件Choregreaphe，以聲音信號為觸發信號來啟動多個機器人和在無線局域網內將一臺PC端作為主機，通過多線程同步來控制多個Nao機器人。實驗結果最終證明基于多線程的同步啟動方法最為穩定有效。基于此研究結果，后續將對多機器人協同作進一步研究。

參考文獻：

[1]程俊波.基于java多線程的實時數據庫系統[J]. 網絡安全技術與應用， 2016（10）：67-68.

[2]陳寧，程磊，王永驥.基于多線程同步的多機器人協調技術和實現 [A].中國人工智能學會第十屆全國學術年會論文集 ， 2003：923-926.

[3]丁一恒，李志宏，賈蘋.基于 Windows2000 的多線程串行通信技術[J]. 武漢理工大學學報： 交通科學與工程版， 2003， 27（1）：109-111.

[4]JIM BEVERIDGE.Multithreading applicationsin Win32[M].侯捷，譯.武漢：華中科技大學出版社，2012：26-27

[5]高帥， 楊翊坤， 周曉萌， 等. NAO機器人迎賓與多臺同時啟動設計方案[J]. 企業技術開發， 2015， 34（11）：1-2.

（責任編輯：陳福時）

英文摘要Abstract：Multithreading software programming technology is used to study the problem about several Nao robots starting synchronously and achieve the goal of synchronous start of multi-robot. Firstly， basing on NAO robot， this paper applies multithreading synchronization technique to coordination control of several Nao robots which makes several robots start at the same time. Secondly， parallel tasks in multithreading make several robots perform their tasks simultaneously in the same system， which has stable synchronization. Finally， effectiveness and reliability of the method is proved by some actual experiments.

英文關鍵詞Key Words： NAO Robot； Multithreading； Starting Synchronously； Software Programming