基于B/S架構的服務型機器人遠程操控系統研究

孫楠錢 程王穎 柴文君 李淑敬

摘? ?要：文章針對服務機器人遙控軟件難以跨平臺的問題，設計和開發了一種基于B/S架構的遠程操控系統。針對通信協議的差異導致通信障礙問題，文章引入網關程序進行協議轉換，從而實現網頁前端與機載程序之間的通信，并將網頁前端的部分業務邏輯交由網關程序實現，使得操控性能得以優化。測試結果表明：該方案實現了PC端和手機端用網頁對服務機器人進行可視化操控，基于B/S的遠程操控系統對于其他機器人相關程序的設計和開發具有重要的借鑒意義。

關鍵詞：遠程操控;服務型機器人;瀏覽器和服務器架構

隨著計算機科學、人工智能和智能感知等技術的迅速發展，服務型機器人不再局限于實驗室，而不斷地出現在企業中、社會中和家庭生活的方方面面，為人類的工作和生活提供了更為全面和便捷的服務[1]，比如餐廳中會按照設定好的路線行走的送餐[2]機器人[3]，在疾病監測、輔助康復等領域有重要輔助作用的智能助老服務機器人[4]等。

1? ? 系統介紹

本系統計劃通過瀏覽器和服務器（Browser/Server，B/S）架構實現了利用網頁對服務型機器人的遠程控制。首先，用戶在網頁前端通過點擊按鈕向網關程序發送控制命令;其次，網關程序接收并處理控制命令，同時發送給網頁前端一個回令，并且對機器人服務程序發送控制指令;最后，機器人服務程序接收控制指令后調用底層驅動應用程序編程接口（Application Programming Interface，API）來驅動機器人做出相應動作。以此完成網頁對服務型機器人的遠程控制。

2? ? 對服務型機器人進行方案選擇

2.1? 基于C/S架構的命令控制方案

首先，用戶利用網絡調試程序與機器人機載程序建立網絡連接;其次，通過其發送命令給機器人機載程序。機器人機載程序對接收到的命令進行解析、執行，并做出一系列的動作。這種方法可以不需要單獨開發客戶端軟件，但是對于無基礎的用戶而言操作較難，不便于用戶的使用和市場的推廣，所以本系統不采用此方案。

2.2? 基于C/S架構的圖形界面控制方案

用戶使用圖形化的客戶端軟件，通過點擊界面上的操控按鈕對服務型機器人進行操控。這種面向大眾用戶的圖形界面程序簡單、易用，更加有利于無基礎用戶的操作，但是由于軟件在不同設備、不同操作系統下不兼容，導致客戶端軟件對運行平臺有一定限制。若想解除這種限制，就要為每個平臺單獨開發客戶端軟件，導致開發難度增加，所以本系統不采用此方案。

2.3? 基于B/S架構的網頁控制方案

用戶通過網頁瀏覽器打開前端網頁，點擊網頁中的控制按鈕，前端就會發送命令給機器人機載程序，進而控制機器人做出相應動作。這種方案既易于操作，又沒有運行平臺的限制，PC端和移動端都能使用。所以本系統采用此方案進行開發設計。

3? ? 服務型機器人整體介紹

3.1? 服務型機器人實驗平臺

3.1.1? 啟明1服務機器人

啟明1服務機器人是一款面向服務型應用的機器人平臺，其從上到下分別是Kinect立體相機、可以升降的脊柱、二自由度的機械臂和一個機械爪、UST-20LX激光雷達、3個萬向輪組成的移動底盤。

3.1.2? 機器人軟件平臺

機器人實驗平臺的框架如圖1（a）所示。機器人內部有一個Windows8操作系統的電腦作為機器人軟件的運行環境，名為WPRobotServer.exe的機器人服務程序是用來控制機器人的1個開源程序，可以調用機器人底層驅動API。控制電路能夠接收并解析主控電腦發來的指令，并控制硬件進行各種動作。

3.2? 對服務型機器人遠程界面化操控功能的分析

本文對實現服務型機器人遠程界面化操控分為瀏覽器和機載電腦兩大部分。其中，機載電腦軟件部分由網關程序和機器人服務程序兩大部分組成，用于解析命令傳達控制指令，如圖1（b）所示。具體流程如下：

（1）在瀏覽器的網頁前端界面中點擊操作按鈕，會通過WebSocket協議向機載電腦的網關程序發送控制命令。

（2）網關程序接收到控制命令后，會通過WebSocket協議向網頁前端發送回令。

（3）網關程序會解析控制命令，然后將解析后的控制指令通過用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP）發送給機器人服務程序，同時機器人服務程序實時向網關程序發送機器人狀態信息。

（4）機器人服務程序實現對服務型機器人遠程界面化的操控。

（a）機器人的軟硬件框架

（b）服務型機器人遠程界面化操控流程

3.3? 服務型機器人中Web瀏覽器的界面設計

本系統對服務型機器人遠程操控界面的設置，采用HTML+CSS+JS搭建一個網頁，其網頁操控界面如圖2所示。服務型機器人操作按鈕放在相關的位置，點擊操控按鈕來控制機器人，當點擊Web服務端命令按鈕時，會將網頁前端程序以用戶控制信息形式發送給網關程序，再由網關程序將確認接收到以用戶控制信息的狀態發送給Web前端，最后由網頁前端在文本框中顯示。

3.4? 網關程序對用戶控制信息的處理

3.4.1? 對用戶控制信息進行解析

網關程序接收到網頁前端發送的命令，按照圖3機器人控制命令格式匹配表，將用戶控制命令按空格拆分，拆分出的第一個單詞為命令，其余的單詞即為參數，按參數個數分為無參數命令、單參數命令、雙參數和多參數命令。無參數命令與無參數命令表匹配，單參數命令與單參數命令表匹配，雙參數命令和多參數命令同理。如果匹配成功，則解析成功，相反則解析失敗。

3.4.2? 執行解析后的命令

將命令和參數如表1—2所示，封裝成指令通過UDP協議發送給機器人服務程序。同時，網關程序會將命令執行情況匯報給Web前端。

3.5? 機器人服務程序識別控制指令

機器人服務程序接收到網關程序發送而來的指令，然后按照表1—2中的指令格式，對數據報進行處理：首先，根據用戶數據報信息，對機器人服務程序指令進行解析;其次，根據解析結果調用機器人底層驅動來控制機器人實現相應動作。

3.6? 對服務型機器人遠程界面化操控功能的測試測試人員對項目進行功能測試，時序如圖4所示。

3.6.1? 點擊“前進”按鈕

（1）測試人員通過電腦PC端打開網頁前端后，再點擊“前進”命令按鈕。

（2）網頁前端會將控制命令以用戶控制信息（{“notice”：“go forward 500”}）通過WebSocket協議發送給網關程序。

（3）當網關程序接收到用戶控制信息時，會通過WebSocket協議發送給網頁前端一個回令（{“respond”：“直走 500”}）到網頁前端顯示，同時，網關程序會對控制指令按照機器人服務程序指令格式進行封裝，封裝后的控制指令（0x55aa000703000001f40000fe00）通過UDP協議發送給機器人服務程序。

（4）機器人服務程序通過調用底層驅動API來控制機器人向前前進500個單位距離。

3.6.2? 點擊“停止”按鈕

（1）測試人員通過電腦PC端打開網頁前端后，再點擊“停止”命令按鈕。

（2）網頁前端會將控制命令以用戶控制信息（{“notice”：“stop”}）通過WebSocket協議發送給網關程序。

（3）當網關程序接收到用戶控制信息時，會通過WebSocket協議發送給網頁前端一個回令 （{“stop”：“停止了”}）到網頁前端顯示。同時，網關程序會對控制命令按照機器人服務程序指令格式進行封裝，封裝后的控制指令（0x55aa0007030000000000000900）通過UDP協議發送給機器人服務程序。

（4）機器人服務程序調用底層驅動API來控制機器人，機器人正在進行的所有動作將停止運動。

至此，以go forward 500和stop控制命令為例的來測試服務型機器人遠程界面化操控成功實現。

4? ? 結語

本系統通過B/S架構實現網頁對服務型機器人的遠程界面化控制，用戶通過點擊界面的控制按鈕向網關程序發送控制命令。網關程序接收并處理控制信息，對機器人服務程序發送控制指令，并且同時向Web瀏覽器端發送一個回令。機器人服務程序接收控制指令，調用底層驅動API來控制機器人，驅動機器人做出相應動作。利用網頁對服務型機器人運動底盤模塊、機械臂模塊、語音模塊進行相關操控，從而控制機器人實現移動、語音、站立以及播放音樂等應用功能。

本系統的創新性在于將基于統一局域網內客戶端操控轉變為基于網頁端操控，使得原本只能在某一平臺上才能對服務型機器人進行操控轉換為可在多個操作系統上對服務型機器人進行操控，既保留了程序客戶端的遠程操控界面可視化，又減少了程序對其所搭載的平臺的依賴性，節約了跨平臺開發的成本。

[參考文獻]

[1]于海旭.服務機器人的發展動態與趨勢分析[J].機械設計與制造工程，2016（5）：68-70.

[2]李澤琛，石付才.基于STC89C52單片機的智能送餐機器人設計與實現[J].電子技術與工程，2016（18）：264.

[3]天津商業大學.循跡送餐機器人，中國：201510296464.6[P].2015.

[4]金開軍，尚厚玉.人工智能技術在助老服務機器人中的應用研究[J].山東工業技術，2019（19）：140.