基于Android端的帶電作業機器人人機交互APP開發

中圖分類號：TP391.9 文獻標志碼：A

文章編號：2095-414X（2025）03-0065-06

0引言

帶電作業機器人[1-4是一種通過輪式移動實現輸電線故障檢測、診斷、維修的特種機器人，其輔助甚至代替人工進行輸電線路檢修作業，提高了作業效率，降低了作業人員勞動強度和作業危險性，對于電力系統的安全穩定運行具有重要意義和實際應用價值。由于機器人作業環境跨越大山、大河、森林等復雜的野外環境[5，傳統方式基于PC端7-8的控制基站不僅體積大、重量高、不方便攜帶，越來越難以適應機器人野外作業環境，同時已經成為制約機器人實用化水平的瓶頸問題之一，因此，亟需開發一種體積小、便于攜帶、操控方便，且能夠滿足野外機器人控制需求的控制終端，其對于機器人的實用化水平的提升，特別是解決野外環境下控制瓶頸問題就顯得尤為重要。

隨著智能設備和安卓操作系統的出現，人們可以使用功能更豐富、操作更簡單，攜帶更方便的設備，當前，Android操作系統的占有率已經達到 50% 以上，由此可見，Android操作系統具有廣闊的發展前景[9-10]。將安卓端應用于機器人控制終端開發是一種發展趨勢，相較于傳統的基于PC端實現的交互系統而言，基于Android端的帶電作業機器人人機交互系統具有3個明顯的優勢[1-12]： ① 遠程監控。這是Android端最具代表性的優勢，可以通過Android手機或者平板實時查看機器人的運動信息并且提供簡潔明了的可視化人機交互界面。 ② 靈活調參。可以在Android手機或者平板上靈活改變控制參數，不需要在MCU上重復編程，這樣就大大降低了控制系統的硬件設計成本，同時Android端還可以直接執行具有繁雜計算量的工作。 ③ 通用性強。基于Android端的帶電作業機器人人機交互系統對于其他的機器人交互系統具有極強的通用性，可以很容易地擴展或者移植并進行二次開發，因此，將安卓端應用于機器人控制終端[13-15]具有較好的可行性。

綜上所述，通過分析機器人的作業控制需求，并結合安卓端控制上的優勢，本文提出了一種基于Android端的末端可重構帶電作業機器人人機交互系統。該系統不僅具有Android平臺遠程監控、靈活調參和通用性強三大優勢，通過設計開發的機器人控制APP能夠滿足作業控制需求。相比于傳統的地面PC基站控制模式，用戶只需要通過方便的攜帶手機、平板等控制終端設備即可實現機器人系統的遠程雙向控制，大大減輕了PC端基站在野外復雜環境下的搬運成本，整體上提升機器人作業效率和實用化水平。

1帶電作業機器人人機交互系統總體架構

本文以國家電網湖南省電力公司研制的帶電作業機器人為控制對象，基于AndroidStudio開發平臺開發末端可重構帶電作業機器人的人機交互系統，實現用Android智能手機控制帶電作業機器人完成行走、夾緊、伸縮、縱移、旋轉等指定任務，并最終實現遠程控制。基于Android端的末端可重構帶電作業機器人人機交互系統的結構圖如圖1所示，從圖中可以看到，整個人機交互系統由帶電作業機器人本體和Android端控制平臺兩部分組成，前者由控制箱、裝有螺栓固定裝置和W銷推送裝置的3-DOF的1臂和裝有擰螺母裝置和絕緣子串更換裝置的4-DOF的2臂構成。為實現本體運動機構的控制功能、操控的方便及界面的友好，在設計安卓端控制界面時可采取主界面和分界面的形式，其中主界面涵蓋運動控制界面、運動信息界面和關鍵狀態界面，通過內置鏈接分別轉向相應的分界面，從而避免了所有功能過于集中及操控的復雜性，機器人本體和控制終端通過局域網、WIFI或者藍牙進行通訊，當Android端控制平臺發出指令后，帶電作業機器人會做出相應的執行動作，同時機器人在線上的運行和作業狀態及關鍵參數也可以實時傳送至控制終端。

2機器人人機交互平臺Android開發環境的搭建

2.1Android系統開發工具的選擇

為實現機器人安卓端控制平臺開發首先需要搭建相關的開發環境，本文使用集成式AndroidStudio作為末端可重構帶電作業機器人人機交互系統的軟件開發工具。首先，配置好Java軟件開發工具包JDK，準備好谷歌提供的Android開發工具包AndroidSDK。最后，創建一個Android模擬器來運行編寫的程序，本文選擇的模擬器是基于Android9.0的分辨率為 1080^*2160 的Pixel3。當編寫好該帶電作業機器人人機交互系統的程序時，編譯無錯誤以后，點擊運行就可以在剛剛創建好的模擬器上面看到軟件的界面顯示，AndroidStudio開發界面如圖2（見下頁）所示。

2.2Android程序的總體結構

本文設計的Android端控制系統作為系統上位機控制，主要負責提供下位機的實時運行數據監控，給下位機發送控制命令。末端可重構帶電作業機器人本體是以單片機為中央控制器來控制的，單片機端軟件控制系統作為系統的下位機控制末端可重構帶電作業機器人控制系統，負責直接控制控制箱的運動，執行上位機的控制命令。兩個系統實時交互信息，用無線藍牙傳輸方式打通兩個系統之間的通道。

本應用程序使用到了兩個Android開發組件，其一是活動（Activity），其二是服務（Service）。Activity包括了整個應用程序各種用戶界面的組件，控制著整個應用運行狀態。Service為應用程序提供后臺服務，與前臺Activity交換信息，執行任務并返回結果。由于前述主體設計中，安卓控制終端按照主界面和分界面的設計模式，因此，本應用程序有四個Activity，即MainActivi-ty、Motion_Control、Motion_Inf和Key_State，分別對應主活動、運動控制、運動信息和關鍵狀態。

圖3（a）是AndroidStudio下的工程目錄上半部分。其中MainActivity是應用程序的主活動，用于顯示人機交互系統的主界面；Motion_Control是應用程序的機器人運動控制子活動，用于顯示人機交互系統機器人行走、夾緊、雙臂的伸縮縱移旋轉以及系統的停止等運動控制的界面；Motion_Inf是應用程序的運動信息子活動，用于顯示人機交互系統機器人雙臂的狀態、刷新信息與狀態顯示等運動信息的界面；Key_State是應用程序的關鍵狀態子活動，用于顯示人機交互系統各個關鍵狀態與電壓、電流等參數的界面。layout文件下的activity_main.xml、motion_control.xml、motion_infl.xml和key_state.xml分別為MainActivity活動、Motion_Con-trol活動、Motion_Inf活動和Key_State活動對應的布局文件，所有UI布局以及控件的調用等都要在各自的布局文件里面更改。圖3（b）是AndroidStudio下的工程目錄下半部分。其中values目錄下的colors.xml是顏色設置資源文件，用于給指定顏色命名。dimens.xml是尺寸定義資源文件，用于設置不同的分辨率。ids.xml用于定義唯一的項目資源的名稱也就是 ID 。strings.xml是用于存儲字符串的字符串資源文件。themes.xml是一個自定義的主題樣式資源文件，可用于更改主題。AndroidManifest.xml是Android程序的配置文件。所有活動都需要在其中注冊才能生效。

3Android端帶電作業機器人人機交互平臺界面設計

3.1Android機器人主頁面的設計

根據主界面和分界面設計原則，Android軟件的主界面如圖4所示，在AndroidStudio的編程環境中，主界面的最外層引用了一個約束布局Constraintlayout，之所以選用Constraintlayout是因為相較于其他的布局而言，它有幾個非常明顯的優點。其一是可以配合布局編輯器，提升效率；其二是有更好的屏幕適配；其三是可以很方便地解決由于一些子布局嵌套過多而引起的系統性能問題；其四是添加動畫效果更加簡單；最后是支持代碼布局控件。機器人主界面是由一個AppBarLayout和三個Button控件組成的。其中在AppBarLay-out這個布局里嵌套了一個title和一個tabLayout，前者title是用來定義整個應用程序的名稱即“帶電作業機器人人機交互系統”，后者tabLayout是一個頁面切換的布局，里面加入了三個TabItem分別對應運動控制、運動信息、關鍵狀態這三個分界面。也可以通過點擊下方的三個按鈕來進入三個分界面。

SeekBar控件和4個RadioButton控件，以實現機器人所有控制功能。最上面是電機控制方式的選擇控件，可以根據作業任務的需要選擇是進行絕緣子更換還是松緊螺栓。下面緊挨著的是速度環模式和位置環模式的選擇，前者可以選擇本文設計的末端可重構帶電作業機器人在輸電線路上的行駛速度，后者可以指定行駛的距離。電機控制模塊剩下的10個按鈕可以分別用來控制該機器人的行走、夾緊、雙臂的伸縮縱移旋轉、2臂的橫移以及停止。再往下是絕緣子更換和擰螺栓作業臂模塊，前者提供的兩個按鈕可以讓作業人員選擇夾持機構或者拔插W銷，后者提供了一個按鈕進行擰螺栓機構的控制。Android軟件運動控制界面如圖5所示。

3.3Android機器人運動信息界面的設計

為實現機器人所有運動關鍵狀態的在線監控，需要選用合適的控件以滿足所以關節運動狀態的監控功能，因此，在Android軟件機器人運動信息界面的編程代碼中，定義了3個Button控件、5個TextView控件、24個RadioButton控件和1個ImageView控件。左上兩個模塊是臂1與臂2的狀態控制，可以通過點擊單選框選擇進行臂的橫移前或后、伸縮上或下、旋轉前或后以及縱移內或外。左下兩個模塊分別控制著絕緣子更換和行走與擰螺栓，前者也可以通過點擊單選框選擇碗頭內或外、夾爪開或合、W1與W2的推或拉，后者可以選擇奇或偶的松開。右半部分是機器人運動信息的顯示控制，通過點擊3個按鈕可以分別在下面的方框中刷新信息與狀態的顯示、以及關閉機器人程序。Android軟件機器人運動信息界面如圖6所示。

3.2Android機器人運動控制界面的設計

在Android軟件運動控制界面的編程代碼中，由于需要滿足機器人機械臂及末端所有動作的控制需求，因此，定義了13個Button控件、5個TextView控件、2個

4系統作業實驗

3.4Android機器人關鍵狀態界面的設計

為實現機器人所有關節關鍵狀態的在線監控，需要選用合適的控件以滿足所有關鍵運動狀態的監控功能。因此，在Android軟件關鍵狀態界面的編程代碼中，定義了3個Button控件、21個TextView控件、1個RadioButton控件、1個CheckBox控件、1個ProgressBar、1個EditTextNumberDecimal控件。最上面的是通信模塊，可以點擊按鈕連接機器人。下面的電源控制模塊可以顯示電池的電壓，通過點擊刷新按鈕可以立即開始刷新，下面還有一個進度條用來顯示刷新的進度。接著是電源開關模塊，可以通過點擊按鈕實現對電源的控制。最后是電流設定模塊，可以顯示W1與W2的電流大小以及其他一系列的參數。Android軟件關鍵狀態界面如圖7所示。

為測試本文所設計開發的控制終端，首先導出Android安裝包APK文件，并下載到安卓智能手機或者安卓平板上。通過人機交互系統的WIFI模塊將該末端可重構帶電作業機器人與安卓手機端進行通訊，并將機器人的運動信息與關鍵參數發送給安卓手機端；同時，安卓手機端可以發回控制信號給機器人，機器人根據收到的信號來執行相應的指令，可以使其行走、夾緊、伸縮、縱移、旋轉等來完成螺栓緊固或者絕緣子更換的作業任務。圖8所示為機器人樣機在輸電線路進行現場帶電作業實驗。在整個帶電作業任務過程中，雙機械臂以及臂上的裝置根據預先設計的作業路線，有序地進行螺栓緊固或者絕緣子更換。在此作業實驗的過程里，雙機械臂的伸縮、縱移和旋轉等關節按照Android端作業人員的指令，有條不紊地執行相應的操作，雙機械臂的運動準確地按照預設的要求執行相應動作，驗證了本文設計的基于Android端的末端可重構帶電作業機器人人機交互系統的完全可行。因此，根據上述作業實驗，基于Android端的末端可重構帶電作業機器人人機交互系統不僅具有Android端平臺遠程監控、靈活調參和通用性強三大優勢，還豐富了機器人的末端功能，能夠進行螺栓緊固和絕緣子更換兩大功能，實現了一機多用，提高了作業效率，更重要的便攜式的安卓端操控模式能夠很好的適應機器人野外環境下的作業控制，提升機器人的實用化水平。

5結論

（1針對傳統PC端控制的帶電作業機器人人機交互平臺存在的一些缺陷，本文提出了一種基于安卓端的機器人人機交互平臺新型分層控制體系架構。

（2）基于安卓端的開發軟件，分別設計了帶電作業機器人的人機交互控制主界面，運動控制界面，運動信息界面，關鍵狀態界面，實現機器人的集成與分散控制。

（3）通過物理樣機在現場帶電作業線路上的測試實驗，表明基于安卓端的機器人控制能夠滿足帶電作業要求，同時具有便攜式、操控方便、界面友好等顯著優點。

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Abstract：Liveokingobotsaeusedtoasistoreveeplacemanalnemaintenanceoperatiosinig-vageandstrogelectrog neticinterferecetrasmionlineeiroentssoastosurethsaeandstableoperatiooftepowersye.Covento puterinteractioncontrolofliveokingobtsisthepremiseoffexileolioperatioofrobotsTetaditionalPCbasedcotolode cannotadapttothefieldperationcontrolofrobotsBasedontis，tspaperproposesadevelopmentmethodofuman-computerterac tionAPPsystemforliveworkingrobotsbasedonAndroidplatformThemaininterfaceofrobothuman-machineinteractionandtreinter facesfotiotrolotioaiateidspeielyditefcdtece sociated.Thenareelotisutiddeadeloptonttc tionAPKfileoflikinotisgenatedderogaisstaleddtstedyrtingittdroidfosls showthatthedevelopedhuman-computerinteractionsystemcanralizethewirelessremotecontroloftherobotinthefieldevironment， andthecommunatiodistaecamttedofteobtcotrol.Finallteaplicatioexpintoftobotineeldseis cariedut.Thfieldaplicatiesultsstateoolinaltrasmissoisable，teobtmovssmoolydsmolyeu man-computerinteractionsystembasedonAndroidastheoviousadvantagesoffriendlyinterface，easytocarrandeasytooperate whichsolvesmanyinconveniencesoftePCcontrolmodeinthefieldenviroment，andimproves thepracticallevelofthoboste. Keywords：Android platform; livework; robot;APK file;portable

（責任編輯：田媛苑）