一種移動(dòng)機(jī)器人遙操作接口系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　0 引 言

　　遙操作就是遠(yuǎn)距離操作，是在遠(yuǎn)方人的行為動(dòng)作遠(yuǎn)距離作用下，使事物產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)變化。遙操作是一種基礎(chǔ)技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，如機(jī)器人領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域、基礎(chǔ)科學(xué)試驗(yàn)、核工程、海底與遠(yuǎn)洋作業(yè)等。遙操作技術(shù)使移動(dòng)機(jī)器人到達(dá)艱險(xiǎn)的環(huán)境，通過(guò)機(jī)器人完成特定的任務(wù)，從而可以使人遠(yuǎn)離艱險(xiǎn)的工作環(huán)境。因此，研究遙操作技術(shù)意義深遠(yuǎn)。

　　機(jī)器人在物理空間上，可以實(shí)現(xiàn)人類感知能力和行為能力的延伸；在信息層次上將遠(yuǎn)端的移動(dòng)機(jī)器人與操作人員無(wú)形連接在一個(gè)閉環(huán)回路里，實(shí)時(shí)地控制遠(yuǎn)端移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，以最大限度地利用遠(yuǎn)近端設(shè)備、資源和遙操作者的智力、經(jīng)驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)資源的最佳配置，完成特定的任務(wù)。人機(jī)接口系統(tǒng)就是通過(guò)什么樣的方式來(lái)發(fā)送控制指令和進(jìn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的反饋，是移動(dòng)機(jī)器人中一項(xiàng)重要的技術(shù)。

　　基于遙操作平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)“喀嗎哆”機(jī)器人的人機(jī)接口系統(tǒng)。采用該人機(jī)接口系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)器人室內(nèi)行走實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，該人機(jī)接口系統(tǒng)方便靈活、可靠、人機(jī)接口系統(tǒng)顯示豐富生動(dòng)，提供多種操作模式，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)顯示。

　　1 機(jī)器人人機(jī)接口系統(tǒng)

　　一種柔性結(jié)構(gòu)的四輪式移動(dòng)機(jī)器人，其信息傳送示意圖如圖1所示。

　　基于遙操作平臺(tái)和通信系統(tǒng)，遠(yuǎn)方操作員通過(guò)人機(jī)接口將指令序列發(fā)送到機(jī)器人，機(jī)器人接收并編譯指令，并且把編譯之后的指令發(fā)送到相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，再由執(zhí)行裝置來(lái)控制機(jī)器人的移動(dòng)。同時(shí)機(jī)器人通過(guò)通信系統(tǒng)將其各種狀態(tài)和相關(guān)信息傳到遙操作平臺(tái)中，遠(yuǎn)方操作員可以通過(guò)人機(jī)接口看到與機(jī)器人相關(guān)的信息。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的是與遙操作平臺(tái)相嵌的人機(jī)接口系統(tǒng)部分，即圖1中橢圓表示的部分。

　　2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　該系統(tǒng)用到相關(guān)硬件設(shè)備如下：計(jì)算機(jī)(P4 1．8 G、512 MB內(nèi)存、USB端口、Windows XP操作系統(tǒng)、Di-reetX 9．0版本)1臺(tái)、標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)1個(gè)、鼠標(biāo)1個(gè)、SG-USB006E型賽諾方向盤(pán)一個(gè)。軟件有Borland C++Builder編譯環(huán)境。

　　人機(jī)接口系統(tǒng)操作過(guò)程見(jiàn)圖2。首先，開(kāi)始之后系統(tǒng)初始化，檢測(cè)是否連接了方向盤(pán)。若檢測(cè)到方向盤(pán)，下面可有方向盤(pán)、鍵盤(pán)和鼠標(biāo)模式可供選擇；若沒(méi)有檢測(cè)到方向盤(pán)，只可選擇鍵盤(pán)和鼠標(biāo)模式。接著，判斷機(jī)器人狀態(tài)是否正常。若異常，則顯示異常警報(bào)，返回到開(kāi)始；若正常，根據(jù)是否檢測(cè)到方向盤(pán)，則可在可選的操作模式中選擇一種或幾種操作模式。接著，可以通過(guò)已選模式操作機(jī)器人，同時(shí)接口系統(tǒng)將相應(yīng)速度和角度等數(shù)據(jù)寫(xiě)入緩沖區(qū)，根據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，機(jī)器人最終可以完成各種相應(yīng)的動(dòng)作。同時(shí)接口系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人相應(yīng)信息的屏幕顯示和速度角度等信息的保存等。

　　該遙操作平臺(tái)提供的人機(jī)接口系統(tǒng)界面如圖3所示。若檢測(cè)到方向盤(pán)，并且在界面的控制菜單下選擇方向盤(pán)操作，則可以通過(guò)方向盤(pán)來(lái)操作機(jī)器人的移動(dòng)。如果在界面的控制菜單下選用鼠標(biāo)控制，可以點(diǎn)擊圖3“鍵盤(pán)操作面板”中的加速、前進(jìn)、減速、左轉(zhuǎn)等按鈕來(lái)操作機(jī)器人。如果在界面的控制菜單下選用選擇鍵盤(pán)控制，則可以通過(guò)鍵盤(pán)上的快捷鍵來(lái)操作機(jī)器人。圖4中4個(gè)圓盤(pán)形控件相應(yīng)地顯示4個(gè)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，圓盤(pán)形控件左邊的柱狀控件相應(yīng)地顯示了4個(gè)主動(dòng)輪的速度，并將指令通過(guò)通信系統(tǒng)傳給機(jī)器人。左上角的區(qū)域還可以顯示機(jī)器人的仿真影像等。右上角的“操作設(shè)備輸入數(shù)據(jù)顯示”面板中可直接輸入機(jī)器人的速度和角度信息，可以使機(jī)器人快速準(zhǔn)確地進(jìn)入到預(yù)定的速度和角度上。

　　實(shí)現(xiàn)此人機(jī)接口系統(tǒng)的全部程序代碼由一個(gè)總結(jié)構(gòu)和4個(gè)類組成，下面簡(jiǎn)要地介紹一下它們的代碼和功能。

　　2．1 總結(jié)構(gòu)中的主要函數(shù)

(1)_fast call TMainForm：：TMainForm(TCom-ponent*Ownetr)：此函數(shù)主要完成機(jī)器人部分初始化和狀態(tài)選擇。
(2)void_ _fastcall TMainForm：：Event(TObject*Sender)：此函數(shù)主要響應(yīng)方向盤(pán)、鍵盤(pán)和鼠標(biāo)操作的事件，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人移動(dòng)的操作。
(3)void_ _fastcall TMainForm：：KeyCtrl(TOb-ject*Sender，charKey)：此函數(shù)主要完成對(duì)鍵盤(pán)操作的初步響應(yīng)。
(4)void_ _fastcall TMainForm：：Timer(TObject*Sender)：此函數(shù)主要完成對(duì)機(jī)器人實(shí)時(shí)狀態(tài)和方向盤(pán)、鍵盤(pán)和鼠標(biāo)的操作的實(shí)時(shí)刷新，其刷新頻率可以在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。

　　2．2 四個(gè)類及其功能

(1)class CComPort。此類主要完成對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)緩沖區(qū)的初始化、釋放和對(duì)緩沖區(qū)的讀和寫(xiě)等。
(2)class CJoyStick。此類主要完成對(duì)方向盤(pán)數(shù)據(jù)的讀取，USB端口設(shè)備連接狀態(tài)，方向盤(pán)初始化，設(shè)置數(shù)據(jù)格式，清除數(shù)據(jù)，釋放空間等操作。
(3)class CKamado。此類主要完成在鍵盤(pán)或鼠標(biāo)操作模式下，機(jī)器人自主完成一系列基本動(dòng)作(前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止、加速、減速等)和幾個(gè)自定義動(dòng)作(轉(zhuǎn)直角、原地自旋等)。
(4)class CWheel。此類主要實(shí)現(xiàn)自主模式下輪子的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，包括每個(gè)輪的旋轉(zhuǎn)的具體速度和度數(shù)。

　　3 室內(nèi)行走實(shí)試驗(yàn)

　　基于上述遙操作接口系統(tǒng)，進(jìn)行了多次機(jī)器人室內(nèi)行走試驗(yàn)。人機(jī)接口系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：用3種操作模式操作機(jī)器人的移動(dòng)，對(duì)機(jī)器人的速度角度進(jìn)行預(yù)置，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行狀態(tài)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。機(jī)器人可以根據(jù)遙操作接口發(fā)送的指令，安全穩(wěn)定、可靠地實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、速度角度預(yù)置、原地旋轉(zhuǎn)、爬坡等運(yùn)動(dòng)。

　　4 結(jié) 語(yǔ)

　　在此設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一種機(jī)器人的遙操作接口系統(tǒng)，操作員可以通過(guò)此接口系統(tǒng)成功地操作機(jī)器人。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，此遙操作接口系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，界面友好，安全性和可靠性強(qiáng)等。但是仍存在不足，如操作的實(shí)時(shí)性較差，還有待改進(jìn)。