一種移動機器人遙操作接口系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

　　0 引 言

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

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

　　基于遙操作平臺，設(shè)計了一種針對“喀嗎哆”機器人的人機接口系統(tǒng)。采用該人機接口系統(tǒng)進行了機器人室內(nèi)行走實驗。實驗表明，該人機接口系統(tǒng)方便靈活、可靠、人機接口系統(tǒng)顯示豐富生動，提供多種操作模式，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和實時顯示。

　　1 機器人人機接口系統(tǒng)

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

　　基于遙操作平臺和通信系統(tǒng)，遠方操作員通過人機接口將指令序列發(fā)送到機器人，機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)行機構(gòu)，再由執(zhí)行裝置來控制機器人的移動。同時機器人通過通信系統(tǒng)將其各種狀態(tài)和相關(guān)信息傳到遙操作平臺中，遠方操作員可以通過人機接口看到與機器人相關(guān)的信息。該設(shè)計實現(xiàn)的是與遙操作平臺相嵌的人機接口系統(tǒng)部分，即圖1中橢圓表示的部分。

　　2 設(shè)計與實現(xiàn)

　　該系統(tǒng)用到相關(guān)硬件設(shè)備如下：計算機(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、標準鍵盤1個、鼠標1個、SG-USB006E型賽諾方向盤一個。軟件有Borland C++Builder編譯環(huán)境。

　　人機接口系統(tǒng)操作過程見圖2。首先，開始之后系統(tǒng)初始化，檢測是否連接了方向盤。若檢測到方向盤，下面可有方向盤、鍵盤和鼠標模式可供選擇；若沒有檢測到方向盤，只可選擇鍵盤和鼠標模式。接著，判斷機器人狀態(tài)是否正常。若異常，則顯示異常警報，返回到開始；若正常，根據(jù)是否檢測到方向盤，則可在可選的操作模式中選擇一種或幾種操作模式。接著，可以通過已選模式操作機器人，同時接口系統(tǒng)將相應(yīng)速度和角度等數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，根據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，機器人最終可以完成各種相應(yīng)的動作。同時接口系統(tǒng)還可以實現(xiàn)機器人相應(yīng)信息的屏幕顯示和速度角度等信息的保存等。

　　該遙操作平臺提供的人機接口系統(tǒng)界面如圖3所示。若檢測到方向盤，并且在界面的控制菜單下選擇方向盤操作，則可以通過方向盤來操作機器人的移動。如果在界面的控制菜單下選用鼠標控制，可以點擊圖3“鍵盤操作面板”中的加速、前進、減速、左轉(zhuǎn)等按鈕來操作機器人。如果在界面的控制菜單下選用選擇鍵盤控制，則可以通過鍵盤上的快捷鍵來操作機器人。圖4中4個圓盤形控件相應(yīng)地顯示4個主動輪轉(zhuǎn)動的角度，圓盤形控件左邊的柱狀控件相應(yīng)地顯示了4個主動輪的速度，并將指令通過通信系統(tǒng)傳給機器人。左上角的區(qū)域還可以顯示機器人的仿真影像等。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器人的速度和角度信息，可以使機器人快速準確地進入到預(yù)定的速度和角度上。

　　實現(xiàn)此人機接口系統(tǒng)的全部程序代碼由一個總結(jié)構(gòu)和4個類組成，下面簡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、鍵盤和鼠標操作的事件，從而可實現(xiàn)對機器人移動的操作。
(3)void_ _fastcall TMainForm：：KeyCtrl(TOb-ject*Sender，charKey)：此函數(shù)主要完成對鍵盤操作的初步響應(yīng)。
(4)void_ _fastcall TMainForm：：Timer(TObject*Sender)：此函數(shù)主要完成對機器人實時狀態(tài)和方向盤、鍵盤和鼠標的操作的實時刷新，其刷新頻率可以在一定的范圍內(nèi)進行選擇。

　　2．2 四個類及其功能

(1)class CComPort。此類主要完成對數(shù)據(jù)存儲緩沖區(qū)的初始化、釋放和對緩沖區(qū)的讀和寫等。
(2)class CJoyStick。此類主要完成對方向盤數(shù)據(jù)的讀取，USB端口設(shè)備連接狀態(tài)，方向盤初始化，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或鼠標操作模式下，機器人自主完成一系列基本動作(前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止、加速、減速等)和幾個自定義動作(轉(zhuǎn)直角、原地自旋等)。
(4)class CWheel。此類主要實現(xiàn)自主模式下輪子的旋轉(zhuǎn)動作，包括每個輪的旋轉(zhuǎn)的具體速度和度數(shù)。

　　3 室內(nèi)行走實試驗

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

　　4 結(jié) 語

　　在此設(shè)計與實現(xiàn)了一種機器人的遙操作接口系統(tǒng)，操作員可以通過此接口系統(tǒng)成功地操作機器人。實驗結(jié)果證明，此遙操作接口系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：操作簡便，界面友好，安全性和可靠性強等。但是仍存在不足，如操作的實時性較差，還有待改進。