孫楠錢(qián) 程王穎 柴文君 李淑敬

摘? ?要：文章針對(duì)服務(wù)機(jī)器人遙控軟件難以跨平臺(tái)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了一種基于B/S架構(gòu)的遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)。針對(duì)通信協(xié)議的差異導(dǎo)致通信障礙問(wèn)題，文章引入網(wǎng)關(guān)程序進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)前端與機(jī)載程序之間的通信，并將網(wǎng)頁(yè)前端的部分業(yè)務(wù)邏輯交由網(wǎng)關(guān)程序?qū)崿F(xiàn)，使得操控性能得以優(yōu)化。測(cè)試結(jié)果表明：該方案實(shí)現(xiàn)了PC端和手機(jī)端用網(wǎng)頁(yè)對(duì)服務(wù)機(jī)器人進(jìn)行可視化操控，基于B/S的遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)對(duì)于其他機(jī)器人相關(guān)程序的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)具有重要的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程操控;服務(wù)型機(jī)器人;瀏覽器和服務(wù)器架構(gòu)

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能和智能感知等技術(shù)的迅速發(fā)展，服務(wù)型機(jī)器人不再局限于實(shí)驗(yàn)室，而不斷地出現(xiàn)在企業(yè)中、社會(huì)中和家庭生活的方方面面，為人類(lèi)的工作和生活提供了更為全面和便捷的服務(wù)[1]，比如餐廳中會(huì)按照設(shè)定好的路線行走的送餐[2]機(jī)器人[3]，在疾病監(jiān)測(cè)、輔助康復(fù)等領(lǐng)域有重要輔助作用的智能助老服務(wù)機(jī)器人[4]等。

1? ? 系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)計(jì)劃通過(guò)瀏覽器和服務(wù)器（Browser/Server，B/S）架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了利用網(wǎng)頁(yè)對(duì)服務(wù)型機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。首先，用戶在網(wǎng)頁(yè)前端通過(guò)點(diǎn)擊按鈕向網(wǎng)關(guān)程序發(fā)送控制命令;其次，網(wǎng)關(guān)程序接收并處理控制命令，同時(shí)發(fā)送給網(wǎng)頁(yè)前端一個(gè)回令，并且對(duì)機(jī)器人服務(wù)程序發(fā)送控制指令;最后，機(jī)器人服務(wù)程序接收控制指令后調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API）來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人做出相應(yīng)動(dòng)作。以此完成網(wǎng)頁(yè)對(duì)服務(wù)型機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。

2? ? 對(duì)服務(wù)型機(jī)器人進(jìn)行方案選擇

2.1? 基于C/S架構(gòu)的命令控制方案

首先，用戶利用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試程序與機(jī)器人機(jī)載程序建立網(wǎng)絡(luò)連接;其次，通過(guò)其發(fā)送命令給機(jī)器人機(jī)載程序。機(jī)器人機(jī)載程序?qū)邮盏降拿钸M(jìn)行解析、執(zhí)行，并做出一系列的動(dòng)作。這種方法可以不需要單獨(dú)開(kāi)發(fā)客戶端軟件，但是對(duì)于無(wú)基礎(chǔ)的用戶而言操作較難，不便于用戶的使用和市場(chǎng)的推廣，所以本系統(tǒng)不采用此方案。

2.2? 基于C/S架構(gòu)的圖形界面控制方案

用戶使用圖形化的客戶端軟件，通過(guò)點(diǎn)擊界面上的操控按鈕對(duì)服務(wù)型機(jī)器人進(jìn)行操控。這種面向大眾用戶的圖形界面程序簡(jiǎn)單、易用，更加有利于無(wú)基礎(chǔ)用戶的操作，但是由于軟件在不同設(shè)備、不同操作系統(tǒng)下不兼容，導(dǎo)致客戶端軟件對(duì)運(yùn)行平臺(tái)有一定限制。若想解除這種限制，就要為每個(gè)平臺(tái)單獨(dú)開(kāi)發(fā)客戶端軟件，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)難度增加，所以本系統(tǒng)不采用此方案。

2.3? 基于B/S架構(gòu)的網(wǎng)頁(yè)控制方案

用戶通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器打開(kāi)前端網(wǎng)頁(yè)，點(diǎn)擊網(wǎng)頁(yè)中的控制按鈕，前端就會(huì)發(fā)送命令給機(jī)器人機(jī)載程序，進(jìn)而控制機(jī)器人做出相應(yīng)動(dòng)作。這種方案既易于操作，又沒(méi)有運(yùn)行平臺(tái)的限制，PC端和移動(dòng)端都能使用。所以本系統(tǒng)采用此方案進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

3? ? 服務(wù)型機(jī)器人整體介紹

3.1? 服務(wù)型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3.1.1? 啟明1服務(wù)機(jī)器人

啟明1服務(wù)機(jī)器人是一款面向服務(wù)型應(yīng)用的機(jī)器人平臺(tái)，其從上到下分別是Kinect立體相機(jī)、可以升降的脊柱、二自由度的機(jī)械臂和一個(gè)機(jī)械爪、UST-20LX激光雷達(dá)、3個(gè)萬(wàn)向輪組成的移動(dòng)底盤(pán)。

3.1.2? 機(jī)器人軟件平臺(tái)

機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的框架如圖1（a）所示。機(jī)器人內(nèi)部有一個(gè)Windows8操作系統(tǒng)的電腦作為機(jī)器人軟件的運(yùn)行環(huán)境，名為WPRobotServer.exe的機(jī)器人服務(wù)程序是用來(lái)控制機(jī)器人的1個(gè)開(kāi)源程序，可以調(diào)用機(jī)器人底層驅(qū)動(dòng)API?？刂齐娐纺軌蚪邮詹⒔馕鲋骺仉娔X發(fā)來(lái)的指令，并控制硬件進(jìn)行各種動(dòng)作。

3.2? 對(duì)服務(wù)型機(jī)器人遠(yuǎn)程界面化操控功能的分析

本文對(duì)實(shí)現(xiàn)服務(wù)型機(jī)器人遠(yuǎn)程界面化操控分為瀏覽器和機(jī)載電腦兩大部分。其中，機(jī)載電腦軟件部分由網(wǎng)關(guān)程序和機(jī)器人服務(wù)程序兩大部分組成，用于解析命令傳達(dá)控制指令，如圖1（b）所示。具體流程如下：

（1）在瀏覽器的網(wǎng)頁(yè)前端界面中點(diǎn)擊操作按鈕，會(huì)通過(guò)WebSocket協(xié)議向機(jī)載電腦的網(wǎng)關(guān)程序發(fā)送控制命令。

（2）網(wǎng)關(guān)程序接收到控制命令后，會(huì)通過(guò)WebSocket協(xié)議向網(wǎng)頁(yè)前端發(fā)送回令。

（3）網(wǎng)關(guān)程序會(huì)解析控制命令，然后將解析后的控制指令通過(guò)用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）發(fā)送給機(jī)器人服務(wù)程序，同時(shí)機(jī)器人服務(wù)程序?qū)崟r(shí)向網(wǎng)關(guān)程序發(fā)送機(jī)器人狀態(tài)信息。

（4）機(jī)器人服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)服務(wù)型機(jī)器人遠(yuǎn)程界面化的操控。

（a）機(jī)器人的軟硬件框架

（b）服務(wù)型機(jī)器人遠(yuǎn)程界面化操控流程

3.3? 服務(wù)型機(jī)器人中Web瀏覽器的界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)對(duì)服務(wù)型機(jī)器人遠(yuǎn)程操控界面的設(shè)置，采用HTML+CSS+JS搭建一個(gè)網(wǎng)頁(yè)，其網(wǎng)頁(yè)操控界面如圖2所示。服務(wù)型機(jī)器人操作按鈕放在相關(guān)的位置，點(diǎn)擊操控按鈕來(lái)控制機(jī)器人，當(dāng)點(diǎn)擊Web服務(wù)端命令按鈕時(shí)，會(huì)將網(wǎng)頁(yè)前端程序以用戶控制信息形式發(fā)送給網(wǎng)關(guān)程序，再由網(wǎng)關(guān)程序?qū)⒋_認(rèn)接收到以用戶控制信息的狀態(tài)發(fā)送給Web前端，最后由網(wǎng)頁(yè)前端在文本框中顯示。

3.4? 網(wǎng)關(guān)程序?qū)τ脩艨刂菩畔⒌奶幚?/p>

3.4.1? 對(duì)用戶控制信息進(jìn)行解析

網(wǎng)關(guān)程序接收到網(wǎng)頁(yè)前端發(fā)送的命令，按照?qǐng)D3機(jī)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(gè)單詞為命令，其余的單詞即為參數(shù)，按參數(shù)個(gè)數(shù)分為無(wú)參數(shù)命令、單參數(shù)命令、雙參數(shù)和多參數(shù)命令。無(wú)參數(shù)命令與無(wú)參數(shù)命令表匹配，單參數(shù)命令與單參數(shù)命令表匹配，雙參數(shù)命令和多參數(shù)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(zhí)行解析后的命令

將命令和參數(shù)如表1—2所示，封裝成指令通過(guò)UDP協(xié)議發(fā)送給機(jī)器人服務(wù)程序。同時(shí)，網(wǎng)關(guān)程序會(huì)將命令執(zhí)行情況匯報(bào)給Web前端。

3.5? 機(jī)器人服務(wù)程序識(shí)別控制指令

機(jī)器人服務(wù)程序接收到網(wǎng)關(guān)程序發(fā)送而來(lái)的指令，然后按照表1—2中的指令格式，對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行處理：首先，根據(jù)用戶數(shù)據(jù)報(bào)信息，對(duì)機(jī)器人服務(wù)程序指令進(jìn)行解析;其次，根據(jù)解析結(jié)果調(diào)用機(jī)器人底層驅(qū)動(dòng)來(lái)控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)相應(yīng)動(dòng)作。

3.6? 對(duì)服務(wù)型機(jī)器人遠(yuǎn)程界面化操控功能的測(cè)試測(cè)試人員對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行功能測(cè)試，時(shí)序如圖4所示。

3.6.1? 點(diǎn)擊“前進(jìn)”按鈕

（1）測(cè)試人員通過(guò)電腦PC端打開(kāi)網(wǎng)頁(yè)前端后，再點(diǎn)擊“前進(jìn)”命令按鈕。

（2）網(wǎng)頁(yè)前端會(huì)將控制命令以用戶控制信息（{“notice”：“go forward 500”}）通過(guò)WebSocket協(xié)議發(fā)送給網(wǎng)關(guān)程序。

（3）當(dāng)網(wǎng)關(guān)程序接收到用戶控制信息時(shí)，會(huì)通過(guò)WebSocket協(xié)議發(fā)送給網(wǎng)頁(yè)前端一個(gè)回令（{“respond”：“直走 500”}）到網(wǎng)頁(yè)前端顯示，同時(shí)，網(wǎng)關(guān)程序會(huì)對(duì)控制指令按照機(jī)器人服務(wù)程序指令格式進(jìn)行封裝，封裝后的控制指令（0x55aa000703000001f40000fe00）通過(guò)UDP協(xié)議發(fā)送給機(jī)器人服務(wù)程序。

（4）機(jī)器人服務(wù)程序通過(guò)調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)API來(lái)控制機(jī)器人向前前進(jìn)500個(gè)單位距離。

3.6.2? 點(diǎn)擊“停止”按鈕

（1）測(cè)試人員通過(guò)電腦PC端打開(kāi)網(wǎng)頁(yè)前端后，再點(diǎn)擊“停止”命令按鈕。

（2）網(wǎng)頁(yè)前端會(huì)將控制命令以用戶控制信息（{“notice”：“stop”}）通過(guò)WebSocket協(xié)議發(fā)送給網(wǎng)關(guān)程序。

（3）當(dāng)網(wǎng)關(guān)程序接收到用戶控制信息時(shí)，會(huì)通過(guò)WebSocket協(xié)議發(fā)送給網(wǎng)頁(yè)前端一個(gè)回令 （{“stop”：“停止了”}）到網(wǎng)頁(yè)前端顯示。同時(shí)，網(wǎng)關(guān)程序會(huì)對(duì)控制命令按照機(jī)器人服務(wù)程序指令格式進(jìn)行封裝，封裝后的控制指令（0x55aa0007030000000000000900）通過(guò)UDP協(xié)議發(fā)送給機(jī)器人服務(wù)程序。

（4）機(jī)器人服務(wù)程序調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)API來(lái)控制機(jī)器人，機(jī)器人正在進(jìn)行的所有動(dòng)作將停止運(yùn)動(dòng)。

至此，以go forward 500和stop控制命令為例的來(lái)測(cè)試服務(wù)型機(jī)器人遠(yuǎn)程界面化操控成功實(shí)現(xiàn)。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)通過(guò)B/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)對(duì)服務(wù)型機(jī)器人的遠(yuǎn)程界面化控制，用戶通過(guò)點(diǎn)擊界面的控制按鈕向網(wǎng)關(guān)程序發(fā)送控制命令。網(wǎng)關(guān)程序接收并處理控制信息，對(duì)機(jī)器人服務(wù)程序發(fā)送控制指令，并且同時(shí)向Web瀏覽器端發(fā)送一個(gè)回令。機(jī)器人服務(wù)程序接收控制指令，調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)API來(lái)控制機(jī)器人，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人做出相應(yīng)動(dòng)作。利用網(wǎng)頁(yè)對(duì)服務(wù)型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)底盤(pán)模塊、機(jī)械臂模塊、語(yǔ)音模塊進(jìn)行相關(guān)操控，從而控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)移動(dòng)、語(yǔ)音、站立以及播放音樂(lè)等應(yīng)用功能。

本系統(tǒng)的創(chuàng)新性在于將基于統(tǒng)一局域網(wǎng)內(nèi)客戶端操控轉(zhuǎn)變?yōu)榛诰W(wǎng)頁(yè)端操控，使得原本只能在某一平臺(tái)上才能對(duì)服務(wù)型機(jī)器人進(jìn)行操控轉(zhuǎn)換為可在多個(gè)操作系統(tǒng)上對(duì)服務(wù)型機(jī)器人進(jìn)行操控，既保留了程序客戶端的遠(yuǎn)程操控界面可視化，又減少了程序?qū)ζ渌钶d的平臺(tái)的依賴性，節(jié)約了跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)的成本。

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