基于多線程的NAO機(jī)器人同步啟動(dòng)技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

郭敏+鄭定富

摘要：探討采用多線程軟件編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)NAO機(jī)器人的同步啟動(dòng)。首先，以 NAO 機(jī)器人為基礎(chǔ)，將多線程同步技術(shù)應(yīng)用到多臺(tái) NAO機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制中，使多臺(tái)機(jī)器人在同一時(shí)刻同時(shí)啟動(dòng)。其次，通過多線程方法執(zhí)行并行任務(wù)，使多機(jī)器人在同一個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)執(zhí)行各自的任務(wù)，具有較穩(wěn)定的同步性。最后，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性和可靠性。

關(guān)鍵詞：NAO 機(jī)器人；多線程；同步啟動(dòng)；軟件編程

DOIDOI：10.11907/rjdk.171046

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2017）006-0127-03

0 引言

“仿人”是機(jī)器人研究與發(fā)展的一個(gè)主要方向，制造出全智能的機(jī)器人朋友是人類為之努力的目標(biāo)。近幾十年來，通過科學(xué)家們的不懈努力，機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)擁有了不少令人驚嘆的偉大成果，仿人機(jī)器人也逐漸走進(jìn)了人們的生活。2016年春晚，集體舞《心中的英雄》給億萬觀眾帶來了無限驚喜，跳舞機(jī)器人整齊的隊(duì)列、靈活的舞姿，耗費(fèi)的是臺(tái)下無數(shù)科技人員的心血與努力。在集體表演中，要完成整齊劃一的舞蹈表演，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人的同步技術(shù)是關(guān)鍵。雖然數(shù)千個(gè)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的協(xié)調(diào)性和一致性都離不開表演機(jī)器人硬件的支持，然而軟件編程更是機(jī)器人行為同步的重要組成。多線程同步方法為多機(jī)器人同步提供了新的可能，在機(jī)器人研究領(lǐng)域內(nèi)具有重要的實(shí)踐意義。本文以Aldebaran Robotics公司的Nao機(jī)器人為研究對象，對多機(jī)器人同步技術(shù)進(jìn)行研究，其硬件特性為：擁有25個(gè)自由度，具有一系列可以感知較為全面環(huán)境信息的傳感器，如攝像頭（2個(gè)）、麥克風(fēng)（4個(gè)）、超聲波距離傳感器（1個(gè)）、慣性板（1個(gè)）、觸覺傳感器（9個(gè)）、壓力傳感器（8個(gè)）、紅外發(fā)射器和接收板（2個(gè)）。

多線程程序設(shè)計(jì)是指單個(gè)程序中使用多個(gè)線程，這些線程在同一時(shí)間并發(fā)運(yùn)行，執(zhí)行不同的任務(wù)[1]。在多線程、多任務(wù)操作系統(tǒng)中，系統(tǒng)每一個(gè)應(yīng)用程序?qū)?yīng)一個(gè)進(jìn)程。一個(gè)進(jìn)程又可以包含多個(gè)并發(fā)的線程，同時(shí)系統(tǒng)也可以將進(jìn)程作為主線程來調(diào)度。多線程同步把多個(gè)機(jī)器人看作進(jìn)程中的多個(gè)線程，執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，通過主線程的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的同時(shí)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人同步[2-4]。

近些年來，機(jī)器人技術(shù)研究已經(jīng)取得了豐富研究成果。仿人Nao機(jī)器人的研究主要集中于基于Kinect的體感研究、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制和機(jī)器人導(dǎo)航等方面。

針對Nao機(jī)器人的同步啟動(dòng)研究也取得了進(jìn)展。方法一：使用一臺(tái)機(jī)器人作為主機(jī)，將剩余機(jī)器人作為從機(jī)，由主機(jī)向從機(jī)發(fā)送命令，但由于該方法為點(diǎn)對點(diǎn)通訊，導(dǎo)致同步性不高；方法二：通過時(shí)鐘的某一設(shè)定值完成同步啟動(dòng)，雖然肉眼基本同步，但由于每個(gè)機(jī)器人內(nèi)的內(nèi)部時(shí)鐘有著幾秒甚至幾分鐘的誤差，導(dǎo)致無法調(diào)整的誤差。文獻(xiàn)[5]中利用socket套接字編程，以一臺(tái)PC作為主機(jī)，廣播向多個(gè)機(jī)器人發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)了良好的實(shí)時(shí)同步效果，但同步動(dòng)作還存在一定的穩(wěn)定性不足問題。

本文將Nao機(jī)器人與多線程方法相結(jié)合，多個(gè)線程（即多個(gè)任務(wù)）并發(fā)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)Nao機(jī)器人的同步啟動(dòng)。該方法對機(jī)器人數(shù)量沒有限制，通過主機(jī)PC控制，使多個(gè)Nao機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精確啟動(dòng)，穩(wěn)定可靠。

1 方案設(shè)計(jì)

本文采用兩種方法來研究Nao機(jī)器人的同步啟動(dòng)問題。方法一是利用NAO機(jī)器人自帶圖形化界面軟件Choregreaphe。以聲音信號(hào)為觸發(fā)信號(hào)來啟動(dòng)多個(gè)機(jī)器人。即當(dāng)機(jī)器人獲得某一指定聲音信號(hào)后，啟動(dòng)并觸發(fā)機(jī)器人系統(tǒng)中的某個(gè)程序使機(jī)器人作出指定動(dòng)作，如圖2、圖3所示。

Nao端的指令盒主要程序如下：

運(yùn)用這種方法，機(jī)器人數(shù)量少時(shí)可以實(shí)現(xiàn)同步啟動(dòng)。但是當(dāng)機(jī)器人數(shù)量增多，或是機(jī)器人間隔增大以及人的位置變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示其動(dòng)作同步性并不穩(wěn)定，并且無法對其誤差進(jìn)行調(diào)整，實(shí)驗(yàn)效果并不理想。

方法二是利用圖4所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來對多個(gè)NAO機(jī)器人來進(jìn)行控制，利用無線局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多個(gè)機(jī)器人的同時(shí)啟動(dòng)。圖中通用PC和NAO機(jī)器人都代表了網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)，因此其中的數(shù)量N是不確定的，可以為任意整數(shù)，即可以控制任意數(shù)量的機(jī)器人系統(tǒng)。

在多線程同步編程中，線程同步方法主要包含鎖、信號(hào)量和事件。本文采用event事件方式實(shí)現(xiàn)python多線程同步，一個(gè)線程可以發(fā)送信號(hào)，其它線程接收到信號(hào)后執(zhí)行操作。Event內(nèi)部包含了一個(gè)標(biāo)志位，初始為false，使用set（）來將其設(shè)置為true，或者使用clear（）將其重新設(shè)置為false，is_set（）可以檢查標(biāo)志位的狀態(tài)，當(dāng)標(biāo)志位置為true時(shí)，將各個(gè)客戶端的ip地址加入線程列表，通過服務(wù)端發(fā)送消息給各個(gè)IP地址，實(shí)現(xiàn)多個(gè)客戶端的線程同步。

以threading多線程編程為基礎(chǔ)，將一臺(tái)PC端作為主機(jī)，命令的發(fā)送端，而每一個(gè)NAO機(jī)器人即代表一個(gè)thread線程，從PC端接收動(dòng)作指令后動(dòng)作，其主要Python流程，如圖5、圖6所示。

通過以上程序，無線局域網(wǎng)中的各個(gè)NAO機(jī)器人開啟后，以待機(jī)姿勢等待PC端指令，按下回車后，機(jī)器人同時(shí)運(yùn)行站立起來，并完成各個(gè)相同動(dòng)作，經(jīng)過多次試驗(yàn)后，證明該方法準(zhǔn)確有效，同時(shí)啟動(dòng)時(shí)間一致并且后續(xù)動(dòng)作也統(tǒng)一整齊。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析

實(shí)驗(yàn)主要測試其語音和動(dòng)作兩個(gè)方面的同步性，PC端是以Windows系統(tǒng)為平臺(tái)，首先測試同步啟動(dòng)的動(dòng)作同步性，如圖7所示。

實(shí)驗(yàn)證明，基于多線程的軟件編程方法可以實(shí)現(xiàn)較為穩(wěn)定的動(dòng)作同步性；通過實(shí)驗(yàn)，同樣，聲音也具有較好的同步性。

基于Python的多線程同步編程，實(shí)現(xiàn)多個(gè)NAO機(jī)器人的同時(shí)啟動(dòng)，是將來實(shí)現(xiàn)智能化人形機(jī)器人協(xié)同的基礎(chǔ)，是機(jī)器人協(xié)同控制研究的良好開端，基于多線程同步的控制方法較為簡便和穩(wěn)定。

3 結(jié)語

本文將多線程與NAO機(jī)器人相結(jié)合，研究多臺(tái)Nao機(jī)器人的同步啟動(dòng)問題。在集體表演中多機(jī)器人同步是必須解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)。針對這一問題，通過兩個(gè)方法對比驗(yàn)證，即利用NAO機(jī)器人自帶圖形化界面軟件Choregreaphe，以聲音信號(hào)為觸發(fā)信號(hào)來啟動(dòng)多個(gè)機(jī)器人和在無線局域網(wǎng)內(nèi)將一臺(tái)PC端作為主機(jī)，通過多線程同步來控制多個(gè)Nao機(jī)器人。實(shí)驗(yàn)結(jié)果最終證明基于多線程的同步啟動(dòng)方法最為穩(wěn)定有效。基于此研究結(jié)果，后續(xù)將對多機(jī)器人協(xié)同作進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]程俊波.基于java多線程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[J]. 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用， 2016（10）：67-68.

[2]陳寧，程磊，王永驥.基于多線程同步的多機(jī)器人協(xié)調(diào)技術(shù)和實(shí)現(xiàn) [A].中國人工智能學(xué)會(huì)第十屆全國學(xué)術(shù)年會(huì)論文集 ， 2003：923-926.

[3]丁一恒，李志宏，賈蘋.基于 Windows2000 的多線程串行通信技術(shù)[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)： 交通科學(xué)與工程版， 2003， 27（1）：109-111.

[4]JIM BEVERIDGE.Multithreading applicationsin Win32[M].侯捷，譯.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2012：26-27

[5]高帥， 楊翊坤， 周曉萌， 等. NAO機(jī)器人迎賓與多臺(tái)同時(shí)啟動(dòng)設(shè)計(jì)方案[J]. 企業(yè)技術(shù)開發(fā)， 2015， 34（11）：1-2.

（責(zé)任編輯：陳福時(shí)）

英文摘要Abstract：Multithreading software programming technology is used to study the problem about several Nao robots starting synchronously and achieve the goal of synchronous start of multi-robot. Firstly， basing on NAO robot， this paper applies multithreading synchronization technique to coordination control of several Nao robots which makes several robots start at the same time. Secondly， parallel tasks in multithreading make several robots perform their tasks simultaneously in the same system， which has stable synchronization. Finally， effectiveness and reliability of the method is proved by some actual experiments.

英文關(guān)鍵詞Key Words： NAO Robot； Multithreading； Starting Synchronously； Software Programming