通用服務機器人控制器平臺

朱將勇，王國慶，盧化龍，梁思瑞，王馳凱

（長安大學 工程機械學院，西安 710064）

隨著社會老齡化問題日趨加劇，在服務行業普遍面臨著招工難的問題。為了解決勞動力短缺的問題，企業開始引進服務機器人[1]，為了實現各種復雜的功能，則對服務機器人控制器有了更高的要求。因此，研究服務機器人控制器具有廣泛的市場價值，目前國內外也有許多關于服務機器人控制器方面的研究，機器人理論及其關鍵技術研究是我國工程領域長期面臨的科學挑戰[2-4]。文獻[5]進行了移動服務機器人基于任務分配模式的集成控制器研究，在一定程度上提高控制器的實時性。文獻[6]研究一種基于語音識別控制模式的醫用服務機器人，提高機器人語音識別方面的性能。文獻[7]采用基于非完全輪式移動機器人的混合控制器，對機器人軌跡在不確定干擾的情況下進行研究。文獻[8]設計一種應用在淺水域的水下機器人，通過將各類傳感器數據融合作為做控制算法輸入，在一定程度上提高機器人的平穩性。文獻[9]設計了雙輪平衡機器人的控制系統方案，從改進控制算法的角度來優化電機的控制，提高機器人的抗干擾能力。文獻[10-11]提出多核異構的控制器，也在一定程度上提高控制器的性能，但很難有效地提取人類控制機器人的規律。

由此可以看出，上述研究更多的只是在某些方面對服務機器人控制器的性能進行改善，但依舊無法滿足人們對控制器的高要求，因此，本文提出通用型服務機器人控制器開發平臺，從軟件和硬件的方面進行綜合考慮。目前我們的平臺還在試驗階段，平臺不僅實現了運動控制功能，而且還使Android移動設備集多媒體UI交互、圖像及數據的傳輸與處理、傳感器信號采集等功能為一體；現在的Android移動設備技術成熟，價格較便宜，利用其進行控制器的開發，不僅滿足復雜的控制系統要求，而且有效降低開發成本，精簡結構設計，節約控制器開發時間，迎合市場需求，可實現廣泛推廣。

1 開發平臺總體設計

本文研究的服務機器人控制器開發平臺主要對服務機器人通用控制器進行整體開發，實現控制器的低成本和易開發。其分為硬件子系統和軟件子系統，軟件子系統包含了支持服務機器人開發的語言——EngineerC語言，它是一種跨平臺圖形化開發環境。它也包含人類智慧采集系統HIA，用于快速生成控制歸律來實現智能化控制機器人。自主開發的EngineerC語言是以C語言為基礎，結合C++/C#的特點，簡化語法規定。在跨平臺圖形化開發環境中實現圖形拖拽，并提高編程的易用性，可完成對Android系統、Windowsphone系統和MCU的程序開發。通過用戶在服務機器人上放置的各種傳感器，人類智慧采集系統HIA可以獲得機器人的移動軌跡和各種傳感器數據，以此得到運動控制算法，最終獲得人類控制機器人的規律。通過Socket通訊，把控制規律傳送到交互層控制器中，實現對機器人的控制。硬件子系統是由基于Android的中央調度與交互層控制器和面向服務的多核異構行為層控制器組成。中央調度與交互層控制器主要是負責人機交互。面向服務的行為層控制器，主要是基于自主知識產權的多核異構控制器，采取前后臺分工模式，提高控制系統的實時性和穩定性。該平臺系統架構如圖1所示。

圖1 系統整體架構圖Fig.1 System overall architecture

2 面向服務的硬件平臺

2.1 多核異構控制器

為了任務的管理與分配，多核異構控制器采用主從控制模式。主控制器向從控制器發送控制指令，一個從控制器完成特定類型的任務，根據性能不同將任務劃分到主控制器、從控制器中，從而使每個控制器控制不同的模塊?？刂破饔布扇∧K化設計，可實現獨立調試與多任務同步運行。通過這種方式可以極大地提高控制器的可靠性和實時性?？刂破饔沈寗幽K，控制模塊，可擴展I/O模塊，傳感器數據采集模塊、電源模塊、反饋模塊等組成，本文控制器包含較多模塊，此處僅以傳感器數據采集模塊為例說明運動控制過程。如圖2所示，主控制器通過SPI把超聲波傳感器獲取數據的指令傳給從控制器1，從控制器1發送一個Trig觸發信號給超聲波傳感器，超聲波傳感器把得到的電信號ECHO返回給從控制器1，從控制器把相應的電信號再發送給主控制器，主控制器就可得到超聲波傳感器采集到的數據。

圖2 超聲波傳感器獲取數據流程Fig.2 Ultrasonic sensor to obtain data flow chart

本文采用常見的HC-SRO4超聲波測距模塊，其可提供2 cm～400 ccm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達3 cmm；其與從MCU的連接則根據外接的 4路插針，VCC（直流 5 cV）、GND（實現模塊間共地）、信號的輸入（Trig）引腳、輸出（Echo）引腳，硬件連接原理圖如圖3所示。Trig引腳與Echo引腳需要與MCU的兩個具有定時器功能的引腳相連接，MCU發送的控制信號，經過SN74LVC4245A電壓轉換芯片，進行電壓的拉高，對其Trig管腳輸入一個10US以上的高電平，HC-SRO4便可發出超聲波脈沖，當檢測到回波反饋信號時，其Echo引腳將輸出一個持續的高電平，電平寬度為超聲波往返時間之和。主MCU根據高電平持續的時間計算與分析得到與障礙物之間的距離，通過SPI通訊將任務發送給相應的從MCU，進而控制機器人的移動，規避障礙物。多核異構控制器實物如圖4所示。

圖3 超聲波傳感器部分原理圖Fig.3 Partial schematic of ultrasonic sensor

圖4 多核異構控制器硬件實物圖Fig.4 Physical figure of service-oriented multi-core heterogeneous hardware

2.2 中央調度與交互層控制器

中央調度與交互層控制器通過OTG通訊與行為層控制器進行實時數據交互，并通過Android設備進行人機交互。中央調度與交互層控制器分為APP底層與用戶端兩部分。APP底層由四部分組成，分別是基本功能、中間數據庫、系統異常和用戶代碼異常處理、功能函數庫。基本功能部分主要包括對事件的監聽和廣播的收發等；中間數據庫用于存儲中間數據，如傳感器數據等；系統異常和用戶代碼異常處理機制，用于異常的處理，避免APP運行出錯而造成死機或閃退的現象，能夠讓用戶清晰地看到出錯位置和錯誤的原因，方便用戶對代碼的修改，保證了APP的正常運行；功能函數庫包含用戶編程所需要的一些功能函數，如WiFi連接函數、語音識別函數、傳感器數據獲取函數等。其中傳感器數據獲取函數尤為重要，現在Android移動設備一般都會內置一些常用傳感器，例如加速度傳感器、距離傳感器、磁場傳感器等。通過傳感器數據獲取函數，我們可以獲取很多相關的數據，這些數據在一定程度上降低用戶編程難度，提高編程效率。

3 跨平臺的圖形化集成開發環境

3.1 面向EngineerC的圖形化開發環境

面向EngineerC的圖形化開發環境可用于跨平臺的開發，其實現了常用語句的半結構化自然語言編程。在編程環境的主頁面中，用戶通過圖形拖拽可完成工程建立與函數添加，并實現交互式的代碼自動生成功能。該系統在編輯過程中，開發環境后臺可自動生成可編譯的EngineerC語言代碼。

在EngineerC圖形化開發環境中，圖形化語句都來自于系統自帶的語句控件圖形庫。用戶可添加自定義的變量和動作，并可調用已重新二次封裝的外部動作庫。該圖形化開發環境可以支持安卓系統編程，也支持ARM系列單片機編程，并形成各自的應用基礎庫APISDK。其整體架構圖如圖5所示。

圖5 EngineerC圖形化開發環境架構圖Fig.5 EngineerC graphical development environment architecture diagram

3.2 控制器的可視化UI設計

移動端可視化UI開發環境主要針對Android系統和Windowsphone系統的應用開發，可在UI開發環境中對手機應用的界面進行可視化設計，同時在開發環境中生成手機應用的后臺代碼并打包發送給具體的手機用戶，通過專門的應用來完成解析，最后生成對應的手機APP。對于控件及整個應用的后臺程序編寫是通過EngineerC來完成，應用的后臺動作全部由安卓庫中的二次開發函數完成。控制器可視化UI設計界面如圖6所示，后臺代碼的自動生成界面如圖7所示。

圖6 控制器可視化UI設計Fig.6 Visual UI design interface of controller

圖7 后臺代碼的自動生成Fig.7 Generating the background code

4 HIA系統

人類智慧采集系統HIA由五部分組成：用戶控制模塊、自定義場景搭建模塊、數據采集模塊、數據存儲與提取模塊、數據傳輸模塊。用戶控制模塊由用戶在頂端對虛擬樣機模型進行操控。自定義場景搭建模塊可讓用戶自定義鋪設機器人行走路面，自定義添加障礙物，如墻壁。其添加障礙物界面如圖8所示。

用戶在機器人各個位置放置任意數量傳感器，數據采集模塊通過系統會自動記錄任意時間下各個傳感器的數值，并且記錄用戶的操作動作。數據存儲與提取模塊則將采集模塊的數據存入txt文件中，其數據存儲如圖9所示，這是距離傳感器到障礙物的距離數據。

圖8 用戶自定義障礙添加界面Fig.8 User defined obstacle add interface

圖9 采集模塊數據存儲Fig.9 Data storage of acquisition module

5 多物料承載移動式服務機器人

多物料承載移動式服務機器人主要由控制系統、驅動系統、殼體內的主體機構、機械臂、頭部五大部分組成?？刂葡到y采取基于多核異構控制器和Android移動設備組成的協同式控制器。運輸時將物料存儲在機器人內部，根據物料大小不同，控制系統采取不同的運輸模式。機器人如圖10所示。

圖10 多物料承載移動式服務機器人Fig.10 Multi material carrying mobile service robot

6 結語

經過實驗驗證，通用服務機器人協同式控制器開發平臺可用于機器人控制器的通用開發，實現了運動控制、多傳感器數據的獲取與處理、多媒體UI交互等功能。本平臺利用已有的Android移動設備，降低用戶的開發成本和難度，滿足市場需求，具備進一步工業化的能力。