机器人无线远程控制系统的人机接口_王晓亨

中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1009-2552(2007)01-0001-03

机器人无线远程控制系统的人机接口

王晓亨,陆宇平

(南京航空航天大学自动化学院,南京210016)

摘　要:在无线局域网环境中,建立了一套以移动机器人为控制对象的、模拟Internet传输特征的远程控制技术研究平台。通过可视化的人机接口界面,可以直接向远端机器人发送控制指令,并能看到反馈的状态数据;还可通过手柄控制,语音控制、命令集可编程接口等方式控制机器人。最后的开发实例具有操作简便、界面友好、易于扩展等特点。

关键词:人机接口;Speec h API;机器人

Man-machine interface of robot wirless remote

distance control system

WANG Xiao-heng,LU Yu-ping

(College of Auto mation,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing210016,C hina) Abstract:The research platform of remote distance control technology of simulating the characters of Internet communication is established in wireless local area network.The operators can directly send control instr uc-tions to the remote robot,and vie w the feedbacked state data through the visualized man-machine interface, also can control the r emote robot by handle c ontr ol,speech control,pr ogrammable command sets and so on.

The instance has some advantages such as convenient operation,friendly interface,adapted extension.

Key words:man-machine interface;Speech API;robot

0　引言

近年来,基于Internet的远程控制技术是一个研究热点,随着无线网络技术的发展和日益成熟,使得基于无线网络的远程控制技术的研究得到了极大的关注。

利用VC++设计了一套以移动机器人为复杂控制对象,在无线局域网环境下模拟广域网络的特征,用软件的方式人为再现不确定性时延,数据传输丢失等网络现象的远程技术研究平台。并利用该开发平台建立一套面向无线网的机器人远程控制系统。该平台通过可视化的人机接口界面可方便的进行操作和进一步的研究。

1　硬件环境

如图1所示,在实验室内搭建了无线网络环境,无线路由器通过其广域连接端口连接到校园网,并能通过校园网访问Internet,从而构成了一个广域网系统。机器人通过其车载计算机上的无线网卡与实验室内的无线局域网互联,可以实现从网络的任何节点来远程控制机器人

。

图1　硬件结构

被控的机器人采用了美国Activmedia Robotics 公司的P3-DX多功能智能移动机器人,它配备了车载计算机(装有无线网卡、视频采集卡)、带抓手的

收稿日期:2006-08-08

基金项目:国家863重点课题资助项目(2003AA755021)

作者简介:王晓亨(1981-),男,硕士研究生。主要从事网络与控制等方向的研究。

DOI:10.13274/ ki.hdzj.2007.01.001

5自由度手臂、水平转动倾斜摄像头、4组共16个声纳。

2　人机接口的实现

机器人远程控制系统中的人机接口技术从本质上来讲就是通过什么样的方式来发送控制指令和进行状态数据的反馈。除了提供传统的图形化人机界面,还提出了一些新的人机接口技术,对人与移动机器人更自由灵活的合作进行了初步的探讨。

2.1　图形化人机界面

目前在机器人远程控制系统的开发中采用的最多也是最基本的方法即提供一个简单、易操作的图形化人机界面。该界面上提供各种控制按钮、控件,用户通过点击这些按钮发送命令给远端的机器人。接口界面要提供足够的信息使问题容易理解,同时尽可能地传输最少的数据,以及拥有简单的接口界面布局。同时还提供机器人状态数据的图像化显示。

对于本文的机器人无线远程控制系统,由于其是一个开发式的研究型环境,需要不断的扩展。系统的功能也将不断增加,复杂性也同时在增高。面对可能是对机器人控制没有经验的人员,在基于系统复杂性的前提下,如何使图形界面更具友好性就成为系统设计中重要的课题,它将影响用户的操作行为,甚至是系统的安全。在设计机器人无线远程控制系统的远程控制端的图形化接口界面时,将考虑以下原则:

(1)界面必须具有交互性和智能性。良好的接口设计大多有一个交互式处理机制。现有的网络远程机器人系统,如Xa vier的人机交互方式虽然简单易操作,但实现功能单一,没有充分体现机器人的自主性及与人的智能融合。要使用户能远程控制机器人并完成一系列复杂动作,就需要使用更先进的技术来实现复杂而且友好的用户界面,以提高其交互性。

(2)界面应简单、清晰、易理解和易操作。将机器人的动力学、异常性以及活动空间边界的复杂性对用户隐藏,同时,仍然允许灵活的操作封装。并且尽量滤掉各种非常复杂的因素。在不丢失任何有用功能的情况下,尽量简化对机器的控制。

(3)界面提供用户操作远程机器人的功能应尽可能详细和可靠。功能的完整与界面的简洁是一个比较矛盾的东西,如何较好的协调这两个要求是图形化界面设计的一个难点。

2.2　手柄控制

通过使用手柄来实现对机器人的远程控制突破了传统的使用鼠标点击图形界面的做法,有着比使用鼠标无法比拟的便捷和真实控制的感受。通过使用手柄,就像驾驶着汽车一样,实现对机器人的远程控制,便于用户连续的调整机器人的位姿和行动,并更具远程控制的真实感。

要在机器人远程控制系统中实现手柄的控制,需要对手柄的接口(串口、并口、USB等)进行编程,还有一个比较容易实现的方法就是使用工具软件JoyToKey来实现。JoyToKey可以实现将手柄上的按键和键盘上的按键相对应的功能,即按了手柄上的某个键相当于按了键盘上对应的一个或几个键。因此在软件编程时只需在代码中加入对键盘按键的响应就可实现手柄控制的功能。而键盘按键响应可以通过调用Win32API函数RegisterHotKey注册系统热键的方法实现。

2.3　移动式便携设备

为了实现远程控制端的移动性,可以采用便携式设备作为远程控制端的硬件平台。这些设备可以是安装了无线网卡的可编程的PDA,还可以是专门为机器人远程控制系统设计和开发的嵌入式设备。这些设备具备的基本特征就是需要有无线网络接入接口、支持Socket编程、显示屏、嵌入式操作系统(支持多线程)。只有具备了上述特征的设备才能实现具有移动性的远程控制平台的功能。

2.4　语音控制

机器人的语音控制就是远程用户通过输入自然语言命令来控制机器人的功能。目前语音控制技术在汽车电子、飞机控制系统、军事指挥系统、医疗系统已经有了一定的研究和应用。利用语音进行远程控制,有效的利用了人类的语言能力,解放了人类的手,充分的调动了手、耳、口等器官,使人机交互更为自然、有效、方便和分工明确。

语音控制的核心就是语音识别技术。语音识别以语音为研究对象,它是语音信号处理的一个重要研究方向,是模式识别的一个分支,涉及到生理学、心理学、语言学、计算机科学以及信号处理等诸多领域,其最终目标是实现人与机器进行自然语言通信。现在应用较为广泛的语音识别算法有动态时间规划、离散隐马尔可夫模型、连续隐马尔可夫模型、人工神经网等。

本文设计的机器人无线远程控制系统将采用微软公司推出的语音识别开发包Speech API(以下简写为SAPI)。SAPI提供了语音识别与语音合成的接口。图2是语音远程控制在系统中的结构图。该结构位于远程控制端,虚线框内的即为语音控制模块。