服務(wù)機(jī)器人分層式圖形化編程平臺(tái)

王煒

0 引言

近年來(lái)，隨著服務(wù)機(jī)器人研究的飛速發(fā)展，發(fā)展出大量應(yīng)用于服務(wù)機(jī)器人的編程平臺(tái)，Windows下較為典型的通用編程平臺(tái)有LabVIEW[1]以及Microsoft Robotics Studio[7]，前者提出了 G語(yǔ)言，開始使用編譯性圖形化編程，并將軟件與虛擬儀器結(jié)合，代替了許多傳統(tǒng)儀器，廣泛應(yīng)用于工程項(xiàng)目中；后者為微軟開發(fā)的一款機(jī)器人開發(fā)環(huán)境，具備了可擴(kuò)展、跨越硬件平臺(tái)、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，同時(shí)包含了龐大的組件庫(kù)和仿真環(huán)境，方便用戶使用。Linux下新興的ROS[2]系統(tǒng)憑借其龐大的組件庫(kù)、合理的構(gòu)架以及開源的特性，吸引了大量的開發(fā)用戶，其他開發(fā)的機(jī)器人平臺(tái)如 OROCOS[3]、Player[4]等也被應(yīng)用于服務(wù)機(jī)器人研究。同時(shí)一些機(jī)器人器材制造商在產(chǎn)品中也會(huì)附帶自己的開發(fā)平臺(tái)（例如ABB），但是其通用性較差?？v觀這些編程平臺(tái)，總會(huì)或多或少存在某些缺陷。比如Microsoft Robotics Studio以及LabVIEW屬于商業(yè)軟件，不支持開源，自身系統(tǒng)龐大，面向?qū)ο蠖酁楣こ處?、設(shè)計(jì)人員；OROCOS、ROS缺乏友好的圖形用戶編程界面，使得普通用戶望而卻步。

本文針對(duì)以上編程環(huán)境存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于分層編程方式的服務(wù)機(jī)器人編程平臺(tái)，基本模塊層面向開發(fā)人員開放，開發(fā)人員將復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)、算法等基本模塊一次性編寫完成，通過(guò)統(tǒng)一接口協(xié)議嵌入模塊庫(kù)；任務(wù)規(guī)劃層提供友好的圖形化界面，用戶根據(jù)任務(wù)需求，將基本模塊像搭積木一樣搭建起來(lái)，即可完成對(duì)服務(wù)機(jī)器人的編程，實(shí)現(xiàn)各種任務(wù)。通過(guò)該分層模式，既兼顧了底層開發(fā)的需要，又使得不具備或具備很少專業(yè)知識(shí)的用戶也能方便的給機(jī)器人編程[5]，同時(shí)該平臺(tái)還具有內(nèi)核小，界面簡(jiǎn)潔等優(yōu)勢(shì)。通過(guò)在“交龍”服務(wù)機(jī)器人上進(jìn)行測(cè)試與實(shí)驗(yàn)，將語(yǔ)音識(shí)別、定位導(dǎo)航、物體識(shí)別、機(jī)械臂控制模塊嵌入該平臺(tái)，可以很方便的對(duì)“交龍”進(jìn)行編程，完成各種不同的任務(wù)流程。

1 分層式編程平臺(tái)的設(shè)計(jì)

參考其他平臺(tái)的設(shè)計(jì)指標(biāo)[1～4]，考慮其獨(dú)立性、模塊化、可擴(kuò)展性、實(shí)時(shí)性、重復(fù)利用性、編程語(yǔ)言等各個(gè)方面，該平臺(tái)將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三層：基本模塊層、執(zhí)行協(xié)調(diào)層、任務(wù)規(guī)劃層，如圖1所示：

圖1 平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基本模塊層提供了龐大的模塊庫(kù)，并通過(guò)模塊管理器進(jìn)行統(tǒng)一管理；執(zhí)行協(xié)調(diào)層由程序解釋器構(gòu)成，一方面對(duì)任務(wù)規(guī)劃層的用戶程序進(jìn)行解釋分析，另一方面通過(guò)模塊管理器調(diào)用相應(yīng)模塊，完成相應(yīng)的任務(wù)，該層對(duì)任務(wù)規(guī)劃層和基本模塊層起到協(xié)調(diào)的作用；任務(wù)規(guī)劃層提供友好的人機(jī)交互界面，方便用戶以圖形化編程的形式進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃。下文將針對(duì)各層進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.1 基本模塊層

基本模塊層由模塊庫(kù)和模塊管理器構(gòu)成。模塊庫(kù)中包含設(shè)備驅(qū)動(dòng)、控制算法、邏輯算法等基本模塊，構(gòu)成了平臺(tái)的最底層。模塊管理器負(fù)責(zé)對(duì)模塊庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信管理和調(diào)度。

基本模塊層定義了統(tǒng)一的模塊接口協(xié)議，用戶可根據(jù)此協(xié)議編寫自定義模塊，將其納入模塊庫(kù)。協(xié)議中規(guī)定模塊以完成編譯的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)形式存儲(chǔ)，提高了底層執(zhí)行效率。

不同模塊間數(shù)據(jù)通信傳輸是模塊管理器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，本文采用數(shù)據(jù)共享機(jī)制，如圖2所示：

圖2 數(shù)據(jù)共享機(jī)制結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)通訊分為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)映射層和數(shù)據(jù)訪問(wèn)層。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層，每個(gè)模塊自行分配數(shù)據(jù)內(nèi)存，保證了模塊數(shù)據(jù)的獨(dú)立性；通過(guò)數(shù)據(jù)映射層，平臺(tái)對(duì)所有模塊的數(shù)據(jù)地址以指針變量的形式進(jìn)行統(tǒng)一管理，形成地址池，每個(gè)數(shù)據(jù)地址被映射到用戶自定義的變量；在數(shù)據(jù)訪問(wèn)層，需要數(shù)據(jù)的用戶或者模塊直接通過(guò)自定義變量對(duì)共享數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)。通過(guò)該機(jī)制，用戶可直接利用數(shù)據(jù)而不必關(guān)心數(shù)據(jù)來(lái)源，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)鏈接層透明化。

1.2 任務(wù)規(guī)劃層

任務(wù)規(guī)劃和程序編寫主要體現(xiàn)在任務(wù)規(guī)劃層，利用圖形化編程界面設(shè)計(jì)，如圖3所示：

圖3 圖形化編程界面示意圖

用戶可以很便捷的完成對(duì)服務(wù)機(jī)器人的編程。

在界面風(fēng)格設(shè)計(jì)中，本文力求簡(jiǎn)潔清晰，保證用戶上手簡(jiǎn)單。菜單主要分為主菜單和調(diào)試菜單，主菜單提供了對(duì)程序的管理功能（創(chuàng)建、刪除、拷貝、編輯等）以及各個(gè)窗口（編程窗口、變量窗口、模塊面板）的管理功能。調(diào)試菜單為用戶提供了簡(jiǎn)單的調(diào)試功能（運(yùn)行、單步執(zhí)行、暫停、停止等），方便用戶對(duì)程序進(jìn)行監(jiān)控。

在編程風(fēng)格設(shè)計(jì)中，該界面采用了流程圖式編程，箭頭連線通過(guò)連接不同的模塊，表示任務(wù)的流程走向；這種編程風(fēng)格使得用戶可以很直觀的將規(guī)劃的任務(wù)流程反映在編程界面上，用戶只需要根據(jù)任務(wù)的要求將模塊面板以及模塊庫(kù)中的相應(yīng)模塊直接拖拽到編程界面，按照流程用連線連接即可。平臺(tái)采取自動(dòng)識(shí)別用戶變量類型，并依靠前文提到的數(shù)據(jù)共享機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

圖標(biāo)是圖形化編程的基本單元，在編程中起著關(guān)鍵作用，合理的設(shè)計(jì)也就尤為重要，在RT軟件中，組件單元包含了狀態(tài)、輸入、輸出、命令四個(gè)基本部分，本文在其基本單元的設(shè)計(jì)中借鑒了RT[6]的組件形式，同時(shí)融入了自己的特點(diǎn)，具體體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

（1）易于理解：圖標(biāo)名稱采用文字顯示，上標(biāo)為模塊名稱，下標(biāo)為模塊命令名稱或參數(shù)，簡(jiǎn)單易懂，用戶可通過(guò)接口對(duì)名稱進(jìn)行自定義，對(duì)于當(dāng)前模塊的運(yùn)行狀態(tài)，則通過(guò)不同的顏色框予以表示。

（2）參數(shù)表達(dá)：LabVIEW、RT等平臺(tái)的參數(shù)之間通過(guò)連線來(lái)表現(xiàn)傳遞關(guān)系，而該平臺(tái)采用流程式編程，連線表達(dá)的是任務(wù)的走向，輸入輸出參數(shù)采用文本輸入形式。同時(shí)為了保證界面干凈整潔，參數(shù)可選擇顯示或隱藏，隱藏狀態(tài)下鼠標(biāo)滑到相應(yīng)圖標(biāo)上會(huì)顯示參數(shù)，參數(shù)的編輯修改通過(guò)雙擊圖標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

（3）集結(jié)性：編程界面圖標(biāo)數(shù)量過(guò)多，會(huì)使得整個(gè)界面排列紊亂，為了保證界面簡(jiǎn)潔干凈，同時(shí)方便用戶將不同功能的模塊歸類劃分，該平臺(tái)提供了圖標(biāo)集結(jié)功能，用戶可以將多個(gè)模塊（圖標(biāo)）整合為一個(gè)模塊（Block），Block可以編輯注釋，便于程序?yàn)g覽。每一個(gè)Block即為一個(gè)新的功能模塊，用戶可以對(duì)其進(jìn)行模塊操作。

（4）存儲(chǔ)格式：由于程序全部由圖標(biāo)和連線架構(gòu)而成，因此采用通用的XML格式存儲(chǔ)，方便對(duì)圖標(biāo)和連線進(jìn)行統(tǒng)一管理。

（5）多分支性：考慮到判斷選擇語(yǔ)句的應(yīng)用以及多線程同步的需求，本文在連線上添加了參數(shù)，解釋器會(huì)根據(jù)滿足參數(shù)要求的連線方向執(zhí)行程序。

1.3 執(zhí)行協(xié)調(diào)層

執(zhí)行協(xié)調(diào)層由程序解釋器構(gòu)成，完成用戶程序的運(yùn)行和調(diào)試功能。

該層采取解釋執(zhí)行方案，在程序運(yùn)行過(guò)程中，程序解釋器解釋當(dāng)前用戶的任務(wù)流程，調(diào)度相應(yīng)模塊，具體流程，如圖4所示：

圖4 程序解釋執(zhí)行圖

該種執(zhí)行方式一方面考慮到了用戶的使用方便，方便用戶進(jìn)行單步調(diào)試，另一方面也顧及了程序的執(zhí)行速度。

2 編程實(shí)例

2011年中國(guó)服務(wù)機(jī)器人大賽中，該平臺(tái)在“交龍”服務(wù)機(jī)器人上首次正式使用。該機(jī)器人裝載有激光測(cè)距傳感器、攝像頭、麥克風(fēng)等基本傳感器以及云臺(tái)、機(jī)械臂、電動(dòng)機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如圖5所示：

圖5 交龍機(jī)器人圖

在比賽中，“交龍”機(jī)器人需要完成特征人識(shí)別任務(wù)，具體任務(wù)流程如下：

（1）機(jī)器人通過(guò)門道進(jìn)入比賽場(chǎng)地，并走到預(yù)先設(shè)定的一個(gè)點(diǎn)。

（2）由裁判預(yù)先給定三名測(cè)試人員的識(shí)別順序，三名給出名字的人員依次站到機(jī)器人面前，機(jī)器人給他們介紹自己，詢問(wèn)他們的名字，被測(cè)試人員給予機(jī)器人的任何信息，都可被機(jī)器人用來(lái)作為識(shí)別的手段，但是不允許觸摸機(jī)器人，然后，機(jī)器人必須判別是否已經(jīng)記住該人員，如果記住則開始識(shí)別下一個(gè)人員，沒(méi)有記住可以跳過(guò)去，不扣分。識(shí)別結(jié)束后，測(cè)試人員離開場(chǎng)地。

（3）三名人員識(shí)別后，機(jī)器人自主行走到第二點(diǎn)。

（4）由裁判給出五名測(cè)試人員的出場(chǎng)順序，他們依次站到機(jī)器人面前，面向機(jī)器人保持十秒鐘，機(jī)器人要能識(shí)別出他們并且能夠說(shuō)出他們的名字。其中一測(cè)試個(gè)人員是機(jī)器人不認(rèn)識(shí)的，機(jī)器人要表達(dá)（語(yǔ)音或動(dòng)作）出他不認(rèn)識(shí)這個(gè)人。在這個(gè)過(guò)程中不允許觸摸機(jī)器人，握手除外。識(shí)別過(guò)程中，如果機(jī)器人識(shí)別不出一個(gè)人，可以提前選擇放棄，如果識(shí)別錯(cuò)誤將會(huì)受到懲罰。

（5）識(shí)別結(jié)束，能夠自主離開的機(jī)器人自主離開房間，沒(méi)有預(yù)先說(shuō)明的可以關(guān)掉機(jī)器人，該項(xiàng)比賽結(jié)束。

針對(duì)任務(wù)流程，用戶利用該平臺(tái)編寫了相關(guān)圖形化程序，如圖6所示：

圖6 特征人識(shí)別任務(wù)程序圖

圖中Block為功能模塊，每一個(gè)Block里面包含許多基本模塊，如“人腿監(jiān)測(cè)”Block的展開后即為發(fā)聲、導(dǎo)航、云臺(tái)控制等基本模塊。通過(guò)模塊集合的形式，使得界面更加簡(jiǎn)潔。箭頭方向標(biāo)識(shí)了整個(gè)程序的運(yùn)行流程，由于采用流程式編程風(fēng)格，任務(wù)的規(guī)劃可以通過(guò)程序界面清晰明了的表現(xiàn)出來(lái)。

程序運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)前正在執(zhí)行的模塊會(huì)以深色框標(biāo)識(shí)出（如圖6中Wait模塊），變量窗口實(shí)時(shí)顯示變量數(shù)據(jù)，方便用戶跟蹤流程，用戶可通過(guò)單步執(zhí)行、順序執(zhí)行、暫停、結(jié)束等按鈕對(duì)程序進(jìn)行斷點(diǎn)調(diào)試。

在比賽過(guò)程中，依靠該平臺(tái)簡(jiǎn)潔的編程環(huán)境和獨(dú)特分層編程理念，有效縮短了編程和調(diào)試時(shí)間，僅用2個(gè)小時(shí)就完成了“特征人識(shí)別”任務(wù)的規(guī)劃，并最終順利完成整個(gè)任務(wù)流程，獲得該項(xiàng)目冠軍。通過(guò)該比賽編程實(shí)例，驗(yàn)證了該平臺(tái)極高的編程效率。其清晰明了的編程界面也吸引了眾多參賽隊(duì)伍的興趣。

3 結(jié)論

為了簡(jiǎn)化服務(wù)機(jī)器人編程流程，本文提出了分層式圖形化編程平臺(tái)，通過(guò)分層式編程思想，將底層模塊開發(fā)與頂層任務(wù)規(guī)劃合理分開。一方面通過(guò)基本模塊層為開發(fā)人員定義接口模板，將其編寫的龐大模塊庫(kù)封裝為統(tǒng)一格式，從而使得上層用戶不必關(guān)心底層實(shí)現(xiàn)方法；另一方面，在任務(wù)規(guī)劃層設(shè)計(jì)圖形化的流程式編程環(huán)境，使得用戶可以將任務(wù)流程方便直接的轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)程序；執(zhí)行協(xié)調(diào)層負(fù)責(zé)兩層之間的協(xié)調(diào)，完成程序的運(yùn)行和調(diào)試。簡(jiǎn)約的風(fēng)格也使得用戶不需要掌握太多的編程知識(shí)即可入手，從而可以將更多的精力集中在任務(wù)規(guī)劃層，提高服務(wù)機(jī)器人編程效率，方便用戶完成復(fù)雜任務(wù)規(guī)劃。通過(guò)比賽編程實(shí)例驗(yàn)證了該編程平臺(tái)的有效性和便捷性。

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