基于Android端的帶電作業(yè)機(jī)器人人機(jī)交互APP開(kāi)發(fā)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-414X（2025）03-0065-06

0引言

帶電作業(yè)機(jī)器人[1-4是一種通過(guò)輪式移動(dòng)實(shí)現(xiàn)輸電線故障檢測(cè)、診斷、維修的特種機(jī)器人，其輔助甚至代替人工進(jìn)行輸電線路檢修作業(yè)，提高了作業(yè)效率，降低了作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度和作業(yè)危險(xiǎn)性，對(duì)于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。由于機(jī)器人作業(yè)環(huán)境跨越大山、大河、森林等復(fù)雜的野外環(huán)境[5，傳統(tǒng)方式基于PC端7-8的控制基站不僅體積大、重量高、不方便攜帶，越來(lái)越難以適應(yīng)機(jī)器人野外作業(yè)環(huán)境，同時(shí)已經(jīng)成為制約機(jī)器人實(shí)用化水平的瓶頸問(wèn)題之一，因此，亟需開(kāi)發(fā)一種體積小、便于攜帶、操控方便，且能夠滿(mǎn)足野外機(jī)器人控制需求的控制終端，其對(duì)于機(jī)器人的實(shí)用化水平的提升，特別是解決野外環(huán)境下控制瓶頸問(wèn)題就顯得尤為重要。

隨著智能設(shè)備和安卓操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，人們可以使用功能更豐富、操作更簡(jiǎn)單，攜帶更方便的設(shè)備，當(dāng)前，Android操作系統(tǒng)的占有率已經(jīng)達(dá)到 50% 以上，由此可見(jiàn)，Android操作系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景[9-10]。將安卓端應(yīng)用于機(jī)器人控制終端開(kāi)發(fā)是一種發(fā)展趨勢(shì)，相較于傳統(tǒng)的基于PC端實(shí)現(xiàn)的交互系統(tǒng)而言，基于Android端的帶電作業(yè)機(jī)器人人機(jī)交互系統(tǒng)具有3個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)[1-12]： ① 遠(yuǎn)程監(jiān)控。這是Android端最具代表性的優(yōu)勢(shì)，可以通過(guò)Android手機(jī)或者平板實(shí)時(shí)查看機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)信息并且提供簡(jiǎn)潔明了的可視化人機(jī)交互界面。 ② 靈活調(diào)參?？梢栽贏ndroid手機(jī)或者平板上靈活改變控制參數(shù)，不需要在MCU上重復(fù)編程，這樣就大大降低了控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)成本，同時(shí)Android端還可以直接執(zhí)行具有繁雜計(jì)算量的工作。 ③ 通用性強(qiáng)?；贏ndroid端的帶電作業(yè)機(jī)器人人機(jī)交互系統(tǒng)對(duì)于其他的機(jī)器人交互系統(tǒng)具有極強(qiáng)的通用性，可以很容易地?cái)U(kuò)展或者移植并進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，因此，將安卓端應(yīng)用于機(jī)器人控制終端[13-15]具有較好的可行性。

綜上所述，通過(guò)分析機(jī)器人的作業(yè)控制需求，并結(jié)合安卓端控制上的優(yōu)勢(shì)，本文提出了一種基于Android端的末端可重構(gòu)帶電作業(yè)機(jī)器人人機(jī)交互系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅具有Android平臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控、靈活調(diào)參和通用性強(qiáng)三大優(yōu)勢(shì)，通過(guò)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的機(jī)器人控制APP能夠滿(mǎn)足作業(yè)控制需求。相比于傳統(tǒng)的地面PC基站控制模式，用戶(hù)只需要通過(guò)方便的攜帶手機(jī)、平板等控制終端設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)的遠(yuǎn)程雙向控制，大大減輕了PC端基站在野外復(fù)雜環(huán)境下的搬運(yùn)成本，整體上提升機(jī)器人作業(yè)效率和實(shí)用化水平。

1帶電作業(yè)機(jī)器人人機(jī)交互系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文以國(guó)家電網(wǎng)湖南省電力公司研制的帶電作業(yè)機(jī)器人為控制對(duì)象，基于AndroidStudio開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)末端可重構(gòu)帶電作業(yè)機(jī)器人的人機(jī)交互系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用Android智能手機(jī)控制帶電作業(yè)機(jī)器人完成行走、夾緊、伸縮、縱移、旋轉(zhuǎn)等指定任務(wù)，并最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。基于Android端的末端可重構(gòu)帶電作業(yè)機(jī)器人人機(jī)交互系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，從圖中可以看到，整個(gè)人機(jī)交互系統(tǒng)由帶電作業(yè)機(jī)器人本體和Android端控制平臺(tái)兩部分組成，前者由控制箱、裝有螺栓固定裝置和W銷(xiāo)推送裝置的3-DOF的1臂和裝有擰螺母裝置和絕緣子串更換裝置的4-DOF的2臂構(gòu)成。為實(shí)現(xiàn)本體運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制功能、操控的方便及界面的友好，在設(shè)計(jì)安卓端控制界面時(shí)可采取主界面和分界面的形式，其中主界面涵蓋運(yùn)動(dòng)控制界面、運(yùn)動(dòng)信息界面和關(guān)鍵狀態(tài)界面，通過(guò)內(nèi)置鏈接分別轉(zhuǎn)向相應(yīng)的分界面，從而避免了所有功能過(guò)于集中及操控的復(fù)雜性，機(jī)器人本體和控制終端通過(guò)局域網(wǎng)、WIFI或者藍(lán)牙進(jìn)行通訊，當(dāng)Android端控制平臺(tái)發(fā)出指令后，帶電作業(yè)機(jī)器人會(huì)做出相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作，同時(shí)機(jī)器人在線上的運(yùn)行和作業(yè)狀態(tài)及關(guān)鍵參數(shù)也可以實(shí)時(shí)傳送至控制終端。

2機(jī)器人人機(jī)交互平臺(tái)Android開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建

2.1Android系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具的選擇

為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人安卓端控制平臺(tái)開(kāi)發(fā)首先需要搭建相關(guān)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，本文使用集成式AndroidStudio作為末端可重構(gòu)帶電作業(yè)機(jī)器人人機(jī)交互系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)工具。首先，配置好Java軟件開(kāi)發(fā)工具包JDK，準(zhǔn)備好谷歌提供的Android開(kāi)發(fā)工具包AndroidSDK。最后，創(chuàng)建一個(gè)Android模擬器來(lái)運(yùn)行編寫(xiě)的程序，本文選擇的模擬器是基于Android9.0的分辨率為 1080^*2160 的Pixel3。當(dāng)編寫(xiě)好該帶電作業(yè)機(jī)器人人機(jī)交互系統(tǒng)的程序時(shí)，編譯無(wú)錯(cuò)誤以后，點(diǎn)擊運(yùn)行就可以在剛剛創(chuàng)建好的模擬器上面看到軟件的界面顯示，AndroidStudio開(kāi)發(fā)界面如圖2（見(jiàn)下頁(yè)）所示。

2.2Android程序的總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的Android端控制系統(tǒng)作為系統(tǒng)上位機(jī)控制，主要負(fù)責(zé)提供下位機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控，給下位機(jī)發(fā)送控制命令。末端可重構(gòu)帶電作業(yè)機(jī)器人本體是以單片機(jī)為中央控制器來(lái)控制的，單片機(jī)端軟件控制系統(tǒng)作為系統(tǒng)的下位機(jī)控制末端可重構(gòu)帶電作業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)直接控制控制箱的運(yùn)動(dòng)，執(zhí)行上位機(jī)的控制命令。兩個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互信息，用無(wú)線藍(lán)牙傳輸方式打通兩個(gè)系統(tǒng)之間的通道。

本應(yīng)用程序使用到了兩個(gè)Android開(kāi)發(fā)組件，其一是活動(dòng)（Activity），其二是服務(wù)（Service）。Activity包括了整個(gè)應(yīng)用程序各種用戶(hù)界面的組件，控制著整個(gè)應(yīng)用運(yùn)行狀態(tài)。Service為應(yīng)用程序提供后臺(tái)服務(wù)，與前臺(tái)Activity交換信息，執(zhí)行任務(wù)并返回結(jié)果。由于前述主體設(shè)計(jì)中，安卓控制終端按照主界面和分界面的設(shè)計(jì)模式，因此，本應(yīng)用程序有四個(gè)Activity，即MainActivi-ty、Motion_Control、Motion_Inf和Key_State，分別對(duì)應(yīng)主活動(dòng)、運(yùn)動(dòng)控制、運(yùn)動(dòng)信息和關(guān)鍵狀態(tài)。

圖3（a）是AndroidStudio下的工程目錄上半部分。其中MainActivity是應(yīng)用程序的主活動(dòng)，用于顯示人機(jī)交互系統(tǒng)的主界面；Motion_Control是應(yīng)用程序的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制子活動(dòng)，用于顯示人機(jī)交互系統(tǒng)機(jī)器人行走、夾緊、雙臂的伸縮縱移旋轉(zhuǎn)以及系統(tǒng)的停止等運(yùn)動(dòng)控制的界面；Motion_Inf是應(yīng)用程序的運(yùn)動(dòng)信息子活動(dòng)，用于顯示人機(jī)交互系統(tǒng)機(jī)器人雙臂的狀態(tài)、刷新信息與狀態(tài)顯示等運(yùn)動(dòng)信息的界面；Key_State是應(yīng)用程序的關(guān)鍵狀態(tài)子活動(dòng)，用于顯示人機(jī)交互系統(tǒng)各個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)與電壓、電流等參數(shù)的界面。layout文件下的activity_main.xml、motion_control.xml、motion_infl.xml和key_state.xml分別為MainActivity活動(dòng)、Motion_Con-trol活動(dòng)、Motion_Inf活動(dòng)和Key_State活動(dòng)對(duì)應(yīng)的布局文件，所有UI布局以及控件的調(diào)用等都要在各自的布局文件里面更改。圖3（b）是AndroidStudio下的工程目錄下半部分。其中values目錄下的colors.xml是顏色設(shè)置資源文件，用于給指定顏色命名。dimens.xml是尺寸定義資源文件，用于設(shè)置不同的分辨率。ids.xml用于定義唯一的項(xiàng)目資源的名稱(chēng)也就是 ID 。strings.xml是用于存儲(chǔ)字符串的字符串資源文件。themes.xml是一個(gè)自定義的主題樣式資源文件，可用于更改主題。AndroidManifest.xml是Android程序的配置文件。所有活動(dòng)都需要在其中注冊(cè)才能生效。

3Android端帶電作業(yè)機(jī)器人人機(jī)交互平臺(tái)界面設(shè)計(jì)

3.1Android機(jī)器人主頁(yè)面的設(shè)計(jì)

根據(jù)主界面和分界面設(shè)計(jì)原則，Android軟件的主界面如圖4所示，在AndroidStudio的編程環(huán)境中，主界面的最外層引用了一個(gè)約束布局Constraintlayout，之所以選用Constraintlayout是因?yàn)橄噍^于其他的布局而言，它有幾個(gè)非常明顯的優(yōu)點(diǎn)。其一是可以配合布局編輯器，提升效率；其二是有更好的屏幕適配；其三是可以很方便地解決由于一些子布局嵌套過(guò)多而引起的系統(tǒng)性能問(wèn)題；其四是添加動(dòng)畫(huà)效果更加簡(jiǎn)單；最后是支持代碼布局控件。機(jī)器人主界面是由一個(gè)AppBarLayout和三個(gè)Button控件組成的。其中在AppBarLay-out這個(gè)布局里嵌套了一個(gè)title和一個(gè)tabLayout，前者title是用來(lái)定義整個(gè)應(yīng)用程序的名稱(chēng)即“帶電作業(yè)機(jī)器人人機(jī)交互系統(tǒng)”，后者tabLayout是一個(gè)頁(yè)面切換的布局，里面加入了三個(gè)TabItem分別對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制、運(yùn)動(dòng)信息、關(guān)鍵狀態(tài)這三個(gè)分界面。也可以通過(guò)點(diǎn)擊下方的三個(gè)按鈕來(lái)進(jìn)入三個(gè)分界面。

SeekBar控件和4個(gè)RadioButton控件，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所有控制功能。最上面是電機(jī)控制方式的選擇控件，可以根據(jù)作業(yè)任務(wù)的需要選擇是進(jìn)行絕緣子更換還是松緊螺栓。下面緊挨著的是速度環(huán)模式和位置環(huán)模式的選擇，前者可以選擇本文設(shè)計(jì)的末端可重構(gòu)帶電作業(yè)機(jī)器人在輸電線路上的行駛速度，后者可以指定行駛的距離。電機(jī)控制模塊剩下的10個(gè)按鈕可以分別用來(lái)控制該機(jī)器人的行走、夾緊、雙臂的伸縮縱移旋轉(zhuǎn)、2臂的橫移以及停止。再往下是絕緣子更換和擰螺栓作業(yè)臂模塊，前者提供的兩個(gè)按鈕可以讓作業(yè)人員選擇夾持機(jī)構(gòu)或者拔插W銷(xiāo)，后者提供了一個(gè)按鈕進(jìn)行擰螺栓機(jī)構(gòu)的控制。Android軟件運(yùn)動(dòng)控制界面如圖5所示。

3.3Android機(jī)器人運(yùn)動(dòng)信息界面的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所有運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵狀態(tài)的在線監(jiān)控，需要選用合適的控件以滿(mǎn)足所以關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)控功能，因此，在Android軟件機(jī)器人運(yùn)動(dòng)信息界面的編程代碼中，定義了3個(gè)Button控件、5個(gè)TextView控件、24個(gè)RadioButton控件和1個(gè)ImageView控件。左上兩個(gè)模塊是臂1與臂2的狀態(tài)控制，可以通過(guò)點(diǎn)擊單選框選擇進(jìn)行臂的橫移前或后、伸縮上或下、旋轉(zhuǎn)前或后以及縱移內(nèi)或外。左下兩個(gè)模塊分別控制著絕緣子更換和行走與擰螺栓，前者也可以通過(guò)點(diǎn)擊單選框選擇碗頭內(nèi)或外、夾爪開(kāi)或合、W1與W2的推或拉，后者可以選擇奇或偶的松開(kāi)。右半部分是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)信息的顯示控制，通過(guò)點(diǎn)擊3個(gè)按鈕可以分別在下面的方框中刷新信息與狀態(tài)的顯示、以及關(guān)閉機(jī)器人程序。Android軟件機(jī)器人運(yùn)動(dòng)信息界面如圖6所示。

3.2Android機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制界面的設(shè)計(jì)

在Android軟件運(yùn)動(dòng)控制界面的編程代碼中，由于需要滿(mǎn)足機(jī)器人機(jī)械臂及末端所有動(dòng)作的控制需求，因此，定義了13個(gè)Button控件、5個(gè)TextView控件、2個(gè)

4系統(tǒng)作業(yè)實(shí)驗(yàn)

3.4Android機(jī)器人關(guān)鍵狀態(tài)界面的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所有關(guān)節(jié)關(guān)鍵狀態(tài)的在線監(jiān)控，需要選用合適的控件以滿(mǎn)足所有關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)控功能。因此，在Android軟件關(guān)鍵狀態(tài)界面的編程代碼中，定義了3個(gè)Button控件、21個(gè)TextView控件、1個(gè)RadioButton控件、1個(gè)CheckBox控件、1個(gè)ProgressBar、1個(gè)EditTextNumberDecimal控件。最上面的是通信模塊，可以點(diǎn)擊按鈕連接機(jī)器人。下面的電源控制模塊可以顯示電池的電壓，通過(guò)點(diǎn)擊刷新按鈕可以立即開(kāi)始刷新，下面還有一個(gè)進(jìn)度條用來(lái)顯示刷新的進(jìn)度。接著是電源開(kāi)關(guān)模塊，可以通過(guò)點(diǎn)擊按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的控制。最后是電流設(shè)定模塊，可以顯示W(wǎng)1與W2的電流大小以及其他一系列的參數(shù)。Android軟件關(guān)鍵狀態(tài)界面如圖7所示。

為測(cè)試本文所設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的控制終端，首先導(dǎo)出Android安裝包APK文件，并下載到安卓智能手機(jī)或者安卓平板上。通過(guò)人機(jī)交互系統(tǒng)的WIFI模塊將該末端可重構(gòu)帶電作業(yè)機(jī)器人與安卓手機(jī)端進(jìn)行通訊，并將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)信息與關(guān)鍵參數(shù)發(fā)送給安卓手機(jī)端；同時(shí)，安卓手機(jī)端可以發(fā)回控制信號(hào)給機(jī)器人，機(jī)器人根據(jù)收到的信號(hào)來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的指令，可以使其行走、夾緊、伸縮、縱移、旋轉(zhuǎn)等來(lái)完成螺栓緊固或者絕緣子更換的作業(yè)任務(wù)。圖8所示為機(jī)器人樣機(jī)在輸電線路進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)帶電作業(yè)實(shí)驗(yàn)。在整個(gè)帶電作業(yè)任務(wù)過(guò)程中，雙機(jī)械臂以及臂上的裝置根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的作業(yè)路線，有序地進(jìn)行螺栓緊固或者絕緣子更換。在此作業(yè)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程里，雙機(jī)械臂的伸縮、縱移和旋轉(zhuǎn)等關(guān)節(jié)按照Android端作業(yè)人員的指令，有條不紊地執(zhí)行相應(yīng)的操作，雙機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確地按照預(yù)設(shè)的要求執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的基于Android端的末端可重構(gòu)帶電作業(yè)機(jī)器人人機(jī)交互系統(tǒng)的完全可行。因此，根據(jù)上述作業(yè)實(shí)驗(yàn)，基于Android端的末端可重構(gòu)帶電作業(yè)機(jī)器人人機(jī)交互系統(tǒng)不僅具有Android端平臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控、靈活調(diào)參和通用性強(qiáng)三大優(yōu)勢(shì)，還豐富了機(jī)器人的末端功能，能夠進(jìn)行螺栓緊固和絕緣子更換兩大功能，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用，提高了作業(yè)效率，更重要的便攜式的安卓端操控模式能夠很好的適應(yīng)機(jī)器人野外環(huán)境下的作業(yè)控制，提升機(jī)器人的實(shí)用化水平。

5結(jié)論

（1針對(duì)傳統(tǒng)PC端控制的帶電作業(yè)機(jī)器人人機(jī)交互平臺(tái)存在的一些缺陷，本文提出了一種基于安卓端的機(jī)器人人機(jī)交互平臺(tái)新型分層控制體系架構(gòu)。

（2）基于安卓端的開(kāi)發(fā)軟件，分別設(shè)計(jì)了帶電作業(yè)機(jī)器人的人機(jī)交互控制主界面，運(yùn)動(dòng)控制界面，運(yùn)動(dòng)信息界面，關(guān)鍵狀態(tài)界面，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的集成與分散控制。

（3）通過(guò)物理樣機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)帶電作業(yè)線路上的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，表明基于安卓端的機(jī)器人控制能夠滿(mǎn)足帶電作業(yè)要求，同時(shí)具有便攜式、操控方便、界面友好等顯著優(yōu)點(diǎn)。

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Abstract：Liveokingobotsaeusedtoasistoreveeplacemanalnemaintenanceoperatiosinig-vageandstrogelectrog neticinterferecetrasmionlineeiroentssoastosurethsaeandstableoperatiooftepowersye.Covento puterinteractioncontrolofliveokingobtsisthepremiseoffexileolioperatioofrobotsTetaditionalPCbasedcotolode cannotadapttothefieldperationcontrolofrobotsBasedontis，tspaperproposesadevelopmentmethodofuman-computerterac tionAPPsystemforliveworkingrobotsbasedonAndroidplatformThemaininterfaceofrobothuman-machineinteractionandtreinter facesfotiotrolotioaiateidspeielyditefcdtece sociated.Thenareelotisutiddeadeloptonttc tionAPKfileoflikinotisgenatedderogaisstaleddtstedyrtingittdroidfosls showthatthedevelopedhuman-computerinteractionsystemcanralizethewirelessremotecontroloftherobotinthefieldevironment， andthecommunatiodistaecamttedofteobtcotrol.Finallteaplicatioexpintoftobotineeldseis cariedut.Thfieldaplicatiesultsstateoolinaltrasmissoisable，teobtmovssmoolydsmolyeu man-computerinteractionsystembasedonAndroidastheoviousadvantagesoffriendlyinterface，easytocarrandeasytooperate whichsolvesmanyinconveniencesoftePCcontrolmodeinthefieldenviroment，andimproves thepracticallevelofthoboste. Keywords：Android platform; livework; robot;APK file;portable

（責(zé)任編輯：田媛苑）