基于WEB的人机交互系统构架设计与实现.pdf

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1、第４期（总第２０３期）机械工程与自动化Ｎｏ．４２０１７年８月ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＡｕｇ．文章编号：１６７２６４１３（２０１７）０４０００４０３基于ＷＥＢ的人机交互系统构架设计与实现櫜杨博１，魏洪兴１，顾天祺１，邵振洲２（１．北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京１００１９１；２．首都师范大学信息工程学院成像技术北京市高精尖创新中心轻型工业机器人与安全验证实验室，北京１０００４８）摘要：设计出一种基于ＷＥＢ的机器人交互系统构架。基于此构架，用户可用电脑或移动设备的浏览器通过网络便捷地控制机器人，而不必安装任何复杂的软件

2、。相比之前的ＷＥＢ机器人控制系统，本系统构架使用通用机器人操作系统（ＲＯＳ）、跨平台服务器ＪＡＶＡＳｅｒｖｌｅｔ以及与设备平台无关的ＨＴＭＬ５标准，使用ＷｅｂＳｏｃｋｅｔ保证实时性和可靠性，使用ＷｅｂＧＬ获得更好的可视化；并用此构架实现了６自由度机械臂交互控制系统。结果表明，该系统具有良好的交互性和便捷性。关键词：人机交互；ＲＯＳ；ＷＥＢ；系统构架；设计中图分类号：ＴＰ２７３文献标识码：Ａ０引言设备差异。ＲＯＳ使用基于话题的发布者－订阅者模“机器革命”将推动“第三次工业革命”并成为国家型［４］在不同的计算图元间传递消息，发布者－订阅者科技创新和高端制造业的核心。工业信息

3、化、制造业消息传递模型如图２所示，这降低了算法（计算图元）服务化与智能系统等研究对“中国制造２０２５”和中国之间的耦合性和依赖度，提高了软件的通用性和复用工业产业转型有重大意义［１－２］。易用的人机交互系统性，很多常用的软件算法、硬件驱动器都可以直接获能使机器人在民用服务业等领域广泛普及。但目前许得，提高了机器人的开发效率和可靠性。多基于专用工业总线或实时以太网［３］的人机交互系统需要特殊设备和系统软件支持，非专业人员很难操作和使用，这影响了机器人的民用化普及进程。本文基于ＲＯＳ、ＨＴＭＬ５．０、ＷｅｂＳｏｃｋｅｔ、ＷｅｂＧＬ和Ｓｅｒｖｌｅｔ设计了人机交互系统构架。用户

4、仅凭浏览器就可操作机器人，实现了易用性；可在任意系统和设备上使用，实现了移动便捷交互；具有良好的实时性与３Ｄ人机交互接口。图２ＲＯＳ发布者－订阅者消息传递模型１人机交互系统构架及相关技术ＲＯＳ机器人系统可运行在Ｌｉｎｕｘ系统计算机或本ＷＥＢＧＵＩ交互系统由４个子系统组成，交互嵌入式设备上，应具有完成控制、决策、识别等所需的系统总体构架如图１所示。算法组件、参数、设备信息等；具有驱动节点，负责通过现场总线与机器人硬件进行交互。协议转换模块订阅ＲＯＳ中相应的话题并转换成指令发送给机器人。反之，从总线上读取数据转换成ＲＯＳ的消息发布到相应的话题中。系统必须安装ＲＯＳＢｒｉｄｇ

5、ｅ。ＲＯＳＢｒｉｄｇｅ使用轻量图１人机交互系统总体构架级ＪＳＯＮ格式基于ＷｅｂＳｏｃｋｅｔ技术传输控制信息和１．１ＲＯＳ机器人系统数据信息。任何符合ＲＯＳＢｒｉｄｇｅ协议［５］的应用均可ＲＯＳ（ＲｏｂｏｔＯｐｅｒａｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）是面向机器人控建立与ＲＯＳ系统的实时通讯。制与应用的开源级操作系统平台，它是建立在计算机１．２ＷｅｂＳｏｃｋｅｔ技术操作系统上的中间抽象层，为上层算法屏蔽底层硬件传统Ｂ／Ｓ通信是建立在ＨＴＴＰ上，基于请求服务－櫜国家科技支撑计划课题（２０１５ＢＡＦ１３Ｂ０１）收稿日期：２０１７０１０４；修订日期：２０１７０５０１作者简介：杨博（１

6、９９２），男，北京人，在读硕士研究生，研究方向：机械工程及自动化。２０１７年第４期杨博，等：基于ＷＥＢ的人机交互系统构架设计与实现·５·应答响应的模型，不能建立有效的长连接，不能满足实应的指令并存储；随后按ＲＯＳＢｒｉｄｇｅ协议封装成数据时性和带宽的要求［６］。为此在应用中嵌入Ａｐｐｌｅｔ建包，存到话题列队。通讯模块实时地通过ＷｅｂＳｏｃｋｅｔ立ＴＣＰ通讯以解决上述问题［７］，这降低了系统的易用将数据包发送到ＲＯＳ系统中。性和跨平台性。早期基于Ａｐｐｌｅｔ的ＷＥＢ应用通讯方案如图３所示。ＷｅｂＳｏｃｋｅｔ是基于ＴＣＰ建立的全双工长连接，是轻量级协议［８］，能保证实时性

7、并节约大量带宽［９］，用它作为ＷＥＢ应用实时通讯方案可在实时性和易用性上取得良好效果。基于ＷｅｂＳｏｃｋｅｔ的ＷＥＢ应用通讯方案如图４所示。图５系统构架工作流程ＲＯＳＢｒｉｄｇｅ收到数据后，解析并发送到对应消息话题中。经过系统处理产生控制消息发送到驱动节点，并转换成机器人指令，发送至与机器人相连的总线上（本示意图中使用ＣＡＮＢＵＳ）。图３早期基于Ａｐｐｌｅｔ的图４基于ＷｅｂＳｏｃｋｅｔ的当机器人的状态、位姿或者传感器数值发生变化ＷＥＢ应用通讯方案ＷＥＢ应用通讯方案后，系统以反向顺序工作，将数据回传到用户端。用户１．３Ｓｅｒｖｌｅｔ服务器浏