Zooids：群集用户界面的构建模块 \ 扩展材料

本文引入了群集用户界面，一种由许多自主机器人组成的人机交互新形式，这些机器人同时负责显示和互动。我们描述了Zooids的设计，这是一个开源硬件平台，用于开发桌面群集界面。该平台包括一系列定制设计的2.6厘米直径的轮式微型机器人、一个无线电基站、一个高速DLP结构光投影仪（用于光学追踪）以及一个应用程序开发和控制的软件框架。通过使用Zooids开发的一系列应用场景，我们展示了桌面群集用户界面的潜力，并讨论了群集用户界面特有的通用设计考量因素。

硬件

Zooids是如上所示的小型定制机器人，直径26毫米，高21毫米，重量约为12克。每个机器人由100毫安时的锂聚合物电池供电，采用电机驱动的车轮。它包含一个柔性电极用于电容触控感应。它通过NRF24L01+芯片与主计算机通信。

追踪

我们的系统使用基于投影的追踪系统来跟踪机器人位置，如下所示。通过德州仪器公司的高速（3000赫兹）投影仪（DLP LightCrafter），在平坦表面上投射一系列灰度编码图案。然后，机器人上的光电二极管独立解码其在投影区域内的位置。关于如何设置这个投影仪追踪系统的说明包含在存储库中。

软件

从最高到最低层次，通信结构由四个主要层组成：应用层、模拟层、服务器层和硬件层。

在应用层，计算出机器人的目标位置。这些目标位置通过网络套接字传输到模拟层。应用程序程序员可以选择两种控制策略：比例积分微分（PID）位置控制或混合递归速度障碍物（HRVO）结合PID（这两种选项将在下文解释）。根据所选的控制策略，模拟层计算机器人的目标位置，对于PID是最终位置，对于HRVO是中间点，然后发送给服务器。最后，服务器层向各个Zooid发送命令，同时监控它们的状态和位置。

每个机器人通过基于以下状态机的PID控制器独立控制其运动。给定最终目标，机器人首先转向正确方向，一旦对齐，就加速到预设的理想速度。达到速度后，它通过PID控制器保持方向以确保朝着最终目标前进。当收到新的增量目标时，它将以相同的速度移动，但PID控制器将调整机器人的朝向以导向新的中间目标。当机器人接近目标5厘米时，它会减速至最小速度，到达目标1厘米范围内时停止并按应用程序编程员的指令定向。为了实现增量目标位置之间的平滑过渡，每秒60次地向机器人提供下一个位置。

致谢

这是斯坦福大学（美国）形状实验室与法国Inria Aviz团队的合作成果。部分资金由法兰西岛大区和ISC-PIF DIM资助。我们还要感谢Alexa Siu、Shenli Yuan、Ernesto Ramirez和Pham Minh Hieu投入大量时间和精力使这项工作成为可能。

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