自攀爬幕墻清洗機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

1、引言

　　隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，高層建筑幕墻自動化清洗成為可能。"復(fù)雜弧面幕墻清洗機器人開發(fā)"為863計劃資助項目，機器人設(shè)計任務(wù)是清洗位于北京長安街的國家大劇院金屬和玻璃頂棚。該劇院地處北京市中心，必將成為北京的標志性建筑之一，加之北方的氣候條件惡劣，劇院外露墻面的清洗非常重要。

　　機器人系統(tǒng)應(yīng)用于高層幕墻清洗作業(yè)，工作條件惡劣，面向工程使用無疑要求系統(tǒng)具有更高的安全性和可靠性。因此機器人需要好的控制系統(tǒng)。本文針對曲面高空作業(yè)特點，在介紹自攀爬式機器人的機構(gòu)組成的基礎(chǔ)上詳細介紹機器人控制硬件系統(tǒng)和軟件結(jié)構(gòu)。

2、國家大劇院結(jié)構(gòu)特點及機器人設(shè)計

　　劇院主體外形呈半橢球形，外墻由玻璃和鈦合金板覆蓋，總表面面積達到36000m2。大劇院上鈦板分為7種規(guī)格，寬度從2．2m到1．5m不等。沿球面緯線方向各層鈦板之間均分布有封閉鋁導(dǎo)軌，寬25mm，高出板面40mm，且玻璃和鈦板上導(dǎo)軌連續(xù)。鈦板間存在橫縱縫隙，縫中裝有裝飾用的半球形結(jié)構(gòu)。

　　自攀爬機器人方案是基于建筑物的結(jié)構(gòu)特點提出的。機器人本體按功能分為攀爬機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、清洗機構(gòu)、俯仰調(diào)節(jié)機構(gòu)。機器人樣機[2]如圖1所示，總長約3米，寬1米，高0．5米，機體由輕質(zhì)鋁型材搭建而成。通過同步帶傳動，主框架與后箱體之間產(chǎn)生相對攀升運動；主驅(qū)動安裝在主框架前端，輔驅(qū)動安裝在主框架尾部長1000mm的兩條滑動導(dǎo)軌之間，輔驅(qū)動可在該范圍內(nèi)被動滑動，以適應(yīng)建筑物板面長度變化；主、輔驅(qū)動在機器人運動時與建筑物導(dǎo)軌相配合，通過摩擦輪提供驅(qū)動力；刷子模塊可相對后箱體和主框架垂直于壁面作升降運動，并可與后箱體同步沿主框架移動；前、后俯仰支撐調(diào)節(jié)機構(gòu)，其主要用于攀爬時調(diào)整機器人的姿態(tài)以適應(yīng)建筑物每層板面間角度的變化，并在機器人攀爬時作為活動受力支點以改善受力。主框架底部采用船型結(jié)構(gòu)，與安裝在建筑物導(dǎo)軌上的滑動導(dǎo)桿形狀相配合，并在前后夾持部件的協(xié)調(diào)配合下，進一步保證機器人攀爬和運動的安全性。前后夾持部件結(jié)構(gòu)相同，該機構(gòu)動作時機器人可以牢靠地抓持滑動導(dǎo)桿，并機械鎖死以保證機器人高空作業(yè)的安全性。

　　機器人主要技術(shù)指標如下：最大作業(yè)高度50m；最大爬行速度200mm／s；清洗效率＞800m2／日；機器人本體重量<150Kg。

3、自攀爬機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

　　CAN總線是德國Bosch公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，其卓越的特性、極高的靠性和獨特的設(shè)計，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互聯(lián)，因此，越來越受到工業(yè)界的重視，并已公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一。

　　根據(jù)運動功能要求和機器人機械本體結(jié)構(gòu)，機器人控制器的硬件系統(tǒng)采用分布式CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。系統(tǒng)分成6部分，5個CAN總線節(jié)點：主框架普通控制節(jié)點、后箱體控制節(jié)點、攀升及俯仰控制節(jié)點、主輔驅(qū)動控制節(jié)點、主控計算機節(jié)點、遙控操作部分。

3．1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分布
　　主控計算機（機載IPC）作為中心節(jié)點成為整個系統(tǒng)的核心，采用PCM-9575單板電腦，其功能強大，功耗低，體積小。內(nèi)嵌低功耗VIA Ezra 800M處理器，在無風(fēng)扇情況下能工作達60℃，典型功耗14W，并支持PC／104總線。選用PCM3680 CAN接口適配器通過PC／104總線與PCM-9575連接，無線通訊采用ADAM-4550收發(fā)模塊。主控機屬于高層智能級模塊，不直接參與底層控制，實時接收遙控操作盒的運動指令，對機器人進行運動規(guī)劃和控制調(diào)度，并通過CAN總線向主框架普通控制器等四個底層節(jié)點發(fā)出指令，控制和協(xié)調(diào)四個節(jié)點的工作；另一方面將機器人體狀態(tài)信息反饋給操作人員以便監(jiān)控。主控機還配備圖像處理卡，將機器人上的CCD攝像頭提供的視頻信號進行處理，用來檢測建筑物導(dǎo)軌和板面清潔程度。

　　遙控操作盒部分同樣采用ADAM-4550模塊與主控計算機進行無線通訊。操作盒主要功能是簡單規(guī)劃和監(jiān)控，它同時接收無線CCD攝像頭采集的圖像信息并顯示，操作者根據(jù)圖像和主控計算機的返回信息對機器人進行監(jiān)控和干預(yù)。 主框架普通控制器、后箱體控制器、攀升及俯仰控制器、主輔驅(qū)動控制器屬于底層控制級模塊，負責(zé)驅(qū)動相應(yīng)的直流電機，各個模塊之間主要通過CAN總線通訊進行協(xié)調(diào)。4個節(jié)點以及操作盒中的人機接口電路自行研制，以P80C592單片機為核心構(gòu)成分布節(jié)點控制器，各控制器的硬件結(jié)構(gòu)略有不同，以實現(xiàn)系統(tǒng)功能的未來擴展。P80C592具有豐富的輸入、輸出端口；采用80C5l中央處理單元（CPU）；外部ROM可擴展至64kB；2 ×256字節(jié)在片RAM、外部可擴展至64kB；8路模擬量輸入的10位ADC變換器以及片內(nèi)監(jiān)視跟蹤定時器（WDT）等特點使其完全滿足節(jié)點功能的設(shè)計要求，同時內(nèi)置的CAN控制器增加了系統(tǒng)的可靠性，更有利于提高集成度，減小控制器體積。

　　僅以攀升及俯仰控制器為例進行說明，控制器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)原理框圖如圖3所示。攀升及俯仰控制器控制對象為攀升機構(gòu)、前、后俯仰支撐調(diào)節(jié)機構(gòu)的3個直流伺服電機。攀升控制器封裝了完成控制功能所必需的所有檢測信息，主要包括攀爬過程中對導(dǎo)軌的檢測、攀爬運動上下極限位置檢測、主體框架與滑桿接觸狀態(tài)檢測、船形板與滑桿槽口配合檢測、主體框架與幕墻的平行度檢測、前、后調(diào)節(jié)機構(gòu)與幕墻接觸檢測以及相應(yīng)的處理等。

3．2 傳感器配置

　　系統(tǒng)采用多種傳感器，用以檢測機器人與環(huán)境之間的相對狀態(tài)和本體的運動情況�？刂破魍ㄟ^對距離、材質(zhì)、障礙物、位移等傳感器信號的綜合處理分析（融合），實現(xiàn)運動定位，完成局部自主智能控制，保證有效擦洗和流暢運動。

　　機器人外傳感器的配置與工作環(huán)境直接相關(guān)。建筑物上的外部信息主要有鋁導(dǎo)軌、滑動導(dǎo)桿、裝飾燈、高大障礙物、大面積污物、少量水漬等幾種。針對作業(yè)的實際要求，由于采用了攀爬式機構(gòu)形式，除前后俯仰調(diào)節(jié)支撐外，機器人框架與壁面為非接觸狀態(tài)，諸如裝飾燈之類的障礙物對機器人作業(yè)不造成影響。少量水漬對擦洗不會造成不良效應(yīng)，而污物和灰塵是擦洗作業(yè)的直接目標。因此系統(tǒng)處理的外部信息主要是鋁導(dǎo)軌、滑動導(dǎo)桿和高大障礙物，通過對這三種障礙的檢測，經(jīng)過控制器的處理完成對工作環(huán)境的幾何重構(gòu)�？刂葡到y(tǒng)中對于高大障礙的檢測采用接觸開關(guān)和光電傳感器，對于鋁導(dǎo)軌、滑動導(dǎo)桿和懸空的檢測采用超聲傳感器和CCD攝像頭。另外CCD攝像頭通過無線圖像傳輸?shù)姆椒ㄊ共僮魅藛T實時了解機器人作業(yè)的全局狀態(tài)，以便進行必要干預(yù)。

　　內(nèi)傳感器用于測量機器人自身狀態(tài)。位移傳感器采用增量式編碼器，并利用控制板卡上通道采用中斷方式輸入；各種運動極限狀態(tài)的檢測采用接近開關(guān)。能源部分是本系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，國家大劇院結(jié)構(gòu)巨大，且建筑物緯線方向存在障礙物，如拖曳的電纜必然造成電纜長度長、重量重、易損壞、并有可能對建筑物表面造成污染和劃傷。因此選用鋰電池作為機器人能源，其具有清潔、方便、儲能效率較高、重量輕等優(yōu)點，因此在檢測系統(tǒng)中還增加電源監(jiān)測部分。

4 機器人控制軟件

　　機器人的工作過程分為自檢、初始化、作業(yè)、信息反饋四個部分，軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　運動規(guī)劃和操作管理部分根據(jù)上層規(guī)劃的要求和準確的局部環(huán)境信息，在對作業(yè)環(huán)境信息綜合性判斷的基礎(chǔ)上作出決策，選擇出響應(yīng)環(huán)境狀態(tài)最合理的軌跡來進行合成，對運動模塊進行調(diào)用。傳感器檢測信息所提供的局部環(huán)境模型是選擇或調(diào)度的判斷依據(jù)。運動控制采用模塊化設(shè)計，運動模塊之間相對獨立。每個模塊可以獨立地被編碼、測試、排錯或修改，從而使復(fù)雜的工作簡化。機器人完成任務(wù)所需的所有運動，均可由基本動作模塊按照一定的邏輯關(guān)系組合而成。在規(guī)劃結(jié)束后軟件進入輸出驅(qū)動控制階段，具體分配、執(zhí)行和管理動作序列，并最終形成各種狀態(tài)信息，這些信息作為故障診斷與處理的依據(jù)。在系統(tǒng)進行處理的同時，將所有操作結(jié)果輸出給操作盒并進行可視化。

4、結(jié)論

　　本文介紹了國家大劇院幕墻清洗作業(yè)機器人的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制器及硬件組成、軟件結(jié)構(gòu)特點等方面的內(nèi)容。通過工程實驗使用表明其可靠性較高，性能良好，作業(yè)安全。