自攀爬幕墻清洗機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、引言

　　隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，高層建筑幕墻自動(dòng)化清洗成為可能。"復(fù)雜弧面幕墻清洗機(jī)器人開(kāi)發(fā)"為863計(jì)劃資助項(xiàng)目，機(jī)器人設(shè)計(jì)任務(wù)是清洗位于北京長(zhǎng)安街的國(guó)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(biāo)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(jī)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(wú)疑要求系統(tǒng)具有更高的安全性和可靠性。因此機(jī)器人需要好的控制系統(tǒng)。本文針對(duì)曲面高空作業(yè)特點(diǎn)，在介紹自攀爬式機(jī)器人的機(jī)構(gòu)組成的基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹機(jī)器人控制硬件系統(tǒng)和軟件結(jié)構(gòu)。

2、國(guó)家大劇院結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及機(jī)器人設(shè)計(jì)

　　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(dá)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(jī)器人方案是基于建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出的。機(jī)器人本體按功能分為攀爬機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、清洗機(jī)構(gòu)、俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。機(jī)器人樣機(jī)[2]如圖1所示，總長(zhǎng)約3米，寬1米，高0．5米，機(jī)體由輕質(zhì)鋁型材搭建而成。通過(guò)同步帶傳動(dòng)，主框架與后箱體之間產(chǎn)生相對(duì)攀升運(yùn)動(dòng)；主驅(qū)動(dòng)安裝在主框架前端，輔驅(qū)動(dòng)安裝在主框架尾部長(zhǎng)1000mm的兩條滑動(dòng)導(dǎo)軌之間，輔驅(qū)動(dòng)可在該范圍內(nèi)被動(dòng)滑動(dòng)，以適應(yīng)建筑物板面長(zhǎng)度變化；主、輔驅(qū)動(dòng)在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)與建筑物導(dǎo)軌相配合，通過(guò)摩擦輪提供驅(qū)動(dòng)力；刷子模塊可相對(duì)后箱體和主框架垂直于壁面作升降運(yùn)動(dòng)，并可與后箱體同步沿主框架移動(dòng)；前、后俯仰支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其主要用于攀爬時(shí)調(diào)整機(jī)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(jī)器人攀爬時(shí)作為活動(dòng)受力支點(diǎn)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(dòng)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(jìn)一步保證機(jī)器人攀爬和運(yùn)動(dòng)的安全性。前后夾持部件結(jié)構(gòu)相同，該機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)機(jī)器人可以牢靠地抓持滑動(dòng)導(dǎo)桿，并機(jī)械鎖死以保證機(jī)器人高空作業(yè)的安全性。

　　機(jī)器人主要技術(shù)指標(biāo)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(jī)器人本體重量<150Kg。

3、自攀爬機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　CAN總線是德國(guó)Bosch公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)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(dú)特的設(shè)計(jì)，特別適合工業(yè)過(guò)程監(jiān)控設(shè)備的互聯(lián)，因此，越來(lái)越受到工業(yè)界的重視，并已公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

　　根據(jù)運(yùn)動(dòng)功能要求和機(jī)器人機(jī)械本體結(jié)構(gòu)，機(jī)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(gè)CAN總線節(jié)點(diǎn)：主框架普通控制節(jié)點(diǎn)、后箱體控制節(jié)點(diǎn)、攀升及俯仰控制節(jié)點(diǎn)、主輔驅(qū)動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)、主控計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)、遙控操作部分。

3．1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分布
　　主控計(jì)算機(jī)（機(jī)載IPC）作為中心節(jié)點(diǎn)成為整個(gè)系統(tǒng)的核心，采用PCM-9575單板電腦，其功能強(qiáng)大，功耗低，體積小。內(nèi)嵌低功耗VIA Ezra 800M處理器，在無(wú)風(fēng)扇情況下能工作達(dá)60℃，典型功耗14W，并支持PC／104總線。選用PCM3680 CAN接口適配器通過(guò)PC／104總線與PCM-9575連接，無(wú)線通訊采用ADAM-4550收發(fā)模塊。主控機(jī)屬于高層智能級(jí)模塊，不直接參與底層控制，實(shí)時(shí)接收遙控操作盒的運(yùn)動(dòng)指令，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制調(diào)度，并通過(guò)CAN總線向主框架普通控制器等四個(gè)底層節(jié)點(diǎn)發(fā)出指令，控制和協(xié)調(diào)四個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作；另一方面將機(jī)器人體狀態(tài)信息反饋給操作人員以便監(jiān)控。主控機(jī)還配備圖像處理卡，將機(jī)器人上的CCD攝像頭提供的視頻信號(hào)進(jìn)行處理，用來(lái)檢測(cè)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(jì)算機(jī)進(jìn)行無(wú)線通訊。操作盒主要功能是簡(jiǎn)單規(guī)劃和監(jiān)控，它同時(shí)接收無(wú)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(jì)算機(jī)的返回信息對(duì)機(jī)器人進(jìn)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(dòng)控制器屬于底層控制級(jí)模塊，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的直流電機(jī)，各個(gè)模塊之間主要通過(guò)CAN總線通訊進(jìn)行協(xié)調(diào)。4個(gè)節(jié)點(diǎn)以及操作盒中的人機(jī)接口電路自行研制，以P80C592單片機(jī)為核心構(gòu)成分布節(jié)點(diǎn)控制器，各控制器的硬件結(jié)構(gòu)略有不同，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的未來(lái)擴(kuò)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(kuò)展至64kB；2 ×256字節(jié)在片RAM、外部可擴(kuò)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(shí)器（WDT）等特點(diǎn)使其完全滿足節(jié)點(diǎn)功能的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)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(jìn)行說(shuō)明，控制器節(jié)點(diǎn)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(duì)象為攀升機(jī)構(gòu)、前、后俯仰支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的3個(gè)直流伺服電機(jī)。攀升控制器封裝了完成控制功能所必需的所有檢測(cè)信息，主要包括攀爬過(guò)程中對(duì)導(dǎo)軌的檢測(cè)、攀爬運(yùn)動(dòng)上下極限位置檢測(cè)、主體框架與滑桿接觸狀態(tài)檢測(cè)、船形板與滑桿槽口配合檢測(cè)、主體框架與幕墻的平行度檢測(cè)、前、后調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與幕墻接觸檢測(cè)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(cè)機(jī)器人與環(huán)境之間的相對(duì)狀態(tài)和本體的運(yùn)動(dòng)情況�？刂破魍ㄟ^(guò)對(duì)距離、材質(zhì)、障礙物、位移等傳感器信號(hào)的綜合處理分析（融合），實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)定位，完成局部自主智能控制，保證有效擦洗和流暢運(yùn)動(dòng)。

　　機(jī)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(dòng)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(duì)作業(yè)的實(shí)際要求，由于采用了攀爬式機(jī)構(gòu)形式，除前后俯仰調(diào)節(jié)支撐外，機(jī)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(duì)機(jī)器人作業(yè)不造成影響。少量水漬對(duì)擦洗不會(huì)造成不良效應(yīng)，而污物和灰塵是擦洗作業(yè)的直接目標(biāo)。因此系統(tǒng)處理的外部信息主要是鋁導(dǎo)軌、滑動(dòng)導(dǎo)桿和高大障礙物，通過(guò)對(duì)這三種障礙的檢測(cè)，經(jīng)過(guò)控制器的處理完成對(duì)工作環(huán)境的幾何重構(gòu)�？刂葡到y(tǒng)中對(duì)于高大障礙的檢測(cè)采用接觸開(kāi)關(guān)和光電傳感器，對(duì)于鋁導(dǎo)軌、滑動(dòng)導(dǎo)桿和懸空的檢測(cè)采用超聲傳感器和CCD攝像頭。另外CCD攝像頭通過(guò)無(wú)線圖像傳輸?shù)姆椒ㄊ共僮魅藛T實(shí)時(shí)了解機(jī)器人作業(yè)的全局狀態(tài)，以便進(jìn)行必要干預(yù)。

　　內(nèi)傳感器用于測(cè)量機(jī)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(yùn)動(dòng)極限狀態(tài)的檢測(cè)采用接近開(kāi)關(guān)。能源部分是本系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，國(guó)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(zhǎng)度長(zhǎng)、重量重、易損壞、并有可能對(duì)建筑物表面造成污染和劃傷。因此選用鋰電池作為機(jī)器人能源，其具有清潔、方便、儲(chǔ)能效率較高、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因此在檢測(cè)系統(tǒng)中還增加電源監(jiān)測(cè)部分。

4 機(jī)器人控制軟件

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

　　運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和操作管理部分根據(jù)上層規(guī)劃的要求和準(zhǔn)確的局部環(huán)境信息，在對(duì)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(lái)進(jìn)行合成，對(duì)運(yùn)動(dòng)模塊進(jìn)行調(diào)用。傳感器檢測(cè)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(yùn)動(dòng)控制采用模塊化設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)模塊之間相對(duì)獨(dú)立。每個(gè)模塊可以獨(dú)立地被編碼、測(cè)試、排錯(cuò)或修改，從而使復(fù)雜的工作簡(jiǎn)化。機(jī)器人完成任務(wù)所需的所有運(yùn)動(dòng)，均可由基本動(dòng)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(jìn)入輸出驅(qū)動(dòng)控制階段，具體分配、執(zhí)行和管理動(dòng)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(jìn)行處理的同時(shí)，將所有操作結(jié)果輸出給操作盒并進(jìn)行可視化。

4、結(jié)論

　　本文介紹了國(guó)家大劇院幕墻清洗作業(yè)機(jī)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(diǎn)等方面的內(nèi)容。通過(guò)工程實(shí)驗(yàn)使用表明其可靠性較高，性能良好，作業(yè)安全。