自攀爬幕墻清洗機器人控制系統(tǒng)設計

1引言

隨著機器人技術的發(fā)展，高層建筑幕墻自動化清洗成為可能。"復雜弧面幕墻清洗機器人開發(fā)"為863計劃資助項目，機器人設計任務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組成的基礎上詳細介紹機器人控制硬件系統(tǒng)和軟件結構。

2 國家大劇院結構特點及機器人設計

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軌，寬25mm，高出板面40mm，且玻璃和鈦板上導軌連續(xù)。鈦板間存在橫縱縫隙，縫中裝有裝飾用的半球形結構。

自攀爬機器人方案是基于建筑物的結構特點提出的。機器人本體按功能分為攀爬機構、驅動機構、清洗機構、俯仰調節(jié)機構。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；主驅動安裝在主框架前端，輔驅動安裝在主框架尾部長1000mm的兩條滑動導軌之間，輔驅動可在該范圍內被動滑動，以適應建筑物板面長度變化；主、輔驅動在機器人運動時與建筑物導軌相配合，通過摩擦輪提供驅動力；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、后俯仰支撐調節(jié)機構，其主要用于攀爬時調整機器人的姿態(tài)以適應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構，與安裝在建筑物導軌上的滑動導桿形狀相配合，并在前后夾持部件的協(xié)調配合下，進一步保證機器人攀爬和運動的安全性。前后夾持部件結構相同，該機構動作時機器人可以牢靠地抓持滑動導桿，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計，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設備的互聯(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構，機器人控制器的硬件系統(tǒng)采用分布式CAN總線網(wǎng)絡結構，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)結構分布

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。內嵌低功耗VIA Ezra 800M處理器，在無風扇情況下能工作達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。 主框架普通控制器、后箱體控制器、攀升及俯仰控制器、主輔驅動控制器屬于底層控制級模塊，負責驅動相應的直流電機，各個模塊之間主要通過CAN總線通訊進行協(xié)調。4個節(jié)點以及操作盒中的人機接口電路自行研制，以P80C592單片機為核心構成分布節(jié)點控制器，各控制器的硬件結構略有不同，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)點功能的設計要求，同時內置的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)點硬件結構原理框圖如圖3所示。攀升及俯仰控制器控制對象為攀升機構、前、后俯仰支撐調節(jié)機構的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、后調節(jié)機構與幕墻接觸檢測以及相應的處理等。

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、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。建筑物上的外部信息主要有鋁導軌、滑動導桿、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形式，除前后俯仰調節(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，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軌、滑動導桿和高大障礙物，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?？刂葡到y(tǒng)中對于高大障礙的檢測采用接觸開關和光電傳感器，對于鋁導軌、滑動導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。

內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。能源部分是本系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，國家大劇院結構巨大，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，軟件結構如圖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上作出決策，選擇出響應環(huán)境狀態(tài)最合理的軌跡來進行合成，對運動模塊進行調用。傳感器檢測信息所提供的局部環(huán)境模型是選擇或調度的判斷依據(jù)。運動控制采用模塊化設計，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，從而使復雜的工作簡化。機器人完成任務所需的所有運動，均可由基本動作模塊按照一定的邏輯關系組合而成。在規(guī)劃結束后軟件進入輸出驅動控制階段，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，將所有操作結果輸出給操作盒并進行可視化。

5結論

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)結構、控制器及硬件組成、軟件結構特點等方面的內容。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。