摘 要： 本文對(duì)高層建筑玻璃幕墻清洗機(jī)器人進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)控制軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了討論， 以此為基礎(chǔ)在文章的最后對(duì)軟件結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。
關(guān)鍵詞： 清洗機(jī)器人; 控制軟件
Abstract： In this paper, a kind of service Robot for glass-wall cleaning of high-rise buildings is described and the software of the control system is discussed. Based on these, the key technique in the software of the control system is studied in detailed.
Keywords： Cleaning-robot, The software of the control system
1 引言
城市的現(xiàn)代化產(chǎn)生了眾多的高層建筑。基于采光和美觀的目的，許多高層建筑都以玻璃幕墻為外裝飾，因此帶來(lái)了幕墻的清洗問(wèn)題。高大建筑物玻璃幕墻的清洗是一項(xiàng)繁重而危險(xiǎn)的工作。目前，國(guó)內(nèi)外主要使用升降平臺(tái)或吊籃承載清潔工進(jìn)行玻璃壁面的清洗。人工進(jìn)行高層建筑物的清洗不僅費(fèi)用高、效率低，而且十分危險(xiǎn)。清潔工人從高空跌落、死亡的事故時(shí)有發(fā)生。高層建筑幕墻清洗機(jī)器人將使人從危險(xiǎn)的高空清洗作業(yè)中解脫出來(lái)。
全氣動(dòng)、真空吸附高層建筑玻璃幕墻清洗機(jī)器人，所有運(yùn)動(dòng)件均由氣缸驅(qū)動(dòng)，由X、Y兩個(gè)無(wú)桿主氣缸構(gòu)成機(jī)器人主框架，結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕。可伸縮腿部安裝有真空吸盤(pán)，通過(guò)腿部的交替吸附和主氣缸的運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)在玻璃幕墻上的縱向和橫向自主運(yùn)動(dòng)。在兩個(gè)主氣缸之間配備有腰關(guān)節(jié)，當(dāng)機(jī)器人發(fā)生偏斜時(shí)，可以通過(guò)糾偏運(yùn)動(dòng)使其回到正常狀態(tài)。它能夠在平面、45°斜面和90°垂直玻璃面上自主爬行、擦洗、障礙檢測(cè)、跨越障礙等動(dòng)作。機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用于高空壁面玻璃幕墻的清洗作業(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。當(dāng)控制器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，提高系統(tǒng)軟件性能將提上議程。
2 機(jī)器人控制軟件設(shè)計(jì)
機(jī)器人以可編程控制器為核心控制元件，其具有可靠性高，適應(yīng)性好，接口功能強(qiáng)，組態(tài)靈活，軟件開(kāi)發(fā)調(diào)試周期短等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)器人上安裝有多種傳感器，用于檢測(cè)窗框、屋檐、地面、膠條，并感測(cè)自身的位置與狀態(tài)，為控制器提供必要的環(huán)境和狀態(tài)信息。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)如圖機(jī)器人本體程序規(guī)劃（略）。進(jìn)行自檢和初始化過(guò)程為了確保機(jī)械本體正常，并獲取各種基本作業(yè)環(huán)境參數(shù)、邊界條件，從而使系統(tǒng)了解環(huán)境場(chǎng)信息。開(kāi)始擦洗作業(yè)，操作人員通過(guò)觸摸屏輸出控制指令，機(jī)器人本體部分由機(jī)載控制器自主實(shí)現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃、調(diào)度和驅(qū)動(dòng)。首先對(duì)于控制信息綜合部分所得到的命令編碼進(jìn)行解碼，并進(jìn)行操作記憶，對(duì)于命令的安全性、合理性進(jìn)行檢驗(yàn);接下來(lái)形成合理的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方案，針對(duì)具體的任務(wù)進(jìn)行分配、執(zhí)行、管理動(dòng)作序列，并形成各種狀態(tài)標(biāo)志;最后判斷是否出現(xiàn)故障并進(jìn)行信息反饋和處理。
在本體的軟件設(shè)計(jì)中采用模塊化方法，這種方法的使用是以機(jī)器人典型動(dòng)作元的劃分為基礎(chǔ)，將系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)成由相對(duì)獨(dú)立、單一功能的動(dòng)作元模塊組成的結(jié)構(gòu)。在復(fù)雜的程序結(jié)構(gòu)中，可編程控制器自身的編程特點(diǎn)使得上層動(dòng)作之間可能出現(xiàn)耦合現(xiàn)象，而采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，模塊的相對(duì)獨(dú)立性有效地防止錯(cuò)誤在模塊之間擴(kuò)散蔓延，從而提高系統(tǒng)的可靠性。典型動(dòng)作元的設(shè)計(jì)有利于控制功能的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，同時(shí)基于模塊化設(shè)計(jì)為擴(kuò)充已有系統(tǒng)、建立新系統(tǒng)帶來(lái)了許多方便。
擦窗機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和作業(yè)各部分之間的相互轉(zhuǎn)換存在嚴(yán)格的約束條件。模塊化設(shè)計(jì)的同時(shí)還必須對(duì)某些動(dòng)作進(jìn)行必要的封裝，使得向操作人員開(kāi)放的是簡(jiǎn)單、安全的操作指令接口。對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)封裝既要考慮操作的方便、合理、可靠，又要考慮實(shí)現(xiàn)起來(lái)靈活、可繼承。按照面向任務(wù)分層規(guī)劃的原則，模塊化的設(shè)計(jì)應(yīng)該具有透明性、相容性和容錯(cuò)性三方面的要求。
透明性——模塊的透明性指在對(duì)于上層的調(diào)用功能而言，被調(diào)用的模塊完成指定功能后，不應(yīng)留下任何額外的影響，不改變其它與該模塊無(wú)關(guān)的狀態(tài)。
相容性——控制系統(tǒng)的整體程序中存在著很多相互關(guān)聯(lián)的模塊，各種模塊間的相互配合、協(xié)調(diào)一致稱(chēng)為相容性。相容性好要求有關(guān)模塊的出口現(xiàn)場(chǎng)與后續(xù)模塊的入口現(xiàn)場(chǎng)條件互相兼容，各模塊間銜接時(shí)可以達(dá)到運(yùn)動(dòng)步數(shù)最少，效率最高的目標(biāo)。這樣有利于調(diào)用程序簡(jiǎn)潔明了，可讀性強(qiáng)。相容性設(shè)計(jì)使得機(jī)器人整體動(dòng)作協(xié)調(diào)合理，無(wú)冗余步驟，實(shí)現(xiàn)了最高效率地完成作業(yè)任務(wù)。
容錯(cuò)性——模塊的容錯(cuò)性是指模塊不但能在正常情況下完成指定功能，還應(yīng)能處理異常情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并妥善處理各種故障，從而保證系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)本機(jī)器人而言，所說(shuō)的處理一般指：PLC軟件立即向人機(jī)接口發(fā)出故障警告;機(jī)器人退回到上一最近狀態(tài)，重新執(zhí)行未完成的動(dòng)作;各模塊在執(zhí)行任務(wù)期間，隨時(shí)可以接收人機(jī)接口發(fā)出的監(jiān)控命令;若經(jīng)過(guò)預(yù)先設(shè)定次數(shù)的重復(fù)執(zhí)行后，指定功能依然無(wú)法完成，則由上層轉(zhuǎn)向故障處理模塊。
為了實(shí)現(xiàn)上面所講的各種功能，程序中設(shè)置了很多狀態(tài)標(biāo)志位，其中包括通訊控制位、解碼動(dòng)作標(biāo)志、動(dòng)作起始標(biāo)志、動(dòng)作中間進(jìn)行標(biāo)志、動(dòng)作完成或故障標(biāo)志以及真空、傾斜等等重要屬性的狀態(tài)標(biāo)志。這些狀態(tài)位相互配合，成為模塊之間相互聯(lián)系的重要途徑。較上層的功能模塊對(duì)于下層動(dòng)作模塊的調(diào)用是以各種狀態(tài)標(biāo)志為依據(jù)，也就是說(shuō)一項(xiàng)操作經(jīng)過(guò)動(dòng)作規(guī)劃的分解后通過(guò)將有關(guān)狀態(tài)位置1完成，而動(dòng)作續(xù)列按照邏輯順序的轉(zhuǎn)換憑借前一個(gè)子模塊的成功標(biāo)志的置位為條件。這種狀態(tài)標(biāo)志位的方法與可編程控制器的循環(huán)掃描工作機(jī)制相結(jié)合，從時(shí)間的宏觀上保證了系統(tǒng)多任務(wù)的執(zhí)行，而在微觀上保證了任意確定時(shí)刻模塊執(zhí)行的安全性和可靠性。
3 關(guān)鍵技術(shù)的軟件實(shí)現(xiàn)
下面就軟件實(shí)現(xiàn)中典型問(wèn)題進(jìn)行討論。首先討論一下超聲傳感器數(shù)據(jù)處理問(wèn)題。機(jī)器人所處理的外部信息主要是鋁窗框和高大障礙物。通過(guò)對(duì)這兩種障礙的檢測(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)。對(duì)于高大障礙的檢測(cè)采用接觸開(kāi)關(guān)，對(duì)于鋁窗框和懸空的檢測(cè)采用超聲傳感器。超聲波利用物體界面上超聲反射、散射檢測(cè)物體的存在。超聲波在空氣或水的傳播過(guò)程中，遇到其它媒質(zhì)則因兩種媒質(zhì)的聲阻抗不同而產(chǎn)生反射。因此向空氣或水中的被測(cè)物體發(fā)射超聲波，檢測(cè)反射波并進(jìn)行分析，就可以知道物體的存在、位置或性質(zhì)。反射率的大小取決于兩種媒質(zhì)聲抗的差異，差異越大，反射率越高。聲阻抗一般用下式表示：
Z = ρC 式1
式中ρ為媒質(zhì)的密度，C為媒質(zhì)中的聲速。空氣和固體的密度、聲速差異很大，因此在其界面上反射率接近100%。如果兩種媒質(zhì)的界面比較平坦，并具有一定的面積，那么達(dá)到這里的超聲波幾乎像遇到鏡面一樣被反射，如果界面凹凸不平，則向各個(gè)不同的方向產(chǎn)生不規(guī)則的反射。使用超聲傳感器時(shí)應(yīng)注意測(cè)距精度、最大測(cè)距范圍、方位分辨率、被測(cè)物體對(duì)超聲波的反射性能和測(cè)距時(shí)間五個(gè)問(wèn)題。
另外對(duì)于測(cè)量精度產(chǎn)生影響的主要因素是溫度、氣壓和風(fēng)等因素，其中以溫度的影響最為明顯。機(jī)器人中選用的超聲傳感器，探測(cè)距離為5-25cm，分辨率1mm=40mV，響應(yīng)速度為近距離50ms，遠(yuǎn)距離300ms，使用環(huán)境溫度為-10-55℃。超聲傳感器的性能如圖所示（略可向作者索取）。圖中橫軸坐標(biāo)單位為毫米，縱軸坐標(biāo)單位為10/4096V。
超聲傳感器工作工程圖（略可向作者索取）中表示了機(jī)器人本體上四個(gè)方向上的超聲傳感器的工作過(guò)程，僅以豎直Y方向上端傳感器為例進(jìn)行說(shuō)明。在需要向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，Y吸盤(pán)抬起，氣缸向上運(yùn)動(dòng)，上端的超聲傳感器使能，只有在此條件下，軟件才對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。對(duì)于第一次上端超聲傳感器讀入的數(shù)據(jù)，將其分別作為倒數(shù)第一次、第二次和第三次的采樣數(shù)據(jù)值，分別用A1、A2、A3來(lái)表示，以A表示采樣的當(dāng)前值。在以后的掃描周期中，首先用A與上一次的采樣值A(chǔ)1進(jìn)行比較，當(dāng)差異滿足一定的數(shù)值時(shí)，則用A再與A2進(jìn)行比較，只有當(dāng)A與A1、A2的數(shù)值均有較大差異時(shí)，即圖中所說(shuō)的突變，則可以斷定在已知范圍內(nèi)存在障礙。根據(jù)差異的數(shù)據(jù)可以識(shí)別障礙物的類(lèi)型。如果不滿足上面所說(shuō)的突變要求則對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)值進(jìn)行更新，可以簡(jiǎn)單用下式表示：A3=A2，A2=A1，A1=A。采用此方法在應(yīng)用中收到了良好的效果。
吸附的可靠性在高層建筑擦窗機(jī)器人系統(tǒng)中是至關(guān)重要的，其在整個(gè)控制軟件所處理的各種故障中優(yōu)先級(jí)最高。為了保證吸附功能的可靠，采用了冗余的設(shè)計(jì)方法，在程序的開(kāi)頭部分和結(jié)尾部分都對(duì)吸附狀況進(jìn)行處理。X吸盤(pán)的真空建立過(guò)程圖略可向作者索取。
當(dāng)建立真空的動(dòng)作起始標(biāo)志被置位后，首先檢驗(yàn)X吸盤(pán)的真空狀況。根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果決定是否執(zhí)行該部分程序，只有在位姿條件和真空條件都滿足的情況下，才開(kāi)始處理。
圖中僅表示一次掃描的工作過(guò)程，程序的循環(huán)由PLC的循環(huán)掃描機(jī)制所保證。先對(duì)整個(gè)操作的過(guò)程進(jìn)行計(jì)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)在一定設(shè)定時(shí)間內(nèi)X方向的兩組吸盤(pán)真空都沒(méi)有建立好，則為故障，設(shè)置故障標(biāo)志，復(fù)位各種定時(shí)器、動(dòng)作起始標(biāo)志等等。補(bǔ)氣動(dòng)作開(kāi)始后，還要對(duì)補(bǔ)氣時(shí)間進(jìn)行監(jiān)視。如果在小于4s的時(shí)間內(nèi)真空建立好，則設(shè)置狀態(tài)良好標(biāo)志，復(fù)位動(dòng)作起始標(biāo)志、故障標(biāo)志和各種定時(shí)器;但是如果兩組吸盤(pán)連續(xù)補(bǔ)氣時(shí)間超過(guò)4s，則設(shè)置微調(diào)動(dòng)作標(biāo)志，需要將吸盤(pán)沿相關(guān)方向錯(cuò)動(dòng)一個(gè)微小的位移量，并復(fù)位動(dòng)作起始標(biāo)志及定時(shí)器t。
在程序的結(jié)尾設(shè)置了相應(yīng)的真空處理后續(xù)微調(diào)處理部分。由于PLC的批處理運(yùn)行機(jī)制，自動(dòng)保證了在結(jié)尾部分的程序處理的優(yōu)先級(jí)最高。仍以X吸盤(pán)的處理過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。當(dāng)檢測(cè)到X方向需要進(jìn)行微小的錯(cuò)動(dòng)時(shí)，首先屏蔽建立真空的動(dòng)作標(biāo)志，進(jìn)行抬X吸盤(pán)的動(dòng)作，之后利用有關(guān)的方向標(biāo)志，沿剛才運(yùn)動(dòng)方向相反的方向移動(dòng)50mm，恢復(fù)建立真空標(biāo)志，重新進(jìn)行上圖中的操作，直到成功為止。所有操作的總時(shí)間超過(guò)T，則進(jìn)入故障處理程序。
故障處理部分主要是指軟故障。在遇到緊急情況時(shí)，機(jī)器人必須進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，以免造成重大損失。操作人員發(fā)出干預(yù)指令后，首先將X、Y氣缸用氣頂死，X、Y吸盤(pán)吸附于玻璃表面并建立真空;保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，復(fù)位其它動(dòng)作標(biāo)志和各種故障標(biāo)志。根據(jù)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)可以選擇重新執(zhí)行動(dòng)作或重新系統(tǒng)初始化。另外還可切換為手動(dòng)操作方式進(jìn)行處理。
4 小結(jié)
本文介紹了玻璃幕墻清洗機(jī)器人控制軟件結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，結(jié)合程序框圖對(duì)機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行了說(shuō)明，以此為基礎(chǔ)詳細(xì)介紹了超聲傳感器和吸附模塊的設(shè)計(jì)。該機(jī)器人目前已經(jīng)交付用戶(hù)使用，實(shí)踐證明控制軟件安全可靠。
參考文獻(xiàn)
[1]日本機(jī)器人學(xué)會(huì) 編著 宗光華 等譯《機(jī)器人技術(shù)手冊(cè)》科學(xué)出版社 1996年10月第1版
