1 引言

　　城市的現(xiàn)代化產(chǎn)生了眾多的高層建筑?；诓晒夂兔烙^的目的，許多高層建筑都以玻璃幕墻為外裝飾，因此帶來了幕墻的清洗問題。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。

　　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)無桿主氣缸構(gòu)成機(jī)器人主框架，結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕?？缮炜s腿部安裝有真空吸盤，通過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、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，用于檢測窗框、屋檐、地面、膠條，并感測自身的位置與狀態(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)境場信息。開始擦洗作業(yè)，操作人員通過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，使得向操作人員開放的是簡單、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)一致稱為相容性。相容性好要求有關(guān)模塊的出口現(xiàn)場與后續(xù)模塊的入口現(xiàn)場條件互相兼容，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)過預(yù)先設(shè)定次數(shù)的重復(fù)執(zhí)行后，指定功能依然無法完成，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)，也就是說一項(xiàng)操作經(jīng)過動(dòng)作規(guī)劃的分解后通過將有關(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)中典型問題進(jìn)行討論。首先討論一下超聲傳感器數(shù)據(jù)處理問題。機(jī)器人所處理的外部信息主要是鋁窗框和高大障礙物。通過對(duì)這兩種障礙的檢測，經(jīng)過控制器的處理完成對(duì)工作環(huán)境的幾何重構(gòu)。對(duì)于高大障礙的檢測采用接觸開關(guān)，對(duì)于鋁窗框和懸空的檢測采用超聲傳感器。超聲波利用物體界面上超聲反射、散射檢測物體的存在。超聲波在空氣或水的傳播過程中，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物體發(fā)射超聲波，檢測反射波并進(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?？諝夂凸腆w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)注意測距精度、最大測距范圍、方位分辨率、被測物體對(duì)超聲波的反射性能和測距時(shí)間五個(gè)問題。

　　另外對(duì)于測量精度產(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?。?。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?。┲斜硎玖藱C(jī)器人本體上四個(gè)方向上的超聲傳感器的工作過程，僅以豎直Y方向上端傳感器為例進(jìn)行說明。在需要向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，Y吸盤抬起，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)別障礙物的類型。如果不滿足上面所說的突變要求則對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)值進(jìn)行更新，可以簡單用下式表示：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，在程序的開頭部分和結(jié)尾部分都對(duì)吸附狀況進(jìn)行處理。X吸盤的真空建立過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吸盤的真空狀況。根據(jù)檢測的結(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，才開始處理。

　　圖中僅表示一次掃描的工作過程，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方向的兩組吸盤真空都沒有建立好，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;但是如果兩組吸盤連續(xù)補(bǔ)氣時(shí)間超過4s，則設(shè)置微調(diào)動(dòng)作標(biāo)志，需要將吸盤沿相關(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吸盤的處理過程進(jìn)行說明。當(dāng)檢測到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吸盤吸附于玻璃表面并建立真空;保護(hù)現(xiàn)場，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)行過程進(jìn)行了說明，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)交付用戶使用，實(shí)踐證明控制軟件安全可靠。