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繁重而危險的工作。目前，國內外主要使用升降平臺或吊籃承載清潔工進行玻璃壁面的清洗。人工進行高層建筑物的清洗不僅費用高、效率低，而且十分危險。清潔工人從高空跌落、死亡的事故時有發(fā)生。高層建筑幕墻清洗機器人將使人從危險的高空清洗作業(yè)中解脫出來。

　　全氣動、真空吸附高層建筑玻璃幕墻清洗機器人，所有運動件均由氣缸驅動，由X、Y兩個無桿主氣缸構成機器人主框架，結構緊湊、重量輕。可伸縮腿部安裝有真空吸盤，通過腿部的交替吸附和主氣缸的運動，機器人可以實現(xiàn)在玻璃幕墻上的縱向和橫向自主運動。在兩個主氣缸之間配備有腰關節(jié)，當機器人發(fā)生偏斜時，可以通過糾偏運動使其回到正常狀態(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、跨越障礙等動作。機器人系統(tǒng)應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。當控制器的硬件系統(tǒng)設計完成后，提高系統(tǒng)軟件性能將提上議程。

　　2 機器人控制軟件設計

　　機器人以可編程控制器為核心控制元件，其具有可靠性高，適應性好，接口功能強，組態(tài)靈活，軟件開發(fā)調試周期短等優(yōu)點。機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，軟件結構如圖機器人本體程序規(guī)劃（略）。進行自檢和初始化過程為了確保機械本體正常，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，機器人本體部分由機載控制器自主實現(xiàn)任務規(guī)劃、調度和驅動。首先對于控制信息綜合部分所得到的命令編碼進行解碼，并進行操作記憶，對于命令的安全性、合理性進行檢驗;接下來形成合理的運動規(guī)劃方案，針對具體的任務進行分配、執(zhí)行、管理動作序列，并形成各種狀態(tài)標志;最后判斷是否出現(xiàn)故障并進行信息反饋和處理。

　　在本體的軟件設計中采用模塊化方法，這種方法的使用是以機器人典型動作元的劃分為基礎，將系統(tǒng)整體軟件設計成由相對獨立、單一功能的動作元模塊組成的結構。在復雜的程序結構中，可編程控制器自身的編程特點使得上層動作之間可能出現(xiàn)耦合現(xiàn)象，而采用模塊化的設計方法，模塊的相對獨立性有效地防止錯誤在模塊之間擴散蔓延，從而提高系統(tǒng)的可靠性。典型動作元的設計有利于控制功能的設計和實現(xiàn)，同時基于模塊化設計為擴充已有系統(tǒng)、建立新系統(tǒng)帶來了許多方便。

　　擦窗機器人運動和作業(yè)各部分之間的相互轉換存在嚴格的約束條件。模塊化設計的同時還必須對某些動作進行必要的封裝，使得向操作人員開放的是簡單、安全的操作指令接口。對機器人的運動封裝既要考慮操作的方便、合理、可靠，又要考慮實現(xiàn)起來靈活、可繼承。按照面向任務分層規(guī)劃的原則，模塊化的設計應該具有透明性、相容性和容錯性三方面的要求。

　　透明性——模塊的透明性指在對于上層的調用功能而言，被調用的模塊完成指定功能后，不應留下任何額外的影響，不改變其它與該模塊無關的狀態(tài)。

　　相容性——控制系統(tǒng)的整體程序中存在著很多相互關聯(lián)的模塊，各種模塊間的相互配合、協(xié)調一致稱為相容性。相容性好要求有關模塊的出口現(xiàn)場與后續(xù)模塊的入口現(xiàn)場條件互相兼容，各模塊間銜接時可以達到運動步數(shù)最少，效率最高的目標。這樣有利于調用程序簡潔明了，可讀性強。相容性設計使得機器人整體動作協(xié)調合理，無冗余步驟，實現(xiàn)了最高效率地完成作業(yè)任務。

　　容錯性——模塊的容錯性是指模塊不但能在正常情況下完成指定功能，還應能處理異常情況，及時發(fā)現(xiàn)并妥善處理各種故障，從而保證系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行。針對本機器人而言，所說的處理一般指：PLC軟件立即向人機接口發(fā)出故障警告;機器人退回到上一最近狀態(tài)，重新執(zhí)行未完成的動作;各模塊在執(zhí)行任務期間，隨時可以接收人機接口發(fā)出的監(jiān)控命令;若經(jīng)過預先設定次數(shù)的重復執(zhí)行后，指定功能依然無法完成，則由上層轉向故障處理模塊。

　　為了實現(xiàn)上面所講的各種功能，程序中設置了很多狀態(tài)標志位，其中包括通訊控制位、解碼動作標志、動作起始標志、動作中間進行標志、動作完成或故障標志以及真空、傾斜等等重要屬性的狀態(tài)標志。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于下層動作模塊的調用是以各種狀態(tài)標志為依據(jù)，也就是說一項操作經(jīng)過動作規(guī)劃的分解后通過將有關狀態(tài)位置1完成，而動作續(xù)列按照邏輯順序的轉換憑借前一個子模塊的成功標志的置位為條件。這種狀態(tài)標志位的方法與可編程控制器的循環(huán)掃描工作機制相結合，從時間的宏觀上保證了系統(tǒng)多任務的執(zhí)行，而在微觀上保證了任意確定時刻模塊執(zhí)行的安全性和可靠性。

　　3 關鍵技術的軟件實現(xiàn)

　　下面就軟件實現(xiàn)中典型問題進行討論。首先討論一下超聲傳感器數(shù)據(jù)處理問題。機器人所處理的外部信息主要是鋁窗框和高大障礙物。通過對這兩種障礙的檢測，經(jīng)過控制器的處理完成對工作環(huán)境的幾何重構。對于高大障礙的檢測采用接觸開關，對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，遇到其它媒質則因兩種媒質的聲阻抗不同而產(chǎn)生反射。因此向空氣或水中的被測物體發(fā)射超聲波，檢測反射波并進行分析，就可以知道物體的存在、位置或性質。反射率的大小取決于兩種媒質聲抗的差異，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為媒質的密度，C為媒質中的聲速。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%。如果兩種媒質的界面比較平坦，并具有一定的面積，那么達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，則向各個不同的方向產(chǎn)生不規(guī)則的反射。使用超聲傳感器時應注意測距精度、最大測距范圍、方位分辨率、被測物體對超聲波的反射性能和測距時間五個問題。

　　另外對于測量精度產(chǎn)生影響的主要因素是溫度、氣壓和風等因素，其中以溫度的影響最為明顯。機器人中選用的超聲傳感器，探測距離為5-25cm，分辨率1mm=40mV，響應速度為近距離50ms，遠距離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?。?。圖中橫軸坐標單位為毫米，縱軸坐標單位為10/4096V。

　　超聲傳感器工作工程圖（略可向作者索取）中表示了機器人本體上四個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行說明。在需要向上運動時，Y吸盤抬起，氣缸向上運動，上端的超聲傳感器使能，只有在此條件下，軟件才對數(shù)據(jù)進行處理。對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表示采樣的當前值。在以后的掃描周期中，首先用A與上一次的采樣值A1進行比較，當差異滿足一定的數(shù)值時，則用A再與A2進行比較，只有當A與A1、A2的數(shù)值均有較大差異時，即圖中所說的突變，則可以斷定在已知范圍內存在障礙。根據(jù)差異的數(shù)據(jù)可以識別障礙物的類型。如果不滿足上面所說的突變要求則對各個數(shù)據(jù)值進行更新，可以簡單用下式表示：A3=A2，A2=A1，A1=A。采用此方法在應用中收到了良好的效果。

　　吸附的可靠性在高層建筑擦窗機器人系統(tǒng)中是至關重要的，其在整個控制軟件所處理的各種故障中優(yōu)先級最高。為了保證吸附功能的可靠，采用了冗余的設計方法，在程序的開頭部分和結尾部分都對吸附狀況進行處理。X吸盤的真空建立過程圖略可向作者索取。

　　當建立真空的動作起始標志被置位后，首先檢驗X吸盤的真空狀況。根據(jù)檢測的結果決定是否執(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)掃描機制所保證。先對整個操作的過程進行計時監(jiān)控，當在一定設定時間內X方向的兩組吸盤真空都沒有建立好，則為故障，設置故障標志，復位各種定時器、動作起始標志等等。補氣動作開始后，還要對補氣時間進行監(jiān)視。如果在小于4s的時間內真空建立好，則設置狀態(tài)良好標志，復位動作起始標志、故障標志和各種定時器;但是如果兩組吸盤連續(xù)補氣時間超過4s，則設置微調動作標志，需要將吸盤沿相關方向錯動一個微小的位移量，并復位動作起始標志及定時器t。

　　在程序的結尾設置了相應的真空處理后續(xù)微調處理部分。由于PLC的批處理運行機制，自動保證了在結尾部分的程序處理的優(yōu)先級最高。仍以X吸盤的處理過程進行說明。當檢測到X方向需要進行微小的錯動時，首先屏蔽建立真空的動作標志，進行抬X吸盤的動作，之后利用有關的方向標志，沿剛才運動方向相反的方向移動50mm，恢復建立真空標志，重新進行上圖中的操作，直到成功為止。所有操作的總時間超過T，則進入故障處理程序。

　　故障處理部分主要是指軟故障。在遇到緊急情況時，機器人必須進入保護狀態(tài)，以免造成重大損失。操作人員發(fā)出干預指令后，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;保護現(xiàn)場，復位其它動作標志和各種故障標志。根據(jù)當前的運行狀態(tài)可以選擇重新執(zhí)行動作或重新系統(tǒng)初始化。另外還可切換為手動操作方式進行處理。

　　4 小結

　　本文介紹了玻璃幕墻清洗機器人控制軟件結構和特點，結合程序框圖對機器人運行過程進行了說明，以此為基礎詳細介紹了超聲傳感器和吸附模塊的設計。該機器人目前已經(jīng)交付用戶使用，實踐證明控制軟件安全可靠。