摘 要：本文對高層建筑玻璃幕墻清洗機器人進行了簡單介紹，并對控制軟件結(jié)構(gòu)特點進行了討論， 以此為基礎(chǔ)在文章的最后對軟件結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵技術(shù)進行了詳細的說明。 關(guān)鍵詞：清洗機器人; 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?；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(nèi)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(qū)動，由X、Y兩個無桿主氣缸構(gòu)成機器人主框架，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(guān)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(shè)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(shè)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(diào)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(jié)構(gòu)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(diào)度和驅(qū)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(shè)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(chǔ)，將系統(tǒng)整體軟件設(shè)計成由相對獨立、單一功能的動作元模塊組成的結(jié)構(gòu)。在復雜的程序結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)計有利于控制功能的設(shè)計和實現(xiàn)，同時基于模塊化設(shè)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(zhuǎn)換存在嚴格的約束條件。模塊化設(shè)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(shè)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(diào)用功能而言，被調(diào)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(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，各模塊間銜接時可以達到運動步數(shù)最少，效率最高的目標。這樣有利于調(diào)用程序簡潔明了，可讀性強。相容性設(shè)計使得機器人整體動作協(xié)調(diào)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(shè)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(zhuǎn)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(shè)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(diào)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(guān)狀態(tài)位置1完成，而動作續(xù)列按照邏輯順序的轉(zhuǎn)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(jié)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(guān)鍵技術(shù)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(gòu)。對于高大障礙的檢測采用接觸開關(guān)，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(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?。┲斜硎玖藱C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A(chǔ)1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(nèi)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(guān)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(shè)計方法，在程序的開頭部分和結(jié)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(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(shè)定時間內(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(nèi)真空建立好，則設(shè)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(shè)置微調(diào)動作標志，需要將吸盤沿相關(guān)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(jié)尾設(shè)置了相應的真空處理后續(xù)微調(diào)處理部分。由于PLC的批處理運行機制，自動保證了在結(jié)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(guān)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(jié) 　　本文介紹了玻璃幕墻清洗機器人控制軟件結(jié)構(gòu)和特點，結(jié)合程序框圖對機器人運行過程進行了說明，以此為基礎(chǔ)詳細介紹了超聲傳感器和吸附模塊的設(shè)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。 參考文獻 　　[1]日本機器人學會 編著 宗光華 等譯《機器人技術(shù)手冊》科學出版社 1996年10月第1版 　　[2]西上雅朗，水島敏文，“glass roof cleaning robot system 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