摘 要： 本文對高層建築玻璃幕牆清洗機器人進行了簡單介紹，並對控製軟件結構特點進行了討論， 以此為基礎在文章的最後對軟件結構中的關鍵技術進行了詳細的說明。
關鍵詞： 清洗機器人; 控製軟件
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cheng市shi的de現xian代dai化hua產chan生sheng了le眾zhong多duo的de高gao層ceng建jian築zhu。基ji於yu采cai光guang和he美mei觀guan的de目mu的de，許xu多duo高gao層ceng建jian築zhu都dou以yi玻bo璃li幕mu牆qiang為wei外wai裝zhuang飾shi，因yin此ci帶dai來lai了le幕mu牆qiang的de清qing洗xi問wen題ti。高gao大da建jian築zhu物wu玻bo璃li幕mu牆qiang的de清qing洗xi是shi一yi項xiang繁fan重zhong而er危wei險xian的de工gong作zuo。目mu前qian，國guo內nei外wai主zhu要yao使shi用yong升sheng降jiang平ping台tai或huo吊diao籃lan承cheng載zai清qing潔jie工gong進jin行xing玻bo璃li壁bi麵mian的de清qing洗xi。人ren工gong進jin行xing高gao層ceng建jian築zhu物wu的de清qing洗xi不bu僅jin費fei用yong高gao、效率低，而且十分危險。清潔工人從高空跌落、死亡的事故時有發生。高層建築幕牆清洗機器人將使人從危險的高空清洗作業中解脫出來。
全氣動、真空吸附高層建築玻璃幕牆清洗機器人，所有運動件均由氣缸驅動，由X、Y兩個無杆主氣缸構成機器人主框架，結構緊湊、zhongliangqing。keshensuotuibuanzhuangyouzhenkongxipan，tongguotuibudejiaotixifuhezhuqigangdeyundong，jiqirenkeyishixianzaibolimuqiangshangdezongxianghehengxiangzizhuyundong。zailianggezhuqigangzhijianpeibeiyouyaoguanjie，dangjiqirenfashengpianxieshi，keyitongguojiupianyundongshiqihuidaozhengchangzhuangtai。tanenggouzaipingmian、45°斜麵和90°垂直玻璃麵上自主爬行、擦洗、障礙檢測、kuayuezhangaidengdongzuo。jiqirenxitongyingyongyugaokongbimianbolimuqiangdeqingxizuoye，gongzuotiaojianelie，mianxianggongchengshiyongwuyiyaoqiuxitongjuyougenggaodeanquanxinghekekaoxing。dangkongzhiqideyingjianxitongshejiwanchenghou，tigaoxitongruanjianxingnengjiangtishangyicheng。
2 機器人控製軟件設計
機ji器qi人ren以yi可ke編bian程cheng控kong製zhi器qi為wei核he心xin控kong製zhi元yuan件jian，其qi具ju有you可ke靠kao性xing高gao，適shi應ying性xing好hao，接jie口kou功gong能neng強qiang，組zu態tai靈ling活huo，軟ruan件jian開kai發fa調tiao試shi周zhou期qi短duan等deng優you點dian。機ji器qi人ren上shang安an裝zhuang有you多duo種zhong傳chuan感gan器qi，用yong於yu檢jian測ce窗chuang框kuang、屋簷、地麵、膠條，並感測自身的位置與狀態，為控製器提供必要的環境和狀態信息。機器人的工作過程分為自檢、初始化、作業、信息反饋四個部分，軟件結構如圖機器人本體程序規劃（略）。進行自檢和初始化過程為了確保機械本體正常，並獲取各種基本作業環境參數、邊(bian)界(jie)條(tiao)件(jian)，從(cong)而(er)使(shi)係(xi)統(tong)了(le)解(jie)環(huan)境(jing)場(chang)信(xin)息(xi)。開(kai)始(shi)擦(ca)洗(xi)作(zuo)業(ye)，操(cao)作(zuo)人(ren)員(yuan)通(tong)過(guo)觸(chu)摸(mo)屏(ping)輸(shu)出(chu)控(kong)製(zhi)指(zhi)令(ling)，機(ji)器(qi)人(ren)本(ben)體(ti)部(bu)分(fen)由(you)機(ji)載(zai)控(kong)製(zhi)器(qi)自(zi)主(zhu)實(shi)現(xian)任(ren)務(wu)規(gui)劃(hua)、調度和驅動。首先對於控製信息綜合部分所得到的命令編碼進行解碼，並進行操作記憶，對於命令的安全性、合理性進行檢驗;接下來形成合理的運動規劃方案，針對具體的任務進行分配、執行、管理動作序列，並形成各種狀態標誌;最後判斷是否出現故障並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，將係統整體軟件設計成由相對獨立、單(dan)一(yi)功(gong)能(neng)的(de)動(dong)作(zuo)元(yuan)模(mo)塊(kuai)組(zu)成(cheng)的(de)結(jie)構(gou)。在(zai)複(fu)雜(za)的(de)程(cheng)序(xu)結(jie)構(gou)中(zhong)，可(ke)編(bian)程(cheng)控(kong)製(zhi)器(qi)自(zi)身(shen)的(de)編(bian)程(cheng)特(te)點(dian)使(shi)得(de)上(shang)層(ceng)動(dong)作(zuo)之(zhi)間(jian)可(ke)能(neng)出(chu)現(xian)耦(ou)合(he)現(xian)象(xiang)，而(er)采(cai)用(yong)模(mo)塊(kuai)化(hua)的(de)設(she)計(ji)方(fang)法(fa)，模(mo)塊(kuai)的(de)相(xiang)對(dui)獨(du)立(li)性(xing)有(you)效(xiao)地(di)防(fang)止(zhi)錯(cuo)誤(wu)在(zai)模(mo)塊(kuai)之(zhi)間(jian)擴(kuo)散(san)蔓(man)延(yan)，從(cong)而(er)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)。典(dian)型(xing)動(dong)作(zuo)元(yuan)的(de)設(she)計(ji)有(you)利(li)於(yu)控(kong)製(zhi)功(gong)能(neng)的(de)設(she)計(ji)和(he)實(shi)現(xian)，同(tong)時(shi)基(ji)於(yu)模(mo)塊(kuai)化(hua)設(she)計(ji)為(wei)擴(kuo)充(chong)已(yi)有(you)係(xi)統(tong)、建立新係統帶來了許多方便。
cachuangjiqirenyundonghezuoyegebufenzhijiandexianghuzhuanhuancunzaiyangedeyueshutiaojian。mokuaihuashejidetongshihaibixuduimouxiedongzuojinxingbiyaodefengzhuang，shidexiangcaozuorenyuankaifangdeshijiandan、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，又要考慮實現起來靈活、可繼承。按照麵向任務分層規劃的原則，模塊化的設計應該具有透明性、相容性和容錯性三方麵的要求。
透明性――模(mo)塊(kuai)的(de)透(tou)明(ming)性(xing)指(zhi)在(zai)對(dui)於(yu)上(shang)層(ceng)的(de)調(tiao)用(yong)功(gong)能(neng)而(er)言(yan)，被(bei)調(tiao)用(yong)的(de)模(mo)塊(kuai)完(wan)成(cheng)指(zhi)定(ding)功(gong)能(neng)後(hou)，不(bu)應(ying)留(liu)下(xia)任(ren)何(he)額(e)外(wai)的(de)影(ying)響(xiang)，不(bu)改(gai)變(bian)其(qi)它(ta)與(yu)該(gai)模(mo)塊(kuai)無(wu)關(guan)的(de)狀(zhuang)態(tai)。
相容性――控製係統的整體程序中存在著很多相互關聯的模塊，各種模塊間的相互配合、協(xie)調(tiao)一(yi)致(zhi)稱(cheng)為(wei)相(xiang)容(rong)性(xing)。相(xiang)容(rong)性(xing)好(hao)要(yao)求(qiu)有(you)關(guan)模(mo)塊(kuai)的(de)出(chu)口(kou)現(xian)場(chang)與(yu)後(hou)續(xu)模(mo)塊(kuai)的(de)入(ru)口(kou)現(xian)場(chang)條(tiao)件(jian)互(hu)相(xiang)兼(jian)容(rong)，各(ge)模(mo)塊(kuai)間(jian)銜(xian)接(jie)時(shi)可(ke)以(yi)達(da)到(dao)運(yun)動(dong)步(bu)數(shu)最(zui)少(shao)，效(xiao)率(lv)最(zui)高(gao)的(de)目(mu)標(biao)。這(zhe)樣(yang)有(you)利(li)於(yu)調(tiao)用(yong)程(cheng)序(xu)簡(jian)潔(jie)明(ming)了(le)，可(ke)讀(du)性(xing)強(qiang)。相(xiang)容(rong)性(xing)設(she)計(ji)使(shi)得(de)機(ji)器(qi)人(ren)整(zheng)體(ti)動(dong)作(zuo)協(xie)調(tiao)合(he)理(li)，無(wu)冗(rong)餘(yu)步(bu)驟(zhou)，實(shi)現(xian)了(le)最(zui)高(gao)效(xiao)率(lv)地(di)完(wan)成(cheng)作(zuo)業(ye)任(ren)務(wu)。
容錯性――模(mo)塊(kuai)的(de)容(rong)錯(cuo)性(xing)是(shi)指(zhi)模(mo)塊(kuai)不(bu)但(dan)能(neng)在(zai)正(zheng)常(chang)情(qing)況(kuang)下(xia)完(wan)成(cheng)指(zhi)定(ding)功(gong)能(neng)，還(hai)應(ying)能(neng)處(chu)理(li)異(yi)常(chang)情(qing)況(kuang)，及(ji)時(shi)發(fa)現(xian)並(bing)妥(tuo)善(shan)處(chu)理(li)各(ge)種(zhong)故(gu)障(zhang)，從(cong)而(er)保(bao)證(zheng)係(xi)統(tong)的(de)正(zheng)常(chang)穩(wen)定(ding)運(yun)行(xing)。針(zhen)對(dui)本(ben)機(ji)器(qi)人(ren)而(er)言(yan)，所(suo)說(shuo)的(de)處(chu)理(li)一(yi)般(ban)指(zhi)：PLC軟件立即向人機接口發出故障警告;機器人退回到上一最近狀態，重新執行未完成的動作;各模塊在執行任務期間，隨時可以接收人機接口發出的監控命令;若經過預先設定次數的重複執行後，指定功能依然無法完成，則由上層轉向故障處理模塊。
為了實現上麵所講的各種功能，程序中設置了很多狀態標誌位，其中包括通訊控製位、解碼動作標誌、動作起始標誌、動作中間進行標誌、動作完成或故障標誌以及真空、傾(qing)斜(xie)等(deng)等(deng)重(zhong)要(yao)屬(shu)性(xing)的(de)狀(zhuang)態(tai)標(biao)誌(zhi)。這(zhe)些(xie)狀(zhuang)態(tai)位(wei)相(xiang)互(hu)配(pei)合(he)，成(cheng)為(wei)模(mo)塊(kuai)之(zhi)間(jian)相(xiang)互(hu)聯(lian)係(xi)的(de)重(zhong)要(yao)途(tu)徑(jing)。較(jiao)上(shang)層(ceng)的(de)功(gong)能(neng)模(mo)塊(kuai)對(dui)於(yu)下(xia)層(ceng)動(dong)作(zuo)模(mo)塊(kuai)的(de)調(tiao)用(yong)是(shi)以(yi)各(ge)種(zhong)狀(zhuang)態(tai)標(biao)誌(zhi)為(wei)依(yi)據(ju)，也(ye)就(jiu)是(shi)說(shuo)一(yi)項(xiang)操(cao)作(zuo)經(jing)過(guo)動(dong)作(zuo)規(gui)劃(hua)的(de)分(fen)解(jie)後(hou)通(tong)過(guo)將(jiang)有(you)關(guan)狀(zhuang)態(tai)位(wei)置(zhi)1完(wan)成(cheng)，而(er)動(dong)作(zuo)續(xu)列(lie)按(an)照(zhao)邏(luo)輯(ji)順(shun)序(xu)的(de)轉(zhuan)換(huan)憑(ping)借(jie)前(qian)一(yi)個(ge)子(zi)模(mo)塊(kuai)的(de)成(cheng)功(gong)標(biao)誌(zhi)的(de)置(zhi)位(wei)為(wei)條(tiao)件(jian)。這(zhe)種(zhong)狀(zhuang)態(tai)標(biao)誌(zhi)位(wei)的(de)方(fang)法(fa)與(yu)可(ke)編(bian)程(cheng)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)循(xun)環(huan)掃(sao)描(miao)工(gong)作(zuo)機(ji)製(zhi)相(xiang)結(jie)合(he)，從(cong)時(shi)間(jian)的(de)宏(hong)觀(guan)上(shang)保(bao)證(zheng)了(le)係(xi)統(tong)多(duo)任(ren)務(wu)的(de)執(zhi)行(xing)，而(er)在(zai)微(wei)觀(guan)上(shang)保(bao)證(zheng)了(le)任(ren)意(yi)確(que)定(ding)時(shi)刻(ke)模(mo)塊(kuai)執(zhi)行(xing)的(de)安(an)全(quan)性(xing)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)。
3 關鍵技術的軟件實現
下xia麵mian就jiu軟ruan件jian實shi現xian中zhong典dian型xing問wen題ti進jin行xing討tao論lun。首shou先xian討tao論lun一yi下xia超chao聲sheng傳chuan感gan器qi數shu據ju處chu理li問wen題ti。機ji器qi人ren所suo處chu理li的de外wai部bu信xin息xi主zhu要yao是shi鋁lv窗chuang框kuang和he高gao大da障zhang礙ai物wu。通tong過guo對dui這zhe兩liang種zhong障zhang礙ai的de檢jian測ce，經jing過guo控kong製zhi器qi的de處chu理li完wan成cheng對dui工gong作zuo環huan境jing的de幾ji何he重zhong構gou。對dui於yu高gao大da障zhang礙ai的de檢jian測ce采cai用yong接jie觸chu開kai關guan，對dui於yu鋁lv窗chuang框kuang和he懸xuan空kong的de檢jian測ce采cai用yong超chao聲sheng傳chuan感gan器qi。超chao聲sheng波bo利li用yong物wu體ti界jie麵mian上shang超chao聲sheng反fan射she、散san射she檢jian測ce物wu體ti的de存cun在zai。超chao聲sheng波bo在zai空kong氣qi或huo水shui的de傳chuan播bo過guo程cheng中zhong，遇yu到dao其qi它ta媒mei質zhi則ze因yin兩liang種zhong媒mei質zhi的de聲sheng阻zu抗kang不bu同tong而er產chan生sheng反fan射she。因yin此ci向xiang空kong氣qi或huo水shui中zhong的de被bei測ce物wu體ti發fa射she超chao聲sheng波bo，檢jian測ce反fan射she波bo並bing進jin行xing分fen析xi，就jiu可ke以yi知zhi道dao物wu體ti的de存cun在zai、位置或性質。反射率的大小取決於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，因此在其界麵上反射率接近100%。ruguoliangzhongmeizhidejiemianbijiaopingtan，bingjuyouyidingdemianji，namedadaozhelidechaoshengbojihuxiangyudaojingmianyiyangbeifanshe，ruguojiemianaotubuping，zexianggegebutongdefangxiangchanshengbuguizedefanshe。shiyongchaoshengchuanganqishiyingzhuyicejujingdu、最大測距範圍、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。
另外對於測量精度產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，Yxipantaiqi，qigangxiangshangyundong，shangduandechaoshengchuanganqishineng，zhiyouzaicitiaojianxia，ruanjiancaiduishujujinxingchuli。duiyudiyicishangduanchaoshengchuanganqidurudeshuju，jiangqifenbiezuoweidaoshudiyici、第二次和第三次的采樣數據值，分別用A1、A2、A3來表示，以A表示采樣的當前值。在以後的掃描周期中，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值時，則用A再與A2進行比較，隻有當A與A1、A2的(de)數(shu)值(zhi)均(jun)有(you)較(jiao)大(da)差(cha)異(yi)時(shi)，即(ji)圖(tu)中(zhong)所(suo)說(shuo)的(de)突(tu)變(bian)，則(ze)可(ke)以(yi)斷(duan)定(ding)在(zai)已(yi)知(zhi)範(fan)圍(wei)內(nei)存(cun)在(zai)障(zhang)礙(ai)。根(gen)據(ju)差(cha)異(yi)的(de)數(shu)據(ju)可(ke)以(yi)識(shi)別(bie)障(zhang)礙(ai)物(wu)的(de)類(lei)型(xing)。如(ru)果(guo)不(bu)滿(man)足(zu)上(shang)麵(mian)所(suo)說(shuo)的(de)突(tu)變(bian)要(yao)求(qiu)則(ze)對(dui)各(ge)個(ge)數(shu)據(ju)值(zhi)進(jin)行(xing)更(geng)新(xin)，可(ke)以(yi)簡(jian)單(dan)用(yong)下(xia)式(shi)表(biao)示(shi)：A3=A2，A2=A1，A1=A。采用此方法在應用中收到了良好的效果。
吸xi附fu的de可ke靠kao性xing在zai高gao層ceng建jian築zhu擦ca窗chuang機ji器qi人ren係xi統tong中zhong是shi至zhi關guan重zhong要yao的de，其qi在zai整zheng個ge控kong製zhi軟ruan件jian所suo處chu理li的de各ge種zhong故gu障zhang中zhong優you先xian級ji最zui高gao。為wei了le保bao證zheng吸xi附fu功gong能neng的de可ke靠kao，采cai用yong了le冗rong餘yu的de設she計ji方fang法fa，在zai程cheng序xu的de開kai頭tou部bu分fen和he結jie尾wei部bu分fen都dou對dui吸xi附fu狀zhuang況kuang進jin行xing處chu理li。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誌被置位後，首先檢驗X吸盤的真空狀況。根據檢測的結果決定是否執行該部分程序，隻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，程序的循環由PLC的循環掃描機製所保證。先對整個操作的過程進行計時監控，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，設置故障標誌，複位各種定時器、動作起始標誌等等。補氣動作開始後，還要對補氣時間進行監視。如果在小於4s的時間內真空建立好，則設置狀態良好標誌，複位動作起始標誌、故障標誌和各種定時器;但是如果兩組吸盤連續補氣時間超過4s，則設置微調動作標誌，需要將吸盤沿相關方向錯動一個微小的位移量，並複位動作起始標誌及定時器t。
在程序的結尾設置了相應的真空處理後續微調處理部分。由於PLC的批處理運行機製，自動保證了在結尾部分的程序處理的優先級最高。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誌，進行抬X吸盤的動作，之後利用有關的方向標誌，沿剛才運動方向相反的方向移動50mm，恢複建立真空標誌，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，以免造成重大損失。操作人員發出幹預指令後，首先將X、Y氣缸用氣頂死，X、Y吸盤吸附於玻璃表麵並建立真空;保(bao)護(hu)現(xian)場(chang)，複(fu)位(wei)其(qi)它(ta)動(dong)作(zuo)標(biao)誌(zhi)和(he)各(ge)種(zhong)故(gu)障(zhang)標(biao)誌(zhi)。根(gen)據(ju)當(dang)前(qian)的(de)運(yun)行(xing)狀(zhuang)態(tai)可(ke)以(yi)選(xuan)擇(ze)重(zhong)新(xin)執(zhi)行(xing)動(dong)作(zuo)或(huo)重(zhong)新(xin)係(xi)統(tong)初(chu)始(shi)化(hua)。另(ling)外(wai)還(hai)可(ke)切(qie)換(huan)為(wei)手(shou)動(dong)操(cao)作(zuo)方(fang)式(shi)進(jin)行(xing)處(chu)理(li)。
4 小結
benwenjieshaolebolimuqiangqingxijiqirenkongzhiruanjianjiegouhetedian，jiehechengxukuangtuduijiqirenyunxingguochengjinxingleshuoming，yiciweijichuxiangxijieshaolechaoshengchuanganqihexifumokuaidesheji。gaijiqirenmuqianyijingjiaofuyonghushiyong，shijianzhengmingkongzhiruanjiananquankekao。
參考文獻
[1]日本機器人學會 編著 宗光華 等譯《機器人技術手冊》科學出版社 1996年10月第1版
