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。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(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?。D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?。?/p>
