基于CAN总线和传感器实现自攀爬机器人控制系统的软硬件设计

1、引言

随着机器人技术的发展，高层建筑幕墙自动化清洗成为可能。“复杂弧面幕墙清洗机器人开发”为863计划资助项目，机器人设计任务是清洗位于北京长安街的国家大剧院金属和玻璃顶棚。该剧院地处北京市中心，必将成为北京的标志性建筑之一，加之北方的气候条件恶劣，剧院外露墙面的清洗非常重要。

机器人系统应用于高层幕墙清洗作业，工作条件恶劣，面向工程使用无疑要求系统具有更高的安全性和可靠性。因此机器人需要好的控制系统。本文针对曲面高空作业特点，在介绍自攀爬式机器人的机构组成的基础上详细介绍机器人控制硬件系统和结构。

2、国家大剧院结构特点及机器人设计

剧院主体外形呈半椭球形，外墙由玻璃和钛合覆盖，总表面面积达到36000m2。大剧院上钛板分为7种规格，宽度从2．2m到1．5m不等。沿球面纬线方向各层钛板之间均分布有封闭铝导轨，宽25mm，高出板面40mm，且玻璃和钛板上导轨连续。钛板间存在横纵缝隙，缝中装有装饰用的半球形结构。

自攀爬机器人方案是基于建筑物的结构特点提出的。机器人本体按功能分为攀爬机构、驱动机构、清洗机构、俯仰调节机构。机器人样机如图1所示，总长约3米，宽1米，高0．5米，机体由轻质铝型材搭建而成。通过同步带传动，主框架与后箱体之间产生相对攀升运动;主驱动安装在主框架前端，辅驱动安装在主框架尾部长1000mm的两条滑动导轨之间，辅驱动可在该范围内被动滑动，以适应建筑物板面长度变化;主、辅驱动在机器人运动时与建筑物导轨相配合，通过摩擦轮提供驱动力;刷子模块可相对后箱体和主框架垂直于壁面作升降运动，并可与后箱体同步沿主框架移动;前、后俯仰支撑调节机构，其主要用于攀爬时调整机器人的姿态以适应建筑物每层板面间角度的变化，并在机器人攀爬时作为活动受力支点以改善受力。主框架底部采用船型结构，与安装在建筑物导轨上的滑动导杆形状相配合，并在前后夹持部件的协调配合下，进一步保证机器人攀爬和运动的安全性。前后夹持部件结构相同，该机构动作时机器人可以牢靠地抓持滑动导杆，并机械锁死以保证机器人高空作业的安全性。

机器人主要技术指标如下：最大作业高度50m;最大爬行速度200mm／s;清洗效率＞800m2／日;机器人本体重量＜150Kg。

3、自攀爬机器人控制系统设计

总线是德国公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与仪器之间的数据交换而开发的一种串行协议，其卓越的特性、极高的靠性和独特的设计，特别适合工业过程设备的互联，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。

根据运动功能要求和机器人机械本体结构，机器人控制器的硬件系统采用分布式CAN总线网络结构，如图2所示。系统分成6部分，5个CAN总线节点：主框架普通控制节点、后箱体控制节点、攀升及俯仰控制节点、主辅驱动控制节点、主控节点、遥控操作部分。

3．1 控制系统结构分布

主控计算机（机载IPC）作为中心节点成为整个系统的核心，采用PCM-9575单板电脑，其功能强大，功耗低，体积小。内嵌低功耗 Ezra 800M处理器，在无风扇情况下能工作达60℃，典型功耗14W，并支持PC／104总线。选用PCM3680 CAN通过PC／104总线与PCM-9575连接，无线通讯采用AM-4550收发模块。主控机属于高层智能级模块，不直接参与底层控制，实时接收遥控操作盒的运动指令，对机器人进行运动规划和控制调度，并通过CAN总线向主框架普通控制器等四个底层节点发出指令，控制和协调四个节点的工作;另一方面将机器人体状态信息反馈给操作人员以便监控。主控机还配备图像处理卡，将机器人上的CCD摄像头提供的视频信号进行处理，用来检测建筑物导轨和板面清洁程度。

遥控操作盒部分同样采用ADAM-4550模块与主控计算机进行无线通讯。操作盒主要功能是简单规划和监控，它同时接收无线CCD摄像头采集的图像信息并显示，操根据图像和主控计算机的返回信息对机器人进行监控和干预。 主框架普通控制器、后箱体控制器、攀升及俯仰控制器、主辅驱动控制器属于底层控制级模块，负责驱动相应的直流电机，各个模块之间主要通过CAN总线通讯进行协调。4个节点以及操作盒中的人机接口自行研制，以P80C592单片机为核心构成分布节点控制器，各控制器的硬件结构略有不同，以实现系统功能的未来扩展。P80C592具有丰富的输入、输出端口;采用80C5l中央处理单元（）;外部可扩展至64kB;2 256字节在片、外部可扩展至64kB;8路模拟量输入的10位变换器以及片内监视跟踪（WDT）等特点使其完全满足节点功能的设计要求，同时内置的CAN控制器增加了系统的可靠性，更有利于提高集成度，减小控制器体积。

仅以攀升及俯仰控制器为例进行说明，控制器节点硬件结构原理框图如图3所示。攀升及俯仰控制器控制对象为攀升机构、前、后俯仰支撑调节机构的3个直流伺服。攀升控制器封装了完成控制功能所必需的所有检测信息，主要包括攀爬过程中对导轨的检测、攀爬运动上下极限位置检测、主体框架与滑杆接触状态检测、船形板与滑杆槽口配合检测、主体框架与幕墙的平行度检测、前、后调节机构与幕墙接触检测以及相应的处理等。

3．2 配置

系统采用多种传感器，用以检测机器人与环境之间的相对状态和本体的运动情况。控制器通过对距离、材质、障碍物、位移等传感器信号的综合处理分析（融合），实现运动定位，完成局部自主智能控制，保证有效擦洗和流畅运动。

机器人外传感器的配置与工作环境直接相关。建筑物上的外部信息主要有铝导轨、滑动导杆、装饰灯、高大障碍物、大面积污物、少量水渍等几种。针对作业的实际要求，由于采用了攀爬式机构形式，除前后俯仰调节支撑外，机器人框架与壁面为非接触状态，诸如装饰灯之类的障碍物对机器人作业不造成影响。少量水渍对擦洗不会造成不良效应，而污物和灰尘是擦洗作业的直接目标。因此系统处理的外部信息主要是铝导轨、滑动导杆和高大障碍物，通过对这三种障碍的检测，经过控制器的处理完成对工作环境的几何重构。控制系统中对于高大障碍的检测采用接触开关和光电传感器，对于铝导轨、滑动导杆和悬空的检测采用超声传感器和CCD摄像头。另外CCD摄像头通过无线图像传输的方法使操作人员实时了解机器人作业的全局状态，以便进行必要干预。

内传感器用于机器人自身状态。位移传感器采用增量式，并利用控制板卡上通道采用中断方式输入;各种运动极限状态的检测采用。能源部分是本系统中不可或缺的组成部分，国家大剧院结构巨大，且建筑物纬线方向存在障碍物，如拖曳的必然造成电缆长度长、重量重、易损坏、并有可能对建筑物表面造成和划伤。因此选用锂电池作为机器人能源，其具有清洁、方便、储能效率较高、重量轻等优点，因此在检测系统中还增加监测部分。

4、机器人控制软件

机器人的工作过程分为自检、初始化、作业、信息反馈四个部分，软件结构如图4所示。

运动规划和操作管理部分根据上层规划的要求和准确的局部环境信息，在对作业环境信息综合性判断的基础上作出决策，选择出响应环境状态最合理的轨迹来进行合成，对运动模块进行调用。传感器检测信息所提供的局部环境模型是选择或调度的判断依据。运动控制采用设计，运动模块之间相对独立。每个模块可以独立地被编码、测试、排错或修改，从而使复杂的工作简化。机器人完成任务所需的所有运动，均可由基本动作模块按照一定的逻辑关系组合而成。在规划结束后软件进入输出驱动控制阶段，具体分配、执行和管理动作序列，并最终形成各种状态信息，这些信息作为故障诊断与处理的依据。在系统进行处理的同时，将所有操作结果输出给操作盒并进行可视化。

5、结论

本文介绍了国家大剧院幕墙清洗作业机器人的控制系统结构、控制器及硬件组成、软件结构特点等方面的内容。通过工程实验使用表明其可靠性较高，性能良好，作业安全。

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