劉永平，張世一，藺卡賓

（蘭州理工大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050）

玻璃幕墻清洗機器人爬壁運動控制系統(tǒng)設(shè)計

劉永平，張世一，藺卡賓

（蘭州理工大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050）

針對高層建筑玻璃幕墻清洗問題，開發(fā)了一種雙層結(jié)構(gòu)玻璃幕墻清洗機器人，對機械人本體結(jié)構(gòu)及爬壁運動控制系統(tǒng)進行設(shè)計，以FPGA芯片為核心，對控制系統(tǒng)各部分硬件進行設(shè)計選型，并編寫上位機控制軟件。采用模糊PID算法對步進電機實現(xiàn)閉環(huán)控制，利用Matlab軟件對步進電機進行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，機器人運行狀態(tài)穩(wěn)定，具有較高的實用性。

機械結(jié)構(gòu)；硬件設(shè)計；模糊PID；仿真分析；軟件編程

0 引言

玻璃幕墻是現(xiàn)代高層建筑的主要裝飾方法之一，但其清洗問題一直是困擾人們的一大難題，利用機器人清洗已經(jīng)成為發(fā)展的必然趨勢。

設(shè)計了一種玻璃幕墻清洗機器人［1］。機械本體采用雙層交替運動的結(jié)構(gòu)，可完成前進、后退、轉(zhuǎn)彎動作。根據(jù)玻璃表面平整光滑的特點，采用真空吸附方式作為機器人在玻璃墻面的附著手段，利用步進電機作為機器人的驅(qū)動裝置?？刂葡到y(tǒng)選用FPGA作為控制核心，構(gòu)建帶有模糊PID算法的閉環(huán)控制系統(tǒng)，利用Lab VIEW軟件編寫上位控制程序，實現(xiàn)對機械本體運動的實時控制。

1 機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 機械本體結(jié)構(gòu)

高樓玻璃幕墻清洗機器人機械結(jié)構(gòu)［2］如圖1所示，在機器人作業(yè)過程中，通過吸盤組交替吸附墻面，實現(xiàn)上、下兩層協(xié)調(diào)動作。當(dāng)下層吸住時，上層向前移動，移動完成之后，上層吸住，下層脫離墻面向前移動，這樣循環(huán)往復(fù)實現(xiàn)機械本體的直線運動。需要轉(zhuǎn)彎時，上層吸盤吸住，下層相對上層旋轉(zhuǎn)，隨后下層吸住，上層旋轉(zhuǎn)。通過前進、轉(zhuǎn)彎2種運動的配合實現(xiàn)全方位移動。

圖1 玻璃幕墻機器人機械結(jié)構(gòu)

1.2 各部分組成及功能

機械結(jié)構(gòu)主要由吸附系統(tǒng)、移動系統(tǒng)、上下層切換系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)4部分組成。吸附機構(gòu)由真空吸盤、真空泵和電磁閥組成。通過真空泵抽氣，使吸盤產(chǎn)生負(fù)壓，機械本體吸附于玻璃幕墻表面。移動系統(tǒng)主要由上下層支架、移動導(dǎo)軌和步進電機等構(gòu)成，移動時通過電機旋轉(zhuǎn)帶動機器人前、后運動。上下層切換機構(gòu)主要由移動滑塊、齒條導(dǎo)軌和步進電機等構(gòu)成，通過電機正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)上、下層切換。旋轉(zhuǎn)機構(gòu)主要由旋轉(zhuǎn)中心柱、旋轉(zhuǎn)齒盤導(dǎo)軌、齒輪和步進電機等構(gòu)成。實現(xiàn)上、下兩層相對旋轉(zhuǎn)。

2 機器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)機器人本體結(jié)構(gòu)和控制性能的要求，玻璃幕墻機器人控制系統(tǒng)主要由檢測機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)、核心控制板和帶算法的上位控制程序4個部分組成，整個控制系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2.2 控制系統(tǒng)硬件組成

控制系統(tǒng)硬件包括檢測裝置、執(zhí)行裝置和核心控制板。

檢測裝置由STEDELE ME8104限位開關(guān)、壓力傳感器和3個KZP3808光電編碼器構(gòu)成，實現(xiàn)機器人運動過程中的數(shù)據(jù)采集處理［3］及反饋上位程序顯示。限位開關(guān)和壓力傳感器均屬于保護裝置，當(dāng)本體運動至極限位或墻面附著力過小時，保護裝置被觸發(fā)，機械本體立即鎖定在墻面。編碼器分別采集3個步進電機輸出信號，并將信號反饋至控制板完成閉環(huán)控制。

執(zhí)行裝置由57BYGH78系列步進電機［4］和電磁閥構(gòu)成。4個步進電機分別完成上層前進、下層前進、轉(zhuǎn)彎和上下層切換的功能，其中上、下層前進及轉(zhuǎn)彎電機配光電編碼器。2個電磁閥負(fù)責(zé)完成上下2層氣路的切換。

核心控制板需要具有模擬信號采集處理、任意頻率TTL輸出、數(shù)字IO和總線通訊等功能。FPGA芯片集成內(nèi)嵌乘法器［5］和運算電路，是作為核心處理元件的最佳選擇。故根據(jù)設(shè)計需求搭建控制電路，F(xiàn)PGA控制板整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 FPGA控制板結(jié)構(gòu)

2.3 控制板功能

控制板并行采集3個光電編碼器和1個壓力傳感器的4路模擬信號，經(jīng)放大和A／D轉(zhuǎn)換后存入靜態(tài)隨機存儲器SRAM，可根據(jù)需要延時讀取。輸出部分在基準(zhǔn)時鐘作用下于DDS內(nèi)部合成所需頻率的數(shù)字波形［6］，經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換和濾波器處理生成所需的TTL開關(guān)信號，信號放大后用于驅(qū)動步進電機。DIO數(shù)字接口中限位開關(guān)信號通過DI輸入，電磁閥開關(guān)信號通過DO輸出。由于4個步進電機共用1個驅(qū)動器，DO口根據(jù)上位程序命令把即將動作的步進電機接入驅(qū)動器電路，完成電機驅(qū)動信號的切換?？刂瓢錐PGA芯片內(nèi)部集成總線通訊模塊，通過總線連接完成與上位程序的指令信息傳遞。

3 閉環(huán)控制部分建模仿真

機器人主要動作是由步進電機驅(qū)動，要實現(xiàn)對機械運動的精確控制，必須保證步進電機的運行精度，因此，設(shè)計帶算法的步進電機閉環(huán)控制系統(tǒng)，并對其仿真分析。

3.1 步進電機數(shù)學(xué)模型

控制系統(tǒng)選用二相混合式步進電機，不計永磁體回路漏磁、定子極間和端部的漏磁，忽略磁滯和渦流的影響，忽略飽和的影響，兩相混合式步進電機的電壓平衡方程［7］為：

UA，UB為施加在兩相繞組上的電壓；rA，rB為兩相繞組的內(nèi)部繞組；wr為電機轉(zhuǎn)子的機械角；ke為電機運行時的反電動勢；L0，L2分別為電機繞組自感的平均分量和基波分量。

兩相混合式步進電機的轉(zhuǎn)矩方程為：

J為轉(zhuǎn)動慣量；B為粘滯摩擦系數(shù)；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)式（1）～式（3），在Matlab／Simulink中搭建步進電機仿真模型。輸入電機兩相電壓UA、UB與負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL后，經(jīng)過計算可得到電機的輸出轉(zhuǎn)矩Te，兩相電流iA、iB，轉(zhuǎn)速wr，轉(zhuǎn)角θ。

3.2 模糊PID控制模型建立

從數(shù)學(xué)模型可以看出，步進電機是高度非線性對象，因此運算部分將模糊控制和常規(guī)PID控制結(jié)合起來，構(gòu)建模糊PID控制［8］算法。在模糊控制器中，將偏差和偏差變化率作為輸入量，然后對其模糊化處理，并按照電機特點設(shè)定的模糊控制規(guī)則進行模糊決策，最后經(jīng)過解模糊處理和比例變換，得到PID控制器相關(guān)參數(shù)，從而獲得模糊PID控制器輸出量。Matlab／Simulink中建立模糊PID模型如圖4所示。

圖4 模糊PID仿真模型

3.3 建模仿真與結(jié)果分析

混合式步進電機本身具有低頻振蕩問題，為保證運行精度，只能通過細(xì)分控制減小每步前進角度的方法解決。系統(tǒng)選用2HSS57步進電機驅(qū)動器，驅(qū)動器擁有2、4、8、16等級別的細(xì)分控制功能，由于細(xì)分控制采用電流閉環(huán)實現(xiàn)，故將其視為內(nèi)閉環(huán)加入到控制系統(tǒng)中。步進電機模糊PID控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 步進電機模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在Matlab／Simulink模塊中，將建立的模糊PID模塊和步進電機模塊連接，給定電機相關(guān)參數(shù)為：二相電機的電感為0.008 H、繞組電阻為2Ω、步距角為1.8°、最大磁鏈為0.01 Wb、轉(zhuǎn)矩為2 N· m、轉(zhuǎn)動慣量為1.6×10－4kg·m2，負(fù)載為1 N·m，驅(qū)動電壓為24 V，采用8細(xì)分控制，設(shè)定步進脈沖頻率為1.3 k Hz。經(jīng)仿真運算，步進電機的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速如圖6、圖7所示。

圖6 模糊PID控制轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

圖7 模糊PID控制轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

仿真結(jié)果表明，控制系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，開始階段僅用0.05 s達(dá)到穩(wěn)定，0.2 s負(fù)載加入后出現(xiàn)小幅震蕩，整體變化平滑，在驅(qū)動機器人本體運動時能夠滿足精度的要求。

4 控制系統(tǒng)軟件編程

4.1 控制程序整體結(jié)構(gòu)

為保證良好的人機操作性，控制系統(tǒng)軟件界面采用Lab VIEW編寫，總體流程如圖8所示。底層程序采用C語言［9］開發(fā)，各部分功能對應(yīng)不同的函數(shù)命令，包括板卡初始化函數(shù)、參數(shù)寫入函數(shù)、數(shù)據(jù)采集功能函數(shù)和模糊PID算法函數(shù)等。同時，將板卡的驅(qū)動協(xié)議和總線通訊協(xié)議也嵌入底層程序中，建立了完整的底層命令。將底層命令封裝在動態(tài)鏈接庫DLL中，需要完成某功能時，通過Lab-VIEW鏈接庫［10］調(diào)用功能直接調(diào)用所需的函數(shù)命令。

圖8 控制程序流程

4.2 控制程序功能和特點

上位控制界面能夠控制機械人完成前、后運動和左、右轉(zhuǎn)彎動作，并有鎖定功能?？刂瓢宓母鞣N參數(shù)都在后臺程序中設(shè)置了固定值，避免因參數(shù)設(shè)定不當(dāng)引起故障。界面中前、后運行按鈕為單擊轉(zhuǎn)化模式，左、右轉(zhuǎn)彎按鈕為單擊觸發(fā)模式，以上4個按鈕為單項選擇執(zhí)行，任一按鈕觸發(fā)時，另外的按鈕均無效。鎖死按鈕在程序執(zhí)行中擁有最高優(yōu)先級，可在意外突發(fā)時鎖定機器人。正常情況下點擊終止運行按鈕，機械本體鎖定后軟件占用內(nèi)存釋放，程序結(jié)束。

控制程序采用多個子程序（VI）獨立運行的方式，不同的子VI實現(xiàn)不同的功能，每個子VI中語句數(shù)量很小，保證了運行速率最大化。主程序?qū)⑺械淖覸I集合調(diào)用，執(zhí)行時后臺僅運行需要的子VI，這樣大大減少主程序運行時內(nèi)存的占用，實現(xiàn)了各個功能的模塊化，使程序修改調(diào)整時更加便捷。

5 結(jié)束語

在玻璃幕墻機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，完成了控制系統(tǒng)硬件部分的選型和搭建，并編寫了相應(yīng)的控制程序，采用模糊PID算法對步進電機進行精確的閉環(huán)控制，提高了機械本體運動的穩(wěn)定性。在玻璃幕墻表面進行爬行實驗，驗證了本機械系統(tǒng)可在玻璃表面沿直線穩(wěn)定運行，轉(zhuǎn)彎時角度同樣精確，具有較高的可靠性。

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Design of Control System for High-rise Buildings Glass-wall Cleaning Robot

LIU Yongping，ZHANG Shiyi，LIN Kabin
（School of Mechanical and Electronical Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

To solve the problem of glass wall cleaning for high-rise buildings，this research developed a kind of glass curtain wall cleaning robot with a double layer structure，and designed the robot structure and wall climbing motion control system.The various hardware components of the control system are designed with FPGA chip at the core，and the host control software is written at the same time.Fuzzy PID algorithm is used to achieve closed-loop control of the stepper motor，and the motor is analyzed with Matlab.Simulation results indicates that the robot’s running status is stable and has high practicability.

mechanical structure；hardware design；fuzzy PID；simulation analysis；software programming

TP242

A

1001-2257（2015）09-0072-04

劉永平 （1973－），男，甘肅白銀人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向為數(shù)控技術(shù)、精密測控等。

版權(quán)聲明

機械與電子雜志社

2015-04-17

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