履帶遙控機(jī)器人在裝配式建筑施工領(lǐng)域的應(yīng)用研究*

桂林電子科技大學(xué) 建筑與交通工程學(xué)院 廣西 桂林 541004

引言

當(dāng)前建筑領(lǐng)域，傳統(tǒng)澆筑式建筑越來(lái)越難以滿足在建筑施工效率、環(huán)境保護(hù)等方面的要求。裝配式建筑在減少污染、提高建筑施工效率和質(zhì)量等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，也越來(lái)越被人們重視[1]。裝配式建筑大大簡(jiǎn)化施工工序，但對(duì)建筑施工裝備的要求也更高。

近年來(lái)，國(guó)際上掀起了“建筑智能裝備（機(jī)器人）”研究的熱潮，相關(guān)建筑智能裝備相繼問(wèn)世，表明基于智能裝備技術(shù)的智能建造已成為時(shí)代潮流。國(guó)內(nèi)外建筑智能裝備的研發(fā)主要圍繞著墻體砌筑機(jī)器人，墻/地面施工機(jī)器人，清拆/清運(yùn)作業(yè)機(jī)器人，3D打印建筑機(jī)器人，可穿戴輔助施工機(jī)器人系統(tǒng)等[2-4]。In-situ Fabricator公司的墻體砌筑機(jī)器人Hadrian109，可基于CAD 3D模型自主完建筑物的營(yíng)建[2]。河北工業(yè)大學(xué)、河北建工集團(tuán)在863計(jì)劃的支持下所研發(fā)的C-ROBOT-I，是我國(guó)第一套面向建筑板材安裝的輔助操作機(jī)器人系統(tǒng)[3]。

本項(xiàng)目針對(duì)裝配式建筑構(gòu)件吊裝施工中存在的安全性、效率等問(wèn)題，提出研發(fā)智能化的吊裝輔助裝備。擬解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題有：機(jī)器人結(jié)構(gòu)與動(dòng)力設(shè)計(jì)，機(jī)器人信息采集、傳輸與電氣控制，智能化信息處理技術(shù)，系統(tǒng)優(yōu)化控制等。

1 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與動(dòng)力設(shè)計(jì)

履帶式行走結(jié)構(gòu)，對(duì)建筑施工現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜地形具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。機(jī)器人采用遠(yuǎn)程遙控手段實(shí)現(xiàn)行走、作業(yè)等控制。機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)可分為電動(dòng)、氣動(dòng)和液動(dòng)系統(tǒng)。液動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)，操作簡(jiǎn)單，其更適合建筑施工領(lǐng)域的應(yīng)用。

本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用方形履帶，與地面接觸面積較大，穩(wěn)定性好。機(jī)器人底盤(pán)由履帶板、主動(dòng)輪、拖帶輪、從動(dòng)輪及液壓馬達(dá)等組成。液壓馬達(dá)與左右兩主動(dòng)輪相連，通過(guò)控制液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退及轉(zhuǎn)向。機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定（可手動(dòng)調(diào)節(jié)），通過(guò)電液比例閥開(kāi)度控制機(jī)器人行走和工作屬具的運(yùn)動(dòng)速度。

2 機(jī)器人信息采集、傳輸與電氣控制

2.1 遙控器子系統(tǒng)

（1）遙控器子系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

遙控器子系統(tǒng)主要包括微控制器、通信、調(diào)試及人機(jī)交互模塊。因遙控器系統(tǒng)需要執(zhí)行指令較少，任務(wù)調(diào)度較簡(jiǎn)單，因此微控制芯片選用STM32F103芯片；采用433MHZ頻段進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸；遙控器人機(jī)交互模塊中設(shè)置搖桿、按鍵、撥動(dòng)開(kāi)關(guān)及推桿等輸入設(shè)備，使用OLED顯示屏顯示主要工作參數(shù)[1]。

（2）遙控子系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

遙控器軟件基于FreeRTOS操作系統(tǒng)編寫(xiě)。主要包括模擬量輸入檢測(cè)、開(kāi)關(guān)量輸入檢測(cè)等程序模塊。模擬量輸入檢測(cè)程序共開(kāi)啟6個(gè)ADC轉(zhuǎn)換通道；共開(kāi)啟了9個(gè)外部中斷的開(kāi)關(guān)量輸入通道；串口通信程序配置較為簡(jiǎn)單，與基本串口通信配置一致；通信協(xié)議基于系統(tǒng)定時(shí)器，每10ms將所有數(shù)據(jù)打包發(fā)送至無(wú)線透?jìng)髂K，經(jīng)接收控制器解析后由CAN總線發(fā)送至主控制芯片。

2.2 主控制系統(tǒng)

（1）主控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

主控制系統(tǒng)硬件部分包括電源電路、發(fā)動(dòng)機(jī)電啟動(dòng)電路、主從機(jī)通訊電路、控制器電路、液壓比例閥驅(qū)動(dòng)電路、有線調(diào)試電路、傳感器接口電路及繼電器控制電路等。采用STM32F429芯片作為主機(jī)執(zhí)行控制輸出部分功能，采用STM32F103芯片作為從機(jī)執(zhí)行數(shù)據(jù)交互部分功能，主從機(jī)交互采用CAN通信方式；液壓系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)及電瓶工作狀態(tài)使用相應(yīng)的專用傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，工作環(huán)境數(shù)據(jù)使用攝像頭模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；繼電器輸出接口使用TLP521信號(hào)隔離，通過(guò)一個(gè)達(dá)林頓晶體管ULN2803驅(qū)動(dòng)。使用A4950芯片實(shí)現(xiàn)PWM方式控制比例閥開(kāi)度。

（2）主控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)共開(kāi)啟9個(gè)任務(wù)：LED控制任務(wù)、數(shù)據(jù)接收任務(wù)、數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)、數(shù)據(jù)采集任務(wù)、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)任務(wù)、大燈及喇叭控制任務(wù)、機(jī)械臂控制任務(wù)、車體運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)、急?？刂迫蝿?wù)。在軟件啟動(dòng)時(shí)，根據(jù)各任務(wù)的特點(diǎn)，設(shè)置其優(yōu)先級(jí)。CAN通信程序軟件中設(shè)置TS1=9，TS2=5，BRP=6，STM32F429APB1頻率為45MHZ，可得CAN通信波特率為500Kbps。共設(shè)計(jì)3路模擬輸入，4路開(kāi)關(guān)輸入及一路脈沖檢測(cè)輸入。通過(guò)設(shè)定ARR和CCRx的值設(shè)定單片機(jī)輸出PWM脈沖的頻率及占空比。

3 智能化信息處理技術(shù)

機(jī)器人智能化信息處理主要是完成安裝工件的識(shí)別、工件軌跡預(yù)測(cè)以及工件與機(jī)器人手爪的相對(duì)定位等問(wèn)題。

利用圖像處理技術(shù)，將Open MV采集的包含工件的局部圖像進(jìn)行灰度化處理、濾波，進(jìn)而對(duì)工件進(jìn)行特征點(diǎn)提取和邊緣檢測(cè)，主控芯片采用基于特征的匹配算法對(duì)工件進(jìn)行立體匹配。再將操控指令的作為輸入，通過(guò)雷達(dá)測(cè)距模塊獲取工件周圍環(huán)境參數(shù)作為反饋信息，對(duì)工件運(yùn)動(dòng)軌跡建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)軌跡運(yùn)動(dòng)算法預(yù)測(cè)出工件精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，給出最優(yōu)操作指導(dǎo)。

4 系統(tǒng)優(yōu)化控制

采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)結(jié)合PID算法完成對(duì)機(jī)器人的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制，從而使整個(gè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制更加穩(wěn)定可靠。

在單片機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)PID算法，必須對(duì)PID算法進(jìn)行離散化。離散化PID算法分為位置式和增量式。本文對(duì)于電液比例閥則采用位置式PID，其表達(dá)式如下式：

將機(jī)器人速度數(shù)據(jù)與設(shè)定速度值的偏差信號(hào)作為PID控制器的輸入，以調(diào)整控制系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，左右液壓行走馬達(dá)分別做PID控制。其控制框圖如圖1：

圖1 液壓行走馬達(dá)的控制框圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研制了能夠用在裝配式建筑施工領(lǐng)域的半自主式履帶機(jī)器人，設(shè)計(jì)了機(jī)器人電控系統(tǒng)，利用了Open MV圖像識(shí)別與定位技術(shù)，研究工件運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)，進(jìn)而完成工件姿態(tài)信息判斷，實(shí)現(xiàn)多方信息共享，提高施工效率，體現(xiàn)了人機(jī)協(xié)同的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。