基于力位混合控制方法的建筑外墻智能打磨機(jī)器人系統(tǒng)研究

劉鳳義 熊學(xué)勝 岳承濤

（上海機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，上海，200063）

0 引言

建筑行業(yè)是我國(guó)重要的支柱產(chǎn)業(yè)，在過(guò)去30多年里，建筑行業(yè)得到了飛速發(fā)展。然而，“大而不優(yōu)”依然是建筑業(yè)面臨的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。傳統(tǒng)的施工方式制約著建筑行業(yè)效率及建筑質(zhì)量的提升，大多數(shù)建筑企業(yè)仍舊停留在“搬磚頭、扎鋼筋、澆混凝土、裝模板”的生產(chǎn)方式上。目前，用工缺口逐漸擴(kuò)大、用工成本逐年上升、建筑工人老齡化、傷亡事故高等問(wèn)題成為傳統(tǒng)建筑業(yè)面臨的困境。作為傳統(tǒng)勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，建筑業(yè)亟需找到新的突破口，降低成本、提高人效，實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

早在20世紀(jì)70年代，日本小松建設(shè)集團(tuán)就推出無(wú)人機(jī)和推土機(jī)，清水建設(shè)集團(tuán)推出焊接機(jī)器人和天花板安裝機(jī)器人；美國(guó)麻省理工學(xué)院研發(fā)了面向建筑施工外骨骼機(jī)器人SRA和SRL，南加州大學(xué)研發(fā)了“輪廓工藝”高性能混凝土3D打印技術(shù)等[1]。而國(guó)內(nèi)建筑機(jī)器人的研究主要集中在高層建筑外墻的清洗和建筑施工自動(dòng)化安裝領(lǐng)域。從2018年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)建筑機(jī)器人的研發(fā)熱度越來(lái)越高。2020年7月3日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等部門(mén)聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》文件指出，要積極應(yīng)用自主可控的BIM技術(shù)，加快構(gòu)建數(shù)字設(shè)計(jì)基礎(chǔ)平臺(tái)和集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝、制造協(xié)同，加快部品部件生產(chǎn)數(shù)字化、智能化升級(jí)，推廣應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)、智能化裝備和建筑機(jī)器人。相較于傳統(tǒng)人工施工方式，建筑機(jī)器人在安全、質(zhì)量、效率等方面有著顯著的優(yōu)勢(shì)。

1 建筑外墻智能打磨系統(tǒng)構(gòu)成

傳統(tǒng)建筑領(lǐng)域的高層墻體施工只能借助吊環(huán)等工具對(duì)墻體實(shí)施人工打磨及粉刷等工作，作業(yè)效率低、危險(xiǎn)性較高，施工質(zhì)量高度依賴(lài)工人個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，質(zhì)量一致性難以得到保障，而且作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵會(huì)對(duì)工人的身心健康造成傷害。針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種“智能爬架+打磨機(jī)器人”的智能外墻打磨系統(tǒng)解決方案，該系統(tǒng)集智能爬架、電導(dǎo)軌、打磨機(jī)器人、智能安全監(jiān)測(cè)及系統(tǒng)管理平臺(tái)為一體，結(jié)合力位混合柔順控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在墻體打磨過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、工位切換等功能。該系統(tǒng)可自動(dòng)檢測(cè)墻面垂直度和平整度，自動(dòng)調(diào)整打磨頭角度，施工人員只需遠(yuǎn)程操控即可完成高層墻體打磨工作，可以顯著提高施工效率及施工質(zhì)量，保障施工人員的安全。智能爬架與打磨機(jī)器人系統(tǒng)如圖1、圖2所示。

圖1 智能爬架與打磨機(jī)器人系統(tǒng)

圖2 打磨機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能爬架與打磨機(jī)器人系統(tǒng)由以下5個(gè)模塊構(gòu)成。

1.1 爬架模塊

爬架模塊包括爬架和移動(dòng)導(dǎo)軌，爬架的升降功能是將機(jī)器人提升至指定作業(yè)位置，解除了建筑外墻高度的限制；移動(dòng)導(dǎo)軌固定在爬架底層，支撐移動(dòng)模塊完成橫向移動(dòng)路徑。

1.2 移動(dòng)模塊

移動(dòng)模塊包括底輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)和升降模組，其中底輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)可在移動(dòng)導(dǎo)軌上橫向移動(dòng)，升降模組為機(jī)器人模塊的縱向移動(dòng)提供支撐。升降模組中的電導(dǎo)軌為機(jī)器人提供穩(wěn)定的動(dòng)力來(lái)源和作業(yè)環(huán)境，模塊化電導(dǎo)軌模組便于智能爬架的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和組裝施工。

1.3 打磨機(jī)器人模塊

打磨機(jī)器人模塊包含六自由度機(jī)械臂、智能驅(qū)動(dòng)底盤(pán)、力傳感器和打磨盤(pán)。

其中，六自由度機(jī)械臂可在三維工作空間觸達(dá)指定施工位置，滿(mǎn)足打磨施工的各種路徑需求；智能驅(qū)動(dòng)底盤(pán)在空間狹窄的爬架內(nèi)具有良好的通過(guò)性，助力打磨機(jī)器人沿導(dǎo)軌方向運(yùn)動(dòng)；力傳感器和打磨盤(pán)安裝在機(jī)械臂末端，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制機(jī)械臂施加的打磨力，結(jié)合內(nèi)部算法實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程中的恒力控制，有效提高墻體打磨質(zhì)量與工作效率。

打磨機(jī)器人末端采用通用接頭設(shè)計(jì)，可根據(jù)施工需求擴(kuò)展其他工序模塊，如噴涂、磨削等。

1.4 下位機(jī)控制模塊

下位機(jī)控制模塊包括內(nèi)部控制器、燈帶、開(kāi)關(guān)按鈕和急停按鈕。

其中，內(nèi)部控制器作為下位機(jī)模塊的控制中心，負(fù)責(zé)整個(gè)下位機(jī)系統(tǒng)的邏輯控制；根據(jù)打磨機(jī)器人系統(tǒng)狀態(tài)燈帶會(huì)呈現(xiàn)不同顏色；開(kāi)關(guān)按鈕用于系統(tǒng)的開(kāi)啟與關(guān)閉；急停按鈕用于緊急狀態(tài)下的系統(tǒng)急停。

1.5 上位機(jī)模塊

上位機(jī)由一臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)組成，可提供可視化軟件界面，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)打磨機(jī)器人系統(tǒng)的功能控制及狀態(tài)控制，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)。其檢測(cè)數(shù)據(jù)可傳至管理平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并形成分析報(bào)表。

2 打磨機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

打磨機(jī)器人采用六自由度機(jī)械臂，配備的控制移動(dòng)平臺(tái)具有3個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行建模。打磨機(jī)器人構(gòu)型如圖3所示。

圖3 打磨機(jī)器人構(gòu)型

2.1 可上升移動(dòng)控制平臺(tái)正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

其中，x、y、為移動(dòng)平臺(tái)定位中心在中方向坐標(biāo)，為機(jī)械臂底座安裝位置在升降導(dǎo)軌上所處的高度。

2.2 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.2.1 機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

為方便建模和求解，本文將機(jī)械臂結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)進(jìn)行桿件位置的變換，關(guān)節(jié)示意圖如圖4所示。

圖4 機(jī)械臂關(guān)節(jié)及自由度分析

機(jī)械臂各軸均有固定的坐標(biāo)系，通過(guò)DH參數(shù)法對(duì)機(jī)械臂相鄰的兩個(gè)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行空間關(guān)系的連接，最終建立6個(gè)轉(zhuǎn)軸之間的運(yùn)動(dòng)模型,以此來(lái)完成機(jī)械臂位姿的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑墻面的打磨作業(yè)。

由于機(jī)械臂受自身重量和體積的限制，存在無(wú)法觸達(dá)點(diǎn)。在進(jìn)行理論計(jì)算時(shí)，要進(jìn)行轉(zhuǎn)角范圍的劃分，避免出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。

根據(jù)DH參數(shù)法，機(jī)器人每個(gè)轉(zhuǎn)軸都有獨(dú)立的坐標(biāo)系，如圖5所示。在機(jī)器人連桿長(zhǎng)度及角度已知的情況下,相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)軸之間可以通過(guò)4×4齊次變換矩陣對(duì)相鄰轉(zhuǎn)軸之間的坐標(biāo)系進(jìn)行連接，同時(shí)機(jī)器人末端位姿在笛卡爾坐標(biāo)系中有6個(gè)自由度。所以建立各個(gè)軸關(guān)節(jié)之間的位姿關(guān)系，可以得到機(jī)器人末端在機(jī)器人底座基礎(chǔ)坐標(biāo)系中的任意位姿信息。

圖5 機(jī)械臂坐標(biāo)系構(gòu)建

機(jī)器人相鄰軸關(guān)節(jié)之間齊次矩陣公式表示如下：

根據(jù)DH公式原理，可得出機(jī)械臂末端打磨工具的坐標(biāo)關(guān)系與機(jī)械臂底座基礎(chǔ)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，如下所示。

2.2.2 機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)是在機(jī)器人打磨末端位姿坐標(biāo)系已知的情況下，求解6個(gè)轉(zhuǎn)軸之間的轉(zhuǎn)角。桿件參數(shù)、關(guān)節(jié)角度與正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的關(guān)系如圖6所示。

圖6 正運(yùn)動(dòng)學(xué)與逆運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系

由機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到末端打磨工具相對(duì)于基礎(chǔ)坐標(biāo)系的矩陣為A，將A表示為轉(zhuǎn)角公式，如下表示：

由于機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的限制，其各關(guān)節(jié)變量不能滿(mǎn)足360°范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇各關(guān)節(jié)合適的運(yùn)動(dòng)范圍，以滿(mǎn)足機(jī)器人對(duì)墻面打磨的要求。

2.3 打磨機(jī)器人系統(tǒng)整體運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

機(jī)械臂安裝在移動(dòng)控制平臺(tái)升降導(dǎo)軌上，機(jī)械臂基座軸線與移動(dòng)控制平臺(tái)安裝面垂直，因此打磨機(jī)器人機(jī)械臂執(zhí)行器末端坐標(biāo)系相對(duì)于地面世界坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣為[2]：

3 力位混合控制技術(shù)方案

由于墻面和打磨機(jī)器人打磨頭都是剛性的，若機(jī)器人打磨頭碰到硬度較大的墻面時(shí)依然保持原始速度進(jìn)行打磨作業(yè)，可能會(huì)導(dǎo)致墻面和打磨機(jī)器人系統(tǒng)的損壞。為了避免此類(lèi)情況的發(fā)生，筆者在機(jī)械臂末端增加力傳感器，通過(guò)力的形變產(chǎn)生電壓信號(hào)，形成力反饋系統(tǒng)，解決機(jī)器人系統(tǒng)交互控制過(guò)程中潛在的安全性問(wèn)題，使整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)具備柔順控制功能。

力位混合控制系統(tǒng)可以讓機(jī)器人系統(tǒng)在打磨作業(yè)中持續(xù)施加恒力，實(shí)現(xiàn)拖動(dòng)示教、軌跡復(fù)現(xiàn)、恒力貼合、曲面貼合、法向自適應(yīng)、碰撞檢測(cè)、剛度解耦等功能，提高墻體打磨質(zhì)量。力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)并采集打磨力信息,將數(shù)據(jù)傳回控制臺(tái)，控制臺(tái)通過(guò)控制算法將設(shè)定的打磨力和實(shí)際打磨力的差值轉(zhuǎn)化為機(jī)器人末端的位置修正量，并傳遞給機(jī)器人位置控制器,后者驅(qū)動(dòng)機(jī)器人調(diào)整末端打磨頭的位姿,對(duì)打磨力進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償,從而整個(gè)打磨過(guò)程保證打磨力處于相對(duì)恒定的范圍。

力位混合控制系統(tǒng)可適配五軸構(gòu)型、六軸構(gòu)型及七軸構(gòu)型機(jī)器人，適用負(fù)載范圍為7～210kg，無(wú)需二次開(kāi)發(fā)。安裝于機(jī)械臂末端的恒力補(bǔ)償系統(tǒng)可根據(jù)工作需要輸出六軸向的推力。

在外墻打磨過(guò)程中，控制臺(tái)根據(jù)打磨區(qū)域坐標(biāo)進(jìn)行打磨分區(qū)和機(jī)械臂路徑規(guī)劃，并將控制信息傳遞至機(jī)器人控制柜?？刂乒癜烟幚砗蟮男盘?hào)發(fā)送到各驅(qū)動(dòng)單元，力矩傳感實(shí)時(shí)采集打磨頭與墻體之間的打磨力信息并反饋至控制臺(tái)。若打磨力不在設(shè)定的范圍內(nèi)，控制臺(tái)將對(duì)機(jī)器人末端位姿進(jìn)行調(diào)節(jié)，以確保打磨力相對(duì)恒定，從而保證打磨質(zhì)量。恒力打磨系統(tǒng)工作流程如圖7所示。

圖7 恒力打磨系統(tǒng)工作流程

力位混合控制算法統(tǒng)一考慮力控制與位置控制，將力矩傳感器采集到的打磨力與期望力之間的差值通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)轉(zhuǎn)化為各軸關(guān)節(jié)位移量,從而實(shí)現(xiàn)恒力打磨。力位混合控制算法對(duì)環(huán)境變化的不確定性具有魯棒性，可實(shí)現(xiàn)良好的柔順控制[3]。力位混合控制核心采用TwinCat2架構(gòu)，與機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)相連，當(dāng)輸出力矩下發(fā)后，信息通過(guò)上下位機(jī)信息傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)管理工具傳遞給多個(gè)伺服電機(jī)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)執(zhí)行打磨任務(wù)。打磨機(jī)器人系統(tǒng)示意圖如圖8所示。

圖8 打磨機(jī)器人系統(tǒng)示意圖

4 試驗(yàn)

筆者對(duì)打磨機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試時(shí)機(jī)器人對(duì)墻體施加6.5N的恒定打磨力，兩次測(cè)試結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 第一次打磨測(cè)試結(jié)果

圖10 第二次打磨測(cè)試結(jié)果

根據(jù)兩次測(cè)試結(jié)果可以看出，機(jī)器人在進(jìn)行打磨作業(yè)時(shí)打磨力穩(wěn)定在6.5N左右，最大誤差不超過(guò)5%，一定程度上驗(yàn)證了本方案的可行性。

5 總結(jié)

針對(duì)人工打磨建筑外墻的痛點(diǎn)問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于力位混合控制方法的建筑外墻智能打磨機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)集智能爬架、電導(dǎo)軌、打磨機(jī)器人、智能安全監(jiān)測(cè)及系統(tǒng)管理平臺(tái)為一體，結(jié)合力位混合柔順控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在墻體打磨過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、工位切換等功能。通過(guò)試驗(yàn)場(chǎng)地測(cè)試，該系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)得到有效驗(yàn)證，可顯著提高外墻打磨施工效率及施工質(zhì)量，從而保障施工人員的安全。