履帶遙控機器人在裝配式建筑施工領域的應用研究*

桂林電子科技大學 建筑與交通工程學院 廣西 桂林 541004

引言

當前建筑領域，傳統澆筑式建筑越來越難以滿足在建筑施工效率、環境保護等方面的要求。裝配式建筑在減少污染、提高建筑施工效率和質量等方面具有顯著優勢，也越來越被人們重視[1]。裝配式建筑大大簡化施工工序，但對建筑施工裝備的要求也更高。

近年來，國際上掀起了“建筑智能裝備（機器人）”研究的熱潮，相關建筑智能裝備相繼問世，表明基于智能裝備技術的智能建造已成為時代潮流。國內外建筑智能裝備的研發主要圍繞著墻體砌筑機器人，墻/地面施工機器人，清拆/清運作業機器人，3D打印建筑機器人，可穿戴輔助施工機器人系統等[2-4]。In-situ Fabricator公司的墻體砌筑機器人Hadrian109，可基于CAD 3D模型自主完建筑物的營建[2]。河北工業大學、河北建工集團在863計劃的支持下所研發的C-ROBOT-I，是我國第一套面向建筑板材安裝的輔助操作機器人系統[3]。

本項目針對裝配式建筑構件吊裝施工中存在的安全性、效率等問題，提出研發智能化的吊裝輔助裝備。擬解決的關鍵技術問題有：機器人結構與動力設計，機器人信息采集、傳輸與電氣控制，智能化信息處理技術，系統優化控制等。

1 機器人的結構與動力設計

履帶式行走結構，對建筑施工現場的復雜地形具有良好的環境適應性。機器人采用遠程遙控手段實現行走、作業等控制。機器人動力系統可分為電動、氣動和液動系統。液動驅動系統驅動平穩，操作簡單，其更適合建筑施工領域的應用。

本文設計的機器人采用方形履帶，與地面接觸面積較大，穩定性好。機器人底盤由履帶板、主動輪、拖帶輪、從動輪及液壓馬達等組成。液壓馬達與左右兩主動輪相連，通過控制液壓馬達實現機器人的前進、后退及轉向。機器人動力系統的柴油發動機轉速固定（可手動調節），通過電液比例閥開度控制機器人行走和工作屬具的運動速度。

2 機器人信息采集、傳輸與電氣控制

2.1 遙控器子系統

（1）遙控器子系統的硬件設計

遙控器子系統主要包括微控制器、通信、調試及人機交互模塊。因遙控器系統需要執行指令較少，任務調度較簡單，因此微控制芯片選用STM32F103芯片；采用433MHZ頻段進行無線數據傳輸；遙控器人機交互模塊中設置搖桿、按鍵、撥動開關及推桿等輸入設備，使用OLED顯示屏顯示主要工作參數[1]。

（2）遙控子系統的軟件設計

遙控器軟件基于FreeRTOS操作系統編寫。主要包括模擬量輸入檢測、開關量輸入檢測等程序模塊。模擬量輸入檢測程序共開啟6個ADC轉換通道；共開啟了9個外部中斷的開關量輸入通道；串口通信程序配置較為簡單，與基本串口通信配置一致；通信協議基于系統定時器，每10ms將所有數據打包發送至無線透傳模塊，經接收控制器解析后由CAN總線發送至主控制芯片。

2.2 主控制系統

（1）主控制系統的硬件設計

主控制系統硬件部分包括電源電路、發動機電啟動電路、主從機通訊電路、控制器電路、液壓比例閥驅動電路、有線調試電路、傳感器接口電路及繼電器控制電路等。采用STM32F429芯片作為主機執行控制輸出部分功能，采用STM32F103芯片作為從機執行數據交互部分功能，主從機交互采用CAN通信方式；液壓系統、發動機及電瓶工作狀態使用相應的專用傳感器進行數據采集，工作環境數據使用攝像頭模塊進行數據采集；繼電器輸出接口使用TLP521信號隔離，通過一個達林頓晶體管ULN2803驅動。使用A4950芯片實現PWM方式控制比例閥開度。

（2）主控制系統的軟件設計

本系統共開啟9個任務：LED控制任務、數據接收任務、數據發送任務、數據采集任務、發動機啟動任務、大燈及喇叭控制任務、機械臂控制任務、車體運動控制任務、急停控制任務。在軟件啟動時，根據各任務的特點，設置其優先級。CAN通信程序軟件中設置TS1=9，TS2=5，BRP=6，STM32F429APB1頻率為45MHZ，可得CAN通信波特率為500Kbps。共設計3路模擬輸入，4路開關輸入及一路脈沖檢測輸入。通過設定ARR和CCRx的值設定單片機輸出PWM脈沖的頻率及占空比。

3 智能化信息處理技術

機器人智能化信息處理主要是完成安裝工件的識別、工件軌跡預測以及工件與機器人手爪的相對定位等問題。

利用圖像處理技術，將Open MV采集的包含工件的局部圖像進行灰度化處理、濾波，進而對工件進行特征點提取和邊緣檢測，主控芯片采用基于特征的匹配算法對工件進行立體匹配。再將操控指令的作為輸入，通過雷達測距模塊獲取工件周圍環境參數作為反饋信息，對工件運動軌跡建立數學模型，通過軌跡運動算法預測出工件精準的運動趨勢，給出最優操作指導。

4 系統優化控制

采用PWM脈寬調制技術結合PID算法完成對機器人的實時動態控制，從而使整個機器人運動控制更加穩定可靠。

在單片機系統中實現PID算法，必須對PID算法進行離散化。離散化PID算法分為位置式和增量式。本文對于電液比例閥則采用位置式PID，其表達式如下式：

將機器人速度數據與設定速度值的偏差信號作為PID控制器的輸入，以調整控制系統的各項參數，左右液壓行走馬達分別做PID控制。其控制框圖如圖1：

圖1 液壓行走馬達的控制框圖

5 結束語

本文研制了能夠用在裝配式建筑施工領域的半自主式履帶機器人，設計了機器人電控系統，利用了Open MV圖像識別與定位技術，研究工件運動軌跡預測，進而完成工件姿態信息判斷，實現多方信息共享，提高施工效率，體現了人機協同的技術發展趨勢。