任云星，馬世杰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

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AGV+工業(yè)機(jī)器人在精密搬運(yùn)中的應(yīng)用

任云星，馬世杰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

摘要：AGV以其適應(yīng)性好、柔性程度高、可靠性好、可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和搬運(yùn)功能的集成化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用于柔性制造系統(tǒng)中。目前國(guó)內(nèi)研制的AGV定位精度只能達(dá)到±10 mm，難以滿(mǎn)足精密搬運(yùn)場(chǎng)合中物料的定位需求。針對(duì)此，本文在AGV小車(chē)上加裝工業(yè)機(jī)器人以及機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，在AGV定位完成后，再利用視覺(jué)系統(tǒng)讀取AGV的定位偏差，最后通過(guò)工業(yè)機(jī)器人的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)來(lái)提高整套搬運(yùn)系統(tǒng)的定位精度。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試， AGV自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)的定位精度可以達(dá)到±0.5 mm，開(kāi)拓AGV在精密搬運(yùn)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：AGV；工業(yè)機(jī)器人；視覺(jué)系統(tǒng)；精密搬運(yùn)

智能制造技術(shù)、工廠物流自動(dòng)化是目前國(guó)內(nèi)外極受重視的新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。柔性加工、柔性裝配、倉(cāng)儲(chǔ)物流智能化是其中的重要組成部分,自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)AGV(Automated Guided Vehicle)則是其中不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備和系統(tǒng)技術(shù)[1]。在全球范圍內(nèi)，近幾年AGV技術(shù)有了很大的發(fā)展，進(jìn)一步促進(jìn)了先進(jìn)的柔性生產(chǎn)線(xiàn)以及自動(dòng)化物流系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家中美國(guó)、日本、德國(guó)、瑞典研發(fā)AGV多年，其AGV種類(lèi)齊全，技術(shù)水平處于領(lǐng)先地位。國(guó)內(nèi)AGV研究起步較晚，近年來(lái)AGV技術(shù)陸續(xù)取得一些突破，已開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的AGV機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)，獲得多項(xiàng)專(zhuān)利，并在實(shí)際應(yīng)用中取得良好的效果。

AGV系統(tǒng)具備以下主要特點(diǎn)[2]：便于和各種工業(yè)機(jī)器設(shè)備、數(shù)控加工中心配合作業(yè)；實(shí)現(xiàn)對(duì)物流的一體化控制；使生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)備具有很大的靈活性，便于重新布置和調(diào)整；可方便地跨越故障工位或離線(xiàn)待命，保證生產(chǎn)線(xiàn)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；相對(duì)于固定的物料輸送線(xiàn)，在占地最小的情況下，具有最大的交叉能力；靈活、及時(shí)的物料運(yùn)輸提高了設(shè)備的利用率。

通過(guò)工業(yè)機(jī)器人與AGV的結(jié)合，組成AGV自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)。一方面可以利用工業(yè)機(jī)器人來(lái)補(bǔ)償AGV定位精度低的問(wèn)題，另一方面可以利用工業(yè)機(jī)器人來(lái)進(jìn)行物料的取放，不需要在每個(gè)AGV的工作位置安置機(jī)械手來(lái)進(jìn)行物料的轉(zhuǎn)移，提高整套搬運(yùn)系統(tǒng)的柔性，并降低AGV的使用成本。

1AGV自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)的組成

AGV自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)由AGV小車(chē)、工業(yè)機(jī)器人、視覺(jué)系統(tǒng)、物料抓取夾具組成。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　AGV搬運(yùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1AGV小車(chē)的結(jié)構(gòu)

本次試驗(yàn)采用的AGV以蓄電池為動(dòng)力，裝備電磁自動(dòng)導(dǎo)航裝置，能夠自主定位，可以接收任務(wù)并自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)。AGV主要結(jié)構(gòu)包括以下幾個(gè)部分：

1) 車(chē)身：試驗(yàn)AGV車(chē)身采用Q235鋼結(jié)構(gòu)件，車(chē)身重量為240 kg，這使得AGV有充足的抓地力和堅(jiān)固的車(chē)體。AGV的車(chē)體外殼設(shè)計(jì)圓潤(rùn),避免使人受傷，電控箱和蓄電池等關(guān)鍵部件都用橡膠隔墊進(jìn)行隔離減震。

2) 導(dǎo)航定位系統(tǒng)：導(dǎo)航定位系統(tǒng)相當(dāng)于AGV的眼睛，用于AGV運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的定位[3]。目前成熟的導(dǎo)航方式為電磁導(dǎo)航和激光導(dǎo)航。電磁導(dǎo)引的導(dǎo)引原理簡(jiǎn)單而可靠，便于控制和通訊，對(duì)聲光都無(wú)干擾，制造成本較低，適用大多數(shù)環(huán)境。試驗(yàn)AGV采用電磁導(dǎo)引。

3) 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)：AGV的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括車(chē)輪、減速器、電機(jī)、伺服控制器、調(diào)速器組成,是一個(gè)伺服控制系統(tǒng)[4]。試驗(yàn)AGV采用雙輪差速驅(qū)動(dòng)式,可以實(shí)現(xiàn)AGV的前進(jìn)、后退、原地轉(zhuǎn)向。

4) 防碰撞機(jī)構(gòu)：AGV作為自動(dòng)化機(jī)器人的一種，安全措施至關(guān)重要，必須保證AGV在運(yùn)行過(guò)程中的自身安全，以及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的安全和人員及各類(lèi)設(shè)備的安全。試驗(yàn)AGV上安裝有非接觸式紅外探測(cè)傳感器和接觸式碰撞傳感器，一旦AGV遇到障礙物，AGV自動(dòng)進(jìn)行聲光報(bào)警并立刻停止運(yùn)動(dòng)等待處理。

5) 電源系統(tǒng)：試驗(yàn)AGV采用200AH/48 V鉛酸蓄電池給AGV供電，并通過(guò)24 V～AC220 V逆變器為工業(yè)機(jī)器人以及視覺(jué)系統(tǒng)提供電源。

6) 控制與通訊系統(tǒng)：AGV控制系統(tǒng)一般包括車(chē)載控制器和中央控制器兩部分，兩部分之間通過(guò)通訊系統(tǒng)通訊，通訊系統(tǒng)采用無(wú)線(xiàn)通信方式。中央控制器負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度，路徑規(guī)劃和交通控制，車(chē)載控制器負(fù)責(zé)完成AGV的任務(wù)執(zhí)行，運(yùn)動(dòng)、導(dǎo)航、傳感器、安全等各方面的控制。

圖2　AGV小車(chē)的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2AGV小車(chē)的路徑規(guī)劃

AGV搬運(yùn)系統(tǒng)的目的在于提高AGV定位精度，要求AGV運(yùn)行路徑設(shè)計(jì)中包含AGV 的前進(jìn)、后退、原地轉(zhuǎn)彎動(dòng)作，測(cè)試AGV在完成這些動(dòng)作后的定位精度。

試驗(yàn)中AGV的路徑如圖3所示。AGV運(yùn)行路徑為環(huán)形，設(shè)置兩個(gè)直角轉(zhuǎn)彎，兩個(gè)不同半徑的圓弧轉(zhuǎn)彎，其余部分為直線(xiàn)段。

圖3　AGV運(yùn)行路徑

1.3工業(yè)機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人采用YASKAWA六軸多關(guān)節(jié)搬運(yùn)機(jī)器人，負(fù)載為20 kg，工作半徑為1 717 mm，本體質(zhì)量為268 kg，控制柜為F100型機(jī)器人重復(fù)定位精度達(dá)到±0.08 mm。機(jī)器人通過(guò)開(kāi)放TCP/IP端口，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的通訊協(xié)議，使得機(jī)器人可以直接讀取視覺(jué)系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)，并作相應(yīng)動(dòng)作。

1.4視覺(jué)系統(tǒng)

視覺(jué)系統(tǒng)安裝在物料夾具上，采用200萬(wàn)像素的OMRON工業(yè)相機(jī)FZ系列，并搭載SV-2514H鏡頭，視覺(jué)系統(tǒng)的精度為±0.2 mm，角度誤差為±0.3°。

1.5物料夾具

物料由水平運(yùn)動(dòng)的夾爪進(jìn)行夾取，夾爪設(shè)置卡位槽，保證夾取精度。夾爪的動(dòng)作由電動(dòng)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)，保證兩側(cè)夾爪同時(shí)動(dòng)作，并且?jiàn)A取位置可調(diào)。

圖4　物料夾具示意圖

2AGV搬運(yùn)系統(tǒng)的建立與測(cè)試

2.1AGV搬運(yùn)系統(tǒng)的建立流程

1) 建立AGV的運(yùn)動(dòng)站點(diǎn)數(shù)據(jù)，使得AGV可以接受中央控制器的動(dòng)作指令，完成AGV在規(guī)劃路徑中3個(gè)工位的?？浚⑶铱梢栽谌我鈨蓚€(gè)工位之間運(yùn)動(dòng)。

2) 對(duì)各工位進(jìn)行機(jī)器人的物料取放動(dòng)作進(jìn)行示教，并建立機(jī)器人與AGV的通訊，使得機(jī)器人可以在每個(gè)站點(diǎn)做相應(yīng)的物料取放動(dòng)作。

3) 在每個(gè)站點(diǎn)物料的取放位置設(shè)置標(biāo)記點(diǎn)，利用視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行讀取，并根據(jù)定位要求對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行編程和數(shù)據(jù)處理。

4) 建立視覺(jué)系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人的數(shù)據(jù)通訊。

5) 通過(guò)對(duì)機(jī)器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定，建立機(jī)器人、相機(jī)、夾具的相對(duì)位置關(guān)系，并將數(shù)據(jù)輸入視覺(jué)系統(tǒng)。

6) AGV搬運(yùn)系統(tǒng)構(gòu)建完成。

2.2AGV搬運(yùn)系統(tǒng)的工作流程

1) 中央控制器發(fā)送指令給AGV， AGV運(yùn)動(dòng)到指定工位。

2) 工業(yè)機(jī)器人根據(jù)工位信號(hào)做出相應(yīng)的搬運(yùn)姿態(tài)，移動(dòng)到位后給視覺(jué)系統(tǒng)發(fā)出拍照信號(hào)。

3) 視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)工位上的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行采樣，并計(jì)算AGV的定位偏差，最后將偏差數(shù)據(jù)發(fā)送給工業(yè)機(jī)器人。

4) 工業(yè)機(jī)器人根據(jù)偏差重新建立工作坐標(biāo)系，在新坐標(biāo)系下完成補(bǔ)償動(dòng)作，以及取料、放料動(dòng)作。

2.3AGV搬運(yùn)系統(tǒng)的精度測(cè)試

為方便測(cè)試AGV系統(tǒng)搬運(yùn)精度，在所有工作位臺(tái)面上鋪設(shè)一張白紙，調(diào)整臺(tái)面至水平。在工業(yè)機(jī)器人末端安裝一個(gè)100×100×50的鋁制方塊，測(cè)試過(guò)程如下：

1) 對(duì)每一個(gè)工作位，AGV首次移動(dòng)到位以后，機(jī)器人移動(dòng)到搬運(yùn)位，將鋁塊放置在白紙上，人工在白紙上對(duì)鋁塊直角邊進(jìn)行劃線(xiàn)。

2) 中央控制器命令A(yù)GV走到其他工作位，機(jī)器人做出相應(yīng)動(dòng)作，視覺(jué)系統(tǒng)拍照，機(jī)器人進(jìn)行位移補(bǔ)償，然后將鋁塊放置在臺(tái)面上，人工進(jìn)行直角邊劃線(xiàn)。

3) 重復(fù)以上動(dòng)作20次，測(cè)量所有線(xiàn)條之間的最大距離，以及最大角度。

4) 試驗(yàn)證明，AGV定位系統(tǒng)在水平方向直線(xiàn)偏差最大值0.5 mm，即定位精度為±0.5 mm，試驗(yàn)中角度偏差小于0.01度，認(rèn)為角度沒(méi)有偏差。

3設(shè)備應(yīng)用前景

智能制造是新一輪工業(yè)革命的核心，要實(shí)現(xiàn)“中國(guó)制造2025”制定的目標(biāo)，智能制造是中國(guó)制造業(yè)的下一個(gè)主攻方向。柔性制造作為智能制造的基石更是重中之重。本文所設(shè)計(jì)的AGV搬運(yùn)系統(tǒng)顯著特點(diǎn)是無(wú)人駕駛，可以保障系統(tǒng)在不需要人工導(dǎo)航的情況下自動(dòng)行駛，柔性好，自動(dòng)化和智能化水平高。AGV搬運(yùn)系統(tǒng)可以根據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)貨位要求、生產(chǎn)工藝流程等改變而靈活配置，并且運(yùn)行路徑改變的費(fèi)用與傳統(tǒng)的輸送帶或剛性的傳送線(xiàn)相比非常低廉[5]。AGV搬運(yùn)系統(tǒng)還可以與其他物流設(shè)備自動(dòng)接口，實(shí)現(xiàn)貨物或物料裝卸與搬運(yùn)全過(guò)程自動(dòng)化。此外，還具有清潔生產(chǎn)的特點(diǎn)，AGV依靠自帶的蓄電池提供動(dòng)力，運(yùn)行過(guò)程噪聲極低、無(wú)污染，可以應(yīng)用在許多要求工作環(huán)境清潔的場(chǎng)所。

4結(jié)束語(yǔ)

AGV自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)由于定位精度提高，可以適用大多數(shù)精密搬運(yùn)場(chǎng)合，顯著提高搬運(yùn)過(guò)程的柔性化、智能化，為中國(guó)制造下一步發(fā)展提供助力。

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Application of AGV & Industry Robot in Precision Handling

Ren Yunxing, Ma Shijie

(The2ndResearchInstituteofCETC,TaiyuanShanxi030024,China)

Abstract:AGV has the advantages of good adaptability, high flexibility, good reliability, and can realize the integration and automation of production and transportation functions, so it is widely used in the flexible manufacturing system. At present, the AGV positioning accuracy in domestic development can only reach about ±10 mm; it is difficult to meet the requirements of the location of the material in the precision handling. In response to this situation, this paper, by installing the industrial robot and machine vision system in AGV, after AGV positioning, the position deviation of the AGV is read by the visual system. In the end, the positioning accuracy of the whole system is improved by the compensation movement of the industrial robot. Through the actual test, the positioning accuracy of the whole AGV system can reach to ±0.5 mm, so that AGV can be used in precision handling.

Key words:AGV; industry robot; vision system; precision handling

收稿日期：2016-04-06

作者簡(jiǎn)介：任云星(1987- )，男，山西呂梁人，碩士研究生，研究方向：太陽(yáng)能及半導(dǎo)體電子自動(dòng)化設(shè)備的研發(fā)。

文章編號(hào)：1674- 4578(2016)03- 0051- 02

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A