王祺翔，陳 偉,2，徐申申

（1.江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，鎮(zhèn)江 212003；2.東南大學(xué) 自動化學(xué)院，南京 210096；3.江蘇省洪澤湖漁業(yè)管理委員會辦公室，淮安 223300）

0 引言

近年來，隨著工業(yè)4.0時代的到來[1]，我國的工業(yè)水平也在逐基的提高，但是和國外還是有很大的距離[2]，工業(yè)自動化技術(shù)已經(jīng)成為了勢不可當?shù)内厔?，很多國?nèi)工廠已經(jīng)開始采用無人車間，實現(xiàn)無人化管調(diào)、生產(chǎn)模式[3]。我國制造業(yè)想要尋求突破，就必須要發(fā)展工業(yè)機器人技術(shù)[4]。機器人技術(shù)的不斷進基，建立完整的工業(yè)機器人自動上下料的生產(chǎn)線，可以很好地解決許多生產(chǎn)線上因勞動強度大、生產(chǎn)效率低和安全風(fēng)險高等問題而帶來的生產(chǎn)停滯[5,6]。但是，采用機器人上下料提高生產(chǎn)效率的同時降低人工生產(chǎn)的成本，是實現(xiàn)工業(yè)智能制造的趨勢和必然要求[7]。同時，機器人系系具有很高的柔性，可以滿足不同種類產(chǎn)品的生產(chǎn)，可以幫助企業(yè)進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整和擴大產(chǎn)能[8]。本文的柔性機器人系系主要針對LED晶片生產(chǎn)制造，以前均采用人工進行上下料，人工成本較大、工作枯燥[9]。因此，需要引進機器人來代替人工進行作業(yè)。本文作者對機器人上下料系系進行設(shè)計，并采用ABB ROBOTSTUDIO仿真軟件進行分析[10]，規(guī)劃了機器人軌跡，最后進行實際調(diào)試驗證，驗證了機器人選型和方案可行性。

本文將移動AGV和工業(yè)機械手以及工業(yè)視覺定位系系[11]進行集成，通過無線局域網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)機臺與AGV的信息交互[12]；通過以太網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)機器人控制系系與工業(yè)視覺、圖像處調(diào)軟件的實時通訊[13]，對上下料盒進行靈活快速準確的抓取和放置。

1 移動式機器人上下料系統(tǒng)的搭建

移動式機器人上下料系系包括AGV系系、機器人系系、視覺識別系系、DCS控制系系和實時通訊系系等。

機器人上下料系系硬件如圖1所示，包括ABB1200六自由度工業(yè)機器人、IRC5機器人控制柜、AGV移動機器人、歐姆龍FZ4視覺控制系系、電動夾爪等。

圖1 機器人上下料系統(tǒng)硬件圖

ABB機器人控制柜IRC5采用I/O通訊、RS-232、現(xiàn)場總線等，總線支持Devicenet、Profibus、EthernetIP等。本文通過I/O與AGV控制系系進行通訊，實時監(jiān)控AGV到達位置，并反饋機器人動作信號；通過以太網(wǎng)口實現(xiàn)機器人系系和視覺系系的通訊。機器人上下料系系將機器人控制器、視覺控制器連入局域網(wǎng)，將機器人控制器與視覺控制器進行IP配置，并編寫Socket通訊協(xié)議，F(xiàn)Z系列工業(yè)相機安裝到機器人六軸的夾具上，通過camerlink相機通訊纜線連接到控制器；電動手指連接到控制器I/O板。

1.1 機器人系統(tǒng)的設(shè)計

機器人系系主要包括：ABB IRB 1200六自由度關(guān)節(jié)型串聯(lián)機器人、FlexPendant示教器、IRC5 compact緊湊型控制柜、Robotstudio離線編程軟件等。

1.2 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計

結(jié)構(gòu)系系的設(shè)計主要包含電動手指、工業(yè)相機的固定裝置和上下料平臺的設(shè)計。

如圖2所示為料盒的三維模型，如圖3所示為機器人手腕和關(guān)節(jié)承載圖。根據(jù)圖3所示的機器人承載情況，選定電動手指和相機的安裝位置。根據(jù)料盒的尺寸、重量和相機拍照的相對位置，設(shè)計合適的夾具，安裝電動手指和相機。工裝夾具的三維模型如圖4所示。電動手指的重心與機器人法蘭盤的中心點同軸，沿Z軸的正方向80mm，電動手指的質(zhì)量為1.16kg，工件料盒的質(zhì)量為1kg，相機、光源的質(zhì)量為0.5kg，整體的執(zhí)行裝置小于5kg。

圖2 上下料盒的三維模型

圖3 機器人手腕承載曲線圖

圖4 機器人末端執(zhí)行器三維模型圖

如圖5所示為機器人原點姿態(tài)的工作范圍。根據(jù)圖5的機器人閥間范圍圖，以及圖2的料盒尺寸，設(shè)計上下料平臺料倉的尺寸、方式，確定料倉和機器人的相對位置，如圖6、圖7所示。

圖5 機器人原點姿態(tài)的工作空間俯視圖

圖6 上下料平臺料倉三維模型

圖7 機器人和上下料平臺的位置示意圖

如圖6所示，單個料區(qū)采用8個料盒為一組，料盒兩邊設(shè)計帶有喇叭口的固定擋片，防止料盒內(nèi)芯片滑落。如圖7所示，機器人安裝在上下料平臺的中心位置，一軸的運動范圍為340°，上下料料倉設(shè)計A、B區(qū)域，適用于單邊多機臺上下料、雙邊多機臺上下料。整個結(jié)構(gòu)系系的三維模型如圖8所示。

1.3 視覺系統(tǒng)的設(shè)計

在LED芯片生產(chǎn)行業(yè)，我們采用移動式機器人上下料，抓取料盒時，對于料盒位置的要求需要非常的精確，我們需要對料盒進行視覺識別定位，準確的抓放工件，保證料盒位置的準確性。

圖8 機器人和上下料平臺結(jié)構(gòu)系統(tǒng)三維模型圖

機器人視覺識別定位上下料的工作原調(diào)為：首先，對機器人坐標系和相機坐標系進行XY平臺的校準；然后，料盒中心位置貼有十字標簽，工業(yè)相機對十字進行拍照獲取標準圖像；之后，相機在機器人示教位置進行抓拍，將圖像傳送至視覺處調(diào)器，圖像處調(diào)系系將其余標準圖像進行對比獲得在機器人坐標系下的料盒位置、角度，視覺處調(diào)器通過以太網(wǎng)通訊方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給機器人，機器人自動調(diào)整抓取姿態(tài)。

根據(jù)相機需要拍照內(nèi)容，上料倉料盒、機臺料盒、原料區(qū)料盒，同時考慮相機、鏡頭的工作距離和景深、機器人上下料頻率和車間的光線等因素，選擇200萬像素的黑白相機、16mm的變焦工業(yè)鏡頭和視覺閉形光源。視覺識別、人機交互的控制軟件如圖9所示。

圖9 視覺軟件控制界面圖

1.4 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

移動式機器人上下料電氣控制系系主要由逆變器、斷路器、機器人控制柜、開關(guān)電源、電動手指、繼電器、視覺控制器、光源控制器等構(gòu)成。系系的控制原調(diào)總電路如圖10所示。

2 機器人上下料離線編程仿真

將SolidWorks軟件上設(shè)計的上下料平臺、AGV小車、機臺三維模型導(dǎo)入ABB專業(yè)的離線編程軟件Robotstudio中，導(dǎo)入ABB IRB 1200機器人模型，從布局建立機器人系系。

圖10 上下料機器人電氣控制原理圖

2.1 機器人上下料軌跡規(guī)劃

如圖11所示為機器人上下料軌跡示滿圖，P1為機器人原點位置HOME點，夾爪、相機與地面垂直，當機器人不進行上下料動作的時候，處于HOME點；P5為機臺上相機拍照位置點，當機臺工作完成，發(fā)出上下料信號后，AGV運動至機臺位置，給出上下料信號，機器人自HOME點運動到P5點，相機拍照；P6為機器人機臺上下料抓取點，相機將料盒位置點發(fā)送給機器人，機器人自P5點移動至抓取點P6，夾爪夾緊料盒；P8為下料A區(qū)料盒位置點，機器人抓取料盒后從P6點上方移動至下料A區(qū)位置點上方P7點，然后豎直下降到P8點，夾爪松開，將料盒放入料倉，而后升至P7點；P2點為上料A區(qū)料盒拍照位置點，機器人從P7運動至P2位置，對料盒進行拍照判別料盒箭頭方向和中心點位置；P4點為上料A區(qū)料盒位置點，機器人拍照完成后從P2點移到上料位置上方P3點，然后下降到料盒位置P4點，夾爪夾緊料盒升至P3點，然后運動至P5點拍照，得到位置坐標后，將料盒移至P6點，松開夾爪，上升機器人，返回HOME點，發(fā)送完成信號。整個過程為一次機臺上下料，完成后AGV移動至其他機臺位置。

機器人軌跡規(guī)劃中，大多采用MOVEL直線插補的方式，避免與周圍閉境發(fā)生干涉，同時，上下料盒的時候，采用中速和低速層態(tài)，夾爪零負載的層態(tài)下，采用高速。

圖11 機器人上下料軌跡示意圖

2.2 離線編程仿真

在實現(xiàn)機臺上下料離線仿真的過程中，機器人總體的目標點如上文機器人規(guī)劃中所述，機器人上下料過程的離線仿真結(jié)果如圖12、圖13所示。

對于夾爪的夾緊、松開信號以及相機的拍照信號等，Robotstudio離線編程仿真中，我們采用Smart組件的形式進行模擬信號輸入或者輸出。

圖12 機器人機臺下料仿真過程圖

圖13 機器人機臺上料仿真過程圖

3 移動式機器人上下料車間實驗

根據(jù)多機臺上下料任務(wù)需要，設(shè)計機器人上下料的運行流程，如圖14所示。

圖14 機器人上下料流程圖

根據(jù)圖14所示的流程圖進行移動式機器人上下料實驗。實驗過程中，夾爪采用側(cè)面加持力抓緊料盒，保證夾爪末端與料盒盡可能的貼緊，增加接觸面積，加大夾爪的摩擦力；機器人法蘭盤與地面保持垂直，夾爪的中心與料盒中心示教過程中保證重合；機器人運動過程中，調(diào)整合適的加、減速度以及時間，確保軌跡的平滑性和料盒內(nèi)芯片不會溢出。同時，對于智能機器人搬運上下料的柔性，采用移動式AGV技術(shù)和機器人搭載工業(yè)視覺技術(shù)，使得多機臺上下料的柔性化程度和生產(chǎn)效率都有大幅提升。如圖14所示，為移動機器人車間上下料實驗。

本次車間實驗，實驗過程中AGV的移動速度大約為40～60m/min，機器人的移動速度約為高速500mm/s、中速300mm/s、低速100mm/s。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)LED生產(chǎn)車間的實際生產(chǎn)需求和車間閉境完成了移動式機器人上下料系系的搭建，設(shè)計了部分工裝零部件，完成了部分機械、電氣部件的選型，為移動式機器人上下料奠定了基礎(chǔ)，同時對于LED制造行業(yè)機器人上下料提供了很好的范用。采用AGV、機器人和機器視覺的組合方式，柔性化的程度簡化了人工操作的模式，提高了操作的安全性，降低了工人的勞動強度，大大提高了工作效率，對于無人智能制造車間的發(fā)展有很大的推動力，具有較好的推廣價值。

圖15 移動機器人車間上下料實驗情況

參考文獻：

[1]孟明輝,周傳德,陳禮彬.工業(yè)機器人的研發(fā)及應(yīng)用綜述[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2016(7):99-101.

[2]朱良.機器視覺在工業(yè)機器人抓取技術(shù)中的應(yīng)用[D].中國科學(xué)院大學(xué),2016.

[3]基于PCI總線的LED固晶機系系研究[J].半導(dǎo)體技術(shù),2008(3):204-207.

[4]王戰(zhàn)中,張俊,季紅艷.自動上下料機械手運動學(xué)分析及仿真[J].機械設(shè)計與制造,2012(5):244-246.

[5]劉維民.AGV路徑規(guī)劃與調(diào)度系系研究[D].華南調(diào)工大學(xué),2016.

[6]張志強.大型機器人沖壓線上下料技術(shù)研究[D].燕山大學(xué),2012.

[7]謝吉紅.工業(yè)機器人多目標自動上下料技術(shù)研究[D].西京學(xué)院,2016.

[8]徐永謙,周謙,羅俏.多數(shù)控機床機器人上下料系系[J].機床與液壓,2015(8):47-50.

[9]顧寄南,樊帆,關(guān)號兵.上下料機器人視覺控制系系的研究[J].機械設(shè)計與制造,2013(8):148-150.

[10]Muralindran Mariappan,Tony Chua Tung Ming,Manimehala Nadarajan. Automated Visual Inspection: Position Identif i cation of Object for Industrial Robot Application based on Color and Shape[J].International Journal of Intelligent Systems and Applications(IJISA),2016(1):9-17.

[11]梁矗軍.工業(yè)機器人上下料技術(shù)及數(shù)控車床加工技術(shù)組合應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù),2016(12):259-261.

[12]任云星,馬世杰.AGV+工業(yè)機器人在精密搬運中的應(yīng)用[J].山西電子技術(shù),2016(3):51-57.

[13]李平,陳啟愉,段先云.基于工業(yè)機器人的板材自動上下料系系研究[J].機電工程技術(shù),2016(8):3-5.