杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司研究院 杭州 310009

1 設(shè)計(jì)背景

隨著各行各業(yè)自動(dòng)化程度的提高,貨物自動(dòng)裝車(chē)系統(tǒng)的需求越來(lái)越大。在自動(dòng)裝車(chē)系統(tǒng)中,車(chē)輛檢測(cè)是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題[1-5]。目前,車(chē)輛檢測(cè)多采用視覺(jué)方法,但是存在識(shí)別準(zhǔn)確性不高及成本較高的問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題,筆者設(shè)計(jì)了基于動(dòng)梁式龍門(mén)機(jī)器人的車(chē)廂檢測(cè)系統(tǒng)[6-10]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

應(yīng)用筆者設(shè)計(jì)的基于動(dòng)梁式龍門(mén)機(jī)器人的車(chē)廂檢測(cè)系統(tǒng),在現(xiàn)有機(jī)器人抓手上安裝行程可讀氣缸,便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)廂的檢測(cè),而不需要增加其它檢測(cè)設(shè)備,進(jìn)而降低成本,提高效率。檢測(cè)系統(tǒng)中的動(dòng)梁式龍門(mén)機(jī)器人如圖1所示,其負(fù)載為300 kg,X軸行程為4 300 mm,Y軸行程為2 200 mm,Z軸行程為1 850 mm。在機(jī)器人抓手上安裝四個(gè)行程可讀氣缸,用于車(chē)廂檢測(cè)。具體位置為抓手前部?jī)蓚€(gè)、側(cè)邊一個(gè)、底部一個(gè),如圖2所示。1號(hào)氣缸用于檢測(cè)車(chē)廂底部信息,2號(hào)、3號(hào)氣缸用于檢測(cè)車(chē)廂前部信息,4號(hào)氣缸用于檢測(cè)車(chē)廂側(cè)邊信息。

采用西門(mén)子Simotion d435運(yùn)動(dòng)控制器,所有氣缸數(shù)據(jù)接入SMC30模塊。SMC30模塊通過(guò)DRIVE_CLiQ總線與Simotion控制器傳遞實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。檢測(cè)系統(tǒng)控制架構(gòu)如圖3所示。這一系統(tǒng)可以通過(guò)行程可讀氣缸檢測(cè)車(chē)廂內(nèi)部尺寸與斜度,然后根據(jù)碼垛規(guī)則自動(dòng)計(jì)算出所有碼垛點(diǎn)參數(shù),進(jìn)行自動(dòng)裝車(chē)。

圖1 動(dòng)梁式龍門(mén)機(jī)器人

圖2 行程可讀氣缸安裝位置

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)控制架構(gòu)

3 檢測(cè)方法

在進(jìn)行檢測(cè)前,規(guī)定車(chē)廂形狀必須規(guī)則,且車(chē)輛停在指定區(qū)域內(nèi),確保抓手能順利進(jìn)入車(chē)廂。抓手進(jìn)入車(chē)廂后的俯視平面圖如圖4所示。在自動(dòng)檢測(cè)時(shí),四個(gè)氣缸全部伸出,設(shè)定抓手中心點(diǎn)初始坐標(biāo)為(x1,y1,z1,w1),默認(rèn)初始角度為w1,使抓手朝向與Y軸方向平行。行程可讀氣缸的測(cè)量值存儲(chǔ)于寄存器中,規(guī)定底部1號(hào)氣缸讀數(shù)為e0,前部2號(hào)、3號(hào)氣缸讀數(shù)分別為e1和e2,側(cè)部4號(hào)氣缸讀數(shù)為e3。

圖4 抓手進(jìn)入車(chē)廂后俯視平面圖

先進(jìn)行車(chē)廂Z軸方向檢測(cè)。機(jī)器人在Z軸方向慢慢下降,當(dāng)?shù)撞?號(hào)氣缸讀數(shù)發(fā)生變化到預(yù)設(shè)值后停止,此時(shí)抓手中心點(diǎn)坐標(biāo)變?yōu)?x1,y1,z2,w1),車(chē)廂Z軸方向坐標(biāo)Carz=z2-e0。

然后進(jìn)行車(chē)廂傾斜角度檢測(cè)。機(jī)器人向Y軸方向前進(jìn),當(dāng)前部2號(hào)、3號(hào)氣缸讀數(shù)發(fā)生變化降至預(yù)設(shè)值后停止,此時(shí)抓手中心坐標(biāo)變?yōu)?x1,y2,z2,w1),車(chē)廂傾斜角度θ=arctan[(e2-e1)/b],b為2號(hào)、3號(hào)氣缸之間的距離。車(chē)廂傾斜角度檢測(cè)如圖5所示。

再進(jìn)行車(chē)廂Y軸方向檢測(cè)。將機(jī)器人抓手旋轉(zhuǎn)至與車(chē)廂平行,此時(shí)抓手中心坐標(biāo)變?yōu)?x1,y2,z2,w2),其中抓手角度w2=w1+θ。設(shè)置臨時(shí)變量Disy,令其為(e2+e1)/2,可推導(dǎo)得車(chē)廂Y軸方向坐標(biāo)Cary=Disycosθ+y2。

最后進(jìn)行車(chē)廂X軸方向檢測(cè)。使機(jī)器人沿著傾斜角度θ向X軸正方向運(yùn)動(dòng),當(dāng)4號(hào)氣缸讀數(shù)變化降至預(yù)設(shè)值后停止,此時(shí)抓手中心坐標(biāo)變?yōu)?x2,y3,z2,w2)。設(shè)置臨時(shí)變量Disx,令其為e3cosθ,

圖5 車(chē)廂傾斜角度檢測(cè)

可推導(dǎo)得車(chē)廂X軸方向坐標(biāo)Carx=e3cosθ+x2。車(chē)廂X軸、Y軸方向檢測(cè)如圖6所示。

圖6 車(chē)廂X軸、Y軸方向檢測(cè)

由以上檢測(cè)步驟可得車(chē)廂右頂角,即碼垛第一點(diǎn)的坐標(biāo)。碼垛第一點(diǎn)X軸方向坐標(biāo)Layx=Carx=e3cosθ+x2,Y軸方向坐標(biāo)Layy=Cary+(x2-x1)tanθ,Z軸方向坐標(biāo)Layz=Carz,旋轉(zhuǎn)軸方向坐標(biāo)Layw=w2。碼垛第一點(diǎn)如圖7所示。

根據(jù)碼垛第一點(diǎn)坐標(biāo)及產(chǎn)品長(zhǎng)、寬、高與碼垛規(guī)則,即可生成車(chē)廂內(nèi)碼垛所有點(diǎn)的位置坐標(biāo)。

4 檢測(cè)結(jié)果

應(yīng)用所設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)車(chē)廂進(jìn)行多次檢測(cè),其中兩次檢測(cè)結(jié)果分別見(jiàn)表1、表2。

圖7 碼垛第一點(diǎn)

坐標(biāo)或變量檢測(cè)結(jié)果(x1,y1,z1,w1)/[mm,mm,mm,(°)](1 200,500,600,0)(x1,y1,z2,w1)/[mm,mm,mm,(°)](1 200,500,120,0)(x1,y2,z2,w1)/[mm,mm,mm,(°)](1 200,825,120,0)(x1,y2,z2,w2)/[mm,mm,mm,(°)](1 200,825,120,-2.29)(x2,y3,z2,w2)/[mm,mm,mm,(°)](1 300,821,120,-2.29)e0/mm42e1/mm42e2/mm38e3/mm43θ/(°)-2.29Disx/mm42.97Disy/mm40Carx/mm1 342.97Cary/mm865Carz/mm78Layx/mm1 342.97Layy/mm861Layz/mm42Layw/(°)-2.29

表2 檢測(cè)結(jié)果2

應(yīng)用激光跟蹤儀,測(cè)得上述兩次檢測(cè)中碼垛第一點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)分別為(1 344 mm,862 mm,42.2 mm,-2.28°)和(1 391 mm,889 mm,42.2 mm,8.5°)。通過(guò)檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際坐標(biāo)對(duì)比,可知所設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)精度達(dá)到1 mm左右,能夠滿(mǎn)足自動(dòng)裝車(chē)系統(tǒng)的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者針對(duì)自動(dòng)裝車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于動(dòng)梁式龍門(mén)機(jī)器人的車(chē)廂檢測(cè)系統(tǒng),通過(guò)安裝行程可讀氣缸便可對(duì)車(chē)廂進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)實(shí)際檢測(cè)確認(rèn),這一檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度達(dá)到1 mm左右,能夠滿(mǎn)足自動(dòng)裝車(chē)系統(tǒng)的要求,具有較高的實(shí)用價(jià)值。