文 / 張春雨

一、背景

軟包印刷企業(yè)屬于典型離散型制造業(yè)，產(chǎn)品的生產(chǎn)主要由印前、印中、印后等工序構(gòu)成；印刷產(chǎn)品具有多品種、小批量、多批次的特點，使其各工序之間涉及大量的物料轉(zhuǎn)運，導致工作勞動強度大、招工難、管理混亂、效率低，這就需要軟包印刷企業(yè)對工廠進行自動化、數(shù)字化、智能物流升級或改造，逐步實施少人化或無人化的智慧型工廠；智能物流向產(chǎn)業(yè)化細分行業(yè)發(fā)展，不同的軟包印刷企業(yè)對智能物流設(shè)備的使用存在較大的差異。因此物流裝備企業(yè)需要熟悉印刷企業(yè)的工藝要求和業(yè)務流程以及技術(shù)特點，了解印刷行業(yè)和智能化物流技術(shù)發(fā)展趨勢；隨著軟包印刷企業(yè)對智能物流的深入了解及自身企業(yè)的業(yè)務形態(tài)分析和細化物流在各工序之間的應用，移動機器人（AGV/AMR）是未來智能物流搬運的柔性化發(fā)展方向，為軟包印刷企業(yè)從傳統(tǒng)工廠到智能工廠的升級改造提供一種建設(shè)性思路。

二、智能物流在軟包印刷行業(yè)的作用

對于現(xiàn)代軟包印刷企業(yè)來講，合理規(guī)劃生產(chǎn)布局和物流搬運非常必要。合理的生產(chǎn)布局要以生產(chǎn)工藝流程（如圖1）為基礎(chǔ)來規(guī)劃和布局生產(chǎn)設(shè)備的空間位置，同時要兼容生產(chǎn)所需的物料以及各工序之間物料周轉(zhuǎn)的物流空間；物流規(guī)劃除了與整體新建廠房或現(xiàn)有廠房的結(jié)構(gòu)空間布局有關(guān)外，還要考慮生產(chǎn)設(shè)備的使用功能及特點，減少不必要的物流搬運互相交叉作業(yè)，避免影響整廠或整車間的生產(chǎn)效率，增加人工的勞動強度。

圖1 軟包印刷企業(yè)的生產(chǎn)物流

在新建廠房或改造現(xiàn)有車間的智能物流規(guī)劃時，主要是按照生產(chǎn)產(chǎn)品的工藝流程多考慮U型布局或受布局空間的局限性可以考慮L型。布局的生產(chǎn)設(shè)備、物料搬運、物料周轉(zhuǎn)的緩存等，可以減少不必要的因產(chǎn)品種類多、工藝不同所產(chǎn)生的物流搬運交叉，達到物流搬運時間短、減少中間緩存的效果。生產(chǎn)制造和物流搬運布局的合理性和先進性，是印刷企業(yè)對智能物流系統(tǒng)建設(shè)的長期發(fā)展方向。

智能物流是軟包印刷企業(yè)重要的組成部分，作為傳統(tǒng)離散型制造業(yè)的軟包印刷企業(yè)，也深受智能制造、智能物流、智能生產(chǎn)、智能工廠的理論體系的啟發(fā)。智能物流系統(tǒng)是連接生產(chǎn)各個工序之間、車間之間、倉儲之間的物流搬運系統(tǒng)；在軟包印刷行業(yè)中引入智能物流搬運移動機器人，為軟包印刷企業(yè)在生產(chǎn)與物流搬運環(huán)節(jié)提供了更柔性化的智能物流解決方案。

三、移動機器人在軟包印刷行業(yè)使用功能及介紹

1.移動機器人場景應用特征

智能移動機器人基于信息化技術(shù)、3D視覺技術(shù)、控制技術(shù)的標準化，驅(qū)動軟包印刷企業(yè)的產(chǎn)業(yè)化升級和改造。移動機器人調(diào)度控制系統(tǒng)與MES、WMS等管理系統(tǒng)協(xié)作，通過計算機進行集中調(diào)度、監(jiān)控、管理、以及運行狀態(tài)。移動機器人具有管理系統(tǒng)化、操作信息化、作業(yè)自動化、數(shù)據(jù)智慧化、網(wǎng)絡協(xié)同化、布局柔性化等突出特點（如圖2）。

圖2 印刷機上下料移動機器人

（1）管理系統(tǒng)化

智慧物流系統(tǒng)是通過WMS、WCS等管理系統(tǒng)進行集中管理，集成調(diào)度，并與印刷各個工序、人力資源、器具、信息數(shù)據(jù)等集成在一起進行統(tǒng)一管理控制。

（2）操作信息化

智能移動機器人一般不需要人工直接參與，通過終端系統(tǒng)進行管理控制，管理人員僅需錄入相關(guān)信息，監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會自動感知識別信息并執(zhí)行作業(yè)活動。

（3）作業(yè)自動化

智能移動機器人應用于軟包印刷印中工序的放卷和收卷，能夠?qū)崿F(xiàn)自動存放等作業(yè)活動，作業(yè)環(huán)節(jié)實現(xiàn)無人化，作業(yè)效率大大提升。

（4）數(shù)據(jù)智慧化

智能移動機器人在執(zhí)行作業(yè)過程中，能夠?qū)崟r記錄作業(yè)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)信息上傳至信息管理系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)的集中存儲管理與分析，處理各項運行控制與管理決策活動。（5）網(wǎng)絡協(xié)同化

智能移動機器人調(diào)度系統(tǒng)與企業(yè)管理系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、倉儲管理系統(tǒng)等有機對接，形成一種智慧物流鏈，使企業(yè)的物流系統(tǒng)智能化。

（6）布局柔性化

軟包印刷企業(yè)可以根據(jù)不同的工序場景實施布局和落地，也可根據(jù)企業(yè)發(fā)展的需要增加物流裝備及機器人的數(shù)量。

2.移動機器人自主定位及導航系統(tǒng)

定位對接：確定上下料移動機器人在運行環(huán)境中相對于全局坐標的位置及航向；

環(huán)境感知與建模：根據(jù)多種傳感器識別多種環(huán)境信息；

路徑規(guī)劃：環(huán)境已知的全局路徑規(guī)劃，基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃；

導航：當前同步定位與建模技術(shù)SLAM導航；

避障：行駛中通過傳感器感知到靜態(tài)和動態(tài)物體時，能有效地避障。

圖33 D視覺對接相機

3.移動機器人關(guān)鍵參數(shù)

移動機器人的設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)主要包括：額定承載、搬運物料規(guī)格、最大轉(zhuǎn)彎直徑、階梯舉升高度、行駛速度、對接補償空間距離等。如表1所示。

表1 上下料移動機器人主要技術(shù)參數(shù)

4.移動機器人安全檢測與防護

移動機器人智能系統(tǒng)在任務執(zhí)行、物料對接等環(huán)節(jié)的安全檢測，是移動機器人正常運轉(zhuǎn)的先決條件，也是重點設(shè)計對象?；谝苿訖C器人的智能物流調(diào)度系統(tǒng)在搬運場景的控制，安全檢測主要從車體本身、與車體對接機臺上下料裝置兩方面考慮。

移動機器人的運行安全防護有以下幾個方面：

（1）非接觸式防護

移動機器人標配安全避障激光和視覺避障相機，可設(shè)定閾值實現(xiàn)減速、緩停、急停三級保護，該安全措施可在非盲區(qū)范圍內(nèi)避免碰撞發(fā)生。藍芯科技有限公司自主研發(fā)的視覺避障傳感器產(chǎn)品Eagle系列深度相機，集成了320×240像素的TOF深度傳感器，廣泛適用各種工業(yè)場景，實現(xiàn)深度數(shù)據(jù)采集；移動機器人使用識別、檢測、定位等功能；相機橫向探測角度為108°，縱深探測角度為80°，視覺避障范圍在0.3～3m測距范圍。（2）接觸式防護

即安全觸邊，當移動機器人與障礙物發(fā)生碰撞并觸發(fā)安全觸邊，移動機器人將采取急停措施，該安全措施起到避免二次傷害。

（3）聲光報警與急停按鈕防護

移動機器人正常行駛時會有三色燈和音樂喇叭提醒行人注意避讓；移動機器人上設(shè)有位置明顯易見的急停開關(guān)。

5.上下料移動機器人的3D視覺的應用

移動機器人依托AI技術(shù)+3D視覺識別技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)自動對接軟包印刷機臺的上下料卷的氣脹軸中心對位，自動檢測印刷機臺氣脹軸的姿態(tài)來控制上下料機器人的托舉裝置在X、Y、Z軸方向的補償空間距離。

藍芯科技有限公司自主研發(fā)的悟空系列產(chǎn)品（如圖3），產(chǎn)品采用結(jié)構(gòu)光技術(shù)，實現(xiàn)大視野三維信息獲取，并提供坐標完全一致的深度和強度圖像，可廣泛使用于各種工業(yè)場景，實現(xiàn)高精度三維信息獲取，可單獨使用實現(xiàn)識別、檢測、定位等功能。如表2所示。

表2 對接相機產(chǎn)品參數(shù)規(guī)格表

（1）輸出特性

3D視覺采集待測對象，并輸出深度圖，提供簡單的接口可直接獲取強度圖、深度圖、偽彩色深度圖和點云圖像，所有圖像坐標系嚴格對齊，分辨率為1280×1024。支持高動態(tài)范圍模式，可靈活配置參數(shù)實現(xiàn)不同反射率物體的測量；匹配特有處理算法在小幅抖動下快速獲取準確的三維信息。

（2）視覺探測范圍

3 D視覺探測區(qū)域示意圖（如圖4），相機橫向探測角度為55°，縱向探測角度為45°，最佳實用距離550mm。

圖4 3D視覺探測區(qū)域示意圖

（3）產(chǎn)品特征

3D視覺具有精度高、速度快、工作無間歇、適應環(huán)境能力強、柔性高，支持不同型號產(chǎn)品等特點；操作簡單、系統(tǒng)易維護、智能分析、精準識別（如圖5）。

圖5 3D視覺相機機臺對接

6.移動機器人產(chǎn)品優(yōu)勢

精確定位:采用激光SLAM自主定位導航，支持二次定位，定位更準確；

精準對接：采用自主研發(fā)3D視覺對接，托舉機構(gòu)支持前后右左平移；

全向底盤：采用舵輪驅(qū)動，移動更靈活；

自研核心：采用自主研發(fā)的主控及業(yè)務模塊，集成化高，穩(wěn)定性；

安全防護：采用3D視覺避障，智能檢測低矮障礙物，行駛更安全。

四、軟包印刷行業(yè)移動機器人的場景應用

1.印刷機臺放卷和收卷動作流程

在軟包印刷企業(yè)，由生產(chǎn)管理系統(tǒng)或單獨機臺下達任務指令，移動機器人實現(xiàn)與機臺信息的交互對接，并根據(jù)任務類型自動調(diào)度移動機器人完成印刷機臺的放卷和收卷任務；移動機器人與機臺的放卷動作流程與收卷動作流程類似，動作流程如圖6所示。

圖6 移動機器人放卷和收卷動作流程

移動機器人對接機臺放卷：動作示意如圖7-a所示，移動機器人根據(jù)WCS（Warehouse Control System）控制系統(tǒng)任務指令，通過RCS調(diào)度系統(tǒng)上下料機器人執(zhí)行搬運任務移動至印刷機臺上料點。移動機器人對印刷機臺內(nèi)的異物進行安全檢測，安全檢測后移動機器人打開3D相機擺臂至到位，托舉機構(gòu)升高一定高度（圖7-a-放卷動作1）；移動機器人的托舉機構(gòu)調(diào)整X、Y、Z軸方向的空間距離，印刷機臺的氣脹軸自動伸出至頂住卷料軸芯內(nèi)側(cè)（圖7-a-放卷動作2）；印刷機臺的氣脹軸夾緊確認后，移動機器人的3D相機擺臂回位，托舉機構(gòu)先下降后歸位（圖7-a-放卷動作3），移動機器人退出印刷機臺上料點，任務結(jié)束移動機器人執(zhí)行下一任務。

圖7-a 移動機器人對接機臺放卷示意圖

移動機器人對接機臺收卷：動作示意如圖7-b所示，移動機器人根據(jù)WCS控制系統(tǒng)任務指令，通過RCS調(diào)度系統(tǒng)上下料機器人執(zhí)行搬運任務移動至印刷機臺下料點。移動機器人對印刷機臺內(nèi)的異物進行安全檢測，安全檢測后移動機器人打開3D相機擺臂至到位，托舉機構(gòu)升高一定高度（圖7-b-收卷動作1）；移動機器人的托舉機構(gòu)調(diào)整X、Y、Z軸方向的空間距離，托舉機構(gòu)升高直至接觸卷料后停下；印刷機臺的氣脹軸縮回直至原始狀態(tài)（圖7-b-收卷動作2）；印刷機臺的氣脹軸至原始狀態(tài)確認后，移動機器人的3D相機擺臂回位，托舉機構(gòu)先下降后歸位（圖7-b-收卷動作3），移動機器人退出印刷機臺下料點，任務結(jié)束移動機器人執(zhí)行下一任務。

圖7-b 移動機器人對接機臺收卷示意圖

2.移動機器人放卷和收卷與印刷機臺通訊對接

移動機器人接受MES、WMS頂端系統(tǒng)層下達的有關(guān)命令或分發(fā)的任務信息，將采集到的信息通過無線局域網(wǎng)反饋給上層控制中的中間環(huán)節(jié)，印刷機臺控制系統(tǒng)和機器人系統(tǒng)通過局域網(wǎng)完成組網(wǎng)，使得移動機器人能夠在任何情況下，都能直接或間接（通過移動機器人服務器等方式）與印刷機臺控制系統(tǒng)進行通訊，以實時獲取印刷機臺控制系統(tǒng)發(fā)出的狀態(tài)指令；移動機器人的控制系統(tǒng)實時接收或反饋給印刷機臺的控制系統(tǒng)（如圖8）。

圖8 移動機器人通訊對接

機器人與印刷機臺的通訊對接考慮印刷企業(yè)的設(shè)備控制系統(tǒng)與廠內(nèi)網(wǎng)絡環(huán)境，如印刷機臺的控制系統(tǒng)可以直接通訊，直接與移動機器人調(diào)度系統(tǒng)對接；如印刷機臺的控制系統(tǒng)不能直接通訊，印刷機臺需加設(shè)PLC控制器，與印刷機臺控制單元進行I/O交互，使之完成放卷和收卷指令的通訊對接（如圖9）。

圖9 移動機器人與機臺模塊對接

五、移動機器人的控制調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計

移動機器人的控制調(diào)度系統(tǒng)是移動機器人的核心，采用集中控制方式，滿足印刷企業(yè)現(xiàn)場環(huán)境要求；系統(tǒng)與生產(chǎn)管理系統(tǒng)對接，任務指令下達和報告移動機器人的運行情況。移動機器人控制調(diào)度系統(tǒng)可實時調(diào)度在線移動機器人的同時，系統(tǒng)工作狀態(tài)在屏幕上顯示。

軟包印刷企業(yè)現(xiàn)場物流空間有限，線路規(guī)劃會與印刷設(shè)備干涉，在有限空間內(nèi)結(jié)合上下料機器人本體的外形尺寸、輪系位置及可調(diào)速度等特性，采用柔性曲線或直角平移曲線，能夠在規(guī)劃路線時自動分析路線的坐標，把路線分成若干坐標距離和機器人的控制的優(yōu)化，使移動機器人的行駛路徑符合現(xiàn)場印刷機臺對接要求（如圖11）。

圖10 移動機器人放卷和收卷部分應用場景

圖11 移動機器人控制調(diào)度系統(tǒng)界面

移動機器人系統(tǒng)包括機器人工作狀態(tài)管理、地圖智能路徑規(guī)劃、移動機器人通訊管理、移動機器人設(shè)備管理和信息交互管理。通過移動機器人控制調(diào)度系統(tǒng)模塊進行整合、協(xié)同運作、調(diào)度等。

1.地圖模塊

路徑規(guī)劃是對軟包印刷各個工序的實際工作條件進行最優(yōu)的路徑選擇，將移動機器人的運動軌跡以適當?shù)谋壤s小，并且將移動機器人的實際運動過程中的路線動態(tài)實時地呈現(xiàn)在地圖模塊上。

移動機器人搬運點位的更改及位置信息由現(xiàn)場設(shè)備物理地圖、RCS 邏輯地圖構(gòu)成。RCS 邏輯地圖通過導入現(xiàn)場設(shè)備物理地圖，更新工序之間的上下料對接點的物理位置，在此基礎(chǔ)上更新位置的業(yè)務屬性，最終完成搬運路線和點位的改變。

2.系統(tǒng)管理模塊

移動機器人的信息管理和任務查詢是根據(jù)生產(chǎn)任務信息、產(chǎn)線叫料需求，系統(tǒng)自動調(diào)度和分配生產(chǎn)任務；移動機器人執(zhí)行任務和運行狀態(tài)實時上傳終端系統(tǒng)；移動機器人執(zhí)行調(diào)度任務的編號、起點終點坐標以及調(diào)度任務的優(yōu)先程度，調(diào)度系統(tǒng)下達任務指令時后臺數(shù)據(jù)庫會在任務工作表中自動記錄本次任務信息。

3.信息交互模塊

智能調(diào)度系統(tǒng)是通過調(diào)度系統(tǒng)和多臺移動機器人的傳輸信息進行交互，車輛數(shù)據(jù)庫中上傳移動機器人的車輛信息，在調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中可以查詢移動機器人的編號、剩余電量、運行狀態(tài)和當前執(zhí)行任務及所在的位置，并能夠?qū)崟r查詢移動機器人的工作進度。

六、結(jié)論

通過在軟包印刷企業(yè)建設(shè)智能化物流系統(tǒng)，對移動機器人的功能及應用進行了描述；智能移動機器人的硬件結(jié)構(gòu)和軟件技術(shù)的成熟與升級，為實現(xiàn)廠內(nèi)物流優(yōu)化、廠內(nèi)信息化管理，降低勞動強度，幫助企業(yè)降本增效和轉(zhuǎn)型升級提供參考依據(jù)。