劉丹丹,王 珺,劉 杰,馬 超,何 程

(1.河南中煙工業(yè)有限責任公司安陽卷煙廠,河南 安陽 455004)(2.上海致元自動化科技有限公司,上海 200086)(3.華中科技大學機械科學與工程學院,湖北 武漢 430074)

在輕工、食品等物流行業(yè)中,針對不同產(chǎn)品訂單需求,要依次對產(chǎn)品進行包裝、碼垛、配送。而其中至關(guān)重要的碼垛環(huán)節(jié)的自動化程度卻十分有限,目前還依賴于伸縮皮帶機結(jié)合人工搬運完成。由于人工碼垛存在勞動強度大、環(huán)境惡劣、管理成本高等諸多問題,已不能滿足生產(chǎn)物流的需求[1],因此采用碼垛機器人替代人工搬運,完善物流信息化流程,已經(jīng)成為物流行業(yè)必然的選擇[2-3]。

隨著物流行業(yè)對碼垛要求越來越高,國內(nèi)碼垛機器人技術(shù)得到了飛速發(fā)展[4]。徐雪萌等[5]研發(fā)的自動碼垛機械手在設(shè)計方案中采用層次分析法(AHP),降低了經(jīng)濟成本。叢蘭強等[6]將出入庫和碼垛操作合并起來,減少了占地面積并提高了碼垛效率。而在國外,也誕生了一批具有代表性的碼垛機器人,如日本的FUJI機器人、瑞典的ABB機器人、德國的KUKA機器人等[7]。日本的Motoman-Mpl100Ⅱ型機器人采用5軸垂直多關(guān)節(jié)設(shè)計,其空心機械臂的設(shè)計使機器人具有高度可定制性[8]。瑞典的IRB660型碼垛機器人能直接在車間進行快速便捷的編程操作[9]。德國的KR180 PA型機器人的運動結(jié)構(gòu)經(jīng)過有限元優(yōu)化,具有極高的集成度和精細的驅(qū)動特性[10]。Starcevic等[11]提出的機器人運動策略應用于碼垛機器人后,顯著提高了機器人運行效率和準確性。

1 碼垛機器人總體設(shè)計方案

1.1 碼垛機器人設(shè)計指標

某品牌煙箱輸送碼垛任務工況要求:碼垛機器人需要適應的車廂尺寸為寬2.30～2.90 m、高2.30～2.95 m;抓取產(chǎn)品長度為500～600 mm,抓取產(chǎn)品寬度為400～500 mm,抓取產(chǎn)品厚度為200～300 mm。

為實現(xiàn)準確快速識別與穩(wěn)定高效碼垛,選擇自行走式雙臂協(xié)作機器人作為碼垛機器人,本文所設(shè)計的碼垛機器人相關(guān)技術(shù)指標見表1。

表1 碼垛機器人相關(guān)參數(shù)

1.2 機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理

本文采取六軸關(guān)節(jié)機械臂方案來實現(xiàn)煙箱碼垛,方案如下:為了適應不同規(guī)格廂式貨車內(nèi)部碼垛,本文采用的是可變工作區(qū)域的六軸關(guān)節(jié)伸縮機械臂,該機械臂的Z軸二級伸縮機構(gòu)使得機械臂能自由進入小規(guī)格廂式貨車內(nèi)部碼垛,同時也可在大規(guī)格廂式貨車內(nèi)部啟用第二級伸縮臂,擴大機械臂的Z軸工作區(qū)域。不同規(guī)格廂式貨車X、Y軸方向的碼垛僅需要增大相對應關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度即可實現(xiàn)。為盡可能提高廂式貨車裝箱的裝箱率、增加碼垛垛型及物料擺放方向,在第二級伸縮臂結(jié)構(gòu)上增加了旋轉(zhuǎn)軸,通過翻轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)物料平躺碼垛功能。

碼垛機器人的入料輸送口輸送角度可調(diào),其前端裝有能夠自動測距和視覺識別高低位置的傳感器。傳感器能自動追蹤皮帶輸送線在車廂內(nèi)的進退位置,同時也可以控制伸縮皮帶與車廂的輸送角度,來讓碼垛機器人入料口的輸送角度趨向于水平,使煙箱能順利輸送。碼垛小車經(jīng)過中間翻轉(zhuǎn)工位后,將煙箱通道一分為二,碼垛機器人的兩個機械臂分別在不同輸送通道上抓取煙箱進行碼垛。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

碼垛機器人的主機架結(jié)構(gòu)如圖2所示,其中2、3、4、5、6、7分別對應6個軸。

1—固定立柱組件;2—Z1行程組件;3—Z2行程組件;4—關(guān)節(jié)一組件;5—關(guān)節(jié)二組件;6—翻轉(zhuǎn)組件;7—旋轉(zhuǎn)組件;8—抓手組件

Z1行程組件2和Z2行程組件3的作用主要是控制碼垛物件的高度,為適應不同規(guī)格封閉廂式貨車的高度,將這兩個組件設(shè)計成雙層伸縮結(jié)構(gòu)。關(guān)節(jié)一組件4和關(guān)節(jié)二組件5控制物料中心點的X坐標與Y坐標,并與Z1行程組件2、Z2行程組件3和旋轉(zhuǎn)組件7構(gòu)成平面機械臂結(jié)構(gòu),通過聯(lián)動實現(xiàn)物料中心點X、Y、Z的坐標位置控制。翻轉(zhuǎn)組件6增加了附加碼垛物料方向,提高了碼垛效率及裝箱率。旋轉(zhuǎn)組件7實現(xiàn)碼垛物料外形位置的控制。翻轉(zhuǎn)組件6和旋轉(zhuǎn)組件7聯(lián)合實現(xiàn)與物料來料不同方向的碼垛形式的選擇。抓手組件8實現(xiàn)抓取、釋放物料。固定立柱組件1對整個結(jié)構(gòu)起到支撐固定作用。

碼垛機器人的機械臂采用平面機械臂六軸結(jié)構(gòu),運動空間小,負載能力大,更適合封閉空間操作。機械臂前端的抓手采用負壓吸附抓取方式,可實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn),可自由變化放置煙箱的方式,機械臂第三關(guān)節(jié)翻轉(zhuǎn)軸可自由翻轉(zhuǎn)360°,這樣便于靈活調(diào)整煙箱的姿態(tài),實現(xiàn)車廂的最大填充。機械臂的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 碼垛機器人機械臂結(jié)構(gòu)

2 碼垛機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 機器人控制系統(tǒng)架構(gòu)和流程

為了實現(xiàn)碼垛機器人雙臂的自適應協(xié)作控制,控制系統(tǒng)硬件通過視覺以及光電傳感器等智能感知煙箱的種類、碼垛的位置,來自動規(guī)劃碼垛方式與碼垛軌跡,從而實現(xiàn)全自動碼垛?？刂葡到y(tǒng)硬件平臺由圖像采集與處理單元、PLC控制器單元、碼垛機器人控制單元以及集中控制處理器組成,硬件系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

控制系統(tǒng)的軟件部分由多個程序組成,包括煙箱識別程序、上位機處理程序、PLC控制程序和機器人控制程序。煙箱識別程序可以通過相機采集的圖像識別煙箱的形狀,并將識別到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。上位機處理程序處理煙箱形狀信息,并確定煙箱的碼垛流程,控制PLC和工業(yè)機器人的運行。PLC控制程序控制煙箱翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、煙箱矯正機構(gòu)和煙箱傳送機構(gòu),實現(xiàn)對煙箱的傳送和位姿的調(diào)整。工業(yè)機器人控制程序根據(jù)上位機發(fā)送的指令完成煙箱的碼垛作業(yè)?？刂葡到y(tǒng)的整個運行流程如圖5所示。

圖5 控制軟件工作流程

2.2 多階S型曲線速度控制

碼垛機器人的運動控制技術(shù)是決定其能否平穩(wěn)運行的關(guān)鍵[12],而速度控制算法是運動控制關(guān)鍵技術(shù)之一[13]。對碼垛機器人水平速度的控制,目前局限于采用勻加速曲線控制方式,這種方式無法在運行過程中平滑地控制速度。為了達到更高的碼垛效率,碼垛機器人需要更高的速度、加速度、加加速度,而這會導致沖擊力增大,影響煙箱的碼垛精度,使得運送煙箱的效率降低,甚至會引發(fā)碼垛機器人脫軌、整機坍塌等安全事故[14]。

為了確保碼垛機器人在抓取和放置煙箱時能夠達到平穩(wěn)、高效的運行狀態(tài),應當采用一種自適應的加減速控制算法。這種算法既可以提升機器人的運動平穩(wěn)性,又可以最大限度地提升碼垛效率[15]。綜合考慮運動平穩(wěn)性、碼垛效率等影響因素,本文選擇5段S型曲線柔性加減速控制算法,如圖6所示。

圖6 S型速度控制曲線圖

設(shè)Tk(k=1,2,3,4,5)為機器人運動各階段所用的時間,其中Tk=tk-tk-1。根據(jù)圖6,將S型加減速控制算法曲線分成5段,即加加速段(0-t1)、減加速段(t1-t2)、勻速段(t2-t3)、加減速段(t3-t4)、減減速段(t4-t5),要使機器人在起點和終點處的加速度都為零,必須確保加加速階段時間和減加速階段時間相等,由此可得T1=T2、T4=T5。

從圖6可以得到該算法的加加速度j的變化規(guī)律,以此得到相應函數(shù)方程式(1),其中k1、k2為比例系數(shù),jmax為加加速度最大值。

(1)

由加加速度j、加速度a、速度v與位移s之間的積分關(guān)系,可得:

(2)

式中:τ為時間常數(shù)。

初始速度設(shè)為vs,結(jié)束速度設(shè)為ve,利用公式(1)和(2),可以得到具體速度控制模型的函數(shù)表達式,如式(3)所示。

(3)

設(shè)加速時間為Ta、減速時間為Td、加速段長度為Sa、減速段長度為Sd,可以得到:

(4)

由此可以看出,要根據(jù)實際情況自適應地完成整個加減速控制的規(guī)劃,需要通過始末速度和路徑長度L確定T1、T3、T43個變量。采用5段S型曲線柔性加減速控制算法后,可以根據(jù)實際情況(如始末速度和路徑長度)自適應地調(diào)整規(guī)劃流程,從而大大提升碼垛效率,如圖7所示。

圖7 自適應速度控制算法規(guī)劃流程圖

2.3 雙臂協(xié)作碼垛規(guī)則

碼垛機器人的機械臂和抓手在滿足封閉空間不同高度的碼垛工作范圍要求時,設(shè)計有4種碼放方式,分別是豎直向下碼放、豎直翻轉(zhuǎn)碼放、平躺翻轉(zhuǎn)碼放和豎直向下旋轉(zhuǎn)碼放,如圖8所示。

圖8 不同碼放方式示意

雙臂協(xié)作碼垛規(guī)則:1)在設(shè)備正常工作情況下,為了提高碼垛效率采用雙臂協(xié)作,即機械手交替工作以提高工作效率;2)在狹窄的空間中如果出現(xiàn)死角,機器臂應根據(jù)空間位置及大小規(guī)劃軌跡后,調(diào)度無干涉碰撞的機器臂完成碼垛以提高碼垛的填充率;3)在碼垛過程中,如果其中某個機械臂出現(xiàn)故障,應采用無故障機械臂獨立完成碼垛任務,以提高碼垛完成度。

3 運行結(jié)果

將本文所設(shè)計的自適應雙臂協(xié)作碼垛機器人投入兩個大小分別為150.0 m×25.0 m×26.0 m的一號車廂和110.0 m×23.5 m×25.5 m的二號車廂進行實際測試,其中待堆垛的箱體尺寸為560 mm×260 mm×450 mm。實際運行場景如圖9所示。

圖9 實際運行場景

經(jīng)過多次測試,得到的結(jié)果見表2和表3。

表2 一號車廂測試結(jié)果

表3 二號車廂測試結(jié)果

對于目前國內(nèi)各種標準的大小貨車車廂,該碼垛機器人能根據(jù)裝箱排單自動規(guī)劃碼垛層數(shù)和方式,自適應地完成碼垛任務,整體效率能達到800箱/h。機械臂采用多關(guān)節(jié)形式,全伺服控制,定位精度高,能快速調(diào)整煙箱碼放方式,將裝車填充率提高到85%左右。抓手采用負壓吸附方式,不會破壞煙箱的外表面,具有噪聲低、效率高、負載高等特點。

4 結(jié)束語

本文研究和開發(fā)了一種自適應的雙臂協(xié)作碼垛機器人,設(shè)計了兩節(jié)行程的Z軸立柱和3種機械臂碼放模式,滿足了不同高度封閉空間的碼垛范圍要求。采用多階S型曲線速度控制技術(shù)完成煙箱的碼垛任務,改善了碼垛的穩(wěn)定性,提高了碼垛效率。后續(xù)將根據(jù)實際運行反饋,進一步完善相關(guān)設(shè)計。