唐黃正，朱志偉

（長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410004）

搬運(yùn)與碼垛是工業(yè)機(jī)器人常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)合，當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)線中主要通過(guò)在線示教的方式實(shí)現(xiàn)路徑編程，但存在示教過(guò)程較復(fù)雜，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度不高等弊端。利用RobotStudio 離線編程能夠快速進(jìn)行點(diǎn)位及路徑示教，不消耗實(shí)際資源，能夠降低設(shè)計(jì)成本，提高生產(chǎn)效率[1]。肖全等[2]利用SolidWorks 和RobotStudio 進(jìn)行機(jī)器人搬運(yùn)工作站的設(shè)計(jì)與路徑仿真；祁曉玲[3]利用RobotStudio 設(shè)計(jì)了工業(yè)機(jī)器人流水線搬運(yùn)的仿真工作站；蔡玉強(qiáng)等[4]針對(duì)牛奶箱搬運(yùn)過(guò)程存在運(yùn)動(dòng)軌跡奇點(diǎn)與動(dòng)作節(jié)拍時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于RobotStudio 的牛奶箱搬運(yùn)生產(chǎn)線仿真；王洋洋等[5]針對(duì)塑料瓶在傳送帶上位姿不固定無(wú)法準(zhǔn)確抓取的情況，基于RobotStudio 設(shè)計(jì)了一種塑料瓶分揀機(jī)器人夾持式機(jī)構(gòu)。

通過(guò)上述文獻(xiàn)可看出，已經(jīng)有不少研究者利用RobotStudio 離線編程仿真解決工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)的問(wèn)題，但是并沒(méi)有帶第七軸的裝箱方案設(shè)計(jì)，并且能夠通過(guò)數(shù)據(jù)分析找出裝箱方案的最優(yōu)解。機(jī)器人行走軸又稱(chēng)機(jī)器人第七軸，機(jī)器人軌道等，用于擴(kuò)大機(jī)器人作業(yè)半徑，擴(kuò)展機(jī)器人使用范圍功能，主要應(yīng)用于焊接、鑄造、機(jī)械加工、智能倉(cāng)儲(chǔ)、汽車(chē)、航天等行業(yè)領(lǐng)域。不管是焊接，噴涂，物流搬運(yùn)等工藝上均有廣泛應(yīng)用。

1 第七軸料盒裝箱工作站布局

在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，需要搭建一個(gè)工業(yè)機(jī)器人帶七軸的料盒裝箱工作站。首先在SolidWorks 當(dāng)中完成料盒“Cassette”的建模，尺寸為“360mm×570mm×150mm”；接著完成箱子“Box”的建模，因?yàn)橄渥有枰b4個(gè)料盒，雙層碼垛裝箱，所以箱子的尺寸為“750mm×600mm×320mm”，需要預(yù)留一些空隙。雙層碼垛裝箱示意圖如圖1 所示。

圖1 裝箱示意圖

接著將工業(yè)機(jī)器人“IRB2600”導(dǎo)入，此型號(hào)機(jī)器人可以用于物料搬運(yùn)、組裝等生產(chǎn)場(chǎng)合；將第七軸“IRBT2005”導(dǎo)入，此導(dǎo)軌可以配合機(jī)器人進(jìn)行移動(dòng)。將創(chuàng)建的模型導(dǎo)入，將外圍設(shè)施布置好，即將工作站創(chuàng)建完成。

為了能夠使工業(yè)機(jī)器人在裝箱過(guò)程中處于工作區(qū)域當(dāng)中，防止出現(xiàn)軸配置錯(cuò)誤或者奇點(diǎn)，可以精確計(jì)算機(jī)器人的工作范圍，以機(jī)器人所在的地面中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，O 點(diǎn)(x0,y0,z0)為機(jī)器人在第七軸原點(diǎn)的底座中心坐標(biāo)，P 點(diǎn)(x p,y p,zp)為機(jī)器人在第七軸末端的底座中心坐標(biāo)，A 點(diǎn)(x a,y a,za)為料盒取料位置中心點(diǎn)坐標(biāo)，B 點(diǎn)(xb,yb,zb)為箱子最下層放置位中心點(diǎn)坐標(biāo)，此點(diǎn)為工業(yè)機(jī)器人所需到達(dá)的最遠(yuǎn)位置，需滿足以下條件：

其中：R為機(jī)器人能夠到達(dá)的最大范圍，r為吸盤(pán)工具下表面到法蘭盤(pán)中心的最短距離。通過(guò)測(cè)量，得到O 點(diǎn)坐標(biāo)為（324.5，292，460），P 點(diǎn)坐標(biāo)為（2174.5，292，460），A 點(diǎn)坐標(biāo)為（675.9，-606.5，650），B 點(diǎn)坐標(biāo)為（3388.3，462，660），R的數(shù)值為1650mm，r的數(shù)值為160mm，將數(shù)據(jù)代入到公式(1)中，可以計(jì)算出A 點(diǎn)和B 點(diǎn)都在工業(yè)機(jī)器人的工作范圍內(nèi)。

搭建的工作站如圖2 所示。此工作站包括工業(yè)機(jī)器人及第七軸、拾取與放置區(qū)底座、物料及箱子，還有一些工業(yè)機(jī)器人外圍設(shè)備。

圖2 工作站布局

2 流程設(shè)計(jì)

工作站整個(gè)流程為出料區(qū)產(chǎn)生料盒，工業(yè)機(jī)器人前往出料區(qū)拾取料盒，通過(guò)第七軸移動(dòng)到末端，然后將料盒放置到箱子當(dāng)中，出料區(qū)重復(fù)生成料盒，工業(yè)機(jī)器人重復(fù)進(jìn)行料盒的取放，并且將料盒進(jìn)行2×2 的碼垛堆疊，最后完成全部裝箱工作，機(jī)器人及第七軸都回原點(diǎn)，整體工作流程圖如圖3 所示。

圖3 工作流程圖

■2.1 料盒拾放Smart 組件設(shè)計(jì)

機(jī)器人對(duì)料盒要進(jìn)行拾取放置動(dòng)作，并且料盒也要不斷生成，需要使用Smart 組件才能實(shí)現(xiàn)功能。其中，料盒取放需要用到“Attacher、Detacher、LineSensor、LogicGate[NOT]、LogicSRLatch”這幾個(gè)子組件。其中，“Attacher”子組件功能是安裝一個(gè)對(duì)象，這里用來(lái)拾取料盒；“Detacher”子組件功能是拆除一個(gè)已安裝對(duì)象，這里用來(lái)放置物料；“LineSensor”是線傳感器子組件，可以用來(lái)檢測(cè)是否接觸到物體，這里用來(lái)檢測(cè)是否感應(yīng)到料盒，如果感應(yīng)到料盒，則會(huì)輸出信號(hào)，代表可以進(jìn)行拾取，否則不進(jìn)行拾??；“LogicGate[NOT]”是邏輯門(mén)取反，拾取料盒是高電平脈沖信號(hào)控制，而放置料盒是低電平脈沖信號(hào)控制，所以需要將高電平信號(hào)進(jìn)行取反；“LogicSRLatch”子組件用于信號(hào)置位復(fù)位，料盒的拾取與放置即信號(hào)的一個(gè)置位與復(fù)位過(guò)程，所以需要一個(gè)置位與復(fù)位的組件進(jìn)行信號(hào)的保持。料盒不斷生成則需要用到“Source”子組件，它的功能是能夠創(chuàng)建一個(gè)圖形組件的拷貝，而工作站出料區(qū)需要不斷產(chǎn)生料盒，需要使用“Source”子組件不斷復(fù)制料盒，直到箱子裝滿。

Smart 組件需要?jiǎng)?chuàng)建兩個(gè)數(shù)字輸入信號(hào)，其中Pick_di信號(hào)用于啟動(dòng)拾取或者放置動(dòng)作，而Copy_di 用于控制料盒的產(chǎn)生；還需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)數(shù)字輸出信號(hào)PickOK_do，用于反饋拾放動(dòng)作是否已完成。

接著將所有Smart 組件的信號(hào)都連接在一起，需要建立以下I/O 連接。

（1）料盒拾取輸入信號(hào)Pick_di 觸發(fā)線傳感器“LineSensor”的激活。

（2）當(dāng)線傳感器“LineSensor”檢測(cè)到料盒后，代表已到達(dá)料盒上方指定位置，其輸出信號(hào)“SensorOut”觸發(fā)“Attacher”的執(zhí)行，即拾取料盒。

（3）“Attacher”的拾取動(dòng)作完成后觸發(fā)置位/復(fù)位組件“LogicSRLatch”執(zhí)行“置位”動(dòng)作，即保持拾取狀態(tài)，這樣料盒就不會(huì)掉落。

（4）“Detacher”的釋放動(dòng)作完成后觸發(fā)置位/復(fù)位組件執(zhí)行“復(fù)位”動(dòng)作，即保持放置狀態(tài)，這樣不會(huì)發(fā)生誤拾取。

（5）置位/復(fù)位組件的動(dòng)作觸發(fā)反饋信號(hào)PickOK_do動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)的最終效果為當(dāng)拾取動(dòng)作完成后將PickOK_do置為1，當(dāng)釋放動(dòng)作完成后將PickOK_do 置為0。

（6）料盒拾取輸入信號(hào)Pick_di 信號(hào)取反。

（7）取反的輸出結(jié)果觸發(fā)“Detacher”工具釋放動(dòng)作的執(zhí)行。這兩個(gè)信號(hào)連接，利用非門(mén)的中間連接，實(shí)現(xiàn)的是當(dāng)關(guān)閉真空后觸發(fā)釋放動(dòng)作執(zhí)行。

（8）料盒復(fù)制輸入信號(hào)Copy_di，如果置1，則能觸發(fā)“Source”子組件的激活，從而產(chǎn)生料盒，如果置0，則不產(chǎn)生料盒。

Smart 組件設(shè)計(jì)邏輯如表1 所示。

表1 Smart組件邏輯表

■2.2 工作站邏輯設(shè)計(jì)

Smart 組件創(chuàng)建好后，需要與機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)連接，這樣才能實(shí)現(xiàn)Smart 組件與機(jī)器人系統(tǒng)之間的信號(hào)交互。機(jī)器人系統(tǒng)需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)數(shù)字輸入信號(hào)PickOK_di，用于接收Smart 組件反饋的料盒取放信號(hào)；還需要?jiǎng)?chuàng)建兩個(gè)數(shù)字輸出信號(hào)，其中Pick_do 信號(hào)用于控制Smart 組件的料盒取放信號(hào)，而Copy_do 用于控制Smart 組件料盒的重復(fù)產(chǎn)生。工作站邏輯設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 工作站邏輯圖

■2.3 程序編寫(xiě)

當(dāng)所有I/O 信號(hào)創(chuàng)建并連接好后，可進(jìn)行程序編寫(xiě)和運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃。示教的點(diǎn)位主要有原點(diǎn)、料盒拾取點(diǎn)，料盒放置進(jìn)入點(diǎn)及料盒放置點(diǎn)。

料盒拾取位置是不變的，但是在放置時(shí)要進(jìn)行2×2 的堆疊裝箱，為了簡(jiǎn)化程序，可以將料盒放置進(jìn)入點(diǎn)及料盒放置點(diǎn)使用MoveL Offs 偏移指令進(jìn)行偏移，此指令能以選定目標(biāo)點(diǎn)為基準(zhǔn)，沿著選定工件坐標(biāo)系的X、Y、Z 軸方向偏移一定的距離，這樣不需要示教多個(gè)點(diǎn)，從而加快示教速度，同時(shí)也可以提高定位的精準(zhǔn)度。同時(shí)配合使用FOR 循環(huán)嵌套，首先執(zhí)行內(nèi)層循環(huán)堆疊第一層的兩個(gè)料盒，然后將偏移參數(shù)進(jìn)行修改，接著執(zhí)行外層循環(huán)堆疊第二層兩個(gè)料盒，這樣能夠簡(jiǎn)單、快捷地實(shí)現(xiàn)裝箱，示教點(diǎn)位少，運(yùn)行速度快，運(yùn)動(dòng)路徑如圖5 所示。

圖5 運(yùn)動(dòng)路徑

3 仿真分析

工作站整個(gè)流程為工業(yè)機(jī)器人前往出料區(qū)拾取料盒，通過(guò)第七軸移動(dòng)到末端將料盒放置裝箱，TCP 速度將決定整個(gè)裝箱時(shí)間，本文共設(shè)置了三種不同的速度進(jìn)行測(cè)試，分別是500mm/s、1000mm/s 和2000mm/s。四個(gè)料盒裝箱動(dòng)作是基本相同的，只需要測(cè)試第一個(gè)料盒的工作流程。其中，圖6～圖8 為T(mén)CP 速度分別為500mm/s、1000mm/s 和2000mm/s 時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)機(jī)器人總電機(jī)功率、電機(jī)總能量以及TCP 速度的軌跡曲線。

圖6 500mm/s 各參數(shù)軌跡曲線

圖7 1000mm/s 各參數(shù)軌跡曲線

圖8 2000mm/s 各參數(shù)軌跡曲線

通過(guò)對(duì)三種TCP 速度參數(shù)軌跡曲線進(jìn)行分析，結(jié)果如表2 所示。

表2 數(shù)據(jù)分析

從上述數(shù)據(jù)可以看出，TCP 速度越快，則一個(gè)周期的時(shí)間越短，總電機(jī)功率的值越大，電機(jī)總能量也越大。如果實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中對(duì)時(shí)間要求不高，則可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)低機(jī)器人的運(yùn)行速度，能夠降低功率和功耗，在同一個(gè)運(yùn)行周期，TCP速度500mm/s 時(shí)，能夠比TCP 速度2000mm/s 節(jié)省約一半的能量；如果對(duì)時(shí)間要求較高，則應(yīng)該調(diào)高機(jī)器人的運(yùn)行速度，在同一個(gè)運(yùn)行周期，TCP 速度2000mm/s 時(shí)，能夠比TCP 速度500mm/s 減少一半的運(yùn)行時(shí)間；而綜合來(lái)講，TCP 速度1000mm/s 是最適合的，一個(gè)周期只比TCP 速度2000mm/s 多用3s 時(shí)間，但是最大功率減少了約54.4%，且電機(jī)總能量減少了約35.7%，性價(jià)比最高，兼顧生產(chǎn)效率和能耗。

4 總結(jié)

本文為解決帶第七軸的料盒裝箱工作站路徑規(guī)劃問(wèn)題，通過(guò)搭建工作站，模擬工業(yè)機(jī)器人通過(guò)第七軸移動(dòng)，拾放料盒并進(jìn)行堆疊裝箱的生產(chǎn)場(chǎng)景，最后通過(guò)設(shè)置不同的TCP速度，驗(yàn)證最優(yōu)運(yùn)行方案，能夠有效地提高生產(chǎn)效率并降低能耗。