基于三菱工業(yè)機器人的物料入庫系統(tǒng)研究

高功臣

摘 要： 根據(jù)被傳送物料的形狀及材質(zhì)特征為其設(shè)計了合適的機械手，對物料進行抓握操作。工業(yè)機器人由物料臺抓握物料后，沿著預(yù)先設(shè)定的軌跡將物料傳送至立體倉庫前的待入庫工位，并且按照設(shè)定的操作流程自動檢查并選擇空庫位，將物料平穩(wěn)的放入倉庫。結(jié)果表明，該系統(tǒng)提高了工作效率，減少了生產(chǎn)中的人力成本。

關(guān)鍵詞： 工業(yè)機器人； 物料； 入庫； 機械手

中圖分類號： TP 241 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-2153（2015）02-0059-04

0 引 言

隨著科技的快速發(fā)展，機器人技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)的各個方面。本文以三菱RV-3SD型六軸工業(yè)機器人為載體設(shè)計一個可以在狹小工作空間內(nèi)進行物料搬運及自動入庫的傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠自動檢測物料臺上物料的有無，可以在狹小空間內(nèi)進行物料的搬運，在入庫時還可以自動檢測庫位是否為空，并按照要求自動選擇空庫位進行入庫操作。

1 問題提出

三菱工業(yè)機器人在進行物料入庫操作時，首先機器人由待機位置出發(fā)，按照設(shè)定的運動路徑到達物料臺附近，由機械手從物料臺上抓取等待入庫的物料，然后再沿著規(guī)定的路徑到達立體倉庫的附近，按照設(shè)定的入庫算法，查找一個空的庫位并將物料入庫，最后機器人回到待機位置，等待下次入庫操作。在實際工作現(xiàn)場機器人、立體倉庫和物料臺的相對位置如圖1所示。

圖1中，由H形曲線所圍區(qū)域為機器人可以到達工作范圍，其中標注20°角所在區(qū)域為機器人的運動死區(qū)[1]，該區(qū)域受到機器人本體結(jié)構(gòu)的限制而不能到達；而在H型曲線靠近障礙物的一側(cè)，因受到障礙物的阻擋，機器人亦不能到達該區(qū)域。另外，三菱工業(yè)機器人本體除了6個運動軸之外，并沒有其他可以選用的加工或握持工具。

為了解決上述問題，本文根據(jù)物料入庫空間要求以及機器人運動范圍要求，為機器人入庫運動設(shè)計了合適的運動軌跡，并且根據(jù)所需抓握物料的特性設(shè)計了實用的機械手。

2 機器人手抓設(shè)計

三菱RV?3SD型工業(yè)機器人本體只有J1～J6六個軸[1]，機器人在出廠時并沒有提供可以抓握物料的機械手，所以此處需要根據(jù)入庫物料的外形及材質(zhì)特征設(shè)計一個合適的機械手。需要入庫物料的基本形狀為90×90×30的正方體，其材質(zhì)為鋁合金。物料在入庫時，90×30的工作面與機械手相接觸；另外，機器人本體已經(jīng)提供了氣動接口和所需的氣動元件位置檢測信號接口，所以此處設(shè)計一個由兩個手指構(gòu)成的氣動機械手，其外形如圖2所示。

該機械手通過安裝底座安裝于機器人的J6軸端，由平行開閉式氣缸驅(qū)動兩個手指進行開閉運動，由安裝于氣缸上的兩個磁性開關(guān)檢測機械手的兩個手指是否運動到位，從而實現(xiàn)正方體物料的抓握。

該機械手的運動可以由機器人本體自帶的氣動接口進行驅(qū)動，僅需要在機器人底座進氣口導(dǎo)入壓力合適的氣源即可[1]。根據(jù)抓握物料所需力的大小，調(diào)節(jié)導(dǎo)入空氣的壓力。另外，平行開閉式氣缸的位置可以通過磁性開關(guān)來檢測。磁性開關(guān)的信號通過機器人本體自帶的信號接口，經(jīng)通信電纜將信號傳遞到機器人控制器，由控制器控制機械手的運動。

3 物料和倉儲庫位檢測設(shè)計

本系統(tǒng)采用漫反射式光電開關(guān)來檢測物料臺上物料的有無，該傳感器安裝于物料臺的正下方，當(dāng)物料到達物料臺時，漫反射式光電開關(guān)被觸發(fā)，將信號發(fā)送至機器人控制器，從而驅(qū)動機器人去抓握物料，并將其送入立體倉庫。

本系統(tǒng)采用光纖傳感器來檢測立體倉庫的庫位是否為空。在機械手的一個手指的一側(cè)設(shè)計一個光纖傳感器的安裝孔，將傳感器的探頭安裝固定于該孔內(nèi)，該安裝方式可以防止傳感器在使用過程中受損。當(dāng)物料需要入庫時，先讓安裝有傳感器的手指正對所需入庫的庫位，通過光路是否被阻擋來檢測該庫位是否為空。如果庫位為空則可以直接將物料入庫，否則，機器人需轉(zhuǎn)向下一個庫位重復(fù)上述操作，直至找到空庫位或者把所有庫位查找一遍為止。

4 機器人物料入庫程序設(shè)計

三菱RV?3SD型工業(yè)機器人采用MELFA?BASIC V語言設(shè)計驅(qū)動程序，但在設(shè)計機器人物料入庫程序之前，需要對機器人的運動軌跡進行合理的規(guī)劃，防止由于機器人的運動路徑或姿態(tài)不正確，導(dǎo)致機器人在運動過程中與障礙物相撞或受到機械限位的限制而無法正常運動。

4.1 機器人運動軌跡規(guī)劃

由圖1可知，機器人在物料入庫的工作區(qū)域中，不僅受到實際運動空間的限制，而且還受到機器人自身機械限位的限制，為了實現(xiàn)物料的順利入庫，必須提前對機器人的運動軌跡進行合理的規(guī)劃，這樣不僅能夠避免機器人與周圍物體發(fā)生碰撞，實現(xiàn)物料入庫的目的，而且也能夠提高機器人的工作效率。

機器人處在待機位置時，其各關(guān)節(jié)都處于收縮狀態(tài)，該狀態(tài)占用空間最小。本系統(tǒng)把該位置的空間坐標設(shè)置為P0，如圖3所示。圖3中，機器人在抓取物料的過程中，由P0點運動到P1點，并且上升，使得各關(guān)節(jié)伸張；再由P1點運動到P2點，并改變機器人的機械手姿態(tài)，為抓握物料做好準備；然后由P2點運動到P3點，下降并靠近物料。機器人在抓握工件時，由P3點運動到物料所在位置P4點，抓握物料后，上升運動，回到P3點。機器人在從物料臺搬運物料到立體倉庫時，由P3點運動到P2點，再由P2點運動到P1點，然后由P1點運動到P5點并靠近倉庫。當(dāng)機器人將物料送入立體倉庫時，由P5點運動到立體倉庫的第一個庫位P6點，并在P6點附近找到空的庫位將物料入庫，然后回到P6點。當(dāng)機器人返回待機位置時，由P6點運動到P5點，再由P5點運動到P1點，然后機器人回到待機位置P0。圖3中，符號“☉”和“⊕”分別代表機器人在豎直方向的上升運動和下降運動。

經(jīng)過上述的一個工作流程，機器人將物料從物料臺運送到立體倉庫規(guī)定的庫位，然后機器人回到待機位置，等待再一次的入庫操作。

4.2 物料搬運及入庫程序設(shè)計

三菱RV?3SD型工業(yè)機器人可以使用的工作坐標系主要有關(guān)節(jié)坐標系和直角坐標系。其中關(guān)節(jié)坐標系主要應(yīng)用在工作空間較為開闊的地方，此時機器人在兩點間選擇合理的路徑運動，并且可以改變機械手的運動姿態(tài)；而直角坐標系主要應(yīng)用在工作空間較為狹小、周圍障礙物較多的地方，機器人按照控制器所提供的直角坐標進行直線運動，但不能改變機械手的運動姿態(tài)，所以在程序設(shè)計的過程中，應(yīng)根據(jù)需要對機器人的工作坐標系進行調(diào)整，使其能夠完成所需的操作。

機器人在進行物料入庫工作時，首先檢測物料臺上是否有物料存在，如果沒有物料，則其在待機位置等待；一旦檢測到物料到達，機器人控制器將機器人本體的伺服電源打開，驅(qū)動機器人沿著規(guī)定的路徑運動到物料臺上方；機器人控制器發(fā)出控制信號，使得機械手張開，并驅(qū)動機器人向下運動到合適位置，將物料抓握；然后機器人沿著規(guī)定的路徑運動到立體倉庫前，并檢測所需庫位是否為空，如果已有物料存在，則機器人向下一個庫位移動，并重復(fù)上述檢測過程，直至找到一個空庫位，則直接入庫，并返回待機位置，等待下一次的入庫工作。當(dāng)立體倉庫所有庫位均有物料時，機器人返回待機位置，并將伺服電源關(guān)閉，其工作流程如圖4所示。

根據(jù)機器人物料入庫程序設(shè)計流程便可以使用三菱機器人程序設(shè)計軟件RT ToolBox2[3]編寫及調(diào)試驅(qū)動程序，在程序調(diào)試的過程中，需要將程序中所涉及的機器人運動關(guān)鍵點位用示教單元進行現(xiàn)場示教并保存[2]，此處就不再贅述。

5 結(jié)束語

基于三菱RV?3SD型工業(yè)機器人物料入庫系統(tǒng)經(jīng)過生產(chǎn)現(xiàn)場的實際測試，該系統(tǒng)運行良好。本系統(tǒng)可代替人工進行重復(fù)性的物料入庫工作，不僅提高了生產(chǎn)效率，而且減少了生產(chǎn)中的人力成本。另外，該系統(tǒng)的工作效率還可以通過優(yōu)化機器人的運動軌跡、調(diào)整機器人的運動速度來進一步提高。

參考文獻：

[1] Mitsubishi Electric Corporation. Mitsubishi Industrial Robot RV-3SD/3SDJ Series Standard Specifications Manual[DB/OL]. （2008-07-26）[2013-07-04]. http：//cn.mitsubishielectric.com/fa/zh/download/dwn_idx_manual.asp.

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[3] Mitsubishi Electric Corporation. RT ToolBox2/RT ToolBox2mini Users Manual [DB/OL]. （2008-08）[2013-07-04]. http：//cn.mitsubishielectric.com/fa/zh/download/dwn_idx_manual.asp.

Abstract： Based on Mitsubishi RV-3SD type six axis industrial robots as the carrier material storage system， this system can efficiently complete the automatic transmission and storage operation from the material station to the warehouse. According to the transmitted materials shape and material characteristics， this paper designs a suitable mechanical hand to grab material. After industrial robot grasps material form the material station， the material along the prespecified trajectory can be transferred to be storage station before stereoscopic warehouse， and according to set operation process automatic check and select empty library， the material is stable in storage.

Key words： industrial robot； material； storage； Manipulator

（責(zé)任編輯：徐興華）