AGV+工業(yè)機(jī)器人在精密搬運(yùn)中的應(yīng)用

任云星，馬世杰

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

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AGV+工業(yè)機(jī)器人在精密搬運(yùn)中的應(yīng)用

任云星，馬世杰

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

摘要：AGV以其適應(yīng)性好、柔性程度高、可靠性好、可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和搬運(yùn)功能的集成化和自動化等優(yōu)點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用于柔性制造系統(tǒng)中。目前國內(nèi)研制的AGV定位精度只能達(dá)到±10 mm，難以滿足精密搬運(yùn)場合中物料的定位需求。針對此，本文在AGV小車上加裝工業(yè)機(jī)器人以及機(jī)器視覺系統(tǒng)，在AGV定位完成后，再利用視覺系統(tǒng)讀取AGV的定位偏差，最后通過工業(yè)機(jī)器人的補(bǔ)償運(yùn)動來提高整套搬運(yùn)系統(tǒng)的定位精度。經(jīng)過實(shí)際測試， AGV自動搬運(yùn)系統(tǒng)的定位精度可以達(dá)到±0.5 mm，開拓AGV在精密搬運(yùn)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：AGV；工業(yè)機(jī)器人；視覺系統(tǒng)；精密搬運(yùn)

智能制造技術(shù)、工廠物流自動化是目前國內(nèi)外極受重視的新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。柔性加工、柔性裝配、倉儲物流智能化是其中的重要組成部分,自動導(dǎo)引小車AGV(Automated Guided Vehicle)則是其中不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備和系統(tǒng)技術(shù)[1]。在全球范圍內(nèi)，近幾年AGV技術(shù)有了很大的發(fā)展，進(jìn)一步促進(jìn)了先進(jìn)的柔性生產(chǎn)線以及自動化物流系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。國外發(fā)達(dá)國家中美國、日本、德國、瑞典研發(fā)AGV多年，其AGV種類齊全，技術(shù)水平處于領(lǐng)先地位。國內(nèi)AGV研究起步較晚，近年來AGV技術(shù)陸續(xù)取得一些突破，已開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的AGV機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)，獲得多項(xiàng)專利，并在實(shí)際應(yīng)用中取得良好的效果。

AGV系統(tǒng)具備以下主要特點(diǎn)[2]：便于和各種工業(yè)機(jī)器設(shè)備、數(shù)控加工中心配合作業(yè)；實(shí)現(xiàn)對物流的一體化控制；使生產(chǎn)線的設(shè)備具有很大的靈活性，便于重新布置和調(diào)整；可方便地跨越故障工位或離線待命，保證生產(chǎn)線的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；相對于固定的物料輸送線，在占地最小的情況下，具有最大的交叉能力；靈活、及時(shí)的物料運(yùn)輸提高了設(shè)備的利用率。

通過工業(yè)機(jī)器人與AGV的結(jié)合，組成AGV自動搬運(yùn)系統(tǒng)。一方面可以利用工業(yè)機(jī)器人來補(bǔ)償AGV定位精度低的問題，另一方面可以利用工業(yè)機(jī)器人來進(jìn)行物料的取放，不需要在每個(gè)AGV的工作位置安置機(jī)械手來進(jìn)行物料的轉(zhuǎn)移，提高整套搬運(yùn)系統(tǒng)的柔性，并降低AGV的使用成本。

1AGV自動搬運(yùn)系統(tǒng)的組成

AGV自動搬運(yùn)系統(tǒng)由AGV小車、工業(yè)機(jī)器人、視覺系統(tǒng)、物料抓取夾具組成。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　AGV搬運(yùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1AGV小車的結(jié)構(gòu)

本次試驗(yàn)采用的AGV以蓄電池為動力，裝備電磁自動導(dǎo)航裝置，能夠自主定位，可以接收任務(wù)并自動執(zhí)行任務(wù)。AGV主要結(jié)構(gòu)包括以下幾個(gè)部分：

1) 車身：試驗(yàn)AGV車身采用Q235鋼結(jié)構(gòu)件，車身重量為240 kg，這使得AGV有充足的抓地力和堅(jiān)固的車體。AGV的車體外殼設(shè)計(jì)圓潤,避免使人受傷，電控箱和蓄電池等關(guān)鍵部件都用橡膠隔墊進(jìn)行隔離減震。

2) 導(dǎo)航定位系統(tǒng)：導(dǎo)航定位系統(tǒng)相當(dāng)于AGV的眼睛，用于AGV運(yùn)動過程中的定位[3]。目前成熟的導(dǎo)航方式為電磁導(dǎo)航和激光導(dǎo)航。電磁導(dǎo)引的導(dǎo)引原理簡單而可靠，便于控制和通訊，對聲光都無干擾，制造成本較低，適用大多數(shù)環(huán)境。試驗(yàn)AGV采用電磁導(dǎo)引。

3) 運(yùn)動系統(tǒng)：AGV的運(yùn)動系統(tǒng)包括車輪、減速器、電機(jī)、伺服控制器、調(diào)速器組成,是一個(gè)伺服控制系統(tǒng)[4]。試驗(yàn)AGV采用雙輪差速驅(qū)動式,可以實(shí)現(xiàn)AGV的前進(jìn)、后退、原地轉(zhuǎn)向。

4) 防碰撞機(jī)構(gòu)：AGV作為自動化機(jī)器人的一種，安全措施至關(guān)重要，必須保證AGV在運(yùn)行過程中的自身安全，以及現(xiàn)場生產(chǎn)的安全和人員及各類設(shè)備的安全。試驗(yàn)AGV上安裝有非接觸式紅外探測傳感器和接觸式碰撞傳感器，一旦AGV遇到障礙物，AGV自動進(jìn)行聲光報(bào)警并立刻停止運(yùn)動等待處理。

5) 電源系統(tǒng)：試驗(yàn)AGV采用200AH/48 V鉛酸蓄電池給AGV供電，并通過24 V～AC220 V逆變器為工業(yè)機(jī)器人以及視覺系統(tǒng)提供電源。

6) 控制與通訊系統(tǒng)：AGV控制系統(tǒng)一般包括車載控制器和中央控制器兩部分，兩部分之間通過通訊系統(tǒng)通訊，通訊系統(tǒng)采用無線通信方式。中央控制器負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度，路徑規(guī)劃和交通控制，車載控制器負(fù)責(zé)完成AGV的任務(wù)執(zhí)行，運(yùn)動、導(dǎo)航、傳感器、安全等各方面的控制。

圖2　AGV小車的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2AGV小車的路徑規(guī)劃

AGV搬運(yùn)系統(tǒng)的目的在于提高AGV定位精度，要求AGV運(yùn)行路徑設(shè)計(jì)中包含AGV 的前進(jìn)、后退、原地轉(zhuǎn)彎動作，測試AGV在完成這些動作后的定位精度。

試驗(yàn)中AGV的路徑如圖3所示。AGV運(yùn)行路徑為環(huán)形，設(shè)置兩個(gè)直角轉(zhuǎn)彎，兩個(gè)不同半徑的圓弧轉(zhuǎn)彎，其余部分為直線段。

圖3　AGV運(yùn)行路徑

1.3工業(yè)機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人采用YASKAWA六軸多關(guān)節(jié)搬運(yùn)機(jī)器人，負(fù)載為20 kg，工作半徑為1 717 mm，本體質(zhì)量為268 kg，控制柜為F100型機(jī)器人重復(fù)定位精度達(dá)到±0.08 mm。機(jī)器人通過開放TCP/IP端口，開發(fā)相應(yīng)的通訊協(xié)議，使得機(jī)器人可以直接讀取視覺系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)，并作相應(yīng)動作。

1.4視覺系統(tǒng)

視覺系統(tǒng)安裝在物料夾具上，采用200萬像素的OMRON工業(yè)相機(jī)FZ系列，并搭載SV-2514H鏡頭，視覺系統(tǒng)的精度為±0.2 mm，角度誤差為±0.3°。

1.5物料夾具

物料由水平運(yùn)動的夾爪進(jìn)行夾取，夾爪設(shè)置卡位槽，保證夾取精度。夾爪的動作由電動執(zhí)行器驅(qū)動，保證兩側(cè)夾爪同時(shí)動作，并且夾取位置可調(diào)。

圖4　物料夾具示意圖

2AGV搬運(yùn)系統(tǒng)的建立與測試

2.1AGV搬運(yùn)系統(tǒng)的建立流程

1) 建立AGV的運(yùn)動站點(diǎn)數(shù)據(jù)，使得AGV可以接受中央控制器的動作指令，完成AGV在規(guī)劃路徑中3個(gè)工位的?？?，并且可以在任意兩個(gè)工位之間運(yùn)動。

2) 對各工位進(jìn)行機(jī)器人的物料取放動作進(jìn)行示教，并建立機(jī)器人與AGV的通訊，使得機(jī)器人可以在每個(gè)站點(diǎn)做相應(yīng)的物料取放動作。

3) 在每個(gè)站點(diǎn)物料的取放位置設(shè)置標(biāo)記點(diǎn)，利用視覺系統(tǒng)對標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行讀取，并根據(jù)定位要求對視覺系統(tǒng)進(jìn)行編程和數(shù)據(jù)處理。

4) 建立視覺系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人的數(shù)據(jù)通訊。

5) 通過對機(jī)器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定，建立機(jī)器人、相機(jī)、夾具的相對位置關(guān)系，并將數(shù)據(jù)輸入視覺系統(tǒng)。

6) AGV搬運(yùn)系統(tǒng)構(gòu)建完成。

2.2AGV搬運(yùn)系統(tǒng)的工作流程

1) 中央控制器發(fā)送指令給AGV， AGV運(yùn)動到指定工位。

2) 工業(yè)機(jī)器人根據(jù)工位信號做出相應(yīng)的搬運(yùn)姿態(tài)，移動到位后給視覺系統(tǒng)發(fā)出拍照信號。

3) 視覺系統(tǒng)對目標(biāo)工位上的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行采樣，并計(jì)算AGV的定位偏差，最后將偏差數(shù)據(jù)發(fā)送給工業(yè)機(jī)器人。

4) 工業(yè)機(jī)器人根據(jù)偏差重新建立工作坐標(biāo)系，在新坐標(biāo)系下完成補(bǔ)償動作，以及取料、放料動作。

2.3AGV搬運(yùn)系統(tǒng)的精度測試

為方便測試AGV系統(tǒng)搬運(yùn)精度，在所有工作位臺面上鋪設(shè)一張白紙，調(diào)整臺面至水平。在工業(yè)機(jī)器人末端安裝一個(gè)100×100×50的鋁制方塊，測試過程如下：

1) 對每一個(gè)工作位，AGV首次移動到位以后，機(jī)器人移動到搬運(yùn)位，將鋁塊放置在白紙上，人工在白紙上對鋁塊直角邊進(jìn)行劃線。

2) 中央控制器命令A(yù)GV走到其他工作位，機(jī)器人做出相應(yīng)動作，視覺系統(tǒng)拍照，機(jī)器人進(jìn)行位移補(bǔ)償，然后將鋁塊放置在臺面上，人工進(jìn)行直角邊劃線。

3) 重復(fù)以上動作20次，測量所有線條之間的最大距離，以及最大角度。

4) 試驗(yàn)證明，AGV定位系統(tǒng)在水平方向直線偏差最大值0.5 mm，即定位精度為±0.5 mm，試驗(yàn)中角度偏差小于0.01度，認(rèn)為角度沒有偏差。

3設(shè)備應(yīng)用前景

智能制造是新一輪工業(yè)革命的核心，要實(shí)現(xiàn)“中國制造2025”制定的目標(biāo)，智能制造是中國制造業(yè)的下一個(gè)主攻方向。柔性制造作為智能制造的基石更是重中之重。本文所設(shè)計(jì)的AGV搬運(yùn)系統(tǒng)顯著特點(diǎn)是無人駕駛，可以保障系統(tǒng)在不需要人工導(dǎo)航的情況下自動行駛，柔性好，自動化和智能化水平高。AGV搬運(yùn)系統(tǒng)可以根據(jù)倉儲貨位要求、生產(chǎn)工藝流程等改變而靈活配置，并且運(yùn)行路徑改變的費(fèi)用與傳統(tǒng)的輸送帶或剛性的傳送線相比非常低廉[5]。AGV搬運(yùn)系統(tǒng)還可以與其他物流設(shè)備自動接口，實(shí)現(xiàn)貨物或物料裝卸與搬運(yùn)全過程自動化。此外，還具有清潔生產(chǎn)的特點(diǎn)，AGV依靠自帶的蓄電池提供動力，運(yùn)行過程噪聲極低、無污染，可以應(yīng)用在許多要求工作環(huán)境清潔的場所。

4結(jié)束語

AGV自動搬運(yùn)系統(tǒng)由于定位精度提高，可以適用大多數(shù)精密搬運(yùn)場合，顯著提高搬運(yùn)過程的柔性化、智能化，為中國制造下一步發(fā)展提供助力。

參考文獻(xiàn)

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Application of AGV & Industry Robot in Precision Handling

Ren Yunxing, Ma Shijie

(The2ndResearchInstituteofCETC,TaiyuanShanxi030024,China)

Abstract:AGV has the advantages of good adaptability, high flexibility, good reliability, and can realize the integration and automation of production and transportation functions, so it is widely used in the flexible manufacturing system. At present, the AGV positioning accuracy in domestic development can only reach about ±10 mm; it is difficult to meet the requirements of the location of the material in the precision handling. In response to this situation, this paper, by installing the industrial robot and machine vision system in AGV, after AGV positioning, the position deviation of the AGV is read by the visual system. In the end, the positioning accuracy of the whole system is improved by the compensation movement of the industrial robot. Through the actual test, the positioning accuracy of the whole AGV system can reach to ±0.5 mm, so that AGV can be used in precision handling.

Key words:AGV; industry robot; vision system; precision handling

收稿日期：2016-04-06

作者簡介：任云星(1987- )，男，山西呂梁人，碩士研究生，研究方向：太陽能及半導(dǎo)體電子自動化設(shè)備的研發(fā)。

文章編號：1674- 4578(2016)03- 0051- 02

中圖分類號：TP242.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A