基于機(jī)器人技術(shù)的電能表拆箱機(jī)的設(shè)計(jì)

羅威，周 航，侯 云

（國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，陜西 西安710054）

基于機(jī)器人技術(shù)的電能表拆箱機(jī)的設(shè)計(jì)

羅威，周 航，侯 云

（國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，陜西 西安710054）

射頻識(shí)別機(jī)器人技術(shù)是一種在現(xiàn)代工業(yè)廣泛使用的技術(shù)，具有高度自動(dòng)化和智能化的特點(diǎn)，能最大限度的節(jié)約人力和物力資源，文中基于機(jī)器人技術(shù)研究了電能表紙箱的拆箱過(guò)程，分析了機(jī)器人技術(shù)在電能表紙箱拆箱中應(yīng)用的可行性，對(duì)系統(tǒng)布局和拆箱的過(guò)程進(jìn)行了規(guī)劃，并對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的夾具框架、吸盤(pán)、剪扎帶等進(jìn)行了設(shè)計(jì)，給出了系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)等軟件部分的設(shè)計(jì)思路，最終對(duì)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，理論和實(shí)際的應(yīng)用表明，基于機(jī)器人技術(shù)的電能表拆箱機(jī)具有完全自動(dòng)化的特點(diǎn)，工作效率也得到了大幅提高。

機(jī)器人技術(shù)；電能表拆箱機(jī)；硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)

21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)器人技術(shù)越來(lái)越重視，機(jī)器人技術(shù)涉及到自動(dòng)化、電子、通信等多個(gè)行業(yè)，要多個(gè)行業(yè)的配合才能完成一系列復(fù)雜的機(jī)器人動(dòng)作。因此，對(duì)機(jī)器人技術(shù)的研究和應(yīng)用將推動(dòng)與之相關(guān)的各個(gè)行業(yè)的發(fā)展。機(jī)器人技術(shù)被認(rèn)為對(duì)未來(lái)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重大意義的高技術(shù)之一，對(duì)此，歐盟在FP7中規(guī)劃了“認(rèn)知系統(tǒng)與機(jī)器人技術(shù)”的研究，美國(guó)啟動(dòng)了“國(guó)家機(jī)器人計(jì)劃”，日本、韓國(guó)也制定了相應(yīng)了的研究計(jì)劃，我國(guó)在863計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃中均將機(jī)器人技術(shù)的研究作為一項(xiàng)重點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外也均把機(jī)器人技術(shù)作為未來(lái)高技術(shù)、高新產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，對(duì)機(jī)器人引領(lǐng)未來(lái)工業(yè)的升級(jí)給予了厚望［1］。對(duì)機(jī)器人技術(shù)的研究不僅停留在理論和機(jī)器人本身功能的實(shí)現(xiàn)上，機(jī)器人技術(shù)作為一項(xiàng)跨多個(gè)學(xué)科的交叉技術(shù)，其在實(shí)際應(yīng)用中的研究也要隨著理論技術(shù)的研究同時(shí)展開(kāi)。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、物流運(yùn)輸?shù)缺姸嘈袠I(yè)獲得了應(yīng)用并取得良好的效果，尤其在工業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)機(jī)器人正逐步取代從事繁重工作的包裝、碼垛、搬運(yùn)等專(zhuān)業(yè)工人。

隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人已可以取代人工進(jìn)行一些智能化的操作，機(jī)器人拆箱系統(tǒng)就是在這種研究背景下提出的。機(jī)器人拆箱機(jī)最開(kāi)始應(yīng)用于煙草行業(yè)，由于煙草行業(yè)煙箱較為笨重，拆箱工作復(fù)雜，會(huì)占用大量的人力和物理，而除拆箱這項(xiàng)工作外煙草行業(yè)其他的生成和運(yùn)輸步驟基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和智能化，在此背景下在煙草行業(yè)基于機(jī)器人的拆箱系統(tǒng)得以發(fā)展研究。而在電力行業(yè)，電能表的拆箱過(guò)程同樣較為復(fù)雜，占用了過(guò)多的資源。因此，將基于機(jī)器人的拆箱機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)用于電能表的拆箱具有廣泛的現(xiàn)實(shí)意義，且對(duì)提高電力行業(yè)的效率、節(jié)約人力物力資源也均具有重要意義［2］。

1 系統(tǒng)布局規(guī)劃設(shè)計(jì)

電能表拆箱機(jī)器人系統(tǒng)是為了提高電力行業(yè)的生產(chǎn)效率而設(shè)計(jì)的，合理的流水線布局更能有助于提高生產(chǎn)效率。結(jié)合現(xiàn)在機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，采用ABB的IRB4400型號(hào)的機(jī)器人來(lái)完成電能表拆箱機(jī)的設(shè)計(jì)，IRB4400是同時(shí)用大小兩個(gè)機(jī)器人共同工作來(lái)完成一項(xiàng)具體內(nèi)容的［3］。圖1是IRB4400的工作范圍和載荷圖。

圖1 IRB4400的工作范圍和載荷圖

具體的拆箱流水線布局規(guī)劃設(shè)計(jì)如下：

1）電能表的紙箱進(jìn)入扎帶集裝箱，小機(jī)器人通過(guò)夾帶上部?jī)?nèi)側(cè)的吸盤(pán)吸出紙箱的上蓋。

2）由系統(tǒng)的視覺(jué)檢測(cè)功能檢測(cè)紙箱上包裝的墊紙是否隨紙箱的上蓋吸出，若為否則進(jìn)入下一步，若是則直接進(jìn)入4）。

3）小機(jī)器人通過(guò)側(cè)面外部的吸盤(pán)吸出上蓋內(nèi)部的墊紙。

4）將工作臺(tái)翻轉(zhuǎn)，使得紙箱的下蓋處于上蓋的位置，然后運(yùn)送到下一個(gè)工作臺(tái)。

5）對(duì)紙箱的下蓋執(zhí)行前4步的過(guò)程，然后將紙箱送到下級(jí)流水線。

在完成流水線的設(shè)計(jì)后，還需進(jìn)行系統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)，對(duì)整個(gè)機(jī)器人參與工作的整個(gè)工作進(jìn)行完整的規(guī)劃。圖2是系統(tǒng)的整體布局圖。

圖2 系統(tǒng)的整體布局圖

系統(tǒng)的整體運(yùn)行過(guò)程為：

1）電能表紙箱的除塵機(jī)構(gòu)，在第一個(gè)工作臺(tái)之前，電能表紙箱在進(jìn)入工作系統(tǒng)前要進(jìn)行除塵的操作。

2）1 號(hào)工作臺(tái)，負(fù)責(zé)電能表紙箱的定位，使電能表紙箱脫離流水線。

3）扎帶收集的過(guò)程，完成對(duì)拆箱后扎帶的收集。

4）拆下的空紙箱輸出流水線。

5）上蓋內(nèi)部的墊紙收集過(guò)程，將拆下的墊紙輸出流水線。

6）電腦表紙箱的翻轉(zhuǎn)過(guò)程。

7）2 號(hào)工作臺(tái)，負(fù)責(zé)電能表紙箱的定位，輸入和輸出流水線。

8）完成拆箱的裸電能表輸出流水線。

2 機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 復(fù)合式夾具框架

復(fù)合式夾具框架是拆箱機(jī)器人和系統(tǒng)的其余結(jié)構(gòu)連接的裝置，主要為吸盤(pán)、剪扎帶裝置和墊紙裝置提供安裝裝置，并能完成整個(gè)夾具所需的動(dòng)作。復(fù)合式框架的設(shè)計(jì)要求主要有：1）足夠的強(qiáng)度；2）自身重量的輕型化。在復(fù)合式框架的中心一般安裝一塊平衡板，用來(lái)完成與機(jī)器人連接的固定［4］。

2.2 吸盤(pán)裝置

吸盤(pán)裝置是用來(lái)抓取紙箱的上下蓋，并將其放入扎帶收集處，對(duì)吸盤(pán)功能性的設(shè)計(jì)要從三個(gè)角度來(lái)考慮，吸盤(pán)的選型和連接、吸盤(pán)的輔助夾緊裝置、吸盤(pán)抓取的速度。

吸盤(pán)的種類(lèi)眾多，由于電能表的紙箱一般為紙質(zhì)結(jié)構(gòu)，易變形，承重性不佳。波紋型吸盤(pán)適應(yīng)曲面和不平整性強(qiáng)，真空吸力也滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求。因此，文中選擇波紋型吸盤(pán)來(lái)減少紙箱變形對(duì)吸盤(pán)的影響，由于電能表紙箱裝滿(mǎn)貨物一般重量不會(huì)超過(guò)30 kg，因此選擇直接為1.5mm的波紋型吸盤(pán)。波紋型吸盤(pán)在抓取電能表紙箱的過(guò)程中會(huì)具有較大的形變量，因此需要一定的高度補(bǔ)償使得紙箱在受力情況下不出現(xiàn)破損，這種情況下，采用每一個(gè)吸盤(pán)獨(dú)立工作并對(duì)每一個(gè)吸盤(pán)配置一個(gè)真空安全閥，可有效避免這一問(wèn)題［5］。圖3是吸盤(pán)抓取紙箱示意圖。

圖3 吸盤(pán)抓取紙箱示意圖

2.3 剪扎帶裝置

剪扎帶裝置是用來(lái)剪斷并夾住包裝紙箱的四根扎帶，并放入扎帶收集處。對(duì)剪扎帶裝置的設(shè)計(jì)要求主要有3點(diǎn)，剪扎帶的動(dòng)作要快，盡量一次完成；對(duì)剪扎帶裝置的設(shè)計(jì)盡量模塊化，系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；在剪扎帶的過(guò)程中，要避免對(duì)電能表紙箱的破壞。由于在剪扎帶工作之前，紙箱扎帶的空間位置并不是固定的，因此要先進(jìn)行扎帶的固定，在剪扎帶裝置之前安放壓扎帶的壓箱機(jī)模塊可完成這一過(guò)程。由于剪扎帶裝置在工作的過(guò)程中需要同時(shí)剪斷并收集四根扎帶，所有刃口的寬度要大于四根扎帶的寬度和。為了保證在剪扎帶的過(guò)程中紙箱完好，采用斜向下刀的方式進(jìn)行剪切。圖4是剪切機(jī)構(gòu)示意圖。

2.4 扎墊紙裝置

扎墊紙裝置是為了將紙箱上下蓋內(nèi)部的墊紙取出并收集而加入的裝置，初始考慮可用吸盤(pán)完成該過(guò)程，但采用吸盤(pán)使得吸取紙箱上下蓋和吸取墊紙的工作重疊，完成一個(gè)紙箱的拆箱工作周期加長(zhǎng)，不便于工業(yè)化生產(chǎn)［6］。圖5是扎墊紙裝置及其安裝位置示意圖。

圖4 剪切機(jī)構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)和軟件部分設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)部分

常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)裝置按照動(dòng)力源的不同分為液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)3大類(lèi)。相比于其他兩類(lèi)，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低維護(hù)方便等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)剛好滿(mǎn)足ABB機(jī)器人對(duì)驅(qū)動(dòng)的要求，因此本系統(tǒng)采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)完成動(dòng)力的設(shè)計(jì)。吸盤(pán)裝置的氣動(dòng)元件主要有1.5波紋型吸盤(pán)、吸盤(pán)附件、真空發(fā)生器、真空發(fā)生器附件、氣缸和電磁閥。剪扎帶和扎墊紙的氣動(dòng)裝置主要為氣缸和電磁閥。由于真空發(fā)生器相比于吸盤(pán)價(jià)格昂貴，因此吸盤(pán)裝置的氣動(dòng)部分采用16個(gè)吸盤(pán)配一個(gè)真空發(fā)生器來(lái)完成操作，在降低成本的同時(shí)具有較高的性能［7］。圖6是驅(qū)動(dòng)裝置的電路連接示意圖。

圖5 扎墊紙裝置及其安裝位置示意圖

圖6 驅(qū)動(dòng)裝置的電路連接示意圖

3.2 軟件部分

軟件系統(tǒng)采用 Motionperfect2.0平臺(tái)，編程語(yǔ)言采用Tribo BASIC，Motionperfect2.0是基于PC機(jī)的一個(gè)應(yīng)用軟件，基于Motionperfect2.0平臺(tái)的編程可多重控制程序、參數(shù)、數(shù)據(jù)的磁盤(pán)介質(zhì)的副本等。圖7是Motionperfect2.0編譯器。

圖7 Motionperfect2.0編譯器

4 視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)功能

視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的功能主要有3點(diǎn)：1）識(shí)別電能表紙箱上的扎帶并給出每個(gè)扎帶的位置；2）判斷紙箱內(nèi)是否有墊紙，若有墊紙給出墊紙的位置信息；3）與機(jī)器人控制系統(tǒng)通訊，傳輸相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)［8］。

4.2 視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件主要是為了完成圖像采集，使系統(tǒng)的光學(xué)成像系統(tǒng)能獲得流水線上較為清晰的包裝箱圖像，在硬件上采用的設(shè)備要滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)圖像采集速度和圖像質(zhì)量的要求。圖8是圖像采集系統(tǒng)工作流程圖。

為了圖像采集滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求，采用光圈系數(shù)為 1.4，大小為 2/3的鏡頭和 Picolo圖像采集卡、PCI格式視頻采集卡。

圖8 圖像采集系統(tǒng)工作流程圖

4.3 視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的軟件部分主要包括5個(gè)模塊：視頻采集系統(tǒng)標(biāo)定模塊、采集模塊、扎帶定位模塊、墊紙檢測(cè)模塊和通訊網(wǎng)絡(luò)模塊。其中視頻檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定模塊完成對(duì)采集系統(tǒng)坐標(biāo)的給出；采集模塊主要對(duì)采集工作的參數(shù)設(shè)置、內(nèi)存的分配和釋放等進(jìn)行配置；扎帶定位和墊紙檢測(cè)模塊用來(lái)識(shí)別扎帶和墊紙，并將位置信息傳遞給機(jī)器人系統(tǒng)；通訊網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的配置，來(lái)自其他模塊數(shù)據(jù)信息傳遞給機(jī)器人主控制系統(tǒng)也是通訊網(wǎng)絡(luò)模塊完成的。圖9是時(shí)間檢測(cè)系統(tǒng)的程序流程圖。

圖9 時(shí)間檢測(cè)系統(tǒng)的程序流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

文中討論了機(jī)器人技術(shù)在電能表拆箱機(jī)上應(yīng)用的可能性，對(duì)系統(tǒng)機(jī)械操作流水布局和整體布局進(jìn)行了分析，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)夾具框架、吸盤(pán)、剪扎帶和扎墊紙等機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并給出了驅(qū)動(dòng)部分和軟件部分在設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵步驟，最終對(duì)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)。理論與實(shí)踐應(yīng)用表明，基于機(jī)器人技術(shù)的電能表拆箱機(jī)具有高效和自動(dòng)的特點(diǎn)，識(shí)別準(zhǔn)確，拆箱速度快，且滿(mǎn)足最初的設(shè)計(jì)要求。

［1］Shou JX，Pi，DY；Wang，WH.Sufficient conditions for the convergence of open-closed-loop PID-type iterative learning controlfornonlineartime-varyingsystems［C］//2003 IEEE International Conference On Systems，Man and Cybernetics，Conference Proceedings:2557-2562.

［2］Arimoto S，Kawamura S，Miyazaki F.Bettering Operation of Robotics by Learning［J］.Robotic System，1984.

［3］Uchiyama M，F(xiàn)ormation of high speed motion pattern of mechanical arm by trial［J］.Society of Instrumentation and Control Engineers（in Japanese）.

［4］韋慶，常文森，張彭.基于迭代學(xué)習(xí)的機(jī)械手操作空間力/位置混合控制算法［J］.自動(dòng)化學(xué)報(bào)，1997，23（4）:468-470.

［5］（美）SaeedB.Niku.機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論-分析、系統(tǒng)及應(yīng)用［M］.2版.孫富春，朱紀(jì)洪，劉國(guó)棟，等，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2013.

［6］張建民，唐水源，馮淑華.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:高等教育出版社，2010.

［7］趙松年，張奇鵬.機(jī)電意義機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［8］張暢，唐立軍，吳定祥，等.六軸機(jī)械臂在冰箱能耗檢測(cè)線中的軌跡分析［J］.電子科技，2014，27（4）:41-43，47.

The design of electric energymeter unpackingmachine based on robotics

LUOWei，ZHOU Hang，HOU Yun
（State Grid Electric Power Research Institute of Shaanxi Provincial Power Company，Xi'an 710054，China）

Radio frequency identification technology of robot isa kind ofwidely used inmodern industrial technology，has the characteristics ofhigh automation and high intelligence，to themaximum to savemanpower andmaterial resources，based on the robotunpacking processofelectricmeterbox，analyzed the robot technology in electric energymeterapplication feasibility in the carton unpacking，the processofsystem layoutand unpacking the planning，on the fixture frame，sucker，shearband of mechanical system design，gives the design ideas of the system drive software，hardware and software at the end of the visual detection system are analyzed and designed，shows the theoretical and practical application，robot technology the electric energy meter has the characteristics of fully automated equipment unpacking based on，work efficiency has been greatly

improved.

Robotics；electric energymeter unpackingmachine；hardware design；software design

TM933.4

A

1674－6236（2016）20-0143-04

2015-10-14 稿件編號(hào)：201510082

羅 威（1976—），男，四川簡(jiǎn)陽(yáng)人，高級(jí)工程師。研究方向：電能計(jì)量及互感器現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)。