基于機器人技術(shù)的電能表拆箱機的設(shè)計

羅威，周 航，侯 云

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

基于機器人技術(shù)的電能表拆箱機的設(shè)計

羅威，周 航，侯 云

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

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

機器人技術(shù)；電能表拆箱機；硬件設(shè)計；軟件設(shè)計

21世紀(jì)以來，國內(nèi)外對機器人技術(shù)越來越重視，機器人技術(shù)涉及到自動化、電子、通信等多個行業(yè)，要多個行業(yè)的配合才能完成一系列復(fù)雜的機器人動作。因此，對機器人技術(shù)的研究和應(yīng)用將推動與之相關(guān)的各個行業(yè)的發(fā)展。機器人技術(shù)被認(rèn)為對未來新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重大意義的高技術(shù)之一，對此，歐盟在FP7中規(guī)劃了“認(rèn)知系統(tǒng)與機器人技術(shù)”的研究，美國啟動了“國家機器人計劃”，日本、韓國也制定了相應(yīng)了的研究計劃，我國在863計劃、國家自然科學(xué)基金和國家重大科技專項計劃中均將機器人技術(shù)的研究作為一項重點。國內(nèi)外也均把機器人技術(shù)作為未來高技術(shù)、高新產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，對機器人引領(lǐng)未來工業(yè)的升級給予了厚望［1］。對機器人技術(shù)的研究不僅停留在理論和機器人本身功能的實現(xiàn)上，機器人技術(shù)作為一項跨多個學(xué)科的交叉技術(shù)，其在實際應(yīng)用中的研究也要隨著理論技術(shù)的研究同時展開。隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，機器人已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、物流運輸?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)機器人正逐步取代從事繁重工作的包裝、碼垛、搬運等專業(yè)工人。

隨著工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展，機器人已可以取代人工進行一些智能化的操作，機器人拆箱系統(tǒng)就是在這種研究背景下提出的。機器人拆箱機最開始應(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，會占用大量的人力和物理，而除拆箱這項工作外煙草行業(yè)其他的生成和運輸步驟基本實現(xiàn)了自動化和智能化，在此背景下在煙草行業(yè)基于機器人的拆箱系統(tǒng)得以發(fā)展研究。而在電力行業(yè)，電能表的拆箱過程同樣較為復(fù)雜，占用了過多的資源。因此，將基于機器人的拆箱機的設(shè)計應(yīng)用于電能表的拆箱具有廣泛的現(xiàn)實意義，且對提高電力行業(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

電能表拆箱機器人系統(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)在機器人行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，采用ABB的IRB4400型號的機器人來完成電能表拆箱機的設(shè)計，IRB4400是同時用大小兩個機器人共同工作來完成一項具體內(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)計如下：

1）電能表的紙箱進入扎帶集裝箱，小機器人通過夾帶上部內(nèi)側(cè)的吸盤吸出紙箱的上蓋。

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

3）小機器人通過側(cè)面外部的吸盤吸出上蓋內(nèi)部的墊紙。

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

5）對紙箱的下蓋執(zhí)行前4步的過程，然后將紙箱送到下級流水線。

在完成流水線的設(shè)計后，還需進行系統(tǒng)的布局設(shè)計，對整個機器人參與工作的整個工作進行完整的規(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)的整體運行過程為：

1）電能表紙箱的除塵機構(gòu)，在第一個工作臺之前，電能表紙箱在進入工作系統(tǒng)前要進行除塵的操作。

2）1 號工作臺，負責(zé)電能表紙箱的定位，使電能表紙箱脫離流水線。

3）扎帶收集的過程，完成對拆箱后扎帶的收集。

4）拆下的空紙箱輸出流水線。

5）上蓋內(nèi)部的墊紙收集過程，將拆下的墊紙輸出流水線。

6）電腦表紙箱的翻轉(zhuǎn)過程。

7）2 號工作臺，負責(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 機械系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 復(fù)合式夾具框架

復(fù)合式夾具框架是拆箱機器人和系統(tǒng)的其余結(jié)構(gòu)連接的裝置，主要為吸盤、剪扎帶裝置和墊紙裝置提供安裝裝置，并能完成整個夾具所需的動作。復(fù)合式框架的設(shè)計要求主要有：1）足夠的強度；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，用來完成與機器人連接的固定［4］。

2.2 吸盤裝置

吸盤裝置是用來抓取紙箱的上下蓋，并將其放入扎帶收集處，對吸盤功能性的設(shè)計要從三個角度來考慮，吸盤的選型和連接、吸盤的輔助夾緊裝置、吸盤抓取的速度。

吸盤的種類眾多，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。波紋型吸盤適應(yīng)曲面和不平整性強，真空吸力也滿足系統(tǒng)的要求。因此，文中選擇波紋型吸盤來減少紙箱變形對吸盤的影響，由于電能表紙箱裝滿貨物一般重量不會超過30 kg，因此選擇直接為1.5mm的波紋型吸盤。波紋型吸盤在抓取電能表紙箱的過程中會具有較大的形變量，因此需要一定的高度補償使得紙箱在受力情況下不出現(xiàn)破損，這種情況下，采用每一個吸盤獨立工作并對每一個吸盤配置一個真空安全閥，可有效避免這一問題［5］。圖3是吸盤抓取紙箱示意圖。

圖3 吸盤抓取紙箱示意圖

2.3 剪扎帶裝置

剪扎帶裝置是用來剪斷并夾住包裝紙箱的四根扎帶，并放入扎帶收集處。對剪扎帶裝置的設(shè)計要求主要有3點，剪扎帶的動作要快，盡量一次完成；對剪扎帶裝置的設(shè)計盡量模塊化，系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)簡單；在剪扎帶的過程中，要避免對電能表紙箱的破壞。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，因此要先進行扎帶的固定，在剪扎帶裝置之前安放壓扎帶的壓箱機模塊可完成這一過程。由于剪扎帶裝置在工作的過程中需要同時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程中紙箱完好，采用斜向下刀的方式進行剪切。圖4是剪切機構(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，初始考慮可用吸盤完成該過程，但采用吸盤使得吸取紙箱上下蓋和吸取墊紙的工作重疊，完成一個紙箱的拆箱工作周期加長，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 剪切機構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)驅(qū)動和軟件部分設(shè)計

3.1 驅(qū)動部分

常見的驅(qū)動裝置按照動力源的不同分為液壓、氣動和電動3大類。相比于其他兩類，氣動驅(qū)動具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、價格低維護方便等特點，這些特點剛好滿足ABB機器人對驅(qū)動的要求，因此本系統(tǒng)采用氣動驅(qū)動的方式來完成動力的設(shè)計。吸盤裝置的氣動元件主要有1.5波紋型吸盤、吸盤附件、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裝置主要為氣缸和電磁閥。由于真空發(fā)生器相比于吸盤價格昂貴，因此吸盤裝置的氣動部分采用16個吸盤配一個真空發(fā)生器來完成操作，在降低成本的同時具有較高的性能［7］。圖6是驅(qū)動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，編程語言采用Tribo BASIC，Motionperfect2.0是基于PC機的一個應(yīng)用軟件，基于Motionperfect2.0平臺的編程可多重控制程序、參數(shù)、數(shù)據(jù)的磁盤介質(zhì)的副本等。圖7是Motionperfect2.0編譯器。

圖7 Motionperfect2.0編譯器

4 視覺檢測系統(tǒng)設(shè)計

4.1 系統(tǒng)功能

視覺檢測系統(tǒng)的功能主要有3點：1）識別電能表紙箱上的扎帶并給出每個扎帶的位置；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 視覺檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

視覺檢測系統(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)備要滿足系統(tǒng)對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 視覺檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

圖9 時間檢測系統(tǒng)的程序流程圖

5 結(jié)束語

文中討論了機器人技術(shù)在電能表拆箱機上應(yīng)用的可能性，對系統(tǒng)機械操作流水布局和整體布局進行了分析，對系統(tǒng)內(nèi)夾具框架、吸盤、剪扎帶和扎墊紙等機械結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，并給出了驅(qū)動部分和軟件部分在設(shè)計過程中的關(guān)鍵步驟，最終對視覺檢測系統(tǒng)的硬件和軟件實現(xiàn)進行了分析設(shè)計。理論與實踐應(yīng)用表明，基于機器人技術(shù)的電能表拆箱機具有高效和自動的特點，識別準(zhǔn)確，拆箱速度快，且滿足最初的設(shè)計要求。

［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)的機械手操作空間力/位置混合控制算法［J］.自動化學(xué)報，1997，23（4）:468-470.

［5］（美）SaeedB.Niku.機器人學(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.機電一體化系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京:高等教育出版社，2010.

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

［8］張暢，唐立軍，吳定祥，等.六軸機械臂在冰箱能耗檢測線中的軌跡分析［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：201510082

羅 威（1976—），男，四川簡陽人，高級工程師。研究方向：電能計量及互感器現(xiàn)場檢測技術(shù)。