桁架機(jī)器人分揀控制和信息系統(tǒng)研究與應(yīng)用

劉玉絨，文才偉，陳劍鋒，張廣會(huì)，賈照麗

（廣東信源物流設(shè)備有限公司，廣東 廣州 510507）

隨著電商行業(yè)在中國(guó)的迅猛發(fā)展，“雙十一、雙十二”、“好物節(jié)”、“618”等購(gòu)物節(jié)的刻意經(jīng)營(yíng)，中國(guó)的快遞輸送行業(yè)以令世界驚奇的速度擴(kuò)張著。

快遞輸送行業(yè)最關(guān)鍵的就是效率。傳統(tǒng)的模式是人工進(jìn)行多個(gè)環(huán)節(jié)的處理，一個(gè)60人左右的班次要處理5到10萬(wàn)票快件，每個(gè)人都忙得不可開(kāi)交。很多快遞公司都暴露出工作強(qiáng)度大、招工難、暴力分揀、錯(cuò)誤分揀等問(wèn)題。因此，人力分揀的局限性就凸顯出來(lái)。在目前自動(dòng)化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化大潮下，如何進(jìn)行快遞輸送行業(yè)的技術(shù)更新就顯得尤為迫切。

1 快遞輸送中心分揀作業(yè)流程簡(jiǎn)述

快遞輸送中心是用來(lái)作中轉(zhuǎn)的場(chǎng)所，在快遞行業(yè)中可以說(shuō)是舉足輕重的關(guān)鍵部門(mén)之一，其主要流程有收貨、到貨、卸貨、分揀、裝車(chē)和出貨。

分揀，是整個(gè)快遞輸送流程的重中之重，是決定快遞能快速到達(dá)收貨人手中的關(guān)鍵因素之一。很多快遞輸送分揀中心目前主要還是使用人力進(jìn)行分揀，再通過(guò)膠帶輸送機(jī)進(jìn)行輸送。分揀是在快遞被卸貨到輸送機(jī)之后，操作員在輸送機(jī)旁，利用手中的條碼識(shí)別裝備（如掃描槍?zhuān)?，按照外包裝上的條形碼標(biāo)簽，對(duì)緩慢通過(guò)的快件進(jìn)行按代碼挑選分配路向，并將包裹拉或者拿到相應(yīng)路向的輸送線上，比如廣東方向的快遞包裹定義為路向1往輸送機(jī)A、上海方向的快遞包裹定義為路向2往輸送機(jī)B……。由于受電商飛速發(fā)展的影響，快遞包裹的時(shí)效性很強(qiáng)，這個(gè)環(huán)節(jié)常常是錯(cuò)發(fā)件的源頭。

物流快遞分揀作業(yè)從階段和工序劃分可分為粗分和細(xì)分等。粗分又有卸貨時(shí)的簡(jiǎn)單識(shí)別，如包裹重量、形狀和大小等的分類(lèi)；也有到達(dá)特定區(qū)域的按省市等大路向的分揀，如按廣東省、湖南省等進(jìn)行分揀。細(xì)分則是粗分后再一次進(jìn)行更細(xì)致的分揀，因后續(xù)為裝車(chē)環(huán)節(jié)，故而這一環(huán)節(jié)需要對(duì)可以運(yùn)輸?shù)侥骋粎^(qū)域中心的包裹進(jìn)行分類(lèi)分揀，如廣東省內(nèi)的各市區(qū)的包裹。因中國(guó)地域遼闊，分揀作業(yè)的工藝就顯得特別復(fù)雜，特別是對(duì)于客戶多、貨物品種多、需求批量小、需求頻率高、送達(dá)時(shí)間要求準(zhǔn)的配送服務(wù)，分揀作業(yè)的速度和質(zhì)量直接影響到整個(gè)快遞分揀中心的信譽(yù)和生存。

2 機(jī)器人自動(dòng)分揀作業(yè)系統(tǒng)

有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，分揀作業(yè)所需人力占物流分揀中心人力資源的50%以上；分揀作業(yè)所需時(shí)間占物流中心作業(yè)時(shí)間的40%；分揀作業(yè)的成本占物流中心總成本的15%至20%。

以廣州市某分揀中心采用人工分揀60萬(wàn)件/天，用1 000人兩班倒作業(yè)，12小時(shí)工作制，人均效率1 200件/小時(shí)。但實(shí)際上，由于時(shí)效性，往往快遞分揀作業(yè)是高峰期作業(yè)量特別突出。因此，也面臨著人力分配和勞動(dòng)強(qiáng)度嚴(yán)重不均衡等突出的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

就一個(gè)二級(jí)城市的中轉(zhuǎn)場(chǎng)而言，像長(zhǎng)沙、東莞等，分揀作業(yè)需要的人工為60～100個(gè)，還不包括雙十一等節(jié)假日在內(nèi)。

智能機(jī)器人技術(shù)近10年在許多行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，如汽車(chē)生產(chǎn)裝配等。如果利用智能機(jī)器人和自動(dòng)條碼識(shí)別技術(shù)，將人工搬運(yùn)/分揀/建包部分實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化或全自動(dòng)化，從而使得運(yùn)作布局合理化，效率最大化。

智能機(jī)器人分揀矩陣是將智能機(jī)器人分揀系統(tǒng)的工作路徑布局為矩陣形式，一般在快遞貨物分揀時(shí)，由于分揀量大，采用單條輸送機(jī)線性分揀效率無(wú)法滿足要求，所以采用多縱多橫的矩陣方式（n*m ），每個(gè)縱向（n ）對(duì)應(yīng)多個(gè)到貨（卸貨/入庫(kù)），每個(gè)橫向（m ）對(duì)應(yīng)多個(gè)出口（線路/裝車(chē)發(fā)運(yùn)），這樣大幅度提升作業(yè)的空間，從而提升分揀效率。

分揀矩陣1（ n=1 ）、2（ m= 2），指卸貨輸送線1條、分揀貨物至裝車(chē)發(fā)運(yùn)線2條。

以某快遞中轉(zhuǎn)場(chǎng)的人工分揀矩陣為例，所包含的人工位為20*2=40個(gè)，業(yè)務(wù)繁忙時(shí)間則需要80個(gè)分揀員同時(shí)作業(yè)。某快遞中轉(zhuǎn)場(chǎng)分揀環(huán)節(jié)平面圖如圖1所示：

圖1 某快遞中轉(zhuǎn)場(chǎng)分揀環(huán)節(jié)

采用機(jī)器人/機(jī)械臂自動(dòng)分揀典型布局如圖2所示：

圖2 機(jī)器人/機(jī)械臂自動(dòng)分揀典型布局示意圖

3 自動(dòng)條碼識(shí)別和光柵自動(dòng)外形與軌跡辨識(shí)系統(tǒng)

采用自動(dòng)條碼識(shí)別技術(shù)，對(duì)經(jīng)過(guò)輸送線的包裹進(jìn)行條碼辨識(shí)、路向獲取及包裹信息的收集。利用光柵工作原理結(jié)合輸送線實(shí)時(shí)位置和速度跟蹤，校核包裹相關(guān)特征，如原始包裹的長(zhǎng)、寬、高等。自動(dòng)條碼掃描識(shí)別和自動(dòng)外形與軌跡辨識(shí)，這是成功實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人自動(dòng)分揀的前提。

快遞包裹經(jīng)過(guò)光柵傳感器后會(huì)遮擋光線，光柵傳感器實(shí)時(shí)發(fā)送信號(hào)到辨識(shí)控制與信息系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)快遞包裹運(yùn)行速度、光線實(shí)時(shí)遮擋情況計(jì)算出快遞的外形尺寸，確定貨物是否在系統(tǒng)可分揀快遞尺寸范圍內(nèi)，對(duì)于不符合尺寸要求的超大、超小件進(jìn)行剔除處理，防止造成堵貨、夾件等情況發(fā)生，確保自動(dòng)分揀系統(tǒng)的可靠性。

4 輸送機(jī)硬件配置及輸送原理分析

典型快件包裹在快遞分揀輸送機(jī)上的簡(jiǎn)圖如圖3所示：

輸送機(jī)由下列設(shè)備或元器件組成：

圖3 典型輸送機(jī)配置示意圖

（1）膠帶輸送機(jī)/皮帶輸送機(jī)：輸送貨物；

（2）變頻器/伺服控制器：控制電機(jī)啟動(dòng)停止；

（3）光電開(kāi)關(guān)：檢測(cè)貨物進(jìn)和出；

（4）光柵：檢測(cè)貨物尺寸；

（5）編碼器：檢測(cè)膠帶輸送機(jī)速度、位移等。

根據(jù)光電開(kāi)關(guān)的工作機(jī)制，在快遞包裹經(jīng)過(guò)光電時(shí)形成的信號(hào)來(lái)判斷貨物的一些特征。光電開(kāi)關(guān)檢驗(yàn)信號(hào)處理原理簡(jiǎn)圖如圖4所示：

圖4 光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)信號(hào)處理原理簡(jiǎn)圖

5 供件區(qū)單件流控制

使用以下方式多重保障貨物在經(jīng)過(guò)自動(dòng)條碼掃描儀前實(shí)現(xiàn)單件流，即包裹與包裹不緊靠、不堆疊、有足夠間隙。

（1）人工卸貨或放置貨物時(shí)，在膠帶機(jī)上進(jìn)行網(wǎng)格化處理，保證在一定距離范圍內(nèi)，僅存在唯一一件貨物，且面單即貨物的條形碼朝上；

（2）放置貨物后，利用輸送機(jī)與輸送機(jī)之間的間隙，前段輸送機(jī)和后段輸送機(jī)的啟動(dòng)和停止來(lái)進(jìn)行貨物與貨物之間的間距控制（gap控制）；

光電信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)，利用光電信號(hào)計(jì)算貨物長(zhǎng)度/貨物與貨物之間的間距（gap）。單件流間距控制原理框圖如圖5所示：

圖5 單件流間距控制原理框圖

其中：V2：第二段輸送機(jī)速度，m/s；V1：第一段輸送機(jī)速度，m/s；T：時(shí)間，s。

6 機(jī)器人準(zhǔn)確跟隨包裹運(yùn)動(dòng)及分揀控制原理

根據(jù)桁架機(jī)器人伺服控制原理，采用速度環(huán)、位置環(huán)和加速度環(huán)的三閉環(huán)控制算法。包裹在輸送線上動(dòng)態(tài)移動(dòng)，桁架在X/Y/Z方向上，對(duì)貨物/包裹進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟隨。桁架機(jī)器人分揀仿真示意圖如圖6所示。

①輸送機(jī)位移（m）：s=v*t,v：膠帶線速度（m/s），t：時(shí)間（s）；

②包裹 （貨物） 長(zhǎng)度 （m）：L=S下降沿-S上升沿；

③包裹 （貨物） 間隔 （m）：△L=S上升沿-S下降沿；

④包裹（貨物） 寬度/高度（m）：光柵反饋值。

（3）利用多段輸送機(jī)，進(jìn)行速度差控制，后段輸送機(jī)比前段輸送機(jī)速度提高，利用以下公式計(jì)算位移差：

其控制原理圖如圖7所示：

對(duì)典型位置環(huán)、速度環(huán)及加速度環(huán)采用PI、PD或PID調(diào)節(jié)器的方式。

在通用控制系統(tǒng)中，控制器最常用是PID控制。PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖8所示：

圖6 桁架機(jī)器人分揀仿真示意圖

PID控制器是一種線形控制器，它根據(jù)給定值rin（t）與實(shí)際輸出值yout（t）構(gòu)成控制偏差：

PID的控制規(guī)律為：

或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式：

圖7 三閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖

式中，kp為比例系數(shù)；T1為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。

簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：

（1）比例環(huán)節(jié)：反映偏差信號(hào)error（t），抑制或放大偏差，減小或加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度，kp越大，則系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度越快。

（2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除偏差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)過(guò)快，則會(huì)產(chǎn)生超調(diào)。

（3）微分環(huán)節(jié)：反映偏差的變化速率，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。

在本系統(tǒng)中，優(yōu)先采用PI控制器。因輸送機(jī)在啟動(dòng)和停車(chē)過(guò)程中，要保證不同形狀和重量的包裹在輸送機(jī)上不產(chǎn)生相對(duì)位移，需要加速度非常的平緩。因此，加速度控制環(huán)采用PID調(diào)節(jié)器。

7 具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用服務(wù)器和客戶端（管理層、現(xiàn)場(chǎng)層）的模式，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的系統(tǒng)軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)展示。

采用Microsoft Visual studio 2010開(kāi)發(fā)環(huán)境的ASP.NET開(kāi)發(fā)平臺(tái)和Microsoft SQL Server 2008關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（1） 總體框架圖（如圖9所示）

圖9 總體框架圖（左）硬件架構(gòu)圖（右）

包裹管理信息系統(tǒng)：對(duì)包裹的狀態(tài)、條碼、路向信息等進(jìn)行管理與對(duì)接。

設(shè)備控制信息系統(tǒng)：對(duì)機(jī)械臂、輸送線、條碼掃描儀等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析處理。

（2）包裹管理信息系統(tǒng)與WCS倉(cāng)庫(kù)管理信息系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換對(duì)接交換如下信息：

①包裹條碼：包裹的唯一標(biāo)識(shí)；

②包裹路向信息：關(guān)鍵信息，進(jìn)行分揀調(diào)度的依據(jù)；

③包裹倉(cāng)庫(kù)位置：可選擇信息；

④包裹發(fā)車(chē)信息：對(duì)包裹的時(shí)效性進(jìn)行記錄和追蹤；

⑤包裹分發(fā)信息：對(duì)包裹狀態(tài)進(jìn)行跟蹤和記錄；

⑥包裹自身信息：長(zhǎng)、寬、高、重量、包裝材質(zhì)，以便進(jìn)行校核或直接利用原始信息進(jìn)行分揀。

（3）設(shè)備控制信息系統(tǒng)

①對(duì)PLC控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、歸納和處理?？爝f分揀行業(yè)主要設(shè)備為輸送機(jī)，包括電氣部分（變頻器、伺服控制器、傳感器、指示燈等）和機(jī)械（電機(jī)、膠帶等）兩部分。

PLC控制系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖10所示：

圖10 設(shè)備控制信息系統(tǒng)示意圖

控制方式：

A.主控制器通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)IO柜采集現(xiàn)場(chǎng)就地操作箱的各狀態(tài)后采取預(yù)設(shè)的控制方案控制各現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)啟停。

B.主控制器通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)IO柜采集遠(yuǎn)程I/O（按鈕、急停等輸入點(diǎn)）的狀態(tài)，并控制接觸器、蜂鳴器、塔燈等輸出點(diǎn)的狀態(tài)。

C.主控制器收集各設(shè)備狀態(tài)并顯示于主控柜觸摸屏，通過(guò)觸摸屏可操作現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，并通過(guò)各狀態(tài)信息應(yīng)對(duì)各種工況，例如：堵塞、急停、故障等。

控制功能：

A.線體啟動(dòng)停止復(fù)位功能：可以通過(guò)主控制柜、觸摸屏、總控進(jìn)行操作。

B.線體啟動(dòng)停止順序：?jiǎn)?dòng)時(shí)從下游依次逆序啟動(dòng)，停止時(shí)從上游依次順序停止。

C.線體休眠喚醒功能：當(dāng)入口光電長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有檢測(cè)到貨物通過(guò)，則將線體停止運(yùn)行，進(jìn)入節(jié)能狀態(tài)；當(dāng)檢測(cè)到貨物到來(lái)，則將線體喚醒運(yùn)行。

D.線體休眠喚醒順序：線體進(jìn)入休眠時(shí)從上游依次順序休眠停止，喚醒時(shí)從上游依次順序重新啟動(dòng)。

E.阻塞檢測(cè)功能：線體在轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)及相關(guān)易卡包位置加裝光電檢測(cè)器件，當(dāng)此處光電長(zhǎng)時(shí)間遮擋的話，系統(tǒng)報(bào)阻塞故障，立即停止上游設(shè)備。

F.阻塞停機(jī)順序及復(fù)位重啟順序：阻塞停機(jī)時(shí)，上游立即停機(jī)；阻塞問(wèn)題處理復(fù)位后，上游依次逆序重新啟動(dòng)。

G.緊急停止功能：在線體設(shè)備位置均裝有急停開(kāi)關(guān)，一旦出現(xiàn)異常涉及到人身和設(shè)備安全的情況下，可以按下附近急停按鈕，此線體立即斷電停機(jī)，相關(guān)線體停止貨物進(jìn)入，系統(tǒng)塔燈發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信息。

②桁架機(jī)械手分揀信息系統(tǒng)：對(duì)機(jī)器人進(jìn)行監(jiān)控和控制，并和其它系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，以進(jìn)行分揀。

桁架機(jī)械手分揀信息系統(tǒng)流程圖如圖11所示：

A.機(jī)械臂的分揀機(jī)構(gòu)采用擋板，對(duì)應(yīng)最大尺寸包裹所適用的規(guī)格；

B.機(jī)械臂在線體上的分揀為動(dòng)態(tài)分揀，先將機(jī)械臂和線體保持同速然后實(shí)施分揀；

C.包裹分揀后機(jī)器人退回原點(diǎn)位置或者跟隨下一個(gè)包裹的分揀路徑，以三軸（X/Y/Z）分揀4路向（A/B/C/D）分析，存在12種跟隨路徑：A-B、B-C、B-D、C-D、A-D、A-C、B-A、C-B、D-B、D-A、D-C、C-A；以單軸（Y） 分揀2路向（A/B）分析，存在2種跟隨路徑，A-B或B-A；

D.針對(duì)不同重量的包裹，機(jī)器人會(huì)調(diào)節(jié)放置速度以提高分揀的可靠性和成功率。

三軸機(jī)械臂安裝示意圖如圖12所示：

圖11 桁架機(jī)械手分揀信息系統(tǒng)流程圖

圖12 三軸機(jī)械臂安裝示意圖

8 實(shí)際分揀效能分析

（1）采用單桁架機(jī)械臂，在某分揀中心成功應(yīng)用，完成了9條通道的自動(dòng)分揀作業(yè)。理論機(jī)械分揀效率達(dá)到：6 000件/小時(shí)，實(shí)際分揀效率5 000件/小時(shí)。適用包裹尺寸范圍：70mm≤最長(zhǎng)邊≤400mm，50mm≤次長(zhǎng)邊≤320mm，最小邊≥1mm，屬于中小件分揀作業(yè)。單桁架機(jī)械臂分揀安裝圖和實(shí)際圖如圖13所示：

圖13 單桁架機(jī)械臂分揀安裝圖（左）和實(shí)際圖（右）

（2） 采用三桁架機(jī)械臂（xyz三方向），在試驗(yàn)場(chǎng)地成功應(yīng)用，完成了4路向自動(dòng)分揀作業(yè)。理論機(jī)械分揀效率達(dá)到：3 600件/小時(shí)，實(shí)際分揀效率2 500件/小時(shí)。適用包裹尺寸范圍：70mm≤最長(zhǎng)邊≤700mm，50mm≤次長(zhǎng)邊≤600mm，最小邊≥10mm，屬于大中件分揀作業(yè)。

三軸機(jī)械臂分揀實(shí)驗(yàn)線如圖14所示：

圖14 三軸機(jī)械臂分揀試驗(yàn)線

9 小結(jié)

通過(guò)多次理論和仿真分析、計(jì)算，并經(jīng)過(guò)多場(chǎng)地實(shí)際驗(yàn)證，桁架機(jī)器人自動(dòng)分揀系統(tǒng)完全可行，相比人工分揀的1 200～1 800件/小時(shí)效率，有顯著的效能改善，且大大節(jié)約了人工，降低了人工作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，采用加速度閉環(huán)控制，能平緩地接近包裹并相對(duì)柔性地進(jìn)行分揀，同時(shí)，其可根據(jù)場(chǎng)地大小配置不同規(guī)模，靈活方便，為分揀提供了一種先進(jìn)的作業(yè)模式，值得推廣使用。

[1] 劉玉絨，楊效良.實(shí)用新型[P].中國(guó)專(zhuān)利：專(zhuān)利號(hào)，ZL 2016 2 0096457.1，2016-11-30.