工業(yè)碼垛機(jī)器人存在問題與解決對策

李勛

摘? 要：該文首先介紹了工業(yè)碼垛機(jī)器人應(yīng)用的適用領(lǐng)域、應(yīng)用的意義及特點，闡述了工業(yè)碼垛機(jī)器人系統(tǒng)的組成部分，詳細(xì)分析了工業(yè)機(jī)器人碼垛應(yīng)用中所存在的多樣化產(chǎn)品碼垛，機(jī)器人抓取定位，結(jié)構(gòu)設(shè)計，負(fù)載能力和碼垛效率的問題。針對問題點詳細(xì)分析了關(guān)鍵的解決技術(shù)，即多功能機(jī)器人抓手的設(shè)計、視覺檢測引導(dǎo)技術(shù)、垛型設(shè)計及機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃。最后提出了云端控制化及多傳感器信息融合的未來發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;碼垛;運(yùn)動規(guī)劃;視覺識別;視覺引導(dǎo)

中圖分類號：TP242.2? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 概述

工業(yè)機(jī)器人作為工業(yè)自動化的典型裝備，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)活動中各行各業(yè)的發(fā)展。工業(yè)碼垛機(jī)器人更是以低廉的成本、高效的作業(yè)優(yōu)勢，將人從繁重、單一的堆垛勞作中解放出來，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期。碼垛機(jī)器人可以代替人工進(jìn)行貨物分類、搬運(yùn)和裝卸，特別是代替人類搬運(yùn)危險物品，象放射物質(zhì)、有毒物質(zhì)等，降低工人的勞動強(qiáng)度，保證工人的人身安全。實現(xiàn)自動化、智能化、無人化。工業(yè)機(jī)器人碼垛系統(tǒng)適用于化工、建材、飼料、食品、飲料、啤酒、自動化物流等行業(yè)，主要對生產(chǎn)制造過程中流水線上的產(chǎn)品進(jìn)行拾取、分揀。特別是在倉儲物流業(yè)中，碼垛機(jī)器人的工作效率直接決定貨物的吞吐量。所以，采用機(jī)器人碼垛實現(xiàn)自動化生產(chǎn)是推動企業(yè)發(fā)展的有效手段。

1 工業(yè)機(jī)器人碼垛系統(tǒng)組成

工業(yè)機(jī)器人碼垛系統(tǒng)在實際應(yīng)用中并不是由機(jī)器人獨立工作的，而是配合自動化設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)工作。工業(yè)機(jī)器人碼垛系統(tǒng)一般由4個子系統(tǒng)共同組成，電氣控制子系統(tǒng)控制整個碼垛系統(tǒng)的工作流程和節(jié)拍。物料傳輸子系統(tǒng)將物料傳輸?shù)綑C(jī)器人工作區(qū)域，由機(jī)器人將物品拾取碼放到自動托盤系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)器人碼完一垛貨物，自動托盤輸送系統(tǒng)自動傳輸?shù)街付ㄎ恢茫刹孳嚮蚱渌D(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備進(jìn)行輸送。每個子系統(tǒng)包括模塊如圖1所示。

碼垛機(jī)器人系統(tǒng)：機(jī)器人本體，機(jī)器人控制器，機(jī)器人抓手，安全護(hù)欄及底座等。

自動托盤輸送系統(tǒng)：托盤庫，輕/重載輸送機(jī)，重載滾筒線，升/降移栽機(jī)等。

物料輸送系統(tǒng)：皮帶輸送線，氣動推倒裝置，直線滑道，螺旋滑道，轉(zhuǎn)彎輥道線。上壓平裝置，下震動輸送線，物料整形裝置，掉頭裝置等。

電氣及電動系統(tǒng)：PLC，氣路設(shè)備，變壓器，檢測傳感器，動力電機(jī)等。

2 工業(yè)機(jī)器人碼垛應(yīng)用的特點

（1）高精度定位，快速搬運(yùn)夾取，縮短作業(yè)節(jié)拍，生產(chǎn)效率。

（2）機(jī)器人作業(yè)穩(wěn)定可靠，減少工作失誤，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

（3）無疲勞連續(xù)作業(yè)，全天候工作，擴(kuò)大工廠產(chǎn)能。

（4）結(jié)構(gòu)簡單、零部件少。因此零部件的故障率低、性能可靠、保養(yǎng)維修簡單。

（5）占地面積少。有利于客戶廠房中生產(chǎn)線的布置，并可留出較大的庫房面積。

（6）能耗低。通常機(jī)械式的碼垛機(jī)的功率在26 kW左右，而碼垛機(jī)器人的功率為5 kW左右，大大降低了的運(yùn)行成本。

3 工業(yè)機(jī)器人碼垛應(yīng)用存在的問題

3.1 碼垛抓手問題

碼垛機(jī)器人能夠在不同的作業(yè)任務(wù)情況下工作，主要取決于機(jī)器人法蘭盤抓手的設(shè)計。機(jī)器人抓手的品質(zhì)和性能直接影響工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的工作質(zhì)量和效率。傳統(tǒng)搬運(yùn)機(jī)器人抓手由純機(jī)械部件組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、整體笨重、動作速度慢、不具備自動檢測、控制位置能力、控制精度低、受工作環(huán)境溫度和工件重量影響會產(chǎn)生運(yùn)動不到位等眾多問題，影響搬運(yùn)機(jī)器人的正常工作效率，在生產(chǎn)中存在安全隱患，針對不同的物品設(shè)計特定的抓手工業(yè)機(jī)器人才可以作業(yè)。但是，面對工業(yè)生產(chǎn)制造中，在同一工位上，可能會出現(xiàn)不止一種的產(chǎn)品規(guī)格，這種情況下機(jī)器人只能特定地抓取，無法滿足品種多樣化地抓取。由此一來，機(jī)器人抓手的選擇和設(shè)計顯得格外重要。針對這種情況，急需設(shè)計出一種自適應(yīng)，多功能的機(jī)器人抓手。

3.2 自動識別抓取問題

在工業(yè)機(jī)器人碼垛和分揀作業(yè)過程中，由于產(chǎn)品種類的多樣化，需要根據(jù)物品的類別進(jìn)行分類拾取碼垛，將同一條流水線上的物品，搬運(yùn)到不同的托盤上。其次，物品在傳輸過程中待抓取位置可能不固定，這就需要機(jī)器人能夠自主識別物品抓取點的位置。因此，選擇化的識別抓取對碼垛機(jī)器人的應(yīng)用十分重要。

3.3 運(yùn)動路徑規(guī)劃

工業(yè)機(jī)器人在碼垛應(yīng)用中，單位時間內(nèi)碼垛次數(shù)，是衡量工業(yè)機(jī)器人性能的很重要的一個指標(biāo)，特別對于高吐量的產(chǎn)線來說，工業(yè)機(jī)器人的碼垛速率，決定了整個產(chǎn)線的產(chǎn)能。影響機(jī)器人碼垛效率的因素有很多，象伺服電機(jī)的性能，負(fù)載強(qiáng)度，機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)等，特別是機(jī)器人將物品碼放成不同的垛型，碼垛擺放的順序也是影響碼垛效率的關(guān)鍵因素。當(dāng)碼垛順序固定后機(jī)器人運(yùn)動路徑的優(yōu)化對提高效率有很大幫助，如果是搬運(yùn)到同一終點，機(jī)器人路徑選取不同，機(jī)器人運(yùn)動解算結(jié)果差異很大，最終速度差也很大。所以，機(jī)器人運(yùn)動路徑和碼放垛型順序的設(shè)計對機(jī)器人工作效率的提升起到關(guān)鍵作用。

4 關(guān)鍵解決技術(shù)

4.1 自適應(yīng)抓手

該文為了實際工作需要設(shè)計了一種具有自動檢測、控制位置能力的工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人自動抓手，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的控制精度低、工作效率低及存在安全隱患等問題。機(jī)器人夾爪自動控制器的中央處理器內(nèi)預(yù)置工作程序，可與工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的主控制器建立通信，當(dāng)搬運(yùn)機(jī)器人到達(dá)拾取工件位置時，依據(jù)搬運(yùn)機(jī)器人主控制器的指令開始抓取，抓手夾取過程受負(fù)反饋作用，當(dāng)檢測抓手壓力變化時，自動調(diào)節(jié)電機(jī)扭矩已達(dá)到抓取力度和行程的控制。如此一來，對于不同規(guī)格的物品，一種夾爪就可以滿足抓取任務(wù)，減少了頻繁更換夾具的流程，提高了碼垛工作的效率。

4.2 機(jī)器視覺系統(tǒng)

機(jī)器人視覺系統(tǒng)包括CCD數(shù)字相機(jī)、鏡頭、光源、機(jī)器人本體控制系統(tǒng)。CCD數(shù)字相機(jī)通過交換機(jī)與工業(yè)計算機(jī)連接，電氣控制柜接入交換機(jī)，相機(jī)單元對物品的圖片拍攝，數(shù)據(jù)采集，并通過交換機(jī)傳輸至工業(yè)計算機(jī)，工業(yè)計算機(jī)對采集到的備份件物品圖片進(jìn)行圖像處理和精準(zhǔn)定位后，通過交換機(jī)向機(jī)器人控制系統(tǒng)發(fā)送控制信號。這種技術(shù)解決了傳統(tǒng)碼垛在產(chǎn)品種類多，位置多變的情況下的碼垛問題，在分揀碼垛作業(yè)中提高了工作效率，讓碼垛機(jī)器人更加智能化，人性化。

4.3 垛型設(shè)計和運(yùn)動路徑優(yōu)化

要想提高機(jī)器人工作效率，必須對垛型設(shè)計和運(yùn)動路徑合理設(shè)計。對運(yùn)動優(yōu)化進(jìn)行深入研究，提出了路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃綜合優(yōu)化的方法，來同時優(yōu)化這2個相互耦合的過程。在路徑規(guī)劃后，采用B樣條插值的方法對離散路徑進(jìn)行擬合得到光滑路徑，為了得到路徑的光滑程度有一個量化的表示，采用模糊控制器來控制路徑的修正幅度，進(jìn)而求得機(jī)器人沿該路徑運(yùn)行的最小時間。再結(jié)合實際分析了時間最優(yōu)軌跡規(guī)劃的特點，采用參數(shù)化表示的方法降低動力學(xué)模型的維數(shù)和動態(tài)規(guī)劃法求取最優(yōu)時間來控制機(jī)器人碼垛運(yùn)動。對于機(jī)器人碼垛的擺放順序，根據(jù)擺放的方向，層數(shù)，每層個數(shù)的需要，以由遠(yuǎn)到近，相鄰擺放的原則設(shè)計擺放順序可以縮短路徑的總和，已達(dá)到提高碼放效率的目的。

5 未來發(fā)展方向

5.1 云端控制化

制造業(yè)的無人化或許將為中國制造業(yè)的升級提供一條路徑。目前工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用多是處在獨立的工作站中，每個機(jī)器人是獨立的。未來針對比較復(fù)雜的生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)信息需要共享，需要遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)器人，所以云端控制化是機(jī)器人的一個重要發(fā)展方向。云端控制需要解決關(guān)鍵問題是需要網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)化不同的通信協(xié)議，遠(yuǎn)程服務(wù)器儲存大量機(jī)器人工作案例，針對當(dāng)前機(jī)器人工作的內(nèi)容，從云端匹配工作案例，對機(jī)器人運(yùn)動進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。雖然近年來，出現(xiàn)不少遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的案例，但是要想控制機(jī)器人使其滿足復(fù)雜的環(huán)境和工作內(nèi)容，還需要對機(jī)器人的運(yùn)動數(shù)據(jù)和通信數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

5.2 多傳感器信息融合化

目前工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用多是在工作站或流水線，還沒有與人的接觸和配合，未來針對比較復(fù)雜的生產(chǎn)工藝，人和機(jī)器人的協(xié)作將會是一個非常重要的發(fā)展方向隨著工業(yè)機(jī)器人的工作內(nèi)容的復(fù)雜性提高，機(jī)器人需要變得更加智能，來感知周圍環(huán)境信息，才能夠規(guī)劃下一決策和行為。這就需要借助傳感器系統(tǒng)的多個傳感器信息融合，以檢測多變的外部環(huán)境，做出判斷和決策，其實質(zhì)類似于人的五官和身體的綜合感覺功能，包括視覺、觸覺、力覺、滑覺、接近覺、壓覺、聽覺、味覺、嗅覺、溫覺等。研究包括各類傳感信息的采集及融合處理、傳感器與驅(qū)動器一體化技術(shù)、感覺功能繼承模塊等。目前，很多大型工廠都有大量的工業(yè)機(jī)器人，它們與人力一起，為社會工業(yè)化生產(chǎn)創(chuàng)造了不計其數(shù)的價值。目前的工業(yè)機(jī)器人仍舊在不停地發(fā)生著技術(shù)上的改進(jìn)，特別是隨著MEMS加速度傳感器、陀螺儀、壓力傳感器等智能化元器件的更新與改進(jìn)，工業(yè)機(jī)器人也會借助傳感器技術(shù)使它們變得更智能、使用更安全，從而激發(fā)提供更大的價值和更多潛能。

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