基于工業(yè)機(jī)器人的存儲(chǔ)工作站設(shè)計(jì)

林國(guó)浩，郭永燦，梁耀友，陳學(xué)維，蔡瑞浩

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣東 廣州510800）

0 引言

隨著電商的興起，物流的物品流通量巨大，其中起著承上啟下作用的倉(cāng)儲(chǔ)就顯得格外重要，但是目前傳統(tǒng)的倉(cāng)儲(chǔ)方式并不能跟上物流飛速發(fā)展的腳步，亟需新倉(cāng)儲(chǔ)方式和系統(tǒng)的研究。2015年成立的Geek+科技公司研究出了“貨到人”方式的存儲(chǔ)工作站，揀選人員只需根據(jù)顯示屏和電子標(biāo)簽的提示，從指定貨位揀取相應(yīng)數(shù)量的商品放入訂單箱即可，減少了之前“人到貨”所用的時(shí)間。在2016年，京東研究出了機(jī)器人與視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)合的存儲(chǔ)工作站，使分揀物品速度達(dá)到一秒一個(gè)。但是，目前市面上大多數(shù)存儲(chǔ)工作站都不適合中小型倉(cāng)庫(kù)，因?yàn)槠涑杀靖?，結(jié)構(gòu)復(fù)雜[1]。為此，本文擬在能完成智能存取的前提下，研究輕便型存儲(chǔ)工作站，推動(dòng)基于工業(yè)機(jī)器人的存儲(chǔ)工作站在中小型企業(yè)中的普及應(yīng)用。

1 存儲(chǔ)工作站的結(jié)構(gòu)組成

存儲(chǔ)工作站主要由控制中心、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、人機(jī)交互、檢測(cè)器件及其它機(jī)械器件構(gòu)成。

控制中心：三菱Fx2N-4AD 32MR/MT型PLC，用于信息處理與命令發(fā)送。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)：ABB IRB1410機(jī)器人，用于物品搬運(yùn)。

人機(jī)交互：三菱GOT1000觸摸屏，用于系統(tǒng)與使用者之間的信息交流。

檢測(cè)器件：JHBS型箔式荷重傳感器，EJ-30N2型常閉擴(kuò)散傳感器，用于限定物品規(guī)格。

其它機(jī)械器件為儲(chǔ)物箱、電磁鐵與儲(chǔ)物架。由于存取物品多種多樣，在存取過(guò)程中，需先將物品先放置于儲(chǔ)物箱內(nèi)，再由機(jī)器人抓取儲(chǔ)物箱存放至儲(chǔ)物架。為在機(jī)器人編程中運(yùn)用偏移指令，儲(chǔ)物箱需為已知尺寸的統(tǒng)一規(guī)格，本項(xiàng)目調(diào)試用箱規(guī)格為長(zhǎng)350 mm、寬 250 mm、高 200 mm.

電磁鐵由一個(gè)電磁發(fā)生器與多個(gè)底座構(gòu)成。電磁發(fā)生器安裝于機(jī)器人末端執(zhí)行器，底座分別安裝于各個(gè)儲(chǔ)物箱，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)箱子的抓取。本項(xiàng)目選用GOB-80/35/22型號(hào)電磁鐵，可提供80 kg吸力。

儲(chǔ)物架為儲(chǔ)物箱的最終存放處，為在機(jī)器人編程中運(yùn)用偏移指令[2]，儲(chǔ)物架尺寸需已知且行列分布均勻。本項(xiàng)目選用儲(chǔ)物架尺寸為長(zhǎng)1 000 mm、寬500 mm、高1 700 mm，取3行3列進(jìn)行調(diào)試。具體應(yīng)用中根據(jù)箱子與儲(chǔ)物架尺寸，行列數(shù)可在程序中進(jìn)行增減。

另外，為應(yīng)對(duì)實(shí)際布局中儲(chǔ)物架與機(jī)器人相對(duì)位置存在偏差的問(wèn)題。本項(xiàng)目在儲(chǔ)物架指定位置建立工件坐標(biāo)[3，4]，當(dāng)儲(chǔ)物架與機(jī)器人相對(duì)位置改變時(shí)，通過(guò)重新定義工件坐標(biāo)，機(jī)器人程序便可在新的儲(chǔ)物架位置上準(zhǔn)確運(yùn)行。如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)物架坐標(biāo)校準(zhǔn)

在存儲(chǔ)工作站中，各部件之間可互相進(jìn)行信息的通訊與控制，系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，空間結(jié)構(gòu)如圖3.

圖2 原理結(jié)構(gòu)圖

圖3 空間結(jié)構(gòu)示意圖

2 存儲(chǔ)工作站機(jī)構(gòu)的硬件分析

硬件連接思路為：系統(tǒng)開(kāi)始時(shí)，機(jī)器人處于原點(diǎn)待命，傳感器通電開(kāi)始監(jiān)測(cè)，使用者把物品放置于儲(chǔ)物箱后，在觸摸屏開(kāi)始界面選擇存或取件，存取件判定條件以gi1信號(hào)的形式告知機(jī)器人[5，6]，存件時(shí)，通過(guò)傳感器檢測(cè)物品是否符合規(guī)格，若符合則選擇存放位置并設(shè)定密碼，位置以gi1信號(hào)形式告知機(jī)器人，機(jī)器人運(yùn)作，若不符合則返回存件界面，取件時(shí)選擇位置并驗(yàn)證密碼，若密碼不正確，返回取件界面，若正確，則位置以gi1信號(hào)形式告知機(jī)器人，機(jī)器人運(yùn)作。運(yùn)作完成后機(jī)器人返回原點(diǎn)待命。工作流程如圖4所示。

圖4 工作流程圖

物品放置到工作托盤上時(shí)，兩個(gè)常開(kāi)紅外傳感器與PLC的X1、X2連接，當(dāng)兩個(gè)都不接通時(shí)，則高度符合要求。電磁鐵的開(kāi)閉由機(jī)器人間接控制，機(jī)器人輸出信號(hào)到PLC的X04端口時(shí)，與PLC的Y03端口連接的電磁鐵則會(huì)開(kāi)啟，工作位置點(diǎn)由PLC的Y01、Y02、Y04、Y05共同決定，輸出4路信號(hào)到機(jī)器人內(nèi)部的X輸入端，組成一個(gè)4位二進(jìn)制的信號(hào)，機(jī)器人內(nèi)部程序把二進(jìn)制信號(hào)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制信號(hào)gi1，如圖5所示為PLC輸入輸出端電氣圖。

圖5 PLC輸入輸出端電氣圖

3 存儲(chǔ)工作站的軟件分析

本設(shè)計(jì)中的軟件應(yīng)用主要是集中在人機(jī)交互的功能上，編寫觸摸屏的界面必須遵循以下原則：各界面之間必須有邏輯性，便于引導(dǎo)使用者操作；各界面必須清晰快速地讓使用者獲取到有用信息；時(shí)效性，讓使用者能在第一時(shí)間了解到系統(tǒng)物品與系統(tǒng)的現(xiàn)狀[6]。

存儲(chǔ)工作站的觸摸屏顯示頁(yè)面如圖6所示，各項(xiàng)功能為：

（1）選取使用系統(tǒng)的存或取件功能。

（2）檢測(cè)存放物品是否符合規(guī)格，若不符合，則出現(xiàn)警告界面。

（3）在符合條件情況下，觸摸屏顯示位置選擇界面。

（4）為提高安全性，存件時(shí)需要客戶設(shè)定取件密碼，當(dāng)取件時(shí)只有輸入正確的密碼才能進(jìn)行取件操作。

圖6 觸摸屏顯示界面

4 調(diào)試與改進(jìn)

（1）雙線圈問(wèn)題：系統(tǒng)使用二進(jìn)制信號(hào)發(fā)送方式，同一個(gè)線圈在不同語(yǔ)句中被多次觸發(fā)。

解決方法：把觸發(fā)同一個(gè)線圈定的語(yǔ)句以并聯(lián)的形式合成一條語(yǔ)句。

（2）繼電器問(wèn)題：信號(hào)通訊中起保護(hù)作用的繼電器反應(yīng)慢，例0111和0011的一號(hào)位和二號(hào)位重復(fù)，若繼電器的反應(yīng)速度較慢，0111信號(hào)會(huì)被機(jī)器人讀取為0011信號(hào)。

解決方法：延長(zhǎng)機(jī)器人讀取信號(hào)的時(shí)間，讓繼電器有更長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行反應(yīng)，即在機(jī)器人判斷信號(hào)程序前加上延時(shí)語(yǔ)句。

（3）箱子問(wèn)題：塑料箱子容易產(chǎn)生變形而下垂，容易與柜子發(fā)生碰撞。

解決方法：在位移指令[7]，添加增量，如

MoveJ Offs（p610，reg13，reg14*2-reg15，0），speed9，z50，tool1WObj：=wobj2；Reg15

為箱子下垂距離，Y方向位移距離減去箱子下垂的距離，防止箱子因下垂與柜子發(fā)生碰撞。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了使用者通過(guò)觸摸屏來(lái)控制工業(yè)機(jī)器人存放物品的目的。系統(tǒng)智能化特點(diǎn)如下：

（1）系統(tǒng)可根據(jù)物品的重量規(guī)劃搬運(yùn)方案，結(jié)合儲(chǔ)物架承重，儲(chǔ)物架三層分放不同重量物品。

（2）利用程序在儲(chǔ)物架處建立參考坐標(biāo)系，使儲(chǔ)物架與工作站協(xié)同工作。

（3）以第一工位為基準(zhǔn)，使用偏移指令得出后續(xù)工位，方便修改。

參考文獻(xiàn)：

[1]畢 勝.國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀[J].機(jī)械工程師，2010（07）：5-8.

[2]葉 暉，管小清.工業(yè)機(jī)器人實(shí)操與運(yùn)用技巧[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3]郭洪紅.工業(yè)機(jī)器人運(yùn)用技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[4]葉伯生.工業(yè)機(jī)器人操作與編程[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2016.

[5]張培艷.工業(yè)機(jī)器人操作與應(yīng)用實(shí)踐教程[M].上海：上海交通大學(xué)出版，2009.

[6]胡 偉.工業(yè)機(jī)器人行業(yè)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)教程[M].北京：機(jī)械工程出版社，2015.