工業(yè)機(jī)器人碼垛功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

崔久好

（山東萊茵科斯特智能科技有限公司,山東 淄博 255000）

1 引言

《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略提出之后，國(guó)內(nèi)諸多現(xiàn)代化生產(chǎn)企業(yè)開(kāi)始引入先進(jìn)技術(shù)、先進(jìn)工藝，更新升級(jí)先進(jìn)制造以及高端裝備，工業(yè)自動(dòng)化水平逐步趨向于智能化、網(wǎng)絡(luò)化以及集成化。在此過(guò)程之中，工業(yè)機(jī)器人發(fā)揮著不可替代的重要作用，企業(yè)在工業(yè)機(jī)器人方面的需求也日益提高。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程之中，碼垛主要是指把一些形狀、大小基本相似的產(chǎn)品按照特定路徑放置于特定位置，有效提升空間利用率，便于貨物運(yùn)輸以及存儲(chǔ)，提高貨物的安全性[1]。對(duì)于一些外形尺寸較大的產(chǎn)品，可以通過(guò)托盤(pán)操作機(jī)或者機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)碼垛功能，對(duì)于此種傳統(tǒng)碼垛方式，已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)快節(jié)奏的生產(chǎn)方式。為了進(jìn)一步提高碼垛效率，降低工人的工作強(qiáng)度，碼垛機(jī)器人順勢(shì)而生，但是由于各方面因素的影響，國(guó)內(nèi)碼垛機(jī)器人仍未大范圍推廣應(yīng)用，所以開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一套合理完善、高效智能的碼垛機(jī)器人具有重要價(jià)值，同時(shí)也是一項(xiàng)刻不容緩的任務(wù)[2]。

2 工業(yè)機(jī)器人碼垛功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的意義

隨著我國(guó)工農(nóng)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)需求日益增長(zhǎng)，所以提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本成為國(guó)內(nèi)各大企業(yè)發(fā)展過(guò)程中必須要解決的一個(gè)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)諸多企業(yè)在生產(chǎn)加工的過(guò)程中，均存在碼垛需求、運(yùn)輸需求等?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)諸多企業(yè)均采取人工的方式進(jìn)行碼垛、裝車(chē)，人工操作模式雖然具備適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，但是工作效率非常低，并且存在一定的危險(xiǎn)性，當(dāng)處于惡劣的環(huán)境之下時(shí)，還會(huì)對(duì)人身體造成巨大損傷。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模逐步擴(kuò)大[3]，運(yùn)輸中的碼垛過(guò)程也逐步趨向于自動(dòng)化，極大地提升了物流速度，可以切實(shí)滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，提高了工業(yè)生產(chǎn)的安全穩(wěn)定性，并且不會(huì)受到環(huán)境方面的影響，有效降低了生產(chǎn)成本。從二十世紀(jì)七十年代以來(lái)，碼垛機(jī)器人的各方面性能均在逐漸趨向于完善化，運(yùn)行速度飛速提升，機(jī)械手爪對(duì)貨物的適應(yīng)性也日益增強(qiáng)，定位更加清晰、精準(zhǔn)。碼垛機(jī)器人的綜合性能越來(lái)越完善，應(yīng)用效率也顯著提升，應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，也得到了越來(lái)越多人的關(guān)注。本文圍繞工業(yè)機(jī)器人碼垛功能設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)展開(kāi)了深入、全面的剖析，旨在進(jìn)一步提高碼垛效率以及碼垛工作的安全性。

3 工業(yè)機(jī)器人碼垛功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 工業(yè)機(jī)器人碼垛系統(tǒng)的構(gòu)成

通常情況下，機(jī)器人碼垛系統(tǒng)主要是由機(jī)器人和傳輸裝置兩大部分構(gòu)成，其內(nèi)部包含多個(gè)機(jī)構(gòu)，如安全防護(hù)裝置、傳輸裝置等。其中碼垛機(jī)器人夾具是碼垛作業(yè)過(guò)程中的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要作用是在碼垛過(guò)程之中對(duì)工件進(jìn)行夾取、固定等。高性能夾具對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的碼垛工作來(lái)講，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，比較常用的碼垛機(jī)器人末端夾具包括多種，例如組合式、吸附式、夾板式等。在具體應(yīng)用的過(guò)程之中，必須要結(jié)合產(chǎn)品的各種類(lèi)型，選取不同的夾具[4]。例如吸附式夾具一般應(yīng)用在質(zhì)量小，并且表面相對(duì)比較平整的工件之上；抓取式夾具一般應(yīng)用在袋裝物的碼放上。應(yīng)用夾具之后，可以有效擴(kuò)寬碼垛的應(yīng)用范圍。在機(jī)器人電氣柜之中，包含了碼垛機(jī)器人的大腦，即運(yùn)動(dòng)控制器，其不但需要對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，同時(shí)還要對(duì)碼垛過(guò)程中工件位置、手抓開(kāi)閉信號(hào)等各個(gè)方面進(jìn)行全面檢測(cè)。碼垛機(jī)器人控制器通常與普通機(jī)器人控制器類(lèi)似，所以在具體應(yīng)用的過(guò)程之中，一般會(huì)根據(jù)要求對(duì)碼垛控制器進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

3.2 工業(yè)機(jī)器人碼垛功能需求分析

通過(guò)對(duì)國(guó)外工業(yè)機(jī)器人碼垛功能設(shè)計(jì)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，碼垛作業(yè)由傳統(tǒng)的人工方式逐步向智能化、高效化轉(zhuǎn)變已經(jīng)成為工業(yè)發(fā)展過(guò)程中的必然趨勢(shì)。首先，工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模日益擴(kuò)大，自動(dòng)化設(shè)備的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，人工碼垛方式已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代化發(fā)展需求，行業(yè)發(fā)展需求均推動(dòng)碼垛自動(dòng)化，從而滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)加工的實(shí)際要求。其次，現(xiàn)代社會(huì)工業(yè)品種類(lèi)別日益多樣化，一些大型或者對(duì)人體生命安全產(chǎn)生一定危害的工業(yè)產(chǎn)品已經(jīng)不適宜運(yùn)用人工碼垛方式，而引入自動(dòng)化碼垛則可以更好地解決這些相對(duì)比較危險(xiǎn)、復(fù)雜的工況，提高生產(chǎn)加工的安全可靠性[5]。再次，應(yīng)用自動(dòng)化碼垛還可以有效提升工作效率，降低產(chǎn)品存儲(chǔ)、搬運(yùn)過(guò)程中所產(chǎn)生的損耗，有效降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。在生產(chǎn)加工過(guò)程之中，碼垛條件存在較大差異，其中最為核心的一點(diǎn)便是產(chǎn)品、生產(chǎn)人員、生產(chǎn)環(huán)境存在差異。生產(chǎn)產(chǎn)品可能是針管，也可能是汽車(chē)零配件；對(duì)于生產(chǎn)環(huán)境來(lái)講，其同樣會(huì)隨著生產(chǎn)產(chǎn)品的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的變化，例如一些對(duì)生產(chǎn)環(huán)境要求相對(duì)較高的產(chǎn)品等。基于國(guó)內(nèi)外諸多廠家的碼垛機(jī)器人應(yīng)用，可以歸納出工業(yè)機(jī)器人碼垛功能需求，主要可以歸結(jié)為以下三點(diǎn)：

其一，目前應(yīng)用相對(duì)比較廣泛的機(jī)器人碼垛功能一般為四軸、六軸碼垛機(jī)器人，這兩種機(jī)器人的綜合性能最佳，是實(shí)現(xiàn)碼垛功能的主流；其二，碼垛功能的性能與機(jī)器人自身性能存在直接關(guān)聯(lián)，例如碼垛過(guò)程中的半徑、負(fù)載、定位精度等一系列參數(shù)，均會(huì)對(duì)碼垛質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響；其三，為了提高碼垛效率，工件必須要有兩個(gè)相對(duì)的平面平行，才可以更好地進(jìn)行碼垛，提高碼垛效率以及安全性[6]。

3.3 工業(yè)機(jī)器人碼垛功能實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)

從碼垛功能方面進(jìn)行分析，若想在同一時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)堆垛、卸垛這兩個(gè)不同的功能，并且把大部分應(yīng)用者的需求進(jìn)行有效統(tǒng)一，提高軟件的利用率，那么必須要設(shè)計(jì)合理化的功能實(shí)現(xiàn)方案。通過(guò)對(duì)具體實(shí)現(xiàn)流程進(jìn)行深入、全面分析發(fā)現(xiàn)，工業(yè)機(jī)器人碼垛功能的實(shí)現(xiàn)主要包括以下五個(gè)方面：

（1）碼垛條件與配置。碼垛條件、配置均為人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要構(gòu)成部分，碼垛功能設(shè)計(jì)之初主要是為了提供給使用者進(jìn)行應(yīng)用，所以在生產(chǎn)過(guò)程中的不同場(chǎng)合，對(duì)碼垛的需求也存在較大差異，所以在對(duì)碼垛功能進(jìn)行設(shè)計(jì)分析的過(guò)程之中，必須要充分考慮使用者的操作空間，可以對(duì)不同碼垛條件進(jìn)行合理化配置。在對(duì)軟件進(jìn)行分析設(shè)計(jì)的過(guò)程之中，必須要對(duì)用戶的碼垛需求以及碼垛條件等進(jìn)行調(diào)研分析，然后以此為重要基礎(chǔ)，把碼垛條件與控制軟件進(jìn)行融合，利用人際交互界面的形式把接口留給用戶，然后對(duì)其進(jìn)行合理化設(shè)置。按照碼垛定義，在人機(jī)交互界面，一般會(huì)開(kāi)展兩方面工作，第一是采集位置數(shù)據(jù)，第二是設(shè)置碼垛參數(shù)。

（2）碼垛指令設(shè)計(jì)。碼垛指令的合理性以及科學(xué)性與碼垛功能是否可以順利完成存在直接關(guān)聯(lián)。工業(yè)機(jī)器人在進(jìn)行碼垛的過(guò)程之中，主要是通過(guò)人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)對(duì)程序的調(diào)用，進(jìn)而順利實(shí)現(xiàn)機(jī)器人碼垛自動(dòng)化的最終目的。設(shè)計(jì)編寫(xiě)碼垛程序時(shí)，要盡可能地使程序簡(jiǎn)單且能準(zhǔn)確快速實(shí)現(xiàn)工藝生產(chǎn)要求，這就要用到跳轉(zhuǎn)指令、條件指令、判斷指令、偏移指令、多維數(shù)組的應(yīng)用等，這樣能提高代碼的應(yīng)用率，使機(jī)器人程序處于最優(yōu)狀態(tài)，盡可能地減少重復(fù)工作，提高生產(chǎn)效率。值得強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，要想快速準(zhǔn)確地進(jìn)行碼垛程序的編寫(xiě)，偏移指令、數(shù)組的創(chuàng)建是必須要熟練掌握的[7]。

（3）工件序號(hào)定義。工件序號(hào)主要是指在碼垛過(guò)程之中工件的具體順序，一般情況下可以利用工件的層數(shù)、行數(shù)、列數(shù)等對(duì)工件序號(hào)進(jìn)行描述，同時(shí)還可以把此工件在此層碼垛的順序作為工件序號(hào)，比如第6行第9個(gè)工件。與此同時(shí)，引入工件序號(hào)之后，可以直接“告訴”機(jī)器人從何處開(kāi)始、從何處結(jié)束。一般情況下，根據(jù)人們的思維習(xí)慣，把工件層數(shù)由下至上分別定義為1、2、3……在對(duì)工件序號(hào)進(jìn)行定義的過(guò)程之中，把第一個(gè)工件的編號(hào)為1、第二個(gè)工件編號(hào)為2，以此類(lèi)推，機(jī)器人將會(huì)按照此順序進(jìn)行碼垛。

（4）工件位置的分析運(yùn)算。在碼垛控制過(guò)程之中，碼垛點(diǎn)位置的運(yùn)算分析是至關(guān)重要的一項(xiàng)內(nèi)容，對(duì)工件序號(hào)進(jìn)行定義的目的是明確工件在碼垛過(guò)程中的位置，但是工業(yè)機(jī)器人在具體操作過(guò)程之中會(huì)進(jìn)行抓取動(dòng)作，所以必須要求出工件相對(duì)于機(jī)器人的坐標(biāo)，必須要通過(guò)合理化的方式準(zhǔn)確求出點(diǎn)位，才可以確保整個(gè)自動(dòng)碼垛過(guò)程順利完成。碼垛點(diǎn)位運(yùn)算共包括三大部分：一是工件尺寸，二是代表性點(diǎn)位，三是垛型設(shè)定。具體運(yùn)算方式為：首先，結(jié)合實(shí)際情況，確定參考工件，找出參考工件在機(jī)器人坐標(biāo)之中的具體位置以及姿態(tài)；其次，根據(jù)工件序號(hào)以及垛型選取合理化、科學(xué)化的預(yù)算方式，求出工件相對(duì)于參考工件的具體位置；再次，依據(jù)參考工件位置、碼垛工件相對(duì)于參考工件的位置，求出工作坐標(biāo)[8]。

（5）安全防護(hù)檢查。為了避免碼垛過(guò)程中工件、工件之間的干涉對(duì)機(jī)器人自身或者周邊物體產(chǎn)生影響，必須要對(duì)碼垛過(guò)程中的安全性進(jìn)行全面檢測(cè)，一般情況下，主要是通過(guò)兩種方式進(jìn)行。一是工件靜態(tài)干涉檢測(cè)法。當(dāng)應(yīng)用該種算法時(shí)，在進(jìn)行碼垛之前，檢測(cè)碼垛剁型參數(shù)、工件參數(shù)的設(shè)定是否合理科學(xué)，判定碼垛過(guò)程之中是否會(huì)產(chǎn)生干涉，其核心思想便是把工件假定為一個(gè)長(zhǎng)方體，結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)碼垛參數(shù)進(jìn)行合理化設(shè)定，然后分析工件參考位置、工作尺寸等，并依據(jù)這些參數(shù)計(jì)算出工件位置，最后再對(duì)工件進(jìn)行投影處理，使其投影到二維平面，觀察二維平面中的投影是否存在重疊之處，如果投影存在重疊，那么表明工件將會(huì)發(fā)生干涉，反之，工件不會(huì)發(fā)生干涉[9]。二是機(jī)器人碰撞檢測(cè)法。此種算法在具體應(yīng)用過(guò)程之中，主要是對(duì)機(jī)器人運(yùn)行時(shí)是否會(huì)與固定物體產(chǎn)生碰撞進(jìn)行檢測(cè)，此種算法無(wú)需外部傳感器，僅需對(duì)機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中的理論位移、實(shí)際位移進(jìn)行對(duì)比分析，然后判定碼垛過(guò)程之中是否會(huì)產(chǎn)生干涉，當(dāng)機(jī)器人與物體產(chǎn)生碰撞之后，機(jī)器會(huì)自動(dòng)檢測(cè)出錯(cuò)誤，并且立即停止工作，以免產(chǎn)生意外事故，如此一來(lái)，操作人員將不會(huì)由于程序錯(cuò)誤等而發(fā)生意外事故，同時(shí)也便于后期的維修、保養(yǎng)等，有效提高了碼垛工業(yè)機(jī)器人在工作過(guò)程中的安全穩(wěn)定性[10]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文從不同層面、不同維度對(duì)碼垛機(jī)器人系統(tǒng)的構(gòu)成、各構(gòu)成設(shè)備的基本特點(diǎn)等進(jìn)行了詳細(xì)介紹與分析，并對(duì)工業(yè)機(jī)器人在施工過(guò)程中在碼垛功能方面的要求進(jìn)行了歸納，即碼垛需求，同時(shí)還詳細(xì)闡述了工業(yè)機(jī)器人碼垛功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)總體方案。