KUKA工業(yè)機(jī)器人碼垛程序的優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊曉華　李天祥　孫雨晴

摘 要：工業(yè)機(jī)器人在制造行業(yè)的應(yīng)用能緩解企業(yè)人力不足的壓力，改善工人的工作環(huán)境和安全生產(chǎn)條件，提高生產(chǎn)效率。鑒于此，圍繞KUKA工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行碼垛作業(yè)時(shí)采用示教編程長(zhǎng)時(shí)間占用機(jī)器人影響生產(chǎn)效率，以及示教編程程序過(guò)長(zhǎng)，煩瑣、不易閱讀等問(wèn)題，結(jié)合for循環(huán)、計(jì)算和操作機(jī)器人位置及數(shù)組等功能對(duì)碼垛程序進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的程序具有通用性強(qiáng)、簡(jiǎn)潔、易于閱讀、維護(hù)簡(jiǎn)便、能提高生產(chǎn)效率等優(yōu)點(diǎn)，可供企業(yè)編程人員借鑒使用。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；程序；優(yōu)化；通用性

中圖分類號(hào)：TP242.2? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）13-0039-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.13.010

0? ? 引言

為落實(shí)《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》重點(diǎn)任務(wù)，加快推進(jìn)機(jī)器人應(yīng)用拓展，2023年1月19日，工業(yè)和信息化部、教育部、公安部等十七部門發(fā)布《“機(jī)器人+”應(yīng)用行動(dòng)實(shí)施方案》[1]，方案中指出：到2025年，制造業(yè)機(jī)器人密度較2020年實(shí)現(xiàn)翻番。由于機(jī)器人大量投入，企業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)人才的需求量增大，有助于高職院校人才的輸出。聚焦機(jī)器人十大應(yīng)用重點(diǎn)領(lǐng)域之一的制造業(yè)領(lǐng)域，方案提出研制焊接、裝配、噴涂、搬運(yùn)、磨拋等機(jī)器人新產(chǎn)品，推動(dòng)其在汽車、電子、機(jī)械、輕工、紡織、建材、醫(yī)藥等已形成較大規(guī)模應(yīng)用的行業(yè)，噴釉、修坯、拋光、打磨、焊接、噴涂、搬運(yùn)、碼垛等關(guān)鍵環(huán)節(jié)應(yīng)用，推進(jìn)智能制造示范工廠建設(shè)[1]。未來(lái)，工業(yè)機(jī)器人將得到更多的應(yīng)用，技術(shù)也將不斷進(jìn)步，將為企業(yè)提供更高效、更安全、更節(jié)能的解決方案，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。

碼垛機(jī)器人是從事碼垛作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人，即將已裝入容器的貨物按要求排列碼放在托盤、棧板（木質(zhì)、塑膠）上，進(jìn)行自動(dòng)堆碼。機(jī)器人碼垛可全天作業(yè)，減少人員的投入，能節(jié)約大量的人力成本，動(dòng)作靈活精準(zhǔn)、快速高效、穩(wěn)定性高，作業(yè)效率高，大大提高了生產(chǎn)效率[2]。但是如果在碼垛作業(yè)時(shí)使用簡(jiǎn)單的示教進(jìn)行編程，碼垛的貨物越多，程序就越長(zhǎng)，而且示教占用機(jī)器人的時(shí)間也比較長(zhǎng)，一旦碼垛的貨物尺寸發(fā)生變化又要重新示教，程序的通用性較差，影響生產(chǎn)效率。

1? ? 碼垛的定義及應(yīng)用

對(duì)幾個(gè)具有代表性的點(diǎn)進(jìn)行示教，即可以從下層到上層按照順序堆疊貨物，常見于物流行業(yè)、運(yùn)輸行業(yè)以及倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)等。同一形狀的立體形貨物，可以采取重疊式、縱橫交錯(cuò)式、正反交錯(cuò)式和旋轉(zhuǎn)交錯(cuò)式碼垛，如圖1所示。

1.1? ? 重疊式

重疊式是指貨物各層之間以相同的方式碼放，上下完全相對(duì)，各層之間不會(huì)出現(xiàn)交錯(cuò)的現(xiàn)象。這種碼垛作業(yè)方式簡(jiǎn)單，作業(yè)速度快，貨物的四個(gè)角和邊垂直并重疊，承載能力大，能承受較大的荷重。缺點(diǎn)是層與層之間缺少咬合，穩(wěn)定性差，容易發(fā)生塌垛，但是如果貨品底面積較大，就可以保證足夠的穩(wěn)定性。

1.2? ? 縱橫交錯(cuò)式

縱橫交錯(cuò)式是指相鄰的兩層貨物之間擺放旋轉(zhuǎn)90°，一層呈橫向放置，另一層呈縱向放置，層間縱橫交錯(cuò)堆碼。這種碼垛方式操作簡(jiǎn)單，層與層之間有一定的咬合效果，但咬合強(qiáng)度不高，穩(wěn)定性不夠高。

1.3? ? 正反交錯(cuò)式

正反交錯(cuò)式碼放貨物時(shí)，在同一層中，不同列貨物以90°垂直碼放，相鄰兩層貨物碼放形式旋轉(zhuǎn)180°。該碼垛方式不同層間咬合強(qiáng)度較高，相鄰層次之間不重逢，穩(wěn)定性較高，但是操作較麻煩，速度較慢。

1.4? ? 旋轉(zhuǎn)交錯(cuò)式

旋轉(zhuǎn)交錯(cuò)式的第一層相鄰的兩個(gè)貨物之間都互為90°，兩層之間的堆碼相差180°，這種碼垛方式相鄰兩層之間咬合交叉，托盤貨品穩(wěn)定性較高，不容易塌垛，但是碼垛難度大，中間形成空穴，降低了托盤承載能力。

綜合上述四種碼垛方式優(yōu)缺點(diǎn)的分析，結(jié)合實(shí)際碼垛貨物的尺寸，本文編寫碼垛程序時(shí)采用重疊式碼垛方式，這種碼垛方式速度快，各層重疊后，貨物四個(gè)角重疊垂直，裝卸操作也比較省力[3]。

2? ? 基于KUKA工業(yè)機(jī)器人的貨物碼垛程序設(shè)計(jì)

以600 mm×450 mm×300 mm尺寸的貨物為對(duì)象進(jìn)行碼垛，整體成4行5列3層，碼垛方式為重疊式?；贙UKA工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)碼垛程序，應(yīng)用KRL語(yǔ)言的計(jì)算或操作機(jī)器人位置、數(shù)組位置存儲(chǔ)及for高級(jí)循環(huán)指令進(jìn)行碼垛程序的設(shè)計(jì)。

2.1? ? 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和程序流程圖制定

2.1.1? ? 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

在編寫碼垛程序之前，首先對(duì)碼垛任務(wù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，包括任務(wù)動(dòng)作分解、動(dòng)作規(guī)劃和路徑規(guī)劃[4]，如圖2所示。

首先把機(jī)器人的碼垛任務(wù)動(dòng)作進(jìn)行分解，分為抓取貨物、搬運(yùn)貨物和碼垛貨物三個(gè)動(dòng)作。接下來(lái)就是對(duì)分解的動(dòng)作進(jìn)行規(guī)劃，抓取貨物可以進(jìn)一步分解為機(jī)器人的“回原點(diǎn)” “移動(dòng)到貨物上方的安全點(diǎn)”“直線移動(dòng)到抓取點(diǎn)” “氣爪夾緊貨物”，搬運(yùn)貨物可以進(jìn)一步分解為機(jī)器人“直線退回到貨物正上方安全點(diǎn)” “移動(dòng)到碼垛區(qū)上方安全點(diǎn)”，碼垛貨物可以分解為機(jī)器人“直線移動(dòng)到擺放點(diǎn)正上方安全點(diǎn)” “直線移動(dòng)到擺放點(diǎn)” “氣爪松開貨物” “直線移動(dòng)到擺放點(diǎn)正上方”。最后規(guī)劃路徑，規(guī)劃時(shí)要考慮到機(jī)器人姿態(tài)以及機(jī)器人與周圍設(shè)備的干涉，每個(gè)分解的動(dòng)作可能會(huì)對(duì)多個(gè)點(diǎn)形成運(yùn)動(dòng)軌跡，比如機(jī)器人在回原點(diǎn)時(shí)，根據(jù)外圍設(shè)備的復(fù)雜程度，應(yīng)設(shè)置避讓點(diǎn)來(lái)組成路徑。本文為了更好地說(shuō)明程序的結(jié)構(gòu)，避讓點(diǎn)都只取一個(gè)點(diǎn)，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況取避讓點(diǎn)個(gè)數(shù)。

2.1.2? ? 制定程序流程圖

碼垛貨物由傳送帶輸送，傳感器檢測(cè)貨物的位置，每個(gè)貨物能精準(zhǔn)到位，把抓取貨物、搬運(yùn)貨物規(guī)劃在子程序里面，擺放貨物規(guī)劃在主程序里面，程序流程圖如圖3所示。

2.2? ? 貨物碼垛程序的設(shè)計(jì)

2.2.1? ? 貨物碼垛子程序設(shè)計(jì)

貨物由傳送帶輸送，位置不發(fā)生變化，把抓取貨物、搬運(yùn)貨物的路徑編寫在一個(gè)程序里面作為子程序調(diào)用，碼垛程序的編寫基于工業(yè)機(jī)器人的工具坐標(biāo)系Tool[10]： pick和基坐標(biāo)系（工件坐標(biāo)系）Base[10]： block，基坐標(biāo)系定義沿工作臺(tái)橫向?yàn)閅（右正、左負(fù)），縱向?yàn)閄（前正、后負(fù)），上下為Z（向上為正、向下為負(fù)），子程序的編寫如表1所示。

2.2.2? ? 貨物碼垛主程序設(shè)計(jì)

示教第一個(gè)貨物位置，采用位置被應(yīng)用，并被保存在一個(gè)位置變量數(shù)組wei[100，100]中，結(jié)合兩個(gè)for循環(huán)計(jì)算出所有貨物的位置，并存儲(chǔ)在數(shù)組里面，使用for進(jìn)行點(diǎn)位調(diào)用碼垛貨物，該程序?yàn)橹鞒绦颍绫?所示。

3? ? 結(jié)束語(yǔ)

本文以KUKA工業(yè)機(jī)器人貨物碼垛作業(yè)為研究對(duì)象，應(yīng)用KUKA機(jī)器人的計(jì)算或操縱機(jī)器人位置、for循環(huán)指令、數(shù)組等功能進(jìn)行程序優(yōu)化，優(yōu)化后程序不需要對(duì)每個(gè)貨物進(jìn)行示教，只需要示教一個(gè)貨物的點(diǎn)位，其他貨物點(diǎn)位通過(guò)計(jì)算或操縱機(jī)器人位置結(jié)合for循環(huán)指令進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算后存儲(chǔ)在數(shù)組里面，碼垛時(shí)只需要通過(guò)for循環(huán)調(diào)用貨物的位置[5]。優(yōu)化后的程序，對(duì)于不同貨物進(jìn)行碼垛作業(yè)時(shí)，只需要修改程序中碼垛層數(shù)、行數(shù)、列數(shù)及貨物X、Y方向之間的距離就可以使用，程序通用性強(qiáng)、簡(jiǎn)潔、易于閱讀、維護(hù)簡(jiǎn)便，減少了示教編程占用的機(jī)器人生產(chǎn)時(shí)間，達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的，可供企業(yè)編程人員借鑒使用。

[參考文獻(xiàn)]

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[5] 林祥.KUKA工業(yè)機(jī)器人編程高級(jí)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2020.

收稿日期：2023-03-15

作者簡(jiǎn)介：楊曉華（1981—），女，四川眉山人，講師，主要從事職業(yè)技術(shù)教育、機(jī)電一體化技術(shù)等方面的研究工作。