一種集裝箱卸貨機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

徐志祥，高 東，趙 炎，劉 瑋

（1.大連理工大學 機械工程學院，大連 116024；2.久億航宇科技（大連）有限公司，大連 116085）

近年來，全球物流運輸行業(yè)快速發(fā)展，集裝箱作為各類貨物轉(zhuǎn)移運輸?shù)闹饕d體，承載了大量的鐵路和遠洋物流任務(wù)，而在物流運輸過程中，卸貨及轉(zhuǎn)運的效率是限制物流速度的重要原因。目前集裝箱貨物裝卸主要還是依靠人工搬扛，存在人工勞動強度大、裝卸效率低、裝卸人工成本高、自動化程度低等問題。不僅如此，近年來由于新冠等病毒影響，冷鏈物流卸貨人員直接接觸凍貨進行集裝箱卸貨作業(yè)時，具有很大的染疫風險[1]。無人化智能集裝箱卸貨設(shè)備能夠減少人員接觸貨物的頻次，對于降低健康風險、提高集裝箱貨物的卸貨效率和自動化水平具有重要價值。

現(xiàn)有的國內(nèi)外集裝箱卸貨設(shè)備大多存在自動化程度低、控制系統(tǒng)拓展性差、采用大框架式的機械結(jié)構(gòu)導致卸貨設(shè)備通用性差等問題[2]。因此，本文選擇結(jié)構(gòu)緊湊、適應(yīng)性強的桁架式卸貨機構(gòu)和履帶式移動機構(gòu)組成的集裝箱卸貨機器人進行控制系統(tǒng)設(shè)計。將先進的機器視覺和現(xiàn)代總線式交流伺服系統(tǒng)，應(yīng)用于集裝箱卸貨機器人的運動控制上，實現(xiàn)集裝箱卸貨作業(yè)的全自動化。同時針對卸貨機器人存在卸貨過程中負載轉(zhuǎn)動慣量變化，影響伺服控制性能的問題，對伺服電機的轉(zhuǎn)動慣量進行在線辨識，利用電機參數(shù)自整定，提高卸貨機器人伺服系統(tǒng)的響應(yīng)性能及抗干擾能力。實驗表明，該卸貨機器人能夠完成針對冷鏈標準40 尺集裝箱的盒裝貨物的全自動化卸貨，卸貨效率可達5 s/件，并在大連市遼漁集團有限公司得到初步現(xiàn)場試驗，通過大連市科技攻關(guān)項目驗收。

1 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 卸貨機器人結(jié)構(gòu)及工作流程

根據(jù)集裝箱卸貨作業(yè)的實際需求，設(shè)計的集裝箱卸貨機器人組成包括機器視覺系統(tǒng)、交流伺服控制系統(tǒng)、六軸桁架機器人、自主行進平臺車、水平抓取吸盤組、垂直抓取吸盤組、電動伸縮托輥組、人機交互操作臺等，如圖1 所示。其中六軸桁架機器人主要實現(xiàn)對集裝箱內(nèi)貨物的卸貨動作，組成包括X向水平縱向移動機構(gòu)、Y 向水平橫向移動機構(gòu)、立柱回轉(zhuǎn)機構(gòu)、Z 向垂直升降機構(gòu)、Z 向垂直輔助升降機構(gòu)1/2；自主行進平臺車用于實現(xiàn)六軸桁架機器人在集裝箱內(nèi)部的自動定位運行，內(nèi)嵌抽屜式電控柜交流伺服系統(tǒng)；電動伸縮托輥組有2 種工作狀態(tài)，伸出時用于抓取貨物的轉(zhuǎn)運，收縮時用于增加機器視覺識別時的視場距離，2 種工作狀態(tài)的切換由程序控制交替進行。

圖1 卸貨機器人結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of unloading robot

該卸貨機器人的卸貨流程：首先，機器視覺系統(tǒng)對集裝箱內(nèi)部貨物進行拍照并計算出貨物的位置信息，將貨物的坐標位置發(fā)送給六軸桁架機器人，六軸桁架機器人通過六軸聯(lián)動快速運動到貨物的指定位置，進行吸盤抓取，然后立柱回轉(zhuǎn)90°，六軸桁架機器人運動到電動伸縮托輥上方進行卸貨，卸貨流程如圖2 所示。

圖2 卸貨機器人作業(yè)流程Fig.2 Operation flow chart of unloading robot

1.2 控制系統(tǒng)總體方案確定

根據(jù)集裝箱智能化卸貨機器人的系統(tǒng)組成，結(jié)合裝置的功能和技術(shù)要求，設(shè)計該卸貨機器人控制系統(tǒng)總體方案[3-7]，如圖3 所示。該控制系統(tǒng)，采用基于現(xiàn)代總線式的交流伺服系統(tǒng)，以工控機為核心運算器，基于機器視覺獲得集裝箱內(nèi)部貨物位置信息，通過運動控制和軌跡規(guī)劃算法，將運動指令傳遞給PLC 控制器，驅(qū)動六軸桁架機器人和自主行進平臺車運行。并通過通訊拓展模塊，高度集成冷鏈集裝箱貨物的消殺、碼垛各部分控制系統(tǒng)，實現(xiàn)智能化冷鏈貨物卸貨、消殺、碼垛作業(yè)線的集成控制。

圖3 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Overall structure diagram of the control system

基于現(xiàn)代總線式的交流伺服控制系統(tǒng)具有高度集成性、智能化的優(yōu)勢，能夠廣泛適應(yīng)物流行業(yè)多場景的應(yīng)用。控制系統(tǒng)的組成部分模塊化，既可以單模塊獨立運行，也能完成快速集成，多模塊聯(lián)動，可以根據(jù)消殺節(jié)拍，動態(tài)調(diào)整機械手卸貨速度、輸送帶傳輸速度以及后續(xù)消殺、碼垛頻率，實現(xiàn)智能化集裝箱貨物全自動卸貨、消殺、碼垛作業(yè)，如圖4 所示。

圖4 集裝箱卸貨消殺碼垛作業(yè)線布局圖Fig.4 Layout of container unloading stacking line

2 卸貨機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

卸貨機器人的交流伺服控制系統(tǒng)選用以匯川AM403 系列PLC 作為主控制器，通過EtherCAT 總線控制8 個運動伺服軸，包括六軸桁架機器人的X向滑臺、Y 向滑臺、立柱回轉(zhuǎn)、Z 向垂直升降、Z 向垂直升降輔助1、Z 向垂直升降輔助2 的6 臺交流伺服電機，以及自主行進平臺車的2 臺伺服電機。其中伺服驅(qū)動器選用匯川SV660N 系列總線控制型伺服，實現(xiàn)伺服軸的高性能運動控制功能，卸貨機器人的控制總線網(wǎng)絡(luò)如圖5 所示。PLC 的IO 控制模塊，實現(xiàn)對卸貨機器人本體的光電開關(guān)、磁性開關(guān)等傳感器和氣缸電磁閥等執(zhí)行器的信號接收和輸出。通訊部分采用ModbusTCP 將上位機與PLC建立連接，同時方便為后續(xù)作業(yè)線的拓展留有接口模塊。

圖5 總線運動控制網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.5 Bus motion control network diagram

自主行進平臺車采用履帶式移動機構(gòu)，通過2臺伺服電機的電子差速換向，實現(xiàn)平臺車的運動控制。履帶車前端和兩側(cè)安裝激光測距傳感器，用于實時反饋自主行進平臺車與集裝箱內(nèi)壁的距離，實現(xiàn)平臺車的自動化運行與糾偏。平臺車控制模式采用有線和無線2 種方式，添加無線接收器模塊與PLC 控制器IO 模塊連接，實現(xiàn)無線遙控器對電動平臺車的手動無線控制，以便非作業(yè)時，人工操控小車移動。自主行進平臺車的樣機實物如圖6 所示。

圖6 自主行進車實物圖Fig.6 Physical picture of autonomous vehicle

2.2 軟件設(shè)計

卸貨機器人機器視覺系統(tǒng)采用平面相機與激光位移計結(jié)合的方式，構(gòu)建集裝箱內(nèi)部貨物的3D位置信息。該視覺方式圖像處理效率高、成本低，可靠性強。系統(tǒng)上電啟動后，首先由操作人員手動遙控自主行進平臺車對齊集裝箱入口，啟動全自動模式。軟件算法中軌跡規(guī)劃模塊集成于工控機，基于機器視覺輸出貨物的位置信息，計算出被測貨物可被抓取的位置，選擇可執(zhí)行的吸盤機構(gòu)，并輸出六軸桁架機器人的定位信息。圖7 所示為系統(tǒng)控制流程。

圖7 系統(tǒng)控制流程Fig.7 System control flow chart

卸貨機器人控制系統(tǒng)的上位機基于C# 編程語言進行開發(fā)，上位機界面采用模塊化設(shè)計，包括機器視覺圖像處理顯示區(qū)、手自動切換選擇區(qū)、六軸桁架機器人位置參數(shù)顯示區(qū)、設(shè)備運行狀態(tài)反饋區(qū)、設(shè)備控制區(qū)等，上位機界面如圖8 所示。上位機與PLC 通訊采用ModbusTCP 通訊，下位機PLC 控制器的軟件編寫基于CoDeSys 編程平臺，采用ST 語言編寫控制程序，主要實現(xiàn)伺服軸的運動控制、軸控狀態(tài)判斷、傳感器與執(zhí)行器的信號接收與輸出、上位機軟件的通訊等功能。

圖8 上位機界面設(shè)計Fig.8 Upper computer interface design

3 卸貨機器人電機穩(wěn)定性控制

該卸貨機器人采用六軸桁架式卸貨機構(gòu)，為了提高集裝箱卸貨的效率，各軸伺服電機需要高速運行。在桁架機器人短距離快速定位的過程中，由于慣性力以及負載變化的影響，會導致機器人的整體結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊，從而降低機器人電機的運行穩(wěn)定性，影響機器人的使用壽命及卸貨效率。采用伺服電機轉(zhuǎn)動慣量在線辨識及參數(shù)自整定的方式，對伺服電機的增益參數(shù)進行調(diào)整，提高電機的動態(tài)響應(yīng)及抗干擾能力。交流伺服系統(tǒng)由3 個控制環(huán)路構(gòu)成，從外向內(nèi)依次是位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)，基本控制框圖如圖9 所示。

圖9 伺服增益控制框圖Fig.9 Servo gain control block diagram

從實際應(yīng)用出發(fā)，對伺服電機速度環(huán)的增益參數(shù)進行調(diào)整，參照自動控制理論中的典型Ⅱ系統(tǒng)進行PI 參數(shù)整定。表貼式三相交流永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩方程為

式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；Pn為電機極對數(shù)；Ψf為轉(zhuǎn)子磁鏈；iq為同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的交軸電流；Kt為力矩系數(shù)。

設(shè)伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量為J，負載轉(zhuǎn)矩為TL，轉(zhuǎn)子機械角速度為ωm，阻尼系數(shù)為Bm，由于Bm一般很小，通常可忽略不計，則伺服系統(tǒng)的機械運動方程可寫成：

對于轉(zhuǎn)動慣量J，有：

式中：JM為伺服電機自身轉(zhuǎn)動慣量；JL為機械負載總轉(zhuǎn)動慣量；伺服系統(tǒng)的負載慣量比為機械負載總轉(zhuǎn)動慣量JL與電機自身轉(zhuǎn)動慣量JM之比[8]，即：

在交流伺服電機調(diào)速系統(tǒng)中，機械響應(yīng)速度要遠低于電磁的響應(yīng)速度，電流環(huán)時間常數(shù)也遠小于速度環(huán)的時間常數(shù)，所以在設(shè)計伺服系統(tǒng)速度環(huán)控制參數(shù)時，可將電流環(huán)按照一階慣性環(huán)節(jié)進行處理[9]，圖10 所示為速度環(huán)的等效原理框圖。

圖10 電機速度環(huán)等效原理框圖Fig.10 Equivalent schematic diagram of motor velocity loop

由式（5）可以看出等效后的伺服系統(tǒng)速度環(huán)為典型的Ⅱ型系統(tǒng)。以卸貨機器人的X 向滑臺伺服電機為例，進行伺服電機的在線慣量辨識與增益參數(shù)整定。由于電流環(huán)由廠家確定，用戶無法修改，只對速度環(huán)比例系數(shù)kp和ki速度環(huán)積分系數(shù)進行優(yōu)化[10]。利用伺服驅(qū)動器給定輸入信號，控制X 向滑臺速度恒定進行往復(fù)直線運動，轉(zhuǎn)速500 r/min，加減速時間為200 ms。X 向電機的速度環(huán)比例系數(shù)和速度環(huán)積分系數(shù)分別按照表1 進行設(shè)置。

表1 伺服系統(tǒng)X 電機參數(shù)設(shè)置表Tab.1 Servo system X motor parameter setting table

實驗所得到的卸貨機器人X 向滑臺伺服電機速度指令和速度反饋響應(yīng)曲線如圖11 所示。

圖11 X 軸電機響應(yīng)曲線Fig.11 Response curve of X axis motor

綜合分析可知：通過增大速度環(huán)增益kp，可以加快伺服電機定位時間，為伺服系統(tǒng)帶來更好的速度穩(wěn)定性和跟隨性，但設(shè)置值過大易引起振動和噪音。減小速度環(huán)積分系數(shù)ki，可加快定位時間，減小速度環(huán)偏差，但設(shè)定值過高，將導致速度環(huán)偏差總不能歸零。

利用伺服電機的在線慣量識別與參數(shù)自整定，對卸貨機器人的電機進行參數(shù)調(diào)整，最終確定X 向滑臺電機速度環(huán)整定參數(shù)kp＝160，ki＝3.97，系統(tǒng)負載轉(zhuǎn)動慣量比為6.69，實驗表明集裝箱卸貨機器人伺服電機的響應(yīng)性和穩(wěn)定性得到了很大的提高。如圖12所示為該卸貨機器人在冷鏈集裝箱現(xiàn)場進行全自動化卸貨作業(yè)圖。

圖12 現(xiàn)場作業(yè)圖Fig.12 Site operation diagram

4 結(jié)語

針對現(xiàn)有的集裝箱卸貨設(shè)備存在的自動化程度低、效率低下的問題，設(shè)計了一種集裝箱卸貨機器人控制系統(tǒng)，將機器視覺與現(xiàn)代總線式交流伺服系統(tǒng)，應(yīng)用于集裝箱卸貨機器人運動控制，提高了集裝箱自動化卸貨設(shè)備的智能化水平。同時針對卸貨機器人電機穩(wěn)定性控制問題，利用伺服電機在線慣量識別與參數(shù)自整定的解決辦法，提高了伺服電機的響應(yīng)性與抗干擾能力。

所設(shè)計控制系統(tǒng)實現(xiàn)對卸貨機器人的運動控制，并在大連市遼漁集團有限公司現(xiàn)場完成初步試驗，實驗證明該卸貨機器人能夠完成針對冷鏈標準40 尺集裝箱實現(xiàn)自動化卸貨，適用自重小于25 kg，外形尺寸500 mm×300 mm×200 mm 范圍內(nèi)的盒裝貨物。針對不同的貨物規(guī)格，卸貨機器人可以實現(xiàn)一次抓取1 件或者多件貨物，總體卸貨作業(yè)效率可達5 s/件，并于2022 年11 月通過大連市科技攻關(guān)項目驗收。