一種自適應(yīng)的雙臂協(xié)作碼垛機(jī)器人的研發(fā)

劉丹丹,王 珺,劉 杰,馬 超,何 程

(1.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司安陽卷煙廠,河南 安陽 455004)(2.上海致元自動(dòng)化科技有限公司,上海 200086)(3.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)

在輕工、食品等物流行業(yè)中,針對(duì)不同產(chǎn)品訂單需求,要依次對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行包裝、碼垛、配送。而其中至關(guān)重要的碼垛環(huán)節(jié)的自動(dòng)化程度卻十分有限,目前還依賴于伸縮皮帶機(jī)結(jié)合人工搬運(yùn)完成。由于人工碼垛存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、環(huán)境惡劣、管理成本高等諸多問題,已不能滿足生產(chǎn)物流的需求[1],因此采用碼垛機(jī)器人替代人工搬運(yùn),完善物流信息化流程,已經(jīng)成為物流行業(yè)必然的選擇[2-3]。

隨著物流行業(yè)對(duì)碼垛要求越來越高,國內(nèi)碼垛機(jī)器人技術(shù)得到了飛速發(fā)展[4]。徐雪萌等[5]研發(fā)的自動(dòng)碼垛機(jī)械手在設(shè)計(jì)方案中采用層次分析法(AHP),降低了經(jīng)濟(jì)成本。叢蘭強(qiáng)等[6]將出入庫和碼垛操作合并起來,減少了占地面積并提高了碼垛效率。而在國外,也誕生了一批具有代表性的碼垛機(jī)器人,如日本的FUJI機(jī)器人、瑞典的ABB機(jī)器人、德國的KUKA機(jī)器人等[7]。日本的Motoman-Mpl100Ⅱ型機(jī)器人采用5軸垂直多關(guān)節(jié)設(shè)計(jì),其空心機(jī)械臂的設(shè)計(jì)使機(jī)器人具有高度可定制性[8]。瑞典的IRB660型碼垛機(jī)器人能直接在車間進(jìn)行快速便捷的編程操作[9]。德國的KR180 PA型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)經(jīng)過有限元優(yōu)化,具有極高的集成度和精細(xì)的驅(qū)動(dòng)特性[10]。Starcevic等[11]提出的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)策略應(yīng)用于碼垛機(jī)器人后,顯著提高了機(jī)器人運(yùn)行效率和準(zhǔn)確性。

1 碼垛機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案

1.1 碼垛機(jī)器人設(shè)計(jì)指標(biāo)

某品牌煙箱輸送碼垛任務(wù)工況要求:碼垛機(jī)器人需要適應(yīng)的車廂尺寸為寬2.30～2.90 m、高2.30～2.95 m;抓取產(chǎn)品長度為500～600 mm,抓取產(chǎn)品寬度為400～500 mm,抓取產(chǎn)品厚度為200～300 mm。

為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確快速識(shí)別與穩(wěn)定高效碼垛,選擇自行走式雙臂協(xié)作機(jī)器人作為碼垛機(jī)器人,本文所設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)器人相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 碼垛機(jī)器人相關(guān)參數(shù)

1.2 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理

本文采取六軸關(guān)節(jié)機(jī)械臂方案來實(shí)現(xiàn)煙箱碼垛,方案如下:為了適應(yīng)不同規(guī)格廂式貨車內(nèi)部碼垛,本文采用的是可變工作區(qū)域的六軸關(guān)節(jié)伸縮機(jī)械臂,該機(jī)械臂的Z軸二級(jí)伸縮機(jī)構(gòu)使得機(jī)械臂能自由進(jìn)入小規(guī)格廂式貨車內(nèi)部碼垛,同時(shí)也可在大規(guī)格廂式貨車內(nèi)部啟用第二級(jí)伸縮臂,擴(kuò)大機(jī)械臂的Z軸工作區(qū)域。不同規(guī)格廂式貨車X、Y軸方向的碼垛僅需要增大相對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度即可實(shí)現(xiàn)。為盡可能提高廂式貨車裝箱的裝箱率、增加碼垛垛型及物料擺放方向,在第二級(jí)伸縮臂結(jié)構(gòu)上增加了旋轉(zhuǎn)軸,通過翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)物料平躺碼垛功能。

碼垛機(jī)器人的入料輸送口輸送角度可調(diào),其前端裝有能夠自動(dòng)測距和視覺識(shí)別高低位置的傳感器。傳感器能自動(dòng)追蹤皮帶輸送線在車廂內(nèi)的進(jìn)退位置,同時(shí)也可以控制伸縮皮帶與車廂的輸送角度,來讓碼垛機(jī)器人入料口的輸送角度趨向于水平,使煙箱能順利輸送。碼垛小車經(jīng)過中間翻轉(zhuǎn)工位后,將煙箱通道一分為二,碼垛機(jī)器人的兩個(gè)機(jī)械臂分別在不同輸送通道上抓取煙箱進(jìn)行碼垛。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

碼垛機(jī)器人的主機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖2所示,其中2、3、4、5、6、7分別對(duì)應(yīng)6個(gè)軸。

1—固定立柱組件;2—Z1行程組件;3—Z2行程組件;4—關(guān)節(jié)一組件;5—關(guān)節(jié)二組件;6—翻轉(zhuǎn)組件;7—旋轉(zhuǎn)組件;8—抓手組件

Z1行程組件2和Z2行程組件3的作用主要是控制碼垛物件的高度,為適應(yīng)不同規(guī)格封閉廂式貨車的高度,將這兩個(gè)組件設(shè)計(jì)成雙層伸縮結(jié)構(gòu)。關(guān)節(jié)一組件4和關(guān)節(jié)二組件5控制物料中心點(diǎn)的X坐標(biāo)與Y坐標(biāo),并與Z1行程組件2、Z2行程組件3和旋轉(zhuǎn)組件7構(gòu)成平面機(jī)械臂結(jié)構(gòu),通過聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)物料中心點(diǎn)X、Y、Z的坐標(biāo)位置控制。翻轉(zhuǎn)組件6增加了附加碼垛物料方向,提高了碼垛效率及裝箱率。旋轉(zhuǎn)組件7實(shí)現(xiàn)碼垛物料外形位置的控制。翻轉(zhuǎn)組件6和旋轉(zhuǎn)組件7聯(lián)合實(shí)現(xiàn)與物料來料不同方向的碼垛形式的選擇。抓手組件8實(shí)現(xiàn)抓取、釋放物料。固定立柱組件1對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)起到支撐固定作用。

碼垛機(jī)器人的機(jī)械臂采用平面機(jī)械臂六軸結(jié)構(gòu),運(yùn)動(dòng)空間小,負(fù)載能力大,更適合封閉空間操作。機(jī)械臂前端的抓手采用負(fù)壓吸附抓取方式,可實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn),可自由變化放置煙箱的方式,機(jī)械臂第三關(guān)節(jié)翻轉(zhuǎn)軸可自由翻轉(zhuǎn)360°,這樣便于靈活調(diào)整煙箱的姿態(tài),實(shí)現(xiàn)車廂的最大填充。機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 碼垛機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)

2 碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)器人控制系統(tǒng)架構(gòu)和流程

為了實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)器人雙臂的自適應(yīng)協(xié)作控制,控制系統(tǒng)硬件通過視覺以及光電傳感器等智能感知煙箱的種類、碼垛的位置,來自動(dòng)規(guī)劃碼垛方式與碼垛軌跡,從而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)碼垛?？刂葡到y(tǒng)硬件平臺(tái)由圖像采集與處理單元、PLC控制器單元、碼垛機(jī)器人控制單元以及集中控制處理器組成,硬件系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

控制系統(tǒng)的軟件部分由多個(gè)程序組成,包括煙箱識(shí)別程序、上位機(jī)處理程序、PLC控制程序和機(jī)器人控制程序。煙箱識(shí)別程序可以通過相機(jī)采集的圖像識(shí)別煙箱的形狀,并將識(shí)別到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)處理程序處理煙箱形狀信息,并確定煙箱的碼垛流程,控制PLC和工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行。PLC控制程序控制煙箱翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、煙箱矯正機(jī)構(gòu)和煙箱傳送機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)對(duì)煙箱的傳送和位姿的調(diào)整。工業(yè)機(jī)器人控制程序根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的指令完成煙箱的碼垛作業(yè)?？刂葡到y(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行流程如圖5所示。

圖5 控制軟件工作流程

2.2 多階S型曲線速度控制

碼垛機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是決定其能否平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵[12],而速度控制算法是運(yùn)動(dòng)控制關(guān)鍵技術(shù)之一[13]。對(duì)碼垛機(jī)器人水平速度的控制,目前局限于采用勻加速曲線控制方式,這種方式無法在運(yùn)行過程中平滑地控制速度。為了達(dá)到更高的碼垛效率,碼垛機(jī)器人需要更高的速度、加速度、加加速度,而這會(huì)導(dǎo)致沖擊力增大,影響煙箱的碼垛精度,使得運(yùn)送煙箱的效率降低,甚至?xí)l(fā)碼垛機(jī)器人脫軌、整機(jī)坍塌等安全事故[14]。

為了確保碼垛機(jī)器人在抓取和放置煙箱時(shí)能夠達(dá)到平穩(wěn)、高效的運(yùn)行狀態(tài),應(yīng)當(dāng)采用一種自適應(yīng)的加減速控制算法。這種算法既可以提升機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性,又可以最大限度地提升碼垛效率[15]。綜合考慮運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、碼垛效率等影響因素,本文選擇5段S型曲線柔性加減速控制算法,如圖6所示。

圖6 S型速度控制曲線圖

設(shè)Tk(k=1,2,3,4,5)為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)各階段所用的時(shí)間,其中Tk=tk-tk-1。根據(jù)圖6,將S型加減速控制算法曲線分成5段,即加加速段(0-t1)、減加速段(t1-t2)、勻速段(t2-t3)、加減速段(t3-t4)、減減速段(t4-t5),要使機(jī)器人在起點(diǎn)和終點(diǎn)處的加速度都為零,必須確保加加速階段時(shí)間和減加速階段時(shí)間相等,由此可得T1=T2、T4=T5。

從圖6可以得到該算法的加加速度j的變化規(guī)律,以此得到相應(yīng)函數(shù)方程式(1),其中k1、k2為比例系數(shù),jmax為加加速度最大值。

(1)

由加加速度j、加速度a、速度v與位移s之間的積分關(guān)系,可得:

(2)

式中:τ為時(shí)間常數(shù)。

初始速度設(shè)為vs,結(jié)束速度設(shè)為ve,利用公式(1)和(2),可以得到具體速度控制模型的函數(shù)表達(dá)式,如式(3)所示。

(3)

設(shè)加速時(shí)間為Ta、減速時(shí)間為Td、加速段長度為Sa、減速段長度為Sd,可以得到:

(4)

由此可以看出,要根據(jù)實(shí)際情況自適應(yīng)地完成整個(gè)加減速控制的規(guī)劃,需要通過始末速度和路徑長度L確定T1、T3、T43個(gè)變量。采用5段S型曲線柔性加減速控制算法后,可以根據(jù)實(shí)際情況(如始末速度和路徑長度)自適應(yīng)地調(diào)整規(guī)劃流程,從而大大提升碼垛效率,如圖7所示。

圖7 自適應(yīng)速度控制算法規(guī)劃流程圖

2.3 雙臂協(xié)作碼垛規(guī)則

碼垛機(jī)器人的機(jī)械臂和抓手在滿足封閉空間不同高度的碼垛工作范圍要求時(shí),設(shè)計(jì)有4種碼放方式,分別是豎直向下碼放、豎直翻轉(zhuǎn)碼放、平躺翻轉(zhuǎn)碼放和豎直向下旋轉(zhuǎn)碼放,如圖8所示。

圖8 不同碼放方式示意

雙臂協(xié)作碼垛規(guī)則:1)在設(shè)備正常工作情況下,為了提高碼垛效率采用雙臂協(xié)作,即機(jī)械手交替工作以提高工作效率;2)在狹窄的空間中如果出現(xiàn)死角,機(jī)器臂應(yīng)根據(jù)空間位置及大小規(guī)劃軌跡后,調(diào)度無干涉碰撞的機(jī)器臂完成碼垛以提高碼垛的填充率;3)在碼垛過程中,如果其中某個(gè)機(jī)械臂出現(xiàn)故障,應(yīng)采用無故障機(jī)械臂獨(dú)立完成碼垛任務(wù),以提高碼垛完成度。

3 運(yùn)行結(jié)果

將本文所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)雙臂協(xié)作碼垛機(jī)器人投入兩個(gè)大小分別為150.0 m×25.0 m×26.0 m的一號(hào)車廂和110.0 m×23.5 m×25.5 m的二號(hào)車廂進(jìn)行實(shí)際測試,其中待堆垛的箱體尺寸為560 mm×260 mm×450 mm。實(shí)際運(yùn)行場景如圖9所示。

圖9 實(shí)際運(yùn)行場景

經(jīng)過多次測試,得到的結(jié)果見表2和表3。

表2 一號(hào)車廂測試結(jié)果

表3 二號(hào)車廂測試結(jié)果

對(duì)于目前國內(nèi)各種標(biāo)準(zhǔn)的大小貨車車廂,該碼垛機(jī)器人能根據(jù)裝箱排單自動(dòng)規(guī)劃碼垛層數(shù)和方式,自適應(yīng)地完成碼垛任務(wù),整體效率能達(dá)到800箱/h。機(jī)械臂采用多關(guān)節(jié)形式,全伺服控制,定位精度高,能快速調(diào)整煙箱碼放方式,將裝車填充率提高到85%左右。抓手采用負(fù)壓吸附方式,不會(huì)破壞煙箱的外表面,具有噪聲低、效率高、負(fù)載高等特點(diǎn)。

4 結(jié)束語

本文研究和開發(fā)了一種自適應(yīng)的雙臂協(xié)作碼垛機(jī)器人,設(shè)計(jì)了兩節(jié)行程的Z軸立柱和3種機(jī)械臂碼放模式,滿足了不同高度封閉空間的碼垛范圍要求。采用多階S型曲線速度控制技術(shù)完成煙箱的碼垛任務(wù),改善了碼垛的穩(wěn)定性,提高了碼垛效率。后續(xù)將根據(jù)實(shí)際運(yùn)行反饋,進(jìn)一步完善相關(guān)設(shè)計(jì)。