工業(yè)機(jī)器人藥品裝盒工作站的設(shè)計(jì)*

□ 紀(jì)海賓 □ 汪明具

1.徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 江蘇徐州 221006 2.江蘇省工程裝備智能制造技術(shù)研發(fā)中心 江蘇徐州 221006

1 設(shè)計(jì)背景

隨著我國(guó)醫(yī)藥行業(yè)快速發(fā)展,藥品的種類和產(chǎn)量不斷增加,藥品生產(chǎn)企業(yè)對(duì)藥品自動(dòng)化生產(chǎn)有了巨大的需求,其中,藥品的包裝是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)[1]。在發(fā)達(dá)國(guó)家,工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品藥品生產(chǎn)企業(yè)。應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)也已成為我國(guó)食品藥品工業(yè)降低勞動(dòng)強(qiáng)度,提高生產(chǎn)效率,保證食品藥品安全的必然選擇[2]。楊勇等[3]研究了盒裝產(chǎn)品全自動(dòng)裝箱封箱生產(chǎn)線,有效地提高了裝箱封箱的自動(dòng)化水平。黨宏社等[4]提出了改進(jìn)均值偏移算法,能夠精確進(jìn)行藥品定位。米西峰等[5]研究了基于雙目視覺的Delta機(jī)器人定位抓取技術(shù),有效地提高了食品的抓取成功概率。劉宏達(dá)[6]對(duì)基于機(jī)器視覺的藥品分揀系統(tǒng)進(jìn)行研究,藥品分揀準(zhǔn)確率為97.8%。粉劑袋裝藥品是目前藥品包裝中的一種主要形式,但目前裝盒普遍存在效率低、成本高等問題。因此,研發(fā)一款針對(duì)此類藥品自動(dòng)化包裝的設(shè)備,對(duì)提高藥品生產(chǎn)效益,滿足市場(chǎng)需求具有十分重要的意義[7]。

筆者主要基于IRB 910SC SCARA機(jī)器人,采用輸送鏈跟蹤技術(shù),針對(duì)粉劑袋裝藥品裝盒自動(dòng)線,設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人藥品裝盒工作站。通過RobotStudio軟件對(duì)藥品裝盒工作站進(jìn)行規(guī)劃和仿真調(diào)試,研究方案的可行性及最優(yōu)的速度比、能耗比,實(shí)現(xiàn)高效可靠的藥品裝盒任務(wù)。

2 SCARA機(jī)器人

SCARA機(jī)器人是一種圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人,共有四個(gè)關(guān)節(jié)。其中三個(gè)為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),軸線互相平行,在平面內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)定位和定向。另一個(gè)關(guān)節(jié)是移動(dòng)關(guān)節(jié),主要用于機(jī)器人末端在垂直于平面方向的運(yùn)動(dòng)[8]。SCARA機(jī)器人具有性價(jià)比高、柔性和剛性好、速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。IRB 910SC是ABB公司研發(fā)推出的一款SCARA機(jī)器人,實(shí)物如圖1所示,額定有效負(fù)載為3 kg,最大負(fù)載為6 kg,工作范圍包括0.45 m、0.55 m、0.65 m三種。這一工業(yè)機(jī)器人專為自動(dòng)化生產(chǎn)制造行業(yè)而設(shè)計(jì),應(yīng)用靈活,具有開放式結(jié)構(gòu),可以使用多種方式與外部系統(tǒng)通信。

3 輸送鏈跟蹤系統(tǒng)

輸送鏈跟蹤系統(tǒng)一般由機(jī)器人本體、輸送鏈、輸送鏈跟蹤板卡、編碼器、同步傳感器、支持輸送鏈跟蹤功能的控制器等組成[9],如圖2所示。有藥品經(jīng)過同步傳感器后,輸送鏈跟蹤系統(tǒng)啟動(dòng),編碼器讀取并記錄當(dāng)前脈沖數(shù)值,當(dāng)前的藥品被加入到跟蹤隊(duì)列中,隨后藥品進(jìn)入啟動(dòng)窗口。如果此時(shí)機(jī)器人空閑,則立即處理啟動(dòng)窗口中的藥品,否則等待機(jī)器人完成當(dāng)前工作后再處理啟動(dòng)窗口中最前面的藥品。如果機(jī)器人完成當(dāng)前工作后,原啟動(dòng)窗口中最前面的藥品已經(jīng)通過啟動(dòng)窗口,那么該藥品將不再被處理,即發(fā)生漏撿[10]。

4 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

在進(jìn)行機(jī)器人離線編程與仿真時(shí),機(jī)器人運(yùn)行軌跡的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)算法。使用Denavit-Hartenberg法在機(jī)器人的各連桿上搭建模型,所涉及到的Denavit-Hartenberg參數(shù)如圖3所示。圖3中,O1～O4、X1～X4、Y1～Y4、Z1～Z4為各坐標(biāo)系的原點(diǎn)及三個(gè)軸,θ1、θ2、θ4為三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的角度,d3為移動(dòng)關(guān)節(jié)伸出的長(zhǎng)度,l1、l2為機(jī)械臂長(zhǎng)度。根據(jù)齊次變換矩陣,得到末端工具坐標(biāo)系相對(duì)于基坐標(biāo)的相對(duì)位姿關(guān)系,即機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)公式,為:

(1)

5 工作站組成

藥品裝盒工作站主要由機(jī)器人、控制器、輸送帶及其跟蹤系統(tǒng)、藥品托盤及防護(hù)裝置等組成。其中,考慮到分揀效率及準(zhǔn)確率,機(jī)器人末端執(zhí)行器采用大吸力負(fù)壓吸盤盒,一次性可以吸取五袋藥品。藥品裝盒工作站組成如圖4所示。

6 機(jī)器人末端執(zhí)行器

根據(jù)粉劑類藥品的包裝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和裝盒需求,通過SolidWorks軟件設(shè)計(jì)了機(jī)器人末端執(zhí)行器。機(jī)器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)如圖5所示,主要由塑料吸盤盒、吸盤氣孔、工具安裝接口等部分組成。通過調(diào)節(jié)合適的負(fù)壓壓力,可以利用末端執(zhí)行器一次性吸附多袋粉劑類藥品,大大提高拾取裝盒的效率。整個(gè)仿真過程中,采用Smart組件實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的動(dòng)畫效果,主要涉及動(dòng)作子組件、線性傳感器、邏輯信號(hào)等。通過設(shè)置相互之間的信號(hào)連接,實(shí)現(xiàn)吸盤盒吸附藥品動(dòng)作。末端執(zhí)行器由機(jī)器人的數(shù)字量輸出信號(hào)控制。

7 藥品裝盒工作流程

藥品裝盒工作站啟動(dòng)后,設(shè)備初始化,輸送帶開始輸送藥品。當(dāng)同步傳感器檢測(cè)到藥品時(shí),輸送鏈跟蹤啟動(dòng)。隨著藥品進(jìn)入機(jī)器人作業(yè)區(qū),機(jī)器人開始拾取藥品。完成五包藥品拾取之后,機(jī)器人進(jìn)行裝盒操作。裝盒完成,機(jī)器人返回,繼續(xù)跟蹤拾取藥品,依次循環(huán)。藥品裝盒工作流程如圖6所示。

8 仿真結(jié)果分析

在跟蹤拾取藥品裝盒的過程中,輸送帶運(yùn)行速度和機(jī)器人工具中心點(diǎn)的速度是影響機(jī)器人作業(yè)節(jié)拍的重要因素[12]。通過在RobotStudio軟件中設(shè)置不同的輸送帶運(yùn)行速度和工具中心點(diǎn)速度,進(jìn)行仿真試驗(yàn),研究?jī)烧咦兓瘜?duì)拾取率、生產(chǎn)節(jié)拍、機(jī)器人總能耗的影響,從而尋找最優(yōu)的運(yùn)行速度。

通過大量試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn),由于機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行速度受限于作業(yè)范圍,因此某些情況下并不能達(dá)到設(shè)置的速度。由此,在分析時(shí)引入機(jī)器人工具中心點(diǎn)最高速度評(píng)價(jià)作業(yè)效果。筆者以統(tǒng)計(jì)拾取并裝盒100袋藥品、每盒10袋為基準(zhǔn),藥品供料間隔為150 mm,記錄并計(jì)算耗時(shí)、耗能等情況。為了便于分析,記錄七組典型的試驗(yàn)數(shù)據(jù),見表1。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在輸送帶速度為150～190 mm/s范圍內(nèi),機(jī)器人拾取率均能保持100%。隨著輸送帶速度的提高,機(jī)器人耗能先增大后減小,耗時(shí)則持續(xù)縮短。當(dāng)輸送帶速度高于190 mm/s時(shí),盡管拾取的耗時(shí)縮短,但是機(jī)器人的拾取率明顯降低,有漏撿情況發(fā)生,同時(shí)耗能也明顯增大。

當(dāng)機(jī)器人工具中心點(diǎn)設(shè)置速度在2 000～3 000 mm/s范圍內(nèi)時(shí),機(jī)器人工具中心點(diǎn)實(shí)際達(dá)到的最高速度能夠達(dá)到設(shè)置速度。當(dāng)機(jī)器人工具中心點(diǎn)設(shè)置速度高于4 000 mm/s時(shí),機(jī)器人工具中心點(diǎn)實(shí)際速度并不能隨著設(shè)置速度變化而變化,且基本保持不變。

輸送帶速度和機(jī)器人工具中心點(diǎn)設(shè)置速度都能夠影響機(jī)器人的耗能和耗時(shí),當(dāng)機(jī)器人工具中心點(diǎn)設(shè)置速度高于4 000 mm/s時(shí),輸送帶速度產(chǎn)生的影響更為明顯。

綜上所述,當(dāng)藥品供料間隔為150 mm,輸送帶速度維持在190 mm/s,且機(jī)器人工具中心點(diǎn)速度設(shè)置為5 000 mm/s時(shí),機(jī)器人拾取藥品裝盒效率最高,無漏撿情況發(fā)生,同時(shí)機(jī)器人耗能最小,裝盒耗時(shí)最短,整個(gè)作業(yè)過程能夠?qū)崿F(xiàn)拾取節(jié)拍為每袋1 s、裝盒節(jié)拍為每盒10 s。

9 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)了工業(yè)機(jī)器人藥品裝盒工作站。在輸送帶持續(xù)運(yùn)行的狀態(tài)下,借助輸送鏈跟蹤技術(shù),使用IRB 910SC SCARA機(jī)器人對(duì)粉劑類藥品進(jìn)行動(dòng)態(tài)抓取并裝盒。在RobotStudio軟件中對(duì)藥品裝盒工作站進(jìn)行仿真試驗(yàn),分析輸送帶速度和機(jī)器人工具中心點(diǎn)速度之間的關(guān)系,尋找最優(yōu)運(yùn)行速度,在滿足100%拾取率的情況下,具備較高的裝盒效率,同時(shí)機(jī)器人的耗能最小。仿真結(jié)果表明,藥品裝盒工作站方案布局合理,能夠完成粉劑類藥品裝盒作業(yè)。當(dāng)輸送帶速度維持在190 mm/s,機(jī)器人工具中心點(diǎn)速度設(shè)置為5 000 mm/s時(shí),機(jī)器人裝盒效率最高,耗能最小,為粉劑袋裝藥品裝盒自動(dòng)線的設(shè)計(jì)提供了參考。