漁船冷凍魚(yú)塊碼垛操作的自動(dòng)化技術(shù)研究

衛(wèi)錦堯，劉玉良

(浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江舟山 316022)

遠(yuǎn)洋漁業(yè)是指在距離海岸較遠(yuǎn)的海域進(jìn)行水產(chǎn)品捕撈，并且脫離本國(guó)補(bǔ)給港口的漁業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年我國(guó)遠(yuǎn)洋漁業(yè)企業(yè)162家，遠(yuǎn)洋漁船約2 900艘，遠(yuǎn)洋漁業(yè)水產(chǎn)品總量達(dá)199萬(wàn)t。遠(yuǎn)洋漁船及水產(chǎn)品產(chǎn)量均居世界前列。根據(jù)我國(guó)“十三五”遠(yuǎn)洋漁業(yè)規(guī)劃，發(fā)展遠(yuǎn)洋漁業(yè)重在創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，強(qiáng)調(diào)漁業(yè)裝備相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，目標(biāo)是2020年前遠(yuǎn)洋漁船在專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、現(xiàn)代化等方面取得顯著提升，遠(yuǎn)洋漁船裝備自動(dòng)化升級(jí)改造的重要性愈發(fā)重要。我國(guó)遠(yuǎn)洋漁船冷藏艙內(nèi)冷凍魚(yú)塊的人工碼垛仍以仍為主，工作強(qiáng)度大，工作效率不高，工作環(huán)境惡劣，導(dǎo)致船員長(zhǎng)期在低溫環(huán)境健康損害，迫切需要設(shè)計(jì)一套冷凍魚(yú)塊碼垛的自動(dòng)化裝置，自動(dòng)完成冷藏艙內(nèi)冷凍魚(yú)塊碼垛作業(yè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器換人[2]。

1 漁船冷凍魚(yú)塊的碼垛流程

漁船集水產(chǎn)品捕獲、加工、速凍、冷藏等多功能于一體，船內(nèi)設(shè)置了魚(yú)塊加工、魚(yú)塊速凍、冷藏、動(dòng)力和制冷等特色艙室，艙室分布如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)洋漁船船艙功能分布圖Fig.1 Function distribution map of ocean fishing vessel

漁船冷凍魚(yú)塊加工完成后，首先需要由傳送帶從出艙口運(yùn)出，然后在冷藏倉(cāng)進(jìn)行速凍。設(shè)計(jì)冷凍魚(yú)塊的碼垛方式，需要依據(jù)遠(yuǎn)洋漁船冷藏艙大小和冷凍魚(yú)塊的規(guī)格。具體碼垛流程如圖2所示，工作時(shí)首先從第一層第一行開(kāi)始由列數(shù)從小到大進(jìn)行碼垛；然后，采用與第一行碼垛相同的方式，依次碼垛第一層的各行；最后，分別完成各層冷凍魚(yú)塊的碼垛。在設(shè)計(jì)冷凍碼垛方式時(shí)，一般要求是按照冷凍魚(yú)塊的層、行、列，按先后順序進(jìn)行編號(hào)，便于后續(xù)冷凍魚(yú)塊碼垛機(jī)械臂控制軟件的設(shè)計(jì)。

圖2 冷凍魚(yú)塊碼垛作業(yè)方式示意圖Fig.2 Diagram of frozen fish block palletizing work mode

圖3 碼垛機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 Palletizing mechanical arm motion control system architecture

2 冷凍魚(yú)塊碼垛控制方案設(shè)計(jì)

機(jī)械臂控制方案一般有3種：一是以專用芯片(ASIC)為硬件核心，二是以可編程控制器(PLC)為硬件核心，三是以PC+運(yùn)動(dòng)控制卡為核心的控制方案[3-4]。綜合比較方案一、二、三，本文采用基于PC+運(yùn)動(dòng)控制器的控制系統(tǒng)方案。該方案具有以下特點(diǎn)：首先，PC端負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理等非實(shí)時(shí)任務(wù)，運(yùn)動(dòng)控制卡負(fù)責(zé)機(jī)械臂控制的實(shí)時(shí)任務(wù)，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)資源合理分配，獲得較高的控制效率；其次，該方案是開(kāi)放式的控制結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性和適應(yīng)性，在用戶需求發(fā)生變化時(shí)，可以利用開(kāi)放的程序接口進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，完成系統(tǒng)的升級(jí)優(yōu)化；最后，該方案可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制算法，滿足漁船冷凍魚(yú)塊碼垛機(jī)械臂的功能需求。本文采用的以PC+運(yùn)動(dòng)控制卡為核心的控制方案如圖3所示。

3 冷凍魚(yú)塊碼垛機(jī)械臂的設(shè)計(jì)

3.1 本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)類型主要有五種，如圖4所示，它們各具優(yōu)缺點(diǎn)，適合于不同場(chǎng)合[5-6]。

直角坐標(biāo)式機(jī)械臂的工作空間與任務(wù)空間同為矩形空間，其占地面積體積大，動(dòng)作不很靈活，不適合冷凍魚(yú)塊的碼垛工作要求；圓柱坐標(biāo)式和球坐標(biāo)式隨著水平位移增加，線位移分辨率會(huì)降低，所以應(yīng)用較少；而SCARA機(jī)械臂工作空間為矩形回轉(zhuǎn)體，多用于垂直方向上的裝配工作；關(guān)節(jié)式機(jī)械臂體積小、操作靈活性高、結(jié)構(gòu)緊湊、操作范圍大、運(yùn)動(dòng)速度高，還能避開(kāi)基座周邊的一些障礙，可以達(dá)到高精確的運(yùn)動(dòng)，與冷凍魚(yú)塊的碼垛要求最為契合。因此本文選擇關(guān)節(jié)式機(jī)械臂。

圖4 5種常見(jiàn)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)類型Fig.4 Structural types of five common mechanical arms

本文確定機(jī)械臂的關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)后，根據(jù)冷凍魚(yú)塊的碼垛任務(wù)空間要求，從1號(hào)軸至6號(hào)軸，各關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)參數(shù)分別為768、600、270、150、360和768 mm，最后通過(guò)UG建模得到機(jī)械臂結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 機(jī)械臂機(jī)械結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Mechanical structure diagram of mechanical arm

圖6 碼垛機(jī)械臂質(zhì)量分布圖Fig.6 Quality distribution of palletized mechanical arm

3.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

機(jī)械臂硬件由運(yùn)動(dòng)控制卡、工業(yè)計(jì)算機(jī)、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、末端執(zhí)行器及其驅(qū)動(dòng)裝置等部分組成。根據(jù)冷凍魚(yú)塊碼垛的功能需求、系統(tǒng)可靠性、以及成本因素等，選擇了MAC-3003SSI2運(yùn)動(dòng)控制卡、安川GYS系列伺服電機(jī)及其配對(duì)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、氣爪型末端執(zhí)行器、4V110-06型電磁閥以及HFY16型氣爪氣缸。其中電機(jī)型號(hào)選擇，直接關(guān)系到機(jī)械臂是否能正常的完成碼垛工作；機(jī)械臂各軸運(yùn)轉(zhuǎn)的極限力矩，又是選擇伺服電機(jī)型號(hào)的重要依據(jù)。本文對(duì)機(jī)械臂力矩及電機(jī)功率的計(jì)算依據(jù)如下：

根據(jù)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)知識(shí)可知，機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程如式(1)。

式(1)中，q表示關(guān)節(jié)位置向量，q˙表示關(guān)節(jié)速度向量，q¨表示關(guān)節(jié)加速度向量，M表示慣性張量，C表示與哥矢加速度和向心加速度有關(guān)的量，F(xiàn)表示與粘性摩擦、庫(kù)侖摩擦和各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角位置有關(guān)的量，G表示慣性負(fù)載，表示關(guān)節(jié)廣義力向量。由于冷凍魚(yú)塊碼垛機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)行速度較低，因此本文采用忽略動(dòng)載荷而只考慮靜載荷的靜力學(xué)方法來(lái)計(jì)算機(jī)械臂各關(guān)節(jié)所需要的極限力矩。具體公式如式(2)：

式(2)中，Ti表示i關(guān)節(jié)極限力矩，mi表示i關(guān)節(jié)和i連桿的質(zhì)量，m負(fù)載表示冷凍魚(yú)塊質(zhì)量，g表示物體重力與質(zhì)量比，Li表示i關(guān)節(jié)與i+1關(guān)節(jié)軸線至負(fù)載質(zhì)心的距離。將圖6各軸質(zhì)量代入式(2)可得，從關(guān)節(jié)一至關(guān)節(jié)六極限力矩分別為 1 212.8 N·m、999.6 N·m、388.6 N·m、231.8 N·m、52.3 N·m 和 29.4 N·m。根據(jù)式(3)，可計(jì)算得各關(guān)節(jié)電機(jī)所需功率為1 270.1、1 046.8、406.9、242.7、54.8和61.6 W。

由于質(zhì)心位置為理論質(zhì)心位置，所以存在一些誤差，而且沒(méi)有考慮動(dòng)力學(xué)項(xiàng)，所以實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該比計(jì)算結(jié)果大25%的余量。關(guān)節(jié)一至關(guān)節(jié)六選擇相應(yīng)型號(hào)的伺服電機(jī)分別為GYS-202D5-RA2-B、GYS-152D5-RA2-B、GYS-751D5-RA2-B、GYS-401D5-RA2-B、GYS-101 D5-RA2-B、GYS-101D5-RA2-B。

3.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 功能需求

根據(jù)漁船冷庫(kù)碼垛自動(dòng)化的工作要求和硬件設(shè)計(jì)，本文的軟件功能框圖如圖7所示。碼垛機(jī)械臂控制系統(tǒng)的主要軟件功能包括初始化、機(jī)械臂參數(shù)設(shè)置、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制、自動(dòng)碼垛、自動(dòng)監(jiān)控、安全警報(bào)等功能。

圖7 碼垛機(jī)械臂系統(tǒng)軟件功能Fig.7 Palletizing mechanical arm system software function

3.3.2 編程思路

首先，在軟件設(shè)計(jì)界面的新建文件中選擇MFC App-Wizard[exe]，建立工程，將靜態(tài)鏈接數(shù)據(jù)庫(kù)和運(yùn)動(dòng)函數(shù)頭文件復(fù)制到工作目錄下，在設(shè)置中將靜態(tài)鏈接數(shù)據(jù)庫(kù)連接到工程中然后根據(jù)自身需要進(jìn)行其他設(shè)置和代碼編寫(xiě)。其次，在界面左側(cè)的Resource View中的Dialog中設(shè)計(jì)碼垛機(jī)械臂控制所需要的界面，并為界面中的每個(gè)工具編寫(xiě)控制代碼[7-8]。程序編寫(xiě)流程如圖8所示。在完成碼垛機(jī)械臂控制界面的設(shè)計(jì)和C++語(yǔ)言代碼的編寫(xiě)后，對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試和修改，直至編譯通過(guò)。然后在碼垛機(jī)械臂PC端運(yùn)行，測(cè)試是否能成功控制碼垛機(jī)械臂完成相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，再根據(jù)測(cè)試結(jié)果修改代碼。

圖8 軟件流程圖Fig.8 Software flow chart

3.3.3 軟件實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)碼垛功能是實(shí)現(xiàn)冷凍魚(yú)塊自動(dòng)碼垛的關(guān)鍵部分。本文在自動(dòng)碼垛界面，通過(guò)設(shè)置碼垛機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)速度、開(kāi)始碼垛坐標(biāo)和結(jié)束碼垛坐標(biāo)，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，碼垛機(jī)械臂便會(huì)從開(kāi)始坐標(biāo)位置碼垛冷凍魚(yú)塊，直至結(jié)束坐標(biāo)。在設(shè)置碼垛坐標(biāo)時(shí)注意，開(kāi)始碼垛坐標(biāo)要小于結(jié)束碼垛坐標(biāo)，否則碼垛機(jī)械臂無(wú)法正常啟動(dòng)。碼垛機(jī)械臂自動(dòng)碼垛界面如圖9所示。

圖9 碼垛機(jī)械臂的自動(dòng)作業(yè)界面Fig.9 Palletizing mechanical arm’s automatic operating interface

自動(dòng)碼垛功能的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)通過(guò)碼垛機(jī)械臂的示教功能，記錄每一塊冷凍魚(yú)塊碼垛時(shí)的運(yùn)行路徑，記錄其中的關(guān)鍵路徑點(diǎn)，然后根據(jù)冷凍魚(yú)塊的編號(hào)保存為不同的示教文件。

(2)讀入開(kāi)始碼垛坐標(biāo)，提取開(kāi)始的碼垛坐標(biāo)冷凍魚(yú)塊相對(duì)應(yīng)的示教文件進(jìn)行再現(xiàn)。

(3)完成當(dāng)前坐標(biāo)冷凍魚(yú)塊碼垛任務(wù)后，關(guān)閉當(dāng)前示教文件提取下一個(gè)坐標(biāo)的示教文件并進(jìn)行再現(xiàn)。

(4)循環(huán)步驟3，直至完成結(jié)束碼垛坐標(biāo)的示教文件。

4 自動(dòng)碼垛實(shí)驗(yàn)

自動(dòng)碼垛實(shí)驗(yàn)前期，在考慮漁船作業(yè)特殊要求后，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用碼垛機(jī)械臂對(duì)冷凍塊進(jìn)行碼垛實(shí)驗(yàn)，測(cè)試其自動(dòng)碼垛功能的可行性。

4.1 漁船搖晃對(duì)自動(dòng)碼垛的影響

漁船航行時(shí)會(huì)受到波浪沖激力影響導(dǎo)致船體搖晃，冷凍魚(yú)塊碼垛過(guò)程中會(huì)受到船體搖晃影響發(fā)生滑動(dòng)，導(dǎo)致無(wú)法正常完成碼垛任務(wù)。因此確定碼垛任務(wù)可以順利進(jìn)行時(shí)，船體搖晃的幅度范圍至關(guān)重要。

冷凍魚(yú)塊在船體搖晃時(shí)，冷凍魚(yú)塊受到本體重力和冷凍魚(yú)塊包裝袋間的靜摩擦力影響，具體受力分析如圖10所示。

圖10 冷凍魚(yú)塊受力分析Fig.10 Force analysis of frozen fish piece

其中FP為法向力，F(xiàn)S為靜摩擦力，θ為船體相對(duì)于水平面傾斜角。確保碼垛任務(wù)可以順利進(jìn)行需要滿足公式(4)。

其中μ為冷凍魚(yú)塊包裝袋間的摩擦系數(shù)，F(xiàn)P、FS由公式(5)(6)求得：

通過(guò)查閱資料可知尼龍袋之間摩擦系數(shù)為0.25，可求出θ的最大值為14.1°。通過(guò)實(shí)際模擬測(cè)試當(dāng)傾斜角度達(dá)13°左右時(shí)，冷凍魚(yú)塊發(fā)生滑動(dòng)。

4.2 自動(dòng)碼垛實(shí)驗(yàn)

在漁船冷藏艙自動(dòng)碼垛時(shí)，盡管船體搖晃導(dǎo)致機(jī)械臂與冷凍塊在晃動(dòng)，但是船體傾斜角小于13°時(shí)，冷凍塊不發(fā)生滑動(dòng)相對(duì)于機(jī)械臂的位置也未發(fā)生改變，機(jī)械臂的碼垛運(yùn)動(dòng)路徑基于本體基座坐標(biāo)系規(guī)劃，因此當(dāng)冷凍塊未發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，機(jī)械臂都能順利實(shí)現(xiàn)碼垛任務(wù)。調(diào)用相關(guān)的示教文件，在自動(dòng)碼垛界面完成設(shè)置后，開(kāi)始冷凍塊自動(dòng)碼垛實(shí)驗(yàn)，自動(dòng)碼垛工作流程為冷凍塊抓取、冷凍塊碼垛、碼垛機(jī)械臂歸零，具體流程如圖11所示。

圖11 碼垛任務(wù)流程Fig.11 Stacking task flow

通過(guò)數(shù)十次的機(jī)械臂自動(dòng)碼垛實(shí)驗(yàn)，機(jī)械臂均能完成預(yù)定冷凍塊碼垛任務(wù)。機(jī)械臂自動(dòng)碼垛用時(shí)見(jiàn)表1。

表1 機(jī)械臂自動(dòng)碼垛實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Stacking mechanical arm frozen fish block stacking time

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，冷凍魚(yú)塊碼垛機(jī)械臂可以快速準(zhǔn)確的完成冷凍塊碼垛任務(wù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)碼垛功能。工作效率大大高于人工碼垛效率，整體實(shí)驗(yàn)情況符合預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)論

本文針對(duì)漁船冷凍魚(yú)塊碼垛自動(dòng)化程度較低的問(wèn)題，提出關(guān)節(jié)式冷凍魚(yú)塊碼垛機(jī)械臂的自動(dòng)化方案。通過(guò)機(jī)械臂的機(jī)械設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)完成對(duì)漁船冷凍魚(yú)塊碼自動(dòng)化的初步實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。本文設(shè)計(jì)的漁船冷凍魚(yú)塊自動(dòng)化裝置下一步可以在末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)加裝攝像機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)引導(dǎo)技術(shù)，在碼垛目標(biāo)產(chǎn)生滑動(dòng)時(shí)確定碼垛目標(biāo)滑動(dòng)位置，規(guī)劃運(yùn)動(dòng)路徑完成對(duì)碼垛目標(biāo)的抓取并完成碼垛任務(wù)。