智能移動(dòng)機(jī)器人多機(jī)臺(tái)上下料系統(tǒng)研究

王祺翔，陳 偉,2，徐申申

（1.江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，鎮(zhèn)江 212003；2.東南大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210096；3.江蘇省洪澤湖漁業(yè)管理委員會(huì)辦公室，淮安 223300）

0 引言

近年來，隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來[1]，我國(guó)的工業(yè)水平也在逐基的提高，但是和國(guó)外還是有很大的距離[2]，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)成為了勢(shì)不可當(dāng)?shù)内厔?shì)，很多國(guó)內(nèi)工廠已經(jīng)開始采用無人車間，實(shí)現(xiàn)無人化管調(diào)、生產(chǎn)模式[3]。我國(guó)制造業(yè)想要尋求突破，就必須要發(fā)展工業(yè)機(jī)器人技術(shù)[4]。機(jī)器人技術(shù)的不斷進(jìn)基，建立完整的工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)上下料的生產(chǎn)線，可以很好地解決許多生產(chǎn)線上因勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低和安全風(fēng)險(xiǎn)高等問題而帶來的生產(chǎn)停滯[5,6]。但是，采用機(jī)器人上下料提高生產(chǎn)效率的同時(shí)降低人工生產(chǎn)的成本，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)智能制造的趨勢(shì)和必然要求[7]。同時(shí)，機(jī)器人系系具有很高的柔性，可以滿足不同種類產(chǎn)品的生產(chǎn)，可以幫助企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整和擴(kuò)大產(chǎn)能[8]。本文的柔性機(jī)器人系系主要針對(duì)LED晶片生產(chǎn)制造，以前均采用人工進(jìn)行上下料，人工成本較大、工作枯燥[9]。因此，需要引進(jìn)機(jī)器人來代替人工進(jìn)行作業(yè)。本文作者對(duì)機(jī)器人上下料系系進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用ABB ROBOTSTUDIO仿真軟件進(jìn)行分析[10]，規(guī)劃了機(jī)器人軌跡，最后進(jìn)行實(shí)際調(diào)試驗(yàn)證，驗(yàn)證了機(jī)器人選型和方案可行性。

本文將移動(dòng)AGV和工業(yè)機(jī)械手以及工業(yè)視覺定位系系[11]進(jìn)行集成，通過無線局域網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)臺(tái)與AGV的信息交互[12]；通過以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制系系與工業(yè)視覺、圖像處調(diào)軟件的實(shí)時(shí)通訊[13]，對(duì)上下料盒進(jìn)行靈活快速準(zhǔn)確的抓取和放置。

1 移動(dòng)式機(jī)器人上下料系統(tǒng)的搭建

移動(dòng)式機(jī)器人上下料系系包括AGV系系、機(jī)器人系系、視覺識(shí)別系系、DCS控制系系和實(shí)時(shí)通訊系系等。

機(jī)器人上下料系系硬件如圖1所示，包括ABB1200六自由度工業(yè)機(jī)器人、IRC5機(jī)器人控制柜、AGV移動(dòng)機(jī)器人、歐姆龍F(tuán)Z4視覺控制系系、電動(dòng)夾爪等。

圖1 機(jī)器人上下料系統(tǒng)硬件圖

ABB機(jī)器人控制柜IRC5采用I/O通訊、RS-232、現(xiàn)場(chǎng)總線等，總線支持Devicenet、Profibus、EthernetIP等。本文通過I/O與AGV控制系系進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)監(jiān)控AGV到達(dá)位置，并反饋機(jī)器人動(dòng)作信號(hào)；通過以太網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系系和視覺系系的通訊。機(jī)器人上下料系系將機(jī)器人控制器、視覺控制器連入局域網(wǎng)，將機(jī)器人控制器與視覺控制器進(jìn)行IP配置，并編寫Socket通訊協(xié)議，F(xiàn)Z系列工業(yè)相機(jī)安裝到機(jī)器人六軸的夾具上，通過camerlink相機(jī)通訊纜線連接到控制器；電動(dòng)手指連接到控制器I/O板。

1.1 機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

機(jī)器人系系主要包括：ABB IRB 1200六自由度關(guān)節(jié)型串聯(lián)機(jī)器人、FlexPendant示教器、IRC5 compact緊湊型控制柜、Robotstudio離線編程軟件等。

1.2 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)系系的設(shè)計(jì)主要包含電動(dòng)手指、工業(yè)相機(jī)的固定裝置和上下料平臺(tái)的設(shè)計(jì)。

如圖2所示為料盒的三維模型，如圖3所示為機(jī)器人手腕和關(guān)節(jié)承載圖。根據(jù)圖3所示的機(jī)器人承載情況，選定電動(dòng)手指和相機(jī)的安裝位置。根據(jù)料盒的尺寸、重量和相機(jī)拍照的相對(duì)位置，設(shè)計(jì)合適的夾具，安裝電動(dòng)手指和相機(jī)。工裝夾具的三維模型如圖4所示。電動(dòng)手指的重心與機(jī)器人法蘭盤的中心點(diǎn)同軸，沿Z軸的正方向80mm，電動(dòng)手指的質(zhì)量為1.16kg，工件料盒的質(zhì)量為1kg，相機(jī)、光源的質(zhì)量為0.5kg，整體的執(zhí)行裝置小于5kg。

圖2 上下料盒的三維模型

圖3 機(jī)器人手腕承載曲線圖

圖4 機(jī)器人末端執(zhí)行器三維模型圖

如圖5所示為機(jī)器人原點(diǎn)姿態(tài)的工作范圍。根據(jù)圖5的機(jī)器人閥間范圍圖，以及圖2的料盒尺寸，設(shè)計(jì)上下料平臺(tái)料倉的尺寸、方式，確定料倉和機(jī)器人的相對(duì)位置，如圖6、圖7所示。

圖5 機(jī)器人原點(diǎn)姿態(tài)的工作空間俯視圖

圖6 上下料平臺(tái)料倉三維模型

圖7 機(jī)器人和上下料平臺(tái)的位置示意圖

如圖6所示，單個(gè)料區(qū)采用8個(gè)料盒為一組，料盒兩邊設(shè)計(jì)帶有喇叭口的固定擋片，防止料盒內(nèi)芯片滑落。如圖7所示，機(jī)器人安裝在上下料平臺(tái)的中心位置，一軸的運(yùn)動(dòng)范圍為340°，上下料料倉設(shè)計(jì)A、B區(qū)域，適用于單邊多機(jī)臺(tái)上下料、雙邊多機(jī)臺(tái)上下料。整個(gè)結(jié)構(gòu)系系的三維模型如圖8所示。

1.3 視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在LED芯片生產(chǎn)行業(yè)，我們采用移動(dòng)式機(jī)器人上下料，抓取料盒時(shí)，對(duì)于料盒位置的要求需要非常的精確，我們需要對(duì)料盒進(jìn)行視覺識(shí)別定位，準(zhǔn)確的抓放工件，保證料盒位置的準(zhǔn)確性。

圖8 機(jī)器人和上下料平臺(tái)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)三維模型圖

機(jī)器人視覺識(shí)別定位上下料的工作原調(diào)為：首先，對(duì)機(jī)器人坐標(biāo)系和相機(jī)坐標(biāo)系進(jìn)行XY平臺(tái)的校準(zhǔn)；然后，料盒中心位置貼有十字標(biāo)簽，工業(yè)相機(jī)對(duì)十字進(jìn)行拍照獲取標(biāo)準(zhǔn)圖像；之后，相機(jī)在機(jī)器人示教位置進(jìn)行抓拍，將圖像傳送至視覺處調(diào)器，圖像處調(diào)系系將其余標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行對(duì)比獲得在機(jī)器人坐標(biāo)系下的料盒位置、角度，視覺處調(diào)器通過以太網(wǎng)通訊方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給機(jī)器人，機(jī)器人自動(dòng)調(diào)整抓取姿態(tài)。

根據(jù)相機(jī)需要拍照內(nèi)容，上料倉料盒、機(jī)臺(tái)料盒、原料區(qū)料盒，同時(shí)考慮相機(jī)、鏡頭的工作距離和景深、機(jī)器人上下料頻率和車間的光線等因素，選擇200萬像素的黑白相機(jī)、16mm的變焦工業(yè)鏡頭和視覺閉形光源。視覺識(shí)別、人機(jī)交互的控制軟件如圖9所示。

圖9 視覺軟件控制界面圖

1.4 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

移動(dòng)式機(jī)器人上下料電氣控制系系主要由逆變器、斷路器、機(jī)器人控制柜、開關(guān)電源、電動(dòng)手指、繼電器、視覺控制器、光源控制器等構(gòu)成。系系的控制原調(diào)總電路如圖10所示。

2 機(jī)器人上下料離線編程仿真

將SolidWorks軟件上設(shè)計(jì)的上下料平臺(tái)、AGV小車、機(jī)臺(tái)三維模型導(dǎo)入ABB專業(yè)的離線編程軟件Robotstudio中，導(dǎo)入ABB IRB 1200機(jī)器人模型，從布局建立機(jī)器人系系。

圖10 上下料機(jī)器人電氣控制原理圖

2.1 機(jī)器人上下料軌跡規(guī)劃

如圖11所示為機(jī)器人上下料軌跡示滿圖，P1為機(jī)器人原點(diǎn)位置HOME點(diǎn)，夾爪、相機(jī)與地面垂直，當(dāng)機(jī)器人不進(jìn)行上下料動(dòng)作的時(shí)候，處于HOME點(diǎn)；P5為機(jī)臺(tái)上相機(jī)拍照位置點(diǎn)，當(dāng)機(jī)臺(tái)工作完成，發(fā)出上下料信號(hào)后，AGV運(yùn)動(dòng)至機(jī)臺(tái)位置，給出上下料信號(hào)，機(jī)器人自HOME點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到P5點(diǎn)，相機(jī)拍照；P6為機(jī)器人機(jī)臺(tái)上下料抓取點(diǎn)，相機(jī)將料盒位置點(diǎn)發(fā)送給機(jī)器人，機(jī)器人自P5點(diǎn)移動(dòng)至抓取點(diǎn)P6，夾爪夾緊料盒；P8為下料A區(qū)料盒位置點(diǎn)，機(jī)器人抓取料盒后從P6點(diǎn)上方移動(dòng)至下料A區(qū)位置點(diǎn)上方P7點(diǎn)，然后豎直下降到P8點(diǎn)，夾爪松開，將料盒放入料倉，而后升至P7點(diǎn)；P2點(diǎn)為上料A區(qū)料盒拍照位置點(diǎn)，機(jī)器人從P7運(yùn)動(dòng)至P2位置，對(duì)料盒進(jìn)行拍照判別料盒箭頭方向和中心點(diǎn)位置；P4點(diǎn)為上料A區(qū)料盒位置點(diǎn)，機(jī)器人拍照完成后從P2點(diǎn)移到上料位置上方P3點(diǎn)，然后下降到料盒位置P4點(diǎn)，夾爪夾緊料盒升至P3點(diǎn)，然后運(yùn)動(dòng)至P5點(diǎn)拍照，得到位置坐標(biāo)后，將料盒移至P6點(diǎn)，松開夾爪，上升機(jī)器人，返回HOME點(diǎn)，發(fā)送完成信號(hào)。整個(gè)過程為一次機(jī)臺(tái)上下料，完成后AGV移動(dòng)至其他機(jī)臺(tái)位置。

機(jī)器人軌跡規(guī)劃中，大多采用MOVEL直線插補(bǔ)的方式，避免與周圍閉境發(fā)生干涉，同時(shí)，上下料盒的時(shí)候，采用中速和低速層態(tài)，夾爪零負(fù)載的層態(tài)下，采用高速。

圖11 機(jī)器人上下料軌跡示意圖

2.2 離線編程仿真

在實(shí)現(xiàn)機(jī)臺(tái)上下料離線仿真的過程中，機(jī)器人總體的目標(biāo)點(diǎn)如上文機(jī)器人規(guī)劃中所述，機(jī)器人上下料過程的離線仿真結(jié)果如圖12、圖13所示。

對(duì)于夾爪的夾緊、松開信號(hào)以及相機(jī)的拍照信號(hào)等，Robotstudio離線編程仿真中，我們采用Smart組件的形式進(jìn)行模擬信號(hào)輸入或者輸出。

圖12 機(jī)器人機(jī)臺(tái)下料仿真過程圖

圖13 機(jī)器人機(jī)臺(tái)上料仿真過程圖

3 移動(dòng)式機(jī)器人上下料車間實(shí)驗(yàn)

根據(jù)多機(jī)臺(tái)上下料任務(wù)需要，設(shè)計(jì)機(jī)器人上下料的運(yùn)行流程，如圖14所示。

圖14 機(jī)器人上下料流程圖

根據(jù)圖14所示的流程圖進(jìn)行移動(dòng)式機(jī)器人上下料實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，夾爪采用側(cè)面加持力抓緊料盒，保證夾爪末端與料盒盡可能的貼緊，增加接觸面積，加大夾爪的摩擦力；機(jī)器人法蘭盤與地面保持垂直，夾爪的中心與料盒中心示教過程中保證重合；機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，調(diào)整合適的加、減速度以及時(shí)間，確保軌跡的平滑性和料盒內(nèi)芯片不會(huì)溢出。同時(shí)，對(duì)于智能機(jī)器人搬運(yùn)上下料的柔性，采用移動(dòng)式AGV技術(shù)和機(jī)器人搭載工業(yè)視覺技術(shù)，使得多機(jī)臺(tái)上下料的柔性化程度和生產(chǎn)效率都有大幅提升。如圖14所示，為移動(dòng)機(jī)器人車間上下料實(shí)驗(yàn)。

本次車間實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中AGV的移動(dòng)速度大約為40～60m/min，機(jī)器人的移動(dòng)速度約為高速500mm/s、中速300mm/s、低速100mm/s。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)LED生產(chǎn)車間的實(shí)際生產(chǎn)需求和車間閉境完成了移動(dòng)式機(jī)器人上下料系系的搭建，設(shè)計(jì)了部分工裝零部件，完成了部分機(jī)械、電氣部件的選型，為移動(dòng)式機(jī)器人上下料奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)于LED制造行業(yè)機(jī)器人上下料提供了很好的范用。采用AGV、機(jī)器人和機(jī)器視覺的組合方式，柔性化的程度簡(jiǎn)化了人工操作的模式，提高了操作的安全性，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，大大提高了工作效率，對(duì)于無人智能制造車間的發(fā)展有很大的推動(dòng)力，具有較好的推廣價(jià)值。

圖15 移動(dòng)機(jī)器人車間上下料實(shí)驗(yàn)情況

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