具有區(qū)域移動能力的協(xié)作機器人技術(shù)研究

周 兵

上海發(fā)那科機器人有限公司 上海 201906

1 研究背景

智能工廠是構(gòu)成工業(yè)4.0的核心元素。在智能工廠內(nèi),不僅要求單體設(shè)備是智能的,而且要求工廠內(nèi)的所有設(shè)施、設(shè)備與資源實現(xiàn)互聯(lián)互通,以滿足智能生產(chǎn)和智能物流的要求。智能物流是工業(yè)4.0的核心組成部分,在工業(yè)4.0智能工廠框架內(nèi),智能物流是連接供應(yīng)、制造和客戶的重要環(huán)節(jié),也是構(gòu)建未來智能工廠的基石。智能單元化物流技術(shù)、自動物流裝備及智能物流信息系統(tǒng)是打造智能物流的核心元素[1]。

近年來,國內(nèi)生產(chǎn)制造工廠內(nèi)的生產(chǎn)自動化技術(shù)在不斷升級,但是工廠內(nèi)的物流輸送部分還相對落后,物料在各生產(chǎn)單元間傳輸大多依靠傳統(tǒng)的人工上料方式[2]。如果全部通過輸送線的方式輸送物料,整個工廠內(nèi)設(shè)備的布局將受到極大限制。在國內(nèi)最先進的汽車工廠中,以一個年產(chǎn)量為30萬輛的整車制造工廠作為參考,包括倉儲、短駁、揀貨、上線等操作在內(nèi)的廠內(nèi)物流費用1年一般可達到2億元。隨著人力成本的增加,這一數(shù)據(jù)將不斷增大。可見,通過技術(shù)創(chuàng)新提高廠內(nèi)物流效率及自動化勢在必行[3]。

針對現(xiàn)狀,筆者提出將協(xié)作機器人安裝在自動導引小車(AGV)上,組成具有區(qū)域移動能力的協(xié)作機器人,進行廠內(nèi)物流自動運輸,可以有效滿足工廠內(nèi)物流自動化的需求。

2 協(xié)作機器人

目前對傳統(tǒng)工業(yè)機器人的使用還存在許多不足之處,具體包括:① 機器人基本靠離線或在線編程完成預先設(shè)定動作,智能化程度不高;② 由于環(huán)境自適應(yīng)性差、結(jié)構(gòu)笨重、運行噪聲大,為保證安全,機器人基本工作在隔離網(wǎng)內(nèi),缺少人機交互;③ 機器人安裝調(diào)試周期長,不能適應(yīng)企業(yè)對客戶的快速響應(yīng)和市場變化;④ 機器人成本較高,企業(yè)一次性投入負擔比較重[4]。

為順應(yīng)市場需求,協(xié)作機器人悄然誕生。這種新型機器人能夠直接和人工一起并肩工作,而無需使用安全圍欄進行隔離。

協(xié)作機器人具有以下優(yōu)勢:① 通過多傳感器融合,提高機器人的智能水平,使編程更加簡單,并提升環(huán)境適應(yīng)性;② 結(jié)構(gòu)靈巧,低功耗,低噪聲,無需安全圍欄,實現(xiàn)人機并肩工作;③ 小型,輕巧,可移動,安裝方便,即插即用,可為用戶降低成本,縮短工作時間;④ 使用范圍廣,不僅可以用于工業(yè)制造領(lǐng)域,而且可以用于家庭服務(wù)、休閑娛樂場合[4]。

對于人機協(xié)作場景下機器人主動避碰的方法,已經(jīng)有很多研究[5],市場上較為成熟的協(xié)作機器人都是通過力傳感器檢測接觸力的方法來保證人員安全的。

目前,全球最大的機器人生產(chǎn)制造商發(fā)那科生產(chǎn)的協(xié)作機器人,采用安全色彩設(shè)計的綠色外觀,手臂以軟性材料包裹,整個機身配備力傳感器,最小可以設(shè)置至1 N觸碰力的情況下立即停機,可在開放環(huán)境中與工人一起工作。另外,該類型機器人具有牽引示教功能,工人可拉拽機器人手臂進行編程,自動生成路徑程序,大大方便了現(xiàn)場的調(diào)試工作。當前市面上的協(xié)作機器人多以輕質(zhì)、靈巧設(shè)計為主,機器人的最大負載大多小于10 kg。發(fā)那科開發(fā)的協(xié)作機器人最大負載可達到35 kg,這也是目前世界上負載最大的協(xié)作機器人。發(fā)那科協(xié)作機器人如圖1所示。

圖1 發(fā)那科協(xié)作機器人

3 區(qū)域移動能力的協(xié)作機器人系統(tǒng)架構(gòu)

具有區(qū)域移動能力的協(xié)作機器人系統(tǒng)將協(xié)作機器人與AGV結(jié)合使用,其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。協(xié)作機器人安裝在AGV上。機器人控制柜與機器人本體連接,可控制機器人的運動。機器人控制柜通過電源逆變器連接AGV電池進行供電。另外,機器人控制柜還需要與AGV本體進行信號連接,以便兩種設(shè)備可以協(xié)調(diào)工作。AGV本體具有電磁或光學等自動導引裝置,控制行駛路徑。AGV電池為可充電的蓄電池,安裝在電池倉內(nèi),為AGV提供動力。通過地面AGV交通管制系統(tǒng)來調(diào)度AGV的行進路線。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

AGV為輪式移動,底部有主動輪,相比步行、爬行或其它非輪式移動設(shè)備,具有行動快捷、工作效率高、結(jié)構(gòu)簡單、可控性強、安全性好等優(yōu)勢[6-7]。AGV的引導方式有多種,比較常用的是電磁感應(yīng)引導、視覺引導、激光引導和磁引導等[8]。AGV本體可以背負幾百千克至數(shù)噸質(zhì)量的負載,在本體平臺上設(shè)計物料放置工位,以便物料在運輸過程中進行放置。與物料輸送中常用的其它設(shè)備相比,AGV的活動區(qū)域無需鋪設(shè)軌道、支座架等固定裝置,不受場地、道路和空間的限制,因此,在自動化物流系統(tǒng)中,AGV最能體現(xiàn)自動性和柔性,可實現(xiàn)高效、經(jīng)濟、靈活的無人化生產(chǎn)[9]。

4 高精度定位

具有區(qū)域移動能力的協(xié)作機器人系統(tǒng)采用無線纜束縛的AGV,實現(xiàn)在工廠區(qū)域內(nèi)的柔性移動。協(xié)作機器人的使用可保證在無安全防護圍欄的作業(yè)環(huán)境中不會對人身安全產(chǎn)生威脅,視覺系統(tǒng)的配置可保證協(xié)作機器人對物料的準確定位。通過上述技術(shù),構(gòu)建了一個可實際應(yīng)用的具有區(qū)域移動能力的協(xié)作機器人作業(yè)平臺。

由于使用具有區(qū)域移動能力的協(xié)作機器人在各個工位間進行物料傳輸,因此如何使系統(tǒng)能夠準確無誤地識別物料位置,進而使機器人準確抓取物料,是系統(tǒng)需要解決的問題。

在實際工廠中,如果各個物料的上下料工位有自動機械工裝定位,那么其位置是準確定位的。如果物料的上下料工位沒有自動工裝定位,那么其位置是不定的,每次抓取前需對物料進行定位。另外,就AGV自身的移動定位精度而言,無論采用何種導航方式,AGV的定位誤差精度就在5～10 mm之間,所以,具有區(qū)域移動能力的協(xié)作機器人在每次到達同一個工位時,是存在位置誤差的。

針對以上情況,在機器人手爪上安裝一個視覺相機。這一相機可以是二維視覺相機,用于物料在平面上定位,也可以是三維視覺相機,用于物料可能出現(xiàn)的傾斜。

在具有區(qū)域移動能力的協(xié)作機器人到達每個工位時,機器人通過視覺系統(tǒng)對物料進行拍照定位,得到機器人與物料間的相對位置偏差。機器人補償相對位置偏差后準確抓取物料,放入AGV物料平臺上暫存,并移動到下一工位。如果需要下料,可對下料位置的工裝或輸送設(shè)備進行拍照定位,然后抓取物料進行下料工作。

通過上述視覺設(shè)備,可以有效補償物料定位及AGV行走造成的位置偏差。以使用130萬像素的二維視覺相機為例,采用8 mm鏡頭,使用小型協(xié)作機器人,拍照高度在400 mm,可以對336 mm×315 mm視野范圍內(nèi)的物料或工裝特征進行拍照定位,理論定位精度可達到0.3 mm,解決了高精度定位抓取的問題。

5 系統(tǒng)安全

對于具有區(qū)域移動能力的協(xié)作機器人而言,系統(tǒng)安全首要考慮的是對人員的保護,其次則是系統(tǒng)的自我保護。具有區(qū)域移動能力的協(xié)作機器人,其服務(wù)對象是人類,為了保護人類免受傷害,需要各種傳感器來限制機器人自身的行為,防止系統(tǒng)與周圍的人或物碰撞。

為確保安全,需要在AGV本體上安裝智能檢測傳感器。當具有區(qū)域移動能力的協(xié)作機器人在各工位間行走時,機器人在AGV上處于手臂收縮狀態(tài),且機器人無動作。AGV本體上有智能檢測傳感器,傳感器可以設(shè)置為對行走路徑上的扇形區(qū)域掃描,一旦有人員或其它物品在路徑前方,傳感器檢測到后AGV立即停止行走。待人員或物品移動到路徑以外后,AGV可自行恢復行走,保證自動化物料運輸過程中的安全問題[10]。當具有區(qū)域移動能力的協(xié)作機器人處于物料上下料階段時,AGV停止行走,機器人動作。如果有人員觸碰到機器人,機器人本身的力傳感器檢測到外力后,動作將立即停止,保證人員安全。操作人員只需按下復位按鈕,機器人便可繼續(xù)抓放作業(yè)。

6 供電及電氣控制架構(gòu)

具有區(qū)域移動能力的協(xié)作機器人需要在工廠內(nèi)各個工位間行走,因此系統(tǒng)不能通過傳統(tǒng)電纜連接方式供電。AGV本身可以攜帶電池模塊,常用的AGV電池多為24 V或48 V直流供電[11],而傳統(tǒng)的機器人供電方式為三相交流380 V或單相交流220 V,且一般為通過電纜連接供電。因為本系統(tǒng)的特殊構(gòu)造,所以無法使用傳統(tǒng)的供電方式向機器人供電。

在AGV平臺上,安裝一個電源逆變器,可以將AGV電池的直流電逆變?yōu)闄C器人所需要的交流電。在工廠內(nèi)專門設(shè)計AGV充電工位,在具有區(qū)域移動能力的協(xié)作機器人無工作任務(wù)時,機器人自動行走至充電工位,AGV電池充電。待需要物料運轉(zhuǎn)時,通過控制系統(tǒng)下發(fā)命令,機器人離開充電位置,進行上下料工作。

具有區(qū)域移動能力的協(xié)作機器人控制系統(tǒng)由自動化控制系統(tǒng)、AGV交通管制系統(tǒng)、AGV本體控制器及機器人控制柜系統(tǒng)組成。工廠內(nèi)制造執(zhí)行系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)需要,與自動化控制系統(tǒng)和AGV交通管制系統(tǒng)實現(xiàn)通信,下達生產(chǎn)物料運轉(zhuǎn)任務(wù)。自動化控制系統(tǒng)根據(jù)要求給出信號指令,通過AGV系統(tǒng)中轉(zhuǎn)傳輸給機器人調(diào)用相應(yīng)的抓取程序。AGV交通管制系統(tǒng)主要負責任務(wù)分配、車輛調(diào)度、路徑管理、交通管理、自動充電等功能[12]。AGV本體控制器在收到AGV交通管制系統(tǒng)的指令后,負責AGV的導航計算,實現(xiàn)導引、車輛行走等功能。AGV到達相應(yīng)的上下料工位后,將自動化控制系統(tǒng)的信號指令傳輸給機器人控制柜系統(tǒng)。機器人控制柜系統(tǒng)得到指令信號后,調(diào)用機器人程序完成上下料工作,并回傳完成信號,通過AGV系統(tǒng)傳輸給自動化控制系統(tǒng)。其中,AGV交通管制控制器與AGV本體控制器通過工業(yè)級無線保真網(wǎng)絡(luò)模塊進行信號連接傳輸。

通過上述連接方式,整個系統(tǒng)完成整體通信控制,一套地面控制系統(tǒng)可以控制多個具有區(qū)域移動能力的協(xié)作機器人,使其有效地在工廠內(nèi)工作。電氣信息控制連接流程如圖3所示。

圖3 電氣信息控制連接流程

7 結(jié)論

筆者提出了具有區(qū)域移動能力的協(xié)作機器人,可以在工廠內(nèi)各加工單元之間進行物料傳輸,很好地滿足了工廠內(nèi)物流自動化的需求。這一系統(tǒng)的應(yīng)用,既可以減少工廠內(nèi)傳統(tǒng)輸送設(shè)備的數(shù)量,又可以保證物料流轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性,同時便于信息化技術(shù)對物料流轉(zhuǎn)的管控,使工業(yè)4.0智能工廠得以更好的實現(xiàn)。