機(jī)器人碼垛控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與自動(dòng)抓手研制

周 皓，薛 炎

（1.蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 太倉215411；2.蘇州德斯米爾智能科技有限公司，江蘇 太倉215411）

由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及機(jī)器人技術(shù)和人工智能控制技術(shù)的成熟，日本，德國(guó)，美國(guó)，瑞典，意大利，韓國(guó)這些國(guó)家，在很多碼垛機(jī)器人的發(fā)展上進(jìn)行了許多深入的研究，且都研發(fā)出了屬于本國(guó)的碼垛機(jī)器人。反觀中國(guó)，碼垛機(jī)器人的研制和推廣遭受到各方因素的限制與阻礙，發(fā)展相較于國(guó)際十分緩慢，科研水平和推廣狀況都不容樂觀。自從邁入二十世紀(jì)八十年代，深化的對(duì)外開放和對(duì)內(nèi)改革，越發(fā)促進(jìn)了中國(guó)碼垛機(jī)器人研究水平的提升。機(jī)器人在如今已經(jīng)成為社會(huì)工業(yè)生產(chǎn)生活中必不可少的一部分。用于企業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防用途的機(jī)器人研究，門檻相當(dāng)?shù)母摺Ｄ壳?，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化最發(fā)達(dá)的領(lǐng)域在兩個(gè)方面——工業(yè)生產(chǎn)和軍事。在上面的兩個(gè)領(lǐng)域，中國(guó)的基礎(chǔ)很不扎實(shí)，與它有關(guān)的大部分基礎(chǔ)設(shè)備都不完善，而且研制風(fēng)險(xiǎn)性也相當(dāng)大。成本、市場(chǎng)規(guī)模、技術(shù)含量、用途、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)等因素都從各個(gè)方面綜合影響著機(jī)器人研發(fā)的成敗。

本文研究的是如何利用已有的庫卡機(jī)器人來完成箱體的搬運(yùn)工作。首先需要熟悉庫卡機(jī)器人的原理，并可以熟練掌握機(jī)器人的操作方法，接著，依照現(xiàn)有條件，設(shè)計(jì)出箱體、自動(dòng)抓手和連接環(huán)節(jié)。然后將這些硬件組裝到機(jī)器人上，完成硬件方面的設(shè)計(jì)和安裝。之后就要熟悉機(jī)器人的通訊配置方法和程序編輯模式，這樣便可以完成通信和編程，從而達(dá)到搬運(yùn)箱體的要求。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 運(yùn)行流程

機(jī)器人箱體搬運(yùn)系統(tǒng)的運(yùn)行流程如圖1 所示。

圖1 機(jī)器人箱體碼垛系統(tǒng)的運(yùn)行流程圖

2 工藝流程

在機(jī)器人箱體碼垛系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，首先要分析設(shè)計(jì)要求、機(jī)器人工作臺(tái)、通信協(xié)議、現(xiàn)場(chǎng)總線等。另外還包括箱體、自動(dòng)抓手和連接環(huán)節(jié)，以及軟件上的運(yùn)行程序等設(shè)計(jì)。自動(dòng)抓手的制作分為以下幾個(gè)步驟：設(shè)計(jì)自動(dòng)抓手→依照原理設(shè)計(jì)草圖→繪制抓手零件設(shè)計(jì)草圖→依據(jù)草圖制作抓手零件→拼裝零件得到完整抓手。接著就要根據(jù)抓手根部的孔型和機(jī)械臂頭部的孔型制作連接部件，然后將自動(dòng)抓手連接到機(jī)器人上。完成硬件準(zhǔn)備工作后，就要考慮軟件的設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)編程軟件的使用方法后，就可以完成I/O 配置和編輯程序，機(jī)器箱體碼垛系統(tǒng)的工藝流程如圖2 所示。

圖2 機(jī)器人小箱體碼垛系統(tǒng)的工藝流程圖

3 硬件和軟件設(shè)計(jì)

3.1 基本硬件配置

根據(jù)控制要求本系統(tǒng)的主體部分是由庫卡機(jī)器人組成，庫卡機(jī)器人則是有主機(jī)箱、KRC2 控制器、庫卡控制面板、外接輔助設(shè)備這幾大組成部分。前三項(xiàng)設(shè)備都是實(shí)驗(yàn)室本身具備的。而最后的輔助設(shè)施就是課題需要設(shè)計(jì)的自動(dòng)抓手以及抓手與機(jī)器人連接的中間環(huán)節(jié)。在外部各設(shè)備準(zhǔn)備完成后，就需要選擇合適本研究要求的端子模塊。

3.2 I/O 配置

使用DeviceNet 協(xié)議進(jìn)行通訊從而找到“操作員”目錄下進(jìn)行配置I/0。（1）輸入信號(hào)

Inw0=1，0，x30;1 as MACID

（2）輸出信號(hào)

Outw0=1，0，x10

（1）、（2）兩步完成后，即表明I/O 配置完成。

I/O 配置信號(hào)說明如圖3 所示。

圖3 I/O 配置信號(hào)說明

3.3 電氣原理圖

電氣原理圖如圖4 所示。

圖4 庫卡機(jī)器人電氣原理圖

機(jī)器人工作原理如圖5 所示。

圖5 庫卡機(jī)器人工作原理圖

（1）KCP：庫卡控制面板?？傮w控制裝置。

（2）MFC：多功能卡。

（3）X11：電子安全回路接口。

（4）KPS：驅(qū)動(dòng)總線電力部件。

（5）ESC-C1：電子安全回路[9]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與質(zhì)量檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表4.1 所示。

表4.1 箱體拆解檢測(cè)結(jié)果

從表4.1 中可知箱體在第二部分的拆解階段的試驗(yàn)結(jié)果是滿足要求的。其中出現(xiàn)的較大誤差是由于碰撞造成箱體產(chǎn)生形變從而導(dǎo)致其偏離標(biāo)準(zhǔn)位置的幅度較大。但它們?nèi)匀辉谡n題的要求內(nèi)。所以實(shí)驗(yàn)是成功的。

5 結(jié) 語

本文以庫卡機(jī)器人作為硬件基礎(chǔ)，通過Device Net 現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通訊配置以實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，控制機(jī)械抓手來實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)行為。這就提供了了安全可靠的箱體搬運(yùn)控制系統(tǒng)，提高了工作效率，滿足了本課題的需求。本課題的關(guān)鍵就在于Device Net 現(xiàn)場(chǎng)總線在機(jī)器人通訊中的運(yùn)用。

庫卡機(jī)器人作為一種先進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人，可以滿足各種工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)需求，同時(shí)它的操作方法也比較容易掌握。相信在不久的將來，搬運(yùn)機(jī)器人的發(fā)展會(huì)使本系統(tǒng)更加可靠、簡(jiǎn)便。從而得到大眾廣泛的認(rèn)可。