基于智能交叉帶分揀系統(tǒng)的機械臂設(shè)計

高國亮， 鞏 雪

(哈爾濱商業(yè)大學 輕工學院， 哈爾濱 150028)

隨著社會的不斷發(fā)展和進步，人工分揀包裹逐漸已經(jīng)被取代，隨之而來的是高度智能機械化分揀包裹，在分揀環(huán)節(jié)中，機械臂已經(jīng)成為了不可缺少的一部分，從機械臂問世到現(xiàn)在，隨著科學技術(shù)的不斷進步，機械臂開始在各個領(lǐng)域得到了應(yīng)用，并且在快遞分揀方面開始取代人力.最早的機械臂通過安裝在手臂上的操作工具和設(shè)備的不同代替人類做一些繁重的搬運工作，由于速度快，承載能力大，精度高，對提高生產(chǎn)效率起到了很大的作用，現(xiàn)在的機械臂主要應(yīng)用在汽車行業(yè)，例如，日本豐田、德國寶馬都已經(jīng)把機械臂應(yīng)用到生產(chǎn)線的各個位置進行一些搬運、焊接、噴涂等工作.另外，機械臂在電子產(chǎn)品、化工、食品、軍事等領(lǐng)域也都起著很大的作用.近年來，機械臂在倉儲物流業(yè)中迅猛發(fā)展，AGV、碼跺機器人、分揀機器人應(yīng)用在物流的各個領(lǐng)域.例如，加拿大機械臂公司clearpathrobotic參與研究的搬運機械臂解決了搬運大體積物料運輸.日本的Yaskawa、OTC也一直致力于研究搬運機械臂，國內(nèi)對于機械臂研究起步較晚，通過借鑒國外的優(yōu)秀研究結(jié)果，各大高校紛紛加入到研究機械臂中，中科院，哈爾濱工業(yè)大學、國防科技大學等都研究出了有代表性的機械臂，大大推動了中國的機械臂研究進程[1-3].由于現(xiàn)在交叉帶分揀系統(tǒng)中分揀小車對于搬運物品的體積有限制，對于大件包裹必須由人工進行搬運，所以本文主要研究一款搬運機械臂，從而應(yīng)用到運輸帶的兩側(cè)以及分揀格口旁邊進行包裹的搬運，從而節(jié)省工人的勞動強度，也間接地提高交叉帶的分揀效率，保證分揀的精度[4-5].

1 交叉帶結(jié)構(gòu)組成以及相應(yīng)的功能

交叉帶分揀機包括、供包裝置、供包臺、主機、格口、機械臂組成，通過這幾部分共同完成包裹分揀任務(wù)[6-7].

1.1 供包裝置

供包裝置即伸縮帶式輸送機，通過伸縮裝車機卸貨，送到送料口1，然后快速的通過運輸帶，在通過的過程中，2號光電傳感器如果檢測到有大件包裹，然后反饋到主控制器，主控制器指揮3機械臂抓取到24號運輸帶上，然后24號運輸帶運送到相應(yīng)的格口.格口附近也安裝有光電傳感器和機械臂，光電傳感器接受到主控制器發(fā)來的信號以后，等到包裹到達相應(yīng)的位置就會把信息反饋回主控制器，然后主控制器指揮格口處的機械臂抓取相應(yīng)的包裹進入格口，完成包裹落包.小件包裹通過運輸帶進入26號運輸帶，送入上包臺[8].

1.2 供包臺

供包臺的結(jié)構(gòu)由三部分組成，掃描區(qū)、等待區(qū)、加速區(qū).包裹先進入4號掃描臺，掃描臺經(jīng)過掃描獲得包裹條碼信息后，把包裹的出發(fā)地以及包裹的到達哪個格口或滑槽區(qū)還有其他信息或包裹能否順利落入格口一并傳給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，且掃描區(qū)的工業(yè)相機安裝的位置必須正好可以掃描到包裹的二維碼，防止出現(xiàn)掃描不到二維碼信息.已經(jīng)掃描的快遞在信號控制下進入等待區(qū)等候.而且不能同時兩個等候，只需要一個快遞等候.當模電傳感器檢查到有的小車上沒有快遞時，然后匹配相應(yīng)的小車，同時等待區(qū)的控制小車把包裹運送到加速區(qū)，通過加速區(qū)的控制小車把快遞運到匹配好的小車上，通過小車把包裹送入格口.若格口處的模電傳感器顯示格口已經(jīng)滿格的話，包裹在等待區(qū)的時候就會收到信息，返回掃描區(qū)重新開始掃描，重復(fù)原來的步驟，直至格口沒有包裹，然后再分揀.掃描區(qū)掃描不到的包裹直接返回以前的傳送帶重新進入掃描臺開始掃描，不能掃描的包裹返回到人工掃碼區(qū)進行掃描.交叉帶分揀機整體結(jié)構(gòu)圖如圖1[9-11].

1.3 主機

主機對于設(shè)備整體運行起著很重要的作用.主機上的小車都有自己的號碼，而且每個小車上都有各自的模電傳感器.通過模電傳感器不斷接受信息，不間斷的進行上包、分揀、落包，重復(fù)以上步驟.當包裹到達要進入的格口位置時，小車上的控制器控制小車帶的正反轉(zhuǎn)將包裹送入相應(yīng)的格口或滑槽.加速區(qū)與環(huán)行圈主機呈45°夾角，方便包裹順利進入小車，且與主機速度匹配以確保包裹平穩(wěn)的運送到小車上.

1.4 格口

滑槽或格口的模電傳感器向主控制器傳達自己的號碼.當小車經(jīng)過格口或滑槽時，模電傳感器檢查到小車上沒有相應(yīng)的包裹，就會發(fā)送消息給主控制臺，由主控制臺工作人員指揮供包臺，給相應(yīng)的包裹匹配合適的小車，由小車送到相應(yīng)的格口.在環(huán)形小車將包裹運輸?shù)礁窨诨蚧蹠r，由于有的包裹不能受到激烈的碰撞，所以格口或滑槽部分必

須進行相應(yīng)的調(diào)整.首先，必須給格口或滑槽部分加裝一些比較軟的材料,如纖維狀物質(zhì)等.或者把格口或滑槽處設(shè)置成圓弧狀，并將滑槽加工成傾斜皮帶運輸?shù)囊粋?cè).

交叉帶式分揀系統(tǒng)如圖1所示.交叉帶分揀機整體流程圖如圖2所示.

1—送料口；2、8、9、10、11、12、13、14、15—格口信息顯示器；4—掃碼區(qū)；5—等待區(qū)；6—加速區(qū)；7—運輸小車；16、17、18、19—滑槽；20、21、22、23—格口；3、31、32、33、34—機械臂圖1 交叉帶式分揀系統(tǒng)簡圖Figure 1 Schematic diagram of cross-belt sorting system

圖2 交叉帶分揀系統(tǒng)運輸流程圖Figure 2 Transportation flow chart of cross belt sorting system

2 機械臂設(shè)計

傳統(tǒng)的交叉帶分揀機大件包裹直接進入人工通道進行分揀，本文為了提高分揀效率，節(jié)省勞動力，專門設(shè)計了一種機械臂代替人力進行分揀.

2.1 機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械臂的三維圖如圖3所示.由旋轉(zhuǎn)臺、肩部、大臂、軸部、小臂、以及吸盤組成.旋轉(zhuǎn)臺是整個機械臂的基礎(chǔ)，旋轉(zhuǎn)臺可以實現(xiàn)繞X軸進行360°旋轉(zhuǎn)，肩部主要安裝在旋轉(zhuǎn)臺之中，可以沿著旋轉(zhuǎn)臺一側(cè)進行旋轉(zhuǎn)，大臂底部連接著肩部，可以實現(xiàn)繞Y軸進行270°旋轉(zhuǎn)，且尺寸較大.用來實現(xiàn)手臂末端的的空間位置.軸部連接著大臂頂部，可以實現(xiàn)沿著一個方向的旋轉(zhuǎn)運動，小臂其中一側(cè)連接著小臂，同樣可以實現(xiàn)270°旋轉(zhuǎn)，尺寸較小，用來實現(xiàn)機械手末端的姿態(tài).在吸盤吸住包裹時，通過大臂和小臂的上下左右的移動來進行搬運，可以有效解決搬運過程中機械臂限制因素，同時能夠保證搬運的精準度，各部分的移動旋轉(zhuǎn)動力由步進電機來提供，步進電機可以為機械臂的移動旋轉(zhuǎn)提供足夠的動力，保證機械臂的速度和精度，并且通過各個步進電機的協(xié)同配合來實現(xiàn)把包裹準確的放到目的地.實現(xiàn)包裹的快速搬運.

這款機械臂工作迅速、穩(wěn)定、動作靈敏，在功能方面較其他傳統(tǒng)機械臂更加健全，其功能如下：1)在結(jié)構(gòu)方面設(shè)計比較靈活，在旋轉(zhuǎn)臺、肩部以及軸部的設(shè)計方面，旋轉(zhuǎn)范圍更加廣泛靈活，工作起來不會受到動作的限制，工作效率非常高.且大臂和小臂也可以上下左右運動，非常適合在倉儲物流中夾取包裹；2)工作比較穩(wěn)定，運動頻率比較快，不容易損壞. 適應(yīng)性較強；3)機械臂材質(zhì)較好，整體結(jié)構(gòu)具備較強剛度，可以在環(huán)境中承受更多沖擊.

圖3 機械臂的三維圖Figure 3 Three-dimensional diagram of the robot arm

2.2 機械臂控制柜組成

機械臂控制柜主要由上位機、動力源部分、PLC控制模塊和驅(qū)動電機裝置構(gòu)成.首先，動力源為驅(qū)動電機、驅(qū)動電機裝置提供電機旋轉(zhuǎn)的電源，控制電機轉(zhuǎn)速，主控制裝置包括：驅(qū)動電機裝置和PLC控制裝置組成，驅(qū)動電機裝置和PLC控制模塊相互聯(lián)合，驅(qū)動電機裝置和驅(qū)動電機聯(lián)合，PLC控制模塊用來連接電源和驅(qū)動電機裝置，由上位機發(fā)送指令到主控制裝置，主控制裝置通過PLC推動驅(qū)動裝置工作，促使機械臂開始工作，工作過程中，主控制裝置把機械臂的工作狀態(tài)實時的傳送回上位機，上位機一直可以檢測到機械臂的運動狀態(tài)，當出現(xiàn)錯誤，可以立即做出改變，從而進行遠程監(jiān)督和控制[12-14].

2.3 機械臂工作原理

當包裹從送料口進入主運輸線上時，如果檢測到大件包裹，光電傳感器會給機械臂的上位機發(fā)送大件包裹信息，上位機把大件快遞的命令傳送給機械臂的主控制裝置上，由主控制裝置通過PLC控制模塊開始接通驅(qū)動電機裝置，驅(qū)動電機裝置開始工作，給驅(qū)動電機提供足夠的動力，由驅(qū)動電機指揮機械臂把包裹運送到25號運輸帶上，當包裹經(jīng)過格口時，格口附近的機械臂同樣執(zhí)行此操作[15].

3 結(jié) 語

由于近年來的快遞業(yè)務(wù)量的迅猛增加，快遞公司急需要快速的分揀包裹，同時也應(yīng)該在分揀環(huán)節(jié)防止損壞包裹.因此，本文針對大件包裹進行人工分揀專門設(shè)計了機械臂，將其應(yīng)用到分揀線上，極大的提高了物流運輸效率，節(jié)省了勞動力.