桁架機器人分揀控制和信息系統研究與應用

劉玉絨，文才偉，陳劍鋒，張廣會，賈照麗

（廣東信源物流設備有限公司，廣東 廣州 510507）

隨著電商行業在中國的迅猛發展，“雙十一、雙十二”、“好物節”、“618”等購物節的刻意經營，中國的快遞輸送行業以令世界驚奇的速度擴張著。

快遞輸送行業最關鍵的就是效率。傳統的模式是人工進行多個環節的處理，一個60人左右的班次要處理5到10萬票快件，每個人都忙得不可開交。很多快遞公司都暴露出工作強度大、招工難、暴力分揀、錯誤分揀等問題。因此，人力分揀的局限性就凸顯出來。在目前自動化、信息化和網絡化大潮下，如何進行快遞輸送行業的技術更新就顯得尤為迫切。

1 快遞輸送中心分揀作業流程簡述

快遞輸送中心是用來作中轉的場所，在快遞行業中可以說是舉足輕重的關鍵部門之一，其主要流程有收貨、到貨、卸貨、分揀、裝車和出貨。

分揀，是整個快遞輸送流程的重中之重，是決定快遞能快速到達收貨人手中的關鍵因素之一。很多快遞輸送分揀中心目前主要還是使用人力進行分揀，再通過膠帶輸送機進行輸送。分揀是在快遞被卸貨到輸送機之后，操作員在輸送機旁，利用手中的條碼識別裝備（如掃描槍），按照外包裝上的條形碼標簽，對緩慢通過的快件進行按代碼挑選分配路向，并將包裹拉或者拿到相應路向的輸送線上，比如廣東方向的快遞包裹定義為路向1往輸送機A、上海方向的快遞包裹定義為路向2往輸送機B……。由于受電商飛速發展的影響，快遞包裹的時效性很強，這個環節常常是錯發件的源頭。

物流快遞分揀作業從階段和工序劃分可分為粗分和細分等。粗分又有卸貨時的簡單識別，如包裹重量、形狀和大小等的分類；也有到達特定區域的按省市等大路向的分揀，如按廣東省、湖南省等進行分揀。細分則是粗分后再一次進行更細致的分揀，因后續為裝車環節，故而這一環節需要對可以運輸到某一區域中心的包裹進行分類分揀，如廣東省內的各市區的包裹。因中國地域遼闊，分揀作業的工藝就顯得特別復雜，特別是對于客戶多、貨物品種多、需求批量小、需求頻率高、送達時間要求準的配送服務，分揀作業的速度和質量直接影響到整個快遞分揀中心的信譽和生存。

2 機器人自動分揀作業系統

有統計數據顯示，分揀作業所需人力占物流分揀中心人力資源的50%以上；分揀作業所需時間占物流中心作業時間的40%；分揀作業的成本占物流中心總成本的15%至20%。

以廣州市某分揀中心采用人工分揀60萬件/天，用1 000人兩班倒作業，12小時工作制，人均效率1 200件/小時。但實際上，由于時效性，往往快遞分揀作業是高峰期作業量特別突出。因此，也面臨著人力分配和勞動強度嚴重不均衡等突出的現實問題。

就一個二級城市的中轉場而言，像長沙、東莞等，分揀作業需要的人工為60～100個，還不包括雙十一等節假日在內。

智能機器人技術近10年在許多行業得到了廣泛應用，如汽車生產裝配等。如果利用智能機器人和自動條碼識別技術，將人工搬運/分揀/建包部分實現半自動化或全自動化，從而使得運作布局合理化，效率最大化。

智能機器人分揀矩陣是將智能機器人分揀系統的工作路徑布局為矩陣形式，一般在快遞貨物分揀時，由于分揀量大，采用單條輸送機線性分揀效率無法滿足要求，所以采用多縱多橫的矩陣方式（n*m ），每個縱向（n ）對應多個到貨（卸貨/入庫），每個橫向（m ）對應多個出口（線路/裝車發運），這樣大幅度提升作業的空間，從而提升分揀效率。

分揀矩陣1（ n=1 ）、2（ m= 2），指卸貨輸送線1條、分揀貨物至裝車發運線2條。

以某快遞中轉場的人工分揀矩陣為例，所包含的人工位為20*2=40個，業務繁忙時間則需要80個分揀員同時作業。某快遞中轉場分揀環節平面圖如圖1所示：

圖1 某快遞中轉場分揀環節

采用機器人/機械臂自動分揀典型布局如圖2所示：

圖2 機器人/機械臂自動分揀典型布局示意圖

3 自動條碼識別和光柵自動外形與軌跡辨識系統

采用自動條碼識別技術，對經過輸送線的包裹進行條碼辨識、路向獲取及包裹信息的收集。利用光柵工作原理結合輸送線實時位置和速度跟蹤，校核包裹相關特征，如原始包裹的長、寬、高等。自動條碼掃描識別和自動外形與軌跡辨識，這是成功實現智能機器人自動分揀的前提。

快遞包裹經過光柵傳感器后會遮擋光線，光柵傳感器實時發送信號到辨識控制與信息系統，系統根據快遞包裹運行速度、光線實時遮擋情況計算出快遞的外形尺寸，確定貨物是否在系統可分揀快遞尺寸范圍內，對于不符合尺寸要求的超大、超小件進行剔除處理，防止造成堵貨、夾件等情況發生，確保自動分揀系統的可靠性。

4 輸送機硬件配置及輸送原理分析

典型快件包裹在快遞分揀輸送機上的簡圖如圖3所示：

輸送機由下列設備或元器件組成：

圖3 典型輸送機配置示意圖

（1）膠帶輸送機/皮帶輸送機：輸送貨物；

（2）變頻器/伺服控制器：控制電機啟動停止；

（3）光電開關：檢測貨物進和出；

（4）光柵：檢測貨物尺寸；

（5）編碼器：檢測膠帶輸送機速度、位移等。

根據光電開關的工作機制，在快遞包裹經過光電時形成的信號來判斷貨物的一些特征。光電開關檢驗信號處理原理簡圖如圖4所示：

圖4 光電開關檢測信號處理原理簡圖

5 供件區單件流控制

使用以下方式多重保障貨物在經過自動條碼掃描儀前實現單件流，即包裹與包裹不緊靠、不堆疊、有足夠間隙。

（1）人工卸貨或放置貨物時，在膠帶機上進行網格化處理，保證在一定距離范圍內，僅存在唯一一件貨物，且面單即貨物的條形碼朝上；

（2）放置貨物后，利用輸送機與輸送機之間的間隙，前段輸送機和后段輸送機的啟動和停止來進行貨物與貨物之間的間距控制（gap控制）；

光電信號作為觸發信號，利用光電信號計算貨物長度/貨物與貨物之間的間距（gap）。單件流間距控制原理框圖如圖5所示：

圖5 單件流間距控制原理框圖

其中：V2：第二段輸送機速度，m/s；V1：第一段輸送機速度，m/s；T：時間，s。

6 機器人準確跟隨包裹運動及分揀控制原理

根據桁架機器人伺服控制原理，采用速度環、位置環和加速度環的三閉環控制算法。包裹在輸送線上動態移動，桁架在X/Y/Z方向上，對貨物/包裹進行動態跟隨。桁架機器人分揀仿真示意圖如圖6所示。

①輸送機位移（m）：s=v*t,v：膠帶線速度（m/s），t：時間（s）；

②包裹 （貨物） 長度 （m）：L=S下降沿-S上升沿；

③包裹 （貨物） 間隔 （m）：△L=S上升沿-S下降沿；

④包裹（貨物） 寬度/高度（m）：光柵反饋值。

（3）利用多段輸送機，進行速度差控制，后段輸送機比前段輸送機速度提高，利用以下公式計算位移差：

其控制原理圖如圖7所示：

對典型位置環、速度環及加速度環采用PI、PD或PID調節器的方式。

在通用控制系統中，控制器最常用是PID控制。PID控制系統原理框圖如圖8所示：

圖6 桁架機器人分揀仿真示意圖

PID控制器是一種線形控制器，它根據給定值rin（t）與實際輸出值yout（t）構成控制偏差：

PID的控制規律為：

或寫成傳遞函數的形式：

圖7 三閉環控制系統原理框圖

式中，kp為比例系數；T1為積分時間常數；TD為微分時間常數。

簡單說來，PID控制器各校正環節的作用如下：

（1）比例環節：反映偏差信號error（t），抑制或放大偏差，減小或加快系統的調節速度，kp越大，則系統調節速度越快。

（2）積分環節：主要用于消除偏差，提高系統的無差度。積分環節調節過快，則會產生超調。

（3）微分環節：反映偏差的變化速率，減少調節時間。

在本系統中，優先采用PI控制器。因輸送機在啟動和停車過程中，要保證不同形狀和重量的包裹在輸送機上不產生相對位移，需要加速度非常的平緩。因此，加速度控制環采用PID調節器。

7 具體系統設計

采用服務器和客戶端（管理層、現場層）的模式，開發相應的系統軟件平臺，實現系統數據的實時展示。

采用Microsoft Visual studio 2010開發環境的ASP.NET開發平臺和Microsoft SQL Server 2008關系型數據庫來實現。

（1） 總體框架圖（如圖9所示）

圖9 總體框架圖（左）硬件架構圖（右）

包裹管理信息系統：對包裹的狀態、條碼、路向信息等進行管理與對接。

設備控制信息系統：對機械臂、輸送線、條碼掃描儀等進行數據采集與數據分析處理。

（2）包裹管理信息系統與WCS倉庫管理信息系統之間進行數據交換對接交換如下信息：

①包裹條碼：包裹的唯一標識；

②包裹路向信息：關鍵信息，進行分揀調度的依據；

③包裹倉庫位置：可選擇信息；

④包裹發車信息：對包裹的時效性進行記錄和追蹤；

⑤包裹分發信息：對包裹狀態進行跟蹤和記錄；

⑥包裹自身信息：長、寬、高、重量、包裝材質，以便進行校核或直接利用原始信息進行分揀。

（3）設備控制信息系統

①對PLC控制系統的數據進行分析、歸納和處理。快遞分揀行業主要設備為輸送機，包括電氣部分（變頻器、伺服控制器、傳感器、指示燈等）和機械（電機、膠帶等）兩部分。

PLC控制系統架構圖如圖10所示：

圖10 設備控制信息系統示意圖

控制方式：

A.主控制器通過現場IO柜采集現場就地操作箱的各狀態后采取預設的控制方案控制各現場電機啟停。

B.主控制器通過現場IO柜采集遠程I/O（按鈕、急停等輸入點）的狀態，并控制接觸器、蜂鳴器、塔燈等輸出點的狀態。

C.主控制器收集各設備狀態并顯示于主控柜觸摸屏，通過觸摸屏可操作現場設備，并通過各狀態信息應對各種工況，例如：堵塞、急停、故障等。

控制功能：

A.線體啟動停止復位功能：可以通過主控制柜、觸摸屏、總控進行操作。

B.線體啟動停止順序：啟動時從下游依次逆序啟動，停止時從上游依次順序停止。

C.線體休眠喚醒功能：當入口光電長時間沒有檢測到貨物通過，則將線體停止運行，進入節能狀態；當檢測到貨物到來，則將線體喚醒運行。

D.線體休眠喚醒順序：線體進入休眠時從上游依次順序休眠停止，喚醒時從上游依次順序重新啟動。

E.阻塞檢測功能：線體在轉彎機及相關易卡包位置加裝光電檢測器件，當此處光電長時間遮擋的話，系統報阻塞故障，立即停止上游設備。

F.阻塞停機順序及復位重啟順序：阻塞停機時，上游立即停機；阻塞問題處理復位后，上游依次逆序重新啟動。

G.緊急停止功能：在線體設備位置均裝有急停開關，一旦出現異常涉及到人身和設備安全的情況下，可以按下附近急停按鈕，此線體立即斷電停機，相關線體停止貨物進入，系統塔燈發出相應的報警信息。

②桁架機械手分揀信息系統：對機器人進行監控和控制，并和其它系統進行實時數據交換，以進行分揀。

桁架機械手分揀信息系統流程圖如圖11所示：

A.機械臂的分揀機構采用擋板，對應最大尺寸包裹所適用的規格；

B.機械臂在線體上的分揀為動態分揀，先將機械臂和線體保持同速然后實施分揀；

C.包裹分揀后機器人退回原點位置或者跟隨下一個包裹的分揀路徑，以三軸（X/Y/Z）分揀4路向（A/B/C/D）分析，存在12種跟隨路徑：A-B、B-C、B-D、C-D、A-D、A-C、B-A、C-B、D-B、D-A、D-C、C-A；以單軸（Y） 分揀2路向（A/B）分析，存在2種跟隨路徑，A-B或B-A；

D.針對不同重量的包裹，機器人會調節放置速度以提高分揀的可靠性和成功率。

三軸機械臂安裝示意圖如圖12所示：

圖11 桁架機械手分揀信息系統流程圖

圖12 三軸機械臂安裝示意圖

8 實際分揀效能分析

（1）采用單桁架機械臂，在某分揀中心成功應用，完成了9條通道的自動分揀作業。理論機械分揀效率達到：6 000件/小時，實際分揀效率5 000件/小時。適用包裹尺寸范圍：70mm≤最長邊≤400mm，50mm≤次長邊≤320mm，最小邊≥1mm，屬于中小件分揀作業。單桁架機械臂分揀安裝圖和實際圖如圖13所示：

圖13 單桁架機械臂分揀安裝圖（左）和實際圖（右）

（2） 采用三桁架機械臂（xyz三方向），在試驗場地成功應用，完成了4路向自動分揀作業。理論機械分揀效率達到：3 600件/小時，實際分揀效率2 500件/小時。適用包裹尺寸范圍：70mm≤最長邊≤700mm，50mm≤次長邊≤600mm，最小邊≥10mm，屬于大中件分揀作業。

三軸機械臂分揀實驗線如圖14所示：

圖14 三軸機械臂分揀試驗線

9 小結

通過多次理論和仿真分析、計算，并經過多場地實際驗證，桁架機器人自動分揀系統完全可行，相比人工分揀的1 200～1 800件/小時效率，有顯著的效能改善，且大大節約了人工，降低了人工作業勞動強度，采用加速度閉環控制，能平緩地接近包裹并相對柔性地進行分揀，同時，其可根據場地大小配置不同規模，靈活方便，為分揀提供了一種先進的作業模式，值得推廣使用。

[1] 劉玉絨，楊效良.實用新型[P].中國專利：專利號，ZL 2016 2 0096457.1，2016-11-30.