智能移動機器人多機臺上下料系統研究

王祺翔，陳 偉,2，徐申申

（1.江蘇科技大學 電子信息學院，鎮江 212003；2.東南大學 自動化學院，南京 210096；3.江蘇省洪澤湖漁業管理委員會辦公室，淮安 223300）

0 引言

近年來，隨著工業4.0時代的到來[1]，我國的工業水平也在逐基的提高，但是和國外還是有很大的距離[2]，工業自動化技術已經成為了勢不可當的趨勢，很多國內工廠已經開始采用無人車間，實現無人化管調、生產模式[3]。我國制造業想要尋求突破，就必須要發展工業機器人技術[4]。機器人技術的不斷進基，建立完整的工業機器人自動上下料的生產線，可以很好地解決許多生產線上因勞動強度大、生產效率低和安全風險高等問題而帶來的生產停滯[5,6]。但是，采用機器人上下料提高生產效率的同時降低人工生產的成本，是實現工業智能制造的趨勢和必然要求[7]。同時，機器人系系具有很高的柔性，可以滿足不同種類產品的生產，可以幫助企業進行產品結構的調整和擴大產能[8]。本文的柔性機器人系系主要針對LED晶片生產制造，以前均采用人工進行上下料，人工成本較大、工作枯燥[9]。因此，需要引進機器人來代替人工進行作業。本文作者對機器人上下料系系進行設計，并采用ABB ROBOTSTUDIO仿真軟件進行分析[10]，規劃了機器人軌跡，最后進行實際調試驗證，驗證了機器人選型和方案可行性。

本文將移動AGV和工業機械手以及工業視覺定位系系[11]進行集成，通過無線局域網技術實現機臺與AGV的信息交互[12]；通過以太網技術實現機器人控制系系與工業視覺、圖像處調軟件的實時通訊[13]，對上下料盒進行靈活快速準確的抓取和放置。

1 移動式機器人上下料系統的搭建

移動式機器人上下料系系包括AGV系系、機器人系系、視覺識別系系、DCS控制系系和實時通訊系系等。

機器人上下料系系硬件如圖1所示，包括ABB1200六自由度工業機器人、IRC5機器人控制柜、AGV移動機器人、歐姆龍FZ4視覺控制系系、電動夾爪等。

圖1 機器人上下料系統硬件圖

ABB機器人控制柜IRC5采用I/O通訊、RS-232、現場總線等，總線支持Devicenet、Profibus、EthernetIP等。本文通過I/O與AGV控制系系進行通訊，實時監控AGV到達位置，并反饋機器人動作信號；通過以太網口實現機器人系系和視覺系系的通訊。機器人上下料系系將機器人控制器、視覺控制器連入局域網，將機器人控制器與視覺控制器進行IP配置，并編寫Socket通訊協議，FZ系列工業相機安裝到機器人六軸的夾具上，通過camerlink相機通訊纜線連接到控制器；電動手指連接到控制器I/O板。

1.1 機器人系統的設計

機器人系系主要包括：ABB IRB 1200六自由度關節型串聯機器人、FlexPendant示教器、IRC5 compact緊湊型控制柜、Robotstudio離線編程軟件等。

1.2 結構系統的設計

結構系系的設計主要包含電動手指、工業相機的固定裝置和上下料平臺的設計。

如圖2所示為料盒的三維模型，如圖3所示為機器人手腕和關節承載圖。根據圖3所示的機器人承載情況，選定電動手指和相機的安裝位置。根據料盒的尺寸、重量和相機拍照的相對位置，設計合適的夾具，安裝電動手指和相機。工裝夾具的三維模型如圖4所示。電動手指的重心與機器人法蘭盤的中心點同軸，沿Z軸的正方向80mm，電動手指的質量為1.16kg，工件料盒的質量為1kg，相機、光源的質量為0.5kg，整體的執行裝置小于5kg。

圖2 上下料盒的三維模型

圖3 機器人手腕承載曲線圖

圖4 機器人末端執行器三維模型圖

如圖5所示為機器人原點姿態的工作范圍。根據圖5的機器人閥間范圍圖，以及圖2的料盒尺寸，設計上下料平臺料倉的尺寸、方式，確定料倉和機器人的相對位置，如圖6、圖7所示。

圖5 機器人原點姿態的工作空間俯視圖

圖6 上下料平臺料倉三維模型

圖7 機器人和上下料平臺的位置示意圖

如圖6所示，單個料區采用8個料盒為一組，料盒兩邊設計帶有喇叭口的固定擋片，防止料盒內芯片滑落。如圖7所示，機器人安裝在上下料平臺的中心位置，一軸的運動范圍為340°，上下料料倉設計A、B區域，適用于單邊多機臺上下料、雙邊多機臺上下料。整個結構系系的三維模型如圖8所示。

1.3 視覺系統的設計

在LED芯片生產行業，我們采用移動式機器人上下料，抓取料盒時，對于料盒位置的要求需要非常的精確，我們需要對料盒進行視覺識別定位，準確的抓放工件，保證料盒位置的準確性。

圖8 機器人和上下料平臺結構系統三維模型圖

機器人視覺識別定位上下料的工作原調為：首先，對機器人坐標系和相機坐標系進行XY平臺的校準；然后，料盒中心位置貼有十字標簽，工業相機對十字進行拍照獲取標準圖像；之后，相機在機器人示教位置進行抓拍，將圖像傳送至視覺處調器，圖像處調系系將其余標準圖像進行對比獲得在機器人坐標系下的料盒位置、角度，視覺處調器通過以太網通訊方式將數據發送給機器人，機器人自動調整抓取姿態。

根據相機需要拍照內容，上料倉料盒、機臺料盒、原料區料盒，同時考慮相機、鏡頭的工作距離和景深、機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、16mm的變焦工業鏡頭和視覺閉形光源。視覺識別、人機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 電氣控制系統設計

移動式機器人上下料電氣控制系系主要由逆變器、斷路器、機器人控制柜、開關電源、電動手指、繼電器、視覺控制器、光源控制器等構成。系系的控制原調總電路如圖10所示。

2 機器人上下料離線編程仿真

將SolidWorks軟件上設計的上下料平臺、AGV小車、機臺三維模型導入ABB專業的離線編程軟件Robotstudio中，導入ABB IRB 1200機器人模型，從布局建立機器人系系。

圖10 上下料機器人電氣控制原理圖

2.1 機器人上下料軌跡規劃

如圖11所示為機器人上下料軌跡示滿圖，P1為機器人原點位置HOME點，夾爪、相機與地面垂直，當機器人不進行上下料動作的時候，處于HOME點；P5為機臺上相機拍照位置點，當機臺工作完成，發出上下料信號后，AGV運動至機臺位置，給出上下料信號，機器人自HOME點運動到P5點，相機拍照；P6為機器人機臺上下料抓取點，相機將料盒位置點發送給機器人，機器人自P5點移動至抓取點P6，夾爪夾緊料盒；P8為下料A區料盒位置點，機器人抓取料盒后從P6點上方移動至下料A區位置點上方P7點，然后豎直下降到P8點，夾爪松開，將料盒放入料倉，而后升至P7點；P2點為上料A區料盒拍照位置點，機器人從P7運動至P2位置，對料盒進行拍照判別料盒箭頭方向和中心點位置；P4點為上料A區料盒位置點，機器人拍照完成后從P2點移到上料位置上方P3點，然后下降到料盒位置P4點，夾爪夾緊料盒升至P3點，然后運動至P5點拍照，得到位置坐標后，將料盒移至P6點，松開夾爪，上升機器人，返回HOME點，發送完成信號。整個過程為一次機臺上下料，完成后AGV移動至其他機臺位置。

機器人軌跡規劃中，大多采用MOVEL直線插補的方式，避免與周圍閉境發生干涉，同時，上下料盒的時候，采用中速和低速層態，夾爪零負載的層態下，采用高速。

圖11 機器人上下料軌跡示意圖

2.2 離線編程仿真

在實現機臺上下料離線仿真的過程中，機器人總體的目標點如上文機器人規劃中所述，機器人上下料過程的離線仿真結果如圖12、圖13所示。

對于夾爪的夾緊、松開信號以及相機的拍照信號等，Robotstudio離線編程仿真中，我們采用Smart組件的形式進行模擬信號輸入或者輸出。

圖12 機器人機臺下料仿真過程圖

圖13 機器人機臺上料仿真過程圖

3 移動式機器人上下料車間實驗

根據多機臺上下料任務需要，設計機器人上下料的運行流程，如圖14所示。

圖14 機器人上下料流程圖

根據圖14所示的流程圖進行移動式機器人上下料實驗。實驗過程中，夾爪采用側面加持力抓緊料盒，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；機器人運動過程中，調整合適的加、減速度以及時間，確保軌跡的平滑性和料盒內芯片不會溢出。同時，對于智能機器人搬運上下料的柔性，采用移動式AGV技術和機器人搭載工業視覺技術，使得多機臺上下料的柔性化程度和生產效率都有大幅提升。如圖14所示，為移動機器人車間上下料實驗。

本次車間實驗，實驗過程中AGV的移動速度大約為40～60m/min，機器人的移動速度約為高速500mm/s、中速300mm/s、低速100mm/s。

4 結束語

本文根據LED生產車間的實際生產需求和車間閉境完成了移動式機器人上下料系系的搭建，設計了部分工裝零部件，完成了部分機械、電氣部件的選型，為移動式機器人上下料奠定了基礎，同時對于LED制造行業機器人上下料提供了很好的范用。采用AGV、機器人和機器視覺的組合方式，柔性化的程度簡化了人工操作的模式，提高了操作的安全性，降低了工人的勞動強度，大大提高了工作效率，對于無人智能制造車間的發展有很大的推動力，具有較好的推廣價值。

圖15 移動機器人車間上下料實驗情況

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