具有區域移動能力的協作機器人技術研究

周 兵

上海發那科機器人有限公司 上海 201906

1 研究背景

智能工廠是構成工業4.0的核心元素。在智能工廠內,不僅要求單體設備是智能的,而且要求工廠內的所有設施、設備與資源實現互聯互通,以滿足智能生產和智能物流的要求。智能物流是工業4.0的核心組成部分,在工業4.0智能工廠框架內,智能物流是連接供應、制造和客戶的重要環節,也是構建未來智能工廠的基石。智能單元化物流技術、自動物流裝備及智能物流信息系統是打造智能物流的核心元素[1]。

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

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

2 協作機器人

目前對傳統工業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定動作,智能化程度不高;② 由于環境自適應性差、結構笨重、運行噪聲大,為保證安全,機器人基本工作在隔離網內,缺少人機交互;③ 機器人安裝調試周期長,不能適應企業對客戶的快速響應和市場變化;④ 機器人成本較高,企業一次性投入負擔比較重[4]。

為順應市場需求,協作機器人悄然誕生。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。

協作機器人具有以下優勢: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,并提升環境適應性;② 結構靈巧,低功耗,低噪聲,無需安全圍欄,實現人機并肩工作;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,不僅可以用于工業制造領域,而且可以用于家庭服務、休閑娛樂場合[4]。

對于人機協作場景下機器人主動避碰的方法,已經有很多研究[5],市場上較為成熟的協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制造商發那科生產的協作機器人,采用安全色彩設計的綠色外觀,手臂以軟性材料包裹,整個機身配備力傳感器,最小可以設置至1 N觸碰力的情況下立即停機,可在開放環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,大大方便了現場的調試工作。當前市面上的協作機器人多以輕質、靈巧設計為主,機器人的最大負載大多小于10 kg。發那科開發的協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作機器人。發那科協作機器人如圖1所示。

圖1 發那科協作機器人

3 區域移動能力的協作機器人系統架構

具有區域移動能力的協作機器人系統將協作機器人與AGV結合使用,其系統架構如圖2所示。協作機器人安裝在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,以便兩種設備可以協調工作。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,為AGV提供動力。通過地面AGV交通管制系統來調度AGV的行進路線。

圖2 系統架構

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備,具有行動快捷、工作效率高、結構簡單、可控性強、安全性好等優勢[6-7]。AGV的引導方式有多種,比較常用的是電磁感應引導、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噸質量的負載,在本體平臺上設計物料放置工位,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備相比,AGV的活動區域無需鋪設軌道、支座架等固定裝置,不受場地、道路和空間的限制,因此,在自動化物流系統中,AGV最能體現自動性和柔性,可實現高效、經濟、靈活的無人化生產[9]。

4 高精度定位

具有區域移動能力的協作機器人系統采用無線纜束縛的AGV,實現在工廠區域內的柔性移動。協作機器人的使用可保證在無安全防護圍欄的作業環境中不會對人身安全產生威脅,視覺系統的配置可保證協作機器人對物料的準確定位。通過上述技術,構建了一個可實際應用的具有區域移動能力的協作機器人作業平臺。

由于使用具有區域移動能力的協作機器人在各個工位間進行物料傳輸,因此如何使系統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,具有區域移動能力的協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,用于物料可能出現的傾斜。

在具有區域移動能力的協作機器人到達每個工位時,機器人通過視覺系統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,使用小型協作機器人,拍照高度在400 mm,可以對336 mm×315 mm視野范圍內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 系統安全

對于具有區域移動能力的協作機器人而言,系統安全首要考慮的是對人員的保護,其次則是系統的自我保護。具有區域移動能力的協作機器人,其服務對象是人類,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。當具有區域移動能力的協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,且機器人無動作。AGV本體上有智能檢測傳感器,傳感器可以設置為對行走路徑上的扇形區域掃描,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]。當具有區域移動能力的協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,機器人便可繼續抓放作業。

6 供電及電氣控制架構

具有區域移動能力的協作機器人需要在工廠內各個工位間行走,因此系統不能通過傳統電纜連接方式供電。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。因為本系統的特殊構造,所以無法使用傳統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電池的直流電逆變為機器人所需要的交流電。在工廠內專門設計AGV充電工位,在具有區域移動能力的協作機器人無工作任務時,機器人自動行走至充電工位,AGV電池充電。待需要物料運轉時,通過控制系統下發命令,機器人離開充電位置,進行上下料工作。

具有區域移動能力的協作機器人控制系統由自動化控制系統、AGV交通管制系統、AGV本體控制器及機器人控制柜系統組成。工廠內制造執行系統根據生產需要,與自動化控制系統和AGV交通管制系統實現通信,下達生產物料運轉任務。自動化控制系統根據要求給出信號指令,通過AGV系統中轉傳輸給機器人調用相應的抓取程序。AGV交通管制系統主要負責任務分配、車輛調度、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交通管制系統的指令后,負責AGV的導航計算,實現導引、車輛行走等功能。AGV到達相應的上下料工位后,將自動化控制系統的信號指令傳輸給機器人控制柜系統。機器人控制柜系統得到指令信號后,調用機器人程序完成上下料工作,并回傳完成信號,通過AGV系統傳輸給自動化控制系統。其中,AGV交通管制控制器與AGV本體控制器通過工業級無線保真網絡模塊進行信號連接傳輸。

通過上述連接方式,整個系統完成整體通信控制,一套地面控制系統可以控制多個具有區域移動能力的協作機器人,使其有效地在工廠內工作。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 結論

筆者提出了具有區域移動能力的協作機器人,可以在工廠內各加工單元之間進行物料傳輸,很好地滿足了工廠內物流自動化的需求。這一系統的應用,既可以減少工廠內傳統輸送設備的數量,又可以保證物料流轉的穩定性,同時便于信息化技術對物料流轉的管控,使工業4.0智能工廠得以更好的實現。