高效智能型集裝箱原木卸載裝置研發*

胡志輝 易家樂 李天松

武漢理工大學交通與物流工程學院 武漢 430063

0 引言

當前，進口原木的運輸方式分為陸路輸入和水路船運2種，其中水路船運占據進口原木總量的絕大部分[1]。采用集裝箱進行原木的集裝化運輸具有運輸效率高、原木損壞率低等顯著優點，故采用標準化的集裝箱進行運輸成為水路船運中普遍的運輸方式[2]。在采用集裝箱便利運輸的同時，也受限于集裝箱箱壁的阻擋，使得卸載作業只能從箱門一側進行，且因箱內的原木互相擠壓，造成原木間摩擦力較大，從而會對卸載作業造成較大的困擾[2]。

現行的集裝箱裝運原木拆箱作業主要是用繩索或鐵鏈將單根原木捆綁于叉車鏟齒上，提升鏟齒后將其拖拉出箱[3]。除此之外，使用鋼絲繩拖拉拆箱作業和使用裝載機長竿耙子拆箱作業也是較為普遍的拆箱作業方式。這3種主流拆箱作業方式都存在單箱作業耗時長、效率低下、能耗較高且存在著較大的安全隱患等缺點，長遠來看并不契合發展綠色經濟的發展路線。

據中國林業統計年鑒記錄，2010～2019年，進口商品原木供應量由3 434.7萬m3逐漸增加到5 980.0萬m3，年平均增長率高達6.35%[4]。隨著進口原木總量的逐漸增加、人工成本的日益提升，如何高效率、低風險、低成本地進行原木集裝箱拆箱作業顯得越來越重要。現階段各個港口及物流企業并沒有成熟完善的拆箱作業工藝，為了解決現有原木卸載作業中所存在的問題，研發設計一種安全可靠且自動化程度高的卸載裝置是目前各個港口的迫切需求。本文提出了一種高效智能型集裝箱原木卸載裝置，并詳細介紹了裝置的卸載工藝流程，期望可以滿足現代港口發展的需要。

1 裝置組成及工作原理

本文研發設計的高效智能型原木卸載裝置由自行式支撐框架、多自由度智能識別機械爪、伸縮式聯動支撐滾筒、機械爪移動系統等部分組成。原木卸載整體裝置如圖1所示。

圖1 原木卸載裝置結構組成示意圖

1.1 自行式支撐框架

自行式支撐框架由4個帶有動力的萬向輪和長方體框架組成。長方體框架用來為整個裝置提供支撐，長方體框架底部布置的4個帶動力的萬向輪用來實現整個裝置的多方向運動。

萬向輪用來實現裝置的移動，根據普通腳輪的基本結構形式，將它的轉向和驅動運動自由度分別用2個電機進行獨立控制[5]。內部傳動方式采用齒輪傳動，2個傳動系統之間保持相對獨立，保證具有較高的傳動效率。2個電動機設置在腳輪的基座上,最終所設計的萬向輪結構及傳動原理圖如圖2所示。萬向輪分別通過2個電動機來實現驅動，通過多級齒輪傳動來實現整個萬向輪的運作，其中驅動電動機控制輪子的正向和反向轉動，而轉向電動機控制輪子的移動方向。當整個原木卸載裝置需要移動時，轉向電動機開始工作進行轉動，使輪子轉向裝置需要移動的方向，隨后驅動電動機開始工作，控制萬向輪輪子轉動，原木卸載裝置移動，通過2個電動機合理高效地協調工作來實現整個裝置多個方向的自由移動。并且通過在回轉框架與上部箱體之間設置初始零點位置識別裝置，可以確?？刂葡到y對轉向角度進行精準的控制。自行式框架的應用使得原木卸載裝置可以快速地移動到指定位置，顯著提高了整個裝置的工作效率。

圖2 萬向輪外形結構、及原理圖

1.2 多自由度可智能識別機械爪

智能識別機械爪由機械爪和圖像采集相機共同組成，是原木卸載裝置的抓取機構，如圖3所示。機械爪由電動機控制其開合，電動機正轉時機械爪收縮抓緊，反轉時機械爪張開，通過電動機轉動圈數的多少來決定機械爪的收縮程度，從而實現原木的抓取，機械爪結構外形如圖4所示。圖像采集相機分布在機械爪的兩側，通過實時的圖像采集來控制機械爪移動，機械爪和圖像采集相機的準確配合保證了原木抓取的準確性。當裝置移動到集裝箱前時，圖像采集相機先采集集裝箱截面圖像并將圖像信息傳回計算機，計算機將圖像信息進行處理與分析后，規劃出相應抓取路徑并控制機械爪移動到相應位置進行原木的抓取。在機械爪移動到指定位置后，圖像采集相機再次采集集裝箱截面圖像并傳回計算機，計算機處理圖像信息后判斷機械爪與待抓取原木的相對位置，從而再次控制機械爪移動并進行原木的抓取。其工作流程如圖5所示。圖像采集微型相機與機械爪的高效結合提高了機械爪抓取原木的準確性，使裝置的工作效率得到大幅提高。

圖3 原木抓取機構示意圖

圖4 機械爪結構外形圖

圖5 機械爪工作流程示意圖

1.3 機械爪移動系統

機械爪移動系統由機械爪升降機構和機械爪行走機構2部分組成，機械爪移動系統實現了機械爪在水平方向上的前后移動和豎直方向上的移動。機械爪移動系統與自行式框架相結合實現了機械爪的全方位移動。

機械爪升降機構由液壓升降桿和限位裝置等組成，用來實現機械爪在豎直方向上的移動，液壓升降桿安裝在底部的齒輪模組上并與安裝有機械爪的橫梁相連，工作時通過控制液壓缸的升降來使安裝有機械爪的橫梁達到指定高度，以此來保證機械爪移動到指定的高度進行抓取原木，在升降裝置上裝有的限位裝置限制了機械爪在升降過程中的水平方向上的自由度，使其只能在豎直方向上運動，保證了移動的準確性。機械爪升降機構結構組成如圖6所示。

圖6 機械爪升降機構

機械爪行走機構由4個齒輪模組構成，用來實現機械爪的水平方向上的前后移動。4個齒輪模組分別固定在機架上，齒輪模組通過電動機驅動，齒輪模組上的電動機轉動帶動模組上的齒輪在齒條導軌上移動，從而帶動安裝在齒輪模組上的與機械爪相連的鋼架移動，4個齒輪模組為與機械爪相連的鋼架提供水平方向上的力，從而為機械爪提供抽取原木所需的力，使機械爪能將原木從集裝箱中抽出。機械爪行走機構結構如圖7所示。

圖7 機械爪行走機構

1.4 伸縮式聯動支撐滾筒

伸縮式聯動支撐滾筒由2個相同的可伸縮支撐滾筒組成，可伸縮支撐滾筒由底部的移動平臺、剪叉式升降機構和支撐滾筒3部分組成。底部的移動平臺安裝在與機架相連的軌道上，平臺由電動機驅動，通過電動機轉動帶動平臺底部輪子的轉動，電動機的正反轉來實現平臺的前后移動，從而實現整個支撐運輸機構移動的控制；剪叉式升降機構可以實現支撐運輸機構在豎直方向上的移動，保證裝置能運動到任何位置支撐住原木，并方便原木最后的運出；支撐滾筒安裝在剪叉式升降機構的頂部，其呈內凹的圓柱形且可繞圓柱的軸線自由轉動，支撐滾筒限制了原木在運輸過程中向兩側的大幅度滾動，同時有助于原木最終運出卸載裝置。工作時先使剪叉式升降機構升降到指定位置使頂部的支撐滾筒支撐住原木，隨后底部的移動平臺移動，使支撐運輸機構與原木一同向遠離集裝箱的方向移動，支撐運輸機構如圖8所示。

圖8 支撐運輸機構示意圖

2 卸載工藝流程

本文提出的高效智能型原木卸載裝置卸載作業流程如圖9所示。首先，當集裝箱通過船運到達港口完成卸船后，將原木集裝箱送至作業現場，然后通過人工輔助將原木集裝箱放置在具有一定高度的支撐臺上。當具備相應所需的作業條件后，由裝卸工打開集裝箱箱門。工作人員可在控制室內遠程操控移動卸載裝置，從而使整個裝置運動到需要進行拆箱卸載作業的集裝箱前，再進行細微調整后使裝置對準集裝箱，調整結束后卸載裝置停止移動。此時卸載裝置與集裝箱相對位置如圖10所示。

圖9 卸載作業流程圖

圖10 卸載裝置與集裝箱相對位置示意圖

待卸載裝置停穩后，機械爪兩側的圖像采集相機掃描集裝箱截面，并將圖像信息上傳到智能終端由視覺識別系統進行圖像處理與分析。待分析處理完成后，智能終端將規劃好機械爪移動路徑并發送相應指令至機械爪移動系統，即由機械爪升降與行走機構驅動智能識別機械爪向系統分析給出指定位置移動，到達指定位置后機械爪停止運動。此時圖像采集相機將再次掃描集裝箱截面，由智能終端分析原木形狀及位置后判斷是否需要再次調整機械爪位置。當機械爪最終移動至系統規劃對應位置后，通過調整四爪的張開程度與角度，尋找到最佳的下爪方式，最后由四爪收攏抓緊原木側端。隨后，機械爪行走機構帶動夾有原木的機械爪逐步向后移動，將原木從集裝箱中抽出。此時卸載裝置拆箱作業如圖11所示。

圖11 卸載裝置拆箱作業示意圖

待原木抽出約1/3時，靠近集裝箱箱門側的支撐運輸機構將向上進行豎直方向的運動，并由支撐滾筒在合適高度支撐住原木，如圖12a所示。然后支撐運輸機構將固定不動，僅由支撐滾筒進行轉動輔助機械爪拖動原木向后移動。當原木抽出約2/3時，遠離集裝箱箱門側的支撐運輸機構將進行同樣的豎直運動并在合適的位置支撐住原木，如圖12b所示。隨后2個支撐運輸機構都將隨著機械爪一起拖動原木向后運動到達原木卸載區。

圖12 支撐運輸機構支撐位置示意圖

當機械爪移動到極限位置后，機械爪松開原木并向上移動，隨后遠離集裝箱箱門側的支撐滾筒將向下進行豎直移動，運動完成后2個支撐運輸機構將一高一矮使原木形成傾斜狀態，此時卸載過程示意圖如圖13所示。最終原木在其自身重力和滾筒的轉動作用下滑出卸載裝置，落至垛場指定位置，如圖14所示。隨后各個機構將再次移動到初始位置，完成一個工作循環。機械爪繼續移動到第2根原木的位置進行原木抽取，開始下一工作循環。通過多次循環作業直到原木全部從集裝箱中抽出，完成整個集裝箱原木卸載作業。

圖13 原木傾斜卸載示意圖

圖14 原木卸載作業完成示意圖

4 關鍵技術

1）針對集裝箱自身較難移動的特點，采用自行式主體框架結構，使整個卸載裝置能夠自由移動到指定位置。卸載裝置的主體為長方體框架，框架底部設有4個可自由轉動和運動的輪子，通過攝像頭、毫米波雷達等傳感器與通信模塊等硬件的結合，使工作人員能在操控室內進行遠程操控，便于卸載裝置在港區內進行行駛、避障、在裝卸點準確?？康炔僮?。當裝置工作時，只需人為控制輪子的轉動將裝置移動到需要卸載原木的集裝箱前，便可開始進行原木卸載作業。

2）原木的抓取過程采用多自由度智能識別機械爪實現。多電動機機械爪通過調節電機的轉速和轉角，可以實現四指的張合、伸縮、旋轉及三者相互配合的多種運動方式，使機械爪能多自由度運作。智能機械爪采用的視覺識別技術可以輕松識別原木的形狀及位置，實現高效率的準確抓取。

3）針對原木長、大、笨重且易龜裂和彎曲的特點，創新設計伸縮式支撐滾筒進行原木抽出后的運輸作業。采用剪叉式升降結構，平行四邊形的設計使得伸縮靈活行程大，配合液壓式升降，使裝置伸縮高度大，承重能力出色，運行平穩。并搭配智能紅外線雙探頭防撞技術，實現伸縮和停止的自動化，大大提升卸載作業的效率。

4）高效智能型原木卸載裝置具有整機集成一體化的特點，可實現直接抓取抽出原木、水平輸送原木、傾斜輸送卸載原木等功能，集動力、控制系統和移動機構于一體。裝置進行卸載作業時不需要其他設備進行輔助工作，具有操控簡單、卸載效率高、消耗成本低等優點。

5）針對目前港口物流企業未形成統一標準的集裝箱原木卸載作業工藝，提出了一種新的卸載作業工藝。通過智能識別機械爪和支撐滾筒的相互配合，對集裝箱中原木進行卸載作業。在較大程度上解決了目前集裝箱原木卸載作業所存在的一系列問題。

5 結語

隨著人工勞動力成本的不斷上升，對港口裝卸吞吐效率要求的提高，采用機械自動化卸載作業取代人工卸載作業是一個未來發展的趨勢。本文研發的高效智能型集裝箱原木卸載裝置針對原有裝卸工藝中存在的低效、人工消耗大、機械設備消耗高等問題提出了一種合適的解決方案，設計研發的該卸載裝置具有智能化、自動化、高效率、低能耗的優點?；谝曈X識別的智能型集裝箱原木卸載裝置可以實現將原木進行抽出卸載的完整過程，達到主要卸載過程幾乎不需要人工輔助的程度。