一種集裝箱卸貨機器人控制系統設計

徐志祥，高 東，趙 炎，劉 瑋

（1.大連理工大學 機械工程學院，大連 116024；2.久億航宇科技（大連）有限公司，大連 116085）

近年來，全球物流運輸行業快速發展，集裝箱作為各類貨物轉移運輸的主要載體，承載了大量的鐵路和遠洋物流任務，而在物流運輸過程中，卸貨及轉運的效率是限制物流速度的重要原因。目前集裝箱貨物裝卸主要還是依靠人工搬扛，存在人工勞動強度大、裝卸效率低、裝卸人工成本高、自動化程度低等問題。不僅如此，近年來由于新冠等病毒影響，冷鏈物流卸貨人員直接接觸凍貨進行集裝箱卸貨作業時，具有很大的染疫風險[1]。無人化智能集裝箱卸貨設備能夠減少人員接觸貨物的頻次，對于降低健康風險、提高集裝箱貨物的卸貨效率和自動化水平具有重要價值。

現有的國內外集裝箱卸貨設備大多存在自動化程度低、控制系統拓展性差、采用大框架式的機械結構導致卸貨設備通用性差等問題[2]。因此，本文選擇結構緊湊、適應性強的桁架式卸貨機構和履帶式移動機構組成的集裝箱卸貨機器人進行控制系統設計。將先進的機器視覺和現代總線式交流伺服系統，應用于集裝箱卸貨機器人的運動控制上，實現集裝箱卸貨作業的全自動化。同時針對卸貨機器人存在卸貨過程中負載轉動慣量變化，影響伺服控制性能的問題，對伺服電機的轉動慣量進行在線辨識，利用電機參數自整定，提高卸貨機器人伺服系統的響應性能及抗干擾能力。實驗表明，該卸貨機器人能夠完成針對冷鏈標準40 尺集裝箱的盒裝貨物的全自動化卸貨，卸貨效率可達5 s/件，并在大連市遼漁集團有限公司得到初步現場試驗，通過大連市科技攻關項目驗收。

1 控制系統總體方案設計

1.1 卸貨機器人結構及工作流程

根據集裝箱卸貨作業的實際需求，設計的集裝箱卸貨機器人組成包括機器視覺系統、交流伺服控制系統、六軸桁架機器人、自主行進平臺車、水平抓取吸盤組、垂直抓取吸盤組、電動伸縮托輥組、人機交互操作臺等，如圖1 所示。其中六軸桁架機器人主要實現對集裝箱內貨物的卸貨動作，組成包括X向水平縱向移動機構、Y 向水平橫向移動機構、立柱回轉機構、Z 向垂直升降機構、Z 向垂直輔助升降機構1/2；自主行進平臺車用于實現六軸桁架機器人在集裝箱內部的自動定位運行，內嵌抽屜式電控柜交流伺服系統；電動伸縮托輥組有2 種工作狀態，伸出時用于抓取貨物的轉運，收縮時用于增加機器視覺識別時的視場距離，2 種工作狀態的切換由程序控制交替進行。

圖1 卸貨機器人結構示意圖Fig.1 Structure diagram of unloading robot

該卸貨機器人的卸貨流程：首先，機器視覺系統對集裝箱內部貨物進行拍照并計算出貨物的位置信息，將貨物的坐標位置發送給六軸桁架機器人，六軸桁架機器人通過六軸聯動快速運動到貨物的指定位置，進行吸盤抓取，然后立柱回轉90°，六軸桁架機器人運動到電動伸縮托輥上方進行卸貨，卸貨流程如圖2 所示。

圖2 卸貨機器人作業流程Fig.2 Operation flow chart of unloading robot

1.2 控制系統總體方案確定

根據集裝箱智能化卸貨機器人的系統組成，結合裝置的功能和技術要求，設計該卸貨機器人控制系統總體方案[3-7]，如圖3 所示。該控制系統，采用基于現代總線式的交流伺服系統，以工控機為核心運算器，基于機器視覺獲得集裝箱內部貨物位置信息，通過運動控制和軌跡規劃算法，將運動指令傳遞給PLC 控制器，驅動六軸桁架機器人和自主行進平臺車運行。并通過通訊拓展模塊，高度集成冷鏈集裝箱貨物的消殺、碼垛各部分控制系統，實現智能化冷鏈貨物卸貨、消殺、碼垛作業線的集成控制。

圖3 控制系統總體結構圖Fig.3 Overall structure diagram of the control system

基于現代總線式的交流伺服控制系統具有高度集成性、智能化的優勢，能夠廣泛適應物流行業多場景的應用。控制系統的組成部分模塊化，既可以單模塊獨立運行，也能完成快速集成，多模塊聯動，可以根據消殺節拍，動態調整機械手卸貨速度、輸送帶傳輸速度以及后續消殺、碼垛頻率，實現智能化集裝箱貨物全自動卸貨、消殺、碼垛作業，如圖4 所示。

圖4 集裝箱卸貨消殺碼垛作業線布局圖Fig.4 Layout of container unloading stacking line

2 卸貨機器人控制系統設計

2.1 硬件設計

卸貨機器人的交流伺服控制系統選用以匯川AM403 系列PLC 作為主控制器，通過EtherCAT 總線控制8 個運動伺服軸，包括六軸桁架機器人的X向滑臺、Y 向滑臺、立柱回轉、Z 向垂直升降、Z 向垂直升降輔助1、Z 向垂直升降輔助2 的6 臺交流伺服電機，以及自主行進平臺車的2 臺伺服電機。其中伺服驅動器選用匯川SV660N 系列總線控制型伺服，實現伺服軸的高性能運動控制功能，卸貨機器人的控制總線網絡如圖5 所示。PLC 的IO 控制模塊，實現對卸貨機器人本體的光電開關、磁性開關等傳感器和氣缸電磁閥等執行器的信號接收和輸出。通訊部分采用ModbusTCP 將上位機與PLC建立連接，同時方便為后續作業線的拓展留有接口模塊。

圖5 總線運動控制網絡示意圖Fig.5 Bus motion control network diagram

自主行進平臺車采用履帶式移動機構，通過2臺伺服電機的電子差速換向，實現平臺車的運動控制。履帶車前端和兩側安裝激光測距傳感器，用于實時反饋自主行進平臺車與集裝箱內壁的距離，實現平臺車的自動化運行與糾偏。平臺車控制模式采用有線和無線2 種方式，添加無線接收器模塊與PLC 控制器IO 模塊連接，實現無線遙控器對電動平臺車的手動無線控制，以便非作業時，人工操控小車移動。自主行進平臺車的樣機實物如圖6 所示。

圖6 自主行進車實物圖Fig.6 Physical picture of autonomous vehicle

2.2 軟件設計

卸貨機器人機器視覺系統采用平面相機與激光位移計結合的方式，構建集裝箱內部貨物的3D位置信息。該視覺方式圖像處理效率高、成本低，可靠性強。系統上電啟動后，首先由操作人員手動遙控自主行進平臺車對齊集裝箱入口，啟動全自動模式。軟件算法中軌跡規劃模塊集成于工控機，基于機器視覺輸出貨物的位置信息，計算出被測貨物可被抓取的位置，選擇可執行的吸盤機構，并輸出六軸桁架機器人的定位信息。圖7 所示為系統控制流程。

圖7 系統控制流程Fig.7 System control flow chart

卸貨機器人控制系統的上位機基于C# 編程語言進行開發，上位機界面采用模塊化設計，包括機器視覺圖像處理顯示區、手自動切換選擇區、六軸桁架機器人位置參數顯示區、設備運行狀態反饋區、設備控制區等，上位機界面如圖8 所示。上位機與PLC 通訊采用ModbusTCP 通訊，下位機PLC 控制器的軟件編寫基于CoDeSys 編程平臺，采用ST 語言編寫控制程序，主要實現伺服軸的運動控制、軸控狀態判斷、傳感器與執行器的信號接收與輸出、上位機軟件的通訊等功能。

圖8 上位機界面設計Fig.8 Upper computer interface design

3 卸貨機器人電機穩定性控制

該卸貨機器人采用六軸桁架式卸貨機構，為了提高集裝箱卸貨的效率，各軸伺服電機需要高速運行。在桁架機器人短距離快速定位的過程中，由于慣性力以及負載變化的影響，會導致機器人的整體結構受到沖擊，從而降低機器人電機的運行穩定性，影響機器人的使用壽命及卸貨效率。采用伺服電機轉動慣量在線辨識及參數自整定的方式，對伺服電機的增益參數進行調整，提高電機的動態響應及抗干擾能力。交流伺服系統由3 個控制環路構成，從外向內依次是位置環、速度環和電流環，基本控制框圖如圖9 所示。

圖9 伺服增益控制框圖Fig.9 Servo gain control block diagram

從實際應用出發，對伺服電機速度環的增益參數進行調整，參照自動控制理論中的典型Ⅱ系統進行PI 參數整定。表貼式三相交流永磁同步電機的轉矩方程為

式中：Te為電磁轉矩；Pn為電機極對數；Ψf為轉子磁鏈；iq為同步旋轉坐標系下的交軸電流；Kt為力矩系數。

設伺服系統的轉動慣量為J，負載轉矩為TL，轉子機械角速度為ωm，阻尼系數為Bm，由于Bm一般很小，通常可忽略不計，則伺服系統的機械運動方程可寫成：

對于轉動慣量J，有：

式中：JM為伺服電機自身轉動慣量；JL為機械負載總轉動慣量；伺服系統的負載慣量比為機械負載總轉動慣量JL與電機自身轉動慣量JM之比[8]，即：

在交流伺服電機調速系統中，機械響應速度要遠低于電磁的響應速度，電流環時間常數也遠小于速度環的時間常數，所以在設計伺服系統速度環控制參數時，可將電流環按照一階慣性環節進行處理[9]，圖10 所示為速度環的等效原理框圖。

圖10 電機速度環等效原理框圖Fig.10 Equivalent schematic diagram of motor velocity loop

由式（5）可以看出等效后的伺服系統速度環為典型的Ⅱ型系統。以卸貨機器人的X 向滑臺伺服電機為例，進行伺服電機的在線慣量辨識與增益參數整定。由于電流環由廠家確定，用戶無法修改，只對速度環比例系數kp和ki速度環積分系數進行優化[10]。利用伺服驅動器給定輸入信號，控制X 向滑臺速度恒定進行往復直線運動，轉速500 r/min，加減速時間為200 ms。X 向電機的速度環比例系數和速度環積分系數分別按照表1 進行設置。

表1 伺服系統X 電機參數設置表Tab.1 Servo system X motor parameter setting table

實驗所得到的卸貨機器人X 向滑臺伺服電機速度指令和速度反饋響應曲線如圖11 所示。

圖11 X 軸電機響應曲線Fig.11 Response curve of X axis motor

綜合分析可知：通過增大速度環增益kp，可以加快伺服電機定位時間，為伺服系統帶來更好的速度穩定性和跟隨性，但設置值過大易引起振動和噪音。減小速度環積分系數ki，可加快定位時間，減小速度環偏差，但設定值過高，將導致速度環偏差總不能歸零。

利用伺服電機的在線慣量識別與參數自整定，對卸貨機器人的電機進行參數調整，最終確定X 向滑臺電機速度環整定參數kp＝160，ki＝3.97，系統負載轉動慣量比為6.69，實驗表明集裝箱卸貨機器人伺服電機的響應性和穩定性得到了很大的提高。如圖12所示為該卸貨機器人在冷鏈集裝箱現場進行全自動化卸貨作業圖。

圖12 現場作業圖Fig.12 Site operation diagram

4 結語

針對現有的集裝箱卸貨設備存在的自動化程度低、效率低下的問題，設計了一種集裝箱卸貨機器人控制系統，將機器視覺與現代總線式交流伺服系統，應用于集裝箱卸貨機器人運動控制，提高了集裝箱自動化卸貨設備的智能化水平。同時針對卸貨機器人電機穩定性控制問題，利用伺服電機在線慣量識別與參數自整定的解決辦法，提高了伺服電機的響應性與抗干擾能力。

所設計控制系統實現對卸貨機器人的運動控制，并在大連市遼漁集團有限公司現場完成初步試驗，實驗證明該卸貨機器人能夠完成針對冷鏈標準40 尺集裝箱實現自動化卸貨，適用自重小于25 kg，外形尺寸500 mm×300 mm×200 mm 范圍內的盒裝貨物。針對不同的貨物規格，卸貨機器人可以實現一次抓取1 件或者多件貨物，總體卸貨作業效率可達5 s/件，并于2022 年11 月通過大連市科技攻關項目驗收。