工业机器人1.docx

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工业机器人1

工业码垛机器人简介与分析

中文摘要:

本文简述了工业码垛机器人的诞生、发展概况、以及工业码垛机器人的结构介绍，机构分析以及空间运动分析，对码垛机器人的机构运用了数学分析推导,推导了运动学正反解公式及最大工作空间的判断且规划了运动路径,进行了图形仿真,验证了运动轨迹的正确性,通过软件对机器人的空间运动进行了仿真和演算。

本文对了解工业码垛机器人和深入理解码垛机器人的结构和工作原理有很大帮助，并且对新型机器人的开发有指导性作用。

关键词:

码垛机器人发展；研究现状；机构分析；仿真演算；空间运动

Introductionandanalysisofstackingrobot

Abstract:

Thisthesisintroducethebirthofindustrialstackingrobots,developmentprofile,structureofindustrialstackingrobots,facilityanalysis,andspatialmotionanalysis,theinstitutionsofstackingrobotisderivedusingamathematicalanalysis,kinematicsderivedinverseformulaanddeterminethemaximumworkingspaceandplanningthemovementpathforthegraphicsimulationtoverifythecorrectnessofthetrajectory,therobotthroughthesoftwaresimulationofthespacemovementandcalculus.Thisunderstandingandin-depthunderstandingofindustrialpalletizingrobotpalletizingrobotstructureandworkingprincipleofgreathelp,andthedevelopmentofnewrobotinstructiverole.

Keywords:

developmentofindustrialstackingrobot；researchsituation；kinematicanalysis；simulation；spacemovement；

目录

第一章引言………………………………………………………………4

第二章码垛机器人的研究与应用现状…………………………4

第一节国外码垛机器人的研究现状…………………………………………4

第二节国外码垛机器人的研究现状…………………………………………7

第三章工业码垛机器人机构设计…………………………………9

第一节码垛机器人机构简介……………………………………………………9

第二节码垛机器人机构分析计算……………………………………………10

第四章工业码垛机器人的工作空间分析…………………………13

第五章码垛机器人控制系统的设计………………………………14

第一节硬件控制系统设计……………………………………………………15

第二节软件控制系统设计……………………………………………………15

结语………………………………………………………………………………17

参考文献…………………………………………………………………………18

第一章引言

随着21世纪工业及经济的蓬勃发展以及对产品精度的要求不断提高,机器人加工逐渐成为一种被普遍应用的加工方法,而码垛是物流自动化技术领域一门新兴技术,码垛按照一定模式,一件件堆成码垛,以便使单元化的码垛实现物料的搬运、存储、装卸运输等物流活动,随着工业化大生产规模的扩大,促使码垛自动化,以加快物流的速度,保护工人的安全和健康,同时也能获得整齐一致的物垛,减少物料的破损和浪费。

随着生产规模的扩大和自动化水平的提高,码垛机器人柔性、处理能力及可靠性正在不断地升级,应用场合也逐渐在扩大,因此开发高性能、低成本、人性化的码垛机器人将有广阔的市场前景。

第二章码垛机器人的研究与应用现状

码垛机器人是用在工业生产过程中执行大批量工件、包装件的获取、搬运、码垛、拆垛等任务的一类工业机器人,是集机械、电子、信息、智能技术、计算机科学等学科于一体的高新机电产品。

码垛机器人技术在解决劳动力不足、提高劳动生产效率、降低生产成本、降低工人劳动强度、改善生产环境等方面具有很大潜力。

国外从20世纪60年代开始研究工业机器人,码垛机器人是伴随着工业机器人技术的发展而出现的,日本、德国、美国等发达国家的研究已取得一定成果,我国在这方面的研究刚起步不久,还需加快研究步伐,提高研究水平,为我国物流包装企业的生产和发展做出贡献。

第一节国外码垛机器人的研究现状

最早将工业机器人技术用于物体的码放和搬运是日本和瑞典。

20世纪70年代末日本第一次将机器人技术用于码垛作业。

1974年,瑞典ABB公司研发了全球第一台全电控式工业机器人IRB6,主要应用于工件的取放和物料的搬运。

除此之外,德国、意大利、韩国等国家工业机器人的研发水平也相当高。

随着计算机技术、工业机器人技术以及人工智能控制等技术的发展和日趋成熟,日本、德国、美国、瑞典、意大利、韩国等国家在包装码垛机器人的研究上做了大量工作,相应推出了自己的码垛机器人,如日本的FANUC和OKURA以及FUJI系列,德国的KUKA系列,瑞典的ABB系列等。

德国、瑞典以及日本等国家的码垛机器人一般为4~6轴机器人,主要由固定底座、连杆、连杆臂、臂部、腕部以及末端执行器组成,见图。

机器人主体多采用优质轻巧的铸铝材料制造和连杆式关节型的机构形式,均利用CAD和FEM有限元技术进行结构优化设计,具有较高的机械性能和抗震能力;

驱动系统均采用模块式数字化AC伺服电机和RV减速器,取消了腕部关节驱动电机和平衡块,大大优化了整机结构;针对不同类型的产品和包装件,还设计了真空吸持、夹持、叉式等多种形式的智能末端执行器。

这些先进码垛机器人最显著的技术特点就是采用了基于PC的开放式控制系统,令机器人能够高速、精准、稳定可靠地运行。

如瑞典ABB公司为IRB系列码垛机器人研发了主动安全软件和被动安全软件,可对机器人的运动和载荷情况进行监控;电子稳定路径功能可确保机器人在考虑加速度、阻力、重力、惯性等条件的同时,遵循预定运行路径;主动制动系统可以确保机器人维持运行路径的同时对制动予以控制,被动安全功能可实现机器人进行负载识别。

日本FANUCM410i系列码垛机器人软件体系也非常强大,PalletTool/PalletPROTM用于码垛设置、仿真和操作;SupportsCollisionGuardTM用于减少机器人、夹持器、箱/袋以及外围设备的碰撞损坏;基于网络的软件工具用于远程联机、诊断和生产监控;还专门配备了机器视觉引导系统,用于引导机器人完成拆垛和检查工作。

机器人产业使得码垛机器人在各行各业都得到了广泛的应用。

奥地利、瑞士、挪威等国家的酿酒厂、咖啡企业以及食品生产厂家,为减轻工人的负担,提高生产能力,降低产品破损率,利用2~3台KUKA码垛机器人,借助特殊的智能末端执行器,精准地抓取（或吸取）纸盒、香蕉纸箱、啤酒塑料箱或托盘,完成搬运和码垛或拆垛）。

基于PC的控制平台确保机器人能同时处理4条生产线和多种类型产品,整个过程中对象不会承受过大的夹持力或吸力,而且紧凑的设计使机器人的占地面积和工作空间达到了理想的水平。

美国润滑油制造商JTM公司选择MotomanModelUP165型机器人用于箱装和桶装润滑油的码垛,该机器人为6轴机器人,采用AC伺服电机驱动。

专门设计的真空吸附式末端执行器由23个直径为75mm的真空吸头组成,每个真空吸头的控制阀由PLC实现控制,可一次吸取2个箱子或3个桶。

采用码垛机器人后,每年可完成200000桶和150000箱润滑油的码垛作业,是人工工作量的近2倍。

EricHemmingson指出ABBFlexPalletizerIRB640型码垛机器人极大迎合了食品和饮料行业的需求,可用于纸盒、箱、袋类产品的包装、码垛、拆垛,其最大的特点之一就是弧形的上部手臂。

腕关节的后仰不需要转动上部手臂,而由和上部手臂平行的连杆驱动实现。

真空夹持器的动作由电磁控制器和真空泵实现。

该码垛机器人的大脑是ABBS4C控制系统,系统的核心是基于微处理器的控制器,利用CAN现场总线实现通讯。

该控制系统配备一个存有不同状况信号的双通道安全系统,确保机器人安全运行。

Hershey公司利用3台Motoman码垛机器人将3条生产线上不同类型的糖果纸箱集中码放在一个货盘上,然后送到发货中心。

不同类型纸箱的码垛模式已经编好程序输入机器人,每一层的码放模式由纸箱尺寸决定,如果纸箱尺寸发生变化,预存的码垛程序需由技术人员从内存中调出,从而实现快速转换。

每台机器人安装了柔性真空吸附系统,可自动控制需要触发的吸附手个数,以满足所需要拾取纸箱的个数。

J.NorbertoPires开发了玻璃码垛系统,利用ABBIRB4400工业机器人完成玻璃的吸取和码放。

该系统采用ABBS4C控制器,配备PLCS7300控制机器人外围设备。

带有接触式图像传感器的真空吸附装置可实现玻璃的吸取以及货盘参数的测量,每块人产业使得码垛机器人在各行各业都得到了广泛的应用。

第二节国内码垛机器人研究与应用现状

我国工业机器人研究和应用开始于20世纪70年代,受当时经济体制等因素的制约,发展比较缓慢,研究和应用水平比较低[12]。

进入20世纪80年代以后,随着改革开放的不断深入,我国工业机器人技术的开发和研究才达到一定水平,码垛机器人技术也得到了快速的发展。

目前,我国自主研发的码垛机器人的结构型式主要有直角坐标型、关节型。

直角坐标型码垛机器人为4轴机器人。

4根运动轴对应直角坐标系中的X轴、Y轴和Z轴,以及Z轴上带有的一个旋转轴。

直角坐标机器人的传动主要是通过驱动电机的转动带动同步带运动,同步带带动直线导轨上的滑块运动。

直角坐标机器人具有定位精度高、空间轨迹易于求解、计算机控制简单等优点,但所占空间大、相对工作范围小、操作灵活性差、运动速度较低。

与直角坐标机器人相比,关节型机器人机身小而且动作空间大,动作灵活,可满足更多的生产要求,应用范围更广。

为了提高国产关节型机器人的市场竞争力,促进产业化发展,在近10年的时间里,我国涌现出一批具有较强实力的专家企业、产业基地和科研院校。

沈阳新松机器人自动化股份有限公司为满足客户特定环境下的需求,成功开发了码垛机器人系统。

哈尔滨工业大学于2004年推出的1600型基于FFS的高速高精度称重包装码垛生产线,采用全新结构型式与原理的新型全自动称重、包装、机器人码垛生产线,生产能力可达1600包/小时以上。

上海交通大学机器人研究所携手沃迪包装科技有限公司开发出了新一代TPR系列码垛机器人,具有独特的线性四连杆机构,采用高强度铝合金制造的节能环保手臂,生产能力可达1600包/小时。

基于工业PC的控制器系统以及码垛现场3D仿真和自动干涉检测,大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

苏海新等人开发了新型工业码垛机器人,其主体结构是基于平衡吊原理的七杆机构,具有4个自由度;开发了一种基于IPC和PMAC的模块化分布式控制系统,集主机通讯、运动控制、后台任务处理等基本功能于一体,具有开放性强、实时性好、伺服控制精度高等特点。

李成伟等人研究设计了一种4自由度并联关节式搬运码垛机器人,只需更换手爪,即可对硬纸箱、塑料箱、袋状物、盒装物等搬运码垛。

控制系统设计采用了基于PC的模块化分布式控制结构,上位机采用普通工业PC,实现监控和作业管理,下位机采用PMAC运动控制卡和PLC可编程控制器,实现运动规划和控制。

杨灏泉等人研制了一种通用拆垛、码垛SCARA机器人,采用水平关节的机械结构形式,以基于PC的开放式DSP多轴运动控制器作为控制系统的核心,采用标准总线结构,使系统具有良好的可扩展性和网络通讯功能;使用面向对象的开发模式,自主开发了机器人控制软件,实现了机器人监控、示教、文件管理、参数设置、轨迹规划和伺服控制等。

目前,我国生产力总体水平较低,劳动力便宜,科研人才缺乏,大多数企业的生产自动化水平偏低,企业发展意识落后,先进码垛设备和机器人的使用受到限制,只在一些大型知名企业中得到了应用。

20世纪90年代中期至今,青岛、玉溪等卷烟厂采用码垛机器人对其卷烟成品进行码垛作业,节省了大量人力,减少了烟箱破损。

码垛机器人配备条码识别器可以实现2种以上品牌产品的码垛;利用真空吸盘可以实现成品拆垛;利用图像识别系统和多功能机械手,实现了各种辅料托盘的识别和抓取,完成卷烟辅料的搭配作业。

制米工厂利用4自由度圆柱形机器人,将自动立体仓库中5kg或10kg的米袋抓起码放至托板上,堆放高度可达10层,机器人水平行程可到1200mm,回转角度大于360度。

该机器人采用直流伺服电机驱动,具有控制性能优越、效率高等优点,能满足米袋码垛工作要求。

我国是世界最大的啤酒生产和消费国家,如何降低物流系统的成本,提高效益与服务质量,成为竞争的新焦点。

采用先进的物流技术和自动化设备是获得市场优势的主要战略之一。

目前,青岛啤酒、燕京啤酒、广州珠江啤酒、东莞雪花啤酒等知名大型啤酒生产企业已经采用全自动、半自动码拆垛设备和机器人系统,码垛效率得到了极大提高,现在的设备基本可以完成48000~60000瓶/小时的码垛要求。

经过20多年的发展,我国工业机器人技术及在码垛方面的研究和应用特点主要体现在以下几点:

1）我国在机器人运动学、动力学与机构综合,机器人运动控制算法的研究,以及示教编程、离线编程技术、传感器控制系统方面,基本掌握了工业机器人所有关键技术。

2）研制出了交、直流伺服驱动系统,RV减速器等基础元器件和单元技术。

在控制系统方面,我国已经开发出了分级分层控制系统,并有不少已投入使用。

总之,我国在机器人基础研究、关键元器件开发、机器人整机设计、周边设备开发以及机器人应用等方面取得了不少成绩,形成了一支强有力的队伍。

3）我国码垛机器人目前多应用在啤酒、饮料、食品、烟草、物流等劳动强度大、生产量大、工伤事故率高的企业，为提高企业生产自动化水平、生产能力,改善企业生产和管理环境,增强企业竞争力,做出了很大的贡献。

第三章工业码垛机器人机构设计

第一节码垛机器人机构简介

码垛机器人的具体结构如图1所示,该机器人的手臂固定在腰部上,在该部分内小臂通过前大臂、后大臂的搬运和码垛作业,且机械系统主要由4个关节部分组成,能实现4种运动:

腰部旋转、大臂上下运动、小臂前后运动和手腕回转运动,并全部由交流伺服电机驱动,因此这种结构的机器人完全可以满足生产线上的需求。

水平、垂直关节机械结构图如图2所示,由于机架零件会阻挡到其他零件的说明,在图2中没显示出来。

水平及垂直关节部分都各有一个电机,每个电机藉由控制同步带轮及齿型带的旋转来使滚珠丝杠转动,间接带动其滑块及拖板。

这样的运动可以使机器人实现大臂上下运动、小臂前后运动,且可以满足驱动大惯性力矩负载和快速运动、精确定位的要求。

腰部底座关节机械结构图如图3所示。

腰部底座的运动是藉由底部的伺服电机来控制空心轴,进而使机架实现腰部旋转,并且经实验证明:

底部基座及法兰的结构设计可以降低机械关节动时的工作噪音,而通常被搬运的物品只需要从一个位置移到另一个位置上,绕垂直于水平方向的轴旋转以调整放置方向,所以此结构满足现场工作的需求。

腕部关节及手爪机械结构图如图4所示。

腕部电机控制手爪连接盘带动机器人手爪旋转。

本研究以对箱状物机械手控制为例进行分析,该机构主要完成码垛操作中夹紧箱状物体的动作,机器人手爪底部安装气源入口及气源处理和压力继电器,工作时侧夹板开合由通电磁阀控制汽缸活塞杆缩回,带动两侧板互相靠近,从而完成夹紧动作,手爪板完全打开时,可以使张开的手爪之间的宽度大于包装箱的宽度;而另一个通电磁阀控制气缸实现手爪开合,以保证机械手的手爪准确、可靠地落于生产线运输辊之间或拖盘上。

第二节码垛机器人运动学分析

最大工作空间示意图如图5所示。

为了便于对并联部分的运动进行分析求解,首先设置一个固定坐标系XOY,随并联部分一起绕腰部转动,当机器人处于零位时,并联部分处于图中虚线位置,此时小臂上A点的坐标为:

XAC=1430mm,YHC=1320mm。

下面分析当水平关节向前移动x,垂直关节向上移动y,并联机构运行到图中实线位置时,机器人腕部位置的变化规律。

由图5可知,在HEF中,HF=240-y,EF=260+x,则:

根据几何知识反解得:

Xa=1430+5.5x;Ya=1320-4.5y。

当推导出正反解后就可以依据工作现场的码垛实际需求,计算出可达到的工作空间,以机器人初始位置垂直丝杠下方为原点,如图5所示的最大空间点为A1、A2、A3、A4,则运动到A1点的丝杠移动距离为:

x=175,y=445;

260+x=200;240-y=195;b=279。

角度为:

θ1=115°;θ2=17°;θ3=16°;

则得A1点的坐标A1（1095,1120）。

同理运动到A2点的丝杠移动距离为:

x=-60,y=45;

260+x=200;240-y=195;b=279。

角度为:

θ1=45°;θ2=59°;θ3=53°;

则得到A2点的坐标A2（2395,1120）。

同理可得运动到A3点的丝杠移动距离为:

x=-60,y=445;

240-y=-205;260+x=200;b=286。

角度为:

θ1=135°;θ2=58°;θ3=52°;

则得到A3点的坐标A3（1095,-680）。

运动到A4点的丝杠移动距离为:

x=175,y=45;

260+x=435;240-y=195;b=477。

角度为:

θ1=24°;θ2=18°;θ3=17°;

则得到A4点的坐标A4（2395,-680）。

假设码垛方式为每层3行3列（9件）,如图6所示,当码垛机器人搬运工件时,从自动生产线上的C点运动到托盘上的A点再到达B点,按照右手定则,腰部旋转的角度为:

由以上分析可知给定工作区间上初始位置和任意一点,根据式（4）~式（7）即可求解出各个关节应旋转的角度或移动的距离。

同理,已知每个关节旋转的角度或移动的距离,末端机械手的位置姿态也可以求出,在这里不再做详细描述。

第四章工业码垛机器人的工作空间分析

工作空间是该新型工业码垛机器人的一项重要性能参数,因为其末端执行器抓手只能其工作空间范围内运动,使用者必须严格根据工作空间决定工件的码垛起止位置等。

由于该机器人严格执行放大比例关系,所以抓手所能到达的位置主要取决于水平滑块与垂直滑块的运动范围,也就是说抓手在竖直方向上的运动范围是垂直滑块在竖直方向范围的5倍,而抓手A点在水平方向上的运动范围是水平滑块在水平方向范围的6倍。

又由于机器人工作时还得绕基座进行旋转,所以,其工作空间应该是个圆柱环。

笔者根据该码垛机器人的比例关系,通过matlab对其三维工作空间进行了仿真分析,所得结果如图6所示。

在该机器人中,水平滑块在水平方向上的移动范围是95~135mm,按比例关系,抓手在水平面的工作范围是一个半径为2310~2550mm的一个圆环;同样垂直滑块在垂直方向上的移动范围是~310mm,所以抓手在垂直方向上的工作范围是~1550mm,图6中的仿真结果与理论分析完全吻合。

第五章码垛机器人控制系统的设计

第一节硬件控制系统的设计

硬件控制系统结构如图7所示。

由图7可看出,系统设计采用了模块化的形式,且总体结构采用了分布式控制结构。

上位机采用普通工业控制计算机,主要处理系统的监控和作业管理,如示教盒控制、显示服务、坐标转换、I/O控制等,根据使用者的命令和动作程序语句的要求进行轨迹规划、插补运算及坐标变换,计算出各轴电机的位置,然后向下一级各关节位置伺服系统传送一次与设定点相应的位置更新值,实现对各关节运动的协调和控制作用。

下位机采用DSP控制器和PLC,DSP控制器即为所采用的PMAC104运动控制卡,主要是执行实时运动学计算、轨迹规划、插补计算、伺服控制等,不断地读取各轴编码器的脉冲量,计算机器人的现行位置。

第二节软件控制系统的设计

开放式通用机器人控制系统的软件应在标准的语言环境下进行开发,做到可移植,易修改、重构及扩充,并能提供用户接口和程序接口,所以笔者采用面向对象的模块化的工程设计方法,如图8所示。

与硬件结构相对应,控制系统软件也分为上、下两层,各个模块都具有自己独立的功能,相互间调用关系简单,为了适应时刻变化的对象,必须使伺服系统的动作具有某种柔性,这种柔性是通过计算机程序来实现的,故称为软伺服。

如图9所示,通过在串口和示教盒之间进行通讯,将接收到的控制指令按照软件设计的要求判断控制指令的类型,调用相应的控制指令子程序以实现对各轴运动参数的修改、运动方式的控制和示教点位置信息的存储。

此外,在保存当前的示教点特征值时,用一个结构体来记录数据。

本研究针对机器人工作现场的作业要求,对码垛轨迹进行规划,使其能够将物品精确地码成所需要的形式,而轨迹规划是运动学反解的实际应用,其中包括位姿反解与速度、加速度的反解,而实现的方式是采用电控控制、机器人语言和机器人动力学特性[5]。

抓取物品过程中各个点定义如下（运动轨迹设计如图10所示）:

（1）P1→P2。

P1为机械手爪的初始位置,P2为物品最初放置位置;

（2）P2→P1。

机械手爪上升到初始高度;

（3）P1→P3。

P3为旋转角度;

（4）P3→P4。

P4为码垛机械手伸长量;

（5）P4→P5。

P5为旋转角度;

（6）P5→P6。

P6为码垛机械手再度伸长。

（7）P6→P7。

P7为下降位置,一次动作完成。

结语

本文对一种新型工业码垛机器人机构设计和运动学分析进行了研究与探讨,对于其核心的机构设计问题给出了详细的数学推导,并通过实验数据对其数学分析结论进行了验证,还根据推导结果计算出了码垛机器人的工作空间,且通过matlab对机器人的三维工作空间进行了仿真分析。

所得结果对开展新型工业码垛机器人理论研究与工程探索具有重要意义,为进一步完善新型工业码垛机器人的实用化进程奠定了基础。

从国外码垛机器人的研究现状来看,目前的研究正处在实用推广阶段,我国在这方面的研究正处在自主研发的起步阶段在不久的将来,码垛机器人技术会越来越完善和成熟,在国家政策的支持下,机器人软、硬件研发力度及人才队伍建设不断加大,机器人知识的广泛普及,将使码垛机器人广泛应用于工业生产中,并最终走向产业化。

【参考文献】

[1]张丰华,韩宝玲,等.基于PLC的新型工业码垛机器人控制系统设计[J]。

计算机测量与控制,2009