高功臣

摘 要： 根據(jù)被傳送物料的形狀及材質(zhì)特征為其設(shè)計(jì)了合適的機(jī)械手，對(duì)物料進(jìn)行抓握操作。工業(yè)機(jī)器人由物料臺(tái)抓握物料后，沿著預(yù)先設(shè)定的軌跡將物料傳送至立體倉(cāng)庫(kù)前的待入庫(kù)工位，并且按照設(shè)定的操作流程自動(dòng)檢查并選擇空庫(kù)位，將物料平穩(wěn)的放入倉(cāng)庫(kù)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)提高了工作效率，減少了生產(chǎn)中的人力成本。

關(guān)鍵詞： 工業(yè)機(jī)器人； 物料； 入庫(kù)； 機(jī)械手

中圖分類號(hào)： TP 241 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1671-2153（2015）02-0059-04

0 引 言

隨著科技的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)方面。本文以三菱RV-3SD型六軸工業(yè)機(jī)器人為載體設(shè)計(jì)一個(gè)可以在狹小工作空間內(nèi)進(jìn)行物料搬運(yùn)及自動(dòng)入庫(kù)的傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)物料臺(tái)上物料的有無(wú)，可以在狹小空間內(nèi)進(jìn)行物料的搬運(yùn)，在入庫(kù)時(shí)還可以自動(dòng)檢測(cè)庫(kù)位是否為空，并按照要求自動(dòng)選擇空庫(kù)位進(jìn)行入庫(kù)操作。

1 問(wèn)題提出

三菱工業(yè)機(jī)器人在進(jìn)行物料入庫(kù)操作時(shí)，首先機(jī)器人由待機(jī)位置出發(fā)，按照設(shè)定的運(yùn)動(dòng)路徑到達(dá)物料臺(tái)附近，由機(jī)械手從物料臺(tái)上抓取等待入庫(kù)的物料，然后再沿著規(guī)定的路徑到達(dá)立體倉(cāng)庫(kù)的附近，按照設(shè)定的入庫(kù)算法，查找一個(gè)空的庫(kù)位并將物料入庫(kù)，最后機(jī)器人回到待機(jī)位置，等待下次入庫(kù)操作。在實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人、立體倉(cāng)庫(kù)和物料臺(tái)的相對(duì)位置如圖1所示。

圖1中，由H形曲線所圍區(qū)域?yàn)闄C(jī)器人可以到達(dá)工作范圍，其中標(biāo)注20°角所在區(qū)域?yàn)闄C(jī)器人的運(yùn)動(dòng)死區(qū)[1]，該區(qū)域受到機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的限制而不能到達(dá)；而在H型曲線靠近障礙物的一側(cè)，因受到障礙物的阻擋，機(jī)器人亦不能到達(dá)該區(qū)域。另外，三菱工業(yè)機(jī)器人本體除了6個(gè)運(yùn)動(dòng)軸之外，并沒(méi)有其他可以選用的加工或握持工具。

為了解決上述問(wèn)題，本文根據(jù)物料入庫(kù)空間要求以及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)范圍要求，為機(jī)器人入庫(kù)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)了合適的運(yùn)動(dòng)軌跡，并且根據(jù)所需抓握物料的特性設(shè)計(jì)了實(shí)用的機(jī)械手。

2 機(jī)器人手抓設(shè)計(jì)

三菱RV?3SD型工業(yè)機(jī)器人本體只有J1～J6六個(gè)軸[1]，機(jī)器人在出廠時(shí)并沒(méi)有提供可以抓握物料的機(jī)械手，所以此處需要根據(jù)入庫(kù)物料的外形及材質(zhì)特征設(shè)計(jì)一個(gè)合適的機(jī)械手。需要入庫(kù)物料的基本形狀為90×90×30的正方體，其材質(zhì)為鋁合金。物料在入庫(kù)時(shí)，90×30的工作面與機(jī)械手相接觸；另外，機(jī)器人本體已經(jīng)提供了氣動(dòng)接口和所需的氣動(dòng)元件位置檢測(cè)信號(hào)接口，所以此處設(shè)計(jì)一個(gè)由兩個(gè)手指構(gòu)成的氣動(dòng)機(jī)械手，其外形如圖2所示。

該機(jī)械手通過(guò)安裝底座安裝于機(jī)器人的J6軸端，由平行開閉式氣缸驅(qū)動(dòng)兩個(gè)手指進(jìn)行開閉運(yùn)動(dòng)，由安裝于氣缸上的兩個(gè)磁性開關(guān)檢測(cè)機(jī)械手的兩個(gè)手指是否運(yùn)動(dòng)到位，從而實(shí)現(xiàn)正方體物料的抓握。

該機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)可以由機(jī)器人本體自帶的氣動(dòng)接口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，僅需要在機(jī)器人底座進(jìn)氣口導(dǎo)入壓力合適的氣源即可[1]。根據(jù)抓握物料所需力的大小，調(diào)節(jié)導(dǎo)入空氣的壓力。另外，平行開閉式氣缸的位置可以通過(guò)磁性開關(guān)來(lái)檢測(cè)。磁性開關(guān)的信號(hào)通過(guò)機(jī)器人本體自帶的信號(hào)接口，經(jīng)通信電纜將信號(hào)傳遞到機(jī)器人控制器，由控制器控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。

3 物料和倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)位檢測(cè)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用漫反射式光電開關(guān)來(lái)檢測(cè)物料臺(tái)上物料的有無(wú)，該傳感器安裝于物料臺(tái)的正下方，當(dāng)物料到達(dá)物料臺(tái)時(shí)，漫反射式光電開關(guān)被觸發(fā)，將信號(hào)發(fā)送至機(jī)器人控制器，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人去抓握物料，并將其送入立體倉(cāng)庫(kù)。

本系統(tǒng)采用光纖傳感器來(lái)檢測(cè)立體倉(cāng)庫(kù)的庫(kù)位是否為空。在機(jī)械手的一個(gè)手指的一側(cè)設(shè)計(jì)一個(gè)光纖傳感器的安裝孔，將傳感器的探頭安裝固定于該孔內(nèi)，該安裝方式可以防止傳感器在使用過(guò)程中受損。當(dāng)物料需要入庫(kù)時(shí)，先讓安裝有傳感器的手指正對(duì)所需入庫(kù)的庫(kù)位，通過(guò)光路是否被阻擋來(lái)檢測(cè)該庫(kù)位是否為空。如果庫(kù)位為空則可以直接將物料入庫(kù)，否則，機(jī)器人需轉(zhuǎn)向下一個(gè)庫(kù)位重復(fù)上述操作，直至找到空庫(kù)位或者把所有庫(kù)位查找一遍為止。

4 機(jī)器人物料入庫(kù)程序設(shè)計(jì)

三菱RV?3SD型工業(yè)機(jī)器人采用MELFA?BASIC V語(yǔ)言設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序，但在設(shè)計(jì)機(jī)器人物料入庫(kù)程序之前，需要對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行合理的規(guī)劃，防止由于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑或姿態(tài)不正確，導(dǎo)致機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與障礙物相撞或受到機(jī)械限位的限制而無(wú)法正常運(yùn)動(dòng)。

4.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃

由圖1可知，機(jī)器人在物料入庫(kù)的工作區(qū)域中，不僅受到實(shí)際運(yùn)動(dòng)空間的限制，而且還受到機(jī)器人自身機(jī)械限位的限制，為了實(shí)現(xiàn)物料的順利入庫(kù)，必須提前對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行合理的規(guī)劃，這樣不僅能夠避免機(jī)器人與周圍物體發(fā)生碰撞，實(shí)現(xiàn)物料入庫(kù)的目的，而且也能夠提高機(jī)器人的工作效率。

機(jī)器人處在待機(jī)位置時(shí)，其各關(guān)節(jié)都處于收縮狀態(tài)，該狀態(tài)占用空間最小。本系統(tǒng)把該位置的空間坐標(biāo)設(shè)置為P0，如圖3所示。圖3中，機(jī)器人在抓取物料的過(guò)程中，由P0點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到P1點(diǎn)，并且上升，使得各關(guān)節(jié)伸張；再由P1點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到P2點(diǎn)，并改變機(jī)器人的機(jī)械手姿態(tài)，為抓握物料做好準(zhǔn)備；然后由P2點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到P3點(diǎn)，下降并靠近物料。機(jī)器人在抓握工件時(shí)，由P3點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到物料所在位置P4點(diǎn)，抓握物料后，上升運(yùn)動(dòng)，回到P3點(diǎn)。機(jī)器人在從物料臺(tái)搬運(yùn)物料到立體倉(cāng)庫(kù)時(shí)，由P3點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到P2點(diǎn)，再由P2點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到P1點(diǎn)，然后由P1點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到P5點(diǎn)并靠近倉(cāng)庫(kù)。當(dāng)機(jī)器人將物料送入立體倉(cāng)庫(kù)時(shí)，由P5點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到立體倉(cāng)庫(kù)的第一個(gè)庫(kù)位P6點(diǎn)，并在P6點(diǎn)附近找到空的庫(kù)位將物料入庫(kù)，然后回到P6點(diǎn)。當(dāng)機(jī)器人返回待機(jī)位置時(shí)，由P6點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到P5點(diǎn)，再由P5點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到P1點(diǎn)，然后機(jī)器人回到待機(jī)位置P0。圖3中，符號(hào)“☉”和“⊕”分別代表機(jī)器人在豎直方向的上升運(yùn)動(dòng)和下降運(yùn)動(dòng)。

經(jīng)過(guò)上述的一個(gè)工作流程，機(jī)器人將物料從物料臺(tái)運(yùn)送到立體倉(cāng)庫(kù)規(guī)定的庫(kù)位，然后機(jī)器人回到待機(jī)位置，等待再一次的入庫(kù)操作。

4.2 物料搬運(yùn)及入庫(kù)程序設(shè)計(jì)

三菱RV?3SD型工業(yè)機(jī)器人可以使用的工作坐標(biāo)系主要有關(guān)節(jié)坐標(biāo)系和直角坐標(biāo)系。其中關(guān)節(jié)坐標(biāo)系主要應(yīng)用在工作空間較為開闊的地方，此時(shí)機(jī)器人在兩點(diǎn)間選擇合理的路徑運(yùn)動(dòng)，并且可以改變機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)；而直角坐標(biāo)系主要應(yīng)用在工作空間較為狹小、周圍障礙物較多的地方，機(jī)器人按照控制器所提供的直角坐標(biāo)進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，但不能改變機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，所以在程序設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)需要對(duì)機(jī)器人的工作坐標(biāo)系進(jìn)行調(diào)整，使其能夠完成所需的操作。

機(jī)器人在進(jìn)行物料入庫(kù)工作時(shí)，首先檢測(cè)物料臺(tái)上是否有物料存在，如果沒(méi)有物料，則其在待機(jī)位置等待；一旦檢測(cè)到物料到達(dá)，機(jī)器人控制器將機(jī)器人本體的伺服電源打開，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人沿著規(guī)定的路徑運(yùn)動(dòng)到物料臺(tái)上方；機(jī)器人控制器發(fā)出控制信號(hào)，使得機(jī)械手張開，并驅(qū)動(dòng)機(jī)器人向下運(yùn)動(dòng)到合適位置，將物料抓握；然后機(jī)器人沿著規(guī)定的路徑運(yùn)動(dòng)到立體倉(cāng)庫(kù)前，并檢測(cè)所需庫(kù)位是否為空，如果已有物料存在，則機(jī)器人向下一個(gè)庫(kù)位移動(dòng)，并重復(fù)上述檢測(cè)過(guò)程，直至找到一個(gè)空庫(kù)位，則直接入庫(kù)，并返回待機(jī)位置，等待下一次的入庫(kù)工作。當(dāng)立體倉(cāng)庫(kù)所有庫(kù)位均有物料時(shí)，機(jī)器人返回待機(jī)位置，并將伺服電源關(guān)閉，其工作流程如圖4所示。

根據(jù)機(jī)器人物料入庫(kù)程序設(shè)計(jì)流程便可以使用三菱機(jī)器人程序設(shè)計(jì)軟件RT ToolBox2[3]編寫及調(diào)試驅(qū)動(dòng)程序，在程序調(diào)試的過(guò)程中，需要將程序中所涉及的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)位用示教單元進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)示教并保存[2]，此處就不再贅述。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于三菱RV?3SD型工業(yè)機(jī)器人物料入庫(kù)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際測(cè)試，該系統(tǒng)運(yùn)行良好。本系統(tǒng)可代替人工進(jìn)行重復(fù)性的物料入庫(kù)工作，不僅提高了生產(chǎn)效率，而且減少了生產(chǎn)中的人力成本。另外，該系統(tǒng)的工作效率還可以通過(guò)優(yōu)化機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡、調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度來(lái)進(jìn)一步提高。

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Abstract： Based on Mitsubishi RV-3SD type six axis industrial robots as the carrier material storage system， this system can efficiently complete the automatic transmission and storage operation from the material station to the warehouse. According to the transmitted materials shape and material characteristics， this paper designs a suitable mechanical hand to grab material. After industrial robot grasps material form the material station， the material along the prespecified trajectory can be transferred to be storage station before stereoscopic warehouse， and according to set operation process automatic check and select empty library， the material is stable in storage.

Key words： industrial robot； material； storage； Manipulator

（責(zé)任編輯：徐興華）