彭 可, 楊陳浩, 劉 明, 邵 添, 周稼輝, 宋雨情

(湖南師范大學(xué) 工程與設(shè)計(jì)學(xué)院,長沙 410081,E-mail:77547113@qq.com)

目前物流等行業(yè)的倉儲分揀工作越來越趨向于機(jī)器代替人[1-3],多采用非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備完成分揀工作。通常是根據(jù)不同品種物料的形狀、尺寸、重量等自身屬性的異同點(diǎn)而研制出的自動(dòng)化設(shè)備。

唐智強(qiáng)[4]通過單片機(jī)控制硬幣自動(dòng)分揀機(jī)利用不同口徑的分離軌道重疊為一體,用篩子孔的原理將不同規(guī)格的硬幣在出口處進(jìn)行分揀。徐漢均[5]通過線性工業(yè)相機(jī)的識別并結(jié)合PLC虛擬脈沖的分揀模式應(yīng)用于生產(chǎn)型物流的分揀領(lǐng)域。以上自動(dòng)化流水線可連續(xù)處理大批量物料,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,控制可靠。但是每一臺非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用的場景固定,需要定制化設(shè)計(jì),周期長投入成本多;而且非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備對商品的外包裝形狀和大小要求固定,不適應(yīng)目前多品種大批量的倉儲發(fā)展模式。

自動(dòng)化倉儲存放系統(tǒng)常用工業(yè)機(jī)械臂代替人工進(jìn)行物料存放[6-7]。劉帥[8]設(shè)計(jì)并完成了基于KUKA工業(yè)機(jī)械臂的自動(dòng)搬運(yùn)控制系統(tǒng),運(yùn)用LBR IIWA和KR6 R900兩臺機(jī)械臂配合輸送帶完成對圓形紗錠的上下料。但固定式工業(yè)機(jī)械臂的工作范圍有限而限制了放置物料的數(shù)量,不能根據(jù)實(shí)際倉儲環(huán)境擴(kuò)大倉儲容量使機(jī)械臂限制于固定的工作環(huán)境中,無法通過自身的調(diào)整來適應(yīng)復(fù)雜的倉儲作業(yè)[9-11]。

針對以上倉儲分揀中的不足,亟需建立一套自動(dòng)化程度高、工業(yè)性能好的倉儲分揀系統(tǒng)。本文旨在運(yùn)用單臺工業(yè)機(jī)械臂對物料進(jìn)行抓取和放置,通過物料信息識別裝置進(jìn)行分揀,利用AGV小車移動(dòng)工業(yè)機(jī)械臂,從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)工位的倉儲分揀工作。以解決倉儲成本高、效率低,貨架位置改變后無法進(jìn)行原定倉儲作業(yè)等一系列問題。

1 機(jī)械臂可變工位倉儲分揀方案設(shè)計(jì)

1.1 方案概述

圖1為本文可變工位倉儲分揀系統(tǒng)的總體方案。應(yīng)用場景包括一條輸送帶、一臺工業(yè)機(jī)械臂、一臺AGV小車、3個(gè)6×6貨架以及激光測距儀。工業(yè)機(jī)械臂固定安裝在AGV小車上跟隨移動(dòng);工位0為機(jī)械臂的原始位置,也是機(jī)械臂抓取物料的位置,另外3個(gè)工位分別對應(yīng)3個(gè)貨架,為機(jī)械臂放置物料的位置。并采用EthernetKRL網(wǎng)絡(luò)通訊,結(jié)合激光測距儀測得位置信號,實(shí)時(shí)控制機(jī)械臂完成可變工位倉儲分揀工作。

▲圖1 可變工位倉儲分揀系統(tǒng)

1.2 倉儲分揀流程

整個(gè)倉儲分揀流程如圖2所示:系統(tǒng)初始化后機(jī)械臂移動(dòng)到HOME點(diǎn)(待抓取工位0)。接著輸送帶啟動(dòng),物料通過輸送帶進(jìn)入機(jī)械臂工作范圍,當(dāng)物料被輸送至待抓取區(qū)并觸發(fā)輸送帶末端安裝的光電開關(guān)時(shí),光電開關(guān)產(chǎn)生輸入信號通過PLC控制輸送帶停止運(yùn)動(dòng)。同時(shí)觸發(fā)物料信息識別裝置,對物料包裝信息進(jìn)行識別,確定物料的存放位置。然后,將物料存放信息通過PC端傳遞給機(jī)械臂系統(tǒng),通過PLC的I/O口信號觸發(fā)來控制AGV小車運(yùn)動(dòng)。機(jī)械臂抓取完成后,隨AGV小車移動(dòng)到對應(yīng)貨架前的工位,小車停止,得到相對于原位置的移動(dòng)偏移量。機(jī)械臂程序根據(jù)物料信息判斷應(yīng)存放在哪一個(gè)格柵(行-列),利用激光測距儀測量該格柵在客觀世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)數(shù)據(jù),通過運(yùn)行機(jī)械臂坐標(biāo)變換運(yùn)算程序,根據(jù)目標(biāo)格柵的坐標(biāo)數(shù)據(jù)變換機(jī)械臂坐標(biāo)系下的坐標(biāo)數(shù)據(jù),再執(zhí)行點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)指令,完成存放工作。最后,工業(yè)機(jī)械臂隨小車移動(dòng)到待抓取區(qū),完成一個(gè)物料倉儲分揀循環(huán)。

▲圖2 倉儲分揀流程圖

2 機(jī)械臂可變工位倉儲分揀實(shí)現(xiàn)方式

2.1 旋轉(zhuǎn)和水平坐標(biāo)變換分析

▲圖3 繞Z軸正向旋轉(zhuǎn)γ度示意圖

當(dāng)三維物體繞Z軸(X軸,Y軸同理)正向旋轉(zhuǎn)γ度時(shí),如圖3所示,x和y坐標(biāo)改變,z坐標(biāo)不變。x和y坐標(biāo)可由二維空間內(nèi)物體繞原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)后得到:

(1)

即:

(2)

▲圖4 機(jī)械臂在平面內(nèi)的移動(dòng)示意圖

在實(shí)際工況中,機(jī)械臂進(jìn)行水平移動(dòng)以完成可變工位時(shí),一般只有XOY平面的移動(dòng)以及繞Z軸的旋轉(zhuǎn)。如圖4所示,針對此問題建立數(shù)學(xué)模型。

假設(shè)機(jī)械臂從M點(diǎn)移動(dòng)到M′,其X方向的偏移量為tx,Y方向的偏移量為ty,并繞Z軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了γ度,則平移變換和旋轉(zhuǎn)變換分析如下:

將三個(gè)變化量代入公式可得:

(3)

將上式進(jìn)行運(yùn)算,得到機(jī)械臂在平面內(nèi)進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)變換后的矩陣如下:

(4)

2.2 可變工位坐標(biāo)位姿變換分析

機(jī)械臂所完成的每一個(gè)動(dòng)作最終是以機(jī)械臂足坐標(biāo)系為參考的[12]。在本方案中,已知目標(biāo)物體的客觀世界坐標(biāo),機(jī)械臂的足坐標(biāo)原點(diǎn)相對于客觀世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)也可通過測量得到,因此可通過坐標(biāo)變換計(jì)算得到目標(biāo)物體相對于機(jī)械臂足坐標(biāo)系的坐標(biāo)。機(jī)械臂底座移動(dòng)后只需要將偏移量計(jì)算進(jìn)來,即可抓取到目標(biāo)物體。以下將對該方案建立數(shù)學(xué)模型并分析。已知機(jī)械臂足坐標(biāo)的原點(diǎn)位置、機(jī)械臂移動(dòng)的距離和目標(biāo)格柵在客觀世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo),要求機(jī)械臂末端到達(dá)目標(biāo)格柵。理論實(shí)現(xiàn)方法:

▲圖5 數(shù)學(xué)模型示意圖

如圖5所示,以墻角或某一特殊點(diǎn)為原點(diǎn)建立客觀世界坐標(biāo)系。將激光測距儀安裝在客觀世界坐標(biāo)原點(diǎn),通過激光測距儀測得貨架格柵A、B在客觀世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分別為AO(0,20,10)、BO(0,220,10),此時(shí)機(jī)械臂末端可以到達(dá)到A點(diǎn),但因機(jī)械臂的工作范圍有限,無法到達(dá)B點(diǎn)。于是通過將機(jī)械臂向Y正方向移動(dòng)200,從M點(diǎn)移至M′點(diǎn),使得機(jī)械臂末端能到達(dá)B點(diǎn)。機(jī)械臂的足坐標(biāo)是不會(huì)發(fā)生改變的,故坐標(biāo)還是(0,0,0)。為測出目標(biāo)B點(diǎn)相對于機(jī)械臂足坐標(biāo)系的坐標(biāo)數(shù)據(jù),可直接在機(jī)械臂末端安裝激光測距儀,測出B點(diǎn)坐標(biāo),即可直接到達(dá)B點(diǎn)。但為了消除誤差,且保證每一次測量的參考點(diǎn)一致,現(xiàn)將激光測距儀安裝在客觀世界坐標(biāo)原點(diǎn),測得BO(0,220,10),則需減去機(jī)械臂相對于原點(diǎn)位置在X方向移動(dòng)的偏移量200,即可得到B點(diǎn)相對于機(jī)械臂足坐標(biāo)系的坐標(biāo)為BM′(0,20,10),此時(shí)機(jī)械臂末端可到達(dá)B點(diǎn)。

故機(jī)械臂可通過單個(gè)方向的移動(dòng)和坐標(biāo)變換,到達(dá)B點(diǎn)。同理,機(jī)械臂可通過在一個(gè)平面內(nèi)的平移或者旋轉(zhuǎn),再進(jìn)行平移或旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換,到達(dá)客觀世界坐標(biāo)系下任意一個(gè)合理的點(diǎn)。

2.3 實(shí)時(shí)通訊

如圖6所示,通過物料識別裝置將不同種類的物料識別成數(shù)字信號,傳輸給上位機(jī),上位機(jī)將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械臂特定的XML格式數(shù)據(jù),再通過EthernetKRL通訊連接傳輸給機(jī)械臂。隨后機(jī)械臂根據(jù)判斷程序觸發(fā)I/O信號,驅(qū)動(dòng)AGV小車帶動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng),并獲取機(jī)械臂移動(dòng)的偏移量。然后通過EthernetKRL通訊傳輸物料存放格柵編號,利用激光測距儀獲取客觀世界下的格柵坐標(biāo),再通過編寫的坐標(biāo)變換運(yùn)算程序獲得格柵在新位置機(jī)械臂足坐標(biāo)系下的坐標(biāo)數(shù)據(jù),進(jìn)行存放工作。

▲圖6 通訊示意圖

3 基于兩臺固定底座機(jī)械臂的坐標(biāo)變換實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上針對水平移動(dòng)可變工位的理論分析,要求機(jī)械臂從M點(diǎn)向X方向移動(dòng)至M′。故開展類比實(shí)驗(yàn):該方法利用兩臺固定底座的KUKA六自由度機(jī)械臂對同一目標(biāo)物體進(jìn)行抓取,如圖7所示,在此實(shí)驗(yàn)平臺開展以下實(shí)驗(yàn)測試。

▲圖7 示教測量目標(biāo)位置數(shù)據(jù)圖

實(shí)驗(yàn)一:找取兩臺機(jī)械臂都能到達(dá)的一個(gè)位置,放置一個(gè)物料塊;以第一臺機(jī)械臂底座中心為原點(diǎn)建立客觀世界坐標(biāo)系,通過激光測距儀測量出物料塊四個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù);然后,操縱示教器使得機(jī)械臂末端觸碰到物料塊的四個(gè)頂點(diǎn),記錄此時(shí)示教器中顯示的機(jī)械臂實(shí)際位置,即四組機(jī)械臂末端的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)二:測量出第二臺機(jī)械臂相對于第一臺機(jī)械臂在X、Y、Z方向上的偏移量:X方向+1 205、Y方向-15、Z方向0;將偏移量換算至物料塊四個(gè)頂點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)上,獲得物料塊四個(gè)頂點(diǎn)相對于第二臺機(jī)械臂足坐標(biāo)系的坐標(biāo)數(shù)據(jù),由于第二臺機(jī)械臂相對于第一臺機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)了180°,因此X值應(yīng)取相反數(shù);然后操縱第二臺機(jī)械臂示教器使得機(jī)械臂末端觸碰到物料塊四個(gè)頂點(diǎn),記錄此時(shí)示教器中顯示的機(jī)械臂實(shí)際位置數(shù)據(jù)。

通過對四組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得出如下結(jié)論:如上表1所示,實(shí)驗(yàn)一所展現(xiàn)的兩種方式得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)幾乎相同,表明機(jī)械臂到達(dá)的點(diǎn)位數(shù)據(jù)是基于機(jī)械臂足坐標(biāo)系下的,又為實(shí)驗(yàn)二提供了數(shù)據(jù)。如上表2所示,實(shí)驗(yàn)二表明當(dāng)機(jī)械臂在X、Y、Z某個(gè)方向產(chǎn)生了偏移量時(shí),可通過對激光測距儀測得的目標(biāo)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行彌補(bǔ),得到基于機(jī)械臂足坐標(biāo)系下的新位置數(shù)據(jù),從而到達(dá)該目標(biāo)點(diǎn)。

表1 實(shí)驗(yàn)一數(shù)據(jù)記錄表

表2 實(shí)驗(yàn)二數(shù)據(jù)記錄表

4 基于Process Simulate的仿真驗(yàn)證

為了保證場景搭建的準(zhǔn)確性,模型參數(shù)均參考機(jī)械臂本體實(shí)際測量出來的等比例數(shù)據(jù)。為了確定貨架的規(guī)格尺寸,需對機(jī)械臂的可達(dá)范圍進(jìn)行測量。首先通過查找KR 6 R700-2型號機(jī)械臂機(jī)械參數(shù)手冊,得到機(jī)械臂在理想狀態(tài)下的可達(dá)范圍如圖8所示;然后通過操作實(shí)驗(yàn)室機(jī)械臂示教器,將機(jī)械臂執(zhí)行末端移動(dòng)至上下左右四個(gè)極限位置,如圖9所示,查看示教器上機(jī)械臂末端的實(shí)際位置,得到機(jī)械臂在上、下、左3個(gè)極限位置的某一坐標(biāo)值分別為Z=1 017.66 mm、Z=372.06 mm、X=-583.61 mm,因此,確定貨架的尺寸為1 000×150×700 mm,格柵規(guī)格為6×6,其中每一個(gè)格柵的尺寸為155×140×105 mm。

通過Process Simulate仿真平臺搭建了基于外部網(wǎng)絡(luò)通訊的實(shí)現(xiàn)方案的虛擬場景,將機(jī)械臂程序?qū)胫练抡姝h(huán)境中進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)規(guī)律在運(yùn)動(dòng)學(xué)編輯器中創(chuàng)建機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)鏈。最后在關(guān)節(jié)屬性中設(shè)置機(jī)械臂每一根軸的運(yùn)動(dòng)范圍,從而建立起機(jī)械臂模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系。如圖10。

▲圖8 KR 6 R700-2機(jī)械臂工作空間示意圖

▲圖9 機(jī)械臂真實(shí)工作空間極限位置圖

▲圖10 機(jī)械臂模型結(jié)構(gòu)定義界面

如圖11所示,機(jī)械臂按照可變工位倉儲方案控制程序執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。在整個(gè)仿真過程中,機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡符合預(yù)設(shè)路徑并按照控制程序有序地進(jìn)行倉儲分揀動(dòng)作,在存放物料的路徑中,機(jī)械臂先運(yùn)動(dòng)到與格柵水平的位置點(diǎn),再直線進(jìn)入格柵,并且運(yùn)行過程中機(jī)械臂按照延時(shí)程序進(jìn)行了延時(shí),驗(yàn)證了機(jī)械臂程序的有效性及可變工位倉儲分揀的實(shí)現(xiàn)方案可行性。

▲圖11 機(jī)械臂仿真過程界面

5 結(jié)論

本文提出了一種利用單臺工業(yè)機(jī)械臂進(jìn)行多個(gè)位的倉儲分揀作業(yè)的解決方案。利用激光測距儀獲得目標(biāo)數(shù)據(jù),進(jìn)行坐標(biāo)變換后基于KUKA EthernetKRL網(wǎng)絡(luò)通訊方式實(shí)時(shí)改變機(jī)械臂內(nèi)部程序位移變量,AGV小車帶動(dòng)機(jī)械臂到達(dá)目標(biāo)工位進(jìn)行倉儲,達(dá)到單臺工業(yè)機(jī)械臂對多品種物料進(jìn)行可變工位倉儲分揀的目的。基于Process Simulate仿真軟件平臺,依據(jù)機(jī)械臂實(shí)體等比例還原的模型,搭建了兩類不同虛擬場景,將機(jī)械臂控制程序上傳至虛擬控制器,從而驗(yàn)證其可行性。該自動(dòng)倉儲方式可完全代替人工倉儲,提高單臺機(jī)器臂的使用效率,增加有效倉儲容量。在貨架位置改變的情況下僅需修改倉儲位置坐標(biāo)即可完成原定的倉儲作業(yè)。對生產(chǎn)應(yīng)用具有實(shí)際意義。