吳叢銘，溫富榮，趙令民

（廣西欽州保稅區(qū)盛港碼頭有限公司，廣西 欽州 535000）

0 引言

隨著港口吞吐量的日益增長及運輸行業(yè)的蓬勃發(fā)展，港口作業(yè)的自動化成為一種必然趨勢[1]。在港口作業(yè)過程中，傳統(tǒng)的人工裝卸扭鎖的方式大大降低了港口作業(yè)效率，實現(xiàn)扭鎖的智能與自動化裝卸是港口技術(shù)發(fā)展的大勢所趨。然而，目前集裝箱扭鎖的種類繁多，國內(nèi)和國際上都沒有統(tǒng)一標準，因此實現(xiàn)自動裝卸扭鎖系統(tǒng)的難度很大。此外，由于港口工作環(huán)境十分惡劣，機器人壽命大大縮短，系統(tǒng)需配備6 臺機器人，制造和維護成本極高，安裝過程繁瑣，難以推廣使用。因此，研發(fā)出成本低廉、能夠適應(yīng)港口惡劣環(huán)境、適用于各地港口以及各種型號扭鎖的自動裝卸系統(tǒng)意義重大。本文主要研究并設(shè)計一種通過布置5 條直線滑軌、8 個裝卸小車和1 臺機器人來實現(xiàn)自動裝卸港口集裝箱扭鎖的智能化系統(tǒng)（以下簡稱自動化裝卸系統(tǒng)）。

1 集裝箱扭鎖及其裝卸技術(shù)

扭鎖是連接甲板與集裝箱或集裝箱之間的重要部件，有連接緊固箱體及防止歪斜傾覆的作用。SEC公司推出的TL-FA 全自動扭鎖，一體化設(shè)計節(jié)省了維修費用且不需要人工參與裝卸[2]。麥基嘉公司的C8A型全自動扭鎖能夠縮短碼頭作業(yè)時間，降低裝卸作業(yè)碼頭工人的安全威脅[3]。丁建軍等[4]提出的集裝箱轉(zhuǎn)鎖裝卸機械手控制系統(tǒng)，規(guī)劃了扭鎖的裝卸動作順序和裝卸自動化的方案。馬爽等[5]提出了基于Kinect 改進的增量PCA 扭鎖在線識別方法，通過機器學習算法對扭鎖進行實時識別。楊榮等[6]提出了一種新型扭鎖拆裝工藝，該工藝采用與岸橋隨動的輔助扭鎖拆裝作業(yè)平臺，應(yīng)用隨動扭鎖拆裝作業(yè)完成自動化扭鎖拆裝作業(yè)。

2 自動化裝卸港口集裝箱扭鎖智能系統(tǒng)

2.1 仿真模型

本自動化裝卸系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 自動化裝卸系統(tǒng)靜態(tài)仿真模型

各部分裝置模型具體描述如下：

如圖2 裝卸小車：包括起升推桿1、定位平臺2、開鎖夾具3、開鎖推桿4、集裝箱角件5、驅(qū)動系統(tǒng)6以及軌道滑塊7。起升推桿安裝在直線滑臺上，在定位平臺頂部朝上安裝兩部傳感器，傳感器通過上方是否有集裝箱角件遮擋返回x與y軸的定位情況。驅(qū)動系統(tǒng)帶動裝卸小車在x軸的定位，實現(xiàn)定位平臺在y軸的定位。定位平臺水平安裝在起升推桿頂部，通過傳感器感應(yīng)到定位平臺與角件底部距離后，控制起升推桿的升降實現(xiàn)定位平臺在z軸的定位（為便于說明，取裝卸小車使用的直線滑臺運動方向為x軸，同一水平面上與x垂直的方向為y軸，取空間中與x、y都垂直的方向為z軸）。

直線滑臺：包括直線導軌、擋塊和齒條。齒條安裝在一條導軌內(nèi)側(cè)，裝卸小車通過底部驅(qū)動系統(tǒng)帶動齒輪齒條傳動，在直線導軌上滑動。

轉(zhuǎn)運裝置：包括y軸直線滑臺、沿x軸的取物模、沿z軸的取物模組以及電磁夾爪。轉(zhuǎn)運裝置在直線滑臺滑動，通過傳感器距離反饋，控制電磁夾爪在y軸定位，取物模組通過滑塊上傳感器距離反饋，實現(xiàn)在x軸上對電磁夾爪的定位，取物模組通過滑塊上傳感器距離反饋，實現(xiàn)電磁夾爪在z軸的定位。三軸定位完成后，電磁夾爪上的電磁鐵塊緊緊吸住鎖頭，保證扭鎖的轉(zhuǎn)運。

輸送裝置：包括導軌、鏈板、驅(qū)動系統(tǒng)、鏈條以及扭鎖盒。驅(qū)動系統(tǒng)帶動鏈條傳動，鏈條帶動鏈板在導軌上滑動，實現(xiàn)扭鎖的中遠距離運輸。

集裝箱放置架：還包括支撐框架和集裝箱定位導板。

搬運機器人：包括六軸機器人和取鎖夾具。通過控制機器人六軸運動實現(xiàn)取鎖夾具的定位，安裝于遮蔽棚中，隔離外部不利環(huán)境因素，保障在搬運鎖時機械視覺的識別速度與精度。

扭鎖筐：內(nèi)部分層安裝有固定的盛鎖結(jié)構(gòu)，用于扭鎖的放置定位。

機械視覺定位系統(tǒng)：包括照明白熾燈1、工業(yè)鏡頭2、工業(yè)相機3、PCI 圖像采集卡4 以及計算機5。扭鎖頭部涂刷有醒目的亮色油漆，保證相機能正常采集到圖像。PCI 圖像采集卡負責將圖像傳送到計算機的存儲器中進行處理。如圖3 所示。

圖3 機械視覺定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2 實施方法

2.2.1 自動化裝卸系統(tǒng)安裝過程

集裝箱放置架于輸送裝置一側(cè)并布置兩架，直線滑臺對稱布置于集裝箱放置架兩側(cè)并按集裝箱放置的工位布置四條。裝卸小車安裝于直線滑臺上，單條直線滑臺上安裝兩個裝卸小車，用于裝卸集裝箱一側(cè)的兩個扭鎖。轉(zhuǎn)運裝置安置于直線滑臺和輸送裝置之間，與輸送裝置平行布置一臺。搬運機器人安裝于輸送裝置的另一端的一側(cè)，布置一臺。扭鎖筐安裝在輸送裝置的一端外，且搬運機器人與輸送裝置位于扭鎖筐同一側(cè)。

2.2.2 自動化裝卸系統(tǒng)卸鎖過程

自動化裝卸系統(tǒng)卸鎖過程大致可以分為四步：

（1）裝卸小車取出扭鎖至轉(zhuǎn)運裝置：集裝箱經(jīng)放置架導板的引導落位在放置架上方，裝卸小車通過傳感器定位至扭鎖下方位置后，電機驅(qū)動定位平臺，使得開鎖夾具與集裝箱角件完成水平面定位，起升推桿將定位平臺升至解鎖位置，開鎖夾具定位完成之后，扭鎖頭已處于開鎖夾具內(nèi)部正中心位置，開鎖推桿推動連桿帶動開鎖夾具進行圓周轉(zhuǎn)動，開鎖完成，起升推桿下降，將扭鎖從角件中取下，裝卸小車隨即快速移動至轉(zhuǎn)運裝置下。

（2）轉(zhuǎn)運裝置運送扭鎖至輸送裝置：轉(zhuǎn)運裝置完成三軸定位后，電磁夾爪上的電磁鐵塊緊緊吸住鎖頭，再通過三軸驅(qū)動，電磁夾爪夾爪將扭鎖從裝卸小車中取出，并放置于輸送裝置上的扭鎖盒中。

（3）輸送裝置輸送扭鎖至搬運機器人：卸鎖作業(yè)完成后，輸送裝置通過驅(qū)動系統(tǒng)帶動鏈條以及鏈板在導軌上滑動，將扭鎖運輸至搬運機器人的取物工位。

（4）搬運機器人運送扭鎖至扭鎖筐：搬運機器人經(jīng)過預設(shè)路徑將取鎖夾具運動至扭鎖頭附近，機械視覺識別鎖頭并將其轉(zhuǎn)換成圖像信號傳送給圖像處理系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)將像素分布和亮度、顏色等信息轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號，再對這些信號進行各種運算處理得到鎖頭的面積、位置特征，再根據(jù)預設(shè)的允許度輸出結(jié)果，包括個數(shù)、位置等，實現(xiàn)自動識別功能。識別完成之后通過基于A*的機器人路徑規(guī)劃算法，完成扭鎖的精確定位。定位完成之后搬運機器人取下扭鎖，將其搬運至扭鎖筐后，再次通過機械視覺找到扭鎖筐中空余的盛鎖結(jié)構(gòu)，將鎖放入其中。

裝鎖過程與卸鎖過程相反。

2.3 基于A*算法的機器人路徑規(guī)劃

2.3.1 算法概述

A*算法是一種啟發(fā)式搜索算法，通過不斷搜索逼近目的地的路徑來獲得最終的規(guī)劃路徑。路徑搜索時用代價函數(shù)評估節(jié)點的優(yōu)劣，根據(jù)計算所得代價值選擇要擴展到的節(jié)點，通常擴展到有可能到達目標節(jié)點并且代價函數(shù)最小的節(jié)點，然后再從該節(jié)點出發(fā)進行搜索，直至到達目標點[7，8]。

2.3.2 算法路徑規(guī)劃仿真試驗內(nèi)容及結(jié)果

針對自動化集裝箱鈕鎖智能系統(tǒng)設(shè)計一個A*算法來實現(xiàn)3.2.2 節(jié)第四步中扭鎖的精確定位，主要流程如下：

（1）柵格化工作環(huán)境：將工作環(huán)境建模成一個柵格地圖（用于A*算法的路徑規(guī)劃），其中包括扭鎖的位置以及任何障礙物或限制。

（2）定義單個柵格搜索節(jié)點：從搜索節(jié)點角度出發(fā)，每個父節(jié)點向下搜索上下左右4 個方向，較于傳統(tǒng)搜索可以提高效率，如圖4 所示。

圖4 單個柵格搜索節(jié)點

（3）定義起始狀態(tài)和目標狀態(tài)：起始狀態(tài)為搬運機器人的當前位置，目標狀態(tài)為搬運機器人的目標位置，即要取的扭鎖的位置。

（4）定義A*算法：傳統(tǒng)A*算法在格柵地圖中進行搜索規(guī)劃出最優(yōu)路徑時采用的代價函數(shù)f（n）如式（1）所示：

式中，n為A*算法搜索樹中進行搜索的當前節(jié)點，對應(yīng)搬運機器人所在的位置，g（n）為在搜索樹上從起點到搜索節(jié)點的路徑長度，h（n）是啟發(fā)函數(shù)，為在搜索樹上當前位置與目標位置之間的預期路徑距離，此處選擇歐幾里得距離，如式（2）所示：

式中，（xn，yn）為當前節(jié)點，（xT，yT）為目標節(jié)點。

（5）開始試驗：編寫A*算法程序，仿真自動化集裝箱鈕鎖智能系統(tǒng)對扭鎖的精確定位，實驗示意圖如圖5 所示。

圖5 仿真實驗示意

圖5 中黑色柵格代表障礙物的位置，圓點表示搬運機器人的起點，三角表示搬運機器人最終需要到達的位置，即扭鎖的位置。在該工作環(huán)境下，如果隨機進行搜索至少需要跨越38 個格柵，而使用A*算法則只需要跨越26 個柵格，效率提高了31.58%。

綜合上述實驗結(jié)論，在給定的工作環(huán)境中，A*算法在規(guī)劃搬運機器人取扭鎖的路徑時，相較于隨機搜索，能夠更有效地找到路徑，減少了所需跨越的柵格數(shù)，表明A*算法在路徑規(guī)劃問題上表現(xiàn)出更好的性能，尤其在包含復雜工作環(huán)境和障礙物的情況下，可以更快速地實現(xiàn)扭鎖的精確定位。

2.4 自動化裝卸系統(tǒng)的優(yōu)點

根據(jù)系統(tǒng)的工作原理，組合裝置后經(jīng)實驗分析得出此系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：

（1）通用性強：裝卸小車使用標準件的集裝箱角件進行傳感器定位，且機器人采用機械視覺進行夾具定位與扭鎖搬運，適用于所有型號的扭鎖。

（2）制造和維護成本低：此系統(tǒng)實現(xiàn)了扭鎖的自動裝卸，結(jié)構(gòu)簡單，避免了使用對環(huán)境要求很高的機器人。

（3）安裝方便：采用整體式設(shè)計，全套系統(tǒng)可在組裝后整體起吊至起重機平臺上。

（4）工作可靠：經(jīng)過測試，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)集裝器的自動裝載和自動卸載功能，可以在2 min 內(nèi)完成裝載或卸載。

3 結(jié)語

自動化集裝箱鈕鎖智能系統(tǒng)能夠滿足自動裝卸要求，能夠可靠地實現(xiàn)對各個組件間的通信，減少了集裝箱裝卸對人員的需求，提高了港口的作業(yè)效率。