碼頭集裝箱機械臂的研究與設計

袁梓祥

摘 要：本文敘述了在傳統碼頭集裝箱的裝卸作業中，大工作量的重復人工勞動往往存在局限和困難的現狀。通過介紹機械臂在現實生活的應用實例，分析碼頭集裝箱機械臂的控制系統的環節和操作與可行性，以及碼頭集裝箱機械臂投入與傳統的繁瑣體力重復勞動的效益對比。研究了碼頭集裝箱機械臂在現實生活中的應用和解決問題，指出碼頭集裝箱機械臂替代人力勞動，解放人的現實作用與幫助生產生活的現實作用的結論。

關鍵詞：碼頭集裝箱；機械臂；自動化

中圖分類號：TN941.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）03-0055-02

1 應用背景

目前我國正處于高速發展時期，經濟快速上升階段，因此碼頭集裝箱的需求量越來越大，運輸量的大小也呈正比例增長。在這重要的發展時期，碼頭集裝箱等大宗貨物是經濟發展的必要支撐。

從去年的數據可以看出，碼頭集裝箱在不斷增長，相關港口泊位也對應出現明顯的擴大。2015年末全國港口擁有生產用碼頭泊位31259個，比上年末減少446個。其中，沿海港口生產用碼頭泊位5899個，增加65個；內河港口生產用碼頭泊位25360個，減少511個。全國港口擁有萬噸級及以上泊位2221個，比上年末增加111個。其中，沿海港口萬噸級及以上泊位1807個，增加103個；內河港口萬噸級及以上泊位414個，增加8個。全國萬噸級及以上泊位中，專業化泊位1173個，通用散貨泊位473個，通用件雜貨泊位371個，比上年末分別增加59個、32個和11個。我國貨運吞吐量保持連年穩定增長。[1]

在當前碼頭集裝箱大力發展的情況下，碼頭集裝箱抓取自動化勢在必行，主要有以下兩個方面的需求：一方面，為了適應經濟快速發展的需要，在全國范圍內的港口數量日益增加，集裝箱吞吐量連年攀升，隨之而來的人力成本不可忽視，發展集裝箱吊具的全自動化系統，能夠極大壓縮現階段人力勞動和半自動化下人力成本，并能大大提高裝卸效率。另一方面，貨物吞吐量的攀升，帶來港口能源消耗量的大幅需求。利用全自動化的技術能有效提高能源的利用率并于一定程度上減少貨物損失與環境污染，保證了裝卸作業的環境需求。[2]

2 工業機械臂及其特性

由于碼頭集裝箱方面的大力發展，伴隨而來的環境和人力成本問題待需解決，碼頭工業機械臂則就是一種很好的選擇。工業機械臂是一種由操作機、控制器、伺服驅動系統和檢測傳感裝置構成，用來模仿人類作業，可以搬運物料、零件、工具等多項操作功能，具有可自動控制、可重復編程特征，可在三維空間完成下達作業的自主自動化設備。[3]可通俗理解為按照程序、無人操作下的無休止重復工作勞動力，當然它也可以根據不同調整來執行不同功能。

根據碼頭集裝箱工業機械臂的定義，可知它具有精確性，穩定性，可重復性等特點，因此十分適合于碼頭集裝箱作業。首先工業機械臂具有極強的可重復性，在提高勞動效率上具有十分重要的作用。其次不可忽視的是工業機械臂的穩定性和精確性，這使它特別適合于多品種，變批量的生產。而且機械臂能在設定好的程序中精確的感知作業對象所在的空間位置，以電信號的形式反饋給自身的自動化系統，從而精準地對目標鎖定抓取并實現作業。同時，機械臂還可以根據作業需要選擇和設定合理的機械來完成所需工作即保證其穩定性，從而實現成本壓縮。所以在大型碼頭，萬噸級及以上泊位中，全自動化下機械臂的推廣與使用對其在快速發展下要求完美符合，在穩定產品質量、提高生產效率、改善勞動條件和產品快速更新換代等方面中起著至關重要的作用，這也是在裝卸作業中利用機械臂的原因。

3 集裝箱碼頭機械臂吊具模型

根據機械臂的特性與理想應用范圍，現給出如下機械臂吊具系統模型以完成抓取工作。該集裝箱吊具是適用于集裝箱裝卸轉運的大型專用機具，適合貨運倉儲、水運港口和碼頭。它具有可靠性高、運行平穩、作業效率高等特點，是起重設備重要的輔助機具。機械臂吊具系統模型如圖1所示。

如圖1所示，該模型由吊索、吊環、解鎖箱總成、導板裝置、聯桿總成、牽引系統、托輥總成、驅動機構、吊架、解鎖指示器構成。[4]其工作原理為：通過位置檢測器的傳輸紅外線信號來得出集裝箱的擺放位置與高度，繼而操作吊具達到目標地即信號傳輸所指的位置，然后電機驅動使其降至適當高度的正確位置，再利用彈性拉鎖控制系統，使吊具與集裝箱穩固連接達到裝卸的目的。

集裝箱吊具通常與岸邊集裝箱起重機、輪胎式集裝箱門式起重機、軌道式集裝箱門式起重機、集裝箱跨式運輸車和門座起重機等裝卸設備配合使用。它具有與集裝箱箱體相適應的結構，通過轉鎖與箱體的箱角件連接進行起吊作業。機械臂吊具的使用很大程度上減少了人力勞動的支出和避免了意外發生，利用這種吊具的進行作業，很大程度上解決了面對了大型集裝箱裝卸的難題。諸如大型的重量體積過大，或者在惡劣條件天氣等客觀因素導致人工作業的無法進行和進行緩慢等問題。

就碼頭集裝箱的裝卸來講，機械臂是一項極其富有現實效益的先進技術：它能在很大程度上減少大量的重復的機械勞動作業，將勞動成本極大的降至機械的成本和維修上，并摒棄以往的繁重緩慢不安全等不良因素，從而實現降低人力成本的目的。在能極大提高效率與作業的同時，改善目前的困擾，使集裝箱能更快更穩更好的完成裝卸工作，并配合快捷的運輸使碼頭的效益進一步得到提升，讓集裝箱的產品的價值得到多方面的保證。

4 碼頭機械臂控制系統

上文給出了集裝箱抓取采用的機械臂吊具物理結構，為了實現集裝箱抓取的全自動運行，還需要利用控制器對吊具進行控制，以保證整個抓取系統能夠自動化運行。圖2給出了抓取系統的閉環結構框圖。

圖2中給出了抓取系統各部分子系統的組成，包括執行機構、驅動系統、控制系統及位置檢測裝置等。

根據設計的集裝箱抓取物理結構特點，控制系統框圖中各部分選取為：

（1）執行機構：固定式吊具，其特性在上文中已給出。（2）驅動系統：液壓驅動系統，液壓驅動具有推力大、體積小、調速方便等特點，因此常被用來驅動此類大型機械臂。同時，采用的液壓驅動技術減少了其他動力的依賴，也減少了各類能源的環境問題而引發效益矛盾，符合作業環境的綠色友好需求。其工作平穩更好的保障了工業機械臂集裝箱吊具的穩定性，適應于碼頭大型或中小型集裝箱的裝卸作業中。（3）控制系統：大型帶操作系統的控制系統，常用比如集中控制系統或大型PLC控制器。（4）傳感器檢測裝置：位置檢測裝置傳感器，位置檢測裝置傳感器既簡單也完善的提高整個系統的精確性，此類傳感器具有的高靈敏度特性保障了整個作業的有序協調進行。位置檢測裝置傳感器減少了集裝箱裝卸過程中因為抓取位置的錯誤而到裝卸中止的情況，而且安裝維修方便，成本低廉，符合整個系統的經濟要求和環保需求。

5 結語

本文面對現實碼頭的現狀，進行了碼頭集裝箱機械臂抓取系統的研究和設計。分析了其實際需求與機械的可行性以及操作控制系統。盡可能地降低人力成本，實現到全自動化的管理與作業。利用自動化碼頭集裝箱機械臂抓取系統可以有效提高經濟效益與安全性，使其可以做到自動化控制下，無停歇的裝卸工作。其抓取系統還可以根據實際要求轉換類型規格對各種體積大小的集裝箱進行裝卸工作，適用各類大小碼頭，因此有極大的經濟效益和社會效益，實現技術在現實中幫助人類生產生活的目的。

參考文獻

[1]交通運輸部網站.2015年交通運輸行業發展統計公報[K].

[2]趙溦，趙憲花.散貨碼頭智能化裝卸工藝技術研究[J].中國水運（下半月），2015，15（7）：121-122.

[3]董硯秋.智能機器人概述[J].網絡與信息，2007，（7）：68-69.

[4]集裝箱吊具.MBA知度百科[K].