工業機械臂可變工位倉儲分揀系統設計

彭 可, 楊陳浩, 劉 明, 邵 添, 周稼輝, 宋雨情

(湖南師范大學 工程與設計學院,長沙 410081,E-mail:77547113@qq.com)

目前物流等行業的倉儲分揀工作越來越趨向于機器代替人[1-3],多采用非標自動化設備完成分揀工作。通常是根據不同品種物料的形狀、尺寸、重量等自身屬性的異同點而研制出的自動化設備。

唐智強[4]通過單片機控制硬幣自動分揀機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格的硬幣在出口處進行分揀。徐漢均[5]通過線性工業相機的識別并結合PLC虛擬脈沖的分揀模式應用于生產型物流的分揀領域。以上自動化流水線可連續處理大批量物料,系統結構緊湊,控制可靠。但是每一臺非標自動化設備應用的場景固定,需要定制化設計,周期長投入成本多;而且非標自動化設備對商品的外包裝形狀和大小要求固定,不適應目前多品種大批量的倉儲發展模式。

自動化倉儲存放系統常用工業機械臂代替人工進行物料存放[6-7]。劉帥[8]設計并完成了基于KUKA工業機械臂的自動搬運控制系統,運用LBR IIWA和KR6 R900兩臺機械臂配合輸送帶完成對圓形紗錠的上下料。但固定式工業機械臂的工作范圍有限而限制了放置物料的數量,不能根據實際倉儲環境擴大倉儲容量使機械臂限制于固定的工作環境中,無法通過自身的調整來適應復雜的倉儲作業[9-11]。

針對以上倉儲分揀中的不足,亟需建立一套自動化程度高、工業性能好的倉儲分揀系統。本文旨在運用單臺工業機械臂對物料進行抓取和放置,通過物料信息識別裝置進行分揀,利用AGV小車移動工業機械臂,從而實現多個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行原定倉儲作業等一系列問題。

1 機械臂可變工位倉儲分揀方案設計

1.1 方案概述

圖1為本文可變工位倉儲分揀系統的總體方案。應用場景包括一條輸送帶、一臺工業機械臂、一臺AGV小車、3個6×6貨架以及激光測距儀。工業機械臂固定安裝在AGV小車上跟隨移動;工位0為機械臂的原始位置,也是機械臂抓取物料的位置,另外3個工位分別對應3個貨架,為機械臂放置物料的位置。并采用EthernetKRL網絡通訊,結合激光測距儀測得位置信號,實時控制機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

1.2 倉儲分揀流程

整個倉儲分揀流程如圖2所示:系統初始化后機械臂移動到HOME點(待抓取工位0)。接著輸送帶啟動,物料通過輸送帶進入機械臂工作范圍,當物料被輸送至待抓取區并觸發輸送帶末端安裝的光電開關時,光電開關產生輸入信號通過PLC控制輸送帶停止運動。同時觸發物料信息識別裝置,對物料包裝信息進行識別,確定物料的存放位置。然后,將物料存放信息通過PC端傳遞給機械臂系統,通過PLC的I/O口信號觸發來控制AGV小車運動。機械臂抓取完成后,隨AGV小車移動到對應貨架前的工位,小車停止,得到相對于原位置的移動偏移量。機械臂程序根據物料信息判斷應存放在哪一個格柵(行-列),利用激光測距儀測量該格柵在客觀世界坐標系下的坐標數據,通過運行機械臂坐標變換運算程序,根據目標格柵的坐標數據變換機械臂坐標系下的坐標數據,再執行點到點運動指令,完成存放工作。最后,工業機械臂隨小車移動到待抓取區,完成一個物料倉儲分揀循環。

▲圖2 倉儲分揀流程圖

2 機械臂可變工位倉儲分揀實現方式

2.1 旋轉和水平坐標變換分析

▲圖3 繞Z軸正向旋轉γ度示意圖

當三維物體繞Z軸(X軸,Y軸同理)正向旋轉γ度時,如圖3所示,x和y坐標改變,z坐標不變。x和y坐標可由二維空間內物體繞原點旋轉后得到:

(1)

即:

(2)

▲圖4 機械臂在平面內的移動示意圖

在實際工況中,機械臂進行水平移動以完成可變工位時,一般只有XOY平面的移動以及繞Z軸的旋轉。如圖4所示,針對此問題建立數學模型。

假設機械臂從M點移動到M′,其X方向的偏移量為tx,Y方向的偏移量為ty,并繞Z軸順時針旋轉了γ度,則平移變換和旋轉變換分析如下:

將三個變化量代入公式可得:

(3)

將上式進行運算,得到機械臂在平面內進行平移和旋轉變換后的矩陣如下:

(4)

2.2 可變工位坐標位姿變換分析

機械臂所完成的每一個動作最終是以機械臂足坐標系為參考的[12]。在本方案中,已知目標物體的客觀世界坐標,機械臂的足坐標原點相對于客觀世界坐標系的坐標也可通過測量得到,因此可通過坐標變換計算得到目標物體相對于機械臂足坐標系的坐標。機械臂底座移動后只需要將偏移量計算進來,即可抓取到目標物體。以下將對該方案建立數學模型并分析。已知機械臂足坐標的原點位置、機械臂移動的距離和目標格柵在客觀世界坐標系下的坐標,要求機械臂末端到達目標格柵。理論實現方法:

▲圖5 數學模型示意圖

如圖5所示,以墻角或某一特殊點為原點建立客觀世界坐標系。將激光測距儀安裝在客觀世界坐標原點,通過激光測距儀測得貨架格柵A、B在客觀世界坐標系下的坐標分別為AO(0,20,10)、BO(0,220,10),此時機械臂末端可以到達到A點,但因機械臂的工作范圍有限,無法到達B點。于是通過將機械臂向Y正方向移動200,從M點移至M′點,使得機械臂末端能到達B點。機械臂的足坐標是不會發生改變的,故坐標還是(0,0,0)。為測出目標B點相對于機械臂足坐標系的坐標數據,可直接在機械臂末端安裝激光測距儀,測出B點坐標,即可直接到達B點。但為了消除誤差,且保證每一次測量的參考點一致,現將激光測距儀安裝在客觀世界坐標原點,測得BO(0,220,10),則需減去機械臂相對于原點位置在X方向移動的偏移量200,即可得到B點相對于機械臂足坐標系的坐標為BM′(0,20,10),此時機械臂末端可到達B點。

故機械臂可通過單個方向的移動和坐標變換,到達B點。同理,機械臂可通過在一個平面內的平移或者旋轉,再進行平移或旋轉坐標變換,到達客觀世界坐標系下任意一個合理的點。

2.3 實時通訊

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字信號,傳輸給上位機,上位機將數字信號轉換成機械臂特定的XML格式數據,再通過EthernetKRL通訊連接傳輸給機械臂。隨后機械臂根據判斷程序觸發I/O信號,驅動AGV小車帶動機械臂運動,并獲取機械臂移動的偏移量。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,再通過編寫的坐標變換運算程序獲得格柵在新位置機械臂足坐標系下的坐標數據,進行存放工作。

▲圖6 通訊示意圖

3 基于兩臺固定底座機械臂的坐標變換實驗驗證

根據以上針對水平移動可變工位的理論分析,要求機械臂從M點向X方向移動至M′。故開展類比實驗:該方法利用兩臺固定底座的KUKA六自由度機械臂對同一目標物體進行抓取,如圖7所示,在此實驗平臺開展以下實驗測試。

▲圖7 示教測量目標位置數據圖

實驗一:找取兩臺機械臂都能到達的一個位置,放置一個物料塊;以第一臺機械臂底座中心為原點建立客觀世界坐標系,通過激光測距儀測量出物料塊四個頂點的坐標數據;然后,操縱示教器使得機械臂末端觸碰到物料塊的四個頂點,記錄此時示教器中顯示的機械臂實際位置,即四組機械臂末端的坐標數據。

實驗二:測量出第二臺機械臂相對于第一臺機械臂在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頂點的位置數據上,獲得物料塊四個頂點相對于第二臺機械臂足坐標系的坐標數據,由于第二臺機械臂相對于第一臺機械臂旋轉了180°,因此X值應取相反數;然后操縱第二臺機械臂示教器使得機械臂末端觸碰到物料塊四個頂點,記錄此時示教器中顯示的機械臂實際位置數據。

通過對四組實驗數據進行分析,得出如下結論:如上表1所示,實驗一所展現的兩種方式得到的坐標數據幾乎相同,表明機械臂到達的點位數據是基于機械臂足坐標系下的,又為實驗二提供了數據。如上表2所示,實驗二表明當機械臂在X、Y、Z某個方向產生了偏移量時,可通過對激光測距儀測得的目標位置數據進行彌補,得到基于機械臂足坐標系下的新位置數據,從而到達該目標點。

表1 實驗一數據記錄表

表2 實驗二數據記錄表

4 基于Process Simulate的仿真驗證

為了保證場景搭建的準確性,模型參數均參考機械臂本體實際測量出來的等比例數據。為了確定貨架的規格尺寸,需對機械臂的可達范圍進行測量。首先通過查找KR 6 R700-2型號機械臂機械參數手冊,得到機械臂在理想狀態下的可達范圍如圖8所示;然后通過操作實驗室機械臂示教器,將機械臂執行末端移動至上下左右四個極限位置,如圖9所示,查看示教器上機械臂末端的實際位置,得到機械臂在上、下、左3個極限位置的某一坐標值分別為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,格柵規格為6×6,其中每一個格柵的尺寸為155×140×105 mm。

通過Process Simulate仿真平臺搭建了基于外部網絡通訊的實現方案的虛擬場景,將機械臂程序導入至仿真環境中進行驗證。根據機械臂的運動規律在運動學編輯器中創建機械臂運動學鏈。最后在關節屬性中設置機械臂每一根軸的運動范圍,從而建立起機械臂模型的運動學關系。如圖10。

▲圖8 KR 6 R700-2機械臂工作空間示意圖

▲圖9 機械臂真實工作空間極限位置圖

▲圖10 機械臂模型結構定義界面

如圖11所示,機械臂按照可變工位倉儲方案控制程序執行相應的動作。在整個仿真過程中,機械臂運動軌跡符合預設路徑并按照控制程序有序地進行倉儲分揀動作,在存放物料的路徑中,機械臂先運動到與格柵水平的位置點,再直線進入格柵,并且運行過程中機械臂按照延時程序進行了延時,驗證了機械臂程序的有效性及可變工位倉儲分揀的實現方案可行性。

▲圖11 機械臂仿真過程界面

5 結論

本文提出了一種利用單臺工業機械臂進行多個位的倉儲分揀作業的解決方案。利用激光測距儀獲得目標數據,進行坐標變換后基于KUKA EthernetKRL網絡通訊方式實時改變機械臂內部程序位移變量,AGV小車帶動機械臂到達目標工位進行倉儲,達到單臺工業機械臂對多品種物料進行可變工位倉儲分揀的目的?；赑rocess Simulate仿真軟件平臺,依據機械臂實體等比例還原的模型,搭建了兩類不同虛擬場景,將機械臂控制程序上傳至虛擬控制器,從而驗證其可行性。該自動倉儲方式可完全代替人工倉儲,提高單臺機器臂的使用效率,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即可完成原定的倉儲作業。對生產應用具有實際意義。