工业机器人码垛功能的设计与实现

2021-04-12崔久好

中阿科技论坛(中英文) 2021年1期

崔久好

（山东莱茵科斯特智能科技有限公司,山东淄博 255000）

1 引言

《中国制造2025》战略提出之后，国内诸多现代化生产企业开始引入先进技术、先进工艺，更新升级先进制造以及高端装备，工业自动化水平逐步趋向于智能化、网络化以及集成化。在此过程之中，工业机器人发挥着不可替代的重要作用，企业在工业机器人方面的需求也日益提高。在工业生产过程之中，码垛主要是指把一些形状、大小基本相似的产品按照特定路径放置于特定位置，有效提升空间利用率，便于货物运输以及存储，提高货物的安全性[1]。对于一些外形尺寸较大的产品，可以通过托盘操作机或者机械臂实现码垛功能，对于此种传统码垛方式，已经无法适应快节奏的生产方式。为了进一步提高码垛效率，降低工人的工作强度，码垛机器人顺势而生，但是由于各方面因素的影响，国内码垛机器人仍未大范围推广应用，所以开发设计一套合理完善、高效智能的码垛机器人具有重要价值，同时也是一项刻不容缓的任务[2]。

2 工业机器人码垛功能设计与实现的意义

随着我国工农产业的蓬勃发展，工业生产需求日益增长，所以提高生产效率、降低生产成本成为国内各大企业发展过程中必须要解决的一个问题。国内诸多企业在生产加工的过程中，均存在码垛需求、运输需求等。现阶段，国内诸多企业均采取人工的方式进行码垛、装车，人工操作模式虽然具备适应性强的特点，但是工作效率非常低，并且存在一定的危险性，当处于恶劣的环境之下时，还会对人身体造成巨大损伤。随着工业生产规模逐步扩大[3]，运输中的码垛过程也逐步趋向于自动化，极大地提升了物流速度，可以切实满足实际生产需求，提高了工业生产的安全稳定性，并且不会受到环境方面的影响，有效降低了生产成本。从二十世纪七十年代以来，码垛机器人的各方面性能均在逐渐趋向于完善化，运行速度飞速提升，机械手爪对货物的适应性也日益增强，定位更加清晰、精准。码垛机器人的综合性能越来越完善，应用效率也显著提升，应用范围逐步扩大，也得到了越来越多人的关注。本文围绕工业机器人码垛功能设计以及实现展开了深入、全面的剖析，旨在进一步提高码垛效率以及码垛工作的安全性。

3 工业机器人码垛功能的设计与实现

3.1 工业机器人码垛系统的构成

通常情况下，机器人码垛系统主要是由机器人和传输装置两大部分构成，其内部包含多个机构，如安全防护装置、传输装置等。其中码垛机器人夹具是码垛作业过程中的末端执行机构，主要作用是在码垛过程之中对工件进行夹取、固定等。高性能夹具对于工业机器人的码垛工作来讲，具有十分重要的现实意义，比较常用的码垛机器人末端夹具包括多种，例如组合式、吸附式、夹板式等。在具体应用的过程之中，必须要结合产品的各种类型，选取不同的夹具[4]。例如吸附式夹具一般应用在质量小，并且表面相对比较平整的工件之上；抓取式夹具一般应用在袋装物的码放上。应用夹具之后，可以有效扩宽码垛的应用范围。在机器人电气柜之中，包含了码垛机器人的大脑，即运动控制器，其不但需要对机器人运动进行精准控制，同时还要对码垛过程中工件位置、手抓开闭信号等各个方面进行全面检测。码垛机器人控制器通常与普通机器人控制器类似，所以在具体应用的过程之中，一般会根据要求对码垛控制器进行二次开发。

3.2 工业机器人码垛功能需求分析

通过对国外工业机器人码垛功能设计发展状况进行分析发现，码垛作业由传统的人工方式逐步向智能化、高效化转变已经成为工业发展过程中的必然趋势。首先，工业化生产规模日益扩大，自动化设备的应用范围越来越广，人工码垛方式已经无法适应现代化发展需求，行业发展需求均推动码垛自动化，从而满足现代化生产加工的实际要求。其次，现代社会工业品种类别日益多样化，一些大型或者对人体生命安全产生一定危害的工业产品已经不适宜运用人工码垛方式，而引入自动化码垛则可以更好地解决这些相对比较危险、复杂的工况，提高生产加工的安全可靠性[5]。再次，应用自动化码垛还可以有效提升工作效率，降低产品存储、搬运过程中所产生的损耗，有效降低企业的生产成本。在生产加工过程之中，码垛条件存在较大差异，其中最为核心的一点便是产品、生产人员、生产环境存在差异。生产产品可能是针管，也可能是汽车零配件；对于生产环境来讲，其同样会随着生产产品的变化而产生相应的变化，例如一些对生产环境要求相对较高的产品等。基于国内外诸多厂家的码垛机器人应用，可以归纳出工业机器人码垛功能需求，主要可以归结为以下三点：

其一，目前应用相对比较广泛的机器人码垛功能一般为四轴、六轴码垛机器人，这两种机器人的综合性能最佳，是实现码垛功能的主流；其二，码垛功能的性能与机器人自身性能存在直接关联，例如码垛过程中的半径、负载、定位精度等一系列参数，均会对码垛质量产生严重影响；其三，为了提高码垛效率，工件必须要有两个相对的平面平行，才可以更好地进行码垛，提高码垛效率以及安全性[6]。

3.3 工业机器人码垛功能实现方案设计

从码垛功能方面进行分析，若想在同一时间内实现堆垛、卸垛这两个不同的功能，并且把大部分应用者的需求进行有效统一，提高软件的利用率，那么必须要设计合理化的功能实现方案。通过对具体实现流程进行深入、全面分析发现，工业机器人码垛功能的实现主要包括以下五个方面：

（1）码垛条件与配置。码垛条件、配置均为人机交互界面设计过程中的重要构成部分，码垛功能设计之初主要是为了提供给使用者进行应用，所以在生产过程中的不同场合，对码垛的需求也存在较大差异，所以在对码垛功能进行设计分析的过程之中，必须要充分考虑使用者的操作空间，可以对不同码垛条件进行合理化配置。在对软件进行分析设计的过程之中，必须要对用户的码垛需求以及码垛条件等进行调研分析，然后以此为重要基础，把码垛条件与控制软件进行融合，利用人际交互界面的形式把接口留给用户，然后对其进行合理化设置。按照码垛定义，在人机交互界面，一般会开展两方面工作，第一是采集位置数据，第二是设置码垛参数。

（2）码垛指令设计。码垛指令的合理性以及科学性与码垛功能是否可以顺利完成存在直接关联。工业机器人在进行码垛的过程之中，主要是通过人机交互界面实现对程序的调用，进而顺利实现机器人码垛自动化的最终目的。设计编写码垛程序时，要尽可能地使程序简单且能准确快速实现工艺生产要求，这就要用到跳转指令、条件指令、判断指令、偏移指令、多维数组的应用等，这样能提高代码的应用率，使机器人程序处于最优状态，尽可能地减少重复工作，提高生产效率。值得强调的一点是，要想快速准确地进行码垛程序的编写，偏移指令、数组的创建是必须要熟练掌握的[7]。

（3）工件序号定义。工件序号主要是指在码垛过程之中工件的具体顺序，一般情况下可以利用工件的层数、行数、列数等对工件序号进行描述，同时还可以把此工件在此层码垛的顺序作为工件序号，比如第6行第9个工件。与此同时，引入工件序号之后，可以直接“告诉”机器人从何处开始、从何处结束。一般情况下，根据人们的思维习惯，把工件层数由下至上分别定义为1、2、3……在对工件序号进行定义的过程之中，把第一个工件的编号为1、第二个工件编号为2，以此类推，机器人将会按照此顺序进行码垛。

（4）工件位置的分析运算。在码垛控制过程之中，码垛点位置的运算分析是至关重要的一项内容，对工件序号进行定义的目的是明确工件在码垛过程中的位置，但是工业机器人在具体操作过程之中会进行抓取动作，所以必须要求出工件相对于机器人的坐标，必须要通过合理化的方式准确求出点位，才可以确保整个自动码垛过程顺利完成。码垛点位运算共包括三大部分：一是工件尺寸，二是代表性点位，三是垛型设定。具体运算方式为：首先，结合实际情况，确定参考工件，找出参考工件在机器人坐标之中的具体位置以及姿态；其次，根据工件序号以及垛型选取合理化、科学化的预算方式，求出工件相对于参考工件的具体位置；再次，依据参考工件位置、码垛工件相对于参考工件的位置，求出工作坐标[8]。

（5）安全防护检查。为了避免码垛过程中工件、工件之间的干涉对机器人自身或者周边物体产生影响，必须要对码垛过程中的安全性进行全面检测，一般情况下，主要是通过两种方式进行。一是工件静态干涉检测法。当应用该种算法时，在进行码垛之前，检测码垛剁型参数、工件参数的设定是否合理科学，判定码垛过程之中是否会产生干涉，其核心思想便是把工件假定为一个长方体，结合实际情况，对码垛参数进行合理化设定，然后分析工件参考位置、工作尺寸等，并依据这些参数计算出工件位置，最后再对工件进行投影处理，使其投影到二维平面，观察二维平面中的投影是否存在重叠之处，如果投影存在重叠，那么表明工件将会发生干涉，反之，工件不会发生干涉[9]。二是机器人碰撞检测法。此种算法在具体应用过程之中，主要是对机器人运行时是否会与固定物体产生碰撞进行检测，此种算法无需外部传感器，仅需对机器人运行过程中的理论位移、实际位移进行对比分析，然后判定码垛过程之中是否会产生干涉，当机器人与物体产生碰撞之后，机器会自动检测出错误，并且立即停止工作，以免产生意外事故，如此一来，操作人员将不会由于程序错误等而发生意外事故，同时也便于后期的维修、保养等，有效提高了码垛工业机器人在工作过程中的安全稳定性[10]。