渔船冷冻鱼块码垛操作的自动化技术研究

卫锦尧，刘玉良

(浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江舟山 316022)

远洋渔业是指在距离海岸较远的海域进行水产品捕捞，并且脱离本国补给港口的渔业生产活动[1]。据统计，2016年我国远洋渔业企业162家，远洋渔船约2 900艘，远洋渔业水产品总量达199万t。远洋渔船及水产品产量均居世界前列。根据我国“十三五”远洋渔业规划，发展远洋渔业重在创新驱动，强调渔业装备相关技术的研发，目标是2020年前远洋渔船在专业化、标准化、现代化等方面取得显著提升，远洋渔船装备自动化升级改造的重要性愈发重要。我国远洋渔船冷藏舱内冷冻鱼块的人工码垛仍以仍为主，工作强度大，工作效率不高，工作环境恶劣，导致船员长期在低温环境健康损害，迫切需要设计一套冷冻鱼块码垛的自动化装置，自动完成冷藏舱内冷冻鱼块码垛作业，实现机器换人[2]。

1 渔船冷冻鱼块的码垛流程

渔船集水产品捕获、加工、速冻、冷藏等多功能于一体，船内设置了鱼块加工、鱼块速冻、冷藏、动力和制冷等特色舱室，舱室分布如图1所示。

图1 远洋渔船船舱功能分布图Fig.1 Function distribution map of ocean fishing vessel

渔船冷冻鱼块加工完成后，首先需要由传送带从出舱口运出，然后在冷藏仓进行速冻。设计冷冻鱼块的码垛方式，需要依据远洋渔船冷藏舱大小和冷冻鱼块的规格。具体码垛流程如图2所示，工作时首先从第一层第一行开始由列数从小到大进行码垛；然后，采用与第一行码垛相同的方式，依次码垛第一层的各行；最后，分别完成各层冷冻鱼块的码垛。在设计冷冻码垛方式时，一般要求是按照冷冻鱼块的层、行、列，按先后顺序进行编号，便于后续冷冻鱼块码垛机械臂控制软件的设计。

图2 冷冻鱼块码垛作业方式示意图Fig.2 Diagram of frozen fish block palletizing work mode

图3 码垛机械臂运动控制系统架构Fig.3 Palletizing mechanical arm motion control system architecture

2 冷冻鱼块码垛控制方案设计

机械臂控制方案一般有3种：一是以专用芯片(ASIC)为硬件核心，二是以可编程控制器(PLC)为硬件核心，三是以PC+运动控制卡为核心的控制方案[3-4]。综合比较方案一、二、三，本文采用基于PC+运动控制器的控制系统方案。该方案具有以下特点：首先，PC端负责系统管理等非实时任务，运动控制卡负责机械臂控制的实时任务，能够实现系统资源合理分配，获得较高的控制效率；其次，该方案是开放式的控制结构，使系统具有较强的扩展性和适应性，在用户需求发生变化时，可以利用开放的程序接口进行二次开发，完成系统的升级优化；最后，该方案可以实现较为复杂的运动控制算法，满足渔船冷冻鱼块码垛机械臂的功能需求。本文采用的以PC+运动控制卡为核心的控制方案如图3所示。

3 冷冻鱼块码垛机械臂的设计

3.1 本体结构设计

机械臂的结构类型主要有五种，如图4所示，它们各具优缺点，适合于不同场合[5-6]。

直角坐标式机械臂的工作空间与任务空间同为矩形空间，其占地面积体积大，动作不很灵活，不适合冷冻鱼块的码垛工作要求；圆柱坐标式和球坐标式随着水平位移增加，线位移分辨率会降低，所以应用较少；而SCARA机械臂工作空间为矩形回转体，多用于垂直方向上的装配工作；关节式机械臂体积小、操作灵活性高、结构紧凑、操作范围大、运动速度高，还能避开基座周边的一些障碍，可以达到高精确的运动，与冷冻鱼块的码垛要求最为契合。因此本文选择关节式机械臂。

图4 5种常见机械臂的结构类型Fig.4 Structural types of five common mechanical arms

本文确定机械臂的关节型结构后，根据冷冻鱼块的码垛任务空间要求，从1号轴至6号轴，各关节的设计参数分别为768、600、270、150、360和768 mm，最后通过UG建模得到机械臂结构如图5所示。

图5 机械臂机械结构图Fig.5 Mechanical structure diagram of mechanical arm

图6 码垛机械臂质量分布图Fig.6 Quality distribution of palletized mechanical arm

3.2 控制系统硬件设计

机械臂硬件由运动控制卡、工业计算机、电机及其驱动器、末端执行器及其驱动装置等部分组成。根据冷冻鱼块码垛的功能需求、系统可靠性、以及成本因素等，选择了MAC-3003SSI2运动控制卡、安川GYS系列伺服电机及其配对伺服电机驱动器、气爪型末端执行器、4V110-06型电磁阀以及HFY16型气爪气缸。其中电机型号选择，直接关系到机械臂是否能正常的完成码垛工作；机械臂各轴运转的极限力矩，又是选择伺服电机型号的重要依据。本文对机械臂力矩及电机功率的计算依据如下：

根据机器人动力学知识可知，机器人动力学方程如式(1)。

式(1)中，q表示关节位置向量，q˙表示关节速度向量，q¨表示关节加速度向量，M表示惯性张量，C表示与哥矢加速度和向心加速度有关的量，F表示与粘性摩擦、库仑摩擦和各关节转角位置有关的量，G表示惯性负载，表示关节广义力向量。由于冷冻鱼块码垛机械臂各个关节的运行速度较低，因此本文采用忽略动载荷而只考虑静载荷的静力学方法来计算机械臂各关节所需要的极限力矩。具体公式如式(2)：

式(2)中，Ti表示i关节极限力矩，mi表示i关节和i连杆的质量，m负载表示冷冻鱼块质量，g表示物体重力与质量比，Li表示i关节与i+1关节轴线至负载质心的距离。将图6各轴质量代入式(2)可得，从关节一至关节六极限力矩分别为 1 212.8 N·m、999.6 N·m、388.6 N·m、231.8 N·m、52.3 N·m 和 29.4 N·m。根据式(3)，可计算得各关节电机所需功率为1 270.1、1 046.8、406.9、242.7、54.8和61.6 W。

由于质心位置为理论质心位置，所以存在一些误差，而且没有考虑动力学项，所以实际设计时应该比计算结果大25%的余量。关节一至关节六选择相应型号的伺服电机分别为GYS-202D5-RA2-B、GYS-152D5-RA2-B、GYS-751D5-RA2-B、GYS-401D5-RA2-B、GYS-101 D5-RA2-B、GYS-101D5-RA2-B。

3.3 控制系统软件设计

3.3.1 功能需求

根据渔船冷库码垛自动化的工作要求和硬件设计，本文的软件功能框图如图7所示。码垛机械臂控制系统的主要软件功能包括初始化、机械臂参数设置、机械臂运动控制、自动码垛、自动监控、安全警报等功能。

图7 码垛机械臂系统软件功能Fig.7 Palletizing mechanical arm system software function

3.3.2 编程思路

首先，在软件设计界面的新建文件中选择MFC App-Wizard[exe]，建立工程，将静态链接数据库和运动函数头文件复制到工作目录下，在设置中将静态链接数据库连接到工程中然后根据自身需要进行其他设置和代码编写。其次，在界面左侧的Resource View中的Dialog中设计码垛机械臂控制所需要的界面，并为界面中的每个工具编写控制代码[7-8]。程序编写流程如图8所示。在完成码垛机械臂控制界面的设计和C++语言代码的编写后，对程序进行调试和修改，直至编译通过。然后在码垛机械臂PC端运行，测试是否能成功控制码垛机械臂完成相应运动，再根据测试结果修改代码。

图8 软件流程图Fig.8 Software flow chart

3.3.3 软件实现

自动码垛功能是实现冷冻鱼块自动码垛的关键部分。本文在自动码垛界面，通过设置码垛机械臂的运动速度、开始码垛坐标和结束码垛坐标，点击运行按钮，码垛机械臂便会从开始坐标位置码垛冷冻鱼块，直至结束坐标。在设置码垛坐标时注意，开始码垛坐标要小于结束码垛坐标，否则码垛机械臂无法正常启动。码垛机械臂自动码垛界面如图9所示。

图9 码垛机械臂的自动作业界面Fig.9 Palletizing mechanical arm’s automatic operating interface

自动码垛功能的实现步骤如下：

(1)通过码垛机械臂的示教功能，记录每一块冷冻鱼块码垛时的运行路径，记录其中的关键路径点，然后根据冷冻鱼块的编号保存为不同的示教文件。

(2)读入开始码垛坐标，提取开始的码垛坐标冷冻鱼块相对应的示教文件进行再现。

(3)完成当前坐标冷冻鱼块码垛任务后，关闭当前示教文件提取下一个坐标的示教文件并进行再现。

(4)循环步骤3，直至完成结束码垛坐标的示教文件。

4 自动码垛实验

自动码垛实验前期，在考虑渔船作业特殊要求后，在实验室内使用码垛机械臂对冷冻块进行码垛实验，测试其自动码垛功能的可行性。

4.1 渔船摇晃对自动码垛的影响

渔船航行时会受到波浪冲激力影响导致船体摇晃，冷冻鱼块码垛过程中会受到船体摇晃影响发生滑动，导致无法正常完成码垛任务。因此确定码垛任务可以顺利进行时，船体摇晃的幅度范围至关重要。

冷冻鱼块在船体摇晃时，冷冻鱼块受到本体重力和冷冻鱼块包装袋间的静摩擦力影响，具体受力分析如图10所示。

图10 冷冻鱼块受力分析Fig.10 Force analysis of frozen fish piece

其中FP为法向力，FS为静摩擦力，θ为船体相对于水平面倾斜角。确保码垛任务可以顺利进行需要满足公式(4)。

其中μ为冷冻鱼块包装袋间的摩擦系数，FP、FS由公式(5)(6)求得：

通过查阅资料可知尼龙袋之间摩擦系数为0.25，可求出θ的最大值为14.1°。通过实际模拟测试当倾斜角度达13°左右时，冷冻鱼块发生滑动。

4.2 自动码垛实验

在渔船冷藏舱自动码垛时，尽管船体摇晃导致机械臂与冷冻块在晃动，但是船体倾斜角小于13°时，冷冻块不发生滑动相对于机械臂的位置也未发生改变，机械臂的码垛运动路径基于本体基座坐标系规划，因此当冷冻块未发生滑动时，机械臂都能顺利实现码垛任务。调用相关的示教文件，在自动码垛界面完成设置后，开始冷冻块自动码垛实验，自动码垛工作流程为冷冻块抓取、冷冻块码垛、码垛机械臂归零，具体流程如图11所示。

图11 码垛任务流程Fig.11 Stacking task flow

通过数十次的机械臂自动码垛实验，机械臂均能完成预定冷冻块码垛任务。机械臂自动码垛用时见表1。

表1 机械臂自动码垛实验数据Tab.1 Stacking mechanical arm frozen fish block stacking time

实验结果表明，冷冻鱼块码垛机械臂可以快速准确的完成冷冻块码垛任务，实现自动码垛功能。工作效率大大高于人工码垛效率，整体实验情况符合预期目标。

5 结论

本文针对渔船冷冻鱼块码垛自动化程度较低的问题，提出关节式冷冻鱼块码垛机械臂的自动化方案。通过机械臂的机械设计、硬件设计、软件设计完成对渔船冷冻鱼块码自动化的初步实现并进行实验，实验结果符合预期的设计目标。本文设计的渔船冷冻鱼块自动化装置下一步可以在末端执行机构加装摄像机，通过计算机视觉引导技术，在码垛目标产生滑动时确定码垛目标滑动位置，规划运动路径完成对码垛目标的抓取并完成码垛任务。