基于工业机器人的存储工作站设计

林国浩，郭永灿，梁耀友，陈学维，蔡瑞浩

（华南理工大学广州学院，广东 广州510800）

0 引言

随着电商的兴起，物流的物品流通量巨大，其中起着承上启下作用的仓储就显得格外重要，但是目前传统的仓储方式并不能跟上物流飞速发展的脚步，亟需新仓储方式和系统的研究。2015年成立的Geek+科技公司研究出了“货到人”方式的存储工作站，拣选人员只需根据显示屏和电子标签的提示，从指定货位拣取相应数量的商品放入订单箱即可，减少了之前“人到货”所用的时间。在2016年，京东研究出了机器人与视觉系统结合的存储工作站，使分拣物品速度达到一秒一个。但是，目前市面上大多数存储工作站都不适合中小型仓库，因为其成本高，结构复杂[1]。为此，本文拟在能完成智能存取的前提下，研究轻便型存储工作站，推动基于工业机器人的存储工作站在中小型企业中的普及应用。

1 存储工作站的结构组成

存储工作站主要由控制中心、执行机构、人机交互、检测器件及其它机械器件构成。

控制中心：三菱Fx2N-4AD 32MR/MT型PLC，用于信息处理与命令发送。

执行机构：ABB IRB1410机器人，用于物品搬运。

人机交互：三菱GOT1000触摸屏，用于系统与使用者之间的信息交流。

检测器件：JHBS型箔式荷重传感器，EJ-30N2型常闭扩散传感器，用于限定物品规格。

其它机械器件为储物箱、电磁铁与储物架。由于存取物品多种多样，在存取过程中，需先将物品先放置于储物箱内，再由机器人抓取储物箱存放至储物架。为在机器人编程中运用偏移指令，储物箱需为已知尺寸的统一规格，本项目调试用箱规格为长350 mm、宽 250 mm、高 200 mm.

电磁铁由一个电磁发生器与多个底座构成。电磁发生器安装于机器人末端执行器，底座分别安装于各个储物箱，以实现机器人对箱子的抓取。本项目选用GOB-80/35/22型号电磁铁，可提供80 kg吸力。

储物架为储物箱的最终存放处，为在机器人编程中运用偏移指令[2]，储物架尺寸需已知且行列分布均匀。本项目选用储物架尺寸为长1 000 mm、宽500 mm、高1 700 mm，取3行3列进行调试。具体应用中根据箱子与储物架尺寸，行列数可在程序中进行增减。

另外，为应对实际布局中储物架与机器人相对位置存在偏差的问题。本项目在储物架指定位置建立工件坐标[3，4]，当储物架与机器人相对位置改变时，通过重新定义工件坐标，机器人程序便可在新的储物架位置上准确运行。如图1所示。

图1 储物架坐标校准

在存储工作站中，各部件之间可互相进行信息的通讯与控制，系统原理结构图如图2所示，空间结构如图3.

图2 原理结构图

图3 空间结构示意图

2 存储工作站机构的硬件分析

硬件连接思路为：系统开始时，机器人处于原点待命，传感器通电开始监测，使用者把物品放置于储物箱后，在触摸屏开始界面选择存或取件，存取件判定条件以gi1信号的形式告知机器人[5，6]，存件时，通过传感器检测物品是否符合规格，若符合则选择存放位置并设定密码，位置以gi1信号形式告知机器人，机器人运作，若不符合则返回存件界面，取件时选择位置并验证密码，若密码不正确，返回取件界面，若正确，则位置以gi1信号形式告知机器人，机器人运作。运作完成后机器人返回原点待命。工作流程如图4所示。

图4 工作流程图

物品放置到工作托盘上时，两个常开红外传感器与PLC的X1、X2连接，当两个都不接通时，则高度符合要求。电磁铁的开闭由机器人间接控制，机器人输出信号到PLC的X04端口时，与PLC的Y03端口连接的电磁铁则会开启，工作位置点由PLC的Y01、Y02、Y04、Y05共同决定，输出4路信号到机器人内部的X输入端，组成一个4位二进制的信号，机器人内部程序把二进制信号转化为十进制信号gi1，如图5所示为PLC输入输出端电气图。

图5 PLC输入输出端电气图

3 存储工作站的软件分析

本设计中的软件应用主要是集中在人机交互的功能上，编写触摸屏的界面必须遵循以下原则：各界面之间必须有逻辑性，便于引导使用者操作；各界面必须清晰快速地让使用者获取到有用信息；时效性，让使用者能在第一时间了解到系统物品与系统的现状[6]。

存储工作站的触摸屏显示页面如图6所示，各项功能为：

（1）选取使用系统的存或取件功能。

（2）检测存放物品是否符合规格，若不符合，则出现警告界面。

（3）在符合条件情况下，触摸屏显示位置选择界面。

（4）为提高安全性，存件时需要客户设定取件密码，当取件时只有输入正确的密码才能进行取件操作。

图6 触摸屏显示界面

4 调试与改进

（1）双线圈问题：系统使用二进制信号发送方式，同一个线圈在不同语句中被多次触发。

解决方法：把触发同一个线圈定的语句以并联的形式合成一条语句。

（2）继电器问题：信号通讯中起保护作用的继电器反应慢，例0111和0011的一号位和二号位重复，若继电器的反应速度较慢，0111信号会被机器人读取为0011信号。

解决方法：延长机器人读取信号的时间，让继电器有更长的时间进行反应，即在机器人判断信号程序前加上延时语句。

（3）箱子问题：塑料箱子容易产生变形而下垂，容易与柜子发生碰撞。

解决方法：在位移指令[7]，添加增量，如

MoveJ Offs（p610，reg13，reg14*2-reg15，0），speed9，z50，tool1WObj：=wobj2；Reg15

为箱子下垂距离，Y方向位移距离减去箱子下垂的距离，防止箱子因下垂与柜子发生碰撞。

5 结束语

经过调试，实现了使用者通过触摸屏来控制工业机器人存放物品的目的。系统智能化特点如下：

（1）系统可根据物品的重量规划搬运方案，结合储物架承重，储物架三层分放不同重量物品。

（2）利用程序在储物架处建立参考坐标系，使储物架与工作站协同工作。

（3）以第一工位为基准，使用偏移指令得出后续工位，方便修改。

参考文献：

[1]毕 胜.国内外工业机器人的发展现状[J].机械工程师，2010（07）：5-8.

[2]叶 晖，管小清.工业机器人实操与运用技巧[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3]郭洪红.工业机器人运用技术[M].北京：科学出版社，2008.

[4]叶伯生.工业机器人操作与编程[M].武汉：华中科技大学出版社，2016.

[5]张培艳.工业机器人操作与应用实践教程[M].上海：上海交通大学出版，2009.

[6]胡 伟.工业机器人行业应用实训教程[M].北京：机械工程出版社，2015.