陈兵
青岛西海岸城市管理局，青岛市 266400
摘要：本文以ABBIRB2600工业机器人为载体，设计了基于RobotStudio的搬运机器人智能工作站。该工作站机械部分由自动输送装置、搬运机器人、计数器、扫描仪组成。软件部分选用DSQC651通讯板卡设置I/O信号，通过示教器编写运动指令、赋值指令、条件判断指令，进行搬运控制。利用事件管理器控制吸盘的进气与充气信号，完成货物抓取与释放的搬运工作。最后，通过TCP跟踪功能，完成搬运系统的轨迹检验，确保搬运工作的流畅性。搬运机器人工作站的设计有效的提升了企业的工作效率，缓解用人压力。
关键词：搬运机器人；RobotStudio；工作站；AGV
中图分类号：TG409 文献标识码：A
目前，中国制造业的“人口红利”不断消失，劳动力价格逐渐上涨，在机械、电子、物流等劳动强度大的企业，招工难成为了阻碍发展的头等问题[1]。传统的物流搬运模式，是依靠人工进行扫码、计件、搬运、装车的作业方式，花费时间长，高负荷的重复性操作，会导致劳动效率低且易出现工作事故[2]。
为了帮助企业解决人力不足、生产效率低的问题，发展具有灵活性高、通用性强、工作可靠的搬运机器人已成为必然趋势。搬运机器人通常是指在某一工作环境下，通过一定的程序控制，实现自身运行以及货物的自动抓取与释放，进而完成相应的搬运任务[3]。搬运机器人的路径规划与控制系统的研究，对加快货物入库、出库速度，提升自动化水平具有十分重要的意义。
1搬运机器人智能工作站的实现
1.1RobotStudio仿真平台
ABB公司的RobotStudio离线编程仿真软件，具有CAD导入、机器人离线示教编程、动态仿真等功能，可以在离线的情况下进行机器人轨迹规划及程序编写[3]。离线编程软件中的机器人本体参数、控制器都与实际是一样，I/O仿真信号、指令程序、控制信号与实际机器人在生产线运行也是一致。因此，RobotStudio软件编写的程序可以导入到现场工业机器人中运行，从而模拟真实的工作环境，实现仿真测试，用于方案验证[4]。
1.2工业机器人选型
选用ABB的公司IRB2600工业机器人，它具有操作速度快、机身紧凑轻巧、工作范围大、安装灵活等优点[5]。它的节拍时间短，可以实现速度最大化，从而提高了产能与生产效率。IRB2600工业机器人的结构尺寸，如图1所示。
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选用的搬运机器人的定位精度要满足≤±0.5mm，负载为12Kg，拥有较高的重复定位精度，ABB IRB2600型机器人的主要性能参数，如表1所示。
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1.3搬运工具设计
搬运机器人负责把输送线的箱体货物搬运至托盘，需要用到反应快、安全可靠、能耗损失小的搬运工具[6]。因此，选用成本低廉气动吸盘装置，其工作原理是利用压缩空气驱动吸盘抓取释放工件，当吸盘与箱体货物接触时，起动真空设备抽吸，使吸盘内产生负气压，从而吸牢箱体。当箱体搬运至示教点时，平稳地充气进吸盘内，使真空吸盘气压变成零，箱体货物脱离，从而完成提升搬送货物的任务[7]。
搬运箱体货物的尺寸规格为300mm×200mm×100mm，5kg/箱，码垛层数5层。根据作业需要，设计的机器人吸盘抓取手机构，结构尺寸为300mm×200mm，末端连接处直径为55mm，平均分布6个吸盘，重量3Kg。因此在创建工具坐标使，重量设置为3Kg，“重心”设置为（0,0,60），并且安装在机器人6轴法兰盘上。吸盘系统结构图，如图2所示。
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2搭建智能搬运机器人平台
本文以工业机器人在现代物流业的应用为出发点，建立的工作站主要由搬运机器人、吸盘系统、输送链及安全辅助设备组成。其中输送链主要完货物的传送，吸盘系统完成货物的吸取与释放，搬运机器人主要负责搬运工作，最后通过AGV小车运输完成货物的装车。RobotStudio机器人工作站安装布置时，要打开“显示机器人工作区域”，改为“3D体积”，保证机器人末端执行器可以到达货物及托盘最远端。搭建的智能搬运机器人工作站，如图3所示。
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搬运过程中，当货物经过输送链中间位置时，条形码扫描仪记录货物信息，同时计数器开始计数工作。工作站启动真空设备，吸盘开始工作，末端执行器采用固定的方式对货物进行抓取。搬运机器人通过提前示教不同顺序的货物位置，分别调用不同的位置程序，通过控制吸盘的开启与关闭，完成货物的抓紧与释放[8]。
3搬运机器人系统设计
3.1搬运任务
首先，机器人末端运行至传送链上货物的中心点，启动气缸，吸盘开始工作，完成抓取工作，记录起始位置数据。移动机器人到达第一层，关闭气缸，吸盘充气，完成释放工作，记录位置数据。机器人回到机械原点，继续完成以上动作，依次完成奇数层，再完成偶数层。搬运任务图，如图4所示。
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值得注意的是货物的堆放要交叉摆放，这样可以加强货物整体的稳定性，避免倒塌的现象发生。货物搬运时，要从传送链末端搬运5次，完成货物的码垛，分别放置在1、2、3、4、5的位置。奇数层摆放方式，如图5（a）所示。偶数层摆放方式，如图5（b）所示。
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3.2搬运工作流程
搬运机器人按5×5模式将货物堆垛到托盘后，再由AGV小车运走，计数不足25时，机器人执行程序1，货物码垛在左侧托盘。当记满25时，即左侧托盘完成堆放后，机器人执行程序2，货物码垛在右侧托盘。同时，AGV小车开到工作站内，运走左侧堆垛完成的托盘，再运入空托盘。当右侧托盘装满25个时，机器人结束动作，完成一个工作节拍。搬运机器人的工作流程，如图6所示。
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3.3程序指令
（1）运动指令
搬运机器人编程时，在机器人TCP运动路径要求不高的情况，用到MoveJ关节运动，这样机器人和外部轴沿着非线性路径，可以快速移动到目标点。机器人路径要求较高，运动距离较短时，使用MoveL线性运动指令。机器人回归机械原点时，用到MoveAbsJ绝对位置运动指令，可以直接指定机器人6个轴的角度来控制机器人。记录TCP的目标位置数据时，需要在示教器中单击“修改位置”进行修改。
（2）程序指令调用
“:=”赋值指令用于对程序数据进行赋值，每完成一个抓取动作，赋值一个常量，示例程序如下：
reg1:=reg1+1;!重复执行reg1加1
IF条件逻辑判断指令，用于对条件进行判断后，执行相应的操作，其格式如下：
IF reg1<25 THEN
Set Do1;!如果reg1<25条件满足，则执行Set Do1
“IF-THEN-ELSE”指令调用，如果IF条件满足时，IF与ELSE间的子程序被调用，而ELSE与ENDIF间的子程序被跳过；否则IF与ELSE间的子程序被跳过。当寄存器reg1的值小于25，系统调用子程序work1，work1执行完成后，跳转至指令Rest do1；否则，系统调用子程序work2，work2执行完成后，再执行指令work2。
IF reg1<25 THEN
work1;
ELSE
work2;
ENDIF
Reset do1
（3）I/O控制指令
I/O控制指令用于控制I/O信号，实现机器人与周边设备进行通信。置位指令Set用于将数字输出信号置位为“1”。复位指令Ｒeset用于将数字输出信号置位为“0”。
3.4设置I/O信号
I/O信号板卡选用具有2个模拟量输出，8个数字输出，8个数字量输入的DSQC 651通讯板卡，修改总线地址为10。
利用事件管理器完成抓取与释放动作，添加信号“DO_sucker”，控制末端吸盘对箱子的抓取与释放。在“仿真”选项卡，单击“配置”命令，打开事件管理器，单击“添加”按钮，在弹出的对话框中，“启动”选择开，事件触发类型为“I/O信号已更新”，下一步操作中，选择信号“DO_sucker”，信号源触发条件选择为“信号True（’1’）”。进入“选择类型操作类型”界面，设定动作类型为“附加对象”并且选择“Box”，安装到机械末端执行器。失去信号时在“触发条件”，选择“信号是False（’0’）”，完成释放动作。操作界面，如图7所示。
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4 程序编写与仿真
4.1程序编写
本次任务需要创建机器人工具对箱子的抓取与释放，每一次抓取动作的步骤为：机器人移动至安全位置→货物位置正上方→下降到货物位置→吸盘工作→等待1s→直线上升。释放动作的步骤为：搬运示意到码盘正上方→移动至放置位置正上方→直线下降到放置位置→吸盘充气→等待1s→直线上升到放置位置正上方→机器人移动至安全位置。把以上流程写成子程序，如下:
（1）程序1，抓取阶段：
PROC PROC_r1()
MoveJ P_10,v200,fine,Suction_chuck\WObj:=wobj0;
MoveJ P_20,v200,fine,Suction_chuck\WObj:=wobj0;
MoveL P_30,v200,fine,Suction_chuck\WObj:=wobj0;
Set DO_sucker;
（2）程序2，释放阶段：
MoveL P_40,v200,fine,Suction_chuck\WObj:=wobj0;
MoveJ P_50,v200,fine,Suction_chuck\WObj:=wobj0;
MoveJ P_60,v200,fine,Suction_chuck\WObj:=wobj0;
MoveL P_70,v200,fine,Suction_chuck\WObj:=wobj0;
Reset DO_sucker;
（3）程序3，回到原点：
MoveL P_80,v200,fine,Suction_chuck\WObj:=wobj0;
MoveJ P_90,v200,fine,Suction_chuck\WObj:=wobj0;
ENDPROC
4.2仿真分析
程序编写完成后，通过TCP轨迹跟踪功能查看仿真路径是否与搬运路径一致，如果不一致，则需要重新修改示教目标点位置，再次编程运行。TCP轨迹跟踪结果，如图8所示。
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图中红线表示末端吸盘的运动轨迹，共分为三个阶段完成搬运。第一个阶段：机器人从起始点P1点，移动至货物正上方P2点处，随后机器人线性移动至P3点，接通气缸动作信号，吸盘工作，完成抓取动作。第二个阶段，机器人线性移动至P4点处，运用关节指令，快速运行至托盘上方P5点处，随后机器人下移至目标点正上方P6点处，机器人线性移动至P7点处，复位气缸得到指令，气缸关闭，完成释放动作。第三个阶段：机器人先直线运动至P8点处，启动关节指令运行至P9起始点位置处。
通过仿真模拟，完成一次货物搬运时间大约为27s，托盘装满大约需要680s，大大节约了工人的劳动时间，相应货物在运输链的放置时间差应为27s，这样可以保证货物到达运输链末端时，机器人刚好到达起始点开始下一次的搬运执行。
5 结论
本文以搬运机器人在物流业的实际应用为出发点，提出了利用工业机器人替代人力搬运的方案。设计的智能搬运机器人工作站，可以完成货物的运输、扫码、计件、货物搬运等功能。通过Robot Studio离线编程软件搭建的搬运机器人仿真系统，合理规划了生产资源，降低了开发成本，节约了操作者时间，对提高工作效率具有十分重要的意义。
参考文献：
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[6]韩桂荣.基于工业机器人和PLC的多垛型全自动码垛搬运系统研究[D].
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作者简介：陈兵（1979.11），男，汉族，籍贯：山东省青岛市。学历：研究生。职称：高级工程师。单位：青岛西海岸新区城市管理局，山东省青岛市。邮编：266400。研究方向：电子信息、工业互联网 。