高速搬运机器人产业应用及发展.pdf

综述专论DOI:10 3969/j issn 1005-2895 2012 02 030收稿日期:2011-07-18;修回日期:2011-09-30基金项目:工信部科技重大专项课题(2011ZX04013-011)作者简介:刘凤臣(1964)，男，黑龙江绥化人，高级工程师，长期从事食品、饮料机械的研究与开发工作。E-mail:lfc wahahacom cn高速搬运机器人产业应用及发展刘凤臣，姚赟峰，刘黎明，金杰锋，林纪良，郭湖兵(杭州娃哈哈集团有限公司，浙江 杭州310009)摘要:高速搬运机器人是代替人类劳动，完成搬运工作的一种工业机器人，广泛用于工业生产中产品的包装与运输。文中阐述了高速搬运机器人包括串联和并联 2 种类型的发展现状、开发基础以及应用前景。通过对以往高速搬运机器人的研究和分析，在三自由度 Delta 并联机器人基础上，增加旋转自由度，并利用照相视觉技术，实现水平移动中不同姿态吸管及胶体炸药卷的抓取和装箱;开发四自由度搬运机器人，通过 2 组串接的平行四边形机构，确保终端抓取器姿态始终保持水平，实现各类成品的码垛包装。图 11 表 2 参 21关键词:高速搬运机器人;发展现状;开发基础;应用前景中图分类号:TP242 2文献标志码:A文章编号:1005-2895(2012)02-0108-05Development and Application of High-Speed Transfer Robots IndustryLIU Feng-chen，YAO Yun-feng，LIU Li-ming，JIN Jie-feng，LIN Ji-liang，GUO Hu-bing(Hangzhou Wahaha Group Co，Ltd，Hangzhou 310009，China)Abstract:The high-speed transfer robot is a kind of industrial robot which can replace human labor and do transferwork It is widely used in the packing and transport of industrial production The general situation such as developmentstatus and foundation，application prospects of high-speed transfer robots including serial and parallel robots areelaborated Based on the previous research and analysis for high-speed transfer robots，the paper realized grasping andpackaging of straws and explosive with different poses in horizontal movement by increasing rotational degrees of freedomand vision technology on the foundation of three degrees of freedom Delta parallel robots，as well as developed fourdegrees of freedom serial robots with two serial parallelogram mechanism to realize stacking and packing of a variety ofproducts which can ensure that the terminal grabbing device always maintains horizontal pose Ch，11 fig2 tab21 refKey words:high-speed transfer robots;development status;development foundation;application prospects0引言工业机器人是一种程序可编，并且具有独立控制系统，抓放工件或操纵工具的自动化机械装置，是典型的机电一体化高科技产品。它在提高生产自动化水平、劳动生产率和经济效益，保证产品质量，改善劳动条件等方面的作用日益显著，工业机器人代替人力劳动已成为必然趋势。一般来讲，机器人根据结构形式不同可分为 2 大类:一是串联机器人，二是并联机器人。串联机器人因具有结构简单、工作范围(负荷及几何空间)大、占用空间小等优点，而获得广泛应用;并联机器人由于具有动作频率快、定位精度高、刚度高等优点，也越来越受到人们的关注。1国内外发展概况目前工业机器人有以下几个发展趋势:机械结构向模块化、可重构化发展;控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展;多传感器融合配置技术;数字伺服驱动技术;视觉技术;网络化技术等。从国际间比较来看，西欧与美国的地位大致相同，日本在应用方面处于相对领先地位1-2。目前不少国家都有自己的工业机器人标准和系列化产品，具有代表性的公司包括瑞典 ABB、德国 KUKA、日本 FANUC以及意大利 COMAU 等。第 30 卷 第 2 期2012 年 4 月轻工机械Light Industry MachineryVol30 No 2Apr 2012在串联机器人方面，搬运机器人已广泛应用于汽车零部件制造、汽车生产组装、机械加工、电子电气、橡胶及塑料、木材与家具制造等行业中。同时也应用在医药、食品、饮料、化工等行业的输送、包装、装箱、搬运、码垛等工序3。搬运机器人的轴数一般为 6 轴和 4 轴，以 ABB 公司产品为例，图 1 为 6 轴 IRB7600 机器人，图 2 为 4 轴IRB660 机器人。图 1IRB7600 机器人图 2IRB660 机器人Figure 1IRB7600 robotFigure 2IRB660 robot其中 6 轴机器人主要用于各行业的重物搬运作业，尤其是重型夹具、车身的转动、发动机的起吊等;4轴机器人由于轴数少，运动轨迹近于直线，所以速度明显提高，特别适合高速包装、码垛等工序。除了以上所述结构外，还有一种名为 SCARA 的机器人，该机器人具有 4 个轴，可用于高速轻载的工作场合。其结构如图 3 所示。图 3SCARA 机器人Figure 3SCARA robot高速并联机器人一般以 2 4 个自由度居多，其中以 Delta 机械手为代表。1987 年，瑞士 Demaurex 公司首先购买了 Delta 机构的专利权并将其产业化，先后开发了 Pack-Placer、Line-Placer、Top-placer 和 Presto 等系列产品，主要用于巧克力、饼干、面包等食品的包装。1999 年，ABB 公司推出了图 4 所示 4 自由度 IRB 340FlexPicker Delta 机器人，并配置了 Cognex 公司的计算机视觉系统，用于食品、医药和电子行业。该机器人末端加速度可达 10 g，每分钟可完成 150 次抓取操作。目前 ABB 公司最新产品加速度可达 15 g，每分钟抓取次数可达 180 次。图 4FlexPicker 机器人Figure 4FlexPicker robot在国内，工业机器人从 80 年代“七五”科技攻关开始起步，目前已开发出弧焊、点焊、搬运等机器人，但是从事机器人研发和应用工程的单位相对较少，工业机器人的拥有量远远不能满足需求，大量依靠国外引进。在串联机器人方面，沈阳新松、哈尔滨博实等公司先后开发了用于搬运和码垛的串联机器人，但综合性能和技术成熟度与国外产品尚存在一定差距。在高速并联机器人方面，天津大学于 2001 年在国内率先开展关键技术研究与工程应用工作。于 2002年发明了一种称为 Diamond 的二平动自由度高速并联机器人，获得多项专利，如图 5 所示。图 52-DOF 并联机器人Figure 52-DOF parallel robot此后，天津大学又发明了一种类 Delta 机构机器人 Delta-S，其结构如图 6 所示，并在医药和饮料包装中进行了应用。901综述专论刘凤臣，等高速搬运机器人产业应用及发展图 6Delta-S 并联机器人Figure 6Delta-S parallel robot2工业机器人产业的发展趋势及国内市场需求全球工业机器人装机量已超过百万台，形成了一个巨大的机器人产业。目前，我国进口的工业机器人主要来自日本，占我国进口工业机器人的一半左右，其它为欧洲品牌机器人，如 ABB、KUKA、COMAU 等。而国内机器人公司还没形成产业化，实行“一个客户，一次重新设计”的方法，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低，供货周期长，成本高，而且质量和可靠性差。大家已熟知的工业机器人应用行业，如汽车、机械制造、电子工业等，这里不再赘述，根据项目研究和市场需求程度，现对食品、饮料、医药、化工等行业中工业机器人的应用及需求作如下分析。21食品饮料及医药行业我国是食品、饮料、医药生产大国，物流设备产值约为 650 亿元/年，且在不断增长。这些行业后道工序一般都包括成型产品自动化包装、分拣、装箱、码垛和储运等工序，目前大多采用手工或半手工操作，生产效率低，劳动强度大、存在二次污染隐患。随着国家和消费者对于食品安全问题越来越重视，后道包装工序由机器人来完成已成为必然趋势。22化工行业化工行业涉及石油、涂料、冶金、能源、轻工、环保等多个领域。许多化工产品具有易燃、易爆、有毒和腐蚀等特性，这类产品因其具有高危险性特点，因此安全问题始终是化工行业工作的重点。国家对于化工产品在生产，管理，仓储，运输等方面的安全问题也有特殊要求。现阶段国内绝大多数还是以人工装箱、码垛为主，存在极大安全隐患。目前已有炸药生产厂考虑采用机器人完成各道包装。3发展机器人产业的基础条件及目标目前，我国从事机器人研发的单位有 200 多家，专业从事机器人产业开发的企业有 50 家以上，一些科研机构及院所在机器人技术和应用方面做了很多基础性的工作。31串联搬运机器人在串联搬运机器人方面，我国有较好的基础性研究和工业化应用。哈尔滨工业大学早在 20 世纪 80 年代就开始了机器人方面的研究。成功地研制了码垛机器人，取得了良好的经济效益和社会效益。并就其中的腰转部分、大臂、小臂、平衡机构的机械设计进行了深入探讨，提出了研制该类型机器人需要考虑的关键点，对工业机器人研制开发具有一定的指导意义。上海交通大学对含有平行连杆的机器人动力学问题做了研究，提出了动力学建模方法4。中科院自动化所对关于工业机器人实时控制研究给出了一种逆运动学求解方法5。总之，经过国内科研机构的多年基础性研究，在机器人本体设计、理论建模、运动仿真和控制方面都取得了丰硕的成果，形成了一整套相对成熟的理论体系6-13。32高速并联机器人国内对高速抓放机器人的研究起步较晚，实际应用不多。但研究成果令人鼓舞14-19，天津大学在国家“863”计划的资助下，发明了具有我国自主知识产权的 2 自由度 Diamond 和 3 自由度 Delta-S 高速抓放机器人，形成系列产品，并与杭州娃哈哈集团有限公司、江阴纳尔捷机器人有限公司、天津力神电池股份有限公司等合作研制出了高速果奶装箱一体机、多功能输液软袋装箱机、高性能锂离子电池分选机等成套装备，在实际应用中获得好评。总之，搬运机器人的技术理论在国内已日趋成熟，并有不错的应用开端。4拟开发机器人的技术指标及示范内容由娃哈哈集团有限公司、天津大学、中国科学院自动化研究所、江阴纳尔捷机器人有限公司、云南安化有限责任公司等 5 家单位承接的工信部重大专项，解决了串、并联机器人在典型生产线示范应用的问题。41技术指标411高速并联搬运机器人20 本课题开发如图 7 所示的高速并联搬运机器人具有 4 个自由度，主要由静平台、动平台、3 根主动杆、3组平行四边形从动支链以及中间转动杆和末端执行器组成。工作空间如图 8 所示，其中标注的圆柱体为实际要求的工作空间。011轻工机械Light Industry Machinery2012 年第 2 期从图 7 中可以看到，静平台的 3 组驱动单元通过3 条相同的运动链分别与运动平台的 3 条边铰接。每条运动链中有 1 个由 4 个虎克铰与杆件组成的平行四边形闭环，此闭环再与 1 个带转动关节的驱动臂相串联，驱动臂的一端固定在静平台上，在电动机的驱动下作一定角度的摆动。这 3 条运动链决定了运动平台的运动特性。运动平台不能绕任何轴线旋转，但可以在直角坐标空间沿 x，y，z 3 个方向平移运动，末端执行器安装于动平台上。同时，中部电机通过万向连轴节带动可伸缩的转动杆，使末端执行器有了绕 z 轴旋转的第 4 个自由度。高速并联机器人主要技术指标如表 1 所示。412码垛机器人如图 9 所示，本课题开发的码垛机器人为平行连杆型，主要技术参数如表 2 所示，操作空间如图 10 所示。其中 O 点为大臂转动中心，A 点为大臂最大转角时，前臂最大转角的位置，B 点为小臂最大转角时，末端能达到的最远点，C 和 D 点分别为大臂最小转角时，前臂能达到的最大转角和最小转角位置。表 1高速并联机器人主要技术要求Table 1Main technical requirements of high-speed parallel robot机器人型号承重能力/kg工作范围(直径 高)/(mm mm)轴数重复定位精度/mm最大搬运次数/(次min1)最大加速度/(ms2)Delta-1600 200401120100Delta-11 100 200401100100图 9码垛机器人Figure 9Palletizing robot表 2码垛机器人主要技术要求Table 2Main technical requirements of palletizing robot机器人型号承重能力/kg到达距离/m轴数重复定位精度/mm最大搬运次数/(次h1)120 型1202 3040 51 200300 型3003 1540 5800图 10操作空间示意图Figure 10Operation space diagram该机器人具有 4 个自由度，包括腰关节、肩关节、肘关节、腕关节 4 个旋转关节，并引入了 3 组平行四边形机构，如图 11 所示。通过这种构型和布置，简单地实现了以下功能:图 11(a)平行四边机构可以实现大臂和前臂驱动电机同时安装在底座上，通过驱动小臂间接地驱动前臂，从而大大减少了前臂重量，提高了机构的动力学性能;图 11(b)中平行四边机构、实111综述专论刘凤臣，等高速搬运机器人产业应用及发展现了末端执行器在运动过程中平行于水平面这一特殊位姿要求21。图 11码垛机器人结构示意图Figure 11Palletizing robot structure diagram42示范线内容及解决的问题除以上 2 类机器人本体研发外，还包括其在示范线上的应用研究，示范线包括 3 条果奶线和 2 条炸药线。主要考虑和解决的内容包括:生产规模、节拍、综合成本等因素决定下的生产线总体布局，以及系统功能单元配置、物理设备与传感器信息衔接技术，规范化软硬件接口标准，现场快速安装与调试技术等。娃哈哈果奶包装示范线由 2 部分组成:并联机器人吸管添加站及码垛机器人工作站。其中并联机器人吸管添加站除高速并联机器人外，还开发了一些列配套设备，包括吸管半成品储存装置、半成品输送及切断装置、成品吸管输送装置、真空抓取器、机器人视觉系统等。以适应各种规格产品及吸管的包装。码垛机器人工作站除串联机器人本体外，还配套开发成品整列输送装置、铲板供给系统、多箱抓取器等。安化炸药包装示范线也是由 2 部分组成:并联机器人胶体炸药装箱工作站和成品码垛机器人工作站。并且同样开发了相关配套设备。示范应用正好符合了国家对于民爆行业的指导意见和要求，避免了人工包装带来的危险性，提高了劳动生产率。5前景与展望我国各行业自动化生产线对搬运机器人需求旺盛，有明确的依托工程，市场风险小。工业机器人作为装备制造业的基础部件，国家长期关注，政策风险小。在完成各类规格串并联机器人开发基础上，我们将继续加大对机器人基础研究的投入，积极寻找和开拓新的应用领域，在获得更多自主知识产权的同时，使机器人系列化、标准化，进而实现产业化。发挥自主研发较国外进口产品成本低、维护方便等优点，把示范线的成功经验推广到其它各行业中，为国产机器人产品在国内乃至国际市场占有一席之地探索出一条成功之路。参考文献(References):1毕胜 国内工业机器人发展现状 J 机械工程师，2008(7):5 7 2陈佩云 国内外工业机器人发展概况及对策建议J 机械工程，1988(3):24 26 3丁毅，汪如红，姜晨颖 管道机器人发展状况及其在包装领域中的应用 J 包装与食品机械，2009，27(5):128 130 4于殿勇，李瑞峰，孙立宁 哈工大 120 kg 负载工业机器人的开发J 高技术通信，2002(6):79 81 5周毅 AW 600 型弧焊机器人操作机设计J 机械工业自动化，1999，21(4):46 49 6窦小红，许有恒 含有平行连杆的五自由度工业机器人动力学分析 J 上海交通大学学报，1990，24(1):40 46 7徐德，景奉水 基于 Linux 操作系统的开放式工业机器人实时控制 C/宋健 钱学森科学贡献暨学术思想研讨会论文集 北京:中国科学技术出版社，2001:326 334 8蔡自兴 机器人学 M 北京:清华大学出版社，2009 9李瑞峰，于殿勇，高小辉，等 轻型机器人本体样机设计与开发J 高技术通讯，2002(8):68 70 10戚晓艳，许瑛，沈凌云 基于 ADAMS 的 MOTOMAN 机器人运动学模拟 J 南昌航空工业学院学报，2005，20(4):15 19 11汤修映，李伟，张铁中 平行四杆机构在点焊机器人中的作用 J 中国农业大学学报，2003，8(4):16 40 12苏海新，韩宝玲，罗庆生 基于 PMAC 的工业码垛机器人控制特性研究 J 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