庞党锋 ，崔世钢 ，田丽萍
（1.天津中德应用技术大学 机械工程学院，天津 300350；
2.天津职业技术师范大学，天津 300222；
3.天津市信息传感与智能控制重点实验室，天津 300222）
工业机器人已广泛应用于包装领域，利用机器人进行码垛操作，可以提高包装生产线的智能化程度和工作效率，降低人工成本和安全隐患。研发生产线时，通常利用仿真软件进行生产线布局和工艺节拍等的模拟，可缩短生产线从搭建到实际应用的开发周期；
利用自动路径规划，提高机器人示教效率；
进行伸展能力分析及碰撞监测，确定机器人离线程序可用性。仿真软件与真实机器人连接通信，可进行监控、程序修改、参数设定、文件传送、程序备份与恢复等［1-3］。句秋月等［4］基于KEBA系统开发了应用于饮料码垛行业的工艺包，进行了示教器画面与PLC程序开发。田亚娟［5］设计了基于IRB460机器人的智能码垛虚拟工作站，进行了布局与程序设计。赵相博等［6］使用灵思创奇机器人虚拟仿真平台对冷藏箱码垛机器人的正逆运动学进行了理论分析。已有的研究成果对码垛工艺分析较多，但对机器人生产运动轨迹规划和实际工作站试验较少。
本文以ABB机器人虚拟仿真软件RobotStudio为开发平台，利用SolidWorks创建包括机器人、输送线和AGV叉车的码垛工作站，模拟机器人搬运包装箱并码垛到托盘和叉车移送托盘的工作流程，开展机器人运动轨迹规划分析及工作站布局优化的研究，并进行试验验证，为生产线设计和改进提供参考和理论依据。
RobotStudio是建立在ABB虚拟控制器上的机器人离线编程软件，采用和实际生产相同的程序及配置文件，逼真模拟实际生产运行。RobotStudio软件包含ABB所有机器人模型，拥有丰富的导轨、工具模型和变位机模型，支持SW、CAD和UG等软件的建模导入，可实现机器人系统数字化测试和验证，以提高生产线规划设计与调试效率。
基于RobotStudio建立的机器人码垛工作站布局如图1所示，主要由工业机器人、AGV叉车、输送链、托盘和控制柜等组成。
图1 码垛机器人工作站布局图Fig.1 Layout of palletizing robot workstation
工作站选用IRB2600-20/1.65机器人，该机器人负载能力20 kg，重复定位精度0.04 mm，重复路径精度0.13 mm，机身紧凑，负载能力强，适合物料搬运和上下料等。机器人的各轴工作范围如表1所示。
表1 IRB2600-20/1.65各轴工作范围Tab.1 IRB2600-20/1.65 working range of each axis
2.1 机器人夹具
机器人末端安装往复开合运动的包装箱夹具，如图2所示。根据码垛需求，夹具从输送链夹起包装箱，搬运到托盘处，夹具张开，将包装箱释放到托盘上。模拟仿真时，对夹具进行机械装置编译，将类型设置为“工具”，通过法兰盘连接夹具与机器人六轴末端，设置节点为“往复”，最小限值设置为“0”，最大限值设计为“20”。通过配置工具数据和编译机械装置，完成夹具开合状态的设置，实现动态机械效果。
图2 机器人末端夹具Fig.2 Robot end fixture
2.2 I/O信号与连接
在RobotStudio中，先添加传感器组件，安装拆除组件与相应逻辑子组件；
再设定各子组件的属性连接；
最后创建所需I/O信号，通过动态Smart组件实现动画效果［7-8］。
机器人夹具部分I/O信号连接如表2所示。
表2 机器人夹具部分I/O信号连接Tab.2 I/O signal connection of the robot fixture part
以机器人夹具为例，先建1个Smart组件，将SolidWorks模型拖至组件中；
再添加Attacher、Comparer、Detacher、LineSensor、PlaneSensor、PoseMover［SyncPo-se］、Queue2、LogicGate ［NOT］和LogicSRLatch_2等动作组件；
最后添加2个I/O Signals输出信号，类型选择DigitalOutput，分别命名为Gripper和Check。
3.1 系统工作流程
码垛机器人工作站仿真流程如图3所示。当输送链将包装箱运到末端位置时，面传感器检测到信号，机器人将包装箱按照设计坐标和规则顺序，逐个码放到托盘上。当码垛数量到达设定数量，机器人停止码垛，同时，通过控制系统驱动AGV叉车将托盘搬运到库存区。
图3 机器人工作站仿真流程图Fig.3 Simulation flow chart of robot workstation
3.2 Smart组件设计
在RobotStudio中创建机器人码垛仿真工作站过程中，机器人夹具、传感器检测机构和AGV叉车等装置的动态效果在整个工作站中发挥重要作用。将机器人I/O信号和Smart 组件相关联，实现工作站动态仿真运行［9-10］。工作站包括机器人夹具、叉车和输送链等组件，以机器人输送链为例，组件设计如图4所示。
图4 输送链组件设计图Fig.4 Design drawings of conveyor chain components
4.1 码垛轨迹
机器人码垛任务是将包装箱从输送链上逐个搬运、码放到托盘上，相应的机器人轨迹可分为8个步骤：停留抓取→垂直提升→移动至放置点上方→垂直下降→停留放下→垂直提升→移动到下一个抓取点上方→垂直下降。
4.2 三次多项式轨迹规划
基于上述的包装箱搬运轨迹设计，通过三次多项插值法对机器人在关节空间进行轨迹规划，利用逆运动学把路径点转换成关节路径点，并将其拟合成光滑函数。通过轨迹函数θ（t）描述机器人在关节空间从起点到达路径点和目标点的运动状态。为达到运动连续性，如下式设定起始点和终止点关节点速度为0。
根据约束条件确定关节位置轨迹的三次多项式：
对应关节角速度和角加速度：
将关节平稳运行约束条件θ（t）在t=0的值等于起始关节角度θ0，在终止时刻tf的终止关节角度θf代入式（2）和式（3）可得：
以首次码垛搬运过程为例分析，机器人起点坐标p0为（524.92，205.36，1304.58），终止点坐标pf为（-897.62，-970.6，996.25），经过逆运动学运算，可以求得起始点各关节角度为（10.76，26.91，6.87，0，56.22，10.76），终点各关节角度为（-105，29.81，30.98，0，29.2，-105），通过三次多项式插值求解出机器人各关节的角位置、角速度和角加速度曲线，如图5所示。
图5 机器人各关节角位置、角速度和角加速度曲线Fig.5 Angular position, angular velocity and angular acceleration profiles of robot joints
5.1 工作站仿真
完成工作站设计布局后，根据码垛流程和轨迹规划，进行I/O信号配置，启动虚拟示教器进行坐标示教，在RobotStudio中进行离线RAPID程序编写［11］。机器人按照码垛规则将包装箱搬运、码放到托盘上，仿真运行如图6所示。
图6 码垛工作站仿真运行图Fig.6 Simulation running diagram of palletizing workstation
机器人参数配置在虚拟示教器完成，程序设计通过RAPID编程后同步到工作站，部分机器人码垛程序如下：
5.2 试验验证
图7所示为码垛机器人工作站图。
图7 码垛机器人工作站Fig.7 Palletizing robot workstation
仿真运行时播放码垛过程，启动计时器功能，机器人完成单个托盘码垛时间为5 s；
利用TCP跟踪展示机器人移动路径。在某包装生产线试验平台上将机器人离线RAPID程序同步到实际机器人IRC5控制器中，在输送链包装箱稳定输送时，实际码垛完成单个托盘时间、移动路径与仿真规划一致，且各部件未发生干涉碰撞。
在RobotStudio机器人仿真平台上，结合SolidWorks三维建模，通过Smart组件设计、机器人控制系统和I/O通信，构建工业机器人码垛工作站。根据生产工艺进行离线编程，实现生产节拍预知和轨迹规划，为生产线设计、调试和改造提供理论参考，同时降低设计与调试成本，减少调试时间。机器人码垛工作站的仿真设计对提高生产线匹配率和指导现场生产具有重要意义，对其他用途机器人工作站的设计也具有借鉴价值。
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