1、基 于 机 器 人 装 卸 袋 装 物 料 的 研 究李 长 春1孟 宇2王 栋 梁1( 1 . 济 南 大 学 机 械 工 程 学 院 , 济 南 2 5 0 0 2 2 ; 2 . 济 南 一 机 床 集 团 有 限 公 司 , 济 南 2 5 0 0 2 2 )摘 要 ： 本 文 讨 论 了 袋 装 物 料 的 搬 运 现 状 , 对 机 器 人 夹 持 袋 装 物 料 进 行 了 分 析 , 提 出 了 装 卸 袋 装 物 料的 规 划 , 由 于 袋 装 物 料 数 量 巨 大 , 采 用 机 器 人 装 卸 具 有 广 阔 的 应 用 前 景 。关 键 词 ： 机 器 人 袋 装
2、物 料 物 料 袋 夹 持 器 装 卸 抓 取R e s e a r c h o n L o a d i n g a n d U n l o a d i n g o f B a g g e d M a t e r i a l s w i t h R o b o tL I C h a n g c h u n1, M E N G Y u2, W A N G D o n g l i a n g1( 1 . S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g , J i n a n U n i v e r s i t y , J i n
3、a n 2 5 0 0 2 2 ;2 . J i n a n F i r s t M a c h i n e T o o l C o m p a n y , L T D , J i n a n 2 5 0 0 2 2 )A b s t r a c t : C u r r e n t s i t u a t i o n o f b a g g e d m a t e r i a l s c o n v e y a n c e i s c o v e r e d i n t h e p a p e r . H o l d i n g b a g g e d m a t e r i a l sw i
4、 t h r o b o t i s a n a l y z e d . P l a n n i n g t o l o a d a n d u n l o a d m a t e r i a l b a g s i s p r o p o s e d . F o r t h e r e a r e s o m a n y m a t e r i a l b a g s t od e a l w i t h , a s i g n i f i c a n t f o r e g r o u n d i s e x p e c t e d f o r r o b o t t o c o n v
5、e y m a t e r i a l b a g s .K e y w o r d s : R o b o t , B a g g e d m a t e r i a l , M a t e r i a l b a g H o l d e r , L o a d i n g a n d u n l o a d i n g , S n a t c h i n g1 引 言水 泥 、 粮 食 、 面 粉 、 饲 料 、 化 肥 、 化 学 化 工 原 料 、 农副 产 品 和 矿 产 品 等 粉 粒 状 的 物 料 , 大 都 采 用 袋 包 装( 编 织 袋 或 麻 袋 ) 后 进 行 运 输
6、 的 , 部 分 采 用 散 装 运 输 。2 0 0 3 年 , 我 国 水 泥 总 产 量 为 8 . 1 3 亿 吨 , 其 中 袋 装 水泥 供 应 量 5 . 7 3 亿 吨 ; 2 0 0 4 年 全 国 水 泥 总 产 量 为 9 . 7亿 吨 , 其 中 袋 装 水 泥 供 应 量 6 . 5 亿 吨 ; 据 中 国 水 泥 网报 道 , 2 0 0 5 年 我 国 水 泥 总 产 量 达 到 1 0 . 6 4 亿 吨 。 按 每袋 水 泥 5 0 公 斤 重 量 计 算 , 每 年 约 有 一 百 多 亿 袋 水 泥需 要 运 输 。 2 0 0 4 年 , 我 国 化 肥
7、 总 产 量 达 到 4 5 7 7 万 吨 ,每 袋 化 肥 的 重 量 一 般 为 ( 4 0 5 0 ) 公 斤 。 我 国 的 粮 食 年产 量 约 为 5 亿 吨 , 目 前 仍 以 包 粮 ( 袋 装 粮 食 ) 运 输 为主 。 我 国 人 口 众 多 , 食 用 面 粉 数 量 巨 大 , 按 每 年 生 产面 粉 6 5 0 0 万 吨 计 算 , 若 每 袋 面 粉 按 2 5 公 斤 计 算 , 全年 约 有 2 6 亿 袋 面 粉 。 由 此 可 见 袋 装 物 料 的 数 量 是 巨大 的 。目 前 我 国 袋 装 物 料 的 仓 库 搬 运 和 装 卸 运 输 工
8、具主 要 是 靠 人 抬 、 小 车 拉 或 人 扛 等 人 力 完 成 的 , 劳 动 者的 劳 动 强 度 大 、 工 作 效 率 低 , 工 作 时 会 产 生 粉 尘 和 有害 物 质 , 对 劳 动 者 和 周 围 环 境 造 成 污 染 , 危 害 着 工 人的 健 康 。 由 于 袋 装 物 料 比 较 软 、 容 易 变 形 , 堆 放 时 袋装 物 料 之 间 的 间 距 小 , 形 状 不 规 则 , 给 机 械 化 搬 运 带来 很 大 的 难 度 。 为 此 我 们 提 出 了 采 用 机 器 人 装 卸 袋装 物 料 , 既 可 以 进 行 生 产 线 上 的 袋 装
9、 物 料 搬 运 , 也 可以 进 行 库 房 的 袋 装 物 料 堆 垛 以 及 汽 车 等 运 输 工 具 的装 卸 , 该 项 目 得 到 了 山 东 省 教 育 厅 科 技 攻 关 计 划 的资 助 。 机 器 人 装 卸 袋 装 物 料 具 有 抓 取 可 靠 、 移 动 灵 活和 智 能 控 制 等 特 点 , 大 大 减 轻 了 装 卸 工 人 的 劳 动 强度 和 污 染 , 提 高 了 装 卸 效 率 。2 机 器 人 夹 持 器 的 研 究2 . 1 机 器 人 抓 取 分 析由 于 袋 装 物 料 较 软 , 抓 取 时 容 易 变 形 , 库 房 的 袋装 物 料 又
10、没 有 支 承 部 分 , 且 抓 取 时 物 料 在 宽 度 方 向上 的 变 形 要 比 长 度 方 向 上 的 变 形 小 , 所 以 该 机 器 人工 作 时 , 在 袋 装 物 料 的 长 度 方 向 上 进 入 物 料 袋 两 侧 ,宽 度 方 向 夹 持 , 对 于 ( 4 0 5 0 ) k g 的 袋 装 物 料 , 机 器 人每 次 只 抓 取 一 袋 。 在 长 度 方 向 进 入 抓 取 时 , 抓 取 部 分有 一 侧 应 处 于 物 料 袋 与 物 料 袋 之 间 , 由 于 摆 放 时 物料 袋 与 物 料 袋 之 间 的 间 隙 小 , 若 选 择 的 夹 持
11、板 太 厚 ,不 易 插 入 物 料 袋 与 物 料 袋 之 间 的 缝 隙 , 而 且 还 有 可能 压 坏 或 穿 破 物 料 袋 ; 若 夹 持 板 太 薄 , 其 刚 度 不 足 而产 生 变 形 , 从 而 抓 不 起 袋 装 物 料 , 而 且 还 有 可 能 夹 持板 下 移 过 程 中 穿 破 物 料 袋 。 实 验 表 明 , 只 有 夹 持 板 在铅 垂 方 向 上 进 入 物 料 袋 缝 隙 之 间 才 能 顺 利 实 施 抓取 , 为 保 持 一 定 的 夹 持 面 积 减 小 料 袋 变 形 , 我 们 选 择4 m m 厚 并 具 有 一 定 宽 度 的 钢 板 夹
12、 持 袋 装 物 料 1 , 钢 板设 计 与 研 究1 9现 代 制 造 技 术 与 装 备 2 0 0 7第 1 期 总 第 1 7 6 期左 垂 直 联 接 板左 滑 槽 板左 夹 持 轴左 夹 持 板气 缸滑 槽 板 联 接 轴支 承 板右 垂 直 联 接 板右 滑 槽 板右 夹 持 轴右 夹 持 板与 物 料 袋 接 触 部 分 的 周 边 加 工 成 圆 弧 形 , 以 防 弄 破料 袋 。机 器 人 夹 持 器 的 动 力 可 以 采 用 液 压 、 气 动 或 电力 驱 动 , 由 于 气 动 作 为 动 力 源 具 有 动 作 迅 速 、 夹 持 可靠 、 结 构 简 单 和
13、 环 境 污 染 小 等 优 点 , 该 机 器 人 工 作 时只 要 求 抓 取 和 松 开 两 个 位 置 点 , 中 间 运 动 过 程 没 有特 别 要 求 , 特 别 适 合 采 用 气 力 驱 动 , 所 以 该 机 器 人 的夹 持 器 的 动 力 采 用 气 动 , 气 动 产 生 的 驱 动 力 通 过 杠杆 传 动 夹 持 袋 装 物 料 。2 . 2 夹 持 器 的 结 构机 器 人 夹 持 器 的 结 构 示 意 图 如 图 1 所 示 。 夹 持器 工 作 时 , 驱 动 气 缸 拉 动 滑 槽 板 联 接 轴 上 移 , 带 动 两滑 槽 板 分 别 绕 左 、 右
14、 夹 持 轴 线 转 动 , 由 于 滑 槽 板 与 夹持 板 固 定 成 一 体 , 所 以 滑 槽 板 带 动 夹 持 板 转 动 相 同的 角 度 , 将 袋 装 物 料 夹 紧 并 托 起 。 由 于 夹 持 过 程 中 袋装 物 料 将 产 生 变 形 , 物 料 向 夹 持 器 中 心 移 动 , 为 防 止搬 运 过 程 中 袋 装 物 料 从 夹 持 器 中 掉 下 , 夹 持 板 必 须转 动 到 一 定 的 角 度 , 才 能 托 起 袋 装 物 料 。 实 验 表 明 ,夹 持 板 转 动 的 角 度 愈 大 , 夹 持 愈 可 靠 , 但 同 时 也 愈 容易 损 坏
15、物 料 袋 。 夹 持 板 托 起 物 料 时 的 最 小 转 动 角 度与 物 料 的 种 类 、 袋 装 物 料 的 尺 寸 和 重 量 等 有 关 , 对 于每 种 袋 装 物 料 , 其 夹 持 板 转 动 的 最 小 角 度 可 以 通 过实 验 得 到 。图 1 机 器 人 夹 持 器 的 结 构 示 意 图3 装 卸 袋 装 物 料 的 规 划3 . 1 机 器 人 的 自 由 度 数装 卸 袋 装 物 料 采 用 关 节 坐 标 机 器 人 , 其 运 动 示意 图 如 图 2 所 示 。 机 器 人 共 有 5 个 自 由 度 2 , 分 别 是 :1 腰 部 的 转 动 、
16、 2 大 臂 相 对 腰 部 的 仰 俯 运 动 、 3 小 臂 相 对 大 臂 的 仰 俯 运 动 、 4 腕 部 相 对 小 臂 的 仰 俯运 动 以 及 5 腕 部 自 身 的 旋 转 运 动 。 腰 部 的 转 动 控 制着 袋 装 物 料 相 对 基 座 的 径 向 方 位 , 大 臂 与 腰 部 的 仰俯 和 小 臂 与 大 臂 的 仰 俯 运 动 使 得 腕 关 节 点 到 达 夹 持点 上 方 位 置 , 腕 关 节 的 仰 俯 运 动 使 得 夹 持 器 的 两 夹持 板 处 于 同 一 高 度 上 , 从 而 夹 持 处 于 水 平 面 的 袋 装物 料 , 而 腕 关 节
17、 自 身 的 旋 转 运 动 是 对 机 器 人 夹 持 器的 两 夹 持 板 与 物 料 外 形 吻 合 , 使 得 夹 持 板 在 袋 装 物料 宽 度 两 侧 可 靠 夹 持 。 有 了 这 5 个 自 由 度 机 器 人 就能 顺 利 并 有 效 地 抓 取 和 卸 下 袋 装 物 料 。3 . 2 装 卸 袋 装 物 料 的 规 划机 器 人 装 卸 袋 装 物 料 的 规 划 可 分 为 两 种 情 况 ,其 一 是 袋 装 物 料 装 卸 运 输 工 具 的 规 划 , 另 一 种 情 况是 袋 装 物 料 仓 库 堆 垛 的 规 划 。 对 于 袋 装 物 料 装 卸 运输 工
18、 具 的 规 划 , 其 装 车 示 意 图 如 图 3 所 示 , 先 测 量 出堆 垛 后 的 一 袋 袋 装 物 料 的 长 度 、 宽 度 和 高 度 尺 寸 , 根据 运 输 工 具 车 厢 内 的 空 间 尺 寸 和 运 输 袋 装 物 料 的 总重 量 , 对 车 厢 内 部 空 间 进 行 规 划 , 确 定 在 车 厢 长 度 、宽 度 和 高 度 方 向 上 各 需 要 装 几 袋 物 料 , 规 划 时 应 考虑 同 一 水 平 面 上 的 袋 装 物 料 之 间 留 有 一 定 的 空 隙 ,以 便 使 机 器 人 上 的 夹 持 板 能 够 顺 利 地 进 出 。 然
19、 后 根据 车 厢 需 要 装 的 袋 装 物 料 总 数 , 确 定 地 面 堆 放 的 袋装 物 料 在 三 个 方 向 各 需 要 几 袋 。 一 些 袋 装 物 料 的 堆垛 高 度 都 有 一 定 的 要 求 , 比 如 一 般 情 况 下 袋 装 水 泥堆 垛 高 度 不 超 过 十 袋 , 这 样 就 可 以 规 划 出 在 长 度 和宽 度 方 向 上 需 要 的 袋 数 , 规 划 时 最 好 能 够 使 每 装 一车 机 器 人 的 运 动 轨 迹 相 同 , 以 减 少 调 整 程 序 的 次 数 。机 器 人 装 车 运 动 轨 迹 规 划 时 , 应 考 虑 机 器
20、人 的 大 臂不 能 与 车 厢 侧 板 发 生 碰 撞 而 产 生 干 涉 现 象 。另 一 种 袋 装 物 料 仓 库 堆 垛 规 划 要 比 装 卸 运 输 工具 的 规 划 简 单 一 些 , 其 堆 垛 方 法 基 本 上 与 装 卸 运 输工 具 的 地 面 抓 取 相 似 , 而 仓 库 堆 垛 的 抓 取 要 比 堆 垛简 单 一 些 , 一 般 是 固 定 点 的 抓 取 , 机 器 人 搬 运 过 程 中一 般 也 不 会 出 现 干 涉 情 况 , 其 具 体 规 划 这 里 不 再 从述 。3 . 3 机 器 人 抓 取 袋 装 物 料 的 顺 序机 器 人 抓 取 地
21、 面 堆 放 的 袋 装 物 料 的 顺 序 是 先 从最 上 层 开 始 , 在 c 方 向 上 抓 取 一 排 若 干 袋 后 , 再 在 下一 层 ( b 向 ) 抓 取 相 同 数 量 的 袋 装 物 料 , 当 在 b( 高 度 )方 向 上 取 完 袋 装 物 料 后 , 再 在 a 方 向 上 抓 取 第 二 列 相同 数 量 的 袋 装 物 料 , 直 到 装 满 一 车 为 止 , 袋 装 物 料 地图 2 机 器 人 运 动 示 意 图123452 0通 过 对 比 我 们 可 以 发 现 , 在 国 内 的 矿 山 铲 运 机管 理 中 存 在 着 巨 大 的 潜 力 ,
22、 特 别 是 对 设 备 的 保 养 , 对优 化 设 备 的 性 能 、 延 长 设 备 的 寿 命 都 起 着 至 关 重 要的 作 用 。 只 要 我 们 建 立 起 完 善 的 设 备 管 理 体 系 , 严 格按 照 设 备 要 求 进 行 各 项 保 养 , 持 续 不 断 的 提 高 人 员素 质 , 这 样 就 能 够 持 续 不 断 的 提 高 我 国 矿 山 设 备 的利 用 率 、 降 低 出 矿 成 本 , 增 强 我 国 矿 山 在 国 际 山 的 竞争 力 。参 考 文 献 1 张 栋 林 . 地 下 铲 运 机 冶 金 工 业 出 版 社 2 0 0 2 2 高
23、梦 熊 . 地 下 装 载 机 冶 金 工 业 出 版 社 2 0 0 2 3 田 少 民 . 液 压 油 污 染 检 测 技 术 现 状 成 都 小 松 检 测 技 术研 究 所 2 0 0 4 . 6 4 谢 继 生 . 点 检 维 修 的 工 作 流 程 淮 南 职 业 技 术 学 院 学报 2 0 0 5 . 5 5 甘 钰 林 赵 金 元 高 梦 熊 略 谈 我 国 地 下 铲 运 机 的 发 展矿 山 机 械 2 0 0 4 . 9图 2 T O R O 4 0 0 E 点 检 示 意 图考 核设 备 清 洁转 向 系 统工 作 系 统护 桩 背 桩电 缆电 机各 润 滑 点制 动
24、 系 统前 后 机 架发 动 机油 位 、 压 力检 查空 滤( 上 接 第 1 5 页 )面 堆 放 示 意 图 如 图 4 所 示 。3 . 4 机 器 人 堆 垛 的 顺 序机 器 人 进 行 袋 装 物 料 的 仓 库 堆 垛 及 车 厢 堆 垛 ,应 根 据 机 器 人 作 业 空 间 和 堆 垛 空 间 大 小 作 好 规 划 ,确 定 需 要 在 a 、 b 、 c 三 个 方 向 上 各 堆 垛 成 几 袋 。 机 器 人堆 垛 时 , 先 从 最 下 层 ( b 向 ) 开 始 , 即 在 c 方 向 上 放 置一 排 若 干 袋 后 , 再 在 a 向 上 放 置 第 二
25、排 相 同 数 量 的 袋装 物 料 , 依 次 类 推 , 最 下 面 一 层 排 完 后 , 再 在 b 向 上放 置 第 二 层 , 直 到 堆 放 到 所 需 要 的 高 度 , 袋 装 物 料 地面 堆 放 示 意 图 如 图 4 所 示 。 在 进 行 机 器 人 运 动 轨 迹规 划 时 , 应 注 意 同 一 高 度 上 物 料 袋 与 物 料 袋 之 间 留有 适 当 的 间 隙 , 以 便 抓 取 时 夹 持 板 能 够 顺 利 地 进 入物 料 袋 之 间 的 缝 隙 中 。4 结 束 语由 于 袋 装 物 料 较 软 , 抓 取 时 物 料 袋 容 易 变 形 , 仓库
26、 以 及 运 输 工 具 上 堆 放 的 袋 装 物 料 大 都 没 有 支 承 ,抓 取 的 难 度 要 比 箱 形 物 品 大 , 为 此 我 们 采 用 夹 持 板垂 直 下 移 、 转 动 托 起 的 方 法 夹 持 袋 装 物 料 , 抓 取 方 便可 靠 。袋 装 物 料 装 卸 运 输 工 具 的 规 划 要 比 生 产 线 上 的物 品 搬 运 复 杂 , 从 袋 装 物 料 的 抓 取 到 堆 垛 都 是 三 维空 间 , 尺 寸 距 离 大 、 位 置 变 化 多 , 需 要 作 好 详 细 的 轨迹 规 划 , 同 时 还 要 考 虑 机 器 人 及 袋 装 物 料 与
27、车 厢 干涉 的 问 题 。由 于 我 国 袋 装 物 料 生 产 量 巨 大 , 目 前 大 都 是 人工 装 卸 , 工 人 劳 动 强 度 大 , 身 心 健 康 受 到 很 大 的 影响 , 所 以 采 用 机 器 人 装 卸 是 很 有 必 要 的 , 具 有 较 高 的社 会 效 益 和 经 济 效 益 。参 考 文 献 1 李 长 春 , 刘 广 志 , 崔 焕 勇 , 张 书 文 . 水 泥 袋 搬 运 机 器 人 夹持 器 的 研 究 ( J ) . 液 压 与 气 动 , 2 0 0 6( 4 ) : 1 2 1 3 . 2 L i C h a n g c h u n ,
28、L i u G u a n g z h i , W a n g D o n g l i a n g , e t a l . R e -s e a r c h o n M o v e m e n t a n d R u l e s o f t h e R o b o t f o r S t a c k i n g u p B a g g e dM a t e r i a l s , T h e 3 r d C h i n a - J a p a n C o n f e r e n c e o n M e c h a t r o n i c s 2 0 0 6F u z h o u M . 福 州 : 福 建 科 学 技 术 出 版 社 , 2 0 0 6 .图 3 袋 装 物 料 装 车 示 意 图大 臂袋 装 物 料堆 放 位 置机 座小 臂夹 持 器车 厢 位 置图 4 袋 装 物 料 地 面 堆 放 示 意 图abc!设 计 与 研 究2 1
