協作機器人在行星減速機裝配系統中的應用

何書龍 王文釗 華正雨 趙 鑫

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司中央研究院，遼寧 沈陽 110168）

行星減速機是機械傳動機構最重要的組成部件，市場需求量巨大，應用領域廣泛。行星減速機內部主要為齒輪傳動結構，結構精密、復雜，所以行星減速機主要依靠人工裝配生產。但是隨著中國工業規模的發展和人口紅利的消失[1-2]，市場對行星減速機的需求不斷增加，而生產的人工成本持續提高。因此，亟需降低行星減速機生產的人工成本并提高生產效率。但是由于齒輪傳動的精密性，目前無法實現全自動生產。

出于安全考慮，協作機器人及技術的應用是實現與人協同工作，聯通全自動與純手工的一座橋梁。協作機器人犧牲了部分負載能力，卻大大提高了安全性。協作機器人與傳統工業機器人相比，具有3個特點。1）安全性高，人與機器人可以共用工作空間[3]。2）易用性強，示教方便，操作便捷。3）易部署，協作機器人質量輕，搬運輕便，安裝調試時間短。

該文提供了一種將協作機器人應用于行星減速機生產的人機協作方案，利用協作機器人的碰撞保護、力反饋、視覺識別等技術，保障與協作機器人共同工作的人員的安全，為行星減速機的高效率、低成本的生產提供一條新思路。

1 系統總體方案設計

該系統主要用于行星減速機的生產裝配過程，包括零件的上下料、零件的分揀、齒輪等零件裝配。如圖1所示，該系統主要包括3個部分。1）由復合機器人和貨架組成的上下料平臺，負責減速機零件上料及完成品下料。2）三維分揀平臺，負責減速機關鍵零件的分揀，零件主要包括殼體、中心齒輪、行星齒輪、端蓋等。3）協作裝配平臺，負責完成殼體固定、齒輪裝配、端蓋裝配，以及與人協作完成端蓋頂絲擰緊、成品檢驗工作。

該系統的工作流程分為3個步驟。1）由復合機器人從貨架上取下要分揀的零件倒進振動槽中，經過三維分揀平臺的三維相機識別，由協作機器人將分揀出來的零件放在協作裝配平臺。2）由協作裝配平臺里的協作機器人完成殼體固定，減速機齒輪、端蓋力控裝配，由人完成端蓋頂絲擰緊后，協作裝配機器人將裝配完成的減速機存放如成品料盒。3）由復合機器人將裝配完成的減速機從協作裝配平臺搬運到貨架，完成減速機的整個裝配流程。

1.1 復合機器人上料系統設計

行星減速機裝配系統的上下物料采用新松公司生產的復合機器人，該復合機器人分為麥克納姆輪底盤、七軸協作機器人和末端視覺夾爪3個部分。

其中移動部分采用麥克納姆輪底盤，可實現全方向移動，零半徑回轉，自帶激光導航，二維碼定位，可以實現精準導航和定位，綜合定位精度能達到±2 mm。抓取部分采用5 kg七軸協作機器人，負載5 kg，重復性定位精度達到±0.05 mm，該機器人有碰撞保護、拖拽示教功能，不僅安全性高，而且運動姿態豐富，示教方便。末端視覺夾爪采用二維相機識別物料位置，再用氣動夾爪實現物料抓取、搬運，保證物料可以及時準確地投放到振動槽內。

圖1 行星減速機裝配系統結構圖

1.2 三維分揀、協作裝配平臺設計

行星減速機裝配系統中的減速機自動分揀和裝配系統安裝在同一個平臺上，分為三維分揀部分、零件定位部分和協作裝配部分3個部分。工作時由分揀協作機器人將零件分揀后放置到零件定位部分，再由裝配機器人從零件定位部分將零件取出，到協作裝配部分實現減速機裝配。

該系統主要是基于協作機器人設計的，主要利用協作機器人的高安全性、高靈敏性和快速配置的特點和多機器人協同規劃設計，保證機器人與機器人，機器人與人能安全協同工作。

其中三維分揀平臺運用了三維視覺識別、機器人空間路徑規劃、3D模型空間點云碰撞等多種AI技術，實現了減速機零件的快速分揀。而協作裝配平臺運用了精準力控、碰撞保護和精準裝配技術。

1.2.1 三維分揀平臺設計

三維分揀平臺主要由分揀協作機器人、三維視覺相機、機架、振動槽5個部分構成。

協作機器人選取新松公司的協作機器人，負載5 kg。末端搭載電動二指夾爪，夾持力40 N。三維相機選用的是3D智能相機，為了滿足三維相機的視覺識別范圍要求，將相機架設在振動料槽正上方1 m處，如圖5所示。振動槽與振動臺相連，便于零件夾取，振動臺振動頻率50 Hz，振幅5 mm。

分揀工作流程為復合機器人將零件倒進振動槽內，三維相機拍照后進行識別，如果識別不到合適抓取的零件，振動槽振動10 s，改變槽內零件位置和姿態，相機再次拍照識別，直到識別到可抓取的零件，再由協作機器人抓取零件到零件定位部分。

1.2.2 協作裝配平臺設計

如圖2所示，協作裝配平臺的協作機器人同樣選擇新松公司的協作機器人，負載5 kg，末端搭載力控視覺末端夾爪，夾爪選取電動二指夾爪，夾持力40 N，視覺相機為二維視覺相機，力矩傳感器選用OnRobot品牌的六維力矩傳感器。機架臺上設計有殼體定位臺、端蓋定位臺、齒輪定位臺和裝配固定臺。

工作時，二維視覺相機先識別零件，抓取殼體放在裝配固定臺上固定，然后夾爪抓取齒輪進行安裝。安裝時，利用齒輪裝配時齒輪傳遞給六維力矩傳感器的力矩大小，實時調整齒輪位置，最終完成齒輪裝配。齒輪裝配完成后，將端蓋安裝在減速機上，再由人將頂絲擰緊，固定端蓋，最后將完成的減速機放在成品待取位置。

圖2 減速機裝配平臺結構圖

2 P L C電氣控制系統設計

該系統的電氣控制應用西門子1200系列PLC作為總控制進行調度，使用以太網通信的方式與各組模塊之間進行TCP/IP信息的交換。

西門子PLC使用以太網通信功能中的PN口通信功能。西門子PLC作為服務器，與其他組成模塊進行數據交換，各部分作為客戶端進行設置，并且約定使用同一網段進行通信。網段要求為192.168.0.XXX網段。各詳細地址根據實際調試時分配。

PLC設置2個DB模塊存儲區，分別為輸入和輸出信號的存儲區。具體協議根據每一個模塊的要求單獨編寫。該文將PLC地址設置為192.168.0.1主站，機器人控制器設置為192.168.0.10，2個DB塊中預設20個BYTE型存儲區。PLC發送命令至DB塊中，機器人控制器可以讀取相應的信息，同時機器人控制器反饋的信息也可以發送至指定的DB塊中被PLC獲取。該實例分配了3個機器人控制器，并順延網址，均實現通信控制。

PLC對每一個模塊在運行過程中的數據交互信息進行采集和反饋控制，例如正在運行時的各軸位置參數。機器人運動結束后將信息發生至PLC，PLC根據邏輯編程再發送下一步的啟動命令至機器人。從而實現PLC與機器人配合的自動控制。

控制系統中設計應用了觸摸屏控制器，在觸摸屏上設計了工作界面和調試界面2個界面。在調試時應用調試界面，來監視和控制該系統中的機器人、傳感器等部分的實時狀態，調試完成后隱藏該界面，顯示工作界面，工作界面可以控制系統的運行、暫停和初始化，方便用戶操作。

3 結論

該文提供了一種協作機器人在行星減速機裝配系統中的應用方案，解決了傳統人工裝配造成的成本高、效率低的問題，突破了傳統工業機器人無法與人協同工作的現狀。在工業裝配方面，突顯了協作機器人的高安全性、易用性和快速布置的特點，為后續協作機器人的市場應用提供了新的參考方向。