KUKA工業機器人碼垛程序的優化設計

楊曉華　李天祥　孫雨晴

摘 要：工業機器人在制造行業的應用能緩解企業人力不足的壓力，改善工人的工作環境和安全生產條件，提高生產效率。鑒于此，圍繞KUKA工業機器人進行碼垛作業時采用示教編程長時間占用機器人影響生產效率，以及示教編程程序過長，煩瑣、不易閱讀等問題，結合for循環、計算和操作機器人位置及數組等功能對碼垛程序進行優化，優化后的程序具有通用性強、簡潔、易于閱讀、維護簡便、能提高生產效率等優點，可供企業編程人員借鑒使用。

關鍵詞：工業機器人；程序；優化；通用性

中圖分類號：TP242.2? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）13-0039-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.13.010

0? ? 引言

為落實《“十四五”機器人產業發展規劃》重點任務，加快推進機器人應用拓展，2023年1月19日，工業和信息化部、教育部、公安部等十七部門發布《“機器人+”應用行動實施方案》[1]，方案中指出：到2025年，制造業機器人密度較2020年實現翻番。由于機器人大量投入，企業對工業機器人技術人才的需求量增大，有助于高職院校人才的輸出。聚焦機器人十大應用重點領域之一的制造業領域，方案提出研制焊接、裝配、噴涂、搬運、磨拋等機器人新產品，推動其在汽車、電子、機械、輕工、紡織、建材、醫藥等已形成較大規模應用的行業，噴釉、修坯、拋光、打磨、焊接、噴涂、搬運、碼垛等關鍵環節應用，推進智能制造示范工廠建設[1]。未來，工業機器人將得到更多的應用，技術也將不斷進步，將為企業提供更高效、更安全、更節能的解決方案，為社會經濟發展做出更大貢獻。

碼垛機器人是從事碼垛作業的工業機器人，即將已裝入容器的貨物按要求排列碼放在托盤、棧板（木質、塑膠）上，進行自動堆碼。機器人碼垛可全天作業，減少人員的投入，能節約大量的人力成本，動作靈活精準、快速高效、穩定性高，作業效率高，大大提高了生產效率[2]。但是如果在碼垛作業時使用簡單的示教進行編程，碼垛的貨物越多，程序就越長，而且示教占用機器人的時間也比較長，一旦碼垛的貨物尺寸發生變化又要重新示教，程序的通用性較差，影響生產效率。

1? ? 碼垛的定義及應用

對幾個具有代表性的點進行示教，即可以從下層到上層按照順序堆疊貨物，常見于物流行業、運輸行業以及倉庫存儲等。同一形狀的立體形貨物，可以采取重疊式、縱橫交錯式、正反交錯式和旋轉交錯式碼垛，如圖1所示。

1.1? ? 重疊式

重疊式是指貨物各層之間以相同的方式碼放，上下完全相對，各層之間不會出現交錯的現象。這種碼垛作業方式簡單，作業速度快，貨物的四個角和邊垂直并重疊，承載能力大，能承受較大的荷重。缺點是層與層之間缺少咬合，穩定性差，容易發生塌垛，但是如果貨品底面積較大，就可以保證足夠的穩定性。

1.2? ? 縱橫交錯式

縱橫交錯式是指相鄰的兩層貨物之間擺放旋轉90°，一層呈橫向放置，另一層呈縱向放置，層間縱橫交錯堆碼。這種碼垛方式操作簡單，層與層之間有一定的咬合效果，但咬合強度不高，穩定性不夠高。

1.3? ? 正反交錯式

正反交錯式碼放貨物時，在同一層中，不同列貨物以90°垂直碼放，相鄰兩層貨物碼放形式旋轉180°。該碼垛方式不同層間咬合強度較高，相鄰層次之間不重逢，穩定性較高，但是操作較麻煩，速度較慢。

1.4? ? 旋轉交錯式

旋轉交錯式的第一層相鄰的兩個貨物之間都互為90°，兩層之間的堆碼相差180°，這種碼垛方式相鄰兩層之間咬合交叉，托盤貨品穩定性較高，不容易塌垛，但是碼垛難度大，中間形成空穴，降低了托盤承載能力。

綜合上述四種碼垛方式優缺點的分析，結合實際碼垛貨物的尺寸，本文編寫碼垛程序時采用重疊式碼垛方式，這種碼垛方式速度快，各層重疊后，貨物四個角重疊垂直，裝卸操作也比較省力[3]。

2? ? 基于KUKA工業機器人的貨物碼垛程序設計

以600 mm×450 mm×300 mm尺寸的貨物為對象進行碼垛，整體成4行5列3層，碼垛方式為重疊式。基于KUKA工業機器人設計碼垛程序，應用KRL語言的計算或操作機器人位置、數組位置存儲及for高級循環指令進行碼垛程序的設計。

2.1? ? 運動規劃和程序流程圖制定

2.1.1? ? 運動規劃

在編寫碼垛程序之前，首先對碼垛任務進行運動軌跡規劃，包括任務動作分解、動作規劃和路徑規劃[4]，如圖2所示。

首先把機器人的碼垛任務動作進行分解，分為抓取貨物、搬運貨物和碼垛貨物三個動作。接下來就是對分解的動作進行規劃，抓取貨物可以進一步分解為機器人的“回原點” “移動到貨物上方的安全點”“直線移動到抓取點” “氣爪夾緊貨物”，搬運貨物可以進一步分解為機器人“直線退回到貨物正上方安全點” “移動到碼垛區上方安全點”，碼垛貨物可以分解為機器人“直線移動到擺放點正上方安全點” “直線移動到擺放點” “氣爪松開貨物” “直線移動到擺放點正上方”。最后規劃路徑，規劃時要考慮到機器人姿態以及機器人與周圍設備的干涉，每個分解的動作可能會對多個點形成運動軌跡，比如機器人在回原點時，根據外圍設備的復雜程度，應設置避讓點來組成路徑。本文為了更好地說明程序的結構，避讓點都只取一個點，實際設計時應根據具體情況取避讓點個數。

2.1.2? ? 制定程序流程圖

碼垛貨物由傳送帶輸送，傳感器檢測貨物的位置，每個貨物能精準到位，把抓取貨物、搬運貨物規劃在子程序里面，擺放貨物規劃在主程序里面，程序流程圖如圖3所示。

2.2? ? 貨物碼垛程序的設計

2.2.1? ? 貨物碼垛子程序設計

貨物由傳送帶輸送，位置不發生變化，把抓取貨物、搬運貨物的路徑編寫在一個程序里面作為子程序調用，碼垛程序的編寫基于工業機器人的工具坐標系Tool[10]： pick和基坐標系（工件坐標系）Base[10]： block，基坐標系定義沿工作臺橫向為Y（右正、左負），縱向為X（前正、后負），上下為Z（向上為正、向下為負），子程序的編寫如表1所示。

2.2.2? ? 貨物碼垛主程序設計

示教第一個貨物位置，采用位置被應用，并被保存在一個位置變量數組wei[100，100]中，結合兩個for循環計算出所有貨物的位置，并存儲在數組里面，使用for進行點位調用碼垛貨物，該程序為主程序，如表2所示。

3? ? 結束語

本文以KUKA工業機器人貨物碼垛作業為研究對象，應用KUKA機器人的計算或操縱機器人位置、for循環指令、數組等功能進行程序優化，優化后程序不需要對每個貨物進行示教，只需要示教一個貨物的點位，其他貨物點位通過計算或操縱機器人位置結合for循環指令進行計算，計算后存儲在數組里面，碼垛時只需要通過for循環調用貨物的位置[5]。優化后的程序，對于不同貨物進行碼垛作業時，只需要修改程序中碼垛層數、行數、列數及貨物X、Y方向之間的距離就可以使用，程序通用性強、簡潔、易于閱讀、維護簡便，減少了示教編程占用的機器人生產時間，達到提高生產效率的目的，可供企業編程人員借鑒使用。

[參考文獻]

[1] 左宗鑫.十七部門聯合發布《“機器人+”應用行動實施方案》[EB/OL].（2023-01-31）[2023-03-01].https：//bai

jiahao.baidu.com/s？id=1756493244324316530&wfr=

spider&for=pc.

[2] 吳應樺.ABB工業機器人碼垛教學編程案例分析[J].內燃機與配件，2017（21）：147-148.

[3] 李培根.工業機器人操作與編程[M].北京：電子工業出版社，2016.

[4] 許怡赦，鄧三鵬.KUKA工業機器人編程與操作[M].北京：機械工業出版社，2019.

[5] 林祥.KUKA工業機器人編程高級教程[M].北京：機械工業出版社，2020.

收稿日期：2023-03-15

作者簡介：楊曉華（1981—），女，四川眉山人，講師，主要從事職業技術教育、機電一體化技術等方面的研究工作。