自動化集裝箱鈕鎖智能系統設計及仿真研究

吳叢銘，溫富榮，趙令民

（廣西欽州保稅區盛港碼頭有限公司，廣西 欽州 535000）

0 引言

隨著港口吞吐量的日益增長及運輸行業的蓬勃發展，港口作業的自動化成為一種必然趨勢[1]。在港口作業過程中，傳統的人工裝卸扭鎖的方式大大降低了港口作業效率，實現扭鎖的智能與自動化裝卸是港口技術發展的大勢所趨。然而，目前集裝箱扭鎖的種類繁多，國內和國際上都沒有統一標準，因此實現自動裝卸扭鎖系統的難度很大。此外，由于港口工作環境十分惡劣，機器人壽命大大縮短，系統需配備6 臺機器人，制造和維護成本極高，安裝過程繁瑣，難以推廣使用。因此，研發出成本低廉、能夠適應港口惡劣環境、適用于各地港口以及各種型號扭鎖的自動裝卸系統意義重大。本文主要研究并設計一種通過布置5 條直線滑軌、8 個裝卸小車和1 臺機器人來實現自動裝卸港口集裝箱扭鎖的智能化系統（以下簡稱自動化裝卸系統）。

1 集裝箱扭鎖及其裝卸技術

扭鎖是連接甲板與集裝箱或集裝箱之間的重要部件，有連接緊固箱體及防止歪斜傾覆的作用。SEC公司推出的TL-FA 全自動扭鎖，一體化設計節省了維修費用且不需要人工參與裝卸[2]。麥基嘉公司的C8A型全自動扭鎖能夠縮短碼頭作業時間，降低裝卸作業碼頭工人的安全威脅[3]。丁建軍等[4]提出的集裝箱轉鎖裝卸機械手控制系統，規劃了扭鎖的裝卸動作順序和裝卸自動化的方案。馬爽等[5]提出了基于Kinect 改進的增量PCA 扭鎖在線識別方法，通過機器學習算法對扭鎖進行實時識別。楊榮等[6]提出了一種新型扭鎖拆裝工藝，該工藝采用與岸橋隨動的輔助扭鎖拆裝作業平臺，應用隨動扭鎖拆裝作業完成自動化扭鎖拆裝作業。

2 自動化裝卸港口集裝箱扭鎖智能系統

2.1 仿真模型

本自動化裝卸系統如圖1 所示。

圖1 自動化裝卸系統靜態仿真模型

各部分裝置模型具體描述如下：

如圖2 裝卸小車：包括起升推桿1、定位平臺2、開鎖夾具3、開鎖推桿4、集裝箱角件5、驅動系統6以及軌道滑塊7。起升推桿安裝在直線滑臺上，在定位平臺頂部朝上安裝兩部傳感器，傳感器通過上方是否有集裝箱角件遮擋返回x與y軸的定位情況。驅動系統帶動裝卸小車在x軸的定位，實現定位平臺在y軸的定位。定位平臺水平安裝在起升推桿頂部，通過傳感器感應到定位平臺與角件底部距離后，控制起升推桿的升降實現定位平臺在z軸的定位（為便于說明，取裝卸小車使用的直線滑臺運動方向為x軸，同一水平面上與x垂直的方向為y軸，取空間中與x、y都垂直的方向為z軸）。

直線滑臺：包括直線導軌、擋塊和齒條。齒條安裝在一條導軌內側，裝卸小車通過底部驅動系統帶動齒輪齒條傳動，在直線導軌上滑動。

轉運裝置：包括y軸直線滑臺、沿x軸的取物模、沿z軸的取物模組以及電磁夾爪。轉運裝置在直線滑臺滑動，通過傳感器距離反饋，控制電磁夾爪在y軸定位，取物模組通過滑塊上傳感器距離反饋，實現在x軸上對電磁夾爪的定位，取物模組通過滑塊上傳感器距離反饋，實現電磁夾爪在z軸的定位。三軸定位完成后，電磁夾爪上的電磁鐵塊緊緊吸住鎖頭，保證扭鎖的轉運。

輸送裝置：包括導軌、鏈板、驅動系統、鏈條以及扭鎖盒。驅動系統帶動鏈條傳動，鏈條帶動鏈板在導軌上滑動，實現扭鎖的中遠距離運輸。

集裝箱放置架：還包括支撐框架和集裝箱定位導板。

搬運機器人：包括六軸機器人和取鎖夾具。通過控制機器人六軸運動實現取鎖夾具的定位，安裝于遮蔽棚中，隔離外部不利環境因素，保障在搬運鎖時機械視覺的識別速度與精度。

扭鎖筐：內部分層安裝有固定的盛鎖結構，用于扭鎖的放置定位。

機械視覺定位系統：包括照明白熾燈1、工業鏡頭2、工業相機3、PCI 圖像采集卡4 以及計算機5。扭鎖頭部涂刷有醒目的亮色油漆，保證相機能正常采集到圖像。PCI 圖像采集卡負責將圖像傳送到計算機的存儲器中進行處理。如圖3 所示。

圖3 機械視覺定位系統結構設計

2.2 實施方法

2.2.1 自動化裝卸系統安裝過程

集裝箱放置架于輸送裝置一側并布置兩架，直線滑臺對稱布置于集裝箱放置架兩側并按集裝箱放置的工位布置四條。裝卸小車安裝于直線滑臺上，單條直線滑臺上安裝兩個裝卸小車，用于裝卸集裝箱一側的兩個扭鎖。轉運裝置安置于直線滑臺和輸送裝置之間，與輸送裝置平行布置一臺。搬運機器人安裝于輸送裝置的另一端的一側，布置一臺。扭鎖筐安裝在輸送裝置的一端外，且搬運機器人與輸送裝置位于扭鎖筐同一側。

2.2.2 自動化裝卸系統卸鎖過程

自動化裝卸系統卸鎖過程大致可以分為四步：

（1）裝卸小車取出扭鎖至轉運裝置：集裝箱經放置架導板的引導落位在放置架上方，裝卸小車通過傳感器定位至扭鎖下方位置后，電機驅動定位平臺，使得開鎖夾具與集裝箱角件完成水平面定位，起升推桿將定位平臺升至解鎖位置，開鎖夾具定位完成之后，扭鎖頭已處于開鎖夾具內部正中心位置，開鎖推桿推動連桿帶動開鎖夾具進行圓周轉動，開鎖完成，起升推桿下降，將扭鎖從角件中取下，裝卸小車隨即快速移動至轉運裝置下。

（2）轉運裝置運送扭鎖至輸送裝置：轉運裝置完成三軸定位后，電磁夾爪上的電磁鐵塊緊緊吸住鎖頭，再通過三軸驅動，電磁夾爪夾爪將扭鎖從裝卸小車中取出，并放置于輸送裝置上的扭鎖盒中。

（3）輸送裝置輸送扭鎖至搬運機器人：卸鎖作業完成后，輸送裝置通過驅動系統帶動鏈條以及鏈板在導軌上滑動，將扭鎖運輸至搬運機器人的取物工位。

（4）搬運機器人運送扭鎖至扭鎖筐：搬運機器人經過預設路徑將取鎖夾具運動至扭鎖頭附近，機械視覺識別鎖頭并將其轉換成圖像信號傳送給圖像處理系統，圖像處理系統將像素分布和亮度、顏色等信息轉變成數字化信號，再對這些信號進行各種運算處理得到鎖頭的面積、位置特征，再根據預設的允許度輸出結果，包括個數、位置等，實現自動識別功能。識別完成之后通過基于A*的機器人路徑規劃算法，完成扭鎖的精確定位。定位完成之后搬運機器人取下扭鎖，將其搬運至扭鎖筐后，再次通過機械視覺找到扭鎖筐中空余的盛鎖結構，將鎖放入其中。

裝鎖過程與卸鎖過程相反。

2.3 基于A*算法的機器人路徑規劃

2.3.1 算法概述

A*算法是一種啟發式搜索算法，通過不斷搜索逼近目的地的路徑來獲得最終的規劃路徑。路徑搜索時用代價函數評估節點的優劣，根據計算所得代價值選擇要擴展到的節點，通常擴展到有可能到達目標節點并且代價函數最小的節點，然后再從該節點出發進行搜索，直至到達目標點[7，8]。

2.3.2 算法路徑規劃仿真試驗內容及結果

針對自動化集裝箱鈕鎖智能系統設計一個A*算法來實現3.2.2 節第四步中扭鎖的精確定位，主要流程如下：

（1）柵格化工作環境：將工作環境建模成一個柵格地圖（用于A*算法的路徑規劃），其中包括扭鎖的位置以及任何障礙物或限制。

（2）定義單個柵格搜索節點：從搜索節點角度出發，每個父節點向下搜索上下左右4 個方向，較于傳統搜索可以提高效率，如圖4 所示。

圖4 單個柵格搜索節點

（3）定義起始狀態和目標狀態：起始狀態為搬運機器人的當前位置，目標狀態為搬運機器人的目標位置，即要取的扭鎖的位置。

（4）定義A*算法：傳統A*算法在格柵地圖中進行搜索規劃出最優路徑時采用的代價函數f（n）如式（1）所示：

式中，n為A*算法搜索樹中進行搜索的當前節點，對應搬運機器人所在的位置，g（n）為在搜索樹上從起點到搜索節點的路徑長度，h（n）是啟發函數，為在搜索樹上當前位置與目標位置之間的預期路徑距離，此處選擇歐幾里得距離，如式（2）所示：

式中，（xn，yn）為當前節點，（xT，yT）為目標節點。

（5）開始試驗：編寫A*算法程序，仿真自動化集裝箱鈕鎖智能系統對扭鎖的精確定位，實驗示意圖如圖5 所示。

圖5 仿真實驗示意

圖5 中黑色柵格代表障礙物的位置，圓點表示搬運機器人的起點，三角表示搬運機器人最終需要到達的位置，即扭鎖的位置。在該工作環境下，如果隨機進行搜索至少需要跨越38 個格柵，而使用A*算法則只需要跨越26 個柵格，效率提高了31.58%。

綜合上述實驗結論，在給定的工作環境中，A*算法在規劃搬運機器人取扭鎖的路徑時，相較于隨機搜索，能夠更有效地找到路徑，減少了所需跨越的柵格數，表明A*算法在路徑規劃問題上表現出更好的性能，尤其在包含復雜工作環境和障礙物的情況下，可以更快速地實現扭鎖的精確定位。

2.4 自動化裝卸系統的優點

根據系統的工作原理，組合裝置后經實驗分析得出此系統具有如下優點：

（1）通用性強：裝卸小車使用標準件的集裝箱角件進行傳感器定位，且機器人采用機械視覺進行夾具定位與扭鎖搬運，適用于所有型號的扭鎖。

（2）制造和維護成本低：此系統實現了扭鎖的自動裝卸，結構簡單，避免了使用對環境要求很高的機器人。

（3）安裝方便：采用整體式設計，全套系統可在組裝后整體起吊至起重機平臺上。

（4）工作可靠：經過測試，該系統能夠實現集裝器的自動裝載和自動卸載功能，可以在2 min 內完成裝載或卸載。

3 結語

自動化集裝箱鈕鎖智能系統能夠滿足自動裝卸要求，能夠可靠地實現對各個組件間的通信，減少了集裝箱裝卸對人員的需求，提高了港口的作業效率。