工业机器人在物流拣选场景的应用
刘 爽
(浙江菜鸟供应链管理有限公司，浙江 杭州 310000)
摘 要 ：针对物流场景中拣选作业环节的无人化问题进行了研究，提出了一种基于工业机器人的自动化拣选系统解决方案。该系统采用了分布式的硬件架构，硬件单元模块化，扩展性好、易维护。软件实现上，提出了一种通用的控制软件体系，采用软PLC结合Modbus TCP总线协议的方案，实现了传统的硬PLC加专用工业现场总线方案的替代。
关键词 ：物流拣选；工业机器人；软PLC；Modbus TCP
0 引言
物流行业是一个劳动密集型的行业，目前中国的物流行业自动化程度非常低。一方面是因为物流场景作业流程的多样化，导致自动化难度非常大；另一方面是因为物流场景对自动化的成本非常敏感，导致自动化实际落地过程缓慢。随着人口红利的消失，人力成本进入一个快速上升期。从长期来看，以自动化设备代替人力来完成各项物流作业是必然趋势[1]。据统计，2018年社会物流总费用已经超过13万亿元。物流行业庞大的市场规模，吸引着各行各业投入其中，在物流市场中寻求发展的新机遇。机器人技术很很早就被应用于物流行业，但是早期发展缓慢，近年来随着资本注入，机器人技术在物流行业蓬勃发展，并在物流作业过程中发挥着越来越重要的作用[2]。机器人技术在物流行业的应用，国外以亚马逊的投入最为持久，其应用规模也最为庞大[3-4]。
国内物流机器人应用起步较晚，行业中推动其发展的主要是菜鸟和京东2家公司。2017年，菜鸟投资AGV公司快仓，之后快速在其仓库中部署AGV，目前已有相当大的实际应用规模[5]。2017年后，京东和菜鸟相继发布无人机送货概念，但目前还未有成熟落地方案。同时期，菜鸟和京东对工业机器人在物流场景下的应用投入研究。目前，2家都有拆码垛的实际落地场景，并开始规模化应用。
三是政府财力有限，缺乏专项资金。受制于地方政府财力的限制，秸秆禁烧补贴等专项资金缺乏。以沅江市南嘴镇为例，对秸秆回收按照100元/t的标准补贴，1年至少要安排10万元专项财政资金。当前脱贫攻坚、民生社保等支出增长幅度较大，乡镇财政收入有限，如果上级财政没有配套资金，要乡镇财力来保障，显然是力不从心。
从当前国内外研究情况来看，仓储AGV、拆垛机器人、码垛机器人等在物流场景中应用较为成熟了，已经进入规模化应用阶段。但在拣选作业这一块，由于其场景复杂性，机器人实际落地问题很多，目前已知的尚没有一套成熟的解决方案。
高校档案馆创新服务应在档案利用这个环节找到突破口。随着信息技术和人工智能研究水平的不断提高，档案知识服务也应运而生。高校档案馆具有丰富的馆藏档案资源，将这些资源进行加工处理，将档案信息资源数字化，方便查询服务，拓展档案知识服务方式，构建档案知识服务平台，通过师生访问服务平台，向档案馆提出服务需求，档案馆根据师生的需求为其提供相关的档案信息或者向师生主动推荐相关知识。高校档案馆也可以通过这种反馈和师生的参与度来分析师生关注的问题，有针对性收集档案资源，更好地为教学科研服务。
1 系统工作原理
系统与输送线以及自动化立库配合完成小件拣选的全过程无人化，系统构成如图1所示。
图1 系统构成三维模型
图1中料箱的上游为自动化立库，当WMS(仓库管理系统)生成拣选任务单之后，立库通过自身的调度系统，把装有待拣选物品的料箱调度出库。输送线衔接立库与机器人工作站，从立库出来的料箱，经过输送线的输送，最终达到机器人工作站的拣选位置。经过传感器检测，料箱能够准确的停在拣选位置。之后WMS将拣选任务通过报文的形式发送给RCS(机器人控制系统)，RCS在收到任务报文之后，开始进行拣选作业。
拣选作业流程，首先通过RCS触发2D以及3D相机拍照，之后通过视觉算法实现料箱内物品的分割识别，并计算出抓取点的位置姿态，回传给RCS。RCS对视觉回传的抓取点信息进行处理，之后按指定的命令格式把抓取任务相关信息发送给机器人，并控制机器人去抓取物品。机器人本体抓取物品，并按任务中订单信息把物品放到订单箱指定的格子中。
由于料箱内物品是随意摆放的，因此存在物品直立、堆叠、贴住料箱边缘等情况，导致机器人无法进行抓取。为解决这一问题，设计了振动发生台。图1中，振动发生台在料箱拣选位的正下方。振动发生台由正压气源驱动，以振动棒、气缸作为执行元件，实现料箱的上下及左右方向的振动，能够改变料箱内物品的摆放位姿，解决上述机器人无法抓取的问题。
机器人的末端执行工具为吸盘，而吸盘的吸取面的面积大小决定了其能够产生的吸力。吸盘过小，产生的吸力比较小，无法抓取重量较大的物品。而如果吸盘过大，对抓取面很小的物品，吸盘接触到抓取面的时候，无法形成闭合的抓取面，会存在漏气情况而无法形成真空，同样会导致抓取失败。而实际场景下，不同物品的尺寸以及重量相差较大。为解决这一问题，给机器人工作站设置了不同数量以及不同尺寸吸盘的执行工具，通过快速切换装置，实现机器人快速灵活的执行工具切换。料箱内物品的尺寸信息通过数据库保存在服务器中，经由RCS访问数据库，获取物品的尺寸数据。RCS通过物品的尺寸信息选择合适的末端执行工具，当RCS对比当前执行工具与最适合的执行工具发现不一致时，即控制机器人去换取合适的末端执行工具。系统的简要工作流程如图2所示。
图2 系统工作流程
2 控制系统硬件结构
机器人拣选工作站的控制系统硬件部分采用了分布式结构，使得每个工作站之间不耦合，系统的可靠性高，易于扩展。单个工作站硬件结构示意如图3所示。
图3 硬件结构
图3中，工作站以控制柜为中心，内部集成RCS主机、电源模块、IO模块等，外部延伸出传感器、视觉系统、机器人本体等部分。
图4 软件架构
安全模块使用了Pilz的安全继电器，相比于传统工业继电器，可靠性更高。外部设置有多个急停开关，可在系统异常时拍下，及时停止工作站。设置安全门，安全门上带有安全锁，一旦安全门被打开即暂停工作站，防止人员进入造成危险。
工业园原本是县里的，要补也要上面补，不关村里的事。能给你是看得你一牛大。趁早拿了钱走人，不然什么都捞不到。
电源模块集中了所有设备的供电，包括交流电，以及直流电供电。电源模块外接仓库供电房，内部带有稳压器件，可防止外部电压不稳对设备造成伤害。通过一个大功率开关，可实现工作站一键上电和一键断电。
HTTP中文译“超文本传输协议”，位于OSI模型的应用层，是互联网上应用最广泛的一种网络协议[6]。HTTP的通信过程由一个请求过程和一个响应过程组成，是典型的客户端/服务器模型(B/S结构)，永远是由客户端(client)发起请求，服务端(server)给与响应。server与client之间不需要建立持久的连接，仅当client发起请求，连接建立，server返回响应之后，连接即关闭。HTTP具有简单快速，使用灵活的优点，非常适合于本地与远端之间的即时通讯。
LCS服务器使用一台工控机，与所有工作站组网，作为衔接WMS以及RCS的中枢。视觉系统有单独的工控机，负责视觉模块的处理运算。机器人本体有单独的控制柜，实现其运动控制。分立的架构使得单个模块运算负载小，性能要求更低，提高了可靠性。
IO模块，视觉系统，机器人本体，读码器等，通过Ethernet与RCS工控机组网。多个工作站的RCS工控机与LCS(本地控制系统)服务器组网。工作站与工作站之间分布式的结构，以及工作站内部分布式的结构，使得系统可靠性大为提高，工作站的扩展，以及工作站内部模块的扩展变得非常简单，能够适应不同场景需求。
基于需求的酒店管理系统的实现，必须结合实际进行相应方案分析设计工作，这个过程中先根据酒店自身规模、特色、市场定位等对其系统需求做全方位划分，可采用例视图法对酒店做初步需求展示分析，发掘酒店自身需求特性，按照关系分解法、合成法、整合酒店管理系统需求以此使整个方案完善特性得到有效体现。
3 控制系统软件结构
控制系统软件总体架构图如图4所示。软件部分的基础协议基于TCP/IP协议簇，应用层主要是HTTP服务以及Modbus/TCP服务。软件内部采用了软PLC方法，实现了外设的逻辑控制以及状态监控等功能。
相比于传统的专用工业总线及协议，Modbus/TCP协议具有以下优点：
3.1HTTP 协议
外部传感器统一接到IO模块上，IO模块为可堆叠式扩展结构，方便IO节点不够时进行扩展。模块支持Modbus/TCP协议，方便组网。
10月26日至30日，为期5天的2018海峡两岸民间艺术节在厦门举行。本届艺术节秉承“跨界与创新”的主题，邀请两岸艺术表演团队及专家学者等约490人参与活动，其中台湾团队人员约130人。艺术节期间，23场（项）活动在厦举行，包括跨界戏剧展演、传统工艺DIY、艺术进校园、社区剧场工作坊、学术沙龙等五大板块。
空的罐头瓶也能派上多种用途，倒满井水可以装进蝌蚪、小鱼、泥鳅来欣赏；装两个公蟋蟀，观看它们捉对厮杀；内装小蜡烛，提着可以当灯笼玩。
c .支持的设备多，设备替换简单，因而系统的通用性更好。
LCS收到WMS报文，通过解析报文，并访问数据库查询物品信息，之后重新打包报文，把物品信息字段添加进去。之后LCS作为HTTP client，RCS作为HTTP server，LCS向RCS发起POST请求，直到收到RCS的正确响应报文。这样就完成了一个完整的报文下行链路。
报文上行(RCS->WMS)过程则与下行过程相反。工作站完成任务之后，任务完成情况的数据打包为报文。首先由RCS作为HTTP client向LCS充当的HTTP server发起POST请求，之后LCS作为HTTP client向WMS充当的HTTP server发起POST请求。未收到响应或响应报文格式不正确则进入重发机制，这样形成了报文上行链路。
3.2Modbus /TCP 协议
Modbus/TCP协议为基于以太网TCP/IP的Modbus协议，Modbus协议由MODICON公司于1979年开发，是一种工业现场总线协议标准。Modbus/TCP协议也是一种应用层报文传输协议，采用master/slave方式通信，为一主多从式的结构。Modbus/TCP协议目前是中国工业网络标准协议之一，协议可免费获得，实施成本低廉。另外，Modbus/TCP数据帧封装简单，紧凑，数据密度高，因而数据传输速度较快[7]。
我们提出交流和对话的民俗志，实际上是将它看作一种生产方式，即生产学术知识的方式。我们到田野现场去做访谈，然后和被访谈人一起进行知识交流和汇集，以及进行讨论，最后由我们负责完成地方民俗志或某事象民俗志的书写，这个过程就是一种生产过程，即依靠民众和学者来共同生产民俗学成果的过程。生产理论是马克思主义政治经济学的经典理论，后来一些西方马克思主义学者大力发扬了这个理论，并将之扩展到其他人文社会科学研究领域，比如列斐伏尔就强调文化空间的生产性，他认为一切文化现象都是被生产的过程，而且是再生产的过程。[注][法]亨利·列斐伏尔：《空间与政治》，李春译，上海人民出版社，2015年。
a .实施难度小，成本低。
任务报文从WMS到RCS之间通过LCS路由。报文下行(WMS->RCS)的时候，WMS作为HTTP client，LCS服务器作为HTTP server。WMS向LCS服务器发起POST请求，直到收到LCS服务器的回复响应。LCS服务器收到WMS的报文，对报文字段进行解析，并访问数据库查询对应物品信息，如果无误，LCS服务器回复确认响应；如果出现错误，LCS回复错误代码。WMS收到LCS回复报文，根据回复报文内容，确定本次POST请求是否成功，如果不成功，则重新发起请求直到收到正确响应报文。
b .协议开源，可二次开发；无需驱动，因而可以适用于各种操作系统，不受限制。
静玄一声长笑，说道：“邪魔外道，人人得而诛之，有什么残忍不残忍的？”张无忌道：“这些人个个轻生重义，慷慨求死，实是铁铮铮的英雄好汉，怎能说是邪魔外道？”静玄道：“他们魔教徒众难道还不是邪魔外道？那个青翼蝠王吸血杀人，害死我师妹师弟，乃是你亲眼目睹，这不是妖邪，什么才是妖邪？”
系统采用的IO模块支持Modbus/TCP，主流机器人本体同样支持Modbus/TCP协议。在RCS中移植Modbus/TCP协议，作为Master(主站)，把IO模块以及机器人本体都当作Modbus/TCP Slave(从站)，即实现Modbus/TCP组网。RCS基于此结构，能够监测并控制所有IO模块以及机器人本体的IO节点。Modbus/TCP总线节点分布模型如图5所示。
图5 Modbus/TCP节点分布
3.3 软件PLC 方案
PLC的实现分为硬PLC和软PLC。硬PLC即传统意义上的PLC，它是由硬件或者一块专用的ASIC芯片来实现PLC指令的执行。而软PLC则是一些通用的CPU或者MCU来实现PLC指令的解释或者编译执行。传统的硬PLC开放性差、通用性差，难以形成开放式的硬件体系结构[8]。相比于硬PLC，软PLC具有开放的体系结构，用户不受限于具体的厂家限制，可以根据需求，自行选择硬件来开发。具有成本低，使用灵活等优点。软PLC技术的限制在于设备的可靠性，以及实时性。
由于物流场景成本敏感，硬PLC成本过高，替换硬PLC是有效的降本手段。系统采用了软PLC技术方案，使用分布式软硬件体系降低单机负荷，提高软PLC可靠性、实时性。通过高级开发语言进行开发，实现了对设备的实时监控、实时掉线重连、时序监控、输出控制等，软PLC的内核结构如图6所示。在此基础上，通过高级语言良好的界面开发性能，设计并实现了高度人性化的交互界面。
图6 软PLC内核
4 实验结果
系统在实际场景下实现了应用，其作业的实际场景如图7所示。
图7 工作站实际作业
该系统的实际应用，证明了提出的方案的可行性。相比于传统的工业机器人系统采用的专用工业总线及协议+硬PLC的方案，本文提供了一种新的系统实施方案，相比于传统方案，具有许多优势。具体比较如表1所示。
表1 传统系统与本文系统特点比较
机器人运行的场景下，人工拣选的最大人效为每人450～500件/h。为了测试机器人系统的拣选效率，对机器人拣选工作站的拣选件数随运行时间的变化做了统计。由于实际测试时，立库无法持续不断的输出料箱，因此机器人并非连续不断的工作。以5 min作为统计时间粒度，统计5 min时间段机器人拣选的件数，换算成小时拣选件数，从其中找到最大值，该值能够反应机器人的最大效率。
根据实际运行数据进行统计计算，机器人效率峰值实际能够达到708件/h。根据该数据计算可得出工业机器人拣选工作站，单台工作站的效能为单个人工效能的1.42～1.57倍。
5 结束语
实际应用说明，提出的系统能够实现物流拣选作业场景的无人化。而基于提出的系统方案，使得系统实际实施的成本相比于传统方案大为下降，并且实施难度更低，可扩展及可维护性更高。以工作站效率数据的计算来看，该系统的应用能够节省成本，产生实际的业务价值，值得去推广。
根据试验安排和结果，建立RS3质量分数的回归模型，并对模型方差分析。结果分析表明，此模型的决定系数R2为0.767 6，响应面回归模型达到高度显著性水平(p=0.039 0)(如表2所示)。回归方程模型失拟p=0.057 3>0.05，不显著，说明该二次模型能够拟合真实的试验结果(如表3所示)。则
参考文献 ：
[1] 江宏.物流无人化发展状况与趋势展望[J].物流技术与应用,2019,24(2):90-93.
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Application of Industrial Robots in Logistics Picking Scenarios
LIU Shuang
(Zhejiang Cainiao Supply Chain Management Co., Ltd., Hangzhou 310000, China)
Abstract ：Aiming at the problem of unmanned picking operation in logistics scene, a solution of automatic picking system based on industrial robot was proposed. The system adopts distributed hardware architecture, modularized hardware unit, it has good expansibility and is easy to maintain. In software implementation, a general control software system was proposed, which uses soft PLC and Modbus TCP bus protocol to replace the traditional hard PLC plus special industrial field bus.
Key words : logistics picking；industrial robots；soft PLC；Modbus TCP
收稿日期 ：2019-07-01
作者简介 ：刘 爽 (1992-)，男，汉族，湖北孝感人，硕士研究生，研究方向为机器人控制技术。
中图分类号 ：TP242
文献标识码： A
文章编号： 1001-2257(2019)11-0071-05
标签：物流拣选论文; 工业机器人论文; 软PLC论文; Modbus论文; tcp论文; 浙江菜鸟供应链管理有限公司论文;