陳 偉 孫奇涵 祁宇明 鄧三鵬 王文 李丁丁

（1天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機器人及智能裝備研究院，天津，300222；2天津博諾智創(chuàng)機器人技術(shù)有限公司，天津，300352；3天津市智能機器人技術(shù)及應(yīng)用企業(yè)重點實驗室，天津，300352）

0 引言

隨著國內(nèi)適齡勞動力人口數(shù)量減少和人力成本的增加，以及小批量、定制化的柔性生產(chǎn)模式逐漸成為先進(jìn)制造企業(yè)普遍采用的生產(chǎn)模式，人機協(xié)作應(yīng)用正在呈上升趨勢[1]。協(xié)作機器人以其安全、穩(wěn)定、易操作、可實現(xiàn)“人機協(xié)作”的生產(chǎn)特性[2]，被廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域，如醫(yī)療[3]、服務(wù)行業(yè)[4]、汽車裝配[5]、智能AGV[6]等。文獻(xiàn)[7]提出了一種人機協(xié)作的手術(shù)方法，將協(xié)作機器人應(yīng)用于臨床手術(shù)，可使手術(shù)更精確、更高效。文獻(xiàn)[1]利用協(xié)作機器人進(jìn)行汽車天線罩涂膠，能有效解決人工涂膠膠形不準(zhǔn)、膠水溢出等問題。文獻(xiàn)[8]中將協(xié)作機器人與AGV結(jié)合組成復(fù)合機器人，該機器人能夠在狹小的空間內(nèi)實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，同時協(xié)作機器人機械臂可用于搬物品。

新冠疫情催生無接觸需求，在抗疫過程中，無人超市、無人配送機、無人柜等無人技術(shù)的應(yīng)用發(fā)揮了重要作用，無人、無接觸、機器人餐廳[9]等消費方式逐漸受到大眾歡迎。文獻(xiàn)[10]中將協(xié)作機器人制成雙臂漢堡機器人、雙臂煲仔飯機器人、雙臂煎炸機器人等，代替人工完成餐飲制備。文獻(xiàn)[11]利用協(xié)作機器人制作冰激凌，機械臂控制前端仿形柔觸手指包裹花筒，手臂利用阿基米德螺線全面還原人工動作，讓冰激凌呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)曲線，實現(xiàn)協(xié)作機器人打制冰激凌。協(xié)作機器人正逐漸替代人工完成復(fù)雜工作。

針對當(dāng)前傳統(tǒng)早餐制作、售賣需要值守服務(wù)人員，人力成本高且容易產(chǎn)生污染等問題，本文設(shè)計了智能協(xié)作機器人制餐服務(wù)系統(tǒng)，將協(xié)作機器人應(yīng)用到營養(yǎng)早餐配制過程中，以TIA Portal V16（博途）、點餐應(yīng)用軟件、MVP智能算法平臺作為上位機對系統(tǒng)進(jìn)行編程，采用SIMATIC S7-1200作為主控制器、協(xié)作機器人作為執(zhí)行機構(gòu)、機器視覺系統(tǒng)作為識別定位檢測裝置，通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)將軟硬件結(jié)合起來，實現(xiàn)軟件在線下單，協(xié)作機器人全自動完成早餐制備。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

智能協(xié)作機器人制餐服務(wù)系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由協(xié)作機器人、機器視覺系統(tǒng)、SIMATIC S7-1200PLC、五谷豆?jié){制備系統(tǒng)、包子制備系統(tǒng)、蒸蛋制備系統(tǒng)、牛奶咸菜制備系統(tǒng)和編程工作站等組成。

圖1 智能協(xié)作機器人制餐服務(wù)系統(tǒng)

客戶可通過點餐應(yīng)用軟件進(jìn)行點餐，協(xié)作機器人收到訂單后，按照訂單進(jìn)行營養(yǎng)早餐制備，包括五谷豆?jié){、雞蛋、牛奶、包子、咸菜等早餐食物的制備。

在整個系統(tǒng)中，協(xié)作機器人位于系統(tǒng)中心，主要負(fù)責(zé)將早餐食物搬運至指定出餐臺中、點觸五谷豆料存儲盒按鈕配備五谷豆?jié){豆料、以及點觸開啟破壁機制作五谷豆?jié){；機器視覺系統(tǒng)的工業(yè)相機安裝在協(xié)作機器人五軸軸壁上，可跟隨協(xié)作機器人運動到指定位置點進(jìn)行拍照，拍攝照片將由相機配套視覺軟件MVP智能算法平臺進(jìn)行處理，識別位置信息將發(fā)送給協(xié)作機器人，從而完成對雞蛋、牛奶、咸菜的識別與定位工作；PLC主要與點餐應(yīng)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并將訂單數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)作機器人進(jìn)行制餐；PLC主控系統(tǒng)還控制取料直線滑臺精確定位到五谷豆料存儲盒正下方，控制包子、雞蛋蒸鍋自動補水、自動控溫，控制狀態(tài)燈顏色變化等。

1.2 制餐工藝流程設(shè)計

智能協(xié)作機器人制餐服務(wù)系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。系統(tǒng)上電完畢后，PLC程序會自動運行，檢查雞蛋、包子蒸鍋液位是否正常；當(dāng)液位低于閾值時，補水水泵會自動開啟補水，直到液位正常；液位正常時，蒸鍋會自啟動加熱。

圖2 智能協(xié)作機器人制餐服務(wù)系統(tǒng)工藝流程圖

當(dāng)點餐應(yīng)用軟件接到下單后，軟件按照Case 1豆?jié){、Case 2包子、Case 3雞蛋、Case 4牛奶、Case 5咸菜的順序進(jìn)行訂單隊列排序。隊列訂單會逐一通過PLC發(fā)送給協(xié)作機器人，協(xié)作機器人則按照相應(yīng)程序完成早餐配置。當(dāng)協(xié)作機器人完成一個訂單后，系統(tǒng)記錄相應(yīng)訂單數(shù)據(jù)位置位，表明協(xié)作機器人已經(jīng)完成當(dāng)前訂單。當(dāng)前訂單完成后，協(xié)作機器人程序循環(huán)運行，進(jìn)行下一訂單。

1.3 系統(tǒng)通信設(shè)計

智能協(xié)作機器人制餐服務(wù)系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示。通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相互通信，協(xié)作機器人與PLC通信采用Modbus TCP/IP[12]通信協(xié)議；利用PLC的數(shù)字量I/O控制補水水泵、液位傳感器、電動排水閥的狀態(tài)，利用PLC的模擬量I/O采集和處理溫度傳感器、稱重傳感器的模擬量變化值；取料直線滑臺則采用PLC的PTO脈沖串進(jìn)行控制；協(xié)作機器人外部I/O則主要控制相機光源的亮滅，同時控制電磁氣閥的通斷實現(xiàn)夾爪開合、吸盤的吸附與釋放等。

圖3 智能協(xié)作機器人制餐服務(wù)系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

點餐應(yīng)用軟件與PLC、PLC與協(xié)作機器人數(shù)據(jù)處理框圖如圖4所示。系統(tǒng)接到點餐應(yīng)用軟件下單后，下單數(shù)據(jù)會通過HTTP協(xié)議傳至接口服務(wù)器，同時下單數(shù)據(jù)也會被保存在MySQL數(shù)據(jù)庫中；根據(jù)下單數(shù)據(jù)，SIMATIC S7-1200PLC中的數(shù)據(jù)塊相應(yīng)的數(shù)據(jù)位也會改變，進(jìn)而改變協(xié)作機器人內(nèi)部I/O，從而實現(xiàn)點餐應(yīng)用軟件控制協(xié)作機器人完成早餐配置。

圖4 點餐應(yīng)用軟件與PLC、PLC與協(xié)作機器人數(shù)據(jù)處理框圖

2.1 點餐應(yīng)用軟件與PLC的數(shù)據(jù)交互

點餐應(yīng)用軟件基于C/S架構(gòu)，用C#語言編寫WinForm窗體應(yīng)用軟件，使用接口（API）服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)存儲在MySQL數(shù)據(jù)庫中，接口服務(wù)器使用Tomcat服務(wù)器。

點餐應(yīng)用軟件與PLC建立Socket通道、以Modbus TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信，PLC采用“MB_SERVER”通信指令，連接ID為1，通信端口號為502，點餐應(yīng)用軟件作為客戶端，PLC作 為Modbus TCP服務(wù)器。系統(tǒng)在接收處理點餐應(yīng)用軟件的下單數(shù)據(jù)時，以5類早餐食物為例，點餐應(yīng)用軟件輸出到PLC的數(shù)據(jù)被保存在Out APP [DB23]數(shù)據(jù)塊中，如表1所示。

表1 點餐應(yīng)用軟件與PLC通信表

客戶通過PC端點餐應(yīng)用軟件下單后，軟件將下單數(shù)據(jù)以HTTP協(xié)議推送到接口服務(wù)器（Tomcat），接口服務(wù)器查詢數(shù)據(jù)庫中的訂單，如果顯示“訂單運行中”，則直接添加數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫中，若顯示“訂單完成”則通過Socket通信，以Modbus TCP/IP協(xié)議通過報文請求發(fā)送數(shù)據(jù)給PLC，再改變PLC中Out APP[DB23]數(shù)據(jù)塊的對應(yīng)地址數(shù)值（每個地址對應(yīng)一種早餐類型），從而實現(xiàn)點餐應(yīng)用軟件與PLC通信。

2.2 PLC與協(xié)作機器人的數(shù)據(jù)交互

PLC與協(xié)作機器人以Modbus TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信，PLC作為服務(wù)器，協(xié)作機器人作為客戶端。PLC采用“MB_SERVER”通信指令，連接ID為2，通信端口號為504。PLC輸出到協(xié)作機器人端的數(shù)據(jù)保存在Out Robot[DB21]數(shù)據(jù)塊中，同時，PLC采用“MOVE”指令將Out APP[DB23]數(shù)據(jù)塊中指定的通信信號傳遞給Out Robot[DB21]數(shù)據(jù)塊，Out APP[0]中的變量傳遞給Out Robot[0]，Out APP[1]中 的 變量傳遞給Out Robot[1]，以此類推。

在協(xié)作機器人端，則以O(shè)ut Robot[DB21]數(shù)據(jù)塊中PLC變量、按照通信地址順序設(shè)置協(xié)作機器人內(nèi)部I/O，如表2所示。當(dāng)Out Robot[DB21]數(shù)據(jù)塊中的通信信號發(fā)生改變時，協(xié)作機器人內(nèi)部I/O也會隨之變化，從而實現(xiàn)PLC與協(xié)作機器人通信。

表2 PLC與協(xié)作機器人通信表

當(dāng)協(xié)作機器人收到下單數(shù)據(jù)時，機器人則按照設(shè)定程序進(jìn)行早餐訂單制備。在PLC中設(shè)置有中間數(shù)據(jù)標(biāo)志位DB數(shù)據(jù)塊，如表3所示，采用“ADD”指令監(jiān)控Out APP[0]至Out APP[4]數(shù)據(jù)位，當(dāng)“ADD”指令運算結(jié)果為0時，則表示訂單完成，當(dāng)“ADD”指令運算結(jié)果不為0，則表示訂單執(zhí)行中。由于豆?jié){制備需要等待，當(dāng)五谷豆料放入破壁機后，采用通電延時定時器（TON）指令延時300s，在此等待期間，協(xié)作機器人可進(jìn)行其他訂單的制備，延時結(jié)束后，協(xié)作機器人取豆?jié){，同時將“豆?jié){制作中”標(biāo)志位置位。

表3 PLC與協(xié)作機器人通信表

3 程序設(shè)計

3.1 機器視覺系統(tǒng)程序設(shè)計

本機器視覺系統(tǒng)采用的是華?？萍蓟赑C的智能工業(yè)相機以及MVP智能算法平臺。工業(yè)相機采用12M/CG-E千兆以太網(wǎng)智能工業(yè)相機，通過網(wǎng)線以點對點連接的組網(wǎng)方式與PC連接，線纜連接后，PC安裝的MVP智能算法平臺可以檢測到在線的相機，確保相機IP與本地PC的IP處于同一網(wǎng)段，相機便可正常運行操作。

根據(jù)識別到的不同早餐類型，系統(tǒng)采用分支結(jié)構(gòu)編寫相應(yīng)邏輯流程，如圖4所示。工業(yè)相機根據(jù)接收報文標(biāo)志字符串進(jìn)入相應(yīng)分支，相機拍攝照片傳回PC端進(jìn)行圖像處理，處理結(jié)果為識別目標(biāo)中心點像素坐標(biāo)，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器將像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為工件坐標(biāo)，利用分析腳本算子將工件坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為字符串，最后以報文形式將目標(biāo)中心點坐標(biāo)發(fā)送給協(xié)作機器人，協(xié)作機器人則根據(jù)坐標(biāo)進(jìn)行吸取雞蛋、牛奶、咸菜等操作。

圖4 機器視覺系統(tǒng)識別邏輯流程

3.2 協(xié)作機器人制餐程序設(shè)計

協(xié)作機器人程序采用模塊化編程思路，程序框架如圖5所示。通過Move（直線、軸動、軌跡）、Waypoint（位置點）、Switch（開關(guān)語句）、Case（條件）、Set（置位/復(fù)位）、Wait（等待）等指令，設(shè)計人員將制備早餐全部動作分別編寫成子程序，然后通過邏輯條件將各子程序組合起來，實現(xiàn)全自動制備早餐。

圖5 協(xié)作機器人制餐程序框架圖

當(dāng)系統(tǒng)正常運行時，協(xié)作機器人在Home點等待下單，當(dāng)I/O[0]、I/O[1]、I/O[2]、I/O[3]、I/O[4]中任意一個條件符合，即符合訂單制備條件時，協(xié)作機器人則按照預(yù)先編寫的軌跡逐一完成早餐制備。

4 系統(tǒng)測試

智能協(xié)作機器人制餐服務(wù)系統(tǒng)硬件部分搭建完成后，設(shè)計人員對早餐制備程序進(jìn)行編程；完成程序編寫后，測試運行程序。

系統(tǒng)等待點餐應(yīng)用軟件下單，設(shè)計人員分別對豆?jié){、包子、雞蛋、牛奶、咸菜進(jìn)行單獨下單以及組合下單。由于豆?jié){、包子選用夾爪進(jìn)行抓取，而雞蛋、牛奶、咸菜選用吸盤進(jìn)行吸取，故組合下單時需要10s時間更換工具。

系統(tǒng)測試實驗數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 智能協(xié)作機器人制餐服務(wù)系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

針對傳統(tǒng)早餐制作存在的問題，本文提出一種將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)軟件、工業(yè)自動化控制、機器視覺、協(xié)作機器人等技術(shù)結(jié)合工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的解決思路，將SIMATIC S7-1200 PLC作為主控制系統(tǒng)，機器視覺系統(tǒng)作為識別定位檢測裝置，協(xié)作機器人作為執(zhí)行機構(gòu)，聯(lián)合天津博諾智創(chuàng)機器人技術(shù)有限公司研制了智能協(xié)作機器人制餐服務(wù)系統(tǒng)，進(jìn)行了30余臺設(shè)備的批量測試，并進(jìn)行了推廣應(yīng)用。實踐表明，該系統(tǒng)具有較好的操作性和穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)在線點餐，且協(xié)作機器人能夠穩(wěn)定可靠地全自動完成早餐制備工作。