码头集装箱机械臂的研究与设计

袁梓祥

摘 要：本文叙述了在传统码头集装箱的装卸作业中，大工作量的重复人工劳动往往存在局限和困难的现状。通过介绍机械臂在现实生活的应用实例，分析码头集装箱机械臂的控制系统的环节和操作与可行性，以及码头集装箱机械臂投入与传统的繁琐体力重复劳动的效益对比。研究了码头集装箱机械臂在现实生活中的应用和解决问题，指出码头集装箱机械臂替代人力劳动，解放人的现实作用与帮助生产生活的现实作用的结论。

关键词：码头集装箱；机械臂；自动化

中图分类号：TN941.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）03-0055-02

1 应用背景

目前我国正处于高速发展时期，经济快速上升阶段，因此码头集装箱的需求量越来越大，运输量的大小也呈正比例增长。在这重要的发展时期，码头集装箱等大宗货物是经济发展的必要支撑。

从去年的数据可以看出，码头集装箱在不断增长，相关港口泊位也对应出现明显的扩大。2015年末全国港口拥有生产用码头泊位31259个，比上年末减少446个。其中，沿海港口生产用码头泊位5899个，增加65个；内河港口生产用码头泊位25360个，减少511个。全国港口拥有万吨级及以上泊位2221个，比上年末增加111个。其中，沿海港口万吨级及以上泊位1807个，增加103个；内河港口万吨级及以上泊位414个，增加8个。全国万吨级及以上泊位中，专业化泊位1173个，通用散货泊位473个，通用件杂货泊位371个，比上年末分别增加59个、32个和11个。我国货运吞吐量保持连年稳定增长。[1]

在当前码头集装箱大力发展的情况下，码头集装箱抓取自动化势在必行，主要有以下两个方面的需求：一方面，为了适应经济快速发展的需要，在全国范围内的港口数量日益增加，集装箱吞吐量连年攀升，随之而来的人力成本不可忽视，发展集装箱吊具的全自动化系统，能够极大压缩现阶段人力劳动和半自动化下人力成本，并能大大提高装卸效率。另一方面，货物吞吐量的攀升，带来港口能源消耗量的大幅需求。利用全自动化的技术能有效提高能源的利用率并于一定程度上减少货物损失与环境污染，保证了装卸作业的环境需求。[2]

2 工业机械臂及其特性

由于码头集装箱方面的大力发展，伴随而来的环境和人力成本问题待需解决，码头工业机械臂则就是一种很好的选择。工业机械臂是一种由操作机、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，用来模仿人类作业，可以搬运物料、零件、工具等多项操作功能，具有可自动控制、可重复编程特征，可在三维空间完成下达作业的自主自动化设备。[3]可通俗理解为按照程序、无人操作下的无休止重复工作劳动力，当然它也可以根据不同调整来执行不同功能。

根据码头集装箱工业机械臂的定义，可知它具有精确性，稳定性，可重复性等特点，因此十分适合于码头集装箱作业。首先工业机械臂具有极强的可重复性，在提高劳动效率上具有十分重要的作用。其次不可忽视的是工业机械臂的稳定性和精确性，这使它特别适合于多品种，变批量的生产。而且机械臂能在设定好的程序中精确的感知作业对象所在的空间位置，以电信号的形式反馈给自身的自动化系统，从而精准地对目标锁定抓取并实现作业。同时，机械臂还可以根据作业需要选择和设定合理的机械来完成所需工作即保证其稳定性，从而实现成本压缩。所以在大型码头，万吨级及以上泊位中，全自动化下机械臂的推广与使用对其在快速发展下要求完美符合，在稳定产品质量、提高生产效率、改善劳动条件和产品快速更新换代等方面中起着至关重要的作用，这也是在装卸作业中利用机械臂的原因。

3 集装箱码头机械臂吊具模型

根据机械臂的特性与理想应用范围，现给出如下机械臂吊具系统模型以完成抓取工作。该集装箱吊具是适用于集装箱装卸转运的大型专用机具，适合货运仓储、水运港口和码头。它具有可靠性高、运行平稳、作业效率高等特点，是起重设备重要的辅助机具。机械臂吊具系统模型如图1所示。

如图1所示，该模型由吊索、吊环、解锁箱总成、导板装置、联杆总成、牵引系统、托辊总成、驱动机构、吊架、解锁指示器构成。[4]其工作原理为：通过位置检测器的传输红外线信号来得出集装箱的摆放位置与高度，继而操作吊具达到目标地即信号传输所指的位置，然后电机驱动使其降至适当高度的正确位置，再利用弹性拉锁控制系统，使吊具与集装箱稳固连接达到装卸的目的。

集装箱吊具通常与岸边集装箱起重机、轮胎式集装箱门式起重机、轨道式集装箱门式起重机、集装箱跨式运输车和门座起重机等装卸设备配合使用。它具有与集装箱箱体相适应的结构，通过转锁与箱体的箱角件连接进行起吊作业。机械臂吊具的使用很大程度上减少了人力劳动的支出和避免了意外发生，利用这种吊具的进行作业，很大程度上解决了面对了大型集装箱装卸的难题。诸如大型的重量体积过大，或者在恶劣条件天气等客观因素导致人工作业的无法进行和进行缓慢等问题。

就码头集装箱的装卸来讲，机械臂是一项极其富有现实效益的先进技术：它能在很大程度上减少大量的重复的机械劳动作业，将劳动成本极大的降至机械的成本和维修上，并摒弃以往的繁重缓慢不安全等不良因素，从而实现降低人力成本的目的。在能极大提高效率与作业的同时，改善目前的困扰，使集装箱能更快更稳更好的完成装卸工作，并配合快捷的运输使码头的效益进一步得到提升，让集装箱的产品的价值得到多方面的保证。

4 码头机械臂控制系统

上文给出了集装箱抓取采用的机械臂吊具物理结构，为了实现集装箱抓取的全自动运行，还需要利用控制器对吊具进行控制，以保证整个抓取系统能够自动化运行。图2给出了抓取系统的闭环结构框图。

图2中给出了抓取系统各部分子系统的组成，包括执行机构、驱动系统、控制系统及位置检测装置等。

根据设计的集装箱抓取物理结构特点，控制系统框图中各部分选取为：

（1）执行机构：固定式吊具，其特性在上文中已给出。（2）驱动系统：液压驱动系统，液压驱动具有推力大、体积小、调速方便等特點，因此常被用来驱动此类大型机械臂。同时，采用的液压驱动技术减少了其他动力的依赖，也减少了各类能源的环境问题而引发效益矛盾，符合作业环境的绿色友好需求。其工作平稳更好的保障了工业机械臂集装箱吊具的稳定性，适应于码头大型或中小型集装箱的装卸作业中。（3）控制系统：大型带操作系统的控制系统，常用比如集中控制系统或大型PLC控制器。（4）传感器检测装置：位置检测装置传感器，位置检测装置传感器既简单也完善的提高整个系统的精确性，此类传感器具有的高灵敏度特性保障了整个作业的有序协调进行。位置检测装置传感器减少了集装箱装卸过程中因为抓取位置的错误而到装卸中止的情况，而且安装维修方便，成本低廉，符合整个系统的经济要求和环保需求。

5 结语

本文面对现实码头的现状，进行了码头集装箱机械臂抓取系统的研究和设计。分析了其实际需求与机械的可行性以及操作控制系统。尽可能地降低人力成本，实现到全自动化的管理与作业。利用自动化码头集装箱机械臂抓取系统可以有效提高经济效益与安全性，使其可以做到自动化控制下，无停歇的装卸工作。其抓取系统还可以根据实际要求转换类型规格对各种体积大小的集装箱进行装卸工作，适用各类大小码头，因此有极大的经济效益和社会效益，实现技术在现实中帮助人类生产生活的目的。

参考文献

[1]交通运输部网站.2015年交通运输行业发展统计公报[K].

[2]赵溦，赵宪花.散货码头智能化装卸工艺技术研究[J].中国水运（下半月），2015，15（7）：121-122.

[3]董砚秋.智能机器人概述[J].网络与信息，2007，（7）：68-69.

[4]集装箱吊具.MBA知度百科[K].