碼垛機器人本體結構分析與性能研究

李 倩 ，劉廣亮 ，孫 潔

（1.山東省機器人與制造自動化技術重點實驗室，山東 濟南250014；2.山東省科學院自動化研究所，山東 濟南250014）

碼垛機器人是實現包裝和物流自動化的關鍵裝備，針對生產線中各式產品的碼垛要求，可實現自動、高速、準確、連續的碼垛作業，并能降低工人勞動強度，提高生產效率。因此，碼垛機器人被廣泛應用于飲料、食品、藥品、石化等領域，具有廣闊的應用前景。

目前，ABB、FANUC、KUKA等主流機器人廠家均擁有系列化的碼垛機器人產品，并壟斷了國內外市場；而在國內，碼垛機器人的研究才剛剛起步，國產的、成熟的、產業化的碼垛機器人產品還未出現[1～3]。

本文參考國內外知名品牌機器人，通過分析已有產品的結構特點，研究各品牌機器人的本體性能參數，大致明確了產品設計的基本指標，為碼垛機器人開發提供參考。

1 結構分析

與通用型機器人不同，碼垛機器人有獨特的作業特點：搬運物料實現空間內的平移和水平面內的旋轉，無需進行物料的翻轉，因而采用了獨特的結構。下面以KUKA的KR 180-2 PA為例，對碼垛機器人一般所采用的結構形式進行分析。

KR 180-2 PA最大負載總質量為180 kg，采用4軸鉸鏈式結構，由6部分組成：基座、腰轉部件、大臂、小臂、腕部和工具法蘭，由JT 1、JT 2、JT 3和JT 4共4個關節驅動，其結構形式如圖1所示。

其中，JT 1驅動腰部轉件實現回轉運動，JT 2和JT 3分別驅動大臂和小臂的擺動，JT 4驅動工具法蘭旋轉。各關節由交叉滾子軸承承載，利用交流伺服電機+精密RV減速器驅動。根據物料形狀特點，可以在工具法蘭配置不同的抓手。機器人末端工具法蘭的位置，通過控制JT 1、JT 2和JT 3關節來實現；末端工具法蘭的姿態，則通過控制JT 1和JT 4關節的轉動來保證；在腕部姿態的控制上，采用了獨特的結構。通過兩組平行四連桿傳動，實現了JT 4軸線與JT 1軸線始終保持平行，使腕部始終保持垂直于地面的姿態。

圖1 碼垛機器人KR 180-2 PA結構示意圖

2 本體性能研究

碼垛機器人主要用于搬運重載物體實現大空間轉移，且高速度、高精度運行，其本體的主要性能參數包括負載能力、工作空間、運動性能、重復定位精度等[4]。這些性能參數選擇的合理與否，將直接關系到碼垛機器人本體開發的成敗。以下通過分析比較已有碼垛機器人產品的性能參數，基本明確了碼垛機器人本體開發中的各項性能指標。

2.1 負載能力

負載總質量表明了機器人搬運重物的能力，它取決于機器人的結構尺寸和驅動容量，還與機器人的運行速度有關。按照負載總質量能力劃分，各機器人廠家均形成了完整的碼垛機器人規格系列，表1列出了 ABB、FANUC、KUKA、YASKAWAKAWASAKI這5大品牌的四軸碼垛機器人負載系列[5]。

表1 各品牌碼垛機器人的負載總質量系列規格表（單位：kg）

在包裝行業，對于碼垛機器人的需求主要集中在100～300kg負載總質量范圍內。而在這一區間里，各品牌一般擁有大小兩種規格的機型，且采用統一的外形尺寸與機械結構，只需替換伺服電機與減速器，即可實現型號間互換。如ABB的IRB 660-180和 IRB660-250、KUKA的KR100-2 PA和KR 180-2 PA、FUANC的 M-410 iB/160 M-410 iB/300 KAWASAKI的ZD 130 S和ZD 250 S等。

2.2 工作空間

工作空間指機器人末端可在空間到達的最大范圍。圖2是ABB的IRB660-180、KUKA的KR180-2 PA和KAWASAKI的ZD 130 S工作空間的疊加圖。可以看出，各款機器人的工作空間基本重合，大致反映了市場的實際需求（托盤尺寸、垛堆高度等）。

圖2 碼垛機器人的工作空間

表2 各品牌碼垛機器人性能指標橫向比較

表2將各品牌碼垛機器人對應型號的性能指標進行了橫向比較，從中可以發現碼垛機器人性能指標的共性[6～8]；表3則以KUKA為例[6～8]，將碼垛機型KR 180-2 PA與其對應的通用機型KR 180-2進行了縱向比較[7]，凸顯了碼垛機器人不同于通用型機器人的性能特點。

表2中，數款機器人的最遠到達距離，都約為3200 mm，而最大搬運高度約為3000 mm。

2.3 運動性能

為了適應前端包裝工段的生產速度，碼垛作業往往對節拍要求高。目前，世界上碼垛速度最快的機器人，可達2000回/h以上。當然，最直接的運行性能參數，還是各個軸的運動速度。表2列出了幾款機器人各個軸的最大運動速度，可作為本體設計的參考指標；表3中，各個軸逐一對比，KUKA的碼垛機型KR 180-2 PA比通用機型KR 180-2的運動速度都要快，顯示了碼垛機器人本體設計里運動性能的重要性。

表3 KR 180-2 PA與KR 180-2的縱向對比

2.4 重復定位精度

重復定位精度，指機器人在相同的運動指令下，連續重復運動若干次，其位置之間的誤差度量，是機器人的主要技術參數之一。碼垛機器人主要用于實現大尺寸物料的點位運動，對精度要求并不高。從表2可看出，其重復定位精度能控制在±0.5 mm以內即可；在表3里，碼垛機型KR 180-2 PA比通用機型KR 180-2的重復定位精度明顯低了一個檔次。

3 結束語

通過對已有碼垛機器人產品的結構分析和本體性能參數的研究，得出了其通常所采用的結構形式，明確了本體設計的基本性能指標，為產品開發提供了參考。但在具體產品開發過程中，僅確定了本體的結構形式、負載能力、工作空間、運動性能和重復定位精度等，是遠遠不夠的，還有許多實際問題需考慮。各性能指標間存在一定矛盾，應綜合分析考慮；有的結構形式雖然有利于提高機器人性能，但工藝復雜，考慮國內加工水平，需合理選擇制造工藝；樣機完成后的性能測試，亦是產品開發的關鍵環節。相信在克服了碼垛機器人開發過程中的諸多難題后，一定會出現國產的、成熟的、產業化的碼垛機器人產品。

[1]李曉剛，劉晉浩.碼垛機器人的研究與應用現狀、問題及對策[J].包裝工程，2011，(3)：96-101.

[2]胡洪國，高建華，楊汝清.碼垛技術綜述[J].組合機床與自動化加工技術，2000，(6)：7-9.

[3]孫立寧.機器人技術國內外發展狀況[J].國內外機電一體化技術，2002，(4)：29-41.

[4]熊有倫，丁 漢，劉恩滄.機器人學[M].北京：機械工業出版社，1993，10-28.

[5]葉 暉，管小清.工業機器人實操與應用技巧[M].北京：機械工業出版社，2010，3-14.

[6]上海ABB工程有限公司.IRB 660機器人產品手冊[Z].上海：上海ABB工程有限公司，2004.

[7]庫卡機器人（上海）有限公司.KR180-2系列手冊[Z].上海：庫卡機器人（上海）有限公司，2011.

[8]上海發那科機器人有限公司.M-410iB規格說明[Z].上海：上海發那科機器人有限公司，2007.