碼垛機(jī)器人的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

向應(yīng)軍

（湖北工業(yè)大學(xué)，湖北武漢430068）

碼垛機(jī)器人的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

向應(yīng)軍

（湖北工業(yè)大學(xué)，湖北武漢430068）

由于倉(cāng)儲(chǔ)物流行業(yè)的發(fā)展十分迅速，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)得到了廣泛的應(yīng)用，碼垛機(jī)器人技術(shù)在解決勞動(dòng)力不足、提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、改善生產(chǎn)環(huán)境等方面具有很大潛力。國(guó)外從20世紀(jì)60年代開始研究工業(yè)機(jī)器人，碼垛機(jī)器人也得到了廣泛的應(yīng)用。隨著堆垛技術(shù)的應(yīng)用不斷深入，大量人力勞動(dòng)逐漸被機(jī)器人取代。

碼垛；機(jī)器人；研究；應(yīng)用

1 碼垛機(jī)器人的的歷史

20世紀(jì)70年代初期的時(shí)候，世界第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人由瑞士的ABB公司研制成功，該機(jī)器人主要用于物體碼垛、零件的安裝和卸載等。緊接著幾年后日本也發(fā)明了搬運(yùn)機(jī)器人，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，自動(dòng)化控制技術(shù)逐漸應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家和韓日等國(guó)都在工業(yè)機(jī)器人的研制上取得了重大突破，并且面向市場(chǎng)。

20世紀(jì)70年代初期，德國(guó)KUKA研制了世界上第一臺(tái)六軸驅(qū)動(dòng)控制碼垛機(jī)器人，隨著新世紀(jì)的到來，KUKA公司在機(jī)器人的生產(chǎn)材料上取得了重大突破，“巨貪纖維”的使用提高了機(jī)器人的綜合性能，尤其是在結(jié)構(gòu)質(zhì)量、承載能力、機(jī)械性能、適應(yīng)能力上得到改善。事實(shí)上，國(guó)外在20世紀(jì)60年代的時(shí)候就出現(xiàn)了大量的機(jī)器人，碼垛機(jī)器人的發(fā)展也十分迅速。在工業(yè)機(jī)器人技術(shù)與碼垛技術(shù)的融合方面，日本和瑞典作為先驅(qū)，日本在20世紀(jì)70年代的時(shí)候率先在碼垛工作中引入了工業(yè)機(jī)器人，而這一時(shí)期瑞典ABB也研制除了具有較強(qiáng)電控能力的工業(yè)機(jī)器人IRB6，物體的存放和搬運(yùn)效率得到提升。關(guān)于碼垛機(jī)器人，美國(guó)、日本、德國(guó)和瑞典在技術(shù)上比較成熟，因此工業(yè)機(jī)器人也被分為日歐兩大派系，日本目前比較著名的機(jī)器人公司為安川、OTC、FANUC和OKURA；歐系主要有KUKA和ABB。

2 碼垛機(jī)器人的應(yīng)用

20實(shí)際80年代開始，全球各國(guó)在搬運(yùn)碼垛工作中大量運(yùn)用了自動(dòng)化技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)，而且應(yīng)用效果良好。尤其是在生產(chǎn)行業(yè)，德國(guó)和日本廣泛使用了碼垛機(jī)器人，現(xiàn)階段的碼垛機(jī)器人以四軸空間關(guān)節(jié)式型號(hào)為主，該機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)有三個(gè)部分：其一是本體；其二是控制柜；最后是末端執(zhí)行器。其中本體結(jié)構(gòu)又可以進(jìn)一步分為機(jī)座、臂、腕等幾個(gè)部分，而主體的材料以鑄鐵和鑄鋁為主。基于CAD與FEM有限元分析技術(shù)，本體結(jié)構(gòu)能夠得到優(yōu)化，因此在抗震能力、機(jī)械性能上能夠得到提升。由于搬運(yùn)物體和包裝各不相同，機(jī)器人末端執(zhí)行器也具有較強(qiáng)的針對(duì)性。關(guān)于機(jī)器人的控制系統(tǒng)一般以PC開放式控制為主，機(jī)器人工作穩(wěn)定性、敏捷性、準(zhǔn)確性將會(huì)得到保證，目前ABB研發(fā)的IRB機(jī)器人就配套了軟件來實(shí)時(shí)監(jiān)控其工作情況，能夠全面協(xié)調(diào)加速度、阻力、重力和慣性，除此之外，該軟件還能夠使機(jī)器人沿著規(guī)定的軌跡運(yùn)動(dòng)并且受到準(zhǔn)確控制，同時(shí)準(zhǔn)確辨別機(jī)器人負(fù)載大小。

目前應(yīng)用較廣的IRB660機(jī)器人在工業(yè)碼垛中能夠抓取250kg重的物體，3m多的工作距離支持其同時(shí)協(xié)助四條生產(chǎn)線工作，該型號(hào)的機(jī)器人也因此在食品加工行業(yè)中得到大量應(yīng)用，基于上臂連桿，該型號(hào)機(jī)器人腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)良好，而且在Palle Wizard軟件中能夠主動(dòng)生成程序供工作使用。

德國(guó)KUKA公司（1973）研制了全球第一臺(tái)電機(jī)六軸驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人FAMULUS，而且該公司（1996）研制了使用PC進(jìn)行控制的機(jī)器人，這在很大程度上促進(jìn)了機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展。美國(guó)JTM公司成功研制了進(jìn)行潤(rùn)滑油碼垛的機(jī)器人Motoman Model UP165，通過交流伺服電機(jī)提供動(dòng)力，也是一種六軸工業(yè)機(jī)器人，該機(jī)器人采用了真空吸附的末端執(zhí)行器，通過PLC去控制真空吸頭，一次能夠提取潤(rùn)滑油三桶。在應(yīng)用了碼垛機(jī)器人之后，其生產(chǎn)效率得到很大程度提升。

由于我國(guó)產(chǎn)業(yè)類型多是勞動(dòng)密集型，轉(zhuǎn)型還需慢慢過度，因此國(guó)內(nèi)的碼垛機(jī)器人的應(yīng)用水平較低，應(yīng)用量也比較小，只有在大型企業(yè)和自動(dòng)化要求較高的行業(yè)才能批量使用。中國(guó)卷煙廠采用的碼垛機(jī)器人設(shè)備，能夠?qū)Σ煌N類的卷煙進(jìn)行識(shí)別，并能通過機(jī)器人系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙草的抓取與碼放動(dòng)作，工作效率較高。中國(guó)制米工廠使用的碼垛機(jī)器人生產(chǎn)線，能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)的大米抓取與碼放。中國(guó)的啤酒生產(chǎn)商運(yùn)用碼垛機(jī)器人代替人力勞動(dòng)，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，并且有效控制了碼放過程的破損率，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

經(jīng)大批專家學(xué)者不斷努力，雖然國(guó)內(nèi)碼垛機(jī)器人的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但與現(xiàn)代工業(yè)的應(yīng)用要求相比，還需要解決以下問題：

（1）智能化程度有限。碼垛機(jī)器人需要適應(yīng)靈活多變的工作對(duì)象與工作環(huán)境，因此碼垛機(jī)器人需要進(jìn)一步提高其智能化水平，使其能夠智能的適應(yīng)工作環(huán)境與工作對(duì)象，這就需要為碼垛機(jī)器人添加相應(yīng)的智能化設(shè)備，讓其在穩(wěn)定高效運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)還要有一定的自診斷及修復(fù)功能。

（2）適應(yīng)能力有待提高。在現(xiàn)代制造業(yè)和物流行業(yè)中碼垛機(jī)器人主要作用是取代人力勞動(dòng)，因此需要其有對(duì)惡劣和復(fù)雜多變的工作環(huán)境的適應(yīng)能力。但近年來，由于品種越來越多，中小型用戶的迅速增加，多用途通用碼垛機(jī)器人的發(fā)展速度很快，其應(yīng)用前景非常廣泛。

（3）可靠性、穩(wěn)定性需提高。碼垛機(jī)器人需要連續(xù)不斷地重復(fù)完成物件的抓取、碼放等相對(duì)簡(jiǎn)單的工作，由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作碼垛機(jī)器人可能會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差而影響其系統(tǒng)精度，從而導(dǎo)致碼垛機(jī)器人不能穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

（4）視覺系統(tǒng)需完善。機(jī)器視覺技術(shù)是碼垛機(jī)器人的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，通過視覺不但能夠獲取周圍環(huán)境信息還能獲取工作對(duì)象的外觀特征以及工件的空間定位，但就目前來講，這項(xiàng)技術(shù)并不成熟，還存在許多問題亟待解決。

（5）高速化。不僅要促進(jìn)了高速機(jī)，也是提高碼垛系統(tǒng)的速度。自動(dòng)化程度不斷提高，碼垛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)不斷完善。同時(shí)，對(duì)整個(gè)碼垛系統(tǒng)生產(chǎn)效率重視起來，以便向更深層次的高速發(fā)展。

（6）采用模塊化結(jié)構(gòu)。采用模塊化結(jié)構(gòu)不僅能夠讓碼垛機(jī)器人最大限度的滿足不同物品對(duì)機(jī)器人的要求，同時(shí)可以讓設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造更方便，能夠降低成本、縮短生產(chǎn)周期。

因此，未來一段時(shí)間內(nèi)開展智能碼垛機(jī)器人的研究，對(duì)提高碼垛機(jī)器人的智能化、工業(yè)應(yīng)用的適應(yīng)能力和提高碼垛機(jī)器人的可靠性及穩(wěn)定性，滿足現(xiàn)代工業(yè)提高生產(chǎn)效率，改進(jìn)生產(chǎn)模式，降低勞動(dòng)成本，促進(jìn)企業(yè)快速轉(zhuǎn)型，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

［1］吳麗，梅楊.電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］馬秀坤，石雪濤，馬學(xué)軍.S7-200PLC與數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的原理及應(yīng)用［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

Research and Application of Palletizing Robot

XIANG Ying-jun
（Hubei University of Technology，Wuhan，Hubei 430068，China）

Due to the rapid development of the warehousing and logistics industry，the automated warehouse has been widely used.The palletizing robot technology has big potential.In solving the problems of labor shortage，improving labor production efficiency，reducing production cost，reducing labor intensity and improving production environment.Abroad from the 1960s，palletizing robots have also been widely used.With the deepening of the application of stacking technology，a large number of human labor is gradually replaced by robots.

palletizing；robot；research；application

TP242

A

2095-980X（2017）03-0087-01

2017-02-08

向應(yīng)軍（1986-），男，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)械工程。