碼垛機發展現狀及趨勢探究

潘知瑤，費葉琦,2※，馬竹樵，張明宇，劉雨浩

（1.南京理工大學紫金學院智能制造學院，南京 210046；2.南京林業大學機械電子工程學院，南京 210037）

0 引言

碼垛技術作為一項隨物流行業、倉儲行業迅速擴張而不斷發展的新興技術，被廣泛應用于食品、化工、建筑、倉儲等各項領域。碼垛技術可分為人工碼垛以及機械自動碼垛兩種[1]，由于中國龐大的人力資源市場，起初碼垛動作的實現主要以人工為主，但是人工碼垛過程中，隨著工作時長的增加，工人工作疲勞程度逐漸增大以至于工作效率及準確性降低，而機械式碼垛設備就有效地改善了這一問題。一臺機械式碼垛設備雖然在前期引進、安裝、調試等過程中缺少固有優勢，但是由于碼垛機的使用壽命以及后續實際生產中因安裝碼垛機帶來的訂單承接能力的提升，在整個生成周期中均攤成本后，實際成本遠低于人工碼垛。根據結構以及應用場合，可將碼垛設備分為橋式碼垛機、碼垛機器人以及高位全自動碼垛機[2]。工業生產規模的逐漸增大，導致了原來越多的企業選擇不斷引進適合自身產品的機械碼垛設備。

隨著大型機械式液壓碼垛機在工業生產中不斷推廣，大多數國產碼垛機固有的精度差、故障率高、占地面積較大等問題也給工廠實際生產、調試、維修帶來了巨大壓力。所以大型企業更多傾向于選擇發展較成熟、效率和精度更高的進口碼垛設備。但是進口碼垛設備價格居高不下，中小型企業難以承擔，也并未在中國實現大規模市場占領。因此不斷有技術人員根據國產碼垛設備的特點及需求對其進行改良，以實現碼垛機的經濟性與工作性能的平衡。

1 國外碼垛機研究進展

現代機器人技術最初應用于20 世紀70 年代末的日本和瑞士。1974 年，瑞典公司ABB 成功研發了用于運輸和碼放貨物的電控式工業機器人IRB6。隨著工業互聯網的不斷發展，工業機器人和人工智能技術日趨成熟，如瑞典的ABB 系列、日本的FUJI系列、德國的KUKA系列等[3]。

日本安川公司的MPL100Ⅱ為5 軸垂直多關節碼垛機，設備結構簡單工作轉速較低，適用于高速高精度碼垛、取件。瑞典ABB 公司的IRB660 采用4 軸設計，具有極高的重復定位精度和軌跡精度，即使在極為惡劣的生產環境中仍能保持相對穩定的性能，通用性強，工作速度和工作范圍可以適應大部分工作需求。KUKA 開發的KRAGILUS 小型碼垛機[4]工作速度快，精度高，完成揀選、搬運、堆垛及卸載等工作任務只需要較短的工作周期，主要運用于高速、高負荷工作過程。FANUC 開發的RobotM-410iB/160 智能碼垛機[5]，依靠靈敏的視覺感測器，從而實現運輸物品的動態碼放和精準重復定位，并且由于其具備復雜的多軸手腕，分揀、貼標、插取、搬運等工作內容也可以較好地完成。美國煉油公司JTM 選用6 軸碼垛機Motoman Model UP 165[6]實現箱裝和桶裝潤滑油的碼垛。采用PLC控制，使用專為產品具體特點設計的真空吸端執行機構，一次可攜帶兩箱箱子或3 桶，每年完成的碼垛工作總量可高達200000 桶和150000 箱潤油,為人工工作量的2 倍左右。Hershey公司通過3臺Motoman碼垛機器人[7]將3條生產線的不同類型的糖果紙箱集中在同一個貨盤上，最后運輸到運輸中心。每個機器人都有一個靈活的真空吸附系統，可以自動控制觸發手的數量，從而實現紙箱吸附數量、形狀的靈活更換。

J Norberto Pires[8]研發了玻璃碼垛系統，以ABBS4C 為控制器、PLC37-300 為外圍設備、真空吸附裝置為運輸設備，以ABB IRB 4400 工業機器人為基礎，實現了玻璃的搬運與碼放的工作要求。Mansour Abtahi等[9]設計的一種的并聯機器人的標定方法，N Stareevie 等[10]研究的四自由度機器人的運動策略等途徑當應用于碼垛設備的工作過程中時，可以有效提高設備運行的有效性與準確率。

國外碼垛機大多負載范圍廣泛、動作速度快，品牌型號眾多。主要采用的結構形式為多關節型，針對不同形狀的物品采用不同的接觸末端執行器，以PC 開放式控制系統實現碼垛機工作進程的快速性、穩定性、準確性。針對以串聯機構為主的傳統碼垛機器人所存在的系統剛性差、運動耦合等問題采取了一系列技術改進。

2 國內碼垛機研究進展

中國將機器人技術應用于工業領域起步較晚，同時由于符合設備要求的基礎配件國內供應不足，在時間、技術、零件、成本等多重因素的影響下，導致碼垛設備的發展一度停滯不前[11]。但是隨著中國綜合國力的不斷提升，基礎制造業水平日漸增長，工業機器人研究水準不斷提高，而碼垛機器人技術也隨之有所發展。例如上海沃迪出品的“TRIOWIN”TPR系列品牌碼垛機器人[12]在中國科學院上?？萍疾樾伦稍冎行膶徍讼?，被評定為技術水平達國內領先、國際先進水平。

2.1 碼垛設備結構改良

沈陽新松機器人自動化股份有限公司成功開發了SRM 系列碼垛機器人，維護成本低，耐磨性好，可同時滿足多條生產線的終端堆垛作業。SRM120A 系列機型具有速度快、可靠性高、工作連續性強等優勢，在能夠同時滿足多條生產線的工作要求的前提下，仍能維持較低的生產成本和較長的使用壽命。SRM13A 是最小巧、最輕盈的貨盤堆垛機器人。采用輕量化設計，機械結構緊湊，從而節省占地面積，實現運送功能更為高效、精準、可靠。哈爾濱博實自動化設備有限公司開發的RB300 型碼垛機器人[13]，配置緊湊，占地面積小，由于其靈活的編組方式可實現不同類型的包裝袋的碼垛任務。

李成偉等[14]研究了一種4 自由度并聯關節式搬運碼垛機器人，通過對碼垛機器人手抓的更換實現對硬紙箱、塑料箱、編織袋等不同類型貨物的運輸、碼垛。從蘭強等[15]研發了一種自動堆垛式碼垛機構在對物品進行堆垛、碼放的同時完成了打包的工作，減少了企業貨物占地面積，合理降低倉儲成本，提高了碼垛設備的靈活性與利用率?；菪奫16]設計了一種全自動拆碼垛一體機，通過氣動裝置實現貨物的拆卸、碼放，利用馬達驅動絲桿及換向器以保證設備的穩定性，在保證設備機構簡單、提升生產效率的同時有效降低了工人的學習成本。王春曉[17]研發了一種自動拆碼垛機，將拆垛、碼垛、運輸等功能集成一體，提高了設備的集成度以及生產效率的同時有效降低了生產及空間成本。王汝貴等[18]研發的變胞式碼垛機器人，將變胞式機構的概念與碼垛機結構設計有機結合，使碼垛機構在單、雙自由度之間靈活變換，有效兼顧了碼垛設備穩定性、靈活性的雙重工作需求。陳雷等[19]研發了一種高效多功能全自動拆垛、碼垛、裝車一體機，將大體積的重型貨物進行合理拆分后再進行處理，并將多項功能集合，提高了產品的生產效率及自動化程度。吳剛等人研發了一種立柱高速碼垛機，通過伺服電機驅動同步帶輪實現托盤的上下移動，運動平穩，抗沖擊性能好，便于調節不同尺寸的產品碼垛。崔麗娟[20]設計了一種圓柱坐標懸臂式碼垛機，完成了貨物抓取后，通過立柱旋轉實現貨物位置的更改、碼放，能夠靈活的實現動作換型。徐雪萌等[21]設計研制的瓦楞紙箱板自動碼垛機機械手以AHP法為設計方案，采用旋轉、交錯式碼垛方案，通過雙機械手完成碼放、抓取等動作，在保證穩定性、滿足工作需求的基礎下，擴大了適用范圍，降低了生產成本。

2.2 碼垛設備軟件優化

上海交通大學機器人研究所協同沃迪自動化裝備股份有限公司，對TPR200 型高速碼垛機器人進行模擬仿真[22]，通過簡潔的人機交互界面設定各項參數，采用PID 和PDFF 并行為碼垛設備的控制系統結構，獲得仿真結果以實現碼垛機性能的提升。天津渤化永利化工股份有限公司通過合理調節碼垛設備在工作過程中的光電時長，使碼垛貨物能夠到達既定位置，實現了碼垛機故障率的大幅下降[23]。

余曉明[24]研究設計了在米袋碼垛系統中運用的四自由度圓柱坐標型碼垛機器人，主運動控制系統基于英國的TRIOMC206X，具有較高的控制運算水平，對碼垛機末端執行器的定位更為精準。黃海燕[25]研究的立體倉庫碼垛機控制系統以S7-1200PLC 為基礎，通過變頻器控制碼垛機運行，變頻調速、安全連鎖等系統共同作用，確保碼垛機運輸過程中的穩定性與準確率的同時有效減少人力成本。錢振華等[26]設計了一種針對食品包裝箱碼垛的控制系統，該系統以HMI和PLC為基礎，不僅能夠有效提高碼垛設備的工作效率與工作精度，而且人機交互方面更為友好，降低了操作員的培訓成本。康瑞芳等[27]以視覺碼垛為實現途徑，使用ARM 微控制器設計了合理的碼垛控制系統，在碼垛動作過程中可以實現自動糾錯，有效提高了設備的可行性與準確率。李永梅等[28]選用西門子S7—1200PLC 為主控制器，在分析碼垛設備的運動軌跡的基礎上設計碼垛設備系統，實現合理的運輸路徑規劃及完成貨物碼放。郭亞奎[29]設計的碼垛設備操作系統以ARM+FPG 硬件平臺和Linux 操作系統為基礎，針對圓柱坐標型碼垛機的工作特點，有效提升了碼垛設備的工作精度以及穩定性。趙玉信[30]將磁懸浮技術應用于直角坐標碼垛機的直線運動單元，有效降低了碼垛機在工作過程中由于摩擦造成的損耗的同時保證了設備的平穩運行。柏甫榮[31]將直角坐標碼垛機的控制系統的不同模塊進行分工，各自獨立設計，不僅使設備系統搭建難度降低，也減少了后續的系統維護成本。韓明淇等[32]設計物流包裹碼垛機，通過PLC 有效實現碼垛設備各部件的靈活控制，極大提高了碼垛機的自動化程度，降低了人力成本。

在碼垛機性能優化方面，國內主要以測繪、模仿國外先進的同類設備為主，然后根據中國市場的實際需求進行設計改進。但由于基礎工業發展與工業發達國家仍有一定差距，雖然高校與科研機構對于碼垛機的結構與系統設計已經有了一定的進展，但是缺乏對綜合市場以及企業的實際生產情況的深入了解，核心零部件的制造技術也沒有持續有效地推進，導致實際生產制造過程中材料質量、尺寸精度無法達到設計需求，國內自主研發生產的碼垛機在國內市場占比并不高，面臨同類型進口產品缺乏競爭力，只能以中低端市場為主要發展方向，實際應用領域也較為狹隘。

3 碼垛機現存問題

隨著科學技術及綜合實力的不斷提高，雖然國內自主研發的碼垛設備的研究已有了較大的進展，但仍存在一系列問題。

（1）產品批量推廣難度較大。由于市場上產品的種類繁多、差異性大，用戶需求以及操作環境的多樣性，導致了碼垛設備的批量化、標準化難以實現，使碼垛設備的生產成本較高，于市場中缺乏一定的競爭能力。同時因為精度高、適應性強的碼垛機器人的購買成本以及維護成本都居高不下的原因，難以拓展中小型企業市場。

（2）設備適應能力有限。一旦產品的外形或者包裝有所改變，碼垛設備就無法及時進行識別與檢驗，導致設備空等時間增長，無法滿足適應不同產品與環境的需求。同時，由于當下碼垛設備主要應用在日常生產中，在諸如失溫、高壓、高污染等極具不確定性的工作環境中極易導致碼垛設備的損壞，從而出現嚴重故障，無法滿足正常工作需求，因而需要投入大量人力成本。

（3）可靠性無法得到保障。在高重復性、高速的工業生產過程中，雖然碼垛設備需要實現的只是抓取、轉移、碼放等簡單動作，但是生產過程中巨大的累計誤差不可忽視。因此，需要考慮工作過程中的運動平穩性和位置準確度。

（4）機器視覺技術仍有缺陷。機器視覺技術的提升可以有效提高碼垛設備對于不同產品與包裝的適應能力，但是在采集物品圖像以及對物品進行動態捕捉獲得有效信息的過程中仍存在一定問題，同時圖像的分析及處理的計算速度也是需要解決的難題之一。

（5）應用范圍狹窄。目前碼垛設備主要應用于通用性強的工業領域，藥品、食品、高精零件、芯片等領域因碼放精度要求高，小微型碼垛設備較少；而針對大型、重載的碼垛設備也缺乏一定的研發投入。

（6）軟件發展與基礎工業不匹配。雖然當下學術領域針對碼垛設備的算法、軟件等方面的研究已經有了一定的深入進展，但是由于基礎工業發展不平衡、不充分，碼垛機設計層面的要求達到了，但是在實際零件生產、組裝過程中，符合精度要求的零件生產、裝配設備極為稀缺，實際生產困難重重。

4 未來發展方向及改進措施

存在的諸多問題同時也推進了碼垛機器人的持續發展，以滿足市場對于碼垛設備的功能需求，可從以下幾方面進行探索與改進。

（1）持續推進碼垛機的自動化、智能化發展。單一的機械碼垛結構由于效率、精度等問題已不斷被以現代化的機械結構和電子信息技術相結合的新型碼垛機所替代，而碼垛機的自動化主要體現于自主運輸、自動控制等方面。應合理加強碼垛機器人與感應機構的有效結合以及控制系統、軟件的升級換代：如根據檢測裝置和感應機構分析結果對周圍的實際環境以及產品進行建模，通過軟件對實際生產過程進行模擬仿真，確定產品的具體位置姿態以及相應外形特征，針對產品所對應的不同的型號、包裝、重量，選擇不同的加持裝置與碼垛設備型號，調整夾持方式與夾持力度。

（2）推動碼垛機向多元化發展。降低操作系統的編程難度，使碼垛設備的日常維護、故障檢修等功能可以通過操作人員的簡單編程實現，不再依靠單一的人工操作，從而大大降低人工失誤的可能性。除此之外，在選取碼垛機器人的生產材料、組成原件與標準零件時應注重選取工作強度高、生產精度高、耐磨性好的元件，以實現通過提高制造精度與裝配精度從而提升碼垛設備的整體工作性能。通過優化碼垛機結構，提高碼垛機的工作強度與運行效率，從而實現碼垛機整體的生產運輸效率的提高。

（3）提高碼垛設備適應性。隨著商品市場的不斷發展以及電商快遞領域發展帶來的中小型客戶的不斷增加，從而導致固定產品、固定尺寸的碼垛機器人的使用領域不斷縮減、使用效率不斷降低，無法滿足用戶需求。因此要增加碼垛機的功能性、適應性，不再以單一產品的運輸、碼垛為設計目標，加強發展與創新能力，開發多功能末端執行器，向可以滿足不同數量、不同材質、不同形狀、不同尺寸的產品的碼垛的方向發展，通過將機器人本體固定在導軌上，可以進一步擴大碼垛機器人工作空間。

（4）優化碼垛機設備系統。應用通用的開放式碼垛機械系統，基于標準操作系統開發易于操作和控制的通用語言框架和簡單算法。通過該系統，不同的碼垛機器人打破了不同機器語言和服務站之間存在的壁壘，為碼垛機的人際互動發展創造條件。

5 結束語

國內碼垛機技術較以往技術進步較大，但實際生產過程中產品的多樣性導致目前的碼垛設備較低的通用性難以滿足此需求，盡管碼垛機的控制系統等軟件部分已經獲得了有效進展，由于基礎制造的發展，普通機床加工的零部件仍無法滿足碼垛機在設計過程中的精度、質量要求，設備的工作性能與經濟性難以得到統一，距離大規模、多行業普遍應用仍具有一定差距。因此，需總結、吸收國外先進碼垛設備的優勢，對比、創新，努力攻克精度低、適應性差、生產成本過高等問題，提高碼垛機的自動化、智能化、多元化，從而進一步擴大我國自主研發生產的碼垛機的技術優勢，以實現國產碼垛機的持續產業化。