工业码垛机器人存在问题与解决对策

李勋

摘  要：该文首先介绍了工业码垛机器人应用的适用领域、应用的意义及特点，阐述了工业码垛机器人系统的组成部分，详细分析了工业机器人码垛应用中所存在的多样化产品码垛，机器人抓取定位，结构设计，负载能力和码垛效率的问题。针对问题点详细分析了关键的解决技术，即多功能机器人抓手的设计、视觉检测引导技术、垛型设计及机器人运动规划。最后提出了云端控制化及多传感器信息融合的未来发展趋势。

关键词：工业机器人;码垛;运动规划;视觉识别;视觉引导

中图分类号：TP242.2        文献标志码：A

0 概述

工业机器人作为工业自动化的典型装备，促进经济活动中各行各业的发展。工业码垛机器人更是以低廉的成本、高效的作业优势，将人从繁重、单一的堆垛劳作中解放出来，提高生产效率，降低生产成本，缩短生产周期。码垛机器人可以代替人工进行货物分类、搬运和装卸，特别是代替人类搬运危险物品，象放射物质、有毒物质等，降低工人的劳动强度，保证工人的人身安全。实现自动化、智能化、无人化。工业机器人码垛系统适用于化工、建材、饲料、食品、饮料、啤酒、自动化物流等行业，主要对生产制造过程中流水线上的产品进行拾取、分拣。特别是在仓储物流业中，码垛机器人的工作效率直接决定货物的吞吐量。所以，采用机器人码垛实现自动化生产是推动企业发展的有效手段。

1 工业机器人码垛系统组成

工业机器人码垛系统在实际应用中并不是由机器人独立工作的，而是配合自动化设备进行系统工作。工业机器人码垛系统一般由4个子系统共同组成，电气控制子系统控制整个码垛系统的工作流程和节拍。物料传输子系统将物料传输到机器人工作区域，由机器人将物品拾取码放到自动托盘系统，当机器人码完一垛货物，自动托盘输送系统自动传输到指定位置，由叉车或其他转运设备进行输送。每个子系统包括模块如图1所示。

码垛机器人系统：机器人本体，机器人控制器，机器人抓手，安全护栏及底座等。

自动托盘输送系统：托盘库，轻/重载输送机，重载滚筒线，升/降移栽机等。

物料输送系统：皮带输送线，气动推倒装置，直线滑道，螺旋滑道，转弯辊道线。上压平装置，下震动输送线，物料整形装置，掉头装置等。

电气及电动系统：PLC，气路设备，变压器，检测传感器，动力电机等。

2 工业机器人码垛应用的特点

（1）高精度定位，快速搬运夹取，缩短作业节拍，生产效率。

（2）机器人作业稳定可靠，减少工作失误，提高产品质量。

（3）无疲劳连续作业，全天候工作，扩大工厂产能。

（4）结构简单、零部件少。因此零部件的故障率低、性能可靠、保养维修简单。

（5）占地面积少。有利于客户厂房中生产线的布置，并可留出较大的库房面积。

（6）能耗低。通常机械式的码垛机的功率在26 kW左右，而码垛机器人的功率为5 kW左右，大大降低了的运行成本。

3 工业机器人码垛应用存在的问题

3.1 码垛抓手问题

码垛机器人能够在不同的作业任务情况下工作，主要取决于机器人法兰盘抓手的设计。机器人抓手的品质和性能直接影响工业搬运机器人的工作质量和效率。传统搬运机器人抓手由纯机械部件组成，结构复杂、整体笨重、动作速度慢、不具备自动检测、控制位置能力、控制精度低、受工作环境温度和工件重量影响会产生运动不到位等众多问题，影响搬运机器人的正常工作效率，在生产中存在安全隐患，针对不同的物品设计特定的抓手工业机器人才可以作业。但是，面对工业生产制造中，在同一工位上，可能会出现不止一种的产品规格，这种情况下机器人只能特定地抓取，无法满足品种多样化地抓取。由此一来，机器人抓手的选择和设计显得格外重要。针对这种情况，急需设计出一种自适应，多功能的机器人抓手。

3.2 自动识别抓取问题

在工业机器人码垛和分拣作业过程中，由于产品种类的多样化，需要根据物品的类别进行分类拾取码垛，将同一条流水线上的物品，搬运到不同的托盘上。其次，物品在传输过程中待抓取位置可能不固定，这就需要机器人能够自主识别物品抓取点的位置。因此，选择化的识别抓取对码垛机器人的应用十分重要。

3.3 运动路径规划

工业机器人在码垛应用中，单位时间内码垛次数，是衡量工业机器人性能的很重要的一个指标，特别对于高吐量的产线来说，工业机器人的码垛速率，决定了整个产线的产能。影响机器人码垛效率的因素有很多，象伺服电机的性能，负载强度，机器人的机械结构等，特别是机器人将物品码放成不同的垛型，码垛摆放的顺序也是影响码垛效率的关键因素。当码垛顺序固定后机器人运动路径的优化对提高效率有很大帮助，如果是搬运到同一终点，机器人路径选取不同，机器人运动解算结果差异很大，最终速度差也很大。所以，机器人运动路径和码放垛型顺序的设计对机器人工作效率的提升起到关键作用。

4 关键解决技术

4.1 自适应抓手

该文为了实际工作需要设计了一种具有自动检测、控制位置能力的工业搬运机器人自动抓手，以解决现有技术存在的控制精度低、工作效率低及存在安全隐患等问题。机器人夹爪自动控制器的中央处理器内预置工作程序，可与工业搬运机器人的主控制器建立通信，当搬运机器人到达拾取工件位置时，依据搬运机器人主控制器的指令开始抓取，抓手夹取过程受负反馈作用，当检测抓手压力变化时，自动调节电机扭矩已达到抓取力度和行程的控制。如此一来，对于不同规格的物品，一种夹爪就可以满足抓取任务，减少了频繁更换夹具的流程，提高了码垛工作的效率。

4.2 机器视觉系统

机器人视觉系统包括CCD数字相机、镜头、光源、机器人本体控制系統。CCD数字相机通过交换机与工业计算机连接，电气控制柜接入交换机，相机单元对物品的图片拍摄，数据采集，并通过交换机传输至工业计算机，工业计算机对采集到的备份件物品图片进行图像处理和精准定位后，通过交换机向机器人控制系统发送控制信号。这种技术解决了传统码垛在产品种类多，位置多变的情况下的码垛问题，在分拣码垛作业中提高了工作效率，让码垛机器人更加智能化，人性化。

4.3 垛型设计和运动路径优化

要想提高机器人工作效率，必须对垛型设计和运动路径合理设计。对运动优化进行深入研究，提出了路径规划和轨迹规划综合优化的方法，来同时优化这2个相互耦合的过程。在路径规划后，采用B样条插值的方法对离散路径进行拟合得到光滑路径，为了得到路徑的光滑程度有一个量化的表示，采用模糊控制器来控制路径的修正幅度，进而求得机器人沿该路径运行的最小时间。再结合实际分析了时间最优轨迹规划的特点，采用参数化表示的方法降低动力学模型的维数和动态规划法求取最优时间来控制机器人码垛运动。对于机器人码垛的摆放顺序，根据摆放的方向，层数，每层个数的需要，以由远到近，相邻摆放的原则设计摆放顺序可以缩短路径的总和，已达到提高码放效率的目的。

5 未来发展方向

5.1 云端控制化

制造业的无人化或许将为中国制造业的升级提供一条路径。目前工业机器人的应用多是处在独立的工作站中，每个机器人是独立的。未来针对比较复杂的生产工艺，生产信息需要共享，需要远程监控机器人，所以云端控制化是机器人的一个重要发展方向。云端控制需要解决关键问题是需要网关转化不同的通信协议，远程服务器储存大量机器人工作案例，针对当前机器人工作的内容，从云端匹配工作案例，对机器人运动进行远程控制。虽然近年来，出现不少远程控制机器人的案例，但是要想控制机器人使其满足复杂的环境和工作内容，还需要对机器人的运动数据和通信数据进行进一步研究。

5.2 多传感器信息融合化

目前工业机器人的应用多是在工作站或流水线，还没有与人的接触和配合，未来针对比较复杂的生产工艺，人和机器人的协作将会是一个非常重要的发展方向随着工业机器人的工作内容的复杂性提高，机器人需要变得更加智能，来感知周围环境信息，才能够规划下一决策和行为。这就需要借助传感器系统的多个传感器信息融合，以检测多变的外部环境，做出判断和决策，其实质类似于人的五官和身体的综合感觉功能，包括视觉、触觉、力觉、滑觉、接近觉、压觉、听觉、味觉、嗅觉、温觉等。研究包括各类传感信息的采集及融合处理、传感器与驱动器一体化技术、感觉功能继承模块等。目前，很多大型工厂都有大量的工业机器人，它们与人力一起，为社会工业化生产创造了不计其数的价值。目前的工业机器人仍旧在不停地发生着技术上的改进，特别是随着MEMS加速度传感器、陀螺仪、压力传感器等智能化元器件的更新与改进，工业机器人也会借助传感器技术使它们变得更智能、使用更安全，从而激发提供更大的价值和更多潜能。

参考文献

[1]胡洪国，高建华，杨汝清.码垛技术综述[J].组合机床与自动化加工技术， 2000（6）：7-9.

[2]郭洪红.工业机器人技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006.

[3]段峰，王耀南，雷晓峰，等.机器视觉技术及其应用综述[J].白动化博览，2002（3）：59-61.

[4]孙中国.基于机器视觉的面粉贷码垛机器人研究[D].济南：山东建筑大学，2015.

[5]孙迪生，王炎.机器人控制技术[M].北京：机械工业出版社，1997.

[6]梅江平.高速包装机器人技术与应用[J].机器人技术与应用，2007（5）：18-20.

[7]毕胜.国内外工业机器人的发展现状[J].机械工程师，2008（7）：5-7.