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工業機器人作為工業自動化的典型裝備，促進經濟活動中各行各業的發展。工業碼垛機器人更是以低廉的成本、高效的作業優勢，將人從繁重、單一的堆垛勞作中解放出來，提高生產效率，降低生產成本，縮短生產周期。碼垛機器人可以代替人工進行貨物分類、搬運和裝卸，特別是代替人類搬運危險物品，象放射物質、有毒物質等，降低工人的勞動強度，保證工人的人身安全。實現自動化、智能化、無人化。
工業機器人碼垛系統適用于化工、建材、飼料、食品、飲料、啤酒、自動化物流等行業，主要對生產制造過程中流水線上的產品進行拾取、分揀。特別是在倉儲物流業中，碼垛機器人的工作效率直接決定貨物的吞吐量。所以，采用機器人碼垛實現自動化生產是推動企業發展的有效手段。
1、工業機器人碼垛系統組成
工業機器人碼垛系統在實際應用中并不是由機器人獨立工作的，而是配合自動化設備進行系統工作。工業機器人碼垛系統一般由4個子系統共同組成，電氣控制子系統控制整個碼垛系統的工作流程和節拍。物料傳輸子系統將物料傳輸到機器人工作區域，由機器人將物品拾取碼放到自動托盤系統，當機器人碼完一垛貨物，自動托盤輸送系統自動傳輸到指定位置，由叉車或其他轉運設備進行輸送。每個子系統包括模塊如圖1所示。
碼垛機器人系統：機器人本體，機器人控制器，機器人抓手，安全護欄及底座等。
自動托盤輸送系統：托盤庫，輕/重載輸送機，重載滾筒線，升/降移栽機等。
物料輸送系統：皮帶輸送線，氣動推倒裝置，直線滑道，螺旋滑道，轉彎輥道線。上壓平裝置，下震動輸送線，物料整形裝置，掉頭裝置等。
電氣及電動系統：PLC，氣路設備，變壓器，檢測傳感器，動力電機等。
2、工業機器人碼垛應用的特點
(1)高精度定位，快速搬運夾取，縮短作業節拍，生產效率。
(2)機器人作業穩定可靠，減少工作失誤，提高產品質量。
(3)無疲勞連續作業，全天候工作，擴大工廠產能。
(4)結構簡單、零部件少。因此零部件的故障率低、性能可靠、保養維修簡單。
(5)占地面積少。有利于客戶廠房中生產線的布置，并可留出較大的庫房面積。
(6)能耗低。通常機械式的碼垛機的功率在26 kW左右，而碼垛機器人的功率為5 kW左右，大大降低了的運行成本。
3、工業機器人碼垛應用存在的問題
3.1碼垛抓手問題
碼垛機器人能夠在不同的作業任務情況下工作，主要取決于機器人法蘭盤抓手的設計。機器人抓手的品質和性能直接影響工業搬運機器人的工作質量和效率。傳統搬運機器人抓手由純機械部件組成，結構復雜、整體笨重、動作速度慢、不具備自動檢測、控制位置能力、控制精度低、受工作環境溫度和工件重量影響會產生運動不到位等眾多問題，影響搬運機器人的正常工作效率，在生產中存在安全隱患，針對不同的物品設計特定的抓手工業機器人才可以作業。但是，面對工業生產制造中，在同一工位上，可能會出現不止一種的產品規格，這種情況下機器人只能特定地抓取，無法滿足品種多樣化地抓取。由此一來，機器人抓手的選擇和設計顯得格外重要。針對這種情況，急需設計出一種自適應，多功能的機器人抓手。
3.2自動識別抓取問題
在工業機器人碼垛和分揀作業過程中，由于產品種類的多樣化，需要根據物品的類別進行分類拾取碼垛，將同一條流水線上的物品，搬運到不同的托盤上。其次，物品在傳輸過程中待抓取位置可能不固定，這就需要機器人能夠自主識別物品抓取點的位置。因此，選擇化的識別抓取對碼垛機器人的應用十分重要。
3.3運動路徑規劃
工業機器人在碼垛應用中，單位時間內碼垛次數，是衡量工業機器人性能的很重要的一個指標，特別對于高吐量的產線來說，工業機器人的碼垛速率，決定了整個產線的產能。影響機器人碼垛效率的因素有很多，象伺服電機的性能，負載強度，機器人的機械結構等，特別是機器人將物品碼放成不同的垛型，碼垛擺放的順序也是影響碼垛效率的關鍵因素。當碼垛順序固定后機器人運動路徑的優化對提高效率有很大幫助，如果是搬運到同一終點，機器人路徑選取不同，機器人運動解算結果差異很大，最終速度差也很大。所以，機器人運動路徑和碼放垛型順序的設計對機器人工作效率的提升起到關鍵作用。
4、關鍵解決技術
4.1自適應抓手
該文為了實際工作需要設計了一種具有自動檢測、控制位置能力的工業搬運機器人自動抓手，以解決現有技術存在的控制精度低、工作效率低及存在安全隱患等問題。機器人夾爪自動控制器的中央處理器內預置工作程序，可與工業搬運機器人的主控制器建立通信，當搬運機器人到達拾取工件位置時，依據搬運機器人主控制器的指令開始抓取，抓手夾取過程受負反饋作用，當檢測抓手壓力變化時，自動調節電機扭矩已達到抓取力度和行程的控制。如此一來，對于不同規格的物品，一種夾爪就可以滿足抓取任務，減少了頻繁更換夾具的流程，提高了碼垛工作的效率。
4.2機器視覺系統
機器人視覺系統包括CCD數字相機、鏡頭、光源、機器人本體控制系統。CCD數字相機通過交換機與工業計算機連接，電氣控制柜接入交換機，相機單元對物品的圖片拍攝，數據采集，并通過交換機傳輸至工業計算機，工業計算機對采集到的備份件物品圖片進行圖像處理和精準定位后，通過交換機向機器人控制系統發送控制信號。這種技術解決了傳統碼垛在產品種類多，位置多變的情況下的碼垛問題，在分揀碼垛作業中提高了工作效率，讓碼垛機器人更加智能化，人性化。
4.3垛型設計和運動路徑優化
要想提高機器人工作效率，必須對垛型設計和運動路徑合理設計。對運動優化進行深入研究，提出了路徑規劃和軌跡規劃綜合優化的方法，來同時優化這2個相互耦合的過程。在路徑規劃后，采用B樣條插值的方法對離散路徑進行擬合得到光滑路徑，為了得到路徑的光滑程度有一個量化的表示，采用模糊控制器來控制路徑的修正幅度，進而求得機器人沿該路徑運行的最小時間。再結合實際分析了時間最優軌跡規劃的特點，采用參數化表示的方法降低動力學模型的維數和動態規劃法求取最優時間來控制機器人碼垛運動。對于機器人碼垛的擺放順序，根據擺放的方向，層數，每層個數的需要，以由遠到近，相鄰擺放的原則設計擺放順序可以縮短路徑的總和，已達到提高碼放效率的目的。
5、未來發展方向
5.1云端控制化
制造業的無人化或許將為中國制造業的升級提供一條路徑。目前工業機器人的應用多是處在獨立的工作站中，每個機器人是獨立的。未來針對比較復雜的生產工藝，生產信息需要共享，需要遠程監控機器人，所以云端控制化是機器人的一個重要發展方向。云端控制需要解決關鍵問題是需要網關轉化不同的通信協議，遠程服務器儲存大量機器人工作案例，針對當前機器人工作的內容，從云端匹配工作案例，對機器人運動進行遠程控制。雖然近年來，出現不少遠程控制機器人的案例，但是要想控制機器人使其滿足復雜的環境和工作內容，還需要對機器人的運動數據和通信數據進行進一步研究。
5.2多傳感器信息融合化
目前工業機器人的應用多是在工作站或流水線，還沒有與人的接觸和配合，未來針對比較復雜的生產工藝，人和機器人的協作將會是一個非常重要的發展方向隨著工業機器人的工作內容的復雜性提高，機器人需要變得更加智能，來感知周圍環境信息，才能夠規劃下一決策和行為。這就需要借助傳感器系統的多個傳感器信息融合，以檢測多變的外部環境，做出判斷和決策，其實質類似于人的五官和身體的綜合感覺功能，包括視覺、觸覺、力覺、滑覺、接近覺、壓覺、聽覺、味覺、嗅覺、溫覺等。研究包括各類傳感信息的采集及融合處理、傳感器與驅動器一體化技術、感覺功能繼承模塊等。目前，很多大型工廠都有大量的工業機器人，它們與人力一起，為社會工業化生產創造了不計其數的價值。目前的工業機器人仍舊在不停地發生著技術上的改進，特別是隨著MEMS加速度傳感器、陀螺儀、壓力傳感器等智能化元器件的更新與改進，工業機器人也會借助傳感器技術使它們變得更智能、使用更安全，從而激發提供更大的價值和更多潛能。
