工業(yè)機器人作為工業(yè)自動(dòng)化的典型裝備，促進(jìn)經(jīng)濟活動(dòng)中各行各業(yè)的發(fā)展。工業(yè)碼垛機器人更是以低廉的成本、高效的作業(yè)優(yōu)勢，將人從繁重、單一的堆垛勞作中解放出來(lái)，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期。碼垛機器人可以代替人工進(jìn)行貨物分類(lèi)、搬運和裝卸，特別是代替人類(lèi)搬運危險物品，象放射物質(zhì)、有毒物質(zhì)等，降低工人的勞動(dòng)強度，保證工人的人身安全。實(shí)現自動(dòng)化、智能化、無(wú)人化。
工業(yè)機器人碼垛系統適用于化工、建材、飼料、食品、飲料、啤酒、自動(dòng)化物流等行業(yè)，主要對生產(chǎn)制造過(guò)程中流水線(xiàn)上的產(chǎn)品進(jìn)行拾取、分揀。特別是在倉儲物流業(yè)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(shí)現自動(dòng)化生產(chǎn)是推動(dòng)企業(yè)發(fā)展的有效手段。
1、工業(yè)機器人碼垛系統組成
工業(yè)機器人碼垛系統在實(shí)際應用中并不是由機器人獨立工作的，而是配合自動(dòng)化設備進(jìn)行系統工作。工業(yè)機器人碼垛系統一般由4個(gè)子系統共同組成，電氣控制子系統控制整個(gè)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(dòng)托盤(pán)系統，當機器人碼完一垛貨物，自動(dòng)托盤(pán)輸送系統自動(dòng)傳輸到位置，由叉車(chē)或其他轉運設備進(jìn)行輸送。每個(gè)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(dòng)托盤(pán)輸送系統：托盤(pán)庫，輕/重載輸送機，重載滾筒線(xiàn)，升/降移栽機等。
物料輸送系統：皮帶輸送線(xiàn)，氣動(dòng)推倒裝置，直線(xiàn)滑道，螺旋滑道，轉彎輥道線(xiàn)。上壓平裝置，下震動(dòng)輸送線(xiàn)，物料整形裝置，掉頭裝置等。
電氣及電動(dòng)系統：PLC，氣路設備，變壓器，檢測傳感器，動(dòng)力電機等。
2、工業(yè)機器人碼垛應用的特點(diǎn)
(1)高精度定位，快速搬運夾取，縮短作業(yè)節拍，生產(chǎn)效率。
(2)機器人作業(yè)穩定可靠，減少工作失誤，提高產(chǎn)品質(zhì)量。
(3)無(wú)疲勞連續作業(yè)，全天候工作，擴大工廠(chǎng)產(chǎn)能。
(4)結構簡(jiǎn)單、零部件少。因此零部件的故障率低、性能可靠、保養維修簡(jiǎn)單。
(5)占地面積少。有利于客戶(hù)廠(chǎng)房中生產(chǎn)線(xiàn)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(yè)機器人碼垛應用存在的問(wèn)題
3.1碼垛抓手問(wèn)題
碼垛機器人能夠在不同的作業(yè)任務(wù)情況下工作，主要取決于機器人法蘭盤(pán)抓手的設計。機器人抓手的品質(zhì)和性能直接影響工業(yè)搬運機器人的工作質(zhì)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(dòng)作速度慢、不具備自動(dòng)檢測、控制位置能力、控制精度低、受工作環(huán)境溫度和工件重量影響會(huì )產(chǎn)生運動(dòng)不到位等眾多問(wèn)題，影響搬運機器人的正常工作效率，在生產(chǎn)中存在安全隱患，針對不同的物品設計特定的抓手工業(yè)機器人才可以作業(yè)。但是，面對工業(yè)生產(chǎn)制造中，在同一工位上，可能會(huì )出現不止一種的產(chǎn)品規格，這種情況下機器人只能特定地抓取，無(wú)法滿(mǎn)足品種多樣化地抓取。由此一來(lái)，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(dòng)識別抓取問(wèn)題
在工業(yè)機器人碼垛和分揀作業(yè)過(guò)程中，由于產(chǎn)品種類(lèi)的多樣化，需要根據物品的類(lèi)別進(jìn)行分類(lèi)拾取碼垛，將同一條流水線(xiàn)上的物品，搬運到不同的托盤(pán)上。其次，物品在傳輸過(guò)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(diǎn)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(dòng)路徑規劃
工業(yè)機器人在碼垛應用中，單位時(shí)間內碼垛次數，是衡量工業(yè)機器人性能的很重要的一個(gè)指標，特別對于高吐量的產(chǎn)線(xiàn)來(lái)說(shuō)，工業(yè)機器人的碼垛速率，決定了整個(gè)產(chǎn)線(xiàn)的產(chǎn)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(guān)鍵因素。當碼垛順序固定后機器人運動(dòng)路徑的優(yōu)化對提高效率有很大幫助，如果是搬運到同一終點(diǎn)，機器人路徑選取不同，機器人運動(dòng)解算結果差異很大，最終速度差也很大。所以，機器人運動(dòng)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(guān)鍵作用。
4、關(guān)鍵解決技術(shù)
4.1自適應抓手
該文為了實(shí)際工作需要設計了一種具有自動(dòng)檢測、控制位置能力的工業(yè)搬運機器人自動(dòng)抓手，以解決現有技術(shù)存在的控制精度低、工作效率低及存在安全隱患等問(wèn)題。機器人夾爪自動(dòng)控制器的處理器內預置工作程序，可與工業(yè)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(shí)，依據搬運機器人主控制器的指令開(kāi)始抓取，抓手夾取過(guò)程受負反饋作用，當檢測抓手壓力變化時(shí)，自動(dòng)調節電機扭矩已達到抓取力度和行程的控制。如此一來(lái)，對于不同規格的物品，一種夾爪就可以滿(mǎn)足抓取任務(wù)，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(jué)系統
機器人視覺(jué)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(guò)交換機與工業(yè)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(guò)交換機傳輸至工業(yè)計算機，工業(yè)計算機對采集到的備份件物品圖片進(jìn)行圖像處理和精準定位后，通過(guò)交換機向機器人控制系統發(fā)送控制信號。這種技術(shù)解決了傳統碼垛在產(chǎn)品種類(lèi)多，位置多變的情況下的碼垛問(wèn)題，在分揀碼垛作業(yè)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(dòng)路徑優(yōu)化
要想提高機器人工作效率，必須對垛型設計和運動(dòng)路徑合理設計。對運動(dòng)優(yōu)化進(jìn)行深入研究，提出了路徑規劃和軌跡規劃綜合優(yōu)化的方法，來(lái)同時(shí)優(yōu)化這2個(gè)相互耦合的過(guò)程。在路徑規劃后，采用B樣條插值的方法對離散路徑進(jìn)行擬合得到光滑路徑，為了得到路徑的光滑程度有一個(gè)量化的表示，采用模糊控制器來(lái)控制路徑的修正幅度，進(jìn)而求得機器人沿該路徑運行的最小時(shí)間。再結合實(shí)際分析了時(shí)間軌跡規劃的特點(diǎn)，采用參數化表示的方法降低動(dòng)力學(xué)模型的維數和動(dòng)態(tài)規劃法求取時(shí)間來(lái)控制機器人碼垛運動(dòng)。對于機器人碼垛的擺放順序，根據擺放的方向，層數，每層個(gè)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(lái)發(fā)展方向
5.1云端控制化
制造業(yè)的無(wú)人化或許將為中國制造業(yè)的升級提供一條路徑。目前工業(yè)機器人的應用多是處在獨立的工作站中，每個(gè)機器人是獨立的。未來(lái)針對比較復雜的生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)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(gè)重要發(fā)展方向。云端控制需要解決關(guān)鍵問(wèn)題是需要網(wǎng)關(guān)轉化不同的通信協(xié)議，遠程服務(wù)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(dòng)進(jìn)行遠程控制。雖然近年來(lái)，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(mǎn)足復雜的環(huán)境和工作內容，還需要對機器人的運動(dòng)數據和通信數據進(jìn)行進(jìn)一步研究。
5.2多傳感器信息融合化
目前工業(yè)機器人的應用多是在工作站或流水線(xiàn)，還沒(méi)有與人的接觸和配合，未來(lái)針對比較復雜的生產(chǎn)工藝，人和機器人的協(xié)作將會(huì )是一個(gè)非常重要的發(fā)展方向隨著(zhù)工業(yè)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(lái)感知周?chē)h(huán)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(gè)傳感器信息融合，以檢測多變的外部環(huán)境，做出判斷和決策，其實(shí)質(zhì)類(lèi)似于人的五官和身體的綜合感覺(jué)功能，包括視覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)、滑覺(jué)、接近覺(jué)、壓覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)、溫覺(jué)等。研究包括各類(lèi)傳感信息的采集及融合處理、傳感器與驅動(dòng)器一體化技術(shù)、感覺(jué)功能繼承模塊等。目前，很多大型工廠(chǎng)都有大量的工業(yè)機器人，它們與人力一起，為社會(huì )工業(yè)化生產(chǎn)創(chuàng )造了不計其數的價(jià)值。目前的工業(yè)機器人仍舊在不停地發(fā)生著(zhù)技術(shù)上的改進(jìn)，特別是隨著(zhù)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(jìn)，工業(yè)機器人也會(huì )借助傳感器技術(shù)使它們變得更智能、使用更安全，從而激發(fā)提供更大的價(jià)值和更多潛能。
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