碼垛機器人的分類及應用

黎顯偉

碼垛機器人的分類及應用

黎顯偉

（四川省機械研究設計院，四川 成都 610063）

工業機器人替代人工具有顯著優勢，智能化的工業機器人是適應全球進入工業4.0的時代需要。作為智能化工業機器人的細分領域，碼垛機器人在自動化生產中對提高生產效率起到了關鍵作用。對線性運動起重機式碼垛機器人、機械臂式碼垛機器人、并聯桿式碼垛機器人的結構、特點、應用進行分析，并對碼垛機器人智能化實現方式——RFID（電子標簽）、機器視覺以及人機交互路徑學習等先進技術進行分析。智能化碼垛機器人具備的強適應性以及動態問題解決能力，可在中國工業向工業4.0邁進以及在中國制造2025目標實現過程中，廣泛應用于自動化生產和智能制造。

工業機器人；碼垛機器人；智能化；工業4.0；中國制造2025

中國社會的老齡化問題正逐漸暴露，在工業生產方面最集中體現在適齡勞動人口數量的減少。從2004年開始，沿海各地就已經開始出現用工荒、民工荒。伴隨而來的問題則是勞動力缺失，以及勞動力成本上漲。

我國可以從德國工業發展中借鑒的經驗就是在工業生產中引入工業機器人來代替人工進行簡單重復的工作。總體來說，引入工業機器人將帶來以下三個優勢：

（1）經濟性：雖然在起步階段需要投入大量資金來重新排布生產線，但在維護方面則比日益高昂的人工費要實惠很多。如若排布得當、訂單持續，隨著時間的推移和生產的繼續，將前期投入和維護成本平攤在整個生產周期的話，引入工業機器人相比于人工生產將是一個非常經濟的方案。

（2）高效性：理論上在沒有故障的情況下機器人可以不間斷工作。在完成同一套動作的情況下，如果機器人所用時間不多于人工所用時間，那么整個生產的效率將會得到顯著提升。

（3）高質量：機器人相對于人來說，犯錯的概率要小很多。如果前期排布校準得當，在相當長時間內，機器人生產可以實現零錯誤。這對產品整體質量的提升都是有顯著幫助的。

然而簡單的重復機械動作的機器人已然不能適應新時代背景下的生產環境。新時代環境下的市場正在逐漸被更系統地分層分塊，顧客對產品有了更多自定義的獨特要求。大規模標準化產品的生產已不再廣泛適用于依賴動態市場的企業，尤其是中小企業。企業需要將產品的定位與研發重心更多地放在用戶定制上。那么就正如德國工業4.0概念及中國制造2025目標所倡導的一樣，整個工業生產要向智能化邁進。相對應的直接在工業流水線上參與工業生產的工業機器人，也需要實現智能化，以此來適應順應市場導向的動態的生產需要。

1 碼垛機器人

物流是現代化生產中的一個重要組成部分，物流效率的高低直接影響整個企業的生產效率。自動化是提高物流效率的一個關鍵步驟，具體的措施之一就是在物流環節中引入碼垛機器人。碼垛機器人，是機械與計算機程序有機結合的產物，它能極大程度節省勞動力、節省空間，除此還具備運作靈活精準、快速高效、穩定性高、作業效率高的特點。

從結構上來分析，現有的碼垛機器人總體可以分為線性運動起重機式碼垛機器人、機械臂式碼垛機器人、并聯桿式碼垛機器人三類[1]。

1.1 線性運動起重機式碼垛機器人

線性運動起重機式碼垛機器人的普遍結構如圖1所示[2]，其構造相對簡單，主要由滑軌、線性活動電機和夾具（執行機構）構成。從運動學上分析，該類碼垛機器人的夾具活動方向固定，多為上下運動，只能滿足較簡單的堆砌或者垂直抓取的動作。圖2為德國roteg公司DERO 1型機器人。

圖1 線性運動起重機式碼垛機器人的普遍結構及夾具工作空間[3]

圖2 德國roteg公司DERO 1型機器人

相比其他兩類碼垛機器人，線性運動起重機式碼垛機器人具有以下特點：

（1）結構簡單，造價低；

（2）夾具運動可以拆分為三個平移方向運動的線性組合，夾具運動方式簡單，電機控制方法簡單；

（3）通過加大承重梁與承重柱的尺寸以及加大電機的功率，可以提升夾具的起重能力；

（4）簡單的結構造成了夾具活動方式的限制，夾具只能實現平行平面間物質的運輸。

1.2 機械臂式碼垛機器人

機械臂式碼垛機器人從廣義上來講是指采用了仿生學設計，通過幾個關鍵承重桿和關節機構的串聯來模擬人體手臂的形態，利用夾具來完成碼垛工作的機械臂。從具體夾具（執行機構）的活動范圍來看，該類型機器人又細分為SCARA式和立體式。

1.2.1 SCARA式碼垛機器人

SCARA式碼垛機器人可以視為從線性運動起重機式碼垛機器人到機械臂式碼垛機器人的過渡，如圖3所示。相比于線性運動起重機式碼垛機器人，在組成構件上，SCARA式碼垛機器人在相應關節處通過旋轉運動關節代替了線性運動關節。與之對應的，SCARA式碼垛機器人的夾具（執行機構）從起始位置移動到目標位置的運動也不再是三個方向線性運動的疊加，而是幾個旋轉關節的扇形運動和最后執行機構垂直方向線性運動的疊加[2]。

Doppelarm-Scara-Roboter Scara-Roboter

從控制系統上講，這種運動雖然在控制上需要花費更多心思，但是在比較執行器從同一起始點到同一目標點所需的時間時，SCARA式碼垛機器人比線性運動起重機式碼垛機器人需要更少的時間。所以SCARA式碼垛機器人經常被用于執行快速抓取碼垛任務，常用于食品、制藥工程[1]。

1.2.2 立體式機械臂碼垛機器人

立體式機械臂工業機器人的構造靈活，常用于如涂膠、點焊、弧焊、噴涂、搬運、測量等各種任務，而碼垛也是其能夠勝任的一項重要任務。立體式機械臂碼垛機器人擁有極高的動作靈活性，其構造很大程度地擬合了人體手臂的構造能力，從仿生學來看更貼近于人體手臂的形態，并且由于引入較多的轉動軸（如六軸），所以立體式機械臂碼垛機器人相對于其他幾類機器人有很高的活動自由度。在滿足目標點在機械臂工作空間里的前提條件下，其夾具（執行機構）理論上可以通過調控關節轉動量到達空間中的任何一點。如圖4中用于裝卸飲料的KUKA公司機械臂。

圖4 用于裝卸飲料的KUKA公司機械臂

以目標點為一個立方體（圖5）為例[2]，線性運動起重機式碼垛機器人、SCARA碼垛機器人以及并聯桿式機器人的夾具（執行機構）由于結構原因，只能觸及立方體的一到兩個平面（一對平行面）。而立體式機械臂碼垛機器人可以通過高靈活性觸及立方體的任意一面，且不論立方體繞A1、A2或A3如何轉動。這種靈活性拓展了立體式機械臂碼垛機器人的適用范圍，如圖6所示的立體式機械臂碼垛機器人在物體入庫時將物體從豎直平面抓取并放置到水平平面上。

圖5 目標點立方體

圖6 立體式機械臂碼垛機器人[4]

相對其余三種提及的機器人，立體式機械臂碼垛機器人由于運動的非線性、復雜性，所需控制系統也更加復雜，在完成從相同起始點到相同目標點的轉移時，將使用更多的時間[5]。

1.3 并聯桿式機器人

并聯桿式機器人又被形象地稱為“蜘蛛手”。它在結構上擁有一個顯著區分于其他幾類碼垛機器人的特點，即夾具通過幾個并聯的承重桿與關節連接，每一個承重桿都由一個獨立電機驅動，通過各電機之間協作控制夾具運動。并聯桿式機器人的結構[6]與夾具（執行機構）工作空間[2]如圖7所示。

圖7 并聯桿式機器人的結構及夾具活動范圍

結構特點決定并聯桿式碼垛機器人也只能實現兩個平行平面直接物體的轉移，并且各個連桿在電機驅動下做出的是非線性動作，所以控制難度相較于線性運動起重機式碼垛機器人要更為復雜一些。由于該類機器人一般采用較細連桿與配套功率的驅動電機，其夾具（執行機構）只負責夾取或吸附一些小質量物體，并在電機驅動下做快速機動。圖8展示了并聯桿式機器人的碼垛能力，整個過程用時不超過10秒，且下方平臺處于旋轉狀態中。

圖8 并聯桿式機器人碼垛能力展示[7]

由于并聯桿式機器人具有運動精準度高、運動迅速、可承載負荷小的特點，經常用于食品生產行業夾取重量小的物體，如圖9所示。

圖9 并聯桿式機器人在食品流水線快速疊放食品[8]

2 碼垛機器人的智能化

老一代的碼垛機器人機動多以固定、簡單的編程為主，工件通過流水線傳送帶或叉車被運輸到指定的固定地點，等待被碼垛機器人夾取。由于物體起始地點、物體自身大小與重量和物體運動目標地點相對固定，其運動控制多采用編程技術，機器人運動軌跡單一，具有操作簡單、動作效率高的優點。但同時，編程式碼垛機器人的工作方式極不靈活，在面對物體物質改變或物體大小與重量改變時，不能及時調整自己的動作，只能進行簡單重復的機械工作。由此引發的問題是，這類碼垛機器不具備挑選能力和動態問題處理能力，不能廣泛用在推行“智能制造”的企業里。

當代市場的動態性很大，訂單規模小、產品種類多、客戶訂制化程度高，這對于企業內部物流是一個相當大的挑戰。新一代的碼垛機器人的操作強調智能化，以此來適應由動態的市場需求、客戶需求決定的動態的生產需要。主要通過RFID（電子標簽）、機器視覺以及人機交互路徑學習等先進技術來實現碼垛機器人控制的智能化，讓其能具有動態問題解決能力。

2.1 RFID（電子標簽）

RFID（Radio Frequency Identification），即射頻識別，俗稱電子標簽，如圖10所示。

圖10 RFID射頻識別標簽[9]

RFID是一種非接觸式自動識別技術，通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，無須人工干預，可工作于各種惡劣環境。RFID技術可識別高速運動物體，并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。

RFID技術工作原理簡單、制造成本低，對流水線改造要求不高，對碼垛機器人結構不需要大的改變就可賦予其靈活的活動能力，可與上文中除并聯桿式機器人以外的其他碼垛機器人控制系統進行整合，使其具有動態問題處理能力。目前廣泛應用于自動化生產和物流。一般RFID放置于被夾取物體的本身表面或所在容器內，物體在傳送帶上運動通過掃描器，其RFID信息隨即被控制系統讀取，系統處理信息后隨機產生相應指令，控制碼垛機器人做出相應機動，如將物體從傳送帶上夾取走、或者讓其繼續跟隨傳送帶前進、亦或在傳送帶盡頭轉移至另外傳送帶或不同倉庫里，如圖11所示。

圖11 碼垛機器人將物體進行分類轉移[10]

2.2 機器視覺

RFID技術并不能適用于所有行業，因為RFID標簽本身是一個物理存在的物體，需要被安置于物體上。在食品生產、制藥等行業，出于衛生考慮或物體本身特性考慮、不能將RFID放置在物體上，或者因為物體本身產量太大、沒有足夠的RFID射頻頻段來區分每一個物體，再或者沒有必要或可能去區別每一個物體。這種情況下就特別適宜采用機器視覺技術，通過光學攝像機或LIDAR激光雷達，來識別物體環境，并將物體從環境中截取出來，提取位置信息，然后將信息發回控制系統，通過控制系統處理，控制碼垛機器人去夾取物體[3]。

在食品行業中，經常將并聯桿式機器人與機器視覺整合，機器視覺配合并聯桿式機器人的高速運動，可以高效地將傳送帶上的散裝食品分類、夾取。如圖12所示。可以看出，在這種高動態環境中，借助機器視覺技術，并聯桿式蜘蛛手機器人可以高效地分辨物體并進行夾取及分類。

圖12 并聯桿式機器人與機器視覺整合用于食品行業[11]

2.3 人機交互路徑學習

新一代機械臂式碼垛機器人具備了一定的學習能力，通過人機交互活動，能夠記憶學習新的路徑，相比之前的機器人更能適應現代動態生產環境。如圖13所示，機械臂在人的輔助下，在學習模式中記錄自己的運行軌跡和各驅動裝置的運行參數，用更直觀的方式來學習新的路徑，而不再通過專業人員編程。在這種學習模式的幫助下，機械臂式碼垛機器人可以快速適應各種新的碼垛任務，更改自己的運動路徑，更適應動態生產環境[4,12]。

3 小結

碼垛機器人的發展現已比較成熟，各類型機器人結合自身特點可以被應用在各行各業。尤其機械結構確立的動態性能可以說非常全面地覆蓋了各類碼垛任務，因此完全可以代替人工進行作業，提高生產效率、節約生產成本。配合RFID（電子標簽）、機器視覺以及人機交互路徑學習等智能化措施，各類碼垛機器人也具有了很強的適應性和動態問題的處理能力，加之控制系統的穩定性，其犯錯概率也是小于人類的，所以很好地提升了生產質量。

圖13 Roberta公司微型機械臂通過人機交互學習新路徑[13]

接下來的研究重心在于：研發更先進、更精確的控制技術，提高碼垛機器人的工作效率和精確度；并在機器視覺的幫助下，提高碼垛機器人的智能性，改善其工作靈活度，提升工作內容復雜度。

[1]Rüdiger Dillmann，Sven R. Schmidt-Rohr，Rainer J?kel. 卡爾斯魯厄工業大學機器人1課程講義，第一章《導論》[R/OL].

[2]Rüdiger Dillmann，Sven R. Schmidt-Rohr，Rainer J?kel. 卡爾斯魯厄工業大學機器人1課程講義，第二章《子系統》[R/OL].

[3]Rüdiger Dillmann，Sven R. Schmidt-Rohr，Rainer J?kel. 卡爾斯魯厄工業大學機器人1課程講義，第十章《環境建模》[R/OL].

[4]立體式機械臂碼垛機器人[R/OL]. http://www.chinanews.com/ cj/2017/08-05/8296352.shtml

[5]Rüdiger Dillmann，Sven R. Schmidt-Rohr，Rainer J?ke. 卡爾斯魯厄工業大學機器人1課程講義，第十一章《軌道規劃》[R/OL].

[6]關于機器人和自動化ICRA的活動（第三冊）[C]. IEEE Xplore會議，2003：116-4121.

[7]并聯桿式機器人碼垛能力展示[R/OL]. https://www.youtube. com/watch?v=Gv5B63HeF1E&t=53s

[8]并聯桿式機器人在食品流水線快速疊放食品[R/OL]. https:// www.youtube.com/watch?v=v9oeOYMRvuQ

[9]RFID射頻識別標簽[R/OL]. http://www.chnaltag.com/ xingyexinwen/66-59.html

[10]碼垛機器人將物體進行分類轉移[R/OL]. https://www. bastiansolutions. om/case-studies/automotive

[11]并聯桿式機器人與機器視覺整合用于食品行業[R/OL]. https:// www.youtube.com/watch?v=v9oeOYMRvuQ

[12]Rüdiger Dillmann，Sven R. Schmidt-Rohr，Rainer J?kel. 卡爾斯魯厄工業大學機器人1課程講義，第十二章《交互式編程》[R/OL].

[13]Roberta公司微型機械臂通過人機交互學習新路徑[R/OL]. https://www.youtube.com/watch?v=bHa4tR8zCLY

The Classification and Application of Palletizing Robot

LI Xianwei

( Sichuan Provincial Machinery Research & Design Institute,Chengdu 610063, China )

It is advantaged to replace the human labor force with industrial robots. The intelligentialized industrial robots are the needs of this age for the adaption, that the word is stepping into the age of industry 4.0. As one of the application fields of the intelligentialized industrial robots, the palletizing robots is crucial for the increasement of production efficiency in the automated production. In this article are the structures, features and applications of Linear palletizing robots, Palletizing robotarms and Parallel palletizing robots discussed. This artical also provides the analysis of the three major means of the realization of the Intellectualization for the palletizing robots, which are RFID(radio-frequency identification, Machine Vision and Path learning through Human-Machine Interactions. The intelligentialized industrial robots are equipped with high level Adaptability and the abilities to solve the dynamic problems. With Chinese Industry heading towards the Industy 4.0 and working on the achievement of “Made in China 2025, the intelligentialized industrial robots should be extensively applied in many fields of automated production and intelligent production.

industrial robots；palletizing robot；intellectualization；industry 4.0；Made in China 2025

U653.928.+5

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.03.008

1006－0316 (2018) 03－0029－06

2017－9－25

黎顯偉（1965－），男，重慶人，本科，高級工程師，主要從事機械工程研究及應用、智能制造研究及應用工作。