0前言
機器人最早應用於工業自動化領域，主要用來協助人類完成單調、頻繁和重複的長時間工作，隨著社會進步、科學技術發展和人工智能技術研究的深入，各式各樣具有感知、決策、行動和交互能力，可適應不同領域特殊要求的智能機器人相繼被研發，機器人已在某些領域逐步取代人類，獨立從事相關工作。
國際標準化組織認為：機器人是一種“自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，執行各種任務”[1]。
隨著科技的不斷進步，機器人逐步地出現在人們視野中。不同的生產生活需求，造就了各種各樣的機器人。工業機器人和特種機器人是機器人應用中的兩大類，兩者的發展水平代表了生產和生活的水平。前者相對於後者，成熟度更高，應用範圍更廣。
工業機器人是集機械、電子、控製、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術於一體的機電一體化設備，被稱為工業自動化的三大支持技術之一，代表了機電一體化發展的最高成就；按基本動作機構可分為：直角坐標機器人、柱麵坐標機器人、球麵坐標機器人、多關節型機器人。本文所研究的麵粉袋碼垛機器人是四自由度關節型機器人。
麵粉袋碼垛，就是將輸送到生產線末端的麵粉包裝袋按照規定的形式堆放到運送設備上，來實現麵粉袋的單元化裝卸、運輸。傳統的麵粉生產企業一般用人工來完成碼垛的作業，無法保障工作的效率。既耽誤了生產，又增加了生產成本。機器人技術的發展， 對於碼垛作業來說是一個機遇，實現了其整個過程的自動化。碼垛機器人的出現降低了人工成本、提高了生產效率和企業的自動化水平。目前不僅麵粉行業，像物流等行業也應用非常廣泛。
1.1國內外碼垛機器人的研究現狀
1959 年，第一台工業機器人的誕生，開啟了現代機器人發展的大門。工業機器人因社會生產所需，在 20 世紀末發展的異常迅速。從完成簡單的抬起動作到實現生產的完全自動化，機器人技術取得了跨越式的發展。從近幾年推出的產品來看，碼垛機器人技術正向智能化、模塊化和係統化方向發展，其發展趨勢主要為：結構的模塊化和可重構化；控製技術的開放化、PC 化和網絡化；伺服驅動技術的數字化和分散化；多傳感器融合技術的實用化；工作環境設計的優化和作業的柔性化等[3]。
1國外碼垛機器人的研究現狀
西歐、日美等發達國家，得益於工業革命，機器人技術起步比較早。工業機器人代替人力勞動進行生產作業早已普及。日本和瑞典是最先提出應用工業機器人技術的兩個國家，率先生產出了碼垛機器人和電控式搬運機器人[4]。隨著經濟的發展和人口老齡化趨勢加重，工業機器人已經成為一種標準設備。然而，隨著工業機器人技術的不斷成熟， 機器人行業卻沒有形成硬件和軟件上的標準化，通用性不高。
目前國外機器人發展格局非常明朗，形成了以日本、發那科，瑞典和德國四大家族領導國際市場的局麵。日本某公司生產的水平關節型碼垛機器人、德國某公司設計的垂直關節型碼垛機器人和瑞典某公司出售的碼垛機器人無論是技術的先進性還是市場應用的廣泛性都走在世界的前沿。
Motoman-Mpl100 工業碼垛機器人是日本生產的一種應用於飼料加工行業的機器人，具有全自動飼料碼垛係統。其係統結構簡單，運行可靠，擁有很好的人機交互能力。該碼垛機器人占地麵積小，生產效率高，適用於絕大多數的飼料生產企業。ABB IRB460 碼垛機器人是全球最快的碼垛機器人，操作節拍最高可達 2000 多次循環/小時。該機器人到達距離為 2.4 米，與其他碼垛條件類似的產品相比，占地麵積節省20%，運行速度則快15%[5-6]。目前該機器人已經在生產線上實現高速、高效、高質量的應用；德國某碼垛機器人是一種帶有五根被動軸的 4 軸機器人，其作用範圍非常大，最大為 3195mm。180 PA 碼垛機器人特有的 FEM 有限元技術最優化的運動結構能夠保證堆垛流程有效率的進行[7]。該機器人機械臂采用特殊的CFK 材料，慣性力矩小，能實現更高的加速度值。FANUC robot m-410ib 係列碼垛機器人是一款大型物流智能機器人，主要用於搬運、碼垛，碼垛重量從 160Kg 到 700Kg 不等[8-9]。該機器人采用了先進的圖像采集係統，能夠快速識別物體形狀從而找到其所在的位置，經過智能化高性能控製器計算出物體的精確位置坐標， 完成碼垛任務。它的控製部分完全嵌裝於機器人基座裏麵，不需要電纜連接，容易設置。
1.1.2國內碼垛機器人的研究現狀
我國在上世紀 70 年代開始對工業機器人研究與應用，且初期發展比較緩慢，直到改革開放後才開始進入快速發展階段[10-11]。經過近幾十年的不斷努力，我國已經具備自主研發、生產碼垛機器人的能力。
隨著國內自動化水平的提高，上海交通大學、哈爾濱工業大學、北京航空航天大學等高等院校，都設立了自己的機器人研究中心或實驗室。有的高校與企業聯合，充分發揮各自優勢，開發、生產出了新型機器人。哈爾濱工業大學作為國內高等院校碼垛機器人技術的領頭羊，通過國家“863”計劃，研製出每小時可達 800 袋的碼垛機器人，打破了國外產品的壟斷。沈陽新鬆機器人自動化股份有限公司，是國內第一家上市的機器人公司，代表了國內機器人研發的最高水平[12]。其生產的全新 SRM120A 碼垛機器人，秉承“滿足高速現代物流”的核心設計理念。其維護成本較低，耐磨性好，可以同時滿足多條生產線末端的碼垛任務。而且使用性強，在碼垛重量範圍內對碼垛體的幾何尺寸沒有特殊的要求。上海交通大學和某包裝科技公司在研究國外先進機器人技術的基礎上，總結經驗與技術，推出了新一代 TPR 係列碼垛機器人。該機器人的力學性能相對於前一代產品來說更好，結構輕盈、強度大、變形量卻相對較小。基於工業PC 的控製器係統以及碼垛現場 3D 仿真和自動幹涉檢測,大大提高了係統的可靠性、易操作性和可維修性[13]。
目前，我國碼垛機器人種類比較單一，主要的結構形式為 4 自由度混合式，分為直角坐標型和關節型兩大類。直角坐標型碼垛機器人具有控製簡單、定位精度高等優點， 但其占據的空間比較大、工作範圍相對較小。關節型碼垛機器人機身輕巧、靈活，但其承載力相對較小。2013 年我國已經成為世界最大的機器人市場，銷量達到了近3.7 萬台， 同比增長60%。2016 年，中國機器人存量占世界比重的13%，市場增速大大超過其它主要國家[14]。
總的來說，我國機器人技術雖然與一些發達國家存在一定的差距，但我國的機器人不論是技術還是市場都在飛速的發展。對於勞動密集的碼垛機器人來說，其發展前景是相當可觀的。

作者：郭吉冬

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