码垛机器人存在的问题及对策
作者：昱庄机械研究所
文章目录
∙存在问题
∙解决对策
∙结语
尽管日、德、瑞等发达国家的码垛机器人研发工作取得了很大的成果，我国近几年的自主研发也取得了一定的成绩，但是目前仍存在一些问题需要改进，存在一些难题需要攻破。
ABB码垛机器人
存在问题
1)码垛能力有限。码垛机器人的工作能力与其机械结构、工作空间、灵活性有关。笨重复杂的机械结构必然导致机器人活动空间和灵活性能大大下降。目前，国内外码垛机器人多采用2个并联平行四边形机构控制腕部摆动的关节型机器人，这样取消了腕部电机，减少了一个关节的控制，同时四边杆起到平衡作用，但机器人前大臂、后大臂以及小臂构成的四边形限制了末端执行器工作空间的提高；而且四连杆机构也增加了机器人本体结构的复杂性和重量，降低了机器人运动的灵活性，必然会影响工作效率。
2)适应能力有待提高。现代工业生产具有小批量多品种、更新换代频繁、分工细化的特点，码垛机器人必须面对一机多产品、一机多盘、一机多线等情况。产品(或包装件)的尺寸参数和码垛模式是事先编好程序输入码垛机器人的，机器人本
身无法对对象进行识别。一旦产品(或包装件)类型、参数发生频繁变化，必然导致码垛机器人无法快速识别，空等时间过长，无法适应对象和环境的快速变化。
3)可靠性、稳定性需提高。相比焊接、装配等作业的复杂性，码垛机器人只需完成抓取、码放等相对简单的工作，因此，码垛机器人的可靠性、稳定性相比其他类型的机器人要低。由于工业生产速度高，而
且抓取、搬运、码放动作不断重复，这就要求码垛机器人具有较高的运动平稳性和重复精度，以确保不会产生过大
的累积误差。
4)智能化程度有限。码垛机器人要求能够长时间工作，故障率要低，并能适应包装环境和操作对象参数的变化，而且生产速度快速增长要求设备高速运转, 进而要求配备先进的自动控制装置及配套设施，以确保机器人运行平稳、操作人员以及操作对象的安全，因此要求机器人本身具有监控、检测、警示、诊断、修复等智能功能。
5)机器视觉技术需不断完善。机器视觉技术的运用提高了机器人对产品和包装件的适应能力，但在获取物体三维信息和运动物体的有效图像方面，还存在一些尚未解决的难题，提高图像处理算法速度也是目前急需解决的问题。
6)成本高、品种繁多。码垛机器人的设计、制造是一项系统工程，费时费力，其操作环境和对象具有多样性，用户需求也有多样性，导致品种规格繁多、零部件质量低、结构性能差、整机外观缺乏美感，不利于企业的批量化、规范化运作，无法降低成本，市场竞争力低下，而且设备的使用和维护都需要相当高的费用和技术水平。物流包装企业生产和管理相对落后、不规范等原因，导致码垛机器人需求量很小。
7)微型、高负载型码垛机器人的研发有待提高，码垛机器人的应用范围有待拓宽。目前用于食品、药品的微小型码垛机器人以及重、大型包装的高负载型码垛机器人为数较少，开发力度有限。而且码垛机器人的应用主要集中在常规环境中，高温、高湿、低温等这些特殊环境会对机器人本体的金属、润滑油等造成严重的影响，必然导致码垛机器人无法正常运作。因此，码垛机器人在特殊环境下的应用技术有待提高。
解决对策
为了很好地解决以上问题，解除限制码垛机器人产业发展的因素，可以从以下几方面加强探索和研究:
1)采用优化设计的模块化、可重构化机械结构。取消并联平行四边形的机构形式，采用集成式模块化关节驱动系统，将伺服电机、减速器、检测系统三位一体化，简化机器人本体结构。探索新的高强度轻质材料或复合材料，进一步提高机器人的耐受性、负载和自重比。重视产品零部件和辅助材料质量，如轴承和润滑油，努力提高零部件及配套件的设计、制造精度，从而提高机器人整体运动动作的精准性、可靠性。开发多功能末端执行器，不需更换零部件，便可实现对箱类、盒类、
袋类、桶类包装件以及托盘的操作。将机器人本体安装在滑轨上，可进一步提高机器人的工作空间。
2)研究开放式、模块化控制系统，重点是基于PC的开放型控制器，实现机器人控制的标准化、网络化。
开发模块化、层次化、网络化的开放型控制器软件体系，提高在线编程的可操作性，重点研究离线编程的实用化，实现机器人的监控、故障诊断、安全维护以及网络通讯等功能，从而提高机器人工作的可靠性和稳定性。
在线编程和离线编程的特点3)采用视觉、力觉、触觉、温湿度传感器等多传感器融合技术，对目标对象和周围环境进行建模和决策控制，可实现机器人对不同类型、不同重量包装件或包装物的识别，测量三维参数，精确确定其实际位姿，检测产品和包装外观缺陷，并对后续操作做出判断和决策，如计算码垛模式，末端执行器采用何种执行方式、吸持(或夹持)力度等。
4)开发或优化控制算法、视觉系统图像处理算法以及软件算法，提高机器视觉硬件技术水平，缩短机器人反应、处理、动作的时间，提高运动速度和工作效率。
5)为了提高生产微小型产品，如糖果、药品等食品、医药企业的包装码垛能力，并联机器人是未来发展的方向，重点研究如何优化设计每个零部件的结构尺寸以获得最大速度。并联码垛机器人与串联码垛机器人的多机器人串/并联工作布局，可以实现包装码垛高速化。
6)构建模块化、通用化、标准化、系列化的机器人硬件体系和软件体系，可大大降低机器人设计、制造、操作、编程、维护保养的费用；制定物流包装码垛行业标准和相应政策，探索发展模式，规范化运作；政府鼓励企业生产和应用机器人，针对危险恶劣的工作环境，强制使用码垛机器人，可大大增加码
垛机器人生产和应用的需求。
结语
从国外码垛机器人的研究现状来看，目前的研究正处在实用推广阶段，我国在这方面的研究正处在自主研发的起步阶段。要想让码垛机器人在我国物流包装行业推广开来，必须对我国国情和行业现状进行深入广泛的调查研究，针对企业生产情况、客户要求以及码垛机器人存在的问题与不足，研究开发码垛机器人的新功能、新特点，以适应企业生产的实际情况，并积极探索码垛机器人产业发展模式。另外，高负载型机器人、并联机器人、多智能体调控技术、远程遥控、网络化机器人控制技术以及机器视觉高精度检测和引导，将是工业机器人及其在包装码垛方面的重点发展方向。在不久的将来，码垛机器人技术会越来越完善和成熟，在国家政策的支持下，机器人软、硬件研发力度及人才队伍建设不断加大，机器人知识的广泛普及，将使码垛机器人广泛应用于工业生产中，并最终走向产业化。

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