王聪聪
河南省纳禾自动化系统有限公司 河南郑州 451162
摘要：综述了国内外码垛机器人的应用和研究现状，并着重对我国码垛机器人的技术及其在工业生产中的应用状况进行了分析，指出其目前阶段面临的困难和挑战，总结了解决问题的措施、方法以及努力的方向，为码垛机器人在工业生产中的应用和发展提供借鉴。
关键词：码垛机器人；工业生产；应用状况；解决措施
码垛是按照集成单元化的思想，将一件件的物料按照一定的模式堆码成垛，以便使单元化的物垛实现物料的存储、搬运、装卸、运输等物流活动。码垛机器人作为工业机器人技术重点研究与发展方向之一，聚集了机械电子工程技术、自动控制与信息处理技术、传感器技术、人工智能技术、计算机科学等多学科相互融合的最新研究成果，是机电一体化技术的综合体现[2]。我国的机器人技术发展较晚，与西方欧美以及日韩等发达国际存在较大的差距，各种机器人技术都比较落后，尤其体现在码垛机器人领域。为此本文梳理国内外成熟码垛机器人应用案例为我国码垛机器人发展提升提供借鉴。
1关键解决技术
1.1自适应抓手
研究具有自动检测、控制位置能力的工业搬运机器人自动抓手，以解决现有技术存在的控制精度低、工作效率低及存在安全隐患等问题。机器人夹爪自动控制器的中央处理器内预置工作程序，可与工业搬运机器人的主控制器建立通信，当搬运机器人到达拾取工件位置时，依据搬运机器人主控制器的指令开始抓取，抓手夹取过程受负反馈作用，当检测抓手压力变化时，自动调节电机扭矩已达到抓取力度和行程的控制。如此一来，对于不同规格的物品，一种夹爪就可以满足抓取任务，减少了频繁更换夹具的流程，提高了码垛工作的效率。
1.2机器视觉系统
机器人视觉系统包括CCD数字相机、镜头、光源、机器人本体控制系统。CCD数字相机通过交换机与工业计算机连接，电气控制柜接入交换机，相机单元对物品的图片拍摄，数据采集，并通过交换机传输至工业计算机，工业计算机对采集到的备份件物品图片进行图像处理和精准定位后，通过交换机向机器人控制系统发送控制信号。这种技术解决了传统码垛在产品种类多，位置多变的情况下的码垛问题，在分拣码垛作业中提高了工作效率，让码垛机器人更加智能化，人性化。
1.3垛型设计和运动路径优化
要想提高机器人工作效率，必须对垛型设计和运动路径合理设计。对运动优化进行深入研究，提出了路径规划和轨迹规划综合优化的方法，来同时优化这2个相互耦合的过程。在路径规划后，采用B样条插值的方法对离散路径进行拟合得到光滑路径，为了得到路径的光滑程度有一个量化的表示，采用模糊控制器来控制路径的修正幅度，进而求得机器人沿该路径运行的最小时间。再结合实际分析了时间最优轨迹规划的特点，采用参数化表示的方法降低动力学模型的维数和动态规划法求取最优时间来控制机器人码垛运动。对于机器人码垛的摆放顺序，根据摆放的方向，层数，每层个数的需要，以由远到近，相邻摆放的原则设计摆放顺序可以缩短路径的总和，已达到提高码放效率的目的。
2我国码垛机器人技术与应用面对的困难和挑战
随着社会生产技术的提高，码垛机器人的发展也日新月异，能否跟上发达国家的科技发展水平，我国面临着严峻的考验。主要困难有：1）总体社会的科技水平相对较低，阻碍了码垛机器人技术的发展；2）码垛机器人关键技术被国外发达国家长期垄断，关键部位的零件依然需要进口，如伺服电机等，造成使用成本过高从而阻碍了发展；关键的控制算法相对于国外落后，速度控制、轨迹规划等都亟需改善和提高；3）码垛机器人的配套设施不完善，造成很多已经生产出来的机器人很难应用到实际工业生产当中；4）码垛机器人的码垛范围相对较窄，无法满足众多工业生产的要求。码垛机器人控制是码垛的灵魂所在，控制的好坏直接影响着码垛效果和质量。在控制方面面临的技术挑战：1）通用性不好。目前，不同的码垛机器人没有统一的生产规范，机器人控制器的研究着重点不同，不同厂家生产不同的关节构型，虽然都在改善和提高系统的性能上做了很多工作，但是效果不好，并且关节扩展性差、空间狭小给增加传感器技术元件增加了难度。2）软件开发量大。由于码垛机器人本体结构上的差异，势必造成软件结构及其逻辑结构不同，从而处理器各异，阻碍了不同的系统间移植，造成软件开发量大、效率低下。3）检测机制不完善。由于并行总线的方式传输数据，造成数据有很强的相关性、通讯及同步等内在特点。如果控制器的其中一个处理器出故障可能导致整个系统的瘫痪。4）垄断技术普遍。由于在一个时间点上，某一个厂家的技术可能处于领先地位，然而不同的语言系统阻碍了不同码垛技术的交流，造成专用计算机专用机器人语言。为了垄断利益，各种控制器结构封闭，一旦产生只能按照其模式运行，适应不了新环境新要求。
3国内码垛机器人发展策略
核心技术、核心零部件的欠缺导致国产机器人先天不足，这个问题首先应从国家层面去考虑，只有在国家的重点扶持、企业与科研单位的无缝对接下，并借鉴日本、德国等国的机器人产业发展史，结合自身国情合理稳定地发展机器人技术。机器人属于人才密集、技术密集型装备，它需要很多基础工业与专业人才的支撑。在材料、芯片、机床、加工制造与热处理等重点的基础行业需要国家大量投入：引入能够结合国情解决实际问题的高级专业人才，培育具有“工匠素质”的专业技术人才，甚至可以开设机器人专业来培养专门人才；促进企业与科研单位深度合作，互相渗透，真正达到产学研一体化的反馈机制。此外，各科研单位或企业应适当进行开放性研究、信息共享，形成研究合力，避免产学研各自为战、标准混乱以及低水平重复性研究。码垛机器人核心零部件的突破关键在于基础工业的发展与人才的培养，否则国产码垛机器人只能是“空中楼阁”。在核心技术开发上，应以国内行业顶尖科研机构与机器人龙头企业为主体率先突破机器人核心技术；坚持技术创新，突破国外机器人专利壁垒，形成差异化优势；鼓励高校与研究机构将实验室的科研成果转化出来，回馈到市场。此外，企业要发扬“工匠精神”，脚踏实地，对技术的追求持久专注。只有真正实现核心技术与核心零部件的国产化，突破国外设计模式，完善售后服务体系，才能在性能、成本等方面赢得国内市场的认可，为国产码垛机器人品牌打下基础。
4结语
综合国内外码垛机器人在工业生产中的运用状况可以看出，我国的码垛机器人还有很长的路需要探索。国外的码垛机器人已经在各行各业中成熟应用，而我国的码垛应用范围相对较窄、用应水平较低。国外的技术水平发展越来越高，一些新的技术被运用到实际工业生产当中，例如机器视觉技术、传感器技术等，值得我国学习和借鉴。
参考文献:
［1］程永强.基于PLC和伺服的砌块码垛机控制系统设计［J］.通化师范学院学报，2018，39(12):1-5.［2］李成伟，朱秀丽，贠超.码垛机器人机构设计与控制系统研究［J］.机电工程，2008，25(12):81-84+99.［3］南博.基于PLC的气动机械手控制系统设计［J］.内燃机与配件，2018(19):100-102.