【货物装车机器人研究现状的文献综述4600字】

II货物装车机器人研究现状的文献综述在物流运输领域，我们通常将货物按包装外形分为五类，分别是液体货物、气体货物、散装货物、袋装货物和箱式货物[6]。随着工业机器人技术发展趋势日益完善，装车机器人也逐渐引起大家高度关注。装车机器人是将机械设备与计算机程序有机结合的产物。其涉及的学科包括：机械工程、电子技术、信息技术、智能技术和计算机科学等[7]。其目的是为了更好地提高生产效率，同时降低生产成本。装车机器人具有运动灵活精准、稳定性高以及工作效率高等优点[8]。国外研究学对自动化装车设备进行了大量的研究，并对这些货物进行装车，尤其是前四种物品的自动化装车技术较为成熟[9]。然而对于箱式货物的自动化装车技术尚未成熟，设计一种全自动化箱式装车机器人至关重要，不仅可以提高生产率还可以节约成本[10]。箱式货物装车的难点在于货物码放过程中会出现位置偏差。1.1国内装车机器人研究现状与发达国家相比，中国的工业机器人起步较晚。80年代初以来，整体技术水平相对较低。到目前为止，中国科技部已经将工业机器人纳入科技研究计划。我国工业机器人经过“七五”起步，“八五”和“九五”发展[12]的过程，并在原机械工业部和其他部委的不懈努力下，终于在弧焊、点焊、喷漆和搬运等领域取得了重大的突破，加快了我国工业机器人的发展进程[13]。随后，工业机器人发展比较缓慢，主要受市场需求量小和生产成本高等诸多因素影响。直到2010年，我国工业机器人装机容量逐年大幅度上升，并对机器人全产业链进行全面发展。2005-2014年，我国工业机器人销售额年均增长率高达32.9%[14,15]。2015年5月，国务院发布了《中国制造2025》计划，指出机器人核心零部件制造和系统集成等领域的突破是中国制造业的发展方向[16]。下面主要介绍近十年国内装车机器人发展现状。2009年张洋[17]等人申请了集装箱内部使用的码垛机专利如图1.1所示。该码垛机包括行走车架，在行走车架内分别设置有卧式伸缩机构，水平移动机构、升降推出机构及相应的驱动机构，还包括PLC总控系统。该机器人可使用食品、药品、化妆品服装、日用品等领域箱式货物装车环节，全过程自动化较少了人工参与。该设计机架大小是固定的，难以同时满足多种尺寸集装箱的需求;升降推出机构的设计载货面积固定，难以满足多种货物尺寸要求;还有该设备每次只码垛一箱货物，效率较低。图1.1集装箱内部使用的码垛机Fig.1.1Palletizerusedinsidecontainers2015年张帆[18]等人申请了集装箱快速自动装车码垛机如图1.2所示。该码垛机包括自动行走式框形机架、输送带、升降导轨、左右横移托板和翻转式推料机构等。相对张洋等人设计码垛机，该码垛机具有左右横移托盘机构，可以满足不同宽度尺寸集装箱装货要求，同时该码垛机托盘可以同时码垛多箱货物，提高了码垛效率。该码垛机输送带安装在机架底部位置，在装高层货物时，需要空托板返回底部，比较费时。图1.2集装箱快速自动装车码垛机Fig.1.2Containerrapidautomaticloadingpalletizer2016年华北理工大学[19]研发了一种袋装装车机器人，该机器人结构简单、维修简单。水泥装车过程全自动化，能够实现货物的快速、准确码放，速度可达每小时装2400袋，装车过程能够极大程度的降低扬尘，保护周边环境;提高了效率，降低了成本，减少了污染。该装车机器人主要针对敞篷货车货物码垛，改装成适应集装箱货物码垛难度大成本高。2018年杨忠[20]等人申请了《一种袋装货物自动装车机器人》专利，自动装车设备如题1.1所示。自装卸机器人主要包括：输送机构、移动机构和码垛机构。其中，货物输送机构包括一条分流输送线和两条与分流输送线末端相连的货物输送线。机器人移动机构包括放置在两条货物输送线内的两个机器人移动部件。共两台码垛机器人，每台机器人安装在两个机器人移动部件上，包括安装在移动部件上的旋转平台，安装在旋转平台上的动力单元，连接动力单元的机械臂组件，以及连接的机械臂.单击爬网机构。本实用新型通过主控制柜控制码垛机器人进行货物输送线与卡车之间的码垛作业，解决了传统码垛技术需要人工干预、自动化程度低的问题。图1.3袋装物料自动装车机器人Fig.1.3Automaticloadingrobotforbaggedmaterials除了以上介绍的装车机器人，还有2015年猛永江[21]等人研发的集装箱气动式快速码垛机；2016年，上海交通大学栾南[22]等人研发的集装箱内快速码垛机；2017年广州智能装备研究院有限公司陈友材[23]等人研发的一种集装箱自动装车机。到目前为止，只有少部分水泥厂针对敞篷货车水泥装车要求实现装车机产品化。针对集装箱货物自动装车要求的装车机，目前还处于研发阶段市面上没有成熟的产品销售。1.2国外装车机器人研究现状在20世纪60年代，国外的一些研究学者已经开始了工业机器人的研究[24]。20世纪70年代初，瑞士的ABB公司针对零件的安装和货物码垛等应用领域，成功研制出世界第一台工业机器人，随后几年后日本也成功研发了搬运机器人。随着科技的日益发展，自动化控制技术逐渐成熟，并应用于各个领域。欧美韩日等国家在工业机器人的研制上都取得了重大突破，并且将其产品推向市场[25]。目前国外码垛机供应商主要有瑞士的ABB、德国的库卡、日本的发那科等[26]。装车机器人和传统工业机器人结构相类似，不过针对具体需求做了改进，比如针对搬运需要重负载，加了四杆机构[27]。经过多年的努力，ABB公司研发了IRB340FlexPicker[28]系列机器人如图1.4。该机器人通过视觉传感器采集图像，通过以太网进行通讯，对物体位置识别、拾起和放置有较高精度。该机器人在拾取作业（即拾取、转动和放下）中每分钟可完成150次以上的拾取，其最大速度为10M/s，最大加速度大于10g（>100M/s2）。该机器人主要应用于对小部件的抓取、搬运和码放等。图1.4ABB公司生产IRB340FlexPicker机器人Fig.1.4IRB340FlexPickerRobotProducedbyABBCompany德国库卡研发的KR1000titian[29]是首款六自由度工业机器人，如图1.5，并且具有开放式控制系统和超强的负载能力。它的臂长可延申至6.5米远，并且能即精确又快速地搬运重物。KR1000titan适用于任何重量级，比如汽车发动机缸体、木材、玻璃、钢板、空调机外壳、石块、混凝土预制件，最大重载能力高达1.3吨。图1.5KR1000titan装车机器人Fig.1.5KukaKR1000TitanLoadingrobot日本发那科研发的M-410iB/140H[30]系列机器人主要是为了实现物流系统机器人化，该系统具有自动识别堆垛高度，识别工件大小和种类，检查工件外观，从货物托盘卸货，自动生成堆垛程序，优化机器人动作程序等多项优越功能。机器人额定负载为140KG，工作半径2850mm，重复精度土0.2mm。如图1.6所示。图1.6日本发那科M-410iB/140H机器人Fig.1.6JapanFANUCM-410iB/140Hrobot以上介绍的码垛机器人具有码垛速度快、重负载、定位精度高等特点，但只能实现自主码垛功能，后面并没有实现货物装车一体化功能。国外也有少部分涉及货物装车一体化的专利。2008年CriswellTim[31]申请了一种自动装车机如图1.7专利，该自动装车机包括送货装置、移动小车和机械手。送货装置将货物输送到机械手附近，然后机械手进行码垛作业。图1.7自动装车机Fig.1.7Automaticloadingmachine德国哈弗伯克公司也相继研发了HaverSpeedRoad和HaverSpeedFlexx自动化装车系统，该系统体现了货物库存和货物运输的有效结合，大大的提高了包装效率和作业能力。该套自动化装车系统几乎告别了人工操作，自动化程度非常高。工作原理为高空码垛，将机械臂固定于高空桁架，通过天车的移动来实现机械臂的定位。不过这种装车方式仅限于无顶棚货车，所以该系统具有一定的局限性[32]。图1.8德国哈弗伯克公司装车系统Fig.1.8LoadingsystemofHAVERBURKEcompany,Gemany紧接着荷兰Copal公司主要专注于设计与制造集装箱内货物的卸载与码放设备。该款设备主要针对集装箱而开发，其目的是在集装箱内部不消耗人力的情况下快速的将货物卸载并整齐码放，整个工作过程只需一个操作员在驾驶室内控制两个操作杆即可[33]。当需要移除或装载指定物品时，操作者可以通过简单的动作控制机械手到达参考点，系统顶部的机械臂控制吸盘抓取物品然后放置。输送机将货物运输到存储区。吸盘的大小可以根据货物的大小而变化，因此适合装卸不同大小的货物。此外，该系统还可以进行扫描、称重、贴标等功能，还可以与仓库的货物管理系统对接，随时监控货物状态。图1.9Copalc1型集装箱内装货卸货机Fig.1.9ContainerloadingandunloadingmachineofCopalc综合以上介绍的国内外自动化装车系统，无论国内还是国外，其中明显针对箱式货物的自动化装车研究仍然非常少的。箱式货物的外包装通常是纸制品，相对于袋装物品有易污染损坏的缺点，这是在实际的自动化装箱过程中必须要考虑的问题，因此箱式货物装箱的难度要大于其他类型的物品。所以目前箱式货物装箱在实际应用中普遍还是采用码垛机器人在流水输送线的末端码垛，然后采用叉车运送至货车进行人工装车，缺乏成熟的自动化装备装车。因此，针对箱式货物自动化装车需求在物流配送行业与日剧增的现状，在前人关于各类物品装车设备研究成果的基础上开发更加完善的箱式货物自动化装车系统是非常有必要的。1.3本项目集装箱内码垛机器人装车系统目前，国内外对于集装箱内自动化装车系统主要存在以下三个问题。（1）码垛的机器人位置固定，将码好的货物通过叉车上车，不能实现完全自动化。（2）对于没有顶棚的卡车，可以移动起重机进行装载，但对于有顶棚的卡车，则无效。（3）对于有顶棚的货车无法对顶层进行码垛。针对以上问题，我们团队研发了一款集装箱内全自动化装车系统，如图1.10所示。(a)箱式货物自动装车流程图(b)拆垛流程图(c)码垛流程图图1.10集装箱内自动化码垛装车系统Fig.1.10Automaticstackingandloadingsystemincontainers为了使机器人能够顺利进入平板货车上码垛，本项目中加入了AGV小车，同时AGV通过两侧压板支撑集装箱侧壁完成固定，保证机器人码垛过程中的稳定性；为了解决机器人在顶层码垛过程中不碰撞问题，本项目中加入了托板机构，机器人将货物码放在托板上，托板由升降机构和伸缩机构将码好的货物推送至顶层；为了解决码放过程中的位置偏差，本项目中加入了相机，实时拍照并将处理好的位置信息反馈给控制系统；为了增加机器人在码垛过程中的灵活性，本项目还加入了第七轴，实现机器人在水平方向上的移动。然而，由于空间有限以及码放的货物尺寸较大，本文选用的吸盘尺寸也较大。因此，对机械臂进行路径规划是非常有必要的。参考文献[1]蒋智金,张军,卢秀红.集装箱自动码垛机器人的创新[J].中国战略新兴产业,2019,(4):170.[2]李海山,卢春伟,蒋智金.集装箱自动码垛机器人的研究[J].中国战略新兴产业,2019,(4):159.[3]程国秀.基于六自由度机械臂的避障路径规划研究[D].东北大学,2012.[4]朱大奇,颜明重.移动机器人路径规划技术综述[J].控制与决策,2010,25(07):961-967.[5]张颖吴,成东,原宝龙.机器人路径规划方法综述[J].控制工程,2003(S1):152-155.[6]王艳红.电能表周转箱自动装车系统的设计与实现[D].山东:山东大学,2013.[7]谭文君,董桂才,张斌儒.我国工业机器人行业的发展现状及启示[J].宏观经济管理，2018(4):42-47.[8]胡洪国,高建华.码垛技术综述[J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