关于智能化快递包装机器人的简单探究.docx

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关于智能化快递包装机器人的简单探究

关于自动化包装机器人

的简单探究

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摘要

本文是基于机械工程概论的作业选题要求，结合第七届大学生科技创新设计大赛的主题之一（不同材质、形状和尺寸商品的包装机械装置）做的简单探究。

包装机器人是自动化程度高、灵活性和可靠性强的智能包装机械，有的还融入了故障诊断和视觉识别技术。

目前，发展比较成熟的包装机器人有码垛、搬运、喷漆和灌装机器人。

特别是在美国、德国、日本等发达国家，这些包装机器人已经在许多生产线上得到应用。

随着消费者对包装多样化的需求趋势，包装机器人正逐渐成为包装行业的新宠。

鉴于作者现今水平有限，所以选取了这一比较贴近生活的包装机器人做了初步探究。

关键词：

自动化，码垛，适应性，视觉技术，改进

第一章.概论·················3

1.1.工业机器人概述··················3

1.1.1.工业机器人定义·················3

1.1.2.工业机器人发展史················5

1.1.3.工业机器人系统组成···············5

1.1.4.工业机器人分类·················6

1.2.商品包装机器人概述················7

第二章.研究背景···············7

2.1.国外研究现状···················7

2.2.国内研究现状···················8

2.3.项目研究意义···················8

第三章：

项目研究热点问题及初步探究·····

第四章················结论

第五章··············参考文献

第一章：

绪论

1.1.工业机器人概述：

1.1.1.工业机器人定义：

美国机器人协会定义机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或装置的，通过可编程序来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作器。

中国大百科全书定义机器人为能灵活完成特定的操作与运动任务，并可编程序的多功能操作器。

工业机器人是机器人大家族中的重要一员。

一般指用于机械制造业中代替人完成具有大批量、高质量要求的任务，如汽车制造、摩托车制造、自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装、码垛、等作业的机器人。

1.1.2.工业机器人发展史：

（1）.工业机器人的诞生：

日本是当今的工业机器人王国，既是工业机器人的最大制造国，也是最大消费国。

但实际上工业机器人的诞生地是美国。

机器人的启蒙思想其实很早就出现了，1920年捷克作家卡雷尔·恰佩克发表了剧本《罗萨姆的万能机器人》，剧中叙述了一个叫做罗萨姆的公司将机器人作为替代人类劳动的工业品推向市场的故事，引起了世人的广泛关注。

于是在1959年美国的一家汽车公司，工业机器人应运而生。

美国人英格伯格和德奥尔制造出了世界上第一台工业机器人，他们发现可以让机器人去代替工人一些简单重复的劳动，而且不需报酬和休息，任劳任怨。

接着他们两人合办了世界上第一家机器人制造工厂，生产unimate工业机器人（图1-1）。

图1-1unimate机器人

（2）.工业机器人在日本发展：

与此同时，十九世纪七十年代的日本正面临着严重的劳动力短缺，这个问题已成为制约其经济发展的一个主要问题。

毫无疑问，在美国诞生并已投入生产的工业机器人给日本带来了福音。

1967年日本川崎重工业公司首先从美国引进机器人及技术，建立生产厂房，并于1968年试制出第一台日本产unimate机器人。

经过短暂的摇篮阶段，日本的工业机器人很快进入实用阶段，并由汽车业逐步扩大到其它制造业以及非制造业。

1980年被称为日本的“机器人普及元年”，日本开始在各个领域推广使机器人，这大大缓解了市场劳动力严重短缺的社会矛盾。

再加上日本政府采取的多方面鼓励政策，这些机器人受到了广大企业的欢迎。

1980年-1990年日本的工业机器人处于鼎盛时期，后来国际市场曾一度转向欧洲和北美，但日本经过短暂的低迷期又恢复其昔日的辉煌。

1993年末，全世界安装的工业机器人有61万台，其中日本占60%，美国占8%，欧洲占17%，俄罗斯和东欧占12%。

（3）.工业机器人在世界其他主要国家的发展：

美国是工业机器人的诞生地，基础雄厚，技术先进。

现今美国有着一批具有国际影响力的工业机器人供应商，像AdeptTechnologe、AmericanRobot、EmersomIndustrialAutomation等。

德国工业机器人的数量占世界第三，仅次于日本和美国，其智能机器人的研究和应用在世界上处于领先地位。

目前在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人经推广应用成为主流安装机型，而第三代智能机器人已占有一定比重并成为发展的方向。

图1-2德国KUKA公司生产的机器人

世界上的机器人供应商分为日系和欧系。

瑞典的ABB公司是世界上最大的机器人制造公司之一。

1974年研发了世界上第一台全电控式工业机器人IRB6，主要应用于工件的取放和物料搬运。

1975年生产出第一台焊接机器人。

到1980年兼并Trallfa喷漆机器人公司后，机器人产品趋于完备。

ABB公司制造的工业机器人广泛应用在焊接、装配铸造、密封涂胶、材料处理、包装、喷漆、水切割等领域。

德国的KUKARoboterGmbh公司是世界上几家顶级工业机器人制造商之一。

1973年研制开发了KUKA的第一台工业机器人。

年产量达到一万台左右。

所生产的机器人广泛应用在仪器、汽车、航天、食品、制药、医学、铸造、塑料等工业，主要用于材料处理、机床装备、包装、堆垛、焊接、表面休整等领域。

意大利COMAU公司从1978年开始研制和生产工业机器人，至今已有30多年的历史。

其机器人产品包括Smart系列多功能机器人和MASK系列龙门焊接机器人。

广泛应用于汽车、制造、铸造、家具、食品、化工、航天、印刷等领域。

日系是工业机器人制造的主要派系，其代表有FANUC、安川、川崎、OTC、松下、等国际知名公司。

FANUC是世界上最大的机器人制造商之一。

FANUC的前身致力于数控设备和伺服电机系统的研制和生产。

1972年从日本富士通公司的计算机控制部门独立出来成立了FANUC公司。

FANUC公司的主要业务分为两部分：

工业机器人和工厂自动化。

据统计，截至2008年月末，其生产的机器人突破20万台。

FANUC最新研发的工业机器人产品有：

R-2000iA列多功能智能机器人。

具有独特的视觉和压力传感器，可以将随意堆放的工件捡起并完成装配；Y44CCLDiA高功率LDYAG激光机器人。

研制安装的4.4kwLDYA激光振荡器，提高了效率和可靠性。

安川公司于1977年研制出第一台全自动工业机器人，旗下拥有Motoman美国、瑞典、德国以及SyneticsSolutions美国公司等子公司。

其核心的工业机器人有点焊和弧焊机器人、油漆和处理机器人，LCD玻璃板传输机器人和半导体晶片传输机器人等。

近年来安川生产的新型液晶玻璃板搬运机器人受到市场欢迎。

此外，安川还是将工业机器人应用于半导体领域最早厂商之一。

川崎公司生产出了日本第一台工业机器人，对工业机器人产业做出了不可磨灭的贡献。

川崎生产的喷涂机器人、焊接和组装机器人、半导体工业用机器人也很受市场欢迎。

图1-3日本川崎公司生产的机器人

中国工业机器人的发展：

我国机器人研究开始于20世纪70年代，与发达国家相比起步稍晚。

以“七五”科技攻关为契机，特别是在国家“863”计划的支持下，经过十几年的研制、生产和应用，中国机器人产业从无到有，由弱变强，实现了跨越式发展。

在20世纪90年代末期，我国建立了9个机器人产业化基地和7个科研基地，包括沈阳自动化研究所的新松机器人公司、哈尔滨工业大学的博实自动化设备有限公司、北京机械工业自动化研究所机器人开发中心和海尔机器人公司等。

产业化基地的建设带来了产业化的希望，为发展我国机器人产业奠定了基础。

经过广大科技人员的不懈努力，我国目前已经能够生产具有国际先进水平的平面关节型装配机器人、直角坐标机器人、弧焊机器人、点焊机器人、搬运码垛机器人和AGV自动导引车等一系列产品，其中一些品种实现了小批量生产。

一批企业根据市场的需求，自主研制或与科研院所合作，进行机器人产业化开发。

1.1.3工业机器人的系统组成：

1.1.4.工业机器人分类：

1.按坐标形式分：

2.按控制器信息输入方式分：

3.按用途分：

（1）.工业机器人；

（2）.探索机器人；（3）.服务机器人；（4）.军事机器人。

1.2.商品包装机器人概述：

包装机器人顾名思义就是用于包装物品的一类机器人。

早期的机器人造价昂贵，主要应用于航空、军工和汽车等高、精、尖的技术行业。

随着科学技术的进步和社会需求的提高，从20世纪60年代起，机器人开始涉足重复性高或者危险性大的工业领域，即工业机器人。

80年代，随着Unimation公司PUMA工业机器人的诞生，美国兴起了工业机器人热。

90年代，工业机器人的价格不断下降，但在电子和机械性能方面却日益成熟和完善，表现为功能多样化，出错率更少，产品质量更高。

从此工业机器人被广泛地应用于程序化、繁重或者对人体有害的工作中，如完成焊接、喷涂、码垛、简单装配等工序，以及原子能工业部门的搬运和工艺操作等。

包装机器人是工业机器人的一种，是应用在包装工业领域的自动执行工作的机械设备。

目前，包装机器人多用于大物件的焊接和搬运中，码垛、打捆、装箱和拾放机器人相继问世。

机器人越来越多地走入车间，替代枯燥繁重的劳动，被誉为包装业的“宠儿”。

和普通的包装机械相比，全自动包装机器人的主要特点有：

（1）灵活性高，能实现产品的快速转换如今消费需求已向多规格、多样化发展，而传统的机械设备只能生产单一尺寸或形状的产品。

而包装机器人为了执行不同的任务，可改变可编程，这使设备的灵活性大大提高，实现产品的迅速转换。

例如，同一台设备，只需简单地更换其终端取件方式和程序设置，就可以处理不同尺寸和形状的产品。

不仅如此，机器人的不同功能模块还能灵活组合，配置出多种功能的机器人生产流水线正是包装机器人高度的集成性和柔性，使其在工业领域得到迅速的应用和高度的宠爱。

（2）生产精准度高，产品质量有保障。

在包装设备中添加的检测装置、传感器装置等，构成系统的信息反馈回路，使得包装机器人拥有更高的精准性。

如具有视觉技术的包装机器人可以测量物体位置是否准确，识别物体颜色或形状是否正确，大大减少了高强度劳动力的使用，也减少了人为可能造成的失误，减少了产品次品率。

第二章.研究背景

包装机器人早已走出实验室，越来越多地被应用于企业生产线上。

价格是开发商考虑的首要因素，然后就是投资回报问题。

据统计，随着机器人售价的不断下降，投资回报的比例也越来越令人满意。

2.1.国内的发展现状:

我国工业机器人市场已经成熟，应用也已经相当普遍，主要集中在焊接、装配、码垛等设备领域。

但是在成套的包装设备上还是主要依靠进口，尤其是成套的包装机器人大都以高昂的价格引进，在国内的研发只是简单的模仿，自主知识产权和自主研发能力相对薄弱。

目前，只有极少数的企业拥有自主研发的包装机器人.哈尔滨博实自动化设备有限责任公司和哈工大机器人研究所基于产学研的合作模式，针对石化、化工行业劳动环境差、劳动强度大等特点，开发了一套集称重、取袋、装料、封口、码垛等于一体的全自动包装机器人码垛生产线。

其中型号为ZBM-A1200的自动包装机器人生产效率达1200袋/小时，称重精度达±0.1%，且具有智能化的远程故障诊断等特点，其在各项性能指标和可靠性上，已达到国内领先、国际先进的水平。

在该成果基础上，博实公司后续自主研发了符合散装物料包装技术发展趋势的、基于FFS的新称重包装机器人，加入伺服电机驱动后其生产效率达到1600袋/小时。

2.2国外的发展现状:

国外从事包装行业比较有实力的国家有美国、德国、日本和意大利。

美国的包装机械技术含量高，可靠性强，在品种和产量方面均居世界之首。

其中成型、充填、封口三种包装机械的更新速度快，开发出了各种各样具有较高灵活性和较多功能性的成套机械设备。

例如，有一种充填机，只需对其程序稍加修改调试，就可以完成对不同包装材料和包装物体形状的充填；另一台仅占地五平方米的单压式模切机，可以完成纸板印刷、模切压痕、烫金和纸盒折叠等多道工序；美国液体灌装设备公司（EJF）研制的液体灌装机，可以根据液体的黏度选择重力灌装、压力灌装或者正压移动泵式灌装来实现。

德国的包装设备在制造、计量方面具有突出表现。

啤酒饮料灌装速度达到12万瓶/小时，香烟包装达到12000支/分钟，集制袋、称重、充填、抽真空和封口等工序于一体的茶叶包装机最高速可达350袋/分。

日本的包装机械大部分供应于食品包装，供应市场主要是本国，出口额只占总产值的10%。

日本依靠自身雄厚的研发力和独特的技术，在世界的包装领域稳步上升。

日本纽朗工业株式会社在包装机、缝纫机、制袋机和印刷机等方面均有研究，其开发的3CM-P型全自动包装，采用尺寸为380×700-540×900（宽×长，mm）的牛皮纸或编织袋，水平3单元自动给袋，有热封机和缝纫机封口多种可选封口方式，装袋重量为20-50kg，其最高速度达到1000袋/小时。

2.3项目研究意义:

在包装行业，机器人自动化是一个不可逆转的趋势。

虽然，传统的包装机械仍占据着大部分的包装市场，但是，随着包装机器人售价的下降，包装加工商必将瞄准灵活性和稳定性更高的包装机器人，这样才能更好的满足来自客户越来越多样化的要求。

我国包装业良好的发展势头，广阔的市场前景，落后的技术现状以及客户个性化的需求趋势，预示着研发拥有自主知识产权的自动化包装机械，打破先进国家的垄断地位具有重要的意义。

第三章：

全自动包装机器人的热点研究问题:

3.1.热点研究问题：

1）包装能力急需提高。

包装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,国内外有的包装机器人采用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,包装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）的尺寸参数和包装模式是事先编好程序输入包装机器人的,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）智能化程度需改进。

包装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。

4）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。

3.2.关于包装机器人智能化改进的探究：

总体结论：

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。