0前言
机器人最早应用于工业自动化领域，主要用来协助人类完成单调、频繁和重复的长时间工作，随着社会进步、科学技术发展和人工智能技术研究的深入，各式各样具有感知、决策、行动和交互能力，可适应不同领域特殊要求的智能机器人相继被研发，机器人已在某些领域逐步取代人类，独立从事相关工作。
国际标准化组织认为：机器人是一种“自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，执行各种任务”[1]。
随着科技的不断进步，机器人逐步地出现在人们视野中。不同的生产生活需求，造就了各种各样的机器人。工业机器人和特种机器人是机器人应用中的两大类，两者的发展水平代表了生产和生活的水平。前者相对于后者，成熟度更高，应用范围更广。
工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的机电一体化设备，被称为工业自动化的三大支持技术之一，代表了机电一体化发展的最高成就；按基本动作机构可分为：直角坐标机器人、柱面坐标机器人、球面坐标机器人、多关节型机器人。本文所研究的面粉袋码垛机器人是四自由度关节型机器人。
面粉袋码垛，就是将输送到生产线末端的面粉包装袋按照规定的形式堆放到运送设备上，来实现面粉袋的单元化装卸、运输。传统的面粉生产企业一般用人工来完成码垛的作业，无法保障工作的效率。既耽误了生产，又增加了生产成本。机器人技术的发展， 对于码垛作业来说是一个机遇，实现了其整个过程的自动化。码垛机器人的出现降低了人工成本、提高了生产效率和企业的自动化水平。目前不仅面粉行业，像物流等行业也应用非常广泛。
1.1国内外码垛机器人的研究现状
1959 年，第一台工业机器人的诞生，开启了现代机器人发展的大门。工业机器人因社会生产所需，在 20 世纪末发展的异常迅速。从完成简单的抬起动作到实现生产的完全自动化，机器人技术取得了跨越式的发展。从近几年推出的产品来看，码垛机器人技术正向智能化、模块化和系统化方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC 化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化等[3]。
1国外码垛机器人的研究现状
西欧、日美等发达国家，得益于工业革命，机器人技术起步比较早。工业机器人代替人力劳动进行生产作业早已普及。日本和瑞典是最先提出应用工业机器人技术的两个国家，率先生产出了码垛机器人和电控式搬运机器人[4]。随着经济的发展和人口老龄化趋势加重，工业机器人已经成为一种标准设备。然而，随着工业机器人技术的不断成熟， 机器人行业却没有形成硬件和软件上的标准化，通用性不高。
目前国外机器人发展格局非常明朗，形成了以日本、发那科，瑞典和德国四大家族领导国际市场的局面。日本某公司生产的水平关节型码垛机器人、德国某公司设计的垂直关节型码垛机器人和瑞典某公司出售的码垛机器人无论是技术的先进性还是市场应用的广泛性都走在世界的前沿。
Motoman-Mpl100 工业码垛机器人是日本生产的一种应用于饲料加工行业的机器人，具有全自动饲料码垛系统。其系统结构简单，运行可靠，拥有很好的人机交互能力。该码垛机器人占地面积小，生产效率高，适用于绝大多数的饲料生产企业。ABB IRB460 码垛机器人是全球最快的码垛机器人，操作节拍最高可达 2000 多次循环/小时。该机器人到达距离为 2.4 米，与其他码垛条件类似的产品相比，占地面积节省20%，运行速度则快15%[5-6]。目前该机器人已经在生产线上实现高速、高效、高质量的应用；德国某码垛机器人是一种带有五根被动轴的 4 轴机器人，其作用范围非常大，最大为 3195mm。180 PA 码垛机器人特有的 FEM 有限元技术最优化的运动结构能够保证堆垛流程有效率的进行[7]。该机器人机械臂采用特殊的CFK 材料，惯性力矩小，能实现更高的加速度值。FANUC robot m-410ib 系列码垛机器人是一款大型物流智能机器人，主要用于搬运、码垛，码垛重量从 160Kg 到 700Kg 不等[8-9]。该机器人采用了先进的图像采集系统，能够快速识别物体形状从而找到其所在的位置，经过智能化高性能控制器计算出物体的精确位置坐标， 完成码垛任务。它的控制部分完全嵌装于机器人基座里面，不需要电缆连接，容易设置。
1.1.2国内码垛机器人的研究现状
我国在上世纪 70 年代开始对工业机器人研究与应用，且初期发展比较缓慢，直到改革开放后才开始进入快速发展阶段[10-11]。经过近几十年的不断努力，我国已经具备自主研发、生产码垛机器人的能力。
随着国内自动化水平的提高，上海交通大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学等高等院校，都设立了自己的机器人研究中心或实验室。有的高校与企业联合，充分发挥各自优势，开发、生产出了新型机器人。哈尔滨工业大学作为国内高等院校码垛机器人技术的领头羊，通过国家“863”计划，研制出每小时可达 800 袋的码垛机器人，打破了国外产品的垄断。沈阳新松机器人自动化股份有限公司，是国内第一家上市的机器人公司，代表了国内机器人研发的最高水平[12]。其生产的全新 SRM120A 码垛机器人，秉承“满足高速现代物流”的核心设计理念。其维护成本较低，耐磨性好，可以同时满足多条生产线末端的码垛任务。而且使用性强，在码垛重量范围内对码垛体的几何尺寸没有特殊的要求。上海交通大学和某包装科技公司在研究国外先进机器人技术的基础上，总结经验与技术，推出了新一代 TPR 系列码垛机器人。该机器人的力学性能相对于前一代产品来说更好，结构轻盈、强度大、变形量却相对较小。基于工业PC 的控制器系统以及码垛现场 3D 仿真和自动干涉检测,大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性[13]。
目前，我国码垛机器人种类比较单一，主要的结构形式为 4 自由度混合式，分为直角坐标型和关节型两大类。直角坐标型码垛机器人具有控制简单、定位精度高等优点， 但其占据的空间比较大、工作范围相对较小。关节型码垛机器人机身轻巧、灵活，但其承载力相对较小。2013 年我国已经成为世界最大的机器人市场，销量达到了近3.7 万台， 同比增长60%。2016 年，中国机器人存量占世界比重的13%，市场增速大大超过其它主要国家[14]。
总的来说，我国机器人技术虽然与一些发达国家存在一定的差距，但我国的机器人不论是技术还是市场都在飞速的发展。对于劳动密集的码垛机器人来说，其发展前景是相当可观的。

作者：郭吉冬

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