1．目的及意义

1.1目的及意义

传统码垛作业常分为人工码垛、机械辅助码垛两种形式。人工码垛应用于物料重量轻、形状尺寸变化大、码货强度低的场合。当码垛的吞吐量上升、物料重量增加时，人们便会采用机械辅助的方式来优化码垛作业。机械辅助式码垛能增快码垛速度，降低工人的劳动强度，获得规整的码垛效果，减轻对物料的损伤^[1]。传统码垛方式虽然增加了托盘操纵机、升降台等设施提高码垛效率，但是，随着社会速度发展加快，人们对物流、包装的速度需求提高，人工成本不断提升，土地价格越发昂贵，传统码垛方式已经难以满足现今的需求。综上所述，急需一种具有高速码垛能力，占地面积小，工作范围大的自动化码垛机器人。

目前市面上常见的码垛机器人可以分为：直角坐标型机器人、圆柱坐标型机器人、关节型坐标机器人、球坐标型机器人等^[2]。直角坐标式码垛机器人沿各个轴的动作互不干涉，结构简单造价低，机器人动作较为精确，运动方式简单，电机控制方法简单。但是直角坐标式码垛机器人整体体积大，活动范围小，占用的面积较大。圆柱坐标式码垛机器人通过基座的回转运动和两个方向的伸缩运动将机构运动范围构成圆柱体，这类机器人的结构设计较为简单，且运动精度高占用空间小，工作范围大，但存在抓取盲区，机械臂较长。球坐标式和关节式占用空间小，工作范围大，空间运动速度快，但是其精度低，控制计算量大，且在空间内存在奇异点^[3]。综上所述，根据选题中物料参数，工作要求，操作范围等特点，选择四自由度圆柱坐标型机器人即可满足工作要求。

本次毕业设计提出四自由度圆柱坐标机器人的设计方案，将大大提升货箱的码垛速度，对物流，包装等行业的效率提升具有重要意义。

1.2国内外的研究现状分析

目前在码垛机器人领域，欧美国家和日本具有重大影响力，欧美国家以美国为首，在综合技术研究水平处于前列，日本则在机器人的种类与数量上占优势^[4]。随着计算机技术、伺服技术、控制技术的发展与成熟，美国、日本、意大利、瑞典、德国、韩国等国相继退出了自己的码垛机器人。如日本的FANUC和OKURA，德国的KUKA系列，瑞典的ABB系列等^[5]。国外研究的新型结构主要有以下几种：立式机械臂型、SCARA型、并联杆式。立式机械臂型码垛机器人具有极高的运动灵活性，且能拟合人体手臂运动构造，具有很高的空间自由度。SCARA型为线性码垛机器人到机械臂式码垛机器人的过渡型，通过旋转关节的运动代替了线性运动关节，末端机械手的运动方式也由几个关节的扇形旋转运动和垂直方向的线性运动叠加^[6]。并联杆式机器人与上述几类码垛机器人有显著区别，该机器人的机械手通过并联的承重杆和关节相连，每个承重杆由独立电机驱动，机械手通过各个电机协调控制完成夹货动作。但是此结构仅能实现两平行平面间的码货运动，而且由于电机协同工作，承重杆通过并联运动做出非线性的运动相对于线性运动的码垛机器人控制更加复杂化，由于结构由细杆组成这便限制了这类机器人只能负责夹取小质量的物体^[2]。而成整体结构上可分为串联、并联、混联型。传统的码垛机器人多采用串联式机构，串联式机构的系统刚性差，运动耦合存在问题，难以胜任高速重载的码垛工作。并联和混合式机构的码垛机器人则能克服串联机构存在的不足^[7]。码垛机器人主体结构采用优质且轻巧的铸铝或铸铁材料制造，机构形式通过有限元分析进行了结构优化，同时具有良好的机械性能和抗震性能。比如R.Saravanan通过三种优化算法对机器人的五个界面进行实验来得到最佳杆件的结合参数^[8]。Ashraf Elfasakhany通过结构设计制造的适用于墨西哥国情的低成本四自由度机械臂设计^[9] 。设计除了结构优化创新之外，国外先进的码垛机器人多才用了先进的控制系统和优化算法，使码垛机器人能达到高效、精确、稳定地运行。比如Ryosuke Chiba通过模拟实验评估，比较传统方法和时空状态的方法提出了更为有效和方便的六自由度码垛机械手作业环境^[10]。Han Sung Kim借助基于PC的以太网机器人控制器开发的易于控制和采集数据的四自由度工业机器人系统^[11]。国外的码垛机器人在各行各业都得到了广泛的应用。奥地利、瑞士等欧洲国家的酿酒厂、咖啡厂等食品企业通过使用2-3台KUKA码垛机器人和精确的控制系统来降低工人劳动强度、减少货物破损率、提高生产力^[12]。流水线食品企业通过利用并联式机器人的高精确度、高运动速度、低负载的特点完成流水线快速堆叠食品的工作^[2]。J.Norberto Pires利用ABB工业机器人完成玻璃吸取和码垛。通过接触式图像传感器和真空吸附装置打到玻璃吸取过程和货盘参数的监控，并给予远程PC控制实现在线修正产品参数达到人机协作^[12]。

随着国内科研机构的技术攻关，我国已经形成了一套较为完整的机器人理论体系。上海交通大学机器人研究所和沃迪包装科技公司联合开发了新一代TPR系列码垛机器人，该机器人通过基于PC的控制器系统和现场仿真以及自动干涉检测，提高了码垛系统的可靠性、稳定性、易操作性^[12]。苏海新等人开发了一种新型工业码垛机器人，主体结构基于平衡吊原理的七杆机构，通过IPC和PMAC的模块化分布开发了控制系统。蔡敢为等人通过量自由度可控无感机构和四杆机构组合式的空间码垛机器人^[13]。宾子、王炳耀等人利用空间混合电缆驱动的串并联结构和平行四边形结构，能极大地拓展工作空间有效完成任务^[14]。于清洋等人通过大臂和末端的加速度传感器进行力矩补偿完成的四自由度圆柱坐标码垛机器人的末端残余振动抑制方法^[15]。在空间轨迹优化方面：李金泉等人运用CAD分析结构参数和空间形状位置为码垛机器人的设计、控制提供了基础^[16]。刘艳杰，韩海军等人通过三元函数极值问题和参数优化选择问题提出了能量最优轨迹规划方法^[17]。目前的码垛机器人工作多是以事先录入固定的程序为主，货物被运送到固定地方之后再等待码垛机器人夹取。货物的起始点固定、货物尺寸重量固定、码垛机器人运动轨迹单一，具有编程简单、控制方便、效率高的优点。但是在面对货物尺寸或是质量改变之后，仅仅重复机械式工作的码垛机器人不具备处理这类动态变化问题的能力。在面对产品种类多，客户需求多变的当代市场，这种动态性的变化对物流行业是相当大的挑战。因此，新一代的码垛机器人需要具有较高的智能化。主要通过RFID（电子标签）、机器视觉技术、人机交互路径学习来实现码垛机器人的智能化，使其能解决动态变化的问题^[5]。RFID（电子标签）的技术原理简单，制造成本低能广泛用于物流中。通过电子标签码垛机器人能拾取对应的货物、将无法处理的交由流水线下方的码垛机器人或是传送到其他流水线进行码垛处理。对于食品药品等无法使用电子标签的行业，通过机器视觉技术将识别的物体图形反馈回控制系统，有控制系统控制机器人夹取物体^[6]。人机交互学习是通过机械手在人的辅助下，通过学习码垛中的运动轨迹和记录自身机构数据来进行更直观的编程，从而达到更快适应新型码垛任务。经研究国内外研究现状和发展趋势发现：目前的码垛机器人应用面越来越广，应用领域也越来越宽泛，但是存在智能程度不高，货物适应能力不强的特点，故而对于机器人智能化以及控制系统的优化是未来研究的热点方向。在阅读众多国内外研究资料后，针对此次题目中货物尺寸固定的特点，在几种基础的坐标系码垛机器人中选择了圆柱坐标型码垛机器人作为设计题目，以其简单的结构，精确的定位来达到经济适用的效果。

2. 研究的基本内容与方案

2．设计的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1设计的基本内容