碼垛機器人及其在包裝行業(yè)中的應用

在科技日新月異的時代背景下，自動化和智能化已成為工業(yè)領域發(fā)展的必然趨勢。物料搬運和產(chǎn)品包裝作為生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，其規(guī)模和復雜性隨著制造業(yè)的快速發(fā)展而不斷增長。傳統(tǒng)以人工為主的包裝方式已無法滿足現(xiàn)代大規(guī)模生產(chǎn)的需求，因此，尋找一種高效、精準、自動化的解決方案成為行業(yè)迫切的需求。機器人技術，特別是碼垛機器人在包裝行業(yè)中的應用，為解決這一問題提供有力的支持，不僅可提高生產(chǎn)效率，降低人工成本，而且還能保證產(chǎn)品包裝的質量和一致性，推動包裝行業(yè)更健康、持久的發(fā)展。

1  碼垛機器人概述

1.1  碼垛機器人介紹

碼垛機器人，是機械和計算機程序有機結合的產(chǎn)物，是一種能夠自動完成貨物碼垛任務的機器人，通過高精度的相機和圖像傳感器等來感知貨物的位置、形狀、大小和顏色等特征，再結合深度學習算法，根據(jù)預設的碼垛規(guī)則，將貨物準確地堆疊在一起。

1.2 碼垛機器人技術組件

碼垛機器人的核心技術組件主要包括視覺系統(tǒng)、傳感器、執(zhí)行機構、控制系統(tǒng)及軟件。

傳感器起著獲取物品信息和環(huán)境信息的關鍵作用，可以將物理信號轉換為電信號，然后傳輸給控制系統(tǒng)進行進一步的處理和分析，常用的傳感器類型包括激光傳感器、超聲波傳感器、光電傳感器和力傳感器等。

視覺系統(tǒng)是實現(xiàn)精確定位和識別的重要組件，通過使用高分辨率攝像頭和先進的圖像處理技術，視覺系統(tǒng)能夠快速識別和定位物品的形狀、大小、顏色等特征。這一系統(tǒng)通常包括圖像采集、預處理、特征提取和識別等模塊，能夠提供物品的位置、姿態(tài)和運動軌跡等信息，為機器人的精確導航和操作提供重要依據(jù)。

執(zhí)行機構是負責實際操作的機械部分，包括夾爪、吸盤和移動機構等組成部分，可根據(jù)物品的特性和碼垛要求進行精確的設計和控制，以確保物品能夠穩(wěn)定、準確地被抓取和放置。此外，執(zhí)行機構還具備一定的柔性和適應性，以應對不同形狀、大小和重量的物品。

控制系統(tǒng)是碼垛機器人的核心部分，負責協(xié)調和指揮各個技術組件的工作。根據(jù)視覺系統(tǒng)提供的物品信息和環(huán)境信息以及傳感器的反饋數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)能夠對機器人的運動軌跡、姿態(tài)和操作進行精確控制。為了確保機器人在高速、高負載和復雜環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性，通常采用高精度算法和優(yōu)化技術進行控制系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)。

軟件是實現(xiàn)碼垛機器人功能的關鍵工具，負責集成和管理各個技術組件的數(shù)據(jù)和信息。通過友好的人機界面，軟件能夠提供直觀的操作和控制功能，使用戶能夠方便地進行參數(shù)設置、任務規(guī)劃和監(jiān)控管理。此外，軟件還需要具備高度的可擴展性和靈活性，以適應不同應用場景和用戶需求。通過不斷的技術創(chuàng)新和完善，碼垛機器人在包裝行業(yè)中將發(fā)揮越來越重要的作用，為企業(yè)提高生產(chǎn)效率、降低成本、提升競爭力提供有力支持。

2 碼垛機器人在包裝行業(yè)的應用優(yōu)勢

2.1 提高生產(chǎn)效率

在傳統(tǒng)的包裝生產(chǎn)線上，人工碼垛通常會受到多種因素的影響，如疲勞、包裝速度限制等，一般工人需要定時休息，而且在長時間工作后，由于疲勞導致的工作效率下降是不可避免的。此外，人工碼垛的速度和準確性也受到一定限制，無法實現(xiàn)快速、準確的碼垛。相比之下，碼垛機器人可以連續(xù)工作，不受疲勞等因素的影響，始終保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，它可以在短時間內(nèi)完成大量的碼垛任務，大大提高生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期，為企業(yè)節(jié)省寶貴的時間和資源，加快整體的生產(chǎn)流程。

2.2 降低人力成本

隨著人口紅利的消失和勞動力成本的上升，許多企業(yè)面臨人力成本的壓力。為了應對這一挑戰(zhàn)，碼垛機器人的引入成為一個有效的解決方案，可以替代部分人工碼垛的工作，減輕人力負擔，降低生產(chǎn)成本。同時，通過使用碼垛機器人，企業(yè)不再需要雇傭大量的工人來完成碼垛工作，從而減少人力開支。此外，碼垛機器人還具備在惡劣環(huán)境下工作的能力，如高溫、低溫、有毒等，不僅降低工人的勞動強度，還有效地降低安全風險。

2.3 保證包裝質量

在傳統(tǒng)的包裝過程中，人工碼垛由于人為因素常出現(xiàn)不準確堆疊情況，進而引發(fā)一系列問題，如貨物倒塌、損壞等，影響包裝美觀度的同時，還會對產(chǎn)品的安全運輸與存儲造成潛在威脅。而碼垛機器人能夠通過精確的計算和控制，實現(xiàn)高度一致的碼垛效果，確保每一件貨物都被準確、整齊地放置在預定的位置上，避免這些問題的發(fā)生。

2.4 適應多樣化需求

在實際生產(chǎn)中，由于產(chǎn)品的種類繁多、尺寸不一，包裝要求也各不相同。傳統(tǒng)的人工碼垛方式很難應對多樣化的產(chǎn)品特性，而碼垛機器人則可以根據(jù)不同的碼垛規(guī)則和包裝要求進行靈活調整，可以通過更換夾具、調整程序等方式來適應不同產(chǎn)品的碼垛需求，從而更好地適應市場的變化和企業(yè)的生產(chǎn)需求，并為企業(yè)的生產(chǎn)提供更大的便利性。

3 碼垛機器人在包裝行業(yè)的應用分類

在包裝行業(yè)中，碼垛機器人主要應用于生產(chǎn)線末端，對成品進行高效、準確的碼垛作業(yè)。根據(jù)機械結構的不同，碼垛機器人可以分為以下幾類：

第一，直角坐標機器人。直角坐標機器人也就是常見的龍門式機器人、衍架機器人，這種機器人主要由基于X、Y、Z三個相互垂直的直線運動軸組成，以伺服電機和步進電機為驅動，通過精確控制這三個軸的運動，機器人能夠實現(xiàn)平面內(nèi)任意點的定位。具體來說，X軸是水平方向的運動軸，控制機器人在水平方向上的移動。Y軸是垂直方向的運動軸，控制機器人在垂直方向上的移動。Z軸是垂直于X和Y軸的運動軸，控制機器人的升降運動。這種機器人結構簡單，定位精度高，但在結構影響下，其運動速度和范圍受到限制。

第二，關節(jié)式機器人。關節(jié)式機器人也被稱為多關節(jié)機器人，常見本體為四軸碼垛機器人，安裝在固定底座上，其水平臂的結構類似于人類的手臂，設置有四個旋轉關節(jié)，可自由的旋轉到任何一個方位，而且每個關節(jié)都可以進行俯仰、抓取等運動。靈活性較高，機械手能夠適應各種形狀和尺寸的貨物，完成各種復雜的碼垛任務。這種機器人主要由氣缸、夾爪、感應器等構成，可通過調節(jié)氣缸的壓力和夾爪的形狀，適用不用材質和重量的物品。

4 碼垛機器人在包裝行業(yè)的應用方式

4.1 箱式碼垛

箱式碼垛是包裝行業(yè)碼垛機器人最常用的應用方式，可設置機器人每層放置的產(chǎn)品數(shù)量，以及每個產(chǎn)品之間的間隔距離，在進行碼垛時，機器人會從產(chǎn)品堆放區(qū)域一個個取出產(chǎn)品，并按照預設的規(guī)則進行碼垛，以確保產(chǎn)品穩(wěn)定且緊密的堆疊在一起。箱式碼垛方式的應用范圍比較廣泛，適用于各種需要整理和包裝成箱的產(chǎn)品，如食品、飲料、日用品等，可以大大提高包裝效率，減少人工成本。此外，箱式碼垛還具有靈活性和可調整性，可根據(jù)不同產(chǎn)品的尺寸、重量和包裝要求，可以調整規(guī)則和算法，以滿足不同的碼垛需求。

4.2 托盤式碼垛

托盤式碼垛主要用于將產(chǎn)品按照一定的規(guī)則和層次碼垛在托盤上，形成穩(wěn)定的堆疊，適用于各種需要儲存和運輸?shù)漠a(chǎn)品，特別是那些重量較大、形狀不規(guī)則或易碎的產(chǎn)品，如建材、電子產(chǎn)品、汽車零部件等。在實際應用中，碼垛機器人通過高精度的傳感器和控制系統(tǒng)，能夠快速識別產(chǎn)品的位置和姿態(tài)，并進行精確的抓取和碼垛，并且根據(jù)產(chǎn)品的特性和要求，機器人可以自動調整夾爪和移動機構的參數(shù)，以確保穩(wěn)定、準確地碼垛產(chǎn)品，防止產(chǎn)品在搬運或存儲過程中發(fā)生傾倒或滑落，而且還能提高倉儲和物流的效率，實現(xiàn)產(chǎn)品的批量處理和快速轉移，減少了人工搬運和逐個放置的時間和成本。

4.3 定點碼垛

在一些特定的生產(chǎn)線上，企業(yè)需要將產(chǎn)品精確碼垛到指定的位置上，如生產(chǎn)線上的自動化生產(chǎn)、定制包裝等，碼垛機器人可以根據(jù)指定的坐標和位置，將產(chǎn)品精確碼垛到指定的位置上，以提高生產(chǎn)線的自動化程度，減少人工干預，提高生產(chǎn)效率。

5 碼垛機器人的未來發(fā)展方向

5.1 標準化、規(guī)范化

制定統(tǒng)一的行業(yè)標準可以確保機器人的互換性和兼容性，方便后期維護和管理。同時，規(guī)范化的硬件和軟件系統(tǒng)可以提高機器人的可靠性和穩(wěn)定性，減少故障和安全隱患。具體而言，可從以下幾個角度入手實現(xiàn)碼垛機器人的標準化和規(guī)范化建設：第一，制定統(tǒng)一的硬件規(guī)范，包括機器人的結構設計、尺寸規(guī)格、運動控制系統(tǒng)等，使不同廠家生產(chǎn)的碼垛機器人具有相同的接口和互操作性，降低設備的整合成本，提高設備的可替代性。第二，制定統(tǒng)一的軟件規(guī)范，包括機器人的編程語言、通信協(xié)議、控制算法等，使不同廠家生產(chǎn)的碼垛機器人具有相同的編程環(huán)境和操作界面，降低人員培訓成本，提高工作效率。第三，制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式和接口標準，實現(xiàn)碼垛機器人與其他設備（如生產(chǎn)線控制系統(tǒng)、物流管理系統(tǒng)）的數(shù)據(jù)交換和共享，實現(xiàn)信息的無縫集成和共享，提高生產(chǎn)線的智能化管理水平。第四，制定統(tǒng)一的安全標準，包括機器人的安全設計、緊急停機系統(tǒng)、人機協(xié)作等，確保碼垛機器人在操作過程中不會對人員和設備造成傷害，提高工作場所的安全性。第五，制定統(tǒng)一的設備維護標準和維修流程，包括設備的保養(yǎng)、故障排除、備件更換等，以降低設備的故障率，延長設備的使用壽命，減少維修成本和停機時間。

5.2 國產(chǎn)化

國產(chǎn)化是實現(xiàn)碼垛機器人自主可控和降低成本的重要途徑，通過自主研發(fā)和生產(chǎn)機器人核心零部件，可以擺脫對進口零部件的依賴，降低采購成本，并推動機器人產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和完善，促進相關產(chǎn)業(yè)的協(xié)同創(chuàng)新。首先，應加強對國內(nèi)核心零部件的研發(fā)和生產(chǎn)力度，包括傳感器、控制器、伺服電機等關鍵零部件，以降低機器人的制造成本，提高產(chǎn)品的性能和質量。其次，加大對機器人相關技術的研發(fā)投入，并加強知識產(chǎn)權保護，通過自主研發(fā)和持續(xù)創(chuàng)新，不僅可以提高機器人的核心競爭力，還可以避免知識產(chǎn)權糾紛和技術依賴問題。最后，政府可以出臺相關政策，鼓勵企業(yè)加大對機器人國產(chǎn)化的投入。同時，提供金融支持，為企業(yè)提供貸款和資金支持，降低企業(yè)的融資成本，促進國產(chǎn)化進程。

5.3 智能化、模塊化

智能化是指機器人具備更高級的感知、學習和決策能力，隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，機器人可以通過傳感器獲取環(huán)境信息，并利用深度學習等技術進行數(shù)據(jù)分析和模式識別，從而實現(xiàn)對環(huán)境的感知和理解。同時，機器人還可以通過學習算法不斷積累經(jīng)驗，提高執(zhí)行任務的效率和準確性，更好地適應復雜多變的工作環(huán)境，為人們提供更高效、安全和便利的服務。模塊化設計是指將機器人的各個功能模塊進行獨立設計和制造，以便于對機器人進行組裝和擴展。模塊化的設計可以使機器人的不同部分進行獨立升級和替換，從而快速適應不同領域和行業(yè)的需求。例如，通過更換不同的末端執(zhí)行器，機器人可以實現(xiàn)不同的操作功能；通過增加傳感器模塊，機器人可以獲取更多的環(huán)境信息。

5.4 高效、低耗、清潔等功能性能

隨著能源和環(huán)境問題的日益突出，對節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展提出更高要求。高效能、低能耗的機器人可以為企業(yè)節(jié)約能源成本，減少對環(huán)境的影響。同時，清潔能源的使用可以進一步降低碳排放，實現(xiàn)綠色生產(chǎn)。此外，提高機器人的功能性能可以更好地滿足市場需求，提升企業(yè)的競爭力。

6 結語

綜上所述，碼垛機器人作為一種智能化、自動化設備，在包裝行業(yè)中得到廣泛應用，其出現(xiàn)不僅能有效提高生產(chǎn)效率降低人力成本，還能進一步保證包裝質量。碼垛機器人根據(jù)結構分類主要有直角坐標機器人、關節(jié)式機器人兩種類型，在包裝行業(yè)中主要采用箱式碼垛、混合式碼垛、定點碼垛等應用方式，隨著技術的不斷進步，碼垛機器人在包裝行業(yè)中的應用前景將更加廣闊，相信在不久的將來，碼垛機器人將向著標準化、規(guī)范化、國產(chǎn)化、智能化、模塊化等方向發(fā)展，而且具備高效、低耗、清潔等功能，為包裝行業(yè)企業(yè)帶來更多的競爭優(yōu)勢。

文章來源：  《上海輕工業(yè)》   http://m.00559.cn/w/kj/30978.html