根據(jù)對現(xiàn)有物流碼垛機器人市場的分析，當(dāng)前大多數(shù)工廠包裝還使用人工，人力資源成本逐步增高致使成本提高，且生產(chǎn)效率低下。為了最大程度減少生產(chǎn)的成本，提高生產(chǎn)效率，提出了碼垛包裝機器人普及的方案，以利用PLC可編程程序機械取料手為主結(jié)合，對所需要打包物體進行碼垛搬運、打包。通過測量系統(tǒng)和PLC可編程控制系統(tǒng)來達到碼垛搬運的目的。

1 方案設(shè)計

設(shè)計的機器人主要用于化妝品、藥品、食品包裝，實現(xiàn)自動化包裝。要達到此目的，有兩種實現(xiàn)方案：第一：利用可編程控制程序，輸入抓取物體的3維固態(tài)圖，再驅(qū)動關(guān)節(jié)，再機械手統(tǒng)一抓取物體，進行搬運，進行打包。第二：帶紅外檢測模式，挨個分析抓取物體的3維動態(tài)圖，統(tǒng)一抓取檢測物體，再驅(qū)動關(guān)節(jié)，再由機械手統(tǒng)一抓取物體，進行搬運，進行打包。比較上述兩種方案，方案二精度較高，方案一構(gòu)成簡單，實現(xiàn)方便，只需要把物體固態(tài)圖傳輸成功，就可以實現(xiàn)識別。因此最終選用第一方案。

按照方案一的設(shè)想，并與工廠流水線工作相配合，設(shè)計了一種基于PLC的固定式多關(guān)節(jié)機器人。該機器人的結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉、負載能力強、可編程度高，適應(yīng)不同工位上的硬紙盒、塑料盒等盒狀物的搬運碼垛。本研究設(shè)計不僅限用于拆垛、碼垛，還可以用于物料的分揀、搬運等領(lǐng)域，市場的運用前景廣泛。

PLC做為主控單元，外圍測量元件圖像識別傳感器、角度傳感器和姿態(tài)傳感器進行信息采集，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將信息通過輸入模塊傳遞給CPU，CPU對此進行判斷分析，并發(fā)出指令傳遞給輸出模塊，輸出模塊將信息傳遞給伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)來控制執(zhí)行元件機械手完成相應(yīng)的動作指令，并將執(zhí)行元件的輸出信號反饋到模數(shù)轉(zhuǎn)換器中進行數(shù)據(jù)的整合轉(zhuǎn)換。

2 硬件控制系統(tǒng)的設(shè)計

基于碼垛機器人的工作環(huán)境多處于環(huán)境較為惡劣的流水線加工廠，就要要求機器人的硬件控制系統(tǒng)具有很高的可靠性，才能確保生產(chǎn)的穩(wěn)定運行。所以機器人的系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化的形式，控制系統(tǒng)的核心控制邏輯通過PLC來實現(xiàn)的，為了能對該系統(tǒng)進行比較全面和可靠的自動控制，保證控制系統(tǒng)的靈活性、可靠性和易維護性等因素，機器人各個電氣元件采用我們較為熟悉的三菱FX-2N系列的PLC進行控制。

碼垛機器人采用的是固定式多關(guān)節(jié)機器人，機器人機身固定在地面基礎(chǔ)上，腰部與基座之間用一臺伺服電動機相連，控制機器人機身在x﹑y平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動，機器人所有的連桿都用伺服電動機組合而成，因而都可以旋轉(zhuǎn)。而腰部可自由轉(zhuǎn)動，因而整個組合件可在與基座平行的平面內(nèi)移動角度，這種設(shè)計的優(yōu)點主要是機械臂具有較強的靈活性和較大的工作區(qū)域，可以在機器人基座附近的地方工作，并越過其工作范圍內(nèi)的人和障礙物。

2.1 腰部底座關(guān)節(jié)機械結(jié)構(gòu)

腰部底座的運動是由底部的伺服電機來控制空心軸，進而使整體基座實現(xiàn)腰部旋轉(zhuǎn)，并且底部基座及腰部的法蘭連接結(jié)構(gòu)設(shè)計可以下降機械關(guān)節(jié)動時的工作噪音，同時也節(jié)省了機械臂外部的設(shè)計空間，在設(shè)計生產(chǎn)中被搬運的物品只需要從一個位置移到另個位置上，繞垂直于水平方向的軸旋轉(zhuǎn)以調(diào)整放置方向。

2.2臂處腕部關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)

臂處與腕部的運動由傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，因此，它不僅僅承受被抓取工件的重量，而且承受末端執(zhí)行器、手腕和手臂自身的重量。為保證機械手的剛度、減輕機械手的整體重量、提高機械臂抓重大小和定位精度，臂處與腕部都采用空心軸的單臂式的結(jié)構(gòu)形式，兩機械結(jié)構(gòu)之間采用伺服電機的齒合式連接。

2.3 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)

末端執(zhí)行器采用齒形平面指夾鉗式取料手，該結(jié)構(gòu)為了可以完成碼垛過程當(dāng)中夾緊盒狀物，而采用平動式手爪能更好的在小空間的內(nèi)完成碼垛指令。

3 軟件控制系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)所放置的位置對所需包裝盒進行編號，共分為8個位置。每個位置具有固定的程序即圖中對應(yīng)編號的搬運子程序。通過圖像識別傳感器對包裝盒的編碼進行掃描識別，CPU對識別的圖像數(shù)據(jù)進行分析處理，驅(qū)動伺服電機動作機械臂對物體實行定位抓取，同時調(diào)用搬運的子程序?qū)⒆ト∥矬w置于指定的編號位置，重復(fù)調(diào)用全部子程序的指令步驟，子程序包含將包裝盒搬運到指定位置所需的指令，從而實現(xiàn)對物體的全部碼垛。

經(jīng)過上機運行，可實現(xiàn)對所需打包物體掃描識別，抓取進行碼垛搬運至指定位置，再進行打包，完成工作。