码垛机器人本体结构分析与性能研究

李 倩 ，刘广亮 ，孙 洁

（1.山东省机器人与制造自动化技术重点实验室，山东 济南250014；2.山东省科学院自动化研究所，山东 济南250014）

码垛机器人是实现包装和物流自动化的关键装备，针对生产线中各式产品的码垛要求，可实现自动、高速、准确、连续的码垛作业，并能降低工人劳动强度，提高生产效率。因此，码垛机器人被广泛应用于饮料、食品、药品、石化等领域，具有广阔的应用前景。

目前，ABB、FANUC、KUKA等主流机器人厂家均拥有系列化的码垛机器人产品，并垄断了国内外市场；而在国内，码垛机器人的研究才刚刚起步，国产的、成熟的、产业化的码垛机器人产品还未出现[1～3]。

本文参考国内外知名品牌机器人，通过分析已有产品的结构特点，研究各品牌机器人的本体性能参数，大致明确了产品设计的基本指标，为码垛机器人开发提供参考。

1 结构分析

与通用型机器人不同，码垛机器人有独特的作业特点：搬运物料实现空间内的平移和水平面内的旋转，无需进行物料的翻转，因而采用了独特的结构。下面以KUKA的KR 180-2 PA为例，对码垛机器人一般所采用的结构形式进行分析。

KR 180-2 PA最大负载总质量为180 kg，采用4轴铰链式结构，由6部分组成：基座、腰转部件、大臂、小臂、腕部和工具法兰，由JT 1、JT 2、JT 3和JT 4共4个关节驱动，其结构形式如图1所示。

其中，JT 1驱动腰部转件实现回转运动，JT 2和JT 3分别驱动大臂和小臂的摆动，JT 4驱动工具法兰旋转。各关节由交叉滚子轴承承载，利用交流伺服电机+精密RV减速器驱动。根据物料形状特点，可以在工具法兰配置不同的抓手。机器人末端工具法兰的位置，通过控制JT 1、JT 2和JT 3关节来实现；末端工具法兰的姿态，则通过控制JT 1和JT 4关节的转动来保证；在腕部姿态的控制上，采用了独特的结构。通过两组平行四连杆传动，实现了JT 4轴线与JT 1轴线始终保持平行，使腕部始终保持垂直于地面的姿态。

图1 码垛机器人KR 180-2 PA结构示意图

2 本体性能研究

码垛机器人主要用于搬运重载物体实现大空间转移，且高速度、高精度运行，其本体的主要性能参数包括负载能力、工作空间、运动性能、重复定位精度等[4]。这些性能参数选择的合理与否，将直接关系到码垛机器人本体开发的成败。以下通过分析比较已有码垛机器人产品的性能参数，基本明确了码垛机器人本体开发中的各项性能指标。

2.1 负载能力

负载总质量表明了机器人搬运重物的能力，它取决于机器人的结构尺寸和驱动容量，还与机器人的运行速度有关。按照负载总质量能力划分，各机器人厂家均形成了完整的码垛机器人规格系列，表1列出了 ABB、FANUC、KUKA、YASKAWAKAWASAKI这5大品牌的四轴码垛机器人负载系列[5]。

表1 各品牌码垛机器人的负载总质量系列规格表（单位：kg）

在包装行业，对于码垛机器人的需求主要集中在100～300kg负载总质量范围内。而在这一区间里，各品牌一般拥有大小两种规格的机型，且采用统一的外形尺寸与机械结构，只需替换伺服电机与减速器，即可实现型号间互换。如ABB的IRB 660-180和 IRB660-250、KUKA的KR100-2 PA和KR 180-2 PA、FUANC的 M-410 iB/160 M-410 iB/300 KAWASAKI的ZD 130 S和ZD 250 S等。

2.2 工作空间

工作空间指机器人末端可在空间到达的最大范围。图2是ABB的IRB660-180、KUKA的KR180-2 PA和KAWASAKI的ZD 130 S工作空间的叠加图。可以看出，各款机器人的工作空间基本重合，大致反映了市场的实际需求（托盘尺寸、垛堆高度等）。

图2 码垛机器人的工作空间

表2 各品牌码垛机器人性能指标横向比较

表2将各品牌码垛机器人对应型号的性能指标进行了横向比较，从中可以发现码垛机器人性能指标的共性[6～8]；表3则以KUKA为例[6～8]，将码垛机型KR 180-2 PA与其对应的通用机型KR 180-2进行了纵向比较[7]，凸显了码垛机器人不同于通用型机器人的性能特点。

表2中，数款机器人的最远到达距离，都约为3200 mm，而最大搬运高度约为3000 mm。

2.3 运动性能

为了适应前端包装工段的生产速度，码垛作业往往对节拍要求高。目前，世界上码垛速度最快的机器人，可达2000回/h以上。当然，最直接的运行性能参数，还是各个轴的运动速度。表2列出了几款机器人各个轴的最大运动速度，可作为本体设计的参考指标；表3中，各个轴逐一对比，KUKA的码垛机型KR 180-2 PA比通用机型KR 180-2的运动速度都要快，显示了码垛机器人本体设计里运动性能的重要性。

表3 KR 180-2 PA与KR 180-2的纵向对比

2.4 重复定位精度

重复定位精度，指机器人在相同的运动指令下，连续重复运动若干次，其位置之间的误差度量，是机器人的主要技术参数之一。码垛机器人主要用于实现大尺寸物料的点位运动，对精度要求并不高。从表2可看出，其重复定位精度能控制在±0.5 mm以内即可；在表3里，码垛机型KR 180-2 PA比通用机型KR 180-2的重复定位精度明显低了一个档次。

3 结束语

通过对已有码垛机器人产品的结构分析和本体性能参数的研究，得出了其通常所采用的结构形式，明确了本体设计的基本性能指标，为产品开发提供了参考。但在具体产品开发过程中，仅确定了本体的结构形式、负载能力、工作空间、运动性能和重复定位精度等，是远远不够的，还有许多实际问题需考虑。各性能指标间存在一定矛盾，应综合分析考虑；有的结构形式虽然有利于提高机器人性能，但工艺复杂，考虑国内加工水平，需合理选择制造工艺；样机完成后的性能测试，亦是产品开发的关键环节。相信在克服了码垛机器人开发过程中的诸多难题后，一定会出现国产的、成熟的、产业化的码垛机器人产品。

[1]李晓刚，刘晋浩.码垛机器人的研究与应用现状、问题及对策[J].包装工程，2011，(3)：96-101.

[2]胡洪国，高建华，杨汝清.码垛技术综述[J].组合机床与自动化加工技术，2000，(6)：7-9.

[3]孙立宁.机器人技术国内外发展状况[J].国内外机电一体化技术，2002，(4)：29-41.

[4]熊有伦，丁 汉，刘恩沧.机器人学[M].北京：机械工业出版社，1993，10-28.

[5]叶 晖，管小清.工业机器人实操与应用技巧[M].北京：机械工业出版社，2010，3-14.

[6]上海ABB工程有限公司.IRB 660机器人产品手册[Z].上海：上海ABB工程有限公司，2004.

[7]库卡机器人（上海）有限公司.KR180-2系列手册[Z].上海：库卡机器人（上海）有限公司，2011.

[8]上海发那科机器人有限公司.M-410iB规格说明[Z].上海：上海发那科机器人有限公司，2007.