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用于包装工业的工业机器人
工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。
以食品、医药行业为例其产品物料质量轻小，并且对生产与包装 环境均有十分严格的要求，为确保产品包装效果，必须要在现有基础上对其自动快速包装作业进行研究，不断提高作业的自动化与灵活性， 降低外界因素对产品质量造成的影响。高速包装机器人的提出与应用，可以更好的满足特殊行业产品包装需求，为提高机器人运行稳定性与高效性，需要确定关键技术，从软件与硬件着手进行分析，采取措施来降低机器人运行故障发生概率。工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。
包装机器人概述
高速包装机器人即具有高加速度（＞ 1g）与高运动速度（＞ 0.5m/s） 的包装机器人系统，对传统串联机器手应用现状来看，因为是将驱动 单元设置在各关节结构内部，机器人设计完成后，整体结构大、质量重，不能满足高速包装需求[1]。因此，在对高速包装机器人进行研究设计时， 需要以满足切实需求为根本，最好软件与硬件系统分析，对原有结构 设计方案进行优化。随着各项新型技术在研究中的应用，现在高速包 装机器人在应用上已经十分广泛，尤其是包装工业机器人主要负责大 型物件的搬运、装卸与堆码，并完成人们不可接触特殊产品的包装。 从作业种类进行分析，包装机器人可以分为装袋机器人、堆码机器人、 装箱机器人、灌装机器人以及包装输送机器人等。
包装工业机器人用途
机器人技术在包装工程领域中，应用已有很长的历史。包装应用机器人作业的有很多方面，其中最为成熟的是堆码、装箱和灌装机器人。在美国、日本、德国等国家许多包装工序是用机器人来完成的。每年一度的国际包装机械展览会上，都会推出新的包装机器人。主要用于体积大而笨重物件的搬运、装卸和堆码等；人体不能接触的洁净产品的包装，如食品、药品，特别是生物制品和微生物制剂：及对人体有害的化工原料的包装。随着机器人技术的成熟和产业化的实现，使得包装工程领域中应用机器人的范围越来越广。主要有：（1）集合包装装箱：一次将多个包装件进行一次装箱。
（2）粉料大袋的袋装：一次性将粉料装入特定软袋中，同时完成特定位置的堆码。例如水泥及化工产品粉剂的集装袋包装。
（3）高速的装盒装箱折边封合多工位包装一些大型纸箱和托盘的多工位快速包装，如将纸箱装填完货物后的折边、压边、封合等。（4）重物的搬运捆扎靠人搬运难以实现的重型产品的包装、搬运和捆扎。如金属铸件的堆码、捆扎、裹包，尤其是贵重有色金属中的铝锭、铜锭、锌锭等。还有大型冷库中的冻肉及制品的搬运与堆码等。
（5）易脆物品的包装实现一次性将成组的瓶装产品进行装箱，例如，瓶装啤酒，瓶装汽水饮
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料等物品的装填包装等。
（6）有害液体的包装化学和农药等对人体有害液体的灌装。
（7）识别和检测对一些包装产品和包装货物在不同条件下，不同部位的自动识别和多种信息检测，同时还具有分级和分类的功能。以上工作，靠人工去完成有机器人技术的研究和应用。包装机器人的种类：
（1）装袋机器人定难度。从而促进装袋机器人是机座固定回转式，机身可360度旋转，由机械手完成包装袋的输送、开袋、计量、充填、缝袋和给出堆码。这是一种智能化较高的包装机器人。
（2）装箱机器人
类似装袋机器人，一般金属和玻璃包装容器的装箱用刚性包装箱机器人完成。对装箱包装（物品）的抓取有机械式和气吸式两种。它可整体移动。对包装件进行抓取或吸附，然后送人指定位置上的包装箱或托盘中。它具有方向性和位置自动调节的功能，可实现无箱（托盘）不卸货和方向调节。这类机器人是一种较为成熟的机器人，应用很广。如饮料、啤酒，化妆品，香烟等。
（3）堆码机器人
这是一种功率较大的机器人。要求稳定性和平衡性较高。其抓取机构中具有自锁功能，以确保从几十公斤到几吨的货物的抓取牢固可靠，它还具有时间、位置和力的参数控制系统，通过设定的控制程序实现。（4）灌装机器人
这是一种将包装容器充满液体物料后，进行计量、输盖、压盖（旋盖）和识别的机器人。它具有无瓶不输料、不盖不输瓶、破瓶报警和自动剔除等功能。在过去我们很多液体物料的灌装主要是用这种机器人的局部功能一一机械手装于生产线上，而今，已是将这种机器人直接配置在物料生产主机的后部，实现其自动灌装。灌装机器人有软包装和硬包装之分。这里分析的是硬包装（装瓶）灌装机器人。（5）包装输送机器人
这种机器人在包装工业中主要指塑料瓶包装输送用的机器人，是利用动力和特殊的构件实现瓶体（空瓶）的输送，将瓶桶中的包装瓶单件快速输出排列，然后给予一个特定（方向、大小）的力。使瓶体准确地在空中经过抛物线路线到达充填工件。这种机器人改变了传统的输瓶机构。使得输送速度加快，输送空间减小。是一种全新概念的包装机器人。它借助于空气动力学和特殊机械构件而实现其输送作业的。（6）识别检测机器人
这种识别检测机器人是一种智能化系统。它分别有包装成品的识别检测和产品（如水果等）分级识别检测。识别检测机器人用了许多先进技术，主要是识别与检测技术。它包括高光谱和多光谱图像技术，X射线探伤检测技术、核磁共振检测技术、红外检测技术、热红外图像检测技术、激光图像技术等。
现着重分析水果包装中的分级机器人。无损检测是实现水果自动分级包装的关键技术。美国研究人员研究表明，用普通CCD摄像机的机器视觉可实现水果外部环境品质的无损检测，准确率较高。借助于高光谱、近红外、中红外和X射线的特性，可获得更高的检测准确率和处理速度，是目前研究的热点。近红外还可检测水果的糖份，可用于评价水果的品质。此外，还可用水果的介电特性、冲击检测技术来判定水果的内在品质。水果在检测分级还需要有专门的分级装置、检测结果信息的传递控制实现水果的传输、定向和定位等。这都是水果识别检测机器人的相关技术。
包装机械的分类
1．按包装机械的自动化程度分类。
(1)全自动包装机。全自动包装机是自动供送包装材料和内装物，并能自动完成其它包装工序
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的机器。
(2)半自动包装机。半自动包装机是由人工供送包装材料和内装物，但能自动完成其它包装工序的机器。
2．按包装产品的类型分类。
(1)专用包装机。专用包装机是专门用于包装某一种产品的机器。
(2)多用包装机。多用包装机是通过调整或更换有关工作部件，可以包装两种或两种以上产品的机器。
(3)通用包装机。通用包装机是在指定范围内适用于包装两种或两种以上不同类型产品的机器。
3．按包装机械的功能分类
包装机械按功能不同可分为：充填机械、灌装机械、裹包机械、封口机械、贴标机械、清洗机械、干燥机械、杀菌机械、捆扎机械、集装机械、多功能包装机械，以及完成其它包装作业的辅助包装机械。我国国家标准采用的就是这种分类方法。 4．包装生产线
由数台包装机和其它辅助设备联成的能完成一系列包装作业的生产线，即包装生产线
包装工业机器人系统设计 1.硬件结构设计
（1）X 轴。X 轴结构主要负责机器人在水平方向的移动，具有负 载大以及位移与行程小等特点，在进行设计时需要重点分析伺服电机 与滚珠丝杠，尤其是伺服电机设计效果如何直接决定着机械手的运作性能。为使得高速包装机器人具有高精度与快速响应特点，在确定伺服电机时，应选择较小转动惯量与转矩的设备，同时还要控制好其时 间常数与启动电压，并具有较长时间过载能力，可以更好的满足低速 大转矩要求。伺服电机电机转速计算公式为：
nL=VL/PR， nM=nL·R。
其中，nL 表示负载轴旋转速度，nM 表示电机轴旋转速度 [3]。第一，负载 / 电机惯量比。惯量比越大，伺服参数调整难度 越大，会影响机器人作业稳定性，很容易出现振动问题。但是如 果惯量比过小，虽然具有较高的稳定性，但是会影响系统响应速度，并会降低系统固有频率，很容易出现谐振。表 1 为惯量比对系统性能影响。
X 轴负载总转动惯量（JL）分为直线运动结构转动惯量（JL1）与 丝杠转动惯量（JB），计算公式为：
JL1=m(PB/2πR)2 JB=πρlBdB 4 /32
第二，转矩。设计时要求系统连续工作负载转矩≤伺服电机额定 转矩，并且所需最大转矩≤
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伺服电机输出最大转矩。则 X 轴连续工作 负载转矩计算公式为：
TL=9.8μmPB/2πRη
其中，μ 表示滚珠丝杠摩擦系数，取值 0.2；η 表示滚珠丝杠机械 效率，取值为 0.9. 第三，功率。如果所选电机功率过大，会造成生产成本增加，但 是功率过小又会影响到驱动负载效果，导致机器人不能完成设定包装作业轨迹。因此，设计时要求所选电机功率满足公式：
（Po+Pa）/2 ＜电机额定输出＜（Po+Pa）
其中，Po 表示连续运动负载功率，单位 W；Pa 表示加速运动驱 动功率，单位 W。（2）Y 轴。Y 轴结构主要在竖直方向进行移动，具有较大的有效 形成，在完成一个动作循环周期后，Y 轴要进行 3 次动作，即取料、 放料以及返回，这就决定了 Y 轴设计要点为刚度分析，确保结构在竖 直方向可以自由运动，因此伺服电机需要设置制动器。对于 Y 轴结构 各项参数的计算，完全与 X 轴结构相同。Y 轴基座与 Y 轴支撑件相互 连接，并且 X 轴丝杠螺母会与 Y 轴支撑件固联，达到 X 轴与 Y 轴联 动的目的。
2.软件系统设计
（1）人机交互系统。需要为快速包装机器人设置一个良好的人 机交互界面，实现对整个运作系统的控制。一般人机交互系统主要包 括信息显示区域、键盘区域、手动控制区域以及报警区域等，其中信 息显示区域需要能够正常呈现产品包装流程、注意事项以及突发故障 等信息。对于参数设置区域的设计，主要是包装任务的调整，而报警 区域则是对机器人的运行状态进行监控与管理，在遇到异常情况后进 行报警。在维护阶段可以调出系统日志模块，分析确定报警原因与处 理方法，实现对机器人的有效控制。
（2）系统测试模式。以 DMCA-18X2 运动控制器为例，其可以 制定 L1n，n，n，n 为各轴线性插补移动增量式距离，在启动程序命 令启动前，既可以编写多个程序段。在机器人包装运行过程中，如果 缓冲区有空间，还可以写入附加程序段，来确保机器人作业的连续 性。其中，在 C# 程序中，利用“MajGal.command( ＂ MG-LM ＂ , ＂ \\r ＂ , ＂ : ＂ ,ture);”完成读 L1 程序段可用空间的操作，其中“MajGal” 为加载 GALIL 运动控制卡的“Interop.Galil.dll”运动链接库后，“Galil” 为实例化对象 [4]。该软件系统设计时可以采取用图 1 程序流程方案， 确定机器人结构各轴直线插补方式运行的连续性。
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经过多次实验得出 PSO 选择参数的结果如表 2 表示，从表中可以 看出 PSO 的循环次数为 40 以上的时候 4 个参数值都基本上收敛，表 2 中的平均项和标准偏差项是循环次数为 40 以上的各参数的平均和对应的标准偏差。由此我们可以确定 NLTV 的 4 个参数的范围：h 的范围为 0.12 左右；μ 的范围为 95.52。λ 的范围为 88.62 左右、k 的范围为 8 左右。
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