面向多尺寸箱體的移動式智能碼垛機(jī)器人及系統(tǒng)研發(fā)-開題報告

論文題目：面向多尺寸箱體的移動式智能碼垛機(jī)器人及系統(tǒng)研發(fā)論文類型（請√勾選）：□基礎(chǔ)研究；□應(yīng)用基礎(chǔ)研究；√應(yīng)用研究；□其它課題來源（請√勾選）：□縱向課題；√橫向課題；□自選課題；□其它一、選題的科學(xué)依據(jù)（1、選題背景；2、理論意義和應(yīng)用價值；3、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。附主要參考文獻(xiàn)及出處）1．選題背景隨著科技不斷發(fā)展，工業(yè)不斷進(jìn)步，機(jī)器人作為醫(yī)療領(lǐng)域、航空航天、物流運(yùn)輸、機(jī)械加工、汽車領(lǐng)域等行業(yè)，具有諸多跨領(lǐng)域應(yīng)用范圍。隨著中國制造2025年的目標(biāo)為“邁入制造強(qiáng)國行列”；中國制造2035年的目標(biāo)為“制造業(yè)整體達(dá)到世界制造強(qiáng)國陣營中等水平”；中國制造2050年目標(biāo)為“制造業(yè)大國地位更加鞏固，綜合實力進(jìn)入世界制造強(qiáng)國前列”。所以機(jī)器人行業(yè)將迎來更加廣闊的發(fā)展前景和更加激烈的市場競爭[1]。所以機(jī)器人產(chǎn)業(yè)集成的規(guī)模化、智能化和創(chuàng)新化市場的需求將持續(xù)增長，為機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展提供強(qiáng)勁動力。隨著倉儲、物流和生產(chǎn)制造領(lǐng)域向智能化和自動化方向的轉(zhuǎn)型，因此，機(jī)器人企業(yè)需要不斷創(chuàng)新和升級，提升技術(shù)實力和市場競爭力，以適應(yīng)市場需求的變化和行業(yè)的發(fā)展趨勢。在制造領(lǐng)域當(dāng)中，很多產(chǎn)業(yè)的工廠中需要碼垛機(jī)器人。其中，碼垛作業(yè)作為物料搬運(yùn)和存儲的重要環(huán)節(jié)，其效率和準(zhǔn)確性直接影響到整個生產(chǎn)線的運(yùn)行效率和產(chǎn)品質(zhì)量[2]。傳統(tǒng)的碼垛方式主要依賴人工操作，不僅效率低下，還存在安全隱患和人力成本高昂的問題。因此，開發(fā)一種能夠自動適應(yīng)多尺寸箱體、高效準(zhǔn)確的移動式智能碼垛機(jī)器人，成為當(dāng)前工業(yè)制造和物流行業(yè)亟待解決的重要課題。2．研究意義及價值從市場需求的角度來看，隨著電子商務(wù)的蓬勃發(fā)展和制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，物流倉儲行業(yè)對自動化、智能化設(shè)備的需求急劇增加。特別是在處理多尺寸、多類型的箱體時，傳統(tǒng)的人工碼垛方式已經(jīng)無法滿足高效、準(zhǔn)確的要求[3]。因此，開發(fā)一種能夠自動識別箱體尺寸、自動調(diào)整碼垛方式和路徑的移動式智能碼垛機(jī)器人，對于提高物流倉儲行業(yè)的自動化水平和作業(yè)效率具有重要意義。從技術(shù)發(fā)展的角度來看，隨著人工智能、機(jī)器視覺、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的不斷進(jìn)步，移動式智能碼垛機(jī)器人的研發(fā)和應(yīng)用成為可能。通過集成先進(jìn)的傳感器、控制器和執(zhí)行器，機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)對箱體尺寸、形狀和位置的精確識別，以及自動調(diào)整碼垛方式和路徑。同時，通過引入人工智能算法和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，機(jī)器人還能夠不斷學(xué)習(xí)和優(yōu)化碼垛策略，提高作業(yè)效率和準(zhǔn)確性。從行業(yè)應(yīng)用的角度來看，移動式智能碼垛機(jī)器人具有廣泛的應(yīng)用前景。除了物流倉儲行業(yè)外，還可以應(yīng)用于食品、飲料、化工、制藥等多個領(lǐng)域。特別是在處理高溫、噪音、粉塵等惡劣環(huán)境時，機(jī)器人能夠替代人工完成繁重、危險的碼垛作業(yè)，保障作業(yè)人員的安全和健康[4-6]。圖1現(xiàn)場人工堆疊雜亂現(xiàn)象智能碼垛機(jī)器人的應(yīng)用能夠顯著降低物流倉儲行業(yè)的人力成本，提高作業(yè)效率和質(zhì)量。與此同時機(jī)器人還能夠?qū)崿F(xiàn)24小時不間斷作業(yè)，進(jìn)一步提升了企業(yè)的生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)效益。綜上所述，面向多尺寸箱體的移動式智能碼垛機(jī)器人的研發(fā)和應(yīng)用具有重要的研究意義，并且具有一定的經(jīng)濟(jì)價值和社會價值。3．國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢（1）國內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢2021年我國工信部印發(fā)了《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，這個規(guī)劃的出臺大幅提升了我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度[1]，根據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)合會（IFR）發(fā)布的《2023世界機(jī)器人報告》顯示，2022年我國的工業(yè)機(jī)器人裝機(jī)量已經(jīng)達(dá)到290258臺，同比增長5%，而且據(jù)報告數(shù)據(jù)來看，自2017年以來，我國工業(yè)機(jī)器人裝機(jī)量年均增長率為13%REF_Ref81642510\r\h錯誤!未找到引用源。。圖2中國工業(yè)機(jī)器人裝機(jī)量趨勢圖目前常見的工業(yè)機(jī)器人按照應(yīng)用主要分類有搬運(yùn)機(jī)器人，焊接機(jī)器人，裝配機(jī)器人，加工機(jī)器人，噴涂機(jī)器人，碼垛機(jī)器人等，碼垛機(jī)器人是應(yīng)用在企業(yè)生產(chǎn)過程中的一種提升企業(yè)生產(chǎn)自動化水平的裝置，它能夠根據(jù)預(yù)先設(shè)計好的程序?qū)ω浳镞M(jìn)行碼垛入庫工作，其廣泛應(yīng)用于食品，包裝，物流等行業(yè)，且可以應(yīng)用在惡劣的工作環(huán)境中。國內(nèi)學(xué)者提出了一種結(jié)合機(jī)器人臂和手持單目相機(jī)來定位目標(biāo)物體的6-DOF物體定位法。該方法包括物體識別和定位過程，識別過程基于2D圖像，包括訓(xùn)練階段和識別階段。圖3機(jī)器人識別和定位定位過程則利用機(jī)器人臂的運(yùn)動學(xué)和單目視覺信息來獲取物體的3D信息。適用于需要精確物體定位和姿態(tài)識別的機(jī)器人應(yīng)用場景。通過針孔相機(jī)模型和透視投影模型進(jìn)行計算，該方法僅需要棋盤格和帶有幾個特征點的白紙作為輔助工具，且獲得的相機(jī)參數(shù)具有高精度，滿足一般機(jī)器人單目視覺引導(dǎo)系統(tǒng)的要求，提高了機(jī)器人視覺引導(dǎo)系統(tǒng)的精度和可靠性。使用Yolo-V2檢測器和PnP算法實現(xiàn)了單目攝像機(jī)目標(biāo)檢測和定位，并取得了良好的效果REF_Ref81642510\r\h錯誤!未找到引用源。。武交峰REF_Ref81642510\r\h錯誤!未找到引用源。研究了工業(yè)集裝箱生產(chǎn)線碼垛機(jī)器人運(yùn)動軌跡的影響成因和運(yùn)動模型并且他通過模型分析機(jī)器人的正解和反解求得在各個方向上的運(yùn)動規(guī)律?；跈C(jī)器人運(yùn)動的角度和位姿誤差最小值，采用映射函數(shù)轉(zhuǎn)換為約束條件，為后續(xù)機(jī)器人單元軌跡控制提供重要幫助。線性函數(shù)分析方法對機(jī)器人行進(jìn)環(huán)境中存在的問題進(jìn)行可控性分析，得到不同因素的影響結(jié)果和既定閾值，通過閾值確定目標(biāo)點與平衡點之間的差距。該差距值即為軌跡控制的自適應(yīng)值，建立幾何空間通過多方向的角速、速度以及位姿調(diào)整，實現(xiàn)碼垛機(jī)器人運(yùn)動的單元軌跡控制。應(yīng)用后的實際軌跡與目標(biāo)軌跡之間差距較小，實用效果表現(xiàn)優(yōu)異，具有一定的應(yīng)用價值，可提高碼垛機(jī)器人的工作效率，降低了人工成本。湯兆平REF_Ref81642510\r\h錯誤!未找到引用源。以XB10碼垛機(jī)器人為研究對象，針對碼垛機(jī)器人工作過程中軌跡規(guī)劃的時間優(yōu)化問題，提出了一種改進(jìn)的鯨魚優(yōu)化算法。采用了標(biāo)準(zhǔn)的D-H參數(shù)法，建立了XB10碼垛機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型，并在MATLAB中進(jìn)行仿真，為后續(xù)對軌跡進(jìn)行規(guī)劃奠定了基礎(chǔ)。改進(jìn)算法以Bernoulli映射初始化種群，使其分布更加均勻，提高算法收斂的速度；引入自適應(yīng)的權(quán)重，用來改善鯨魚局部和全局的搜索能力。并且采用收斂因子非線性的更新策略，可使算法提前進(jìn)入局部搜索的狀態(tài)。為了比較改進(jìn)算法的效果，他基于6種基準(zhǔn)函數(shù)與其他同類算法進(jìn)行對比，測試結(jié)果表明改進(jìn)鯨魚優(yōu)化算法的求解精度更高，收斂速度更快，有更好的全局搜索能力。利用改進(jìn)鯨魚優(yōu)化算法進(jìn)行軌跡插值的基礎(chǔ)上，尋求時間的最優(yōu)解，并構(gòu)建出機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動參數(shù)曲線。優(yōu)化后的結(jié)果滿足約束要求，與未采用算法優(yōu)化的軌跡規(guī)劃所需要的運(yùn)行時間相比縮短了22.46%，提高了機(jī)器人的工作效率，驗證了改進(jìn)鯨魚優(yōu)化算法的有效性。圖4XB10機(jī)器人連桿坐標(biāo)系（2）國外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢國內(nèi)外各大工業(yè)機(jī)器人廠商均有將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于碼垛行業(yè)的案例。目前，ABB、KUKA、YASKAWA以及FANUC等四大廠商占據(jù)著全球工業(yè)機(jī)器人市場的主要份額。它們在碼垛行業(yè)均有各自的代表產(chǎn)品，如：ABBIRB660，KUKAKR10001300titanPA，YASKAWAMOTOMAN-MPL300，F(xiàn)ANUCM-410iB/140H。ABBIRB660碼垛機(jī)器人如圖5所示，該碼垛機(jī)器人為垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)器人，具有4自動度，工作半徑可達(dá)3150mm，有效負(fù)載最高可達(dá)250kg，重復(fù)定位精度為1.0mm。ABBIRB660搭載ABBIRC5工業(yè)機(jī)器人控制器，以先進(jìn)動態(tài)建模技術(shù)為基礎(chǔ)，對機(jī)器人性能實施自動優(yōu)化，并且具有開放式的I/O接口支持常用的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，便于擴(kuò)展機(jī)器人應(yīng)用。KUKAKR10001300titanPA碼垛機(jī)器人如圖5所示，該碼垛機(jī)器人是一款重載型機(jī)器人，具有4自由度，工作半徑為3202mm，有效負(fù)載最高可達(dá)1300kg，重復(fù)定位精度為1.0mm。KUKAKR10001300titanPA搭載KUKAKRC4控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的軟件架構(gòu)集成了Robot、PLC、CNC、Safety控制，所有控制系統(tǒng)都共享一個數(shù)據(jù)庫和基礎(chǔ)設(shè)施，能夠為各種自動化應(yīng)用提供解決方案，提高系統(tǒng)的效率與靈活性。YASKAWAMOTOMAN-MPL300碼垛機(jī)器人如圖5所示，該碼垛機(jī)器人為垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)器人，具有4自動度，工作半徑為3159mm，有效負(fù)載最高可達(dá)300kg，重復(fù)定位精度為5.0mm。YASKAWAMOTOMAN-MPL300搭載高速低慣性伺服馬達(dá)，能夠?qū)崿F(xiàn)高速運(yùn)行，提高生產(chǎn)力。FANUCM-410iB/140H碼垛機(jī)器人如圖5所示，該碼垛機(jī)器人具有5自由度，工作半徑為2850mm，有效負(fù)載最高可達(dá)140kg，重復(fù)定位精度為05.0mm。FANUCM-410iB/140H集成了FANUCiRVision視覺系統(tǒng)，能夠精準(zhǔn)校對機(jī)器人運(yùn)動坐標(biāo)原點，還能檢測目標(biāo)工件的位置差，并且能夠根據(jù)位置差進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償REF_Ref81642510\r\h錯誤!未找到引用源。。圖5全球占比最高工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品示意圖國外對面向多尺寸三維箱體的研究發(fā)展較早。國外專家對三維裝箱問題進(jìn)行了詳細(xì)闡述。需要先建立各現(xiàn)實約束條件，其中主要包括方向約束，考慮貨物的位姿朝向；箱體的承重能力；整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；部分物體之間需要進(jìn)行隔離；貨物之間的裝載的先后順序。而問題的目標(biāo)是找到滿足這些約束條件下的最優(yōu)解，但求解這類問題通常充滿挑戰(zhàn)。作為最早提出將啟發(fā)式算法引入裝箱問題的人之一。George提出確定裝載順序和層的概念，通過將容器分為多層，而每層寬度取決于最寬的貨物，并自上而下長度依次遞增，寬度依次遞減。但是此方式會出現(xiàn)大量空隙，且空間利用率也不高。于是在“層”概念提出后。Gehring又引入了“塔”的概念，基本思路是將貨物從大到小排成一些獨立的塔，最后進(jìn)行組合得到全局解，具體方法是將遺傳算法引入，實現(xiàn)較穩(wěn)定的三維裝箱，該算法只適用于弱異構(gòu)的貨物，且存在空間利用率低的問題REF_Ref81642510\r\h錯誤!未找到引用源。。圖6碼垛多尺寸箱體示意圖綜上所述，針對使用場景，基于對上述碼垛機(jī)器人的參考，隨著智能化發(fā)展，本文對移動式碼垛機(jī)器人的整體方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)的識別和定位，算法優(yōu)化及實驗具有重要意義。未來智能碼垛機(jī)器人全球化發(fā)展會越來越快。附：主要參考文獻(xiàn)陳政光.智能碼垛機(jī)器人工藝軟件包的設(shè)計與應(yīng)用[J].造紙裝備及材料,2024,53(07):199-201.牛大偉.基于PLC的工業(yè)碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計[J].信息記錄材料,2024,25(07):122-124+127.許旭光.碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計仿真及關(guān)節(jié)控制研究[D].中北大學(xué),2024.王榮輝.視覺引導(dǎo)下碼垛機(jī)器人目標(biāo)檢測和堆疊技術(shù)[D].華南理工大學(xué),2022.吳爽.具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的碼垛機(jī)器人設(shè)計與實現(xiàn)[D].華南理工大學(xué),2021.SchunkertA.協(xié)作機(jī)器人碼垛應(yīng)用教程[J].現(xiàn)代制造,2024,(06):28-30宮小飛.基于ARM嵌入式碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)的研發(fā)[D].南京航空航天大學(xué),2018.黃瑞華,周建鵬,張磊,等.紙尿褲自動化包裝線的碼垛機(jī)器人系統(tǒng)研發(fā)[J].科技風(fēng),2018,(24):14-15.RuguiW,NingjuanZ,YichenD,etal.Multi-objectivetrajectoryplanningandimplementationofametamorphicpalletizingrobot[J].ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineers,2024,238(20):10091-10106.HwanIP,SunDH.SelectionofMotorsandGearReducersforFour-AxisPalletizingRobotsConsideringtheMotionCharacteristicsandDynamicCouplingEffect[J].InternationalJournalofPrecisionEngineeringandManufacturing,2023,24(12):2269-2278.湯兆平,孟鑫,孫劍萍,等.基于改進(jìn)鯨魚優(yōu)化算法的碼垛機(jī)器人時間最優(yōu)軌跡規(guī)劃[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2024,24(14):5882-5891.GaoR,ZhangW,WangG,etal.ExperimentalResearchonMotionAnalysisModelandTrajectoryPlanningofGLTPalletizingRobot[J].Buildings,2023,13(4):2178-2199.武交峰.工業(yè)集裝箱生產(chǎn)線碼垛機(jī)器人運(yùn)動單元軌跡控制[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2024,(05):71-75+101.GeorgeJA,RobinsonDF.Aheuristicforpackingboxesintoacontainer[J].Computers&OperationsResearch,1980,7(3):147-156.GehringH.Ageneticalgorithmforsolvingthecontainerloadingproblem[J].Internationaltransactionsinoperationalresearch,1997,4(5-6):401-418.PisingerD.Heuristicsforthecontainerloadingproblem[J].Europeanjournalofoperationalresearch,2002,141(2):382-392.ZhangD,KangY,DengA.Anewheuristicrecursivealgorithmforthestriprectangularpackingproblem[J].Computers&OperationsResearch,2006,33(8):2209-2217.二、主要研究內(nèi)容和方案1.研究目標(biāo)針對使用場景，對智能碼垛機(jī)器人進(jìn)行系統(tǒng)研發(fā)，使得其可以自主識別多尺寸箱體并主動進(jìn)行抓取，設(shè)計合理的抓取方案以及氣動控制系統(tǒng)，并且對抓取軌跡以及箱體擺放位置進(jìn)行合理規(guī)劃，使得抓取總時長達(dá)到最短，并且使得箱體的擺放位置達(dá)到最優(yōu)，在有限的空間中擺放盡可能多的物品，然后通過對整機(jī)的設(shè)計，對物品進(jìn)行運(yùn)輸和擺放，實現(xiàn)對物品的識別，碼垛，運(yùn)輸以及擺放一體化過程。2.主