第1章 绪论
第1章 绪论
1.1 课题来源
该项目是河南省重点科技攻关项目——基于工业机器人的玻璃在线堆垛系统，项目编号：102102210029。
1.2 课题研究的背景与意义
在国内，利用机器人对玻璃进行在线堆垛的还很少，而且大多技术不成熟[1,2]。有些大型企业引进国外先进的生产线，成本之高，中小企业根本无法承受。目前国内，对于玻璃的堆垛，大部分采用的是简单机械——水平堆垛机、垂直堆垛机，甚至还有人工堆垛的。这些不仅工作效率低，玻璃损伤大，而且近些年劳动力成本逐渐增加，这些因素使得玻璃的生产成本不断增加。所以，寻求一种高效的、从长远来看减小成本的玻璃在线堆垛系统成为了必然。国外相关技术有些已经相当成熟，由于各方面的限制，国内这些技术还有相当一段差距。
然而，随着社会的发展、科技的进步，以及经济进一步全球化，先进生产线的引入，使得国内各个行业相继引入工业机器人。玻璃在线堆垛行业也不例外。实践证明，玻璃在线堆垛技术，特别是工业机器人玻璃在线堆垛技术以其在机械性能、设备占地空间、适用范围、灵活性等各方面的优势使之应用逐渐广泛。因此，很有必要研究基于工业机器人的玻璃在线堆垛系统。这是玻璃在线堆垛行业的发展趋势。
1.3 玻璃在线堆垛系统
目前，玻璃在线堆垛行业主要存在三种堆垛形式——人工堆垛、简单机械堆垛、机器人堆垛[3]。其中，人工堆垛是最古老，最落后的堆垛形式，随着社会、科技的进步和劳动力价值的提高，人工堆垛形式现在用的很少；简单机械主要包括水平堆垛机和垂直堆垛机，是目前玻璃在线堆垛行业用的最广泛的一种堆垛形式[4-6,9]；机器人堆垛是新生事物，存在很大的发展潜力，目前国内较大的企业主要采用进口的机器人堆垛设备，国内产品也已逐渐投入市场，主要以价格优势参与市场竞争，技术目前还不够成熟[7,8]。
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河南科技大学硕士学位论文
1.3.1 人工堆垛
人工堆垛是以工人为主体的堆垛形式，即大部分甚至全部工作由人工完成。玻璃在线堆垛，有相当长一段时间都是由人工堆垛完成。即使是在高新技术不断涌现的今天，仍有相当一部分中小型玻璃厂采用人工堆垛。人工堆垛不仅劳动强度大，不安全，而且损坏比较严重，如摔碎，擦伤等。而且堆垛效果易受工人精神状态的影响，堆垛质量不稳定。更重要的是，堆垛过程中很容易引发人员伤亡。随着工人工资的提高以及人们对劳动条件的要求越来越高，人工堆垛玻璃问题逐渐凸显；随着玻璃行业的高速发展，玻璃规格进一步增加，人力堆垛已无法适应；随着经济的发展和科学的进步以及人们对劳动条件的要求越来越高，人工堆垛玻璃势必向机器堆垛转变，用机械取代人工劳动势在必行。 1.3.2 简单机械堆垛
简单机械堆垛机主要包括水平堆垛机和垂直堆垛机[10-12]：
水平堆垛机：水平堆垛机一般是利用安装在珩架上的堆垛小车把玻璃从生产线辊道上取下，平整地堆成垛，然后装箱打包运走。取片时堆垛小车上的吸盘架下降，当吸盘与玻璃接触良好后，利用真空形成负压，吸盘吸住玻璃。然后玻璃连同吸盘架一起上升到一定高度，使玻璃脱离生产线辊道。堆垛小车沿珩架运动到堆垛工位将玻璃放到堆垛平台上，堆垛小车再回到生产线辊道上抓取下一片玻璃[13]。水平堆垛机由于堆垛小车在珩架上运动，小车本身有一定的重量，惯性较大，加之吸盘架升降时间长，所以堆垛周期较长（7～20s），且需要竖起二次装箱或储存，造成成品的擦伤或二次损坏，降低合格率[14,15]。
垂直堆垛机：垂直堆垛机堆垛周期一般比水平堆垛机的堆垛周期要短，速度较快。以摆杆型垂直堆垛机来讲，小片堆垛机堆垛周期小于6s，能适应较大规模平板玻璃生产线的堆垛需要。并且解决了国外同类堆垛机玻璃底部“蹭边”现象的发生，在集装架小车上设置了双丝杆步退机构，避免因玻璃架放置不正，导致玻璃局部受力而压碎玻璃。
垂直堆垛机主要采用四连杆机构，运行平稳，轨迹合理，堆垛效果较好，玻璃划伤少，堆垛周期较短，一般为小片3～5s，中片4～8s，大片15～30s。但人工铺纸相对较难，且单台垂直堆垛机只能堆垛一种规格或品种的玻璃。所以，如果用垂直堆垛机在线堆垛玻璃，一个生产线上如果有多种规格的玻璃，那么就要安装不同规格的垂直堆垛机。很明显，占用资源比
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较多，要求场地比较大。
1.3.3 基于工业机器人的玻璃在线堆垛系统
基于工业机器人的玻璃在线堆垛系统，涉及多门相关学科，是高新技术的产物，其主要由两部分组成，即工业机器人和末端执行器，其中工业机器人包括机器人本体及控制器。随着科技的进步和机器人技术的不断成熟，工业机器人不但性能和可操作性大大提高，而且制造成本逐步下降，这就为工业机器人的推广应用提供了可能性。基于工业机器人的玻璃在线堆垛系统是人工智能的体现，具有较强的柔性控制方式，这是一般堆垛机械无法与之相比的。工业机器人堆垛系统在许多生产领域的使用实践证明，它在提高生产自动化水平，提高劳动生产率和产品质量以及经济效益，改善工人劳动条件等方面，有着不可替代的作用[16-22]。随着经济、社会的发展以及科学技术的进步，机器人技术进一步成熟并逐步实现模块化、集成化，工业机器人价格逐年下降，性能逐步提高，可完成的工作越来越复杂，受到制造业的广泛关注。
1.4 基于工业机器人玻璃在线堆垛系统的研究现状
1.4.1 国内现状
国内的工业机器人技术起步较晚，发展也比较缓慢，因此堆垛系统相对不成熟[23-28]。近年来，随着国际现代化堆垛系统的发展，国内专家、学者对此也展开了深入的研究。从规划的空间来说机器人的轨迹规划分为关节空间的轨迹规划和笛卡儿空间的轨迹规划两种，关节空间的轨迹规划是以关节角度的函数来描述机器人的轨迹的，也就是说机器人末端执行器的运动轨迹是由关节变量直接确定的，所以在关节空间中进行轨迹规划时，计算简单。再者，由于关节空间与直角坐标空间之间并不是连续的对应关系，因而不存在机构的奇异性问题。但关节空间和直角空间的几何元素不是线性关系，所以当关节变量呈线性变化时在直角空间参考点的运动轨迹并不形成直线。所以只有那些无路径要求的作业，才能在关节空间直接进行轨迹规划。如吕世增、张大卫等人对对逆运动学旋量方程的求解问题的研究。基于旋量理论建立6R机器人的运动学模型，与传统的 D-H 参数法相比，旋量法从整体上描述刚体的运动，避免了用局部坐标系描述时所造成的奇异性问题[29]；周
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钧等人对玻璃堆垛机步退问题的研究，采用随机步退原理，避免产生累积误差[30]；张袅娜等对柔性机械臂的控制及仿真的研究，用Lagrange方程对柔性机械臂进行动力学建模，运用重新定义系统输出的方法将系统分解成输入输出子系统和内部子系统，解决了柔性臂非最小相位问题[31]等等。 1.4.2 国外现状
国外的玻璃在线堆垛系统，技术较为成熟。主要以德国格林策巴赫公司（GRENZEBACH公司）的产品为代表。该产品自动化程度高，堆垛效果好。主要表现为码放整齐，玻璃在倒运过程中不易破坏（具有自动铺纸功能，但条件要求苛刻）[32]。但其价格昂贵，令中小型企业望而却步。其它的主要有以色列爱司康以及意大利保特罗公司的机械手堆垛系统。
目前，国外专家学者的研究主要集中在系统轨迹规划上。从规划的时间来看机器人的时间最优轨迹规划是现在大多数学者比较感兴趣的课题。机器人的时间最优轨迹规划是指以时间最短作为性能指标并在满足各种约束的条件下优化机器人的运动轨迹，使机器人手部在两点之间或沿着规化轨迹运动的时间最短，进行这项研究的实际意义在于提高工业机器人系统的工作效率。对于时间最优轨迹规划迄今为止己有不少学者对它进行过研究并建立了许多解决这个问题的方法，这些方法大致可以分为以下几种类型：(1)利用最大速度和(或)最大加速度约束条件，求解机器人的时间最优轨迹规划[33]。(2)利用各种非线性约束最优化算法来求解具有运动学(或)动力学约束的机器人时间最优轨迹规划[34]。在轨迹规划中涉及到的优化算法有采用改进的混沌优化算法、黄金分割法、模糊算法、遗传算法、神经网络算法[35,36]等等。结果表明这些优化算法求解速度快，易于实现，进一步减少了运行时间，从而有效地实现了机器人在运动学和动力学约束条件下的时间最优轨迹的设计。但由于各种优化算法各有其优缺点，至今还没有一种通用的优化算法来实现最优轨迹的确定。
在视觉定位系统方面，Hartley 和Faugeras等提出了自标定或弱标定的方法、H. Yoshimi 和K. Allen 提出了非标定目标对准手眼协调系统[37,38]；对于多关节机器人，在非线性系统的轨迹规划中，对逆系统方法进行了许多研究，Aspinwall的脉冲构造法，把机械手的动作归结为非线性的两点边值问题[39-42]，这些方法比较复杂，目前还不成熟。
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1.5 本文主要内容
1.5.1 论文各章主要内容概括
第1章：绪论。提出了课题的来源并分析了本课题的研究背景与意义。回顾了玻璃在线堆垛系统的发展历程及目前存在的几种玻璃在线堆垛形式；分析了玻璃在线堆垛系统的国内外现状，并提出了玻璃在线堆垛系统的发展趋势。
第2章：基于工业机器人的玻璃在堆垛系统的组成。本章主要介绍了基于工业机器人的玻璃在堆垛系统的两个组成部分，即工业机器人和末端执行器；简要介绍了工业机器人概况并提出本研究中所用到的工业机器人；设计出了末端执行器的结构、气路系统，并完成真空元器件的选取工作；最后给出了基于工业机器人玻璃在堆垛系统的安装图。
第3章：工业机器人运动学分析。简要介绍了机器人运动学分析的重要性和算法；回顾了运动学分析中用到的基本数学知识；分析了空间连杆坐标系的构建方法，并建立各关节空间坐标系。最后用D-H方法推导出各关节变换矩阵，完成机器人正、逆运动学的求解。为后续的轨迹规划及仿真打下坚实的基础。
第4章：机器人轨迹规划。介绍了机器人轨迹规划的基本概念和一般性问题；针对本课题所用的关节机器人分析了关节空间路径轨迹规划；选定本课题的规划方法-三次多项式法，分析了三次多项式差值，求出了位置、速度、加速度函数及其解，为后续的仿真分析做好充分的准备。
第5章：运动学仿真分析。本章介绍了三维实体建模软件Pro/Engineer及其仿真分析模块Pro/Mechanism；对实验用的工业机器人IRB2400/16进行结构简化，创建机器人零部件，然后完成装配；在Mechanism中进行仿真分析，绘出仿真曲线图，并对仿真结果做了具体分析。
第6章：实验。实验主要是验证前面各章分析和规划的是否正确与合理。主要完成了玻璃在线堆垛的一整套动作，实验数据与规划数据进行对比，并对实验结果做了具体分析。
第7章：结论。总结了研究的主要结论，提出了本研究进一步的研究方向。
1.5.2 本文主要内容结构框架
本文的研究内容主要从以下几个方面展开：(1) ABB-IRB 2400/10 型工
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