機(jī)械外文翻譯（中文）--一個(gè)復(fù)雜紙盒的包裝機(jī)器人

1、<p><b>　　中文5000字</b></p><p>　　出處：Industrial Robot: An International Journal, 2006, 33(2): 82-87</p><p>　　附件1：外文資料翻譯譯文</p><p>　　一個(gè)復(fù)雜紙盒的包裝機(jī)器人</p><p>　　Ve

2、nketesh N. Dubey</p><p>　　英國設(shè)計(jì)學(xué)院，工程和計(jì)算機(jī)，伯恩茅斯大學(xué)，普爾</p><p>　　Jian S. Dai</p><p>　　倫敦大學(xué)國王學(xué)院，英國倫敦大學(xué)，倫敦</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　目的—為了展示設(shè)計(jì)一種可以折疊復(fù)

3、雜幾何形狀的紙盒的多功能包裝機(jī)的可行性。</p><p>　　設(shè)計(jì)/方法/方式—這項(xiàng)研究對各種幾何形狀的紙盒進(jìn)行研究，將紙盒分為適當(dāng)?shù)念愋鸵约皺C(jī)器可以實(shí)現(xiàn)的操作；把能加工這些紙盒，并進(jìn)行機(jī)械建模和仿真，且最終可以設(shè)計(jì)和開發(fā)的包裝機(jī)概念化。</p><p>　　研究結(jié)果—這種多功能包裝機(jī)已經(jīng)被證明是可能的。只需將這種多功能包裝機(jī)小型化，并對它投資以促進(jìn)其發(fā)展，這種機(jī)器可以成為現(xiàn)實(shí)。</

4、p><p>　　研究限制因素/問題—本研究的目的是證明這種包裝機(jī)的原理，但實(shí)際應(yīng)用需要考慮結(jié)合傳感器給出了一個(gè)緊湊的、便攜式系統(tǒng)。</p><p>　　創(chuàng)意/價(jià)值—這項(xiàng)設(shè)計(jì)是獨(dú)一無二的，并已被證明可以折疊各種復(fù)雜形狀的紙盒。</p><p>　　關(guān)鍵字：機(jī)器人技術(shù) 包裝 自動化</p><p><b>　　文章類型：研究論文<

5、/b></p><p><b>　　1 簡介</b></p><p>　　產(chǎn)品包裝是關(guān)鍵的工業(yè)領(lǐng)域之一，以自動化為首要權(quán)益。任何產(chǎn)品流通到消費(fèi)者手中需要某種形式的包裝，無論是食品、禮品或醫(yī)療用品。因此，對高速的產(chǎn)品包裝有持續(xù)的需求。對于周期性消費(fèi)品和精美禮品，這項(xiàng)需求更是大大增加。它們要求包裝設(shè)計(jì)新穎且有吸引力，以吸引潛在客戶。通常這類產(chǎn)品用外觀精美、形狀復(fù)雜的

6、紙盒遞送。如果采用手工方法進(jìn)行包裝，不僅令工人感到乏味且操作復(fù)雜，也費(fèi)時(shí)和單調(diào)。</p><p>　　對于簡單的紙盒包裝，通過使用沿傳送帶布置的專用機(jī)器，已經(jīng)獲得了實(shí)現(xiàn)。這些機(jī)器只能處理固定類型的紙盒，任何形狀和結(jié)構(gòu)的變化很難納入到系統(tǒng)之中。在大多數(shù)情況下，它們需要進(jìn)行超過40種變化以適應(yīng)同種類型但大小不同的紙盒，這就意味著每一個(gè)特定類型的紙盒需要一條包裝生產(chǎn)線。從一種類型到另一種類型的紙盒折疊組裝生產(chǎn)線的轉(zhuǎn)換將

7、會使資本支出增加。因?yàn)檫@些限制因素和轉(zhuǎn)換生產(chǎn)線的相關(guān)成本，包裝的靈活性將會失去。</p><p>　　因此，作為一種補(bǔ)充，手工生產(chǎn)線被引進(jìn)以適應(yīng)不同類型的紙盒的生產(chǎn),從而解決轉(zhuǎn)換生產(chǎn)線的問題。它們承擔(dān)了大約10%的工作訂單，并被用作生產(chǎn)促銷產(chǎn)品的組裝生產(chǎn)線。但是，問題仍然存在，手工生產(chǎn)線上的管理員和操作工需要一個(gè)長時(shí)間的學(xué)習(xí)過程，而且與機(jī)器生產(chǎn)線不同，勞動傷害主要是源于扭手動作。此外，手工生產(chǎn)線通常被認(rèn)為是一個(gè)季

8、節(jié)性的生產(chǎn)力，仍然需要專門的機(jī)器長年運(yùn)行，以節(jié)約成本和時(shí)間。設(shè)計(jì)師追求奇幻和獨(dú)特的紙盒包裝以響應(yīng)競爭激烈的市場，使包裝工作更加困難。紙盒的風(fēng)格和類型的頻繁變化和小批量生產(chǎn)對紙盒裝配和包裝生產(chǎn)線提出了挑戰(zhàn)，為此需要設(shè)計(jì)一種靈活的機(jī)器。</p><p>　　因此，這項(xiàng)責(zé)任放在了包裝行業(yè)的身上,在可編程和可重構(gòu)系統(tǒng)的幫助下充分加快轉(zhuǎn)換過程以處理不同類型的紙盒。這種靈活的和高度可重構(gòu)的系統(tǒng)的開發(fā)需要進(jìn)行系統(tǒng)的分析和綜合每

9、個(gè)部件，即紙盒和紙盒的折疊模式、包裝紙盒的機(jī)器、完整的組裝操作。一種這樣的方法（Lu和Akella，2000年）已經(jīng)公布了,該方法使用固定裝置來折疊紙盒。雖然這種方法能完成紙盒所有折疊操作，但實(shí)施的工作只是處理一個(gè)簡單的矩形箱,其固定的自動裝置被安裝在指定的位置。但是，對于復(fù)雜幾何體紙盒，需要對紙盒和折疊機(jī)構(gòu)進(jìn)行綜合考慮，從而實(shí)現(xiàn)包裝生產(chǎn)線的柔性自動化。</p><p>　　在復(fù)雜紙盒的折疊操作及工序分析方面，作

10、者開展了大量的研究，并訴諸于圖形理論、螺旋理論、矩陣?yán)碚撉乙砸环N空間結(jié)構(gòu)表示紙盒；及其研究紙盒移動性和分析其結(jié)構(gòu)外形（Dai and Rees Jones，1997a，b，c，1999；Dubey et al. 1999a，b，c；Dubey and Dai，2001）。本文介紹從事設(shè)計(jì)能處理復(fù)雜幾何形狀紙盒的可重構(gòu)紙盒折疊機(jī)的研究。</p><p>　　2 設(shè)計(jì)和原理的需要</p><p&g

11、t;　　該項(xiàng)目被列在許多化妝品和香水供應(yīng)商的愿望列表上，如伊麗莎白雅頓和卡爾文·克萊恩，并被Unilever Research UK積極地考慮了數(shù)年。他們愿意支持任何一種能夠使用一些替代手段從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)花式紙盒包裝過程自動化的研究思想。結(jié)果，這個(gè)項(xiàng)目是由英國和荷蘭聯(lián)合利華財(cái)團(tuán)贊助，以探索開發(fā)一種可處理各種形狀和尺寸的紙盒的柔性包裝機(jī)的可行性。這項(xiàng)研究由手工包裝流程的研究開始，揭示了當(dāng)從簡單的紙盒的生產(chǎn)轉(zhuǎn)換到一個(gè)復(fù)雜的紙盒的生產(chǎn)

12、時(shí)，要求包裝機(jī)具有較高的靈活性（Dai, 1996年）。這樣的紙盒用一張形狀不規(guī)則的硬紙板折疊而成。由于紙板被折斷，它有若干個(gè)可圍繞折痕線旋轉(zhuǎn)的活動的面。這些折痕線便于折疊，從而造成一種形狀的轉(zhuǎn)變。圖1顯示了一個(gè)花式紙盒的折疊過程，硬紙板被折疊后，變成了帳篷的形狀。通常這種復(fù)雜的且小批量生產(chǎn)的紙盒都采用手工制作。</p><p>　　圖1 花式紙盒的折疊過程</p><p>　　圖2 在手

13、工包裝紙盒時(shí)的力</p><p>　　在手工包裝工藝中，使用手指折起側(cè)面，如圖2所示，沿箭頭的方向繞著三個(gè)軸進(jìn)行折疊，而頂面和底面是用手掌沿平箭頭所示方向折起。箭頭代表用手指施加撥力，而平箭頭代表施加推力。在閉合中間層時(shí)，需要手指精巧地交叉地將端面插進(jìn)設(shè)計(jì)好的縫隙中。</p><p>　　為了歸納折疊步驟，對各種形狀的紙盒進(jìn)行了研究，并把紙盒分類，如圖3所示。它也顯示了紙盒包裝所涉及的各種

14、操作。尤其是要注意，大多數(shù)紙盒必須經(jīng)過三個(gè)步驟，豎立、插入[1]和閉合。但除了托盤式紙盒以外，在其他情況下，依據(jù)紙盒外形的復(fù)雜程度，其包裝步驟涉及各種操作（其中有些如上所述）。</p><p><b>　　圖3 紙盒包裝操作</b></p><p>　　設(shè)計(jì)一種建造和折疊這種紙盒的機(jī)械系統(tǒng)需要考慮以下幾點(diǎn)：</p><p>　　● 多功能。提供

15、各種操作功能，包括撥、折、擠和扭操作。</p><p>　　● 靈活。能夠以不同的方式達(dá)到操作位置。</p><p>　　● 控制最小數(shù)量的軸。降低系統(tǒng)的復(fù)雜性。</p><p>　　● 可重構(gòu)性。處理各種不同幾何形狀的可折疊的紙盒。</p><p>　　● 可編程性。同時(shí)地、循序地控制多個(gè)軸的運(yùn)動。</p><p>

16、　　一個(gè)可以提供精細(xì)動作及操作功能的靈活的系統(tǒng)，需要使用有關(guān)節(jié)的手指狀的鏈接。這樣的手指安裝在一個(gè)活動底座上，例如X-Y工作臺或環(huán)形導(dǎo)軌，以此保證系統(tǒng)可重新構(gòu)建和處理不同形狀和尺寸的紙盒。控制器的架構(gòu)應(yīng)能夠獨(dú)立地驅(qū)動各軸。該設(shè)計(jì)應(yīng)提供所有的操作功能，而又不使系統(tǒng)變地復(fù)雜，如此使其成為一個(gè)具經(jīng)濟(jì)效益的解決方案。</p><p><b>　　3 包裝機(jī)</b></p><p&

17、gt;　　基于上述標(biāo)準(zhǔn)原始設(shè)計(jì)被概念化和模型化,如圖4所示。人手能夠演示各種功能是基于人手的靈活性和功能的多樣性。該設(shè)計(jì)有四個(gè)手指，兩個(gè)是三自由度的，兩個(gè)是二自由度的。三自由度的手指通過下方的關(guān)節(jié)做偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(Y)，依靠其余兩個(gè)關(guān)節(jié)作俯仰運(yùn)動(P),從而形成YP-P構(gòu)型。二自由度手指只能在一個(gè)二維平面內(nèi)做俯仰運(yùn)動。</p><p><b>　　圖4 包裝機(jī)模型</b></p>&

18、lt;p>　　手指被安裝在導(dǎo)軌上，可沿導(dǎo)軌滑動而且導(dǎo)軌本身可以作橫向移動。手指都安裝在旋轉(zhuǎn)底座上，使這些軸能夠進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。兩鉗手在平行于手指水平導(dǎo)軌的方向上做推進(jìn)運(yùn)動，如模型所示。擋板附著在鉗手上,并被安裝在下方的關(guān)節(jié)上，當(dāng)進(jìn)行推擠操作時(shí)，它們可以沿著紙盒的輪廓運(yùn)動。紙盒放置在該方形底座底部的中心處，底座是由一臺電動機(jī)驅(qū)動做垂直運(yùn)動以及轉(zhuǎn)動，從而使紙盒達(dá)到包裝操作所需的任何位置。手指的關(guān)節(jié)直接通過關(guān)節(jié)馬達(dá)驅(qū)動，整個(gè)系統(tǒng)需要控制

19、14個(gè)軸。這些考量是基于高度的可重構(gòu)性與控制最小數(shù)量的軸。</p><p>　　指尖的設(shè)計(jì)進(jìn)行了專門地考慮，因?yàn)樗鼈儽仨殘?zhí)行上一節(jié)所討論的各種操作功能。受手工包裝過程的啟發(fā)，指尖設(shè)計(jì)采用帶有V型槽的尖頭。根據(jù)手工包裝的需要，使其手指能在紙盒上施加“戳”和“擠”的力。該尖頭用于戳操作，在V型槽的擠壓下，紙板打開以進(jìn)行塞操作。除了提供戳力和擠力，二自由度手指的Y形部分還能給扁平紙板提供暫時(shí)的推力。在有限自由度的情況下

20、，這樣的設(shè)計(jì)可以提供許多靈活的操作功能以處理不同構(gòu)造不同類型的紙盒。</p><p>　　該模型提供了機(jī)器運(yùn)行所需的全部運(yùn)動信息（Dubey and Crowder，2003年）。包裝機(jī)的參數(shù)模型已經(jīng)被開發(fā)出來（Workspace4，1998年），幾何外形和尺寸設(shè)計(jì)的改變可以非常容易地納入到模型中，包括結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證。這也使機(jī)器部件的運(yùn)動參數(shù)能在加工之前就得以確定。包裝紙盒時(shí)，在紙盒上定位各種接觸點(diǎn)，通過記錄的各種接

21、觸點(diǎn)的位移，就可以實(shí)現(xiàn)手指的紙箱之間的運(yùn)動的連通性。紙箱上的接觸點(diǎn)可以由折疊次序的幾何表示鑒別（Dubey and Dai，2001）。這些接觸點(diǎn)用于測量每個(gè)手指關(guān)節(jié)的偏移量。將這些位移數(shù)據(jù)進(jìn)行插值運(yùn)算，生成最優(yōu)手指路徑，盡量減少不必要的手指運(yùn)動，從而減少包裝的周期時(shí)間。從模型中獲得的插補(bǔ)數(shù)據(jù)可以下載，用以驅(qū)動手指。當(dāng)前的研究工作是基于紙盒的幾何特征及其折疊次序的研究，使整個(gè)包裝過程可以實(shí)現(xiàn)自動化（迪比等，2000），而不是借助于紙盒的

22、仿真。</p><p>　　圖5顯示了當(dāng)紙盒折疊時(shí),手指跟蹤紙盒上的接觸點(diǎn)。模擬模型為包裝機(jī)器的設(shè)計(jì)以及控制提供了許多有價(jià)值的信息。例如，在維度和結(jié)構(gòu)決定之前，模擬模型可用來檢查機(jī)器的幾何以及結(jié)構(gòu)。通過改變模型的基本尺寸參數(shù),任何新的機(jī)械零件幾何信息都可直接獲得。在紙盒的折疊過程中所得的運(yùn)動數(shù)據(jù)和軌跡可用于手指系統(tǒng)控制。目前，模擬運(yùn)動參數(shù)不可從直接整合到控制器中，因此這些數(shù)據(jù)都必須以數(shù)據(jù)文件的形式輸入到控制器中。

23、不過，這種方法可全面地校核折疊次序，然后下載這些數(shù)據(jù)并輸入到控制器中。</p><p>　　圖5 機(jī)械手折疊紙盒</p><p><b>　　4 試驗(yàn)機(jī)</b></p><p>　　利用從模型中獲得的三維信息,所開發(fā)的包裝機(jī)采用三個(gè)線性電動機(jī)；兩個(gè)用于驅(qū)動鉗手,一個(gè)用于控制旋轉(zhuǎn)平臺的垂直運(yùn)動。十個(gè)日本安川電氣提供的高扭矩、高性能電動機(jī)被用在手指

24、關(guān)節(jié)處，這些電動機(jī)規(guī)格為：尺寸，Φ30× 30毫米；重量，70克；轉(zhuǎn)矩，0.7Nm/22.5rpm；傳動比，80:1，諧波傳動；光學(xué)編碼器，96脈沖/轉(zhuǎn)。這意味著10cm的手指可以提供7N的壓力，足以折疊這些花式禮品紙盒了。該控制器架構(gòu)采用四個(gè)運(yùn)動控制程序卡片，每個(gè)卡片可以控制多達(dá)四個(gè)軸（Dubey and Crowder，2003年）。這些卡片支持C語言編程的運(yùn)動控制，它也有一個(gè)G代碼編程界面，用于快速檢驗(yàn)和模擬加工。該統(tǒng)還

25、采用了氣動連接，用以連接吸盤，控制器可以通過吸盤控制啟停開關(guān)。目前采用轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤的方式將紙盒從一個(gè)位置移到另一個(gè)位置并定位（今后還計(jì)劃用指尖上的V形槽），完成抓取操作。這將有利于處理平整的紙盒板，防止其滑動（Dubey et al., 1999年）。</p><p>　　為了建立用于構(gòu)建及折疊紙盒的包裝系統(tǒng)的功能，在確定模型和包裝機(jī)兩者的幾何結(jié)構(gòu)相同之后，從模型中生成的數(shù)據(jù)文件反饋到控制器。數(shù)據(jù)文件用單獨(dú)的一行存儲

26、電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)行的運(yùn)動數(shù)據(jù)，而后續(xù)行有下一階段的運(yùn)動控制參數(shù)。因此，控制程序按順序讀取數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生相應(yīng)的中斷，同時(shí)發(fā)送操作命令。如此，手指能并行地、連續(xù)地重復(fù)運(yùn)動。編制針對各種操作功能的子程序，可以進(jìn)一步增強(qiáng)控制器的編程能力，使控制器的模塊化結(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)，從而能更好地適應(yīng)任何新的紙箱折疊和包裝操作工序。</p><p>　　系統(tǒng)的可重構(gòu)能力是系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵問題之一。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的想法是使用該系統(tǒng)來折疊不同類型及微

27、小改動的紙盒。但要做到這一點(diǎn)，保證系統(tǒng)完全按已開發(fā)好的圖示模型和基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行組裝是非常重要的。運(yùn)行機(jī)器，數(shù)據(jù)文件包含在主程序中，當(dāng)折疊紙盒時(shí)，系統(tǒng)首次操作以一個(gè)逐步的試點(diǎn)模式進(jìn)行以驗(yàn)證手指運(yùn)動。一旦這個(gè)系統(tǒng)完成自動包裝的準(zhǔn)備工作，該系統(tǒng)能夠在不到45秒的時(shí)間內(nèi)成功地建造和折疊紙盒（圖1）。如插圖1所示的先進(jìn)機(jī)器，所有的手指和橫向推桿都參與了復(fù)雜的折疊操作。雖然很難同手工包裝進(jìn)行時(shí)間的比較，但是我們進(jìn)行了一些同樣紙盒的試驗(yàn)，手工包裝（學(xué)習(xí)

28、之后）平均耗時(shí)60秒左右。</p><p>　　機(jī)器的可重構(gòu)性可以通過折疊另一種類型的紙盒來證明，如插圖2所示。這是一個(gè)形狀復(fù)雜的封閉式紙盒。包裝這種紙盒需要對紙板進(jìn)行多種操作，包括撥、扭和折疊。重置機(jī)器結(jié)構(gòu)之后，整個(gè)紙盒折疊過程耗時(shí)45s。改裝后的機(jī)器可與改裝前的機(jī)器（如插圖1所示）相媲美。這表明了該系統(tǒng)的高度靈活性和再設(shè)計(jì)能力。</p><p>　　插圖1 運(yùn)行中的包裝機(jī)</p&

29、gt;<p>　　插圖2 另一種紙盒的包裝機(jī)</p><p><b>　　5 討論和結(jié)論</b></p><p>　　本文提出了一份靈活的、可重構(gòu)的裝配和包裝系統(tǒng)。本研究的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)可以處理不同幾何形狀的紙盒可重構(gòu)的裝配和包裝系統(tǒng)。最初的想法是要開發(fā)一個(gè)可以展示對不同風(fēng)格和復(fù)雜形狀的紙盒的適應(yīng)能力的系統(tǒng)。結(jié)果表明，該包裝機(jī)可以折疊兩個(gè)完全不同形狀的紙

30、盒。在任何情況下，折疊周期約為45s。雖然這不是一個(gè)優(yōu)化的折疊時(shí)間，但是采用在線數(shù)據(jù)傳輸有望減少周期時(shí)間至30秒或更少。雖然一個(gè)非常靈活的紙盒包裝機(jī)在用于車間生產(chǎn)之前仍有許多問題需要解決。不過，本研究的目的是驗(yàn)證面向包裝行業(yè)的快速轉(zhuǎn)換技術(shù)。</p><p>　　未來需要改進(jìn)的部分包括優(yōu)化手指導(dǎo)軌，使用力反饋觸覺傳感器，以避免紙板上的壓力過大，且將在真空裝置中進(jìn)行折疊操作。還建議將仿真模型與實(shí)際機(jī)器相結(jié)合,使其能下

31、載在線數(shù)據(jù)。X-Y工作臺可用電機(jī)驅(qū)動和控制,實(shí)現(xiàn)自動重構(gòu)。這些先進(jìn)的技術(shù)，將使整個(gè)包裝過程自動化, 從紙盒的二維圖開始，然后確定其運(yùn)動學(xué)特性并生成運(yùn)動序列到完成產(chǎn)品包裝。此外，如果能小型化，還計(jì)劃將靈活的、可重構(gòu)的機(jī)械手安裝在一個(gè)機(jī)器人手臂上以得到更高靈活性。該系統(tǒng)不僅能進(jìn)行紙盒折疊，也可以在折疊的同時(shí)將產(chǎn)品放入紙盒中。這將減少包裝時(shí)間，也能夠迎接對不斷變化的高端私人產(chǎn)品包裝需求的高度適應(yīng)性的挑戰(zhàn)。</p><p&g

32、t;<b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　Dai, J.S. (1996a), “Survey and business case study of the exterous reconfigurable assembly and packaging system D-RAPS)”, Science and Technology Report, No. PS960321, Uni

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