機械外文翻譯（中文）包裝機器人

1、附件1：外文資料翻譯譯文一個復(fù)雜紙盒的包裝機器人venketesh n. dubey英國設(shè)計學(xué)院，工程和計算機，伯恩茅斯大學(xué)，普爾jian s. dai倫敦大學(xué)國王學(xué)院，英國倫敦大學(xué)，倫敦摘要目的為了展示設(shè)計一種可以折疊復(fù)雜幾何形狀的紙盒的多功能包裝機的可行性。設(shè)計/方法/方式這項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器可以實現(xiàn)的操作；把能加工這些紙盒，并進(jìn)行機械建模和仿真，且最終可以設(shè)計和開發(fā)的包裝機概念化。研究結(jié)果這種多功能包裝機已經(jīng)被證明是可能的。只需將這種多功能包裝機小型化，并對它投資以促進(jìn)其發(fā)展，這種機器可以成為現(xiàn)實。研究限制因素/問題本研究的目的是證明這種包裝

2、機的原理，但實際應(yīng)用需要考慮結(jié)合傳感器給出了一個緊湊的、便攜式系統(tǒng)。創(chuàng)意/價值這項設(shè)計是獨一無二的，并已被證明可以折疊各種復(fù)雜形狀的紙盒。關(guān)鍵字：機器人技術(shù) 包裝 自動化文章類型：研究論文1 簡介產(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。對于周期性消費品和精美禮品，這項需求更是大大增加。它們要求包裝設(shè)計新穎且有吸引力，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，也費時和單調(diào)。 對于簡單的紙盒包裝，通過使用沿傳

3、送帶布置的專用機器，已經(jīng)獲得了實現(xiàn)。這些機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)換將會使資本支出增加。因為這些限制因素和轉(zhuǎn)換生產(chǎn)線的相關(guān)成本，包裝的靈活性將會失去。因此，作為一種補充，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長時間的學(xué)習(xí)過程，而且與機

4、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)為是一個季節(jié)性的生產(chǎn)力，仍然需要專門的機器長年運行，以節(jié)約成本和時間。設(shè)計師追求奇幻和獨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)計一種靈活的機器。 因此，這項責(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)的分析和綜合每個部件，即紙盒和紙盒的折疊模式、包裝紙盒的機器、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

5、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，但實施的工作只是處理一個簡單的矩形箱,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構(gòu)進(jìn)行綜合考慮，從而實現(xiàn)包裝生產(chǎn)線的柔性自動化。在復(fù)雜紙盒的折疊操作及工序分析方面，作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)計能處理復(fù)雜幾何形狀紙盒的可重構(gòu)紙盒折疊機的研究

6、。2 設(shè)計和原理的需要該項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現(xiàn)整個花式紙盒包裝過程自動化的研究思想。結(jié)果，這個項目是由英國和荷蘭聯(lián)合利華財團贊助，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的可行性。這項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)換到一個復(fù)雜的紙盒的生產(chǎn)時，要求包裝機具有較高的靈活性（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，它有若干個可圍繞折痕線旋轉(zhuǎn)的活動的面。這些

7、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。圖1 花式紙盒的折疊過程圖2 在手工包裝紙盒時的力 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，需要手指精巧地交叉地將端面插進(jìn)設(shè)計好的縫隙中。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操作。尤其是要注意，大多數(shù)紙盒必須經(jīng)過三個步驟，豎立、插入1

8、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）。圖3 紙盒包裝操作設(shè)計一種建造和折疊這種紙盒的機械系統(tǒng)需要考慮以下幾點： 多功能。提供各種操作功能，包括撥、折、擠和扭操作。 靈活。能夠以不同的方式達(dá)到操作位置。 控制最小數(shù)量的軸。降低系統(tǒng)的復(fù)雜性。 可重構(gòu)性。處理各種不同幾何形狀的可折疊的紙盒。 可編程性。同時地、循序地控制多個軸的運動。一個可以提供精細(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?？刂破鞯募軜?gòu)

9、應(yīng)能夠獨立地驅(qū)動各軸。該設(shè)計應(yīng)提供所有的操作功能，而又不使系統(tǒng)變地復(fù)雜，如此使其成為一個具經(jīng)濟效益的解決方案。3 包裝機 基于上述標(biāo)準(zhǔn)原始設(shè)計被概念化和模型化,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)計有四個手指，兩個是三自由度的，兩個是二自由度的。三自由度的手指通過下方的關(guān)節(jié)做偏轉(zhuǎn)運動(y)，依靠其余兩個關(guān)節(jié)作俯仰運動(p),從而形成yp-p構(gòu)型。二自由度手指只能在一個二維平面內(nèi)做俯仰運動。圖4 包裝機模型手指被安裝在導(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)運動，

10、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，它們可以沿著紙盒的輪廓運動。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驅(qū)動做垂直運動以及轉(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，整個系統(tǒng)需要控制14個軸。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。 指尖的設(shè)計進(jìn)行了專門地考慮，因為它們必須執(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

11、y形部分還能給扁平紙板提供暫時的推力。在有限自由度的情況下，這樣的設(shè)計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。 該模型提供了機器運行所需的全部運動信息（dubey and crowder，2003年）。包裝機的參數(shù)模型已經(jīng)被開發(fā)出來（workspace4，1998年），幾何外形和尺寸設(shè)計的改變可以非常容易地納入到模型中，包括結(jié)構(gòu)的驗證。這也使機器部件的運動參數(shù)能在加工之前就得以確定。包裝紙盒時，在紙盒上定位各種接觸點，通過記錄的各種接觸點的位移，就可以實現(xiàn)手指的紙箱之間的運動的連通性。紙箱上的接觸點可以由折疊次序的幾何表示鑒別（dubey and dai，2001）。這些接觸點

12、用于測量每個手指關(guān)節(jié)的偏移量。將這些位移數(shù)據(jù)進(jìn)行插值運算，生成最優(yōu)手指路徑，盡量減少不必要的手指運動，從而減少包裝的周期時間。從模型中獲得的插補數(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，使整個包裝過程可以實現(xiàn)自動化（迪比等，2000），而不是借助于紙盒的仿真。 圖5顯示了當(dāng)紙盒折疊時,手指跟蹤紙盒上的接觸點。模擬模型為包裝機器的設(shè)計以及控制提供了許多有價值的信息。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動數(shù)據(jù)和軌跡可用于手指系統(tǒng)控制。目前

13、，模擬運動參數(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。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。圖5 機械手折疊紙盒4 試驗機利用從模型中獲得的三維信息,所開發(fā)的包裝機采用三個線性電動機；兩個用于驅(qū)動鉗手,一個用于控制旋轉(zhuǎn)平臺的垂直運動。十個日本安川電氣提供的高扭矩、高性能電動機被用在手指關(guān)節(jié)處，這些電動機規(guī)格為：尺寸，30 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)采用四個運動控

14、制程序卡片，每個卡片可以控制多達(dá)四個軸（dubey and crowder，2003年）。這些卡片支持c語言編程的運動控制，它也有一個g代碼編程界面，用于快速檢驗和模擬加工。該統(tǒng)還采用了氣動連接，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位置移到另一個位置并定位（今后還計劃用指尖上的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）。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)文件用單獨的一行存儲電機協(xié)調(diào)運行的運動數(shù)據(jù)，而

15、后續(xù)行有下一階段的運動控制參數(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，同時發(fā)送操作命令。如此，手指能并行地、連續(xù)地重復(fù)運動。編制針對各種操作功能的子程序，可以進(jìn)一步增強控制器的編程能力，使控制器的模塊化結(jié)構(gòu)得以實現(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。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)計時的想法是使用該系統(tǒng)來折疊不同類型及微小改動的紙盒。但要做到這一點，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。運行機器，數(shù)據(jù)文件包含在主程序中，當(dāng)折疊紙盒時，系統(tǒng)首次操作以一個逐步的試點模式進(jìn)行以驗證手指運動。一旦這個系統(tǒng)完成自動包裝的準(zhǔn)備工作，該

16、系統(tǒng)能夠在不到45秒的時間內(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)行時間的比較，但是我們進(jìn)行了一些同樣紙盒的試驗，手工包裝（學(xué)習(xí)之后）平均耗時60秒左右。 機器的可重構(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。重置機器結(jié)構(gòu)之后，整個紙盒折疊過程耗時45s。改裝后的機器可與改裝前的機器（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)計能力。插圖1 運行中的包裝機插圖2 另一種紙盒的包裝機5 討論和結(jié)論本文提出了一份靈

17、活的、可重構(gòu)的裝配和包裝系統(tǒng)。本研究的目的是設(shè)計一個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，該包裝機可以折疊兩個完全不同形狀的紙盒。在任何情況下，折疊周期約為45s。雖然這不是一個優(yōu)化的折疊時間，但是采用在線數(shù)據(jù)傳輸有望減少周期時間至30秒或更少。雖然一個非常靈活的紙盒包裝機在用于車間生產(chǎn)之前仍有許多問題需要解決。不過，本研究的目的是驗證面向包裝行業(yè)的快速轉(zhuǎn)換技術(shù)。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際機器

18、相結(jié)合,使其能下載在線數(shù)據(jù)。x-y工作臺可用電機驅(qū)動和控制,實現(xiàn)自動重構(gòu)。這些先進(jìn)的技術(shù)，將使整個包裝過程自動化, 從紙盒的二維圖開始，然后確定其運動學(xué)特性并生成運動序列到完成產(chǎn)品包裝。此外，如果能小型化，還計劃將靈活的、可重構(gòu)的機械手安裝在一個機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將產(chǎn)品放入紙盒中。這將減少包裝時間，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)。參考文獻(xiàn)dai, j.s. (1996a), “survey and business case study of the exterous reconfigurable assem

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