面向多尺寸箱体的移动式智能码垛机器人及系统研发-开题报告

论文题目：面向多尺寸箱体的移动式智能码垛机器人及系统研发论文类型（请√勾选）：□基础研究；□应用基础研究；√应用研究；□其它课题来源（请√勾选）：□纵向课题；√横向课题；□自选课题；□其它一、选题的科学依据（1、选题背景；2、理论意义和应用价值；3、国内外研究现状及发展趋势。附主要参考文献及出处）1．选题背景随着科技不断发展，工业不断进步，机器人作为医疗领域、航空航天、物流运输、机械加工、汽车领域等行业，具有诸多跨领域应用范围。随着中国制造2025年的目标为“迈入制造强国行列”；中国制造2035年的目标为“制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平”；中国制造2050年目标为“制造业大国地位更加巩固，综合实力进入世界制造强国前列”。所以机器人行业将迎来更加广阔的发展前景和更加激烈的市场竞争[1]。所以机器人产业集成的规模化、智能化和创新化市场的需求将持续增长，为机器人产业的快速发展提供强劲动力。随着仓储、物流和生产制造领域向智能化和自动化方向的转型，因此，机器人企业需要不断创新和升级，提升技术实力和市场竞争力，以适应市场需求的变化和行业的发展趋势。在制造领域当中，很多产业的工厂中需要码垛机器人。其中，码垛作业作为物料搬运和存储的重要环节，其效率和准确性直接影响到整个生产线的运行效率和产品质量[2]。传统的码垛方式主要依赖人工操作，不仅效率低下，还存在安全隐患和人力成本高昂的问题。因此，开发一种能够自动适应多尺寸箱体、高效准确的移动式智能码垛机器人，成为当前工业制造和物流行业亟待解决的重要课题。2．研究意义及价值从市场需求的角度来看，随着电子商务的蓬勃发展和制造业的转型升级，物流仓储行业对自动化、智能化设备的需求急剧增加。特别是在处理多尺寸、多类型的箱体时，传统的人工码垛方式已经无法满足高效、准确的要求[3]。因此，开发一种能够自动识别箱体尺寸、自动调整码垛方式和路径的移动式智能码垛机器人，对于提高物流仓储行业的自动化水平和作业效率具有重要意义。从技术发展的角度来看，随着人工智能、机器视觉、深度学习等技术的不断进步，移动式智能码垛机器人的研发和应用成为可能。通过集成先进的传感器、控制器和执行器，机器人能够实现对箱体尺寸、形状和位置的精确识别，以及自动调整码垛方式和路径。同时，通过引入人工智能算法和深度学习技术，机器人还能够不断学习和优化码垛策略，提高作业效率和准确性。从行业应用的角度来看，移动式智能码垛机器人具有广泛的应用前景。除了物流仓储行业外，还可以应用于食品、饮料、化工、制药等多个领域。特别是在处理高温、噪音、粉尘等恶劣环境时，机器人能够替代人工完成繁重、危险的码垛作业，保障作业人员的安全和健康[4-6]。图1现场人工堆叠杂乱现象智能码垛机器人的应用能够显著降低物流仓储行业的人力成本，提高作业效率和质量。与此同时机器人还能够实现24小时不间断作业，进一步提升了企业的生产能力和经济效益。综上所述，面向多尺寸箱体的移动式智能码垛机器人的研发和应用具有重要的研究意义，并且具有一定的经济价值和社会价值。3．国内外研究现状及发展趋势（1）国内研究现状及发展趋势2021年我国工信部印发了《“十四五”机器人产业发展规划》，这个规划的出台大幅提升了我国机器人产业的发展速度[1]，根据国际机器人联合会（IFR）发布的《2023世界机器人报告》显示，2022年我国的工业机器人装机量已经达到290258台，同比增长5%，而且据报告数据来看，自2017年以来，我国工业机器人装机量年均增长率为13%REF_Ref81642510\r\h错误!未找到引用源。。图2中国工业机器人装机量趋势图目前常见的工业机器人按照应用主要分类有搬运机器人，焊接机器人，装配机器人，加工机器人，喷涂机器人，码垛机器人等，码垛机器人是应用在企业生产过程中的一种提升企业生产自动化水平的装置，它能够根据预先设计好的程序对货物进行码垛入库工作，其广泛应用于食品，包装，物流等行业，且可以应用在恶劣的工作环境中。国内学者提出了一种结合机器人臂和手持单目相机来定位目标物体的6-DOF物体定位法。该方法包括物体识别和定位过程，识别过程基于2D图像，包括训练阶段和识别阶段。图3机器人识别和定位定位过程则利用机器人臂的运动学和单目视觉信息来获取物体的3D信息。适用于需要精确物体定位和姿态识别的机器人应用场景。通过针孔相机模型和透视投影模型进行计算，该方法仅需要棋盘格和带有几个特征点的白纸作为辅助工具，且获得的相机参数具有高精度，满足一般机器人单目视觉引导系统的要求，提高了机器人视觉引导系统的精度和可靠性。使用Yolo-V2检测器和PnP算法实现了单目摄像机目标检测和定位，并取得了良好的效果REF_Ref81642510\r\h错误!未找到引用源。。武交峰REF_Ref81642510\r\h错误!未找到引用源。研究了工业集装箱生产线码垛机器人运动轨迹的影响成因和运动模型并且他通过模型分析机器人的正解和反解求得在各个方向上的运动规律。基于机器人运动的角度和位姿误差最小值，采用映射函数转换为约束条件，为后续机器人单元轨迹控制提供重要帮助。线性函数分析方法对机器人行进环境中存在的问题进行可控性分析，得到不同因素的影响结果和既定阈值，通过阈值确定目标点与平衡点之间的差距。该差距值即为轨迹控制的自适应值，建立几何空间通过多方向的角速、速度以及位姿调整，实现码垛机器人运动的单元轨迹控制。应用后的实际轨迹与目标轨迹之间差距较小，实用效果表现优异，具有一定的应用价值，可提高码垛机器人的工作效率，降低了人工成本。汤兆平REF_Ref81642510\r\h错误!未找到引用源。以XB10码垛机器人为研究对象，针对码垛机器人工作过程中轨迹规划的时间优化问题，提出了一种改进的鲸鱼优化算法。采用了标准的D-H参数法，建立了XB10码垛机器人的运动学模型，并在MATLAB中进行仿真，为后续对轨迹进行规划奠定了基础。改进算法以Bernoulli映射初始化种群，使其分布更加均匀，提高算法收敛的速度；引入自适应的权重，用来改善鲸鱼局部和全局的搜索能力。并且采用收敛因子非线性的更新策略，可使算法提前进入局部搜索的状态。为了比较改进算法的效果，他基于6种基准函数与其他同类算法进行对比，测试结果表明改进鲸鱼优化算法的求解精度更高，收敛速度更快，有更好的全局搜索能力。利用改进鲸鱼优化算法进行轨迹插值的基础上，寻求时间的最优解，并构建出机器人各个关节的运动参数曲线。优化后的结果满足约束要求，与未采用算法优化的轨迹规划所需要的运行时间相比缩短了22.46%，提高了机器人的工作效率，验证了改进鲸鱼优化算法的有效性。图4XB10机器人连杆坐标系（2）国外研究现状及发展趋势国内外各大工业机器人厂商均有将工业机器人应用于码垛行业的案例。目前，ABB、KUKA、YASKAWA以及FANUC等四大厂商占据着全球工业机器人市场的主要份额。它们在码垛行业均有各自的代表产品，如：ABBIRB660，KUKAKR10001300titanPA，YASKAWAMOTOMAN-MPL300，FANUCM-410iB/140H。ABBIRB660码垛机器人如图5所示，该码垛机器人为垂直多关节型机器人，具有4自动度，工作半径可达3150mm，有效负载最高可达250kg，重复定位精度为1.0mm。ABBIRB660搭载ABBIRC5工业机器人控制器，以先进动态建模技术为基础，对机器人性能实施自动优化，并且具有开放式的I/O接口支持常用的工业网络，便于扩展机器人应用。KUKAKR10001300titanPA码垛机器人如图5所示，该码垛机器人是一款重载型机器人，具有4自由度，工作半径为3202mm，有效负载最高可达1300kg，重复定位精度为1.0mm。KUKAKR10001300titanPA搭载KUKAKRC4控制系统，该系统的软件架构集成了Robot、PLC、CNC、Safety控制，所有控制系统都共享一个数据库和基础设施，能够为各种自动化应用提供解决方案，提高系统的效率与灵活性。YASKAWAMOTOMAN-MPL300码垛机器人如图5所示，该码垛机器人为垂直多关节型机器人，具有4自动度，工作半径为3159mm，有效负载最高可达300kg，重复定位精度为5.0mm。YASKAWAMOTOMAN-MPL300搭载高速低惯性伺服马达，能够实现高速运行，提高生产力。FANUCM-410iB/140H码垛机器人如图5所示，该码垛机器人具有5自由度，工作半径为2850mm，有效负载最高可达140kg，重复定位精度为05.0mm。FANUCM-410iB/140H集成了FANUCiRVision视觉系统，能够精准校对机器人运动坐标原点，还能检测目标工件的位置差，并且能够根据位置差进行运动补偿REF_Ref81642510\r\h错误!未找到引用源。。图5全球占比最高工业机器人产品示意图国外对面向多尺寸三维箱体的研究发展较早。国外专家对三维装箱问题进行了详细阐述。需要先建立各现实约束条件，其中主要包括方向约束，考虑货物的位姿朝向；箱体的承重能力；整体结构的稳定性；部分物体之间需要进行隔离；货物之间的装载的先后顺序。而问题的目标是找到满足这些约束条件下的最优解，但求解这类问题通常充满挑战。作为最早提出将启发式算法引入装箱问题的人之一。George提出确定装载顺序和层的概念，通过将容器分为多层，而每层宽度取决于最宽的货物，并自上而下长度依次递增，宽度依次递减。但是此方式会出现大量空隙，且空间利用率也不高。于是在“层”概念提出后。Gehring又引入了“塔”的概念，基本思路是将货物从大到小排成一些独立的塔，最后进行组合得到全局解，具体方法是将遗传算法引入，实现较稳定的三维装箱，该算法只适用于弱异构的货物，且存在空间利用率低的问题REF_Ref81642510\r\h错误!未找到引用源。。图6码垛多尺寸箱体示意图综上所述，针对使用场景，基于对上述码垛机器人的参考，随着智能化发展，本文对移动式码垛机器人的整体方案及结构设计，系统的识别和定位，算法优化及实验具有重要意义。未来智能码垛机器人全球化发展会越来越快。附：主要参考文献陈政光.智能码垛机器人工艺软件包的设计与应用[J].造纸装备及材料,2024,53(07):199-201.牛大伟.基于PLC的工业码垛机器人控制系统设计[J].信息记录材料,2024,25(07):122-124+127.许旭光.码垛机器人结构设计仿真及关节控制研究[D].中北大学,2024.王荣辉.视觉引导下码垛机器人目标检测和堆叠技术[D].华南理工大学,2022.吴爽.具有远程监控功能的码垛机器人设计与实现[D].华南理工大学,2021.SchunkertA.协作机器人码垛应用教程[J].现代制造,2024,(06):28-30宫小飞.基于ARM嵌入式码垛机器人控制系统的研发[D].南京航空航天大学,2018.黄瑞华,周建鹏,张磊,等.纸尿裤自动化包装线的码垛机器人系统研发[J].科技风,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.汤兆平,孟鑫,孙剑萍,等.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