機械外文翻譯（中文）--一個復雜紙盒的包裝機器人

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>　　一個復雜紙盒的包裝機器人</p><p>　　Ve

2、nketesh N. Dubey</p><p>　　英國設計學院，工程和計算機，伯恩茅斯大學，普爾</p><p>　　Jian S. Dai</p><p>　　倫敦大學國王學院，英國倫敦大學，倫敦</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　目的—為了展示設計一種可以折疊復

3、雜幾何形狀的紙盒的多功能包裝機的可行性。</p><p>　　設計/方法/方式—這項研究對各種幾何形狀的紙盒進行研究，將紙盒分為適當?shù)念愋鸵约皺C器可以實現(xiàn)的操作；把能加工這些紙盒，并進行機械建模和仿真，且最終可以設計和開發(fā)的包裝機概念化。</p><p>　　研究結果—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，并對它投資以促進其發(fā)展，這種機器可以成為現(xiàn)實。</

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的原理，但實際應用需要考慮結合傳感器給出了一個緊湊的、便攜式系統(tǒng)。</p><p>　　創(chuàng)意/價值—這項設計是獨一無二的，并已被證明可以折疊各種復雜形狀的紙盒。</p><p>　　關鍵字：機器人技術 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)品包裝是關鍵的工業(yè)領域之一，以自動化為首要權益。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、形狀復雜的

6、紙盒遞送。如果采用手工方法進行包裝，不僅令工人感到乏味且操作復雜，也費時和單調(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，任何形狀和結構的變化很難納入到系統(tǒng)之中。在大多數(shù)情況下，它們需要進行超過40種變化以適應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

7、會使資本支出增加。因為這些限制因素和轉(zhuǎn)換生產(chǎn)線的相關成本，包裝的靈活性將會失去。</p><p>　　因此，作為一種補充，手工生產(chǎn)線被引進以適應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習過程，而且與機器生產(chǎn)線不同，勞動傷害主要是源于扭手動作。此外，手工生產(chǎn)線通常被認為是一個季

8、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。設計師追求奇幻和獨特的紙盒包裝以響應競爭激烈的市場，使包裝工作更加困難。紙盒的風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)，為此需要設計一種靈活的機器。</p><p>　　因此，這項責任放在了包裝行業(yè)的身上,在可編程和可重構系統(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的系統(tǒng)的開發(fā)需要進行系統(tǒng)的分析和綜合每

9、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，對于復雜幾何體紙盒，需要對紙盒和折疊機構進行綜合考慮，從而實現(xiàn)包裝生產(chǎn)線的柔性自動化。</p><p>　　在復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、矩陣理論且以一種空間結構表示紙盒；及其研究紙盒移動性和分析其結構外形（Dai and Rees Jones，1997a，b，c，1999；Dubey et al. 1999a，b，c；Dubey and Dai，2001）。本文介紹從事設計能處理復雜幾何形狀紙盒的可重構紙盒折疊機的研究。</p><p>　　2 設計和原理的需要</p><p&g

11、t;　　該項目被列在許多化妝品和香水供應商的愿望列表上，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，揭示了當從簡單的紙盒的生產(chǎn)轉(zhuǎn)換到一個復雜的紙盒的生產(chǎn)

12、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軸進行折疊，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設計好的縫隙中。</p><p>　　為了歸納折疊步驟，對各種形狀的紙盒進行了研究，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：</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到操作位置。</p><p>　　● 控制最小數(shù)量的軸。降低系統(tǒng)的復雜性。</p><p>　　● 可重構性。處理各種不同幾何形狀的可折疊的紙盒。</p><p>　　● 可編程性。同時地、循序地控制多個軸的運動。</p><p>

16、　　一個可以提供精細動作及操作功能的靈活的系統(tǒng)，需要使用有關節(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)形導軌，以此保證系統(tǒng)可重新構建和處理不同形狀和尺寸的紙盒?？刂破鞯募軜嫅軌颡毩⒌仳?qū)動各軸。該設計應提供所有的操作功能，而又不使系統(tǒng)變地復雜，如此使其成為一個具經(jīng)濟效益的解決方案。</p><p><b>　　3 包裝機</b></p><p&

17、gt;　　基于上述標準原始設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節(jié)做偏轉(zhuǎn)運動(Y)，依靠其余兩個關節(jié)作俯仰運動(P),從而形成YP-P構型。二自由度手指只能在一個二維平面內(nèi)做俯仰運動。</p><p><b>　　圖4 包裝機模型</b></p>&

18、lt;p>　　手指被安裝在導軌上，可沿導軌滑動而且導軌本身可以作橫向移動。手指都安裝在旋轉(zhuǎn)底座上，使這些軸能夠進行適當?shù)恼{(diào)整。兩鉗手在平行于手指水平導軌的方向上做推進運動，如模型所示。擋板附著在鉗手上,并被安裝在下方的關節(jié)上，當進行推擠操作時，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，從而使紙盒達到包裝操作所需的任何位置。手指的關節(jié)直接通過關節(jié)馬達驅(qū)動，整個系統(tǒng)需要控制

19、14個軸。這些考量是基于高度的可重構性與控制最小數(shù)量的軸。</p><p>　　指尖的設計進行了專門地考慮，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的推力。在有限自由度的情況下

20、，這樣的設計可以提供許多靈活的操作功能以處理不同構造不同類型的紙盒。</p><p>　　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），幾何外形和尺寸設計的改變可以非常容易地納入到模型中，包括結構的驗證。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

21、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）。這些接觸點用于測量每個手指關節(jié)的偏移量。將這些位移數(shù)據(jù)進行插值運算，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

22、仿真。</p><p>　　圖5顯示了當紙盒折疊時,手指跟蹤紙盒上的接觸點。模擬模型為包裝機器的設計以及控制提供了許多有價值的信息。例如，在維度和結構決定之前，模擬模型可用來檢查機器的幾何以及結構。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，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。

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 機械手折疊紙盒</p><p><b>　　4 試驗機</b></p><p>　　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

24、關節(jié)處，這些電動機規(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。該控制器架構采用四個運動控制程序卡片，每個卡片可以控制多達四個軸（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

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。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）。</p><p>　　為了建立用于構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構相同之后，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

26、電機協(xié)調(diào)運行的運動數(shù)據(jù)，而后續(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)地重復運動。編制針對各種操作功能的子程序，可以進一步增強控制器的編程能力，使控制器的模塊化結構得以實現(xiàn)，從而能更好地適應任何新的紙箱折疊和包裝操作工序。</p><p>　　系統(tǒng)的可重構能力是系統(tǒng)開發(fā)的關鍵問題之一。在進行系統(tǒng)設計時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，保證系統(tǒng)完全按已開發(fā)好的圖示模型和基本結構進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，當折疊紙盒時，系統(tǒng)首次操作以一個逐步的試點模式進行以驗證手指運動。一旦這個系統(tǒng)完成自動包裝的準備工作，該系統(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所示的先進機器，所有的手指和橫向推桿都參與了復雜的折疊操作。雖然很難同手工包裝進行時間的比較，但是我們進行了一些同樣紙盒的試驗，手工包裝（學習

28、之后）平均耗時60秒左右。</p><p>　　機器的可重構性可以通過折疊另一種類型的紙盒來證明，如插圖2所示。這是一個形狀復雜的封閉式紙盒。包裝這種紙盒需要對紙板進行多種操作，包括撥、扭和折疊。重置機器結構之后，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計能力。</p><p>　　插圖1 運行中的包裝機</p&

29、gt;<p>　　插圖2 另一種紙盒的包裝機</p><p><b>　　5 討論和結論</b></p><p>　　本文提出了一份靈活的、可重構的裝配和包裝系統(tǒng)。本研究的目的是設計一個可以處理不同幾何形狀的紙盒可重構的裝配和包裝系統(tǒng)。最初的想法是要開發(fā)一個可以展示對不同風格和復雜形狀的紙盒的適應能力的系統(tǒng)。結果表明，該包裝機可以折疊兩個完全不同形狀的紙

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。</p><p>　　未來需要改進的部分包括優(yōu)化手指導軌，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行折疊操作。還建議將仿真模型與實際機器相結合,使其能下

31、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。這些先進的技術，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性的挑戰(zhàn)。</p><p&g

32、t;<b>　　參考文獻</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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34、h, Bedford.</p><p>　　Dai, J.S. and Rees Jones, J. (1997a), “New models for identification of distinct configurations of cartons during erection and assembly”, Science and Technology Report, No. PS970066, Uni

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39、t;　　Dubey, V.N. and Dai, J.S. (2001), “Modeling and kinematic simulation of a mechanism extracted from a cardboard fold”, International Journal of Engineering Simulation, Vol. 2 No. 3, pp. 3-10.</p><p>　　Dub

40、ey, V.N., Dai, J.S. and Stamp, K.J. (1999a), “Advanced modeling and kinematic simulation of a complex carton”, Science and Technology Report, Unilever Research,</p><p><b>　　Bedford. </b></p>

41、;<p>　　Dubey, V.N., Dai, J.S. and Stamp, K.J. (1999c), “Advanced modelling, design and experimental work of a new reconfigurable system for packaging with a multi-fingered robot hand”, Science and Technology Repor

42、t, Unilever Research, Bedford.</p><p>　　Dubey, V.N., Dai, J.S. and Stamp, K.J. (2000), “Knowledgebased carton specification system”, Science and Technology Report, Unilever Research, Bedford.</p><

43、p>　　Dubey, V.N., Dai, J.S., Stamp, K.J. and Rees Jones, J. (1999b), “Kinematic simulation of a metamorphic mechanism”, paper presented at Tenth World Congress on the Theory of Machine and Mechanisms (IFToMM), pp. 98-1

44、03.</p><p>　　Lu, L. and Akella, S. (2000), “Folding cartons with fixtures: a motion planning approach”, IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 16 No. 4, pp. 346-56.</p><p>　　Workspac