木结构用集成材作为现代木结构建筑的重要材料之一，大多数都用在制作建筑结构的承重构件。由于木结构用集成材外观尺寸较大、质量较重，人工搬运存在效率低、工作劳动强度大等弊端。为提高木结构用集成材的加工效率，国内外设计开发了适用于木结构集成材自动上下料装备。文中针对木结构集成材自动上下料装备的关键核心技术自动上下料、码垛装置、自动上下料码垛最优轨迹规划等技术探讨研究进行综述，指出现阶段木结构集成材自动上下料装备研究存在的问题并提出未来发展趋势。

  引文信息：高锐,张伟.木结构集成材自动上下料装备研究现状与展望[J].世界林业研究,2023,36(01):85-89

  国家对于生态文明的可持续发展以及产业低碳化进程很关注，先后出台了多项具有针对性的产业高质量发展规划，通过对装配式建筑的发展和创新，可为新型建造提供新方式，优化绿色建筑产业高质量发展格局。当前国内的木结构建筑发展呈现出明显的低碳、环保以及可持续发展的特点。并且，装配式建筑具备的可预制化、工业化生产和现场安装的优势，对于高品质住房的物质和精神要求能够有效做到同时满足。由于结构用集成材性能好、种类多样、有关标准体系完善，通常在木结构建筑中用于承担重量的构件，在木结构建筑结构体系中发挥关键性作用。国内学者对结构用集成材的物理性能、钻削加工性能、生产的基本工艺、柔性钻孔控制管理系统方面做了研究，推进了结构用集成材在我国木结构建筑中的应用。但结构用集成材的智能自动化加工技术和装备的发展相对滞后，已成为现代木结构建筑推广应用的主要瓶颈。尤其是在结构用集成材生产环节中，产品加工前后上料、下料、码垛还是以人工操作为主，效率低下，这在很大程度上影响了生产效率。国内外相关研究人员重点对结构用集成材自动上下料、码垛装置机构设计优化方法、最优轨迹规划、真空吸附抓取系统工作机理等开展了研究，实现了结构用集成材的稳定、高效、低耗自动化上下料码垛作业。

  自动上下料装置已在汽车制造、电子电器制造等领域得到普遍应用，主要以金属零件、工程塑料零件为作业对象，而对木质材料，特别是结构用集成材为加工对象的上下料装置研究得较少。近年来，由于人力成本的提高，自动木材加工装备研究加快，国外公司开发了以木质材料为加工对象的自动上下料装备。德国威力公司和豪迈公司开发了以工业关节机器人为载体，海绵吸盘为抓取工具的结构用集成材自动化上下料装置；丹麦SYSTEM TM公司采用龙门架搭载真空多头吸盘或海绵吸盘进行结构用集成材的自动上下料作业。

  目前，用于木质材料（包括人造板和实木）上料、码垛作业的机构主要是采用3种形式：关节型手臂机器人、龙门架式直角坐标机器人和其他简单上下料机械机构。根据上下料作业对象质量、尺寸大小和作业空间的大小选不一样的机构。通常上料、码垛作业对象的尺寸与质量较小，在作业空间小的情况下选用关节型手臂机器人或其他简单上下料机械机构；在上料、码垛作业对象尺寸与质量较大，以及作业空间大的情况下，选用龙门架式直角坐标机器人。

  国外学者针对木结构集成材自动上下料、码垛装置的研究，大多分布在在对装置智能控制管理系统的研究。Frederico等考虑到当前制造和物流市场，在码垛过程中对自主搬运具有某些特定的程度的灵活性、速度和重复性要求，设计开发出用于码垛机器人的自动编程算法，优化了码垛机器人的操作稳定性以及功能延展性。为了进一步提升物料码垛机器人在抓取木材时的效率和准确度，Yang等开发了一种基于计算机视觉定位的全方位移动式码垛机器人，该研究一方面提高了码垛机器人自身的运动精度，另一方面实现了码垛机器人的完全自动化，试验根据结果得出，在没有一点干预的情况下，该码垛机器人可将石块、木材等物品搬运到指定的区域，物品堆放高度甚至可超过机器人自身高度的4倍。在工业生产里除了要求码垛机器人具备高效、精确的工作外，对于工作效率的要求亦非常高。为此，Lamon等提出一种新型的混合码垛人机协作框架，该框架通过视觉感知算法解决了待码垛物品检测、抓取及多机器人协作等挑战，通过有效的角色分配实现高水平的协作优化，实现了码垛机器人协作工作效率的最大化，研究根据结果得出，优化后的码垛布局与人工操作相比，可提高20%的码垛效率。

  国内学者大多分布在在以金属零件为作业对象的自动上下料装备的研究，而对木质材料，特别是对以结构用集成材为加工对象的上下料装置研究得较少，尚处于起步阶段。李平等通过一系列分析板材加工工艺特点，对设备的布局方式及关节手臂机器人的运行轨迹进行了规划，并运用机器视觉快速识别板材位姿，构建了木工加工中心板材自动上下料系统，该系统实现了木工加工中心与工业机器人的组合，是一种小型柔性制造系统在木工加工中的具体应用。张前卫等设计开发了基于PLC控制的结构用集成材拼方生产自动上料设备，该设备具备了自动传送、自动翻转、步进推靠、自动卸料等功能，对该设备的主要机械结构、动作方式和电气控制原理进行了分析研究。曹心愚等基于门扇的结构特征和加工工序的产能需求，开发设计了用于解决门扇加工进料的平移机，综合利用结构分析、智能通讯控制等方法，完成了对整个门扇平移系统的在线监测和操作，达到了门扇工艺流程中对于自动进料的要求，提高了木门产业化智能水平。刘九庆等对上料机器人搬运移动原木的准确度进行了研究，该研究采用误差补偿方法，有效提升了搬运移动原木的准度。陈甲伟等采取了自动导引小车(AGV)和直角坐标机器人相结合，设计了一种基于节点优简算法的实木板材自动搬运、上料系统。通过设计AGV系统、建立地图、改进路径算法，实现了实木板材加工生产的全部过程中各生产线之间的物料衔接无人化作业，节约了人力成本，提高了生产效益。

  自动上下料、码垛机器人在执行物料搬运作业过程中，由于电机在工作时会频繁地快速启停，码垛机器人的机械结构会在该过程中受到较大的冲击力。因此，需要开展上下料、码垛龙门架式机械手轨迹规划算法研究，以消除码垛机器人在快速启停过程中对机械结构带来的冲击力。最优轨迹规划是具体分析作业工况和实际要求，综合考虑作业平稳性、能量消耗和效率等因素，利用数据模型和各种算法寻找到最优轨迹规划方案。目前关于自动上下料、码垛最优轨迹规划研究方法，大多分布在于时间最优、能量最优、冲击最优和混合最优方案的研究。

  时间最优规划目的是提升机器人的工作效率，在最短时间之内完成相同的运动轨迹。Bobrow等基于遗传算法对码垛机器人的运动轨迹开展了时间最优处理，优化了码垛机器人的工作效率和稳定能力。邓伟等将光混沌局部搜索法、“3-5-3”分段法、三次均匀B样条曲线法、改进S型曲线法与遗传算法或改进遗传算法相结合，对码垛机器人的轨迹运行时间进行最优规划设计，有效提升了机器人的运行效率和稳定可靠性。Rubio等针对传统时间最优规划算法的不足，特别是算法的适合使用的范围不够广泛等问题，利用空间轨迹离散化方法，通过时间优化目标在此集合中找到最优解，得出时间最优轨迹。陈晓炬等采用三次样条曲线和离散化算法对轨迹进行第2步规划，实现沿给定曲线方程运动的码垛机器人时间最优轨迹控制。在实际应用中，作业精度要求较低的轨迹规划以三次和高阶多项式为主；作业精度要求高的轨迹规划以高阶多项式、样条曲线、B样条和NURBS曲线为主。

  针对能量最优规划研究问题，Fung等提出一种适用于多种PTP路径的能量最小轨迹规划方案，使用了高阶龙格库塔插值法对机器人的机械关节运动空间进行最小轨迹规划，并定义了机械系统的动态能量函数，利用实数编码的优越性对高阶多项式的系数进行了一定的优化。张世杰等在不降低机器人工作速度的前提下，对实际在做的工作模式下的力矩及作用点进行约束，通过数学建模分析能量问题，定量解决了机器人运行能耗最优轨迹分析。贺莹等以能量最优为目标，对MD1200-YJ型码垛机器人采用5NURBS插值函数进行关节空间下的轨迹规划。运用遗传算法对基于加权系数法建立的由平均能耗最小和跃度绝对值峰值最小构成的综合优化目标函数进行求解，使码垛机器人能耗跃度综合指标得到一定的改善。国内外大多数工业机器人都采用关节空间的规划，特别是在搬运、码垛等点对点（PTP）作业中，关节空间轨迹规划已较为成熟。粒子群算法、神经网络法、动态规划算法、人工势场法、遗传算法、蚁群算法等智能算法已逐渐用于最优轨迹规划。

  冲击最优规划研究主要是通过优化算法找到冲击最小的轨迹，以减小误差和机械磨损，提高精度，使机器人能够运行平稳。乔木等提出一种加速度函数为三段修正正弦函数的机器人运动轨迹规划创新方法，提高了码垛机器人关节空间最优轨迹规划以及运行效率，该算法对运动性能较好的曲线进行修正，并结合遗传算法以最大加速度、最大速度以及最大急动度为目标进行参数优化，获得最优修正参数。该算法使得速度和加速度的峰值均降低了4.09%，改善了码垛机器人的动态性能，实现了冲击最优规划。张志松利用机器人运动学分析方法，分析得到机器人各运动关节位置随时间动态的变动情况，完成最优冲击轨迹规划，为消除因频繁快速启停对码垛机器人机械结构产生的冲击和磨损问题提供了有效解决方案。

  真空吸盘是木结构用集成材自动上下料搬运的重要组成部分，实现机械手能够对物体进行安全的夹持，适用于各种领域的物料搬运系统。真空吸附抓取系统是实现夹持物体移动或放置的装置，通常是专门为其特定任务设计。国内外学者就真空吸附力计算方式、振动和漏气等对真空系统的影响、进气压与真空度关系、很多类型真空吸盘的真空吸附性能等基础理论进行了研究，并建立了相应的数学模型，为真空吸附抓取技术的应用提供了理论基础与计算方法。

  在国外研究中，Mantriota提出一种真空夹具抓取的理论模型，建立了吸盘与物体接触力的数学模型，确定静摩擦系数和真空度的最小值，以确保在移动过程中牢牢抓住物体，不会使吸盘分离或滑动，最后给出了吸盘抓取物体的运动实例，为真空夹具的设计与计算提供了依据。Papadakis等针对被吸附物体表面是充满孔洞或具有任意非平面形状时所面临的技术难题，从真空发生器技术、减振器的使用和吸盘的塑性等方面对工业环境下真空夹紧机构的发展进行研究，根据结果得出，不同真空发生器的使用对复合系统的性能影响很小，而减震器的使用和吸盘的可塑性可能会极大地影响系统性能，特别是对于具有复杂表面的夹持物体。Straub等对真空夹持系统中泄漏的问题和影响做多元化的分析和研究表明，在真空夹持系统中，泄漏主要发生在吸盘与工件的接触面上，通过这一些部件的特性，以及这些特性的变化怎么样影响泄漏，并对这些部件的真空夹持系统的泄漏率进行了说明，设计出能够在预定时间内，承受能量供应发生故障时，具有补偿泄漏功能的真空夹紧系统。Rachkov等研制出一种自动两级真空夹持系统，实现了对工业机器人抓取和操作具有弯曲和粗糙表面的产品，该系统具有两级夹持装置，由密封和力元件组成，并通过试验获得了夹持力的运行特性。

  国内相关领域的研究人员针对真空吸附抓取系统开展了相关研究，刘宝等研究了进气压力对真空发生器性能的影响，进气压力存在临界值与最优值，超过临界值后真空口处压强出现周期性震荡，达到最优值时能以最优进气压力达到高于该压力所能维持的真空度。聂俊峰等利用波纹吸盘、平底吸盘和带沟吸盘3种真空吸盘，对真空吸盘的盘径、真空度、吸力参数耦合关系等问题进行研究和试验发现，波纹吸盘和平底吸盘的吸吊力与线 kPa以下时呈正比，在60 kPa真空度以上时吸吊力增加不明显，甚至降低。为了将烟箱搬运至指定位置，并保证在搬运过程中抓取烟箱的上下料机构具有一定的稳定性，毕玉超等设计开发了适用于烟箱搬运的辅助吸盘装置，试验证明，利用该套吸盘搬运装置，烟箱稳定吸附能力提高了0.24%，并延长了海绵吸盘使用周期，该技术可为提高拆垛效率提供支持。甄久军等研发出一种智能真空吸盘装置，在设计中将微控制器技术与通用吸盘、气动技术、通信技术相结合，可实时产生真空的压缩空气供给控制，实现了真空吸盘控制的网络化、柔性化、精细化和节能、降噪。王野平等利用FLUENT软件对吸盘泄漏和正常工作2种工况进行仿真，分析吸盘泄漏对整个吸盘组的影响，进而通过改进真空发生器布局方式来改变真空吸盘组布局方式，使得饰面纸自动铺装系统在局部吸盘泄漏时还能处于工作状态。为了进一步提升吸盘的吸附能力及响应时间，滕燕等提出一种双喷嘴真空集成系统，在供给压力为0.45 MPa时，相较于单一喷嘴系统，双喷嘴真空集成系统响应时间缩短了27％，空气消耗量可减少约17％，具有快速响应和低耗气的特点。司震鹏等设计出一款真空吸附式机械手，用于薄而表面十分光滑的金属制作的产品以及玻璃、纸张等的抓取，工作稳定、效率高。通过计算出真空发生器的影响时间、最大吸气量，进而确定真空发生器的型号和真空吸盘的大小与数量。

  结构用集成材具有规格尺寸较大、硬度较金属低、表面存在节子和透气等特点，机械夹持的上下料方式易造成集成材表面损伤，传统真空吸盘无法有效地集成表明产生密闭空间，上下料作业时易脱料，无法很好地适应集成材的自动上下料和码垛工作。同时，现阶段的研究缺少对上下料、码垛装置系统的动力学分析、运动学分析和轨迹规划优化算法的研究。

  随着国内木业产业的持续不断的发展，以及对智能木业装备智能化需求的不断攀升。未来木结构集成材自动上下料装备的发展将主要围绕以下几点：

  1）机械的机器人学、智能自动化控制技术、人工智能等多学科交叉融合技术和方法，将更多地应用于结构用集成材的上下料与码垛作业装备智能化研究。同时，针对不一样的尺寸、规格、质量的物料能自动完成夹具转换、抓取点选取与抓取力调整的柔性自动上下料码垛技术与方法将成为一种新趋。

  2）效率优先将是未来企业未来的发展、装备产品提质的重要发展路径，为此，基于多智能体理论、智能群体协作方法等开展木结构集成材自动上下料多机协同作业是未来发展的重要趋势，通过开展多机协同作业，能够解决较为复杂的任务，实现复杂任务拆解为多个简单子任务处理；可实现装备的时空优化分布，有很大成效避免了同一时空的码垛机器人对其他作业装备的功能干扰。

  3) 针对木集成材表面特点、规格尺寸以及形状等，开发适用于多种作业对象的柔性集成材抓取工作终端势在必行。有效的抓取是实现平稳、精确码垛的关键，开发基于机械结构和材料创新的集成材码垛抓取作业工作终端，是提高该类装备产品创新发展的基础。

  1.依据《服务条款》，本网页发布的原创作品，版权归发布者（即注册用户）所有；本网页发布的转载作品，由发布者按照互联网精神进行分享，遵守相关法律和法规，无商业获利行为，无版权纠纷。

  2.本网页是第三方信息存储空间，阿酷公司是网络服务提供者，服务对象为注册用户。该项服务免费，阿酷公司不向注册用户收取费用。