CN110494873A - 用于优化物品在至少一个盒子中的定位的方法和系统 - Google Patents

Abstract

用于将物品(O)定位在盒子(B)中的方法(1)，包括下述步骤：a)提供物品(O₁、O₂、O₃)的列表(L₁)；b)提供被设计成容纳物品(O)的盒子(B₁、B₂、B₃)的列表(L₂)；(c)提供各物品(O)的尺寸数据(D’)；d)提供各物品(O)的位置限制数据(D”)；(e)提供用于组装盒子(B)的装置(2)；(f)提供用于将每个物品(O)放入主盒子(B_P)中的装置(3)；g)提供控制单元(4)，该控制单元连接到装置(2、3)并具有用于选择盒子(B)和将物品(O)引入盒子(B)中的方式的算法(6)；(h)应用算法(6)以选择具有容纳物品(O)的最小大小、同时使空的空间最小化的主盒子(B_P)，并确定物品(O)的引入顺序、位置和旋转；以及(i)应用算法(6)。步骤h)包括一个步骤j)：计算每个物品(O)的接触表面积(S_c)以使接触表面积(S_c)维持在最小阈值(S_m)以上，从而确保稳定的定位并减小填料(R)的体积。用于将物品(O)定位在至少一个盒子(B)中的系统。

Description

用于优化物品在至少一个盒子中的定位的方法和系统

技术领域

本发明大体上应用于盒状包封(pack，包装)容器的制造的领域，并且特别涉及优化物品在至少一个盒子中的定位的方法。

本发明还涉及用于执行上述优化定位的方法的系统。

背景技术

在包封产品的领域中，使用计算机产品解决“装箱(pin packing)”问题的方法早已为人所知，该计算机产品包括用于对容纳物品的容器的容积进行优化的算法。

这些方法通常包括用数学的方式确定最小数量的下述盒子的步骤：所述盒子具有相同大小并且适于容纳预定数量的物品而不超出盒子大小且不会使物品相互穿入。

即，一旦已经确定了待插入到盒子中的物品的列表和盒子的大小，容积优化具有通过限定物品被引入到盒子中的顺序来使未被物品占用的空间最小化的目的。

通常，这些算法包括提供唯一最佳装配顺序的确切计算方法。然而，由于计算时间长以及使用特定域的语言实施程序库，这些算法具有相当大的计算成本。

为了至少部分地消除这些缺点，已经开发了使用启发式算法的方法，该方法不提供最佳方案，而是供应在合理时间内使用高度灵活的计算特征的可接受方案，其可以适于多种数据和限制情况。

US6876958公开了一种借助于读取物品的几何形状和尺寸数据以及将物品放入盒子中的限制数据的第一步骤来优化物品在多个盒子中的体积和放置顺序的方法。

该方法还包括：确定从可用盒子的列表中选择的最佳盒子的第二步骤，以及计算容纳物品所需的盒子的数量的后续步骤。

物品的几何形状和尺寸数据包括三维尺寸、重量和多个放置限制，包括以仅在其他物品的顶部上的方式装配在盒子中以防止损坏的可能性。

该已知方法的第一个缺点是被选择用以容纳列表中的物品的盒子具有相同的大小。此外，不能使用其大小未包括在可用盒子列表中的盒子。

该方法的另一个缺点是过程没有使物品未占用的空间最小化，而是为每个使用中的盒子提供相同的最小的空的空间。

为了至少部分地消除这些缺点，已经开发了用于基于待包封的物品的列表来制作定制盒子的方法和系统。

US20140336027公开了一种通过计算由包括在预定列表中的松散物品占用的体积来制作定制盒子的方法。

该方法包括：形成其大小适合于容纳物品的总体积的盒子的步骤，以及通过所有物品的体积的总和来计算总体积值并且将这种值传递到盒子组装装置的步骤。

该方法的第一个缺点是它不能确保未被物品占用的体积的最小化，而是仅创建了适于容纳物品并具有附着到物品的内壁的盒子。

该方法的另一个缺点是物品不是自动地布置在盒子中，而是需要存在将手动将物品放入盒子中的操作者。

该方法的另一个缺点是它不能确保为降低损坏盒子中的物品的风险所需的填充材料的最小化。

技术问题

根据现有技术，由本发明解决的技术问题是提供用于容纳物品同时优化未占用的体积并提高物品在盒子中的稳定性的包封盒。

发明内容

本发明的目的是通过提供一种用于优化物品在至少一个盒子中的定位的方法和系统来消除上述缺点，该方法和系统是高效且相对成本有效的。

本发明的特定目的是借助于如上文中讨论的、可以提供具有优化的质心的定制盒子并且可以使其中的空的空间最小化的方法和系统来解决上述技术问题。

本发明的另一目的是提供一种如上文中讨论的、可以使盒子的总体积最小化的方法和系统。

本发明的另外的目的是提供一种如上文中讨论的、可以提供待填充的盒子的高度灵活的选择而不管物品的形状和大小如何的方法和系统。

本发明的另一目的是提供一种如上文中讨论的、减少了计算时间的方法和系统。

本发明的又一目的是提供一种如上文中讨论的、可以处理盒子中的物品的任何类型的位置限制的方法和系统。

如在下文中更清楚地解释的，这些目的和其他目的通过用于优化物品在至少一个盒子中的定位的方法来实现，如在独立权利要求1中限定的，该方法包括下述步骤：a)提供待包封的物品的第一列表；b)提供盒子的第二列表，盒子被设计成容纳第一列表中的一个或多个物品，其中合适的填充材料被插入；c)提供第一列表中的各物品的第一组几何形状和尺寸数据；以及d)提供限制各物品在第二列表中的盒子中的至少一个盒子中的定位的第二组位置限制数据。

该方法还包括下述步骤：f)提供用于组装第二列表中的一个或多个盒子的机械装置；g)提供定位装置，定位装置用于将第一列表中的每个物品放入第二列表中的至少一个主盒子中；h)提供计算机化控制单元，该计算机化控制单元连接到定位装置和组装装置并且具有存储器单元，在存储器单元中加载有用于对盒子的选择和将物品引入盒子中的方式进行优化的至少一个第一算法；以及i)应用第一算法以：根据第一组数据和第二组数据，选择第二列表中具有对于容纳第一列表中的物品而言最小的大小、同时使未占用的空的空间最小化的至少一个主盒子，并且确定第一列表中的物品在所选择的盒子中的引入顺序、位置和旋转；以及j)应用第一算法，用以致动组装装置以形成至少一个盒子，以及致动定位装置以将第一列表中的物品引入所选择的和组装的盒子中。

即，该方法的步骤h)包括下述步骤：j)借助于第一算法计算每个物品与其旁边的物品或者与盒子的内表面的接触表面积，以在考虑到确保稳定的定位和减小填充材料的体积的情况下使接触表面积保持在最小阈值以上。

在另一方面，本发明涉及一种根据权利要求10限定的用于优化物品的定位的系统。

根据从属权利要求获得本发明的有利实施方式。

附图说明

根据用于优化物品在至少一个盒子中的定位的方法和系统的优选的、非排他性实施方式的详细描述，本发明的其他特征和优点将更加明显，该实施方式借助于附图被描述为非限制性实施例，其中：

图1是本发明的方法的图解视图；

图2是根据本发明方法的填充有多个物品的一对盒子的图解视图；

图3示意性地示出了图1的方法的细节；

图4是本发明的系统的图解视图。

具体实施方式

特别地参考附图，示出了总体上由附图标记1表示的用于优化物品O在至少一个盒子B中的定位的方法和系统。

该方法包括：a)提供待包封的物品O1、O2、O3、......的第一列表L1的步骤，以及b)提供盒子B1、B2、B3、......的第二列表L2的步骤，所述盒子被设计成容纳第一列表L1中的一个或多个物品，其中合适的填充材料R被插入，以防止物品O在运输期间被损坏。

作为示例，物品O的第一列表L1可以是待引入到第二列表L2中的一个或多个盒子B1、B2、B3、......中的多个物品O1、O2、O3、.....的列表，其可以具有不同的大小和特征并且适于在运输装置中被运输。

此外，填充材料R可以根据需要具有不同的类型，并且可以包括高密度或低密度的松散聚苯乙烯泡沫碎片、气泡元件或毛毡层或其他等同类型。

该方法还包括：c)提供第一列表L1中的各物品O的第一组几何形状和尺寸数据D’的步骤，以及d)提供限制各物品O在第二列表L2中的盒子B中的至少一个盒子中的定位的第二组位置限制数据D”的步骤。

即，第一组数据D'可以包括每个物品O的三维尺寸和重量，并且第二组数据D”可以包括对三维旋转的限制以及对将物品O放置在其他物品O下方或顶部上的可能性的限制。

例如，第一列表L1可以包括可以仅通过二维旋转进行定位的物品或者可以放置在其他物品O的仅顶部上且其自身顶部表面不受约束的物品。

该方法还包括下述步骤：e)提供优化定位系统1的机械装置2，该机械装置适于组装第二列表L2中的一个或多个盒子B。

还设想了下述步骤：f)提供定位装置3，该定位装置也是定位系统1的一部分并且适于将第一列表L1中的每个物品O1、O2、O3、.....放入第二列表L2中的至少一个主盒子BP中。

组装装置2可以切割、弯折(crease，折皱、折叠)和胶合具有预定特性的纸板，并且可以根据容纳在第二列表L2中的信息以自动方式自动形成盒子B。

盒子B的内腔可以随后通过定位装置3填充，该定位装置可以替代性地是带式输送机类型或机械臂类型。

该方法包括下述步骤：g)提供计算机化控制单元4，该计算机化控制单元连接到定位装置3和组装装置2并且具有存储器单元5，在存储器单元中加载有用于对盒子B的选择和将物品O引入盒子B中的方式进行优化的第一算法6。

该方法包括下述步骤：h)应用第一算法6以：根据第一组数据D’和第二组数据D”，选择第二列表L2中的对于具有容纳第一列表L1中的物品O而言最小的大小、同时使未占用的空的空间最小化的至少一个主盒子BP，并且确定第一列表L1中的物品O在所选择的盒子B中的引入顺序、位置和旋转。

然后，该第一算法6允许所谓的“最佳选择”优化，以在考虑到盒子B的多个可能的固定尺寸的情况下来选择可以容纳物品O的盒子B。

如图2中所示的，第一优化算法6可以包括下述步骤：h1)如果引入顺序不允许将第一列表L1中的所有物品O引入所选择的主盒子BP中，则组装至少一个附加盒子BA。

第一算法6还可以包括附加的下述步骤：h2)使被排除在插入到所选择的主盒子BP中之外的物品O的总体积最小化并将它们引入附加盒子B中。

例如，如果第一列表L1容纳具有不同大小的多个物品O，则将优先考虑将较大的物品O引入主盒子BP中，而将其余的较小的物品引入附加盒子BA中。

方法1还包括下述步骤：i)应用第一算法6，用以致动组装装置2以形成至少主盒子BP，以及致动定位装置3以将第一列表L1中的物品O引入所选择的和组装的盒子B中。

在本发明的特有方面，步骤h)包括下述步骤：j)借助于第一算法6计算每个物品O与其旁边的物品或者与盒子B的内表面Si的接触表面积Sc，以在考虑到确保稳定的定位和减小填充材料R的体积的情况下使接触表面积Sc保持在最小阈值Sm以上。

利用计算步骤j)，该方法针对每种可能的引入顺序确保了稳定的定位和减小填充材料R的体积，从而提供所选择的盒子B的压实。

如图3中所示的，第一算法6可以包括初始确定最小阈值Sm的值，并且该最小阈值的范围可以从接触表面积Sc的最小50％到最大100％，优选为75％。

第一算法6的计算步骤j)可以包括下述子步骤：k)限定可以与每个物品O1、O2、OR3、.....相关联的虚拟平行六面体P1、P2、P3、.....并确定其尺寸；以及i)计算虚拟平行六面体P1、P2、P3、.....的每个面F的表面积并确定尺寸比最小阈值SM大的面F。

利用这些子步骤，该方法将提供每个物品O的形状到对应的虚拟平行六面体P的线性化，该虚拟平行六面体的三维尺寸对应于每个物品O的最大大小。

这将允许该方法便于测量面F，所述面可以用于使每个物品O靠在它旁边的物品上或者靠在盒子B的内表面Si上。

第一算法6的计算步骤j)可以包括下述子步骤：m)确定虚拟平行六面体P1、P2、P3、.....的随机插入顺序；和n)通过随机迭代确定每个盒子B的特征点(salient point，折点、显点)T。

优选地，每个虚拟平行六面体P1、P2、P3、.....的这种特征点T对应于下述点：在该点，对应的虚拟平行六面体P1的接触表面SC和两个竖向面F1、F2接触它旁边的平行六面体P2或盒子B的内表面Si。

替代性地，可以通过“壁建造”方法确定特征点T，在该方法中虚拟平行六面体P的仅面F被认为是接触表面Sc，或者考虑“角部点”，其中从虚拟平行六面体P的顶点选择相关特征点T。

即，子步骤n)可以通过识别与先前引入的平行六面体P的可能接触来迭代地确定一平行六面体P的特征点T的可能放置，并且可以针对所有允许的放置计算虚拟引入的平行六面体P的所有新特征点T。

该计算可以通过与每个物品O相关联的虚拟平行六面体P的特征点T在已经被引入盒子B的物品O1、O2、O3、.....的所有虚拟平行六面体P1、P2、P3上以及在盒子的所有内壁上的合适的几何形状投影——例如通过使其沿着每个轴线旋转——来执行。

因此，子步骤n)防止推动物品使其被进一步推向先前已经插入的物品或推向盒子B的内壁。

如图1中所示的，应用第一算法6的步骤h)包括下述子步骤：o)计算虚拟平行六面体P与盒子B的附着指数，该附着指数被限定为与每个物品O相关联的虚拟平行六面体P的接触表面积Sc的加权总和的最大值。

如本领域中已知的，加权总和是一种用于建立调节参数以确定目标的计算，并且根据参数对于实现目标所具有的重要性将权重分配给每个调节参数。

在计算子步骤o)计算之后，可以提供下述子步骤：p)基于关于预定参数的多次不同的可能的引入顺序，模拟虚拟平行六面体P1、P2、P3、.....中的每个平行六面体到盒子B中的迭代引入；以及q)使每个可能的引入与具有可以容纳所有虚拟平行六面体P1、P2、P3的最小体积的盒子B相关联。

通过下述子步骤来获得对引入顺序和可以容纳第一列表L1中的物品O1、O2、O3、.....的最佳盒子B的确定：r)选择引入顺序，其中虚拟平行六面体P1、P2、P3、.....具有较高的附着指数并且盒子B具有最小的可能体积。

将理解，本发明方法的子步骤提供了对具有立方体尺寸和朝向底部移位的整体重心的主盒子BP和附加盒子BA的选择。

方法1还可以包括第二优化算法7，该第二优化算法用于确定主盒子BP以及不在盒子B的第二列表L2中的至少一个附加盒子BA的尺寸，并且用于随后致动组装装置2。

该第二算法7提供“最佳装配”优化，其计算盒子B的尺寸，以根据对盒子B的三维尺寸和总重量的最大限制引入第一列表L1中的物品O。

方便地，如果并非第一列表L1中的所有物品O都可以被引入具有这样的最大大小的所选择的主盒子BP中，则第二算法7可以选择将其余物品引入其中的至少一个附加盒子BA的尺寸，同时指示将为盒子B中的每个盒子引入哪些物品、引入的顺序、盒子B中每个物品O的位置和旋转。

如果这些最大尺寸限制不允许将第一列表L1中的所有物品O引入主盒子BP中，则在计算之后，第二算法7致动组装装置2形成附加盒子BA，该附加盒子的内部尺寸允许其接收其余的物品O，并且第二算法随后致动定位装置3。

特别地，第二算法7可以通过计算每个物品O1、O2、O3、……的虚拟平行六面体P1、P2、P3、.....的总体积并识别其体积可以容纳虚拟平行六面体P1、P2、P3、.....的总体积的一个盒子B来确定主盒子BP和附加盒子BA的尺寸。

有利地，第一算法6和第二算法7可以使用启发式计算并且考虑包含30个物体O1、O2、O3、.....的第一列表L1并在第一算法6的情况下考虑包含20个盒子B1、B2、B3、......的第二列表L2来提供包封方案。

本发明还涉及一种用于优化第一列表L1中的对象O1、O2、O3、.....在第二盒子列表L2中的至少一个盒子B中的定位的系统1。

如图4中所示的，系统1包括用于检测第一列表L1中的物品O1、O2、O3、.....的检测装置8和用于组装第二列表L2中的盒子B的自动组装装置2。

此外，系统1包括：自动定位装置3，用于将第一列表L1中的一个或多个物品O定位在第二列表L2中的一个或多个盒子B中；以及基于微处理器的控制单元4，基于微处理器的控制单元可操作地连接到检测装置8、组装装置2和定位装置3并且具有存储器单元5。

特别地，系统1包括计算机程序产品9，该计算机程序产品加载在存储器单元5中并且包括适于执行如上描述的方法的第一算法6和第二算法7以及代码部分。

该计算机程序产品9可以用C#类型的编程语言实施，并且可以通过包含在XML文本文件中的指令与检测装置8、组装装置2和定位装置3对接。

根据前述内容明显的是，本发明的方法和系统满足了预期的目的，并且可以特别地提供用于容纳物品、同时优化未占用的体积并提高盒子中物品的稳定性的包封盒。

在所附权利要求中公开的发明构思内，本发明的方法和系统可经受多种改变或变化。

虽然已经特别参考附图描述了该方法和系统，但是本公开内容和权利要求中提及的附图标记仅为了更好的理解本发明，并且不应旨在以任何方式限制所要求保护的范围。

工业实用性

本发明可以应用在工业中，因为它可以在工厂中以工业规模制造，以用于将片材材料加工成包封件。

Claims (9)

1.一种用于优化物品(O)在至少一个盒子(B)中的定位的方法(1)，所述方法包括下述步骤：

a)提供待包封的物品(O₁、O₂、O₃、......)的第一列表(L₁)；

b)提供盒子(B₁、B₂、B₃、......)的第二列表(L₂)，所述盒子被设计成容纳所述第一列表(L₁)中的一个或多个物品(O)，其中合适的填充材料(R)被插入；

c)提供所述第一列表(L₁)中的各物品(O)的第一组几何形状和尺寸数据(D’)；

d)提供限制各物品(或)在所述第二列表(L₂)的盒子(B)中的至少一个盒子中的定位的第二组位置限制数据(D”)；

e)提供用于组装所述第二列表(L₂)中的一个或多个盒子(B)的机械装置(2)；

f)提供定位装置(3)，所述定位装置用于将所述第一列表(L₁)中的每个物品(O₁、O₂、O₃、......)放入所述第二列表(L2)中的至少一个主盒子(B_P)中；

g)提供计算机化控制单元(4)，所述计算机化控制单元连接到所述定位装置(3)和所述组装装置(2)并且具有存储器单元(5)，在所述存储器单元中加载有用于对所述盒子(B)的选择和将所述物品(O)引入所述盒子(B)中的方式进行优化的至少一个第一算法(6)；

h)应用所述第一算法(6)以：根据所述第一组数据(D’)和所述第二组数据(D”)，选择所述第二列表(L₂)中具有对于容纳所述第一列表(L₁)中的物品(O)而言最小的大小、同时使未占用的空的空间最小化的至少一个主盒子(B_P)，并且确定所述第一列表(L₁)中的物品(O)在所选择的盒子(B)中的引入顺序、位置和旋转；

i)应用所述第一算法(6)，用以致动所述组装装置(2)以形成所述至少一个主盒子(B_P)，以及致动所述定位装置3以将所述第一列表(L₁)中的物品(O)引入所选择的和组装的盒子(B)中；

其特征在于，所述步骤h)包括一个步骤j)：借助于所述第一算法(6)计算每个物品(O)与其旁边的物品或者与所述盒子(B)的内表面(S_i)的接触表面积(S_c)，以在考虑到确保稳定的定位和减小填充材料(R)的体积的情况下使所述接触表面积(S_c)保持在最小阈值(S_m)以上；所述计算步骤j)包括下述子步骤：k)限定每个物品(O₁、O₂、O₃、......)的虚拟平行六面体(P₁、P₂、P₃、......)并确定其尺寸；l)计算所述虚拟平行六面体(P₁、P₂、P₃、......)的每个面(F)的表面积并确定尺寸比所述最小阈值(S_m)大的面(F)；m)确定所述虚拟平行六面体(P₁、P₂、P₃、......)的随机引入顺序；n)通过随机迭代确定每个盒子(B)的与每个虚拟平行六面体(P₁、P₂、P₃、......)的特征点(T)一致的特征点(T)，其中，对应的虚拟平行六面体(P1)的所述接触表面积(S_c)和两个竖向面(F₁、F₂)接触其旁边的平行六面体(P₂)或所述盒子(B)的内表面(S_i)，所述应用步骤h)还包括子步骤o)：计算所述虚拟平行六面体(P)与所述盒子(B)的附着指数，其中，通过计算所述虚拟平行六面体(P)的接触表面积(S_c)的加权总和的最大值得到所述附着指数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述应用步骤h)包括下述子步骤：o)计算所述虚拟平行六面体(P)与所述盒子(B)的附着指数；p)基于关于预定参数的多次不同的可能的引入顺序，迭代地模拟所述虚拟平行六面体(P₁、P₂、P₃、......)中的每个平行六面体到所述盒子(B)中的引入；q)使每个可能的引入顺序与具有能够容纳所有虚拟平行六面体(P₁、P₂、P₃、......)的最小体积的盒子(B)相关联；以及r)选择使虚拟平行六面体(P₁、P₂、P₃、......)具有较高的附着指数的引入顺序。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一优化算法(6)包括下述步骤：h₁)如果所述引入顺序不允许将所述第一列表(L₁)中的所有物品(O)引入所述所选择的主盒子(B_P)中，则组装至少一个附加盒子(B_A)。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一算法(6)包括下述步骤：h₂)使被排除在插入到所述所选择的主壳体(B_P)中之外的物品(O)的总体积最小化，并将它们引入所述至少一个附加盒子(B_A)中。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述主壳体(B_P)和所述至少一个附加盒子(B_A)包括具有朝向底部移位的整体重心的立方体尺寸。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法包括第二优化算法(7)，所述第二优化算法用于确定所述主壳体(B_P)和不是所述第二列表(L₂)的一部分的所述至少一个附加盒子(B_A)的尺寸，并且用于致动所述组装装置(2)组装所述盒子(B)。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一组数据(D’)包括每个物品(O)的三维尺寸和重量，并且所述第二组数据(D”)包括对三维旋转的限制以及对将物品(O)放置在其他物品(O)下方或顶部上的可能性的限制。

8.一种用于优化物品(O)的第一列表(L₁)中的物品(O)在盒子(B)的第二列表(L₂)中的至少一个盒子(B)中的定位的系统(1)，所述系统包括：

-检测装置(8)，所述检测装置用于检测所述第一列表(L₁)中的物品(O)；

-自动组装装置(2)，所述自动组装装置用于组装所述第二列表(L₂)中的盒子(B)；

-自动定位装置(3)，所述自动定位装置用于将所述第一列表(L₁)中的一个或多个物品(O)定位在所述第二列表(L₂)中的一个或多个盒子(B)中；

-基于微处理器的控制单元(4)，所述基于微处理器的控制单元可操作地连接到所述检测装置(8)、组装装置(2)和定位装置(3)，并且具有存储器单元(5)；

-计算机程序产品(9)，所述计算机程序产品加载在所述存储器单元(5)中，包括适于执行根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法的第一算法(6)和第二算法(7)以及代码部分。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述计算机程序产品(9)以C#实施，并且借助于包含在XML文本文件中的指令与所述检测装置(8)、所述组装装置(2)和所述定位装置(3)对接。