CN113843821A - 用于物料分拣的多吸盘可移动机械手及其控制*** - Google Patents

Abstract

一种用于物料分拣的多吸盘可移动机械手，包括并联机器人，并联机器人的动平台通过ISO夹具接口与执行机构搭载平台连接，执行机构搭载平台呈水平设置的平板状，执行机构搭载平台的底面设有多个沿y轴延伸的直线模组，且多个直线模组沿x轴间隔排列；直线模组包括滑块、电机以及相互平行的直线导轨和丝杆，滑块底部设有真空吸盘，真空吸盘能对目标物进行吸附；本发明还提供基于多吸盘可移动机械手的控制***。本发明可以多吸盘共同抓取，且可根据实际识别位置信息进行移动，并结合相应算法进行吸附目标选择，实现吸附效率最大化。

Description

用于物料分拣的多吸盘可移动机械手及其控制***

技术领域

本发明涉及物料分拣技术领域，尤其涉及用于物料分拣的多吸盘可移动机械手及其控制***。

背景技术

目前视觉识别***结合机器人进行物料分拣已广泛应用于各个领域，且真空吸盘是机械手广泛使用的执行机构之一，相较于爪式抓取式执行机构，真空吸盘具有执行速度快、控制简便、应用广等特点。传统并联机器人下只配合一个真空吸盘，面对复杂多类别的物品时则易出现较大漏检率，且传统抓取流程往往根据视觉识别***识别所得位置信息进行定位抓取，吸附抓取点则是识别后经转换的位置信息坐标点，未最大程度发挥真空吸盘实际价值。

发明内容

为克服上述问题，本发明提供用于物料分拣的多吸盘可移动机械手及其控制***。

本发明的第一个方面提供一种用于物料分拣的多吸盘可移动机械手，包括并联机器人，并联机器人的动平台通过ISO夹具接口与执行机构搭载平台连接，执行机构搭载平台呈水平设置的平板状，将执行机构搭载平台的长度方向定义为x轴方向，宽度方向定义为y轴方向；

所述执行机构搭载平台的底面设有多个沿y轴延伸的直线模组，且多个直线模组沿x轴间隔排列；执行机构搭载平台沿y轴方向的两端边缘设有向下的折边，折边上间隔设有多个用于安装直线模组的丝杆定位安装孔；所述直线模组包括滑块、电机以及相互平行的直线导轨和丝杆，直线导轨设置在执行机构搭载平台底面，丝杆可转动地设置在丝杆定位安装孔内，滑块的顶部可滑动地设置在直线导轨上，滑块的底部设有供丝杆穿置的丝杆螺母座，电机设置在丝杆一端；滑块底部设有真空吸盘，真空吸盘能对目标物进行吸附；真空吸盘通过气体管路与真空发生器连接；

所述电机、真空发生器与PLC控制器电连接，PLC控制器根据目标物的位置信息控制直线模组及滑块的移动、真空发生器及真空吸盘的吸放。

优选地，所述执行机构搭载平台的底面且位于直线模组的一侧设有固定座，固定座上设有用于安置气体管路的穿孔，以避免气体管路发生缠绕。

优选地，所述并联机器人是三轴并联机器人。

本发明的第二个发明提供基于多吸盘可移动机械手的控制***，包括运载平台、目标识别单元、分拣控制单元和抓取执行单元；

所述运载平台包括流水线，流水线上预设有图像采样区和物品分拣区，图像采样区的上方设有目标识别单元，物品分拣区的上方设有分拣控制单元和抓取执行单元，流水线上设置的目标物可随流水线依次通过图像采样区、物品分拣区；

所述目标识别单元包括工业相机，通过工业相机获取目标物的图像，图像包括语义信息、位置信息和深度信息；目标识别单元将采集到的图像发送至分拣控制单元；

所述分拣控制单元使用训练好的目标检测模型对图像进行识别，得到目标物的预测框大小以及中心点坐标，并根据预测框大小以及中心点坐标计算得到预测框面积数据；设定区分目标物大小的阈值为S1、S2、S3，根据阈值和预测框面积数据对目标物的大小进行区分；同时，根据目标物的大小分类分别设置偏差值为d1、d2、d3，即目标物的预测框中心点坐标位于偏差值范围内，多吸盘可移动机械手的真空吸盘仍能进行吸附抓取动作；偏差值d1、d2、d3计算步骤如下：

S1.1：首先将需分拣目标物所有类别依次放置图样采样区，根据目标识别单元结果，计算目标物的预测框面积数据，根据阈值S1、S2、S3划分为三个区间，将预测框面积小于S1的目标物认定为小物体，将预测框面积处于S1和S2之间的目标物认定为中物体，将预测框面积处于S2和S3之间的目标物认定为大物体；

S1.2：将三种类别的物体分别放置在物品分拣区，设置(0,d_x]内随机数作为偏差值，让其在预测框中点(x₁，y₁)为圆点，偏差值为半径的圆周上再随机取点(x₂，y₂)作为机械手任务点，实行吸附动作，吸附成功则将此数据标签设置为1，反之则为0；

S1.3：进行大量实验数据采集后，将预测框面积S，预测框中心点x₁，y₁坐标，加载偏差值后的任务点x₂，y₂坐标，以及相应的标签作为数据集，利用K-means聚类算法进行聚类，此时K＝6，则是三种目标物大小下吸附成功和吸附失败的类别，得到三种目标物大小下成功吸附时可设置的偏差值区间；

S1.4：将上述得到的吸附区间根据其区间中心点减小至原来的80％，以提高吸附成功率；

由于默认目标物于图像采样区到物品分拣区不发生移动，根据手眼标定的方法，得到各目标物于物品分拣区实时位置信息，物品分拣区为执行机构搭载平台可移动的区域；根据语义信息，单次分拣类别为同一类别物体，确定抓取任务点并发送至抓取执行单元；确定抓取任务点的过程如下：

S2.1若所有分拣对象种类单一，且目标物面积相似，则多吸盘可移动机械手的滑块实际可摆动区间为长为2b，宽为由吸附目标物大小所决定的偏差值d组成的长方形区域，且各长方形中心竖线间隔为a；由此执行机构实际可摆动区间由算法于分拣控制单元计算，即将该区域，于事先划分为S×L网格的物品分拣区内，以步长为t进行循环遍历，查看各目标物中心点是否包含在各个真空吸盘的长方形区域内，且单次覆盖单类目标物数量；单个长方形区域包含目标物一个或多个则数量加1，反之则为0，根据循环遍历后单次覆盖单类目标物数量最多的目标物作为此次任务目标以及确定任务点；

S2.2若所有分拣对象品类较多且复杂，则将多吸盘可移动机械手的真空吸盘可摆动区间更改为长度为2b，且间隔为a的直线；根据目标物大小设定偏差值d，则各目标物允许抓取区域是由中心点为圆心，偏差值d为半径的圆；根据算法循环遍历，查看各直线与目标物区域圆是否存在交集，单个直线于单类目标物存在一个或多个交集则数量加1，反之则为0，计算单次数量最多的目标物，确定分拣类别及确定任务点；

所述抓取执行单元包括多吸盘可移动机械手，抓取执行单元收到任务点信息后，多吸盘可移动机械手的PLC控制器发送信号控制直线模组启动，并根据所交集目标物坐标，若交集多个，优先吸附左侧目标物；真空吸盘提前移动X轴坐标，并对多个目标物进行追踪吸附抓取，转移至目标物的储存装置；与此同时，分拣控制单元重复上述计算过程，确定下一次任务点信息，直至分拣任务全部结束。

本发明的原理是：目标识别单元在图像采样区对于目标物进行识别与定位，获取其语义信息、位置信息、深度信息等，并将这些信息发送至分拣控制单元，进过计算筛选等操作，最后发送至抓取执行单元，利用多吸盘可移动机械手完成分拣动作。工业相机与多吸盘可移动机械手完成手眼标定操作，在图像采样区完成图像采集后，可在物品分拣区实时获取各个分拣位置信息，且默认两个区间内分拣物不发生移动，则可获取目标物实时的位置信息。

本发明的有益效果是：控制***确定单一固定品别或复杂品类后，根据识别后的预测框面积设定偏差值，机器人动平台协调执行机构移动，利用多吸盘机械手对于多个目标物同时抓取，且多个直线模组可根据目标物实际识别位置信息进行移动，并结合相应算法进行吸附目标选择，实现吸附效率最大化。缓解当前传统机器人分拣效率低，且分拣目标物限制因素多，局限性大等问题。

附图说明

图1是本发明多吸盘可移动机械手的结构示意图。

图2是本发明多吸盘可移动机械手的仰视图。

图3是本发明控制***的整体布局图。

图4是本发明的分拣流程图。

附图标记说明：1、并联机器人；2、ISO夹具接口；3、执行机构搭载平台；4、直线模组；5、滑块；6、真空吸盘；7、固定底座。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照附图，本发明的第一个实施例提供一种用于物料分拣的多吸盘可移动机械手，包括并联机器人1，并联机器人是三轴并联机器人。并联机器人1的动平台通过ISO夹具接口2与执行机构搭载平台3连接，执行机构搭载平台3呈水平设置的平板状，将执行机构搭载平台3的长度方向定义为x轴方向，宽度方向定义为y轴方向；

所述执行机构搭载平台3的底面设有五个沿y轴延伸的直线模组4，且五个直线模组4沿x轴间隔排列；直线模组和真空吸盘组成吸附机构，设相邻吸附机构的间隔为a；从左至右，将第三个吸附机构的中心定义为y轴，第三吸附机构的中心定义为整体***坐标系原点O(0,0)；从左至右吸附机构的真空吸盘中心吸附孔的x轴坐标分别是-2a，-a，0，a，2a；设滑块可移动区间为Y轴的[-b,b]，真空吸盘的半径为c，由于真空吸盘中心吸附孔位无法达到两侧端点，单个吸盘实际可覆盖Y轴范围为[-b+c,b-c]；实际分拣类别较多，且分拣目标物品体积若较大时，由于真空可吸附质量较大，吸附点位于目标识别后预测框中心点附近时仍可以实现吸附抓取。因此设置了偏差值d，即目标物预测框中心点坐标位于偏差值范围内，仍进行吸附抓取动作，此偏差值d可以根据实际吸附情况进行调整，且各个真空吸盘6的偏差值根据目标物面积的大小不同。假定各吸盘吸附的目标物面积均相同，则调整后可知从左至右吸附机构真空吸盘6中心吸附孔实际工作X轴坐标范围[-2a-d/2,-2a+d/2]，[-a-d/2,-a+d/2]，[a-d/2,a+d/2]，[2a-d/2,2a+d/2]。

执行机构搭载平台3沿y轴方向的两端边缘设有向下的折边，折边上间隔设有多个用于安装直线模组4的丝杆定位安装孔；所述直线模组4包括滑块、电机以及相互平行的直线导轨和丝杆，直线导轨设置在执行机构搭载平台3底面，丝杆可转动地设置在丝杆定位安装孔内，滑块的顶部可滑动地设置在直线导轨上，滑块的底部设有供丝杆穿置的丝杆螺母座，电机设置在丝杆一端；滑块5底部设有真空吸盘6，真空吸盘6能对目标物进行吸附；真空吸盘6通过气体管路与真空发生器连接；所述执行机构搭载平台3的底面且位于直线模组4的一侧设有固定座7，固定底座7依次排列，固定座7上设有穿孔用于对安置真空吸盘的气体回路，并且进行管路进行引导，避免缠绕。

所述电机、真空发生器与PLC控制器电连接，依靠PLC控制电机正反转，从而控制丝杆转动方向，滑块5则发生y轴方向上的移动，真空吸盘6位置则发生变化。

本发明的第二个实施例提供基于用于物料分拣的多吸盘可移动机械手的控制***，包括运载平台、目标识别单元、分拣控制单元和抓取执行单元；

所述运载平台包括流水线，流水线上预设有图像采样区和物品分拣区，图像采样区的上方设有目标识别单元，物品分拣区的上方设有分拣控制单元和抓取执行单元，流水线上设置的目标物可随流水线依次通过图像采样区、物品分拣区；

所述目标识别单元包括工业相机，通过工业相机获取目标物的图像，图像包括语义信息、位置信息和深度信息；目标识别单元将采集到的图像发送至分拣控制单元；

所述分拣控制单元使用训练好的目标检测模型(将各类含有分拣目标物的图片作为训练样本，使用训练样本训练目标检测模型，目标检测模型可以包括Faster R-CNN模型、VGG模型、基于Region的全卷积网络(R-FCN)模型、SSD模型和yolo模型)对图像进行识别，得到目标物的预测框大小以及中心点坐标，并根据预测框大小以及中心点坐标计算得到预测框面积数据；设定区分目标物大小的阈值为S1、S2、S3，根据阈值和预测框面积数据对目标物的大小进行区分；同时，根据目标物的大小分类分别设置偏差值为d1、d2、d3，即目标物的预测框中心点坐标位于偏差值范围内，多吸盘可移动机械手的真空吸盘仍能进行吸附抓取动作；偏差值d1、d2、d3计算步骤如下：

S1.1：首先将需分拣目标物所有类别依次放置图样采样区，根据目标识别单元结果，计算目标物的预测框面积数据，根据阈值S1、S2、S3划分为三个区间，将预测框面积小于S1的目标物认定为小物体，将预测框面积处于S1和S2之间的目标物认定为中物体，将预测框面积处于S2和S3之间的目标物认定为大物体；

S1.2：将三种类别的物体分别放置在物品分拣区，设置(0,d_x]内随机数作为偏差值，让其在预测框中点(x₁，y₁)为圆点，偏差值为半径的圆周上再随机取点(x₂，y₂)作为机械手任务点，实行吸附动作，吸附成功则将此数据标签设置为1，反之则为0；

S1.3：进行大量实验数据采集后，将预测框面积S，预测框中心点x₁，y₁坐标，加载偏差值后的任务点x₂，y₂坐标，以及相应的标签作为数据集，利用K-means聚类算法进行聚类，此时K＝6，则是三种目标物大小下吸附成功和吸附失败的类别，得到三种目标物大小下成功吸附时可设置的偏差值区间；

S1.4：将上述得到的吸附区间根据其区间中心点减小至原来的80％，以提高吸附成功率；

由于默认目标物于图像采样区到物品分拣区不发生移动，根据手眼标定的方法，得到各目标物于物品分拣区实时位置信息，物品分拣区为执行机构搭载平台可移动的区域；根据语义信息，单次分拣类别为同一类别物体，即下方所述交集问题，多个交集均为同一类物体，确定抓取任务点并发送至抓取执行单元；确定抓取任务点的过程如下：

S2.1若所有分拣对象种类单一，且目标物面积相似，则多吸盘可移动机械手的滑块实际可摆动区间为长为2b，宽为由吸附目标物大小所决定的偏差值d组成的长方形区域，且各长方形中心竖线间隔为a；由此执行机构实际可摆动区间由算法于分拣控制单元计算，即将该区域，于事先划分为S×L网格的物品分拣区内，以步长为t进行循环遍历，查看各目标物中心点是否包含在各个真空吸盘的长方形区域内，且单次覆盖单类目标物数量；单个长方形区域包含目标物一个或多个则数量加1，反之则为0，根据循环遍历后单次覆盖单类目标物数量最多的目标物作为此次任务目标以及确定任务点；

S2.2若所有分拣对象品类较多且复杂，则将多吸盘可移动机械手的真空吸盘可摆动区间更改为长度为2b，且间隔为a的直线；根据目标物大小设定偏差值d，则各目标物允许抓取区域是由中心点为圆心，偏差值d为半径的圆；根据算法循环遍历，查看各直线与目标物区域圆是否存在交集，单个直线于单类目标物存在一个或多个交集则数量加1，反之则为0，计算单次数量最多的目标物，确定分拣类别及确定任务点；

所述抓取执行单元包括多吸盘可移动机械手，抓取执行单元收到任务点信息后，多吸盘可移动机械手的PLC控制器发送信号控制直线模组启动，并根据所交集目标物坐标，若交集多个，优先吸附左侧目标物；真空吸盘提前移动X轴坐标，并对多个目标物进行追踪吸附抓取，转移至目标物的储存装置；与此同时，分拣控制单元重复上述计算过程，确定下一次任务点信息，直至分拣任务全部结束。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (4)

1.用于物料分拣的多吸盘可移动机械手，其特征在于：包括并联机器人(1)，并联机器人(1)的动平台通过ISO夹具接口(2)与执行机构搭载平台(3)连接，执行机构搭载平台(3)呈水平设置的平板状，将执行机构搭载平台(3)的长度方向定义为x轴方向，宽度方向定义为y轴方向；

所述执行机构搭载平台(3)的底面设有多个沿y轴延伸的直线模组(4)，且多个直线模组(4)沿x轴间隔排列；执行机构搭载平台(3)沿y轴方向的两端边缘设有向下的折边，折边上间隔设有多个用于安装直线模组(4)的丝杆定位安装孔；所述直线模组(4)包括滑块、电机以及相互平行的直线导轨和丝杆，直线导轨设置在执行机构搭载平台(3)底面，丝杆可转动地设置在丝杆定位安装孔内，滑块的顶部可滑动地设置在直线导轨上，滑块的底部设有供丝杆穿置的丝杆螺母座，电机设置在丝杆一端；滑块(5)底部设有真空吸盘(6)，真空吸盘(6)能对目标物进行吸附；真空吸盘(6)通过气体管路与真空发生器连接；

所述电机、真空发生器与PLC控制器电连接，PLC控制器根据目标物的位置信息控制直线模组(4)及滑块的移动、真空发生器及真空吸盘(6)的吸放。

2.如权利要求1所述的用于物料分拣的多吸盘可移动机械手，其特征在于：所述执行机构搭载平台(3)的底面且位于直线模组(4)的一侧设有固定座(7)，固定座(7)上设有用于安置气体管路的穿孔，以避免气体管路发生缠绕。

3.如权利要求1所述的用于物料分拣的多吸盘可移动机械手，其特征在于：所述并联机器人是三轴并联机器人。

4.基于权利要求1-3中任意一项所述的用于物料分拣的多吸盘可移动机械手的控制***，其特征在于：包括运载平台、目标识别单元、分拣控制单元和抓取执行单元；

所述运载平台包括流水线，流水线上预设有图像采样区和物品分拣区，图像采样区的上方设有目标识别单元，物品分拣区的上方设有分拣控制单元和抓取执行单元，流水线上设置的目标物可随流水线依次通过图像采样区、物品分拣区；

所述目标识别单元包括工业相机，通过工业相机获取目标物的图像，图像包括语义信息、位置信息和深度信息；目标识别单元将采集到的图像发送至分拣控制单元；

所述分拣控制单元使用训练好的目标检测模型对图像进行识别，得到目标物的预测框大小以及中心点坐标，并根据预测框大小以及中心点坐标计算得到预测框面积数据；设定区分目标物大小的阈值为S1、S2、S3，根据阈值和预测框面积数据对目标物的大小进行区分；同时，根据目标物的大小分类分别设置偏差值为d1、d2、d3，即目标物的预测框中心点坐标位于偏差值范围内，多吸盘可移动机械手的真空吸盘仍能进行吸附抓取动作；偏差值d1、d2、d3计算步骤如下：

S1.1：首先将需分拣目标物所有类别依次放置图样采样区，根据目标识别单元结果，计算目标物的预测框面积数据，根据阈值S1、S2、S3划分为三个区间，将预测框面积小于S1的目标物认定为小物体，将预测框面积处于S1和S2之间的目标物认定为中物体，将预测框面积处于S2和S3之间的目标物认定为大物体；

S1.2：将三种类别的物体分别放置在物品分拣区，设置(0,d_x]内随机数作为偏差值，让其在预测框中点(x₁，y₁)为圆点，偏差值为半径的圆周上再随机取点(x₂，y₂)作为机械手任务点，实行吸附动作，吸附成功则将此数据标签设置为1，反之则为0；

S1.3：进行大量实验数据采集后，将预测框面积S，预测框中心点x₁，y₁坐标，加载偏差值后的任务点x₂，y₂坐标，以及相应的标签作为数据集，利用K-means聚类算法进行聚类，此时K＝6，则是三种目标物大小下吸附成功和吸附失败的类别，得到三种目标物大小下成功吸附时可设置的偏差值区间；

S1.4：将上述得到的吸附区间根据其区间中心点减小至原来的80％，以提高吸附成功率；

由于默认目标物于图像采样区到物品分拣区不发生移动，根据手眼标定的方法，得到各目标物于物品分拣区实时位置信息，物品分拣区为执行机构搭载平台可移动的区域；根据语义信息，单次分拣类别为同一类别物体，确定抓取任务点并发送至抓取执行单元；确定抓取任务点的过程如下：

S2.1若所有分拣对象种类单一，且目标物面积相似，则多吸盘可移动机械手的滑块实际可摆动区间为长为2b，宽为由吸附目标物大小所决定的偏差值d组成的长方形区域，且各长方形中心竖线间隔为a；由此执行机构实际可摆动区间由算法于分拣控制单元计算，即将该区域，于事先划分为S×L网格的物品分拣区内，以步长为t进行循环遍历，查看各目标物中心点是否包含在各个真空吸盘的长方形区域内，且单次覆盖单类目标物数量；单个长方形区域包含目标物一个或多个则数量加1，反之则为0，根据循环遍历后单次覆盖单类目标物数量最多的目标物作为此次任务目标以及确定任务点；

S2.2若所有分拣对象品类较多且复杂，则将多吸盘可移动机械手的真空吸盘可摆动区间更改为长度为2b，且间隔为a的直线；根据目标物大小设定偏差值d，则各目标物允许抓取区域是由中心点为圆心，偏差值d为半径的圆；根据算法循环遍历，查看各直线与目标物区域圆是否存在交集，单个直线于单类目标物存在一个或多个交集则数量加1，反之则为0，计算单次数量最多的目标物，确定分拣类别及确定任务点；

所述抓取执行单元包括多吸盘可移动机械手，抓取执行单元收到任务点信息后，多吸盘可移动机械手的PLC控制器发送信号控制直线模组启动，并根据所交集目标物坐标，若交集多个，优先吸附左侧目标物；真空吸盘提前移动X轴坐标，并对多个目标物进行追踪吸附抓取，转移至目标物的储存装置；与此同时，分拣控制单元重复上述计算过程，确定下一次任务点信息，直至分拣任务全部结束。

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