CN116692320A - 一种智能货架整理机器人和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能货架整理机器人和控制方法，该机器人包括移动模块、货箱搬运模块和检测模块，所述货箱搬运模块固定在移动模块上，所述检测模块和货箱搬运模块之间设有旋转轴和旋转电机，所述旋转电机驱动连接旋转轴，所述旋转轴的一端连接检测模块，另一端连接货箱搬运模块。与现有技术相比，本发明具有操作简单移动灵活等优点。

Description

一种智能货架整理机器人和控制方法

技术领域

本发明涉及货架整理装置技术领域，尤其是涉及一种智能货架整理机器人和控制方法。

背景技术

货架是现代化仓库提高效率的重要工具，不仅带动当地经济的发展，还带来新的管理理念和管理技术，因为企业的增产扩容，企业仓库的标准化和高效化也日益受到重视，在货架使用过程中利用智能货架整理机器人，可以极大地节省人力物力，一定程度上降低了企业的运营成本。

现有技术中，提供了一些货架整理机器人，但大多运行在固定轨道，缺乏自主导航能力，仅仅能够负责固定区域的货架整理，并且由于推杆驱动效果较差，摆放的货箱之间经常存在缝隙，导致摆放不整齐，既降低了工作效率又影响使用体验感。

如中国专利CN212265851U公开了一种具有自主导航功能的货架整理机器人，其结构包括机体、电源线、万向轮、控制开关、第一承载板和摄像头，通过在机体右端中部设置了辅助整理部件，通过控制开关启动电机，电机带动驱动机构进行运动，驱动机构带动推杆进行活动，推杆带动推板进行活动，推板推动货架上的货箱，使货箱之间的空隙消失，通过在外壳内中部设置了驱动机构，通过电机带动转轴转动，转轴带动活动块进行转动，活动块带动滑块在滑槽一侧面进行滑动，使滑块带动活动板活动，活动板带动推杆进行活动。

但现有技术中通过摄像部件进行机器人路径规划时，只能够检测机器人正前方的区域，需要通过机器人整体转动检测其他区域，不利于机器人进行货舱区域检测，进而不利于机器人智能规划移动路径，进而会增加机器人的能耗，缩短机器人的续航；另一方面，现有技术中智能机器人只能将货箱放置在特定高度的货架上，现有货架一般包括多个不同高度的隔板，适用范围窄，实用性不强。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在通过摄像部件进行机器人路径规划时，只能够检测机器人正前方的区域，不利于机器人进行货舱区域检测，进而不利于机器人智能规划移动路径的缺陷而提供一种智能货架整理机器人和控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种智能货架整理机器人，包括移动模块、货箱搬运模块和检测模块，所述货箱搬运模块固定在移动模块上，所述检测模块和货箱搬运模块之间设有旋转轴和旋转电机，所述旋转电机驱动连接旋转轴，所述旋转轴的一端连接检测模块，另一端连接货箱搬运模块。

优选地，所述货箱搬运模块包括主干部件、第一夹取臂、第二夹取臂、第一承载板和第二承载板；

所述第一承载板和第二承载板垂直固定在主干部件的一侧，所述主干部件垂直固定在移动模块的一端，所述第一承载板贴靠在移动模块的上表面，所述第一夹取臂和第二夹取臂对称固定在主干部件的两侧，并位于第二承载板的上方。

优选地，所述主干部件包括依次连接的第一躯干构件、伸缩轴和第二躯干构件；

所述第一躯干构件的一端固定在移动模块上，另一端连接伸缩轴下端，所述第二躯干构件连接伸缩轴的上端，所述第二承载板、第一夹取臂和第二夹取臂均固定在第二躯干构件上。

优选地，所述第一夹取臂和第二夹取臂均为摆臂结构，所述摆臂结构包括第一摆臂、第二摆臂、夹板和连接杆；

所述连接杆固定在主干部件上，所述第一摆臂的一端可转动连接连接杆，另一端可转动连接第二摆臂，所述第二摆臂可转动联机夹板。

优选地，所述第一摆臂通过铰接连接第二摆臂，所述第二摆臂通过铰接连接夹板，所述夹板的一侧连接有橡胶垫。

优选地，所述货箱搬运模块还包括辅助整理部件，所述辅助整理部件包括推动轴电机、推动轴、推板和压力传感器；

所述推动轴电机固定在主干部件上，所述推动轴电机驱动连接推动轴，所述推板固定在推动轴的一端，所述压力传感器固定在推动轴的前表面。

优选地，所述检测模块包括盒体，所述盒体固定在旋转轴的上端，所述盒体的前端设有摄像固定孔，所述摄像固定孔内固定有高清摄像头和红外摄像头。

优选地，所述移动模块包括底盘、主动轮、从动轮、驱动电机、控制模块和为装置供电的电源仓，所述主动轮可转动固定在底盘后端，所述驱动电机驱动连接主动轮，所述控制模块连接驱动电机，所述从动轮固定在底盘的前端，所述从动轮为万向轮。

优选地，所述移动模块还包括单目相机、深度相机和超声波传感器；

所述单目相机、深度相机和超声波传感器均固定在底盘的前端，且均连接控制模块，所述超声波传感器的数量为多个。

优选地，所述移动模块的前端还设有红外传感器，所述红外传感器连接控制模块。

本方案还提供了一种智能货架整理机器人的控制方法，包括以下步骤：

S1：机器人在区域内移动，并通过高清摄像头实时获取区域信息，将存在货箱的区域设为目标区域，执行步骤S2；

S2：获取此时单目相机和深度相机的图像数据，定位目标区域，机器人移动至目标区域；

S3：通过控制模块控制第一夹取臂和第二夹取臂靠近并夹紧货箱，再将货箱放置在第一承载板或第二承载板上，执行步骤S4；

S4：再次获取此时单目相机和深度相机的图像数据，定位目标货架所在区域，机器人移动至货架前，执行步骤S5；

S5：通过夹板、第一摆臂和第二摆臂将第一承载板或第二承载板上的货箱放置在货架上，通过辅助整理部件推动货箱，消除货箱之间的空隙，完成货架整理。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本方案通过旋转电机带动旋转轴转动，进而带动旋转轴上方的检测模块转动，使检测模块能够在机器人不移动的情况下，对机器人的周边区域进行检测拍摄，机器人规划之后的行动路径，移动模块带动机器人移动，并通过货箱搬运模块将货箱放置到对应的货架上。转动轴带动检测模块检测机器人周边更广的区域，以做出更全面的行动规划，且移动模块的行动更加的安全合理，同时减少了移动模块的移动，减少了机器人的能耗，延长了装置的使用时间。

2、本方案通过将第二承载板、第一夹取臂和第二夹取臂固定在主干部件的第二躯干构件上，通过伸缩轴调节第二躯干构件的高度，进而调节第二承载板上货箱的高度，将货箱放置到不同高度的货架上，克服传统货架整理机器人在整理高度上的不足，实现对不同高度的货架上的货箱进行整理。

3、本方案货架整理机器人使用主动轮与万向从动轮控制机器人的移动，从而避免利用固定轨道进行移动对范围的限制，使机器人能够移动到多个不同位置的货架前进行货箱整理。

4、本方案在机器人底座的前端设置了超声波传感器，结合多个摄像头获取机器人移动路线上的情况，帮助机器人的做移动路径规划，为机器人提供了避障能力，确保机器人在整理以及前往目标区域时的效率。

附图说明

图1为本发明提供的机器人的主视图；

图2为本发明提供的机器人的左视图；

图3为本发明提供的辅助整理部件的结构示意图；

图中：1、移动模块，2、货箱搬运模块，3、检测模块，4、旋转轴，5、旋转电机，6、主干部件，7、第一夹取臂，8、第二夹取臂，9、第一承载板，10、第二承载板，11、第一摆臂，12、第二摆臂，13、夹板，14、连接杆，15、辅助整理部件；101、底盘，102、主动轮，103、从动轮，104、单目相机，105、深度相机，106、超声波传感器，107、红外传感器；31、盒体，32、高清摄像头，33、红外摄像头，61、第一躯干构件，62、伸缩轴，63、第二躯干构件，151、推动轴电机，152、推动轴，153、推板，154、压力传感器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

实施例1

本实施提供一种智能货架整理机器人，包括移动模块1、货箱搬运模块2和检测模块3，货箱搬运模块2固定在移动模块1上，检测模块3和货箱搬运模块2之间设有旋转轴4和旋转电机5，旋转电机5驱动连接旋转轴4，旋转轴4的一端连接检测模块3，另一端连接货箱搬运模块2。

工作原理：通过旋转电机5带动旋转轴4转动，进而带动旋转轴4上方的检测模块3转动，使检测模块3能够在机器人不移动的情况下，对机器人的周边区域进行检测拍摄，机器人规划之后的行动路径，移动模块1带动机器人移动，并通过货箱搬运模块2将货箱放置到对应的货架上。

本方案通过旋转电机5带动旋转轴4转动，进而带动旋转轴4上方的检测模块3转动，使检测模块3能够在机器人不移动的情况下，对机器人的周边区域进行检测拍摄，机器人规划之后的行动路径，移动模块1带动机器人移动，并通过货箱搬运模块2将货箱放置到对应的货架上。转动轴4带动检测模块3检测机器人周边更广的区域，以做出更全面的行动规划，且移动模块的行动更加的安全合理，同时减少了移动模块1的移动，减少了机器人的能耗，延长了装置的使用时间。

作为一种优选的实施方式，货箱搬运模块2包括主干部件6、第一夹取臂7、第二夹取臂8、第一承载板9和第二承载板10；

第一承载板9和第二承载板10垂直固定在主干部件6的一侧，主干部件6垂直固定在移动模块1的一端，第一承载板9贴靠在移动模块1的上表面，第一夹取臂7和第二夹取臂8对称固定在主干部件6的两侧，并位于第二承载板10的上方。

通过将第二承载板、第一夹取臂和第二夹取臂固定在主干部件的第二躯干构件上，通过伸缩轴调节第二躯干构件的高度，进而调节第二承载板上货箱的高度，将货箱放置到不同高度的货架上，克服传统货架整理机器人在整理高度上的不足，实现对不同高度的货架上的货箱进行整理。

具体的，主干部件6包括依次连接的第一躯干构件61、伸缩轴62和第二躯干构件63；

第一躯干构件61的一端固定在移动模块1上，另一端连接伸缩轴62下端，第二躯干构件63连接伸缩轴62的上端，第二承载板10、第一夹取臂7和第二夹取臂8均固定在第二躯干构件63上。

第一夹取臂7和第二夹取臂8均为摆臂结构，摆臂结构包括第一摆臂11、第二摆臂12、夹板13和连接杆14；

连接杆14固定在主干部件6上，第一摆臂11的一端可转动连接连接杆14，另一端可转动连接第二摆臂12，第二摆臂12可转动联机夹板13。

第一摆臂11通过铰接连接第二摆臂12，第二摆臂12通过铰接连接夹板13，夹板13的一侧连接有橡胶垫。增大夹板13与货箱之间的摩擦力，第一摆臂11和第二摆臂12能够更稳定的转移货箱。

具体的，货箱搬运模块2还包括辅助整理部件15，辅助整理部件15包括推动轴电机151、推动轴152、推板153和压力传感器154；

推动轴电机151固定在主干部件6上，推动轴电机151驱动连接推动轴152，推板153固定在推动轴152的一端，压力传感器154固定在推动轴152的前表面。

通过推动轴电机151驱动连接推动轴152，带动推板153推动第一承载板9上的货箱，当推板153前表面固定的压力传感器154的数值高于压力阈值时，确定货箱之间的空隙消失，表明货箱放置完成。

检测模块3包括盒体31，盒体31固定在旋转轴4的上端，盒体31的前端设有摄像固定孔，摄像固定孔内固定有高清摄像头32和红外摄像头33。

移动模块1包括底盘101、主动轮102、从动轮103、驱动电机、控制模块和为装置供电的电源仓，主动轮102可转动固定在底盘101后端，驱动电机驱动连接主动轮102，控制模块连接驱动电机，从动轮103固定在底盘101的前端，从动轮103为万向轮。

移动模块1还包括单目相机104、深度相机105和超声波传感器106；

单目相机104、深度相机105和超声波传感器106均固定在底盘101的前端，且均连接控制模块，超声波传感器106的数量为多个。

移动模块1的前端还设有红外传感器107，红外传感器107连接控制模块。

结合上述优选的实施方式，本实施例提供了一种最优的实施方式，具体包括为一种基于视觉的多传感器融合的智能货架整理机器人，包括机器人底盘、摄像头组和传感器组，摄像头组和传感器组均设置在机器人本体外侧，摄像头组包括深度相机、单目相机、红外摄像头和高清摄像头，传感器组包括超声波传感器、红外传感器和压力传感器，且机器人本体内设有控制***，控制***连接摄像头组和传感器组。

如图1所示，盒体31设置在机器人本体上方，机器人本体上设有旋转轴4和驱动旋转轴4的旋转电机5，机器人本体的中央设有用于旋转轴4穿过的通孔，旋转轴4穿过通孔的一端固定有盒体31，盒体31上设有高清摄像头32和红外摄像头33，在机器人工作时，盒体31保持360度旋转。

机器人主体上固定有连接杆14，连接杆14带动第一摆臂11的摆动，第一摆臂11带动第二摆臂12的摆动，第二摆臂12带动夹板13靠近货箱，第一摆臂11、第二摆臂12、夹板13之间利用连接轴进行连接，通过控制开关使夹板启动，夹板呈长方体状，并且一侧面粘有橡胶垫用于防滑，夹板与货箱外表面接触，当夹板13表面压力传感器的数值达到压力阈值时，确定货箱已夹紧，接着通过夹板、第一摆臂和第二摆臂，将货箱放置在第一承载板9或第二承载板10上。

机器人开启控制开关后电机启动，电机带动驱动***进行运动，驱动机构带动可伸缩主干部件进行活动，可伸缩主干部件带动第二承载板进行活动。

机器人底盘正面设有单目相机104和深度相机105，机器人底盘的下方设有两个主动轮102和两个万向从动轮103，两个主动轮用步进轮毂电机直接驱动，电机连接控制模块，可以实现货架整理机器人任意方向的前进倒退。超声波传感器106共设有两个用于收集运动路径上的障碍物信息，控制***根据超声波传感器的信息在必要时对障碍物进行避让。

机器人底盘内还设置了加速度计和陀螺仪，加速度计和陀螺仪可集成为IMU，设于机器人底盘内，实时计算姿态角度和加速度，用于控制机器人前进、后退和转向。

机器人底盘内还设置了电池仓，当机器人电量不足时，控制***将当前定位信息和待充电信息传输至远端计算机，同时控制机器人前往充电站，控制***打开电池仓的仓门进行充电准备；同时远端计算机控制距离较近的机器人执行充电机器人的货架整理任务。

机器人开启控制开关后推动轴电机启动，推动轴电机151带动推动轴152进行活动，推动轴152带动推板153进行活动，推板呈长方体状，并且外表面粘有防水防氧化层，防止生锈或被氧化腐蚀，推板153推动货架上的货箱，当推板表面压力传感器154的数值高于压力阈值时，确定货箱之间的空隙消失，通过推动轴电机带动推动轴移动，限位板与止推限制推动轴的移动距离防止推动过度或推动轴脱落。

本实施例还提供了控制模块包括工控机和驱动电路板，两者间通过串口连接，在机器人进行货架整理时执行以下步骤：

步骤S1、控制开关开启后控制机器人在场地内移动，并实时获取高清摄像头的区域信息，当某区域内识别到货箱时，将当前区域设为目标区域并移动至该区域，执行步骤S2；

步骤S2、获取此时单目相机和深度相机的图像数据，定位目标区域，并控制机器人移动至目标区域；

步骤S3、通过控制开关使连接杆启动，连接杆控制第一摆臂的摆动，第一摆臂控制第二摆臂的摆动，第二摆臂带动夹板靠近货箱，通过控制开关使夹板启动，夹板与货箱外表面接触，当夹板表面压力传感器的数值高于第二压力阈值时，确定货箱已夹紧，接着通过夹板、第一摆臂和第二摆臂，将货箱放置在第一承载板或第二承载板上，执行步骤S4；

步骤S4、再次获取此时单目相机和深度相机的图像数据，定位目标货架所在区域，并通过控制开关5使机器人移动至货架前，执行步骤S5；

步骤S5、当机器人移动至货架前，通过夹板、第一摆臂和第二摆臂将第一承载板或第二承载板上的货箱放置在货架上，若货箱之间存在空隙，通过控制开关使辅助整理部件启动，推动轴控制箱内的电机带动推动轴移动，推动轴带动推板推动货箱，当推板表面设置的压力传感器的数值高于第三压力阈值时，确定货箱之间空隙已经消除，完成货架整理。

其中，通过高清摄像头获取的图像是否存在货箱的方法为：

将高清摄像头获取的图像使用YOLO目标检测算法结合训练好的识别模型，获取判断结果；所述识别模型的训练过程如下：输入若干张带有货箱的图片，将是否出现货箱的标签作为输出训练识别模型。

除此之外，远端计算机中存储有场地的完整地图数据，可基于全局规划和局部寻优的改进A*算法实现机器人增量式构图并优化机器人货架整理的路径，提高机器人货架整理的效率。

在本实施例中，超声传感器、压力传感器和红外传感器设置为多个的原因为，若其中一个传感器发生故障，可以通过控制***获取的数据及时发现，避免机器人货架整理时由于传感器故障导致无法工作情况。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种智能货架整理机器人，其特征在于，包括移动模块(1)、货箱搬运模块(2)和检测模块(3)，所述货箱搬运模块(2)固定在移动模块(1)上，所述检测模块(3)和货箱搬运模块(2)之间设有旋转轴(4)和旋转电机(5)，所述旋转电机(5)驱动连接旋转轴(4)，所述旋转轴(4)的一端连接检测模块(3)，另一端连接货箱搬运模块(2)。

2.根据权利要求1所述的一种智能货架整理机器人，其特征在于，所述货箱搬运模块(2)包括主干部件(6)、第一夹取臂(7)、第二夹取臂(8)、第一承载板(9)和第二承载板(10)；

所述第一承载板(9)和第二承载板(10)垂直固定在主干部件(6)的一侧，所述主干部件(6)垂直固定在移动模块(1)的一端，所述第一承载板(9)贴靠在移动模块(1)的上表面，所述第一夹取臂(7)和第二夹取臂(8)对称固定在主干部件(6)的两侧，并位于第二承载板(10)的上方。

3.根据权利要求2所述的一种智能货架整理机器人，其特征在于，所述主干部件(6)包括依次连接的第一躯干构件(61)、伸缩轴(62)和第二躯干构件(63)；

所述第一躯干构件(61)的一端固定在移动模块(1)上，另一端连接伸缩轴(62)下端，所述第二躯干构件(63)连接伸缩轴(62)的上端，所述第二承载板(10)、第一夹取臂(7)和第二夹取臂(8)均固定在第二躯干构件(63)上。

4.根据权利要求2所述的一种智能货架整理机器人，其特征在于，所述第一夹取臂(7)和第二夹取臂(8)均为摆臂结构，所述摆臂结构包括第一摆臂(11)、第二摆臂(12)、夹板(13)和连接杆(14)；

所述连接杆(14)固定在主干部件(6)上，所述第一摆臂(11)的一端可转动连接连接杆(14)，另一端可转动连接第二摆臂(12)，所述第二摆臂(12)可转动联机夹板(13)。

5.根据权利要求4所述的一种智能货架整理机器人，其特征在于，所述第一摆臂(11)通过铰接连接第二摆臂(12)，所述第二摆臂(12)通过铰接连接夹板(13)，所述夹板(13)的一侧连接有橡胶垫。

6.根据权利要求2所述的一种智能货架整理机器人，其特征在于，所述货箱搬运模块(2)还包括辅助整理部件(15)，所述辅助整理部件(15)包括推动轴电机(151)、推动轴(152)、推板(153)和压力传感器(154)；

所述推动轴电机(151)固定在主干部件(6)上，所述推动轴电机(151)驱动连接推动轴(152)，所述推板(153)固定在推动轴(152)的一端，所述压力传感器(154)固定在推动轴(152)的前表面。

7.根据权利要求1所述的一种智能货架整理机器人，其特征在于，所述检测模块(3)包括盒体(31)，所述盒体(31)固定在旋转轴(4)的上端，所述盒体(31)的前端设有摄像固定孔，所述摄像固定孔内固定有高清摄像头(32)和红外摄像头(33)。

8.根据权利要求1所述的一种智能货架整理机器人，其特征在于，所述移动模块(1)包括底盘(101)、主动轮(102)、从动轮(103)、驱动电机、控制模块和为装置供电的电源仓，所述主动轮(102)可转动固定在底盘(101)后端，所述驱动电机驱动连接主动轮(102)，所述控制模块连接驱动电机，所述从动轮(103)固定在底盘(101)的前端，所述从动轮(103)为万向轮。

9.根据权利要求8所述的一种智能货架整理机器人，其特征在于，所述移动模块(1)还包括单目相机(104)、深度相机(105)、超声波传感器(106)和红外传感器(107)；

所述单目相机(104)、深度相机(105)、超声波传感器(106)和红外传感器(107)均固定在底盘(101)的前端，且均连接控制模块，所述超声波传感器(106)的数量为多个。

10.一种基于权利要求1-9任一所述的一种智能货架整理机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：机器人在区域内移动，并通过高清摄像头实时获取区域信息，将存在货箱的区域设为目标区域，执行步骤S2；

S2：获取此时单目相机和深度相机的图像数据，定位目标区域，机器人移动至目标区域；

S3：通过控制模块控制第一夹取臂和第二夹取臂靠近并夹紧货箱，再将货箱放置在第一承载板或第二承载板上，执行步骤S4；

S4：再次获取此时单目相机和深度相机的图像数据，定位目标货架所在区域，机器人移动至货架前，执行步骤S5；

S5：通过夹板、第一摆臂和第二摆臂将第一承载板或第二承载板上的货箱放置在货架上，通过辅助整理部件推动货箱，消除货箱之间的空隙，完成货架整理。