CN208856515U - 一种基于混放物料信息采集的拆垛机器人*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于混放物料信息采集的拆垛机器人***，包括多自由度机器人、与多自由度机器人对应的输送线和拆垛工位，还包括设于所述输送线和拆垛工位附近的全局双目视觉装置，以及与所述多自由度机器人、全局双目视觉装置无线电连接的工控机；在所述多自由度机器人的末端执行装置上设有局部双目视觉装置；通过工控机分别获取局部双目视觉装置和全局双目视觉装置分别传输的待抓取物料和物料堆垛信息，控制多自由度机器人通过末端执行装置执行物料拆垛和码放。该***能够减少人工及设备投入；适用性更广泛，智能化程度更高。
Description
技术领域
本实用新型属于自动化技术领域，涉及一种基于混放物料信息采集的拆垛机器人***。
背景技术
随着物流行业、电商行业、包装行业、制造业等的快速发展，仓储或物流中的拆垛工作的数量大幅增加。由于传统的拆垛工作是由人工完成，劳动强度大、工作效率低、人工出错率高、安全风险隐患大等缺点，目前越来越多的仓储或物流***中采用机器人来进行拆垛作业。但针对物流或仓储转运分拣等行业的现状，包裹有箱装、袋装等多种形式，且规格多样、随机，现有机器人拆垛***依然存在一些缺陷。
(1)无法适用于不同物料、不同规格、不同垛形的拆垛工作
现有的主流拆垛机器人多采用机械定位方式，通过前期位置示教进行拆垛作业。这种方式对物料堆垛的位置、垛形形状要求较高，只适用于单一规格或固定几种规格的物料堆垛的拆垛。一旦堆垛位置发生改变，或者垛形发生变化，或者物料规格发生改变，则需重新进行示教和编程，智能化程度较低。尤其是物流和仓储***中，包裹形式规格多样、随机，这种弊端更加明显。
(2)无法采集物料的标签条码信息
在仓储或物流等***中，包裹完成拆垛后，通常会被放置到输送线上，然后对包裹进行分拣。一般方法为：包裹经过扫码工位对包裹标签条码进行识别，根据条码信息对包裹进行分拣，输送到不同的通道。然而，现有拆垛***仅能实现单一的拆垛工作，不具备物料信息的采集功能。通过查找，在拆垛的同时完成标签条码的识别，并直接进行分拣的相关应用或介绍还未见报道。
(3)无法采集物料的体积信息
在仓储、物流、电商、包装行业中，包裹分拣完成后需装车发运。货运公司则根据包裹体积及重量进行收费。目前，在物流或仓储转运行业中，包裹的体积测量一般需要人工采用专用测量设备进行外轮廓测量，或者在输送线上设置在线体积测量工位，以获取体积信息。现有的拆垛***功能单一，不具备物料信息的采集功能。在拆垛的同时对物料的三维形貌进行识别以获取体积信息的方法，目前还未见相关专利公开或介绍。
经对现有技术文献的检索发现，中国发明专利申请号为201810349886.9的专利，专利名称为：一种3D视觉纸箱拆垛***，该专利提出了采用一个3D结构光和两个2D相机对纸箱堆进行拍照，并提取纸箱位置信息，指导机器人拆垛；但其2D相机仅对纸箱的平面位置信息进行测量，无法获得垛形的三维形貌和姿态；且该发明未涉及单个物料的三维形貌测量、体积测量和条码识别等信息的采集功能。
中国发明专利申请号为201510678912.9的专利，专利名称为：一种新型的拆垛方法和***，该专利公开了一种基于双目视觉的拆垛***和方法，但该专利仅在机械臂前端安装双目相机，相机视野范围比较局限，需要先使用圆形模板进行扫描图像并定位，将堆垛进行分区拆垛，较为复杂；同时由于受到相机视野范围的限制，无法实时获取垛形的三维形貌；此外该专利未涉及单个物料的体积测量和条码识别等信息的采集功能。
实用新型内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本实用新型的目的之一在于提供一种具有混放物料信息采集和拆垛机器人***，解决现有技术中存在的问题。
该***通过采用全局双目相机对堆垛垛形进行实时监测，获取垛形三维形貌和待抓取物料的高度位置、平面位置和姿态信息，以实现不同规格尺寸物料、不同堆垛形状的拆垛；该***通过采用局部双目相机对待抓取的单个物料的三维形貌和标签条码进行识别以获取单个物料的体积信息和条码信息，并根据采集到的物料信息直接对混放物料进行分拣，打破了现有拆垛***的单一拆垛功能，使其功能更加多样化、智能化。
本实用新型是通过下述技术方案来实现的。
一种基于混放物料信息采集的拆垛机器人***，包括多自由度机器人、与多自由度机器人对应的输送线和拆垛工位，还包括设于所述输送线和拆垛工位附近的全局双目视觉装置，以及与所述多自由度机器人、全局双目视觉装置无线电连接的工控机；在所述多自由度机器人的末端执行装置上设有局部双目视觉装置；通过工控机分别获取局部双目视觉装置和全局双目视觉装置分别传输的待抓取物料和物料堆垛信息，控制多自由度机器人通过末端执行装置执行物料拆垛和码放。
进一步，所述全局双目视觉装置包括全局双目相机，所述全局双目相机通过全局双目相机安装支架交错设置在拆垛工位上方，对垛形进行同步拍摄；
所述全局双目相机利用三角测量和双目相机交会原理，获取当前垛形的三维形貌；工控机采用最小体积计算方法求出堆垛体积；同时利用数目测量及视差原理测量生成深度图像，并根据深度信息进行排序，确定最高位置的物料，将其作为待抓取物料；图像处理软件提取待抓取物料的体积、姿态和所处高度位置信息，推算出待抓取物料上平面几何中心所处位置。
进一步，所述局部双目视觉装置包括局部双目相机，所述局部双目相机通过局部双目相机安装支架固定在多自由度机器人的末端轴上，与所述末端执行装置保持同步运动；
所述局部双目相机根据三角测量和双目相机交会原理，获得待抓取物料图像，工控机通过处理软件体积测量模块，解算出待抓取物料长、宽、高信息，采用最小体积计算方法，求出待抓取物料体积。
进一步，所述局部双目相机获得条码区域图像，工控机通过图像处理软件标签条码识别模块，利用梯度算法锁定图像位置，并对条码区域图像进行分割，虚拟横行激光条形扫码线计算条码间距信息，依据一维码编码准则识别出条码信息。
进一步，所述末端执行装置包括缓冲装置和吸盘；所述缓冲装置包括连接在多自由度机器人轴上的一对可伸缩臂，在可伸缩臂的顶部分别各连接一个局部双目相机；吸盘设在所述可伸缩臂的下方。
进一步，所述吸盘的材质为海绵或者橡胶，吸盘内设置有单向阀。
进一步，所述可伸缩臂呈倾斜角度设置，所述局部双目相机可沿360°翻转。
本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
1.基于混放物料信息采集的拆垛机器人***采用全局双目相机，对物料垛形三维形貌、待抓取物料三维空间位置及姿态进行实时测量，可适用于不同规格物料、不同堆垛形状的拆垛工作；同时，在相机视场和机器人臂展范围内，对堆垛的位置和堆垛形状几乎没有要求，适用性更广泛，智能化程度更高；
2.基于混放物料信息采集的拆垛机器人***采用局部双目相机，对待抓物料的三维形貌进行测量，实现物料体积信息的采集，不需要人工采用专用测量设备进行外轮廓测量，也不需要在输送线上设置在线体积测量工位，缩短输送线长度，减少人工及设备投入；
3.基于混放物料信息采集的拆垛机器人***采用局部双目相机，对待抓物料上的标签条码进行拍照识别，实现条码信息的采集，可用于混放物料的分拣，不需人工采用专用测量设备扫码，或者在输送线中设置条码识别工位，缩短输送线长度，减少人工及设备投入。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的不当限定，在附图中：
图1是本实用新型的一较佳实施例的主视图；
图2是本实用新型的一较佳实施例的俯视图；
图3是本实用新型末端执行装置及局部双目视觉的较佳实施例的示意图；
图4是本实用新型实现步骤基本流程图；
图中，1.多自由度机器人，2.末端执行装置，3.局部双目视觉装置，4.全局双目视觉装置，5.拆垛工位，6.输送线，7.工控机。
21.缓冲装置，22.吸盘；
32.局部双目相机安装支架，311.局部双目相机Ⅰ，312.局部双目相机Ⅱ；
411.全局双目相机Ⅰ，412.全局双目相机Ⅱ，42.全局双目相机安装支架，43.光源。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本实用新型，在此本实用新型的示意性实施例以及说明用来解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。
如图1所示,本实用新型的本实施例提供一个拆垛工位时的具有物料信息采集和拆垛机器人***，具体拆垛工位数量可根据需求设置。该***包括：多自由度机器人1、末端执行装置2、局部双目视觉装置3、全局双目视觉装置4、拆垛工位5、输送线6、工控机7。
如附图1所示，输送线6和拆垛工位5多自由度机器人1对应，全局双目视觉装置4设于输送线6和拆垛工位5附近，工控机7与多自由度机器人1、全局双目视觉装置4无线电连接；在多自由度机器人1的末端执行装置2上设有局部双目视觉装置3；通过工控机分别获取局部双目视觉装置和全局双目视觉装置分别传输的待抓取物料和物料堆垛信息，控制多自由度机器人通过末端执行装置执行物料拆垛和码放。
其中，多自由度机器人1放置在拆垛工位5附近，确保物料堆垛在多自由度机器人1的运动范围内；多自由度机器人1与工控机7信号连接，用于接收坐标信息和指令，执行物料拆垛，并将物料放置到指定位置，具体放置位置根据要求确定，本实施例中将物料拆垛后放置到输送线6上。末端执行装置2，安装在多自由度机器人1的末端轴上，用于执行物料的抓取和放下。局部双目视觉装置3，安装在多自由机器人1的末端轴上，用于检测待抓取物料的三维形貌，获取物料的体积信息，同时对物料上的标签条码进行拍摄，识别标签条码信息。全局双目视觉装置4，包括至少两个设置于拆垛工位5上方，用于对物料堆垛垛形进行拍摄，实时监测堆垛的三维形貌，并提取待抓取物料的空间坐标位置和姿态信息。工控机7，通过以太网分别与多自由度机器人1、全局双目视觉装置4、局部双目视觉装置3连接，用于数据等信息传输。工控机分别获取局部双目视觉装置和全局双目视觉装置分别传输的待抓取物料和物料堆垛信息，控制多自由度机器人通过末端执行装置执行物料拆垛和码放。
如附图2所示，全局双目视觉装置4包括：全局双目相机Ⅰ411，全局双目相机Ⅱ412，全局双目相机安装支架42和光源43；全局双目相机Ⅰ411、Ⅱ412通过全局双目相机安装支架42设置在拆垛工位5上方，对垛形进行同步拍摄，获得双目图像，通过事先离线标定获得的投影矩阵，推算出垛形的三维形貌和位姿，整个过程由图像处理软件完成，可适应于不同物料、不同位置、不同垛形的三维形貌测量和空间坐标识别。工控机采用最小体积计算方法求出堆垛体积；同时利用数目测量及视差原理测量生成深度图像，并根据深度信息进行排序，确定最高位置的物料，将其作为待抓取物料；图像处理软件提取待抓取物料的体积、姿态和所处高度位置信息，推算出待抓取物料上平面几何中心所处位置。
局部双目视觉装置3包括：局部双目相机Ⅰ311、局部双目相机Ⅱ312和局部双目相机安装支架32；所述局部双目相机Ⅰ311、Ⅱ312通过局部双目相机安装支架32固定在多自由度机器人1的末端轴上，与末端执行装置2保持同步运动，无需额外配置动力***，用于测量待抓取物料的三维形貌和标签条码。局部双目相机根据三角测量和双目相机交会原理，获得待抓取物料图像，工控机通过处理软件体积测量模块，解算出待抓取物料长、宽、高信息，采用最小体积计算方法，求出待抓取物料体积。
局部双目相机Ⅰ311、Ⅱ312同时对待抓取物料进行拍摄，根据三角测量和双目相机交会原理，获得待抓取物料图像，工控机通过处理软件体积测量模块，通过事先离线标定获得的投影矩阵，采用最小体积计算方法，推算出待抓取物料的三维形貌和体积信息；同时对物料上的标签条码信息进行采集获得条码区域图像；工控机通过图像处理软件标签条码识别模块，利用梯度算法锁定图像位置，并对条码区域图像进行分割，虚拟横行激光条形扫码线计算条码间距信息，依据一维码编码准则识别出条码信息。整个过程由图像处理软件完成，可适应于不同规格物料的体积信息和标签条码信息采集。
如附图2所示，光源43设置在拆垛工位5上方或旁边，用于给全局双目相机Ⅰ411、Ⅱ412拍照提供辅助照明。光源43的选型及安装位置具体根据现场环境情况确定，本实施例中安装在全局双目相机安装支架42上；全局双目相机安装支架42和局部双目相机安装支架32，可根据现场需求设计成不同形式，但需保证堆垛和物料在对应双目相机的视场范围内。工控机7通过***软件来控制：多自由度机器人1运动，全局双目相机Ⅰ411、Ⅱ412和局部双目相机Ⅰ311、Ⅱ312的参数设置及图像拍摄，光源43打开和关闭，末端执行装置2吸取和放下物料。
如附图3所示，末端执行装置2包括缓冲装置21和吸盘22。缓冲装置包括连接在多自由度机器人轴上的一对可伸缩臂，在可伸缩臂的顶部分别各连接一个局部双目相机；吸盘设在所述可伸缩臂的下方。缓冲装置21既可避免多自由度机器人1运动时对物料的冲击引起物料破损，还可补偿双目视觉测量技术在物料高度方向的位置偏差；吸盘22材质可为海绵或者橡胶或其他，通过形成负压来吸附和放下物料，其内设置有单向阀，可以适用一定范围内不同规格尺寸、不同形状、不同物料的抓取。可伸缩臂呈倾斜角度设置，局部双目相机可沿360°翻转。
本实用新型实现步骤基本流程图如图4所示，一种基于混放物料信息采集的拆垛机器人拆垛方法，包括以下步骤：
(1)打开电源、气源、软件；离线标定多自由度机器人、全局双目相机和局部双目相机；
(2)工控机给全局双目相机Ⅰ411、Ⅱ412发送指令，全局双目相机Ⅰ411和全局双目相机Ⅱ412对堆垛垛形进行同步拍摄，获取垛形的三维形貌，并上传至工控机；
(3)工控机7接收全局双目相机Ⅰ411与全局双目相机Ⅱ412的双目图片，根据图片的灰度阈值分离出拆垛工位托盘和物料信息，检测拆垛工位是否有物料；若有物料，执行步骤(4)；若无物料，则提示放置物料；
(4)检测出物料后，工控机图像处理软件利用三角测量和双目相机交会原理，获取当前垛形的三维形貌(长L0、宽W0、高H0、姿态)，采用最小体积计算方法，求出堆垛体积V0＝L0╳W0╳H0；同时利用数目测量及视差原理测量生成深度图像，并根据深度信息进行排序，确定最高位置的物料，将其作为待抓取物料A；图像处理软件提取待抓取物料A的长、宽、姿态和所处高度位置信息，推算出待抓取物料A的上平面几何中心所处位置坐标(X、Y、Z、O、A、T)，将信息发送给多自由度机器人1，其中，O、A、T表示物料在三维空间中的姿态，即物料坐标系分别沿空间坐标系X、Y、Z轴的旋转角度；
(5)多自由机器人1根据工控机7发送的坐标和姿态信息和物料体积信息，移动至待抓取物料A上平面几何中心所处位置的正上方△Z处作为局部双目相机拍摄位置，具***姿坐标为(X、Y、Z+△Z、O、A、T)，其中，△Z为吸盘沿Z轴正方向(上方)与待抓取物料A的相对位移，其作用是便于局部双目相机对待抓取物料三维形貌及标签条码进行采图；△Z大小由局部双目相机Ⅰ311、Ⅱ312参数和物料外形决定，可根据需求进行选择；此处O、A、T表示吸盘方位与待抓取物料方位一致:吸盘长边与物料A长边方向一致，吸盘短边与物料A短边方向一致；
(6)工控机7给局部双目相机Ⅰ311、Ⅱ312发送指令，局部双目相机Ⅰ311与局部双目相机Ⅱ312对待抓取物料A的三维形貌进行拍摄，并拍摄物料上的标签条码；工控机7接收局部双目相机Ⅰ311与局部双目相机Ⅱ312拍摄的双目图片；
(7)工控机图像处理软件的体积测量模块，根据三角测量和双目相机交会原理，获得待抓取物料A特征点的三维坐标，解算出待抓取物料的长L、宽W、高H信息，采用最小体积计算方法，求出物料体积V＝L╳W╳H；同时，标签条码识别模块，根据条码纵向一致性特征，利用梯度算法锁定图像位置，并对其条码区域图像进行分割，虚拟横行激光条形扫码线计算条码间距信息，依据一维码编码准则识别出条码信息；
(8)工控机7根据采集的物料信息(体积或标签条码信息)，给机器人发送相应指令；
(9)多自由度机器人1根据工控机指令，运动至待抓取物料位置(X、Y、Z-20、O、A、T)，其中，Z-20表示吸盘移动位置与待抓取物料A沿Z轴负方向(下方)相距20mm位移处，其作用是让缓冲装置和吸盘产生一定的压缩量，确保吸盘与物料充分接触，提高吸盘吸取物料的可靠性，其具体数值由缓冲装置和吸盘决定；
(10)工控机控制真空发生装置电磁阀通电，产生负压；
(11)工控机控制真空度传感器进行压力检测，若末端执行装置2内真空度小于等于-0.5MPa，则吸盘22吸取物料；若末端执行装置2内真空度大于-0.5MPa，则给多自由度机器人1发送指令，使其沿Z方向向下移动5mm，真空度传感器再次检测真空度，若真空度仍大于-0.5MPa，则提示抓取物料失败，多自由度机器人回到初始位置，若真空度小于等于-0.5MPa，则吸盘22吸取物料A；
(12)工控机7根据获取的物料信息(体积信息及标签条码信息)给多自由度机器人1发送相应的指令，多自由度机器人1根据指令将物料A移动至指定位置；
(13)工控机控制真空发生装置电磁阀断电，吸盘22放下物料A；
(14)多自由度机器人1回到初始位置，完成单个物料的拆垛；循环往复直至完成所有物料拆垛，结束运行。
本实用新型并不局限于上述实施例，在本实用新型公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本实用新型的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于混放物料信息采集的拆垛机器人***，其特征在于，包括多自由度机器人、与多自由度机器人对应的输送线和拆垛工位，还包括设于所述输送线和拆垛工位附近的全局双目视觉装置，以及与所述多自由度机器人、全局双目视觉装置无线电连接的工控机；在所述多自由度机器人的末端执行装置上设有局部双目视觉装置；通过工控机分别获取局部双目视觉装置和全局双目视觉装置分别传输的待抓取物料和物料堆垛信息，控制多自由度机器人通过末端执行装置执行物料拆垛和码放。
2.根据权利要求1所述的基于混放物料信息采集的拆垛机器人***，其特征在于，所述全局双目视觉装置包括全局双目相机，所述全局双目相机通过全局双目相机安装支架交错设置在拆垛工位上方，对垛形进行同步拍摄。
3.根据权利要求1所述的基于混放物料信息采集的拆垛机器人***，其特征在于，所述局部双目视觉装置包括局部双目相机，所述局部双目相机通过局部双目相机安装支架固定在多自由度机器人的末端轴上，与所述末端执行装置保持同步运动。
4.根据权利要求3所述的基于混放物料信息采集的拆垛机器人***，其特征在于，所述末端执行装置包括缓冲装置和吸盘；所述缓冲装置包括连接在多自由度机器人轴上的一对可伸缩臂，在可伸缩臂的顶部分别各连接一个局部双目相机；吸盘设在所述可伸缩臂的下方。
5.根据权利要求4所述的基于混放物料信息采集的拆垛机器人***，其特征在于，所述吸盘的材质为海绵或者橡胶，吸盘内设置有单向阀。
6.根据权利要求4所述的基于混放物料信息采集的拆垛机器人***，其特征在于，所述可伸缩臂呈倾斜角度设置，所述局部双目相机可沿360°翻转。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of utility model: A Stacking Robot System Based on Mixed Material Information Collection Effective date of registration: 20230601 Granted publication date: 20190514 Pledgee: Shaanxi Qinnong Rural Commercial Bank Co Ltd University City Sub branch Pledgor: XI'AN ZHONGKE PHOTOELECTRIC PRECISION ENGINEERING Co.,Ltd. Registration number: Y2023610000402 |
|
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Granted publication date: 20190514 Pledgee: Shaanxi Qinnong Rural Commercial Bank Co Ltd University City Sub branch Pledgor: XI'AN ZHONGKE PHOTOELECTRIC PRECISION ENGINEERING Co.,Ltd. Registration number: Y2023610000402 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of utility model: A Stacking Robot System Based on Information Collection of Mixed Materials Granted publication date: 20190514 Pledgee: Shaanxi qinnong Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Chang'an sub branch Pledgor: XI'AN ZHONGKE PHOTOELECTRIC PRECISION ENGINEERING Co.,Ltd. Registration number: Y2024980024001 |