基于激光测距雷达定位引导的机器人拆垛系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了基于激光测距雷达定位引导的机器人拆垛系统及方法，它解决了现有技术中拆垛机器人工作范围受限，堆垛高度受限的问题，具有提高整个系统运行效率，适用场合多的有益效果，其方案如下：基于激光测距雷达定位引导的机器人拆垛系统，包括升降机构，带动测距部件在竖直平面内往复移动实现测距部件在竖直方向移动且实现垛堆区域内设定位置的准确定位，且升降机构设于垛堆区域一侧的垛堆对角线延长线；搬运机器人，包括用于抓取垛堆的抓手，搬运机器人设于垛堆区域一侧，且与升降机构间隔设定距离设置；控制单元，与升降机构、测距部件和搬运机器人分别单独电性连接，测距部件逐层进行扫描，直至检测到物品。

【技术实现步骤摘要】
基于激光测距雷达定位引导的机器人拆垛系统及方法
本专利技术涉及工业机器人领域，特别是涉及基于激光测距雷达定位引导的机器人拆垛系统及方法。
技术介绍
食品、饮料等商品大多采用纸箱或袋包装，以托盘垛的方式存储于仓库。出库外运时，需要从垛堆上逐件拆分商品并搬运至指定位置，即拆垛。拆垛作业重复性高、劳动强度大，机器人比人更适合完成此类工作。然而，由于拆垛作业的某些不确定性，长久以来，机器人又一直无法很好的胜任此类工作。这些不确定性主要指：托盘垛的垛型和层高、待拆垛商品的数量和位置等信息未知。近年来，人们开始尝试利用智能传感器进行上述信息的识别，以提高机器人拆垛系统的实用性。现有技术中有利用安装在垛堆上方的2台工业相机构建双目视觉，通过双目图像对拆垛区物品进行目标识别，进而实现对物品的机器人拆垛任务。该方法能够获得物品的深度信息并进行三维目标定位，但系统受环境尤其是光照影响大，且立体视觉算法过于复杂。也有在托盘垛上方安装往复运动的工业相机和激光传感器，分别获取编织袋平面图像和高度位置，经计算机处理得到整层编织袋的三维坐标，并将数据传输给控制系统，引导机器人抓手准确抓取各编织袋。系统采用多传感器实现三维目标定位，简化了识别算法，但光照对系统的影响依然存在。上述系统或方法，无论是视觉还是激光方案，用于识别定位的传感器都是固定在堆垛上方，进行整层扫描识别，识别完成后机器人再逐个物品搬运，不仅缩小了拆垛机器人的工作范围和堆垛的高度，还降低了系统的整体运行效率，限制了机器人拆垛系统的使用场合。因此，需要对拆垛系统进行新的研究设计。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于激光测距雷达定位引导的机器人拆垛系统，利用安装于垛堆一侧的升降机构带动测距机构运动，逐批、逐层获取物品三维坐标，实时传送给机器人控制系统并引导机器人自动拆垛。基于激光测距雷达定位引导的机器人拆垛系统的具体方案如下：基于激光测距雷达定位引导的机器人拆垛系统，包括：升降机构，带动测距部件在竖直平面内往复移动实现测距部件在竖直方向移动且实现垛堆区域内设定位置的准确定位，且升降机构设于垛堆区域一侧的垛堆对角线延长线；搬运机器人，包括用于抓取垛堆的抓手，搬运机器人设于垛堆区域一侧，且与升降机构间隔设定距离设置；控制单元，与升降机构、测距部件和搬运机器人分别单独电性连接，测距部件逐层进行扫描，直至检测到物品，控制单元根据扫描数据得到物品数量及三维位姿，并将信息发送给搬运机器人。该机器人拆垛系统通过升降机构带动测距部件移动，测距部件进行扫描，可以逐层获取需要搬运物品的位置，由搬运机器人进行搬运，整个系统不受环境光照的影响，扫描设备的安装不限制机器人工作范围和堆垛高度，实时局部扫描与机器人搬运作业同步使得系统整体运行效率高，因而极大地提高了系统的使用场合。进一步地，所述升降机构包括由电机驱动的直线导轨和设于直线导轨的移动滑块，所述测距部件设于移动滑块，直线导轨底部固定于地面，且直线导轨距离堆垛的距离由测距部件的测量范围进行确定。进一步地，所述测距部件为2D激光测距雷达，朝向堆垛设置，2D激光测距雷达的测量范围为扇形区域，接收控制单元下达指令，在量程范围内扫描探测障碍物，并实时地将角度数据和测量距离发送给控制单元。进一步地，为了实现对测距部件的固定，所述移动滑块表面设置卡槽，所述测距部件设于卡槽内，移动滑块侧部设置锁紧螺栓，锁紧螺栓穿过卡槽与测距部件相抵。进一步地，所述搬运机器人还包括机器人本体和机器人控制器，机械臂与所述的抓手连接，机器人本体底部固定于地面或工作台，且机器人本体包括至少两段相互连接的所述机械臂，相邻的两机械臂能够旋转设置，机器人控制器控制机器人本体到达指定位置，并向抓手下达抓取或释放的指令。进一步地，为了保证对物品的抓取和释放，所述抓手为真空吸盘或为与机械臂连接的水平工作臂，抓手不限于真空吸盘，可实现抓取或释放物品的动作；或者，所述控制单元包括决策控制器和与决策控制器连接的触摸屏，决策控制器与机器人控制器连接，触摸屏相当于人机界面，用于启动、停止、物品尺寸、托盘高度、最大码垛层高等任务指令的输入，以及拆垛数量、测量识别结果等控制状态的显示。进一步地，所述决策控制器采用工业计算机，接收人机界面的输入指令，据此确定整个装置所要执行的控制指令，分别下发给升降机构和测距机构，并根据反馈回来的测量结果，计算已测量物品的三维坐标位置，实时下发给搬运机器人。为了克服现有技术的不足，本专利技术还提供了基于测距雷达定位引导的机器人拆垛系统的拆垛方法，包括如下步骤：1)将待拆的垛堆放置在拆垛系统工作范围内，操作者通过控制单元输入参数信息，并启动升降机构、搬运机器人和测距部件；2)控制单元根据输入的参数信息，计算得到升降机构的F(最大层数)个测量点P1，…Pi，…PF，i为自然数，其中Pi点的位置参数为B+H/2+(F-i)*H，H为物品的高度，B为托盘摆放平面相对于升降机构零位点的垂直距离，并按照拆垛系统工作流程规划相应的控制指令；3)升降机构根据控制单元的控制指令由上至下的顺序，依次到达相应测量点Pi(i＝1，2，…F)；4)测距部件在测量点Pi接收控制单元下达的指令，启动一次扫描，并将得到的一组点云数据{Sj|j＝1，2，…J}发送至控制单元，其中，Sj＝(Dj，THETAj)，Dj为测距部件测量的障碍物的距离值，THETAj为对应于该距离值的测距部件工作角度；5)控制单元根据接收到的扫描数据，首先确定在该测量点是否检测到物品，当无物品且i<F，进入下一个测量点，即i＝i+1，返回步骤3)；当无物品且i＝F，即PF测量点未检测到物品，表示拆垛完成；当检测到物品时，控制单元根据扫描数据计算得到物品数量及三维位姿，并将信息发送给搬运机器人；6)搬运机器人接收到控制单元发送的物品数量及位姿数据，逐件搬运物品到指定位置，在搬运本次的最后一件物品离开堆垛的同时，向控制单元发送搬运完成信号；7)当控制单元接收到搬运完成信号时，向测距部件再次发送启动扫描指令，返回步骤4)。进一步地，所述步骤1)中参数信息包括物品尺寸、设长、宽、高分别为L、W、H，堆垛可能的最大层数F。进一步地，所述步骤5)中按照如下方式判断该测量点是否检测到物品：根据激光雷达量程和垛堆区域，设定Dj的有效范围为(Dmin，Dmax)，THETAj的有效范围为(THETAmin，THETAmax)，如果在有效范围内存在若干点云数据，则判断为检测到物品，否则判断为未检测到物品。进一步地，所述步骤5)中对于在测量点Pi(i＝1，2，…F)进行扫描得到的数据，控制单元是按照如下的方法计算物品数量及三维位姿的：1-1)对点云数据进行预处理，将超出有效范围的数据剔除；1-2)通过坐标变换得到剩余K组有效数据在测距部件直角坐标系下的形式{Pk|k＝1，2，…K}，其中Pk＝(Xk，Yk)，Xk为激光雷达坐标系中X方向的值，Yk为激光雷达坐标系中Y方向的值；1-3)从上述数据中找到M个角点特征，将数据分割成M+1组并分别拟合为直线段{Linem|m＝1，2，…M+1}，其中Linem＝km+bm；1-4)计算出相邻直线段Linem和Linem+1的交点坐标(xm，ym)，即为角点Cm的坐标；1-5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于测距雷达定位引导的机器人拆垛系统，其特征在于，包括：升降机构，带动测距部件在竖直平面内往复移动实现测距部件在竖直方向移动且实现垛堆区域内设定位置的准确定位，且升降机构设于垛堆区域一侧的垛堆对角线延长线；搬运机器人，包括用于抓取垛堆的抓手，搬运机器人设于垛堆区域一侧，且与升降机构间隔设定距离设置；控制单元，与升降机构、测距部件和搬运机器人分别单独电性连接，测距部件逐层进行扫描，直至检测到物品，控制单元根据扫描数据得到物品数量及三维位姿，并将信息发送给搬运机器人。

【技术特征摘要】
1.基于测距雷达定位引导的机器人拆垛系统，其特征在于，包括：升降机构，带动测距部件在竖直平面内往复移动实现测距部件在竖直方向移动且实现垛堆区域内设定位置的准确定位，且升降机构设于垛堆区域一侧的垛堆对角线延长线；搬运机器人，包括用于抓取垛堆的抓手，搬运机器人设于垛堆区域一侧，且与升降机构间隔设定距离设置；控制单元，与升降机构、测距部件和搬运机器人分别单独电性连接，测距部件逐层进行扫描，直至检测到物品，控制单元根据扫描数据得到物品数量及三维位姿，并将信息发送给搬运机器人。2.根据权利要求1所述的基于激光测距雷达定位引导的机器人拆垛系统，其特征在于，所述升降机构包括由电机驱动的直线导轨和设于直线导轨的移动滑块，所述测距部件设于移动滑块。3.根据权利要求1所述的基于激光测距雷达定位引导的机器人拆垛系统，其特征在于，所述测距部件为2D激光测距雷达。4.根据权利要求2所述的基于激光测距雷达定位引导的机器人拆垛系统，其特征在于，所述移动滑块表面设置卡槽，所述测距部件设于卡槽内，移动滑块侧部设置锁紧螺栓，锁紧螺栓穿过卡槽与测距部件相抵。5.根据权利要求1所述的基于激光测距雷达定位引导的机器人拆垛系统，其特征在于，所述搬运机器人还包括机器人本体和机器人控制器，机器人本体底部固定于地面或工作台，且机器人本体包括至少两段相互连接的所述机械臂，机械臂与所述的抓手连接，相邻的两机械臂能够旋转设置。6.根据权利要求5所述的基于激光测距雷达定位引导的机器人拆垛系统，其特征在于，所述抓手为真空吸盘或为与机械臂连接的水平工作臂；或者，所述控制单元包括决策控制器和与决策控制器连接的触摸屏，决策控制器与机器人控制器连接。7.基于测距雷达定位引导的机器人拆垛系统的拆垛方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将待拆的垛堆放置在拆垛系统工作范围内，操作者通过控制单元输入参数信息，并启动升降机构、搬运机器人和测距部件；2)控制单元根据输入的参数信息，计算得到升降机构的F个测量点P1，…Pi，…PF，i为自然数，其中Pi点的位置参数为B+H/2+(F-i)*H，B为托盘摆放平面相对于升降机构零位点的垂直距离，并按照拆垛系统工作流程规划相应的控制指令；3)升降机构根据控制单元的控制指令由上至下的顺序，依次到达相应测量点Pi(i＝1，2，…F)；4)测距部件在测量点Pi接收控制单元下达的指令，启动一次扫描，并将得到的一组点云数据{Sj|j＝1，2，…J}发送至控制单元，其中，Sj＝(Dj，THETAj)，Dj为测距部件测量的障碍物的距离值，THETAj为对应于该距离值的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李倩，张艳芳，赵永国，吴昊，
申请(专利权)人：山东省科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37