一种适用于随机混放纸箱垛的机器人智能拆垛方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于随机混放纸箱垛的机器人智能拆垛方法，包括：对待拆纸箱垛进行三维点云信息采集，并通过点云处理，获取待拆纸箱垛外露纸箱面的角点信息；根据纸箱角点信息，计算纸箱货物外露面长宽获得纸箱高度信息；规划纸箱物料的拾取点，计算出拾取点的空间位姿信息，并转换至机器人末端拾取手的运动控制点位姿信息；对纸箱进行拆垛排序；给出机器人放置纸箱运动控制点坐标，完成一个纸箱的拆垛规划。本方法在视觉测量系统视野范围内和拆垛机器人运动范围内，对堆垛形状、纸箱码放位置无要求；采取就近清空原则，拆垛过程中的拾取、搬运、放置路径更加合理，节省搬运时间，减少发生碰撞的可能。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于随机混放纸箱垛的机器人智能拆垛方法
本专利技术属于自动化
，尤其涉及一种针对随机混放纸箱物料的机器人智能拆垛方法。
技术介绍
近年来，物流、电商、包装、制造等行业发展迅速，在物流仓储业及制造企业等内部物流中广泛存在着纸箱物料的拆码垛应用。特别是，随着人们需求的多样化、随机性，很多企业逐步向小批量、多批次、灵活的柔性生产模式转换，为了优化运输空间，降低供应链成本和运输成本，在中间转运、入库等环节，纸箱混合垛也成为一种常见形式。纸箱混合垛的特点是多品种纸箱随机混合码放，如：纸箱外观(颜色、图案等)不一、尺寸规格多样、重量差异、码放位姿随机(如空间倾斜)等。传统的示教程式化自动拆垛机或拆垛机器人已无法满足纸箱混合垛的拆垛分拣、拆垛上料、拆垛配货等需求。尤其是物流和仓储系统中的快递包裹形式规格多样、码放位姿随意，经常存在空间倾斜情况，在使用机器人进行该类纸箱拆垛时，因无法定点示教或提前输入拾取点位姿而无法实现自动化。人工拆垛由于具有劳动强度大、工作效率低、出错率高、安全风险隐患大等缺点，也被逐渐淘汰。智能工业机器人的解决方案在进行小批量、多品种，随机、复杂的拆垛作业时，除了需要配套视觉感知传感器，还必须具有自主决策规划能力，能够根据视觉测量信息，规划出拾取点信息，并决策先对哪个对象进行作业，指导机器人运动控制，进而实现随机混杂情况下纸箱垛的智能化、自动化、柔性化拆垛作业，因此开发一种适用于随机混放纸箱物料的智能拆垛规划方法具有重大的意义和价值。经对现有技术文献的检索发现，较相关的专利申请有2项：(1)一种基于码垛数据的拆垛方法、拆垛装置及拆垛系统(专利申请号：201910772859.7)，该专利申请提出了一种基于码垛数据的拆垛方法、拆垛装置及拆垛系统，其是通过识别货物的码垛数据编码，获取货物码垛的层数、高度、位置信息，然后基于码垛的数据进行拆垛作业。(2)一种混合箱体机器人智能拆码垛系统及控制方法(专利申请号：201910832488.7)，该专利申请在拆垛时通过3D相机和激光测距仪，获取托盘上箱体尺寸等信息，根据获取的箱体信息调取对应规格的拆码垛程序完成拆码垛作业，其单个托盘上的纸箱规格相同且每种规格箱体码放规则整齐一致，其目的是提供一套系统可满足多规格货物换批次生产，而非将多规格纸箱混合码放在一起，无法进行纸箱混合垛的拆垛。因此，提供一种基于纸箱几何特性的可实现随机混合纸箱垛拆分的拆垛规划方法，成为目前本领域亟待解决的技术问题。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于纸箱几何特性的拆垛方法，适应于一层或多层码放位置随机、姿态任意、混杂纸箱物料的智能拆垛应用，只需保证纸箱物料在视觉测量系统视野范围内和拆垛机器人运动范围内即可。本专利技术是通过下述技术方案来实现的。一种适用于随机混放纸箱垛的机器人智能拆垛方法，包括以下步骤：(1)拆垛工位上方的三维立体相机对待拆纸箱垛进行三维点云信息采集，并通过点云处理，获取待拆纸箱垛外露纸箱面的角点信息；(2)控制系统根据纸箱角点信息，计算纸箱货物外露面的长、宽尺寸，根据长宽信息进行纸箱规格匹配，获得纸箱高度信息；(3)控制系统根据纸箱外露面的角点信息，规划纸箱物料的拾取点，计算出拾取点的空间位姿信息，并转换至机器人末端拾取手的运动控制点位姿信息；(4)控制系统对纸箱进行拆垛排序；(5)控制系统根据预先设置的放置规则或放置位置，结合纸箱高度信息，给出机器人放置纸箱运动控制点坐标，完成一个纸箱的拆垛规划。对于上述技术方案，本专利技术还有进一步优选的方案：优选的，步骤(2)中，其具体方法为：通过视觉测量的纸箱4个角点坐标数据，计算纸箱的长L、宽W，然后根据已知所有品类纸箱的已知长度L已知和已知宽度W已知，计算纸箱规格的匹配度。若匹配度满足SL≦SL0，SW≦SW0，则认为纸箱与该已知规格匹配度高，则该纸箱高度Hbox＝H已知；其中，SL、SW为测量纸箱长、宽在规格匹配时与已知规格纸箱长、宽的标准差；L、W分别为视觉测量系统处理得到的纸箱长、宽，Hbox为该测量纸箱的高度；H已知为品类纸箱的已知高度；SL0、SW0为分别设置的与品类纸箱长、宽的匹配度阈值。优选的，步骤(3)中，当纸箱在空间水平放置时，将纸箱的外露上表面的几何中心作为拾取点；当纸箱在空间倾斜放置时，将纸箱外露各面沿Z轴竖直方向投影面积大的面作为拾取面，拾取面的几何中心点坐标作为拆垛时的拾取点位置。优选的，步骤(3)中，拾取点所需信息包含位置和姿态，计算方法如下：31)接收视觉测量系统得到的纸箱4个角点数据(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)；32)拾取点为外露上表面的几何中心点，获取其位置坐标(x5,y5,z5)；33)通过纸箱面4个角点可以拟合出纸箱面，然后计算该拟合面的法向量作为拾取点姿态信息；34)将视觉测量获得的相机坐标系下的位姿信息转换到拆垛机器人基础坐标系下，采用常规的eye-to-hand标定方法计算转换矩阵，得到机器人基础坐标系下位姿信息；35)根据末端拾取手与机器人的安装位置，转换至机器人末端轴的运动控制点位姿(x,y,z,O,A,T)，得到机器人拆垛拾取纸箱物料的运动控制点位姿信息。优选的，步骤33)中，拟合面的法向量计算方法如下：假设纸箱面方程为ax+by+cz＝d，将纸箱4个角点坐标代入方程可得到。优选的，步骤35)中，O，A，T作为机器人旋转运动控制参量，其转换方法为：(a)先将面法向量投影至机器人基础坐标X0Y面，记作(b)计算与的夹角θ1；(c)计算投影向量与X轴夹角θ2；(d)计算纸箱在机器人基础坐标X0Y面内倾斜角度θ3；(e)机器人旋转运动时，先绕Z轴旋转(O)＝θ2，再绕Y轴旋转(A)＝θ1，最后绕新Z轴旋转(T)＝θ3。优选的，步骤(4)中，拆垛排序步骤如下：41)建立托盘坐标系XT-OT-YT，以靠近机器人及放置点一侧的托盘顶点为坐标原点，托盘长、短向为XT、YT坐标轴；42)将纸箱角点坐标沿Z轴方向投影，并转换至托盘坐标系，记每个点在托盘坐标系下的坐标为(Xi，Yi)；43)在n个点坐标中，寻找min(Xi)，记录该点为A点，进而找到A点对应的纸箱记作待排序BOX，在待排序BOX的4个角点中寻找取max(Xi)，记作点B，寻找max(Yi)记作点C；然后以X＝max(Xi)＝XB、Y＝max(Yi)＝YC、Y＝YB、X＝XC做四条直线L1、L2、L3、L4，与托盘的XT、YT坐标轴相交，然后判断在这四条直线所组成的区域内有无其他纸箱角点及相应的点数量num；44)按照所组成的区域内有无其他纸箱角点及相应的点数量num进行排序：45)按拆垛顺序排列输出纸箱的信息。优选的，步骤44)中，排序步骤如下：若min(Xi)存在多个点，则本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于随机混放纸箱垛的机器人智能拆垛方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)拆垛工位上方的三维立体相机对待拆纸箱垛进行三维点云信息采集，并通过点云处理，获取待拆纸箱垛外露纸箱面的角点信息；/n(2)控制系统根据纸箱角点信息，计算纸箱货物外露面的长、宽尺寸，根据长宽信息进行纸箱规格匹配，获得纸箱高度信息；/n(3)根据纸箱外露面的角点信息，规划纸箱物料的拾取点，计算出拾取点的空间位姿信息，并转换至机器人末端拾取手的运动控制点位姿信息；/n(4)对纸箱进行拆垛排序；/n(5)根据预先设置的放置规则或放置位置，结合纸箱高度信息，给出机器人放置纸箱运动控制点坐标，完成一个纸箱的拆垛规划。/n

【技术特征摘要】
1.一种适用于随机混放纸箱垛的机器人智能拆垛方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)拆垛工位上方的三维立体相机对待拆纸箱垛进行三维点云信息采集，并通过点云处理，获取待拆纸箱垛外露纸箱面的角点信息；
(2)控制系统根据纸箱角点信息，计算纸箱货物外露面的长、宽尺寸，根据长宽信息进行纸箱规格匹配，获得纸箱高度信息；
(3)根据纸箱外露面的角点信息，规划纸箱物料的拾取点，计算出拾取点的空间位姿信息，并转换至机器人末端拾取手的运动控制点位姿信息；
(4)对纸箱进行拆垛排序；
(5)根据预先设置的放置规则或放置位置，结合纸箱高度信息，给出机器人放置纸箱运动控制点坐标，完成一个纸箱的拆垛规划。


2.根据权利要求1所述的一种适用于随机混放纸箱垛的机器人智能拆垛方法，其特征在于，步骤(2)中，其具体方法为：
通过视觉测量的纸箱4个角点坐标数据，计算纸箱的长L、宽W，然后根据已知所有品类纸箱的已知长度L已知和已知宽度W已知，计算纸箱规格的匹配度：



若匹配度满足SL≦SL0，SW≦SW0，则认为纸箱与该已知规格匹配度高，则该纸箱高度Hbox＝H已知；其中，SL、SW分别为测量纸箱长、宽在规格匹配时与已知规格纸箱长、宽的标准差；Hbox为该测量纸箱的高度；H已知为品类纸箱已知高度；SL0、SW0分别为设置的与品类纸箱长、宽的匹配度阈值。


3.根据权利要求1所述的一种适用于随机混放纸箱垛的机器人智能拆垛方法，其特征在于，步骤(3)中，当纸箱在空间水平放置时，将纸箱的外露上表面的几何中心作为拾取点；当纸箱在空间倾斜放置时，将纸箱外露各面沿Z轴竖直方向投影面积大的面作为拾取面，拾取面的几何中心点坐标作为拆垛时的拾取点位置。


4.根据权利要求1所述的一种适用于随机混放纸箱垛的机器人智能拆垛方法，其特征在于，步骤(3)中，拾取点所需信息包含位置和姿态，计算方法如下：
31)接收视觉测量系统得到的纸箱4个角点数据(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)；
32)拾取点为外露上表面的几何中心点，其位置坐标(x5,y5,z5)如下：









33)通过纸箱面4个角点拟合出纸箱面，然后计算该拟合面的法向量作为拾取点姿态信息；
34)将视觉测量获得的相机坐标系下的位姿信息转换到拆垛机器人基础坐标系下，采用常规的eye-to-hand标定方法计算转换矩阵，得到机器人基础坐标系下位姿信息；
35)根据末端拾取手与机器人的安装位置，转换至机器人末端轴的运动控制点位姿(x,y,z,O,A,T)，得到机器人拆垛拾取纸箱物料的运动控制点位姿信息。


5.根据权利要求4所述的一种适用于随机混放纸箱垛的机器人智能拆垛方法，其特征在于，步骤33)中，拟合面的法向量计算方法如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：张配配，赵军丽，张恒，
申请(专利权)人：西安中科光电精密工程有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61