CN106393053A - 一种搬运机器人及其搬运工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种搬运机器人及其搬运工作方法，包括自走车、循迹组件、承载组件、搬运堆叠组件和控制模块，搬运堆叠组件包括机械手、升降架和堆叠定位件，转盘包括上层板、中层板、旋停定位件和转盘舵机，物料存贮件在上层板处，当上层板停止转动时，旋停定位件把上层板固定于预设位置，使物料存贮件位于机械手夹持位或物料释出阀门上；堆叠定位件包括一个由两张桶片围成的抱桶；当机器人收集物料时，自走车循地面线迹行走，机械手把物料放入物料存贮件中；当机器人到达堆叠点时，物料释出阀门打开使物料落至堆叠点处，堆叠定位件的桶片合起对物料施力以矫正其堆叠姿态；本发明能以较小体积和动力使小型机器人同时运送、定位和堆叠多个物料。

Description

一种搬运机器人及其搬运工作方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是一种搬运机器人及其搬运工作方法。

背景技术

机器人光电搬运竞技是一种使用小型机器人的竞技项目，通过模拟工业自动化过程中自动化物流系统的作业过程来进行比赛并考察参赛机器人的设计水平，机器人在比赛场地内移动， 将不同颜色但相同形状的物料分类搬运到设定的目标区域；比赛记分根据机器人所放置物料的位置精度（占地面）和数量确定分值。比赛排名由完成时间和比赛记分共同确定；在这种规则下，需要一次性运送多个物料，才能提升获胜机率，但由于小型机器人的动力和结构均较小，在搬运多个物料时，很容易产生物料定位误差，如能解决这些难题，对于在实际生产中设计高运载量的小型机器人有所帮助，也是机械运载装置的一个研究方向。

发明内容

本发明提出一种搬运机器人及其搬运工作方法，能以较小体积和动力使小型机器人同时运送、定位和堆叠多个物料，并且能以循迹方式实现多物料点的自动分类储存搬运和放置。

本发明采用以下技术方案。

一种搬运机器人及其搬运工作方法，可循地面轨迹线行走并搬运堆叠物料，包括机器人本体，所述搬运机器人包括自走车、循迹组件、承载组件、搬运堆叠组件和控制模块，所述控制模块与循迹组件、承载组件、搬运堆叠组件相连；所述循迹组件的探测面指向地面。

所述搬运堆叠组件包括机械手、升降架和堆叠定位件，所述机械手与升降架相连，机械手从地面或转盘处拾取或释放物料并在升降架驱动下升降旋停，升降架与转盘和堆叠定位件紧邻；所述承载组件包括转盘和物料存贮件，所述转盘包括上层板、中层板、旋停定位件和转盘舵机，所述物料存贮件在上层板处环绕转盘盘心均匀设置，中层板上设有物料释出阀门，所述转盘舵机驱动上层板转动，当上层板停止转动时，旋停定位件把上层板固定于预设位置，使物料存贮件位于机械手夹持位或物料释出阀门上。

所述堆叠定位件包括一个由两张桶片围成的抱桶；当机器人收集物料时，自走车循地面线迹行走，机械手把地面物料拾起，并在升降架的驱动下把物料放入转盘上的物料存贮件中；当机器人循地面线迹到达物料堆叠点时，转盘把盛有物料的物料存贮件移至物料释出阀门处，物料释出阀门打开使物料存贮件内物料经物料释出阀门落至堆叠点处，堆叠定位件的桶片合起形成环箍堆叠点的抱桶，所述抱桶对堆叠状态的物料施力以矫正物料堆叠姿态。

所述抱桶桶片的开合动作由上抱桶舵机和下抱桶舵机驱动，所述上抱桶舵机对抱桶桶片的上部施力，下抱桶舵机对抱桶桶片的下部施力。

所述物料存贮件为柱形管，所述柱形管垂直于转盘上层板。

所述循迹组件包括位于自走车底部端面的前左部位的前左循迹模块、前中部位的前中循迹模块、前右部位的前右循迹模块、后左部位的后左循迹模块、后中部位的后中循迹模块、后右部位的后右循迹模块、转弯循迹模块和定点循迹模块。

所述搬运机器人的循迹方法分为前循迹方法、后循迹方法、转弯循迹方法和定点循迹方法，通过检查地面的轨迹线来使自走车循地面轨迹线行走。

所述前循迹方法为当自走车往前开时；如果前中循迹模块寻到轨迹线，前左循迹模块和前右循迹模块没有寻到轨迹线时，则自走车继续前进；当前左循迹模块寻到轨迹线，前右循迹模块没有寻到轨迹线时，车身右偏，自走车向左修正前进；当前右循迹模块寻到轨迹线，前左循迹模块没有寻到轨迹线时，车身左偏，自走车向右修正前进；

所述后循迹方法为当自走车后退时；当后中循迹寻到轨迹线，后左循迹和后右循迹没有寻到轨迹线时，自走车继续后退；当后左循迹寻到轨迹线，后右循迹没有寻到轨迹线时，车身右偏，自走车向左修正后退；当后右循迹寻到轨迹线，后左循迹没有寻到轨迹线时，车身左偏，自走车向右修正后退。

所述转盘的旋停定位件包括磁性件、霍尔传感器和校准装置，所述磁性件设于物料存贮件处，所述霍尔传感器设于自走车上与转盘紧邻，所述校准装置包括设于上层板下端面的定位栓和设于自走车上的剪形夹，所述剪形夹由定位舵机驱动，当上层板的定位栓到达剪形夹的夹持范围且控制模块启动停转定位作业时，剪形夹合起夹持固定定位栓使上层板承载的物料存贮件定位于工作位处。

所述万向球设于相邻的两个物料存贮件之间且与这两个物料存贮件的距离相等，所述定位栓与万向球成对设置，定位栓位于万向球的外侧。

所述转盘的旋停定位件的停转定位作业的工作方法为；当转盘带动物料存贮件上的磁性件移转至与自走车的霍尔传感器相对时，霍尔传感器被触发，控制模块使转盘舵机停机，转盘在其转动惯量作用下继续旋转至定位栓到达剪形夹的夹持范围，定位舵机驱动剪形夹合起以夹持定位栓，使上层板承载的物料存贮件定位于工作位处。

当机器人循地面线迹到达物料堆叠点且转盘把盛有物料的物料存贮件移至物料释出阀门处时，剪形夹合起夹持固定定位栓；当物料释出阀门打开使物料存贮件内物料经物料释出阀门落至堆叠点处时，剪形夹释放定位栓，上层板以小角度左右往复摆动两次以确保物料从物料释出阀门落下，然后剪形夹再次合起夹持固定定位栓。

本发明中，所述转盘的旋停定位件包括磁性件、霍尔传感器和校准装置，所述磁性件设于物料存贮件处，所述霍尔传感器设于自走车上与转盘紧邻，所述校准装置包括设于上层板下端面的定位栓和设于自走车上的剪形夹，所述剪形夹由定位舵机驱动，当上层板的定位栓停于剪形夹的夹持范围时，剪形夹合起夹持固定定位栓使上层板承载的物料存贮件定位于工作位处；当转盘带动物料存贮件上的磁性件移转至与自走车的霍尔传感器相对时，霍尔传感器被触发，控制模块使转盘舵机停机，转盘在其转动惯量作用下继续旋转至定位栓到达剪形夹的夹持范围，定位舵机驱动剪形夹合起以夹持定位栓，使上层板承载的物料存贮件定位于工作位处；由于剪形夹设于自走车上，因此不受转盘惯量的影响，而且定位时采用合剪动作，使得剪形夹能主动捕获定位栓来对转盘定位，提升了定位效率，也简化了定位动作，有助于在小型机器人上实现性能良好的定位功能。

本发明中，所述抱桶桶片的开合动作由上抱桶舵机和下抱桶舵机驱动，所述上抱桶舵机对抱桶桶片的上部施力，下抱桶舵机对抱桶桶片的下部施力；该设计使得桶片上部下部的移动能同步，而且有助于提升抱桶对堆叠物料的环箍力，提升抱桶对堆叠物料的矫形能力。

本发明中，所述中层板上设有以转盘盘心为圆心的圆形万向球轨道，上层板底面周沿均匀间隔设置若干万向球，所述万向球在中层板的万向球轨道中运行并对上层板进行支撑；该设计解决了上层板因在装载多个物料时容易因重量不均而倾斜的问题，而且能对转盘舵机的载荷进行分担，提升了机器人在运载物料的稳定性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

附图1是本发明的示意图；

附图2是本发明转盘的上层板的俯视向示意图；

附图3是本发明转盘的中层板的俯视向示意图；

附图4是本发明抱桶的俯视向示意图；

附图5是本发明抱桶与中层板的局部仰视示意图；

图中：1-自走车；2-转盘；3-物料存贮件；4-升降架；5-抱桶；6-机械手；7-循迹组件；8-物料释出阀门；9-万向球；10-定位栓；11-万向球轨道；12-剪形夹；13-桶片。

具体实施方式

如图1、2、3、4、5所示，一种搬运机器人及其搬运工作方法，可循地面轨迹线行走并搬运堆叠物料，包括机器人本体，所述搬运机器人包括自走车1、循迹组件7、承载组件、搬运堆叠组件和控制模块，所述控制模块与循迹组件、承载组件、搬运堆叠组件相连；所述循迹组件7的探测面指向地面。

所述搬运堆叠组件包括机械手6、升降架4和堆叠定位件，所述机械手6与升降架4相连，机械手6从地面或转盘2处拾取或释放物料并在升降架4驱动下升降旋停，升降架4与转盘2和堆叠定位件紧邻；所述承载组件包括转盘2和物料存贮件3，所述转盘2包括上层板、中层板、旋停定位件和转盘舵机，所述物料存贮件3在上层板处环绕转盘2盘心均匀设置，中层板上设有物料释出阀门8，所述转盘舵机驱动上层板转动，当上层板停止转动时，旋停定位件把上层板固定于预设位置，使物料存贮件3位于机械手夹持位或物料释出阀门上。

所述堆叠定位件包括一个由两张桶片13围成的抱桶5；当机器人收集物料时，自走车1循地面线迹行走，机械手6把地面物料拾起，并在升降架4的驱动下把物料放入转盘2上的物料存贮件3中；当机器人循地面线迹到达物料堆叠点时，转盘把盛有物料的物料存贮件3移至物料释出阀门8处，物料释出阀门8打开使物料存贮件3内物料经物料释出阀门8落至堆叠点处，堆叠定位件的桶片13合起形成环箍堆叠点的抱桶5，所述抱桶5对堆叠状态的物料施力以矫正物料堆叠姿态。

所述抱桶桶片13的开合动作由上抱桶舵机和下抱桶舵机驱动，所述上抱桶舵机对抱桶桶片13的上部施力，下抱桶舵机对抱桶桶片13的下部施力。

所述物料存贮件为柱形管，所述柱形管垂直于转盘上层板。

所述循迹组件7包括位于自走车底部端面的前左部位的前左循迹模块、前中部位的前中循迹模块、前右部位的前右循迹模块、后左部位的后左循迹模块、后中部位的后中循迹模块、后右部位的后右循迹模块、转弯循迹模块和定点循迹模块。

所述搬运机器人的循迹方法分为前循迹方法、后循迹方法、转弯循迹方法和定点循迹方法，通过检查地面的轨迹线来使自走车循地面轨迹线行走。

所述前循迹方法为当自走车往前开时；如果前中循迹模块寻到轨迹线，前左循迹模块和前右循迹模块没有寻到轨迹线时，则自走车继续前进；当前左循迹模块寻到轨迹线，前右循迹模块没有寻到轨迹线时，车身右偏，自走车向左修正前进；当前右循迹模块寻到轨迹线，前左循迹模块没有寻到轨迹线时，车身左偏，自走车向右修正前进；

所述后循迹方法为当自走车后退时；当后中循迹寻到轨迹线，后左循迹和后右循迹没有寻到轨迹线时，自走车继续后退；当后左循迹寻到轨迹线，后右循迹没有寻到轨迹线时，车身右偏，自走车向左修正后退；当后右循迹寻到轨迹线，后左循迹没有寻到轨迹线时，车身左偏，自走车向右修正后退。

所述转盘2的旋停定位件包括磁性件、霍尔传感器和校准装置，所述磁性件设于物料存贮件3处，所述霍尔传感器设于自走车1上与转盘2紧邻，所述校准装置包括设于上层板下端面的定位栓10和设于自走车1上的剪形夹12，所述剪形夹12由定位舵机驱动，当上层板的定位栓10到达剪形夹12的夹持范围且控制模块启动停转定位作业时，剪形夹12合起夹持固定定位栓10使上层板承载的物料存贮件定位于工作位处。

所述万向球9设于相邻的两个物料存贮件3之间且与这两个物料存贮件3的距离相等，所述定位栓10与万向球9成对设置，定位栓10位于万向球9的外侧。

所述转盘的旋停定位件的停转定位作业的工作方法为；当转盘2带动物料存贮件3上的磁性件移转至与自走车1的霍尔传感器相对时，霍尔传感器被触发，控制模块使转盘舵机停机，转盘2在其转动惯量作用下继续旋转至定位栓到达剪形夹的夹持范围，定位舵机驱动剪形夹12合起以夹持定位栓10，使上层板承载的物料存贮件定位于工作位处。

当机器人循地面线迹到达物料堆叠点且转盘把盛有物料的物料存贮件移至物料释出阀门处时，剪形夹合起夹持固定定位栓；当物料释出阀门打开使物料存贮件内物料经物料释出阀门落至堆叠点处时，剪形夹释放定位栓，上层板以小角度左右往复摆动两次以确保物料从物料释出阀门落下，然后剪形夹再次合起夹持固定定位栓。

实施例1：

本例采用如图1所示的小型搬运机器人，机器人尺寸不大于（长） 270毫米×（宽） 160毫米，轮子直径≤100毫米。

搬运机器人的自走车底盘两侧设有两个驱动轮，两个驱动轮分别由两个行走步进电机驱动，行走步进电机由控制模块控制，自走车底盘前部和后部设置两个万向牛眼轮用于支撑自走车底盘前部和后部，当控制模块使两个驱动轮的转速、转向变化时，自走车进行转向。

自走车前部设有机械手6，机械手6包括夹松舵机和两个夹臂，两个夹臂由夹松舵机驱动，夹松舵机使夹臂产生抓取动作以抓取物料，还使夹臂产生松开动作以释放物料；机械手由升降架驱动而升降，升降架处设有升降舵机来提升或放下机械手，升降舵机为360°舵机，在升降架上部和下部设有升降限位开关来检测机械手位置，当机械手升降至触发升降限位开关时，升降舵机停转使机械手停止升降运动，此360°舵机与升降限位开关形成升降闭环控制，在考虑升降惯量的情况下，升降定位误差不超过±5mm。

当自走车运动时，升降舵机驱动机械手升至升降架上部限位开关后停止，以防止自走车运动时机械手与不相关物品产生碰撞，当自走车行至物料拾取点时，自走车根据地面轨迹线调整车位使物料位于机械手抓取范围内（例如当物料半径为20MM，物料中轴位于轨迹线交叉点处时，自走车调整车位使机械手定位于不超出轨迹线交叉点20MM范围内）；升降舵机驱动机械手降至升降架下部限位开关，夹松舵机使夹臂产生抓取动作以抓取物料。

本例中，机器人以内置可充电电池的为双电池供电系统为各电机的动力源，电池采用次世代14.8V 3300mah20C瞬间倍率40C的航模电池，可保证机器人稳定工作100分钟左右，因自走车前部有升降架，所以可充电电池设于自走车后部以平衡车体；为提升机器人的续航能力，在机器人的仪表显示上采用低功耗的OLED屏幕，OLED屏大小为0.96寸，其驱动芯片为SSD1306。

本例中，机器人的各循迹模块内置SEN1595-6寻线传感器，此传感器灵敏度高，抗干扰能力强，普通照明灯基本对其无影响；机器人自走车底部装有高亮白色聚光LED对地面轨迹线进行照明，自走车底盘能部分遮挡外部光线以提升循迹模块的抗杂散光干扰能力，寻线传感器的接收管离地距离优选为10-20mm，此寻线传感器接收管对不同反射光的强弱对比处理，只要对白光反射强弱不同即可分辩，差值越大，分辨能力越好，其抗干扰能力强于普通红外传感器，可识别机器人自走车寻线比赛中常见的绿白色，黑白色，效果很好。对其它颜色灰度值相差在一定值上的也可以识别，本机器人循迹组件的长距循迹效果达到1000MM内循迹误差不超过循迹灯间距的13MM。

实施例2：

搬运机器人的抱桶由两个桶片组成，其中一个桶片固定，另一个桶片可水平移动，当机器人上电后，抱桶打开，剪形夹12合起夹持固定定位栓10，使上层板固定不会因机器人行走而晃动。

搬运机器人循地面轨迹线行走，当到达轨迹线标识的物料收集位后，机械手夹拾物料，升降架4驱动机械手，把机械手上的物料放入物料存贮件（柱形管）内，当第一个物料放到转盘后，剪形夹打开，转盘舵机以第一个为基准，旋转转盘直至下个物料存贮件到达剪形夹处，触发停转定位作业，剪形夹夹住定位栓使转盘固定，等待下一次放置物料。

本例中的物料释出阀门8由阀门舵机控制其开合，当机器人需放置物料至外部时，阀门舵机打开物料释出阀门8使物料可以向下释出，当机器人的自走车正常行驶与拾取物料时，阀门舵机关闭物料释出阀门8使物料能可靠安置于物料存贮件3内。

当搬运机器人到达到达轨迹线标识的物料堆叠位（轨迹线交叉点）后，转盘把盛有物料的物料存贮件3移至物料释出阀门8处，物料释出阀门8打开，使物料存贮件3内物料经物料释出阀门8落至堆叠点处，其落下过程中受到物料释出阀门8和固定桶片的限位使物料在物料堆叠位落点精确（如此才能实现多层物料堆叠，不论释出物料的数量是两个或三个，物料落地后其物料中轴线位置均能精确地定位于轨迹线交叉点处），转盘重复该步骤以实现物料堆叠，直至堆叠点堆叠层数达到三层，堆叠定位件的桶片13合起形成环箍堆叠点的抱桶5，所述抱桶5对堆叠状态的物料施力以矫正物料堆叠姿态。

Claims (10)

1.一种搬运机器人及其搬运工作方法，可循地面轨迹线行走并搬运堆叠物料，包括机器人本体，其特征在于：所述搬运机器人包括自走车、循迹组件、承载组件、搬运堆叠组件和控制模块，所述控制模块与循迹组件、承载组件、搬运堆叠组件相连；所述循迹组件的探测面指向地面；

所述搬运堆叠组件包括机械手、升降架和堆叠定位件，所述机械手与升降架相连，机械手从地面或转盘处拾取或释放物料并在升降架驱动下升降旋停，升降架与转盘和堆叠定位件紧邻；所述承载组件包括转盘和物料存贮件，所述转盘包括上层板、中层板、旋停定位件和转盘舵机，所述物料存贮件在上层板处环绕转盘盘心均匀设置，中层板上设有物料释出阀门，所述转盘舵机驱动上层板转动，当上层板停止转动时，旋停定位件把上层板固定于预设位置，使物料存贮件位于机械手夹持位或物料释出阀门上；

所述堆叠定位件包括一个由两张桶片围成的抱桶；当机器人收集物料时，自走车循地面线迹行走，机械手把地面物料拾起，并在升降架的驱动下把物料放入转盘上的物料存贮件中；当机器人循地面线迹到达物料堆叠点时，转盘把盛有物料的物料存贮件移至物料释出阀门处，物料释出阀门打开使物料存贮件内物料经物料释出阀门落至堆叠点处，堆叠定位件的桶片合起形成环箍堆叠点的抱桶，所述抱桶对堆叠状态的物料施力以矫正物料堆叠姿态。

2.根据权利要求1所述的一种搬运机器人及其搬运工作方法，其特征在于：所述抱桶桶片的开合动作由上抱桶舵机和下抱桶舵机驱动，所述上抱桶舵机对抱桶桶片的上部施力，下抱桶舵机对抱桶桶片的下部施力。

3.根据权利要求1所述的一种搬运机器人及其搬运工作方法，其特征在于：所述物料存贮件为柱形管，所述柱形管垂直于转盘上层板。

4.根据权利要求1所述的一种搬运机器人及其搬运工作方法，其特征在于：所述循迹组件包括位于自走车底部端面的前左部位的前左循迹模块、前中部位的前中循迹模块、前右部位的前右循迹模块、后左部位的后左循迹模块、后中部位的后中循迹模块、后右部位的后右循迹模块、转弯循迹模块和定点循迹模块。

5.根据权利要求4所述的一种搬运机器人及其搬运工作方法，其特征在于：所述搬运机器人的循迹方法分为前循迹方法、后循迹方法、转弯循迹方法和定点循迹方法，通过检查地面的轨迹线来使自走车循地面轨迹线行走；

所述前循迹方法为当自走车往前开时；如果前中循迹模块寻到轨迹线，前左循迹模块和前右循迹模块没有寻到轨迹线时，则自走车继续前进；当前左循迹模块寻到轨迹线，前右循迹模块没有寻到轨迹线时，车身右偏，自走车向左修正前进；当前右循迹模块寻到轨迹线，前左循迹模块没有寻到轨迹线时，车身左偏，自走车向右修正前进；

所述后循迹方法为当自走车后退时；当后中循迹寻到轨迹线，后左循迹和后右循迹没有寻到轨迹线时，自走车继续后退；当后左循迹寻到轨迹线，后右循迹没有寻到轨迹线时，车身右偏，自走车向左修正后退；当后右循迹寻到轨迹线，后左循迹没有寻到轨迹线时，车身左偏，自走车向右修正后退。

6.根据权利要求1所述的一种搬运机器人及其搬运工作方法，其特征在于：所述中层板上设有以转盘盘心为圆心的圆形万向球轨道，上层板底面周沿均匀间隔设置若干万向球，所述万向球在中层板的万向球轨道中运行并对上层板进行支撑。

7.根据权利要求6所述的一种搬运机器人及其搬运工作方法，其特征在于：所述转盘的旋停定位件包括磁性件、霍尔传感器和校准装置，所述磁性件设于物料存贮件处，所述霍尔传感器设于自走车上与转盘紧邻，所述校准装置包括设于上层板下端面的定位栓和设于自走车上的剪形夹，所述剪形夹由定位舵机驱动，当上层板的定位栓到达剪形夹的夹持范围且控制模块启动停转定位作业时，剪形夹合起夹持固定定位栓使上层板承载的物料存贮件定位于工作位处。

8.根据权利要求7所述的一种搬运机器人及其搬运工作方法，其特征在于：所述万向球设于相邻的两个物料存贮件之间且与这两个物料存贮件的距离相等，所述定位栓与万向球成对设置，定位栓位于万向球的外侧。

9.根据权利要求8所述的一种搬运机器人及其搬运工作方法，其特征在于：所述转盘的旋停定位件的停转定位作业的工作方法为；当转盘带动物料存贮件上的磁性件移转至与自走车的霍尔传感器相对时，霍尔传感器被触发，控制模块使转盘舵机停机，转盘在其转动惯量作用下继续旋转至定位栓到达剪形夹的夹持范围，定位舵机驱动剪形夹合起以夹持定位栓，使上层板承载的物料存贮件定位于工作位处。

10.根据权利要求7所述的一种搬运机器人及其搬运工作方法，其特征在于：当机器人循地面线迹到达物料堆叠点且转盘把盛有物料的物料存贮件移至物料释出阀门处时，剪形夹合起夹持固定定位栓；当物料释出阀门打开使物料存贮件内物料经物料释出阀门落至堆叠点处时，剪形夹释放定位栓，上层板以小角度左右往复摆动两次以确保物料从物料释出阀门落下，然后剪形夹再次合起夹持固定定位栓。