CN106904442B - 基于视觉的全自动上料机器人系统及其上料和输运方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了提供一种基于视觉的全自动上料机器人系统，包括物料总站子系统、灌装料仓、上料机器人子系统和灌装设备；上料机器人子系统上设置的运动空间障碍物探测及灌装设备定位系统包括非接触的视觉距离传感器，通过视觉距离传感在三维空间巡查所有灌装设备的料仓。该系统通过觉传感器探测物料，形成了全自动的物料上料、输运和平整，提高了自动化的程度和保证了物料的卫生。

Description

基于视觉的全自动上料机器人系统及其上料和输运方法

技术领域

本发明属于一种工业在线视觉检测系统，具体涉及一种基于视觉的全自动上料机器人系统以及上料和输运方法。

背景技术

工业固体灌装设备是负责自动完成对固体产品进行容器化包装的一类设备。此类设备的生产原材料可以被分成灌装物和容器两种。所有的原材料在灌装之前都是被分别预置于各自的料仓中。由于工业上的固体灌装设备大多是定制化的设备，大多数都是独立运行的设备。往往需要人工来实现原料料仓的预置和补料。为了提升自动化的程度，出现了两类上料方案。一种是自动化的上料流水线，这类方法比较占地并且很难做到同时适应多类品种。另一方案是采用半自动上料机器人，此类方法解决了流水线的弊端，但还是需要人工辅助控制同时还是存在人体接触产品的安全卫生问题。

发明内容

本发明的目的在于避免上述不足之处，提供一种基于视觉的全自动上料机器人系统，该系统包括：物料总站子系统、灌装料仓、上料机器人子系统和灌装设备；所述灌装料仓从所述物料总站子系统获取物料，将物料送至所述灌装设备，由所述上料机器人子系统控制所述灌装料仓的行程、避开障碍物和取放物料；所述上料机器人子系统包括上料机器人、三维输运平台、运动空间障碍物探测及灌装设备定位系统、料堆三维外形扫描成像系统和基于机械臂的堆料平整系统；上料机器人控制和支撑所述三维输运平台、所述运动空间障碍物探测及灌装设备定位系统、所述料堆三维外形扫描成像系统和所述堆料平整系统；所述运动空间障碍物探测及灌装设备定位系统包括安装在所述上料机器人周边的非接触的视觉距离传感器，通过所述视觉距离传感在三维空间巡查所有所述灌装设备的料仓，探测所述灌装设备的所述料仓缺料就自动上料。

进一步的，视觉距离传感器采用时间飞行相机、基于结构光的三维相机或毫米波雷达。

进一步的，动空间障碍物探测及灌装设备定位系统系统通过所述视觉距离传感器探测周边物体的外形特征和距离，结合所述上料机器人自身的三维尺寸计算出运行线路上障碍物的危险级别。

进一步的，所述运动空间障碍物探测及灌装设备定位系统系统通过所述视觉距离传感器获取所述灌装料仓的运行轨迹和所述障碍物的特征，并不断探测计算获得所述灌装设备的料仓的坐标。由所述上料机器人根据所述灌装设备的料仓的坐标、所述灌装料仓的运行轨迹和所述障碍物的特征，进行所述灌装料仓的路径规划。

进一步的，料堆三维外形扫描成像系统获取所述灌装设备的料仓内物料是否符合预设扫描阈值。

进一步的，本发明提供一种基于视觉的全自动上料机器人系统的上料和输运方法，该方法步骤包括：上料机器人刚启动时，所述灌装料仓为空，需要在第一位置处进所述物料总站上料；由所述运动空间障碍物探测及灌装设备定位系统探测所述灌装设备的料仓，直至探测到需要上料的所述灌装设备的料仓；进行上料；由所述料堆三维外形扫描成像系统扫描上料后的所述灌装设备的所述料仓，由基于机械臂的堆料平整系统对所述灌装设备的所述料仓进行平整处理。

进一步的，在第一位置之后，经过第二位置的过程中沿路经不断通过所述运动空间障碍物探测及灌装设备定位系统寻找灌装设备，在第三位置处发现第一灌装设备并定位其料仓；定位之后，所述料堆三维外形扫描成像系统对所述第一灌装设备的所述料仓进行物料扫描分析，一旦发现物料充足便离开继续搜寻下一灌装设备；经过第四位置后，在第五位置处发现第二灌装设备并定位其料仓；之后，对第二灌装设备的所述料仓进行物料扫描分析，发现物料不充足便通过所述上料机器人对所述第二灌装设备进行上料；上料完成后，再次对所述第二灌装设备的所述料仓进行物料扫描，获得扫描值，分析得出物料堆放形态是否符合预设的扫描阈值；当所述扫描值超过预定阈值时，采用所述基于机械臂的堆料平整系统对所述第二灌装设备的所述料仓的物料进行平整处理，如此重复直到最终所述扫描值满足要求；之后再完成第六位置和第七位置处的第三灌装设备的寻找、上料和平整工序；到第八位置时判断所述灌装料仓是否需要添料，如需要则返回所述物料总站添料否则继续寻找灌装设备。

进一步的，在物料输运过程中，所述运动空间障碍物探测及灌装设备定位系统发现障碍物时，进行停车处理，停止所述灌装料仓，然后再重新开启物料输运。

进一步的，基于机械臂的堆料平整系统对所述灌装设备的所述料仓进行平整处理的步骤为：上料结束后，采用所述料堆三维外形扫描成像系统对所述灌装设备的所述料仓进行三维扫描，获得扫描值；当所述扫描值超过预定阈值时，采用所述机械臂进行物料平整；再次进行三维扫描分析该料仓的物料的扫描值，重复上述步骤直至扫描值合格，则结束。

上述系统和方法通过设置视觉传感器提高了工业生产线自动化的程度，提高了生产效率，保证了物料的卫生。

附图说明

图1是本发明的基于视觉的全自动上料机器人系统图。

图2是本发明的输运及上料流程图。

图3是本发明的输运中的避障流程图。

图4是本发明的堆料平整流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例：如图1所示，一种基于视觉的全自动上料机器人系统，该系统包括物料总站子系统、灌装料仓(如小车)、上料机器人子系统和灌装设备。所述灌装料仓从物料总站子系统领取物料，将物料送至所述灌装设备，由所述上料机器人子系统控制所述灌装料仓的行程、避开障碍物和取放物料。

其中，上料机器人子系统包括上料机器人、三维输运平台、运动空间障碍物探测及灌装设备定位系统、料堆三维外形扫描成像系统和基于机械臂的堆料平整系统组成；上料机器人控制和支撑所述三维输运平台、所述运动空间障碍物探测及灌装设备定位系统、所述料堆三维外形扫描成像系统和所述堆料平整系统。

所述物料总站子系统一方面的功能是负责接接纳、分类管理和暂存各类原料总成。另一方面，配合相应所述上料机器人的取料请求，然后通过真空、机器人或专用提升加料装置等装置对应的所述灌装料仓向灌装设备的料仓供料。

所述上料机器人子系统在生产过程中负责提取并背负所需的物料，通过在三维空间自由巡视所关联的所有灌装设备的料仓，一旦发现生产缺料现象就会自动上料。

其中，所述三维输运平台负责整个所述上料机器人的空间三维位置移动，以实现物料运输，并配合完成料位巡视、上料和物料整理等其他工作。具体的方式可以采用地面运动的轮式地盘和液压提升装置，或者采用天花板运动吊轨配合滑轮提升系统等方式来实现。

所述灌装料仓负责在物料总站子系统和灌装设备料仓之间的物料运送功能，自身配有料位检测传感器(三维或多点一维传感器等)。

所述运动空间障碍物探测及灌装设备定位系统由安装在所述上料机器人周边和上下方的非接触的视觉距离传感器组成。所述传感器可以采用TOF(Time Of Flight)相机、基于结构光的三维相机或毫米波雷达等。所述运动空间障碍物探测及灌装设备定位系统系统不断探测周边物体的外形特征和距离，结合所述上料机器人自身的三维尺寸计算出运行线路上障碍物的危险级别。同时，结合所述灌装料仓(如小车)的运行轨迹和探测到的障碍物的特征，并可以不断计算出定位灌装设备料仓的精确坐标。这些信息不断提供给上料机器人的控制系统，辅助其完成路线规划和灌装设备的料仓巡视任务的制定。

所述料堆三维外形扫描成像系统负责在所述上料机器人运行到上料工位后对所述灌装设备的料仓的剩余物料进行三维扫描和评估。此功能需要在上料之前做出上料需求判别和在上料之后判别是否上料充分，以及物料堆放情况是否需要进行整理。也可采用在前使用的相机。

所述上料机器人负责将所述灌装料仓中的物料转移到灌装设备的料仓中。

所述基于机械臂的堆料平整系统将物料重新优化整理或排布，以保证灌装工作的良品率。

具体的：输运及上料流程描述如图2所示，车间有上料机器人子系统、灌装料仓、三台灌装设备和一台物料总站。上料机器人刚起动时，灌装料仓(如小车) 为空，需要在[1]位置处进所述物料总站上料。随后经过[2]位置的过程中沿路经不断通过运动空间障碍物探测及灌装设备定位系统寻找灌装设备，最终会在[3] 位置处发现灌装设备1并定位其料仓。定位之后料堆三维外形扫描成像系统对灌装设备1的料仓进行物料扫描分析，一旦发现物料充足便离开继续搜寻下一灌装设备。经过[4]位置后，在[5]位置处发现灌装设备2并定位其料仓。之后，对其灌装设备2的料仓进行物料扫描分析，发现物料不充足便通过上料机器人对灌装设备2进行上料。上料完成后，再次对灌装设备2的料仓进行物料扫描，获得扫描值，判断扫描值是否在预定扫描阈值内，随后基于机械臂的堆料平整系统对灌装设备2的料仓的物料进行从新整理，如此重复直到最终扫描值满足要求。之后再完成[6][7]处的灌装设备3的寻找、上料和平整工作。到[8]位置时判断上料机器人的灌装料仓是否需要添料，如需要则返回物料总站添料否则返回[2]。

物料输运中的避障流程描述如图3，车间布置如上所述。

同输运及上料流程类似，但在输运过程中，所述运动空间障碍物探测及灌装设备定位系统一旦发现障碍物，就会及时刹车，停止所述灌装料仓，等待障碍物问题解决或操作人员确认后下达新的输运方案后，上料机器人会重新工作。

堆料平整流程描述如图4，步骤如下：

第一步：三维扫描分析并灌装料仓的物料量；

第二步：一旦发现物料量不够就立刻计算实际所需量，随后上料；

第三步：上料结束后，三位扫描分析灌装料仓的物料是否符合预设扫描阈值；

第四步：采用机械臂进行物料平整；

第五步：再次三维扫描分析灌装料仓的物料是否符合预设扫描阈值，如不合格跳至第四步，否则结束。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于视觉的全自动上料机器人系统，其特征在于：该系统包括：物料总站子系统、灌装料仓、上料机器人子系统和灌装设备；所述灌装料仓从所述物料总站子系统获取物料，将物料送至所述灌装设备，由所述上料机器人子系统控制所述灌装料仓的行程、避开障碍物和取放物料；所述上料机器人子系统包括上料机器人、三维输运平台、运动空间障碍物探测及灌装设备定位系统、料堆三维外形扫描成像系统和基于机械臂的堆料平整系统；上料机器人控制和支撑所述三维输运平台、所述运动空间障碍物探测及灌装设备定位系统、所述料堆三维外形扫描成像系统和所述堆料平整系统；所述运动空间障碍物探测及灌装设备定位系统包括安装在所述上料机器人周边的非接触的视觉距离传感器，通过所述视觉距离传感器在三维空间巡查所有所述灌装设备的料仓，探测所述灌装设备的所述料仓缺料就自动上料。

2.根据权利要求1所述的全自动上料机器人系统，其特征在于：所述视觉距离传感器采用时间飞行相机、基于结构光的三维相机或毫米波雷达。

3.根据权利要求1或2所述的全自动上料机器人系统，其特征在于：所述运动空间障碍物探测及灌装设备定位系统通过所述视觉距离传感器探测周边物体的外形特征和距离，结合所述上料机器人自身的三维尺寸计算出运行线路上障碍物的危险级别。

4.根据权利要求3所述的全自动上料机器人系统，其特征在于：所述运动空间障碍物探测及灌装设备定位系统通过所述视觉距离传感器获取所述灌装料仓的运行轨迹和所述障碍物的特征，并不断探测计算获得所述灌装设备的料仓的坐标。

5.根据权利要求4所述的全自动上料机器人系统，其特征在于：由所述上料机器人根据所述灌装设备的料仓的坐标、所述灌装料仓的运行轨迹和所述障碍物的特征，进行所述灌装料仓的路径规划。

6.根据权利要求1所述的全自动上料机器人系统，其特征在于：所述料堆三维外形扫描成像系统获取所述灌装设备的料仓内物料的扫描值。

7.一种如权利要求1所述的全自动上料机器人系统的上料和输运方法，其特征在于：

所述上料机器人刚启动时，所述灌装料仓为空，需要在第一位置处进所述物料总站上料；

由所述运动空间障碍物探测及灌装设备定位系统探测所述灌装设备的料仓，直至探测到需要上料的所述灌装设备的料仓；

进行上料；

由所述料堆三维外形扫描成像系统扫描上料后的所述灌装设备的所述料仓，

由基于机械臂的堆料平整系统对所述灌装设备的所述料仓进行平整处理。

8.一种如权利要求7所述的上料和输运方法：其特征在于：

在第一位置之后，经过第二位置的过程中沿路经不断通过所述运动空间障碍物探测及灌装设备定位系统寻找灌装设备，在第三位置处发现第一灌装设备并定位其料仓；

定位之后，所述料堆三维外形扫描成像系统对所述第一灌装设备的所述料仓进行物料扫描分析，一旦发现物料充足便离开继续搜寻下一灌装设备；

经过第四位置后，在第五位置处发现第二灌装设备并定位其料仓；

之后，对第二灌装设备的所述料仓进行物料扫描分析，发现物料不充足便通过所述上料机器人对所述第二灌装设备进行上料；

上料完成后，再次对所述第二灌装设备的所述料仓进行物料扫描分析，分析得出物料堆放的扫描值；

当所述扫描值超过预定扫描阈值时，采用所述基于机械臂的堆料平整系统对所述第二灌装设备的所述料仓的物料进行平整处理，如此重复直到最终所述扫描值满足要求；

之后再完成第六位置和第七位置处的第三灌装设备的寻找、上料和平整工序；到第八位置时判断所述灌装料仓是否需要添料，如需要则返回所述物料总站添料否则继续寻找灌装设备。

9.一种如权利要求7所述的上料和输运方法：其特征在于：

在物料输运过程中，所述运动空间障碍物探测及灌装设备定位系统发现障碍物时，停止所述灌装料仓，等待障碍物处理完成后，再重新开启物料输运。

10.一种如权利要求7所述的上料和输运方法：其特征在于：

基于机械臂的堆料平整系统对所述灌装设备的所述料仓进行平整处理的步骤为：

上料结束后，采用所述料堆三维外形扫描成像系统对所述灌装设备的所述料仓进行三维扫描，获得该料仓的物料的扫描值；

当所述扫描值超过预定扫描阈值时，采用所述机械臂进行物料平整；

再次进行三维扫描分析该料仓的物料的扫描值，重复上述步骤直至扫描值合格，则结束。