CN106965180A - 流水线上瓶子的机械臂抓取装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流水线上瓶子的机械臂抓取装置与方法，属于机械臂技术与自动化控制领域。所述流水线上瓶子的机械臂抓取装置括流水线运动单元、视觉与码盘定位单元和机械臂单元。所述流水线上瓶子的机械臂抓取方法包括由视觉与码盘定位单元获取目标定位数据；抓取瓶子。本发明所述流水线上瓶子的机械臂抓取装置与方法针对往复运动的变速流水线，能够实时检测出流水线的运动状态，完成瓶子在传送带上的位姿识别与抓取时间点的确定，并通过悬挂式机械臂完成瓶子的抓取操作，适应了流水线工作状态的改变，避免了由于机械臂操作而引起的流水线瓶子定位失效的情况，减少空间占用率，提高了工作效率。

Description

流水线上瓶子的机械臂抓取装置与方法

技术领域

本发明涉及一种机械臂抓取装置与方法，具体涉及一种流水线上瓶子的机械臂抓取装置与方法，属于机械臂技术与自动化控制领域。

背景技术

对瓶子的抓取是工业化生产下基于瓶子包装以及回收利用的主要工作内容。

传统的分拣过程中需要人力完成物品的抓取、搬运，生产效率低下、劳动强度高、工作环境恶劣，具有一定危险性。因此，工件的抓取是工业生产流水线上工业机器人的一项重要技术，而机械手是大量自动化控制的机械装置，是现代工业生产活动中的重要设备，在工业化流水线工作的过程中使用机械臂对各种工件进行操作将在极大程度上减轻劳动负担，提高工作效率。在机械臂抓取各类瓶子的过程中，瓶子抓取点确定与抓取方式是决定抓取结果的两个重要影响因素。传统的流水线上瓶子或者其他物体的检测是通过视觉或者光电传感器进行定位，而机械臂通常放置在机座的上端，机座于流水线两侧布置完成抓取工作。然而此种方法容易产生机械臂遮挡定位检测系统从而导致抓取实效的现象，瓶子状态的检测同时还要受到流水线传送带速度与方向的影响，没有较强的鲁棒性。

专利CN201610362689.1中提出了一种针对生活垃圾中的玻璃瓶分拣控制系统，但该方法采用机座侧面布置的方法，容易产生机械臂遮挡定位检测系统的现象。专利CN201521036635.3中提出了一种机械自动化抓取装置，采用了多个悬挂式机械臂，但该专利中装置未提出流水线物体的定位方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明目的在于提供一种流水线上瓶子的机械臂抓取装置与方法，该装置与方法能够适应流水线工作状态的改变，同时避免了机械臂遮挡瓶子造成定位失效的缺陷，增强了操作系统的适应性与可靠性，提高了瓶子抓取流水线的自动化程度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种流水线上瓶子的机械臂抓取装置，包括：流水线运动单元、视觉与码盘定位单元和机械臂单元；其中，

所述流水线运动单元包括异步电机部件和传送带，所述传送带的上表面为流水线工作台，瓶子放置于传送带上，异步电机部件驱动传送带运动；

所述视觉与码盘定位单元包括视觉采集部件和增量式码盘部件，所述视觉采集部件用于检测传送带上瓶子的位姿，增量式码盘部件用于检测传送带的位移；

所述机械臂单元包括支撑架、机械臂、末端执行器和机械臂控制器，其中支撑架设于流水线工作台的上方，所述机械臂的顶端固定在支撑架上，所述机械臂的末端为末端执行器，所述机械臂控制器分别和视觉与码盘定位单元、机械臂连接，并用于接收视觉与码盘定位单元的位置信息，并对机械臂进行规划控制，实现瓶子抓取。

进一步的，所述支撑架为门框状，且所述支撑架作为机械臂的基座。所述机械臂的顶端采用悬挂方式固定在支撑架上。

进一步的，所述视觉采集部件包括多目摄像机，所述多目摄像机设置在流水线工作台的上方，且位于所述机械臂的前方。

进一步的，所述增量式码盘部件安装在传送带轴上。

进一步的，当瓶子在传送带上变速运动时，增量式码盘部件感知传送带的位移，视觉采集部件感知传送带上瓶子的位姿，所述视觉与码盘定位单元将传送带的位移和瓶子的位姿信息融合后发送给机械臂控制器。

被分拣物体在流水线上往复运动，视觉采集部件放置于机械臂前方，感知被分拣物体的精确位姿，并发送到机械臂控制器。增量式码盘部件安装在传送带轴上，把流水线的运动情况及被分拣物体的位姿信息发送给机械臂控制器，机械臂控制器根据视觉信息及流水线运动信息，提前估算出被分拣物体将要到达的时刻和位姿，并进行运动学轨迹规划，从当前位姿运动到目标位姿，并实现瓶子的抓取和放下。

一种基于上述流水线上瓶子的机械臂抓取装置的抓取方法，包括以下步骤：

步骤1，利用视觉与码盘定位单元获取目标定位数据，包括：

步骤1.1，启动流水线运动单元，瓶子运动至视觉采集部件采集范围内，多目摄像机获取瓶子的位姿；

步骤1.2，增量式码盘部件获取传送带的位移信息；

步骤1.3，视觉与码盘定位单元根据最新目标定位数据更新目标定位数据；

步骤2，抓取瓶子，包括：

步骤2.1，机械臂单元上电后机械臂由空闲状态转换为初始工作状态；

步骤2.2，通过步骤1目标定位数据的导入与刷新，确定拦截平面，机械臂进入抓取动作状态并移动至拦截平面的准备抓取点，机械臂抓取姿态角与被抓取瓶子姿态角γ保持一致，等待被抓取瓶子的到来，通过时间触发机械臂向下执行抓取任务。

进一步的，步骤1.3为：若视觉采集部件若检测出目标相对于传送带x值发生了变化，更新目标位姿；若目标相对于传送带x值没有发生变化，只有y值发生变化的情况下，则更新由增量式码盘部件获取的导入数据的y值，更新目标位姿。

进一步的，步骤2.2中拦截平面的准备抓取点末端位姿确定方法为：定义拦截平面的坐标为-y₀，机械臂目标点为(x,-y₀,z+d₀,γ,0,0)，其中，x和z分别为目标物体中心的x和z坐标，d₀是末端执行器距离目标物体中心上方的距离，(γ,0,0)是末端执行器姿态欧拉角。

进一步的，步骤2.2中机械臂移动至拦截平面的方法为：根据机械臂初始位姿和准备抓取点的目标位姿，通过逆运动学求解得到机械臂对应各关节的初始关节角和终止关节角；所述机械臂通过直线插补从初始关节角和终止关节角规划一条路径并运行到拦截平面。

进一步的，步骤2.2中通过时间触发机械臂执行抓取任务的方法为：当目标运行到拦截平面时，机械臂执行目标抓取过程最后阶段，即从准备抓取点运动到抓取点；机械臂与目标同时运动，并在末端执行器z方向到达目标中心z坐标处相遇，同时末端执行器合拢；

定义T_c为机械臂向下运行d₀位移同时末端执行器合拢进行抓取所需要的时间；y_tc为瓶子在沿传送带方向上的当前位置y方向能够触发机械臂启动最后阶段的位置；v为传送带瓶子的运动速度；其中，

y_tc+v·T_c＝-y₀

启动机械臂最后抓取阶段，瓶子和机械臂同时运动到相同的目标点(x,-y₀,z,γ,0,0)，采用比例导引法完成最后阶段的抓取规划。

本发明的有益效果为：

针对可变速运动的流水线作业平台，为实现瓶子的分拣任务，本发明提供了一种流水线上瓶子的机械臂抓取装置与方法。本发明针对往复运动的变速流水线，能够实时检测出流水线的运动状态，完成瓶子在传送带上的位姿识别与抓取时间点的确定，并通过悬挂式机械臂完成瓶子的抓取操作，适应了流水线工作状态的改变，避免了由于机械臂操作而引起的流水线瓶子定位失效的情况，减少空间占用率，提高了工作效率，增强了该机械臂抓取装置的可靠性。

附图说明

图1为本发明所述流水线上瓶子的机械臂抓取装置的结构示意图；

图2为本发明所述流水线上瓶子的机械臂抓取方法的过程示意图；

图3为拦截平面与触发位置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例提供了一种流水线上瓶子的机械臂抓取装置与方法。

如图1所示，一种流水线上瓶子的机械臂抓取装置，包括：流水线运动单元、视觉与码盘定位单元和机械臂单元；其中，

所述流水线运动单元包括异步电机部件和传送带，所述传送带的上表面为流水线工作台，瓶子放置于传送带上，异步电机部件驱动传送带运动；

所述视觉与码盘定位单元包括视觉采集部件和增量式码盘部件，所述视觉采集部件用于检测传送带上瓶子的位姿，增量式码盘部件用于检测传送带的位移；

所述机械臂单元包括支撑架、机械臂、末端执行器和机械臂控制器，其中支撑架设于流水线工作台的上方，所述机械臂的顶端固定在支撑架上，所述机械臂的末端为末端执行器，所述机械臂控制器分别和视觉与码盘定位单元、机械臂连接，并用于接收视觉与码盘定位单元的位置信息，并对机械臂进行规划控制，实现瓶子抓取。

其中，所述支撑架为门框状，且所述支撑架作为机械臂的基座。所述机械臂的顶端采用悬挂方式固定在支撑架上。

所述视觉采集部件包括多目摄像机，所述多目摄像机设置在流水线工作台的上方，且位于所述机械臂的前方。所述增量式码盘部件安装在传送带轴上。

当瓶子在传送带上变速运动时，增量式码盘部件感知传送带的位移，视觉采集部件感知传送带上瓶子的位姿，所述视觉与码盘定位单元将传送带的位移和瓶子的位姿信息融合后发送给机械臂控制器。

被分拣物体在流水线上往复运动，视觉采集部件放置于机械臂前方，感知被分拣物体的精确位姿，并发送到机械臂控制器。增量式码盘部件安装在传送带轴上，把流水线的运动情况及被分拣物体的位姿信息发送给机械臂控制器，机械臂控制器根据视觉信息及流水线运动信息，提前估算出被分拣物体将要到达的时刻和位姿，并进行运动学轨迹规划，从当前位姿运动到目标位姿，并实现瓶子的抓取和放下。

如图2所示，一种基于上述流水线上瓶子的机械臂抓取装置的抓取方法，包括以下步骤：

步骤1，利用视觉与码盘定位单元获取目标定位数据，包括：

步骤1.1，启动流水线运动单元，瓶子运动至视觉采集部件采集范围内，多目摄像机获取瓶子的位姿；

步骤1.2，增量式码盘部件获取传送带的位移信息；

步骤1.3，视觉与码盘定位单元根据最新目标定位数据更新目标定位数据；具体的，若视觉采集部件若检测出并传递了更优的检测结果或检测到新的瓶子，即目标相对于传送带x值发生了变化，则更新目标位姿；若目标相对于传送带x值没有发生变化，只有y值发生变化的情况下，则更新由增量式码盘部件获取的导入数据的y值，更新目标位姿。

步骤2，抓取瓶子，包括：

步骤2.1，机械臂单元上电后机械臂由空闲状态转换为初始工作状态；

步骤2.2，通过步骤1目标定位数据的导入与刷新，确定拦截平面，当机械臂接收到有效目标位姿信息时，机械臂进入抓取动作状态并移动至拦截平面的准备抓取点，机械臂抓取姿态角与被抓取瓶子姿态角γ保持一致，等待被抓取瓶子的到来，通过时间触发机械臂向下执行抓取任务。

其中，如图3所示，步骤2.2中拦截平面的准备抓取点末端位姿确定方法为：定义目标拦截平面的坐标为-y₀，即末端执行器在，y＝y₀处实施抓取。机械臂目标点为(x,-y₀,z+d₀,γ,0,0)，其中，x和z分别为目标物体中心的x和z坐标，d₀是末端执行器距离目标物体中心上方的距离，(γ,0,0)是末端执行器姿态欧拉角。

进一步的，步骤2.2中机械臂移动至拦截平面的方法为：根据机械臂初始位姿和准备抓取点的目标位姿，通过逆运动学求解得到机械臂对应各关节的初始关节角和终止关节角；所述机械臂通过直线插补从初始关节角和终止关节角规划一条路径并运行到拦截平面。

进一步的，步骤2.2中通过时间触发机械臂执行抓取任务的方法为：当目标运行到拦截平面时，机械臂执行目标抓取过程最后阶段，即从准备抓取点运动到抓取点；机械臂与目标同时运动，并在末端执行器z方向到达目标中心z坐标处相遇，同时末端执行器合拢；

定义T_c为机械臂向下运行d₀位移同时末端执行器合拢进行抓取所需要的时间；y_tc为瓶子在沿传送带方向上的当前位置y方向能够触发机械臂启动最后阶段的位置；v为传送带瓶子的运动速度；其中，

y_tc+v·T_c＝-y₀

启动机械臂最后抓取阶段，瓶子和机械臂同时运动到相同的目标点(x,-y₀,z,γ,0,0)，采用比例导引法完成最后阶段的抓取规划。

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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)

1.一种流水线上瓶子的机械臂抓取装置，其特征在于，包括：流水线运动单元、视觉与码盘定位单元和机械臂单元；其中，

所述流水线运动单元包括异步电机部件和传送带，所述传送带的上表面为流水线工作台，瓶子放置于传送带上，异步电机部件驱动传送带运动；

所述视觉与码盘定位单元包括视觉采集部件和增量式码盘部件，所述视觉采集部件用于检测传送带上瓶子的位姿，增量式码盘部件用于检测传送带的位移；

所述机械臂单元包括支撑架、机械臂、末端执行器和机械臂控制器，其中支撑架设于流水线工作台的上方，所述机械臂的顶端固定在支撑架上，所述机械臂的末端为末端执行器，所述机械臂控制器分别和视觉与码盘定位单元、机械臂连接，并用于接收视觉与码盘定位单元的位置信息，并对机械臂进行规划控制，实现瓶子抓取。

2.根据权利要求1所述的流水线上瓶子的机械臂抓取装置，其特征在于，所述支撑架为门框状，且所述支撑架作为机械臂的基座；所述机械臂的顶端采用悬挂方式固定在支撑架上。

3.根据权利要求1所述的流水线上瓶子的机械臂抓取装置，其特征在于，所述视觉采集部件包括多目摄像机，所述多目摄像机设置在流水线工作台的上方，且位于所述机械臂的前方。

4.根据权利要求1所述的流水线上瓶子的机械臂抓取装置，其特征在于，所述增量式码盘部件安装在传送带的轴上。

5.根据权利要求1所述的流水线上瓶子的机械臂抓取装置，其特征在于，当瓶子在传送带上变速运动时，增量式码盘部件感知传送带的位移，视觉采集部件感知传送带上瓶子的位姿，所述视觉与码盘定位单元将传送带的位移和瓶子的位姿信息融合后发送给机械臂控制器。

6.基于权利要求1-5任一项所述的流水线上瓶子的机械臂抓取装置的抓取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，利用视觉与码盘定位单元获取目标定位数据，包括：

步骤1.1，启动流水线运动单元，瓶子运动至视觉采集部件采集范围内，多目摄像机获取瓶子的位姿；

步骤1.2，增量式码盘部件获取传送带的位移信息；

步骤1.3，视觉与码盘定位单元根据最新目标定位数据更新目标定位数据；

步骤2，抓取瓶子，包括：

步骤2.1，机械臂单元上电后机械臂由空闲状态转换为初始工作状态；

步骤2.2，通过步骤1目标定位数据的导入与刷新，确定拦截平面，机械臂进入抓取动作状态并移动至拦截平面的准备抓取点，机械臂抓取姿态角与被抓取瓶子姿态角γ保持一致，等待被抓取瓶子的到来，通过时间触发机械臂向下执行抓取任务。

7.根据权利要求6所述的流水线上瓶子的机械臂抓取方法，其特征在于，步骤1.3为：若视觉采集部件若检测出目标相对于传送带x值发生了变化，更新目标位姿；若目标相对于传送带x值没有发生变化，只有y值发生变化的情况下，则更新由增量式码盘部件获取的导入数据的y值，更新目标位姿。

8.根据权利要求6所述的流水线上瓶子的机械臂抓取方法，其特征在于，步骤2.2中拦截平面的准备抓取点末端位姿确定方法为：定义拦截平面的坐标为-y₀，机械臂目标点为(x,-y₀,z+d₀,γ,0,0)，其中，x和z分别为目标物体中心的x和z坐标，d₀是末端执行器距离目标物体中心上方的距离，(γ,0,0)是末端执行器姿态欧拉角。

9.根据权利要求6所述的流水线上瓶子的机械臂抓取方法，其特征在于，步骤2.2中机械臂移动至拦截平面的方法为：根据机械臂初始位姿和准备抓取点的目标位姿，通过逆运动学求解得到机械臂对应各关节的初始关节角和终止关节角；所述机械臂通过直线插补从初始关节角和终止关节角规划一条路径并运行到拦截平面。

10.根据权利要求6所述的流水线上瓶子的机械臂抓取方法，其特征在于，步骤2.2中通过时间触发机械臂执行抓取任务的方法为：当目标运行到拦截平面时，机械臂执行目标抓取过程最后阶段，即从准备抓取点运动到抓取点；机械臂与目标同时运动，并在末端执行器z方向到达目标中心z坐标处相遇，同时末端执行器合拢；

定义T_c为机械臂向下运行d₀位移同时末端执行器合拢进行抓取所需要的时间；y_tc为瓶子在沿传送带方向上的当前位置y方向能够触发机械臂启动最后阶段的位置；v为传送带瓶子的运动速度；其中，

y_tc+v·T_c＝-y₀

启动机械臂最后抓取阶段，瓶子和机械臂同时运动到相同的目标点(x,-y₀,z,γ,0,0)，采用比例导引法完成最后阶段的抓取规划。