CN107065853B - 一种物流机器人系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物流机器人系统及其工作方法，物流机器人系统包括：用在物流场所内搬送货品的自动导引车，自动导引车由车架、固定在车架顶面的置放平台、安装在车架底面的四个驱动轮组件、调节驱动轮组件运动状态的控制器构成，驱动轮组件包含麦克纳姆轮和驱动麦克纳姆轮运动的电机。自动导引车还连接有快速导航系统，控制器接收快速导航系统发送的运送指令，并控制电机转动状态。本发明能快速准确的运行到物流场所的各个工位，不受环境影响，且机械结构更简单，路面适应能力更强。

Description

一种物流机器人系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及物流机械设备技术领域，尤其涉及一种物流机器人系统及其工作方法。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，AGV( Automated Guided Vehicle) 在制造业自动化领域和自动化仓储物流系统中得到了广泛的应用。全方位移动AGV可以沿任意方向平动，以任意半径旋转，因此非常适合工作在空间狭窄有限、对机动性要求高的场合。其中基于麦克纳姆轮的全方位移动 AGV 由于每个轮不需要转向装置，并以其卓越的全方位移动性能而成为一个研究的热点。

现有技术中AGV的导引方式有电磁导引、磁带导引、光学导引、激光导引、惯性导引、视觉导引等，但目前的这些导引方式都存在缺陷，例如电磁导引和光学导引对环境的要求较高、激光导引和惯性导引的设备昂贵成本高、视觉导引效率低下等。

同时，目前市面上普通AGV的车轮通常无悬挂结构或采用非独立悬挂结构，不能保证车轮能有效的接触地面，易产生打滑现象，而麦克纳姆轮是通过4个轮子的合力控制运动的方向及速度，一旦有一个轮子脱离地面打滑，就会导致整个力的合成方向和大小，从而导致小车运动失控。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种物流机器人系统及其工作方法，该系统中的自动导引车能快速准确的自动运行到物流场所的各个工位，不受环境影响，且自动导引车的机械结构更简单，路面适应能力更强。

本发明采用的技术方案是，设计一种物流机器人系统，包括：用在物流场所内搬送货品的自动导引车，自动导引车由车架、固定在车架顶面的置放平台、安装在车架底面的四个驱动轮组件、调节驱动轮组件运动状态的控制器构成，驱动轮组件包含麦克纳姆轮和驱动麦克纳姆轮运动的电机。

自动导引车还连接有快速导航系统，快速导航系统包括：物流场所的地面坐标系，间隔铺设在物流场所内各行驶道路上的多个识别码，读取并解析识别码的识别装置，对物流场所的地面坐标系、所有行驶道路及识别码进行记录的地图模块，根据识别装置解析后的结果以及地图模块向控制器发送运行指令的主控制模块。识别装置安装在自动导引车上，控制器接收主控制模块发送的运送指令，并控制电机的转动状态。

其中，地图模块内记录有各识别码的坐标及铺设方向，识别码包括：边框、设置在边框内的方向图标和二维码，二维码内设有其所在识别码的坐标，方向图标内设有其所在识别码的铺设方向。识别装置包括：安装在自动导引车底部用于获取识别码的摄像模块、用于识别二维码的二维码解析模块、用于识别边框或部分边框的边框解析模块、用于识别方向图标的方向解析模块。

优选的，边框与二维码的中心为同一中心，边框由可围成方框的相互连接或不连接四个直角构成，方向图标由至少一个可标识方向的字母和/或文字和/或图案构成。

优选的，地图模块连接有外部输入装置。

优选的，摄像模块包括：用于获取识别码的摄像头、及将摄像头固定在自动导引车上的支架。支架包括水平安装板和间隔设置的两个竖直安装板，两个竖直安装板的上端面固定在水平安装板的一端的端部，摄像头固定于水平安装板的另一端的端部，摄像头的拍摄方向平行于地面。两个竖直安装板之间设有反射镜，且反射镜与地面之间具有45度夹角，反射镜的反射面倾斜向下朝向地面，摄像头的镜头与反射镜的反射面相对。

优选的，两个竖直安装板的底部设有框型发光灯，反射镜位于框型发光灯的中空部分的上方。

优选的，车架由水平固定支架和垂直固定在水平固定支架底面的两个竖直固定支架构成，两个竖直固定支架位于水平固定支架底面的中线上。驱动轮组件还包括：一端铰接在竖直固定支架上的对顶单纵臂、倾斜连接在对顶单纵臂与水平固定支架之间的减震器，麦克纳姆轮铰接在对顶单纵臂的另一端上，电机设于对顶单纵臂的一侧。四个驱动轮组件内的对顶单纵臂相互平行，同一竖直固定支架上对称铰接有两个对顶单纵臂，且该两个对顶单纵臂在同一竖直平面内上下摆动。

本发明还提出了一种上述物流机器人系统的工作方法，包括如下步骤：

步骤1、在物流场所里设置一个地面坐标系，在物流场所内的各行驶道路上间隔铺设多个识别码，预设识别码的坐标及铺设方向，地图模块对地面坐标系、所有行驶道路及识别码进行记录；

步骤2：判断当前自动导引车是否为启动状态，若是则继续下一步骤，若否则跳转至步骤7；

步骤3：安装在自动导引车上的识别装置读取当前位置所对应的识别码；

步骤4：依次对识别码中的二维码、方向图标以及边框进行解析，得到自动导引车的绝对坐标、确定车头方向、当前自动导引车与边框中心的位置差；若有位置差则根据绝对坐标和位置差调整自动导引车与边框实现对中；若无位置差则直接进入下一步骤；

步骤5：原地等待接收任务，直至收到运送指令；

步骤6：自动导引车开始运动；

步骤7：在运动过程中实时判断自动导引车是动态定位模块还是静态定位模式；若为动态定位模式，则执行步骤8，若为静态定位模式，则执行步11；

步骤8：获取自动导引车相对于地面坐标系处于前进还是后退状态，若是前进状态，则执行步骤9；若是后退状态，则执行步骤10；

步骤9：仅识别边框的左下角和右下角，根据识别结果调整自动导引车与边框实现中线对齐；

步骤10：仅识别边框的左上角和右上角，根据识别结果调整自动导引车与边框实现中线对齐；

步骤11：识别边框全部，得到当前自动导引车与边框中心的位置差，调整自动导引车与边框实现对中。

其中，在步骤3中，当无法读取识别码时，自动导引车调整自己的位置直至可以成功读取二维码为止。 在步骤11之后，还包括返回至步骤5，等待下一次运送指令。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、利用识别装置对自动导引车行驶区域内的识别码进行识别解析，以获得当前自动导引车的坐标和方向等信息，不受环境影响，工作更加稳定可靠；

2、视觉导引的路径设置和变更非常简单方便，路径的使用与维护成本低；

3、识别码内设置有边框，自动导引车在行驶过程中仅需要识别一个边框的部分，缩短了定位时间，保证了小车在高速运动状态能够快速动态定位；

4、将前后轮铰接在同一竖直固定支架的两面上，构成独创的纵向连杆连接设计，充分利用了小车的内部结构，结构非常精简；

5、四个轮子采用独立悬挂设计，保证各个轮子都与地面充分接触，避免了现有AGV常见的打滑现象；

6、识别装置内的摄像头平行于地面设置，摄像头通过反射镜来读取地面上的二维码标签，这样降低了相机读取二维码标签的距离，从而降低了自动导引车的高度，提高了自动导引车在运动中的稳定性以及节约空间。

附图说明

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：

图1是本发明中自动导引车的立体示意图；

图2是本发明中自动导引车的横向示意图；

图3是本发明中自动导引车的拆分示意图；

图4是本发明中识别码的形状示意图；

图5是本发明中驱动轮组件的结构示意图；

图6是本发明中摄像模块的结构示意图；

图7是本发明中摄像模块的支架结构示意图；

图8是本发明中车架的结构示意图；

图9是本发明的方法流程图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明提出的物流机器人系统，包括：自动导引车1及与自动导引车1连接的快速导航系统，自动导引车1一般应用在物流场所内搬送货品，自动导引车1在快速导航系统的指令引导下，快速精准的运动到指定位置。

如图3所示，快速导航系统包括：识别码2、识别装置3、地图模块和主控制模块，地图模块中预先设置有该物流场所的地面坐标系（X轴、Y轴），使该物流场所中的每一个位置都拥有一个绝对坐标，地图模块还记录有物流场所内所有行驶道路的相关信息。然后在物流场所内的每一条行驶道路上都间隔铺设多个识别码2，有一部分识别码2的铺设位置正好就是自动导引车1需要取放货品的位置。识别码2内含有其所处位置的坐标及铺设方向，在所有识别码在铺设以后，地图模块中记录所有识别码2的坐标及铺设方向。其中，地图模块连接有外部输入装置，使用者可通过外部输入装置向地图模块输入设定地面坐标系、行驶道路、识别码等信息。

在较优实施例中，如图4所示，识别码2包括：边框21、设置在边框21内的方向图标22和二维码23，二维码23内设有其所在识别码的坐标，方向图标22内设有其所在识别码2的铺设方向，需要注意的是，应用在同一场所内的所有识别码2的方向图标22均是预设好的，可以指向同一个方向，也可以指向不同的方向，例如在该物流场所中，所有识别码2的方向图标22均指向Y轴的正方形，而二维码23均位于方向图标22的下方。

图4给出了边框21的一个样式，即一个黑色方形框。边框21可以由四个不相互连接的四个直角构成，它们将围成一个与图4类似的方框，无论哪样样式的四个直角都既可以是倒角的直角也可以是未倒角的直角。图4还给出了方向图标22的一个实施例“ROBU”，其中R、B、U三个字母均可以标识出唯一个方向，因此在识别方向图标22的时候，任意挑选其中一个即可。在其他实施例中，还可以采用可标识方向的图案或文字构成，例如一个箭头“↑”等。当然文字、字母和图案还可以任何组合使用，这样的好处在于可以借此印上相应公司的名称或者商标，便于推广。识别码2的二维码23和边框21的中心可以为同一个中心，也可以不同中心，当然，较优的选择为同一个中心，具体优势将后续结合具体应用过程进行详细的说明。

识别装置3包括：摄像模块、二维码解析模块、边框解析模块及方向解析模块，自动导引车1运动时通过摄像模块对识别码2进行拍摄，再通过二维码解析模块、边框解析模块及方向解析模块对拍摄到的识别码进行解析，将解析结果发送至主控制模块。主控制模块内预设有指定位置的坐标，接收到解析结果后根据地图模块及指定位置的坐标进行计算，向自动导引车发出运送指令，自动导引车根据运送指令运动。

如图3、5所示，自动导引车1由车架11、固定在车架11顶面的置放平台12、安装在车架11底面的四个驱动轮组件13、调节驱动轮组件13运动状态的控制器构成，驱动轮组件13包含麦克纳姆轮131和驱动麦克纳姆轮131运动的电机132，识别装置3安装在自动导引车1上，控制器接收主控制模块发送的运送指令，并控制电机132转动状态。

如图6、7所示，识别装置3内的摄像模块包括：用于获取识别码的摄像头31、及将摄像头31固定在自动导引车1上的支架。支架包括水平安装板32和间隔设置的两个竖直安装板33，两个竖直安装板33的上端面固定在水平安装板32的一端的端部，摄像头31固定于水平安装板32的另一端的端部，摄像头31的拍摄方向平行于地面。两个竖直安装板33之间设有反射镜34，且反射镜34与地面之间具有45°夹角，反射镜34的反射面倾斜向下朝向地面，摄像头31的镜头与反射镜34的反射面相对。自动导引车1在运动到识别码2上方时，摄像头31通过反射镜34来读取地面上的识别码2，再利用图像处理技术进行特征识别来确定自动导引车1的位置，这样降低了摄像头31读取识别码2的距离，从而降低自动导引车1的离地高度，节约摄像模块的安装空间，提升自动导引车1在运动中的稳定性。较优的，两个竖直安装板33的底部设有框型发光灯35，反射镜34位于框型发光灯35的中空部分的上方，发光灯的设置能保证光线不充足的情况下摄像头31仍能拍摄到识别码2。

如图5、8所示，车架11由水平固定支架111和垂直固定在水平固定支架111底面的两个竖直固定支架112构成，两个竖直固定支架112位于水平固定支架111底面的中线上。驱动轮组件13还包括：一端铰接在竖直固定支架112上的对顶单纵臂133、倾斜连接在对顶单纵臂133与水平固定支架111之间的减震器134，麦克纳姆轮131铰接在对顶单纵臂133的另一端上，电机132设于对顶单纵臂133的一侧，电机132的输出轴穿过对顶单纵臂133的侧壁与麦克纳姆轮131传动连接，以驱使麦克纳姆轮131正转或反转。四个驱动轮组件13内的对顶单纵臂133相互平行，同一竖直固定支架112上对称铰接有两个对顶单纵臂133，且该两个对顶单纵臂133在同一竖直平面内上下摆动。

在较优实施例中，如图8所示，水平固定支架111的底面呈长方形，为了便于表述，以长方形的长边方向为纵向、短边方向为横向，两个竖直固定支架112垂直固定在水平固定支架111的底面，且该两个竖直固定支架112位于水平固定支架111底面的横向中线上。四个驱动轮组件13内的对顶单纵臂133均纵向设置，同一竖直固定支架112上对称铰接有两个对顶单纵臂133，并且该两个对顶单纵臂133在同一竖直平面内上下摆动。使用时依靠各麦克纳姆轮131的方向和速度，产生一个合力矢量从而保证车身在最终的合力矢量的方向上能自由地移动，而不用改变轮子自身的方向，结构紧凑、运动灵活。各驱动轮组件13内均单独设置对顶单纵臂133和减震器134，这种独立悬挂设计结构，使得每个轮子在行驶中与地面充分接触，具有超强的路面适应能力，避免打滑现象。

如图5、8所示，对顶单纵臂133与竖直固定支架112铰接的具体结构是，竖直固定支架112由横向设置的横板1121和纵向设置的纵板1122构成，纵板1122固定在横板1121的外端，两个竖直固定支架内的横板1121连接为一体，以增加车身的结构强度，两个横板1121的中间设有用于安装摄像模块的缺口，摄像模块固定在该缺口内，且框型发光灯35的底面与横板1121的底面平齐。横板1121上纵向相对的两面均设有铰接耳1123，该铰接耳1123与纵板1122平行，铰接耳1123和纵板1122上设有位置对齐的铰接孔。对顶单纵臂133上远离麦克纳姆轮131的一端设有铰接座135，铰接座135上设有横向设置的通孔，对顶单纵臂133通过一横穿纵板1122、铰接座135及铰接耳1123的销轴铰接在竖直固定支架112上。同一侧的两个驱动轮组件13铰接在横板1121的纵向相对面上，形成独创的纵向连接结构，充分利用了小车的内部空间及结构，使用的机械部件少，且行驶更稳定可靠。

如图9所示，本发明还提出了一种上述物流机器人系统的工作方法，下面进行详细描述。

首先在物流场所里设置一个地面坐标系，在物流场所内的各行驶道路上间隔铺设多个识别码，预设识别码的坐标及铺设方向，地图模块对地面坐标系、所有行驶道路及识别码进行记录。

在具体导航自动自动导引车时，先判断当前自动导引车是否为启动状态。

若是启动状态，则安装在自动导引车上的识别装置读取当前位置所对应的识别码，这个步骤当中，可能因为一些原因导致自动导引车的位置并非正好对着识别码，这样摄像头可能拍不到识别码，因此，我们根据识别装置是否可以成功解析二维码来进行区分，若是识别装置无法成功解析二维码，说明位置偏离较远，需要调整自动导引车前后左右移动来寻找当前最近的一个识别码，直至找到这个最近的识别码为止，也就是说可以成功解析二维码，摄像头可以拍到。因此，摄像模块获取到识别码之后，解析的顺序依次为二维码、方向图标、方框。

当二维码的中心和方框的中心不重合时，这里可能会出现一种情况，就是可以成功解析二维码，但是很可能摄像头无法拍到方框的全部，在识别二维码之后，识别完方向图标，会发现方框无法完整识别，此时，还需要调整自动导引车，直到方框最后可以完整识别。而方框的中心和二维码中心重合时，将大大减少这种几率，而且即便发生上述情况，由于获取了方框的部分信息，以及直到了方框的中心位置，也可以进行下一步工作。

上述扫描二维码进行解析可以得到自动导引车所在场所的绝对坐标（x，y），然后识别方向图标可以确定当前车头的方向，识别方框可以知道当前自动导引车与识别码中心的位置差，若是存在位置差，则需要根据绝对坐标和位置差调整自动导引车与边框实现对中（正好与边框前后左右对齐）。

实现了对中以后，则原地等待接收任务，直至收到运送指令，例如，去坐标为（x’、y’）的该点取货。

自动导引车根据运送指令开始运动，在运动过程中需要实时判断自动导引车是动态定位模式还是静态定位模式。

若为动态定位模式，说明当前自动导引车处于运动状态，从主控制模块发出的运送指令中获取自动导引车接下来是相对于车头处于前进状态还是后退状态，若是前进状态，仅识别边框的左下角和右下角，根据识别结果调整自动导引车与边框实现中线对齐，即走到行驶道路的中心，没有偏离。若是后退状态，仅识别边框的左上角和右上角，根据识别结果调整自动导引车与边框实现中线对齐。需要强调的是，本发明的根据识别结果调整自动导引车中线对齐在一个较优实施例中，并非是立即执行完全对齐，识别结果给出一个偏移量，控制模块在后续的行驶过程中慢慢地多次进行偏移补偿，逐步实现中线对齐，该较优实施例比立即执行完全对齐的实施例来说，不会影响自动导引车的行驶速度，纵观自动导引车的整个行驶路程，保证它基本沿着行驶路线的中线运行，提高了运送效率。

可以看出，在自动导引车运行的过程当中，本发明所解析的内容相当的少，因此速度非常快。根据多次试验对比数据，发现在相同的CPU计算资源下，现有技术中的扫描二维码的方式需要耗时至少50毫秒才能解析一个二维码，而本发明仅耗时16毫秒，由于识别速度的加快，自动导引车的行驶速度可以达到2米/秒，既快速又精确，可以充分满足快速物流的要求。

若为静态模式，说明自动导引车已经运动到目标位置（x’、y’）附近且已停止，需要准确停在该点进行取货，由于已经得知了目标坐标位置（x’、y’），所以不需要再扫描二维码，只需要识别边框全部，得到当前自动导引车与边框中心的位置差，调整自动导引车与边框实现对中，即正好停在了目标位置处。

完成了一次运送以后，根据情况可以结束，也可以继续原地等待下一次运送指令。

本发明使用的识别码中，二维码仅起到在静态时定位的作用，确定偏移量及方向的工作都由边框及方向图标完成，大大提高了摄像头定位的速度，有利于在高速运动状态下对小车位置进行定位及纠偏。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种物流机器人系统，包括：用在物流场所内搬送货品的自动导引车，所述自动导引车由车架、固定在所述车架顶面的置放平台、安装在车架底面的四个驱动轮组件、调节所述驱动轮组件运动状态的控制器构成，所述驱动轮组件包含麦克纳姆轮和驱动所述麦克纳姆轮运动的电机；

其特征在于，所述自动导引车还连接有快速导航系统，所述快速导航系统包括：物流场所的地面坐标系，间隔铺设在物流场所内各行驶道路上的多个识别码，读取并解析所述识别码的识别装置，对物流场所的地面坐标系、所有行驶道路及识别码进行记录的地图模块，根据所述识别装置解析后的结果以及地图模块向控制器发送运行指令的主控制模块；

所述识别装置安装在所述自动导引车上，所述控制器接收所述主控制模块发送的运送指令，并控制电机的转动状态；

所述地图模块内记录有各识别码的坐标及铺设方向，所述识别码包括：边框、设置在所述边框内的方向图标和二维码，所述二维码内设有其所在识别码的坐标，所述方向图标内设有其所在识别码的铺设方向；

所述识别装置包括：安装在自动导引车底部用于获取所述识别码的摄像模块、用于识别所述二维码的二维码解析模块、用于识别所述边框或部分边框的边框解析模块、用于识别所述方向图标的方向解析模块；

扫描二维码进行解析得到自动引导车所在场所的绝对坐标，识别方向图标可以确定当前车头的方向，识别方框可以知道当前自动引导车与识别码中心的位置差，若是存在位置差，则根据绝对坐标和位置差调整自动导引车与边框实现对中。

2.如权利要求1所述的物流机器人系统，其特征在于，所述边框与二维码的中心为同一中心，所述边框由可围成方框的相互连接或不连接四个直角构成，方向图标由至少一个可标识方向的字母和/或文字和/或图案构成。

3.如权利要求1或2所述的物流机器人系统，其特征在于，所述地图模块连接有外部输入装置。

4.如权利要求1或2所述的物流机器人系统，其特征在于，所述摄像模块包括：用于获取所述识别码的摄像头、及将摄像头固定在自动导引车上的支架；

所述支架包括水平安装板和间隔设置的两个竖直安装板，所述两个竖直安装板的上端面固定在所述水平安装板的一端的端部，所述摄像头固定于所述水平安装板的另一端的端部，所述摄像头的拍摄方向平行于地面；

所述两个竖直安装板之间设有反射镜，且所述反射镜与地面之间具有45度夹角，反射镜的反射面倾斜向下朝向地面，所述摄像头的镜头与所述反射镜的反射面相对。

5.如权利要求4所述的物流机器人系统，其特征在于，所述两个竖直安装板的底部设有框型发光灯，所述反射镜位于所述框型发光灯的中空部分的上方。

6.如权利要求1或2所述的物流机器人系统，其特征在于，所述车架由水平固定支架和垂直固定在所述水平固定支架底面的两个竖直固定支架构成，所述两个竖直固定支架位于所述水平固定支架底面的中线上；

所述驱动轮组件还包括：一端铰接在所述竖直固定支架上的对顶单纵臂、倾斜连接在所述对顶单纵臂与所述水平固定支架之间的减震器，所述麦克纳姆轮铰接在所述对顶单纵臂的另一端上，所述电机设于所述对顶单纵臂的一侧；

所述四个驱动轮组件内的对顶单纵臂相互平行，同一竖直固定支架上对称铰接有两个对顶单纵臂，且该两个对顶单纵臂在同一竖直平面内上下摆动。

7.一种如权利要求1或2所述物流机器人系统的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、在物流场所里设置一个地面坐标系，在物流场所内的各行驶道路上间隔铺设多个识别码，预设识别码的坐标及铺设方向，地图模块对地面坐标系、所有行驶道路及识别码进行记录；

步骤2：判断当前自动导引车是否为启动状态，若是则继续下一步骤，若否则跳转至步骤7；

步骤3：安装在自动导引车上的识别装置读取当前位置所对应的识别码；

步骤4：依次对识别码中的二维码、方向图标以及边框进行解析，得到自动导引车的绝对坐标、确定车头方向、当前自动导引车与边框中心的位置差；若有位置差则根据绝对坐标和位置差调整自动导引车与边框实现对中；若无位置差则直接进入下一步骤；

步骤5：原地等待接收任务，直至收到运送指令；

步骤6：自动导引车开始运动；

步骤7：在运动过程中实时判断自动导引车是动态定位模块还是静态定位模式；若为动态定位模式，则执行步骤8，若为静态定位模式，则执行步11；

步骤8：获取自动导引车相对于地面坐标系处于前进还是后退状态，若是前进状态，则执行步骤9；若是后退状态，则执行步骤10；

步骤9：仅识别边框的左下角和右下角，根据识别结果调整自动导引车与边框实现中线对齐；

步骤10：仅识别边框的左上角和右上角，根据识别结果调整自动导引车与边框实现中线对齐；

步骤11：识别边框全部，得到当前自动导引车与边框中心的位置差，调整自动导引车与边框实现对中。

8.如权利要求7所述的工作方法，其特征在于，所述步骤3中，当无法读取识别码时，自动导引车调整自己的位置直至可以成功读取二维码为止。

9.如权利要求7所述的工作方法，其特征在于，步骤11之后，还包括返回至步骤5，等待下一次运送指令。

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