CN107471195A - 一种移动仓储机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种移动仓储机器人，包括用于支撑和驱动机器人整体行走的自动引导车、安装于自动引导车中部后端的双立柱升降装置、安装在双立柱升降装置上的横向移动装置、安装在横向移动装置上的三关节机械臂和机器视觉系统、安装在三关节机械臂末端的末端执行器以及设置在自动引导车上部前端的可伸缩集货箱，该可伸缩集货箱可朝向三关节机械臂进行伸缩运动以配合末端执行器装卸货物。本发明具有多个自由度运动能力，可准确、快速地拣取货架上各个位置的货物，而且本发明生产成本和运维成本低。

Description

一种移动仓储机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种移动仓储机器人。

背景技术

移动仓储机器人是一种自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。

移动仓储机器人致力于提高仓储管理的效率，主要体现在拣货取货效率上，目前自动导引车（AGV）式订单拣选解决方案，在效率上有一定提高，但根本上输送了大量不需要运输的货物，浪费了能源、时间、作业空间、多余的成本投入”等。

目前，“货到人”作业模式，需要人工“向货架送货/补货”，这样既增加人工作业负担，也为后续“机器”作业增加难度。

例如平层仓库方案-自动拣选车。国内外部分公司，在AMAZON KIVA（货到人）作业模式基础上的新探索，基本在平层仓库领域。即尝试货架/货物 不动，用“拣选车-拣选臂/手”拣取货物，即“仅取所需”。

目前，从国内外报道看没有所谓的主流设计方案，没有批量产品推向市场。典型的案例是“FETCH ROBOTICS（美国）”，“日立制作所（日本）”，“BASTIAN（美国）等。主要利用“关节机器人”技术，加“视觉引导”，在制造业-生产线环节应用更早更成熟些（如BASTIAN，KUKA，SICK视觉应用案例等）。

综合目前公开的技术（FETCH ROBOTICS），还存在以下问题：一是仅目前的移动仓储机器人涉及取货，并不具备补货功能，而且取货范围与货架/货物分布的矩形空间不一致；二是货物摆放位置和密度为适应“机器手”的抓取做了“让步”，三是没有涉及机器送货/补货解决方案，没有明确是机器送货还是人工送货，从整个流程看应该是人工送货/补货，这样既保留人工的必要作业，也为满足“机器手”取货要求满足特定摆放位置和空间而增加人工作业难度。

从日立制作所公开方案，由两个“机器人+视觉引导”实现更大范围、更灵活的取送货。首先是在人工送货/补货基础上取货难度增加，二是成本太高，会失去代替人工的经济意义。

本发明旨在提出一种可灵活抓取货物、可自取/卸货、实现补货的低成本移动仓储机器人。

发明内容

本发明的目的在于提供一种移动仓储机器人，其具有多个自由度运动能力，可准确、快速地拣取货架上各个位置的货物，而且本发明生产成本和运维成本低。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种移动仓储机器人， 包括：

用于支撑和驱动机器人整体行走的自动引导车；

安装于自动引导车中部后端的双立柱升降装置；

安装在双立柱升降装置上的横向移动装置，该横向移动装置可由该双立柱升降装置驱动而垂直地升降运动；

安装在横向移动装置上的三关节机械臂和机器视觉系统，该三关节机械臂和机器视觉系统可由该横向移动装置驱动而水平地左右移动，且可随横向移动装置在双立柱升降装置驱动下垂直地升降运动；

安装在三关节机械臂末端的末端执行器，该末端执行器用于在三关节机械臂的驱动下运动至特定位置，以抓取或释放货物；以及

设置在自动引导车上部前端的可伸缩集货箱，该可伸缩集货箱可朝向三关节机械臂进行伸缩运动以配合末端执行器装卸货物；

所述自动引导车的行走在仓库管理系统及导航系统指引下，双立柱升降装置与横向移动装置在货架层级间根据目标货物位置运动过程也由仓库管理系统及导航系统指引，机器视觉系统用于根据其在货架层采集的图像数据为双立柱升降装置、横向移动装置、三关节机械臂、末端执行器提供精确的货物定位信息。

所述自动引导车包括车底板、设置在车底板后端的两个后支撑轮、设置在车底板前端的控制车厢、设置在控制车厢内的转向装置、设置在控制车厢内且与转向装置连接的电驱动装置以及与电驱动装置连接的蓄电池；所述控制车厢前端安装传感器，车底板后端还安装一用于盖合两个支撑轮的后轮盖。

所述双立柱升降装置包括固定在自动引导车中部后端的底梁、两根竖直且相互平行地安装在底梁上的立柱、安装在底梁一端的升降驱动电机以及将两根立柱上端连接起来的顶梁；两根立柱上均设置一直线导轨机构，底梁内设有与升降驱动电机输出轴连接的减速机构，所述减速机构与直线导轨机构一端连接以驱动其进行升降运动，所述直线导轨机构上还安装一块可随直线导轨机构进行升降运动的升降支撑板。

所述横向移动装置包括上横梁导轨、下横梁导轨、横梁、横向驱动电机以及横向移动支撑板，所述上横梁导轨与下横梁导轨相互平行地安装在所述横梁上，所述横梁两端分别固定在两个直线导轨机构的升降支撑板上，所述横向驱动电机的输出轴与上、下横向导轨分别连接，所述横向移动支撑板安装在所述上、下横向导轨上且可以随上、下横向导轨水平的横向移动。

所述三关节机械臂包括关节基座、第一转杆、第二转杆、第三转杆以及第一电机、第二电机和第三电机；所述关节基座固定在横向移动装置上，第一转杆移动通过第一电机的输出轴与所述关节基座枢接，第一转杆另一端通过第二电机的输出轴与第二转杆一端枢接，第二转杆另一端通过第三电机的输出轴与第三转杆一端枢接；所述末端执行器安装在第三转杆的另一端。

所述末端控制器采用真空吸盘组件或机械抓取装置。

所述可伸缩集货箱包括集货架、集货支撑板、两级剪叉机构、电动滚筒、传送皮带和集货筐；所述两级剪叉机构一端固定在集货架一侧，所述集货架的两端分别设置一伸缩导轨，集货支撑板的两边分别安装在两个伸缩导轨上，集货支撑板下侧还与两级剪叉机构另一端连接；在集货支撑板上安装电动滚筒，在电动滚筒上安装传送皮带，所述集货筐设置在传送皮带上。

采用上述方案后，本发明的移动仓储机器人经2个主要环节完成货物的拣选：第一步，自动引导车、双立柱升降装置及横向移动装置在仓库管理系统（WMS）及导航系统指引下移动至目标货物所在货架的行、列及货架层，进行粗略定位，第二步，机器视觉系统触发拍照，根据其采集的目标货物图像数据进行识别并精确定位，为双立柱升降装置、横向移动装置、三关节机械臂、末端执行器进一步提供精确的定位信息，完成抓取作业。

在粗略定位后，移动仓储机器人各个机构动作具体是：双立柱升降装置带动横向移动装置、三关节机械臂和末端执行器进行升降运动，以调节末端执行器的高度，横向移动装置带动三关节机械臂和末端执行器水平的横向移动，以调节末端执行器与货物的距离，最后由三关节机械臂微调末端执行器的位置，以使末端控制器获得最佳的抓取/吸取货物的位置进行取货，取货成功后，在通过上述机构调节末端控制器的位置，同时通过调整可伸缩集货箱的配置，使其配合末端执行器，将取下的货物放在可伸缩集货箱中；

以上便是本发明的取货过程，同样在补货时，货物放在可伸缩集货箱中，机器视觉系统引导自动引导车至指定位置，通过双立柱升降装置、横向移动装置、三关节机械臂调节末端控制器的位置，使末端控制器抓取/吸取可伸缩集货箱中的货物，再放置于货架上。上述的仓库管理系统（WMS）为现有的管理仓库货物的系统，其存储有货物标号、位于货柜的位置信息以及货柜编号、货柜位置信息，而导航系统则是现有的一种根据上述仓库管理系统存储的信息为仓储机器人提供导航（行走线路）的定位系统。

本发明有益效果在于：通过双立柱纵向移动装置和横向移动装置，实现垂直的升降运动和水平的横向移动两个自由度的运动，在通过三关节机械臂实现水平三个自由度运动，再配合可对拣选货物进行识别与定位的机器视觉系统，可引导末端执行器准确拣取货物；

这样通过双立柱升降装置、横向移动装置、三关节关节机械臂一起构成五自由度位置调整机构，实现整个货架从底部到顶部、从左侧到右侧、从前排到后排的全方位识别、定位与拣选作业。而且，由于本发明运动具有高度灵活性，可满足货架位置补货作业。

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1是本发明的总装结构示意图；

图2是本发明的爆炸图；

图3是本发明的自动引导车的爆炸图；

图4是本发明双立柱升降装置的爆炸图；

图5是本发明横向移动装置的爆炸图；

图6是本发明三关节机械臂的爆炸图；

图7是本发明可伸缩集货箱7的爆炸图；

图8是本发明取货状态图；

图9是本发明取货状态侧视图；

图10是本发明取货状态俯视图；

图11是本发明取货状态后视图。

标号说明

自动引导车1，车底板11，后支撑轮12，控制车厢13，转向装置14，电驱动装置15，蓄电池16，传感器17，后轮盖18，隔板19，双立柱升降装置2，底梁21，立柱22，升降驱动电机23，顶梁24，直线导轨机构25，升降支撑板26，横向移动装置3，上横梁导轨31，下横梁导轨32，横梁33，横向驱动电机34，横向移动支撑板35，三关节机械臂4，关节基座41，第一转杆42，第二转杆43，第三转杆44，第一电机45，第二电机46，第三电机47，机器视觉系统5，末端执行器6，可伸缩集货箱7，集货架71，集货支撑板72，两级剪叉机构73，电动滚筒74，传送皮带75，集货筐76，伸缩导轨77，侧板78，货架8，货物9。

具体实施方式

如图1所示，本发明揭示的一种移动仓储机器人，包括：

用于支撑和驱动机器人整体行走的自动引导车1；

安装于自动引导车中部后端的双立柱升降装置2；

安装在双立柱升降装置上的横向移动装置3，该横向移动装置3可由该双立柱升降装置2驱动而垂直地升降运动；

安装在横向移动装置3上的三关节机械臂4和机器视觉系统5，该三关节机械臂4和机器视觉系统5可由该横向移动装置3驱动而水平地左右移动，且可随横向移动装置3在双立柱升降装置2驱动下垂直地升降运动；

安装在三关节机械臂4末端的末端执行器6，该末端执行器6用于在三关节机械臂4的驱动下运动至特定位置，以抓取或释放货物；以及

设置在自动引导车上部前端的可伸缩集货箱7，该可伸缩集货箱可朝向三关节机械臂进行伸缩运动以配合末端执行器装卸货物；

所述自动引导车1的行走在仓库管理系统及导航系统指引下，双立柱升降装置2与横向移动装置3在货架层级间根据目标货物位置运动过程也由仓库管理系统及导航系统指引，机器视觉系统5用于根据其在货架层采集的图像数据为双立柱升降装置2、横向移动装置3、三关节机械臂4、末端执行器6提供精确的货物定位信息。

如图2和3所示，自动引导车1具体包括车底板11、设置在车底板11后端的两个后支撑轮12、设置在车底板11前端的控制车厢13、设置在控制车厢13内的转向装置14、设置在控制车厢内且与转向装置14连接的电驱动装置15以及与电驱动装置连接的蓄电池16；控制车厢前端安装传感器17，传感器17可以是地面导航信息传感器、货架及其它机器人等地上移动或静止物体传感器等，其作用是导航、避障、初步货架定位，车底板11后端还安装一用于盖合两个支撑轮的后轮盖18，控制车厢13内还设置用于将电驱动装置15与蓄电池16分隔的隔板19。

如图4所示，双立柱升降装置2包括固定在自动引导车中部后端的底梁21、两根竖直且相互平行地安装在底梁上的立柱22、安装在底梁21一端的升降驱动电机23以及将两根立柱22上端连接起来的顶梁24；两根立柱22上均设置一直线导轨机构25，底梁21内设有与升降驱动电机输出轴连接的减速机构（图中未示出），减速机构与直线导轨机构25一端连接以驱动其进行升降运动，直线导轨机构25上还安装一块可随直线导轨机构进行升降运动的升降支撑板26。

如图5所示，横向移动装置3包括上横梁导轨31、下横梁导轨32、横梁33、横向驱动电机34以及横向移动支撑板35，上横梁导轨31与下横梁导轨32相互平行地安装在横梁33上，横梁33两端分别固定在两个直线导轨机构25的升降支撑板26上，横向驱动电机34的输出轴与上、下横向导轨31、32分别连接，横向移动支撑板35安装在所述上、下横向导轨31、32上且可以随上、下横向导轨31、32水平的横向移动。

如图6所示，三关节机械臂4包括关节基座41、第一转杆42、第二转杆43、第三转杆44以及第一电机45、第二电机46和第三电机47；关节基座41固定在横向移动装置3上，第一转杆42移动通过第一电机45的输出轴与关节基座41枢接，第一转杆42另一端通过第二电机46的输出轴与第二转杆43一端枢接，第二转杆43另一端通过第三电机47的输出轴与第三转杆44一端枢接；末端执行器6安装在第三转杆44的另一端，本发明的三关节机械臂4在两根转杆之间均单独采用一个电机来控制其转动过程，而每个电机的控制也是分开进行的，每根转杆都能够单独水平转动，让机械臂4的运动更精细化；末端控制器5采用真空吸盘组件或机械抓取装置。

如图7所示，可伸缩集货箱7包括集货架71、集货支撑板72、两级剪叉机构73、电动滚筒74、传送皮带75和集货筐76；两级剪叉机构73一端固定在集货架71一侧，集货架71的两端分别设置一伸缩导轨77，集货支撑板72的两边分别安装在两个伸缩导轨77上，集货支撑板72下侧还与两级剪叉机构73另一端连接；在集货支撑板72上安装电动滚筒74，在电动滚筒74上安装传送皮带75，集货筐76设置在传送皮带75上，该部分机构运动时，两级剪叉机构73一端通过一侧板78固定在集货架71的一侧，另一端则进行伸缩运动，其推动集货支撑板72在伸缩导轨77向集货架71外侧伸出，从而带动集货筐76向外运动，当末端执行器拣取货物至集货筐76中时，两级剪叉机构73再缩回，使集货筐76返回至集货架71内，当机器人到达卸货区时，可启动电动滚筒74，使集货筐76从集货架71传送出去，完成卸货。如图7所示，在自动引导车1前端可设置两个以上的可伸缩集货箱7，满足一次处理多个订单的拣货要求。末端执行器6抓取货物后，某一可伸缩集货箱7的集货筐76伸出，收集拣取的货物并缩回。

上述的电驱动装置15、升降驱动电机23、横向驱动电机34、第一电机45、第二电机46、第三电机47、两级剪叉机构73以及电动滚筒74均与仓库管理系统（WMS）及导航系统连接，通过仓库管理系统（WMS）及导航系统获取的坐标来控制自动引导车1、双立柱升降装置2、横向移动装置3、三关节机械臂4、末端执行器6的运动过程，从而使末端执行器6能够精确定位货物的位置。

以下为本发明的拣取货物过程：

如图8-11所示，移动仓储机器人经2个主要环节完成货物的拣选：第一步，自动引导车1、双立柱升降装置2及横向移动装置3在仓库管理系统（WMS）及导航系统指引下移动至目标货物所在货架的行、列及货架层，进行粗略定位，第二步，机器视觉系统5触发拍照，根据其采集的目标货物图像数据进行识别并精确定位，为双立柱升降装置2、横向移动装置3、三关节机械臂4、末端执行器6进一步提供精确的定位信息，完成抓取作业。

在粗略定位后，移动仓储机器人各个机构动作具体是：双立柱升降装置2带动横向移动装置3、三关节机械臂4和末端执行器6进行升降运动，以调节末端执行器6的高度，横向移动装置3带动三关节机械臂4和末端执行器水平8的横向移动，以调节末端执行器8与货物9的距离，最后由三关节机械臂4微调末端执行器6的位置，以使末端控制器6获得最佳的抓取/吸取货物的位置进行取货，取货成功后，在通过上述机构调节末端控制器6的位置，同时通过调整可伸缩集货箱7的位置，使其配合末端执行器6，将取下的货物放在可伸缩集货箱7中。

以上仅为本发明的具体实施例，并非对本发明的保护范围的限定。凡依本案的设计思路所做的等同变化，均落入本案的保护范围。

Claims (7)

1.一种移动仓储机器人，其特征在于，包括：

用于支撑和驱动机器人整体行走的自动引导车；

安装于自动引导车中部后端的双立柱升降装置；

安装在双立柱升降装置上的横向移动装置，该横向移动装置可由该双立柱升降装置驱动而垂直地升降运动；

安装在横向移动装置上的三关节机械臂和机器视觉系统，该三关节机械臂和机器视觉系统可由该横向移动装置驱动而水平地左右移动，且可随横向移动装置在双立柱升降装置驱动下垂直地升降运动；

安装在三关节机械臂末端的末端执行器，该末端执行器用于在三关节机械臂的驱动下运动至特定位置，以抓取或释放货物；以及

设置在自动引导车上部前端的可伸缩集货箱，该可伸缩集货箱可朝向三关节机械臂进行伸缩运动以配合末端执行器装卸货物；

所述自动引导车的行走由仓库管理系统及导航系统指引，双立柱升降装置与横向移动装置在货架层级间根据目标货物位置运动过程也由仓库管理系统及导航系统指引，机器视觉系统用于根据其在货架层采集的图像数据为双立柱升降装置、横向移动装置、三关节机械臂、末端执行器提供精确的货物定位信息。

2.如权利要求1所述的一种移动仓储机器人，其特征在于：所述自动引导车包括车底板、设置在车底板后端的两个后支撑轮、设置在车底板前端的控制车厢、设置在控制车厢内的转向装置、设置在控制车厢内且与转向装置连接的电驱动装置以及与电驱动装置连接的蓄电池；所述控制车厢前端安装传感器，车底板后端还安装一用于盖合两个支撑轮的后轮盖。

3.如权利要求1所述的一种移动仓储机器人，其特征在于：所述双立柱升降装置包括固定在自动引导车中部后端的底梁、两根竖直且相互平行地安装在底梁上的立柱、安装在底梁一端的升降驱动电机以及将两根立柱上端连接起来的顶梁；两根立柱上均设置一直线导轨机构，底梁内设有与升降驱动电机输出轴连接的减速机构，所述减速机构与直线导轨机构一端连接以驱动其进行升降运动，所述直线导轨机构上还安装一块可随直线导轨机构进行升降运动的升降支撑板。

4.如权利要求3所述的一种移动仓储机器人，其特征在于：所述横向移动装置包括上横梁导轨、下横梁导轨、横梁、横向驱动电机以及横向移动支撑板，所述上横梁导轨与下横梁导轨相互平行地安装在所述横梁上，所述横梁两端分别固定在两个直线导轨机构的升降支撑板上，所述横向驱动电机的输出轴与上、下横向导轨分别连接，所述横向移动支撑板安装在所述上、下横向导轨上且可以随上、下横向导轨水平的横向移动。

5.如权利要求1所述的一种移动仓储机器人，其特征在于：所述三关节机械臂包括关节基座、第一转杆、第二转杆、第三转杆以及第一电机、第二电机和第三电机；所述关节基座固定在横向移动装置上，第一转杆移动通过第一电机的输出轴与所述关节基座枢接，第一转杆另一端通过第二电机的输出轴与第二转杆一端枢接，第二转杆另一端通过第三电机的输出轴与第三转杆一端枢接；所述末端执行器安装在第三转杆的另一端。

6.如权利要求1所述的一种移动仓储机器人，其特征在于：所述末端控制器采用真空吸盘组件或机械抓取装置。

7.如权利要求1所述的一种移动仓储机器人，其特征在于：所述可伸缩集货箱包括集货架、集货支撑板、两级剪叉机构、电动滚筒、传送皮带和集货筐；所述两级剪叉机构一端固定在集货架一侧，所述集货架的两端分别设置一伸缩导轨，集货支撑板的两边分别安装在两个伸缩导轨上，集货支撑板下侧还与两级剪叉机构另一端连接；在集货支撑板上安装电动滚筒，在电动滚筒上安装传送皮带，所述集货筐设置在传送皮带上。