CN108098773A - 一种机器人的分拣控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种机器人的分拣控制系统，用于运输物料的输送线上方设有用于获取物料图像信息的工业相机，所述工业相机将获取的图像信息输送至工业计算机，所述工业计算机输出识别信号至工业机器人的控制器，所述输送线旁设有运输已分拣物料的同步带，所述工业机器人位于同步带和运输线的上方，所述工业机器人的端部设有用于拾取物料的气动组件，沿所述同步带运动方向依次设有进盘位置、装盘位置、满盘位置和出盘位置，所述同步带上设有固定托盘的挡块，所述进盘位置和装盘位置设有独立的伺服驱动系统，所述装盘位置和满盘位置共用一个伺服驱动系统。本发明的优点在于控制系统设计结构简单合理，自动化程度高，全程无人参与，分拣速度快，摆放整齐，极大提高生产效率，能够有效保证医药食品的安全。

Description

一种机器人的分拣控制系统和方法

技术领域

本发明涉及机器人分拣领域，并可扩展用到医药食品生产领域。

背景技术

随着生活质量的提高，医药食品电子等行业得到迅速发展，物料的分拣工作非常繁重，普通的人工已经无法满足企业对产品一致性要求，且人工分拣生产效率低，操作人员劳动强度大，同时过多的人员参与接触物料，无法保证医药食品电子质量安全。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现一种能够高速进行分拣操作的机器人控制系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种机器人的分拣控制系统，用于运输物料的输送线上方设有用于获取物料图像信息的工业相机，所述工业相机将获取的图像信息输送至工业计算机，所述工业计算机输出识别信号至工业机器人的控制器，所述输送线旁设有运输已分拣物料的同步带，所述工业机器人位于同步带和运输线的上方，所述工业机器人的端部设有用于拾取物料的气动组件，沿所述同步带运动方向依次设有进盘位置、装盘位置、满盘位置和出盘位置，所述同步带上设有固定托盘的挡块，所述进盘位置和装盘位置设有独立的伺服驱动系统，所述装盘位置和满盘位置共用一个伺服驱动系统。

所述进盘位设有两个伺服驱动系统，包括将托盘运送到进盘位置的进盘伺服驱动系统，以及将托盘由进盘位置运送到装盘位置的转运伺服驱动系统，所述相邻挡块之间的间隙与托盘长度相同。

所述同步带和和输送线为PLC子系统，由PLC驱动工作，所述PLC与工业机器人的控制器实时交互。

所述输送线的从动轮上设有编码器，所述编码器输出信号至PLC。

所述输送线由自上而下阶梯状分布的输送单元构成，每层所述输送单元由独立的电机驱动运转，每层所述输送单元的末端位于下一层输送单元的拾取区域始端的上方，所述工业相机的图像采集范围包括每层输送单元的拾取区域。

所述工业计算机包括图像滤波模块、图像分割模块、特征提取模块、图像匹配模块和定位算法模块，所述工业相机将采集的图像输送至图像滤波模块，由所述图像滤波模块处理后的图像信息分别由图像分割模块、特征提取模块、图像匹配模块将图像中有效目标从背景中分离出来，再输送至定位算法模块获得有效目标的位姿与位置信号，再输送至工业机器人的控制器。

基于所述机器人的分拣控制系统的控制方法：

1)同步带工作，将托盘依次运送至进盘位置、装盘位置、满盘位置和出盘位置；

2)输送线将物料输送至拾取区域，工业相机将获取并识别的物料图像信息，工业计算机将识别的信号输送至工业机器人的控制器；

3)控制器驱动工业机器人运动至输送线上待拾取的物料上方，待控制气动组件拾取物料后，驱动工业机器人至装盘位置上方，气动组件将被拾取的物料放置到托盘上。

所述1)包括以下步骤：

步骤1-1、系统初始化，同步带的伺服驱动系统在原位；

步骤1-2、托盘准备进入同步带的进盘位置；

步骤1-3、进盘位置传送伺服将托盘送入装盘位置，同时进盘位置等待下一个托盘；

步骤1-4、工业机器人在装盘位置的托盘上摆满一排物料后，装盘位置的同步带的伺服驱动系统步进设定距离，待装盘位置的托盘满盘，将满盘托盘移至满盘位置，新的空托盘由进盘位置送至装盘位置；

步骤1-5、满盘位置上已装满物料的托盘由步骤1-4中装盘位置输送至来的满盘托盘推送至出盘位置。

所述2)包括以下步骤：

步骤2-1、工业相机获取图像信息；

步骤2-2、图像滤波模块消除采集的图像信息中的高低频噪声信号；

步骤2-3、图像分割模块、特征提取和图像匹配模块将采集的图像信息中有效目标从背景中分离出来，通过计算有效目标的特征值，提取有用的特征进行图像匹配，图像匹配算法求出物料位姿与标准位姿的像素偏差值；

步骤2-4、定位算法模块根据像素偏差值、工业相机坐标系和工业机器人坐标系的转换关系计算出物料在机器人坐标系中的位姿；

步骤2-5、将物料的位姿输送至工业机器人的控制器。

所述3)包括以下步骤：

步骤3-1、工业机器人的控制器获取到物料的位姿信息；

步骤3-2、工业机器人调整姿态，并在输送线拾取区域等待；

步骤3-3、物料进入输送线拾取区域后，工业机器人在保证姿态情况下，以设定速度追赶物料；

步骤3-3、当工业机器人速度等于输送线反馈运行速度时，工业机器人上的气动组件3生真空拾取物料；

步骤3-4、工业机器人位姿调整到同步带的装盘位置，工业机器人的气动组件破坏真空，将物料摆放在托盘上。

本发明的优点在于控制系统设计结构简单合理，自动化程度高，全程无人参与，分拣速度快，摆放整齐，极大提高生产效率，能够有效保证医药食品的安全。

附图说明

下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为机器人的分拣控制系统框图；

图2为机器人的分拣控制系统结构原理图；

图3为图1中输送线结构示意图；

上述图中的标记均为：1、进盘位置；2、装盘位置；3、满盘位置；4、出盘位置；5、输送线；6、工业机器人；7、气动组件；8、工业相机；9、编码器；10、挡块；11、托盘。

具体实施方式

如图1所示，机器人的分拣控制系统包括PLC子系统、视觉子系统和机器人子系统。

PLC子系统包括同步带、输送线5，同步带和输送线5的动机单元由PLC驱动，同步带为连续传输托盘11的转运转轴，分为四个部分，包括进盘位置1、装盘位置2、满盘位置3、出盘位置4，能够有效解决换盘间隙时间长的问题，提高了工作节拍。进盘位置1有二个伺服驱动系统组成，一个负责进盘，另一个负责传送托盘11；装盘位置2和满盘位置3共一个伺服驱动系统，主要传送托盘11和接料；出盘位置4有一个驱动系统组成，主要将满盘送出；同步带上安装挡块10，相邻挡块10之间间距为L₁，L₁长度等于托盘11长度，其距离可调，同步带依靠挡块10推动托盘11；具体过程如下：

第一步：系统初始化，同步带的伺服驱动系统在原位；

第二步：托盘11准备进入同步带，进盘位置1进盘伺服负责将托盘11精确定位在进盘位置1即进盘位置1；

第三步：进盘位置1传送伺服将托盘11移动L₁，托盘11进入装盘位置2即装盘位置2，同时进盘位置1等待下一个托盘11；

第四步：工业机器人6在输送线5上分拣拾取物料，工业机器人6位姿调整到同步带装盘位置2，将物料整齐摆放在托盘11上，工业机器人6在托盘11上摆满一排物料，装盘位置2伺服将步进L₂，L₂长度等于物料长度，逐步地一排一排整齐摆放，直至满盘，装盘位置2伺服会将托盘11移至满盘位置3即满盘位置3；同时装盘位置2等待进盘位置1传送的下一个托盘11；

第五步：在下一个托盘11从进盘位置1传送至装盘位置2，同样，工业机器人6位姿调整到同步带装盘位置2，将物料整齐摆放在托盘11上，工业机器人6在托盘11上摆满一排物料，装盘位置2伺服将步进L₂，此时满盘位置3的托盘11随着下一个托盘11步进移动，其托盘11也同步传送至出盘位置4即出盘位置4。

PLC子系统中同步带位置信息与机器人控制器是实时交互的。

输送线5用来传送物料的，为了有效解决物料叠加，如图3所示，输送线5以阶梯式的方式进行布置，每一段输送单元速度是独立可调的，利用输送单元之间的高度差和速度差来实现物料分离。

具体地工业相机8和工业计算机属于视觉子系统，视觉子系统用来获取物料的位姿信息并将该信息发送至机器人控制器，视觉子系统设置有图像采集模块、图像滤波模块、图像分割模块、特征提取模块、图像匹配模块和定位算法模块，其图像采集模块用于对输送线5采集图像，图像滤波模块用于对采集图像中可能影响识别的高低频噪声信号进行消除，图像分割模块、特征提取和图像匹配模块是将图像中有效目标从背景中分离出来，通过计算有效目标的特征值，提取有用的特征进行图像匹配，图像匹配算法求出物料位姿与标准位姿的像素偏差值(U_j，V_j，θ_j)，定位算法根据像素坐标系、工业相机8坐标系和机器人坐标系的转换关系计算出物料在机器人坐标系中的位姿，公式如下：

其中θ₁＝θ_j，M_s为像素坐标系、工业相机8坐标系和机器人坐标系的转换关系，M_s采用相机标定和机器人手眼标定的方法求解得到，公式如下：

具体地工业机器人6、编码器9、和工业机器人6末端气动组件7属于机器人子系统，工业机器人6安装在同步带的上方，保证工业机器人6的臂展可以覆盖同步带装盘位置2和输送线5拾取区域，工业机器人6末端安装气动组件7，用来拾取和释放物料，工业机器人6接受到物料在机器人坐标系中的位姿信息，同时读取编码器9反馈输送线5运行速度V₁，工业机器人6通过追踪拾取算法对物料进行追踪定位，具体过程如下：

第一步：视觉子系统将物料位姿信息发送至机器人子系统；

第二步：工业机器人6调整姿态，并在输送线5拾取区域等待；

第三步：物料进入输送线5拾取区域，工业机器人6在保证姿态情况下，以)速度追赶物料；

第四步：当工业机器人6速度等于输送线5反馈运行速度V₁时，工业机器人6末端气动组件7发生真空拾取物料；

第五步：工业机器人6位姿调整到同步带装盘位置2，工业机器人6末端气动组件7破坏真空，将物料整齐摆放在托盘11上。

为了防止输送线5上皮带打滑，编码器9安装输送线5的从动轮上。

机器人子系统、视觉子系统和PLC子系统通过T满盘位置3P通讯实现数据交换。

整个系统的工作控制方法如下：

1、系统初始化；

2、托盘11准备进入同步带，进盘位置1进盘伺服负责将托盘11精确定位在进盘位置1即进盘位置1；随后进盘位置1传送伺服将托盘11移动L₁，托盘11进入装盘位置2即装盘位置2，同时进盘位置1等待下一个托盘11；

3、物料在输送线5上，通过输送线5之间的高度差和速度差有效地将物料分离，便于视觉子系统检测；

4、视觉子系统采集输送线5上图像，经图像采集模块、图像滤波模块、图像分割模块、特征提取模块、图像匹配模块和定位算法模块计算处理，计算出物料的机器人坐标系中的位姿，同时将其数据发送至机器人控制器；

5、依据物料位姿数据，工业机器人6对物料进行追踪分拣，工业机器人6末端气动组件7发生真空拾取物料，工业机器人6位姿调整到同步带装盘位置2，工业机器人6末端气动组件7破坏真空，将物料整齐摆放在托盘11上。

6、工业机器人6在托盘11上摆满一排物料，同步带的装盘位置2伺服将步进L₂，逐步地一排一排整齐摆放，直至满盘，装盘位置2伺服会将托盘11移至满盘位置3即满盘位置3；同时装盘位置2等待进盘位置1传送的下一个托盘11；

7、在下一个托盘11从进盘位置1传送至装盘位置2，同样，工业机器人6位姿调整到同步带装盘位置2，将物料整齐摆放在托盘11上，工业机器人6在托盘11上摆满一排物料，装盘位置2伺服将步进L₂，此时满盘位置3的托盘11随着下一个托盘11步进移动，其托盘11也同步传送至出盘位置4即出盘位置4。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机器人的分拣控制系统，用于运输物料的输送线上方设有用于获取物料图像信息的工业相机，所述工业相机将获取的图像信息输送至工业计算机，所述工业计算机输出识别信号至工业机器人的控制器，所述输送线旁设有运输已分拣物料的同步带，所述工业机器人位于同步带和运输线的上方，所述工业机器人的端部设有用于拾取物料的气动组件，其特征在于：沿所述同步带运动方向依次设有进盘位置、装盘位置、满盘位置和出盘位置，所述同步带上设有固定托盘的挡块，所述进盘位置和装盘位置设有独立的伺服驱动系统，所述装盘位置和满盘位置共用一个伺服驱动系统。

2.根据权利要求1所述的机器人的分拣控制系统，其特征在于：所述进盘位设有两个伺服驱动系统，包括将托盘运送到进盘位置的进盘伺服驱动系统，以及将托盘由进盘位置运送到装盘位置的转运伺服驱动系统，所述相邻挡块之间的间隙与托盘长度相同。

3.根据权利要求1或2所述的机器人的分拣控制系统，其特征在于：所述同步带和和输送线为PLC子系统，由PLC驱动工作，所述PLC与工业机器人的控制器实时交互。

4.根据权利要求3所述的机器人的分拣控制系统，其特征在于：所述输送线的从动轮上设有编码器，所述编码器输出信号至PLC。

5.根据权利要求1或4所述的机器人的分拣控制系统，其特征在于：所述输送线由自上而下阶梯状分布的输送单元构成，每层所述输送单元由独立的电机驱动运转，每层所述输送单元的末端位于下一层输送单元的拾取区域始端的上方，所述工业相机的图像采集范围包括每层输送单元的拾取区域。

6.根据权利要求1所述的机器人的分拣控制系统，其特征在于：所述工业计算机包括图像滤波模块、图像分割模块、特征提取模块、图像匹配模块和定位算法模块，所述工业相机将采集的图像输送至图像滤波模块，由所述图像滤波模块处理后的图像信息分别由图像分割模块、特征提取模块、图像匹配模块将图像中有效目标从背景中分离出来，再输送至定位算法模块获得有效目标的位姿与位置信号，再输送至工业机器人的控制器。

7.基于权利要求1-6所述机器人的分拣控制系统的控制方法，其特征在于：

1)同步带工作，将托盘依次运送至进盘位置、装盘位置、满盘位置和出盘位置；

2)输送线将物料输送至拾取区域，工业相机将获取并识别的物料图像信息，工业计算机将识别的信号输送至工业机器人的控制器；

3)控制器驱动工业机器人运动至输送线上待拾取的物料上方，待控制气动组件拾取物料后，驱动工业机器人至装盘位置上方，气动组件将被拾取的物料放置到托盘上。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述1)包括以下步骤：

步骤1-1、系统初始化，同步带的伺服驱动系统在原位；

步骤1-2、托盘准备进入同步带的进盘位置；

步骤1-3、进盘位置传送伺服将托盘送入装盘位置，同时进盘位置等待下一个托盘；

步骤1-4、工业机器人在装盘位置的托盘上摆满一排物料后，装盘位置的同步带的伺服驱动系统步进设定距离，待装盘位置的托盘满盘，将满盘托盘移至满盘位置，新的空托盘由进盘位置送至装盘位置；

步骤1-5、满盘位置上已装满物料的托盘由步骤1-4中装盘位置输送至来的满盘托盘推送至出盘位置。

9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述2)包括以下步骤：

步骤2-1、工业相机获取图像信息；

步骤2-2、图像滤波模块消除采集的图像信息中的高低频噪声信号；

步骤2-3、图像分割模块、特征提取和图像匹配模块将采集的图像信息中有效目标从背景中分离出来，通过计算有效目标的特征值，提取有用的特征进行图像匹配，图像匹配算法求出物料位姿与标准位姿的像素偏差值；

步骤2-4、定位算法模块根据像素偏差值、工业相机坐标系和工业机器人坐标系的转换关系计算出物料在机器人坐标系中的位姿；

步骤2-5、将物料的位姿输送至工业机器人的控制器。

10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述3)包括以下步骤：

步骤3-1、工业机器人的控制器获取到物料的位姿信息；

步骤3-2、工业机器人调整姿态，并在输送线拾取区域等待；

步骤3-3、物料进入输送线拾取区域后，工业机器人在保证姿态情况下，以设定速度追赶物料；

步骤3-3、当工业机器人速度等于输送线反馈运行速度时，工业机器人上的气动组件3生真空拾取物料；

步骤3-4、工业机器人位姿调整到同步带的装盘位置，工业机器人的气动组件破坏真空，将物料摆放在托盘上。