CN109051491B - 一种用于取放货架货物的移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于取放货架货物的移动机器人，包括移动平台、控制装置、垂直升降装置、托盘装置、货物抓取装置、货物识别装置、水平旋转装置和导航系统；水平旋转装置安装在移动平台上，垂直升降装置安装在水平旋转装置上，货物抓取装置安装在垂直升降装置上，托盘装置和货物识别装置安装在货物抓取装置上；垂直升降装置用于使物抓取装置实现垂直方向上的移动；水平旋转装置用于使货物抓取装置实现水平方向上的360°旋转；货物识别装置用于实现对各种货物识别和定位；货物抓取装置通过升降、伸缩、旋转运动到货物所在的位置；托盘装置用于承载货物抓取装置拣取的货物并实现装卸。该机器人结构设计紧凑，灵活性高。

Description

一种用于取放货架货物的移动机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体是一种用于取放货架货物的移动机器人。

背景技术

目前，物流行业发生了突飞猛进的发展，智慧物流逐渐从理念走向了实际应用。传统的物流分拣与运输往往主要依靠人工，这种传统方式不仅劳动强度大，效率低，而且节假日极易发生爆仓，从而导致分拨线路严重堵塞，人工物流分拣与运输越来越难以满足市场高速发展的需求。申请号为201610071569.6的文献公开了一种超市自动理货机器人，由移动平台、升降装置、与升降装置连接的抓取机械手、设于升降装置顶部的扫描检测系统、以及控制器构成，解决一些大型超市和商场的理货自动化问题，能够在短时间内将一些散乱堆积的货品依次有序的摆放于货架，且可以自动巡检以保证货架上商品的充足状态。但是该机器人无法抓取高货架物体，抓取的货物也存在局限性。

在大数据的今天，工作环境更加复杂、产品的种类更加丰富、顾客的要求更严格，物流领域针对无人仓储作业环节存在商品识别率低、导航精度不高、抓取机构执行效率低等尚未解决的问题。因此需要设计出满足上述复杂的工作环境和适应性强的机器人。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种用于取放货架货物的移动机器人。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种用于取放货架货物的移动机器人，其特征在于该机器人包括移动平台、控制装置、垂直升降装置、托盘装置、货物抓取装置、货物识别装置、水平旋转装置和导航系统；所述水平旋转装置安装在移动平台上，垂直升降装置安装在水平旋转装置上，货物抓取装置安装在垂直升降装置上，托盘装置和货物识别装置安装在货物抓取装置上；

所述垂直升降装置用于使物抓取装置实现垂直方向上的移动；所述水平旋转装置用于使货物抓取装置实现水平方向上的360°旋转；所述货物识别装置用于实现对各种货物识别和定位；所述货物抓取装置通过升降、伸缩、旋转运动到货物所在的位置；托盘装置用于承载货物抓取装置拣取的货物并实现装卸；

所述垂直升降装置采用多级升降的方式，每一级均采用滚珠丝杆滑台机构，上一级的滑块与下一级的导轨连接；

所述货物抓取装置包括接近检测装置、抓板和伸缩机构；所述接近检测装置安装在抓板的一端；所述伸缩机构采用滚珠丝杆滑台机构，与抓板的另一端连接。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1)本机器人能够在短时间内将一些散乱堆积的货品进行精确分拣抓取，无需人工操作，提高工作效率，同时避免在搬运过程中发生的安全问题；且结构设计紧凑，灵活性高，组装方便。

2)本机器人的垂直升降和水平伸缩采用滚珠丝杆滑台组合的方式，不仅运行高效，制造成本低，大大地简化机械臂结构，提高了抓取的范围，而且对与之配合的移动平台要求不高。

3)垂直升降装置采用多级升降的方式满足货物高度过高的情况，从而初始状态时机器人整体尺寸不会过大，方便行走和存储。

4)水平旋转装置可调角度，这样能够在一定程度上补偿机器人的定位误差。

5)本机器人采用抓板和滚珠丝杆滑台相结合的抓取方式，能够适应不同货物形状、大小及材质，传统的手爪或吸盘等不能适应，抓取方式高效，提升了机器人的适用性。

6)抓板的梯形槽既能减少抓板整体的重量，也能减少抓板底部与货架板接触面积，从而减少摩擦力，实现抓板快速抓取货物。

7)托盘装置采用电动缸为动力源，能够有效装卸货物，设计巧妙简单，控制方便。

8)下位机采用Arduino板便于开发设计；Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源硬件产品，具有丰富的接口，有数字I/O口、模拟I/O口，同时支持SPI、IIC、UART串口通信；能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他装置来反馈、影响环境；没有复杂的单片机底层代码，没有难懂的汇编，只是简单而实用的函数；而且具有简便的编程环境IDE，极大的自由度，可拓展性能非常高；最后通过ROS控制Arduino板来驱动各个电机。

9)通过深度相机的深度学习算法能够实现智能分拣非标准货物。

10)导航系统采用成熟的基于激光雷达的方法，可以自动导航以保证将货架上货物运送到中转箱。

附图说明

图1为本发明用于取放货架货物的移动机器人一种实施例的整体结构示意图；

图2为本发明用于取放货架货物的移动机器人一种实施例的控制装置结构示意图；

图3为本发明用于取放货架货物的移动机器人一种实施例的垂直升降装置结构示意图；

图4为本发明用于取放货架货物的移动机器人一种实施例的货物抓取装置结构示意图；

图5为本发明用于取放货架货物的移动机器人一种实施例的抓板结构示意图；

图6为本发明用于取放货架货物的移动机器人一种实施例的托盘装置结构示意图；

图7为本发明用于取放货架货物的移动机器人一种实施例的货物识别装置结构示意图；

图8为本发明用于取放货架货物的移动机器人一种实施例的水平旋转装置结构示意图；

图9为本发明用于取放货架货物的移动机器人一种实施例的控制装置控制原理图；(图中：1、移动平台；2、控制装置；3、垂直升降装置；4、托盘装置；5、货物抓取装置；6、货物识别装置；7、水平旋转装置；8、导航系统；21、控制支架；22、工控机；23、Arduino板；24、电机驱动器；31、一级升降机构；32、二级升降机构；33、连接件；34、固定基座；3101、第一步进电机；3102、第一电机挡板；3103、第一联轴器；3104、第四深沟球轴承；3105、第一丝杠支架；3106、第一丝杠；3107、第一导轨；3108、第一滑块；3109、第三深沟球轴承；3110、第一末端挡板；3201、第二末端挡板；3202、第一深沟球轴承；3203、第二滑块；3204、第二导轨；3205、第二丝杠；3206、第二丝杠支架；3207、第二联轴器；3208、第二深沟球轴承；3209、第二电机挡板；3210、第二步进电机；41、电动缸后支架；42、电动缸；43、托盘支架；44、U型连接件；45、T型连接件；46、电动缸前支架；47、托盘；51、接近检测装置；52、抓板；53、伸缩机构；5301、第三滑块；5302、第三导轨；5303、第三丝杠；5304、第三联轴器；5305、第三步进电机；5306、第三电机挡板；5307、第六深沟球轴承；5308、第三丝杠支架；5309、第五深沟球轴承；5310、第三末端挡板；61、深度相机；62、相机支架；71、旋转台；72、基座盘)

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种用于取放货架货物的移动机器人(简称机器人，参见图1-9)，其特征在于该机器人包括移动平台1、控制装置2、垂直升降装置3、托盘装置4、货物抓取装置5、货物识别装置6、水平旋转装置7和导航系统8；所述水平旋转装置7安装在移动平台1上，控制装置2、垂直升降装置3和导航系统8安装在水平旋转装置7上，货物抓取装置5安装在垂直升降装置3上，托盘装置4和货物识别装置6安装在货物抓取装置5上；

所述控制装置2控制机器人控制各部件的动作并完成拣货作业；所述垂直升降装置3用于使物抓取装置5实现垂直方向上的移动；所述水平旋转装置7用于使货物抓取装置5实现水平方向上的360°旋转；所述货物识别装置6用于实现对各种货物识别和定位；所述货物抓取装置5通过升降、伸缩、旋转运动到货物所在的位置；托盘装置4用于承载货物抓取装置5拣取的货物并实现装卸；由货物抓取装置5分拣出的货物掉落到托盘装置4的位置，然后通过移动平台1将货物送出。

所述控制装置2包括控制支架21、工控机22、Arduino板23和电机驱动器24；所述控制支架21和电机驱动器24安装在水平旋转装置7上；所述工控机22和Arduino板23安装在控制支架21上；所述工控机22通过CAN总线和Arduino板23相互通讯连接；工控机22通过CAN总线与移动平台1相互通讯连接；工控机22通过USB3.0分别与深度相机61和导航系统8通讯连接；所述Arduino板23通讯连接到电机驱动器24再控制第一步进电机3101和第二步进电机3210来实现货物抓取装置5的上下移动，Arduino板23通讯连接到电机驱动器24再控制第三步进电机5305实现抓板52的前后移动，Arduino板23通讯连接到电机驱动器24再控制电动缸42来实现托盘47的储货与卸货功能，Arduino板23通讯连接到电机驱动器24再控制旋转台71来实现整个机器臂的旋转；

所述垂直升降装置3可以采用多级升降的方式，每一级均采用滚珠丝杆滑台机构以满足高度要求，上一级的滑块与下一级的导轨连接；本实施例是采用二级升降，具体是：包括一级升降机构31、二级升降机构32、连接件33和固定基座34；所述固定基座34固定在水平旋转装置7的基座盘72上，一级升降机构31安装在固定基座34上，二级升降机构32通过连接件33安装在一级升降机构31上；

所述一级升降机构31包括第一步进电机3101、第一电机挡板3102、第一联轴器3103、第四深沟球轴承3104、第一丝杠支架3105、第一丝杠3106、第一导轨3107、第一滑块3108、第三深沟球轴承3109和第一末端挡板3110；所述第一导轨3107竖直放置，通过固定基座34安装在水平旋转装置7的基座盘72上，其两端分别安装有第一电机挡板3102和第一末端挡板3110；所述第一丝杠支架3105通过螺钉安装在第一导轨3107上；所述第一丝杠3106的两端分别通过第四深沟球轴承3104和第三深沟球轴承3109安装在第一丝杠支架3105和第一末端挡板3110上，位于第一导轨3107内；所述第一步进电机3101固定在第一电机挡板3102上，其输出轴通过第一联轴器3103连接到第一丝杠3106上；所述第一滑块3108套在第一丝杠3106上，能够沿第一丝杠3106往返运动；控制装置2的Arduino板23向第一步进电机3101发送运动指令，第一步进电机3101转动带动第一丝杠3106运动，从而实现一级升降运动；

所述二级升降机构32包括第二末端挡板3201、第一深沟球轴承3202、第二滑块3203、第二导轨3204、第二丝杠3205、第二丝杠支架3206、第二联轴器3207、第二深沟球轴承3208、第二电机挡板3209和第二步进电机3210；所述第二导轨3204竖直放置，通过连接件33安装在第一滑块3108上，其两端分别安装有第二电机挡板3209和第二末端挡板3201；所述第二丝杠支架3206通过螺钉安装在第二导轨3204上；所述第二丝杠3205的两端分别通过第二深沟球轴承3208和第一深沟球轴承3202安装在第二丝杠支架3206和第二末端挡板3201上，位于第二导轨3204内；所述第二步进电机3210固定在第二电机挡板3209上，其输出轴通过第二联轴器3207连接到第二丝杠3205上；所述第二滑块3203套在第二丝杠3205上，能够沿第二丝杠3205往返运动；控制装置2的Arduino板23向第二步进电机3210发送运动指令，第二步进电机3210转动带动第二丝杠3205运动，从而实现二级升降运动；控制装置2的Arduino板23可以同时向第一步进电机3101和第二步进电机3210发送运动指令，一级升降和二级升降可以同时运动，以实现双倍的运动速度；

所述货物抓取装置5包括接近检测装置51、抓板52和伸缩机构53；所述接近检测装置51采用光电式接近开关，安装在抓板52的一端，用于检测抓板52是否靠近货架；所述伸缩机构53采用滚珠丝杆滑台机构，具体是包括第三滑块5301、第三导轨5302、第三丝杠5303、第三联轴器5304、第三步进电机5305、第三电机挡板5306、第六深沟球轴承5307、第三丝杠支架5308、第五深沟球轴承5309和第三末端挡板5310；所述第三导轨5302水平放置，与第二滑块3203连接，其两端分别安装有第三电机挡板5306和第三末端挡板5310；所述第三丝杠支架5308通过螺钉安装在第三导轨5302上；所述第三丝杠5303的两端分别通过第六深沟球轴承5307和第五深沟球轴承5309安装在第三丝杠支架5308和第三末端挡板5310上，位于第三导轨5302内；所述第三步进电机5305固定在第三电机挡板5306上，其输出轴通过第三联轴器5304连接到第三丝杠5303上；所述第三滑块5301套在第三丝杠5303上，能够沿第三丝杠5303往返运动；第三滑块5301与抓板52的另一端连接，带动抓板52运动；控制装置2的Arduino板23向第三步进电机5305发送运动指令，第三步进电机5305转动带动第三丝杠5303运动，从而实现抓板52的前后伸缩；

优选地，抓板52具有梯形槽5201；

所述托盘装置4包括电动缸后支架41、电动缸42、托盘支架43、U型连接件44、T型连接件45、电动缸前支架46和托盘47；所述电动缸后支架41固定在第三导轨5302上；所述电动缸42一端通过销轴与电动缸后支架41连接，另一端通过销轴与电动缸前支架46连接，电动缸前支架46通过螺栓与托盘47固定连接；所述托盘支架43通过螺钉固定在第三导轨5302上，U型连接件44通过螺栓与托盘支架43固定连接，T型连接件45通过销轴与U型连接件44连接，T型连接件45通过螺栓与托盘47固定连接；T型连接件45与托盘47的固定位置位于电动缸前支架46与托盘47固定位置的下方；当托盘装置4装货状态时，控制装置2控制电动缸42前后伸缩，电动缸42处于初始状态未伸长，托盘47向上倾斜一定角度，防止货物从托盘47上掉落；卸货状态时，控制装置2控制电动缸42伸长，从而带动托盘47向下倾斜一定角度，货物从托盘47上滑落至中转箱；

所述货物识别装置6包括深度相机61和相机支架62；所述深度相机61固定在相机支架62的长槽6201中，能够沿长槽6201移动，便于调整合适的位置；相机支架62的C型槽6202与伸缩机构53的第三导轨5302配合固定；深度相机61输出货物带深度信息的点云图，从而实现货物位置的定位，并获取到货物长度和高度信息；深度相机61输出的货物彩色图片和数据库中的货物图片进行对比分析，实现货物的识别和核对；深度相机61采用IntelRealSense R200；

所述水平旋转装置7包括旋转台71和基座盘72；所述旋转台71固定在移动平台1上，基座盘72安装在旋转台71上，基座盘72通过旋转台71实现360°旋转；

所述导航系统8采用激光雷达扫描测距仪。

本发明用于取放货架货物的移动机器人的工作原理和工作流程是：

(1)工作前，导航系统8对场地环境进行地图构建，然后在地图上选取位置点；

(2)工作指令发出后，导航系统8在地图上规划最优路径，控制装置2接收工作指令(指令包括各货物所在的位置点及货物类型等)后，控制移动平台1沿着预定路径运动到待拣取货物所在的位置点；

(3)控制装置2控制垂直升降装置3和水平旋转装置7来升降和旋转，使托盘装置4的托盘47靠近到待拣取货物的底部位置，并且面向货物；通过货物识别装置6识别出待拣取的货物，得出货物和货物抓取装置6之间的相对位置和高度信息；控制装置2控制托盘装置4的托盘47接近待拣取货物所在货架的位置；由货物位置和高度信息，通过控制装置2控制货物抓取装置5的抓板52高于货物的高度，同时向前伸出抓板52来到货物后面；然后货物抓取装置5的抓板52再往下降落，使抓板52的底部边缘与货架板平面靠近；然后托盘装置4的电动缸42开始运动，使托盘47运动到水平向上的位置，这样托盘47就能拖住货物而不掉落；控制装置2控制货物抓取装置5的抓板52拉住货物往回收缩，当货物离开货架时，就会被托盘装置4的托盘47托举住；

(4)移动平台1启动走向下一个位置点，同时通过控制装置2控制垂直升降装置3和货物抓取装置5恢复到初始位置，托盘47维持水平向上的位置；

(5)当完成指令中所有货物的拣取后，机器人按照规划路径至中转箱位置；控制装置2控制货物抓取装置5升降及旋转运动，使托盘装置4的托盘47来到中转箱的正上方，调整到合适高度，然后托盘装置4的电动缸42开始运动，将托盘47中的货物倾倒至中转箱。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (9)

1.一种用于取放货架货物的移动机器人，其特征在于该机器人包括移动平台、控制装置、垂直升降装置、托盘装置、货物抓取装置、货物识别装置、水平旋转装置和导航系统；所述水平旋转装置安装在移动平台上，垂直升降装置安装在水平旋转装置上，货物抓取装置安装在垂直升降装置上，托盘装置和货物识别装置安装在货物抓取装置上；

所述垂直升降装置用于使物抓取装置实现垂直方向上的移动；所述水平旋转装置用于使货物抓取装置实现水平方向上的360°旋转；所述货物识别装置用于实现对各种货物识别和定位；所述货物抓取装置通过升降、伸缩、旋转运动到货物所在的位置；托盘装置用于承载货物抓取装置拣取的货物并实现装卸；

所述托盘装置包括电动缸后支架、电动缸、托盘支架、U型连接件、T型连接件、电动缸前支架和托盘；所述电动缸后支架固定在伸缩机构的第三导轨上；所述电动缸一端通过销轴与电动缸后支架连接，另一端通过销轴与电动缸前支架连接，电动缸前支架与托盘固定连接；所述托盘支架固定在第三导轨上，U型连接件与托盘支架固定连接，T型连接件通过销轴与U型连接件连接，T型连接件与托盘固定连接；T型连接件与托盘的固定位置位于电动缸前支架与托盘固定位置的下方；

所述垂直升降装置采用多级升降的方式，每一级均采用滚珠丝杆滑台机构，上一级的滑块与下一级的导轨连接；

所述货物抓取装置包括接近检测装置、抓板和伸缩机构；所述接近检测装置安装在抓板的一端；所述伸缩机构采用滚珠丝杆滑台机构，与抓板的另一端连接。

2.根据权利要求1所述的用于取放货架货物的移动机器人，其特征在于所述垂直升降装置包括一级升降机构、二级升降机构、连接件和固定基座；所述固定基座固定在水平旋转装置的基座盘上，一级升降机构安装在固定基座上，二级升降机构通过连接件安装在一级升降机构上。

3.根据权利要求2所述的用于取放货架货物的移动机器人，其特征在于所述一级升降机构包括第一步进电机、第一电机挡板、第一联轴器、第四深沟球轴承、第一丝杠支架、第一丝杠、第一导轨、第一滑块、第三深沟球轴承和第一末端挡板；所述第一导轨竖直放置，通过固定基座安装在水平旋转装置的基座盘上，其两端分别安装有第一电机挡板和第一末端挡板；所述第一丝杠支架安装在第一导轨上；所述第一丝杠的两端分别通过第四深沟球轴承和第三深沟球轴承安装在第一丝杠支架和第一末端挡板上；所述第一步进电机固定在第一电机挡板上，其输出轴通过第一联轴器连接到第一丝杠上；所述第一滑块套在第一丝杠上；

所述二级升降机构包括第二末端挡板、第一深沟球轴承、第二滑块、第二导轨、第二丝杠、第二丝杠支架、第二联轴器、第二深沟球轴承、第二电机挡板和第二步进电机；所述第二导轨竖直放置，通过连接件安装在第一滑块上，其两端分别安装有第二电机挡板和第二末端挡板；所述第二丝杠支架安装在第二导轨上；所述第二丝杠的两端分别通过第二深沟球轴承和第一深沟球轴承安装在第二丝杠支架和第二末端挡板上；所述第二步进电机固定在第二电机挡板上，其输出轴通过第二联轴器连接到第二丝杠上；所述第二滑块套在第二丝杠上。

4.根据权利要求1所述的用于取放货架货物的移动机器人，其特征在于所述伸缩机构包括第三滑块、第三导轨、第三丝杠、第三联轴器、第三步进电机、第三电机挡板、第六深沟球轴承、第三丝杠支架、第五深沟球轴承和第三末端挡板；所述第三导轨水平放置，与垂直升降装置的第二滑块连接，其两端分别安装有第三电机挡板和第三末端挡板；所述第三丝杠支架安装在第三导轨上；所述第三丝杠的两端分别通过第六深沟球轴承和第五深沟球轴承安装在第三丝杠支架和第三末端挡板上；所述第三步进电机固定在第三电机挡板上，其输出轴通过第三联轴器连接到第三丝杠上；所述第三滑块套在第三丝杠上；第三滑块与抓板的另一端连接。

5.根据权利要求1所述的用于取放货架货物的移动机器人，其特征在于抓板具有梯形槽；所述导航系统采用激光雷达扫描测距仪；所述接近检测装置采用光电式接近开关。

6.根据权利要求1所述的用于取放货架货物的移动机器人，其特征在于所述货物识别装置包括深度相机和相机支架；所述深度相机固定在相机支架的长槽中，能够沿长槽移动；相机支架的C型槽与伸缩机构的第三导轨配合固定。

7.根据权利要求6所述的用于取放货架货物的移动机器人，其特征在于深度相机采用Intel RealSense R200。

8.根据权利要求1所述的用于取放货架货物的移动机器人，其特征在于所述水平旋转装置包括旋转台和基座盘；所述旋转台固定在移动平台上，基座盘安装在旋转台上，基座盘通过旋转台实现360°旋转。

9.根据权利要求1所述的用于取放货架货物的移动机器人，其特征在于所述控制装置包括控制支架、工控机、Arduino板和电机驱动器；所述控制支架和电机驱动器安装在水平旋转装置上；所述工控机和Arduino板安装在控制支架上；所述工控机通过CAN总线和Arduino板相互通讯连接；工控机通过CAN总线与移动平台相互通讯连接；工控机通过USB3.0分别与深度相机和导航系统通讯连接；所述Arduino板通讯连接到电机驱动器再控制垂直升降装置的第一步进电机和第二步进电机来实现货物抓取装置的上下移动，Arduino板通讯连接到电机驱动器再控制货物抓取装置的第三步进电机实现货物抓取装置的抓板的前后移动，Arduino板通讯连接到电机驱动器再控制托盘装置的电动缸来实现托盘装置的托盘的储货与卸货功能，Arduino板通讯连接到电机驱动器再控制水平旋转装置来实现整个机器臂的旋转。