CN109095059B - 无人装车系统及其装车方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无人装车系统及其装车方法，所述无人装车系统括智能控制系统，以及分别与智能控制系统进行双向通信的机械执行系统、视觉感知采集系统和人机交互系统；智能控制系统设有视觉感知模块、装箱规划模块、路径规划模块及机械执行模块；机械执行装置包括PLC控制模块、龙门桁架机器人、拆垛机器人、车辆限位装置、可伸缩吸盘及输送单元；PLC控制模块分别与龙门桁架机器人、拆垛机器人、可伸缩吸盘及输送单元通信连接；视觉感知采集系统包括二维激光扫描仪和距离编码器；人机交互系统包括安全监控预警单元、上位机控制单元、用户终端和云服务器。本发明作业现场不需要人工操作机械，从货物的拆垛、传输到码垛装车完全实现无人化。

Description

无人装车系统及其装车方法

技术领域

本发明属于交通运输物流技术领域，涉及车辆货物装卸技术，具体地说，涉及一种无人装车系统及其装车方法。

背景技术

随着世界经济的快速发展和全球经济一体化的深度推进，物流运输发挥着越来越重要的作用，同时也迎来了更大的挑战。为了适应经济高速发展的节奏，物流运输需要更高效、更快速且成本低。装车是物流运输系统工程中必不可少的环节，装车的效率直接影响物流运输的效率。目前饮料等大众消费品大多采用箱式包装，市场保持稳定的需求量，箱式物品装车的效率影响其供货速度和销量。传统的箱式货物装车采用人工码垛装车，工作强度大，工作效率低，且存在人工成本高、劳动力短缺等问题。随着自动化技术的发展和应用，自动装车设备也得到一定的发展。但现有的自动化装车系统，多采用自动和手动控制相结合的模式，仍需要人工操作机械设备来完成货物的码垛作业，作业人员的操作熟练程度直接影响码垛装车效率。

公开号为CN106429483A的中国专利申请公开了一种自动码垛装车系统及其装车方法，并具体公开了以下技术特征：货物通过机器人在运输货车上进行装卸，所述机器人为四轴龙门式机器人，在所述四轴龙门式机器人上设置用于提取货物的吸盘装置，在所述四轴龙门式机器人上还设有激光传感器。该专利申请还提供了该装车系统的装车方法。该专利申请基于激光传感器的货物码垛装车技术，实现了运输货车定位检测、货物码垛装车。但该专利不能对作业现场进行监控，无法获知现场装车的实际情况，对于装车过程中出现的故障不能及时有效地处理，且该专利无法分拣破损货物以及实现货物自动拆垛。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述问题，提供了一种无人化装车、装车效率高、安全可靠的无人装车系统及其装车方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种无人装车系统，包括智能控制系统、机械执行系统、视觉感知采集系统和人机交互系统，所述智能控制系统分别与机械执行系统、视觉感知采集系统和人机交互系统进行双向通信；

所述智能控制系统设有用于计算视觉感知采集系统采集的三维点云数据得到车辆车厢坐标数据的视觉感知模块、用于生成货物码垛方式和摆放坐标的装箱规划模块、用于规划码垛路径的路径规划模块以及用于生成动作执行命令的机械执行模块；

所述机械执行系统包括PLC控制模块、龙门桁架机器人、拆垛机器人、车辆限位装置以及输送单元；所述龙门桁架机器人和拆垛机器人均设有可伸缩吸盘，所述PLC控制模块分别与龙门桁架机器人、拆垛机器人、可伸缩吸盘及输送单元通信连接；

所述视觉感知采集系统包括二维激光扫描仪和距离编码器；所述二维激光扫描仪安装在龙门桁架机器人的桁架上，所述桁架与车辆的车厢长度方向垂直；所述距离编码器安装在龙门桁架机器人的导轨上，所述导轨与车辆的车厢长度方向平行；所述二维激光扫描仪和所述距离编码器组成三维激光扫描仪；

所述人机交互系统包括安全监控预警单元、上位机控制单元、用户终端和云服务器，所述用户终端与云服务器进行网络通信；所述安全监控预警单元分布在作业施工现场，对作业现场进行监控，并把监控数据反馈给智能控制系统，智能控制系统通过反馈的监控数据对作业过程进行调整；所述上位机控制单元用于提供可视化操作界面，对作业基本信息管理、作业监控以及故障和安全报警；所述用户终端作为上位机控制单元的物理载体；所述云服务器用于存储货物信息、作业报表信息、车辆信息、故障和安全报警信息。

进一步的，所述输送单元包括输送机、拆垛工位、拆层分单列工位、单箱组层工位以及破损工位，所述输送机上设有用于货物输送过程中动态称重的压力传感器。

优选的，所述导轨上安装有主动轮和从动轮，所述距离编码器安装在从动轮上。

优选的，所述作业基本信息包括车辆信息和货物信息。

优选的，所述车辆信息包括车辆类型、车厢长度、车厢宽度和车厢高度。

优选的，所述货物信息包括货物名称、货物类型、货物尺寸、货物标准重量，所述货物尺寸包括货物长度、货物宽度和货物高度。

为了达到上述目的，本发明提供了一种无人装车方法，采用上述无人装车系统，含有以下步骤：

S1、配置货物参数

用户通过人机交互系统的可视化操作界面，录入多种不同货物的货物信息，并将货物信息保存至云服务器中；

S2、系统初始化与机械执行系统复位

作业开始前，将上位机控制单元中的作业数据初始化，并将龙门桁架机器人和拆垛机器人的机械臂置于坐标原点；

S3、车辆定位

车辆沿车辆限位装置导入指定的装车区域，用户通过上位机控制单元启动视觉感知采集系统，随后龙门桁架机器人搭载三维激光扫描仪在车辆上方水平匀速移动对车辆进行快速扫描，从而获取车辆的三维点云数据，智能控制系统中的视觉感知模块根据获取的点云数据计算车厢位置坐标、车厢长度、车厢宽度和车厢高度；

S4、计算货物垛型

智能控制系统中的装箱规划模块通过可伸缩吸盘的长度和宽度、货物的长度和宽度以及车厢的长度和宽度计算可伸缩吸盘每次需抓取的货物的数量和排列方式；

S5、计算装箱坐标

根据已经计算得到的货物垛型信息和车辆位置坐标，智能控制系统中的装箱规划模块计算待装车货物在车厢中的摆放位置坐标；

S6、拆垛，层分单箱

货物经仓储区域运输至固定的拆垛工位，拆垛机器人通过可伸缩吸盘抓取一层货物放置于拆层分单列工位，输送机将货物分成单列输送；以此循环，直至货物拆垛完毕；

S7、分拣破损货物

输送机获取单箱货物的实际重量，并与标准重量对比，当该实际重量小于标准重量时，即视货物为破损，输送机通过分流作用将货物推送至破损工位；

S8、单箱组层

输送机根据计算得到的货物垛型信息，对货物进行分流和90度转向，将规定数量的货物推送至组层工位组成一层；

S9、码垛装车

智能控制系统中的路径规划模块规划龙门桁架机器人运动路径，机械执行模块规划可伸缩吸盘的抓取指令；用户通过上位机控制单元启动龙门桁架机器人，龙门桁架机器人按照规划的路径移动并通过可伸缩吸盘抓取货物放至车厢内指定的坐标点。

优选的，所述步骤S9中，车厢内上下两层货物之间采用压花码垛的方式，即奇数层装车完毕，偶数层装车时，可伸缩吸盘抓取货物之后旋转180度之后装车。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明通过三维激光扫描仪实现图像采集、处理、获得车辆的坐标数据，提高了装车定位精度、安全性和可靠性，有效实现了码垛的有序化、整齐化。

(2)本发明通过智能控制系统计算货物装车坐标，规划装车路径，摆脱人工定位模式，同时利用人机交互系统对作业现场进行监控，以及故障和安全报警，并将监控数据反馈给智能控制系统，智能控制系统通过反馈的数据对作业过程进行调整，能应对环境的各种变化，弥补了传统视觉识别技术受环境因素影响导致偏差的不足。作业现场不需要人工操作机械，从货物的拆垛、传输到码垛装车完全实现无人化，把人工从作业现场彻底解放出来，真正实现安全可靠的、工作效率高的无人化装车。

附图说明

图1为本发明实施例无人装车系统的结构框图；

图2为本发明实施例无人装车方法的流程图；

图3a为本发明实施例奇数层待装车货物的垛型图；

图3b为本发明实施例偶数层待装车货物的垛型图。

图中，1、智能控制系统，11、视觉感知模块，12、装箱规划模块，13、路径规划模块，14、机械执行模块，2、机械执行系统，21、PLC控制模块，22、龙门桁架机器人，23、拆垛机器人，24、输送单元，25、可伸缩吸盘，3、视觉感知采集系统，31、二维激光扫描仪，32、距离编码器，4、人机交互系统，41、安全监控预警单元，42、上位机控制单元，43、用户终端，44、云服务器。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

参见图1，本发明提供了一种无人装车系统，包括智能控制系统1、机械执行系统2、视觉感知采集系统3和人机交互系统4，所述智能控制系统1分别与机械执行系统2、视觉感知采集系统3和人机交互系统4进行双向通信。

继续参见图1，所述智能控制系统1设有用于计算视觉感知采集系统采集的三维点云数据得到车辆车厢坐标数据的视觉感知模块11、用于生成货物码垛方式和摆放坐标的装箱规划模块12、用于规划码垛路径的路径规划模块13以及用于生成动作执行命令的机械执行模块14。

继续参见图1，所述机械执行系统2包括PLC控制模块21、龙门桁架机器人22、拆垛机器人23、车辆限位装置以及输送单元24；所述龙门桁架机器人22和拆垛机器人23均设有可伸缩吸盘25，所述PLC控制模块21分别与龙门桁架机器人22、拆垛机器人23、可伸缩吸盘25及输送单元24通信连接。

继续参见图1，所述视觉感知采集系统3包括二维激光扫描仪31和距离编码器32；所述二维激光扫描仪31安装在龙门桁架机器人22的桁架上，所述桁架与车辆的车厢长度方向垂直；所述距离编码器32安装在龙门桁架机器人22的导轨上，所述导轨与车辆的车厢长度方向平行；所述二维激光扫描仪31和所述距离编码器32组成三维激光扫描仪。采集数据时，三维激光扫描仪以设定的速度在车辆上方匀速直线运动，对车辆进行快速扫描，获取车辆的三维点云数据，并将数据上传至智能控制系统。

继续参见图1，所述人机交互系统4包括安全监控预警单元41、上位机控制单元42、用户终端43和云服务器44，所述用户终端43与云服务器44进行网络通信；所述安全监控预警单元41分布在作业施工现场，对作业现场进行监控，并把监控数据反馈给智能控制系统1，智能控制系统1通过反馈的监控数据对作业过程进行调整；所述上位机控制单元42用于提供可视化操作界面，对作业基本信息管理、作业监控以及故障和安全报警；所述用户终端43作为上位机控制单元的物理载体；所述云服务器44用于存储货物信息、作业报表信息、车辆信息、故障和安全报警信息。

作为上述方法的优选设计，所述输送单元包括输送机、拆垛工位、拆层分单列工位、单箱组层工位以及破损工位，所述输送机上设有用于货物输送过程中动态称重的压力传感器。若货物重量低于标准重量，则视货物为破损，输送机即改变货物输送方向，将货物推送至破损工位，若货物重量与标准重量一致，则按照既定路径输送货物至单箱组层工位。

为了便于距离编码器的安装，并保证龙门桁架机器人和距离编码器均能够正常工作。作为上述方法的优选设计，所述导轨上安装有主动轮和从动轮，所述距离编码器安装在从动轮上。

作为上述方法的优选设计，所述作业基本信息包括车辆信息和货物信息。

作为上述方法的优选方案，所述车辆信息包括车辆类型、车厢长度、车厢宽度和车厢高度。

作为上述方法的优选方案，所述货物信息包括货物名称、货物类型、货物尺寸、货物标准重量，所述货物尺寸包括货物长度、货物宽度和货物高度。

作为上述方法的优选方案，所述龙门桁架机器人采用伺服控制，齿轮齿条传动，行走轨道采用精密导轨或精密包胶轮，重复定位精度高，最大承重载荷可达2500kg，线速度3m/s，x向行程最大100米，y向行程最大24米，根据需要重复定位精度最高达±0.1m。

作为上述方法的优选方案，所述用户终端为工控机，但不限于工控机，还可以是其他用户终端。

本发明上述无人装车系统中，智能控制系统为无人装车系统的核心构件，具有智能处理、智能信息反馈和智能控制决策的重要作用。机械执行系统是无人装车系统中伺服系统的有机组成部分，与作业货物直接接触，按照既定指令，利用机械能来改变作业货物的位置，以达到预定的拆垛及码垛装车要求。人机交互系统是无人装车系统的远程控制构件，提供可视化操作界面，对作业现场进行监控。

本发明上述无人装车系统在装车时，通过视觉感知采集系统对车辆进行图像采集，获取车辆的三维点云数据，智能控制系统接收视觉感知采集系统采集的三维点云数据，经过视觉感知模块计算得到车辆车厢的坐标数据和车厢的长度、宽度、高度，结合云服务器端预先存储的货物信息，通过装箱规划模块计算生成货物码垛方式和摆放坐标，通过路径规划模块规划机器人码垛路径，通过机械执行模块生成动作执行指令，随后将执行指令通过规定的通信协议传输至PLC控制模块，PLC控制模块控制龙门桁架机器人、码垛机器人及可伸缩吸盘动作，完成定位以及拆垛码垛操作，进而完成装车作业。同时，人机交互系统对作业现场进行监控，并将监控数据反馈给智能控制系统，智能控制系统通过反馈的数据对作业过程进行调整，保证作业的安全性和可靠性。

参见图2，本发明提供了一种无人装车方法，采用上述无人装车系统，含有以下步骤：

S1、配置货物参数

用户通过人机交互系统的可视化操作界面，录入多种不同货物的货物信息，并将货物信息保存至云服务器中。其中，货物信息包括货物品类、货物尺寸(长、宽、高)、货物标准重量。实际生产作业时，直接调用当前需要装车的货物信息，并输入当前待装车的货物数量。

S2、系统初始化与机械执行系统复位

作业开始前，将上位机控制单元中的作业数据初始化，并将龙门桁架机器人和拆垛机器人的机械臂置于坐标原点。

S3、车辆定位

车辆沿车辆限位装置导入指定的装车区域，用户通过上位机控制单元启动视觉感知采集系统，随后龙门桁架机器人搭载三维激光扫描仪在车辆上方水平匀速移动对车辆进行快速扫描，从而获取车辆的三维点云数据，智能控制系统中的视觉感知模块根据获取的点云数据计算车厢位置坐标、车厢长度、车厢宽度和车厢高度。

S4、计算货物垛型

智能控制系统中的装箱规划模块通过可伸缩吸盘的长度和宽度、货物的长度和宽度以及车厢的长度和宽度计算可伸缩吸盘每次需抓取的货物的数量和排列方式。例如：货物箱子尺寸为长292mm、宽219mm时，采用16箱组成一垛的方式，具体排列方式参见图3a、3b。可伸缩吸盘每次抓取组垛成型的16箱货物。

S5、计算装箱坐标

根据已经计算得到的货物垛型信息和车辆位置坐标，智能控制系统中的装箱规划模块计算待装车货物在车厢中的摆放位置坐标。

S6、拆垛，层分单箱

货物经仓储区域运输至固定的拆垛工位，拆垛机器人通过可伸缩吸盘抓取一层货物放置于拆层分单列工位，输送机将货物分成单列输送；以此循环，直至货物拆垛完毕。

S7、分拣破损货物

输送机获取单箱货物的实际重量，并与标准重量对比，当该实际重量小于标准重量时，即视货物为破损，输送机通过分流作用将货物推送至破损工位。

S8、单箱组层

输送机根据计算得到的货物垛型信息，对货物进行分流和90度转向，将规定数量的货物推送至组层工位组成一层。

S9、码垛装车

智能控制系统中的路径规划模块规划龙门桁架机器人运动路径，机械执行模块规划可伸缩吸盘的抓取指令；用户通过上位机控制单元启动龙门桁架机器人，龙门桁架机器人按照规划的路径移动并通过可伸缩吸盘抓取货物放至车厢内指定的坐标点。

作为上述无人装车方法的优选设计，所述步骤S9中，车厢内上下两层货物之间采用压花码垛的方式，即奇数层装车完毕，偶数层装车时，可伸缩吸盘抓取货物之后旋转180度之后装车。

本发明上述无人装车方法，通过智能控制系统计算货物装车坐标，规划装车路径，摆脱人工定位模式，同时利用人机交互系统对作业现场进行监控，以及故障和安全报警，并将监控数据反馈给智能控制系统，智能控制系统通过反馈的数据对作业过程进行调整，能应对环境的各种变化，弥补了传统视觉识别技术受环境因素影响导致偏差的不足，安全可靠，从货物的拆垛、传输到码垛装车完全实现无人化，工作效率高。

上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种无人装车系统，其特征在于，包括智能控制系统、机械执行系统、视觉感知采集系统和人机交互系统，所述智能控制系统分别与机械执行系统、视觉感知采集系统和人机交互系统进行双向通信；

所述智能控制系统设有用于计算视觉感知采集系统采集的三维点云数据得到车辆车厢坐标数据的视觉感知模块、用于生成货物码垛方式和摆放坐标的装箱规划模块、用于规划码垛路径的路径规划模块以及用于生成动作执行命令的机械执行模块；

所述机械执行系统包括PLC控制模块、龙门桁架机器人、拆垛机器人、车辆限位装置以及输送单元；所述龙门桁架机器人和拆垛机器人均设有可伸缩吸盘，所述PLC控制模块分别与龙门桁架机器人、拆垛机器人、可伸缩吸盘及输送单元通信连接；所述输送单元包括输送机、拆垛工位、拆层分单列工位、单箱组层工位以及破损工位，所述输送机上设有用于货物输送过程中动态称重的压力传感器；

所述视觉感知采集系统包括二维激光扫描仪和距离编码器；所述二维激光扫描仪安装在龙门桁架机器人的桁架上，所述桁架与车辆的车厢长度方向垂直；所述距离编码器安装在龙门桁架机器人的导轨上，所述导轨与车辆的车厢长度方向平行；所述二维激光扫描仪和所述距离编码器组成三维激光扫描仪；

所述人机交互系统包括安全监控预警单元、上位机控制单元、用户终端和云服务器，所述用户终端与云服务器进行网络通信；所述安全监控预警单元分布在作业施工现场，对作业现场进行监控，并把监控数据反馈给智能控制系统，智能控制系统通过反馈的监控数据对作业过程进行调整；所述上位机控制单元用于提供可视化操作界面，对作业基本信息管理、作业监控以及故障和安全报警；所述用户终端作为上位机控制单元的物理载体；所述云服务器用于存储货物信息、作业报表信息、车辆信息、故障和安全报警信息；

采用所述无人装车系统装车的具体步骤为：

S1、配置货物参数

用户通过人机交互系统的可视化操作界面，录入多种不同货物的货物信息，并将货物信息保存至云服务器中；

S2、系统初始化与机械执行系统复位

作业开始前，将上位机控制单元中的作业数据初始化，并将龙门桁架机器人和拆垛机器人的机械臂置于坐标原点；

S3、车辆定位

车辆沿车辆限位装置导入指定的装车区域，用户通过上位机控制单元启动视觉感知采集系统，随后龙门桁架机器人搭载三维激光扫描仪在车辆上方水平匀速移动对车辆进行快速扫描，从而获取车辆的三维点云数据，智能控制系统中的视觉感知模块根据获取的点云数据计算车厢位置坐标、车厢长度、车厢宽度和车厢高度；

S4、计算货物垛型

智能控制系统中的装箱规划模块通过可伸缩吸盘的长度和宽度、货物的长度和宽度以及车厢的长度和宽度计算可伸缩吸盘每次需抓取的货物的数量和排列方式；

S5、计算装箱坐标

根据已经计算得到的货物垛型信息和车辆位置坐标，智能控制系统中的装箱规划模块计算待装车货物在车厢中的摆放位置坐标；

S6、拆垛，层分单箱

货物经仓储区域运输至固定的拆垛工位，拆垛机器人通过可伸缩吸盘抓取一层货物放置于拆层分单列工位，输送机将货物分成单列输送；以此循环，直至货物拆垛完毕；

S7、分拣破损货物

输送机获取单箱货物的实际重量，并与标准重量对比，当该实际重量小于标准重量时，即视货物为破损，输送机通过分流作用将货物推送至破损工位；

S8、单箱组层

输送机根据计算得到的货物垛型信息，对货物进行分流和90度转向，将规定数量的货物推送至组层工位组成一层；

S9、码垛装车

智能控制系统中的路径规划模块规划龙门桁架机器人运动路径，机械执行模块规划可伸缩吸盘的抓取指令；用户通过上位机控制单元启动龙门桁架机器人，龙门桁架机器人按照规划的路径移动并通过可伸缩吸盘抓取货物放至车厢内指定的坐标点。

2.如权利要求1所述的无人装车系统，其特征在于，所述导轨上安装有主动轮和从动轮，所述距离编码器安装在从动轮上。

3.如权利要求1或2所述的无人装车系统，其特征在于，所述作业基本信息包括车辆信息和货物信息。

4.如权利要求3所述的无人装车系统，其特征在于，所述车辆信息包括车辆类型、车厢长度、车厢宽度和车厢高度。

5.如权利要求3所述的无人装车系统，其特征在于，所述货物信息包括货物名称、货物类型、货物尺寸、货物标准重量，所述货物尺寸包括货物长度、货物宽度和货物高度。

6.如权利要求1所述的无人装车系统，其特征在于，所述步骤S9中，车厢内上下两层货物之间采用压花码垛的方式，即奇数层装车完毕，偶数层装车时，可伸缩吸盘抓取货物之后旋转180度之后装车。

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