CN109176522A - 一种固废分拣机器人设备及其运动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种固废分拣机器人设备及其运动控制方法，其中，一种固废分拣机器人设备，包括检测箱、控制器、三轴运动架、夹爪、激光传感器和集料槽。本发明提供的固废分拣机器人设备及其运动控制方法，通过检测箱检测物料的种类及位姿信息，通过三轴运动架实现夹爪的移动，通过激光传感器反馈抓取定位信息实现自学习姿态修正，达到准确抓取的目的；本发明提供的固废分拣机器人设备，物料抓取更平顺，运动干涉小，抓取效率高。

Description

一种固废分拣机器人设备及其运动控制方法

技术领域

本发明涉及固废分类回收领域，特别涉及一种固废分拣机器人设备及其运动控制方法。

背景技术

随着城市人口迅速增加和居民生活水平的提高，城市生活垃圾越来越多，为保护环境和提高不可再生资源回收利用率，垃圾分拣的工作量也在不断提高。目前全国范围内，固废的再生利用率仅在5％左右，由于大量固废的为一些混凝土、砖头以及大件木头等等，属于重载作业领域，在现有处理方式上，只能通过振动筛等方式依据物理特性对不同重量大小的物体进行分类，且无法对一些可回收价值较高的比如塑料、混凝土、木材和砖块，而通过智能分拣机器人的智能检测识别，能够解决该问题，并且也能避免出现各种危险因素对人身安全造成伤害。

目前，工业机器人主要分为龙门架式机器人与关节机器人，由于固体废弃物分拣主要拣拾位于水平皮带机的物料，属于流水线作业，现有的工业机器人系统在运动的平顺性、干涉性以及效率上均存在不足的问题。因此开发出一种固废分拣机器人对实现高效稳定的分拣具有重大的意义。

发明内容

为解决现有的工业机器人系统在运动的平顺性、干涉性以及高效率不足的问题，本发明提供一种固废分拣机器人设备及其运动控制方法，其中：固废分拣机器人设备，包括检测箱、控制器、三轴运动架、夹爪、激光传感器和集料槽；其中：

所述检测箱侧壁设有控制器；所述检测箱一侧设有三轴运动架；所述三轴运动架上设有夹爪；所述夹爪上设有激光传感器；传输带穿过检测箱延伸至夹爪下方；所述夹爪下方设有集料槽；

所述检测箱检测物料信息；所述控制器根据所述物料信息控制所述传输带变速运动；所述控制器控制所述夹爪夹取传输带上的物料，并投放至相应的集料槽。

进一步地，所述检测箱内设有外高光谱相机和光源。

进一步地，所述夹爪为气缸夹爪。

进一步地，所述激光传感器设于所述夹爪中心。

进一步地，所述三轴运动架为同步带式线性三轴运动架；所述三轴运动架设有三个方向的自由度。

进一步地，所述控制器包括工控机和伺服控制装置；所述伺服控制装置设有三组伺服电机；三组伺服电机分别控制所述三轴运动架三个方向的自由度。

本发明提供的固废分拣机器人设备，通过检测箱检测物料的种类及位姿信息，通过三轴运动架实现夹爪的移动，通过激光传感器反馈抓取定位信息实现自学习姿态修正，达到准确抓取的目的。

本发明另外提供一种固废分拣机器人设备的运动控制方法，采用如上任意所述的固废分拣机器人设备；所述运动控制方法具体如下：

S10、物料置于传输带后，所述控制器控制传输带做变速运动；

S20、物料运送至检测区域时，检测箱实时检测物料的位置、姿态、种类、密度信息并生成物料信息传输至控制器；

S30、控制器根据物料的位置、姿态、种类信息对物料的抓取顺序进行全排列，然后规划夹爪的最优路径；并根据物料的密度信息调整输送带速度,使输送带速度与夹爪的抓取周期相匹配；并根据物料的密度信息调整输送带的速度；

S40、三轴运动架带动夹爪根据规划的最优路径运动，当夹爪运动至物料上方时，激光传感器对物料进行扫描；

S50、夹爪根据激光传感器的扫描反馈，修正夹取姿态后对物料进行抓取，然后分类投放至相应的集料槽；

S60、物料投放至集料槽后，控制器记录抓取定位与状态信息，建立自学习姿态修正训练数据库。

进一步地，自学习姿态修正训练方法如下：

S61、建立训练集，将采集的夹爪的开度、位置偏移量、姿态偏移量以及抓取成功状态作为训练样本输入控制器中；

S62、再次夹取时，控制器根据输入样本预测最优路径以及夹爪的最佳抓取状态；并根据激光传感器的扫描反馈，对夹爪的开度、姿态和抓取位置进行修正；

S63、夹取完成后，修正后的开度、姿态和抓取位置作为输入样本输入控制器中，实现自学习姿态修正训练。

本发明另外提供的固废分拣机器人设备的运动控制方法提高了抓取效率、抓取稳定性，解决了运动干涉的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的固废分拣机器人设备立体示意图；

图2为图1中A的放大图；

图3为固废分拣机器人设备的运动控制方法流程示意图；

图4为自学习姿态修正训练方法框图。

附图标记：

10运输带 20检测箱 30控制器

40三轴运动架 50夹爪 60激光传感器

70集料槽

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”以及类似的词语仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。“连接”或者“相连”等类似词语并非限定与物理或者机械的连接，而是可以包括电性的连接、光连接等，不管是直接的还是间接的。

本发明提供一种固废分拣机器人设备及其运动控制方法，其中：固废分拣机器人设备，包括检测箱20、控制器30、三轴运动架40、夹爪50、激光传感器60和集料槽70；其中：

所述检测箱20侧壁设有控制器30；所述检测箱20一侧设有三轴运动架40；所述三轴运动架40上设有夹爪50；所述夹爪50上设有激光传感器60；传输带10穿过检测箱20延伸至夹爪50下方；所述夹爪50下方设有集料槽70；

所述检测箱20检测物料信息；所述控制器30根据所述物料信息控制所述传输带10变速运动；所述控制器30控制所述夹爪50夹取传输带10上的物料，并投放至相应的集料槽70。

具体实施时，如图1、图2所示，固废分拣机器人设备，包括检测箱20、控制器30、三轴运动架40、夹爪50、激光传感器60和集料槽70；其中：

检测箱20、三轴运动架40、夹爪50和激光传感器60均与控制器30通讯连接；控制器30为中央处理系统，包括但不限于电脑、手机等智能终端；检测箱20侧壁设有控制器30；检测箱20一侧设有三轴运动架40；三轴运动架40上设有夹爪50；夹爪50上设有激光传感器60；传输带10穿过检测箱20延伸至夹爪50下方；夹爪50下方的传输带10的一侧或两侧设有若干集料槽70，若干集料槽70用于盛装不同种类的固废；检测箱20通过拍摄实时检测物料的位置、姿态、种类、密度等信息；检测箱20的箱体结构设计，为外高光谱相机提供了良好的检测环境，避免了外界光线的干扰，提高了检测效率和准确性；控制器30根据物料的位置、姿态、种类、密度等信息控制传输带10变速运动；控制器30根据物料的位置、姿态、种类信息对物料的抓取顺序进行全排列，然后规划夹爪的最优路径；并根据物料的密度信息调整输送带速度,使输送带速度与夹爪的抓取周期相匹配；夹爪根据控制器的规划的最优路径以及激光传感器的修正，准确稳定地抓取物料并投放至相应的集料槽70。

本发明提供的固废分拣机器人设备，通过检测箱检测物料的种类及位姿信息，通过三轴运动架实现夹爪的移动，通过激光传感器反馈抓取定位信息实现自学习姿态修正，达到准确抓取的目的。

优选地，所述检测箱20内设有外高光谱相机和光源。

具体实施时，检测箱20内设有外高光谱相机和光源，外高光谱相机用于检测物料的位置、姿态、种类、密度等信息。

优选地，所述夹爪50为气缸夹爪。

具体实施时，夹爪50为气缸夹爪实现不同开度的抓取范围。

优选地，所述激光传感器60设于所述夹爪50中心。

具体实施时，如图2所示，激光传感器60设于所述夹爪50中心，通过将激光传感器60设置在夹爪50的中心，用于反馈抓取定位信息用于自学习姿态修正。

优选地，所述三轴运动架40为同步带式线性三轴运动架；所述三轴运动架40设有x、y、z三个方向的自由度。

优选地，所述控制器30包括工控机和伺服控制装置；所述伺服控制装置设有三组伺服电机；三组伺服电机分别控制所述三轴运动架40的x轴、y轴、z轴三个方向(如图1所示)的自由度。

如图3所示，本发明另外提供一种固废分拣机器人设备的运动控制方法，采用如上任意所述的固废分拣机器人设备；所述运动控制方法具体如下：

S10、物料置于传输带后，所述控制器控制传输带做变速运动；该步骤中，物料置于传输带后，运输带变速输送避免物料堆积，影响后续检测的准确性；

S20、物料运送至检测区域时，检测箱实时拍摄物料图像检测物料的位置、姿态、种类、密度信息并生成物料信息传输至控制器；

S30、控制器根据物料的位置、姿态、种类信息对物料的抓取顺序进行全排列，然后规划夹爪的最优径；并根据物料的密度信息调整输送带速度,使输送带速度与夹爪的抓取周期相匹配；并根据物料的密度信息调整输送带的速度；该步骤中，控制器根据物料的位置、姿态、种类信息计算物料进入抓取范围时间以及对物料的抓取顺序进行全排列，然后规划夹爪的最优路径；并根据物料的密度信息调整输送带速度,使输送带速度与夹爪的抓取周期相匹配；并根据物料的密度信息调整输送带的速度；

物料的密与输送带的速度具有如下关系式：

物料密度ρ与输送带速度V之间关系具有如下：

其中，物料密度ρ为检测到的当前位于抓取区域的物料个数，输送带速度V分三个档位进行有级控制；通过物料密度ρ与输送带速度V之间的变速运动关系，提高了抓取的效率和准确性；

S40、三轴运动架带动夹爪根据规划的最优路径运动，当夹爪运动至物料上方时，激光传感器对物料进行扫描；

S50、夹爪根据激光传感器的扫描反馈，修正夹取姿态后对物料进行抓取，然后分类投放至相应的集料槽；该步骤中，待夹爪进入抓取范围之后，控制器对夹爪的抓取轨迹和姿态进行控制，并通过激光传感器的反馈，对夹爪的夹取状态进行修正再进行抓取；

S60、物料投放至集料槽后，控制器记录抓取定位与状态信息，建立自学习姿态修正训练数据库；该步骤中，控制器控制夹爪末端的打开和关闭实现分拣物料，达到将不同种类物料分拣到不同的集料槽的目的。

如图4所示，优选地，自学习姿态修正训练方法如下：

S61、建立训练集，将采集的夹爪的开度、位置偏移量、姿态偏移量以及抓取成功状态作为训练样本输入控制器中；

S62、再次夹取时，控制器根据输入样本预测最优路径以及夹爪的最佳抓取状态；并根据激光传感器的扫描反馈，对夹爪的开度、姿态和抓取位置进行修正；

S63、夹取完成后，修正后的开度、姿态和抓取位置作为输入样本输入控制器中，实现自学习姿态修正训练。

所述的工控机编写的算法通过C++编写，实现多轴联动插补控制和时序I/O抛料控制。多轴联动插补控制和时序I/O抛料控制具体流程为：

1、计算合适的xy平面运动轨迹；

2、计算xy到达物料位置所需运动时间t；

3、设置z轴插补运动时间t1，保证(t1-t)为定值；

4、根据z轴插补运动时间t1以及下降距离计算z轴插补速度；

5、进行xyz三轴参数设置；

6、执行三轴联动控制；

7、检测xy轴运动到位后，执行y轴沿运输带方向单轴运动，保持速度与运输带相同，进行物料与夹爪的同步运动；

8、检测z轴运动到位后，对控制器的数字I/O口置高电平执行夹爪夹紧物料，同时停止y方向单轴运动；

9、抓取到物料后对根据检测箱输入的种类信息，执行相应的xyz插补运动将物料抓取至相应集料槽上方；

10、在进行插补运动的同时，检测xy平面上对应相应集料槽上方的距离S，设置比较点，且该点距离相应集料槽上方的距离s为定值，控制当运动至比较点时，对控制器的数字I/O口置低电平执行夹爪提前放开物料，将物料抛入至相应集料槽内，提高提高了抓取效率、抓取稳定性，运动干涉小。

本发明另外提供的固废分拣机器人设备的运动控制方法提高了抓取效率、抓取稳定性，解决了运动干涉的问题。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种固废分拣机器人设备，其特征在于：包括检测箱(20)、控制器(30)、三轴运动架(40)、夹爪(50)、激光传感器(60)和集料槽(70)；其中：

所述检测箱(20)侧壁设有控制器(30)；所述检测箱(20)一侧设有三轴运动架(40)；所述三轴运动架(40)上设有夹爪(50)；所述夹爪(50)上设有激光传感器(60)；传输带(10)穿过检测箱(20)延伸至夹爪(50)下方；所述夹爪(50)下方设有集料槽(70)；

所述检测箱(20)检测物料信息；所述控制器(30)根据所述物料信息控制所述传输带(10)变速运动；所述控制器(30)控制所述夹爪(50)夹取传输带(10)上的物料，并投放至相应的集料槽(70)。

2.根据权利要求1所述的固废分拣机器人设备，其特征在于：所述检测箱(20)内设有外高光谱相机和光源。

3.根据权利要求1所述的固废分拣机器人设备，其特征在于：所述夹爪(50)为气缸夹爪。

4.根据权利要求1所述的固废分拣机器人设备，其特征在于：所述激光传感器(60)设于所述夹爪(50)中心。

5.根据权利要求1所述的固废分拣机器人设备，其特征在于：所述三轴运动架(40)为同步带式线性三轴运动架；所述三轴运动架(40)设有三个方向的自由度。

6.根据权利要求5所述的固废分拣机器人设备，其特征在于：所述控制器(30)包括工控机和伺服控制装置；所述伺服控制装置设有三组伺服电机；三组伺服电机分别控制所述三轴运动架(40)三个方向的自由度。

7.一种固废分拣机器人设备的运动控制方法，其特征在于：采用如权利要求1-6任一项所述的固废分拣机器人设备；所述运动控制方法具体如下：

S10、物料置于传输带后，所述控制器控制传输带做变速运动；

S20、物料运送至检测区域时，检测箱实时检测物料的位置、姿态、种类、密度信息并生成物料信息传输至控制器；

S30、控制器根据物料的位置、姿态、种类信息对物料的抓取顺序进行全排列，然后规划夹爪的最优路径；并根据物料的密度信息调整输送带速度,使输送带速度与夹爪的抓取周期相匹配；

S40、三轴运动架带动夹爪根据规划的最优路径运动，当夹爪运动至物料上方时，激光传感器对物料进行扫描；

S50、夹爪根据激光传感器的扫描反馈，修正夹取姿态后对物料进行抓取，然后分类投放至相应的集料槽；

S60、物料投放至集料槽后，控制器记录抓取定位与状态信息，建立自学习姿态修正训练数据库。

8.根据权利要求7所述的固废分拣机器人设备的运动控制方法，其特征在于：自学习姿态修正训练方法如下：

S61、建立训练集，将采集的夹爪的开度、位置偏移量、姿态偏移量以及抓取成功状态作为训练样本输入控制器中；

S62、再次夹取时，控制器根据输入样本预测最优路径以及夹爪的最佳抓取状态；并根据激光传感器的扫描反馈，对夹爪的开度、姿态和抓取位置进行修正；

S63、夹取完成后，修正后的开度、姿态和抓取位置作为输入样本输入控制器中，实现自学习姿态修正训练。