CN109482503A - 基于视觉的移动分拣机器人及其分拣方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机器人技术领域，涉及一种基于视觉的移动分拣机器人及其分拣方法。在机器人的工作平台上放置快件，主控板控制轮式行走机构沿着引导线行进，同时主控板对摄像头拍摄到的工作平台上快件的画面进行处理，得到各快件上所贴标签的信息以及各快件中心点对应的图像坐标，主控板再将图像坐标数据转换成机械臂的控制信号，当机器人行进到各个快件堆放点处时，将对应的快件搬运到堆放点，实现一次搬运能分拣多个快件的目的，提高分拣效率。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，涉及一种基于视觉的移动分拣机器人及其分拣方法。
背景技术
随着科技的发展，机器人时代已经来临，许多大型生产制造产业已运用机器人来代替劳动力。工业机器人难以满足部分领域的要求，人们对移动分拣机器人寄予厚望。从基于PLC系统的分拣搬运控制系统，到之后的基于微处理器的移动分拣机器人控制系统，接着结合视觉系统，诞生了基于视觉算法的移动分拣机器人控制系统，随着大数据的出现以及物联网技术的发展，又产生了更为先进的基于物联网的移动物流分拣机器人控制系统。从上述几个阶段可以看出，移动分拣机器人朝着形体更灵活，功能更强大，效率更高的方向发展。人工分拣速度远远落后于机器人，所以快递行业中移动分拣机器人的使用越来越广泛。
随着机器视觉和人工智能的发展，机器人能够适应环境的需求，随时变更作业对象和作业工具。在快递行业中，若作业对象为快件，在进行分拣时，无法单纯地以快件的形状以及颜色进行区分，需要对快件上的标签进行识别；同时市场中的移动分拣机器人一次只能识别并搬运一个快件，大大降低了分拣效率。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于视觉的移动分拣机器人及其分拣方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于视觉的移动分拣机器人，包括底板、轮式行走机构、摄像头a、机械臂、末端执行器、工作平台、摄像头b、主控板、电池、气泵机构、红外接收器、LCD显示屏和无线通信模块；
所述的轮式行走机构主要由多个电机和轮胎组成，对称安装在底板的底部，电机驱动轮胎13转动，从而实现机器人的移动；
所述的摄像头a通过底座和支架安装在底板的前端，用于获取前方道路环境；底座安装在底板上，支架垂直固定在底座上，摄像头a固定在支架的上端；
所述的机械臂安装在底板上，包括三个臂节、舵机a、舵机b、舵机c和舵机d，三个臂节通过舵机b和舵机c顺次连接，舵机a和舵机d分别设在端部的两个臂节上，通过舵机的控制实现机械臂的五个自由度运动；第一个自由度是通过底部的舵机a控制机械臂在Z方向上的运动，第二个和第三个自由度是通过舵机b和舵机c分别控制机械臂实现水平面上的X、Y方向上的运动，第四个自由度是通过舵机d和丝杆传动控制套杆连接的竖直上升和下降，第五个自由度是通过舵机e调整末端执行器的姿态；
所述的末端执行器安装在机械臂的末端，主要由舵机e、光杆、套杆连接、丝杆、光杆固定架、联轴器、气动手指气缸和手爪组成；所述的光杆固定架安装在机械臂的端部，使舵机d位于光杆固定架中间的空隙中；光杆固定架上对称安装有两个光杆，丝杆位于两个光杆之间，丝杆的端部与舵机d的输出轴相连；套杆连接套装在光杆和丝杆上，通过丝杆的旋转控制套杆连接的竖直上升和下降；所述的舵机e的输出轴通过联轴器与气动手指气缸实现连接，所述的手爪安装在气动手指气缸的末端，用于夹持快件；舵机e固定在套杆连接的端部，用于调整末端执行器的姿态；
所述的工作平台通过支柱安装在底板上，工作平台与底板之间留有空隙，用于安装电池和气泵机构，工作平台位于摄像头b的下方；
所述的摄像头b通过支杆a和支杆b安装在工作平台上，用于拍摄工作平台上的画面；支杆b垂直固定安装在工作平台上，支杆a垂直固定在支杆b的端部，摄像头b通过卡套安装在支杆a上，通过调节卡套的位置以调节摄像头b在支杆a上的相对位置；
所述的主控板、电池和气泵机构，安装在底板上；所述的主控板分别与摄像头a、机械臂、末端执行器、气泵机构、摄像头b相连接；所述的电池，与轮式行走机构、主控板和气泵机构相连，用于提供电力；所述的气泵机构与末端执行器的气动手指气缸相连，用于控制手爪的开合状态；
所述的红外接收器、LCD显示屏和无线通信模块，安装在底板上，均与主控板相连；红外接收器用于接收用户的指令；LCD显示屏用于实时显示摄像头b拍摄到的画面以及识别后的结果；无线通信模块用于主控板与上位机之间的数据传输。
所述的控制板采用双处理器协同作业模式，处理器a用于控制轮式行走机构、摄像头a和红外接收器，对摄像头a采集到的数据进行处理后，将处理后的数据放入到变结构PID控制算法中处理，转化为对轮式行走机构的控制信号；处理器b用于控制机械臂、末端执行器、气泵机构、摄像头b、无线通信模块和LCD显示屏，在得到快件中心点对应的图像坐标后，通过相应算法转换成对机械臂的控制信号，使得末端执行器定位在要搬运的快件的正上方。
一种基于视觉的移动分拣机器人分拣方法，包括以下步骤：
步骤一：将贴有标签的快件任意摆放在工作平台上，清空机器人的存储单元，机器人的LCD显示屏显示出工作平台上各个快件的画面，红外接收器等待启动信号；
步骤二：红外接收器接收到启动信号后，机器人从起点出发，沿着引导线前进，摄像头a实时采集机器人前方道路情况，控制板对图像数据进行处理后，转化成对轮式行走机构的控制信号；
步骤三：机器人在行进的同时完成对各个快件上标签信息的识别以及快件中心点的图像坐标计算；
步骤四：当机器人到达第一个快件堆放点处时，机器人停止，驱动机械臂和末端执行器将工作平台上与堆放点相对应的快件搬运到堆放点处，之后继续行进，依照此法将工作平台上剩余的快件分别搬运到指定位置，最终回到起点位置，完成一次搬运周期。
本发明的有益效果：在本发明的移动分拣机器人的工作平台上放置快件，主控板控制轮式行走机构沿着引导线行进，同时主控板对摄像头拍摄到的工作平台上快件的画面进行处理，得到各快件上所贴标签的信息以及各快件中心点对应的图像坐标，主控板再将图像坐标数据转换成机械臂的控制信号，当机器人行进到各个快件堆放点处时，将对应的快件搬运到堆放点，实现一次搬运能分拣多个快件的目的，提高分拣效率。
附图说明
图1是本发明的基于视觉的移动分拣机器人的最优实施例的总体方案结构框图。
图2是本发明的基于视觉的移动分拣机器人的最优实施例的立体结构示意图。
图3是本发明的基于视觉的移动分拣机器人的最优实施例的侧视图。
图4是本发明的基于视觉的移动分拣机器人的最优实施例的俯视图。
图5是本发明的基于视觉的移动分拣机器人的最优实施例的局部结构示意图。
图6是本发明的基于视觉的移动分拣机器人的最优实施例的机械臂结构示意图。
图7是本发明的基于视觉的移动分拣机器人的最优实施例的末端执行器结构示意图。
图中：1底板；2轮式行走机构；3底座；4摄像头a；5机械臂；6末端执行器；7工作平台；8支架；9支杆a；10摄像头b；11支杆b；12电机；13轮胎；14主控板；15电池；16气泵机构；17舵机a；18舵机b；19舵机c；20舵机d；21舵机e；22光杆；23套杆连接；24丝杆；25光杆固定架；26联轴器；27气动手指气缸；28手爪。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
如图2-4所示，本发明的一种基于视觉的移动分拣机器人，包括底板1、轮式行走机构2、摄像头a4、主控板14、机械臂5、末端执行器6、电池15、气泵机构16、工作平台7、摄像头b10；所述的轮式行走机构2安装在底板1的下方；所述的摄像头a4安装在机器人底板1的前端，以便获取前方道路环境；所述的主控板14分别与摄像头a4、机械臂5、末端执行器6、气泵机构16、摄像头b10电连接；所述的机械臂5有五个自由度，机械臂5的末端连接有末端执行器6；所述的电池15与轮式行走机构2、主控板14和气泵机构16连接并为其供电；所述的气泵机构16用于控制所述末端执行器6的开合状态；所述的摄像头b10架高于工作平台7上方，摄像头b10能拍摄整个所述工作平台7的画面。
轮式行走机构2包括四个电机12和四个轮胎13，电机12通过螺丝固定在底板1上。摄像头a4通过底座3和支架8固定在底板1的最前方，为使机器人具有更好的跟踪性和稳定性，摄像头a4拍摄到的前方道路环境要尽可能宽，所以摄像头a4距离底板1要有一定高度，使机器人拥有更好的前瞻性。
如图2-7所示，紧挨着底座3的机械臂5通过8根支柱固定在底板1上，机械臂5有五个自由度，舵机a17用来控制所述机械臂5在Z方向上的运动，舵机b18、舵机c19分别控制机械臂5在水平面上的X、Y方向上的运动，改变舵机b18、舵机c19的角度可以将机械臂5的末端移动到工作平台7上的任意位置，舵机d20可以360度旋转，舵机d20的输出轴连接有丝杆24，光杆固定架25固定在舵机d20两侧，穿过光杆固定架25的通孔固定有光杆22，套杆连接23同时套在光杆22和丝杆24上，通过丝杆24的旋转控制套杆连接23的竖直上升和下降，套杆连接23的另一端固定有舵机e21，舵机e21用于调整末端执行器6的姿态，气动手指气缸27通过联轴器26和舵机e21的输出轴固定，气动手指气缸27的末端固定有手爪28，用于更好地夹持快件。
如图1所示，紧靠着机械臂5的控制板14采用双处理器协同作业模式，处理器a控制轮式行走机构2、摄像头a4和红外接收器，红外接收器接收来自操作者的启动信号，摄像头a4用来实时采集前方道路环境，处理器a通过不断控制轮式行走机构2来跟踪引导线；处理器b控制机械臂5、末端执行器6、气泵机构16、摄像头b10、无线通信模块和LCD显示屏，摄像头b10用于拍摄工作平台7上的画面，LCD显示屏用于实时显示摄像头b10拍摄到的画面以及识别后的结果，无线通信模块用于处理器b和上位机之间的数据传输，处理器b通过协调控制机械臂5、末端执行器6和气泵机构16来完成分拣搬运的任务，处理器a和处理器b之间通过串口进行通信。
如图2-4所示，电池15通过支柱卡在底板1上，气泵机构16通过螺丝固定在底板1的后方，工作平台7安装于支柱之上，杆b11通过铰链固定在工作平台7的中后部，杆a9与杆b11垂直固定，摄像头b10通过卡套固定在杆a9上，调整摄像头b10在杆a9上的相对位置，使摄像头b10能拍摄到整个工作平台7的画面。
一种基于视觉的移动分拣机器人分拣方法，包括以下步骤：
步骤一：将若干贴有标签的快件任意摆放在工作平台7上，清空机器人的存储单元，机器人的LCD显示屏显示出工作平台7上各个快件的画面，红外接收器等待启动信号；
步骤二：红外接收器接收到启动信号后，机器人从起点出发，沿着引导线稳定前进，摄像头a4实时采集机器人前方道路情况，处理器a对图像数据进行相应处理后，转化成对轮式行走机构2的控制信号；
步骤三：机器人在行进的同时完成对各个快件上标签信息的识别以及快件中心点的图像坐标计算；
步骤四：当机器人到达第一个快件堆放点处时，机器人停止，驱动机械臂5和末端执行器6将工作平台7上与堆放点相对应的快件搬运到堆放点处，继续行进，依照此法将工作平台7上剩余的快件分别搬运到指定位置，最终回到起点位置，完成一次搬运周期。
处理器a在接收到操纵者(用户)的启动信号后，开始驱动摄像头a4对机器人前方道路环境进行采集，摄像头a4在采集到一帧图像数据后，将其传输给处理器a，处理器a通过模数转换对图像数据进行处理并存储，采集到的数据受外界因素干扰较大，故对数据进行一次滤波，接着按照设定的阈值对滤波后的数据进行二值化，最后取出峰值的中值，将该值送入变结构PID算法计算后，得到对轮式行走机构2的控制信号，在变结构PID算法中，当误差较大时，采用纯比例控制，使机器人迅速回到稳定点，当误差较小时，采用比例微分控制，使机器人能更好地跟踪引导线，同时保持机器人行进的稳定性。
处理器a在接收到操作者的启动信号后，发送信号给处理器b，处理器b开始对摄像头b10拍摄到的工作平台7上的画面进行处理，首先对一帧图像数据进行二值化处理，将各个快件的特征提取出来，按照边缘提取的方法将各个快件隔开，分别计算出每个快件中心点对应的图像坐标，并将之都存储起来，同时对分隔开的图像进行标签识别，识别出每个快件标签的信息，同样将之存储起来，将识别结果显示在LCD显示屏上，并发送给上位机进行监视管理。
处理器b控制器在得到快件中心点对应的图像坐标后，通过末端定位算法转换成对机械臂5的控制信号，使得末端执行器6能准确定位到要搬运的快件的正上方。末端定位算法的推演主要由末端执行器的标定得到，具体实现如下；摄像头b10拍摄下工作平台7上的画面，标记出图像中四个顶点对应工作平台7上的位置，通过调试舵机b18、舵机c19的控制脉冲，使末端执行器6移动到标记点，得到对应每个点舵机b18、舵机c19的控制脉冲参数，调试出四个点对应的控制脉冲后，观察到四组数据间具有一定的联系，任意三个坐标可以推出最后一个点的控制脉冲，在已知图像坐标后，同样可以通过偏移的方法将末端执行器6移动到目标点。
Claims (3)
1.一种基于视觉的移动分拣机器人，其特征在于，所述的基于视觉的移动分拣机器人包括底板(1)、轮式行走机构(2)、摄像头a(4)、机械臂(5)、末端执行器(6)、工作平台(7)、摄像头b(10)、主控板(14)、电池(15)、气泵机构(16)、红外接收器、LCD显示屏和无线通信模块；
所述的轮式行走机构(2)主要由多个电机(12)和轮胎(13)组成，对称安装在底板(1)的底部，电机(12)驱动轮胎(13)转动，从而实现机器人的移动；
所述的摄像头a(4)通过底座(3)和支架(8)安装在底板(1)的前端，用于获取前方道路环境；底座(3)安装在底板(1)上，支架(8)垂直固定在底座(3)上，摄像头a(4)固定在支架(8)的上端；
所述的机械臂(5)安装在底板(1)上，包括三个臂节、舵机a(17)、舵机b(18)、舵机c(19)和舵机d(20)，三个臂节通过舵机b(18)和舵机c(19)顺次连接，舵机a(17)和舵机d(20)分别设在端部的两个臂节上，通过舵机的控制实现机械臂(5)的五个自由度运动；第一个自由度是通过底部的舵机a(17)控制机械臂(5)在Z方向上的运动，第二个和第三个自由度是通过舵机b(18)和舵机c(19)分别控制机械臂(5)实现水平面上的X、Y方向上的运动，第四个自由度是通过舵机d(20)和丝杆(24)传动控制套杆连接(23)的竖直上升和下降，第五个自由度是通过舵机e(21)调整末端执行器(6)的姿态；
所述的末端执行器(6)安装在机械臂(5)的末端，主要由舵机e(21)、光杆(22)、套杆连接(23)、丝杆(24)、光杆固定架(25)、联轴器(26)、气动手指气缸(27)和手爪(28)组成；所述的光杆固定架(25)安装在机械臂(5)的端部，使舵机d(20)位于光杆固定架(25)中间的空隙中；光杆固定架(25)上对称安装有两个光杆(22)，丝杆(24)位于两个光杆(22)之间，丝杆(24)的端部与舵机d(20)的输出轴相连；套杆连接(23)套装在光杆(22)和丝杆(24)上，通过丝杆(24)的旋转控制套杆连接(23)的竖直上升和下降；所述的舵机e(21)的输出轴通过联轴器(26)与气动手指气缸(27)实现连接，所述的手爪(28)安装在气动手指气缸(27)的末端，用于夹持快件；舵机e(21)固定在套杆连接(23)的端部，用于调整末端执行器(6)的姿态；
所述的工作平台(7)通过支柱安装在底板(1)上，工作平台(7)与底板(1)之间留有空隙，用于安装电池(15)和气泵机构(16)，工作平台(7)位于摄像头b(10)的下方；
所述的摄像头b(10)通过支杆a(9)和支杆b(11)安装在工作平台(7)上，用于拍摄工作平台(7)上的画面；支杆b(11)垂直固定安装在工作平台(7)上，支杆a(9)垂直固定在支杆b(11)的端部，摄像头b(10)通过卡套安装在支杆a(9)上，通过调节卡套的位置以调节摄像头b(10)在支杆a(9)上的相对位置；
所述的主控板(14)、电池(15)和气泵机构(16)，安装在底板(1)上；所述的主控板(14)分别与摄像头a(4)、机械臂(5)、末端执行器(6)、气泵机构(16)、摄像头b(10)相连接；所述的电池(15)，与轮式行走机构(2)、主控板(14)和气泵机构(16)相连，用于提供电力；所述的气泵机构(16)与末端执行器(6)的气动手指气缸(27)相连，用于控制手爪(28)的开合状态；
所述的红外接收器、LCD显示屏和无线通信模块，安装在底板(1)上，均与主控板(14)相连；红外接收器用于接收用户的指令；LCD显示屏用于实时显示摄像头b(10)拍摄到的画面以及识别后的结果；无线通信模块用于主控板(14)与上位机之间的数据传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于视觉的移动分拣机器人，其特征在于，所述的控制板(14)采用双处理器协同作业模式，处理器a用于控制轮式行走机构(2)、摄像头a(4)和红外接收器，对摄像头a(4)采集到的数据进行处理后，将处理后的数据放入到变结构PID控制算法中处理，转化为对轮式行走机构(2)的控制信号；处理器b用于控制机械臂(5)、末端执行器(6)、气泵机构(16)、摄像头b(10)、无线通信模块和LCD显示屏，在得到快件中心点对应的图像坐标后，通过相应算法转换成对机械臂(5)的控制信号，使得末端执行器(6)定位在要搬运的快件的正上方。
3.一种基于视觉的移动分拣机器人分拣方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将贴有标签的快件任意摆放在工作平台(7)上，清空机器人的存储单元，机器人的LCD显示屏显示出工作平台(7)上各个快件的画面，红外接收器等待启动信号；
步骤二：红外接收器接收到启动信号后，机器人从起点出发，沿着引导线前进，摄像头a(4)实时采集机器人前方道路情况，控制板(14)对图像数据进行处理后，转化成对轮式行走机构(2)的控制信号；
步骤三：机器人在行进的同时完成对各个快件上标签信息的识别以及快件中心点的图像坐标计算；
步骤四：当机器人到达第一个快件堆放点处时，机器人停止，驱动机械臂(5)和末端执行器(6)将工作平台(7)上与堆放点相对应的快件搬运到堆放点处，之后继续行进，依照此法将工作平台(7)上剩余的快件分别搬运到指定位置，最终回到起点位置，完成一次搬运周期。
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