CN110666789A - 一种基于计算机视觉的码垛机器人 - Google Patents

一种基于计算机视觉的码垛机器人 Download PDF

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张圳
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Abstract

本发明公开了一种基于计算机视觉的码垛机器人，包括摄像头、输送平台，输送平台包括输送辊、输送皮带，输送皮带缠绕在输送辊外部，输送平台一侧设有上料转盘，上料转盘上放置有待码垛产品，输送平台与上料转盘之间安装有下滑平台，摄像头安装在输送平台正上方，输送平台上设有加工点、码垛点和拦截点，本发明结构设计新颖，计算机通过摄像视觉检测物料在传输带上的位置，自动计算物料与设定位置的偏离值，码垛机器人依据物料在传输线上的偏离值，实时调节码垛机器人机械手位置，实现精准抓取物料。

Description

一种基于计算机视觉的码垛机器人
技术领域
本发明涉及码垛机器人技术领域，具体为一种基于计算机视觉的码垛机器人。
背景技术
随着我国经济的持续发展和科学技术的突飞猛进，使得机器人在码垛、涂胶、点焊、弧焊、喷涂、搬运、测量等行业有着相当广泛的应用。码垛机器人，是机械与计算机程序有机结合的产物。为现代生产提供了更高的生产效率。码垛机器在码垛行业有着相当广泛的应用。码垛机器人大大节省了劳动力，节省空间。码垛机器人运作灵活精准、快速高效、稳定性高，作业效率高。
码垛机器人系统采用专利技术的坐标式机器人的安装占用空间灵活紧凑。能够在较小的占地面积范围内建造高效节能的全自动砌块成型机生产线的构想变成现实。
目前的码垛机器人结构原理复杂，操作繁琐，工作效率低，因此，有必要进行改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于计算机视觉的码垛机器人，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于计算机视觉的码垛机器人，包括摄像头、输送平台，所述输送平台包括输送辊、输送皮带，所述输送皮带缠绕在输送辊外部，所述输送平台一侧设有上料转盘，所述上料转盘上放置有待码垛产品，所述输送平台与上料转盘之间安装有下滑平台，所述摄像头安装在输送平台正上方，所述输送平台上设有加工点、码垛点和拦截点；
所述码垛机器人包括底座、大臂、小臂和夹具，所述底座上端安装有滑轨，所述滑轨上安装有输送平台，所述输送平台上设有同步带，所述输送平台一侧安装有大臂电机和小臂电机，所述输送平台上安装有大臂，所述大臂电机与大臂驱动连接，所述输送平台一侧安装有小臂，所述小臂电机通过小臂连动杆连接小臂，所述小臂上端部安装有腕部电机，所述腕部电机下端传动连接夹具，所述底座上还安装有腰部电机，所述腰部电机与同步带传动连接，所述底座上还安装有控制器；
所述控制器内设有主控芯片、电源模块、RS485通信模块、第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机、第四驱动电机、光耦电路、继电器，所述主控芯片采用STM32单片机，所述主控芯片分别连接电源模块、RS485通信模块、第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机、第四驱动电机、光耦电路、继电器，所述第一驱动电机连接腰部电机，所述第二驱动电机连接大臂电机，所述第三驱动电机连接小臂电机，所述第四驱动电机连接腕部电机，所述光耦电路连接接近开关，所述继电器连接电磁阀。
优选的，其使用方法包括以下步骤：
A、首先，物料在上料转盘旋转并输送至下滑平台上，并滑落至输送平台上；
B、上方的摄像头实时采集物料的位置，并将物料位置传输至后台计算机，计算机自动计算物料与设定位置的偏离值，计算出各物料码垛点脉冲坐标；
C、码垛机器人依据物料在传输线上的偏离值，实时调节码垛机器人机械手位置，精确抓取物料。
优选的，所述步骤B中各物料码垛点脉冲坐标包括码垛点位坐标确定和物料距离坐标确定，其中，码垛点位坐标确定方法如下：
a、首先对1#物品码垛点采用示教法，直接确定1#物品的各轴脉冲坐标；
b、根据各轴脉冲坐标，通过反运动学求解，求出1#物品码垛点的距离坐标；
c、其余物品则根据与1#物品之间的x、y、z距离偏差，先由下式确定出其距离坐标：
Figure RE-GDA0002265122200000021
其中，n为码垛物品序号，lx、ly、lz为相邻码垛点在x、y、z方向上距离；
d、再通过正运动学求解，由物品距离坐标确定出其脉冲坐标。
优选的，所述物料距离坐标确定包括一号物料距离坐标确定和其余物料距离坐标确定，其中，一号物料距离坐标确定方法如下：首先根据设定点的各轴脉冲数，由反运动学求出设定点在各轴上与原点的距离，计算公式为： X轴大臂电机：
Figure RE-GDA0002265122200000022
其中
Figure RE-GDA0002265122200000023
Z轴小臂电机：
zd＝R*sinθ1-Rz
Y轴腰部电机：
yd＝(xd+Rxy)*tanθ2
其中R是小臂半径，Rx、Rz分别为实际目标点B和计算目标点B′在x,z 方向的距离，Rxy是原点O与腰部轴心Oy之间的距离，zdiv、ydiv为z,y轴电机行进分度值；xdiv为x轴电机行进分度值，(xpls,ypls,zpls)为目标点B的脉冲坐标。
优选的，其余物料距离坐标确定方法如下：其余物料则根据与一号物品之间的x,y,z距离偏差，由下式确定出距离目标：
xn＝xd-{[(n-1)％4]/2}*relx；
yn＝yd-[(n-1)％2]*rely；
zn＝zd+[(n-1)/4]*relz
其中：n为码垛物品序号，relx、rely、relz为相邻码垛点在x,y,z方向上距离。
优选的，物料脉冲坐标计算方法如下：
X轴大臂电机：
xpls＝(xz+xy)*xdiv，其中xz＝xd-Rx-Rcosθ1，
Figure RE-GDA0002265122200000031
Z轴大臂电机：zpls＝θ1*zdiv，其中
Figure RE-GDA0002265122200000032
Y轴大臂电机：ypls＝θ2*ydiv，其中
Figure RE-GDA0002265122200000033
。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明结构设计新颖，计算机通过摄像视觉检测物料在传输带上的位置，自动计算物料与设定位置的偏离值，码垛机器人依据物料在传输线上的偏离值，实时调节码垛机器人机械手位置，实现精准抓取物料。
附图说明
图1为本发明码垛机器人结构示意图；
图2为本发明控制原理框图；
图3为本发明基于计算机视觉的整体结构示意图；
图4为本发明正运动学x-z方向分解求解示意图；
图5为本发明正运动学x-y方向分解求解示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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做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。
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种基于计算机视觉的码垛机器人，包括摄像头1、输送平台，所述输送平台包括输送辊2、输送皮带3，所述输送皮带3缠绕在输送辊2外部，所述输送平台一侧设有上料转盘4，所述上料转盘4上放置有待码垛产品5，所述输送平台与上料转盘4之间安装有下滑平台 6，所述摄像头1安装在输送平台正上方，所述输送平台上设有加工点7、码垛点8和拦截点9；
码垛机器人包括底座11、大臂12、小臂13和夹具14，所述底座11上端安装有滑轨15，所述滑轨15上安装有输送平台16，所述输送平台16上设有同步带17，所述输送平台16一侧安装有大臂电机18和小臂电机19，所述输送平台16上安装有大臂12，所述大臂电机18与大臂12驱动连接，所述输送平台16一侧安装有小臂13，所述小臂电机19通过小臂连动杆20连接小臂13，所述小臂 13上端部安装有腕部电机21，所述腕部电机21下端传动连接夹具14，所述底座11上还安装有腰部电机22，所述腰部电机22与同步带17传动连接，所述底座11上还安装有控制器23；
所述控制器23内设有主控芯片24、电源模块25、RS485通信模块26、第一驱动电机27、第二驱动电机28、第三驱动电机29、第四驱动电机30、光耦电路31、继电器32，所述主控芯片24采用STM32单片机，所述主控芯片23分别连接电源模块25、RS485通信模块26、第一驱动电机27、第二驱动电机28、第三驱动电机29、第四驱动电机30、光耦电路31、继电器32，所述第一驱动电机27连接腰部电机22，所述第二驱动电机28连接大臂电机18，所述第三驱动电机29连接小臂电机19，所述第四驱动电机30连接腕部电机21，所述光耦电路31连接接近开关33，所述继电器32连接电磁阀34。
该码垛机器人能够自由控制输送带、大臂、小臂和夹具的工作，实现对物料的快速夹取和放置，有效的提高了工作效率。
工作原理：本发明的使用方法包括以下步骤：
A、首先，物料在上料转盘旋转并输送至下滑平台上，并滑落至输送平台上；
B、上方的摄像头实时采集物料的位置，并将物料位置传输至后台计算机，计算机自动计算物料与设定位置的偏离值，计算出各物料码垛点脉冲坐标；
C、码垛机器人依据物料在传输线上的偏离值，实时调节码垛机器人机械手位置，精确抓取物料。
本发明中，步骤B中各物料码垛点脉冲坐标包括码垛点位坐标确定和物料距离坐标确定，其中，码垛点位坐标确定方法如下：
a、首先对1#物品码垛点采用示教法，直接确定1#物品的各轴脉冲坐标；
b、根据各轴脉冲坐标，通过反运动学求解，求出1#物品码垛点的距离坐标；
c、其余物品则根据与1#物品之间的x、y、z距离偏差，先由下式确定出其距离坐标：
其中，n为码垛物品序号，lx、ly、lz为相邻码垛点在x、y、z方向上距离；
d、再通过正运动学求解，由物品距离坐标确定出其脉冲坐标。
本发明中，物料距离坐标确定包括一号物料距离坐标确定和其余物料距离坐标确定，其中，一号物料距离坐标确定方法如下：首先根据设定点的各轴脉冲数，由反运动学求出设定点在各轴上与原点的距离，计算公式为：
X轴大臂电机：
Figure RE-GDA0002265122200000062
其中
Figure RE-GDA0002265122200000063
Z轴小臂电机：
zd＝R*sinθ1-Rz
Y轴腰部电机：
yd＝(xd+Rxy)*tanθ2
其中R是小臂半径，Rx、Rz分别为实际目标点B和计算目标点B′在x,z方向的距离，Rxy是原点O与腰部轴心Oy之间的距离，zdiv、ydiv为z,y轴电机行进分度值；xdiv为x轴电机行进分度值，(xpls,ypls,zpls)为目标点B的脉冲坐标。
本发明中，其余物料距离坐标确定方法如下：其余物料则根据与一号物品之间的x,y,z距离偏差，由下式确定出距离目标：
xn＝xd-{[(n-1)％4]/2}*relx；
yn＝yd-[(n-1)％2]*rely；
zn＝zd+[(n-1)/4]*relz
其中：n为码垛物品序号，relx、rely、relz为相邻码垛点在x,y,z方向上距离。
此外，本发明中，物料脉冲坐标计算方法如下：
X轴大臂电机：
xpls＝(xz+xy)*xdiv，其中xz＝xd-Rx-Rcosθ1，
Figure RE-GDA0002265122200000071
Z轴大臂电机：zpls＝θ1*zdiv，其中
Figure RE-GDA0002265122200000072
Y轴大臂电机：ypls＝θ2*ydiv，其中
Figure RE-GDA0002265122200000073
。物料的脉冲坐标获得后，即可控制各轴步进电机，进行码垛。
综上所述，本发明结构设计新颖，计算机通过摄像视觉检测物料在传输带上的位置，自动计算物料与设定位置的偏离值，码垛机器人依据物料在传输线上的偏离值，实时调节码垛机器人机械手位置，实现精准抓取物料。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于计算机视觉的码垛机器人，包括摄像头(1)、输送平台，其特征在于：所述输送平台包括输送辊(2)、输送皮带(3)，所述输送皮带(3)缠绕在输送辊(2)外部，所述输送平台一侧设有上料转盘(4)，所述上料转盘(4)上放置有待码垛产品(5)，所述输送平台与上料转盘(4)之间安装有下滑平台(6)，所述摄像头(1)安装在输送平台正上方，所述输送平台上设有加工点(7)、码垛点(8)和拦截点(9)；
所述码垛机器人包括底座(11)、大臂(12)、小臂(13)和夹具(14)，所述底座(11)上端安装有滑轨(15)，所述滑轨(15)上安装有输送平台(16)，所述输送平台(16)上设有同步带(17)，所述输送平台(16)一侧安装有大臂电机(18)和小臂电机(19)，所述输送平台(16)上安装有大臂(12)，所述大臂电机(18)与大臂(12)驱动连接，所述输送平台(16)一侧安装有小臂(13)，所述小臂电机(19)通过小臂连动杆(20)连接小臂(13)，所述小臂(13)上端部安装有腕部电机(21)，所述腕部电机(21)下端传动连接夹具(14)，所述底座(11)上还安装有腰部电机(22)，所述腰部电机(22)与同步带(17)传动连接，所述底座(11)上还安装有控制器(23)；
所述控制器(23)内设有主控芯片(24)、电源模块(25)、RS(485)通信模块(26)、第一驱动电机(27)、第二驱动电机(28)、第三驱动电机(29)、第四驱动电机(30)、光耦电路(31)、继电器(32)，所述主控芯片(24)采用STM(32)单片机，所述主控芯片(23)分别连接电源模块(25)、RS(485)通信模块(26)、第一驱动电机(27)、第二驱动电机(28)、第三驱动电机(29)、第四驱动电机(30)、光耦电路(31)、继电器(32)，所述第一驱动电机(27)连接腰部电机(22)，所述第二驱动电机(28)连接大臂电机(18)，所述第三驱动电机(29)连接小臂电机(19)，所述第四驱动电机(30)连接腕部电机(21)，所述光耦电路(31)连接接近开关(33)，所述继电器(32)连接电磁阀(34)。
2.实现权利要求1所述的一种基于计算机视觉的码垛机器人的使用方法，其特征在于：其使用方法包括以下步骤：
A、首先，物料在上料转盘旋转并输送至下滑平台上，并滑落至输送平台上；
B、上方的摄像头实时采集物料的位置，并将物料位置传输至后台计算机，计算机自动计算物料与设定位置的偏离值，计算出各物料码垛点脉冲坐标；
C、码垛机器人依据物料在传输线上的偏离值，实时调节码垛机器人机械手位置，精确抓取物料。
3.根据权利要求1所述的一种基于计算机视觉的码垛机器人的使用方法，其特征在于：所述步骤B中各物料码垛点脉冲坐标包括码垛点位坐标确定和物料距离坐标确定，其中，码垛点位坐标确定方法如下：
a、首先对1#物品码垛点采用示教法，直接确定1#物品的各轴脉冲坐标；
b、根据各轴脉冲坐标，通过反运动学求解，求出1#物品码垛点的距离坐标；
c、其余物品则根据与1#物品之间的x、y、z距离偏差，先由下式确定出其距离坐标：
Figure RE-FDA0002265122190000031
其中，n为码垛物品序号，lx、ly、lz为相邻码垛点在x、y、z方向上距离；
d、再通过正运动学求解，由物品距离坐标确定出其脉冲坐标。
4.根据权利要求3所述的一种基于计算机视觉的码垛机器人的使用方法，其特征在于：所述物料距离坐标确定包括一号物料距离坐标确定和其余物料距离坐标确定，其中，一号物料距离坐标确定方法如下：首先根据设定点的各轴脉冲数，由反运动学求出设定点在各轴上与原点的距离，计算公式为：
X轴大臂电机：
Figure RE-FDA0002265122190000032
其中
Figure RE-FDA0002265122190000033
Z轴小臂电机：
zd＝R*sinθ1-Rz
Y轴腰部电机：
yd＝(xd+Rxy)*tanθ2
其中R是小臂半径，Rx、Rz分别为实际目标点B和计算目标点B′在x,z方向的距离，Rxy是原点O与腰部轴心Oy之间的距离，zdiv、ydiv为z,y轴电机行进分度值；xdiv为x轴电机行进分度值，(xpls,ypls,zpls)为目标点B的脉冲坐标。
5.根据权利要求4所述的一种基于计算机视觉的码垛机器人的使用方法，
其特征在于：其余物料距离坐标确定方法如下：其余物料则根据与一号物品之间的x,y,z距离偏差，由下式确定出距离目标：
xn＝xd-{[(n-1)％4]/2}*relx；
yn＝yd-[(n-1)％2]*rely；
zn＝zd+[(n-1)/4]*relz
其中：n为码垛物品序号，relx、rely、relz为相邻码垛点在x,y,z方向上距离。
6.根据权利要求3所述的一种基于计算机视觉的码垛机器人的使用方法，其特征在于：物料脉冲坐标计算方法如下：
X轴大臂电机：
xpls＝(xz+xy)*xdiv，其中xz＝xd-Rx-Rcosθ1，
Z轴大臂电机：zpls＝θ1*zdiv，其中
Figure RE-FDA0002265122190000042
Y轴大臂电机：ypls＝θ2*ydiv，其中
Figure RE-FDA0002265122190000043
。
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