CN110740954A - 包括空间高效的分配站和自动化输出处理的用于处理物体的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

用于处理物体的空间高效的自动化处理系统(10)包括：输入传送系统(14,16)，用于从输入区域(12)以至少输入传送向量(14,16)移动物体，输入传送向量(14,16)包括输入传送水平方向分量(16)和输入传送竖直方向分量(14)；感知系统(20)，用于从输入传送系统接收物体，并用于提供关于物体的感知数据；主传输系统(26)，用于从感知系统接收物体，并用于提供物体沿至少主传输向量的传输，该主传输向量包括主传输水平分量和主传输竖直分量，该主传输竖直分量与输入传送水平方向分量相反；以及至少两个次级传输系统(36,36,38)，其中的每个次级传输系统从主传输系统接收物体，并且在各自都总体上平行于输入传送水平方向分量和主方向水平方向分量的互逆方向中的任一方向上移动物体。

Description

包括空间高效的分配站和自动化输出处理的用于处理物体的 系统和方法
优先权
本申请要求2017年4月18提交的美国临时专利申请序列号62/486,783的优先权，该申请的公开内容通过引用而整体结合于此。
背景技术
本发明总体涉及自动化处理系统、机器人处理系统和其他处理系统，并且具体地涉及旨在用于需要例如对各种物体(例如，制品、包裹或包装)进行处理(例如，分拣和/或其他方式分配到若干输出目的地)的环境中的自动化系统和机器人系统。
许多物体分配系统接收无组织的流形式的物体，这些物体可以被提供为多个单独的物体或聚集成组(诸如，成袋)的物体，这些物体到达若干不同的传送工具中的任何一个，这些传送工具通常是传送器、卡车、托盘、盖洛德(Gaylord)或箱。然后，如由与物体相关联的识别信息所确定，每个物体必须被分配到正确的目的地容器，该正确的目的地容器通常由印在物体上的标签确定。目的地容器可以采取诸如袋或箱之类的许多形式。
此类物体的处理传统上至少部分地由扫描物体的人类工作人员完成，这些人类工作人员例如用手持式条形码扫描仪扫描物体，然后将物体放置在所分派的位置处。例如，许多订单履行操作通过采用称为波次拾取的过程来实现高效率。在波次拾取中，从仓库架拾取订单并将订单放置在包含在下游被分拣的多个订单的位置处(例如，放置到箱中)。在处理阶段，识别多个单独的物体，并且将多物体订单合并到例如单个箱或架位置中，使得多物体订单可以被打包且然后被运送给客户。对这些物体的处理(例如，分拣)传统上由手工完成。人类分拣员从来料箱拾取物体，在该物体上找到条形码，利用手持式条形码扫描仪扫描条形码，根据所扫描的条形码确定用于制品的适当的箱或架位置，然后将物体放置在如此确定的箱或架位置，其中该订单的所有物体都已限定为属于该位置。还提出了用于订单履行的自动化系统。例如，参见美国专利申请公开第2014/0244026号，其公开了机器人臂与拱形结构一起的使用，该拱形结构可移动到机器人臂的范围内。
通过码扫描来识别物体的其他方式要么需要手动处理，要么需要控制或约束码位置，使得固定的或机器人持有的码扫描仪(例如，条形码扫描仪)可以可靠地检测到码。手动操作的条形码扫描仪通常是固定的或手持式系统。对于诸如在销售点系统处使用的那些固定系统之类的固定系统，操作员持有物体并将物体放置在扫描仪前，使得条形码面向扫描设备的传感器，并且连续地扫描的扫描仪对该扫描仪可以检测到的任何条形码进行解码。如果没有立即检测到物体，则持有物体的人通常需要改变的物体在固定扫描仪前方的位置或旋转，以便使条形码对于扫描仪更加可见。对于手持式系统，操作扫描仪的人寻找物体上的条形码，然后持有扫描仪，使得物体的条形码对于扫描仪可见，然后按下手持式扫描仪上的按钮以启动条形码的扫描。
此外，许多当前的分配中心分拣系统通常采取不灵活的操作序列，由此首先将无组织的输入物体的流分离到单个的被隔离物体的流，这些被隔离物体一次一个地被呈现给识别物体的扫描仪。一个或多个传送元件(例如，传送器、倾斜托盘或可手动移动的箱)将物体传送到期望的目的地或进一步的处理站，其可以是箱、滑槽、袋或传送器等。
在常规的包裹分拣系统中，人类工作人员或自动化系统通常以到达顺序检取物体，并且基于一组给定的试探法将每个物体分拣到收集箱中。例如，类似类型的所有物体、或者单个客户订单中的所有物体、或者去往相同的运送目的地的所有物体等可以去往收集箱。人类工作人员或自动化系统需要接收物体，并将每个物体移动到它们的所分派的收集箱。如果不同类型的输入(所接收的)物体的数量很大，则需要大量的收集箱。
此类系统具有固有的低效率以及不灵活性，因为期望的目标是将进入的物体与所分派的收集箱匹配。此类系统可能部分地需要大量的收集箱(并且因此需要大量的物理空间、大的投资成本和大的运营成本)，因为一次将所有物体分拣到所有目的地并不总是最高效的。
当前现有技术的分拣系统在某种程度上依赖于人类劳动力。大多数解决方案依赖于通过扫描来自导入区域(滑槽、桌等)的物体并将物体放置在暂存位置、传送器或收集箱中来执行分拣的工作人员。当箱已满时，另一个工作人员将箱清空到袋、盒或其他容器中，并且继续将该容器发送到下一个处理步骤。此类系统对吞吐量(即，人类工作人员可以以该方式分拣或清空箱的速度)和转移数量(即，对于给定的箱尺寸，仅这么多箱可以被安排在人类工作人员的高效可达范围内)有限制。
其他部分自动化的分拣系统涉及使用循环传送器和倾斜托盘，其中倾斜托盘接收通过人为分拣(人为归纳)的物体，并且每个倾斜托盘移动经过扫描仪。然后扫描每个物体，并将其移动到分派给该物体的预定位置。然后托盘倾斜以使物体跌落到该位置中。此外，部分自动化的系统(诸如，炸弹舱式循环传送器)涉及在将托盘定位在预定的滑槽上方时使托盘打开在每个托盘的底部的门，然后使物体从托盘跌落到滑槽中。同样，物体当处于托盘中时被扫描，这假定任何识别码对于扫描仪都是可见的。
在关键区域中缺少此类部分自动化的系统。如所提及，这些传送器具有能够装载物体的离散的托盘；然后，这些托盘穿过扫描通道，该扫描通道扫描物体并将物体与该物体所乘坐的托盘相关联。当托盘经过正确的箱时，触发机制使托盘将物体倾倒到该箱中。然而，此类系统的缺点在于，每次转移都需要致动器，这增加了机械复杂性，并且每次转移的成本可能非常高。
一种替代方案是使用人类劳动力来增加转移数量、或系统中可用的收集箱的数量。这减少了系统安装成本，但增加了运营成本。然后，多个单元可以并行工作，从而有效地线性倍增吞吐量，同时将昂贵的自动转移数量保持在最小值。此类转移不识别物体，并且不能将物体转移到特定地点，而是与束制动或其他传感器一起工作，以寻求确保不加区分的物体堆被适当地转移。与低转移数量结合的此类转移的较低成本将整体系统转移成本保持为低。
遗憾的是，这些系统没有解决系统箱总数的限制。系统简单地将全部物体的相等份额转移到每个并行手动单元。因此，每个并行分拣单元必须具有所有相同的收集箱指定；否则可能将物体递送到不具有物体被映射到的箱的单元。仍然需要一种更高效和更具成本效益的物体分拣系统，该物体分拣系统将具有各种尺寸和重量的物体分拣到具有固定尺寸的适当的收集箱或托盘，而在操纵具有此类不同尺寸和重量的物体方面是高效的。
发明内容
根据实施例，本发明提供了用于处理物体的空间高效的自动化处理系统。处理系统包括：输入传送系统，用于从输入区域以至少输入传送向量移动物体，输入传送向量包括输入传送水平方向分量和输入传送竖直方向分量；感知系统，用于从输入传送系统接收物体，并用于提供关于物体的感知数据；主传输系统，用于从感知系统接收物体，并用于提供物体沿至少主传输向量的传输，该主传输向量包括主传输水平分量和主传输竖直分量，该主传输竖直分量总体上与输入传送水平方向分量相反；以及至少两个次级传输系统，其中的每个次级传输系统从主传输系统接收物体，并在各自都总体上平行于输入传送水平方向分量和主方向水平方向分量的互逆方向中的任一方向上移动物体。
根据另一实施例，本发明提供了一种用于提供对物体的空间高效的自动化处理的方法。方法包括以下步骤：从输入区域以至少输入传送向量传送物体，输入传送向量包括输入传送水平方向分量和输入传送竖直方向分量；从输入传送系统接收物体，并响应于物体在感知系统竖直方向上落下而提供关于物体的感知数据，感知系统竖直方向在方向上总体上与输入传送竖直方向分量相反；沿至少主传输向量传输从感知系统接收的物体并使用主传输系统，该主传输向量包括主传输水平方向分量和主传输竖直分量，该主传输竖直分量总体上与输入传送水平方向分量相反；以及从主传输系统接收物体，并沿总体上平行于输入传送水平方向分量和主方向水平方向分量的方向移动物体。
根据又一实施例，本发明提供了一种用于处理物体的自动化处理系统。自动化处理系统包括：输入传送系统，用于将物体从输入区域朝向感知系统移动；感知系统，用于从输入传送系统接收物体，并用于提供关于物体的感知数据；主传输系统，用于从感知系统接收物体，并用于提供物体沿至少主传输向量的传输；以及转移器系统，用于将物体提供给多个处理位置中的一个处理位置，每个处理位置包括处理箱或处理盒，其中处理箱或处理盒中的每个处理箱或处理盒设置在至少一个输入箱传送器系统上，该至少一个输入箱传送器系统被偏置以将输入传送器系统上的处理箱或盒驱使到输入传送器系统的一侧。
根据进一步的实施例，本发明提供了一种处理物体的方法。方法包括以下步骤：使用输入传送系统将物体从输入区域朝向感知系统移动；从输入传送系统接收物体，并使用主感知系统提供关于物体的感知数据；从主感知系统接收物体，并使用主传输系统提供物体沿至少主传输向量的传输；以及将物体转移到多个处理位置中的一个处理位置，每个处理位置包括处理箱或处理盒，其中处理箱或处理盒中的每个处理箱或处理盒设置在至少一个输入箱传送器系统上，该至少一个输入箱传送器系统被偏置以将处理箱或盒驱使到输入传送器系统的一端。
附图说明
参考附图可以进一步理解以下描述，其中：
图1示出了根据本发明的实施例的物体处理系统的说明性示意主视图；
图2示出了图1的系统的说明性示意处理侧视图；
图3示出了图1的系统的另一说明性示意后视图；
图4示出了图1的系统中的可编程运动设备处理站的说明性示意图；
图5示出了图2-4的感知系统的说明性示意图；
图6示出了来自图2-4的感知系统的说明性示意图，示出了待处理的物体的视图；
图7A和图7B示出了本发明的实施例的物体处理系统中的抓取选择过程的说明性示意图；
图8A和图8B示出了本发明的实施例的物体处理系统中的抓取规划过程的说明性示意图；
图9A和图9B示出了本发明的实施例的物体处理系统中的抓取执行过程的说明性示意图；
图10示出了图1的跌落感知系统的说明性示意主视图；
图11示出了图1的跌落感知系统的说明性示意后视图；
图12A-12C示出了图1的物体转移系统的说明性示意图；
图13示出了根据本发明的实施例的物体处理系统中的处理部分的说明性示意图，其中物体被放置在托架中；
图14示出了图13的处理部分的说明性示意图，其中托架已沿其轨道被移动；
图15示出了图13的处理部分的说明性示意图，其中托架已将其负载转移到目的地箱；
图16A和图16B示出了根据本发明的实施例的用于物体处理系统中的箱移除机构的说明性示意图；
图17示出了图13的处理部分的说明性示意图，其中托架已返回到其基座，并且被移除的目的地箱被驱使移离其位置；
图18示出了图13的处理部分的说明性示意图，其中被移除的目的地箱沿输出传送器被移动；
图19示出了根据本发明的各实施例的用作储存箱或目的地箱的盒组件的说明性示意分解图；
图20示出了图19的经组装的盒托盘组件的说明性示意图；
图21A-21D示出了用于本发明的进一步的实施例的箱移位系统的进一步的实施例的说明性示意图；
图22示出了根据本发明的实施例的流程图，该流程图示出系统中的所选择的处理步骤；以及
图23示出了根据本发明的实施例的流程图，该流程图示出系统中的箱分派和管理步骤；
示出附图仅用于说明性目的。
具体实施方式
根据实施例，本发明提供了用于处理物体的空间高效的自动化处理系统。系统包括输入传送系统、感知系统、主传输系统和至少两个次级传输系统。输入传送系统用于从输入区域以至少输入传送向量移动物体，输入传送向量包括输入传送水平方向分量和输入传送竖直方向分量。感知系统用于从输入传送系统接收物体，并用于提供关于物体的感知数据。主传输系统用于从感知系统接收物体，并用于提供物体沿至少主传输向量的传输，该主传输向量包括主传输水平分量和主传输竖直分量，该主传输竖直分量总体上与输入传送水平方向分量相反。至少两个次级传输系统中的每个次级传输系统从主传输系统接收物体，并在各自都总体上平行于输入传送水平方向分量和主方向水平方向分量的互逆方向中的任一方向上移动物体。
所描述的系统在特定实施例中采用一组传送器和传感器以及机器人臂来可靠地使此类物体的识别和传送自动化。简而言之，申请人发现，当使物体的分拣自动化时，存在要考虑的几个因素：1)整体系统吞吐量(每小时分拣的物体)、2)转移数量(即，物体可以被路由到的离散位置的数量)、3)分拣系统的总面积(平方英尺)、以及4)运行系统的年度成本(工时、电费、一次性组件的成本)。
在分配中心中处理物体(例如，分拣)是用于自动地识别和移动物体的应用。例如，在运送分配中心中，物体通常成卡车地到达，被传送到分拣站，在分拣站处，这些物体根据期望的目的地被处理(例如，被分拣)，被聚集成袋，随后被装载在卡车中以运送到期望的目的地。另一个应用可以在零售商店或订单履行中心的运送部门中，其可能需要处理物体以运送到不同的托运人，或者运送到特定托运人的不同分配中心。在运送中心或分配中心中，物体可以采取塑料袋、盒、管、封皮或其他合适的容器的形式，并且在一些情况下还可包括不在容器中的物体。在运送中心或分配中心中，通常通过读取印在物体上或附连的标签上的识别信息来获得期望的目的地。在该场景中，通常通过查询客户的信息系统来获得与识别信息相对应的目的地。在其他场景中，目的地可以直接被写在物体上，或者可以通过其他手段被知晓。
因此，根据各实施例，本发明提供了从无组织的物体流取得多个单独的物体、提供总体上分离的物体流、识别多个单独的物体以及将这些物体处理到期望的目的地的方法。发明进一步提供了用于以下操作的方法：将物体装载到系统中；将物体从一个点传送到另一点；确定抓取位置并抓取物体；排除不适当或无法识别的物体；将物体从一个传送器转移到另一个传送器；聚集物体并将物体转移到输出传送器；系统内部的以及与外部信息系统的数字通信；与人类操作员和维护人员的通信；以及维护安全的环境。
根据本发明的实施例的自动化物体识别和处理系统的重要组件包括输入传送系统、感知系统、主传输系统以及次级传输系统。例如，图1示出了系统10，该系统10包括进给区域12，物体可以例如通过倾倒器被倾倒到该进给区域12中，或从盖洛德被转移到该进给区域12中。进给传送器14将物体从进给区域12传送到处理站18处的中间传送器16。进给传送器14可包括夹板，用于辅助将物体从输入区域12抬高到中间传送器16上。
处理站18还包括抓取感知系统20，该抓取感知系统20观察中间传送器16上的物体，并识别对于物体的抓取位置。处理站18还包括可编程运动设备22(诸如，关节臂)和主感知系统24(诸如，跌落感知单元)。抓取感知系统20探测物体，以在可能的情况下识别物体，并确定良好的抓取点。然后，物体被设备22抓取，并使物体跌落到跌落感知系统24中，以确保物体被准确地识别。然后，物体通过主感知系统24落到主传输系统26(例如，传送器)上。主传输系统26承载物体经过一个或多个转移器30、32，这些转移器30、32可被接合以将物体移离主传输系统26而转移到托架34、36、38中任何一个托架(当相应的托架与转移器对准时)或转移到输入区域12中。托架34、36、38中的每个托架能够沿在梭型部分132的目的地站130的行之间行进的轨道往复移动(如下文更详细地讨论)。
在图2中示意性地示出了物体的流动，该图示出了物体从进给区域12移动到中间传送器16。可编程运动设备22使物体跌落到跌落感知单元24中，然后物体落在主传输系统26上。然后，由主传输系统26将物体传送到选择性地将物体转移到托架(例如，36、38)的转移器。托架将物体带到多个目的地站130(例如，处理盒或处理箱)中的一个，并使物体跌落到适当的目的地站中。当目的地站已满或以其他方式完成时，目的地站被移动到输出传送器。
图3示出了图1的系统的后视图，该图更清楚地示出了可编程运动设备22和跌落感知系统24。主传输系统26可以是隔断式传送器，并且可使物体跌落到隔断式传送器上，使得针对每个被隔断部分提供一个物体。传送器14和26的速度也可以被控制，以辅助将分离的物体流提供给转移器30、32。再次参考图1，目的地站130(再次，例如箱或盒)被设置在目的地输入传送器160、162上，该目的地输入传送器160、162可以是重力馈送的，使得其上的箱或盒被偏置以朝向处理站18移动(如通过相应的箭头大体所示)。目的地输出传送器150、152、154也可以是重力馈送的，以允许已完成的箱或盒被送离处理站18(再次，如通过相应的箭头大体所示)。在进一步的实施例中，传送器150、152、154、160、162可以通过重力在任一方向上被偏置，或者以有源方式进行功率控制。系统可以使用计算机处理控制系统170来操作，该计算机处理控制系统170与传送器控制系统、感知单元、可编程运动设备、转移器、盒或箱移除系统(如下文所讨论)以及在系统中提供的任何和所有传感器进行通信。
参考图4，实施例的处理站18包括抓取感知系统20，该抓取感知系统20安装在提供待处理物体的中间传送器16上方。例如并且参考图5，抓取感知系统20(在其下侧)可包括相机40、深度传感器42和灯44。获取2D和3D(深度)数据的组合。深度传感器42可以提供深度信息，该深度信息可以与相机图像数据一起使用以确定关于视图中的各种物体的深度信息。灯44可被用于去除阴影并且用于促进物体边缘的识别，并且可以在使用期间全部打开，或者可以根据期望的序列照亮以辅助物体识别。系统使用该成像和各种算法以为箱中的物体生成一组候选抓取位置，如下文更详细地所讨论。
可编程运动设备22可包括配备有传感器和计算装置的机器人臂，本文假定当将传感器和计算装置组合时用于呈现以下能力：(a)每个机器人臂能够使用例如末端执行器从分离的物体流拿起物体；(b)每个机器人臂能够将物体移动到其工作空间内的任意位置；并且(c)每个机器人臂能够生成它能够拾取的物体的图，该图被表示为工作单元中的抓取点的候选集，并表示为在空间中包围物体的一系列多面体。所允许的物体由机器人系统的能力确定。假定物体的尺寸、重量和几何形状使得机器人系统能够拾取、移动并且放置这些物体。这些物体可以是从自动化处理中受益的任何种类的订购货物、包装、包裹或其他制品。
图6示出了当抓取感知系统20查看中间传送带16上的物体50、52、54时由该抓取感知系统20检测的图像的表示。叠加在物体50、52、54上(以供说明目的)的是这些物体的预期抓取位置60、62、64。注意，虽然候选抓取位置60、62、64似乎是良好的抓取位置，但是如果其他抓取位置过于靠近物体的边缘，或者如果抓取位置在物体的非常不规则的表面上，或者物体部分地被另一物体遮挡，则其他抓取位置可能不是良好的抓取位置。可以使用放置在实际末端执行器将用作抓取位置的位置处的机器人末端执行器的3D模型来指示候选抓取位置，如图6中所示。例如，如果抓取位置靠近物体的质心以在抓取和传输期间提供更大的稳定性，和/或如果抓取位置避开物体上的在其处可能无法获得良好的真空密封的位置(诸如，盖、接缝等)时，则抓取位置可被认为是良好的。
如果物体不能完全被检测系统感知，则感知系统将该物体视为两个不同的物体，并且可以提出对这两个不同物体的多于一个的候选抓取。如果系统在这些不良抓取位置中的任何一处执行抓取，则该系统要么由于将不发生真空密封所在之处的不良抓取点(例如，在右边)而无法获取物体，要么将在距离物体的质心非常远的抓取位置处(例如，在左边)获取物体，并且由此在任何所尝试的传输期间引起很大的不稳定性。这些结果中的每个结果都是不期望的。
如果遇到不良抓取位置，则系统可记住用于相关联的物体的位置。通过识别良好抓取位置和不良抓取位置，在2D/3D图像中的特征与良好抓取位置或不良抓取位置的概念之间建立相关性。使用此数据和这些相关性作为机器学习算法的输入，系统最终可以对于呈现给它的每个图像学习最佳地抓住物体的位置以及避免抓住物体的位置。
如图7A和图7B所示，感知系统还可以识别在生成良好抓取位置信息时最平坦的物体的部分。具体地，如果物体(诸如，物体50)包括管状端和平坦端，则系统将识别更平坦的端，如图7B中的58处所示。另外，系统可以选择出现UPC码之处的物体的区域，因为此类码通常被打印在物体的相对平坦的部分上以便于扫描条形码。
图8A和图8B示出了对于每个物体80、82，抓取选择系统可以确定与物体80、82的所选平坦部分垂直的方向。如图9A和图9B所示，机器人系统随后将指引末端执行器84从垂直于表面的方向接近每个物体80、82，以便更好地促进对每个物体的良好抓取的生成。通过从基本垂直于物体表面的方向接近每个物体，机器人系统显著地提高了获得物体的良好抓取的可能性，特别是当采用真空末端执行器时。
因此，在特定实施例中，本发明提供了：抓取优化可以基于表面法线的确定，即，将末端执行器移动到与物体的所感知的表面垂直(与竖直拾取或“起重机式”拾取相反)，并且此类抓取点可以通过将基准特征用作抓取点来选择，诸如假定条形码几乎总是被施加到物体上的平坦点，在条形码上拾取。本发明还提供这样的操作员辅助：在其中系统已经反复地未能抓取的物体具有由人识别的正确抓取点，并且提供这样的操作员辅助：在其中操作员识别不良的抓取规划，因此去除它们并节省系统尝试执行它们的时间。
因此，根据各实施例，本发明还提供分拣系统，该分拣系统可以根据经验和人类引导来学习物体抓取位置。设计为在与人类工作人员相同环境中工作的系统将面对各种各样的物体、姿势等。大量的种类几乎确保机器人系统将遇到它无法最优地处理的物体的(多个)配置；在这种时候，期望使人类操作员能够辅助系统，并使系统从非最优抓取中学习。
系统基于离线或在线提取的或针对抓取器的特性定制的各种特征来优化抓取点。吸盘的性质影响其对下面的表面的适用性，因此当在物体的估计表面法线上进行拾取而不是执行当前工业应用中常见的竖直的起重机式拾取时，更可能实现最优抓取。
除了几何信息之外，系统还使用基于外观的特征，因为深度传感器可能不总是足够准确以提供关于可抓取性的足够信息。例如，系统可以学习诸如物体上的条形码之类的基准点的位置，该基准点可以用作平坦且不可渗透的表面贴片的指示符，因此适合于吸盘。一个此类示例是传输盒和袋，其倾向于在物体的质心处具有传输标签并且提供不可渗透的表面，与可能是略微多孔的并且因此不呈现良好抓取的原始袋材料相反。
通过识别图像上的不良抓取点或良好抓取点，在2D/3D成像中的特征与良好抓取点或不良抓取点的概念之间建立相关性；使用此数据和这些相关性作为机器学习算法的输入，系统最终可以对于呈现给它的每个图像学习在哪里抓取以及在哪里避开。
对于每次拾取尝试，无论成功与否，此信息被添加到系统收集的基于经验的数据。随时间推移，机器人学习避开导致不成功抓取的特征，这些不成功抓取特定于物体类型或表面/材料类型。例如，机器人可能偏好避免在收缩包装上拾取，无论它被施加到哪个物体，但可能仅偏好将抓取放置在诸如传输袋之类的某些物体类型上的基准点附近。
通过离线生成人类校正图像可以加速这种学习。例如，可以向人类呈现来自先前系统操作的数千个图像，并且人类可手动注释每个图像上的良好抓取点和不良抓取点。这将生成大量数据，这些数据也可以被输入到机器学习算法中以提高系统学习的速度和效率。
除了基于经验或基于人类专家的训练数据之外，还可以基于利用已知的抓取器和物体特性的物理仿真中的详细物体模型来生成大量经标记的训练数据。这允许对大量物体快速且密集地生成可抓取性数据，因为此过程不受物理机器人系统或人类输入的速度限制。
根据物体上的符号(例如，条形码)确定正确的处理目的地。假设物体用视觉上独特的标记(诸如，条形码或射频识别(RFID)标签)在其外部的一个或多个位置处被标记，使得可用扫描仪来识别这些物体。标记的类型取决于所使用的扫描系统的类型，但可包括1D或2D条形码符号。可以采用多种符号或标记方法。假定所采用的扫描仪的类型与标记方法兼容。通过条形码、RFID标签或其他手段进行的标记对符号串进行编码，该符号串通常是标识物体的字母和数字的串。
一旦被抓取，物体就可被可编程运动设备22移动到主感知系统24(诸如，跌落扫描仪)。甚至可以使物体跌落到感知系统24中。在进一步的实施例中，如果在中间传送器16上提供了充分分离的物体流，则可编程运动设备可以被提供为将物体移离中间传送器而转移到跌落扫描仪中的转移器(例如，推杆或拉杆)。此外，可以控制中间传送器16的移动速度和方向(以及进给传送器14的移动和速度)以进一步促进在跌落扫描仪附近的中间传送器16上提供分离的物体流。
如图10和图11中进一步所示，主感知系统24可包括具有顶部开口104和底部开口106的结构102，并且可以由封围材料108覆盖。结构102包括多个源(例如，诸如LED的照明源)110以及多个图像感知单元(例如，相机)112。源60可以各种布置方式提供，并且每个源60可以指向开口的中心。感知单元112总体上也指向开口，尽管一些相机水平指向，而另一些相机向上指向，而一些向下指向。系统24还包括入口源(例如，红外源)114以及入口检测器(例如，红外检测器)116，该入口检测器用于检测物体何时进入感知系统24。因此，LED和相机环绕结构102的内部，并且相机定位成经由窗来观察内部，该窗可包括玻璃或塑料覆盖物(例如，118)。
本发明的特定实施例的方面是通过采用可以使物体跌落到其中的感知系统、经由物体的条形码或其他视觉标记来识别的能力。自动化扫描系统将不能够看到以物体的条形码不暴露或不可见的方式呈现的物体上的条形码。因此，系统24被设计为非常快速地从大量不同的视图观察物体，从而减少或消除系统24不能够观察物体上的识别标记的可能性。
感知系统中的关键特征是感知系统的特定设计，以使成功扫描的概率最大化，而同时使平均扫描时间最小化。成功扫描的概率和平均扫描时间构成关键性能特性。这些关键性能特性由感知系统的配置和属性、以及物体集和物体被标记的方式来确定。
可以针对给定的物品集和标记方法来优化这两个关键性能特性。系统优化的参数包括：有多少扫描仪，将扫描仪放置在什么位置以及以什么定向放置扫描仪，以及扫描仪要使用什么传感器分辨率和视场。优化可以通过反复试验，或者可以通过物体模型的仿真来完成。
通过仿真的优化采用扫描仪性能模型。扫描仪性能模型是由扫描仪能够检测和解码识别符号的位置、定向和条形码元素尺寸的范围，其中条形码元素尺寸是符号上最小特征的尺寸。这些通常以最小范围和最大范围、最大偏斜角度、最大间距角度、以及最小倾斜角度和最大倾斜角度来评定。
基于相机的扫描仪的典型性能在于，只要符号平面的间距和偏斜两者都在正负45度的范围内，同时符号的倾斜可以是任意值(在0与360度之间)，扫描仪就能够检测到某个距离范围内的符号。扫描仪性能模型预测是否将检测到给定位置和定向上的给定符号。
扫描仪性能模型与预期将在何处定位和定向符号的模型相结合。符号姿势模型是预期将在其中找到符号的所有位置和定向(换言之，姿势)的范围。对于扫描仪，符号姿势模型本身是物品抓取模型以及符号-物品外观模型的组合，物品抓取模型预测机器人系统将如何持有物体，而符号-物品外观模型描述符号在物体上的可能放置。对于扫描仪，符号姿势模型本身是符号-物品外观模型以及入站物体姿势模型的组合，入站物体姿势模型对入站制品被呈现给扫描仪所按照的姿势的分布进行建模。这些模型可以凭经验构造，使用分析模型建模，或者可以使用物体的简单的球体模型和在球体上的均匀分布采用作为符号-物品外观模型的近似模型。
在被感知单元24检测之后，物体现在被明确地识别并且跌落到主传输系统26(例如，传送器)上。再次参考图1和图3，主传输系统26将经识别的物体移向转移器30、32，该转移器30、32是选择性地可接合的，以将物体移离传送器而转移到托架34、36、38中的任何一个托架中，或者(如果物体不能被识别)，则可使该物体返回到输入区域12，也可以使物体跌出传送器26的末端而跌落到手动处理箱中。每个托架34、36、38可在多个目的地部分132中的一个目的地部分的目的地箱130之间往复移动。根据特定实施例，可以通过使物体首先从输入区域12沿进给传送器14在具有水平分量和竖直分量的方向上移动来提供空间中的效率。然后，物体(竖直地)跌落通过跌落扫描仪24并落在主传输传送器26上，该主传输传送器也在具有(在方向上与进给传送器14的水平分量相反的)水平分量和竖直分量的方向上移动物体。然后，物体由托架36、38水平地移动，并且使物体(竖直地)跌落在目标目的地站130(诸如，目的地箱)上方。
参考图12A-12B，转移器单元(例如，32)可以被致动以驱使物体(例如，35)离开传送器26而到沿在目的地位置之间的轨道39运行的所选择的托架(例如，38)中。转移器单元可包括被框架33悬挂的成对的桨叶31，该框架33允许桨叶被线性地致动，以在相对于传送器横向的任一方向上将物体移出传送器。再次，参考图1，转移器30的一个转移方向用于使物体返回到进料区域12。
由于固有的动态灵活性，各实施例的系统提供了许多优点。分拣器输出与目的地之间的灵活对应关系使得分拣器输出可以比目的地少，因此整个系统可能需要更少的空间。分拣器输出与目的地之间的灵活对应关系还使得系统能以随物体的特定混合和下游需求而变化的方式来选择操纵物体的最高效顺序。通过添加分拣器，系统也是易于扩展的，并且更强健，因为甚至可以在不停止系统的情况下动态地处理单个分拣器的故障。分拣器按照物体的顺序进行自由裁量应当是可能的，从而偏向需要被快速地操纵的物体，或者偏向给定分拣器可能针对其具有专用的抓取器的物体。
图13示出了目的地部分244(例如，诸如系统30的部分132中的任何一个部分)，该目的地部分44包括可以从可编程运动设备的末端执行器接收物体254的可移动托架242。可移动托架242可以沿导轨245在两排目的地箱246之间往复移动。如图13所示，每个目的地箱246包括导槽247，该导槽247将落在其中的物体引导到下面的目的地箱246中。托架242沿轨道245移动(如图14中进一步所示)，并且托架可以被致动以经由导槽247使物体254跌落所期望的目的地箱246中(如图15中所示)。
因此，可移动托架242可以在目的地箱之间往复移动，并且托架/每一个托架沿轨道移动，并且可被致动以使物体跌落所期望的目的地箱224中。目的地箱可以被设置在传送器(例如，辊或皮带)中，并且可(例如，通过重力)被偏置以朝向一端(例如，远端)驱使所有目的地箱。当目的地箱被选择以进行移除(例如，因为箱已满或者以其他方式准备好进一步处理)时，系统将已完成的箱驱使到输出传送器上以将已完成的箱带到进一步处理或装运站。传送器也可(例如，通过重力)被偏置或被供电以使传送器上的任何箱被带到输出位置。
图16A和图16B示出了通过使用移位机构255将箱251从多个目的地箱246驱使到输出传送器248上。根据进一步的实施例，目的地箱可以被提供为可接收和保持物品的盒或容器或任何其他类型的设备，包括如下所讨论的盒托盘组件。
在将箱251移位到传送器248上之后(如图17所示)，可以将剩余目的地箱中的每个目的地箱推到一起(如图18所示)，并且系统将记录移动的箱中的任何箱的位置变化。以此方式，可以将新的空箱添加到末端，并且系统将记录目的地箱中的每个目的地箱的正确位置和识别的处理细节。
如上文所提及，箱246可被提供为盒、搬运包、容器或可以接收并且保持物品的任何其他类型的设备。在进一步的实施例中，箱可以被设置在统一的托盘中(以提供间隔和处理的一致性)，并且还可包括可以将箱保持在打开位置的开口盖，并且还可以通过间隔、对准、或标记中的任一者来提供处理的一致性。
例如，图19示出了盒托盘组件330的分解图。如图所示，盒332(例如，标准装运尺寸的纸板盒)可包括底部331和侧边333，该侧边333由盒托盘334的顶表面335以及内侧337接纳。盒托盘334可包括：凹陷(受保护)区域，在该凹陷(受保护)区域中可以提供标签或其他识别标记346；以及宽且平滑的接触表面351，该宽且平滑的接触表面351可以通过驱使或移除机构而被接合，如下文所讨论。
还如图19所示，盒332可包括顶部翼片338，该顶部翼片338当如图所示被打开时由盒盖336的内表面340保持打开。盒盖336还可包括凹陷(受保护)区域，在该凹陷(受保护)区域中可以提供标签或其他识别标记345。盒盖336还提供限定的边缘开口342以及角部元件344，该角部元件344可以辅助提供组件的结构完整性，并且可以辅助将未使用的盖堆叠在彼此上。未使用的盒托盘也可以堆叠在彼此上。
因此，盒332被牢固地保持在盒托盘134内，并且盒盖136使得翼片338沿盒的外侧保持向下，从而允许盒的内部是能够通过盒盖336中的开口342接取的。图20示出了盒托盘组件330的宽度侧视图，其中盒332牢固地安置在盒托盘334内，并且盒盖保持打开盒332的翼片338。盒托盘组件可以用作本发明的各种实施例中的储存箱和目的地箱中的任何一个或用作储存箱和目的地箱两者。在各实施例中，在接收物体之前，箱或盒可进一步包括箱或盒中的收集袋。
参考图21A-21D，根据本发明的实施例的盒顶件器384可以由轨道386悬挂并沿轨道386行进，并且可包括可旋转臂388和以及在该臂388的末端处的滚轮390。参考图21B-21D，当滚轮390接触盒托盘组件320的顶件器板351(图19中所示)时，臂388继续旋转，从而将盒托盘组件380从第一传送器382驱使到第二传送器380。同样，滚轮390被设计成接触盒托盘组件381的顶件器板351以将盒托盘组件381驱使到传送器380上。可使用此类系统以使得可以(例如，从传送器382)移除的空的或完成卸载的盒，或者使得可以(例如，从传送器382)移除满的或完成装载的盒。传送器380、382也可以是共面的，并且系统还可以包括过渡辊383，该过渡辊383用于例如通过被激活以在上方将盒托盘拉到传送器380来促进盒托盘组件381的移动。
本发明的系统在可获得的储存箱和目的地箱的每小时的分拣以及数量方面是高度可扩展的。在特定的实施例中，系统提供了一种输入系统，该输入系统对接到客户的传送器和容器，储存要馈送到系统中的物体，并且以适中且可控的速率将那些物体馈送到系统中。在一个实施例中，至客户过程的接口采用来自盖洛德的倾倒器的形式，但是许多其他实施例是可能的。在一个实施例中，馈送到系统中通过具有顶部限流器(例如，挡板)的倾斜的隔断式传送器。根据特定实施例，系统以适中可控的速率馈入物体。许多选项可用，包括传送器坡度和速度的变化，夹板和挡板的存在、尺寸和结构，以及使用传感器以监视和控制馈送速率。
在特定实施例中，系统包括监视主传送器上的物体流的主感知系统。在可能的情况下，主感知系统可以识别物体以加快或简化后续操作。例如，对主传送器上物体的了解可以使系统能够对要移动哪些物体以提供分离的物体流做出更好的选择。
参考图22，本发明的在分拣站处的分拣过程可通过以下步骤开始(步骤400)：提供分离的物体流，该分离的物体流一次一个地使物体跌落到跌落扫描仪中(步骤402)。然后系统识别新物体(步骤404)。然后系统将判定物体是否还未分派给任何收集箱(步骤406)。如果不是，则系统将判定下一个箱是否可用(步骤408)。如果下一个箱不可用(步骤410)，则机器人系统将会将物体返回到输入缓冲区(步骤410)，并返回到步骤402。替代地，系统可以拾取收集箱中正在处理的一个收集箱，并决定可以将该收集箱清空以再次用于进行中的物体，此刻，控制系统可以清空该收集箱或用信号通知人类工作人员清空收集箱。如果下一个箱可用(并且系统可以允许每个站任何数量的箱)，则系统将会将物体分派给下一个箱(步骤412)。然后系统将物体放置到所分派的箱中(步骤414)。然后系统返回到步骤402，直到完成。同样，在特定实施例中，次级传送器可以是每当使物体跌落到传送器上时就递增地移动的移位式传送器。然后，系统可以登记物体的标识，访问仓库清单，并且确定所分派的箱位置或分派新的箱位置。
例如，在图23中示出了整体控制系统的过程。整体控制系统可以通过以下步骤开始(步骤500)：基于整体系统参数允许将每个站处的新的收集箱分派给成组的物体(步骤502)，如下文更详细地所讨论。然后，系统识别每个站处的与物体相关的分派的箱(步骤504)，并更新每个站处的每个箱处的物体数量(步骤506)。然后，系统确定当箱已满或系统预期相关联的分拣站不太可能看到与箱相关联的另一个物体时，相关联的分拣站机器人系统然后将会将已完成的箱放置到输出传送器上，或者用信号通知人类工作人员来清空箱(步骤508)，然后返回到步骤502。
由于固有的动态灵活性，各实施例的系统提供了许多优点。分拣器输出与目的地之间的灵活对应关系使得分拣器输出可以比目的地少，因此整个系统可能需要更少的空间。分拣器输出与目的地之间的灵活对应关系还使得系统能以随物体的特定混合和下游需求而变化的方式来选择操纵物体的最高效顺序。通过添加分拣器，系统也是易于扩展的，并且更强健，因为甚至可以在不停止系统的情况下动态地处理单个分拣器的故障。分拣器按照物体的顺序进行自由裁量应当是可能的，从而偏向需要被快速地操纵的物体，或者偏向给定分拣器可能针对其具有专用的抓取器的物体。
本文所述的系统的操作由如图1和图3中所示的中央控制系统170协调。中央控制系统包括一个或多个工作站或中央处理单元(CPU)。例如条形码与出站目的地之间的对应关系由中央控制系统维护在被称为清单的数据库中。中央控制系统通过与仓库管理系统(WMS)通信来维护清单。如果感知系统成功地辨识出物体上的标记，则物体随后被识别并被转发到所分派的目的地站130。同样，如果没有识别出物体，则机器人系统可以将物体转移到人类分拣箱76，以供由人类检查。
本领域技术人员将理解，可以对上面公开的实施例进行多种修改和变化而不背离本发明的精神和范围。

Claims (40)

1.一种用于处理物体的空间高效的自动化处理系统，所述处理系统包括：
输入传送系统，用于从输入区域以至少输入传送向量移动物体，所述输入传送向量包括输入传送水平方向分量和输入传送竖直方向分量；
感知系统，用于从所述输入传送系统接收物体，并用于提供关于物体的感知数据；
主传输系统，用于从所述感知系统接收所述物体，并用于提供所述物体沿至少主传输向量的传输，所述主传输向量包括主传输水平分量和主传输竖直分量，所述主传输竖直分量总体上与所述输入传送水平方向分量相反；以及
至少两个次级传输系统，所述至少两个次级传输系统中的每个次级传输系统从所述主传输系统接收所述物体，并且在各自都总体上平行于所述输入传送水平方向分量和主方向水平方向分量的互逆方向中的任一方向上移动所述物体。
2.如权利要求1所述的空间高效的自动化处理系统，其中所述系统包括第三次级传输系统，所述第三次级传输系统适于在第三方向上移动所述物体，所述第三方向总体上也平行于所述输入传送水平方向分量和所述主方向水平方向分量。
3.如权利要求1所述的空间高效的自动化处理系统，其中所述系统包括转移器，所述转移器用于选择性地使所述物体从所述主传输系统返回到输入料斗。
4.如权利要求1所述的空间高效的自动化处理系统，其中所述主传输系统的所述主传输向量包括非零主传输竖直方向分量。
5.如权利要求1所述的空间高效的自动化处理系统，其中每个次级传输系统包括往复式托架。
6.如权利要求5所述的空间高效的自动化处理系统，其中每个次级传输系统的每个往复式托架被配置成用于将所述物体递送到多个目的地站中的一个目的地站。
7.如权利要求6所述的空间高效的自动化处理系统，其中与次级传输系统中的每个次级传输系统相关联的多个目的地站被提供为在每个次级传输系统的任一侧上的两排箱或盒。
8.如权利要求7所述的空间高效的自动化处理系统，其中多个箱或盒中的每个箱或盒被设置在输入传送器上。
9.如权利要求8所述的空间高效的自动化处理系统，其中每个输入传送器通过重力偏置以将所述输入传送器上的多个箱或盒驱使到所述输入传送器的一侧。
10.如权利要求8所述的空间高效的自动化处理系统，其中所述系统包括多个输出传送器以及至少一个箱移位系统，所述至少一个箱移位系统用于选择性地将多个箱或盒中的箱或盒驱使到所述多个输出传送器中的一个输出传送器上。
11.如权利要求10所述的空间高效的自动化处理系统，其中每个输出传送器通过重力偏置以将输出传送器上的箱或盒驱使到输出传送器的一侧。
12.如权利要求11所述的空间高效的自动化处理系统，其中箱或盒中的每个箱或盒包括收集袋。
13.如权利要求1所述的空间高效的自动化处理系统，其中所述主传输系统包括隔断式传送器，并且其中所述系统进一步包括主传输系统感知单元，所述主传输系统感知单元用于监视由传送器上的夹板限定的所述隔断式传送器的多个区域中的每个区域的状态。
14.一种用于提供对物体的空间高效的自动化处理的方法，所述方法包括以下步骤：
从输入区域以至少输入传送向量在输入传送系统上传送物体，所述输入传送向量包括输入传送水平方向分量和输入传送竖直方向分量；
从所述输入传送系统接收物体，并且响应于物体在感知系统竖直方向上落下而提供关于物体的感知数据，所述感知系统竖直方向在方向上总体上与所述输入传送竖直方向分量相反；
沿至少主传输向量传输从所述感知系统接收的物体并使用主传输系统，所述主传输向量包括主传输水平方向分量和主传输竖直分量，所述主传输竖直分量总体上与所述输入传送水平方向分量相反；以及
从所述主传输系统接收所述物体，并在总体上平行于所述输入传送水平方向分量和主方向水平方向分量的方向上移动所述物体。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述方法进一步包括选择性地使所述物体从所述主传输系统返回到输入料斗的步骤。
16.如权利要求14所述的方法，其中所述主传输系统的所述主传输向量包括非零主传输竖直方向分量。
17.如权利要求14所述的方法，其中所述在总体上平行于所述输入传送水平方向分量和所述主方向水平方向分量的方向上移动所述物体的步骤涉及移动往复式托架。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述方法进一步包括将所述物体递送到多个箱或盒中的一个箱或盒的步骤。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述多个箱或盒被提供为在次级传输系统的任一侧上的两排箱或盒，所述次级传输系统执行以下步骤：从所述主传输系统接收所述物体，并在各自都总体上平行于所述输入传送水平方向分量和所述主方向水平方向分量的方向上移动所述物体。
20.如权利要求19所述的方法，其中多个箱或盒中的每个箱或盒被设置在输入传送器上。
21.如权利要求20所述的方法，其中每个输入传送器通过重力偏置以将输入传送器上的多个箱或盒驱使到输入传送器的一侧。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述方法进一步包括：提供多个输出传送器的步骤、以及选择性地将多个箱中的箱或盒驱使到所述多个输出传送器中的一个输出传送器上的步骤。
23.如权利要求22所述的方法，其中每个输出传送器通过重力偏置以将输出传送器上的箱或盒驱使到输出传送器的一侧。
24.如权利要求23所述的方法，其中箱或盒中的每个箱或盒包括收集袋。
25.如权利要求14所述的方法，其中所述主传输系统包括隔断式传送器，并且其中所述方法进一步包括主传输系统感知单元，所述主传输系统感知单元用于监视由传送器上的夹板限定的隔断式传送器的多个区域中的每个区域的状态。
26.一种用于处理物体的自动化处理系统，所述自动化处理系统包括：
输入传送系统，用于将物体从输入区域移向感知系统；
所述感知系统，用于从所述输入传送系统接收物体，并用于提供关于物体的感知数据；
主传输系统，用于从所述感知系统接收所述物体，并用于提供所述物体沿至少主传输向量的传输；以及
转移器系统，用于将所述物体提供给多个处理位置中的一个处理位置，每个处理位置包括处理箱或处理盒，其中处理箱或处理盒中的每个处理箱或处理盒被设置在至少一个输入箱传送器系统上，所述至少一个输入箱传送器系统被偏置以将输入箱传送器系统上的处理箱或处理盒驱使到输入箱传送器系统的一侧。
27.如权利要求26所述的自动化处理系统，其中所述系统包括多个输出传送器以及至少一个箱移位系统，所述至少一个箱移位系统用于选择性地将多个箱或盒中的箱或盒驱使到所述多个输出传送器中的一个输出传送器上。
28.如权利要求27所述的自动化处理系统，其中每个输出传送器通过重力偏置以将输出传送器上的箱或盒驱使到输出传送器的一侧。
29.如权利要求26所述的自动化处理系统，其中箱中的每个箱包括收集袋。
30.如权利要求26所述的自动化处理系统，其中所述系统包括转移器，所述转移器用于选择性地使所述物体从所述主传输系统返回到所述输入区域。
31.如权利要求26所述的自动化处理系统，其中所述转移器系统包括多个次级传输系统，每个次级传输系统都包括适于将物体提供给多个箱或盒中的一个箱或盒的往复式托架。
32.如权利要求26所述的自动化处理系统，其中所述主传输系统包括隔断式传送器，并且其中所述系统进一步包括主传输系统感知单元，所述主传输系统感知单元用于监视由传送器上的夹板限定的所述隔断式传送器的多个区域中的每个区域的状态。
33.一种处理物体的方法，所述方法包括以下步骤：
使用输入传送系统将物体从输入区域移向感知系统；
从所述输入传送系统接收所述物体，并使用主感知系统提供关于物体的感知数据；
从所述主感知系统接收所述物体，并使用主传输系统提供所述物体沿至少主传输向量的传输；以及
将所述物体提供给多个处理位置中的一个处理位置，每个处理位置包括处理箱，其中处理箱或处理盒中的每个处理箱或处理盒被设置在至少一个输入传送器系统上，所述至少一个输入传送器系统被偏置以将向输入传送器系统的一端驱使处理箱或处理盒。
34.如权利要求33所述的方法，其中所述方法进一步包括选择性地将多个处理箱或处理盒中的处理箱或处理盒驱使到多个输出传送器中的一个输出传送器上的步骤。
35.如权利要求34所述的方法，其中将处理箱或处理盒驱使到多个输出传送器中的一个输出传送器上的步骤包括将处理箱或处理盒推动到输出传送器上。
36.如权利要求34所述的方法，其中每个输出传送器通过重力偏置以将输出传送器上的箱或盒驱使到输入传送器的一侧。
37.如权利要求33所述的方法，其中处理箱或处理盒中的每个处理箱或处理盒包括收集袋。
38.如权利要求33所述的方法，其中所述方法进一步包括将所述物体转移成从所述主传输系统返回到所述输入区域的步骤。
39.如权利要求33所述的方法，其中所述方法进一步包括提供次级传输系统的步骤，所述次级传输系统包括适于将物体提供给多个箱或盒中的一个箱或盒的往复式托架。
40.如权利要求33所述的方法，其中所述主传输系统包括隔断式传送器，并且其中所述方法进一步包括监视由传送器上的夹板限定的所述隔断式传送器的多个区域中的每个区域的状态的步骤。
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