CN111232664A - 工业机器人应用软包拆垛卸车码垛装置及拆垛卸车码垛的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业机器人应用软包拆垛卸车码垛装置及拆垛卸车码垛的方法，它用于整车软包的拆垛卸车码垛工作，所述的软包在车上或垛上为不规则形态放置；它包括工业机器人机器人基本运动及项目动作控制系统，所述的机器人位于车载码垛旁边，3D视觉扫描装置位于车载码垛的正上方；所述的控制系统通过数据线分别与机器人、3D视觉扫描装置连接。它采用工业机器人配合3D视觉系统进行确定位置，采用真空吸爪进行抓取，目标软包码垛在3D视觉扫描的视线范围内，3D视觉系统通过光波扫描计算码垛上每袋软包的空间位置坐标，并将位置信息通过通信软件直接传输给机器人，以便机器人能够准确地获得待抓取软包的空间位置数据。

Description

工业机器人应用软包拆垛卸车码垛装置及拆垛卸车码垛的 方法

技术领域

本发明涉及一种人工智能工业机器人，特别涉及到自动装卸车的人工智能工业机器人。

本发明还涉及到一种自动拆垛卸车再码垛的方法，特别涉及到一种利用人工智能工业机器人进行自动拆垛卸车再码垛的方法。

背景技术

现有技术中，机器人的应用已经较为常见，特别是在工业应用中的；人工智能取代一般的人力是社会需要，也是技术发展的方向。但是机器毕竟不是人，他没有眼睛看不到，即便是通过第三方设备可以看到了，但是看到后如何区分也没有解决，因此机器人代替人还有很长的距离。现有工业中目前面临一种问题，即软包袋装货车的拆垛卸车问题，如饲料厂、粮食厂、化肥厂等都有拆垛卸车的需求，这些工作现在绝大多数的厂商仍然采用人工进行拆垛卸车作业。目前在行业里将软包（包括饲料、粮食、糖盐、水泥、黄沙等）从码垛好在卡车（或平板车等）上一包一包拆卸下来并一包一包重新码垛到地面的托盘卡板上完成收货转运工作，只能用大量的人工站到车上一包一包抓取、杂乱无章地扔到地上，然后再靠人工从地上一包一包抬起堆放到托盘卡板上，堆满后再用叉车运走。由于超过50公斤甚至100公斤一袋的软包实在太重，所以一个人操作非常困难，通常又需要由二个人一起来抬，这样就耗用大量的体力劳动工人；再加上这种软包货车拆垛卸车码垛作业通常在户外进行，到了夏天炎热、冬季严寒的恶劣天气环境下工人作业非常辛苦，而且效率非常低。现在该种岗位的工人已经越来越难招聘，不能满足企业的用工需求，已经严重制约了企业的产能与效率。也有部分商家想开发类似自动化产品，只能制作出在特定情形下的装车机器人；但是由于软包放置在车上有不规则及叠加等情形，对于自动化拆垛卸车现有技术仍然是无能为力，其主要原因是即便是采用了工业机器人进行的装车，但是经过运输后所有的软包都发生了移位、变形等，因此再采用工业机器人进行逆向动作抓取，由于定位出现严重的问题也无济于事；至于原来是人工装车或是叉车装载的车辆，现有技术中的工业机器人更是无能为力。对于被抓取软包的定位不准、抓取损伤等问题，这些都有待人们去解决。

发明内容

本发明的第一个发明目的旨在解决现在技术中企业用工难的问题，采用工业机器人、人工智能AI的3D机器视觉系统、智能吸附抱夹抓手等软包拆垛卸车码垛一体化装置完全替代人工完成重型软包在户外从货车（卡车或平板车）上一包包抓起来、搬离货车、再重新有序堆放到地面托盘卡板上，即一次性完成软包的拆垛、卸车、码垛等所有动作，同时解决了工业机器人应用软包拆垛卸车码垛装置，不能准确软包定位以及软包定位不能准确抓取的技术问题。

为完成上述发明目的，本发明是这样实现的：一种工业机器人应用软包拆垛卸车码垛装置，它用于整车软包的拆垛卸车码垛工作，所述的软包在车上或垛上为不规则形态放置；它包括工业机器人（配置智能抓手、3D视觉扫描装置（与机器人的通讯软件）、机器人基本运动及项目动作控制系统，所述的机器人位于车载码垛旁边，3D视觉扫描装置位于车载码垛的正上方；所述的控制系统通过数据线分别与机器人、3D视觉扫描装置连接。其特征在于：控制系统接收3D视觉扫描装置扫描的位置，根据机器人的位置进行计算，指示机器人进行动作；所述的机器人的抓取装置采用真空吸爪，所述的真空吸爪位于机器人手臂的顶端；通过气管与真空风机连接，所述的真空风机通过数据线与控制系统连接，由控制系统根据机器人的动作，同时控制真空风机的开闭，与机器人形成一体的联动。

本方案是利用一台通过仿真确认合适臂展及载重规格的工业机器人完全替代人工全自动完成户外整车软包的拆垛卸车码垛工作。利用特制人工智能AI的3D机器视觉系统通过特定光波扫描计算车上每袋软包的空间位置坐标，并将位置信息通过专门配置通信软件直接传输给机器人，以便机器人能够准确地获得待抓取软包的空间位置数据。利用特制机器人真空吸爪系统以及其它机械结构装置使得机器人能够根据项目动作编程指令稳稳地从车上抓起软包完成拆垛动作，继而移动软包完成卸车动作，最后将软包准确地堆放到车外托盘卡板上完成再码垛动作。

采用工业机器人最大的优点在于，其展臂及载重规格灵活可选，根据软包货车大小的变化确定所需工业机器人的臂展规格、根据应力变化确定所需工业机器人的载重规格，从而选择满足要求的工业机器人完全替代人工全自动完成户外整车软包的拆垛、卸车、码垛工作。

根据现场情况，如车辆长度 13.2 米，在车长方向上视觉系统扫描范围到2.2米（2个软包袋长），需要司机人为参与将车辆前后移动 6 次；若拆完第一辆车，下一辆车较低，相差不超过 0.5 米，3D 视觉可兼容此景深；如若车上软包堆垛高度超过相机的景深规格，通常只需调节一次相机倒“L”形支架的高度即可完成整车的作业。特别在针对大吨位的软包大卡车，该装置是具有特定场景应用的技术优势的。到目前为止，国内还没有任何一家能够成功地将3D视觉系统运用到卡车货物的扫描定位并配合工业机器人应用进行自动化拆垛卸车作业。

对上述技术方案作进一步的细化和改进，所述的工业机器人和3D视觉扫描装置在操作时相对固定，软包车载在两者之间移动；一段一段的装卸，直至装卸完毕。

本方案采用货车移动的方式，就是软包进行移动，无论是装载还是卸载，让货车在户外移动作业，相对对于设备来都是一种方便、节约。一旦让机器人和扫描系统移动，就会涉及到太多不稳定，初始定位数据需要稳定后重新更新，装置会变得相当复杂而且效率也低。而本方案采取让货车移动，从而省去相当的复杂过程，不免为一种相当巧妙的方案。

对上述技术方案作进一步的限定，所述的3D视觉扫描装置通过倒“L”形的支架进行支撑，3D视觉扫描装置的扫描传感器位于横向支杆上，扫描范围横跨车量轴距。所述的倒“L”形的支架，固定于地面安装，可根据相机景深及软包堆放高度调节视觉相机下表面与车上软包垛顶距离。

由于单个3D视觉相机扫描清晰识别长、宽及景深范围小而有限，本发明方案利用数个扫描传感器可将车辆扫描宽度任意扩展；通过司机移动车辆可以把长度变成任意的尺寸；通过调节倒“L”型伸缩杆高度解决车上软包垛高大于景深规格限制的问题。利用特制可升降倒“L”型支架固定３D视觉传感器，能够对不同大小车辆上的不同层数软包的位置进行准确清晰探测定位；（取代将３D视觉传感器装到工业机器人末端）将3D视觉扫描、计算、信号传输的动作与机器人拆垛、卸车、码垛、返回的动作并列进行，这样并行工作就大大节约了时间、提高了效率。同时，针对大吨位的软包卡车这种特定场景应用，到目前为止，是国内首先成功地将3D视觉系统与工业机器人结合运用到大型货车软包的扫描定位抓取引导上的。

对上述技术方案作进一步的限定，所述的工业机器人的底座采用支撑架进行支撑；所述的拆垛卸车后再码垛的软包放置在地面的托盘卡板上，托盘卡板采用支撑架将其支撑，与工业机器人的手臂配合。所述的真空吸爪的外周设有抓抱夹具。软包袋子经过3D视觉定位后，机器人抓取会有误差（例如角度或长度方向的偏差）、以及机器人抓手在抓取料袋后会使软包产生严重的变形，为保证抓取成功率，在原有的吸头外又增加了抱夹。类似的夹具装置，在申请人的相关专利中有描述。

本发明的另一个发明目的是提供一种解决机器人抓手替代人工操作的方法，旨在解决现有技术中卸载需要人员，特别是不规则装车造成的软包无规律码垛车辆的卸载。

为完成上述发明目的，本发明是这样现实的：一种自动拆垛卸车码垛的方法，其特征在于：它采用工业机器人配合3D视觉系统进行确定位置，采用真空吸爪进行抓取，目标软包码垛在3D视觉扫描的视线范围内，3D视觉系统通过光波扫描计算码垛上每袋软包的空间位置坐标，并将位置信息通过通信软件直接传输给机器人， 以便机器人能够准确地获得待抓取软包的空间位置数据；利用机器人的真空吸爪稳稳地抓起软包，将软包准确地堆放到车外指定位置，完成码垛动作，如此反复，直至完成整车所有软包的拆垛、卸车、再码垛动作。真空吸爪采用海绵真空吸具，该吸具接触到软包之后，风机控制模块会对吸头内的真空进行检测计算，以通过风机软管控制真空风机抽风量，从而确保吸头内真空产生的吸附力能够大于被抓取软包的重量。

对上述技术方案作进一步的细化，工业机器人发送第一次启动扫描指令，然后数台 3D 传感器同时对车辆视野内的软包堆垛进行扫描，获取视野范围内点云数据，3D 定位系统计算出最适合机器人抓取的软包坐标，并将坐标发送给机器人；机器人根据 3D 定位系统传输的抓取坐标信息准确抓取软包，在机器人抓取完软包，离开 3D 传感器的视野范围后，机器人向 3D 定位系统再次发送扫描指令，3D 传感器再次进行扫描和计算，机器人完成本次拆垛卸车码垛动作之后，3D 定位系统把计算出的下一次抓取位发送给机器人，机器人再根据收到的新的抓取位置进行下一次抓取动作；重得上述动作，直至整车软包拆垛卸车码垛工作完毕。

所述的目标软包码垛在一辆货车上，司机沿直线将车辆前后移动一定距离（数个软包长度），在第一段区域拆装完毕后，确保第二段拆包区域位于传感器正下方。

利用可升降倒“L”型支架固定３D视觉传感器，３D视觉传感器采用数个双目相机，应用结构光扫描定位技术进行定位计算。

针对上述技术方案，本申请作出如下特别解释：

3D视觉和工业机器人直接通讯， 需配置通信软件，该软件可以根据需要进行研究，对于本领域人员，如果想得到，很容易实现。

如若有强光照射，需要做遮光处理，遮光主要是遮盖定位目标物表面，避免该表面被阳光直射。

汽车每次前后移动要尽量在一根直线上，宽度方向上也尽量不要偏离太大，以免影响车上软包落在3D视觉范围内的准确性。

若现场粉尘特别严重，灰尘会遮盖防护镜片，需人工定期擦拭镜片。

拆垛卸车之后的码垛问题，软包袋子经过视觉定位后，机器人抓取会有误差（例如角度或长度方向的偏差），以及机器人抓手在抓取料袋后会有严重的变形，如果误差沿着一个方向累计，达到一定高度时料垛有倒塌的风险。本申请可以采用具有学习功能的机器人，在后期多次验证下，可以进行改善方案，最终可以码出合格的码垛。

附图说明

图1为本发明的整体示意图。

图2为控制示意图。

图3为工业机器人的示意图。

图4为吸附抓手的示意图。

图5为带有抓抱夹具的吸附抓手。

具体实施方式

为进一步的让本领域人员了解本申请，以下以具体的案例方式进行介绍。

如图所示，一种工业机器人应用软包拆垛卸车码垛装置，它包括工业机器人2，3D视觉扫描装置3以及协议两者工作的控制系统；所述的工业机器人2位于车载码垛旁边，采用特制工业机器人底座21（取代地轨）在工作时固定不动，每段软包卸车后利用车辆1前后移动（取代机器人在地轨上运动），完成全车软包的卸车工作；3D视觉扫描装置3位于车载码垛的正上方；采用可升降倒“L”型支架固定３D视觉传感器31，能够对不同大小车辆上的不同层数软包的位置进行准确清晰探测定位；（取代将３D视觉传感器装到工业机器人末端）将3D视觉扫描、计算、信号传输的动作与机器人拆垛、卸车、码垛、返回的动作并列进行。采用人工智能AI的3D机器视觉系统通过结构光扫描计算车上每袋软包的空间位置坐标，并将位置信息通过专门配置通信软件直接传输给工业机器人2，使机器人真的具有了眼睛31。

所述的控制系统通过数据线分别与机器人、3D视觉扫描装置3连接，控制系统接收3D视觉扫描装置扫描的位置，根据机器人的位置进行计算指示机器人进行动作；所述的机器人的抓取装置采用真空吸爪；所述的真空吸附爪23位于机器人手臂的顶端；通过气管与真空风机连接，所述的真空风机通过数据线与控制系统连接，由控制系统根据机器人的动作，同时控制真空风机的开闭，与机器人形成一体的联动。机器人真空吸爪系统23以及其它机械结构装置使得机器人能够根据动作编程指令稳稳地从车上抓起软包完成拆垛动作，继而移动软包完成卸车和再码垛动作。

真空吸爪23采用海绵真空吸具24接触到软包之后，风机控制模块会对吸头内的真空进行检测计算，以通过风机软管控制真空风机抽风量，从而确保吸头内真空产生的吸附力能够大于被抓取软包的重量。根据软包的重量大小，可以在吸头的基础上再增加机械抱夹25，以增强卸车及运动过程中的稳定性及保险性；这个抱夹的尺寸是可调节的，可用于不同的软包。

工业机器人应用软包拆垛卸车码垛装置操作过程如下：

1. 视车型货物尺寸可将数台 3D 视觉相机31（数台视觉相机同时进行工作，可增大宽度方向的视野， 提高工作效率）采用倒“ L ”型安装方式，固定于地面安装，可调节高度（在第一次安装视觉相机时，需根据现场情况调整一下安装高度），3D 定位系统与工业机器人进行通讯和数据交互。

2. 准备工作：货车按要求停到指定位置后，人工将软包车厢周边挡板解锁放下，PLC 或人工告知视觉系统车辆就位信息。

3. Step1. 工业机器人发送第一次启动扫描指令，然后数台 3D 传感器同时对车辆视野范围内的软包堆垛进行扫描，获取视野范围内点云数据，3D 定位系统计算出最适合机器人抓取的软包坐标，并将坐标发送给工业机器人。

4. Step2. 工业机器人根据 3D 定位系统传输的抓取坐标信息准确抓取软包，完成拆垛动作；然后在工业机器人项目动作编程软件的控制下，完成卸车及将软包规则地放到托盘卡板再码垛动作；在工业机器人抓取完软包，离开 3D 传感器的视野范围后，工业机器人向 3D 定位系统发送扫描指令，3D 传感器再次进行扫描和计算。

5. Step3. 工业机器人完成本次的拆垛卸车码垛动作之后，3D 定位系统把计算出的下一次的软包的空间抓取位置发送给工业机器人，工业机器人再根据收到的新的空间抓取位置调整机器人智能抓手进行下一次抓取动作。

6. Step4. 司机沿直线将车辆按一定的距离进行前后移动，确保车上前后所有区域软包均能位于3D传感器正下方以便获得正确的空间抓取位置信息。

7. 重复上述 step1-step4，工业机器人在 3D 定位系统的空间位置指引、机器人项目动作编程软件的控制下，不断地调整智能抓手及空间位置，按以上流程循环工作，直至整车软包全部被拆垛卸车码垛完毕。

采用上述方案的优点在于：（1）可利用仿真系统进行模拟操作，根据动作位置的变化确定所需工业机器人的臂展规格、根据应力变化确定所需工业机器人的载重规格，从而选择满足要求的工业机器人完全替代人工全自动完成户外整车软包的拆垛卸车码垛工作。（2）利用特制人工智能AI的3D机器视觉系统通过结构光扫描计算车上每袋软包的空间位置坐标，并将位置信息通过专门配置通信软件直接传输给工业机器人，以便工业机器人能够准确地获得待抓取软包的空间位置数据。（3）利用特制机器人真空吸爪系统以及其它机械结构装置使得机器人能够根据动作编程指令稳稳地从车上抓起软包完成拆垛动作，继而移动软包完成卸车动作，最后将软包准确地堆放到托盘卡板上完成码垛动作。（4）利用特制机器人底座（取代地轨）在工作时固定不动，每段软包卸车后利用车辆前后移动（取代机器人在地轨上运动），完成全车软包的卸车工作；在不需要进行卸车作业时能及时移到室内妥善保存，防止大雨暴雪风沙扬尘等恶劣天气时对机器人及3D机器视觉系统以及其它装置的破坏，同时及时将路面清空方便其它车辆及货物行人的通行。（5）利用特制可升降倒“L”型支架固定３D视觉传感器，能够对不同大小车辆上的不同层数软包的位置进行准确清晰探测定位；（取代将３D视觉传感器装到工业机器人末端）将3D视觉扫描、计算、信号传输的动作与机器人拆垛、卸车、码垛、返回的动作并列进行，这样并行工作就大大节约了时间、提高了效率。（6）利用工业机器人基本运动及项目动作软件编程实现对任意球面空间坐标点的软包的抓取拆垛后，能稳定准确地卸车并释放再码垛到不同规格尺寸的卡板托盘上（层数由客户选定均可实现）。

Claims (10)

1.一种工业机器人应用软包拆垛卸车码垛装置，它用于整车软包的拆垛卸车码垛工作，所述的软包在车上或垛上为不规则形态放置；它包括工业机器人（配智能抓手）、3D视觉扫描装置以及协调两者工作的控制系统，该系统含工业机器人基本动作软件及项目动作软件编程，所述的工业机器人位于车载码垛旁边，3D视觉扫描装置位于车载码垛的正上方；所述的控制系统通过数据线分别与机器人、3D视觉扫描装置连接，其特征在于：控制系统接收3D视觉扫描装置扫描的位置，根据机器人的位置进行计算，指示机器人进行动作；所述的机器人的抓取装置采用真空吸爪，所述的真空吸爪位于机器人手臂的顶端；通过气管与真空风机连接，所述的真空风机通过数据线与控制系统连接，由控制系统根据机器人的动作，同时控制真空风机的开闭，与机器人形成一体的联动。

2.根据权利要求1所述的一种工业机器人应用软包拆垛卸车码垛装置，其特征在于：所述的工业机器人和3D视觉扫描装置在操作时相对固定，软包车载在两者之间移动；一段一段的装卸，直至装卸完毕。

3.根据权利要求1所述的一种工业机器人应用软包拆垛卸车码垛装置，其特征在于：所述的3D视觉扫描装置通过倒置的倒“L”形的支架进行支撑，3D视觉扫描装置的拍摄装置位于横向支杆上，扫描范围横跨车量轴距。

4.根据权利要求1所述的一种工业机器人应用软包拆垛卸车码垛装置，其特征在于：所述的工业机器人的底座采用支撑架进行支撑；所述的软包放置在地面的卡板，卡板采用支撑架将其支撑，与工业机器人的手臂配合。

5.根据权利要求3所述的一种工业机器人应用软包拆垛卸车码垛装置，其特征在于：所述的真空吸爪的外周设有抓抱夹具。

6.根据权利要求3所述的一种工业机器人应用软包拆垛卸车码垛装置，其特征在于：所述的倒“L”形的支架，固定于地面安装，可根据相机景深及车上软包堆放高度调节相机下表面与垛顶距离。

7.一种自动拆垛卸车码垛的方法，其特征在于：它采用工业机器人、利用3D视觉系统确定软包位置、采用真空吸爪进行抓取，目标软包码垛在3D视觉扫描的视线范围内，3D视觉系统通过光波扫描计算码垛上每袋软包的空间位置坐标，并将位置信息通过通信软件直接传输给机器人控制系统， 以便机器人能够准确地获得待抓取软包的空间位置数据；利用机器人的真空吸爪稳稳地抓起软包，将软包准确地堆放到车外指定位置，完成再码垛动作；如此反复，直至完成所有软包的拆垛、卸车、码垛。

8.根据权利要求7所述的一种自动拆垛卸车码垛的方法，其特征在于：工业机器人发送第一次启动扫描指令，然后数台 3D 视觉传感器同时对视野范围货车内的软包堆垛进行扫描，获取视野范围内点云数据，3D 定位系统计算出最适合机器人抓取的软包坐标，并将坐标发送给机器人；机器人根据 3D 定位系统传输的抓取坐标信息准确抓取软包；在机器人抓取完软包、离开 3D 传感器的视野范围后，机器人向 3D 定位系统发送扫描指令，3D 传感器再次进行扫描和计算，机器人完成这袋软包的拆垛、卸车、码垛动作之后，3D 定位系统把计算出的下一个抓取位发送给机器人，机器人再根据收到的新的抓取位置进行下一次抓取动作；重复上述动作，直至工作完毕。

9.根据权利要求7所述的一种自动拆垛卸车码垛的方法，其特征在于：所述的目标软包码垛在一辆货车上；司机沿直线将货车前后运动一定的距离（数个软包长度），在第一段区域拆装完毕后，确保第二段拆包区域位于传感器正下方。

10.根据权利要求7所述的一种自动拆垛卸车码垛的方法，其特征在于：利用特制可升降倒“L”型支架固定３D视觉传感器，３D视觉传感器采用数个双目相机，应用结构光定位技术进行定位计算。

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