CN111874663A - 一种基于错位码垛规划的分段阶梯码垛方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于错位码垛规划的分段阶梯码垛的方法。本方法用于将单一尺寸的包装件按错位码垛规划的布局方案码放至运输车辆；码垛方法包括：输入相关参数，首先生成最佳垛型；当前层每码垛完一列，计算和记录一次在该层沿车厢长度方向的已码垛长度，直至不能再码下一个包装件；当码完第一层，第二层码垛长度应小于第一层实际码垛长度，以此类推直至最顶层码垛完毕，码垛机器人暂停码垛；计算车辆移动距离，车辆所在移动平台精确移动；然后新分段长方体从第一层码起，进入新的阶梯码垛循环。本方法适应于各种尺寸的包装件和车厢的码垛装车，能够有效且经济的解决码垛存储与运输车辆高效装载问题。

Description

一种基于错位码垛规划的分段阶梯码垛方法

技术领域

本发明涉及码垛机器人堆码应用领域，更具体的说，是一种可以针对大型运输车辆装载单一尺寸的包装件，利用适当尺寸的码垛机器人实现分段阶梯码垛的方法。

背景技术

近年来，随着我国经济的迅速发展，物流运输行业愈发受到重视，但普遍存在物流效率低下且成本高的问题，严重制约着企业的发展。当前物流运输行业装车一般采用人力的方式，且对货物的摆放没有任何预案，完全是靠个人的经验或者是随意地码放于运输车辆上，难以保证车厢空间的高利用率。同时这种不合理的摆放不能保证堆垛的稳定性，从而导致货物坍塌，造成经济损失。因此，以码垛机器人替代人工操作改变这一落后局面，同时给出一个合理的布局及装载方案，以提高车厢空间利用率和装箱效率，是一种有效的解决方案。但由于空间和成本的限制，制造一个大型机器人是不合理的。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于错位码垛规划的分段阶梯码垛的方法，以满足企业将不同尺寸包装件高效且经济地码放至运输车辆上的要求。

本发明在“一种错位码垛规划的方法”CN104528389B的基础上，提出了运输车辆的分段阶梯码垛方法。

本发明一种基于错位码垛规划的分段阶梯码垛的方法，按照下述步骤进行：

(1)输入基本的数据，规划出全车厢垛型：

用户输入自定义的垛型数据，数据包括车厢的长为L₀₁，宽为L₀₂，货物的长为B，宽为A，高为h，码垛层数为n，码垛机器人工作空间长度为CL，利用公告号CN104528389B“一种错位码垛规划的方法”规划出基于车厢空间利用最大化(码垛个数最大化)和错位码垛稳定性的全车厢垛型。全车厢的奇数层个数最大化方案相同，偶数层个数最大化方案相同，分别如图2和图3所示，其中；x₂₁、x₁₂、x₁₃、x₂₄、x₂₅分别为I-V区在X方向的包装件个数，x₁₁、x₂₂、x₂₃、x₁₄、x₁₅分别为I-V区在Y方向的包装件个数；

(2)当前段内阶梯状码垛：

由于沿车厢长度方向两侧布局不一致，因此分别记j层两侧已码垛层长为R1_j、R2_j，其初始值均为0，其中，j＝1...n，令R1₀＝CL,R2₀＝CL。设定车厢长度方向为X方向，宽度方向为Y方向,也就是码垛到任意当前位置，都要校验沿X方向已码垛长度与下一层已码垛层长之差是否小于一个包装箱长度或宽度。若差值大于一个包装箱长度或宽度，则换层并记忆此层此位置的阶梯沿X方向的层长；否则，将继续沿车厢长度X方向码垛当前层；如此循环，直至当前段最顶层码垛完毕。如此，每一层均记录阶梯层长，形成了分段阶梯中各层阶梯；

具体步骤如下：

(a)计算当前层已码垛层长R1_j、R2_j：

设第j层I-V区已码垛列数分别为i1_j、i2_j、i3_j、i4_j、i5_j，其中，j＝1...n，并令它们的初始值均为1，当前层每一列码垛完毕都应计算该层已码垛层长R1_j、R2_j，公式如下：

对于奇数层：

I区：R1_j＝i1_j×B

II区：R2_j＝i2_j×A

III区：R1_j＝L₀₁-x₁₃×A+i3_j×A

IV区：R2_j＝L₀₁-x₂₄×B+i4_j×B

V区：R2_j＝x₁₂×A+i5_j×A，此时，V区与II区包装件同向；

R2_j＝L₀₁-(x₂₄+x₂₅)×B+i5_j×B，此时，V区与IV区包装件同向；对于偶数层：

I区：R1_j＝i1_j×A

II区：R2_j＝i2_j×B

III区：R1_j＝L₀₁-x₁₃×B+i3_j×B

IV区：R2_j＝L₀₁-x₂₄×A+i4_j×A

V区：R2_j＝x₁₂×B+i5_j×B，此时，V区与II区包装件同向；

R2_j＝L₀₁-(x₂₄+x₂₅)×A+i5_j×A，此时，V区与IV区包装件同向；

(b)校验沿车厢X方向已码垛长度与下一层已码垛层长之差是否小于一个包装箱长度或宽度(即是否应该码垛下一列)：

取Rmin_j-1作为当前第j层的最大可码垛长度，Rmin_j-1的值为：R min_j-1＝min(R1_j-1,R2_j-1)

对于I和III区，若Rmin_j-1-R1_j≥B或Rmin_j-1-R1_j≥A，则判断下一列位于哪一区域并码垛；否则，该层码垛完毕，换层，并记录i1_j、i3_j；

对于II、IV和V区，若Rmin_j-1-R2_j≥B或Rmin_j-1-R2_j≥A，则判断下一列位于哪一区域并码垛；否则，该层码垛完毕，换层，并记录i2_j、i4_j、i5_j；

(c)每一层不能再码一个包装箱时，记录阶梯层长R1_j、R2_j，如此，形成了分段阶梯中各层阶梯；

(3)车辆移动平台移动，形成新分段：

首先，利用D-H法，建立4轴串联关节式码垛机器人运动方程，可得到工作空间。图4为码垛机器人工作空间垂直截面图，图5为码垛机器人工作空间某水平截面图。所截取的分段阶梯码垛长方体的宽高取决于工作空间重直截图，长宽取决于水平截图，但长宽高不是相互独立的。由于是分段阶梯码垛，工作空间首先满足车厢宽和高的尺寸要求，分段阶梯码垛长方体的长度随之而定。

第二，确定车辆移动段落距离。如图6所示，设在码垛机器人工作空间内截取的长方体长度为CL，并设从上一段阶梯码垛到下一段阶梯码垛车辆移动距离为D，其中CL为常量，D为变量。上一段阶梯码垛垛型在工作空间中长方体ABCDIJKL内，最底的第一层阶梯沿车厢长度方向最长长度不能超过此段的长度截止线KJ，即实际码垛到TR线，下一段阶梯码垛垛型应在工作空间中长方体EFGHMNPS内，上一段阶梯码垛垛型最项层已码垛的阶梯沿车厢长度方向最短长度应超过EH线，以便下一段阶梯码垛垛型均在机器人工作空间内，AD线与EH线(即BC线与FG线)的距离即为车辆移动距离，所以车辆需要移动的距离D等于当前段内最顶层已完全码垛的最小长度。

因此，令D初始值为0，当最顶层码垛完成时，车厢两侧已码垛长度分别为R1_n、R2_n，两者最小值Rmin_n为最顶层已完全码垛最小长度，当前段与上一段的最小值Rmin_n之差即为车辆移动距离：Rmin_n＝min(R1_n,R2_n)

D＝Rmin_n-D

(4)车辆移动平台移动后，R1₀、R2₀的值应变为最顶层已码垛最小距离Rmin_n和码垛机器人工作空间长度CL之和，并开始新分段的码垛：R1₀＝CL+Rmin_n

R2₀＝CL+Rmin_n

车辆移动平台移动后，转到步骤(2)，进入新的阶梯码垛循环，第j层各区域分别从第i1_j+1、i2_j+1、i3_j+1、i4_j+1、i5_j+1列开始码垛；

(5)最后一段码垛完成时，分段阶梯码垛到此结束：

当最顶层两侧已码垛距离R1_n、R2_n与L₀₁的差值小于一个包装箱的宽时，最后一段码垛完成，分段阶梯码垛至此结束。

本发明新型错位码垛规划方法的优点在于：

1、本方法基于错位码垛规划，能够快速的计算出任意箱型的最优垛型。该垛型不仅稳定性好，而且车厢的利用率高。

2、本方法适用于各种尺寸的包装件和车厢，能够有效且经济地解决码垛存储和运输车辆高效装载问题。

3、本方法能够仿真出最优垛型，用户直观的观察垛型。

4、本方法使码垛机器人记忆、判断、执行，实现层内换位、换列、换层、暂停一段时间而车辆移动换段、新分段继续码垛等，具有智能化的特点。

附图说明

图1是基于错位码垛规划的分段阶梯码垛方法整体流程图；

图2是奇数层摆放示意图；

图3是偶数层摆放示意图；

图4是码垛机器人工作空间垂直截面图；

图5是码垛机器人工作空间水平截面图；

图6是分段阶梯码垛示意图；

图7是实施例1第一段码垛仿真图；

图8是实施例1第二段码垛仿真图；

图9是实施例1第三段码垛仿真图；

图10是实施例2第一段码垛仿真图；

图11是实施例2第二段码垛仿真图；

图12是实施例2第三段码垛仿真图；

图13是实施例2第四段码垛仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明一种基于错位码垛规划的分段阶梯码垛方法，如图1所示，按照下述步骤完成：

(1)输入基本的数据：

用户输入自定义的垛型数据，数据包括车厢的长为L₀₁,宽为L₀₂,货物的长为B，宽为A，高为h，码垛层数为n，码垛机器人工作空间长度为CL，规划出基于车厢空间利用最大化(码垛个数最大化)和错位码垛稳定性的全车厢垛型，全车厢的奇数层个数最大化方案相同，偶数层个数最大化方案相同，如图2和图3所示；

(2)计算当前层已码垛层长R1_j、R2_j，并判断已码垛长度与下一层已码垛层长之差是否小于一个包装箱长度或宽度(即是否应该码垛下一列)：

设j层I-V区已码垛列数分别为i1_j、i2_j、i3_j、i4_j、i5_j，其中，j＝1...n，并令它们的初始值均为1，当前层每一列码垛完毕都应计算该层已码垛层长，并更新；由于沿车厢长度方向两侧布局不一致，因此分别记两侧已码垛层长为R1_j和R2_j，其初始值均为0，其中，j＝1...n，令R1₀＝CL，R2₀＝CL。奇数层和偶数层的已码垛层长公式如下：

奇数层：

I区：R1_j＝i1_j×B

II区：R2_j＝i2_j×A

III区：R1_j＝L₀₁-x₁₃×A+i3_j×A

IV区：R2_j＝L₀₁-x₂₄×B+i4_j×B

V区：R2_j＝x₁₂×A+i5_j×A，此时，V区与II区包装件同向；

R2_j＝L₀₁-(x₂₄+x₂₅)×B+i5_j×B，此时，V区与IV区包装件同向；偶数层：

I区：R1_j＝i1_j×A

II区：R2_j＝i2_j×B

III区：R1_j＝L₀₁-x₁₃×B+i3_j×B

IV区：R2_j＝L₀₁-x₂₄×A+i4_j×A

V区：R2_j＝x₁₂×B+i5_j×B，此时，V区与II区包装件同向；

R2_j＝L₀₁-(x₂₄+x₂₅)×A+i5_j×A，此时，V区与IV区包装件同向；

取Rmin_j-1作为当前第j层的最大可码垛长度，Rmin_j-1的值为：R min_j-1＝min(R1_j-1,R2_j-1)

对于I和III区，若Rmin_j-1-R1_j≥B或Rmin_j-1-R1_j≥A，则判断下一列位于哪一区域并码垛；否则，该层码垛完毕，换层，并记录i1_j、i3_j；

对于II、IV和V区，若Rmin_j-1-R2_j≥B或Rmin_j-1-R2_j≥A，则判断下一列位于哪一区域并码垛；否则，该层码垛完毕，换层，并记录i2_j、i4_j、i5_j；

每一层不能再码一个包装箱时，记录阶梯层长R1_j、R2_j，如此，形成了分段阶梯中各层阶梯；

(3)车辆移动平台移动，形成新分段：

首先，利用D-H法，建立4轴串联关节式码垛机器人运动方程，可得到工作空间。图4为码垛机器人工作空间垂直截面图，图5为码垛机器人工作空间某水平截面图。所截取的分段阶梯码垛长方体的宽高取决于工作空间重直截图，长宽取决于水平截图，但长宽高不是相互独立的。由于是分段阶梯码垛，工作空间首先满足车厢宽和高的尺寸要求，分段阶梯码垛长方体的长度随之而定。分段阶梯码垛示意图如图6所示，设码垛机器人工作空间长度CL，需要确定车辆移动段落距离D。当前段码垛完成时，最顶层已码垛的长度不应在下一段机器人工作空间长度之内，所以车辆需要移动的距离等于当前段内最顶层已码垛的最小长度。因此，取最顶层两侧已码垛长度R1_n和R2_n的最小值Rmin_n作为最顶层已完全码垛的长度，当前段与上一段的最小值Rmin_n之差即是车辆移动段落距离D，令D初始值为0，其公式如下：Rmin_n＝min(R1_n,R2_n)

D＝Rmin_n-D

(4)车辆移动平台移动后，R1₀、R2₀的值应变为最顶层已码垛最小距离Rmin_n和码垛机器人工作空间长度CL之和，并开始新分段的码垛：R1₀＝CL+Rmin_n

R2₀＝CL+Rmin_n

车辆移动平台移动后，转到步骤(2)，进入新的阶梯码垛循环，第j层各区域分别从第i1_j+1、i2_j+1、i3_j+1、i4_j+1、i5_j+1列开始码垛；

(5)最后一段码垛完成时，分段阶梯码垛到此结束：

当最顶层两侧已码垛距离R1_n、R2_n与L₀₁的差值小于一个包装箱的宽时，最后一段码垛完成，分段阶梯码垛至此结束。

下面利用具体实施例进一步说明:

实施例1

包装箱尺寸：340×260×225(mm)

移动平台(车厢)尺寸：3000×1200(mm)

码垛机器人工作空间长度：1500(mm)

层数：3

步骤：

(1)已知码垛机器人工作空间长度为1500，包装箱长宽为340×260mm，计算可得，第一段第一层的I区可码4列，II区可码5列，则R1₁＝4×340＝1360mm，R2₁＝5×260＝1300mm，Rmin₁＝1300mm，即第二层码垛长度不超过1300mm，如此可得第一段二、三层各区码垛列数，如图7所示，可得到第一段码垛仿真图；

(2)第一段最顶层的已码垛最小长度Rmin₃＝3×340＝1020mm，车辆移动距离D＝Rmin₃-D＝1020mm，第二段第一层可码垛长度R1₀＝R2₀＝2520mm；

(3)以此类推，计算可得到第二、三段码垛仿真图，如图8、图9所示。

实例2

包装箱尺寸：329×220×140(mm)

移动平台(车厢)尺寸：4200×1300(mm)

码垛机器人工作空间长度：1800(mm)

层数：4

步骤：

(1)已知码垛机器人工作空间长度为1500，包装箱长宽为340×260mm，计算可得，第一段第一层的I区可码3列，II区可码4列，V区可码1列，III区可码3列，IV区可码1列，则R1₁＝1780mm，R2₁＝1568mm，Rmin₁＝1568mm，即第二层码垛长度不超过1568mm，如此可得第一段二、三层各区码垛列数，如图10所示，可得到第一段码垛仿真图；

(2)第一段最顶层的已码垛最小长度Rmin₃＝1120mm，车辆移动距离D＝Rmin₃-D＝1120mm，第二段第一层可码垛长度R1₀＝R2₀＝2920mm；

(3)以此类推，计算可得到第二、三、四段码垛仿真图，如图11、图12、图13所示。

Claims (1)

1.一种基于错位码垛规划的分段阶梯码垛的方法，其特征在于：按照下述步骤进行：

(1)输入基本的数据，规划出全车厢垛型：

用户输入自定义的垛型数据，用户输入自定义的垛型数据，数据包括车厢的长为L₀₁，宽为L₀₂，货物的长为B，宽为A，高为h，码垛层数为n，码垛机器人工作空间长度为CL，利用公告号CN104528389B“一种错位码垛规划的方法”规划出全车厢垛型；

(2)当前段内阶梯状码垛：

设定车厢左上角点为原点，长度方向为X方向，宽度方向为Y方向，码垛到当前层任意位置时，都要校验沿X方向已码垛长度与下一层已码垛层长之差是否小于一个包装箱长度或宽度；若差值小于一个包装箱长度或宽度，则换层并记忆此层此位置的阶梯沿X方向的层长；否则，将继续沿车厢长度X方向码垛当前层；如此，每一层均记录阶梯层长，形成了分段阶梯中各层阶梯；

具体步骤如下：

(a)计算当前层已码垛层长R1_j、R2_j

已知规划出的全车厢垛型每层最多随机分成五个区域：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、IV、Ⅴ，各个区域的面积是随机分配的，其中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、IV区域分别占据车厢四角，称为使用面积，Ⅴ区域为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、IV区域之间的间隔面积，称为可再利用面积；设定Ⅰ、Ⅲ区域沿车厢X方向分布，设定Ⅰ、Ⅱ区域沿车厢Y方向分布；Ⅰ、Ⅲ区域与Ⅱ、IV、Ⅴ区域分别位于车厢长边的两侧，各区域应码垛列数分别为x₂₁、x₁₂、x₁₃、x₂₄、x₂₅；

设第j层Ⅰ-Ⅴ区已码垛列数(沿Y方向)分别为i1_j、i2_j、i3_j、i4_j、i5_j，其中，j＝1...n，并令它们的初始值均为1，当前层每一列码垛完毕都应计算该层已码垛层长，并更新；由于沿车厢长度方向两侧布局不一致，因此分别记两侧已码垛层长为R1_j和R2_j，其初始值均为0，其中，j＝1...n，并令R1₀＝CL,R2₀＝CL；

(b)校验沿车厢X方向已码垛长度与下一层已码垛层长之差是否小于一个包装箱长度或宽度，即是否应该码垛下一列，

取Rmin_j-1作为当前第j层的最大可码垛长度，Rmin_j-1的值为：Rmin_j-1＝min(R1_j-1,R2_j-1)

对于Ⅰ和Ⅲ区，若Rmin_j-1-R1_j≥B或Rmin_j-1-R1_j≥A，则判断下一列位于哪一区域并码垛；否则，该层码垛完毕，换层，并记录i1_j、i3_j；

对于Ⅱ、IV和Ⅴ区，若Rmin_j-1-R2_j≥B或Rmin_j-1-R2_j≥A，则判断下一列位于哪一区域并码垛；否则，该层码垛完毕，换层，并记录i2_j、i4_j、i5_j；

(c)每一层不能再码一个包装箱时，记录阶梯层长R1_j、R2_j，如此，形成了分段阶梯中各层阶梯；

(3)车辆移动平台移动，形成新分段：

已知码垛机器人工作空间长度CL，需要确定车辆移动段落距离D；当前段码垛完成时，最顶层已码垛的长度不应在下一段机器人工作空间长度之内，所以车辆需要移动的距离等于当前段内最顶层已码垛的最小长度；因此，取最顶层两侧已码垛长度R1_n和R2_n的最小值Rmin_n作为最顶层已完全码垛的长度，当前段与上一段的最小值Rmin_n之差即是车辆移动段落距离D，令D初始值为0，其公式如下：

Rmin_n＝min(R1_n,R2_n)

D＝Rmin_n-D

(4)车辆移动平台移动后，进入新的阶梯码垛循环：

车辆移动平台移动后，同时R1₀、R2₀的值应变为最顶层已码垛最小距离Rmin_n和码垛机器人工作空间长度CL之和：

R1₀＝CL+Rmin_n

R2₀＝CL+Rmin_n

然后进入新的阶梯码垛循环，第j层各区域分别从下一列开始码垛；

(5)循环往复，直至最后一段码垛完成：

当最顶层两侧已码垛距离R1_n、R2_n与L₀₁的差值小于一个包装箱的宽时，分段阶梯码垛全部完成。

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