CN111908007A - 大型无人机物流配送作业机器人装置、系统及配送方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空天配送作业机器人系统、方法及装置，该装置包括框架、动力系统、感知系统、状态检测与安全管理系统，动力系统包括独立的升降系统和横移系统，当需要卸载货物时，感知系统识别货柜信息，找到需要卸载的货柜并发送卸货指令，升降系统和横移系统配合将框架上的货柜传送到对应货位，通过投放口卸载；将该装置搭载于大型无人机，可实现集散中心到集散中心之间以及集散中心到不同配送网点之间的单次多网点配送。本发明提高了无人机物流的效率，减少了在无人机物流运输过程中的人工参与，满足自动化定点投放以及多配送网点投放需求，实现单个无人机对集散基地之间、集散基地与多配送网点之间的物流运输，降低运输成本。

Description

大型无人机物流配送作业机器人装置、系统及配送方法

技术领域

本发明涉及配送机器人领域领域，尤其涉及一种空天配送作业机器人系统、方法及装置。

背景技术

物流配送是连接现代企业生产和国民生活的重要重要纽带，是支撑国民经济发展的基础性、战略性产业。随着互联网技术、电子商务技术的发展，网购成为现代人常用的生活方式，随之而来的是物流配送市场的快速增长。在国外快递企业抢占国际市场时，我国的快递多依靠强大的人力资源抢夺低端市场，快递业务发展程度还很低。近年来我国快递业务量成倍增长，而现有的地面运输方式不仅成本高、效率低，而且对地面交通造成巨大压力。此外，在偏远山区以及地面交通不发达的地区，地面运输将消耗更大成本且严重影响效率。因此，仅依靠已有的陆路运输网络和少量航空运输系统难以满足快速增长的快递运输及配送需求。随着无人机技术、物联网大数据技术、现代物流管理技术的快速发展以及国家对于低空域开放飞行政策的出台，无人机物流应运而生。

无人机物流是现代科技结合市场需求的产物，是在快递运输及配送的时效性、低成本、集约性、可达性发展趋势下，以电商物流运输业实际需求为背景，突破快递运输及配送行业局限的一种物流模式。无人机物流以无人机运输和无人机末端配送为主要形式，以智能化平台为核心，建立的智慧物流网络，通过自备的程序和设备控制，操纵无人机进行货物运送。实现快递运输及投送的自动化、无人化、信息化，提升快递的运输效率和服务质量，解决快递需求与快递服务能力之间的矛盾。

当前虽然无人机物流的试验研究已有一定成果，部分地区实现小规模的商业化使用，主要用途为快递的末端配送。投入使用的无人机主要有载重小，续航时间短，航行距离短等问题，在货物运输上仅限于小规模运输。而用于物流集散基地之间、集散基地与配送网点之间的中大型无人机物流体系尚不成熟，难以做到单个无人机由集散基地对多个配送网点的物流运输。为实现大型无人机物流运输的自动化、智能化，需要研发搭载于大型无人机的货物承载及自动化投放装置，当前市面上几乎没有成熟的用于无人机多网点投放的货物承载及自动投放设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种空天配送作业机器人系统、方法及装置，提高了无人机物流的效率，减少了在无人机物流运输过程中的人工参与，可以实现大型无人机运输货物的自动化定点投放以及多网点投放，优化无人机物流运输策略，实现单个无人机对集散基地之间、集散基地与多配送网点之间的物流运输，降低运输成本。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种大型无人机物流配送作业机器人装置，包括框架、动力系统、感知系统、状态检测与安全管理系统，其中所述框架为多层多列结构，用于防止货柜，所述动力系统包括独立的升降系统和横移系统，当需要卸载货物时，所述感知系统用于识别货柜信息，找到需要卸载的货柜并发送卸货指令，所述升降系统和横移系统配合将货柜传送到对应货位，通过投放口卸载；在无人机运输过程和装置卸载过程，所述状态监测与安全管理系统通过传感器监控所述大型无人机物流配送作业机器人状态，判断货柜运行情况以及锁定情况。

进一步的，所述横移系统采用导轨装置实现货柜延水平方向的横移，所述升降系统采用同步链传动装置实现货柜延垂直方向的升降；

所述横移系统采用电机为该运动提供动力，通过链轮、链条装置实现动力传输；

所述升降系统通过带有导轨的链传动装置实现货柜延垂直方向的升降，采用电机为该运动提供动力，通过变速箱、链传动等装置实现动力传动；

为保证货物提升过程中两侧提升装置的同步性及定位精确性，在采用链传动装置实现动力同步传动的同时，采用双电机对两侧提升链条进行同步控制。

进一步的，所述升降系统还包括对货柜进行定位及锁定的定位器和锁定装置，所述锁定装置为升降过程中的驱动装置，所述横移系统还包括用于平移的位置的锁定的定位装置及自锁装置；

所述定位器安装在导轨上，对货柜定位，所述定位器在货柜转运过程中处于收起状态，不影响转运动作的进行，当货柜将要到达指定位置时，定位器弹出，控制货柜在指定位置停稳；

所述自锁装置包括止动块及销钉自动伸缩机构，通过分别安装在导轨和货柜上的磁感应器及磁体对货柜的定位信息进行检测；当系统正常运行并定位准确时，两者接触后发出正常的控制信号并弹出销钉对货柜位置进行锁死；若未精确定位时，将发出报警信号并通过安全管理系统对误差信息进行判断，并自动进行相应的调整。

进一步的，所述感知系统包括二维码扫描仪、RFID及二维码组合标签、RFID固定式读写器，用于实现每个货柜的位置、货柜位置锁定情况、货柜所提供信号情况等信息的实时感知及传输。

进一步的，所述RFID及二维码组合标签由信号传输装置和耦合芯片组成，安装在每个货柜的指定位置上，利用EPC信息存储技术将货柜及货柜信息存储在标签中，信息主要包括货柜位置、货柜位置锁定情况、货柜所提供信号情况、货柜编号。

进一步的，多个所述二维码扫描仪分别安装在货柜侧壁的固定位置，并对不同位置的二维码扫描仪进行分类，将所有二维码扫描仪的电源开关接入控制系统；RFID固定式读写器可实现双向通信，接收来自控制系统的指令并进行阅读，并与RFID及二维码组合标签进行数据交换，而RFID固定式读写器与RFID及二维码组合标签可利用射频信号在空间的传播特性和空间耦合的传输特性，在人工不干预的情况下实现对静止或移动货柜的自动识别，且每个RFID固定式读写器能同时识别多个货柜标签。

进一步的，当货柜静止时，多个二维码扫描仪分别定点读取多个货柜上的二维码信息，并将信息发送至控制系统；控制系统向2个RFID固定式读写器发送指令，然后2个RFID固定式读写器分别使用信号发射装置发射出特有的频率信号形成磁场，当电子标签置于磁场时，该工作区域产生感应电流，获得的能量使得电子标签内部的电路被激活形成电流，然后货柜标签依靠内置的射频天线把所存储的信息发送出去给RFID固定式读写器M和RFID固定式读写器N，利用RFID固定式读写器M与RFID固定式读写器N间的角度判断货柜标签的位置，并将位置结果传输到控制系统；当货柜处于转运状态时，为防止二维码扫描仪出现误扫描，控制系统发送指令控制二维码扫描仪停止工作，并向2个RFID固定式读写器发送指令，2个RFID固定式读写器分别读取多个货柜的反射信号，利用角度定位法得到货柜在转运过程中的实时位置。

进一步的，所述状态检测与安全管理系统包括光电传感器、磁传感器、相关控制电路，该系统通过货柜及主承力机构的特定部位安装传感器来实现相应信息的采集，通过接收器给出的控制信号来判断仓库运行状态并进行控制；

通过在货柜锁定位置的周围安装光电传感器的方式来判断货柜的定位及锁死状态；该系统工作原理为：当货柜正确进入货架中，不会阻挡光源的接收，接受器会通过控制器给予一个正常运行的控制信号；但当货柜有一定偏移量时，如在自锁装置或固定装置失效并发生一定倾斜、传送超出限定位置时，将阻挡光线的接收，接受器会通过控制器给予一个报警信号，从而进行相应调整。除此之外，通过磁感应装置判断定位装置是否正常工作，将磁体与磁传感器分别安装在销钉及止动块上，若定位装置工作正常，两者接触后发出正常的控制信号，若未成功锁定则将发出报警信号，系统可根据反馈信息进行相应调整。

本发明还提供了一种大型无人机物流配送作业机器人系统，包括大型无人机，所述大型无人机搭载有上述所述的大型无人机物流配送作业机器人装置，所述大型无人机由飞控中心控制调度。

本发明又提供了一种大型无人机物流配送作业机器人系统的配送方法，包括：

当需要无人机进行固定集散基地运输时，搭载于无人机的配送作业机器人装置装载货物，无人机接受调度中心指令飞行，在到达集散中心目的地后，由配送作业机器人自动卸载货物；

当需要无人机由集散基地向多网点运输货物时，搭载于无人机的配送作业机器人装置的不同货柜装载不同配送网点货物，无人机接受调度中心指令飞行，在到第一配送网点后，由配送作业机器人自动卸载货物，随后无人机飞至其他配送网点，配送作业机器人装置自动将对应配送网点货物卸载。

在所述方案中，对配送作业机器人进行状态监测与健康管理，典型搭载装置状态监测是针对配送作业机器人和货柜的受力情况以及转运过程中的集散运动状态进行的实时监测，是典型搭载装置转运工作正常有序、高质高效进行的必要保障。基于数字孪生的典型搭载装置状态监测是在虚拟空间中构建高保真度的被测对象虚拟模型，借助测试传感技术、数据实时传输、指令传输执行技术，在历史数据和实时数据的驱动下，实现典型搭载装置和虚拟搭载装置的多学科/多尺度/多物理属性的高逼真度仿真与交互，从而直观、全面地反映货柜运载过程全生命周期状态，有效支撑基于数据和知识的科学运转决策。

典型搭载装置健康管理利用传感器和数据处理方法对设备健康状况进行评估，并预测设备故障及剩余寿命，从而将传统的事后维修转变为事前维修。基于数字孪生的典型搭载装置是在孪生数据的驱动下，结合物理搭载装置与虚拟模型的同步映射、精准的健康管理服务，形成的设备健康管理新模式。该模式能够实现搭载装置故障对象的快速捕捉，准确定位故障原因。物理搭载装置实时感知运行状态与环境数据；虚拟搭载装置在孪生数据的驱动下与物理设备同步运行，并产生设置评估、故障预测及维修验证等数据；融合物理与虚拟搭载装置的实时数据以及现有孪生数据，健康管理服务根据货柜运载需求被精准的调用与执行，保证搭载装置的健康运行。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

本发明针优化了无人机物流运输策略，实现单个无人机对集散基地之间、集散基地与多配送网点之间的物流运输，降低运输成本。

本发明实现无人机物流货物运输的自动化装载及投放，减少了在无人机物流运输过程中的人工参与，提高了运输效率。

本发明实现对货物信息的自动识别，并根据识别结果实现货物在装置内的任意货柜的上下和前后移动及投放。

本发明能够实现提供的一种大型无人机物流配送作业机器人系统、方法及装置能够实现对货物状态识别以及对系统健康状况的自我监测。

附图说明

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

图1为本发明对于支干线配送示意图。

图2为本发明的投放原理示意图。

图3为本发明立体结构示意图。

图4为本发明结构主视方向示意图。

图5为本发明中扫描仪及阅读器安装方案。

图6为本发明中传感器安装方案示意图。

附图标记说明：1-框架；2-升降电机；3-链轮；4-链条；5-货柜；6-滚轮；7-导轨；8-投放口；9-锁定装置；10-平移电机；11-二维码扫描仪；12-RFID固定式阅读器；13-传感器。

具体实施方式

参照图1所示，本发明提供的一种大型无人机物流配送作业机器人装置搭载于大型无人机，无人机由飞控中心控制调度，当需要在不同集散中心之间运输货物时，所述大型无人机物流配送作业机器人可以自动实现货物的装卸。当需要在集散中心和多个配送网点之间运输货物时，所述大型无人机物流配送作业机器人可以实现在不同配送网点卸载相对应的货物。

参照图2所示，所述一种大型无人机物流配送作业机器人装置在6号货位处有投放口，当需要在同一集散基地或配送网点卸载全部货物时，所有货位均通过6号货位卸货。当无人机载有多个配送网点货物时，无人机首先到达6号货位货物所在配送网点，将6号货位的货物卸载。在下一配送网点卸货时，通过二维码扫描仪11扫描货柜二维码并识别货柜信息，由RFID固定式阅读器12与二维码组合进行数据交换，实现双向通信，确定对应配送网点货物并发送卸货指令。例如要卸载4号货位的货物时，需要进行如下运动：如状态所示，通过同步链传动装置实现4号货位货物与5号货位货物延垂直方向下移到5号货位与6号货位；如状态所示，通过导轨装置实现1号货位货物延水平移动到4号货位；如状态所示，通过同步链传动装置实现2号货位货物与3号货位货物垂直方向移动到1号货位与2号货位；如状态所示，通过导轨装置实现6号货位货物水平移动到3号货位；如状态所示，通过同步链传动装置实现4号货位货物与5号货位货物延垂直移动到5号货位与6号货位，此时，原4号货位处的货柜已移动到6号货位处，即可实现对应配送网点货物的卸载。

参照图3所示，所述一种用于大型无人机的物流配送作业机器人装置的主体为三层两列的框架1，共有六个货位，前列最底层货位对应位置留有投放口8，包括上述升降系统和上述横移系统。

所述升降系统由升降电机2供能，升降电机安装于框架1顶部左右两端，用于带动链轮3链条4，所述链轮3在框架1顶部和底部同一垂直位置各安装一个，所述链条4上等间距、同高度安装有导轨7用以承载货柜5，所述货柜5底部左右两侧安装有滚轮6，货柜5两侧滚轮6可沿导轨7前后滚动。

上述升降系统中，控制框架1两侧对应的升降电机2同步转动时，框架两侧对应处于同水平高度的导轨7同步转动到框架1内部，两侧导轨7形成单个货位。

所述横移系统由平移电机10提供动力，平移电机10安装在货柜5底部，所述货柜5底部两侧等距安装多个滚轮6，滚轮6嵌入导轨7中，由平移电机10驱动滚轮6在导轨7上水平移动。在运输过程中需要将货柜5固定，此时定位装置9弹起以固定货柜5。

当需要调节货柜5高度时，升降电机2带动链轮3链条4转动以实现货柜5升降。当需要货柜5水平移动时，通过链条4调节导轨7高度，使导轨7与旁侧升降装置的空置导轨7平齐，平移电机10驱动货柜5转运到旁侧的空置货位，实现货柜5的横移。最终货柜5移动到6号货位后，可以通过投放口8卸载。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种大型无人机物流配送作业机器人装置，其特征在于：包括框架、动力系统、感知系统、状态检测与安全管理系统，其中所述框架为多层多列结构，用于防止货柜，所述动力系统包括独立的升降系统和横移系统，当需要卸载货物时，所述感知系统用于识别货柜信息，找到需要卸载的货柜并发送卸货指令，所述升降系统和横移系统配合将货柜传送到对应货位，通过投放口卸载；在无人机运输过程和装置卸载过程，所述状态监测与安全管理系统通过传感器监控所述大型无人机物流配送作业机器人状态，判断货柜运行情况以及锁定情况。

2.根据权利要求1所述的大型无人机物流配送作业机器人装置，其特征在于：所述横移系统采用导轨装置实现货柜延水平方向的横移，所述升降系统采用同步链传动装置实现货柜延垂直方向的升降；

所述横移系统采用电机为该运动提供动力，通过链轮、链条装置实现动力传输；

所述升降系统通过带有导轨的链传动装置实现货柜延垂直方向的升降，采用电机为该运动提供动力，通过变速箱、链传动等装置实现动力传动；

为保证货物提升过程中两侧提升装置的同步性及定位精确性，在采用链传动装置实现动力同步传动的同时，采用双电机对两侧提升链条进行同步控制。

3.根据权利要求2所述的大型无人机物流配送作业机器人装置，其特征在于：所述升降系统还包括对货柜进行定位及锁定的定位器和锁定装置，所述锁定装置为升降过程中的驱动装置，所述横移系统还包括用于平移的位置的锁定的定位装置及自锁装置；

所述定位器安装在导轨上，对货柜定位，所述定位器在货柜转运过程中处于收起状态，不影响转运动作的进行，当货柜将要到达指定位置时，定位器弹出，控制货柜在指定位置停稳；

所述自锁装置包括止动块及销钉自动伸缩机构，通过分别安装在导轨和货柜上的磁感应器及磁体对货柜的定位信息进行检测；当系统正常运行并定位准确时，两者接触后发出正常的控制信号并弹出销钉对货柜位置进行锁死；若未精确定位时，将发出报警信号并通过安全管理系统对误差信息进行判断，并自动进行相应的调整。

4.根据权利要求1或3所述的大型无人机物流配送作业机器人装置，其特征在于：所述感知系统包括二维码扫描仪、RFID及二维码组合标签、RFID固定式读写器，用于实现每个货柜的位置、货柜位置锁定情况、货柜所提供信号情况等信息的实时感知及传输。

5.根据权利要求4所述的大型无人机物流配送作业机器人装置，其特征在于：所述RFID及二维码组合标签由信号传输装置和耦合芯片组成，安装在每个货柜的指定位置上，利用EPC信息存储技术将货柜及货柜信息存储在标签中，信息主要包括货柜位置、货柜位置锁定情况、货柜所提供信号情况、货柜编号。

6.根据权利要求5所述的大型无人机物流配送作业机器人装置，其特征在于：多个所述二维码扫描仪分别安装在货柜侧壁的固定位置，并对不同位置的二维码扫描仪进行分类，将所有二维码扫描仪的电源开关接入控制系统；RFID固定式读写器可实现双向通信，接收来自控制系统的指令并进行阅读，并与RFID及二维码组合标签进行数据交换，而RFID固定式读写器与RFID及二维码组合标签可利用射频信号在空间的传播特性和空间耦合的传输特性，在人工不干预的情况下实现对静止或移动货柜的自动识别，且每个RFID固定式读写器能同时识别多个货柜标签。

7.根据权利要求6所述的大型无人机物流配送作业机器人装置，其特征在于：当货柜静止时，多个二维码扫描仪分别定点读取多个货柜上的二维码信息，并将信息发送至控制系统；控制系统向2个RFID固定式读写器发送指令，然后2个RFID固定式读写器分别使用信号发射装置发射出特有的频率信号形成磁场，当电子标签置于磁场时，该工作区域产生感应电流，获得的能量使得电子标签内部的电路被激活形成电流，然后货柜标签依靠内置的射频天线把所存储的信息发送出去给RFID固定式读写器M和RFID固定式读写器N，利用RFID固定式读写器M与RFID固定式读写器N间的角度判断货柜标签的位置，并将位置结果传输到控制系统；当货柜处于转运状态时，为防止二维码扫描仪出现误扫描，控制系统发送指令控制二维码扫描仪停止工作，并向2个RFID固定式读写器发送指令，2个RFID固定式读写器分别读取多个货柜的反射信号，利用角度定位法得到货柜在转运过程中的实时位置。

8.根据权利要求1所述的大型无人机物流配送作业机器人装置，其特征在于：所述状态检测与安全管理系统包括光电传感器、磁传感器、相关控制电路，该系统通过货柜及主承力机构的特定部位安装传感器来实现相应信息的采集，通过接收器给出的控制信号来判断仓库运行状态并进行控制；

通过在货柜锁定位置的周围安装光电传感器的方式来判断货柜的定位及锁死状态；该系统工作原理为：当货柜正确进入货架中，不会阻挡光源的接收，接受器会通过控制器给予一个正常运行的控制信号；但当货柜有一定偏移量时，如在自锁装置或固定装置失效并发生一定倾斜、传送超出限定位置时，将阻挡光线的接收，接受器会通过控制器给予一个报警信号，从而进行相应调整。除此之外，通过磁感应装置判断定位装置是否正常工作，将磁体与磁传感器分别安装在销钉及止动块上，若定位装置工作正常，两者接触后发出正常的控制信号，若未成功锁定则将发出报警信号，系统可根据反馈信息进行相应调整。

9.一种大型无人机物流配送作业机器人系统，其特征在于：包括大型无人机，所述大型无人机搭载有如权利要求1所述的大型无人机物流配送作业机器人装置，所述大型无人机由飞控中心控制调度。

10.一种大型无人机物流配送作业机器人系统的配送方法，其特征在于：包括：

当需要无人机进行固定集散基地运输时，搭载于无人机的配送作业机器人装置装载货物，无人机接受调度中心指令飞行，在到达集散中心目的地后，由配送作业机器人自动卸载货物；

当需要无人机由集散基地向多网点运输货物时，搭载于无人机的配送作业机器人装置的不同货柜装载不同配送网点货物，无人机接受调度中心指令飞行，在到第一配送网点后，由配送作业机器人自动卸载货物，随后无人机飞至其他配送网点，配送作业机器人装置自动将对应配送网点货物卸载。

Images