CN113021336B - 一种基于主从移动操作机器人的档案取放系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于主从移动操作机器人的档案取放系统及方法，涉及档案取放管理领域。该系统包括主移动机器人、复数个从移动机器人和上位计算机；主移动机器人和从移动机器人均与上位计算机通过无线方式连接以进行通信；主移动机器人包括移动底盘、机械臂、夹爪、摄像头和视觉处理系统；摄像头安装在机械臂的末端；从移动机器人包括移动底盘和放置架。该系统利用SLAM建图定位导航至目标点；由视觉处理系统利用Aruco标记二维码对档案盒/档案槽位姿进行估计。该方法由主机器人负责对档案盒进行取放，多个从机器人负责档案的转存和快速出入库管理，提高了档案取放的整体效率，适用性和鲁棒性好。

Description

一种基于主从移动操作机器人的档案取放系统及方法

技术领域

本发明涉及档案取放管理领域，尤其涉及一种基于主从移动操作机器人的档案取放系统及方法。

背景技术

档案库房作为保管档案的物理环境，对其的管理效能直接影响着档案的安全保管效果，关系到档案信息资源的高效利用，是各单位档案工作的重要环节。传统档案库房管理多依靠库房管理人员的手工操作，实现实体档案的上架、下架、出入库等，随着信息化、物联网等先进技术的发展，采用机器人安全、高效的控制库房内档案的搬运取放工作，降低库房管理人员的工作强度，已经成为可能。

现有技术方案中，中国专利申请号为201920510641.X，名称为“一种档案管理机器人”针对现有档案管理设备功能单一的缺陷，提出了一种基于多种传感器的智能档案管理机器人，以实现多种功能。该发明的识别模块是利用设置于机械臂末端的二维码读取装置，但是没有对目标档案的位姿估计环节，在档案摆放密集的情况下取放的成功率不高。此外，该方案利用气缸作为动力源，容易出现漏气等状况且噪音较大。

中国专利申请号为201910202569.9，名称为“一种档案用机器人”设计了一款档案用机器人，通过机械臂组能在同时满足作业范围大以及体积小的条件下，进入电动密集架的狭小通道进行作业。该方案扩大了机械臂的运动空间，但是利用机械臂组的方式增大了对底盘的负载要求，同时也使机械臂与档案柜碰撞的可能性增大。

中国专利申请号为201910519324.9，名称为“一种薄型档案存取运输机器人装置及其使用方法”，旨在解决人工存取档案容易出现操作失误的问题。但是，AGV小车需要额外配置电磁轨道进行导航；此外，利用电磁吸附的方式取放档案，档案盒上需额外配置铁条。

上述方案主要通过应用机器人技术来解决档案的自动化取放问题，但是没有有效地对移动操作机器人的工作特性和工作参数进行分解，仅使用一台机器人来完成所有的档案取放和出入库等功能，对于大批量的档案取放管理存在工作效率低下的问题。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于主从移动操作机器人的档案取放系统及方法，以提高工作效率。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何针对大批量的档案取放任务，设计出一种高效工作的自动取放系统及方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于主从移动操作机器人的档案取放系统，包括主移动机器人、复数个从移动机器人和上位计算机；所述主移动机器人和所述从移动机器人均与所述上位计算机通过无线方式连接以进行通信；

所述主移动机器人包括移动底盘、机械臂、夹爪、摄像头和视觉处理系统；所述摄像头安装在所述机械臂的末端；

所述从移动机器人包括所述移动底盘和放置架。

进一步地，所述摄像头被配置为拍摄档案盒或档案槽的图像，并将拍摄的所述图像发送至所述上位计算机。

进一步地，在所述档案盒、所述档案槽的中心均设置有Aruco标记二维码，并且相邻的所述档案盒的Aruco标记ID号不同，相邻的所述档案槽的所述Aruco标记ID号不同。

进一步地，所述移动底盘设置有激光雷达传感器。

进一步地，所述移动底盘到达目标路点的精度小于等于10cm。

进一步地，所述上位计算机中设置有数据库，所述数据库中包括“档案盒编号-档案槽编号-离线地图路点”表、“档案盒编号-Aruco标记ID号-离线地图路点”表。

进一步地，所述夹爪包括电动夹爪。

进一步地，所述机械臂包括六轴协作机械臂。

本发明还提供一种基于主从移动操作机器人的档案取放方法，包括以下步骤：

S1：启动系统——打开主机器人的移动底盘和机械臂的电源，使所述主机器人移动至地图出发点位置完成所述移动底盘定位工作，等待命令指令；

S2：上位计算机发送所述命令指令；所述命令指令包括命令类型以及命令目标；所述命令类型包括取档案命令和放档案命令；对于所述取档案命令，所述命令指令中提供有档案盒的编号；对于所述放档案命令，所述命令指令中提供有所述档案盒编号以及档案槽编号；

S3：所述上位计算机根据存储在数据库中的“档案盒编号-档案槽编号-离线地图路点”表，查找需要抵达的目标路点；

S4：所述主机器人根据查找结果移动至所述目标路点处，在所述主机器人移动过程中，所述主机器人的位置被发送给所述从机器人，所述从机器人跟随所述主机器人运动；

S5：所述上位计算机内的视觉处理系统对视野中所有的档案盒及档案槽进行无差别位姿估计；并对档案槽下方孔的形状进行识别；而后，根据数据库中的“档案盒编号-Aruco标记ID号-离线地图路点”表，查找到所述档案槽的Aruco标记ID号，根据Aruco标记来估计目标档案盒/档案槽的位姿；

S6：所述上位计算机根据估计出来的所述位姿控制所述机械臂及夹爪完成一系列取/放动作；在进行多次取档案的情况下，所述主机器人将取好的档案暂时放置在第一从机器人上，所述第一从机器人存储满后，运输回起点，由第二从机器人接替所述第一从机器人的工作；

S7：完成全部任务后，所述主机器人自动回到初始出发点，全部所述从机器人回到各自出发点。

进一步地，所述步骤S5中，还包括：

S5.1：利用RGB图像估计所述Aruco标记的位姿，所述位姿包括移动分量x、移动分量y、移动分量z和旋转分量r、旋转分量p、旋转分量y；当光照较暗时，只保留所述移动分量x、所述移动分量y、所述移动分量z，同时获得所述Aruco标记在彩色图的四个角点坐标；

S5.2：将所述四个角点坐标组成的四边形投射对应到深度图中，所述深度图由摄像头自身发出的红外结构光成像，抠取所述Aruco标记在所述深度图中的对应部分，生成Aruco标记点云，利用随机抽样一致算法拟合出所述Aruco标记的平面，进一步估计出所述旋转分量r、所述旋转分量p、所述旋转分量y；

S5.3：将步骤S5.1和S5.2中估计出的所述移动分量x、所述移动分量y、所述移动分量z以及所述旋转分量r、所述旋转分量p、所述旋转分量y进行组合，得到所述Aruco标记的所述位姿。

与现有技术相比，本发明的技术效果包括：人机交互更加安全；升降柜方式解决了机械臂操作高度有限的缺点；利用Aruco标记二维码对档案盒/档案槽位姿进行估计，快速简单；电动夹爪无需额外气源，减少了噪声；利用主从式机器人的方案，主机器人负责对档案盒进行取放，多个从机器人负责档案的转存和快速出入库管理，提高了系统的整体效率。整套方案适用性和鲁棒性好。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的方法流程图；

图2是本发明的一个较佳实施例的系统布置图；

其中，0-主机器人、1-从机器人、2-从机器人、3-从机器人、4-从机器人。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

本发明所提的一种基于主从移动操作机器人的档案取放系统包括主移动机器人、多个从移动机器人和上位计算机。主移动机器人和从移动机器人均与上位计算机通过无线方式连接。

其中，主移动机器人包括移动底盘、机械臂、夹爪、摄像头和视觉处理系统。摄像头安装在机械臂末端，由机械臂充当“手”，由摄像头充当“眼”，形成“眼在手上”的手眼系统结构。从移动机器人包括移动底盘和放置架。移动底盘设置有激光雷达传感器。摄像头用于拍摄档案盒/档案槽的图像，并将拍摄的图像发送至上位计算机。由于目标档案盒/目标档案槽需要在移动底盘到达目标路点附近后出现在摄像头的拍摄视野中，因此要求移动底盘到达目标路点的精度不能大于10cm。在档案盒/档案槽中心粘贴Aruco标记二维码，二维码以周期贴放，位置相邻的档案盒/档案槽的Aruco标记ID号不能相同。Aruco标记是一种二维码强标记物，在机器人导航，增强现实等应用中作为摄像机姿态估计工具。相比于其他弱标记物，比如自然图片，自然物体，Aruco标记的检测是鲁棒的，快速的，简单的。此二维码的好处是不仅可以估计档案盒/档案槽的位姿，而且可以将其与邻近档案盒/档案槽进行区别。移动底盘移动到指定路点的精度有限，可以利用Aruco标记进行精确识别。因此要保证档案盒/档案柜需具备充足的照明条件，以保证正确识别Aruco标记二维码。

要使这样一套系统正常运转，需要先构建档案馆地图。通过SLAM技术配合档案馆CAD三维模型，将整个档案馆离线地图建立好，然后将充电桩位置、出发点位置、回归点位置在离线地图上进行标记。同时在上位计算机中建立数据库，其中存储的数据表包括“档案盒编号-档案槽编号-离线地图路点”表、“档案盒编号-Aruco标记ID号-离线地图路点”表，来反应各数据之间的对应关系。

在搭建好这样一套基于主从移动操作机器人的档案取放系统并做好相关准备工作之后，就可以运用该系统在档案室馆内工作来取放档案。图1展示了一种基于主从移动操作机器人的档案取放方法的工作流程图。

该工作流程包括以下步骤：

S1：启动系统。打开移动底盘和机械臂电源，按步骤启动程序，主机器人移动至地图出发点位置完成移动底盘定位工作，等待命令；

S2：上位计算机发送命令指令。命令指令包括命令类型以及命令目标。命令类型包括取档案命令和放档案命令。对于取档案命令，需要在命令指令中提供档案盒的编号f；对于放档案命令，需要在命令指令中提供档案盒编号f以及档案槽编号p，即将f号档案放置至p号档案槽的位置处；

S3：上位计算机根据存储在其数据库中的“档案盒编号-档案槽编号-离线地图路点”表，查找需要抵达的目标路点；

S4：主机器人根据查找的目标路点的结果移动至目标路点处，在主机器人移动过程中，将主机器人位置发送给第一从机器人，第一从机器人跟随主机器人运动；

S5：上位计算机内的视觉处理系统利用位姿估计算法对视野中所有的档案盒/档案槽进行无差别位姿估计。并对档案槽下方孔的形状进行识别。而后，根据数据库里“档案盒编号-Aruco标记ID号-离线地图路点”表，查找到档案槽的Aruco标记ID号，根据Aruco标记来估计目标档案盒/档案槽的位姿。

S6：上位计算机根据估计出来的位姿控制机械臂及夹爪完成一系列取/放动作。从机器人可以被用作为中转储存站。在进行多次取档案的任务时，将取好的档案暂时放置在第一从机器人上，第一从机器人存储满后，运输回起点。第二从机器人代替第一从机器人的工作。从机器人的数量可根据对效率的要求自行布置。

S7：主机器人自动回到出发点，完成取/放任务。所有从机器人回到各自出发点。

当剩余电量百分比少于某一设定阈值时，主机器人/从机器人会自动移动至充电桩位置，完成充电工作。

在上述工作流程中，对档案盒/档案槽的位姿估计的准确性对取放的成功率至关重要。利用RGB图像对档案盒/档案槽上的Aruco标记进行位姿估计时，对光照环境要求很高，在光照和变化时，姿态估计结果会有很大的波动，因此针对此问题，在上述步骤S5中，还包括基于RGB-D的Aruco标记位姿估计方法，具体如下：

S5.1：利用RGB图像估计Aruco标记的位姿，估计出6个分量，即移动分量x、y、z，旋转分量r、p、y。在光照较暗时，旋转分量r、p、y跳动较大，移动分量经测量依然准确，将移动分量x、y、z保留。此步骤中可同时获得Aruco标记在彩色图的四个角点坐标。

S5.2：将四个角点坐标组成的四边形投射对应到深度图中，深度图由摄像头自身发出的红外结构光成像，受外界光源影响较小。扣取Aruco标记在深度图中的对应部分，生成Aruco标记点云，利用随机抽样一致算法拟合出Aruco标记的平面，进一步估计出其旋转分量r、p、y。

S5.3：将步骤S5.1和S5.2中估计出的移动分量x、y、z以及旋转分量r、p、y进行组合，得到档案盒/档案槽上的Aruco标记的位姿。

下面以一个实施例来说明该基于主从移动操作机器人的档案取放系统及方法的具体应用。

在本实施例中，软件的系统环境在ubuntu16.04操作系统下，基于ROS框架编程，主要调用OpenCV3.0库。

主机器人硬件包括机械臂、移动底盘，RGB-D摄像头。上位计算机处理器要求Pentium41.6GHz或性能更好的处理器；内存要求512M及以上；硬盘要求空间为128G及以上。

RGB-D摄像头固定于主机器人正上方，摄像头采用Intel Realsensen D435i，即插即用，需进行手眼标定，摄像头通过USB连接线直接连接电脑USB口即可。机械臂采用节卡7公斤负载机器人jaka zu7，该机械臂有6个自由度，最大臂展869mm。由机械臂和RGB-D摄像头构成的“手眼系统”安装于主机器人上。主从机器人的移动底盘采用caster底盘。

首先安装好所有设备，对档案馆环境建立离线地图。在上位计算机中建立数据库，存储数据表，表中的信息反应了“档案盒编号-档案槽编号-Aruco标记ID号-离线地图路点”之间的对应关系。主机器人处于出发区，由多台从机器人组成的从机器人组处于待命区，打开上位机软件。

如图2所示，取档案流程如下：使用者在上位计算机上选择档案盒编号，通过应用软件查询到离线地图路点位置，主机器人的移动底盘自动导航至目标路点，摄像头根据Aruco标记ID号，估计出目标档案盒的位姿，引导机械臂完成一系列抓取动作，将档案盒放置在一台从机器人1上，并更新数据库信息。从机器人1装满后回待命区待命，另一台从机器人2从待命区出发，代替从机器人1的工作。依次类推。

放档案流程如下：使用者在上位机上选择档案盒-档案槽编号，例如要将f号档案盒放置于b号档案槽中。软件查询到离线地图路点位置，主机器人的移动底盘自动导航至目标路点，摄像头根据Aruco标记ID号，估计出目标档案槽的位姿，将从机器人1上存储的档案盒拿起，引导机械臂完成一系列放置动作，并更新数据库信息。从机器人1被取空后回到待命区待命，从机器人2从待命区出发，代替从机器人1的工作。依次类推。

本发明的特点及优点在于：利用SLAM建图定位导航至目标点；六轴协作机械臂人机交互更加安全；升降柜方式解决了机械臂操作高度有限的缺点；视觉处理系统利用Aruco标记二维码对档案盒/档案槽位姿进行估计；电动夹爪无需额外气源，减少噪声；利用主从式机器人的方案，主机器人负责对档案盒进行取放，多个从机器人负责档案的转存和快速出入库管理，提高了系统的整体效率。整套方案适用性和鲁棒性好。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于主从移动操作机器人的档案取放系统，其特征在于，包括主移动机器人、数个从移动机器人和上位计算机；所述主移动机器人和所述从移动机器人均与所述上位计算机通过无线方式连接以进行通信；

所述主移动机器人包括移动底盘、机械臂、夹爪、摄像头和视觉处理系统；所述摄像头安装在所述机械臂的末端；

所述从移动机器人包括所述移动底盘和放置架；

所述上位计算机中设置有数据库；

所述主移动机器人根据查找结果移动至目标路点处，在所述主移动机器人移动过程中，所述主移动机器人的位置被发送给所述从移动机器人，所述从移动机器人跟随所述主移动机器人运动；

所述视觉处理系统对视野中所有的档案盒及档案槽进行无差别位姿估计，并对所述档案槽下方孔的形状进行识别；而后，根据所述数据库中的“档案盒编号-Aruco标记ID号-离线地图路点”表，查找到所述档案槽的所述Aruco标记ID号，根据所述Aruco标记来估计所述目标档案盒/档案槽的位姿；

所述上位计算机根据估计出来的所述位姿，控制所述机械臂及所述夹爪完成一系列取/放动作；在进行多次取所述档案的情况下，所述主移动机器人将取好的所述档案暂时放置在第一从移动机器人上，并更新所述数据库信息，所述第一从移动机器人存储满后，运输回起点，由第二从移动机器人接替所述第一从移动机器人的工作；

在存放所述档案时，所述主移动机器人将所述第一从移动机器人上存储的所述档案盒拿起，引导所述机械臂完成一系列放置动作，并更新所述数据库信息；所述第一从移动机器人被取空后回到待命区待命，所述第二从移动机器人从所述待命区出发，代替所述第一从移动机器人的工作。

2.如权利要求1所述的基于主从移动操作机器人的档案取放系统，其特征在于，所述摄像头被配置为拍摄所述档案盒或档案槽的图像，并将拍摄的所述图像发送至所述上位计算机。

3.如权利要求2所述的基于主从移动操作机器人的档案取放系统，其特征在于，在所述档案盒、所述档案槽的中心均设置有Aruco标记二维码，并且相邻的所述档案盒的所述Aruco标记ID号不同，相邻的所述档案槽的所述Aruco标记ID号不同。

4.如权利要求1所述的基于主从移动操作机器人的档案取放系统，其特征在于，所述移动底盘设置有激光雷达传感器。

5.如权利要求1所述的基于主从移动操作机器人的档案取放系统，其特征在于，所述移动底盘到达所述目标路点的精度小于等于10cm。

6.如权利要求1所述的基于主从移动操作机器人的档案取放系统，其特征在于，所述数据库中包括“档案盒编号-档案槽编号-离线地图路点”表、所述“档案盒编号-Aruco标记ID号-离线地图路点”表。

7.如权利要求1所述的基于主从移动操作机器人的档案取放系统，其特征在于，所述夹爪包括电动夹爪。

8.如权利要求1所述的基于主从移动操作机器人的档案取放系统，其特征在于，所述机械臂包括六轴协作机械臂。

9.一种基于主从移动操作机器人的档案取放方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：启动系统——打开主移动机器人的移动底盘和机械臂的电源，使所述主移动机器人移动至地图出发点位置完成所述移动底盘定位工作，等待命令指令；

S2：上位计算机发送所述命令指令；所述命令指令包括命令类型以及命令目标；所述命令类型包括取档案命令和放档案命令；对于所述取档案命令，所述命令指令中提供有档案盒的编号；对于所述放档案命令，所述命令指令中提供有所述档案盒编号以及档案槽编号；

S3：所述上位计算机根据存储在数据库中的“档案盒编号-档案槽编号-离线地图路点”表，查找需要抵达的所述目标路点；

S4：所述主移动机器人根据查找结果移动至所述目标路点处，在所述主移动机器人移动过程中，所述主移动机器人的位置被发送给所述从移动机器人，所述从移动机器人跟随所述主移动机器人运动；

S5：所述上位计算机内的视觉处理系统对视野中所有的所述档案盒及所述档案槽进行无差别位姿估计；并对所述档案槽下方孔的形状进行识别；而后，根据数据库中的所述“档案盒编号-Aruco标记ID号-离线地图路点”表，查找到所述档案槽的所述Aruco标记ID号，根据所述Aruco标记来估计所述目标档案盒/档案槽的位姿；

S6：所述上位计算机根据估计出来的所述位姿控制所述机械臂及夹爪完成一系列取/放动作；在进行多次取档案的情况下，所述主移动机器人将取好的档案暂时放置在第一从移动机器人上，所述第一从移动机器人存储满后，运输回起点，由第二从移动机器人接替所述第一从移动机器人的工作；

S7：完成全部任务后，所述主移动机器人自动回到初始出发点，全部所述从移动机器人回到各自出发点。

10.如权利要求9所述的基于主从移动操作机器人的档案取放方法，其特征在于，所述步骤S5中，还包括：

S5.1：利用RGB图像估计所述Aruco标记的位姿，所述位姿包括移动分量x、移动分量y、移动分量z和旋转分量r、旋转分量p、旋转分量y；当光照较暗时，只保留所述移动分量x、所述移动分量y、所述移动分量z，同时获得所述Aruco标记在彩色图的四个角点坐标；

S5.2：将所述四个角点坐标组成的四边形投射对应到深度图中，所述深度图由摄像头自身发出的红外结构光成像，抠取所述Aruco标记在所述深度图中的对应部分，生成Aruco标记点云，利用随机抽样一致算法拟合出所述Aruco标记的平面，进一步估计出所述旋转分量r、所述旋转分量p、所述旋转分量y；

S5.3：将步骤S5.1和S5.2中估计出的所述移动分量x、所述移动分量y、所述移动分量z以及所述旋转分量r、所述旋转分量p、所述旋转分量y进行组合，得到所述Aruco标记的所述位姿。

Images