CN113895729A - 装箱方法、装箱控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种装箱方法及装箱控制系统，用于通过夹爪将目标对象装箱，包括：至少获取工作空间中目标对象的第一数据集以及表征障碍物的第二数据集；基于第一数据集以及第二数据集，确定质点数据以及第三数据集；质点数据用于表征夹爪及该夹爪载有的目标对象；第三数据集用于表征对应障碍物进行膨胀后的空间坐标集合；第三数据集与质点数据具有互斥性；根据第三数据集，确定轨迹路线集；基于轨迹路线集，控制夹爪将目标对象从起始点运送到终止点，完成装箱。该方法及系统能针对不同目标对象找到最优的装箱路径，缩短目标对象的装箱时间，提高工作效率，满足自动化生产线的工作节拍。

Description

装箱方法、装箱控制系统

技术领域

本发明涉及工业控制技术领域，具体为一种装箱方法、装箱控制系统。

背景技术

随着现代工业生产的迅猛发展，控制系统不仅需要实现对电机的单个控制，还需要完成对多电机的联动控制。高性能的位置伺服系统也被广泛应用于运动控制中，运动控制系统逐步向着小型化、网络化和智能化的方向发展。

目前对目标对象的全自动装箱作业，由于目标对象种类较多，形状大小不一，为了能安全装箱，往往人工设置一条较安全的路径进行装箱，但该路径往往行程较长且装箱时运动具有单一性，例如，夹爪的平移和夹爪的转动往往分开进行；因此，装箱时间长，且耗费较多人力。

所以，有必要提供一种装箱方法、装箱控制系统，来缩短目标对象装箱的时间，提高工作效率，满足自动化生产线的工作节拍。

发明内容

本发明提供了一种装箱方法、装箱控制系统，能够针对不同目标对象找到最优的装箱路径，缩短目标对象装箱的时间，提高工作效率，满足自动化生产线的工作节拍。

为实现上述目的和其他相关目的，本发明提供了一种装箱方法，用于通过夹爪将目标对象装箱，包括：

至少获取工作空间中所述目标对象的第一数据集以及表征障碍物的第二数据集，所述第一数据集用于表征所述目标对象的几何图形；

基于所述第一数据集以及所述第二数据集，确定质点数据以及第三数据集；所述质点数据用于表征夹爪及该夹爪载有的所述目标对象；所述第三数据集用于表征对应所述障碍物进行膨胀后的空间坐标集合；所述第三数据集与所述质点数据具有互斥性；

根据所述第三数据集，确定轨迹路线集；所述轨迹路线集用于表征所述质点数据对应点从起始点到终止点的最短路径；该终止点位置为所述夹爪将载有的所述目标对象放入目标箱体时的终点位置；

基于所述轨迹路线集，控制所述夹爪将所述目标对象从所述起始点运送到所述终止点，完成装箱。

优选地，所述获取工作空间中所述目标对象的第一数据集具体包括：

获取所述目标对象的图像数据；

在所述图像数据中提取实体数据集，以构成表征所述目标对象几何图形的第一数据集。

优选地，所述质点数据对应的点为所述夹爪的中心点。

优选地，所述障碍物进行膨胀后，基于对所述夹爪载有所述目标对象运动的判断来确定所述第三数据集，该运动具体包括：

所述夹爪载有所述目标对象水平移动；

所述夹爪载有所述目标对象上下移动；

所述夹爪载有所述目标对象绕自身中心线转动。

优选地，所述轨迹路线集至少包括节点数据；所述节点数据至少包括表征所述夹爪运动状态发生改变的位置数据；所述夹爪运动状态发生改变的情况为所述夹爪静止、水平运动、垂直运动、自转、夹取所述目标对象或松开所述目标对象中任意一种状态发生改变的情况。

优选地，所述基于所述轨迹路线集，控制所述夹爪将所述目标对象从所述起始点运送到所述终止点，具体包括：

基于所述轨迹路线集，确定所述夹爪的运动指令，并向PLC控制器发送所述运动指令，以用于所述PLC控制器控制驱动装置从而控制所述夹爪运动；

获取实际装箱轨迹每个节点的参数值；将每个节点的参数值与所述节点数据比对，以确定偏差值；

基于所述偏差值修正所述运动指令。

基于同一发明构想，本发明提供了一种装箱控制系统，包括：

参数初始化模块，用于系统的启动、各个伺服电机速度和位置的初始化，并对工作模式、电机保护和急停故障进行复位操作；

自检测模块，用于进行开机检测各个控制器的所有控制对象是否处于原位；

复位模块，用于进行各个控制器所有控制对象有序地复位；

模式选择模块，用于提供以下模式供选择：自动控制程序、点动控制程序和手动控制程序；

多轴伺服电机协同控制模块，用于协同控制装箱过程中的多个伺服电机；

故障报警与处理模块，用于检测、处理装箱过程中产生的故障；

进料输送模块，用于对目标对象上料以及对应纸箱的定点输送；

装箱运动规划模块，所述装箱运动规划模块用于至少获取工作空间中所述目标对象的第一数据集以及表征障碍物的第二数据集，所述第一数据集用于表征所述目标对象的几何图形；基于所述第一数据集以及所述第二数据集，确定质点数据以及第三数据集；所述质点数据用于表征夹爪及该夹爪载有的所述目标对象；所述第三数据集用于表征对应所述障碍物进行膨胀后的空间坐标集合；所述第三数据集与所述质点数据具有互斥性；根据所述第三数据集，确定轨迹路线集；所述轨迹路线集用于表征所述质点数据对应点从起始点到终止点的最短路径；该终止点位置为所述夹爪将载有的所述目标对象放入对应纸箱时的终点位置；

所述装箱运动规划模块还包括夹爪，基于所述轨迹路线集，通过装箱运动规划算法，控制所述夹爪将所述目标对象从所述起始点运送到所述终止点，从而装到对应纸箱中。

优选地，所述装箱运动规划模块包括：

视觉模块，所述视觉模块用于对目标对象扫描以获取所述目标对象图像数据；

工控机，所述工控机包括图像处理模块和运动规划模块；

所述图像处理模块用于至少获取工作空间中所述目标对象的第一数据集以及表征障碍物的第二数据集，所述第一数据集用于表征所述目标对象的几何图形；

所述运动规划模块用于基于所述第一数据集以及所述第二数据集，确定质点数据以及第三数据集；所述质点数据用于表征夹爪及该夹爪载有的所述目标对象；所述第三数据集用于表征对应所述障碍物进行膨胀后的空间坐标集合；所述第三数据集与所述质点数据具有互斥性；根据所述第三数据集，确定轨迹路线集；所述轨迹路线集用于表征所述质点数据对应点从起始点到终止点的最短路径；该终止点位置为所述夹爪将载有的所述目标对象放入目标箱体时的终点位置；

PLC控制器，所述PLC控制器用于接收对应于所述轨迹路线集的运动指令，以用于所述PLC控制器控制驱动装置从而控制所述夹爪运动，以使所述夹爪将所述目标对象从所述起始点运送到所述终止点，完成装箱。

基于同一发明构想，本发明提供了一种电子设备，包括数据接收设备、处理器；

所述数据接收设备用于至少获取工作空间中目标对象的第一数据集以及表征障碍物的第二数据集；

所述处理器用于基于所述第一数据集以及所述第二数据集，确定质点数据以及第三数据集；根据所述第三数据集，确定轨迹路线集；所述轨迹路线集用于表征所述质点数据对应点从起始点到终止点的最短路径。

基于同一发明构想，本发明提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述任一项所述的方法。

综上所述，由以上本申请实施方式提供的技术方案可见，本发明通过至少根据工作空间中目标对象的第一数据集以及表征障碍物的第二数据集，确定配置空间的质点数据和所述第三数据集，根据所述第三数据集，确定轨迹路线集，能够针对不同目标对象找到最优的装箱路径，缩短目标对象装箱时的间，提高工作效率，满足自动化生产线的工作节拍。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种装箱方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种工作空间转换为配置空间的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种装箱控制系统的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种装箱控制系统的程序架构图；

图5为本发明实施例提供的一种装箱控制系统的程序流程图；

图6为本发明实施例提供的一种电子设备示意图。

具体实施方式

以下结合附图1-6和具体实施方式对本发明提出的装箱方法、装箱控制系统做出进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将被更清楚、完整地描述。需要说明的是，附图采用简化的形式并使用精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书中附图的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的条件，故不具备技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

请参阅图1，本说明书实施方式提供了一种装箱方法，用于通过夹爪将目标对象装箱，将所述目标对象装箱可以是指将所述目标对象放置到对应的纸箱中。

在本实施例中，执行所述装箱方法的客体可以是具有逻辑运算功能的电子设备。具体的，例如，工控机。所述工控机可以是指工业控制计算机，是一种采用总线结构，对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称。所述工控机可以与PLC控制器连接。

在本实施例中，所述目标对象可以是指物料。具体的，例如，夹爪将物料传送机构上的物料放置到纸箱传送机构上对应的纸箱中。该方法包括如下步骤：

S100、至少获取工作空间中所述目标对象的第一数据集以及表征障碍物的第二数据集，所述第一数据集用于表征所述目标对象的几何图形；

S200、基于所述第一数据集以及所述第二数据集，确定质点数据以及第三数据集；所述质点数据用于表征夹爪及该夹爪载有的所述目标对象；所述第三数据集用于表征对应所述障碍物进行膨胀后的空间坐标集合；所述第三数据集与所述质点数据具有互斥性；

S300、根据所述第三数据集，确定轨迹路线集；所述轨迹路线集用于表征所述质点数据对应点从起始点到终止点的最短路径；该终止点位置为所述夹爪将载有的所述目标对象放入目标箱体时的终点位置；

S400、基于所述轨迹路线集，控制所述夹爪将所述目标对象从所述起始点运送到所述终止点，完成装箱。

在本实施例中，对于步骤S100，所述工作空间为将目标对象装箱的实际工作环境空间。所述第一数据集用于表征所述目标对象的几何图形。具体的，例如，所述第一数据集包括多个所述目标对象的特征点以及填充点。这些数据点集用于表征所述目标对象实体，可以从所述第一数据集中提取得到所述目标对象的大小、形状等。

在本实施例中，对于步骤S100，所述障碍物为实际工作环境空间中将目标对象装箱过程中夹爪和所述目标对象可能碰到的障碍物。具体的，例如，固定所述目标对象的材料框、纸箱的壳体、装箱路径上可能碰到的支架等。

在本实施例中，对于步骤S100，获取工作空间中所述目标对象的第一数据集以及表征障碍物的第二数据集可以通过传感器和处理器获得。具体的，例如，可以使用视觉模块即图像采集装置，其包括光源、工业镜头、相机、图像采集卡、光栅等，来实现对待装箱物料的扫描。所述图像采集装置可以安装在夹爪上。图像处理系统运行在工控机上，可以对待装箱物料的图像信息进行搜索、分析，提取出该物料的实际数据构成其几何图形，并将检测到的特征发送至工控机，以使所述工控机生成用时最短的运动轨迹。当然，所述图像处理系统还可以提取出实际装箱过程中夹爪运动轨迹上每个节点的实际参数值。

在本实施例中，参阅图2，对于步骤S200，将工作空间中的夹爪及载有的所述目标对象转化为配置空间中的质点，将工作空间中的障碍物进行膨胀，得到配置空间中的障碍物，以使夹爪及载有的所述目标对象的运动转化为质点运动。

在本实施例中，对于步骤S200，所述第三数据集用于表征对应所述障碍物进行膨胀后的空间坐标集合，也就是所述第三数据集可以用于表征配置空间中的障碍物。所述质点数据为对应该质点在配置空间中的运动轨迹的一个一个相连续的空间坐标点集。

在本实施例中，对于步骤S200，所述第三数据集与所述质点数据具有互斥性。具体的，例如，在所述质点数据落入所述第三数据集中时，表征夹爪及载有的所述目标对象与障碍物相碰撞。在所述质点数据未落入所述第三数据集中时，表征夹爪及载有的所述目标对象与障碍物不发生碰撞。

在本实施例中，对于步骤S300，所述质点数据对应质点的起始点可以是已知，也可以是基于所述第三数据集计算得出。具体的，例如，该起始点可以为夹爪等待夹取所述目标对象的等待位置。在目标对象到达所述起始点的下方时，夹爪下降至夹取所述目标对象的位置点。该等待位置可以是预设也可以是计算得出的等待所述目标对象上料时的最低安全位置。在最低安全位置时可以减少夹爪抓取所述目标对象至对应箱体的行程，以节省时间。所述终止点位置为所述夹爪将载有的所述目标对象放入目标箱体时的终点位置，即该终止点为夹爪松开所述目标对象将所述目标对象放置到纸箱中时的放料位。

在本实施例中，对于步骤S300，可以基于图搜索方法确定所述质点数据对应点从起始点到终止点的最短路径。以该最短路径对应的数据集作为将所述目标对象装箱的所述轨迹路线集。

在本实施例中，对于步骤S300，可以基于图搜索算法确定所述轨迹路线集。具体的，例如，深度优先搜索(Depth First Search,DFS)、广度优先搜索(Breadth FirstSearch,BFS)、贪婪最佳优先算法(Greedy Best First Search,GBFS)、Dijkstra算法、A*算法、JPS算法等。

上述装箱方法可以针对不同目标对象找到最优的装箱路径，缩短目标对象装箱的时间，提高工作效率，满足自动化生产线的工作节拍。

在本实施例中，获取所述第一数据集的步骤中包括：

获取所述目标对象的图像数据；

在所述图像数据中提取实体数据集，以构成表征所述目标对象几何图形的第一数据集。

并且，可以通过图像采集装置来实现对待装箱的所述目标对象进行扫描，以获取所述目标对象的图像数据。所述图像采集装置可以包括光源、工业镜头、相机、图像采集卡、光栅等。所述图像数据也可以称为图像信息。

在所述图像数据中提取实体数据集，以构成表征所述目标对象几何图形的第一数据集。可以通过运行在工控机上的图像处理系统获取。具体的，例如，所述图像处理系统可以对待装箱的所述目标对象的图像信息进行搜索、分析，提取出该物料的实际数据构成其几何图形，以生成第一数据集。

在本实施例中，所述质点数据对应的点为所述夹爪的中心点。以夹爪的中心点作为所述质点数据对应的点可以方便规划路径，且无论所述目标对象如何变化，都具有通用性。

在本实施例中，所述障碍物进行膨胀后，基于对所述夹爪载有所述目标对象运动的判断来确定所述第三数据集，该运动具体包括：所述夹爪载有所述目标对象水平移动；所述夹爪载有所述目标对象上下移动；所述夹爪载有所述目标对象绕自身中心线转动。尽可能减小配置空间中的障碍物体积，以得到更加优化的轨迹路线集。

在本实施例中，所述基于所述轨迹路线集，控制所述夹爪将所述目标对象从所述起始点运送到所述终止点，具体包括：基于所述轨迹路线集，确定所述夹爪运动指令，并向PLC控制器发送所述运动指令，以用于所述PLC控制器控制驱动装置从而控制所述夹爪运动。所述驱动装置至少包括控制所述夹爪运动的驱动装置。所述PLC控制器可以与互联网进行相互通讯，对采集到的信号分析处理来完成智能化工作，所述PLC控制器作为进料输送与装箱控制系统的控制核心。

所述PLC控制器可以与工控机、伺服驱动器组、伺服电机组、多自由度夹爪、电磁阀组、变频器组、变频电机、HMI触摸屏及报警装置等信号连接。所述PLC控制器可以在接收到所述夹爪运动指令后，确定装箱控制系统的控制指令，该控制指令用于控制所述夹爪运动，以及所述目标对象的进料等。

请参阅图3，基于同一发明构想，在一个具体场景示例中，本场景示例提供一种装箱控制系统的结构示意图。

在本场景示例中，所述装箱控制系统的结构包括电源电路、传感器系统、视觉模块、图像处理系统、工控机及进料运输与装箱控制系统等。

所述电源电路包括控制电路、空气开关、漏电保护器件、滤波器、开关电源，用于为整个控制系统进行供电；

所述传感器系统包括丝杆位置感应器、气缸位置感应器、物料检测感应器、纸箱检测感应器、用于进料输送与装箱控制系统的逻辑控制；

所述视觉模块即图像采集装置，可以安装在多自由度夹爪上，包括光源、工业镜头、相机、图像采集卡、光栅等，用于对目标对象扫描以获取所述目标对象图像数据；

所述图像处理系统运行在工控机上，包括图像处理模块和运动规划模块；所述图像处理模块用于至少获取工作空间中所述目标对象的第一数据集以及表征障碍物的第二数据集，所述第一数据集用于表征所述目标对象的几何图形；所述运动规划模块用于基于所述第一数据集以及所述第二数据集，确定质点数据以及第三数据集；所述质点数据用于表征夹爪及该夹爪载有的所述目标对象；所述第三数据集用于表征对应所述障碍物进行膨胀后的空间坐标集合；所述第三数据集与所述质点数据具有互斥性；所述运动规划模块用于根据所述第三数据集，确定轨迹路线集；所述轨迹路线集用于表征所述质点数据对应点从起始点到终止点的最短路径；该终止点位置为所述夹爪将载有的所述目标对象放入目标箱体时的终点位置；

进一步地，所述进料输送与装箱控制系统包括PLC控制器、伺服驱动器组、伺服电机组、多自由度夹爪、电磁阀组、变频器组、变频电机、HMI触摸屏及报警装置，具体如下：

所述PLC控制器，可以与工控机相连，用于接收对应于所述轨迹路线集的运动指令，以用于所述PLC控制器控制驱动装置，从而控制所述夹爪运动，以使所述夹爪将所述目标对象从所述起始点运送到所述终止点，完成装箱；所述伺服驱动器组，接收来自PLC控制器的控制信号，实现对伺服电机组的控制，并通过编码器反馈伺服电机的当前状态；所述多自由度夹爪，包括伺服电机组、横移轴丝杆组件、垂直轴1丝杆组件、垂直轴2丝杆组件、气缸和夹爪，其中伺服电机组包括第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机；所述第一伺服电机用于控制横移轴丝杆组件的运动；所述伺服第二电机用于控制垂直轴1丝杆组件的运动；所述伺服第三电机用于控制垂直轴2丝杆组件的运动；所述电磁阀组，包括1#电磁阀、2#电磁阀、3#电磁阀、4#电磁阀；所述1#电磁阀采用三位五通阀，用于控制1#气缸的行程，进而控制1#夹爪、2#夹爪的开度；所述2#电磁阀采用三位五通阀，用于控制2#气缸的行程，进而控制3#夹爪、4#夹爪的开度；所述3#电磁阀采用二位五通阀，用于控制1#夹爪、2#夹爪的旋转动作；所述4#电磁阀采用二位五通阀，用于控制3#夹爪、4#夹爪的旋转动作；所述变频器组，用于驱动变频电机，进而控制进料、进箱传送带，并配合物料感应器对物料、纸箱的定点控制；所述HMI触摸屏为操作人员提供了方便的在线监控，包含登录界面、参数设置界面、手动界面、点动界面、自动界面及报警记录界面，通过触摸屏与PLC控制器进行通讯，由HMI发送操作指令，实现对该系统的运动控制；所述报警装置，包括警示灯、蜂鸣器；所述警示灯具有红、绿、黄三种颜色，通过控制不同颜色的警示灯及蜂鸣器对不同类型的故障进行报警。

请参阅图4。基于同一发明构想，在一个具体场景示例中，本场景示例提供一种装箱控制系统的程序架构图，所述装箱方法可以应用于该装箱控制系统的装箱运动规划专家系统中。所述装箱控制系统可以包括进料输送和装箱控制的程序，包含参数初始化程序、自检测程序、复位程序、模式选择程序、多轴伺服电机协同控制程序、故障报警与处理程序、进料输送程序、装箱运动规划算法，具体如下：

所述参数初始化程序，负责系统的启动、各个伺服电机速度和位置的初始化，并对工作模式、电机保护和急停故障进行复位操作；

所述自检测程序，用于进行开机自动检测，检测各个控制器的所有控制对象是否在原位，若存在控制对象不在原位的问题，则自动调用复位程序对所有控制对象进行复位，若复位程序执行后仍有控制对象未回到原位则系统报警；

所述复位程序，用于进行各个控制器所有控制对象有序地复位；

所述模式选择程序，包括自动控制程序、点动控制程序和手动控制程序；控制程序系统调试时，先调用点动控制程序对各个控制对象进行试运行与传感器定位，若所有控制对象都能正常运转，则调用复位程序将各个控制对象复位到原位；使用手动控制程序检验自动控制程序是否正确，是将自动控制程序分解，然后单步执行，若能达到预期效果则说明自动控制程序正确，复位后即可切换到自动程序运行模式；

所述多轴伺服电机协同控制程序，负责垂直轴1、2，横移轴的伺服电机位置控制，包含夹爪的等待位、抓取位、横移位、旋转位、放料位，来实现三个电机的协同控制；输入丝杆导程、丝杆需要运动的距离、伺服电机每转所需脉冲数、脉冲频率，计算出伺服电机的运动脉冲量和运动速度，实现电机正、反转，加、减速，启动，停止；根据物料的种类对定位过程中的位移量、位移时间量进行协同调整，以实现多轴平稳协同控制；

所述故障报警与处理程序，用于检测并处理控制系统所产生的故障，包含电机、夹爪及驱动器等故障，并根据检测到的不同故障类型进行不同处理，再通过HMI显示并同时启动报警装置进行分级报警；

所述进料输送程序，用于对物料、纸箱的定点输送，通过改变变频器的频率对进料、进箱传送带进行不同的速度控制；

所述装箱运动规划算法即装箱运动规划专家系统中的程序，用于优化物料的装箱路径。

具体的，获取实际装箱轨迹每个节点的参数值；将每个节点的参数值与所述节点数据比对，以确定偏差值；基于所述偏差值修正所述PLC控制器的控制指令。

还包括反馈机制，具体的，可以通过传感器获取实际装箱轨迹每个节点的参数值。所述参数值可以包括所述节点的空间位置坐标，以及时间属性值。所述时间属性值可以为所述夹爪到达该位置时的时间值或所述夹爪处于该位置时的时长值。具体的，例如，对比实际伺服装箱轨迹上每个点的参数值与所述轨迹路线集上每个点的参数值，得到参数值的偏差；对比实际伺服装箱时间与所述轨迹路线集对应的目标装箱时间，得到装箱时间的偏差，从而检验实际伺服控制系统的整体性能。

此外，基于所述偏差值修正所述PLC控制器的控制指令。具体的，可以采用新型定位复合及前馈控制补偿算法，提高稳定性、定位精度，减少冲击性，实现无差跟踪控制：利用算法基于实际的轨迹值，通过正、余弦波加速度运动路径规划以提高稳定性、减少冲击性；同时基于前馈控制补偿的给定修正，实现运动轨迹近似于无差的跟踪控制，确保系统的整体性能；通过安装在伺服电机端的编码器将轨迹修正值反馈给控制系统，完成对伺服电机的位置、电流、速度回路的实时闭环控制，确保在夹爪的笛卡尔空间上，以正确的高度、走向插入每个轨迹点，从而修正夹爪的运动轨迹，并对PLC控制器进行编程、设定，从而调整、更新参数，使夹爪按照修正后的轨迹运动，实现对实际夹爪运动轨迹的修正。

请参阅图5。基于同一发明构想，在一个具体的场景示例中，提供一种装箱运动规划算法，用于优化物料的装箱路径。

具体而言，先通过视觉系统采集物料图像并传输给工控机，再进行图像处理；结合装箱运动规划专家系统，生成运动轨迹；接着，专家系统对夹爪运动轨迹上的每个点提供参数信息，根据上述参数对PLC控制器进行编程、设定；再将装箱过程中夹爪运动轨迹上每个节点的实际参数值反馈给控制系统，对实际夹爪运动再进行参数分析、偏差计算、偏差值转换、偏差值修正，重复数次，直至找到最优的伺服装箱运动轨迹，并按照偏差值修正的结果，调整PLC控制器，从而实现对物料的定点存放，完成装箱工作。

具体实施时，将目标对象装箱包括以下步骤：(1)装箱运动规划专家系统知识库的建立；(2)装箱运动规划专家系统推理机的建立；(3)装箱运动规划专家系统的形成；(4)物料图像数据输入；(5)物料图像数据处理；(6)通过装箱运动规划专家系统生成用时最短的装箱运动轨迹；(7)专家系统对夹爪运动轨迹上的每个点提供具体的参数信息，根据上述参数对PLC控制器进行编程、设定；(8)复位完成后，选择自动模式，当进料传感器感应到信号，三轴伺服电机控制夹爪开始进行装箱动作，视觉系统跟随、采集装箱过程中的实际运动轨迹图像；(9)通过图像处理系统，对实际夹爪运动轨迹上每个节点的实际参数值进行参数分析、偏差计算、偏差值转换、偏差值修正；(10)重复上述步骤，找到最优的伺服装箱运动轨迹，并按照偏差值修正的结果，将该PLC控制器按照最优轨迹依次完成夹爪抓取、横移、旋转、入箱动作，直至全部物料装箱完成。

在一个基于三轴联动伺服装箱系统的场景示例中，包括以下步骤：

步骤1：装箱运动规划专家系统知识库的建立：结合领域专家长期物料装箱项目经验，利用图搜索理论进行运动规划，从而找到伺服装箱用时最短的运动轨迹，其中运动规划主要包含前端的路径搜索、路径发现，后端的轨迹优化、轨迹生成，路径搜索算法用于前端找到一段动力学可行的伺服装箱路径，轨迹优化算法用于后端对前端生成的路径作进一步的优化。

在对伺服装箱系统进行前端的路径搜索时：

1)需要在配置空间中对障碍物进行处理：由于物料具有不同的形状、高度，故需要在路径规划中进行碰撞检测；若将载有物料的夹爪视作质点，则需要将工作空间的障碍物变为配置空间的障碍物，对障碍物按照载有物料的夹爪半径进行膨胀处理，当质点落在膨胀过后的障碍物外边时，就不会和原始的障碍物发生任何碰撞，故可以在膨胀过后的环境中进行路径搜索和轨迹生成。

2)构建伺服装箱过程的栅格地图，可以找到从起始节点到目标节点的可行路径，产生一颗搜索树，尽可能快地找到不失最优性的一种路径搜索算法。

3)采用JPS算法系统化的打破伺服装箱路径的平衡性，根据当前载有物料夹爪所处的节点来扩展，依据水平、垂直、对角线方向拓展的规则，找到跳跃中的关键节点(即夹爪等待位、横移位、旋转位、放料位)后停下，再根据上述规则，直至找到目标节点，并将对应的最短路径记录下来，从而完成对伺服装箱系统前端的路径搜索。

但是，由于在本次伺服装箱运动规划过程中，障碍物的数量较少、位置固定，故可不对后端进行轨迹优化工作；若希望路径更加安全、平滑，那么在对伺服装箱系统进行后端的轨迹优化、轨迹生成时：

1)后端采用基于B-Spline软约束的轨迹优化方法，自动将控制点连线，形成一条全局连续的轨迹，利用凸包性质，把推力施加在轨迹的控制点上，将整个控制点对应的凸包推离障碍物，使得计算的速度变快，提升了后端优化的收敛性；

2)通过二次函数来实现更好的收敛效果、更快的计算速度，并在线去提升代价所占的权重，从而重新进行优化，大大提高了轨迹优化成功率、收敛性。

步骤2：装箱运动规划专家系统推理机的建立：推理机用于设计对知识进行解释的程序，根据知识的语义，对按一定策略找到的知识进行解释执行，把结果记录到动态库的适当空间中，故将不同物料的形状、高度、起始位置、目标位置等作为输入变量，输出对应装箱过程中垂直轴1、2及水平轴伺服电机的起动速度、运行速度、加速度、减速度、高速速度，各个跳跃点的坐标等参数信息。

步骤3：装箱运动规划专家系统的形成：通过半自动的知识获取方式建立、修改、扩充知识库，归纳出更完善的结果；建立人机界面方便系统与用户进行交流；建立综合数据库用于存放系统运行过程中所产生的信息，以及所需要的原始数据，包括输入变量的信息、推理的中间结果、推理过程的记录等。最终，将该装箱运动规划专家系统集成在工控机上。

步骤4：物料图像数据输入：采集固定、移动状态下不同形状、高度物料的图像数据，通过视觉系统传输给图像处理系统；

步骤5：物料图像数据处理：图像处理系统在接收到来自视觉系统的数据后，模拟人类视觉和推理，先删除冗余信息，然后提取出待装箱物料的实体数据构成物料的几何图形，并将检测到几何图形的特征发送至工控机上的装箱运动规划专家系统；

步骤6：轨迹生成：通过装箱运动规划专家系统生成用时最短的装箱运动轨迹，从而满足自动化生产线的工作节拍；

步骤7：参数设定：伺服装箱运动轨迹生成后，专家系统再对夹爪运动轨迹上每个点提供如下参数，包含垂直轴1、2及水平轴伺服电机的起动速度、运行速度、加速度、减速度、高速速度，夹爪等待位的坐标，夹爪横移位的坐标，夹爪旋转位的坐标，夹爪装箱放料位的坐标等信息，结合上述参数对PLC控制器进行编程、设定；

步骤8：在前期准备工作完成后，整个控制系统上电，PLC控制器进行参数初始化，并执行自检程序。若存在执行机构不在原位，则自动执行复位程序进行复位；若复位后仍存在执行机构不在原位，则切换到点动模式进行回原位；

步骤9：复位完成后，选择自动模式。进料传感器有信号，三轴伺服电机控制夹爪进行装箱动作，视觉系统跟随、采集装箱过程中的实际运动轨迹图像；

步骤10：参数分析：结合视觉系统采集到的图像，由图像处理系统提取实际装箱过程中夹爪运动轨迹上每个节点的实际参数值，再对实际参数数据进一步离散化，得到伺服电机控制夹爪的位置回路指令。在固定的采样周期内通过相应的控制算法，得到伺服电机速度、电流指令；

步骤11：偏差值计算：对比实际伺服装箱轨迹上每个节点的参数值与目标轨迹上每个节点的参数值，得到参数值的偏差；对比实际伺服装箱时间与目标装箱时间，得到装箱时间的偏差，从而检验实际伺服控制系统的整体性能；

步骤12：偏差值转换：根据上述偏差，计算出夹爪运动轨迹修正值；

步骤13：采用新型定位复合及前馈控制补偿算法，提高稳定性、定位精度，减少冲击性，实现无差跟踪控制：利用算法基于实际的轨迹值，通过正、余弦波加速度运动路径规划以提高稳定性、减少冲击性；同时基于前馈控制补偿的给定修正，实现运动轨迹近似于无差的跟踪控制，确保系统的整体性能；

步骤14：偏差值修正：在步骤11-13完成后，通过安装在伺服电机端的编码器将轨迹修正值反馈给控制系统，完成对伺服电机的位置、电流、速度回路的实时闭环控制，确保在夹爪的笛卡尔空间上，以正确的高度、走向插入每个轨迹点，从而修正夹爪的运动轨迹，并对PLC控制器进行编程、设定，从而调整、更新参数，使夹爪按照修正后的轨迹运动，实现对系统轨迹的修正；

步骤15：重复进行步骤4至14，找到最优(用时最短)的伺服装箱运动轨迹，并按照偏差值修正的结果，将该PLC控制器按照最优的轨迹依次完成夹爪抓取、横移、旋转、入箱，直至全部物料装箱完成；

步骤16：当系统启动的同时报警检测启动，若产生报警信号，则进料输送与装箱控制系统自动停机；在自动控制模式下，可进行复位或停止操作。

在一个实际应用场景中，采用三轴联动的伺服控制方式，以一个周期内的钢瓶自动装箱过程为例，其中钢瓶的直径为24cm，高度为41cm；纸箱的长度为25cm，宽度为24.5cm，高度为42cm；垂直轴1上的伺服电机运转速度为40mm/s，垂直轴2上的伺服电机运转速度为40mm/s，横移轴上的伺服电机运转速度为85mm/s。

若按照传统的钢瓶装箱路径：

1)1#夹爪、2#夹爪、3#夹爪、4#夹爪先在钢瓶上方的等待位处等待，直到传感器系统检测到四个钢瓶的到位信号，垂直轴1、2上的伺服电机开始反转；

2)控制夹爪垂直向下运动到抓取位后，夹爪夹紧钢瓶；接着，垂直轴1、2上的伺服电机开始正转，控制夹爪垂直向上运动到旋转位；

3)此时，垂直轴1、2上的伺服电机停止运转，横移轴上的伺服电机开始正转，控制夹爪向纸箱侧运动直至纸箱正上方；

4)此时，横移轴上的伺服电机停止运转，垂直轴1、2上的伺服电机开始反转，控制夹爪向下运动并深入纸箱中，直至夹爪运动到入箱位，垂直轴1、2上的伺服电机停止运转，夹爪松开；

5)垂直轴1、2上的伺服电机正转，控制夹爪向上运动到纸箱上方与钢瓶等待位处于同一水平高度的位置，此时垂直轴1、2上的伺服电机停止运转；横移轴上的伺服电机开始反转，控制夹爪运动到钢瓶正上方的等待位，装箱系统停止运行；

6)此时，一个钢瓶自动装箱的工作周期完成。

按照传统的钢瓶装箱路径，重复上述动作数次,并记录一个工作周期内钢瓶自动装箱的时间。计算出在传统的钢瓶装箱路径下，完成一个工作周期所需的平均时间约为20.3s。

为了缩短钢瓶装箱的时间，采用上述伺服装箱运动规划控制方法，根据路径搜索算法，结合水平、垂直、对角线方向拓展的规则找到跳跃中的关键节点(即夹爪等待位、横移位、旋转位、放料位)，得到优化后的钢瓶装箱路径，并结合专家系统所提供各个节点的参数值，对PLC控制器进行编程、设定，从而调整、更新参数。保持垂直轴1、2及横移轴上的伺服电机运转速度不变，按照优化后的钢瓶装箱路径完成装箱动作：

当1#、2#、3#、4#夹爪夹紧钢瓶从等待位垂直向上运动到横移位后，垂直轴1、垂直轴2和横移轴上的伺服电机同时正转，控制夹爪以与水平面约呈25°的夹角倾斜向上运动；当夹爪运动到与旋转位处于同一高度时，垂直轴1、2上的伺服电机停止运转，此时夹爪带动钢瓶旋转并继续向纸箱侧运动，直至钢瓶运动到纸箱正上方，最终到达放料位，从而完成整个钢瓶装箱动作。

按照优化后的钢瓶装箱路径，重复上述动作数次,并记录一个工作周期内钢瓶自动装箱的时间。计算出在优化后的钢瓶装箱路径下，完成一个工作周期所需的平均时间约为13.9s，实验数据如下表1所示：

表1

实验序号	1	2	3	4	5	6	7	8
									时间(s)	14.09	12.21	13.97	13.91	14.14	14.09	14.71	14.40

根据上述实验可以得出，钢瓶装箱路径经过优化后，缩短了装箱时间，系统可以在1分钟内完成16个钢瓶入箱的工作任务，能够满足自动化生产线的节拍。

由上可见：采用运动规划控制方法，针对不同物料可以找到最优的装箱路径，缩短物料装箱的时间，提高了工作效率，满足自动化生产线的工作节拍；可以实现对不同形状、高度物料的装箱，适应面广，降低了用户的操作难度；基于三轴联动的伺服控制，并采用算法提高了进料输送和装箱控制系统的定位精度，可以确保系统的整体性能；节省了人力，降低了成本。

基于同一发明构想，参阅图6，本发明还提供一种电子设备，包括：数据接收设备、处理器；

所述数据接收设备用于至少获取工作空间中目标对象的第一数据集以及表征障碍物的第二数据集，所述第一数据集用于表征所述目标对象的几何图形；

所述处理器用于基于所述第一数据集以及所述第二数据集，确定质点数据以及第三数据集；所述质点数据用于表征夹爪及该夹爪载有的所述目标对象；所述第三数据集用于表征对应所述障碍物进行膨胀后的空间坐标集合；所述第三数据集与所述质点数据具有互斥性；根据所述第三数据集，确定轨迹路线集；所述轨迹路线集用于表征所述质点数据对应点从起始点到终止点的最短路径；该终止点位置为所述夹爪将载有的所述目标对象放入目标箱体时的终点位置。

在本实施例中，所述数据接收设备可以是图像采集装置，包括光源、工业镜头、相机、图像采集卡、光栅等，来实现对待装箱物料的扫描。所述图像采集装置可以安装在多自由度夹爪上。所述数据接收设备还可以是包括键盘、鼠标、摄像头、扫描仪、光笔、手写输入板、语音输入装置等；所述数据接收设备用于把数据输入到计算机或工控机中。

所述处理器可以按任何适当的方式实现。例如，处理器可以采取例如微处理器或处理器以及存储可由该(微)处理器执行的计算机可读程序代码(例如软件或固件)的计算机可读介质、逻辑门、开关、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器的形式等。

本说明书实施方式还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述任一项所述的方法：至少获取工作空间中目标对象的第一数据集以及表征障碍物的第二数据集，所述第一数据集用于表征所述目标对象的几何图形；基于所述第一数据集以及所述第二数据集，确定质点数据以及第三数据集；所述质点数据用于表征夹爪及该夹爪载有的所述目标对象；所述第三数据集用于表征对应所述障碍物进行膨胀后的空间坐标集合；所述第三数据集与所述质点数据具有互斥性；根据所述第三数据集，确定轨迹路线集；所述轨迹路线集用于表征所述质点数据对应点从起始点到终止点的最短路径；该终止点位置为所述夹爪将载有的所述目标对象放入目标箱体时的终点位置。

在本实施例中，所述计算机存储介质包括但不限于随机存取存储器(RandomAccess Memory,RAM)、只读存储器(Read-Only Memory,ROM)、缓存(Cache)、硬盘(HardDisk Drive,HDD)或者存储卡(Memory Card)。所述存储器可以用于存储计算机程序指令。网络通信单元可以是依照通信协议规定的标准设置的，作为网络连接通信的接口。

此外，需要说明的是，本说明书各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。

在20世纪90年代，对于一个技术的改进可以很明显地区分是硬件上的改进(例如，对二极管、晶体管、开关等电路结构的改进)还是软件上的改进(对于方法流程的改进)。然而，随着技术的发展，当今的很多方法流程的改进已经可以视为硬件电路结构的直接改进。设计人员几乎都通过将改进的方法流程编程到硬件电路中来得到相应的硬件电路结构。因此，不能说一个方法流程的改进就不能用硬件实体模块来实现。例如，可编程逻辑器件(Programmable Logic Device,PLD)(例如现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray，FPGA))就是这样一种集成电路，其逻辑功能由用户对器件编程来确定。由设计人员自行编程来把一个数字系统“集成”在一片PLD上，而不需要请芯片制造厂商来设计和制作专用的集成电路芯片2。而且，如今，取代手工地制作集成电路芯片，这种编程也多半改用“逻辑编译器(logic compiler)”软件来实现，它与程序开发撰写时所用的软件编译器相类似，而要编译之前的原始代码也得用特定的编程语言来撰写，此称之为硬件描述语言(Hardware Description Language，HDL)，而HDL也并非仅有一种，而是有许多种，如ABEL(Advanced Boolean Expression Language)、AHDL(Altera Hardware DescriptionLanguage)、Confluence、CUPL(Cornell University Programming Language)、HD Cal、JHDL(Java Hardware Description Language)、Lava、Lola、My HDL、PALASM、RHDL(RubyHardware Description Language)等，目前最普遍使用的是VHDL(Very-High-SpeedIntegrated Circuit Hardware Description Language)与Verilog2。本领域技术人员也应该清楚，只需要将方法流程用上述几种硬件描述语言稍作逻辑编程并编程到集成电路中，就可以很容易得到实现该逻辑方法流程的硬件电路。

本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其中包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

通过以上描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本说明书可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本说明书的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本说明书各个实施方式或者实施方式的某些部分所述的方法。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种装箱方法，用于通过夹爪将目标对象装箱，其特征在于，包括：

至少获取工作空间中所述目标对象的第一数据集以及表征障碍物的第二数据集，所述第一数据集用于表征所述目标对象的几何图形；

基于所述第一数据集以及所述第二数据集，确定质点数据以及第三数据集；所述质点数据用于表征夹爪及该夹爪载有的所述目标对象；所述第三数据集用于表征对应所述障碍物进行膨胀后的空间坐标集合；所述第三数据集与所述质点数据具有互斥性；

根据所述第三数据集，确定轨迹路线集；所述轨迹路线集用于表征所述质点数据对应点从起始点到终止点的最短路径；该终止点位置为所述夹爪将载有的所述目标对象放入目标箱体时的终点位置；

基于所述轨迹路线集，控制所述夹爪将所述目标对象从所述起始点运送到所述终止点，完成装箱。

2.根据权利要求1所述的装箱方法，其特征在于，所述获取工作空间中所述目标对象的第一数据集具体包括：

获取所述目标对象的图像数据；

在所述图像数据中提取实体数据集，以构成表征所述目标对象几何图形的第一数据集。

3.根据权利要求1所述的装箱方法，其特征在于，所述质点数据对应的点为所述夹爪的中心点。

4.根据权利要求1所述的装箱方法，其特征在于，所述障碍物进行膨胀后，基于对所述夹爪载有所述目标对象运动的判断来确定所述第三数据集，该运动具体包括：

所述夹爪载有所述目标对象水平移动；

所述夹爪载有所述目标对象上下移动；

所述夹爪载有所述目标对象绕自身中心线转动。

5.根据权利要求1所述的装箱方法，其特征在于，所述轨迹路线集至少包括节点数据；所述节点数据至少包括表征所述夹爪运动状态发生改变的位置数据；所述夹爪运动状态发生改变的情况为所述夹爪静止、水平运动、垂直运动、自转、夹取所述目标对象或松开所述目标对象中任意一种状态发生改变的情况。

6.根据权利要求5所述的装箱方法，其特征在于，所述基于所述轨迹路线集，控制所述夹爪将所述目标对象从所述起始点运送到所述终止点，具体包括：

基于所述轨迹路线集，确定所述夹爪的运动指令，并向PLC控制器发送所述运动指令，以用于所述PLC控制器控制驱动装置从而控制所述夹爪运动；

获取实际装箱轨迹每个节点的参数值；将每个节点的参数值与所述节点数据比对，以确定偏差值；

基于所述偏差值修正所述运动指令。

7.一种装箱控制系统，其特征在于，包括：

参数初始化模块，用于系统的启动、各个伺服电机速度和位置的初始化，并对工作模式、电机保护和急停故障进行复位操作；

自检测模块，用于进行开机检测各个控制器的所有控制对象是否处于原位；

复位模块，用于进行各个控制器所有控制对象有序地复位；

模式选择模块，用于提供以下模式供选择：自动控制程序、点动控制程序和手动控制程序；

多轴伺服电机协同控制模块，用于协同控制装箱过程中的多个伺服电机；

故障报警与处理模块，用于检测、处理装箱过程中产生的故障；

进料输送模块，用于对目标对象上料以及对应纸箱的定点输送；

装箱运动规划模块，所述装箱运动规划模块用于至少获取工作空间中所述目标对象的第一数据集以及表征障碍物的第二数据集，所述第一数据集用于表征所述目标对象的几何图形；基于所述第一数据集以及所述第二数据集，确定质点数据以及第三数据集；所述质点数据用于表征夹爪及该夹爪载有的所述目标对象；所述第三数据集用于表征对应所述障碍物进行膨胀后的空间坐标集合；所述第三数据集与所述质点数据具有互斥性；根据所述第三数据集，确定轨迹路线集；所述轨迹路线集用于表征所述质点数据对应点从起始点到终止点的最短路径；该终止点位置为所述夹爪将载有的所述目标对象放入对应纸箱时的终点位置；

所述装箱运动规划模块还包括夹爪，基于所述轨迹路线集，通过装箱运动规划算法，控制所述夹爪将所述目标对象从所述起始点运送到所述终止点，从而装到对应纸箱中。

8.根据权利要求7所述的装箱控制系统，其特征在于，所述装箱运动规划模块包括：

视觉模块，所述视觉模块用于对目标对象扫描以获取所述目标对象图像数据；

工控机，所述工控机包括图像处理模块和运动规划模块；

所述图像处理模块用于至少获取工作空间中所述目标对象的第一数据集以及表征障碍物的第二数据集，所述第一数据集用于表征所述目标对象的几何图形；

所述运动规划模块用于基于所述第一数据集以及所述第二数据集，确定质点数据以及第三数据集；所述质点数据用于表征夹爪及该夹爪载有的所述目标对象；所述第三数据集用于表征对应所述障碍物进行膨胀后的空间坐标集合；所述第三数据集与所述质点数据具有互斥性；根据所述第三数据集，确定轨迹路线集；所述轨迹路线集用于表征所述质点数据对应点从起始点到终止点的最短路径；该终止点位置为所述夹爪将载有的所述目标对象放入目标箱体时的终点位置；

PLC控制器，所述PLC控制器用于接收对应于所述轨迹路线集的运动指令，以用于所述PLC控制器控制驱动装置从而控制所述夹爪运动，以使所述夹爪将所述目标对象从所述起始点运送到所述终止点，完成装箱。

9.一种电子设备，其特征在于，包括数据接收设备、处理器；

所述数据接收设备用于至少获取工作空间中目标对象的第一数据集以及表征障碍物的第二数据集；

所述处理器用于基于所述第一数据集以及所述第二数据集，确定质点数据以及第三数据集；根据所述第三数据集，确定轨迹路线集；所述轨迹路线集用于表征所述质点数据对应点从起始点到终止点的最短路径。

10.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1至6中任一项所述的方法。

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