CN114602828A - 基于机器视觉的拣书机器人 - Google Patents

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罗璠
谭汶易
薛超
刘欣涛
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Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的拣书机器人，包括：底盘，设置有多个滚轮；升降结构，设置于底盘；驱动电机，与滚轮和升降结构机械连接，驱动电机用于驱动滚轮滚动和驱动升降结构进行升降；定位模块，定位模块用于获取拣书机器人的当前位置；机器视觉处理模块，用于识别图书信息；机械臂，设置于升降结构，机械臂与机器视觉处理模块通信连接，机械臂用于根据机器视觉处理模块识别的图书信息拾取图书；处理器，用于根据图书拾取指令和定位模块驱动拣书机器人到图书位置，并通过机器视觉处理模块识别图书信息，驱动升降结构升降，并通过机械臂拾取图书。在环境相对恶劣的仓库也能很好地进行图书分拣工作。

Description

基于机器视觉的拣书机器人
技术领域
本发明涉及图书分拣技术领域，尤其是涉及一种基于机器视觉的拣书机器人。
背景技术
在机器视觉方面，相关技术中采取边缘特征提取，完成物体规则与不规则地分类，可以有效地对物体的外观瑕疵检测，但是当物体外观未发生缺损而发生裂缝等微小瑕疵时无法检测。也有人提出了一种支持向量机和神经网络混合的方法，并设计出了一种零件分拣系统，在传送带上可以实现对硬币、齿轮和引脚管进行自动识别并分拣，但是对于图书外观极度相似但内容不同无法做到分拣。相关技术中有设计出一种可以识别物体、形状及位置的可视化机器视觉系统，该系统可以有效辨别不同的物体，但是当物体重叠堆积摆放时不能够对物体实现有效的识别。在图书分拣方面，机器人大多用于采光效果较好、摆放较为规整的图书馆，而对于环境相对恶劣的仓库，目前图书分拣机器人仍处于空缺的状态，市面上的机器人不能够有效地解决光照亮度差异以及摆放位置偏移对于机器人的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种基于机器视觉的拣书机器人，解决现有技术中对于环境相对恶劣的仓库图书分拣十分困难的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种基于机器视觉的拣书机器人，包括：
底盘，设置有多个滚轮；
升降结构，设置于所述底盘；
驱动电机，与所述滚轮和所述升降结构机械连接，所述驱动电机用于驱动所述滚轮滚动和驱动所述升降结构进行升降；
定位模块，所述定位模块用于获取所述拣书机器人的当前位置；
机器视觉处理模块，用于识别图书信息；
机械臂，设置于所述升降结构，所述机械臂与所述机器视觉处理模块通信连接，所述机械臂用于根据所述机器视觉处理模块识别的图书信息拾取图书；
处理器，与所述升降结构、所述驱动电机、所述定位模块、所述机器视觉处理模块和所述机械臂通信连接，所述处理器用于根据图书拾取指令和所述定位模块驱动所述拣书机器人到图书位置，并通过机器视觉处理模块识别所述图书信息，驱动所述升降结构升降，并通过所述机械臂拾取图书。
与现有技术相比，本发明提供的基于机器视觉的拣书机器人的有益效果包括：
基于机器视觉的拣书机器人包括：底盘、升降结构、驱动电机、定位模块、机器视觉处理模块、机械臂和处理器，底盘上设置的多个滚轮克服了机器人在货架摆放较为狭窄情况下的转向问题，通过定位模块实现自动定位，通过机器视觉处理模块智能识别图书信息，采用机器视觉系列工业摄像头实现对图书边缘和拣书机构距离书本实时距离的测量，克服了因图书摆放不规整而造成的影响。再配合升降结构和机械臂，能够很好地拾取多数量、多种类的图书，可以成功到达图书的上沿完成对其抓取，从而克服了因上层书本距离货架顶层过近而无法取书的问题，在环境相对恶劣的仓库也能很好地进行图书分拣工作。
在目前的图书电商平台中普遍仍采用较为传统的人工分拣方式，随着人工成本日益增长，人工分拣方式的适应时间较长、分拣效率较低，且价格逐步攀升，无疑已经成为各大图书电商平台急于解决的问题之一。在图书电商中物流第一的京东也因图书数量巨大、摆放位置参差不齐、图书种类繁多等众多实际问题而仍采用人工分拣方式。本发明采用数据库存储方式，将众多图书信息有效整理，当接收到新的订单信息时将提取图书存储信息，通过室内定位技术，机器人可以迅速到达指定位置。针对摆放位置参差不齐与种类繁多的问题，本发明通过机器视觉对图书距离进行实时定位，并采取机械臂吸盘装置完成对不同图书的无差别吸取，从而有效规避图书外观及颜色对图书分拣所造成的影响。在本发明的实现过程中采用移动机器人、机器视觉系统、机械臂组合的方式解决图书电商的订单拣选自动化问题。
根据本发明的一些实施例，所述滚轮为麦克纳姆轮，所述麦克纳姆轮用于实现所述拣书机器人的全方位转向。
根据本发明的一些实施例，所述定位模块为UWB定位系统，包括：
UWB标签，设置于所述拣书机器人；
主基站，与所述UWB标签通信连接；
3个协助基站，与所述UWB标签和所述主基站通信连接，所述主基站与所述3个协助基站安装于室内预设位置，所述主基站通过获取所述3个协助基站分别到所述UWB标签的距离，并通过所述3个协助基站分别到所述UWB标签的距离计算得到所述拣书机器人的当前位置。
根据本发明的一些实施例，所述升降结构包括：
丝杆；
升降托盘，与所述丝杆连接，所述升降托盘安装有所述机械臂；
导轨，设置于所述丝杆两侧。
根据本发明的一些实施例，所述拣书机器人还包括姿态传感器，通过所述姿态传感器采集的数据获取所述拣书机器人的行进方向。
根据本发明的一些实施例，所述驱动电机为伺服电机，所述拣书机器人还包括可编程控制器，所述可编程控制器配合所述伺服电机驱动所述升降结构以实现取书高度的精准定位。
根据本发明的一些实施例，所述机械臂为三轴机械臂，所述三轴机械臂包括：
转动单元，与所述升降结构连接；
第一伺服电机，与所述转动单元电性连接，所述第一伺服电机用于驱动所述转动轴转动；
第一臂体，与所述转动单元连接；
第二伺服电机，与所述第一臂体连接，所述第二伺服电机用于驱动所述第一臂体活动；
第二臂体，与所述第一臂体连接；
第三伺服电机，与所述第二臂体连接，所述第三伺服电机用于驱动所述第二臂体活动。
根据本发明的一些实施例，所述三轴机械臂还包括：真空电磁阀吸盘，与所述第二臂体连接，所述真空电磁阀吸盘用于吸取图书。
根据本发明的一些实施例，机器视觉处理模块包括：
工业相机，用于对需要识别的图书进行拍摄以获取图像数据；
图像处理器，与所述工业相机电性连接，所述图像处理器用于处理所述图像数据以识别图书的种类、名称和位置信息。
根据本发明的一些实施例，所述拣书机器人还包括书筐，与所述底盘连接，所述书筐用于盛放所述拣书机器人拾取的图书。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中摘要附图要与说明书附图的其中一幅完全一致：
图1为本发明一个实施例提供的基于机器视觉的拣书机器人的结构图；
图2为本发明另一个实施例提供的基于机器视觉的拣书机器人的结构图；
图3为本发明另一个实施例提供的基于机器视觉的拣书机器人的结构图；
图4为本发明另一个实施例提供的基于机器视觉的拣书机器人的UWB定位系统结构图；
图5为本发明另一个实施例提供的基于机器视觉的拣书机器人的机械臂抽象到坐标系的几何表示图；
图6为本发明一个实施例提供的基于机器视觉的拣书机器人的升降结构的结构图。
附图标记说明：基于机器视觉的拣书机器人10、底盘100、麦克纳姆轮101、升降结构110、丝杆111、升降托盘112、导轨113、驱动电机120、机器视觉处理模块130、机械臂140、真空电磁阀吸盘141、书筐150、协助基站310、主基站320、UWB标签330。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，虽然在系统示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于系统中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
本发明提供了一种基于机器视觉的拣书机器人，底盘上设置的多个滚轮克服了机器人在货架摆放较为狭窄情况下的转向问题，通过定位模块实现自动定位，通过机器视觉处理模块智能识别图书信息，采用机器视觉系列工业摄像头实现对图书边缘和拣书机构距离书本实时距离的测量，克服了因图书摆放不规整而造成的影响。再配合升降结构和机械臂，能够很好地拾取多数量、多种类的图书，可以成功到达图书的上沿完成对其抓取，从而克服了因上层书本距离货架顶层过近而无法取书的问题，在环境相对恶劣的仓库也能很好地进行图书分拣工作。
下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。
参考图1至图3，图1为本发明一个实施例提供的基于机器视觉的拣书机器人的结构图；图2为本发明另一个实施例提供的基于机器视觉的拣书机器人的结构图；图3为本发明另一个实施例提供的基于机器视觉的拣书机器人的结构图。
在一实施例中，基于机器视觉的拣书机器人10包括：底盘100，设置有多个滚轮；升降结构110，设置于底盘100；驱动电机120，与滚轮和升降结构110机械连接，驱动电机120用于驱动滚轮滚动和驱动升降结构110进行升降；定位模块，定位模块用于获取拣书机器人的当前位置；机器视觉处理模块130，用于识别图书信息；机械臂140，设置于升降结构110，机械臂140与机器视觉处理模块130通信连接，机械臂140用于根据机器视觉处理模块130识别的图书信息拾取图书；处理器，与升降结构110、驱动电机120、定位模块、机器视觉处理模块130和机械臂140通信连接，处理器用于根据图书拾取指令和定位模块驱动拣书机器人到图书位置，并通过机器视觉处理模块130识别图书信息，驱动升降结构110升降，并通过机械臂140拾取图书。
基于机器视觉的拣书机器人10包括：底盘100、升降结构110、驱动电机120、定位模块、机器视觉处理模块130、机械臂140和处理器，底盘100上设置的多个滚轮克服了机器人在货架摆放较为狭窄情况下的转向问题，通过定位模块实现自动定位，通过机器视觉处理模块130智能识别图书信息，采用机器视觉系列工业摄像头实现对图书边缘和拣书机构距离书本实时距离的测量，克服了因图书摆放不规整而造成的影响。再配合升降结构110和机械臂140，能够很好地拾取多数量、多种类的图书，可以成功到达图书的上沿完成对其抓取，从而克服了因上层书本距离货架顶层过近而无法取书的问题，在环境相对恶劣的仓库也能很好地进行图书分拣工作。
在目前的图书电商平台中普遍仍采用较为传统的人工分拣方式，随着人工成本日益增长，人工分拣方式的适应时间较长、分拣效率较低，且价格逐步攀升，无疑已经成为各大图书电商平台急于解决的问题之一。针对摆放位置参差不齐与种类繁多的问题，本发明通过机器视觉对图书距离进行实时定位，并采取机械臂140吸盘装置完成对不同图书的无差别吸取，从而有效规避图书外观及颜色对图书分拣所造成的影响。在图书电商中物流第一的京东也因图书数量巨大、摆放位置参差不齐、图书种类繁多等众多实际问题而仍采用人工分拣方式。本发明采用数据库存储方式，将众多图书信息有效整理，当接收到新的订单信息时将提取图书存储信息，通过室内定位技术，机器人可以迅速到达指定位置。
在一实施例中，基于机器视觉的拣书机器人10包括：底盘100，设置有多个滚轮；升降结构110，设置于底盘100；驱动电机120，与滚轮和升降结构110机械连接，驱动电机120用于驱动滚轮滚动和驱动升降结构110进行升降；定位模块，定位模块用于获取拣书机器人的当前位置；机器视觉处理模块130，用于识别图书信息；机械臂140，设置于升降结构110，机械臂140与机器视觉处理模块130通信连接，机械臂140用于根据机器视觉处理模块130识别的图书信息拾取图书；处理器，与升降结构110、驱动电机120、定位模块、机器视觉处理模块130和机械臂140通信连接，处理器用于根据图书拾取指令和定位模块驱动拣书机器人到图书位置，并通过机器视觉处理模块130识别图书信息，驱动升降结构110升降，并通过机械臂140拾取图书。滚轮为麦克纳姆轮101，麦克纳姆轮101用于实现拣书机器人的全方位转向。
在机器人底盘100方面，电机固定部分的输出轴与电机轴采用同步带相连设计，实现电机轴不受力，同时电机采用GP36型号的大扭矩电机，使底盘100能够工作在高负载的情况下。主控STM32F4芯片控制麦克纳姆轮101实现全方位转向，克服了机器人在货架摆放较为狭窄情况下的转向问题，同时采用UWB定位技术，实现自动定位。
设计机器人底盘100，电机固定部分使用一根固定直径的输出轴，输出轴与电机轴之间采用同步带相连，实现电机轴不受力，增加了系统运行时的稳定性。同时在底盘100下部用铝型材加固一层，保证了整体结构对于上层结构的支撑能力，可以有效将压力平均分配，避免发生在运输过程中因为重量分配不均而导致结构崩塌以及翻倒的情况出现，并且采用麦克纳姆轮101以实现在不同环境下小车的转向实现可以达到较高的自由度。
底盘100工作在高负载的环境中，电机拟用GP36型号的电机，负载能够达到12.2Kg.cm，与普通的直流减速电机相比，由于采用了行星齿轮减速箱，内部零空隙连接，所以输出轴没有虚位，输出轴采用高强度钢材质，具有良好的动力载荷能力。同时尾部安装了一套高精度测速码盘，满足本设计的需求。
底盘100以STM32F4制核心，32位微控制器STM32F407高速可靠、资源丰富、低功耗、宽温度范围，适合于手持设备和电子产品功能的扩展和升级。其工作频率为84HZ，内置高速存储器，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。由于其具有可扩展性强，性价比高，运算快，低功耗等优点，相比C51单片机而言，处理速度更快，可扩展性更强；相比微控制器STM32F4系列而言，网络可利用资源更加丰富，与别的设计人员交流起来也方便，并且芯片处理速度也丝毫没有逊色，故发明选取微处理器STM32F407作为控制芯片。
参考图4，图4为本发明另一个实施例提供的基于机器视觉的拣书机器人10的UWB定位系统结构图。
在一实施例中，基于机器视觉的拣书机器人10包括：底盘100，设置有多个滚轮；升降结构110，设置于底盘100；驱动电机120，与滚轮和升降结构110机械连接，驱动电机120用于驱动滚轮滚动和驱动升降结构110进行升降；定位模块，定位模块用于获取拣书机器人的当前位置；机器视觉处理模块130，用于识别图书信息；机械臂140，设置于升降结构110，机械臂140与机器视觉处理模块130通信连接，机械臂140用于根据机器视觉处理模块130识别的图书信息拾取图书；处理器，与升降结构110、驱动电机120、定位模块、机器视觉处理模块130和机械臂140通信连接，处理器用于根据图书拾取指令和定位模块驱动拣书机器人到图书位置，并通过机器视觉处理模块130识别图书信息，驱动升降结构110升降，并通过机械臂140拾取图书。
定位模块为UWB定位系统，包括：UWB标签330，设置于拣书机器人；主基站320，与UWB标签330通信连接；3个协助基站310，与UWB标签330和主基站320通信连接，主基站320与3个协助基站310安装于室内预设位置，主基站320通过获取3个协助基站310分别到UWB标签330的距离，并通过3个协助基站310分别到UWB标签330的距离计算得到拣书机器人的当前位置。
基于UWB的室内定位技术主要由基站和移动信标组成，基站和标签是我们导航系统的定位中枢。在单个室内定位时基站数一般为4个,也可随用户需求添加或者减少。UWB基站标签原理如图1所示,T4为标签,T0为主基站320,T1、T2、T3三个为协助基站310,主机站T0将各个基站到达标签的距离数值以十六进制的形式通信给计算机,再通过三点定位算法计算出标签在室内的具体位置。
在基于TDOA(Time Difference of Arrival,到达时间差)方式的系统中,所获得的距离差根据几何模型得到一组双曲线方程组，Fang算法就是用于将该双曲线方程组线性化，从而获得标签的位置估计。由于Fang算法在定位计算时只使用三个基站并不用冗余的基站来辅助提升精度，因此这里假设三个基站的坐标为BS1(x1,y1),BS2(x2,y2),BS3(x3,y3)，则可获得简化方程：
Figure BDA0003486312380000091
将上式两边平方可得：
Figure BDA0003486312380000092
Figure BDA0003486312380000093
可由线性几何关系得出：
Figure BDA0003486312380000094
将(2)式与(3)式联立可得：
Figure BDA0003486312380000095
将(2)式中i＝1可得：
Figure BDA0003486312380000096
将(4)式减(5)式可得：
Figure BDA0003486312380000097
式中，xi,1为基站i与基站1的横坐标距离差即xi,1＝xi-x同样yi,1为纵坐标距离差即yi,1＝yi-y。当式中d1,x,y看成未知数时，式(6)就成了线性方程。
假设待定位标签坐标为(x,y)，基站坐标BSi为(x1.y1)，i＝1,2,3，在此以BS1为参考基站。根据(6)令i＝2,3可得：
Figure BDA0003486312380000098
Figure BDA0003486312380000099
式中，先假定d1己知，则上式可化简为：
x＝m1+n1d1
y＝m2+n2d2 (8)
式中，
Figure BDA00034863123800000910
Figure BDA0003486312380000101
Figure BDA0003486312380000102
Figure BDA0003486312380000103
一般在定位系统中，硬件所产生的误差对定位精度会产生一定的影响，最小二乘估计法(LSE)可以有效地消除这种不良影响，因为LSE建立的观测模型仅仅与估计量相关，不需要任何先验消息。现阶段基于T0A、TDOA的定位系统中都广泛使用了LSE算法，在上述系统中只要获得标签和基站的点对点距离就可建立起相应的方程组，目标的位置就可以轻松解出。空间里基站的位置模型如图4所示，将式(8)中i赋值为1,2,3...则有:
Figure BDA0003486312380000104
Figure BDA0003486312380000105
Figure BDA0003486312380000106
由相邻两式相减可得：
Figure BDA0003486312380000107
Figure BDA0003486312380000108
Figure BDA0003486312380000109
该式可简写为：
A*X＝B (11)
式中，
Figure BDA00034863123800001010
Figure BDA0003486312380000111
Figure BDA0003486312380000112
根据线性代数求解式(11)即可求得标签坐标(x,y)，即求得当前的位置。
参考图6，图6为本发明一个实施例提供的基于机器视觉的拣书机器人的升降结构的结构图。
在一实施例中，基于机器视觉的拣书机器人10包括：底盘100，设置有多个滚轮；升降结构110，设置于底盘100；驱动电机120，与滚轮和升降结构110机械连接，驱动电机120用于驱动滚轮滚动和驱动升降结构110进行升降；定位模块，定位模块用于获取拣书机器人的当前位置；机器视觉处理模块130，用于识别图书信息；机械臂140，设置于升降结构110，机械臂140与机器视觉处理模块130通信连接，机械臂140用于根据机器视觉处理模块130识别的图书信息拾取图书；处理器，与升降结构110、驱动电机120、定位模块、机器视觉处理模块130和机械臂140通信连接，处理器用于根据图书拾取指令和定位模块驱动拣书机器人到图书位置，并通过机器视觉处理模块130识别图书信息，驱动升降结构110升降，并通过机械臂140拾取图书。
升降结构110包括：丝杆111，升降托盘112，与丝杆111连接，升降托盘112安装有机械臂140；导轨113，设置于丝杆111两侧。为保证可取图书的范围符合实际仓库的图书摆放要求，本项目中以伺服电机为动力，加上丝杆111来控制系统升降，确保传动机构可以最大范围活动。并且我们在丝杆111两侧分别加上导轨113，使传动机构的整体稳定性增高，避免在传动机构在传动过程中可会会发生的晃动问题。
伺服驱动器采用ASDA-A2系列驱动器，伺服电机拟用台达ECMA-E21320，标准型交流伺服电机。额定功率2KW；转矩范围：9.55N.m～28.65N.m；速度范围：2000r/min～3000r/min，支持Modbus通讯协议，同时支持17bit高分辨率编码器，满足机器设备精度定位及平稳低速运转的需求。
主控采用台达DVP50MC11T系列可编程控制器，是台达自主研发的基于EtherCAT现场总线的多轴运动控制器，总线传输速率为100Mbps，采用分布式时钟，可以快速、准确、高效的传输数据，方便多轴同步，同时还支持国际组织所定义的运动控制标准指令库，方便用户快速入门，迅速的进行项目开发。它透过EtherCAT接口最多可以控制24轴，支持位置、速度、扭矩、原点复归等单轴运动指令，支持电子齿轮，电子凸轮、旋切、G码等多轴指令。内建多种通讯口，用户不需要增加模块就可以实现各种通讯功能，同时还支持左侧和右侧两个扩展接口(左侧为高速并行扩展口)，左右侧可以扩展DVP-S系列左右侧模块。
台达控制器通过控制伺服驱动器来控制伺服电机，一般采用脉冲发，发送一定数量，一定频率的脉冲，然后伺服驱动器里面设定好电子齿轮，控制模式等参数来完成控制。台达控制器通过EtherCAT接口，通过专门的通信指令，可以完成伺服控制。
在一实施例中，基于机器视觉的拣书机器人10包括：底盘100，设置有多个滚轮；升降结构110，设置于底盘100；驱动电机120，与滚轮和升降结构110机械连接，驱动电机120用于驱动滚轮滚动和驱动升降结构110进行升降；定位模块，定位模块用于获取拣书机器人的当前位置；机器视觉处理模块130，用于识别图书信息；机械臂140，设置于升降结构110，机械臂140与机器视觉处理模块130通信连接，机械臂140用于根据机器视觉处理模块130识别的图书信息拾取图书；处理器，与升降结构110、驱动电机120、定位模块、机器视觉处理模块130和机械臂140通信连接，处理器用于根据图书拾取指令和定位模块驱动拣书机器人到图书位置，并通过机器视觉处理模块130识别图书信息，驱动升降结构110升降，并通过机械臂140拾取图书。拣书机器人还包括姿态传感器，通过姿态传感器采集的数据获取拣书机器人的行进方向。
为准确控制机器人移动时的方向，通过采集姿态传感器的数据，准确获得机器人当前的方向。传感器拟用陀螺仪加速度计JY61，模块内部自带电压稳定电路，可以兼容3.3V/5V的嵌入式系统，连接方便，模块内部采用先进的数字滤波技术，能有效降低测量噪声，提高测量精度。模块内部集成了姿态解算器，配合动态卡尔曼滤波算法，能够在动态环境下准确输出模块的当前姿态，姿态测量精度0.05度，稳定性极高，满足本项目的需求。
当然也不仅限于本实施例提到的姿态传感器获得机器人当前的方向，还可以是设置惯性导航系统，惯性导航系统通过测量机器人在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到机器人在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。
在一实施例中，基于机器视觉的拣书机器人10包括：底盘100，设置有多个滚轮；升降结构110，设置于底盘100；驱动电机120，与滚轮和升降结构110机械连接，驱动电机120用于驱动滚轮滚动和驱动升降结构110进行升降；定位模块，定位模块用于获取拣书机器人的当前位置；机器视觉处理模块130，用于识别图书信息；机械臂140，设置于升降结构110，机械臂140与机器视觉处理模块130通信连接，机械臂140用于根据机器视觉处理模块130识别的图书信息拾取图书；处理器，与升降结构110、驱动电机120、定位模块、机器视觉处理模块130和机械臂140通信连接，处理器用于根据图书拾取指令和定位模块驱动拣书机器人到图书位置，并通过机器视觉处理模块130识别图书信息，驱动升降结构110升降，并通过机械臂140拾取图书。驱动电机120为伺服电机，拣书机器人还包括可编程控制器，可编程控制器配合伺服电机驱动升降结构110以实现取书高度的精准定位。
参考图5，图5为本发明另一个实施例提供的基于机器视觉的拣书机器人10的机械臂140抽象到坐标系的几何表示图。
在一实施例中，基于机器视觉的拣书机器人10包括：底盘100，设置有多个滚轮；升降结构110，设置于底盘100；驱动电机120，与滚轮和升降结构110机械连接，驱动电机120用于驱动滚轮滚动和驱动升降结构110进行升降；定位模块，定位模块用于获取拣书机器人的当前位置；机器视觉处理模块130，用于识别图书信息；机械臂140，设置于升降结构110，机械臂140与机器视觉处理模块130通信连接，机械臂140用于根据机器视觉处理模块130识别的图书信息拾取图书；处理器，与升降结构110、驱动电机120、定位模块、机器视觉处理模块130和机械臂140通信连接，处理器用于根据图书拾取指令和定位模块驱动拣书机器人到图书位置，并通过机器视觉处理模块130识别图书信息，驱动升降结构110升降，并通过机械臂140拾取图书。
机械臂140为三轴机械臂140，三轴机械臂140包括：转动单元，与升降结构110连接；第一伺服电机，与转动单元电性连接，第一伺服电机用于驱动转动轴转动；第一臂体，与转动单元连接；第二伺服电机，与第一臂体连接，第二伺服电机用于驱动第一臂体活动；第二臂体，与第一臂体连接；第三伺服电机，与第二臂体连接，第三伺服电机用于驱动第二臂体活动。
为保证取书的真空电磁阀吸盘141可以成功到达图书上沿，完成抓取，我们采用三轴机械臂140结构控制，从而可以较为稳定安全的伸展到图书的上边缘，完成抓取。本设计采用的机械臂140由三个台达伺服电机和连杆构成。对于三轴机械臂140，运动模型本质上是三维的给定的空间和三个轴的旋转角的坐标，求解三个轴的旋转角度。
对机械臂140运动的逆解过程就是知道末端坐标，而求解各个轴的旋转角度，进而转换为伺服电机的步进数，利用立体几何，和解析几何知识来进行逆运算分析如下：
Figure BDA0003486312380000141
根据上述方程式，即可解出θ1θ2θ3的值，基于此三个角度值除以伺服电机的步进角度，可以计算出从上一个位置到现在位置需要步进多少步，从而控制机械手运动到正确的位置。
在一实施例中，基于机器视觉的拣书机器人10包括：底盘100，设置有多个滚轮；升降结构110，设置于底盘100；驱动电机120，与滚轮和升降结构110机械连接，驱动电机120用于驱动滚轮滚动和驱动升降结构110进行升降；定位模块，定位模块用于获取拣书机器人的当前位置；机器视觉处理模块130，用于识别图书信息；机械臂140，设置于升降结构110，机械臂140与机器视觉处理模块130通信连接，机械臂140用于根据机器视觉处理模块130识别的图书信息拾取图书；处理器，与升降结构110、驱动电机120、定位模块、机器视觉处理模块130和机械臂140通信连接，处理器用于根据图书拾取指令和定位模块驱动拣书机器人到图书位置，并通过机器视觉处理模块130识别图书信息，驱动升降结构110升降，并通过机械臂140拾取图书。
机械臂140为三轴机械臂140，三轴机械臂140包括：转动单元，与升降结构110连接；第一伺服电机，与转动单元电性连接，第一伺服电机用于驱动转动轴转动；第一臂体，与转动单元连接；第二伺服电机，与第一臂体连接，第二伺服电机用于驱动第一臂体活动；第二臂体，与第一臂体连接；第三伺服电机，与第二臂体连接，第三伺服电机用于驱动第二臂体活动。三轴机械臂140还包括：真空电磁阀吸盘141，与第二臂体连接，真空电磁阀吸盘141用于吸取图书。
在一实施例中，基于机器视觉的拣书机器人10包括：底盘100，设置有多个滚轮；升降结构110，设置于底盘100；驱动电机120，与滚轮和升降结构110机械连接，驱动电机120用于驱动滚轮滚动和驱动升降结构110进行升降；定位模块，定位模块用于获取拣书机器人的当前位置；机器视觉处理模块130，用于识别图书信息；机械臂140，设置于升降结构110，机械臂140与机器视觉处理模块130通信连接，机械臂140用于根据机器视觉处理模块130识别的图书信息拾取图书；处理器，与升降结构110、驱动电机120、定位模块、机器视觉处理模块130和机械臂140通信连接，处理器用于根据图书拾取指令和定位模块驱动拣书机器人到图书位置，并通过机器视觉处理模块130识别图书信息，驱动升降结构110升降，并通过机械臂140拾取图书。
机器视觉处理模块130包括：工业相机，用于对需要识别的图书进行拍摄以获取图像数据；图像处理器，与工业相机电性连接，图像处理器用于处理图像数据以识别图书的种类、名称和位置信息。
在一实施例中，基于机器视觉的拣书机器人10包括：底盘100，设置有多个滚轮；升降结构110，设置于底盘100；驱动电机120，与滚轮和升降结构110机械连接，驱动电机120用于驱动滚轮滚动和驱动升降结构110进行升降；定位模块，定位模块用于获取拣书机器人的当前位置；机器视觉处理模块130，用于识别图书信息；机械臂140，设置于升降结构110，机械臂140与机器视觉处理模块130通信连接，机械臂140用于根据机器视觉处理模块130识别的图书信息拾取图书；处理器，与升降结构110、驱动电机120、定位模块、机器视觉处理模块130和机械臂140通信连接，处理器用于根据图书拾取指令和定位模块驱动拣书机器人到图书位置，并通过机器视觉处理模块130识别图书信息，驱动升降结构110升降，并通过机械臂140拾取图书。拣书机器人还包括书筐150，与底盘100连接，书筐150用于盛放拣书机器人拾取的图书。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本发明权利要求所限定的范围内。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于机器视觉的拣书机器人，其特征在于，包括：
底盘，设置有多个滚轮；
升降结构，设置于所述底盘；
驱动电机，与所述滚轮和所述升降结构机械连接，所述驱动电机用于驱动所述滚轮滚动和驱动所述升降结构进行升降；
定位模块，所述定位模块用于获取所述拣书机器人的当前位置；
机器视觉处理模块，用于识别图书信息；
机械臂，设置于所述升降结构，所述机械臂与所述机器视觉处理模块通信连接，所述机械臂用于根据所述机器视觉处理模块识别的图书信息拾取图书；
处理器，与所述升降结构、所述驱动电机、所述定位模块、所述机器视觉处理模块和所述机械臂通信连接，所述处理器用于根据图书拾取指令和所述定位模块驱动所述拣书机器人到图书位置，并通过机器视觉处理模块识别所述图书信息，驱动所述升降结构升降，并通过所述机械臂拾取图书。
2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的拣书机器人，其特征在于，所述滚轮为麦克纳姆轮，所述麦克纳姆轮用于实现所述拣书机器人的全方位转向。
3.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的拣书机器人，其特征在于，所述定位模块为UWB定位系统，包括：
UWB标签，设置于所述拣书机器人；
主基站，与所述UWB标签通信连接；
3个协助基站，与所述UWB标签和所述主基站通信连接，所述主基站与所述3个协助基站安装于室内预设位置，所述主基站通过获取所述3个协助基站分别到所述UWB标签的距离，并通过所述3个协助基站分别到所述UWB标签的距离计算得到所述拣书机器人的当前位置。
4.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的拣书机器人，其特征在于，所述升降结构包括：
丝杆；
升降托盘，与所述丝杆连接，所述升降托盘安装有所述机械臂；
导轨，设置于所述丝杆两侧。
5.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的拣书机器人，其特征在于，所述拣书机器人还包括姿态传感器，通过所述姿态传感器采集的数据获取所述拣书机器人的行进方向。
6.根据权利要求4所述的一种基于机器视觉的拣书机器人，其特征在于，所述驱动电机为伺服电机，所述拣书机器人还包括可编程控制器，所述可编程控制器配合所述伺服电机驱动所述升降结构以实现取书高度的精准定位。
7.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的拣书机器人，其特征在于，所述机械臂为三轴机械臂，所述三轴机械臂包括：
转动单元，与所述升降结构连接；
第一伺服电机，与所述转动单元电性连接，所述第一伺服电机用于驱动所述转动轴转动；
第一臂体，与所述转动单元连接；
第二伺服电机，与所述第一臂体连接，所述第二伺服电机用于驱动所述第一臂体活动；
第二臂体，与所述第一臂体连接；
第三伺服电机，与所述第二臂体连接，所述第三伺服电机用于驱动所述第二臂体活动。
8.根据权利要求7所述的一种基于机器视觉的拣书机器人，其特征在于，所述三轴机械臂还包括：真空电磁阀吸盘，与所述第二臂体连接，所述真空电磁阀吸盘用于吸取图书。
9.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的拣书机器人，其特征在于，机器视觉处理模块包括：
工业相机，用于对需要识别的图书进行拍摄以获取图像数据；
图像处理器，与所述工业相机电性连接，所述图像处理器用于处理所述图像数据以识别图书的种类、名称和位置信息。
10.根据权利要求1至9中任意一项所述的一种基于机器视觉的拣书机器人，其特征在于，所述拣书机器人还包括书筐，与所述底盘连接，所述书筐用于盛放所述拣书机器人拾取的图书。
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