CN115048017B - 一种3d控制系统中模拟抓放箱与实景同步的控制方法 - Google Patents

一种3d控制系统中模拟抓放箱与实景同步的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种3D控制系统中模拟抓放箱与实景同步的控制方法，通过在3D控制系统中根据车间实景进行虚拟场景的建模，车间实景中的物料箱和抓放机器人在虚拟场景中具有存在与之唯一对应的虚拟对象，并且实景中所有对象的位置均一一映射到虚拟场景中，当车间实景中WMS、WCS、RMS下达指令进行作业时，虚拟场景中所对应的模型也会进行相应的作业动作，从而将车间现场的抓放箱作业同步到3D虚拟场景中，使工人通过3D虚拟场景即可获取多视角的车间现场情况；而在虚拟场景中，可以对各个模型进行多视角地观察，能够随意切换观察方位和观察角度，也能够对画面进行任意放大或缩小，而且在切换视角时不会产生高流量和高延迟。

Description

一种3D控制系统中模拟抓放箱与实景同步的控制方法
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种3D控制系统中模拟抓放箱与实景同步的控制方法。
背景技术
目前，随着生产车间的自动化和智能化，越来越多的工厂采用机械设备代替人工来进行物料输送，通过无人车、机械手等设备的联合作业，将各种物料或者成品准确输送到目标工位上，从而达到降低人工成本、提高输送效率的目的。另一方面，随着WMS（仓储管理系统）和WCS（仓库控制系统）的广泛应用，工厂也开始利用WMS和WCS解决各种自动化设备的信息系统之间整合与优化的问题，确保物流系统与生产流水线的各个自动化设备系统能够实现无缝连接。
对于注塑机车间而言，在利用WMS和WCS实现供料、生产、包装、储存、出货一系列的自动化控制的同时，需要通过视频监控对现场的作业情况进行确认。通常，注塑机车间设有很多个摄像头，在单个摄像头进行角度切换、或者在多个摄像头之间切换时，都需要一定的视频加载时间，而且瞬时数据量十分大，频繁切换时容易造成系统发生卡顿、画面延迟等情况。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种3D控制系统中模拟抓放箱与实景同步的控制方法，这种3D控制系统中模拟抓放箱与实景同步的控制方法能够将车间现场的抓放箱作业同步到3D虚拟场景中，使工人通过3D虚拟场景即可获取多视角的车间现场情况。采用的技术方案如下：
一种3D控制系统中模拟抓放箱与实景同步的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）按照实景在3D控制系统中进行建模，构建与实景相关联的虚拟场景，实景中的所有对象均在虚拟场景中存在与之唯一对应的虚拟对象，实景中所有对象的位置均一一映射到虚拟场景中，并在3D控制系统的显示屏进行显示；
（2）仓储管理系统获取实景中物料箱的初始位置，将物料箱的初始位置发送给3D控制系统，3D控制系统将物料箱的初始位置转换成虚拟场景中所对应的物料箱模型的初始位置；
（3）机器人管理系统获取实景中抓放机器人的位置，将抓放机器人的位置发送给3D控制系统，3D控制系统将抓放机器人的位置转换成所对应的抓放机器人模型的位置；
（4）仓库控制系统在实景中向抓放机器人发送抓放箱指令，抓放箱指令中含有物料箱的目标位置；同时，将抓放箱指令发送至3D控制系统，3D控制系统将物料箱的目标位置转换成虚拟场景中所对应的物料箱模型的目标位置；
（5）实景中抓放机器人对指定物料箱进行抓放箱作业；在3D控制系统的虚拟场景中，抓放机器人的对应模型也对指定物料箱的对应模型进行抓放箱作业，并且抓放箱作业的过程在3D控制系统的显示屏上显示。
上述仓储管理系统、仓库控制系统、机器人管理系统都属于现有技术。仓储管理系统（WMS）用于根据仓库运作的业务规则和运算法则，对信息、资源、行为、存货和分销运作进行更完美地管理，提高仓库管理效率；目前市面上常用的WMS有诺斯仓储软件系统、北京节点通网络技术公司的无线仓储管理系统、杭州蜂鸟软件开发有限公司仓储管理系统、上海威恩网络、物创信息科技有限公司的仓储配送系统等等。仓库控制系统（WCS）主要用于与WMS系统进行信息交互，接受WMS系统的指令并将其发送给仓库设备总控PLC，驱动自动化设备进行作业；机器人管理系统（RMS）用于对车间内的所有机器人设备进行管理，能够收集和分析机器人数据、监视和诊断机器人系统故障，目前市面上常用的有RMS有现代机器人（上海）有限公司、广东美房智高机器人有限公司等公司的RMS产品。
当仓储管理系统、仓库控制系统、机器人管理系统在车间实景中控制抓放机器人进行抓放箱作业时，也发送相应的控制指令到3D控制系统的虚拟场景中，在虚拟场景中也进行相应的抓放箱作业。由于实景中物料箱和抓放机器人与虚拟场景中相应的模型是一一对应的关系，实景中所有对象的位置也一一映射到虚拟场景中，并且实景中抓放机器人所执行的指令与虚拟场景中抓放机器人模型所执行的指令为来自仓储管理系统、仓库控制系统、机器人管理系统所发出的相同指令，因此，只需要观察虚拟场景中抓放机器人对物料箱的抓放作业情况，即可得知车间实景中的抓放作业情况，实现3D控制系统中抓放箱作业与车间实景的同步。
由于在3D控制系统中的虚拟场景是根据车间实景进行建模的，车间实景中的物料箱和抓放机器人在虚拟场景中具有存在与之唯一对应的虚拟对象，并且实景中所有对象的位置均一一映射到虚拟场景中，当车间实景中WMS、WCS、RMS下达指令进行作业时，虚拟场景中所对应的模型也会进行相应的作业动作。而在虚拟场景中，可以对各个模型进行多视角地观察，能够随意切换观察方位和观察角度，也能够对画面进行任意放大或缩小，而且在切换视角时不会产生高流量和高延迟，对于管理者而言，只需观看虚拟场景中的作业情况，即可了解车间实景中的作业情况。
上述步骤（2）至步骤（4）中，WMS、WCS、RMS均提供有一个对外开放接口，将实景中物料箱的初始位置、抓放机器人的位置、以及向抓放机器人发送的抓放箱指令（包含物料箱的目标位置）均通过该对外开放接口传送至3D控制系统中。
作为本发明的优选方案，所述步骤（1）中构建与实景相关联的虚拟场景，是在实景中建立物料箱的实景坐标系（X1,Y1,Z1）和抓放机器人的实景坐标系（X2,Y2），在3D控制系统的虚拟场景中建立物料箱的虚拟坐标系（X’ 1,Y’ 1,Z’ 1）和抓放机器人的虚拟坐标系（X’ 2,Y’ 2），并将实景坐标系（X1,Y1,Z1）映射到虚拟坐标系（X’ 1,Y’ 1,Z’ 1）上、将实景坐标系（X2,Y2）映射到虚拟坐标系（X’ 2,Y’ 2）上。
通常，物料仓中设有多条轨道，每条轨道对应有多行多层的物料箱，因此，在物料箱的实景坐标系（X1,Y1,Z1）中，X1表示物料箱所对应的轨道、Y1表示物料箱所在行数、,Z1表示物料箱所在层数。对于抓放机器人的实景坐标系（X2,Y2）中，X2同样表示抓放机器人所在轨道、Y2表示抓放机器人所在的行数。
作为本发明进一步的优选方案，所述物料箱的实景坐标系（X1,Y1,Z1）中，在X1轴和Y1轴上均等距设有多个定位标识；物料箱经过定位标识时，定位标识会发送相应的信息至3D控制系统。在实景中，抓放机器人抓取物料箱沿X1轴或Y1轴移动，因此在X1轴和Y1上等距设置定位标识，记录物料箱实时的移动状态，以便更精确地监控物料箱的位置。
作为本发明更进一步的优选方案，所述步骤（2）中，仓储管理系统获取仓储管理系统获取实景中物料箱的初始位置的同时，记录实景中物料箱的物料信息，并将物料箱的信息发送给3D控制系统；3D控制系统将物料箱的信息加载进虚拟场景中物料箱所对应的模型，使虚拟场景中的物料箱模型的物料信息与实景中同步。前述物料箱的物料信息包括但不限于物料箱的编号、装载物等具体信息，使虚拟场景中物料箱模型的位置和物料信息均与实景中的物料箱同步。
作为本发明的优选方案，所述步骤（5）中实景和虚拟场景中相应地进行抓放箱作业，包括抓箱入库作业（5-1）和抓箱出库作业（5-2）；
抓箱入库作业（5-1）包括以下步骤：
（5-1-1）物料箱的初始位置处在车间的入库口，仓库控制系统在实景中向抓箱机器人发送抓箱入库指令；
（5-1-2）抓箱机器人收到抓箱入库指令后，到达入库口，抓取物料箱；
（5-1-3）抓箱机器人回收物料箱上的钢带；
（5-1-4）仓库控制系统通过对外开放接口向3D控制系统发送抓箱入库指令，在虚拟场景中控制抓箱机器人对应的模型向目标物料箱对应的模型进行抓箱入库作业，将物料箱从入库口抓取到目标位置后放箱；
（5-1-5）实景中，抓箱机器人对物料箱进行放箱操作；
抓箱出库作业（5-2）包括以下步骤：
（5-2-1）仓库控制系统通过对外开放接口向3D控制系统发送抓箱出库指令，在虚拟场景中控制抓箱机器人对应的模型向目标物料箱对应的模型进行抓箱出库作业；
（5-2-2）在虚拟场景中，抓箱机器人对应的模型将目标物料箱对应的模型运送到出库口处；
（5-2-3）仓库控制系统在实景中向抓箱机器人发送抓箱出库指令，抓箱机器人抓取目标物料箱到达车间的出库口，执行放箱操作；
（5-2-4）仓库控制系统向3D控制系统发送指令，使抓箱机器人对应的模型在虚拟场景中执行放箱操作。
结合实景中物料箱在抓放时的操作，对抓箱入库作业和抓箱出库作业的步骤进行调整，使抓箱入库作业实景与虚拟场景之间的耗时压缩到3秒左右的延时，抓箱出库作业实景与虚拟场景之间的耗时压缩到1~2秒之间的延时。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明3D控制系统中模拟抓放箱与实景同步的控制方法通过在3D控制系统中根据车间实景进行虚拟场景的建模，车间实景中的物料箱和抓放机器人在虚拟场景中具有存在与之唯一对应的虚拟对象，并且实景中所有对象的位置均一一映射到虚拟场景中，当车间实景中WMS、WCS、RMS下达指令进行作业时，虚拟场景中所对应的模型也会进行相应的作业动作，从而将车间现场的抓放箱作业同步到3D虚拟场景中，使工人通过3D虚拟场景即可获取多视角的车间现场情况；而在虚拟场景中，可以对各个模型进行多视角地观察，能够随意切换观察方位和观察角度，也能够对画面进行任意放大或缩小，而且在切换视角时不会产生高流量和高延迟。
附图说明
图1为本发明控制方法的流程示意图；
图2为图1中S1的建模流程示意图；
图3为抓箱入库作业的流程示意图；
图4为抓箱出库作业的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和本发明的优选实施方式做进一步的说明。
如图1所示，一种3D控制系统中模拟抓放箱与实景同步的控制方法，包括以下步骤：
S1：按照实景在3D控制系统中进行建模，构建与实景相关联的虚拟场景，具体过程如图2所示，包括：
S1-1：在实景中建立物料箱的实景坐标系（X1,Y1,Z1），其中，X1表示物料箱所对应的轨道、Y1表示物料箱所在行数、,Z1表示物料箱所在层数；并且在物料箱的实景坐标系（X1,Y1,Z1）中，在X1轴和Y1轴上均等距设有多个定位标识
S1-2：在实景中建立抓放机器人的实景坐标系（X2,Y2），其中，X2表示抓放机器人所在轨道、Y2表示抓放机器人所在的行数；
S1-3：在3D控制系统的虚拟场景中建立物料箱的虚拟坐标系（X’ 1,Y’ 1,Z’ 1）和抓放机器人的虚拟坐标系（X’ 2,Y’ 2）；
S1-4：将实景坐标系（X1,Y1,Z1）映射到虚拟坐标系（X’ 1,Y’ 1,Z’ 1）上、将实景坐标系（X2,Y2）影射到虚拟坐标系（X’ 2,Y’ 2）上，使实景中的物料箱和抓放机器人均在虚拟场景中存在与之唯一对应的虚拟对象，实景中所有对象的位置均一一映射到虚拟场景中，并在3D控制系统的显示屏进行显示；
S2：仓储管理系统（WMS）通过其本身提供的对外开放接口，获取实景中物料箱的初始位置，并将物料箱的初始位置发送给3D控制系统，3D控制系统将物料箱的初始位置转换成虚拟场景中所对应的物料箱模型的初始位置；同时，WMS记录实景中物料箱的物料信息，并将物料箱的信息发送给3D控制系统，3D控制系统将物料箱的信息加载进虚拟场景中物料箱所对应的模型，使虚拟场景中的物料箱模型的物料信息与实景中同步。
S3：机器人管理系统（RMS）通过其本身提供的对外开放接口，获取实景中抓放机器人的位置，并将抓放机器人的位置发送给3D控制系统，3D控制系统将抓放机器人的位置转换成所对应的抓放机器人模型的位置；
S4：仓库控制系统（WCS）在实景中向抓放机器人发送抓放箱指令，抓放箱指令中含有物料箱的目标位置；同时将抓放箱指令通过其本身提供的对外开放接口发送至3D控制系统，3D控制系统将物料箱的目标位置转换成虚拟场景中所对应的物料箱模型的目标位置；
S5：实景中抓放机器人对指定物料箱进行抓放箱作业；在3D控制系统的虚拟场景中，抓放机器人的对应模型也对指定物料箱的对应模型进行抓放箱作业，并且抓放箱作业的过程在3D控制系统的显示屏上显示；物料箱经过定位标识时，定位标识会发送相应的信息至3D控制系统。
当WMS、WCS、RMS在车间实景中控制抓放机器人进行抓放箱作业时，也发送相应的控制指令到3D控制系统的虚拟场景中，在虚拟场景中也进行相应的抓放箱作业。由于实景中物料箱和抓放机器人与虚拟场景中相应的模型是一一对应的关系，实景中所有对象的位置也一一映射到虚拟场景中，并且实景中抓放机器人所执行的指令与虚拟场景中抓放机器人模型所执行的指令为来自WMS、WCS、RMS所发出的相同指令，因此，只需要观察虚拟场景中抓放机器人对物料箱的抓放作业情况，即可得知车间实景中的抓放作业情况，实现3D控制系统中抓放箱作业与车间实景的同步。
由于在3D控制系统中的虚拟场景是根据车间实景进行建模的，车间实景中的物料箱和抓放机器人在虚拟场景中具有存在与之唯一对应的虚拟对象，并且实景中所有对象的位置均一一映射到虚拟场景中，当车间实景中WMS、WCS、RMS下达指令进行作业时，虚拟场景中所对应的模型也会进行相应的作业动作。而在虚拟场景中，可以对各个模型进行多视角地观察，能够随意切换观察方位和观察角度，也能够对画面进行任意放大或缩小，而且在切换视角时不会产生高流量和高延迟，对于管理者而言，只需观看虚拟场景中的作业情况，即可了解车间实景中的作业情况。
另外，在实景中，抓放机器人抓取物料箱沿X1轴或Y1轴移动，因此在X1轴和Y1上等距设置定位标识，记录物料箱实时的移动状态，以便更精确地监控物料箱的位置。
下面分别以抓箱入库作业和抓箱出库作业为例，对模拟抓放箱与实景同步的过程做进一步的说明。
如图3所示，抓箱入库作业包括以下步骤：
S5-1-1：物料箱B1的初始位置处在车间的入库口并到达入库轨道的上架口，WMS获取实景中入库口的坐标位置，RMS获取实景中距离物料箱B1最近的抓放机器人R1的位置，WCS在实景中向抓箱机器人R1发送抓箱入库指令，抓箱入库指令中包含物料箱B1的目标位置；
S5-1-2：抓箱机器人R1收到抓箱入库指令后，到达入库口，抓取物料箱B1；
S5-1-3：工人回收物料箱B1上的钢带；
S5-1-4：WCS通过对外开放接口向3D控制系统发送相同的抓箱入库指令，在虚拟场景中控制抓箱机器人R’ 1对应的模型向目标物料箱对应的模型B’ 1进行抓箱入库作业，将物料箱B’ 1从入库口抓取到目标位置后放箱；
S5-1-5：实景中，抓箱机器人R1对物料箱B1进行放箱操作。
实景中物料箱在抓箱入库时，工人需要对物料箱上的钢带进行回收，因此延缓虚拟场景中的抓箱入库指令，使实景与虚拟场景之间的耗时压缩到3秒左右的延时。
如图4所示，抓箱出库作业包括以下步骤：
S5-2-1：物料箱B2的目标位置处在车间的出库口，WMS获取实景中物料箱B2的初始位置，RMS获取实景中距离物料箱B2最近的抓放机器人R2的位置；WCS通过对外开放接口向3D控制系统发送抓箱出库指令，抓放箱指令中含有车间的出库口位置，同时将抓放箱指令通过其本身提供的对外开放接口发送至3D控制系统；
S5-2-2：3D控制系统将车间的出库口位置转换成虚拟场景中所对应的出库口位置，在虚拟场景中控制抓箱机器人对应的模型R’ 2向目标物料箱对应的模型B’ 2进行抓箱出库作业，抓箱机器人对应的模型R’ 2将目标物料箱对应的模型B’ 2运送到出库口处；
S5-2-3：WCS在实景中向抓箱机器人R2发送抓箱出库指令，抓箱机器人R2抓取目标物料箱B2到达车间的出库口，执行放箱操作；
S5-2-4：WCS向3D控制系统发送指令，使抓箱机器人对应的模型R’ 2在虚拟场景中执行放箱操作。
实景中物料箱在抓箱出库时，可能在运送物料箱的过程中出现其他情况，因此，在虚拟场景中先让抓放机器人抓箱到达出库口，待实景中抓放机器人也抓箱到达出库口后，再同时进行放箱，将抓箱出库作业实景与虚拟场景之间的耗时压缩到1~2秒之间的延时。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其各部分名称等可以不同，凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种3D控制系统中模拟抓放箱与实景同步的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）按照实景在3D控制系统中进行建模，构建与实景相关联的虚拟场景，在实景中建立物料箱的实景坐标系（X1,Y1,Z1）和抓放机器人的实景坐标系（X2,Y2），在3D控制系统的虚拟场景中建立物料箱的虚拟坐标系（X’ 1,Y’ 1,Z’ 1）和抓放机器人的虚拟坐标系（X’ 2,Y’ 2）；物料箱的实景坐标系（X1,Y1,Z1）中，在X1轴和Y1轴上均等距设有多个定位标识；将实景坐标系（X1,Y1,Z1）映射到虚拟坐标系（X’ 1,Y’ 1,Z’ 1）上、将实景坐标系（X2,Y2）映射到虚拟坐标系（X’ 2,Y’ 2）上，使实景中的所有对象均在虚拟场景中存在与之唯一对应的虚拟对象，实景中所有对象的位置均一一映射到虚拟场景中，并在3D控制系统的显示屏进行显示；
（2）仓储管理系统获取实景中物料箱的初始位置，将物料箱的初始位置发送给3D控制系统，3D控制系统将物料箱的初始位置转换成虚拟场景中所对应的物料箱模型的初始位置；同时，记录实景中物料箱的物料信息，并将物料箱的信息发送给3D控制系统；3D控制系统将物料箱的信息加载进虚拟场景中物料箱所对应的模型，使虚拟场景中的物料箱模型的物料信息与实景中同步；
（3）机器人管理系统获取实景中抓放机器人的位置，将抓放机器人的位置发送给3D控制系统，3D控制系统将抓放机器人的位置转换成所对应的抓放机器人模型的位置；
（4）仓库控制系统在实景中向抓放机器人发送抓放箱指令，抓放箱指令中含有物料箱的目标位置；同时，将抓放箱指令发送至3D控制系统，3D控制系统将物料箱的目标位置转换成虚拟场景中所对应的物料箱模型的目标位置；
（5）实景中抓放机器人对指定物料箱进行抓放箱作业，物料箱经过定位标识时，定位标识会发送相应的信息至3D控制系统；在3D控制系统的虚拟场景中，抓放机器人的对应模型也对指定物料箱的对应模型进行抓放箱作业，并且抓放箱作业的过程在3D控制系统的显示屏上显示。
2.根据权利要求1所述的3D控制系统中模拟抓放箱与实景同步的控制方法，其特征在于：所述步骤（5）中实景和虚拟场景中相应地进行抓放箱作业，包括抓箱入库作业（5-1）和抓箱出库作业（5-2）；
抓箱入库作业（5-1）包括以下步骤：
（5-1-1）物料箱的初始位置处在车间的入库口，仓库控制系统在实景中向抓箱机器人发送抓箱入库指令；
（5-1-2）抓箱机器人收到抓箱入库指令后，到达入库口，抓取物料箱；
（5-1-3）抓箱机器人回收物料箱上的钢带；
（5-1-4）仓库控制系统通过对外开放接口向3D控制系统发送抓箱入库指令，在虚拟场景中控制抓箱机器人对应的模型向目标物料箱对应的模型进行抓箱入库作业，将物料箱从入库口抓取到目标位置后放箱；
（5-1-5）实景中，抓箱机器人对物料箱进行放箱操作；
抓箱出库作业（5-2）包括以下步骤：
（5-2-1）仓库控制系统通过对外开放接口向3D控制系统发送抓箱出库指令，在虚拟场景中控制抓箱机器人对应的模型向目标物料箱对应的模型进行抓箱出库作业；
（5-2-2）在虚拟场景中，抓箱机器人对应的模型将目标物料箱对应的模型运送到出库口处；
（5-2-3）仓库控制系统在实景中向抓箱机器人发送抓箱出库指令，抓箱机器人抓取目标物料箱到达车间的出库口，执行放箱操作；
（5-2-4）仓库控制系统向3D控制系统发送指令，使抓箱机器人对应的模型在虚拟场景中执行放箱操作。
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