CN115128993A - 钢卷定位抓取出入库系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了钢卷定位抓取出入库系统及其使用方法，PLC控制模块控制横梁沿着天车水平移动；PLC控制模块控制垂降车垂直于水平面运动；垂降车还包括吊具夹钳，PLC控制模块控制吊具夹钳用于夹取和取放钢卷；主扫描仪固定设置在横梁一端，副扫描仪固定设置在横梁另一端；主扫描仪和副扫描仪获取盛放钢卷的库区点云数据，同时通过标定参数将点云数据合成到世界坐标系中；通过主扫描仪和副扫描仪获得点云数据，对操作人员要求较低，精度较高；利用拟合算法计算转换矩阵，减少了误差；PLC控制模块控制横梁、垂降车和吊具夹钳，抓取精度更高，抓取效率也明显提升；库存信息系统保存产品的尺寸以及位置坐标，钢卷出入库更加简便。

Description

钢卷定位抓取出入库系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及搬运系统的技术领域，具体地说，涉及一种钢卷定位抓取出入库系统及其使用方法。

背景技术

随着科技的发展自动化作业是技术发展趋势，是仓储作业高效运行的一个重要途径和手段，包含天车自动运行系统，库区物料管理系统，出入库和自动运进(出)和操作控制系统组成。仓库管理人员都是通过机械化设备控制搬运出货，操作工人在控制室内通过搬运的抓手以及配套的视频设备观察货物位置，使用龙门吊上的抓斗进行抓取，仓库管理人员无需到仓库现场，节约了人力成本，极大的改善了仓库管理人员的工作环境。然而整个作业过程是以抓手配套的视频设备传输的图像对货物进行抓取，该系统对仓库管理人员操作抓手的要求较高，抓取效率较低，抓取准确率较低，一旦产品要求防摔或体积、质量较大的时候容易造成抓取事故。

其次，仓库管理人员完成抓取出库或入库后需要人工录入抓取信息，当入库出库产品种类较多，容易将产品入库出库信息搞混，入库出库产品的数量较多的时候容易出现计数偏差，导致数量与真实情况不符。

因此，钢卷自动化出入库抓取的仓库管理系统需要一种抓取效率高、抓取准确率高，抓取难度较小，并且可以自动录入出入库信息的抓取定位系统。

发明内容

有鉴于此，本发明提出钢卷定位抓取出入库系统及其使用方法，该抓取定位系统的抓取效率和成功了较高，抓取难度较小。

本发明的技术方案是这样实现的，钢卷定位抓取出入库系统，其包括天车、扫描装置、PLC控制模块、算法模块和库存信息系统，其中，所述天车包括横梁和垂降车；PLC控制模块控制横梁沿着天车水平移动；PLC控制模块控制垂降车垂直于水平面运动；垂降车还包括吊具夹钳，吊具夹钳夹取有钢卷，PLC控制模块控制吊具夹钳用于夹取和取放钢卷；扫描装置包括主扫描仪和副扫描仪，主扫描仪固定设置在横梁一端，副扫描仪固定设置在横梁另一端；主扫描仪和副扫描仪获取盛放钢卷的库区点云数据，同时通过标定参数将点云数据合成到世界坐标系中；主扫描仪和副扫描仪将库区点云数据传输给算法模块；算法模块计算钢卷在世界坐标系中的坐标点以及钢卷的尺寸，并且将该世界坐标系中的坐标点传输给PLC控制模块和库存信息系统；库存信息系统记录该尺寸钢卷的出入库信息。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述垂降车还包括激光传感器，激光传感器固定设置在吊具夹钳上。

钢卷定位抓取出入库系统的使用方法：

S1，合成点云数据：

副扫描仪得到的点云数据转换到主扫描仪点云数据形成的坐标系中，合成两个点云数据；

S2，建立世界坐标系：

横梁和垂降车初始位置为X轴、Y轴的原点，地面为Z轴的原点，此时横梁沿着水平移动的方向为X轴正方向，垂降车在横梁上的移动方向为Y轴的正方向，远离地面的方向为Z轴的正方向。

并且将S1合成的点云数据转换到世界坐标。

S3，确定主扫描仪到世界坐标系的旋转矩阵：

主扫描仪和副扫描仪扫描仓库内墙面的位置，算法模块获取主扫描仪和副扫描仪扫描得到的点云数据，提取地面点云ground，拟合成平面，得到单位法矢normal，计算法矢与Z轴正向角度angle,将地面与Z轴垂直，得到一个旋转轴和旋转指定角度，

轴axis＝normal×UnitZ

角度angle＝acos(normal·UnitZ)

将点云数据对axis选择angle角后对齐世界坐标系XOY平面，同理的到另一个平面旋转矩阵；

在上面选取一个特征区域，拟合特征点，世界坐标系下使用测量设备量取特征点坐标，比对两个特征点的偏移，相减可以得到平移向量和转换到世界坐标的转换矩阵Mat_world。

S4，主扫描仪和副扫描仪标定：

副扫描仪点云数据转换到主扫描仪坐标系，同时读取主扫描仪点云cloud_primary,副扫描仪点云cloud_sub,获取重合区域后使用ICP算法拟合点云转换矩阵Mat_primary，副扫描仪点云转换到世界坐标系的转换矩阵为Mat＝Mat_world*Mat_primary。

S5，钢卷点云数据拟合：

获取到目标钢卷点云数据，使用直通滤波切割点云数据，将中心点云数据及周围钢卷点云数据分割出来，分割出钢卷点云数据及周围四个钢卷的点云数据；

使用聚类分割和高斯滤波，消除离散点和得到有效钢卷点云数据，在使用拟合算法将点云数据拟合为圆柱，去除偏差过大，半径不在范围的错误数据后，提取钢卷半径和中心线直线方程lineCenter，提取钢卷的长度，钢卷长度方向平行于X轴，中心点所在平面为minX,maxX为钢卷X轴方向最小值和最大值，x＝(minX+maxX)*0.5为中心点所在平面planeCenter。计算直线lineCenter和平面planeCenter的交点即为钢卷中心点坐标；计算获取钢卷(6)的长、宽、半径数值以及中心点坐标信息。

S6，入库操作：

向库存信息系统输入钢卷的尺寸，库存信息系统将该信息传递到主扫描仪和副扫描仪，主扫描仪和副扫描仪得到钢卷的世界坐标点，横梁和垂降车世界坐标点，钢卷的摆放位置世界坐标点，将上述世界坐标点发送给PLC控制模块，PLC控制模块控制横梁和垂降车到达钢卷的世界坐标点，通过吊具夹钳夹紧钢卷，并且转移到摆放位置世界坐标点。

S7，出库操作：

向库存信息系统输入钢卷的尺寸，库存信息系统将出库钢卷的世界坐标点，横梁和垂降车世界坐标点，传送PLC控制模块，PLC控制模块控制横梁和垂降车到达钢卷的世界坐标点，通过吊具夹钳夹紧钢卷完成出库。

本发明的钢卷定位抓取出入库系统及其使用方法相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)通过主扫描仪和副扫描仪获得点云数据，对操作人员要求较低，精度较高；

(2)利用拟合算法计算转换矩阵，减少了误差；

(3)PLC控制模块控制横梁、垂降车和吊具夹钳，抓取精度更高，抓取效率也明显提升；

(4)库存信息系统保存产品的尺寸以及位置坐标，钢卷出入库更加简便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明钢卷定位抓取出入库系统的流程框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，钢卷定位抓取出入库系统，其包括天车1、扫描装置2、PLC控制模块3、算法模块4和库存信息系统5。

其中，天车1包括横梁11和垂降车12。

PLC控制模块3控制横梁11沿着天车1水平移动，PLC控制模块3控制垂降车12垂直于水平面运动。

垂降车12还包括吊具夹钳121，吊具夹钳121上夹有钢卷6，PLC控制模块3控制吊具夹钳121用于夹取和放置钢卷6。

扫描装置2包括主扫描仪21和副扫描仪22，主扫描仪21固定设置在横梁11一端，副扫描仪22固定设置在横梁11另一端。

主扫描仪21和副扫描仪22获取盛放钢卷6的库区点云数据和钢卷6的点云数据，同时通过标定参数将点云数据合成到世界坐标系中。

主扫描仪21和副扫描仪22将库区点云数据和钢卷6的点云数据传输给算法模块4。

算法模块4计算钢卷6在世界坐标系中的坐标点以及钢卷6的尺寸，并且将该世界坐标系中的坐标点传输给PLC控制模块3和库存信息系统5，库存信息系统5记录该尺寸钢卷6的出入库信息。

为了提高吊具夹钳121的抓取效率，一种优选的实施方式是，垂降车12还包括激光传感器122，激光传感器122固定设置在吊具夹钳121上。通过激光传感器122判断吊具夹钳121与钢卷6的相对位置，保证抓取的可靠性。

以下介绍本发明钢卷定位抓取出入库系统的使用方法：

S1，合成点云数据：

副扫描仪22得到的点云数据转换到主扫描仪21点云数据形成的坐标系中，合成两个点云数据；

S2，建立世界坐标系：

横梁11和垂降车12初始位置为世界坐标系中X轴、Y轴的原点，地面为世界坐标系中Z轴的原点，此时横梁11沿着水平移动的方向为X轴正方向，垂降车12在横梁11上的移动方向为Y轴的正方向，远离地面的方向为Z轴的正方向；

并且将S1合成的点云数据转换到世界坐标；

S3，确定主扫描仪21到世界坐标系的旋转矩阵：

主扫描仪21和副扫描仪22扫描仓库内墙面的位置，算法模块4获取主扫描仪21和副扫描仪22扫描得到的点云数据，提取地面点云ground，拟合成平面，得到单位法矢normal，计算法矢与Z轴正向角度angle,地面与Z轴垂直，得到一个旋转轴和旋转指定角度，

轴axis＝normal×UnitZ

角度angle＝acos(normal·UnitZ)

将点云数据对axis选择angle角后对齐世界坐标系XOY平面，同理的到另一个平面旋转矩阵；

在上面选取一个特征区域，拟合特征点，世界坐标系下使用测量设备量取特征点坐标，比对两个特征点的偏移，两个特征点坐标相减得到平移向量和转换到世界坐标的转换矩阵Mat_world；

S4，主扫描仪21和副扫描仪22标定：

副扫描仪22点云数据转换到主扫描仪21坐标系，同时读取主扫描仪21点云cloud_primary,副扫描仪22点云cloud_sub,获取重合区域后使用ICP算法拟合点云转换矩阵Mat_primary，副扫描仪22点云转换到世界坐标系的转换矩阵为Mat＝Mat_world*Mat_primary；

S5，钢卷6点云数据拟合：

获取到目标钢卷6点云数据，使用直通滤波切割点云数据，将中心点云数据及周围钢卷点云数据分割出来，分割出钢卷6点云数据及周围四个钢卷6的点云数据；

使用聚类分割和高斯滤波，消除离散点和得到有效钢卷6点云数据，再使用拟合算法将点云数据拟合为圆柱，去除偏差过大、半径不在范围的错误数据，提取钢卷6半径和中心线直线方程lineCenter，钢卷6长度方向平行于X轴，提取钢卷6的长度，钢卷6中心点所在平面为minX，maxX为钢卷6X轴方向最小值和最大值，x＝(minX+maxX)*0.5为中心点所在平面planeCenter。计算直线lineCenter和平面planeCenter的交点即为钢卷6中心点坐标；计算获取钢卷(6)的长、宽、半径数值以及中心点坐标信息；

S6，入库操作：

向库存信息系统5输入钢卷6的尺寸，库存信息系统5将该信息传递到主扫描仪21和副扫描仪22，主扫描仪21和副扫描仪22得到钢卷6的世界坐标点，横梁11和垂降车12世界坐标点，钢卷6的摆放位置世界坐标点，将上述世界坐标点发送给PLC控制模块3，PLC控制模块3控制横梁11和垂降车12到达钢卷6的世界坐标点，通过吊具夹钳121夹紧钢卷6，并且转移到摆放位置世界坐标点；激光传感器122对吊具夹钳121进行校准；

S7，出库操作：

向库存信息系统5输入钢卷6的尺寸，库存信息系统5将出库钢卷6的世界坐标点，横梁11和垂降车12世界坐标点，传送PLC控制模块3，PLC控制模块3控制横梁11和垂降车12到达钢卷6的世界坐标点，激光传感器122对吊具夹钳121进行校准；通过吊具夹钳121夹紧钢卷6完成出库。

在出库与入库的操作过程中，算法模块4需要计算相邻钢卷6之间的距离以及吊具夹钳121有效抓取点、横梁11和垂降车12世界坐标点，并且计算是否会发生碰撞，是否可以继续作业，若不能继续作业发出警告信息，转入人工干预。

抓取钢卷6的时候，目标位置又钢卷6信息的同时，Y轴方向上，吊具夹钳121到钢卷6的距离能够满足吊具夹钳121的工作距离，通过算法模块4的计算，吊具夹钳121张开到合适的宽度，吊具夹钳121移动到目标位置，并且对激光传感器122发出的激光持续0.5～1秒没有遮挡时，闭合吊具夹钳121完成抓取。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.钢卷定位抓取出入库系统，其包括天车(1)、扫描装置(2)、PLC控制模块(3)、算法模块(4)和库存信息系统(5)，其中，

其特征在于：所述天车(1)包括横梁(11)和垂降车(12)；

PLC控制模块(3)控制横梁(11)沿着天车(1)所在的平面移动；

PLC控制模块(3)控制垂降车(12)垂直于该平面运动；

垂降车(12)还包括吊具夹钳(121)，吊具夹钳(121)上夹有钢卷(6)，PLC控制模块(3)控制吊具夹钳(121)用于夹取和放置钢卷(6)；

扫描装置(2)包括主扫描仪(21)和副扫描仪(22)，主扫描仪(21)固定设置在横梁(11)的一端，副扫描仪(22)固定设置在横梁(11)的另一端；

主扫描仪(21)和副扫描仪(22)获取盛放钢卷(6)的库区点云数据和钢卷(6)的点云数据，同时通过标定参数将点云数据合成到世界坐标系中；

主扫描仪(21)和副扫描仪(22)将库区点云数据和钢卷(6)的点云数据传输给算法模块(4)；

算法模块(4)计算钢卷(6)在世界坐标系中的坐标点以及钢卷(6)的尺寸，并且将该世界坐标系中的坐标点传输给PLC控制模块(3)和库存信息系统(5)；

库存信息系统(5)记录该尺寸钢卷(6)的出入库信息。

2.如权利要求1所述的钢卷定位抓取出入库系统，其特征在于：所述垂降车(12)还包括激光传感器(122)，激光传感器(122)固定设置在吊具夹钳(121)上。

3.钢卷定位抓取出入库系统的使用方法，其特征在于，采用权利要求2所述的钢卷定位抓取出入库系统，包括以下步骤：

合成点云数据：

副扫描仪(22)得到的点云数据转换到主扫描仪(21)点云数据形成的坐标系中，合成两个点云数据；

建立世界坐标系：

横梁(11)和垂降车(12)初始位置为世界坐标系中X轴、Y轴的原点，地面为世界坐标系中Z轴的原点，此时横梁(11)沿着水平移动的方向为X轴正方向，垂降车(12)在横梁(11)上的移动方向为Y轴的正方向，远离地面的方向为Z轴的正方向；

并且将S1合成的点云数据转换到世界坐标。

4.如权利要求3所述的钢卷定位抓取出入库系统的使用方法，其特征在于：确定主扫描仪(21)到世界坐标系的旋转矩阵：

主扫描仪(21)和副扫描仪(22)扫描仓库内墙面的位置，算法模块(4)获取主扫描仪(21)和副扫描仪(22)扫描得到的点云数据，提取地面点云ground，拟合成平面，得到单位法矢normal，计算法矢与Z轴正向角度angle,地面与Z轴垂直，得到一个旋转轴和旋转指定角度，

轴axis＝normal×UnitZ

角度angle＝acos(normal·UnitZ)

将点云数据对axis选择angle角后对齐世界坐标系XOY平面，同理的到另一个平面旋转矩阵；

在上面选取一个特征区域，拟合特征点，世界坐标系下使用测量设备量取特征点坐标，比对两个特征点的偏移，两个特征点坐标相减得到平移向量和转换到世界坐标的转换矩阵Mat_world。

5.如权利要求4所述的钢卷定位抓取出入库系统的使用方法，其特征在于：所述主扫描仪(21)和所述副扫描仪(22)标定：

副扫描仪(22)点云数据转换到主扫描仪(21)坐标系，同时读取主扫描仪(21)点云cloud_primary,副扫描仪(22)点云cloud_sub,获取重合区域后使用ICP算法拟合点云转换矩阵Mat_primary，副扫描仪(22)点云转换到世界坐标系的转换矩阵为Mat＝Mat_world*Mat_primary。

6.如权利要求5所述的钢卷定位抓取出入库系统的使用方法，其特征在于：所述钢卷(6)点云数据拟合：

获取到目标钢卷(6)点云数据，使用直通滤波切割点云数据，将中心点云数据及周围钢卷点云数据分割出来，分割出钢卷(6)点云数据及周围四个钢卷(6)的点云数据；

使用聚类分割和高斯滤波，消除离散点和得到有效钢卷(6)点云数据，再使用拟合算法将点云数据拟合为圆柱，去除偏差过大、半径不在范围的错误数据，提取钢卷(6)半径和中心线直线方程lineCenter，钢卷(6)长度方向平行于X轴，提取钢卷(6)的长度，钢卷(6)中心点所在平面为minX，maxX为钢卷(6)X轴方向最小值和最大值，x＝(minX+maxX)*0.5为中心点所在平面planeCenter。计算直线lineCenter和平面planeCenter的交点即为钢卷(6)中心点坐标；计算获取钢卷(6)的长、宽、半径数值以及中心点坐标信息。

7.如权利要求6所述的钢卷定位抓取出入库系统的使用方法，其特征在于：所述入库操作：

向库存信息系统(5)输入钢卷(6)的尺寸，库存信息系统(5)将该信息传递到主扫描仪(21)和副扫描仪(22)，主扫描仪(21)和副扫描仪(22)得到钢卷(6)的世界坐标点，横梁(11)和垂降车(12)世界坐标点，钢卷(6)的摆放位置世界坐标点，将上述世界坐标点发送给PLC控制模块(3)，PLC控制模块(3)控制横梁(11)和垂降车(12)到达钢卷(6)的世界坐标点，通过吊具夹钳(121)夹紧钢卷(6)，并且转移到摆放位置世界坐标点；激光传感器(122)对吊具夹钳(121)进行校准。

8.如权利要求6所述的钢卷定位抓取出入库系统的使用方法，其特征在于：所述出库操作：

向库存信息系统(5)输入钢卷(6)的尺寸，库存信息系统(5)将出库钢卷(6)的世界坐标点，横梁(11)和垂降车(12)世界坐标点，传送PLC控制模块(3)，PLC控制模块(3)控制横梁(11)和垂降车(12)到达钢卷(6)的世界坐标点，激光传感器(122)对吊具夹钳(121)进行校准；通过吊具夹钳(121)夹紧钢卷(6)完成出库。

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