CN117464695A - 一种智能快递存取机器人、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能快递存取机器人、系统及方法，包括：机器人底盘以及搭载在机器人底盘上的机械臂和控制模块；机械臂的末端设有储物标签读卡器，用于读取设于货架上的储物标签，机器人底盘上设有地标标签读卡器，用于读取设于行驶路径中线上的地标标签，控制模块根据目标货架和目标储物格的位置控制机器人沿地标标签移动，读取机械臂到达目标货架上储物标签所在位置的机械臂姿态参数和到达目标储物格的机械臂姿态参数调整机械臂姿态，以使机械臂在目标储物格位置处完成快递的投放或抓取。满足机器人定位导航的需要，且无需建设轨道，保证快递投放和抓取的正确性。

Description

一种智能快递存取机器人、系统及方法

技术领域

本发明涉及物流机器人技术领域，特别是涉及一种智能快递存取机器人、系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着快递量的逐渐增多，尤其是在大型电商促销活动期间，激增的快件量和短期大量末端用工缺口之间的矛盾，极易出现派送时效延长、快件积压滞留等问题，“最后一公里”问题愈发凸显，“最后一公里”是指快递从物流中心到分流中心后，从分流中心到客户手中的这段距离，是物流配送中最后一个环节，也是唯一和客户直接接触的环节。

当前，快递的派送主要存在三种模式：

(1)根据快递的寄件或收件地址，由快递员上门送件或取件。但是该种方法人工成本高，在取件及送件的过程中，往往需要多次的电话沟通，且时常会因为客户不在家等原因造成不能及时取件或送件，由此整体收发效率低。

(2)快递代收(寄)站，由人工管理的快递寄存中转站，收件人持取件凭证到代收站领取快递。但是，目前快递代收站点安全管理不完善，空间狭小人员密集，对取件人员没有限制，甚至有些代理站点是设置在商铺需要兼顾其他营业项目，营业人员对进出人群的管理存在疏漏，取件人凭借取件码在快递货架上进行查找，会出现错拿或故意偷盗快递的情况，效率低且不安全。

(3)智能快递柜，由特定的企业在社区内安装配置，具有通信功能，可以进行人员信息验证。但是，由于缺乏统一的标准和要求，目前智能快件箱的建设和运营仍由相关企业各自实施，一套智能快件箱的平均建设成本较高，会占用公共用地，面临被收取租金的问题，还要承担运维人员的人工成本及电费等其他支出，增加各企业的运营管理难度，使行业整体效率不高，也不利于为用户提供更好的服务，影响快件箱的推广使用。

近年来，随着人工智能、5G、云计算、物联网技术的迅猛发展，以及新兴商业模式创新需求拉动，在物流领域各个环节机器人的应用也日渐增多，物流机器人行业也呈现出快速发展的趋势。物流机器人简称AGV，是指应用于仓库、分拣中心以及运输途中等场景进行货物转移、搬运等操作的机器人。物流机器人从应用领域方面可分为工业用物流机器人和商业用物流机器人，从功能方面可分为无人搬运车、码垛机器人和分拣机器人。

目前有通过在仓库中设置仓储架以及交错设置在仓储架内的移动轨道，AGV小车根据固定规矩沿轨道进行移动；但是在密闭的仓储空间中，采用轨道式导航会增加相应的建筑成本。

还有采用激光雷达进行导航的方式，但是由于行驶路径是由储物货架分隔而成，局部环境过于相似，在定位过程中与地图信息配准时有产生误匹配的可能性，存放精度不足，机器人到达导航目的地时，不能顺利的将货物准确的放置在货物存放柜中，或者出现存放的货物与分配的货物存放柜编号不匹配的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种智能快递存取机器人、系统及方法，设计地标标签和储物标签，通过地标标签的位置构建全局地图，满足机器人定位导航的需要，且无需建设轨道，通过储物标签定位储物格的位置，保证快递投放和抓取的正确性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种智能快递存取机器人，包括：机器人底盘以及搭载在机器人底盘上的机械臂和控制模块；

所述机械臂的末端设有储物标签读卡器，所述储物读卡器用于读取设于货架上的储物标签，所述储物标签存储有货架中每个储物格的位置和尺寸、已占用储物格的快递信息以及从储物标签所在位置到每个储物格的机械臂姿态参数；

所述机器人底盘上设有地标标签读卡器和测距模块；

所述地标标签读卡器用于读取设于行驶路径中线上的地标标签，所述地标标签存储有与地标标签对应的储物标签的位置和机械臂到达储物标签所在位置的机械臂姿态参数；

所述测距模块用于探测机器人底盘与行驶路径两侧边界的距离，以使机器人沿行驶路径的中线行驶；

所述控制模块，被配置为根据目标货架和目标储物格的位置控制机器人沿地标标签移动，且在目标货架对应的地标标签处停止，通过读取机械臂到达目标货架上储物标签所在位置的机械臂姿态参数和到达目标储物格的机械臂姿态参数调整机械臂姿态，以使机械臂在目标储物格位置处完成快递的投放或抓取。

作为可选择的实施方式，储物标签所在位置是机械臂的相对零点，以相对于储物标签所在位置的偏移距离设置每个储物格的位置。

作为可选择的实施方式，所述机械臂的末端连接有机械爪；

在入库时，机械爪从储物格纵切面高度方向的边进行夹持抓取，机械爪承受夹持力的边是储物格纵切面对应的高度边，放置快递时垂直于水平线的边；

在出库时，机械爪与快递高度的中心保持水平，到达快递侧立面中心时收紧。

作为可选择的实施方式，所述机械臂末端还设有深度视觉相机，所述深度视觉相机用于对待入库快递进行尺寸扫描；

或，当机械臂移动到目标储物格位置处进行投放或抓取之前，深度视觉相机对目标储物格进行空间尺寸扫描，以验证目标储物格的空置状态；

或，当机械臂移动到目标储物格位置处进行快递的抓取之前，深度视觉相机计算快递外立面距离机械臂的距离，以控制抓取动作。

作为可选择的实施方式，所述机器人底盘上还搭载有货物箱，货物箱的上边缘设有用于检测是否超载的传感器。

作为可选择的实施方式，所述控制模块，被配置为：根据目标货架的位置进行路径规划，确定途径的地标标签的顺序，控制机器人从当前位置逐一读取地标标签，以沿地标标签移动；

通过读取机械臂到达目标储物格对应的储物标签所在位置的机械臂姿态参数，当储物标签读卡器的天线信号强度高于设置的分贝阈值时，认为机械臂末端到达目标货架的储物标签位置；

读取目标货架的储物标签，根据目标储物格编号，调取机械臂到达目标储物格的机械臂姿态参数，驱动机械臂末端到达目标储物格正前方边界，从而控制完成快递的投放或抓取。

第二方面，本发明提供一种智能快递存取机器人系统，包括：第一方面所述的智能快递存取机器人和控制终端；

所述控制终端用于对待入库快递分配目标储物格并存储入库的快递信息，以及对待出库快递确定所存储的目标储物格，并将确定的目标储物格和所在目标货架发送至智能快递存取机器人；

所述智能快递存取机器人根据目标货架和目标储物格的位置完成快递的投放或抓取。

第三方面，本发明提供一种智能快递存取机器人系统的入库方法，应用第二方面所述的智能快递存取机器人系统，包括：

对待入库快递进行扫描并分配储物位置，确定目标储物格和所在的目标货架；

根据目标货架的位置进行路径规划，确定途径的地标标签的顺序，控制机器人沿地标标签移动，且在目标货架对应的地标标签处停止；

通过读取机械臂到达目标货架上储物标签所在位置的机械臂姿态参数，控制机械臂末端到达目标货架的储物标签位置；

读取目标货架的储物标签，调取机械臂到达目标储物格的机械臂姿态参数，控制机械臂末端到达目标储物格；

采用机械臂末端的深度视觉相机，对目标储物格进行空间尺寸扫描，以验证目标储物格的空置状态；

在目标储物格为空时，通过机械臂末端的机械爪抓取待入库快递并投放。

第四方面，本发明提供一种智能快递存取机器人系统的出库方法，应用第二方面所述的智能快递存取机器人系统，包括：

通过查询入库信息确定待出库快递所存储的目标储物格和所在的目标货架；

根据目标货架的位置进行路径规划，确定途径的地标标签的顺序，控制机器人沿地标标签移动，且在目标货架对应的地标标签处停止；

通过读取机械臂到达目标货架上储物标签所在位置的机械臂姿态参数，控制机械臂末端到达目标货架的储物标签位置；

读取目标货架的储物标签，调取机械臂到达目标储物格的机械臂姿态参数，控制机械臂末端到达目标储物格；

采用机械臂末端的深度视觉相机对目标储物格进行空间尺寸扫描，以验证目标储物格的空置状态；

在目标储物格不为空时，通过机械臂末端的机械爪抓取待出库快递。

作为可选择的实施方式，在抓取快递时，机械爪的夹持力设计为：

F≥G/μ，或，

其中，G为被夹持的受重力，F为夹持力，μ是摩擦因数；m为快递质量，ɡ为重力加速度，ɑ为竖直方向的运动加速度，s为安全系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提出一种智能快递存取机器人、系统及出入库方法，设计地标标签和储物标签的两类标签，通过地标标签的位置构建全局地图，满足机器人定位导航的需要，无需建设轨道，在有限的仓库空间内，节省空间和成本；通过储物标签定位储物格的位置，保证快递投放和抓取的正确性。

本发明采用移动式机器人底盘搭载深度视觉相机、货物箱、机械臂及机械爪等设备，通过地标标签导航，引导机器人标定货架位置，通过储物标签确定快递的存放属性，调节机械臂姿态，通过深度视觉感知快递包裹与机械爪的位置关系，从而完成快递的投放与抓取；采用快递单号、外观状态、存放位置、归属人等信息相互关联的方式，通过机器人智能系统建立人与快递之间的认证关系，确保快递存取的安全管理。

本发明提出一种智能快递存取机器人、系统及出入库方法，采用RFID标签进行机器人在封闭仓库空间中的定位与导航，地标RFID标签与储物RFID标签标签放置于固定位置，机器人装配有对应的读卡器，当读卡器近距离检测到标签信号时，可以读取到RFID标签内置的信息，相对于激光SLAM(同时定位与地图构建)导航与视觉导航，成本低，更加贴合环境的要求；通过RFID标签标记货架位置，一个货架的RFID标签对应多个快递的存放位置，在RFID标签中存储机械臂的不同姿态参数，通过快递ID检索存放位置，通过存放位置获取机械臂姿态，实现无人操作的自动拿取和放置，提高快递出入库的效率和准确率。

本发明附加方面的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

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1提供的智能快递存取机器人示意图；

图2为本发明实施例1提供的二指平指机械爪手示意图；

其中，1、机械爪；2、深度视觉相机；3、储物标签读卡器；4、机械臂；5、货物箱；6、传感器；7、测距模块；8、机器人底盘；9、地标标签读卡器；10、补光照明设备。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“包含”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

在密闭的仓储空间中采用轨道式导航会增加相应的建筑成本，而若采用激光雷达导航方式，由于行驶路径是由储物货架分隔而成，局部环境过于相似，在定位过程中与地图信息配准时有产生误匹配的可能性。

由此，本实施例提出一种适用于快递末端具有自动存取功能的智能快递存取机器人，包括：机器人底盘以及搭载在机器人底盘上的机械臂和控制模块；

所述机械臂的末端设有储物标签读卡器，所述储物读卡器用于读取设于货架上的储物标签，所述储物标签存储有货架中每个储物格的位置和尺寸、已占用储物格的快递信息以及从储物标签所在位置到每个储物格的机械臂姿态参数；

所述机器人底盘上设有地标标签读卡器和测距模块；

所述地标标签读卡器用于读取设于行驶路径中线上的地标标签，所述地标标签存储有与地标标签对应的储物标签的位置和机械臂到达储物标签所在位置的机械臂姿态参数；

所述测距模块用于探测机器人底盘与行驶路径两侧边界的距离，以使机器人沿行驶路径的中线行驶；

所述控制模块，被配置为根据目标货架和目标储物格的位置控制机器人沿地标标签移动，且在目标货架对应的地标标签处停止，通过读取机械臂到达目标货架上储物标签所在位置的机械臂姿态参数和到达目标储物格的机械臂姿态参数调整机械臂姿态，以使机械臂在目标储物格位置处完成快递的投放或抓取。

在本实施例中，采用射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术，采用RFID标签进行机器人在封闭仓库空间中的定位与导航，RFID标签可以不带电源，利用读卡器近距离发射的信号产生能量将自身的信息传输至读卡器，较其他通信标签具有成本低、易配置、无源等优势。

将RFID标签分为地标RFID标签和储物RFID标签；其中，地标RFID标签设置于地面行驶路径的中线上，储物RFID标签设置于货架与货架之间的间隔位置上，并根据地标RFID标签的位置构建全局地图，通过在货架与地面铺设近距离RFID标签进行机器人定位与行驶方式的调整。

如图1所示，机器人底盘8采用四轮驱动底盘，在其运动方向的前方设有补光照明设备10，在机器人底盘8的中心位设置地标标签读卡器9，地标RFID标签存储的信息描述为此标签在全局地图中的位置坐标，对应于货架编号，前后关联的地标RFID标签的编号，机器人在此标签位置处的行驶状态，如直行、左转向90度、右转向90度、原地转向180度等。

机器人底盘8的两个侧面装配测距模块7，所述测距模块7可采用超声波测距雷达，用于分别探测机器人底盘与行驶路径两侧边界的距离，以使机器人沿行驶路径的中线行驶。

在机械臂4的末端设置储物标签读卡器3，储物RFID标签所在位置是机械臂的相对零点，以相对于储物RFID标签所在位置的偏移距离设置每个储物格的位置。

在本实施例中，货架分为多层，且为了更充分的利用储物货架的空间，将货架分为若干大小尺寸不同的储物格，在储物RFID标签中存储货架中每个储物格的位置属性，且此属性关联机器人从储物标签所在位置到每个储物格的机械臂姿态参数，在同一储物RFID标签位置，机器人根据储物格的位置属性调整机械臂姿态，可以拣取或放置对应货架上任意储物格位置处的快递。

另外，储物格具有唯一编号，储物格的位置与所存放的快递信息被关联写入对应的储物RFID标签中。

在本实施例中，在机械臂4的末端连接有机械爪1；

在入库时，机械爪在夹取快递之前，机械爪选择夹持储物格纵切面高度方向的边进行抓取快递投放，即根据储物格的长宽比例转动机械爪，使承受夹持力的边是对应的高度边，即放置快递时垂直于水平线的边，这样在投递完成抽出机械爪时，机械爪略微扩张即可摆脱快递包装箱的摩擦力，不至于将快递受力拖动，造成投放异常。

在出库时，机械爪的二指与快递高度的中心保持水平，扩张至快递宽度尺寸且略有冗余，当到达快递包装箱侧立面中心时，收紧机械爪；

由于快递包装为纸箱，具有一定柔性，允许产生微小形变，所以机械爪传递稍大力矩可以增加快递与爪手之间摩擦力，也不会降低机械爪手的使用寿命；

机械爪在抓取快递到放置进入货物箱的过程中，由机械臂控制确保快递始终保持水平，避免快递重心移动导致跌落，也可确保快递在货物箱中的码放秩序。

作为可旋转的一种实施方式，机械爪的末端装配磨砂质或橡胶质的夹取片，可起到分散压强、增加摩擦力的作用，在具有冗余压力的情况下，可以确保快递的外包装完好不被破坏，稳定抓取快递。

可以理解的，机械爪有多种驱动类型，如：气动式、液动式、齿轮式等，手指也具有平指、V型指等样式，本实施例不对机械爪类型做进一步说明，以二指平指机械爪手为例，如图2所示。

在本实施例中，在机械臂末端还设有深度视觉相机2，所述深度视觉相机2用于：

(1)在快递入库时对快递尺寸进行扫描，采用深度视觉相机围绕快递180°半圆扇形扫描，通过距离信息获取快递尺寸；尺寸的计算过程采用常规手段即可，不再赘述。

(2)为了防止快递入库或取件异常，当机械臂移动到目标储物格位置处进行快递的投放或抓取之前，通过深度视觉相机验证目标储物格的空置状态；具体为，深度视觉相机在储物格的正前方进行储物空间的尺寸扫描，若扫描到的深度距离小于储物格的尺寸，则证明该储物格不为空。

(3)在快递出库时，当机械臂移动到目标储物格位置处进行快递的抓取之前，通过深度视觉相机计算快递外立面距离机械爪的距离，以便控制机械爪手的抓取动作。

在本实施例中，在机器人底盘上还搭载有货物箱5，所述货物箱5为敞口式，其尺寸大于可装载最大规格的纸箱包装，货物箱5的上边缘设有用于检测是否超载的传感器6。货物箱一次可装载多件快递，若在装载过程中已装载的快递箱超过了货物箱的高度限制，则触发传感器报警；装载过程默认为根据需要装载快递的尺寸排序，依先大后小的顺序依次抓取和装载。

在本实施例中，在入库时，根据快递包装的尺寸和机械爪开合的冗余空间选取可存放当前快递的最小尺寸的储物格；或者在出库时，根据快递单号查询快递的入库信息，由此可确定目标货架和目标货架上的目标储物格；

按照目标货架的储物RFID标签对应的地标RFID标签进行最优路径的规划，由于机器人采用地标RFID标签进行导航，规划好的路径是在全局地图中标定途径的地标RFID标签的次序，在每个地标RFID标签中更新去往下一个地标RFID标签的航向角、距离等信息；

按照规划的路径，控制机器人从当前位置逐一读取地标RFID标签，沿地标RFID标签移动，直至到达目标货架对应的地标RFID标签处停止，通过读取地标RFID标签进行定位与导航，通过每个地标RFID标签修正行驶误差到达目的地标RFID标签；

由于货架的储物格呈密集分布且居于行驶路径的两侧，所以地标RFID标签对应多个储物RFID标签，地标RFID标签存储有到达每个储物RFID标签的机械臂姿态参数，通过读取机械臂到达目标储物格对应的储物RFID标签所在位置的机械臂姿态参数，使机械臂末端的储物标签读卡器接近货架位置的储物RFID标签；

当储物标签读卡器的天线信号强度高于设置的分贝阈值时，则认为机械臂达到储物RFID标签位置；具体地，储物标签读卡器在靠近储物RFID标签的过程中，可以测量信号强度，读卡器与标签的距离越近信号强度越高，预先设置信号强度的分贝阈值，当读卡器测量的信号强度分贝达到分贝阈值时，则停止机械臂运动，并将此位置标记为此货架的“原点”或“零点”，完成机器人行驶过程中产生的误差修复；

每个储物RFID标签中存储有在此位置机械臂到达所有储物格的姿态参数信息，读取储物RFID标签，根据目标储物格编号，调取机械臂到达目标储物格的机械臂姿态参数，驱动机械臂末端到达储物格正前方边界，从而通过机械爪控制完成快递的投放或抓取。

本实施例采用RFID标签进行机器人在封闭仓库空间中的定位与导航，相对于激光slam导航与视觉导航，成本低、更加贴合环境的要求；通过RFID标签标记货架位置，一个货架的RFID标签对应多个快递的存放位置，在RFID标签中存储机械臂的不同姿态参数，通过快递ID检索存放位置，通过存放位置获取机械臂姿态。

采用移动式机器人底盘搭载深度视觉相机、货物箱、机械臂及机械爪等设备，通过地标RFID标签导航，引导机器人标定货架位置，通过储物RFID标签确定快递的存放属性，调节机械臂姿态，通过深度视觉感知快递包裹与机械爪的位置关系，从而完成快递的投放与抓取；采用快递单号、外观状态、存放位置、归属人等信息相互关联的方式，通过机器人智能系统建立人与快递之间的认证关系，确保快递存取的安全管理。

实施例2

本实施例提供一种智能快递存取机器人系统，包括：实施例1所述的智能快递存取机器人和控制终端；

所述控制终端用于对待入库快递分配目标储物格并存储入库的快递信息，以及对待出库快递确定所存储的目标储物格，并将确定的目标储物格和所在目标货架发送至智能快递存取机器人；

所述智能快递存取机器人根据目标货架和目标储物格的位置完成快递的投放或抓取。

实施例3

本实施例提供一种实施例2所述的智能快递存取机器人系统的入库方法，包括：

(1)对待入库快递进行扫描，包括包装尺寸、重量、单号、取件人信息等，并存储至控制终端；

其中，若采用的纸箱包装，则可根据纸箱标准的规格快捷录入，如顺丰纸箱尺寸分为6个尺寸规格：

1号：20cm×18cm×10cm，可承载最大1.5kg；

2号：25cm×20cm×18cm，可承载最大3kg；

3号：30cm×25cm×20cm，可承载最大5kg；

4号：36cm×30cm×25cm，可承载最大10kg；

5号：53cm×32cm×23cm，可承载最大15kg；

6号：70cm×40cm×32cm，可承载最大15kg。

若采用的是非规格样式则采用机械臂末端的深度视觉相机围绕快递180°半圆扇形扫描，通过距离信息获取包装尺寸。

(2)分配储物位置，包括货架编号、合适尺寸的储物格；根据快递的包装尺寸、机械爪开合的冗余空间和当前未被占用的储物格，选取可存放当前快递的最小尺寸的目标储物格，并将待入库快递的信息关联写入对应的储物RFID标签中。

(3)根据货物箱的尺寸，装载待入库快递，且不超过满载界限；若在装载过程中已装载的待入库快递超过满载界限，则触发传感器报警，提示机器人装运厢已超载，需要将最后一件快递移出货物箱，并结束本次装载。

(4)一次装载完成后，按“后进先出”的原则，根据分配的目标货架的位置进行最优路径规划，在机器人的全局地图中标记途径地标RFID标签的顺序与行驶参数，在每个地标RFID标签中更新去往下一个地标RFID标签的航向角、距离等信息。

(5)按照规划的路径，控制机器人从当前位置逐一读取地标RFID标签，沿地标RFID标签移动，直至到达目标货架对应的地标RFID标签处停止。

(6)通过在目标货架对应的地标RFID标签中读取机械臂到达目标储物格对应的储物RFID标签所在位置的机械臂姿态参数，控制机械臂的移动，使机械臂末端的储物标签读卡器接近货架位置的储物RFID标签；

(7)当储物标签读卡器的天线信号强度高于设置的分贝阈值时，则认为机械臂达到储物RFID标签位置；

(8)读取储物RFID标签，根据目标储物格编号，调取机械臂到达目标储物格的机械臂姿态参数，驱动机械臂末端到达目标储物格正前方边界。

(9)采用机械臂末端的深度视觉相机，在目标储物格正前方进行储物空间尺寸的扫描，以验证目标储物格的空置状态；

如果目标储物格为空，则执行步骤(10)；

如果深度距离小于目标储物格尺寸，则目标储物格不为空，表示目标储物格中存在异物或是被占用，放弃本次入库投放，按原路返回暂存此快递，执行步骤(4)，进入下一个快递的投放流程，并报告储物格状态异常。

(10)机械臂与机械爪在货物箱中拣取对应的待入库快递，投放至目标储物格的中间位置；

机械爪在夹取快递之前，根据目标储物格的长宽比例转动机械爪，使得承受夹持力的边是对应的高度边，即放置快递时垂直于水平线的边，这样在投递完成抽出机械爪时，机械爪略微扩张即可摆脱快递包装箱的摩擦力，不至于将快递受力拖动，造成投放异常。

(11)如果装运厢中有余留快递，则执行步骤(5)，完成下一个快递的入库投放；否则，返回至快递入库的起点，执行步骤(1)，直至完成所有入库任务。

实施例4

本实施例提供一种实施例2所述的智能快递存取机器人系统的出库方法，包括：

(1)快递出库过程中，当前快递取件流程中会存在误拿、错拿、盗取快递的行为，虽然配备视频监控系统，但作用甚微。所以在取件过程中，对取件人的身份验证既要便捷又要安全。

本实施例提供多种人员身份信息验证方法来验证取件人信息，将取件人与快递单号进行绑定，既方便取件人取件，又可以保证取件的安全性；

例如：快递订单手机号码，向收件人手机号码实时发送验证码，快递入库时通知收件人的取件码，取件人人脸识别并与身份证进行人证合一的认证等方式。

为了避免误取快递，属于同一取件人的多个快递，优先同一批次出库；多人取件时，可以按照到站顺序验证取件，待机器人取件返回，在取件口扫描单号逐一提示对应取件人。

(2)根据快递单号查询快递的入库信息，包括：包装尺寸、存储位置、重量等，如果需要多件快递出库，则采用贪心算法解决“背包问题”，优先拣取尺寸大、重量大的快递放置在货物箱的底部，容量满载时则将剩余快递划分成多批次出库，由此进行出库快递的路径规划，在全局地图中标记途径地标RFID标签的顺序与行驶参数。

“背包问题”指：一个背包的容量与承重一定，如何将若干价值、体积、重量不等的物品装入背包，使得背包内物品的价值总和最大；而在机器人出库快递的过程中，不需计算包裹的价值，仅考虑货箱的容积与装载的安全性，因此有多件快递需要同时出库时，采用贪心策略，即：体积大的包裹优先出库装入货箱。机器人获得出库快递信息后，根据快递尺寸进行排序，按照贪心算法策略制定出库顺序的排序，在保证运送稳定性的前提下最大化利用货箱空间。

(3)确定出库快递所在的目标储物格及目标货架后，进行路径规划，并控制机器人移动到目标储物格处；具体过程同实施例3中入库方法的步骤(5)-步骤(8)，不再赘述。

(4)采用机械臂末端的深度视觉相机，在目标储物格正前方进行储物空间尺寸的扫描，以验证目标储物格的空置状态；如果目标储物格为空，则放弃本次快递取件，执行步骤(9)，并且报告目标储物格状态异常；如果目标储物格不为空，则进行步骤(5)。

(5)通过深度视觉相机计算快递外立面距离机械爪的距离，并计算快递外立面矩形的长宽尺寸，通过已获知的快递包装尺寸与重量，计算快递包装箱的重心位置；设置机械爪的展开长度、夹持力以及向深度方向的伸入距离，在快递的重心区域的两侧适当收紧机械爪手，完成抓取。

具体为：在入库过程中，机械爪选择夹持储物格纵切面高度方向的边进行抓取快递投放；在出库过程中，机械爪的二指与快递高度的中心保持水平扩张至宽度尺寸略有冗余，当到达包装箱侧立面中心则收紧机械爪，由于快递包装为纸箱具有一定柔性，允许产生微小形变，所以机械爪传递稍大力矩可以增加快递与爪手之间摩擦力，也不会降低机械爪手的使用寿命。

机械爪的夹持力的计算包括：

被夹持的受重力G，夹持力(弹力)F，静摩擦力f，由共点力平衡条件f＝G，f＝μF可知，F＝G/μ，μ是物体和夹持物间的摩擦因数，则，夹持力F≥G/μ即可保持抓取的物体保持稳定。

如果考虑到机械爪抓取快递后运动启停加速度产生的力，并且为加持力赋值安全系数，则夹持力需要计算的参数包含：快递质量m、摩擦因数μ、重力加速度ɡ、竖直方向的运动加速度ɑ和安全系数s，则夹持力为：

如：快递质量5kg，重力加速度ɡ为10m/s²，机械臂向上运动的启动加速度最大2m/s²，机械爪夹手的橡胶隔垫与纸箱的摩擦系数经测试为0.4-0.5之间，摩擦系数μ取最低值0.4并采用常值2作为安全系数，根据纸箱的特点以及形变的承受力可以对安全系数进行调整，代入上面公式求得抓取此快递的安全夹持力为300N。

可以理解的，机械爪夹持力的设计同样适用于实施例3入库方法中机械爪抓取待入库快递并投放的过程。

(6)抓取后的快递由机械臂放入货物箱中，由于在步骤(2中)采用“背包问题”贪心策略进行一次出库快递的装载顺序，所以在快递投入货物箱的过程中基本不存在超载的现象。

但为了确保装载安全，仍然启用超载保护措施。当装载的快递总体积过大过多超出装运厢上边界时，触发传感器报警，提示装运厢过载，机器人中断剩余的取件流程，执行步骤(8)；如果装运厢仍有剩余空间，则执行步骤(7)。

(7)如果本次取件是一次出库流程中的最后一件快递，则执行步骤(8)；如果有剩余取件任务，执行步骤(10)。

(8)返回取件窗口，向取件人传递已取快递。

(9)判断是否还有同一次取件流程的剩余任务，如无，则等待下一次取件流程；如有则执行步骤(10)。

(10)对剩余的取件任务按照路径规划行驶至下一个目的地标RFID标签，完成步骤(3)至步骤(6)。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种智能快递存取机器人，其特征在于，包括：机器人底盘以及搭载在机器人底盘上的机械臂和控制模块；

所述机械臂的末端设有储物标签读卡器，所述储物读卡器用于读取设于货架上的储物标签，所述储物标签存储有货架中每个储物格的位置和尺寸、已占用储物格的快递信息以及从储物标签所在位置到每个储物格的机械臂姿态参数；

所述机器人底盘上设有地标标签读卡器和测距模块；

所述地标标签读卡器用于读取设于行驶路径中线上的地标标签，所述地标标签存储有与地标标签对应的储物标签的位置和机械臂到达储物标签所在位置的机械臂姿态参数；

所述测距模块用于探测机器人底盘与行驶路径两侧边界的距离，以使机器人沿行驶路径的中线行驶；

所述控制模块，被配置为根据目标货架和目标储物格的位置控制机器人沿地标标签移动，且在目标货架对应的地标标签处停止，通过读取机械臂到达目标货架上储物标签所在位置的机械臂姿态参数和到达目标储物格的机械臂姿态参数调整机械臂姿态，以使机械臂在目标储物格位置处完成快递的投放或抓取。

2.如权利要求1所述的一种智能快递存取机器人，其特征在于，储物标签所在位置是机械臂的相对零点，以相对于储物标签所在位置的偏移距离设置每个储物格的位置。

3.如权利要求1所述的一种智能快递存取机器人，其特征在于，所述机械臂的末端连接有机械爪；

在入库时，机械爪从储物格纵切面高度方向的边进行夹持抓取，机械爪承受夹持力的边是储物格纵切面对应的高度边，放置快递时垂直于水平线的边；

在出库时，机械爪与快递高度的中心保持水平，到达快递侧立面中心时收紧。

4.如权利要求1所述的一种智能快递存取机器人，其特征在于，所述机械臂末端还设有深度视觉相机，所述深度视觉相机用于对待入库快递进行尺寸扫描；

或，当机械臂移动到目标储物格位置处进行投放或抓取之前，深度视觉相机对目标储物格进行空间尺寸扫描，以验证目标储物格的空置状态；

或，当机械臂移动到目标储物格位置处进行快递的抓取之前，深度视觉相机计算快递外立面距离机械臂的距离，以控制抓取动作。

5.如权利要求1所述的一种智能快递存取机器人，其特征在于，所述机器人底盘上还搭载有货物箱，货物箱的上边缘设有用于检测是否超载的传感器。

6.如权利要求1所述的一种智能快递存取机器人，其特征在于，所述控制模块，被配置为：根据目标货架的位置进行路径规划，确定途径的地标标签的顺序，控制机器人从当前位置逐一读取地标标签，以沿地标标签移动；

通过读取机械臂到达目标储物格对应的储物标签所在位置的机械臂姿态参数，当储物标签读卡器的天线信号强度高于设置的分贝阈值时，认为机械臂末端到达目标货架的储物标签位置；

读取目标货架的储物标签，根据目标储物格编号，调取机械臂到达目标储物格的机械臂姿态参数，驱动机械臂末端到达目标储物格正前方边界，从而控制完成快递的投放或抓取。

7.一种智能快递存取机器人系统，其特征在于，包括：权利要求1-6任一项所述的智能快递存取机器人和控制终端；

所述控制终端用于对待入库快递分配目标储物格并存储入库的快递信息，以及对待出库快递确定所存储的目标储物格，并将确定的目标储物格和所在目标货架发送至智能快递存取机器人；

所述智能快递存取机器人根据目标货架和目标储物格的位置完成快递的投放或抓取。

8.一种智能快递存取机器人系统的入库方法，其特征在于，应用权利要求7所述的智能快递存取机器人系统，包括：

对待入库快递进行扫描并分配储物位置，确定目标储物格和所在的目标货架；

根据目标货架的位置进行路径规划，确定途径的地标标签的顺序，控制机器人沿地标标签移动，且在目标货架对应的地标标签处停止；

通过读取机械臂到达目标货架上储物标签所在位置的机械臂姿态参数，控制机械臂末端到达目标货架的储物标签位置；

读取目标货架的储物标签，调取机械臂到达目标储物格的机械臂姿态参数，控制机械臂末端到达目标储物格；

采用机械臂末端的深度视觉相机，对目标储物格进行空间尺寸扫描，以验证目标储物格的空置状态；

在目标储物格为空时，通过机械臂末端的机械爪抓取待入库快递并投放。

9.一种智能快递存取机器人系统的出库方法，其特征在于，应用权利要求7所述的智能快递存取机器人系统，包括：

通过查询入库信息确定待出库快递所存储的目标储物格和所在的目标货架；

根据目标货架的位置进行路径规划，确定途径的地标标签的顺序，控制机器人沿地标标签移动，且在目标货架对应的地标标签处停止；

通过读取机械臂到达目标货架上储物标签所在位置的机械臂姿态参数，控制机械臂末端到达目标货架的储物标签位置；

读取目标货架的储物标签，调取机械臂到达目标储物格的机械臂姿态参数，控制机械臂末端到达目标储物格；

采用机械臂末端的深度视觉相机对目标储物格进行空间尺寸扫描，以验证目标储物格的空置状态；

在目标储物格不为空时，通过机械臂末端的机械爪抓取待出库快递。

10.如权利要求8所述的一种智能快递存取机器人的入库方法或如权利要求9所述的一种智能快递存取机器人的出库方法，其特征在于，在抓取快递时，机械爪的夹持力设计为：

F≥G/μ，或，

其中，G为被夹持的受重力，F为夹持力，μ是摩擦因数；m为快递质量，ɡ为重力加速度，ɑ为竖直方向的运动加速度，s为安全系数。