CN207861446U - 用于机器人拆垛设备的控制系统 - Google Patents

Abstract

一种用于机器人拆垛设备的控制系统，所述控制系统包括传感器单元、数据处理单元、机器人控制单元和通信单元，所述传感器单元包括三维激光传感器，用于获取机器人工作区域内的目标对象的原始数据；所述数据处理单元包括位姿计算单元，用于使用工业计算机的点云平台进行计算，以得到所述目标对象在传感器坐标系下的位置和姿态信息；所述机器人控制单元，设置在所述机器人上，包括动作控制单元，所述动作控制单元用于控制所述机器人的夹具，以抓取所述目标对象；所述通信单元用于实现所述机器人、工业计算机和传感器单元之间的通讯。该控制系统和方法可以很好地解决不规则来料的拆垛问题。

Description

用于机器人拆垛设备的控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于机器人拆垛设备的控制系统。

背景技术

目前，工业上固体包装物料的拆垛作业一般采用人工拆垛和自动拆垛两种形式。人工拆垛既不适用于有毒、有害等不利于人体健康及对物料洁净度要求高的环境，又费时、费力、劳动强度大，同时人工成本偏高。因此，自动拆垛具有很好的发展前景。随着物流业的迅猛发展，使用机器人对来料进行自动拆垛已经得到了越来越广泛的应用。

自动拆垛一般采用对工业机器人进行控制的形式，首先被拆物的坐标位置需要精确计算，并将各被拆物品的坐标值设定在工业机器人的控制系统中，由控制系统发出指令，控制工业机器人的夹具来抓取和移动被拆物。当前，在拆垛的控制中主要存在以下几个问题：

一、由于数据处理的局限性，对于被拆物品的识别通常采用二维传感器进行扫描，对于不规则来料往往无法正确识别；

二、需要机器人夹持传感器移动进行扫描，扫描耗时，计算缓慢，导致机器人拆垛节拍缓慢。

因此，到目前为止，由于缺乏稳定可靠的自动化解决方案，机器人拆垛还仅仅局限于对规则来料进行拆垛的应用中。

然而在实际操作中，物品的摆放往往是不规则的，因此对于不规则摆放来料的拆垛需求在不断增长。这些不规则不仅仅体现在来料摆放的二维位置的变化，也体现在来料空间位置的变化，如图1 所示，物品的摆放有可能是倾斜和错落的，因此视觉识别的难度和数据处理的复杂程度很大。

因此，对于机器人拆垛系统，尤其对不规则来料如何拆垛的复杂应用场景，如何使用自动化方式实现可靠控制，是本领域亟待解决的难题。

实用新型内容

为了克服现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种用于机器人拆垛设备的控制系统，用于解决物体来料的拆垛问题，尤其是不规则来料的拆垛难题。

本实用新型技术方案提供了一种用于机器人拆垛设备的控制系统，所述控制系统包括传感器单元、数据处理单元、机器人控制单元和通信单元，所述传感器单元包括三维激光传感器，用于获取机器人工作区域内的目标对象的原始数据；所述数据处理单元包括位姿计算单元，用于使用工业计算机的点云平台进行计算，以得到所述目标对象在传感器坐标系下的位置和姿态信息；所述机器人控制单元，设置在所述机器人上，包括动作控制单元，所述动作控制单元用于控制所述机器人的夹具，以抓取所述目标对象；所述通信单元用于实现所述机器人、工业计算机和传感器单元之间的通讯。

进一步地，所述机器人控制单元还包括同步单元，用于根据所述传感器坐标系下的位置和姿态信息，通过坐标变换计算所述目标对象在机器人工作坐标系下的位置和姿态信息。

进一步地，所述数据处理单元还包括限定搜索区域滤波单元和 /或特征点提取滤波单元，用于优化所述位姿计算单元的计算速度。

进一步地，所述三维激光传感器固定在所述机器人的手臂上，能够随着所述手臂垂直移动。

进一步地，所述机器人和工业计算机之间的通信协议为socket 协议，所述传感器单元和工业计算机之间的通信协议为TCP/IP协议。

进一步地，所述通信单元包括千兆以太网工业交换机。

由此，本实用新型提供的用于机器人拆垛设备的控制系统，克服了现有技术的缺点，提供了一种稳定可靠的自动拆垛的解决方案，可靠性高，大大提高了效率，其具有以下优点：

一、减少不必要的现场作业和维护：由于本实用新型提供的技术方案可以可靠地实现自动拆垛，从而可以减少不必要的现场作业和维护；

二、提高自动化水平：本实用新型的技术方案克服了目前不规则来料拆垛完全依赖于人工的现状，可以明显提高自动化水平，满足了日益增长的不规则来料的拆垛需求；

三、维护性强：本实用新型的技术方案的三维视觉系统基于开源的点云平台进行开发，有利于系统的后续维护，也降低了开发成本；

四、工作效率高：本实用新型的技术方案可以针对视觉数据进行快速处理运算，可以有效地提高机器人的抓取节拍，从而提高了拆垛的工作效率；

五、集成性高：本实用新型的技术方案对三维视觉系统和机器人进行深度无缝集成，有利于系统的维护。

综上，本实用新型具有工作效率高、自动化程度高、节省劳动力等优点。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。

附图说明

为了更好地描述本实用新型的实施例，绘制了以下附图。应当理解的是，附图仅是以示例的方式示出了本实用新型的优选实施例，而不应将附图解释为对本实用新型的限制，其中：

图1为不规则来料的样品托盘示意图；

图2为本实用新型提供的一实施例的机器人拆垛控制系统的硬件模块示意图；

图3为本实用新型提供的一实施例的机器人拆垛控制系统的工作流程图；

图4为本实用新型提供的一实施例的控制系统的点云平台数据处理流程图；

图5为本实用新型提供的一实施例的坐标系同步变换示意图；

图6为本实用新型提供的一实施例的样品托盘的三维传感器扫描图；

图7为本实用新型提供的一实施例的样品托盘经过点云平台进行数据处理后的识别结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型进行具体描述。应当理解的是：在下文的描述中，“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”等术语仅用于表示参照附图所指示的方向；而“第一”、“第二”、“第三”等术语用于描述多个组成部分，但是这些组成部分之间不存在先后顺序，这些术语仅仅是为了将一个组成部分与另一组成部分区分。

本实用新型提供了一种用于机器人拆垛设备的控制系统，使用工业用三维激光传感器获取不规则摆放物体的零散空间数据，将这些数据处理成开源C++点云程序平台(PCL)能够处理的数据格式，利用点云平台编程计算物体包括位置和方位的空间姿态，并将其发送给工业机器人，机器人获取并将得到的空间位置与自身的坐标系同步后去抓取目标。本实用新型利用点云计算三维视觉系统和工业机器人紧密结合组成了智能拆垛系统，可以很好地解决不规则来料的拆垛问题。

图2示出了本实用新型提供的一较佳实施例的机器人拆垛控制系统的硬件模块示意图。

如图2所示，此系统在硬件上可以由以下几部分组成：三维激光扫描传感器、工业计算机、机器人控制系统、千兆工业交换机。三维激光扫描传感器扫描垛型并获取原始三维数据。工业计算机包括数据处理单元，可以在点云平台处理三维原始数据，得到物体空间位姿并发送给机器人系统。机器人控制系统获取物体三维数据后与自身坐标系进行同步并对其进行优化，通过坐标变换获得物体在机器人工作坐标系下的位姿信息，以使夹具能够安全、快速的抓取目标，同时该系统还承担着夹具的输入输出控制和三维传感器的运行控制任务。以太网交换机用于建立快速的机器人、工业计算机、 3D传感器之间的以太网通讯，为了提高通讯速度，可以选用千兆以太网交换机。

由于本实用新型采用了三维激光传感器，从而不仅可以识别来料的坐标位置，还可以识别来料的姿态，因此可以对倾斜或者错落摆放的不规则来料进行正确识别。

由于采用了通用的开源C++点云程序平台，不仅可以提高系统的通用性，而且有利于系统的后续维护，同时基于自开发的程序进行数据处理，无需与传感器自带的识别软件进行联合调试，也降低了开发成本。

在一较佳实施例中，在点云平台上，可以通过socket协议建立了工控机和机器人控制器的通讯。3D传感器和工控机之间的通信例如可以选择TCP/IP协议。

在另一较佳实施例中，3D激光传感器固定在机器人的手臂上，能够随着手臂垂直移动，但在扫描过程中，在水平方向无需移动。优选地，可以选用大视野的工业用3D激光扫描传感器，与一般3D 激光视觉需要机器人挟持传感器移动扫描不同，本系统可以在传感器不动的情况下，检测最大1000*1200*750mm(长*宽*高)的物体，有效地提高了抓取节拍。

在另一较佳实施例中，数据处理单元包括位姿计算单元、搜索区域滤波单元和特征点提取滤波单元。搜索区域滤波单元例如选择 PassThrough滤波器，特征点提取滤波单元例如选择VoxelGrid滤波器，可以优化位姿计算单元的计算速度。滤波之后，位姿计算单元使用工业计算机的点云平台进行计算，可以得到目标对象在传感器坐标系下的位姿信息。由于滤波器的利用，可以很好解决点云平台计算缓慢的问题，一次1000mm*1200mm视野、390000点左右的数据计算可以控制在2s左右，从而可以有效地提高机器人抓取节拍。

以下参考图3，说明本实用新型一最佳实施例的机器人拆垛控制系统的工作流程。

A.测量步骤：使用三维激光传感器获取机器人工作区域内的目标对象的原始数据，具体可以包括如下步骤：

a1.机器人移动到初始检测位；

a2.三维激光传感器进行预扫描；

a3.传感器位置调整步骤：根据预扫描结果，判断目标对象是否在三维激光传感器视觉范围内，如果不是，则机器人垂直向上/下移动一距离到达测量位，直到目标对象位于三维激光传感器视觉范围内；优选地，可以将机器人移动到传感器最佳视觉高度。

a4.扫描步骤：三维激光传感器进行扫描，获取目标对象的原始数据。优选地，在扫描步骤a4中，三维激光传感器保持静止不动。

B.数据处理步骤，具体可以包括以下步骤：

b1.进行限定搜索区域滤波；

b2.进行特征点提取滤波。

b3.位姿计算步骤：使用工业计算机的点云平台进行计算，以得到目标对象在传感器坐标系下的位置和姿态信息；优选可以采用目标分割方法，获得多个目标对象的位置和姿态信息。

C.机器人控制步骤，具体可以包括以下步骤：

c1.同步步骤：用于根据传感器坐标系下的位置和姿态信息，通过坐标变换计算目标对象在机器人工作坐标系下的位置和姿态信息；

c2.动作控制步骤：控制机器人的夹具，以抓取目标对象。

c3.当测量到托盘上没有物体时，控制机器人回到等待位置。

以下参考图4，说明本实用新型一优选实施例的点云平台的数据处理流程。

(一)、通过视觉扫描获得初始3D数据；

(二)、计算机通过TCP/IP通讯获得初始3D数据；

(三)、将初始3D数据转化为*.pcd格式；

(四)、搜索区域滤波和特征点提取滤波：例如使用PassThrough 滤波器和VoxelGrid滤波器进行滤波；

(五)、目标分割：例如使用RegionGrowing函数进行切割；

(六)、获得物体的空间位置；

(七)、通过socket通讯协议发送给机器人控制系统。

机器人控制系统在接收到数据后，并不直接使用点云平台处理得到的物体空间位置，而是将其与本身坐标系进行同步，如图5所示，在机器人控制器中通过坐标系变换计算物体在机器人工作坐标系下的位姿，具体步骤如下。

首先，在传感器位置调整步骤a3之后，得到机器人的位置和姿态信息A0；

接下来，获取位姿计算步骤b3得到的目标对象在传感器坐标系下的位置和姿态信息X；

然后，根据传感器的坐标系标定方法和机器人的位置和姿态信息A0，计算得到机器人工作坐标系到传感器坐标系的位置和姿态变换T；

最后，将目标对象在传感器坐标系下的位置和姿态信息X利用 T进行坐标系变换运算F[T,X]，以得到目标对象在机器人工作坐标系下的位置和姿态信息。

由于本实用新型采用了同步步骤，可以不以3D传感器为中心，而以机器人为中心，从而降低了夹具控制难度，优化了抓取控制方案，有助于机器人安全、快速地抓取目标。

综上，本实用新型的技术方案将3D视觉系统、机器人和点云平台紧密结合，构成了智能拆垛系统，可以很好地解决不规则来料的拆垛问题；而且本系统可以对于视觉数据进行快速处理运算，有效地提高了机器人的抓取节拍，从而提高了拆垛的工作效率。

为了更形象地表示本实用新型的数据处理过程，图6示出了对图1的不规则来料的样品托盘进行3D传感器扫描得到的扫描图；图7示出了对该样品托盘经过点云平台进行数据处理后得到的识别结果示意图。机器人控制系统根据识别结果，与自身坐标系同步优化后，控制夹具安全、快速地抓取目标，从而可以实现对不规则来料的拆垛控制。

根据需要，可以将上述各技术方案进行结合，以达到最佳技术效果。

以上所述的仅是本实用新型的原理和较佳的实施例。应当指出，尽管为说明本实用新型的目的公开了本实用新型的较佳实施例和附图，但是熟悉本领域技术的人员，在不脱离本实用新型及所附的权利要求的精神和范围内，可作各种替换、变化和润饰。因此在本实用新型原理的基础上，做出的若干其它变型，也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于机器人拆垛设备的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括传感器单元、数据处理单元、机器人控制单元和通信单元，

所述传感器单元包括三维激光传感器，用于获取机器人工作区域内的目标对象的原始数据；

所述数据处理单元包括位姿计算单元，用于使用工业计算机的点云平台进行计算，以得到所述目标对象在传感器坐标系下的位置和姿态信息；

所述机器人控制单元，设置在所述机器人上，包括动作控制单元，所述动作控制单元用于控制所述机器人的夹具，以抓取所述目标对象；

所述通信单元用于实现所述机器人、工业计算机和传感器单元之间的通讯。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述机器人控制单元还包括同步单元，用于根据所述传感器坐标系下的位置和姿态信息，通过坐标变换计算所述目标对象在机器人工作坐标系下的位置和姿态信息。

3.根据权利要求1或2所述的控制系统，其特征在于，所述数据处理单元还包括限定搜索区域滤波单元和/或特征点提取滤波单元，用于优化所述位姿计算单元的计算速度。

4.根据权利要求1或2所述的控制系统，其特征在于，所述三维激光传感器固定在所述机器人的手臂上，能够随着所述手臂垂直移动。

5.根据权利要求1或2所述的控制系统，其特征在于，所述通信单元包括千兆以太网工业交换机。