CN211061900U - 一种自主导航物流机器人控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于机器人技术领域，具体涉及一种自主导航物流机器人控制系统，包括曲柄连杆模块、数据采集模块、避障模块、第一控制模块、第二控制模块、储能模块、移动模块、货物托板和支撑台，所述货物托板与所述曲柄连杆模块连接，所述曲柄连杆模块用于货物托板三个自由度上的移动，所述数据采集模块用于识别货物上的信息，所述避障模块用于物流机器人的实时避障，所述第一控制模块用于路径规划等高运算的任务。该系统能够视觉定位，自主路径规划导航。
Description
技术领域
本实用新型属于机器人技术领域，具体涉及一种自主导航物流机器人控制系统。
背景技术
随着物流行业的飞速发展，快递分拣与投放的需求不断上升。传统仓储物流行业需要大量的人力资源进行重复简单的分拣投放工作，大大制约了物流传输的速度与效率。物流仓库的环境相对简单，物流分类工作具有明显的条理性，使得开发一款可靠实用高效率的无人仓储物流机器人成为可能。本实用新型的原理是通过二维码识别货物信息(所属物品种类、分类方向)、完成货物抓取、通过摄像头扫描定位二维码确定当前位置并完成路径规划，在运动过程中具备实时避障功能。物流小车使用大容量锂电池，具备超长时间续航能力，电量较低时可以自动寻找最近的充电桩进行充电。
传统的仓储物流分类机器人需要在仓库场地铺设磁条，为机器人提供固定的行进路线，投入成本较高、无法躲避临时出现的障碍物，且改动性和灵活性较差，要求仓库货架配置不能改动，或改动时较为麻烦(需重新铺设磁条)。传统的机械手臂抓取货物对货物规格的限制较高，货物太大或太小都不便于抓取，且机械手臂结构复杂，成本相对较高。这款轮式物流机器人设计方案通过使用车叉取货、二维码定位、超声波避障等技术巧妙地解决了上述问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种自主导航物流机器人控制系统，利用上位机高运算能力与下位机低成本特性，综合ROS操作系统与OpenCV视觉库，通过A*算法等，实现高准确度，低成本的仓储物流机器人，解决仓储物流机器人视觉定位，自主路径规划导航的问题。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种自主导航物流机器人控制系统，包括曲柄连杆模块、数据采集模块、避障模块、第一控制模块、第二控制模块、储能模块、移动模块、货物托板和支撑台，所述货物托板与所述曲柄连杆模块连接，所述曲柄连杆模块用于货物托板三个自由度上的移动，所述数据采集模块用于识别货物上的信息，所述避障模块用于物流机器人的实时避障，所述第一控制模块用于路径规划等高运算的任务，所述第二控制模块用于对系统进行直接控制，所述储能模块用于为系统供电，所述移动模块用于对系统进行移动，所述货物托板用于货物托运，所述曲柄连杆模块、所述数据采集模块、所述避障模块、所述第一控制模块、所述第二控制模块、所述储能模块、所述移动模块、所述货物托板均设置于所述支撑台。在第二控制模块的控制下，曲柄连杆模块带动货物托板运动；接着货物托板托运起货物；然后数据采集模块识别货物上的信息；根据货物上的信息，在第一控制模块的控制下，移动模块带动支撑板运动；避障模块实时反馈信息到第一控制模块，使得移动模块带动支撑板绕开了障碍物，最后自动达到货物的存放区将货物进行存放。
作为本实用新型所述的自主导航物流机器人控制系统的一种改进，所述曲柄连杆模块为三个舵机构构成的曲柄连杆结构。
作为本实用新型所述的自主导航物流机器人控制系统的一种改进，所述数据采集模块为树莓派官方摄像头。在实际应用中，数据采集模块优选为识别货物上的二维码信息。
作为本实用新型所述的自主导航物流机器人控制系统的一种改进，所述避障模块包含三块SR04超声波避障模块。
作为本实用新型所述的自主导航物流机器人控制系统的一种改进，所述第一控制模块为树莓派。
作为本实用新型所述的自主导航物流机器人控制系统的一种改进，所述第二控制模块为Arduino-Mega2596模块。
作为本实用新型所述的自主导航物流机器人控制系统的一种改进，所述储能模块为锂电池。
作为本实用新型所述的自主导航物流机器人控制系统的一种改进，所述移动模块为麦克纳姆轮组。
作为本实用新型所述的自主导航物流机器人控制系统的一种改进，所述货物托板为L型。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
一、全过程自动化：区别于传统的人工装卸货物，本实用新型不需要任何人力帮助，可以完成自动取货、自动规划路线并寻迹、自动卸货、自动充电等过程。只需要极少数电气工程师负责机器人的维修工作，大大提高了生产效率。
二、二维码识别：一方面，摄像头通过识别货物上的二维码读取货物信息，主要包括货物种类和分类去向，明确目的地；另一方面，摄像头通过识别分布在行进路线上的二维码确定目前所处的实时位置，作为参数提供给算法，确定下一步行进路线。
三、实时避障：轮式物流机器人上安装有多个超声波传感器，当行进路线上出现障碍物时可以自行避让并更换行进路线。
四、路线可更改性强：仅仅通过改变二维码的排布就可以改变路线信息，这样有利于仓库的货架变动，对不同的仓库环境的适应性强，具备很好的兼容性。
五、成本优势明显：本实用新型的主要资金投入在机器人装置本身，取消了机械臂，对路线等附属配置的投入极少，大大地减少了设计成本。
综上所述，本实用新型可为工作量日益繁重的仓储物流行业提供参考意见，为实现物流分拣与投放自动化提供技术支持。将无人化自动控制融入分拣工程中，可以大大降低仓储物流的成本，提高工作效率，解决日益增长的物流数量与昂贵的人力成本之间的矛盾。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1为本实用新型实施例中的系统框架示意图；
图2为本实用新型实施例中的的设计及实现流程图；
图3为本实用新型实施例中的结构示意图；
其中：1-曲柄连杆模块；2-数据采集模块；3-避障模块；4-第一控制模块；5-第二控制模块；6-储能模块；7-移动模块；8-货物托板；9-支撑台。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明，但不作为对本实用新型的限定。
实施例
如图1-3所示，一种自主导航物流机器人控制系统，包括曲柄连杆模块1、数据采集模块2、避障模块3、第一控制模块4、第二控制模块5、储能模块6、移动模块7、货物托板8和支撑台9，货物托板8与曲柄连杆模块1连接，曲柄连杆模块1用于货物托板8三个自由度上的移动，数据采集模块2用于识别货物上的信息，避障模块3用于物流机器人的实时避障，第一控制模块4用于路径规划等高运算的任务，第二控制模块5用于对系统进行直接控制，储能模块6用于为系统供电，移动模块7用于对系统进行移动，货物托板8用于货物托运，曲柄连杆模块1、数据采集模块2、避障模块3、第一控制模块4、第二控制模块5、储能模块6、移动模块7、货物托板8均设置于支撑台9。在第二控制模块5的控制下，曲柄连杆模块1带动货物托板8运动；接着货物托板8托运起货物；然后数据采集模块2识别货物上的信息；根据货物上的信息，在第一控制模块4的控制下，移动模块7带动支撑板运动；避障模块3实时反馈信息到第一控制模块4，使得移动模块7带动支撑板绕开了障碍物，最后自动达到货物的存放区将货物进行存放。
优选的，曲柄连杆模块1为三个舵机构构成的曲柄连杆结构。
优选的，数据采集模块2为树莓派官方摄像头。在实际应用中，数据采集模块2优选为识别货物上的二维码信息。
优选的，避障模块3包含三块SR04超声波避障模块3。
优选的，第一控制模块4为树莓派。
优选的，第二控制模块5为Arduino-Mega2596模块。
优选的，储能模块6为锂电池。
优选的，移动模块7为麦克纳姆轮组。
优选的，货物托板8为L型。
本实用新型为可自主定位，路径规划并自动避障的轮式仓储物流机器人，可广泛应用于于存储仓库自动化货物调配，降低成本投入，提高调配精度。
本实用新型选用麦克纳姆轮与SPT12kg舵机等通过机械设计构成物流机器人车体，具备三维空间夹取，平托运输，卸下货物的功能；使用树莓派与Arduino UNO开发板构成上位机与下位机的方式进行定位导航，控制避障等功能；采用单目视觉结合路标实现定位，A*算法进行路径规划，卡尔曼滤波处理陀螺仪进行位姿矫正。
本实用新型使用三个12kg舵机控制货物叉实现货物夹取托运功能，配合麦克纳姆轮可以实现三个自由度全三维空间的运功，均由Arduino直接进行控制，电机驱动采用LM298N，具备蓝牙通讯接口。
本实用新型的数据采集模块2由树莓派原配摄像头，三维角度传感器MPU6050与超声波测距构成，用于向上位机提供环境信息进行路径规划。通常情况下，物流仓库中货物货架摆放有序，间隔相近，呈栅格状分布，而物流机器人的运动可以视为由一个栅格点前往另一个栅格点的过程。因此本实用新型采用快速响应二维码(QRcode)搭载坐标信息，每一个栅格点对应一个唯一坐标，将二维码贴于对应的栅格点处即货架两侧指定高度处，实现对整个仓库的标点建图。摄像头固定于物流机器人右侧指定高度处，使之与二维码标识处于同一水平位置。由于摄像头采集数据大，故使用OpenCV与zbar结合，通过对摄像头采集二维码图像进行灰度处理-边缘检测-特征轮廓检测-提取特征点-排除干扰点-信标分割-绘制直角三角形-纠正旋转-提取ROI-识别的流程，实现二维码信息采集即确定物流机器人当前的仓库位置。选用三块HC-SR04超声波测距模块，分别朝向相对于物流机器人的前/左/右三个方向，将实时所测距离与系统设定距离比较并经过容错处理上传上位机，实现对周围环境有无障碍物的实时检测。选用三维角度传感器MPU6050获取物流机器人偏移角度并上传上位机。
本实用新型的上位机为树莓派3B+，配备Ubuntu Mate 16.04版本，并搭载开源机器人操作系统ROS，开源视觉处理库OpenCV3。基于二维码标定建立的仓库栅格图可以看作为无向图，是由若干点与线的集合组成，最佳路径即为起始点到终点的最短路径。因此，我们采用经典算法A*算法进行路径规划。出于对物流机器人起始点至终点所规划路径中可能包含由于障碍物等导致的道路不通的路段的考虑，每次路径均基于当前坐标位置至终点进行规划。此外，由于实际运行中，物流机器人在转弯等情况下消耗时间较长，应尽量避免路径转弯等，故而在经典A*算法基础上进行改进，加入了转弯时间等代价，从而得出实际最优路径。为保证物流机器人的直线行驶，采用卡尔曼滤波对MPU6050数据进行处理，消除漂移误差，并对当前偏移角与设定的最大允许偏移角进行比较，从而决定是否需要进行直线位姿矫正，如果需要，并计算出具体出矫正方位与角度。系统运行中，基于摄像头，超声波，MPU6050采集信息以及上位机路径规划结果对可通行路段集合Openlist，不可通行路段集合Closedlist，规划路径集合Roadlist与姿态调整命令进行实时更新，并将通过对当前位置坐标与所规划路径的下一位置坐标进行比较，得出物流机器人当前运动方向。
本实用新型对物流机器人本身电量进行监控，每次进行任务之前，会先进行电量评估，只有当电量足够本次任务路程时才会执行任务，否则由当前位置向周围搜索最近的不处于充电状态的充电桩，前往充电桩处，并做出警报，提示充电。充电桩位置由程序预先设定且固定不变。
本实用新型上位机与下位机通信采用UART串口通信。上位机将物流机器人当前运动方向以数据包的形式发送给下位机。为保证数据准确性，包含用于识别的帧头帧尾。
本实用新型下位机由Arduino UNO作为主控，负责物流机器人的运动控制。通过读取上位机数据包指令，控制麦克纳姆轮，实现物流机器人的相关运动。
本实用新型的工作原理是：在第二控制模块5的控制下，曲柄连杆模块1带动货物托板8运动；接着货物托板8托运起货物；然后数据采集模块2识别货物上的信息；根据货物上的信息，在第一控制模块4的控制下，移动模块7带动支撑板运动；避障模块3实时反馈信息到第一控制模块4，使得移动模块7带动支撑板绕开了障碍物，最后自动达到货物的存放区将货物进行存放。
上述说明示出并描述了本实用新型的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述实用新型构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种自主导航物流机器人控制系统，其特征在于：包括曲柄连杆模块(1)、数据采集模块(2)、避障模块(3)、第一控制模块(4)、第二控制模块(5)、储能模块(6)、移动模块(7)、货物托板(8)和支撑台(9)，所述货物托板(8)与所述曲柄连杆模块(1)连接，所述曲柄连杆模块(1)用于货物托板(8)三个自由度上的移动，所述数据采集模块(2)用于识别货物上的信息，所述避障模块(3)用于物流机器人的实时避障，所述第一控制模块(4)用于路径规划等高运算的任务，所述第二控制模块(5)用于对系统进行直接控制，所述储能模块(6)用于为系统供电，所述移动模块(7)用于对系统进行移动，所述货物托板(8)用于货物托运，所述曲柄连杆模块(1)、所述数据采集模块(2)、所述避障模块(3)、所述第一控制模块(4)、所述第二控制模块(5)、所述储能模块(6)、所述移动模块(7)、所述货物托板(8)均设置于所述支撑台(9)。
2.如权利要求1所述的自主导航物流机器人控制系统，其特征在于：所述曲柄连杆模块(1)为三个舵机构构成的曲柄连杆结构。
3.如权利要求1所述的自主导航物流机器人控制系统，其特征在于：所述数据采集模块(2)为树莓派官方摄像头。
4.如权利要求1所述的自主导航物流机器人控制系统，其特征在于：所述避障模块(3)包含三块SR04超声波避障模块(3)。
5.如权利要求1所述的自主导航物流机器人控制系统，其特征在于：所述第一控制模块(4)为树莓派。
6.如权利要求1所述的自主导航物流机器人控制系统，其特征在于：所述第二控制模块(5)为Arduino-Mega2596模块。
7.如权利要求1所述的自主导航物流机器人控制系统，其特征在于：所述储能模块(6)为锂电池。
8.如权利要求1所述的自主导航物流机器人控制系统，其特征在于：所述移动模块(7)为麦克纳姆轮组。
9.如权利要求1所述的自主导航物流机器人控制系统，其特征在于：所述货物托板(8)为L型。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN114527771A (zh) * | 2022-04-24 | 2022-05-24 | 深圳市捷牛智能装备有限公司 | 一种集装箱移动用爬行机器人的控制方法及系统 |
| CN116610078A (zh) * | 2023-05-19 | 2023-08-18 | 广东海力储存设备股份有限公司 | 立体仓自动化储存控制方法、系统、电子设备及存储介质 |
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- 2019-12-28 CN CN201922411999.XU patent/CN211061900U/zh not_active Expired - Fee Related
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