一种大型物料桶定位装置及定位方法与流程

1.本发明属于大型物料装卸技术领域，具体涉及一种大型物料桶定位装置及定位方法。


背景技术：

2.箱式货车运输大型的铝粉桶(700*700mm)以两个并排的方式从货车中往平台上输送。平台尺寸是长2.1米，宽1.2米。料桶因为在运输过程中存在抖动，不能保证卸货时候料桶的运输状态。因为物体较大和较高，无法使用相机进行整个平台范围的识别和抓取。要求实现的功能是桁架机器人能到达料桶附近进行粗定位，采用相机对料桶进行精确定位最终实现对料桶的自动抓取入库功能。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种结构简单、使用方便的大型物料桶定位装置，该定位装置可以对物料桶在卸货平台上的位置进行定位，从而方便桁架机器人对物料桶进行精确定位最终实现对物料桶的自动抓取入库功能；本发明还提供了一种大型物料桶定位方法。
4.为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种大型物料桶定位装置，包括卸货平台、滚筒线、定位机构和测距传感器，所述滚筒线安装在卸货平台上，货车与滚筒线对接，定位机构安装在卸货平台上位于滚筒线的一端，测距传感器在卸货平台上位于滚筒线的两侧。
5.进一步的，所述定位装置还包括控制器和桁架机器人，定位机构的行程开关与控制器电连接，控制器与桁架机器人电连接，控制器内设有数据处理单元，测距传感器与数据处理单元电连接，数据处理单元对测距传感器采集的数据进行处理后得出物料桶的偏转角度和中心点坐标并传递给桁架机器人，桁架机器人运行到物料桶中心的上方。
6.进一步的，所述卸货平台上滚筒线的一端设有定位板，卸货平台上滚筒线的两侧分别设有挡板ⅰ和挡板ⅱ，定位机构安装在定位板上，测距传感器安装在挡板ⅰ和挡板ⅱ上。
7.进一步的，所述定位机构包括行程开关、横档条和弹簧片，行程开关和弹簧片安装在定位板上，在弹簧片的另一端安装横档条，物料桶在滚筒线上运动，物料桶挤压横档条，弹簧片收缩横档条与行程开关接触触发行程开关。
8.进一步的，所述测距传感器包括一号位激光测距传感器ⅰ和一号位激光测距传感器ⅱ、一号位激光测距传感器ⅰ和一号位激光测距传感器ⅱ并排安装在挡板ⅰ上，一号位激光测距传感器ⅰ与一号位激光测距传感器ⅱ之间设有间距，一号位激光测距传感器ⅰ与一号位激光测距传感器ⅱ将测量的物料桶的位置信息传递给控制器的数据处理单元进行处理。
9.进一步的，所述测距传感器还包括二号位激光测距传感器ⅰ和二号位激光测距传感器ⅱ，二号位激光测距传感器ⅰ和二号位激光测距传感器ⅱ并排安装在挡板ⅱ上，二号位激光测距传感器ⅰ与二号位激光测距传感器ⅱ之间设有间距，二号位激光测距传感器ⅰ与二
号位激光测距传感器ⅱ将测量的物料桶的位置信息传递给控制器的数据处理单元进行处理。
10.进一步的，所述定位板上并排设有两个定位机构分别为一号定位装置和二号定位装置，一号定位装置与一号位激光测距传感器ⅰ、一号位激光测距传感器ⅱ相对应，二号定位装置与二号位激光测距传感器ⅰ、二号位激光测距传感器ⅱ相对应。
11.本发明还涉及一种大型物料桶定位方法，基于上述一种大型物料桶定位装置，所述定位方法为：
12.步骤一：物料桶转移到卸货平台上在滚筒线作用下前进运动，当物料桶撞击到横挡条，横挡条压缩行程开关，行程开关被触发后筒线驱动电机停止工作，滚筒线停止运行，物料桶停止运动；
13.步骤二：在一号定位装置与一号位激光测距传感器ⅰ、一号位激光测距传感器ⅱ构成的定位系统中对物料桶进行测距；以物料桶触发行程开关的位置线作为x轴，以一号位激光测距传感器ⅰ和一号位激光测距传感器ⅱ所在位置线为y轴；
14.步骤三：读出一号位激光测距传感器ⅰ和一号位激光测距传感器ⅱ的测量数值，得到一号位激光测距传感器ⅰ到物料桶的距离x1和一号位激光测距传感器ⅱ到物料桶的距离x2，一号位激光测距传感器ⅰ和一号位激光测距传感器ⅱ安装位置固定，用卡尺直接测量出一号位激光测距传感器ⅰy方向的值y1，一号位激光测距传感器ⅱy方向的值y2，由x1、x2、y1和y2计算出物料桶的旋转角度值θ；
15.步骤四：物料桶为方形桶，其边长为l，物料桶上靠近y轴的三个顶点在xy平面的坐标分别为a(xa，ya)、b(xb，yb)、c(xc，yc)，中心点e的坐标为(xe，ye)，由几何关系可知，物料桶中心e的坐标为：xe＝(xa xc)/2，ye＝(ya yc)/2；
16.步骤五：将物料桶中心e点坐标(xe，ye)和物料桶偏转角度θ发送至桁架机器人，桁架机器人运动到e点进行抓取物料桶。
17.进一步的，所述物料桶旋转角度值θ计算方法为：δy＝y2-y1；δx＝x2-x1；tanθ＝δy/δx，θ＝acrtan(δy/δx)；将物料桶旋转角度值θ计算公式植入控制器中的数据处理单元，x1、x2、y1和y2为测量已知值，将x1、x2、y1和y2的数值传送给数据处理单元，数据处理单元便可计算出物料桶的旋转角度θ。
18.进一步的，所述物料桶中心e点坐标(xe，ye)计算方法为：要得到e点坐标(xe，ye)需先求出a(xa，ya)、b(xb，yb)、c(xc，yc)的坐标值；
19.1)b(xb，yb)点坐标计算方法为：
20.a点在x轴上(定位装置触发位置线)，因此通过θ值，求出b点坐标yb的值yb＝l*sinθ；已知y1和yb，在直角三角形bhi中，求出bh长度，bh＝y1-yb；
21.在三角形bhi中，已知bh长度和∠ibh＝θ，求出ih长度，由tanθ＝ih/bh＝ih/(y1-yb)＝ih/(y1-l*sinθ)＝δy/δx＝(y2-y1)/(x2-x1)；结合θ＝acrtan(δy/δx)；
22.ih＝(y2-y1)/(x2-x1)*(y1-l*sin(arctan((y2-y1)/(x2-x1))))
23.x1值通过测量得到，因此可以求出xb的值；xb＝x1-ih，由此得到b点坐标(xb，yb)；
24.2)c(xc，yc)点坐标计算方法为：
25.直角三角形afb和直角三角形bdc为全等三角形，因此可得到c点yc的值，yc＝fb bd＝l*sinθ l*cosθ＝l*(sinθ cosθ)；xc＝xb cd＝xb l*sinθ，由此得到c点坐标(xc，yc)；
26.3)a(xa，ya)点坐标计算方法为：
27.由于a点在x轴上(定位装置触发位置线)，ya＝0，且已知b点坐标，可得xa＝l*cosθ xb＝l*cosθ x1-ih，由此得到a点坐标(xa，0)；
28.4)物料桶中心e点坐标计算方法为：
29.xe＝(xa xc)/2；ye＝(ya yc)/2＝yc/2；
30.并列方程式
31.δy＝y2-y1；δx＝x2-x1；θ＝acrtan(δy/δx)；xa＝l*cosθ x1-ih；
32.ih＝(y2-y1)/(x2-x1)*(y1-l*sin(arctan((y2-y1)/(x2-x1))))；
33.xc＝xb l*sinθ；xb＝x1-ih；yc＝l*(sinθ cosθ)；
34.将x1,x2,y1,y2值带入可求出物料桶中心e点坐标(xe，ye)；
35.将物料桶中心e点坐标(xe，ye)计算方法植入控制器中的数据处理单元，将x1、x2、y1、y2和θ的数值传送给数据处理单元，数据处理单元便可计算出物料桶中心e点坐标(xe，ye)。
36.采用本发明技术方案的优点为：
37.1、本发明的定位装置和定位方法实现了对物料桶来料状态不确定时的料桶位置信息的自动识别，即自动识别物料桶位姿，并将识别出的信息传递给桁架，以方便桁架机器人的后续操作；采用横挡条加行程开关，保证物料桶在滚筒线上运行发生旋转时，始终是左右两个顶点触碰到行程开关开关停止；单边采用两个激光测距传感器，这样通过数值比较能计算出物料桶的旋转角度，同时激光测距传感器的数值可以用来进行货物装车保护。
38.2、本发明针对不规则来料料桶位姿采用激光测距传感器进行粗定位，获得料桶中心坐标值和旋转角度值，并与桁架机器人配合使用，采用视觉技术对料桶进行精确定位，实现料桶的自动抓取，进而实现物料的自动卸货入库和空桶装车功能。
附图说明
39.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
40.图1为本发明大型物料桶定位装置结构示意图；
41.图2为本发明定位机构结构示意图；
42.图3为本发明定位机构仰视示意图；
43.图4为物料桶在卸货平台上触发横档条位置示意图；
44.图5为物料桶在卸货平台上触发横档条位置俯视示意图；
45.图6为几何模型示意图。
46.上述图中的标记分别为：1、卸货平台；11、定位板；12、挡板ⅰ；13、挡板ⅱ；2、滚筒线；3、定位机构；031、一号定位装置；032、二号定位装置；31、行程开关；32、横档条；33、弹簧片；4、测距传感器；41、一号位激光测距传感器ⅰ；42、一号位激光测距传感器ⅱ；43、二号位激光测距传感器ⅰ；44、二号位激光测距传感器ⅱ；5、物料桶。
具体实施方式
47.在本发明中，需要理解的是，术语“长度”；“宽度”；“上”；“下”；“前”；“后”；“左”；“右”；“竖直”；“水平”；“顶”；“底”“内”；“外”；“顺时针”；“逆时针”；“轴向”；“平面方向”；“周
向”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发明和简化描述，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发明的限制。
48.如图1至图6所示，一种大型物料桶定位装置，包括卸货平台1、滚筒线2、定位机构3和测距传感器4，所述滚筒线2安装在卸货平台1上，货车与滚筒线2对接，定位机构3安装在卸货平台1上位于滚筒线2的一端，测距传感器4在卸货平台1上位于滚筒线2的两侧。从箱式货车自动卸下的货物输送到卸货平台的滚筒线2上，定位机构3和测距传感器4可以对大型物料在卸货平台上的位置进行定位，从而大型物料的自动化入库。
49.定位装置还包括控制器和桁架机器人，定位机构3的行程开关31与控制器电连接，控制器与桁架机器人电连接，控制器内设有数据处理单元，测距传感器4与数据处理单元电连接，数据处理单元对测距传感器4采集的数据进行处理后得出物料桶5的偏转角度和中心点坐标并传递给桁架机器人，桁架机器人运行到物料桶中心的上方。
50.卸货平台1上滚筒线2的一端设有定位板11，卸货平台1上滚筒线2的两侧分别设有挡板ⅰ12和挡板ⅱ13，定位机构3安装在定位板11上，测距传感器4安装在挡板ⅰ12和挡板ⅱ13上。
51.定位机构3包括行程开关31、横档条32和弹簧片33，行程开关31和弹簧片33安装在定位板11上，在弹簧片33的另一端安装横档条32，物料桶5在滚筒线2上运动，物料桶5挤压横档条32，弹簧片33收缩横档条32与行程开关31接触触发行程开关31，行程开关31发出指令给控制器，控制器控制滚筒线驱动电机停止工作，滚筒线停止运行，物料桶5停止运动，此时物料桶5在卸货平台上的位置不动，控制器发出指令控制测距传感器4对物料桶5的位置进行测量；控制器的数据处理单元中设有用于计算物料桶5旋转角度和物料桶5中心e点坐标的计算模型，测距传感器4直接将测量的数值传送给控制器的数据处理单元，数据处理单元便可计算出物料桶5旋转角度和物料桶5中心e点坐标；然后控制器再将物料桶5旋转角度和物料桶5中心e点坐标值传送给桁架机器人，桁架机器人携带相机运动到e点进行拍照，拍照的数据上传至总控系统，总控系统根据得到的数据，发送对应指令给桁架机器人执行后续动作。
52.横挡条具有自复位功能被挤压之后触发行程开关，物料桶移走之后在弹簧片作用下复位；优选的，横挡条为半圆柱形包括圆弧面和平面，横挡条的平面与行程开关接触，横档条与行程开关接触面积大，进而提高触发精确度；横挡条的圆弧面与物料桶接触，可避免尖角触碰。
53.测距传感器4包括一号位激光测距传感器ⅰ41和一号位激光测距传感器ⅱ42、一号位激光测距传感器ⅰ41和一号位激光测距传感器ⅱ42并排安装在挡板ⅰ12上，一号位激光测距传感器ⅰ41与一号位激光测距传感器ⅱ42之间设有间距，一号位激光测距传感器ⅰ41与一号位激光测距传感器ⅱ42将测量的物料桶5的位置信息传递给控制器的数据处理单元进行处理。测距传感器4还包括二号位激光测距传感器ⅰ43和二号位激光测距传感器ⅱ44，二号位激光测距传感器ⅰ43和二号位激光测距传感器ⅱ44并排安装在挡板ⅱ13上，二号位激光测距传感器ⅰ43与二号位激光测距传感器ⅱ44之间设有间距，二号位激光测距传感器ⅰ43与二号位激光测距传感器ⅱ44将测量的物料桶5的位置信息传递给控制器的数据处理单元进行处理。
54.定位板11上并排设有两个定位机构3分别为一号定位装置031和二号定位装置032，一号定位装置031与一号位激光测距传感器ⅰ41、一号位激光测距传感器ⅱ42相对应，二号定位装置032与二号位激光测距传感器ⅰ43、二号位激光测距传感器ⅱ44相对应，当物料桶5触发一号定位装置031的行程开关时，一号位激光测距传感器ⅰ41和一号位激光测距传感器ⅱ42对物料桶5进行位置测量；当物料桶5触发二号定位装置032的行程开关时，二号位激光测距传感器ⅰ43和二号位激光测距传感器ⅱ44对物料桶5进行位置测量。
55.本发明主要实现启动卸货功能，箱式货车将物料从车内输送到卸货平台上。物料桶在卸货平台上向前运动，当物料桶撞击到横挡条，横挡条压缩行程开关，行程开关被触发并发出信号，总控系统收到信号后，发出停止指令，滚筒线停止运动，此时，物料桶完成定位。卸货平台一次最多只能允许两个物料桶同时被转移到卸货平台上，在卸货平台上左右两边各装两个激光测距传感器，通过激光测距传感器测得距离数值，结合物料桶的尺寸信息，得到物料桶中心e点xe值，ye值，以及物料桶偏转角度值θ，将物料桶的位置信息传送给桁架机器人，桁架机器人运行到物料桶中心e点，再利用视觉技术对物料桶进行精确定位，实现大型物料的自动化入库。
56.基于上述大型物料桶定位装置，本发明还涉及一种大型物料桶定位方法，以一号位为例，模型简化如图6所示，一号位激光测距传感器ⅰ41、一号位激光测距传感器ⅱ42、横档条触发位置如图6所示，并对图中几何关系进行标注，以物料桶5触发行程开关的位置线作为x轴，以一号位激光测距传感器ⅰ41和一号位激光测距传感器ⅱ42所在位置线为y轴，图中物料桶5上靠近y轴的三个顶点在xy平面的坐标分别为a(xa，ya)、b(xb，yb)、c(xc，yc)，中心点e的坐标为(xe，ye)，以b向x轴、y轴做垂直辅助线与x轴、y轴的交点分别为f点和g点；一号位激光测距传感器ⅰ41发出测量射线打到物料桶5上的点为i点，且与bf延长线的交点为h点；以c向y轴做垂直辅助线与bf延长线的交点为d点，一号位激光测距传感器ⅱ42发出测量射线打到物料桶5上的点为j点。
57.所述定位方法为：
58.步骤一：物料桶转移到卸货平台上在滚筒线2作用下前进运动，当物料桶撞击到横挡条，横挡条压缩行程开关，行程开关被触发后筒线驱动电机停止工作，滚筒线停止运行，物料桶5停止运动；
59.步骤二：在一号定位装置031与一号位激光测距传感器ⅰ41、一号位激光测距传感器ⅱ42构成的定位系统中对物料桶5进行测距；以物料桶5触发行程开关的位置线作为x轴，以一号位激光测距传感器ⅰ41和一号位激光测距传感器ⅱ42所在位置线为y轴；
60.步骤三：读出一号位激光测距传感器ⅰ41和一号位激光测距传感器ⅱ42的测量数值，得到一号位激光测距传感器ⅰ41到物料桶5的距离x1和一号位激光测距传感器ⅱ42到物料桶5的距离x2，一号位激光测距传感器ⅰ41和一号位激光测距传感器ⅱ42安装位置固定，用卡尺直接测量出一号位激光测距传感器ⅰ41y方向的值y1，一号位激光测距传感器ⅱ42y方向的值y2，由x1、x2、y1和y2计算出物料桶5的旋转角度值θ；
61.物料桶旋转角度值θ计算方法为：δy＝y2-y1；δx＝x2-x1；tanθ＝δy/δx，θ＝acrtan(δy/δx)；将物料桶旋转角度值θ计算公式植入控制器中的数据处理单元，x1、x2、y1和y2为测量已知值，将x1、x2、y1和y2的数值传送给数据处理单元，数据处理单元便可计算出物料桶的旋转角度θ。
62.步骤四：物料桶5为方形桶，其边长为l，物料桶5上靠近y轴的三个顶点在xy平面的坐标分别为a(xa，ya)、b(xb，yb)、c(xc，yc)，中心点e的坐标为(xe，ye)，由几何关系可知，物料桶(5)中心e的坐标为：xe＝(xa xc)/2，ye＝(ya yc)/2；
63.物料桶5中心e点坐标(xe，ye)计算方法为：要得到e点坐标(xe，ye)需先求出a(xa，ya)、b(xb，yb)、c(xc，yc)的坐标值；
64.1)b(xb，yb)点坐标计算方法为：
65.a点在x轴上(定位装置触发位置线)，因此通过θ值，求出b点坐标yb的值yb＝l*sinθ；已知y1和yb，在直角三角形bhi中，求出bh长度，bh＝y1-yb；
66.在三角形bhi中，已知bh长度和∠ibh＝θ，求出ih长度，由tanθ＝ih/bh＝ih/(y1-yb)＝ih/(y1-l*sinθ)＝δy/δx＝(y2-y1)/(x2-x1)；结合θ＝acrtan(δy/δx)；
67.ih＝(y2-y1)/(x2-x1)*(y1-l*sin(arctan((y2-y1)/(x2-x1))))
68.x1值通过测量得到，因此可以求出xb的值；xb＝x1-ih，由此得到b点坐标(xb，yb)；
69.2)c(xc，yc)点坐标计算方法为：
70.直角三角形afb和直角三角形bdc为全等三角形，因此可得到c点yc的值，yc＝fb bd＝l*sinθ l*cosθ＝l*(sinθ cosθ)；xc＝xb cd＝xb l*sinθ，由此得到c点坐标(xc，yc)；
71.3)a(xa，ya)点坐标计算方法为：
72.由于a点在x轴上(定位装置触发位置线)，ya＝0，且已知b点坐标，可得xa＝l*cosθ xb＝l*cosθ x1-ih，由此得到a点坐标(xa，0)；
73.4)物料桶中心e点坐标计算方法为：
74.xe＝(xa xc)/2；ye＝(ya yc)/2＝yc/2；
75.并列方程式
76.δy＝y2-y1；δx＝x2-x1；θ＝acrtan(δy/δx)；xa＝l*cosθ x1-ih；
77.ih＝(y2-y1)/(x2-x1)*(y1-l*sin(arctan((y2-y1)/(x2-x1))))；
78.xc＝xb l*sinθ；xb＝x1-ih；yc＝l*(sinθ cosθ)；
79.将x1,x2,y1,y2值带入可求出物料桶中心e点坐标(xe，ye)；
80.将物料桶5中心e点坐标(xe，ye)计算方法植入控制器中的数据处理单元，将x1、x2、y1、y2和θ的数值传送给数据处理单元，数据处理单元便可计算出物料桶中心e点坐标(xe，ye)
81.步骤五：将物料桶5中心e点坐标(xe,ye)和物料桶5偏转角度θ发送至桁架机器人，桁架机器人运动到e点进行抓取物料桶。
82.通过物料桶的几何模型可以计算出物料桶中心e点坐标(xe，ye)，以及料桶偏转角θ；最后将物料桶中心e点坐标(xe，ye)和偏转角θ，发送至桁架机器人，桁架机器人携带相机运动到e点进行拍照，拍照的数据上传至总控系统，总控系统根据得到的数据，发送对应指令给桁架机器人执行后续动作；显然通过本发明的设计方案也可实现对空物料桶的装车。
83.本发明的定位装置和定位方法实现了对物料桶来料状态不确定时的料桶位置信息的自动识别，即自动识别物料桶位姿，并将识别出的信息传递给桁架，以方便桁架机器人的后续操作；采用横挡条加行程开关，保证物料桶在滚筒线上运行发生旋转时，始终是左右两个顶点触碰到行程开关开关停止；单边采用两个激光测距传感器，这样通过数值比较能计算出物料桶的旋转角度，同时激光测距传感器的数值可以用来进行货物装车保护。
84.从箱式货车自动卸下的货物输送到卸货平台上，卸货平台空间较物料而言面积大，无法采用视觉技术对整个卸货平台时进行识别时候，采用本发明提供的定位装置及定位方法可以判断物料的在平台上的位置并进行粗定位，然后再利用桁架机器人视觉技术进行精确定位，实现大型物料的自动化入库。
85.本发明针对不规则来料料桶位姿采用激光测距传感器进行粗定位，获得料桶中心坐标值和旋转角度值，并与桁架机器人配合使用，采用视觉技术对料桶进行精确定位，实现料桶的自动抓取，进而实现物料的自动卸货入库和空桶装车功能。
86.以上结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。