基于视觉的搬运避障码垛全自动三工位轮式机器人装置

1.本发明涉及搬运机器人技术领域，具体涉及基于视觉的一种基于视觉的搬运避障码垛全自动三工位轮式机器人装置。


背景技术：

2.随着工业制造、商业仓储-物流-批发-零售等行业的发展，越来越多工业车间仓库、商场、超市等场合，使用自动化码垛机器人取代人工，大幅降低成本，已成为当今发展的大趋势。但在目前实际作业环境下，能实现全自动搬运避障码垛功能的此类机器人，还存在一定的难度。现在市面上的机器人大多数默认应用与障碍物固定的情形下，对于非固定的障碍物的处理较差，极少一部分智能机器人能够处理障碍物不固定的情形，但是此部分机器人的价格十分昂贵，并不适合工业搬运行业配备。
3.针对以上问题，本发明针对某些纸箱类物品，提供了一种基于视觉的搬运避障码垛全自动三工位轮式机器人装置。


技术实现要素：

4.1.所要解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供一种基于视觉的搬运避障码垛全自动三工位轮式机器人装置，针对某些纸箱包装箱类物品，如装有若干盒或瓶装奶包装箱，其包括控制器，视觉模块，提升装置，机架，移动装置，平衡装置。其中视觉模块产生反馈，控制器根据反馈，控制提升装置、移动装置、平衡装置，从而实现全自动的搬运避障跺码功能。
5.2.技术方案：一种基于视觉的搬运避障码垛全自动三工位轮式机器人装置，其特征在于：包括底座、提升装置、顶板、平衡装置、视觉模块、控制模块以及移动装置；所述底座中间为水平方向的等边三角形架，等边三角形的每个边两端均设置向外延伸的方形工位底杆，且工位底杆与其连接的等边三角形的边垂直；同一个边的两个工位底杆之间形成一个工位；等边三角形架的三个脚上表面均在竖直方向上设置支撑架；支撑架的顶端覆盖圆形的水平方向的顶板；顶板能够覆盖住三个工位；每个工位均设置提升装置；所述提升装置包括两个步进电机、两根导杆、两根丝杆、两个联轴器、一根移动杆及安装于移动杆中间位置的机械爪；连接方式具体为：每个工位底杆的上表面均安装步进电机，其输出轴竖直向上依次连接联轴器、丝杆后连接至顶板；所述移动杆的两端均设置通孔可移动的套接于两根丝杆的外表面实现移动杆的升降；所述导杆与丝杆平行，移动杆的两端分别套接于丝杆的表面；所述平衡装置安装于顶板的上表面，包括旋转盘、配重块；所述旋转盘为长条板形状一端与顶板的圆心重合，且重合的一端为旋转盘的旋转轴；旋转盘的长度小于等于顶板的半径；所述配重块可移动的安装于旋转盘表面，并能够沿旋转轴延伸的方向移动；
所述底座下表面设置移动装置；所述移动装置包括万向轮与其相连的控制其运动的步进电机。
6.所述视觉模块安装于每个工位的中间的正上方位置，将采集的图片发送至控制模块，控制模块识别具有不同视觉特征的物体、该物体与视觉模块的摄像头之间的相对位置，并根据识别出的数据并发出预设的相关指令至对应的部件实现对机器人的自动控制。
7.进一步地，所述具有不同视觉特征的物体包括不同形状或者不同颜色的待码垛的箱状物体或者为障碍物；所述控制模块识别出障碍物时发送控制路线的指令至相应的电机，从而实现调节机器人位置；当检测到识别到的物体为待码垛的物体时，根据物体相对于机器人位置，发送运动指令至移动机器人，机器人移动至待码垛物体位置，根据视觉模块识别出物体的高度，发送指令至控制机械爪的电机，机械爪实现抓起动作。
8.进一步地，所述控制模块还能够控制移动装置的电机的转动，实现工位的更换；所述工位的更换包括通过机器人的旋转实现工位的更换。
9.进一步地，所述平衡装置还包括控制旋转盘转动的电机、控制配重块移动的电机；所述旋转盘的长度为可更换长度长短的旋转盘；所述配重块为可更换配重大小的配重块。
10.进一步地，所述控制模块能够根据机器人装置各个工位的负重大小，发送控制指令至平衡装置，通过调节平衡装置中的旋转盘的旋转的位置以及配重的位置，实现对负重小的工位进行负重平衡。
11.进一步地，所述视觉模块为openmv。
12.3.有益效果：（1）本发明的三工位轮式机器人装置的机架部分3分为三个工位，每个工位结构与功能相同，该结构其稳定性好容易达到整体的平衡，有利于提升机器人的工作效率。当一个工位提起箱子后，控制模块控制与万向轮相连的步进电机转动，使机器人装置转动120度，将空闲工位用于搬运，从而使得三工位同时工作，大大提升搬运效率。三工位的设计使得机器人装置尽可能的重量分配均匀，从而增加了机器人装置的稳定性，当单个箱体重量较大或者没有全部工位搬运物体时可通过调节平衡装置的旋转盘的位置和调节配重块的位置，使得整体的 重心位于中心位置。
13.（2）本发明中采用的移动装置安装在底座的下方，由三个步进电机及其控制的三个万向轮组成(可采用其他种类轮子)，万向轮在转向与横向行驶上更加方便控制，步进电机固定在机架底部，通过联轴器与万向轮连接。当机器人装置按照设定的轨迹行进时，控制模块控制步进电机实现机器人装置的移动与转向。同时由于视觉模块的不断反馈，控制模块对步进电机发出控制信号，避开障碍物，将物品送至货架处。在进行抓取与码垛过程中，通过控制轮子按照同一方向转动一定角度，实现工位的转换，将空闲工位用于搬运，或将负载工位进行卸载码垛，实现全自动搬运跺码避障的功能。
14.（3）本发明中的提升装置实现码垛物体的作用。当机器人装置到达货架时，控制模块根据视觉模块openmv反馈的奶箱高度控制提升装置的步进电机，步进电机带动丝杆转动，机械爪跟随移动杆上下移动，当到达箱子提带上方一定位置时（机械爪可以完全夹住提带），控制模块控制机械爪闭合，从而夹住提带，并通过控制步进电机，带动丝杆转动，使移动杆上移一定距离，把箱子从货架上提起即可。当机器人装置通过视觉模块反馈并越过障碍物，到达另一个货架时，控制模块控制与丝杆相连的步进电机，从而带动丝杆转动，移动
杆向下移动至箱子底部触及货架b或触及其他箱子顶面时控制模块控制机械爪张开，箱子落下，将箱子码垛在另一个货架上，实现箱子的码垛功能。
15.（4）本发明中采用平衡模块实现各个工位的相对平衡。当一个工位提起一较重箱体后，旋转盘自动旋转到箱体的最优平衡位置，调节配重块相对于旋转盘中心的距离，使得箱体相对于机器人几何中心的力矩与配重块相对于几何中心的力矩，大小基本相等，方向相反。当两个工位提起箱体时，旋转盘自动旋转至此刻的最佳平衡位置，调节配重块相对于中心的距离，使得两个箱体产生的力矩与配重块产生的力矩基本抵消。当机器人装置处于空载状态下，配重块移动至靠近中心点的一端。
附图说明
16.图1为本发明的整体结构图；图2为本发明中的提升装置的结构图；图3为本发明中的底座的仰视图；图4为本发明中的平衡装置的结构图；图5为具体实施例中的机器人装置搬运不同类型奶箱示意图。
具体实施方式
17.下面结合附图对本发明进行具体的说明。
18.如附图1至附图4所示，一种基于视觉的搬运避障码垛全自动三工位轮式机器人装置，其特征在于：包括底座7、提升装置5、顶板8、平衡装置6、视觉模块4、控制模块2以及移动装置1。
19.所述底座中间为水平方向的等边三角形架，等边三角形的每个边两端均设置向外延伸的方形工位底杆，且工位底杆与其连接的等边三角形的边垂直；同一个边的两个工位底杆之间形成一个工位；等边三角形架的三个脚上表面均在竖直方向上设置支撑架；支撑架的顶端覆盖圆形的水平方向的顶板；顶板能够覆盖住三个工位；每个工位均设置提升装置。
20.如附图3为本发明中的底板的仰视图，本发明中的底座采用中心对称的等边三角形支架结构，每个边对应设置一个工位，其稳定性好，重心比较低，在实践使用中安全性高。
21.所述提升装置包括两个步进电机501、两根导杆503、两根丝杆504、两个联轴器506、一根移动杆505及安装于移动杆中间位置的机械爪502；连接方式具体为：每个工位底杆的上表面均安装步进电机，其输出轴竖直向上依次连接联轴器、丝杆后连接至顶板；所述移动杆的两端均设置通孔可移动的套接于两根丝杆的外表面实现移动杆的升降；所述导杆与丝杆平行，移动杆的两端分别套接于丝杆的表面。
22.如附图2所示，本发明中的提升装置与底座的工位底杆组成三个工位，用于物品的提升与码垛，由电机、导杆、丝杆、机械爪，移动杆组成。丝杆通过联轴器与电机相连，移动杆套在导杆与丝杆上，可上下移动。机械爪固定在移动杆上，用于抓取货物。当机器人装置识别并调节好自身位置之后，控制器控制驱动电机，采取变加速——匀速——变减速控制方式，使得箱体在提升与码垛过程更加平稳。电机带动丝杆转动，机械爪跟随移动杆上下移动，根据视觉模块反馈的箱体高度，确定机械爪在抓取与码垛时的位置，实现对货物的码垛
功能。
23.所述平衡装置安装于顶板的上表面，包括旋转盘601、配重块602；所述旋转盘为长条板形状一端与顶板的圆心重合，且重合的一端为旋转盘的旋转轴；旋转盘的长度小于等于顶板的半径；所述配重块可移动的安装于旋转盘表面，并能够沿旋转轴延伸的方向移动。
24.如附图4所示，为本发明中的平衡装置结构图，通过控制电机，调节旋转盘的角度与配重块的相对于中心点的距离（其中，旋转盘半径的大小与配重块的质量，由搬运箱体的重量决定。）。本装置分为三个工位，当一个工位提起一较重箱体后，旋转盘自动旋转到箱体的最优平衡位置，调节配重块相对于旋转盘中心的距离，使得箱体相对于机器人几何中心的力矩与配重块相对于几何中心的力矩，大小基本相等，方向相反。当两个工位提起箱体时，旋转盘自动旋转至此刻的最佳平衡位置，调节配重块相对于中心的距离，使得两个箱体产生的力矩与配重块产生的力矩基本抵消。当机器人装置处于空载状态下，配重块移动至靠近中心点的一端。由此使得装置整体的重心落在中心处。当机器人装置到达a货架时，控制模块根据openmv视觉模块反馈的奶箱高度控制步进电机，步进电机带动丝杆转动，机械爪跟随移动杆上下移动，当到达箱子提带上方一定位置时，控制模块控制机械爪闭合，从而夹住提带，并通过控制步进电机，带动丝杆转动，使移动杆上移一定距离，把箱子从货架a提起即可。当机器人装置通过视觉模块4反馈并越过障碍物，到达b货架时，控制模块控制与丝杆相连的步进电机，从而带动丝杆转动，移动杆向下移动至箱子底部触及货架b或触及其他箱子顶面时，控制模块控制机械爪张开，箱子落下，将箱子码垛在货架b上，实现箱子的码垛功能。
25.所述底座下表面设置移动装置；所述移动装置包括万向轮与其相连的控制其运动的步进电机。
26.如附图3所示，其中的万向轮101与步进电机102为本发明的移动装置，能够在运输的过程中移动，并且在码垛的过程中实现工位的旋转。安装在底座的下方万向轮101在转向与横向行驶上更加方便控制，步进电机通过联轴器与万向轮连接。当机器人装置按照设定的轨迹行进时，控制模块控制步进电机，实现机器人装置的移动与转向。同时由于视觉模块的不断反馈，控制模块对步进电机发出控制信号，避开障碍物，将物品送至货架处。在进行抓取与码垛过程中，通过控制轮子按照同一方向转动一定角度，实现工位的转换，将空闲工位用于搬运，或将负载工位进行卸载码垛，实现全自动搬运跺码避障的功能。
27.所述视觉模块安装于每个工位的中间的正上方位置，将采集的图片发送至控制模块，控制模块识别具有不同视觉特征的物体、该物体与视觉模块的摄像头之间的相对位置，并根据识别出的数据并发出预设的相关指令至对应的部件实现对机器人的自动控制。
28.本装置中采用的视觉模块安装在工位的正前方，通过摄像头拍摄并对物品进行分析，用于识别具有不同视觉特征的物体，实现自动化识别的功能，使得搬运更加智能化。当机器人装置工作时，视觉模块进行拍摄并分析，反馈识别结果，包括箱体种类、箱体相对于摄像头的距离，机器人相对位置，障碍物的相对位置。根据箱体的种类可进行分类码垛，根据箱体相对于摄像头距离确定机械爪下降与提升的高度，控制器根据机器人装置的位置进行纠正调整至合理的位置，从而提高机器人装置抓取、码垛精度。同时视觉模块也可对障碍物产生反馈，控制器收到反馈后，控制移动装置从而调节机器人装置的位置，实现避障功能。具体实践中，通常视觉模块采用openmv模块。
29.进一步地，所述具有不同视觉特征的物体包括不同形状或者不同颜色的待码垛的箱状物体或者为障碍物；所述控制模块识别出障碍物时发送控制路线的指令至相应的电机，从而实现调节机器人位置；当检测到识别到的物体为待码垛的物体时，根据物体相对于机器人位置，发送运动指令至移动机器人，机器人移动至待码垛物体位置，根据视觉模块识别出物体的高度，发送指令至控制机械爪的电机，机械爪实现抓起动作。
30.进一步地，所述控制模块还能够控制移动装置的电机的转动，实现工位的更换；所述工位的更换包括通过机器人的旋转实现工位的更换。
31.进一步地，所述平衡装置还包括控制旋转盘转动的电机、控制配重块移动的电机；所述旋转盘的长度为可更换长度长短的旋转盘；所述配重块为可更换配重大小的配重块。
32.进一步地，所述控制模块能够根据机器人装置各个工位的负重大小，发送控制指令至平衡装置，通过调节平衡装置中的旋转盘的旋转的位置以及配重的位置，实现对负重小的工位进行负重平衡。
33.进一步地，所述视觉模块为openmv。
34.具体实施例：如附图5所示为使用本装置进行中码垛的示意图，本装置3分为三个工位，每个工位结构与功能相同。在货架a处时，当一个工位提起箱子后，控制模块控制与万向轮相连的步进电机转动，使机器人装置转动120度，将空闲工位用于搬运从而使得三工位同时工作，大大提升搬运效率。三工位使得机器人装置重量分配均匀，从而增加了机器人装置的稳定性，当单个箱体重量较大时可通过平衡装置6，调节配重块的位置，使得整体的重心位于中心位置。
35.虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本技术的权利要求保护范围所界定的为准。