一种基于视觉的物流运载小车

1.本发明涉及机械运输技术领域，具体涉及一种基于视觉的物流运输小车。


背景技术：

2.现有的搬运机械都由人工操作及控制，使用时通过操作人员目测待堆码的大概位置，再根据其目测位置大致移动机械抓取物品进行堆码，操作可变性较大，产生的误差和误判也较大，使得作业效率较低，操作人员劳动强度也较高。传统的机械运输方式，存在效率低、工人劳动强度大、自动化程度低、设备体积大、操作难度高和难以用于运输小型物品的缺点。因此，如何提高放置效率、降低工人劳动强度、提升自动化程度和减小设备体积，成为亟待解决的问题。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于视觉的物流运载小车，该物流运载小车具有结构简单、操作便捷、自动化程度高的特点，可广泛应用于物流运输、工业化流水线中。
4.为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：一种基于视觉的物流运载小车，包括：车体支撑架、运输机构、抓取机构、移动机构和控制模块，所述运输机构通过螺栓与车体支撑架连接，位于车体支撑架的上端；所述抓取机构与运输机构通过螺栓连接，所述移动机构设置于车体支撑架的下端，所述控制模块设置于车体支撑架的底部，所述运输机构、抓取机构、移动机构均与控制模块连接。
5.进一步地，所述车体支撑架包括：车架和底板载物台，所述底板载物台与车架通过螺钉固定连接，所述车架的上端连接运输机构，所述车架的下端连接移动机构。
6.进一步地，所述运输机构包括：同步轮、第一步进电机、立式支座、开口同步带、光轴、运输箱体，所述运输箱体设置于光轴上，所述光轴的两端通过立式支座固定与车架上，所述同步轮位于光轴的两端，所述开口同步带绕过两个同步轮后两端均与运输箱体胶接；其中，一个同步轮固定于车架上，另一个同步轮与第一步进电机的输出轴连接，所述第一步进电机固定与车架上。
7.进一步地，所述运输箱体包括：主箱体、第一直线轴承、第一贯穿孔、第一齿轮、连接轴、第二齿轮、第二步进电机、第二贯穿孔、第二直线轴承、第三贯穿孔、第三齿轮、齿条，所述第一贯穿孔和第二贯穿孔位于主箱体内部，水平贯穿，所述第一直线轴承位于第一贯穿孔内部，所述第二直线轴承位于第二贯穿孔内部；所述第三贯穿孔位于主箱体内部，垂直贯穿，所述第三齿轮和齿条位于第三贯穿孔内部，且第三齿轮与齿条啮合；所述第三齿轮的轴心与第一齿轮的轴心通过连接轴同轴连接，所述第一齿轮位于主箱体的外部，所述第一齿轮与第二齿轮啮合，所述第二齿轮与第二步进电机的输出轴连接，所述第二步进电机与主箱体固定连接。
8.进一步地，所述第一直线轴承和第二直线轴承设置于光轴上。
9.进一步地，所述抓取机构包括：舵机、卡盘、主动爪、从动爪和辅助爪，所述主动爪、从动爪上均通过铜柱固定连接辅助爪，所述主动爪的一端与从动爪的一端啮合连接，所述主动爪与卡盘固定连接，所述卡盘通过内齿与舵机输出轴的外齿连接；所述舵机与控制模块连接。
10.进一步地，所述机械爪的顶部与齿条通过螺栓固定连接。
11.进一步地，所述移动机构包括：全向轮、联轴器、减速箱和第三步进电机；所述第三步进电机通过螺钉与车架固定连接，所述第三步进电机的输出轴与减速箱连接，所述减速箱的输出轴与联轴器的一端固定连接；所述联轴器的另一端与全向轮的轴固定连接。
12.进一步地，所述控制模块包括：树莓派控制板、stm32控制板和摄像头，所述stm32控制板和树莓派控制板位于底板载物台下方，所述摄像头通过螺钉与车架固定连接，位于车体支撑架的最前端，所述摄像头与树莓派控制板连接，所述树莓派控制板与stm32控制板连接。
13.进一步地，所述stm32控制板分别与第一步进电机、第二步进电机、舵机、第三步进电机连接。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明物流运载小车采用的运输机构为二自由度运输机构，将运输机构上的第一直线轴承、第二直线轴承设置于光轴上，通过第一步进电机驱动开口同步带的移动，从而带动抓取机构在轴向运动，通过在运输机构上设置竖向齿条与第三齿轮啮合，从而带动抓取机构在垂直方向上的移动，提高了货物运输的稳定性和安全性；本发明物流运输小车的控制模块由树莓派控制板和stm32控制板组成，摄像头将拍摄的货物视觉图像传送给树莓派控制板，经树莓派控制板进行处理后，将控制运输机构移动的指令和控制抓取机构的指令发送给stm32控制板，由stm32控制板控制第一步进电机、第二步进电机、舵机、第三步进电机的运行，从而实现货物的抓取过程，本发明的物流运输小车通过视觉识别，采用上位机与下位机相结合的控制方式，使得该物流运输小车具有识别准确性高、反应速度快的特点，可实现无人化和自动化，很大程度上提高了分拣与搬运效率。本发明运输小车的整车体积小，可应用于货物分拣堆码、工业流水线生产及危险环境的运输。
附图说明
15.图1是本发明基于视觉的物流运载小车的轴侧图；图2是本发明中车体支撑架的标记图；图3是本发明中运输结构的结构示意图；图4是本发明中运输箱体的结构示意图；图5是本发明中抓取机构的结构示意图；图6是本发明中移动机构的结构示意图；图7是本发明中控制模块的结示意图；图中标记名称：
ⅰ‑
车体支撑架，
ⅱ‑
运输机构，
ⅲ‑
抓取机构，
ⅳ‑
移动机构，
ⅴ‑
控制模块，1-车架，2-底板载物台，3-同步轮，4-第一步进电机，5-立式支座，6-开口同步带，7-光轴，8-运输箱体，9-主箱体，10-第一直线轴承，11-第一贯穿孔，12-第一齿轮，13-连接轴，14-第二齿轮，15-第二步进电机，16-第二贯穿孔，17-第二直线轴承，18-第三贯穿孔，19-第
三齿轮，20-齿条，21-舵机，22-卡盘，23-主动爪，24-从动爪，25-辅助爪，26-全向轮，27-联轴器，28-减速箱，29-第三步进电机，30-树莓派控制板，31-stm32控制板，32-摄像头。
具体实施方式
16.以下结合附图对本发明的技术方案作进一步地解释说明。
17.如图1为本发明基于视觉的物流运载小车的轴侧图，该物流运输小车包括：车体支撑架ⅰ、运输机构ⅱ、抓取机构ⅲ、移动机构ⅳ和控制模块
ⅴ
，本发明中的车体支撑架ⅰ采用铝型材，在保证强度的情况下，减轻车身重量。运输机构ⅱ通过螺栓与车体支撑架ⅰ连接，位于车体支撑架ⅰ的上端；抓取机构ⅲ与运输机构ⅱ通过螺栓连接，移动机构ⅳ设置于车体支撑架ⅰ的下端，控制模块
ⅴ
设置于车体支撑架ⅰ的底部，运输机构ⅱ、抓取机构ⅲ、移动机构ⅳ均与控制模块
ⅴ
连接，通过控制模块
ⅴ
控制运输机构ⅱ、抓取机构ⅲ、移动机构ⅳ的协同工作，实现货物的运输，使得该物流运输小车具有识别准确性高、反应速度快的特点，可实现无人化和自动化，很大程度上提高了分拣与搬运效率。
18.如图2，本发明中车体支撑架ⅰ包括：车架1和底板载物台2，底板载物台2与车架1通过螺钉固定连接，车架1的上端连接运输机构ⅱ，车架1的下端连接移动机构ⅳ。
19.如图3，本发明中运输机构ⅱ包括：同步轮3、第一步进电机4、立式支座5、开口同步带6、光轴7、运输箱体8，运输箱体8设置于光轴7上，光轴7的两端通过立式支座5固定与车架1上，同步轮3位于光轴7的两端，开口同步带6绕过两个同步轮3后两端均与运输箱体8胶接；其中，一个同步轮3固定于车架1上，另一个同步轮3与第一步进电机4的输出轴连接，第一步进电机4固定与车架1上。本发明中的第一步进电机4作为运输箱体8水平方向的输入动力，通过第一步进电机4驱动同步轮3转动，带动开口同步带6的水平移动，使得运输箱体8水平移动。本发明中第一步进电机4的扭矩范围为0.5n
·
m～1.0n
·
m，适中的扭矩可有效减小电压和电流，节约能源且提高安全稳定性；同时为了在保证相同强度下最大程度上减轻车体支撑架ⅰ的质量，采用的光轴材料为碳纤维。
20.如图4，本发明中运输箱体8包括：主箱体9、第一直线轴承10、第一贯穿孔11、第一齿轮12、连接轴13、第二齿轮14、第二步进电机15、第二贯穿孔16、第二直线轴承17、第三贯穿孔18、第三齿轮19、齿条20，第一贯穿孔11和第二贯穿孔16位于主箱体9内部，水平贯穿，第一直线轴承10位于第一贯穿孔11内部，第二直线轴承17位于第二贯穿孔16内部，第一直线轴承10和第二直线轴承17设置于光轴7上，通过开口同步带6的运动带动主箱体9在光轴7上滑动；第三贯穿孔18位于主箱体9内部，垂直贯穿，第三齿轮19和齿条20位于第三贯穿孔18内部，以减少主箱体9的体积，且第三齿轮19与齿条20啮合；第三齿轮19的轴心与第一齿轮12的轴心通过连接轴13同轴连接，第一齿轮12位于主箱体9的外部，第一齿轮12与第二齿轮14啮合，第二齿轮14与第二步进电机15的输出轴连接，第二步进电机15与主箱体9固定连接。第二步进电机15作为抓取机构ⅲ垂直方向的输入动力，通过第二步进电机15带动第二齿轮14转动，实现第二齿轮14与第一齿轮12啮合，带动连接轴13上的第三齿轮19与齿条20的啮合运动，从而实现抓取机构ⅲ在垂直方向上的移动。本发明中第二步进电机作为起重的关键电机，扭矩范围为0.6n
·
m ～ 1.5n
·
m，大的扭矩可有效实现抓取机构ⅲ在垂直方向上的运动。
21.如图5，本发明中的抓取机构ⅲ包括：舵机21、卡盘22、主动爪23、从动爪24和辅助
爪25，主动爪23、从动爪24上均通过铜柱固定连接辅助爪25，辅助爪25的安装增大了主动爪23、从动爪24的抓取范围，有效提高了抓取机构ⅲ的容错率与稳定性；主动爪23的一端与从动爪24的一端啮合连接，主动爪23与卡盘22固定连接，卡盘22通过内齿与舵机21输出轴的外齿连接，舵机21与控制模块
ⅴ
连接。本发明中舵机21为抓取机构ⅲ的抓取提供稳定的动力输入，通过控制模块
ⅴ
控制舵机21的运行，使得舵机21输出轴的转动，带动主动爪23与从动爪24的张开与闭合。机械爪22的顶部与齿条20通过螺栓固定连接，齿条20带动抓取机构ⅲ实现垂直方向上的运动。
22.如图6，本发明中的移动机构ⅳ包括：全向轮26、联轴器27、减速箱28和第三步进电机29；为了将移动机构ⅳ与车体支撑架ⅰ完全固定，第三步进电机29通过螺钉与车架1固定连接，本发明中第三步进电机29作为移动机构ⅳ的输入动力，可靠稳定地将动力输出至全向轮26，第三步进电机29的输出轴与减速箱28连接，通过减速箱28来增大扭矩，减小第三步进电机29的体积与质量，减速箱28的输出轴与联轴器27的一端固定连接，联轴器27的另一端与全向轮26的轴固定连接。本发明中第三步进电机29的扭矩范围为0.5n
·
m～1n
·
m，因第三步进电机29的体积和质量与扭矩成正比，采用适中的扭矩范围既可与减速箱28配合提供足够的扭矩，而且一定程度上减小了电机的体积和质量；为了和第三步进电机29配合提供足够的扭矩，减速箱28传动比范围为1:3～1:14。本发明为了实现二自由度的移动，避免整车的旋转，提高放置的准确性，全向轮26对向放置。
23.如图7，本发明中的控制模块
ⅴ
包括：树莓派控制板30、stm32控制板31和摄像头32，stm32控制板31和树莓派控制板30位于底板载物台2下方，以减少了占用空间，摄像头32通过螺钉与车架1固定连接，位于车体支撑架ⅰ的最前端，提供了车体前方的全部视野区域，摄像头32与树莓派控制板30连接，树莓派控制板30与stm32控制板31连接，stm32控制板31分别与第一步进电机4、第二步进电机15、舵机21、第三步进电机22连接，摄像头32将拍摄的货物视觉图像传送给树莓派控制板30，经树莓派控制板30进行处理后，将控制运输机构移动的指令和控制抓取机构的指令发送给stm32控制板31，由stm32控制板31控制第一步进电机4、第二步进电机15、舵机21、第三步进电机22的运行，从而实现货物的抓取过程，通过上位机与下位机结合的控制方式，可有效减少运算时间，独立运行的两个控制板提高了容错率，且树莓派控制板30搭载开源平台opencv，提高了识别的准确性。
24.在本发明的一个技术方案中，可以设置多个运输机构ⅱ和抓取机构ⅲ，通过控制模块
ⅴ
对运输机构ⅱ和抓取机构ⅲ的协同控制，可实现对多个货物的同时抓取。
25.本发明基于视觉的物流运输小车的工作过程具体为：将该物流运输小车水平放入工作区域，通过摄像头32捕捉视野区域内的货物，并视觉信息传输至树莓派控制板30，树莓派控制板30将识别到的信息处理，并向stm32控制板31发送指令，stm32控制板31根据指令控制第三步进电机29，使运输小车移动至货物前方；再控制第一步进电机4、第二步进电机15转动，带动运输机构ⅱ和抓取机构ⅲ运动至货物上方；控制舵机21转动，带动主动爪23和从动爪24闭合，抓取货物；stm32控制板31控制第二步进电机15反向转动，带动抓取机构ⅲ上升；stm32控制板31控制第一步进电机4转动，带动运输机构ⅱ和抓取机构ⅲ运动至底板载物台2上方；再通过stm32控制板31控制第二步进电机15、舵机21转动，将货物放置在底板载物台2上；通过stm32控制板31控制第三步进电机29转动，控制运输小车移动至放置区域；通过stm32控制板31控制第一步进电机4、第二步进电机15、舵机21转动，将货物移动至放置
区域上。
26.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施方式，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。