本发明属于环保设备领域，具体涉及一种大跨度搬运与堆垛机器人及其工作方法。
背景技术：
现有技术中，大型的垃圾焚烧发电站通常设置有垃圾池，以便暂时存储垃圾；垃圾池中的垃圾需要堆垛机器人进行抓取搬运；堆垛机器人需要人员进行目视操作，然而垃圾池周围空气污浊，恶劣的工作环境会对吊车操作人员的健康造成威胁，因此有必要引入自动控制系统。但是现有技术中的吊车自动控制系统存在以下问题：1.现有的吊车自动控制系统大多用于装卸集装箱等具有固定形状的货物，而垃圾为散料，没有固定形状，现有的自动控制系统无法准确对其进行定位；2.对于具有固定形状的货物，控制系统可以通过记录堆放位置以及堆叠层数统计货场中各个区域的堆叠高度，以便规划吊车的运行线路；然而垃圾为散料，无法通过堆叠状准确获取垃圾池内各个区域的堆垛高度，这使得自动控制系统无法准确地抓取垃圾池中的垃圾。综上所述，堆垛高度检测技术以及搬运线路规划方法是垃圾池吊车的自动控制系统的首要技术难题。
技术实现要素：
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种大跨度搬运与堆垛机器人及其工作方法，该机器人采用非接触传感器，可以准确地检测出垃圾池内各个区域的垃圾堆垛高度，并根据各区域的堆垛高度进行搬运路线的规划，实现搬运与堆垛机器人的自动化控制。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种大跨度搬运与堆垛机器人，其特征在于所述大跨度搬运与堆垛机器人包括功能头以及用于驱动所述功能头进行移动的功能头驱动机构；所述功能头驱动机构包括梁式大车、小车；所述小车的下方设置有升降机构，所述升降机构与所述功能头连接。
大跨度搬运与堆垛机器人还包括机器人功能头定位模组、非接触高度计以及场景检测及路线规划模块；所述机器人功能头定位模组以及所述非接触高度计均连接所述场景检测及路线规划模块；所述非接触高度计安装在所述功能头的侧面；所述场景检测及路线规划模块用于根据所述非接触高度计以及所述机器人功能头定位模组的检测结果计算所述大跨度搬运与堆垛机器人的运行区域内各个区块的堆垛高度，并根据各个所述区块堆垛高度、所述功能头的所在位置和目标位置规划所述功能头的移动路线。
所述场景检测及路线规划模块连接所述堆垛机器人的控制系统。
所述非接触高度计包括安全壳、设置在所述安全壳内部的激光测高模块以及加速度传感器；所述安全壳固定安装在所述功能头的侧面，所述安全壳的底部开设有检测窗体，所述检测窗体中镶嵌有钢化玻璃；所述激光测高模块通过万向节悬吊在所述安全壳的内部；所述检测窗体的下方设置有可开合的密封挡板，所述密封挡板的一侧连接有挡板驱动机构；所述挡板驱动机构与所述激光测高模块以及所述加速度传感器连接；当所述激光测高模块检测到的相对高度小于警戒阈值时，所述挡板驱动机构驱动所述密封挡板闭合，以便遮挡所述检测窗体；当所述加速度传感器检测到持续时间超过第一时限的竖直向上的加速度时，所述挡板驱动机构驱动所述密封挡板开启。
所述检测窗体的下方设置有高压冲洗喷嘴以及气体烘干喷嘴；所述高压冲洗喷嘴连接高压水源，所述气体烘干喷嘴通过气体加热装置与气瓶连接；当所述密封挡板处于开启状态时，每隔预定时间，所述高压冲洗喷嘴对所述检测窗体进行冲洗，冲洗后所述气体烘干喷嘴对所述检测窗体进行烘干。
也可以在小车上设置非接触高度计。
一种大跨度搬运与堆垛机器人的工作方法，所述工作方法包括以下步骤：在大跨度搬运与堆垛机器人运行的过程中，场景检测及路线规划模块根据非接触高度计以及机器人功能头定位模组的检测结果计算所述大跨度搬运与堆垛机器人的运行区域内各个区块的堆垛高度；所述场景检测及路线规划模块根据各个所述区块的堆垛高度、功能头的位置坐标和目标位置规划所述功能头的移动路线。
计算所述大跨度搬运与堆垛机器人的运行区域中各个所述区块的堆垛高度具体包括以下步骤：将所述大跨度搬运与堆垛机器人的所述运行区域沿水平方向划分为由若干个所述区块构成的二维阵列，所述场景检测及路线规划模块的内部存储有各个所述区块的堆垛高度数据；非接触高度计持续测量其下方所述区块的堆垛表面到该非接触式高度计的相对高度，所述功能头定位模组检测所述功能头的位置坐标；所述场景检测及路线规划模块根据所述非接触高度计测量的相对高度以及所述功能头定位模组检测到的位置坐标计算位于所述非接触高度计下方的所述区块的堆垛高度，并对所述场景检测及路线规划模块内部存储的堆垛高度数据进行更新。
所述功能头定位模组检测到的位置坐标包括所述功能头的竖向高度hz；当所述非接触高度计安装在所述功能头的侧面时，所述场景检测及路线规划模块计算所述非接触高度计下方的所述区块的堆垛高度所采用的公式如下所示：
hs=hz–hr
其中：hs为位于所述非接触高度计下方的所述区块的堆垛高度，hr为所述非接触高度计至堆垛表面的相对高度。
规划所述功能头的移动路线的过程中，所述场景检测及路线规划模块根据各个所述区块的堆垛高度计算所述功能头的移动路径上的障碍物分布情况，所述场景检测及路线规划模块根据所述障碍物的分布情况调整所述功能头的移动路径，并根据调整后的移动路径生成所述大跨度搬运与堆垛机器人的操作指令。
在所述功能头的位置坐标以及所述目标位置均位于机械臂的抓取范围内的情况下，梁式大车和小车保持停止状态，所述功能头在升降机构、水平回转平台以及所述机械臂的驱动下移动至目标位置。
本发明的优点为：通过非接触高度计以及机器人功能头定位模组，场景检测及路线规划模块可以实时监控搬运及堆垛机器人的运行区域内各个区块的堆垛高度的变化；该堆垛高度检测技术具有精度高、可靠性高等优点；通过该检测技术，可以实现堆垛机器人的自动控制。
附图说明
图1为本发明大跨度搬运与堆垛机器人的侧视图；
图2为本发明中搬运线路规划装置的结构框图；
图3为本发明中大跨度搬运与堆垛机器人的运行区域的俯视图；
图4为本发明中非接触高度计在密封挡板处于闭合状态时的剖视图；
图5为本发明中非接触高度计在密封挡板处于开启状态时的剖视图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1-5，图中标记1-29分别为：大跨度搬运与堆垛机器人1、功能头驱动机构2、功能头3、梁式大车4、小车5、轨道7、运行区域8、功能头定位模组9、非接触高度计10a、非接触高度计10b、场景检测及路线规划模块11、区块12、垂直轨道13、升降机构14、水平回转平台15、回转装置16、机械臂17、安全壳18、激光测高模块19、加速度传感器20、检测窗体21、万向节22、密封挡板23、挡板驱动机构24、高压冲洗喷嘴25、气体烘干喷嘴26、高压水源27、气体加热装置28、气瓶29。
实施例：如图1至3所示，本实施例涉及一种大跨度搬运与堆垛机器人，该大跨度搬运与堆垛机器人1包括功能头3以及用于驱动功能头3移动的功能头驱动机构2；功能头驱动机构2包括梁式大车4、小车5；小车5的下方设置有垂直轨道13，垂直轨道13上设置有升降机构14，升降机构14的侧面连接有水平回转平台15，水平回转平台15的回转装置16连接有机械臂17，机械臂17的末端与功能头3连接；功能头3通过机械臂17以及回转平台15与升降机构14连接。
如图1所示，垂直轨道13为刚性轨道，这样在升降机构14升降的过程中，可以沿着垂直轨道13运动，避免功能头3发生摆动，有效地提高了功能头3的抓取精度；本实施例中，梁式大车4、小车5以及垂直轨道13采用笛卡尔坐标系进行控制，采用这种控制方式误差适中，可以应用在运动范围较大的系统；水平回转平台15、机械臂17采用极坐标控制方式，这种控制方式对于运动范围较小系统具有较高的精度，但是对于运动范围较大的系统，其定位误差与该系统的直径成正比，因此极坐标控制方式不适合大跨度机器人；本实施例中，将笛卡尔坐标系控制方式以及极坐标系的控制方式相结合，有效地提高了功能头3的定位精度。当对所述功能头的定位精度要求不高，或对所述功能头的防摆晃要求不高时，也可以不设置垂直轨道。
如图1、2所示，功能头驱动机构2用于带动功能头3在大跨度搬运与堆垛机器人1的运行区域8内移动；本实施例中堆垛机器人的运行区域8为垃圾池。
如图1至3所示，本实施例中大跨度搬运与堆垛机器人还包括搬运线路规划装置，搬运线路规划装置包括：机器人功能头定位模组9、非接触高度计10a以及场景检测及路线规划模块11；机器人功能头定位模组9以及非接触高度计10a均连接场景检测及路线规划模块11；非接触高度计10a安装在大跨度搬运与堆垛机器人1的功能头3的侧面，用于检测功能头3与堆垛上表面之间的相对距离。
如图1、2所示，本实施例中搬运线路规划装置用于检测大跨度搬运与堆垛机器人1的运行区域8内各个区块12的散料堆垛高度，并根据各个区块12的堆垛高度、功能头3的所在位置以及功能头3的目标位置规划所述功能头3的移动路线，以便实现大跨度搬运与堆垛机器人1的自动控制。
如图1至3所示，功能头定位模组9用于检测功能头3的实时位置坐标，本实施例中，功能头定位模组9为安装在大跨度搬运与堆垛机器人1上各个运动部位的定周长滚轮驱动编码器、齿轮齿条驱动编码器以及轴装旋转编码器。
如图1至3所示，场景检测及路线规划模块11内设置有一个二维表格，该二维表格用于存储大跨度搬运与堆垛机器人1的运行区域8内各个区块12的堆垛高度；场景检测及路线规划模块11可根据非接触高度计10a检测到的相对高度以及功能头定位模组9的检测到的功能头3位置坐标计算位于功能头3正下方的区块12的堆垛高度；场景检测及路线规划模块11可使用计算出的堆垛高度对其内部的二维表格中的数据进行更新；功能头3在大跨度搬运与堆垛机器人1的运行区域8内移动，场景检测及路线规划模块11每隔预定时间对非接触高度计10a下方的堆垛高度进行计算；由于堆垛高度主要由功能头3改变；通过持续对非接触高度计10a下方的堆垛高度进行测量，场景检测及路线规划模块11可以保持其内部保存的堆垛高度数据与真实情况一致。
如图1至3所示，本实施例中场景检测及路线规划模块11连接大跨度搬运与堆垛机器人1的控制系统；大跨度搬运与堆垛机器人1可以按照场景检测及路线规划模块11的规划路线将功能头3移动到预定位置。
如图1至3所示，本实施例中非接触高度计10a为激光高度计；场景检测及路线规划模块11为工控机、plc、单片机或通用计算机。
如图1、4、5所示，非接触高度计10a包括安全壳18、设置在安全壳18内部的激光测高模块19以及加速度传感器20；安全壳18固定安装在功能头3的侧面，安全壳18由高强度不锈钢制成的密闭容器，用于保护其内部的激光测高模块19和加速度传感器20；为了便于激光测高模块19发出的光束透过，安全壳18的底部开设有检测窗体21，检测窗体21中镶嵌有钢化玻璃；激光测高模块19通过万向节22悬吊在安全壳18的内部，万向节22可以确保激光测高模块19在测量过程中可以保持竖直向下的姿态；检测窗体21的下方设置有可开合的密封挡板23，密封挡板23的一侧连接有挡板驱动机构24，本实施例中挡板驱动机构24为液压油缸。
如图1、4、5所示，挡板驱动机构24与激光测高模块19以及加速度传感器20连接；当激光测高模块19检测到的相对高度小于警戒阈值时，表示功能头3即将从堆垛上抓取物体或者将物体对方在堆垛上，为了避免检测窗体21内的钢化玻璃与堆垛上的物体发生碰撞，相对高度小于警戒阈值时挡板驱动机构24驱动密封挡板23闭合；密封挡板23闭合后的状态如图4所示；当加速度传感器20检测到持续时间超过第一时限的竖直向上的加速度时，表示功能头3向上提升了一定距离，非接触高度计10a已经不存在碰撞的危险，此时挡板驱动机构24驱动密封挡板23开启，密封挡板23开启后的状态如图5所示。
如图1、4、5所示，检测窗体21的下方设置有高压冲洗喷嘴25以及气体烘干喷嘴26；高压冲洗喷嘴25通过管道与高压水源27连接；气体烘干喷嘴26通过气体加热装置28与气瓶29连接；述密封挡板23处于开启状态时，每隔预定时间，高压冲洗喷嘴25对检测窗体21的钢化玻璃里进行冲洗，冲洗后气体烘干喷嘴26向钢化玻璃喷射高温高压气体，以便对检测窗体21的钢化玻璃进行烘干；通过冲洗和烘干可以及时清洗掉钢化玻璃表面沾染的污渍，使得钢化玻璃可以保持较好的透明度。
如图1所示，小车5上安装有非接触高度计10b，非接触高度计10b用于检测非接触高度计10b下方的堆垛高度；非接触高度计10b也与场景检测及路线规划模块11连接。
如图1至3所示，本实施例涉及一种大跨度搬运与堆垛机器人的工作方法，其特征在于所述大跨度搬运与堆垛机器人的工作方法包括以下步骤：
1）在大跨度搬运与堆垛机器人1运行过程中，场景检测及路线规划模块11根据非接触高度计10a或非接触高度计10b以及机器人功能头定位模组9检测的数据计算大跨度搬运与堆垛机器人1的运行区域8的各个区块12的堆垛高度；各个区块12堆垛高度的检测过程具体包括以下步骤：
1.1）如图3所示，将大跨度搬运与堆垛机器人1的运行区域8沿水平方向划分为若干区块12；各区块12呈二维阵列的方式排列；本实施例中，各区块12为圆形，相邻的区块12的边缘相互重叠。
1.2）如图1至3所示，场景检测及路线规划模块11内设置有一个二维表格，该表格内的单元格与运行区域8内的区块12一一对应，用于存储相应区块12的堆垛高度；在大跨度搬运与堆垛机器人1投入使用时，大跨度搬运与堆垛机器人1的运行区域8内没有散料，因此在初次使用大跨度搬运与堆垛机器人1时，需要将场景检测及路线规划模块11内的二维表格进行清零。
1.3）如图1至3所示，非接触高度计10a持续测量其下方区块12的堆垛表面到非接触高度计10a的相对高度；场景检测及路线规划模块11可根据非接触高度计10a测量的相对高度以及功能头定位模组9的检测结果计算所述非接触高度计10a下方区块12的堆垛高度，并对场景检测及路线规划模块11内的二维表格中存储的堆垛高度数据进行更新；由于大跨度搬运与堆垛机器人1的运行区域8内的堆垛高度主要由功能头3影响，因此通过间隔预定时间测量非接触高度计10a下方区块12的堆垛高度，即可实时检测运行区域8内堆垛高度的变化。
如图1、2所示，功能头定位模组9用于测量功能头3的位置坐标，功能头3的位置坐标包括功能头3的竖向高度；当非接触高度计10a安装在所述功能头3的侧面时，功能头3的竖向高度可近似等于非接触高度计10a的竖向高度，此时场景检测及路线规划模块11计算非接触高度计10a下方区块12的堆垛高度的公式如下所示：
hs=hz–hr
其中：hs为非接触高度计10a下方区块的堆垛高度，hz为功能头3的竖向高度，hr为功能头3至堆垛表面的相对高度。
如图1、2所示，场景检测及路线规划模块11还可通过非接触高度计10b测量的所述非接触高度计10b下方区块12的堆垛高度，并对场景检测及路线规划模块11内的二维表格中存储的堆垛高度数据进行更新。非接触高度计10a以及非接触高度计10b互为备份。
2)场景检测及路线规划模块11根据各个区块12的堆垛高度、功能头3的所在位置和目标位置规划功能头3的移动路线；在规划移动路线的过程中，场景检测及路线规划模块11可根据各个区块12的堆垛高度判断出功能头3的移动路径上障碍物（障碍物为堆垛高度过高的区块12）的分布情况，场景检测及路线规划模块11根据障碍物的分布情况调整功能头3的移动路径，以便功能头3避开堆垛高度过高的区块12；场景检测及路线规划模块11可根据规划出的路线向大跨度搬运与堆垛机器1人发出运行指令；场景检测及路线规划模块11可同时向大跨度搬运与大跨度搬运与堆垛机器人1的梁式大车4、小车5、垂直轨道13、升降机构14、水平回转平台15、回转装置16、机械臂17发出控制指令；而人工操作时，操作人员最多同时操作上述装置中的任意两者；达目标位置后，功能头3可以释放其内部装载的货物，或者使用功能头3抓取获取，并在场景检测及路线规划模块11的控制下搬运至下一个目标位置。
如1所示，当功能头3的位置坐标以及目标位置均位于机械臂17的抓取范围内的情况下，梁式大车4和小车5保持停止状态，功能头3在升降机构14、水平回转平台15以及机械臂17的驱动下移动至目标位置；这种控制方法特别适用于多个目标位置密集排列的情况下；例如将密集排列的多个货物抓取并移动至单个堆放点；此时可以将垂直轨道13移动至待抓取货物和堆放点之间，这样在抓取过程中仅靠水平回转平台15以及机械臂17移动3功能头即可完成抓取搬运任务，避免频繁对梁式大车4和小车5进行操作。
本实施例的有益效果为：通过非接触高度计以及机器人功能头定位模组，场景检测及路线规划模块可以实时监控搬运及堆垛机器人的运行区域内各个区块的堆垛高度的变化；该堆垛高度检测技术具有精度高、可靠性高等优点；通过该检测技术，可以实现堆垛机器人的自动控制。