桁架供包系统的制作方法

1.本公开涉及一种物流领域，尤其涉及一种桁架供包系统。


背景技术：

2.随着物流行业的迅速崛起，快递包裹的收发量呈爆发式增长。快递包裹在揽收后，需要根据收件地址进行分拣，以便将送往同一目的地的快递包裹进行集中并批量运输。快递包裹由揽收容器输入到分拣系统的过程，称为“供包”，即向分拣系统供应快递包裹，该过程体现为将快递包裹逐一放入分拣系统的传送带，通过传送带将快递包裹传送至分拣系统的目的地识别装置处，以进行目的地识别。
3.传统供包往往通过人工操作或是构造相对简单的单件分离机实现。最近还出现了利用六轴工业机器人进行供包的自动化供包系统。但传统方式效率低下，六轴工业机器人则有着成本过高、捡包速度慢等问题。
4.因此，需要一种能够以相对低廉的成本完成精确快速供包的物流解决方案。


技术实现要素：

5.本公开要解决的一个技术问题是提供一种桁架供包系统，该系统利用深度测量装置为桁架机器人提供xyz轴的运动参数，能够以相对低廉的成本实现快速精确的快递供包。
6.根据本公开的第一个方面，提供了一种桁架供包系统，包括：揽收台，用于供给揽收的包裹；传送带，用于将所述包裹传送给后续系统；深度数据测量头，安装在揽收台之上并用于对所述揽收台的第一区域进行深度数据测量；桁架机器人，所述桁架机器人包括x轴滑轨、y轴滑轨以及设置在y轴滑轨上的z轴机械手，其中，所述桁架机器人的xy平面活动范围覆盖所述揽收台的第二区域和所述传送带的第三区域，并且所述z轴机械手基于所述深度数据测量头对揽收台上包裹的深度测量结果，将所述包裹转移至所述传送带。
7.可选地，所述深度测量结果可以导出包裹的xyz坐标信息和朝向信息，并且所述z轴机械手根据所述包裹在所述揽收台上的xyz坐标信息和朝向信息，将所述包裹转移至所述传送带的预定位置并调整所述包裹具有预定朝向。
8.可选地，所述z轴机械手持续抓取所述揽收台上的包裹，并且以相同的时间间隔将包裹转移至所述传送带。
9.可选地，所述桁架机器人包括安装在龙门架上的所述x轴滑轨、以及设置在所述x轴滑轨上的所述y轴滑轨。
10.可选地，所述桁架机器人包括分别安装在第一和第二龙门架上的第一和第二x轴滑轨、以及设置在第一和第二x轴滑轨之间的所述y轴滑轨。
11.可选地，所述桁架机器人包括设置在所述y轴滑轨上的至少两个所述z轴机械手，用于在一个转移周期中，先后从所述揽收台抓取不同的包裹，并先后将所述不同的包裹依次放置在所述传送带上。
12.作为并列或者替换，桁架机器人还可以包括设置在y轴滑轨上的至少两个z轴机械
手，至少两个所述z轴机械手具有不同的抓取机构，所述不同的抓取机构对基于深度测量结果判定的不同形状的包裹进行抓取。
13.可选地，所述深度数据测量头包括：结构光投射装置，用于向揽收台投射结构光；具有预定相对空间位置关系的第一和第二图像传感器，用于各自对投射有所述结构光的所述揽收台进行成像以获取第一和第二二维图像。
14.可选地，所述深度数据测量头包括：可见光图像传感器，用于在所述结构光投射装置不投射所述结构光时对所述揽收台进行成像以获取可见光图像，所述可见光图像与所述第一和第二二维图像共同用于确定所述揽收台内包裹的三维分布深度信息。
15.可选地，所述系统还包括：计算装置，用于基于所述第一和第二二维图像确定所述揽收台内包裹的三维分布深度信息；以及控制装置，用于基于所述三维分布深度信息，确定所述桁架机器人进行所述包裹抓取时的xyz取值。
16.可选地，所述系统还包括：第二控制装置，用于基于所述三维分布深度信息，确定所述桁架机器人进行所述包裹释放时的xyz取值和旋转角度值，以使得所述包裹被放置在所述传送带的所述第三区域的相对固定的位置上。
17.本实用新型考虑到供包过程可以转化为在相对固定的xy平面范围内、相对固定的高度下的包裹平移过程，因此放弃采用造价高昂且反应较慢的六轴工业机器人，转而采用成本更低反应更迅速的桁架机器人，并结合深度测量设备来实现更为精确和高效的快递供包。
附图说明
18.通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
19.图1示出了根据本实用新型一个实施例的桁架供包系统的组成示意图。
20.图2示出了根据本实用新型一个实施例的用于桁架供包系统的深度数据测量头的正视图。
21.图3示出了根据本实用新型一个实施例的桁架供包系统的组成示意图。
22.图4示出了根据本实用新型一个实施例的桁架供包系统的组成示意图。
23.图5示出了根据本实用新型一个实施例的桁架供包系统的组成示意图。
具体实施方式
24.下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
25.在一个实施例中，提供了一种桁架供包系统，该系统可以用于物流领域内的供包，即，用于将揽收的包裹，以相对均匀的间隔、相对规整的姿态放置在传送带上，以便后续操作，例如，后续基于收货地址的分拣操作。
26.图1示出了根据本实用新型一个实施例的桁架供包系统的组成示意图。如图所示，
桁架供包系统包括四个主要组成部分：揽收台10、传送带20、深度数据测量头30以及桁架机器人40。
27.具体地，揽收台10用于接收包裹。虽然图1中示出的揽收台10呈现为水平放置的传送带的形式，但在不同的实施例中，揽收台可以具有不同的构造，可以能够以不同的方式为桁架机器人提供用于抓取的包裹。
28.在图1的例子中，揽收台10本身可以是一个水平放置并朝向桁架机器人方向进行运动的包裹传送带。在揽收台的一侧，例如可由人工将包裹摆放或是倾倒到揽收台上，并经由传送带传送至靠近桁架机器人的一侧。
29.在另一个例子中，揽收台例如可以连接进料口，并且从进料口倒入的包裹可以经由具有一定高度差的滑槽，滑行到揽收台的一侧。此时，揽收台可以实现为摩擦力较小的平台和/或具有一定高度差的斜面。在包裹能够在揽收台上滑动的情况下，可以在揽收台滑行终点侧设置挡板，以防止包裹从揽收台上滑落。在其他的实施例中，揽收台还可以具有其他的形态，并且能够与不同的进料系统对接，本实用新型对此不做限制。
30.深度数据测量头30可以安装在揽收台之上并用于对揽收台的至少部分区域进行深度数据测量。在此，可以将所述至少部分区域，即测量头30视野所覆盖的揽收台部分区域称为“第一区域”。相应地，桁架机器人40的x轴y轴覆盖面积也可以涵盖揽收台的至少部分区域。为了加以区分，可以将桁架机器人能够操作的揽收台区域称为“第二区域”。在此，应该理解的是，“第一”和“第二”(以及下文中的“第三”)用于对同一类型的不同对象加以区别，而非暗示其指代对象的重要性或是排序。
31.测量头30能够测量的揽收台的“第一区域”优选位于揽收台靠近桁架机器人40的那一侧，并且与桁架机器人40能够抓取包裹的揽收台的“第二区域”至少部分重叠。换句话说，测量头30进行测量了被测区域和桁架机器人40抓取包裹的区域最好能够大致重叠，由此方便测量头30的深度测量结构能够为桁架机器人40的抓取提供指导。虽然在一些特殊实现中，当揽收台是匀速运动的水平传送带时，测量头测量的“第一区域”也可以与桁架机器人抓取的“第二区域”不重叠，此时，测量头的测量结果用于桁架机器人一段时间(例如，几秒)后的抓取。换句话说，在拍摄包裹之后的一段时间内，包裹持续向前，在形态和朝向不变，因此可以通过时间和揽收台的传送速度计算出抓取时刻的包裹位置。
32.在本实用新型中，优选使用能够主动投射结构光的深度数据测量头来实现对第一区域内包裹深度信息的获取。图2示出了根据本实用新型一个实施例的用于桁架供包系统的深度数据测量头的正视图。在图1和随后结合图3-5的例子中，上述正视图示出的光出入窗口优选朝下或斜向下设置，以便对揽收台的目标区域进行拍摄。
33.如图所示，深度数据测量头30包括结构光投射装置301，用于向揽收台投射结构光。为了与环境光加以区分，优选投射红外结构光。在此，结构光可以是散斑结构光，也可以是条纹结构光。测量头30可以使用图像传感器对投射的结构光进行成像，并从拍摄的二维图像中通过计算获取拍摄区域的深度信息。在图2的例子中，测量头30采取双目成像结构，即，设置有两个图像传感器，第一图像传感器302和第二图像传感器303，两个图像传感器具有预定的相对空间位置关系，并且各自对投射有所述结构光的所述揽收台进行成像以获取第一和第二二维图像。随后可以通过像素窗口匹配和三角计算来获取视野范围内的被测包裹的三维分布深度信息，即，计算出被测空间内照射到结构光的xy分布面上各个点的高度z
取值，并由此获取被测包裹的三维信息。
34.测量头30还可以包括可见光图像传感器304，优选可以是rgb传感器。rgb传感器304可以在投射结构光之外的时刻进行拍摄，以获取揽收台的可见光图像，上述图像能够与在前获取的深度信息合成，以获取更为准确的包裹体积和位置信息。
35.虽然图2中示出了基于双目成像的深度数据测量头，并且带有可见光成像功能，但应该理解的是，在其他实施例中，也可以基于单目与参考图像的比较来实现深度成像，并且可见光成像功能也是可选的。
36.在测量头30拍摄到了计算深度信息/三维信息所需的图像之后，就可以利用计算装置基于所述第一和第二二维图像(以及可选的可见光图像)确定所述揽收台内包裹的三维分布深度信息。上述计算装置可以位于测量头30内，此时测量头30除了具备测量功能外，其本身还具备深度数据生成功能。在其他实施例中，上述计算装置可以位于测量头30之外，例如，位于桁架供包系统的控制设备内。无论哪种形态，测量头30都需要与外部进行数据通信(例如，有线或无线通信)，以将拍摄的图像信息和/或深度计算结果送出，用于对桁架机器人40的操作进行控制。
37.为此，系统还可以包括控制装置，用于基于所述三维分布深度信息，确定所述桁架机器人进行所述包裹抓取时的xyz取值。更进一步地，系统还可以包括第二控制装置，用于基于所述三维分布深度信息，确定所述桁架机器人进行所述包裹释放时的xyz取值和旋转角度值，以使得所述包裹被放置在所述传送带的所述第三区域的相对固定的位置上。
38.在一个实施例中，上述控制装置和第二控制装置可以是合并在一起的单独控制装置，例如，与前述计算装置一并由系统中除了测量头30和桁架机器人40之外的单独控制设备实现。此时，测量头30和桁架机器人40需要各自与控制设备通信。在另一个实施例中，上述控制装置和第二控制装置可以位于桁架机器人内，在前述计算装置位于测量头内的情况下，可以通过测量头30和桁架机器人40的直接通信来实现基于测量头的测量结果对桁架机器人40的抓取和释放控制。
39.无论计算装置和控制装置具有何种实现形式，在本实用新型中，都是基于深度数据测量头获取的深度信息，为桁架机器人提供运动坐标，即xzy轴需要移动的量，由此使得桁架机器人能够准确抓取位于揽收台上的包裹。
40.具体地，可以从包裹的三维分布深度信息中获取包裹的形状信息和朝向信息，例如，可以根据朝上那一面的形态和形状来判定包裹是纸箱包裹还是装袋包裹，并确定包裹的长宽高，以及包裹的朝向等。在包括测量头30包括可见光传感器的情况下，可见光传感器拍摄的可见光图像，尤其是rgb图像，能够帮助计算装置更快速准确的确定包裹形状，至少是上表面的形状及其中心点。由此，可以计算出桁架机器人合理的抓取点(例如，在z轴机械手的一端设置为吸盘时，计算包裹朝上那一面的中心位置的xyz坐标)，以及为了后续摆正包裹，z轴机械手需要对包裹进行转动的角度(例如，α角)。
41.桁架机器人是一种建立在直角xyz三坐标系统基础上，对目标件进行调整，或实现目标件的轨迹运动等功能的全自动工业设备。桁架机器人主要由多维机器人行走轴搭建而成，行走轴则由承重材、直线导轨和电机等组成，由此通过三个相互垂直的直线运动来实现桁架机器人的空间运动。桁架式机械手的控制核心通过工业控制器(例如plc、运动控制、单片机等)实现。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，因此桁架机器人能够相对方便地
实现高位置精度(例如，μm级)。桁架机器人的工作空间为一空间长方体。通过控制器对输入信号的分析处理，做出一定的逻辑判断后，对各个输出元件(继电器，电机驱动器，指示灯等)下达执行命令，完成xyz三轴之间的联合运动，以此实现一整套的全自动作业流程。
42.在本实用新型中，桁架机器人40可以包括x轴滑轨、y轴滑轨以及设置在y轴滑轨上的z轴机械手。在此，z轴可以是竖直方向的轴，xy则是与竖直方向垂直的平面上的两个彼此垂直的轴，并且可以假设最下层的滑轨为x轴滑轨；y轴滑轨安装在x轴滑轨上，并且能够沿x轴滑轨滑动；z轴机械手设置在y轴滑轨上，能够沿y轴滑轨滑动，并且z轴机械手本身，例如设置在z轴机械手下端的吸盘或是抓手，能够在竖直方向的预定范围内移动。
43.如图1所示，x轴滑轨41可以安装在龙门架44上，并且假设具有x0的滑轨长度；y轴滑轨42则设置在x轴滑轨41上，并且假设具有y0的滑轨长度；z轴机械手43设置在y轴滑轨42上，并且假设具有z0的可调节长度。为此，桁架机器人40最大可以在x0y0z0的空间长方体内进行包裹转移操作，而包裹的抓取和释放位置都应该位于上述长方体所包含的体积内。由于桁架机器人40需要将揽收台上的包裹转移至传送带，因此桁架机器人的xy平面活动范围(即，面积为x0y0的区域)除了需要覆盖揽收台的第二区域外，还需要覆盖传送带至少部分区域，例如传送带的第三区域。由此，使得z轴机械手43能够基于深度数据测量头30对揽收台10上包裹的深度测量结果，将包裹转移至传送带20。另外，应该理解的是，虽然图示的龙门架跨传送带20设置，但在其他实施例中，龙门架也可以跨揽收台设置，或是具有其他相对位置。
44.传送带20用于将包裹传递给后续系统。为了方便后续系统的后续操作，例如分拣操作，传送带20上的包裹优选如图1所示，被摆放为具有相等的间距(例如，从包裹的中心位置到下一个包裹的中心位置)，并且具有一致的朝向。为此，传送带20可以具有相对恒定的传送速度，以使得桁架机器人在以相等的时间间隔放置包裹时，能够实现包裹的等距传送。而在一个高协同性系统的实施例中，传送带20的运行能够基于桁架机器人的操作进行调整，例如可以根据桁架机器人40的包裹抓取进程，灵活调整传送带20的运行速度。虽然图中示出了高度恒定的传送带20，但在其他实施例中，传送带20也可以具有不同的形态或是高度差，以适应系统的不同需求，或是与不同形态的后续传送设备或是处理系统相接。同样本实用新型对传送带的具体实现不做限制。
45.进一步地，虽然图中示出了彼此垂直设置的揽收台10和传送带20，但本领域技术人员应该明了的是，揽收台10和传送带20能够以任意的相对位置进行设置，例如平行设置等，只要桁架机器人40的xy平面能够覆盖揽收台10和传送带20的足够区域以实现包裹的抓取和放置即可。
46.如下将结合图1，对桁架供包系统的供包操作流程进行描述。如图所示，揽收台10上不断有包裹送入，这些包裹可以如图所示，具有等体积的纸箱外包装，但是在更广泛的应用场景中，揽收台上的包裹同呈具有不同大小和形态，例如，可以是具有不同长宽高的不同尺寸的箱子，甚至可以是形态并非为规则长方体的包裹袋或是其他特殊的异形包裹等等。
47.安装在揽收台10上方的深度数据测量头30于是可以对揽收台10上第一区域内的包裹进行深度数据测量。在此，应该理解的是，在实际供包操作之前，安装完毕的测量头30和桁架机器人40需要被标定，以使得双方能够在同一个xyz坐标系内进行操作。优选地，揽收台10和传送带20也相对于测量头30和桁架机器人40处于相对固定的位置，并且在同一个
xyz坐标系内被定标。这样，当测量头30测得的包裹深度数据就可以用于计算桁架机器人40的抓取控制参数。在一个实施例中，优选抓取包裹向上那一面的中心位置，为此，生成的xyz坐标就可以是包裹向上面中心位置的xy坐标及其高度z。上述坐标可以提供给桁架机器人40或其控制装置。由此，桁架机器人40通过滑动x轴和y轴滑轨，并调节z轴的伸缩量，使得z轴机械手抵达包裹向上面中心位置，并进行抓取。在此，虽然将桁架机器人的包裹获取部件称为机械手，但应该理解的是，桁架机器人可以采用本领域已知的各种机构来实现包裹的抓取、转移和放置。在图1所示的例子中，z轴机械手的一端实现为吸盘，并且通过抽真空来实现。
48.在抓取到包裹之后，需要重新滑动x轴和y轴滑轨，并调节z轴的伸缩量，使得z轴机械手抵达传送带20的上方，并且例如可以通过停止抽真空来释放包裹。在一个实施例中，优选可以在一个相对固定的x和y取值上进行包裹释放，以使得每一个包裹都被放置在传送的相对固定的位置上(与此同时，传送带一直在匀速移动)，而释放时z轴的取值则通常取决于包裹本身的高度。在一个优选实施例中，可以使得揽收台10的包裹抓取区域与传送带20的包裹放置区域等高，或略高于传送带，由此能够在不调整z轴高度的情况下实现包裹释放。
49.进一步地，如图所示，在揽收台10上具有各种朝向的包裹，在经由桁架机器人40转移之后，具有相对一致的朝向。这可以通过对测量头30获取的深度信息进行计算，以求取包裹在揽收台10上的朝向，并且在包裹释放时，由桁架机器人旋转特定的角度，来使得包裹以统一的朝向被放置在传送带的所述第三区域的相对固定的位置上。上述包裹旋转可以通过吸盘相对于z轴轴杆的旋转来实现。
50.桁架机器人40能够以相等的时间间隔来实现包裹的释放，由此在传送带20匀速传送的情况下，实现包裹的等距运送。
51.在一个优选实施例中，桁架机器人可以包括设置在y轴滑轨上的至少两个所述z轴机械手，用于在一个转移周期中，先后从所述揽收台抓取不同的包裹，并先后将所述不同的包裹依次放置在所述传送带上。图3示出了根据本实用新型一个实施例的桁架供包系统的组成示意图。与图1类似，桁架供包系统包括四个主要组成部分：揽收台10、传送带20、深度数据测量头30以及桁架机器人40。但不同于图1的桁架机器人40仅包括一个z轴机械手43，图3的桁架机器人40包括两个z轴机械手43和45，从而在桁架机器人的机械手转移到揽收台一侧时，可以根据测量头30的测量结果，先后抓取两个包裹，并且在机械手转移到传送带上方时，相继释放两个包裹，由此提升系统的整体供包效率。
52.在另一个优选实施例中，桁架机器人可以包括两个x轴滑轨，以及设置在其间的一条y轴滑轨，即，y轴滑轨的两端分别设置在一个x轴滑轨上，并且通过两个x轴滑轨的协同运动来实现y轴滑轨本身的移动，由此提升y轴滑轨的运行稳定性，从而提升桁架机器人的整体运行精度。图4示出了根据本实用新型一个实施例的桁架供包系统的组成示意图。与图1类似，桁架供包系统包括四个主要组成部分：揽收台10、传送带20、深度数据测量头30以及桁架机器人40。但不同于图1的桁架机器人40仅包括一个x轴滑轨41，图4的桁架机器人40包括两个龙门架44和47，以及分别设置在这两个龙门架44和47之上的x轴滑轨41和46。由此，两条x轴滑轨能够为其上的y轴滑轨42提供更好的滑动稳定性，从而提升桁架机器人的抓取和释放精度。
53.上述多龙门架多机械手的方案可以合并。图5示出了根据本实用新型一个实施例
的桁架供包系统的组成示意图。该系统的桁架机器人包括两个x轴滑轨、一个y轴滑轨和两个z轴机械手，从而以相对更为复杂的机械构造实现更为精确且高效的包裹转移性能。
54.更进一步地，虽然在同样具有两个z轴机械手的图3的例子中，两个机械手具有相同的抓取形态，例如，都为吸盘，但当桁架机器人包括至少两个z轴机械手时，不同的机械手也可以配备不同的抓取机构。如图5所示，z轴机械手43的一端设置为夹爪431，z轴机械手45的一端则设置为吸盘451。为此，不同的抓取机构可以用于对不同形状的包裹进行抓取。例如，吸盘451可以用于抓取纸箱，夹爪431则可用于对缺乏顶部平坦牢固表面(即，吸盘能够吸住的表面)的包裹的抓取，例如，对长条形状或是异形件的抓取。在某些实施例中，还可以根据包裹宽度设置夹爪431的张开距离。在具体操作中，可以基于深度测量结果判定包裹的形状，在深度数据测量头还设置有可见光图像传感器的情况下，可以基于深度信息和例如rgb图像两者来确定包裹是纸箱包裹还是异形包裹。在获知包裹形状信息之后，控制装置可以控制桁架机器人使用与包裹形状相适应的z轴机械手进行包裹的抓取和转移。
55.上文中已经参考附图详细描述了根据本实用新型的桁架供包系统。本实用新型考虑到供包过程可以转化为在相对固定的xy平面范围内、相对固定的高度下的包裹平移过程，因此放弃采用造价高昂且反应较慢的六轴工业机器人，转而采用成本更低反应更迅速的桁架机器人，并结合深度测量设备来实现更为精确和高效的快递供包。
56.以上已经描述了本实用新型的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。