一种搬运机器人夹具位置控制方法和系统与流程

本发明涉及自动检测领域，特别是涉及一种搬运机器人夹具位置控制方法和系统。

背景技术：

在工业生产中，大量使用搬运机器人对仓储物品进行搬运。搬运机器人夹具夹取及放置物品时需根据参数设置在一定范围内完成自动目标识别、抓取、码放等功能。

搬运机器人对于待搬运目标及码放位置的判断一般可使用预先设置固定坐标、通过rfid标签识别位置、通过传感器识别位置等。为了实现搬运机器人的自动检测和控制，目前通常使用激光测距仪对抓取目标、码放位置进行空间检测。但是，仅使用激光测距仪对待搬运物品进行检测，检测精度不高、数据信息量少，易造成夹具与待搬运物品碰撞或夹具夹持不牢等问题，导致夹具或待搬运物品损坏。

鉴于此，如何克服该现有技术所存在的缺陷，使用多种空间传感器配合使用解决机器人夹具夹取及码放位置不精确现象，避免因夹取及码放位置误差造成的工作错误，是本技术领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明解决了搬运机器人工作过程中夹具定位不精确的问题。

本发明实施例采用如下技术方案:

第一方面，本发明提供了一种搬运机器人夹具位置控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：使用激光测距仪检测机器人夹具与待搬运物品上表面位置关系；根据所述机器人夹具与待搬运物品上表面位置关系将所述机器人夹具移动至待搬运物品上表面上方圆形误差范围内；使用超声测距仪检测机器人夹具与待搬运物品上表面距离；根据所述机器人夹具与待搬运物品上表面距离移动夹具，将机器人夹具与待搬运物品间距移动至边缘检测传感器量程范围之内；使用边缘检测传感器测量机器人夹具x向和y向轴线与待搬运物品上表面x向和y向轴线的偏距值；使用超声测距仪测量机器人夹具与待搬运物品上表面z方向的偏距值；根据所述z方向的偏距值及所述x向和y向的偏距值，计算机器人夹具抓取点位置值。

优选的，所述使用激光测距仪检测机器人夹具与待搬运物品上表面位置关系，具体为：使用所述激光测距仪测量夹具与待搬运物品上两个参考点的距离值；根据所述夹具与待搬运物品上两个参考点的距离值和激光测距仪测量两个参考点时的转动角度判断所述机器人夹具是否位于待搬运物品上表面上方圆形误差范围内。

优选的，所述根据所述夹具与待搬运物品上两个参考点的距离值和激光测距仪测量两个参考点时的转动角度判断所述机器人夹具是否位于待搬运物品上表面上方圆形误差范围内，具体为：俯仰转动激光测距仪，沿竖直方向移动激光测距仪检测点寻找待搬运物品边缘特征点，记录特征点对应的激光测距仪第一距离值和第一极坐标角度值；俯仰转动激光测距仪，测量待搬运物品表面第二特征点对应的激光测距仪第二距离值，并记录所述第二特征点对应的第二极坐标角度值；根据所述第一距离值，第一极坐标角度，第二距离值和第二极坐标角度判断机器人夹具是否位于待搬运物品上表面上方圆形误差范围内。

优选的，使用边缘检测传感器测量机器人夹具x向和y向轴线与待搬运物品上表面x向和y向轴线的偏距值，具体为：测量待搬运物品上表面x轴向两边缘距离，计算待搬运物品上表面x轴向中点位置；测量待搬运物品上表面y轴向两边缘距离，计算待搬运物品上表面y轴向中点位置；根据机器人夹具中点位置与待搬运物品上表面x、y轴向中点位置，计算机器人夹具中点x、y轴向位置与待搬运物品上表面x、y轴向位置值之差。

优选的，还包括：使用所述激光测距仪测量码放平面与机器人夹具之间的第三距离；根据预设码放位置和所述第三距离调整机器人夹具码放位置；根据调整后机器人夹具码放位置将待搬运物品放置在码放平面上。

优选的，根据预设码放位置和所述第三距离调整机器人夹具码放位置，还包括：若所述第三距离小于待搬运物品高度，则控制搬运机器人寻找下一码放位置进行码放。

优选的，还包括：若同一空间内存在多个搬运机器人同时工作，通过服务器获取每一搬运机器人计算所得下一待搬运物品预设码放位置，并判断是否有位置冲突；若存在不同搬运机器人计算的下一码放位置冲突，服务器控制搬运机器人再次寻找空闲码放位置。

优选的，还包括：所述服务器中记录每个预定码放位置坐标及机器人夹具移动坐标，依次下发给多个搬运机器人；搬运机器人使用激光测距仪、超声测距仪和/或边缘检测传感器确认预定码放位置未被占用后，直接使用记录中的机器人夹具移动坐标控制夹具移动，对待搬运物品进行码放。

另一方面，本发明提供了搬运机器人夹具位置控制方法和系统，其特征在于：包含至少一台搬运机器人，每台搬运机器人都包括机械臂和夹具；所述每一台搬运机器人上存在至少一部激光测距仪，至少一部超声测距仪，和至少一部边缘检测传感器；所述搬运机器人夹具抓取点检测系统包含至少一个处理模块，所述处理模块完成如权利要求1-8中任一权利要求所述测量数据获取及夹具运动控制，码放冲突检测，和码放位置计算功能；所述处理模块与所述机械臂和所述夹具间由控制信号相连；所述处理模块与所述激光测距仪、超声测距仪和边缘检测传感器间由数据信号相连。

优选的，还包括至少一台服务器，所述服务器包括至少一个处理模块和一个存储模块；所述服务器处理模块与所述搬运机器人处理模块间有数据信号及控制信号连接；所述服务器处理模块和存储模块完成如权利要求7或权利要求8所述多台搬运机器人码放位置计算及下发功能，以及预定码放位置坐标和机器人夹具移动坐标记录功能。

与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于：使用激光测距仪、超声测距仪和边缘检测传感器共同检测待搬运物品及码放位置的空间数据。通过使用多个传感器的数据共同计算待夹取物品及码放位置空间坐标，以便于精确控制搬运机器人夹具夹取及码放位置，使夹具夹取和码放位置更准确。

本发明提供了一种搬运机器人夹具位置控制方法和系统，其目的在于通过多个空间传感器共同获取并计算待搬运物品和码放位置空间坐标，完成对待搬运物品的准确夹取及码放。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种搬运机器人夹具位置控制方法流程图；

图2是本发明实施例提供的一种搬运机器人夹具位置控制方法待搬运物品宽度检测方法示意图；

图3是本发明实施例提供的一种搬运机器人夹具位置控制方法粗检测流程；

图4是本发明实施例提供的一种搬运机器人夹具位置控制系统结构示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明是一种特定功能系统的体系结构，因此在具体实施例中主要说明各结构模组的功能逻辑关系，并不对具体软件和硬件实施方式做限定。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面就参考附图和实施例结合来详细说明本发明。

实施例1：

随着制造业发展，机器人在工业生产中应用越来越广泛，随着“智能工厂”概念兴起，对于搬运机器人自动检测功能的需求也越来越高。

为了使搬运机器人具备自动识别、抓取、码放功能，可使用空间传感器检测待搬运物品的空间位置。本发明实施例采用激光测距仪粗略检测夹具与待搬运物品间距离，再通过超声测距仪和边缘检测传感器获得待搬运物品的空间信息，共同完成对搬运机器人夹具夹取位置的自动检测与控制功能。

本实施例提供的搬运机器人夹具位置控制方法包括以下步骤，如图1：

步骤101：使用激光测距仪检测机器人夹具与待搬运物品上表面位置关系。

适用于搬运机器人搬运的待搬运物品通常已被预先打包成规则长方体箱体，确定机器人夹具与待搬运物品上表面位置关系后，即可通过待搬运物品预设尺寸粗略估计夹具与整个待搬运物品位置关系。

步骤102：根据机器人夹具与待搬运物品上表面位置关系将机器人夹具移动至待搬运物品上表面上方圆形误差范围内。

将机器人夹具移动至待搬运物品上表面上方圆形误差范围内，保证机器人夹具位于待搬运物品上表面垂直上方，便于下一步测量夹具与待搬运物品z轴间距，也便于测量待搬运物品上表面边缘位置。

步骤103：使用超声测距仪检测机器人夹具与待搬运物品上表面距离。

使用激光测距仪粗略检测夹具与待搬运物品的距离且将夹具移动至待搬运物品上表面垂直上方之后，使用超声测距仪精确测量夹具与待搬运物品z轴间距。

步骤104：根据机器人夹具与待搬运物品上表面距离移动夹具，将机器人夹具与待搬运物品间距移动至边缘检测传感器量程范围之内。

步骤105：使用边缘检测传感器测量机器人夹具x向和y向轴线与待搬运物品上表面x向和y向轴线的偏距值。

在夹具位置坐标计算中，如图2所示边缘检测传感器检测示意图，x向轴线和y向轴线为待搬运物品上表面长方形两条中轴线所在直线；z向轴线为通过待搬运物品上表面中心点且垂直于待搬运物品上表面的直线。

边缘检测传感器有效量程范围较小，若夹具与待搬运物品上表面距离大于边缘检测传感器量程范围则无法正确获得待搬运物品上表面x向和y向边缘位置值坐标。因此需先根据超声测距仪的数值移动夹具，将安装在夹具前端的边缘检测传感器与待搬运物品上表面间距移动至边缘检测传感器量程范围之内。

步骤106：使用超声测距仪测量机器人夹具与待搬运物品上表面z方向的偏距值。

搬运机器人夹具与待搬运物品上表面z向的位置差为z向的偏距值。经步骤104，超声测距仪已位于待搬运物品上表面正上方，将超声测距仪测量基准点设置为夹具所在平面时，超声测距仪所测得的距离值即机器人夹具与待搬运物品上表面的偏距值。

步骤107：根据z方向的偏距值及x向和y向的偏距值，计算机器人夹具抓取点位置值。

根据x、y、z方向偏距值，及x向和y向边缘位置值坐标，可计算待搬运物品上表面中点位置，即机器人夹具抓取点位置。同时，也可以通过x方向和y方向宽度值计算夹具夹取宽度。

使用激光测距仪、超声测距仪和边缘检测传感器共同配合使用，可精确检测待搬运物品的空间几何坐标信息，及搬运机器人夹具与待搬运物品间的相对空间坐标，为搬运机器人夹具移动提供准确的定位依据，从而实现高精度、柔性化的搬运机器人自动检测和夹具位置自动控制。

本实施例提供的搬运机器人夹具位置控制方法能够提高搬运机器人搬运规则箱体时的抓取、搬运、码放精度，解决了搬运过程中检测数据信息量较少、夹具位置定位精度较低等问题。

实施例2：

搬运机器人检测待搬运物品位置时，初始阶段无参考坐标，夹具位置与待搬运物品位置较远，无法使用精确度更高的超声测距仪及边缘检测传感器精确检测待搬运物品空间几何坐标。因此，需先使用量程较长的激光探测仪进行粗检测，初步定位待搬运物品与夹具间位置关系，以便下一步精确定位。

粗检测时仅检测一个特征点可能因为倾斜等原因无法准确定位待检测物品，因此需俯仰转动激光测距仪，测量两个参考点的距离值，并根据转动角度计算夹具所在平面与待搬运物品上表面的位置关系。

为了保证超声测距仪及边缘检测传感器与待搬运物品距离不超过超声测距仪及边缘检测传感器工作量程，夹具中心点需处于待搬运物品上表面中心点为圆心的圆形误差范围内，在本实施例的某些使用场景中，圆形误差范围的半径为5mm。

使用激光测距仪对待搬运物品进行粗检测的原理如图3，具体步骤如下：

步骤101-1：俯仰转动激光测距仪，沿竖直方向移动激光测距仪检测点寻找待搬运物品边缘特征点，记录特征点对应的激光测距仪第一距离值和第一极坐标角度值。

步骤101-2：俯仰转动激光测距仪，测量待搬运物品表面第二特征点对应的激光测距仪第二距离值，并记录第二特征点对应的第二极坐标角度值。

步骤101-3：根据所述第一距离值，第一极坐标角度，第二距离值和第二极坐标角度判断机器人夹具是否位于待搬运物品上表面上方圆形误差范围内。

粗检测时，夹具不一定正对待检测物品，因此需先使用激光测距仪寻找物品边缘特征点作为检测基准，根据激光测距仪测出的两特征点与夹具距离，及测量两特征点时激光测距仪旋转角度计算夹具与待搬运物品的水平及垂直距离。

使用激光测距仪初步确定夹具与待搬运物品位置关系后，根据激光测距仪数据计算夹具运动数据，将夹具移动至待搬运物品正上方圆形误差范围内，即超声测距仪和边缘检测传感器有效量程范围内。

使用超声测距仪和边缘检测传感器测量并计算待搬运物品具体几何空间数据的步骤如下：

(1)计算x向和y向偏距值：

搬运机器人夹具中心点与待搬运物品上表面中心点x向和y向的位置差为x向和y向轴线的偏距值dx、dy。边缘检测仪获得以边缘检测仪基准点为原点的待搬运物品四个边缘坐标值x1、x2、y1、y2，计算待搬运物品上表面x轴中点坐标cx＝(x1+x2)/2，y轴中点坐标cy＝(y1+y2)/2，与夹具中心点坐标x0、y0的偏距值为dx＝x0-cx，dy＝x0-cx。

(2)计算z向偏距值：

搬运机器人夹具与待搬运物品上表面z向的位置差为z向的偏距值dz。经粗检测及夹具移动后，夹具已位于待搬运物品正上方，因此由超声测距仪所测得的距离值即机器人夹具与待搬运物品上表面的距离值dz。

(3)计算待搬运物品x向、y向宽度：

机器人夹具中心点与待搬运物品中心点重合时，机器人能够准确抓取待搬运物品，因此根据三个轴向的偏距值dx、dy、dz移动机器人夹具中心点，使其与待搬运点物品中心点重合，即可准确抓取待搬运物品。夹具夹取宽度可根据边缘检测传感器所测得的边缘坐标值计算，x向夹取宽度lx＝|x2-x1|，y向夹取宽度ly＝|y2-y1|。

使用超声测距仪及边缘检测传感器精确测量待搬运物品的几何空间结构，并以此计算夹具的移动位置及夹取宽度，可精确控制搬运机器人夹具的运动轨迹，实现待搬运物品的精确夹取。

实施例3：

搬运机器人工作时，除了夹取，还需对待搬运物品进行码放。自动码放功能的实现，一般流程为：直接根据预定位置参数、电磁标签或rfid标签移动机械臂及夹具位置，将待搬运物品放置到指定位置。

但是，实际应用场景中，可能会出现码放平面因各种原因出现空间位置变化，位置值与预定参数位置不一致的情况，可能会造成待码放物品掉落、碰撞等情况。

本实施例通过使用激光测距仪、超声测距仪和边缘检测传感器获取码放平面空间位置信息，实现码放平面位置信息的柔性检测，提高了码放精度。

搬运机器人根据预定码放位置参数将机械臂和夹具移动至预定码放位置附近，再使用激光测距仪检测夹具与预定码放平面间的精确距离值，根据精确距离值计算码放平面的准确位置，根据码放平面的准确位置对机械臂及夹具位置进行控制，完成准确码放。

使用搬运机器人对待搬运物品进行码放时，尤其是多个搬运机器人同时进行搬运工作时，可能会遇到预定码放位置被占用的情况。因此可使用激光测距仪、超声测距仪和边缘检测传感器确认预定码放位置是否被占用，以保证码放时不会造成冲突或碰撞。

搬运机器人进行码放前，使用激光测距仪检测预定码放平面是否已改变位置或被占用：

(1)如检测到的距离值与预定距离参数一致，说明码放位置未被占用，且码放平面未被移动，则可根据机械臂及夹具的预定运动轨迹进行码放，不需再次计算机械臂及夹具的运动位置，节省了控制时间，提高码放效率。

(2)如检测到的距离值与预定距离参数不一致，且大于待搬运物品高度，表示预定码放平面位置改变，但未被占用，需重新计算待搬运物品码放位置，以实现准确码放，防止碰撞或掉落。

(3)如检测到的距离值与预定距离参数不一致，且小于待搬运物品高度，表示预定码放平面位置改变，但已被占用或无足够码放空间，则需寻找下一码放位置进行码放，避免码放位置冲突，或因无足够码放空间造成物品损坏。

进一步的，多个搬运机器人在同一空间内共同执行搬运操作时，为了避免码放位置冲突，可通过服务器对每个搬运机器人的码放位置进行调度。

在本实施例的某些具体使用场景中，搬运机器人a一次搬运及码放任务结束后，根据预设的码放位置偏移值计算下一次码放的预定位置，并发送至服务器。服务器接收到搬运机器人a发送的预定码放位置坐标后，与其他搬运机器人发送的预定码放位置坐标比较。

(1)若搬运机器人a发送的预定码放位置坐标与服务器已收到的所有其它机器人发送的预设码放位置坐标都不一致，说明码放位置可用，服务器向搬运机器人a发送确认信号，搬运机器人a使用该坐标作为下一预定码放位置。

(2)若搬运机器人a发送的预定码放位置坐标与服务器已收到的某一其它机器人发送的预设码放位置坐标一致，说明码放位置已被其它搬运机器人占用，服务器根据已收到的其它机器人预设码放位置坐标计算搬运机器人a的可用码放位置并发送给搬运机器人a，搬运机器人a根据服务器发送的新预设码放位置进行码放。

搬运机器人a完成码放后，向服务器发送码放位置被占用信息，以便于服务器进行下次码放位置冲突判断。

在本实施例的另一具体使用场景中，计算预设码放位置的过程也可由服务器完成，当同时存在n个正在工作的搬运机器人时，服务器根据待搬运物品大小、存放空间大小、搬运机器人的当前位置信息计算n个预定码放位置，并根据预定码放位置及待搬运物品大小计算机器人夹具移动坐标，下发给特定的搬运机器人。搬运机器人检测到码放平面位置与服务器下发的预定码放位置一致时，即可根据服务器计算或记录的运动轨迹移动机械臂和夹具进行码放，无需再次计算。当某一搬运机器人完成码放后，向服务器发送码放完成消息，由服务器下发新的预定码放位置。

通过服务器对多个搬运机器人进行调度，对多个搬运机器人的位置进行统筹安排，既可避免码放位置冲突造成的碰撞或多次寻找，又可对搬运机器人路径进行规划使抓取和码放路径最优化，保证了搬运安全，提高了搬运效率。

实施例4：

为了解决搬运机器人的夹取及码放精度问题，避免搬运过程中造成的碰撞、掉落等问题，可使用多个空间位置传感器组成空间位置坐标信息获取系统，获得更完整精确的待搬运物品及码放平面几何位置信息，完成搬运机器人夹取位置及码放位置的快速柔性定位，为搬运机器人机械臂及夹具移动提供依据。

本实施例提供的搬运机器人夹具位置控制的系统如图4，具体的：

包括至少一台搬运机器人，每台机器人都包括机械臂1和夹具2，以便完成搬运工作。

搬运机器人上还包括至少一部激光测距仪3，完成对待搬运物品和待码放平面位置的粗检测。包括至少一部超声测距仪4和至少一部边缘检测传感器5，完成对待搬运物品位置及宽度的精确检测。

还包括至少一个处理模块6，获取激光测距仪3、超声测距仪4和边缘检测传感器5采集到的空间位置数据。处理模块6根据获取的空间位置数据计算机械臂1和夹具2的运动轨迹，并将计算所得的运动轨迹发送至机械臂1和夹具2，完成待搬运物品的夹取和码放。同时，处理模块6根据获取的空间位置数据计算码放位置是否冲突，防止因码放位置冲突造成的无法进行正确码放、碰撞等问题。

处理模块6与搬运机器人的机械臂1和夹具2间由控制信号相连，以便于处理模块向机械臂1和夹具2发送运动轨迹控制信息，机械臂1和夹具2向处理模块6发送运动状态信息或运动机构错误报警信息。

进一步的，拥有多个搬运机器人的系统中，还包括至少一台服务器7，服务器7中至少包括一个处理模块7a和存储模块7b。

服务器7的处理模块7a和搬运机器人处理模块6间有数据信号及控制信号连接，搬运机器人处理模块6向服务器处理模块7a发送空间位置传感器采集到的数据，及机械臂1和夹具2的位置数据，以便于服务器7的处理模块7a对夹取和码放位置进行计算。服务器7的处理模块7a向搬运机器人的处理模块6发送夹取和码放位置信息，及码放位置是否冲突信息，以便于搬运机器人处理模块6根据这些信息计算并控制机械臂1和夹具2移动至正确的位置。

服务器7的处理模块7b中存储所有搬运机器人的预定码放位置信息，及相应的机械臂1和夹具2运动轨迹数据，以便于判断各搬运机器人的预定码放位置是否冲突，防止因预定码放位置冲突造成的碰撞，或需多次检测才能找到空闲码放位置造成的浪费。同时，在预定码放位置空闲且未被移动时直接调取存储的机械臂1和夹具2运动轨迹，避免再次检测和计算，以提高搬运机器人的工作效率。

本实施例提供的搬运机器人夹具位置控制的系统，通过机器人的机械臂与夹具和激光测距仪、超声测距仪、边缘检测传感器共同使用，在搬运机器人搬运已打包成规则长方体箱体的待搬运物品时精确获取位置和几何空间数据，提高抓取、搬运及准确码放的精度。同时，通过服务器对多个搬运机器人进行调度，为多个搬运机器人规划合理的运动轨迹，防止了多个搬运机器人运动轨迹冲突，提高了搬运机器人的工作效率。