基于激光测距引导的拆垛控制装置及拆垛方法与流程

本发明涉及一种基于激光测距引导的拆垛控制装置及拆垛方法。

背景技术：

随着社会的发展，物品流通日益增加，其涉及货物的运输、仓储、装卸搬运、包装、流通加工、配送、信息处理等环节，从而使得物流行业得到迅猛发展。物流是以仓储为中心，促进生产与市场保持同步，并且随着劳动力成本的不断提升，物流仓储自动化的需求越来越高。其中越来越多的物流企业选择全自动拆垛机械手代替传统的人工拆垛，不仅提升了生产效率而且降低了企业的成本，全自动机械手拆垛的使用在物流行业中得到了更为广泛的使用。拆垛机是现代大部分物流企业仓库的拆垛设备，但大多拆垛设备功能单一，稳定性差，设备的适应性差。还有部分拆垛设备采用机器视觉辅助机械手拆垛，机器视觉的原理是对相机拍摄的照片进行建立坐标等数据处理，从而引导机械手抓取物品实现拆垛，而相机拍摄照片对环境及所拆物品有一定的限制，环境必须没有干扰光源，包括自然光源的干扰，而且所拆物品必须包装统一，更换包装后需对新的物品进行学习调试，影响物流企业的高效仓储运行，因此机器视觉辅助拆垛的应用受到极大限制。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于激光测距引导的拆垛控制装置及拆垛方法，本装置及方法克服传统拆垛设备的缺陷，适用于各种仓储环境和物品，实现机械手高准确性的自动拆垛作业，提高机械手拆垛的可靠性和工作效率。

为解决上述技术问题，本发明基于激光测距引导的拆垛控制装置包括龙门垛架、拆垛机械手、若干激光测距传感器、数据转换模块和数据处理模块，所述若干激光测距传感器分别间隔设于所述龙门垛架顶面并检测距所述龙门垛架底部托盘上物品的距离，所述若干激光测距传感器输出信号传输至所述数据转换模块进行模数转换，所述数据转换模块输出信号传输至所述数据处理模块进行数据过滤、数据分析和算法处理，得到本次拆垛任务的抓取高度以及目标物品的精确位置，所述数据处理模块的输出信号传输至所述拆垛机械手，所述拆垛机械手根据所述数据处理模块的输出信号执行本次拆垛任务。

进一步，所述数据处理模块是可编程逻辑控制器。

进一步，所述龙门垛架是l型垛架，所述l型垛架底面设有物品托盘。

进一步，所述若干激光测距传感器是六个，所述六个激光测距传感器成两排设于所述龙门垛架顶面。

一种应用上述控制装置的基于激光测距引导的拆垛方法包括如下步骤：

步骤一、利用若干激光测距传感器分别采集得到与对应物品之间的距离，经数据转换模块后传输至数据处理模块进行数据处理；

步骤二、将若干激光测距传感器所对应的物品按层分成对应的若干区域，各区域平行划分为a区和b区，找到若干区域距离值中的最小值，将a区和b区的距离值分别与最小值做差，结合a、b区域的值和优先级条件，获取一层中可抓取垛位的箱位代码及数量；

步骤三、根据得到的一层中可抓取垛位的箱位代码及数量与托盘上物品拆垛任务数进行比较，结合优先拆高的物品、优先拆整的物品、优先更少的拆垛次数、优先拆完得到更好的垛形的原则，生成拆垛机械手的拆垛作业信息；

步骤四、拆垛机械手按拆垛作业信息实施拆垛作业，直至完成托盘上物品的拆垛任务。

进一步，所述步骤二中设定若干激光测距传感器为六个，将六个激光测距传感器对应的物品按层分成六块区域，其箱位代码及数量包括如下步骤：

步骤21、将物品六块区域中的a区从左到右依次划分为第一区域、第二区域和第三区域，数值分别记为d1、d2、d3，b区从左到右依次划分为第四区域、第五区域和第六区域,数值分别记为d4、d5、d6；

步骤22、对六个区域中得到的数值分别进行十次累加求平均值，得到每个区域的有效距离值，数值分别记为dv1、dv2、dv3、dv4、dv5、dv6，对每个区域的有效距离值进行冒泡排序，得到一组由大到小的六个距离值以及最小值dmin；

步骤23、步骤23、将最小值dmin与a区的三个区域距离值做差取绝对值，a区的三个差值与设置的阈值作比较分类处理，若a区的三个区域都不是同层，记box_position_a为0；若a区仅有第一区域是同层，记box_position_a为1；若a区仅有第二区域是同层，记box_position_a为2；若a区仅有第三区域是同层，记box_position_a为3；若a区仅有第三区域不是同层，记box_position_a为4；若a区仅有第二区域不是同层，记box_position_a为5；若a区仅有第一区域不是同层，记box_position_a为6；若a区三个区域都是同层，记box_position_a为7；同理，对b区的三个区域作相同的比较分类处理，b区变量记作box_position_b，通过对a区和b区的比较分类处理，得到a区或b区内部满足条件的可抓取物品；

步骤24、对a区和b区作优先级处理，在物品非空的情况下，若box_position_b等于0、box_position_a在1到7之间，则box_position_a为垛位的箱位代码；若box_position_a等于0、box_position_b在1到7之间，则box_position_b为垛位的箱位代码；若box_position_a在1到7之间、box_position_b在1到7之间，则比较box_position_a与box_position_b的大小，取大的值为垛位的箱位代码；当物品为空时，设置一个专门数值为垛位的箱位代码；从而确定了拆垛机械手可抓取垛位的箱位代码。

进一步，所述步骤三中拆垛机械手的拆垛作业信息生成包括如下步骤：

步骤31、根据接收到的当前托盘的总任务数，以及本次抓取区域和垛位的箱位代码，将垛位的箱位代码转换成实际可抓取数量，执行第一次抓取任务时，将当前托盘的总任务数设定为剩余抓取数量；

步骤32、当剩余抓取数量大于零时，若剩余抓取数量大于等于实际可抓取数量，发送第一次机械手实际可抓取数量对应的抓取信息，机械手完成第一次抓取任务，当前托盘的总任务数减机械手完成抓取任务数量设定为剩余抓取数量，并发送机械手下次抓取信息；

步骤33、当剩余抓取数量小于实际可抓取数量时，若机械手夹具设有三组吸盘，则决定了机械手实际可抓取的数量最大为3，若剩余抓取数量为1时，实际可抓取数量可能为2或3，为了垛形的稳定性，采用抓垛形两边而不抓中间的优先级；若剩余抓取数量为2时，实际可抓取数量只能为3，为了垛形的稳定性，采用留垛形中间的优先级。

由于本发明基于激光测距引导的拆垛控制装置及拆垛方法采用了上述技术方案，即本控制装置的若干激光测距传感器设于龙门垛架顶面并检测距物品的距离，激光测距传感器输出信号经数据转换模块模数转换后传输至数据处理模块处理，数据处理模块的输出信号传输至拆垛机械手执行拆垛任务。本方法将若干激光测距传感器所对应的物品分成若干区域，并按高低划分为上层a区和下层b区，找到若干区域距离值中的最小值，将a区和b区的距离值分别与最小值做差，结合a、b区域的值和优先级条件，获取一层中可抓取垛位的箱位代码及数量；根据箱位代码及数量与托盘上物品拆垛任务数进行比较，结合拆垛优先级生成拆垛机械手的拆垛作业信息；拆垛机械手按拆垛作业信息实施拆垛作业。本装置及方法克服传统拆垛设备的缺陷，适用于各种仓储环境和物品，实现机械手高准确性的自动拆垛作业，提高机械手拆垛的可靠性和工作效率。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为本发明基于激光测距引导的拆垛控制装置示意图；

图2为本拆垛方法的流程框图；

图3本拆垛方法中激光测距传感器所对应的物品区域示意图；

图4为具有上层、中层和下层的垛形示意图。

具体实施方式

实施例如图1所示，本发明基于激光测距引导的拆垛控制装置包括龙门垛架1、拆垛机械手2、若干激光测距传感器3、数据转换模块4和数据处理模块5，所述若干激光测距传感器3分别间隔设于所述龙门垛架1顶面并检测距所述龙门垛架1底部托盘11上物品6的距离，所述若干激光测距传感器3输出信号传输至所述数据转换模块4进行模数转换，所述数据转换模块4输出信号传输至所述数据处理模块5进行数据过滤、数据分析和算法处理，得到本次拆垛任务的抓取高度以及目标物品的精确位置，所述数据处理模块5的输出信号传输至所述拆垛机械手2，所述拆垛机械手2根据所述数据处理模块5的输出信号执行本次拆垛任务。

优选的，所述数据处理模块5是可编程逻辑控制器。

优选的，所述龙门垛架1是l型垛架，所述l型垛架底面设有物品托盘11。

优选的，所述若干激光测距传感器3是六个，所述六个激光测距传感器3成两排设于所述龙门垛架1顶面。

如图2所示，一种应用上述控制装置的基于激光测距引导的拆垛方法包括如下步骤：

步骤一、利用若干激光测距传感器分别采集得到与对应物品之间的距离，经数据转换模块后传输至数据处理模块进行数据处理；

步骤二、将若干激光测距传感器所对应的物品按层分成对应的若干区域，各区域平行划分为a区和b区，找到若干区域距离值中的最小值，将a区和b区的距离值分别与最小值做差，结合a、b区域的值和优先级条件，获取一层中可抓取垛位的箱位代码及数量；

步骤三、根据得到的一层中可抓取垛位的箱位代码及数量与托盘上物品拆垛任务数进行比较，结合优先拆高的物品、优先拆整的物品、优先更少的拆垛次数、优先拆完得到更好的垛形的原则，生成拆垛机械手的拆垛作业信息；

步骤四、拆垛机械手按拆垛作业信息实施拆垛作业，直至完成托盘上物品的拆垛任务。

优选的，如图3所示，所述步骤二中设定若干激光测距传感器为六个，将六个激光测距传感器对应的物品按层分成六块区域，其箱位代码及数量包括如下步骤：

步骤21、将物品六块区域中的a区从左到右依次划分为第一区域11、第二区域12和第三区域13，数值分别记为d1、d2、d3，b区从左到右依次划分为第四区域14、第五区域15和第六区域16,数值分别记为d4、d5、d6；

步骤22、在实际情况中，垛形的表面不会完全平整，高度值会有波动，因此对六个区域中得到的数值分别进行十次累加求平均值，得到每个区域的有效距离值，数值分别记为dv1、dv2、dv3、dv4、dv5、dv6，对每个区域的有效距离值进行冒泡排序，得到一组由大到小的六个距离值以及最小值dmin；

步骤23、将最小值dmin与a区的三个区域距离值做差取绝对值，a区的三个差值与设置的阈值作比较分类处理，若a区的三个区域都不是同层，记box_position_a为0；若a区仅有第一区域11是同层，记box_position_a为1；若a区仅有第二区域12是同层，记box_position_a为2；若a区仅有第三区域13是同层，记box_position_a为3；若a区仅有第三区域13不是同层，记box_position_a为4；若a区仅有第二区域12不是同层，记box_position_a为5；若a区仅有第一区域11不是同层，记box_position_a为6；若a区三个区域都是同层，记box_position_a为7；同理，对b区的三个区域作相同的比较分类处理，b区变量记作box_position_b，通过对a区和b区的比较分类处理，得到a区或b区内部满足条件的可抓取物品；其中设置的阈值为机械手抓取的高度允许误差范围值，大于该阈值即认定为货物不同层；

步骤24、对a区和b区作优先级处理，在物品非空的情况下，若box_position_b等于0、box_position_a在1到7之间，则box_position_a为垛位的箱位代码；若box_position_a等于0、box_position_b在1到7之间，则box_position_b为垛位的箱位代码；若box_position_a在1到7之间、box_position_b在1到7之间，则比较box_position_a与box_position_b的大小，取大的值为垛位的箱位代码；当物品为空时，设置一个专门数值为垛位的箱位代码；从而确定了拆垛机械手可抓取垛位的箱位代码。

优选的，所述步骤三中拆垛机械手的拆垛作业信息生成包括如下步骤：

步骤31、根据接收到的当前托盘的总任务数，以及本次抓取区域和垛位的箱位代码，将垛位的箱位代码转换成实际可抓取数量，执行第一次抓取任务时，将当前托盘的总任务数设定为剩余抓取数量；

步骤32、当剩余抓取数量大于零时，若剩余抓取数量大于等于实际可抓取数量，发送第一次机械手实际可抓取数量对应的抓取信息，机械手完成第一次抓取任务，当前托盘的总任务数减机械手完成抓取任务数量设定为剩余抓取数量，并发送机械手下次抓取信息；

步骤33、当剩余抓取数量小于实际可抓取数量时，若机械手夹具设有三组吸盘，则决定了机械手实际可抓取的数量最大为3，若剩余抓取数量为1时，实际可抓取数量可能为2或3，为了垛形的稳定性，采用抓垛形两边而不抓中间的优先级；若剩余抓取数量为2时，实际可抓取数量只能为3，为了垛形的稳定性，采用留垛形中间的优先级。

本装置中激光测距传感器测距以托盘平台面为基准面，并作为机械手抓取高度的基准，垛形每个区域的中心点作为机械手吸盘的抓取点。

具体地，如图4所示，设定了三层垛形，上层第1、第2、第4、第6区域有货，中层第1、第2、第3、第4、第6区域有货，下层第1至第6区域有货，货物长，宽，高为500×300×300mm，设定激光测距传感器安装距基准面高度为2000mm，由上述条件可知此种情况下最小值为激光测距传感器照射到上层货物的距离，即最小距离为1100mm，对上层a区域里的1，2，3区域距离值与最小距离作差，结合箱子的鼓胀限度，设定阈值为15mm，上层a区的三个差值与设置的阈值作比较分类处理，很容易得到上层a区仅有第3区域不是同层，box_position_a为4，相同地，可以得到box_position_b为5，再通过对上层a区与b区作优先级处理，得到垛位的箱位代码为5，垛位区域为b区，最小距离为抓取距离，这样就得到了一次抓取处理得到的可抓处理信息。其中，箱位代码5表示第五区域无货，但第四和第六区域有货，机械手抓取的吸盘结构是横排的三个工位，最多同时可以抓取三个纸箱。机械手要么抓取a区货物，要么抓取b区货物，因此，当箱位代码5时，机械手抓取第四和第六区域货物，机械手的夹具吸盘与a区三个区域或b区三个区域一一对应的。

上述已经对单次单层可抓取提供了最优方案，下一步可以处理从1箱到最后一箱的任意抓取数量，为了更多的体现算法的优先级处理，设定总拆取任务数为10箱，待机械手准备就绪，按照上述的可抓处理方案，第一次发送垛位的箱位代码为5，垛位区域为b区域，1100mm的抓取距离，机械手则来到b区域下压1100mm，仅对两边吸盘的电磁阀动作，抓取b区的两件货物。抓取完成之后，机械手将完成的数量反馈给数据处理模块，就在机械手抓取货物时，触发一次新的激光测距传感器进行测距，在一秒之内得到机械手下次的可抓处理方案，再第二次机械手拆垛时，剩余抓取数此时还剩8箱未抓取，紧接着，第二次发送垛位的箱位代码为4，垛位区域为a区，1100mm的抓取距离，抓取a区的两件货物；此时还剩6箱未抓，来到中层，经优化得到的可抓处理方案是：box_position_a为7，box_position_b为5，则第三次发送垛位的箱位代码为7，垛位区域为a区，1400的抓取距离，此时还剩3箱未抓，同理，第四次发送垛位的箱位代码为5，垛位区域为b区，1400的抓取距离，此时只剩1箱未抓。

对于下层垛形，根据优化的可抓处理方法，box_position_a为7，box_position_b为7，1700mm的抓取距离，但是现在只剩一箱未抓，可抓数量为3，所以这时根据抓两边不抓中间的优先级，发送垛位代码为1，垛位区域为a区域，1700mm的抓取距离，这样，整个拆垛任务就完成了。

本装置和方法适用于高效率、高精准、高稳定的拆垛工作，解决了传统拆垛机功能单一、稳定性差的问题，而且弥补了视觉辅助拆垛系统对环境和货物的适应能力弱等缺点，满足了物流行业智能制造的需要。