机器人负载处理装置的运动控制的制作方法

本发明涉及存储或履行系统的领域，其中箱或容器的堆垛被置于网格框架结构内，更具体地说，涉及负载处理装置的运动的生成和控制，负载处理装置运作以移动存储在存储或履行系统中的一个或多个容器。

背景技术：

1、存储系统包括三维存储网格结构，其中存储容器/箱在彼此的顶部堆叠，这是众所周知的。pct专利公开第wo2015/185628a号(ocado)描述了一种已知的存储和履行系统，其中箱或容器的堆垛被置于网格框架结构内。箱或容器可通过在位于网格框架结构顶部的轨道上运作的负载处理装置(也称为“机器人”)进行访问。这种类型的系统由附图中的图1至3示意性地示出。

2、如图1和2所示，可堆叠的容器——称为存储容器或箱子或箱10，彼此堆叠以形成堆垛12。堆垛12被置于仓储或生产环境下的网格框架结构14中。网格框架结构由复数个存储柱或网格柱组成。网格框架结构中的每个网格都具有用于存储容器的堆垛的至少一个网格柱。图1是网格框架结构14的示意性立体图，图2是被置于框架结构14中的箱10的堆垛12的俯视图。每个箱10通常存放有复数个产品物品(未示出)，根据其应用，箱10内的产品货物可以是相同或者不同的产品类型。

3、网格框架结构14包括支撑水平构件18、20的复数个直立构件16。第一平行水平网格构件18集合被设置为垂直于第二平行水平构件20集合，以网格图案来形成由直立构件16支撑的复数个水平网格结构15。构件16、18、20通常由金属制造。箱10被堆叠在网格框架结构14的构件16、18、20之间，使得网格框架结构14防止箱10的堆垛12水平移动，并引导箱10竖直移动。

4、网格框架结构14的顶层包括网格或网格结构15，网格或网格结构包括在堆垛12顶部以网格图案布置的轨路22。此外，参考图3，轨路或轨道22引导复数个负载处理装置30。平行轨路22的第一集合22a引导机器人负载处理装置30在网格框架结构14的顶部以第一方向(例如，x方向)移动，而布置为垂直于第一集合22a的平行轨路22的第二集合22b引导负载处理装置30以垂直于第一方向的第二方向(例如，y方向)移动。以此种方式，轨路22允许机器人负载处理装置30在水平的x-y平面内二维横向移动，使得负载处理装置30可以被移动至任一堆垛12的上方位置。

5、pct专利公开第wo2015/019055号(ocado)(通过引用并入本文)描述了图4和5示出的已知负载处理装置30包括载具主体32，其中每个负载处理装置30仅覆盖网格框架结构14的一个网格空间。此处，负载处理装置30包括轮组件，轮组件包括第一组轮34和第二组轮36，第一组轮34由载具主体32前部的成对轮和载具主体32后部的成对轮34组成，用于接合第一组轨路或轨道以引导该装置在第一方向上移动，第二组轮36由载具主体32每侧的成对轮36组成，用于接合第二组轨路或轨道以引导该装置在第二方向上移动。每一组轮子被驱动以使载具能够分别沿轨路以x和y方向移动。一组或两组轮可以垂直移动以将每组轮抬离各自的轨路，从而允许载具在网格上以预期方向移动。

6、负载处理装置30配备有抬升装置或起重机构，以从上方抬升存储容器。起重机构包括卷绕在卷轴或卷盘(未示出)上的绞盘系绳或缆绳38以及抓取装置39。抬升装置包括一组以垂直方向延伸并连接在抬升构架39的四个拐角处或附近的抬升绳索38，也称为抓取装置(抓取装置的四个拐角的每个拐角附近有一条绳索)，用于可释放地连接至存储容器10。抓取装置39被配置为可释放地夹持存储容器10的顶部，以将其从图1和2所示类型的存储系统中的容器的堆垛中抬升。一个或多个电机可被用来推动抬升装置。

7、轮34、36围绕下部分中的空腔或凹槽——也称为容器接收凹槽或容器接收空间40的外围布置。如图5(a和b)所示，凹槽的尺寸适于在容器10被起重机构抬升时容纳容器10。在凹槽中时，容器被抬离下方的轨路，以便载具能够横向移动至不同的位置。在到达目标位置(例如另一堆垛、存储系统中的访问点或传送带)时，箱或容器可从容器接收部分下移并从抓取装置释放。

8、通常，在网格结构上远程运作的一个或多个负载处理装置被配置为接收来自主控制器的指令，以在网格框架结构内从特定的存储位置取回存储容器。无线通信和网络可被用来提供从主控制器到在网格结构上运作的一个或多个负载处理装置、经由一个或多个基站的通信基础设施。负载处理装置中响应接收指令的控制器被配置为控制各种驱动机构，以控制负载处理装置的移动。例如，负载处理装置可受指令在网格结构上的特定位置从存储柱取回容器。指令可包括在网格结构上以x-y方向的各种移动。一旦处于存储柱，抬升机构便进行操作以抓取存储容器并将其抬升至负载处理装置主体内的容器接收空间，随后在那里将容器运送到网格结构上通常称为卸货口的另一位置。存储容器被降低至合适的取货站，以允许从存储容器中取出物品。负载处理装置在网格结构上的移动还包含负载处理装置受指令移动到通常位于网格结构外围的充电站。

9、为了使控制器能够确定负载处理装置相对于网格结构的位置，每个负载处理装置可设有一个或多个无线射频识别(rfid)标签读取器或扫描器，而复数个rfid标签可设在网格结构的顶部。rfid标签可相对网格结构固定，以提供网格结构上的系列参照点。当负载处理装置在网格结构上移动时，负载处理装置的各rfid标签读取器会读取来自固定在网格结构上不同位置的一个或多个rfid标签的信号。通常，rfid标签会固定在每个网格单元的轨道交叉处或十字口处。

10、为了在网格结构上操纵负载处理装置从一个目的地到另一目的地，负载处理装置中的每一个都配备了用于驱动负载处理装置的轮的电机。轮的旋转可由与轮相连的一个或多个带驱动，或由并入轮的电机单独驱动。通常，对于负载处理装置的覆盖区占据单个网格单元的单个单元负载处理装置来说，由于载具主体的利用空间有限，用于驱动轮的电机会并入轮中。单个单元负载处理装置的轮会由轮毂电机驱动。每个轮毂电机包括外齿轮，外齿轮包括布置为围绕轮毂旋转的复数个永磁体，轮毂包括形成内定子的线圈。

11、单个单元负载处理装置的主要缺点之一在于负载处理装置在轨道上移动时的稳定性，而这造成了挑战，尤其是当负载处理装置在轨道上加速/减速时。轨道上的高加速度或减速度可能会导致负载处理装置在网格结构上振荡甚至翻倒。通常，负载处理装置的轮的旋转会被单独控制，以便负载处理装置在轨道上以直线受驱动，不会偏航或偏离其预定路线。

12、由于轮大小相似，当负载处理装置在轨道上移动时，它们通常会以相同的速度旋转。然而，有几个因素可能会影响负载处理装置在轨道上移动的平稳，使其可能偏航或以偏离预期的角度受驱动。这些因素可能包括一个或多个轮的打滑、滑动和/或负载的一个或多个轮不同，所有这些都会导致一个或多个轮以不同的速度旋转。另外，负载处理装置在轨道上加速度的突然变化——也被称为加加速度(jerk)，会影响负载处理装置在轨道上移动的平稳。当载运易碰坏或损坏的物品例如食品物品时，这种负载处理装置在加速或减速时的突然移动可能会导致物品在存储容器中被抛来抛去。

13、欧洲专利第3535633号(autostore technology as)启示了一种用于控制机器人从起始位置到停止位置的移动的方法和控制器，机器人具有成对轮，成对轮具有由本地控制器控制的驱动工具。此处，主控制器被配置为基于每个轮的当前速度和角度位置、机器人当前的全局位置以及机器人的起始位置和停止位置，设置用于成对轮的单独速度驱动序列。速度驱动序列被传输给控制成对轮的本地控制器，进而通过各自的驱动工具控制每个轮的加速和减速。在欧洲专利第3535633号(autostore technology as)中，本地控制器确保成对轮的速度保持同步。因此，欧洲专利第3535633号(autostore technology as)的启示重点聚焦于控制轮的各自速度，并确保成对轮的速度同步。

14、因此，本发明的目标在于提供用于控制负载处理装置从起始位置到停止位置的移动的方法和装置，以确保负载处理装置在网格结构上变换不同速度时的平稳移动。

15、本技术要求均在2020年12月24日提交的申请号为gb2020680.1、gb2020668.6、gb2020681.9、gb2020684.3的英国专利优先权，其内容以引用方式并入本文。

技术实现思路

1、本发明提供一种用于抬升和移动堆叠在存储系统中的一个或多个容器的负载处理装置，存储系统包括支撑复数个轨道的网格框架结构，复数个轨道按网格图案布置以在一个或多个容器的堆垛上方限定网格结构，网格图案包括数个网格单元，并且一个或多个容器的堆垛中的每个仅位于单个网格单元的覆盖区内，负载处理设备包括：

2、i)包括第一和第二对轮的轮组件；轮组件由驱动机构驱动；

3、ii)用于将存储容器从容器的堆垛中的一个抬升到负载处理装置的容器接收空间的抬升装置；

4、iii)用于测量负载处理装置相对于网格结构的位置的位置检测工具；

5、iv)与位置检测工具和驱动机构连通的控制器，控制器被配置为通过以下方式控制负载处理装置在网格结构上从当前位置到命令位置的移动：

6、a)根据预设运动控制廓线确定给定时间处轮组件上的前馈扭矩需求；

7、b)用给定时间处、来自位置检测工具的网格结构上负载处理装置的测量位置来补偿前馈扭矩需求，以计算轮组件上的扭矩需求。

8、根据本发明，与位置检测工具和驱动机构连通的控制器包括运动控制系统，以在预设运动控制廓线或轨迹的引导下控制负载处理装置在网格结构上的位置和运动。当控制器确定负载处理装置必须移动到新位置或改变其速度时，控制器将计算称为预设运动控制廓线的位置或速度轨迹，用于将负载处理装置从当前位置或速度轨迹变换到目标位置或速度。预设运动控制廓线限定了负载处理装置在网格结构上的运动，包括但不限于当负载处理装置从当前位置移动到目标状态时随时间变化的速度、加速度和/或位置。预设运动控制廓线包括序列中的一个或多个轨迹段，一个或多个轨迹段是轨迹或运动控制廓线的各部分，轨迹或运动控制廓线规定了作为时间函数的加加速度参考、加速度参考、速度参考和位置参考中的至少一个。

9、一旦此预设运动控制廓线被生成，控制器将运动控制廓线转化为合适的控制信号，以使负载处理装置沿着运动控制廓线限定的轨迹移动。预设运动控制廓线可以可选地基于两个优选的运动控制廓线，即梯形或s曲线廓线。在梯形和s曲线廓线中，根据预设的限定约束，即最大速度、最大加速度等来生成运动控制廓线的各个轨迹段，其中限定约束可对应于负载处理装置的驱动机构的机械限制。给定这些约束和预期命令位置，控制器将生成用于执行预期移动的预设运动控制廓线。对于梯形轨迹，控制器将根据三个不同的阶段，即加速阶段、恒定速度阶段和减速阶段来计算运动控制廓线。这样的廓线将产生梯形速度曲线。在梯形廓线的情况下，加速度会出现不连续性，因此操纵变量(限定为被控制的变量，且因此被允许以不连续的方式变化)是加速度。因此，梯形廓线总是以最大限定加速度率加速或减速。这导致负载处理装置在网格结构上的移动更加“急动”。

10、s曲线廓线通过添加附加阶段来改变梯形廓线，以减轻这种“急动”，附加阶段允许在恒定(或零)速度阶段和恒定加速/减速阶段之间的平缓变换，进而提供更平稳的运动。与梯形廓线相比，(s曲线廓线中)允许以不连续方式变化的操纵变量是“加加速度”。因此，除了最大速度和最大加速度的预设约束外，s曲线廓线还需要附加的“加加速度”约束。

11、在本发明中，与位置检测工具和驱动机构连通的控制器通过在给定时间处从预设运动控制廓线中确定轮组件上的前馈扭矩需求，来控制负载处理装置在网格结构上从当前位置到命令位置的移动。已知负载处理装置的质量和轮组件的每个轮的半径，可以根据预设运动控制廓线由质量和加速度的积计算出前馈扭矩控制，其中加速度是预设运动控制廓线的速度的导数，即轨迹加速度参考。控制器优选地通过来自位置检测工具的负载处理装置在网格结构上的位置的“实时”测量来补偿前馈扭矩需求，以计算轮组件上的“实时”扭矩需求。优选地，反馈扭矩需求根据作为时间函数的位置测量的导数来计算。更优选地，控制器被配置为通过以下方式来补偿前馈扭矩需求：

12、i)根据负载处理装置的测量位置确定轮组件上的反馈扭矩需求；

13、ii)结合前馈扭矩需求和反馈扭矩需求来计算轮组件上的扭矩需求。

14、可选地，反馈扭矩需求通过将位置参考的大小与给定时间处负载处理装置在网格结构上的测量位置进行比较来确定，位置参考来源于预设运动廓线。根据本发明具体实施方式，控制器将来源于预设运动控制廓线的轨迹位置参考与负载处理装置在网格结构上的测量位置进行比较。优选地，控制器被配置为对轨迹位置参考的大小和测量位置的差进行pi或pid计算。差提供了位置误差，位置误差被输入至pi或pid控制器以计算补偿扭矩需求；来源于运动控制廓线的轨迹位置参考是目标位置，而来自位置传感器的信号是测量位置。轨迹位置参考和测量位置均在pi或pid控制器中被结合，以提供补偿扭矩需求。补偿扭矩需求或反馈扭矩需求与前馈扭矩需求结合，以提供轮的扭矩需求来驱动负载处理装置。补偿扭矩需求允许负载处理装置遵循由预设运动控制廓线提供的“理论上的”运动控制廓线。

15、优选地，前馈扭矩需求由加速度参考的大小和/或速度参考的大小来确定。

16、更优选地，加加速度参考和/或加速度参考和/或速度参考和/或位置参考中的任意一个被存储在查找表中。

17、优选地，前馈扭矩需求通过对三个扭矩项求和来获得：加速度前馈扭矩需求、速度前馈扭矩需求以及零阶前馈扭矩需求。加速度前馈扭矩需求与加速度参考成比例，速度前馈扭矩需求与速度参考成比例，零阶前馈扭矩需求是常数，具有固定的值和轨迹速度参考的符号。

18、一旦扭矩需求被算出，控制器将扭矩需求转化为合适的控制信号，以使负载处理装置在网格结构上经由预设运动控制廓线所限定的轨迹移动。优选地，第一和第二对轮的每个轮都被配置为由驱动机构独立驱动。更优选地，轮组件中的每个轮都包括轮毂电机。因此，用于移动负载处理装置的控制信号被发送到轮毂电机。然而，本发明并不限于包括轮毂电机的驱动机构，轮毂电机用于驱动轮组件的轮，本领域已知的用于驱动轮的任何驱动机构都适用于本发明。例如，轮可以通过合适的滑轮和/或齿轮布置由一个或多个驱动电机驱动。然而，使用轮毂电机来驱动负载处理装置的每个轮的优点在于，能够通过控制发送给每个轮毂电机的控制信号来控制负载处理装置的每个轮的扭矩。

19、优选地，驱动工具被配置为至少部分驱动轮组件中的至少一个轮，以满足所计算的扭矩需求。优选地，驱动工具被配置为至少部分制动轮组件中的至少一个轮，以满足所计算的扭矩需求。

20、优选地，控制器被配置为在轮组件的每个轮之间分享所计算的扭矩需求。出于本发明的目的，术语“分享”也包括分配，也就是说所计算的扭矩需求被分配给轮组件的每个轮。可选地，控制器被配置为在轮组件的第一和第二对轮之间分享所计算的扭矩需求。在本发明的一个实施例中，根据负载处理装置在网格结构上的行进方向，将扭矩需求分给前对和后对轮。前对轮可以同步被驱动，并被假想为围绕前“轴”被驱动。同样，后对轮可以同步驱动，并被假想为围绕后“轴”被驱动。在本发明特定具体实施方式中，扭矩需求被分给前后“轴”，以考虑负载处理装置在网格结构上的任何重量转移。

21、可选地，控制器被配置为改变由第一和第二对轮提供的所计算的扭矩需求的比例。优选地，在负载处理装置在网格结构上的行进方向上，当第一对轮在第二对轮后方时，控制器被配置为将较大比例的所计算的扭矩需求转移到第一对轮上。优选地，在负载处理装置在网格结构上的行进方向上，当第二对轮在第一对轮前方时，控制器被配置为将较大比例的所计算的扭矩需求转移到第二对轮上。例如，在前对和后对轮之间分享的扭矩的量可被改变，并且可取决于负载处理装置沿前进方向在网格结构上加速还是在网格结构上减速。第一对轮代表前对轮，第二对轮代表后对轮。当负载处理装置在网格结构上加速时，较大比例的扭矩被分配给前对轮，使得前对轮的驱动机构拥有较大比例的扭矩需求。相反，当负载处理装置在网格结构上减速期间，扭矩需求调换到后对轮。

22、由第一和第二对轮提供的扭矩比例可根据来源于预设运动控制廓线的轨迹加速度参考的程度来制定。可选地，控制器被配置为在轮组件的第一和第二对轮之间分享所计算的扭矩需求，分享比例基于来源于预设运动控制廓线的轨迹加速度参考的大小。前后轮之间扭矩需求的分配比例可与负载处理装置在网格结构上的加速度参考的大小成比例。例如，当根据预设运动控制廓线的轨迹加速度参考的大小较大时，更多的扭矩被分配给前对轮，相反，当加速度的大小降低或减速时，更多的扭矩被分配给后对轮。因此，第一和第二组轮之间的扭矩需求的分配按照比例而变化，此比例基于与源自预设运动控制廓线的轨迹加速度参考相关联的数据。

23、优选地，轮组件的第一和第二对轮之间的所计算的扭矩需求的比例是轨迹加速度参考的大小的函数。

24、负载处理装置在网格结构上运作期间，预设运动控制廓线根据来自位置检测工具的位置测量定期更新。优选地，控制器被配置为根据位置测量工具确定负载处理装置在网格结构上的运动状态。更优选地，运动状态是速度。优选地，负载处理装置相对于网格结构的速度根据负载处理装置相对于网格结构的位置测量的一阶导数来确定，位置测量是时间的函数。优选地，负载处理装置包括与轮组件的每个轮联接的轮编码器，用于测量轮组件的每个轮的速度。将负载处理装置相对于网格结构的运动状态与轮组件的至少一个轮的速度进行比较，可以确定轮组件的任何一个轮是否在网格结构或轨道上打滑，即与网格结构失去附着摩擦力。

25、更优选地，与驱动轮编码器连通的控制器被配置为：

26、i)将轮组件的每个轮的测量速度与负载处理装置的运动状态进行比较；以及

27、ii)响应于轮组件的任何一个轮的测量速度与网格结构上负载处理装置的运动状态基本不同，要么：

28、a)调整分享给其他轮的所计算的扭矩需求，以使负载处理装置的运动状态保持基本不变；和/或

29、b)重新分配所计算的扭矩需求给轮组件的每个轮。

30、更优选地，与驱动轮编码器连通的控制器被配置为，响应于轮组件的任何一个轮的测量速度基本大于负载处理装置的运动状态，将分享的所计算的扭矩需求从轮组件的任何一个轮中移除，直到此轮的速度与负载处理装置在网格结构上的运动状态基本相等。

31、可能存在两种情况，其中至少一个轮的速度不同于负载处理装置在网格结构上的运动状态。第一种为轮组件的至少一个轮失去附着摩擦力并在网格结构上打滑。第二种情况为轮组件的至少一个轮之间扭矩需求的分配不均匀，导致至少一个轮以与其他轮不同的速度旋转，其他轮主要驱动网格结构上的负载处理装置。在两种情况下，控制器被配置为调整分享给轮组件的任何一个轮的所计算的扭矩需求。优选地，响应于轮组件的任何一个轮的测量速度基本小于负载处理装置在网格结构上的运动状态，控制器调整分享给其他轮的所计算的扭矩需求，以便负载处理装置的运动状态基本保持不变，和/或将所计算的扭矩需求重新分配给轮组件的每个轮。替代地，响应于轮组件的任何一个轮的测量速度基本大于负载处理装置在网格结构上的运动状态，控制器将分享的所计算的扭矩需求从轮组件的任何一个轮中移除，直到此轮的速度与负载处理装置在网格结构上的运动状态基本相等。在这种情况下，如果任何一个轮打滑，扭矩将从所述轮中被移除，直到此轮的速度赶上负载处理装置在网格结构上的运动状态。“移除”功能可包含停止或切换发送给打滑轮的控制信号。

32、作为扭矩需求是用于驱动网格结构上负载处理装置的驱动扭矩的替代方案，扭矩需求可以是对轮组件的任何一个轮施加的制动或阻力扭矩，例如在负载处理装置在网格结构上减速时。因此，相比驱动轮的旋转，扭矩需求还可以提供阻力或制动扭矩，即控制器将预设运动控制廓线转化为控制信号，指示负载处理装置根据预设运动控制廓线在网格结构上减速。

33、本发明的轮组件被布置为使得轮组件包括第一组轮以及第二组轮，第一组轮被布置为在网格结构上沿第一方向移动负载处理装置，第二组轮被布置为在网格结构上沿第二方向移动负载处理装置，第一组轮横向于第二组轮。第一组轮包括位于负载处理装置的主体前后的成对轮。第二组轮包括位于负载处理装置的主体两侧的成对轮。

34、每个组轮被驱动以使载具分别以x和y方向沿轨路移动。组轮中的一个或两个可以被竖直移动，以将每个组轮抬离各自的轨路，进而允许载具沿预期方向在网格上移动。

35、优选地，位置检测工具包括第一位置检测工具和第二位置检测工具，第一位置检测工具被配置为用于检测负载处理装置在网格结构上沿第一方向的位置，而第二位置检测工具被配置为用于检测负载处理装置在网格结构上沿第二方向的位置，第一方向横向于第二方向。

36、优选地，位置检测工具包括联接到可旋转地安装在臂上的位置轮的编码器，以便通过编码器检测位置轮的旋转，所述臂向下偏置以使位置轮被偏置到与网格结构接合。位置检测工具也被称为“第五”轮，仅仅是因为它是第一或第二组轮中的附加轮。位置轮向着网格结构或轨道被偏置，使得负载处理装置在网格结构上移动时旋转位置轮。与位置轮联接的编码器测量位置轮的旋转速度，这指明了负载处理装置在网格结构上的运动状态。

37、本发明提供了一种存储系统，包括：

38、第一轨道集合和第二轨道集合，第二轨道集合在基本水平平面上横向于第一轨道集合以形成包括复数个网格空间或网格单元的网格图案；

39、位于第一轨道集合和第二轨道集合下方的复数个容器的堆垛，其中每个容器的堆垛占据单个网格空间或网格单元；

40、根据本发明的负载处理装置，其被布置为沿着第一和第二轨道集合在复数个网格空间或网格单元上穿行，以便当定位在占据网格空间或网格单元的容器的堆垛上方时，抬升装置被配置为从所述容器的堆垛中抬升至少一个容器。