一种成品自动取放货和自动入库系统及方法

技术领域

本发明涉及仓储物流技术领域，尤其涉及一种成品自动取放货和自动入库系统及方法。

背景技术

随着工业自动化和智能化的发展，自动导引运输车（AGV）在物流运输领域的运用越来越广泛。AGV可以替代人工完成大量物料搬运工作，同时也可以实现24小时连续工作，有效降低企业人工成本。但是，工厂现有产品入库方式为：人工将装载产品的台车手动挂到磁条AGV上，由磁条AGV运送至仓库，仓库工作人员使用扫码器扫描产品的条码，完成入库录入工作，同时，使用叉车将产品从台车卸下。但是，该产线下线方式自动化程度低，占用产线及仓库人员较多，无法实现智能化生产。因此，急需开发一种成品自动取放货和自动入库系统及方法以解决上述技术问题。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供一种成品自动取放货和自动入库系统及方法，产线下线方式自动化程度高，占用产线及仓库人员少，实现了智能化生产，大大节约了人力和物力，降低了生产成本，具有广阔的应用前景，有利于推广应用。

为了实现上述目的，本发明提供的一种成品自动取放货和自动入库系统，包括承载待运货物的移动月台，设于货架底部的固定月台，可自主规划移动路径与移动月台和固定月台对接完成货物交换与运输的移动机器人，所述移动机器人的内部设有机器人系统，通过机器人系统接收机器人管理系统的任务指令执行任务，通过视觉呼叫系统与机器人管理系统信息交互，完成自动呼叫，通过读码器、工厂管理系统与机器人系统信息交互，完成自动入库。

优选地，所述移动机器人的前方设有激光雷达，机器人底盘上方设有顶升机构，顶升机构两侧设有承载面板，机器人底盘下方设有移动轮一，所述顶升机构通过安装底座固定于机器人底盘上，所述顶升机构的中心处设有电动推杆，所述电动推杆的两端分别连接有连接杆，所述连接杆的两端分别连接有剪叉机构，所述电动推杆通过两侧连接杆带动四组剪叉机构，电动推杆伸出，连接杆向远离电动推杆方向运动，剪叉机构合起，通过安装块带动顶升机构的外壳升起，实现顶升，下降运动则与其相反。该结构对称，受力均匀，显著提高了顶升机构7的运行稳定性。

优选地，所述移动月台的底部设有移动轮二，两侧对称设有用于移动机器人识别移动月台位置的对接特征板一，所述移动月台的顶部设有限制待运货物放置位置的限位块。

优选地，每组固定月台包含两个库位，两侧对称设有用于移动机器人识别固定月台位置的对接特征板二，每个库位顶部设有一个传感器，每个传感器对应一个放货位置，用于感应库位的空满状态，反馈给机器人管理系统，机器人管理系统根据传感器信号生成任务指令里的放货位置，发送给机器人系统，通过传感器、机器人管理系统、机器人系统信息交互，完成放货库位的分配。

优选地，所述视觉呼叫系统包括若干摄像头，每个摄像头对应一个取货位置，根据摄像头识别的货物，触发任务指令，提交机器人管理系统，机器人管理系统根据摄像头位置生成任务指令里的取货位置后发送给机器人系统。

优选地，所述机器人系统包括导航规划器和任务管理器，通过任务管理器接收机器人管理系统发送的指令，将目标站点坐标发送给导航规划器，所述导航规划器根据自身当前位置坐标、目标站点坐标及环境信息生成运行路径，所述移动机器人沿着运行路径到达目标站点，所述任务管理器根据指令内容管理移动机器人的顶升机构升降动作和对接策略等，从而完成自动取放货。所述环境信息包括预设地图，移动机器人底盘的激光雷达、摄像头等传感器实时扫描到的信息。所述对接策略包括但不限于前部对接进入、尾部对接进入、前退出、后退出和对接左右偏离参数。

优选地，所述机器人管理系统包括库位管理系统和调度管理系统，所述库位管理系统接收视觉呼叫系统触发的指令，根据视觉呼叫系统识别到的站点坐标，确定取货站点，所述库位管理系统与传感器系统通讯连接，所述传感器系统感应库位的空满状态发送给库位管理系统，所述库位管理系统选择空库位作为放货站点，并根据取货位置及放货站点信息生成运输指令，发送给调度管理系统，所述调度管理系统与机器人系统通讯连接，根据机器人系统反馈的状态，如空闲、忙碌、位置坐标、电量等，发送运输指令给状态最优的移动机器人。

优选地，所述视觉呼叫系统还包括目标识别与检测模块、数据处理模块、加密通信模块，所述目标识别与检测模型包括输入部分、主干网部分、多特征融合网络部分和输出部分；所述数据处理模块包括两部分，一部分是目标识别算法的多线性并发与跨线程交互，另一部分是过滤干扰目标；所述视觉呼叫系统与机器人管理系统通信采用加密通信模块进行数据传输，加密通信模块采用TSL1.2和自定义的帧结构双重加密技术。

本发明提供的一种成品自动取放货和自动入库方法，包括如下步骤：

S1：产线端，待运货物放置于移动月台上，当视觉呼叫系统识别到移动月台上有货物时，触发移动机器人取货指令；

S2：移动机器人的激光雷达识别到移动月台的对接特征板一后，根据识别到的对接特征板一轮廓与预设的移动月台模型进行匹配，如果匹配成功，则确定移动月台的位置坐标，根据移动月台的坐标，规划一条从移动机器人当前坐标至移动月台的路径，如果不成功则移动机器人原地旋转，寻找对接特征板一的特征直至匹配成功，然后移动机器人进入移动月台底部与移动月台对接，顶升机构将待运货物顶起后，移动机器人退出移动月台，顶升机构下降将待运货物移至承载面板上，然后规划路径前往目标站点仓库；

S3：仓库设有扫码点，读码器自动读取货物上的条码，将信息反馈给机器人系统，机器人系统与工厂管理系统比对，根据系统反馈的信息确定货物的放置位置；

S4：仓库端，货架底部安装有固定月台，通过固定月台上的传感器自动感应库位是否有货物，通过机器人管理系统为移动机器人自动分配放货位置；

S5：移动机器人的激光雷达识别到固定月台的对接特征板二后，根据识别到的对接特征板二轮廓与预设的固定月台模型进行匹配，如果匹配成功，则确定固定月台的位置坐标，根据固定月台坐标，规划一条从当前位置至固定月台的路径，如果匹配不成功则移动机器人原地旋转，寻找对接特征板二的特征直至匹配成功，然后移动机器人到达固定月台前，顶升机构上升将货物顶起，进入固定月台底部与固定月台对接，顶升机构下降将货物放到固定月台上，移动机器人退出固定月台。

优选地，所述S3中，移动机器人3顶升货物到达扫码点后，机器人系统请求调度管理系统扫码，调度管理系统启动读码器，自动读取货物上的条码信息获得扫码结果，调度管理系统将扫码信息写到工厂管理系统的入库检测模块，工厂管理系统验证扫码信息并把验证结果写入到入库检测模块，调度管理系统获得验证结果并发给机器人系统，机器人系统根据验证结果将入库货品放置对应放货位置本发明提供的一种成品自动取放货和自动入库系统及方法，具有如下有益效果。

1．本发明产线下线方式自动化程度高，能够自动识别货物，完成自动取货和自动放货，自动扫码入库，替代了传统的人工扫码方式，占用产线及仓库人员少，实现了智能化生产，大大节约了人力和物力，降低了生产成本，具有广阔的应用前景，有利于推广应用。

2．本发明的视觉呼叫系统基于深度学习的图像识别，通过采集货物的多种形态，进行模型训练，采用 YOLO5，通过模型训练，确定适合的模型参数，提高了识别的准确率。摄像头采集有货后，发送信息给库位管理系统，收到库位管理系统反馈后，停止采集，能够有效防止视频重复呼叫。

附图说明

图1为移动机器人的结构示意图；

图2为移动机器人的顶升机构结构示意图；

图3为移动月台的结构示意图；

图4为移动月台取放货示意图；

图5为固定月台的结构示意图；

图6为固定月台取放货示意图；

图7为视觉呼叫系统的工作流程图。

图中：

1.待运货物2.移动月台3.移动机器人4.限位块5.对接特征板一6.传感器7.顶升机构8.承载面板9.机器人底盘10.安装块11.连接杆12.电动推杆13.剪叉机构14.安装底座15.激光雷达16.移动轮一17.对接特征板二18.移动轮二19.固定月台。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步说明，以助于理解本发明的内容。

本发明提供的一种成品自动取放货和自动入库系统，包括移动机器人3，移动月台2，固定月台19，机器人管理系统，视觉呼叫系统，读码器和工厂管理系统。所述移动机器人3内部设有机器人系统，通过机器人系统接收机器人管理系统的任务指令执行任务。通过视觉呼叫系统与机器人管理系统信息交互，完成自动呼叫。通过读码器、工厂管理系统与机器人系统信息交互，完成自动入库。

如图1-图2所示，分别为移动机器人的结构示意图及其顶升机构结构示意图。所述移动机器人3的底部为机器人底盘9，所述机器人底盘9下方设有移动轮一16，所述机器人底盘9上方设有顶升机构7，所述移动机器人3的两侧设有承载面板8。工作时，将待运货物1放在铲板上，移动机器人3宽度为600mm，铲板宽度为800mm，为了运输过程中将货物放置在移动机器人3身上，节约移动机器人3的能源，故设计了承载面板8。所述移动机器人3的前方设有激光雷达15，所述顶升机构7通过安装底座14安装在机器人底盘9上，所述顶升机构7的中心处设有电动推杆12，所述电动推杆12的两端分别连接有连接杆11，所述连接杆11的两端分别连接有剪叉机构13，所述电动推杆12通过两侧连接杆11带动四组剪叉机构13，电动推杆12伸出，连接杆11向远离电动推杆12方向运动，剪叉机构13合起，通过安装块10带动顶升机构7的外壳升起，实现顶升，下降运动则与其相反。该结构对称，受力均匀，显著提高了顶升机构7的运行稳定性。

如图3-图4所示，分别为移动月台的结构示意图及其取放货示意图。所述移动月台2的底部设有移动轮二18，两侧对称设有对接特征板一5，所述对接特征板一5用于移动机器人3识别移动月台2的位置，所述移动月台2的顶部两侧对称设有限位块4，所述限位块4用于限制待运货物1的放置位置。优选地，所述限位块4为四个，左右两侧各设置两个。

如图5-图6所示，分别为固定月台的结构示意图及其取放货示意图。所述固定月台19安装于货架底部，每组固定月台19包含两个库位，每组固定月台19的底部两侧对称设有对接特征板二17，所述对接特征板二17用于移动机器人3识别固定月台19的位置，所述固定月台19每个库位顶部设有一个传感器6，每个传感器6对应一个放货位置，所述传感器6用于感应库位的空满状态，反馈给机器人管理系统，机器人管理系统根据传感器6信号生成任务指令里的放货位置，发送给机器人系统，通过传感器6、机器人管理系统、机器人系统信息交互，完成放货库位的分配。

所述视觉呼叫系统包括若干摄像头，每个摄像头对应一个取货位置，根据摄像头识别的货物，触发任务指令，提交机器人管理系统，机器人管理系统根据摄像头位置生成任务指令里的取货位置，发送给机器人系统。视觉呼叫系统的工作流程图如图7所示。摄像头采集有货后，发送信息给库位管理系统，收到库位管理系统反馈后，停止采集，能够有效防止视频重复呼叫。

所述机器人系统包括导航规划器和任务管理器，通过任务管理器接收机器人管理系统发送的指令，将目标站点坐标发送给导航规划器，所述导航规划器根据自身当前位置坐标、目标站点坐标及环境信息生成运行路径，所述移动机器人3沿着运行路径到达目标站点，所述任务管理器根据指令内容管理移动机器人3的顶升机构升降动作和对接策略等，从而完成自动取放货。所述环境信息包括预设地图，移动机器人3底盘的激光雷达、摄像头等传感器实时扫描到的信息。所述对接策略包括但不限于前部对接进入、尾部对接进入、前退出、后退出和对接左右偏离参数。

所述机器人管理系统包括库位管理系统和调度管理系统，所述库位管理系统接收视觉呼叫系统触发的指令，根据视觉呼叫系统识别到的站点坐标，确定取货站点，所述库位管理系统与传感器系统通讯连接，所述传感器系统感应库位的空满状态发送给库位管理系统，所述库位管理系统选择空库位作为放货站点，并根据取货位置及放货站点信息生成运输指令，发送给调度管理系统，所述调度管理系统与机器人系统通讯连接，根据机器人系统反馈的状态，如空闲、忙碌、位置坐标、电量等，发送运输指令给状态最优的移动机器人3。

所述视觉呼叫系统还包括目标识别与检测模块、数据处理模块和加密通信模块，通过摄像头持续读取生产线实时生产状况，实时检测出生产线上的不同产品，自动与机器人管理系统通信，主动呼叫移动机器人3将生产线产品搬运到指定库位。所述视觉呼叫系统实现了生产线目标检测精度100%，生产线实时处理速度达到秒级满足生产速度，信息通信满足通信加密要求。

所述目标识别与检测模型由四部分组成，包括输入部分、主干网部分、多特征融合网络部分和输出部分；

输入部分通过对图像做随机缩放、裁剪、旋转，然后再随机选择一定数量的图像拼接在一起的方法进行数据增强处理，以提高数据集的多样性和检测方法的鲁棒性，输入部分中初步设置三种先验锚定框，同时采用自适应填充的方法对输入图像进行缩放，满足检测算法要求；

主干网部分首先通过Focus结构对图像进行切片处理，提升网络训练速度，主干网络的核心部分是基于CNN的CSPDarknet-53进行特征提取；

多特征融合网络部分采用路径聚合网络作为检测颈部，聚合不同主干层次的特征，增强特征的表达能力；

输出部分包括三种不同的检测尺度输出，对于每种尺度的头部输出，可定义不同尺度的锚点并使用完全交集作为回归损失函数来预测边界框，使用逻辑回归预测每个边界的目标得分，使用多标签分类预测每个边界框的类别；

最终损失函数包括三部分：预测框类别损失、预测框定位损失和预测框置信度损失，其中预测框类别损失及预测框置信度损失均采用二元交叉熵函数，预测框定位损失采用的是完全交集CIOU_loss损失，其形式化表示为：

(1)

其中

其中，

所述数据处理模块包括两部分，一部分是目标识别算法的多线性并发与跨线程交互，另一部分是过滤干扰目标；

多线程并发与跨线程交互：对于智慧工厂的多条生产线，数据处理模块需要采用多线程方式进行目标识别与检测，并需要完成跨线程交互，使多个摄像头可以同时工作，并在某个摄像头范围内生产线出现故障时，不影响其他生产线工作，同时保证整个生产线的目标识别与检测在秒级范围内完成；

过滤干扰目标：通过设定预测框平均位置阈值的方法，过滤掉摄像头范围内的干扰目标，防止错误检测。

所述视觉呼叫系统与机器人管理系统进行通信时，采用加密通信模块进行数据传输，以保证数据的安全性，加密通信模块采用TSL1.2和自定义的帧结构双重加密技术。

本发明的视觉呼叫系统基于深度学习的图像识别，通过采集货物的多种形态，进行模型训练，采用 YOLO5，通过模型训练，确定适合的模型参数，提高了识别的准确率。

本发明还提供了一种成品自动取放货和自动入库方法，包括如下步骤：

S1：产线端，待运货物1放置于移动月台2上，当视觉呼叫系统识别到移动月台2上有货物时，触发移动机器人3取货指令；

S2：移动机器人3的激光雷达15识别到移动月台2的对接特征板一5后，根据识别到的对接特征板一5轮廓与预设的移动月台2模型进行匹配，如果匹配成功，则确定移动月台2的位置坐标，根据移动月台2的坐标，规划一条从移动机器人3当前坐标至移动月台2的路径，如果不成功则移动机器人3原地旋转，寻找对接特征板一5的特征直至匹配成功，然后移动机器人3进入移动月台2底部与移动月台2对接，顶升机构7将待运货物1顶起后，移动机器人3退出移动月台2，顶升机构7下降将待运货物1移至承载面板8上，然后规划路径前往目标站点仓库；

S3：仓库设有扫码点，读码器自动读取货物上的条码，将信息反馈给机器人系统，机器人系统与工厂管理系统比对，根据系统反馈的信息确定货物的放置位置。具体地，获取货物为正品、样品还是错误，如为错误则运送至相应站点，如为正品、样品则运送至仓库固定月台19上；

S4：仓库端，货架底部安装有固定月台19，通过固定月台19上的传感器6自动感应库位是否有货物，通过机器人管理系统为移动机器人3自动分配放货位置；

S5：移动机器人3的激光雷达15识别到固定月台19的对接特征板二17后，根据识别到的对接特征板二17轮廓与预设的固定月台19模型进行匹配，如果匹配成功，则确定固定月台19的位置坐标，根据固定月台19坐标，规划一条从当前位置至固定月台19的路径，如果匹配不成功则移动机器人3原地旋转，寻找对接特征板二17的特征直至匹配成功，然后移动机器人3到达固定月台19前，顶升机构7上升将货物顶起，进入固定月台19底部与固定月台19对接，顶升机构7下降将货物放到固定月台19上，移动机器人3退出固定月台19。

具体的，工作时待运货物1放置于移动月台2上，当摄像头识别到移动月台2上有货物时，将货物位置的站点坐标作为取货站点发送给库位管理系统，库位管理系统根据传感系统识别到的空满状态指定一个空库位作为放货站点，生成运输指令，发送给调度管理系统，调度管理系统根据机器人的状态将运输指令发送给最优的移动机器人3，机器人系统接收运输指令。机器人系统包括导航规划器和任务管理器，通过任务管理器接收机器人管理系统发送的指令，将目标站点坐标发送给导航规划器，导航规划器根据自身当前位置坐标、目标站点坐标及环境信息（包括预设地图、机器人底盘的激光雷达、摄像头等传感器实时扫描到的信息）生成运行路径，机器人沿着运行路径到达取货站点，激光雷达识别移动月台2的对接特征板一5，进而识别到移动月台2的实际位置，移动机器人3实时调整位姿，进入货物底部，顶升货物至离开移动月台2并退出，将货物放到移动机器人3上的承载面板8上，将货物运输至扫码点。移动机器人3顶升货物到达扫码点后，机器人系统请求调度管理系统扫码，调度管理系统启动读码器，自动读取货物上的条码信息获得扫码结果，调度管理系统将扫码信息写到工厂管理系统的入库检测模块，工厂管理系统验证扫码信息并把验证结果写入到入库检测模块，调度管理系统获得验证结果并发给机器人系统，机器人系统根据验证结果将入库货品放置对应放货位置。移动机器人3到达放货站点，顶升货物，激光雷达识别固定月台19的对接特征板二17，进而识别到固定月台19的实际位置，移动机器人3实时调整位姿，进入固定月台19底部，移动机器人3将货物放置于固定月台19上，退出，放货完成。

本发明产线下线方式自动化程度高，占用产线及仓库人员少，实现了智能化生产，大大节约了人力和物力，降低了生产成本，具有广阔的应用前景，有利于推广应用。

本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。