一种基于仿生眼的轨道式搬运机器人及工作方法

技术领域

本发明涉及物料搬运机器人领域，具体地说是一种基于仿生眼的轨道式搬运机器人及工作方法。

背景技术

在工业设备生产的过程中，物料和产品的搬运是极其重要的环节，其作业质量的好坏直接关系到生产的速度和效率，从而影响生产经济效益。在传统物流作业模式中，人力搬运耗时较长，人员工作强度较大，同时人员分拣效率相对较低、错误率相对较高，不能满足电子物流作业多品类、大批量的特征。

我国对生产物流的统计，机械工厂每生产1吨成品，需进行252吨次的装卸搬运，其成本约为加工成本的15.5％。生产注定伴随着物料搬运，物料搬运重量常常是产品重量的数倍，甚至数十倍。在美国，装卸搬运费用约占总成本的20~30％；德国企业物料搬运费约占营业额的1/3；日本物料搬运费约占GDP的10.73％。在我国，铁路运输的始发地和目的地装卸作业费大致占运费的20％左右，船运约占40％左右。

目前大多数搬运采用人工搬运，劳动强度大、消耗时间长，且具有一定的危险性。这种工作方式的搬运效率很低，并且搬运工人也不愿意在工厂进行简单的机械的重复性劳动。另一方面，现在的仓库中货物大部分是体积大、重量大、表面脏，仓库的工作环境较差，不利于人们工作，如在工厂的生产车间中许多的零件上面沾满了油污，有的零件上面还存留一些毛刺，不利于人工搬运。同时，仓库中货物摆放也需要消耗相当的一部分人力，人工搬运效率不高。

这些存在的问题进一步推动工业机器人的引入与发展，部分公司采用固定式机械臂协助生产，但其作业范围有限，一条生产线上往往需要多台机器人协助生产搬运，这无疑对企业是较大的成本投入。

针对上述现有技术存在的不足之处，急需一种可移动式的搬运机器人，可移动式搬运机器人不仅能减轻人们的劳动强度、节省人工成本、提高作业效率，而且能降低企业的生产和养护成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于仿生眼的轨道式搬运机器人及工作方法，本发明采用视觉引导式的轨道搬运，搬运机器人可自主沿预定轨道完成对货物的搬运和摆放，相比于人工搬运以及固定式机器人搬运提高了作业效率，减轻工人劳动强度，降低作业成本，提高经济效益。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于仿生眼的轨道式搬运机器人，其特征在于：包括移动机构、视觉引导机构、搬运机构、主控装置、轨道行走装置。

所述移动机构包括底盘，以及布设在底盘底部的麦克纳姆轮和驱动电机；所述麦克纳姆轮与驱动电机连接；所述麦克纳姆轮在驱动电机的驱动下，带动底盘移动。

所述视觉引导机构包括仿生眼和驱动装置；所述仿生眼通过引导机构支撑架固定在底盘上；所述驱动装置布设在仿生眼上，驱动仿生眼观察轨道行走装置。

所述搬运机构包括机械臂、机械爪和舵机；所述机械臂一端固定在底盘上，另一端连接机械爪；所述机械臂与底盘连接处还布设有舵机；所述机械臂和机械爪在舵机的驱动下实现物品的抓取与放置。

所述主控装置包括PC计算机，以及布设在底盘上的底层控制器和主控制器。

所述轨道行走装置包括铺设好的轨道路径和标志物图像。

作为本发明进一步优选地，所述驱动电机为含编码器的直流减速电机；所述编码器与直流减速电机的驱动轴连接，实时检测直流减速电机的转速并反馈到底层控制器。

作为本发明进一步优选地，所述直流减速电机和舵机分别通过信号线连接至底层控制器；所述底层控制器通过TTL转USB线与主控制器进行串口通信；从而实现直流减速电机和舵机与主控制器之间的双向数据传输控制。

作为本发明进一步优选地，所述轨道路径呈闭环状；紧靠轨道路径设置有取货工作台、放货工作台和停止标志物图像；所述取货工作台上设置有取货标志物图像；所述放货工作台上设置有放货标志物图像。

作为本发明进一步优选地，所述驱动装置通过一端设有万向节的滑动套杆与仿生眼相连，仿生眼可通过万向节向任意方向转动；所述仿生眼内布设有相机；在搬运机器人移动过程中，驱动装置可带动仿生眼覆盖全方位的观察视角，识别轨道路径和标志物图像，并将采集到的图像感知信息传输到主控制器。

作为本发明进一步优选地，所述主控制器与PC计算机之间通过无线通信方式进行远程连接；所述仿生眼返回至主控制器的图像感知信息通过无线通信方式传输到PC计算机；PC计算机完成对图像感知信息进行处理后，再将动作信号反馈至主控制器。

作为本发明进一步优选地，所述底层控制器包括芯片、传感器、电机驱动模块组件；所述芯片与电机驱动模块组件相连，并输出的PWM信号至电机驱动模块组件；所述电机驱动模块组件将PWM信号进行功率放大后输出给直流减速电机，实现对直流减速电机的转速和转向控制；所述传感器通过信号线连接直流减速电机和舵机，接收直流减速电机和舵机的反馈信号。

作为本发明进一步优选地，所述移动机构沿轨道路径运动时，仿生眼内布设的相机识别并采集轨道路径和标志物图像，输送至主控制器和PC计算机进行图像处理，提取轨道路径信息并计算偏差，主控制器通过串口通信将轨道路径偏差信息传递给底层控制器；底层控制器以PWM调压方式控制直流减速电机，改变移动机构自身的前向、侧向以及旋转速度，实现移动时对轨道路径的跟踪和修正。

作为本发明进一步优选地，所述底层控制器还包括有用于显示运行参数的LED显示屏，以及用于稳定电压的电压转换器和用于供电的电源。

一种基于仿生眼的轨道式搬运机器人的工作方法，具体包括以下步骤：

步骤1、初始化搬运机器人工作状态和位置；若视觉引导机构识别到搬运机器人在初始位置则进入工作状态；若搬运机器人不在初始位置则人工操作移动到初始位置，然后进入工作状态；

步骤2、在PC计算机输入开始工作指令，PC计算机通过无线通信方式将指令传递至主控制器，主控制器通过串口通信将指令传递给底层控制器，底层控制器输出PWM信号并放大功率后输出给直流减速电机，直流减速电机启动，驱动麦克纳姆轮转动，搬运机器人即开始移动工作；编码器与直流减速电机的驱动轴连接，实时检测直流减速电机的转速并反馈到底层控制器，保证搬运机器人平稳移动；

步骤3、搬运机器人接收到工作指令后，从初始位置开始沿铺设好的轨道路径移动；在沿轨道路径移动的过程中，驱动装置可带动仿生眼覆盖全方位的观察视角，识别轨道路径和标志物图像，并将采集到的图像感知信息传输到主控制器；当识别到搬运机器人偏离轨道路径时，PC计算机根据实时图像信息计算分析，将路线修正信号反馈至主控制器，修正搬运机器人的移动方向，使其回到预定的轨道路径上；

步骤4、当仿生眼的相机识别到取货标志物图像后，将此图像感知信息传输到主控制器，然后通过主控制器与PC计算机之间的无线通信远程连接将图像感知信息传输到PC计算机，PC计算机完成对图像感知信息进行处理后，再将动作信号反馈至主控制器，主控制器通过与直流减速电机之间的双向数据传输控制，将动作信号传输至直流减速电机，搬运机器人即移动到取货标志物图像前停止；

步骤5、搬运机器人停在取货标志物图像后，仿生眼的相机将取货信号反馈至主控制器，主控制器通过与舵机之间的双向数据传输控制，将动作信号传输至舵机；舵机驱动机械臂和机械爪动作，去抓取取货工作台上的物品；仿生眼的相机实时获取物品的位置信息，持续反馈给主控制器，并传输至舵机，调整机械臂和机械爪的抓取姿势；

步骤6、物品抓取完成后，主控制器通过与直流减速电机之间的双向数据传输控制，将动作信号传输至直流减速电机，搬运机器人即继续沿轨道路径移动；至仿生眼识别到放货标志物图像后，停止移动并停在放货标志物图像位置；

步骤7、仿生眼将放货信号反馈至主控制器，主控制器通过与舵机之间的双向数据传输控制，将动作信号传输至舵机；舵机驱动机械臂和机械爪动作，将物品放至放货工作台；仿生眼的相机实时获取物品的位置信息，持续反馈给主控制器，并传输至舵机，调整机械臂和机械爪的放置姿势；

步骤8、物品放置完成后，主控制器通过与直流减速电机之间的双向数据传输控制，将动作信号传输至直流减速电机，搬运机器人即继续沿轨道路径移动；当仿生眼识别到停止标志物图像后，主控制器通过与直流减速电机之间的双向数据传输控制，将停止信号传输至直流减速电机，搬运机器人即停止运动。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明克服了固定式机械臂机器人工作范围有限的缺点，采用可移动式的轨道搬运，可有效扩大单台机械臂的工作范围。相比于人工搬运以及固定式机器人搬运可以进一步提高作业效率，减轻工人劳动强度，降低作业成本，提高经济效益。

2.本发明的装置采用视觉引导式的轨道搬运，简化了机器人的导航系统开发，降低了操作难度。

3.本发明的装置可自主沿预定轨道完成对货物的搬运和摆放，相比于固定式机器人搬运更加灵活方便和自动化。

4.本发明采用分布式架构，将运算量较大的视觉算法处理设置在PC计算机上进行，大大减小了机器人嵌入式设备的运行压力，操作更加方便。

附图说明

图1是本发明一种基于仿生眼的轨道式搬运机器人的结构示意图。

图2是本发明一种基于仿生眼的轨道式搬运机器人的仿生眼的结构示意图。

图3是本发明一种基于仿生眼的轨道式搬运机器人的轨道行走装置示意图。

图4是本发明一种基于仿生眼的轨道式搬运机器人的运行流程图。

图5是本发明一种基于仿生眼的轨道式搬运机器人的系统控制流程图。

其中有：

10.移动机构；11.底盘；12.麦克纳姆轮；13.驱动电机；131.直流减速电机；132.编码器

20.视觉引导机构；21.仿生眼；22.驱动装置；23.滑动套杆；24.引导机构支撑架

30.搬运机构；31.机械臂；32.机械爪；33.舵机；

40.主控装置；41.PC计算机；42.底层控制器；421.芯片；422.传感器；423.电机驱动模块组件；424.LED显示屏；425.电压转换器；426.电源；43.主控制器；

50.轨道行走装置；51.轨道路径；52.标志物图像；521.取货标志物图像；522.放货标志物图像；523.停止标志物图像；53.取货工作台；54.放货工作台。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

下面结合附图和和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种基于仿生眼的轨道式搬运机器人，其特征在于：包括移动机构10、视觉引导机构20、搬运机构30、主控装置40、轨道行走装置50。

所述移动机构10包括底盘11，以及布设在底盘11底部的麦克纳姆轮12和驱动电机13；所述麦克纳姆轮12与驱动电机13连接；所述麦克纳姆轮12在驱动电机13的驱动下，带动底盘11移动。

所述驱动电机13为含编码器132的直流减速电机131；所述编码器132与直流减速电机131的驱动轴连接，实时检测直流减速电机131的转速并反馈到底层控制器42。

如图2所示，所述视觉引导机构20包括仿生眼21和驱动装置22。所述仿生眼21通过引导机构支撑架24固定在底盘11上；所述驱动装置22通过一端设有万向节的滑动套杆23与仿生眼21相连，仿生眼21可通过万向节向任意方向转动。所述仿生眼21内布设有相机；在搬运机器人移动过程中，驱动装置22可带动仿生眼21覆盖全方位的观察视角。

所述搬运机构30包括机械臂31、机械爪32和舵机33；所述机械臂31一端固定在底盘11上，另一端连接机械爪32；所述机械臂31与底盘11连接处还布设有舵机33；所述机械臂31和机械爪32在舵机33的驱动下实现物品的抓取与放置。

所述主控装置40包括PC计算机41，以及布设在底盘11上的底层控制器42和主控制器43。

所述底层控制器42包括芯片421、传感器422、电机驱动模块组件423；所述芯片421与电机驱动模块组件423相连，并输出的PWM信号至电机驱动模块组件423；所述电机驱动模块组件423将PWM信号进行功率放大后输出给直流减速电机131，实现对直流减速电机131的转速和转向控制；所述传感器422通过信号线连接直流减速电机131和舵机33，接收直流减速电机131和舵机33的反馈信号。

所述直流减速电机131和舵机33分别通过信号线连接至底层控制器42；所述底层控制器42通过TTL转USB线与主控制器43进行串口通信；从而实现直流减速电机131和舵机33与主控制器43之间的双向数据传输控制；所述主控制器与PC计算机之间通过无线通信方式进行远程连接，此种分布式架构，将运算量较大的视觉算法处理设置在PC计算机上进行，大大减小了机器人嵌入式设备的运行压力。

所述底层控制器42还包括有用于显示运行参数的LED显示屏424，以及用于稳定电压的电压转换器425和用于供电的电源426。

如图3所示，所述轨道行走装置50包括铺设好的轨道路径51和标志物图像52。所述轨道路51径呈闭环状；紧靠轨道路径51设置有取货工作台53、放货工作台54和停止标志物图像523；所述取货工作台53上设置有取货标志物图像521；所述放货工作台54上设置有放货标志物图像522。

如图4和图5所示，本装置的优势体现在于：

搬运机器人移动功能：在PC计算机41输入开始工作指令，PC计算机41通过无线通信方式将指令传递至主控制器43，主控制器43通过串口通信将指令传递给底层控制器42，底层控制器42输出PWM信号并放大功率后输出给直流减速电机131，直流减速电机131启动，驱动麦克纳姆轮12转动，搬运机器人即开始移动工作。此方式克服了固定式机械臂机器人工作范围有限的缺点，采用可移动式的轨道搬运，可有效扩大单台机械臂的工作范围。相比于人工搬运以及固定式机器人搬运可以进一步提高作业效率，减轻工人劳动强度，降低作业成本，提高经济效益。

路径修正功能：所述移动机构10沿轨道路径51运动时，仿生眼21内布设的相机识别并采集轨道路径51和标志物图像52，输送至主控制器和PC计算机进行图像处理，提取轨道路径信息并计算偏差，主控制器43通过串口通信将轨道路径51偏差信息传递给底层控制器42；底层控制器42以PWM调压方式控制直流减速电机131，改变移动机构10自身的前向、侧向以及旋转速度，实现移动时对轨道路径51的跟踪和修正。本装置采用视觉引导式的轨道搬运，简化了机器人的导航系统开发，同时在搬运机器人偏离预定轨道时可通过自我调整重回预定轨道路径，操作难度降低，自动化程度提升。

自动取货放货功能：仿生眼21的相机将取货信号反馈至主控制器43，主控制器43通过与舵机33之间的双向数据传输控制，将动作信号传输至舵机33；舵机33驱动机械臂31和机械爪32动作，去抓取取货工作台53上的物品；仿生眼21的相机实时获取物品的位置信息，持续反馈给主控制器43，并传输至舵机33，调整机械臂31和机械爪32的抓取姿势。

移动至放货地点后，仿生眼21将放货信号反馈至主控制器43，主控制器43通过与舵机33之间的双向数据传输控制，将动作信号传输至舵机33；舵机33驱动机械臂31和机械爪32动作，将物品放至放货工作台54；仿生眼21的相机实时获取物品的位置信息，持续反馈给主控制器43，并传输至舵机33，调整机械臂31和机械爪32的放置姿势。

本装置可自主沿预定轨道完成对货物的搬运和摆放，相比于固定式机器人搬运更加灵活方便和自动化。

一种基于仿生眼的轨道式搬运机器人的工作方法，具体包括以下步骤：

步骤1、初始化搬运机器人工作状态和位置；若视觉引导机构识别到搬运机器人在初始位置则进入工作状态；若搬运机器人不在初始位置则人工操作移动到初始位置，然后进入工作状态；

步骤2、在PC计算机41输入开始工作指令，PC计算机41通过无线通信方式将指令传递至主控制器43，主控制器43通过串口通信将指令传递给底层控制器42，底层控制器42输出PWM信号并放大功率后输出给直流减速电机131，直流减速电机131启动，驱动麦克纳姆轮12转动，搬运机器人即开始移动工作；编码器132与直流减速电机131的驱动轴连接，实时检测直流减速电机131的转速并反馈到底层控制器42，保证搬运机器人平稳移动；

步骤3、搬运机器人接收到工作指令后，从初始位置开始沿铺设好的轨道路径51移动；在沿轨道路径51移动的过程中，驱动装置22可带动仿生眼21覆盖全方位的观察视角，识别轨道路径51和标志物图像52，并将采集到的图像感知信息传输到主控制器43；当识别到搬运机器人偏离轨道路径51时，PC计算机41根据实时图像信息计算分析，将路线修正信号反馈至主控制器43，修正搬运机器人的移动方向，使其回到预定的轨道路径51上；

步骤4、当仿生眼21的相机识别到取货标志物图像521后，将此图像感知信息传输到主控制器43，然后通过主控制器43与PC计算机41之间的无线通信远程连接将图像感知信息传输到PC计算机41，PC计算机41完成对图像感知信息进行处理后，再将动作信号反馈至主控制器43，主控制器43通过与直流减速电机131之间的双向数据传输控制，将动作信号传输至直流减速电机131，搬运机器人即移动到取货标志物图像521前停止；

步骤5、搬运机器人停在取货标志物图像521后，仿生眼21的相机将取货信号反馈至主控制器43，主控制器43通过与舵机33之间的双向数据传输控制，将动作信号传输至舵机33；舵机33驱动机械臂31和机械爪32动作，去抓取取货工作台53上的物品；仿生眼21的相机实时获取物品的位置信息，持续反馈给主控制器43，并传输至舵机33，调整机械臂31和机械爪32的抓取姿势；

步骤6、物品抓取完成后，主控制器43通过与直流减速电机131之间的双向数据传输控制，将动作信号传输至直流减速电机131，搬运机器人即继续沿轨道路径51移动；至仿生眼21识别到放货标志物图像522后，停止移动并停在放货标志物图像522位置；

步骤7、仿生眼21将放货信号反馈至主控制器43，主控制器43通过与舵机33之间的双向数据传输控制，将动作信号传输至舵机33；舵机33驱动机械臂31和机械爪32动作，将物品放至放货工作台54；仿生眼21的相机实时获取物品的位置信息，持续反馈给主控制器43，并传输至舵机33，调整机械臂31和机械爪32的放置姿势；

步骤8、物品放置完成后，主控制器43通过与直流减速电机131之间的双向数据传输控制，将动作信号传输至直流减速电机131，搬运机器人即继续沿轨道路径51移动；当仿生眼21识别到停止标志物图像后，主控制器43通过与直流减速电机131之间的双向数据传输控制，将停止信号传输至直流减速电机131，搬运机器人即停止运动。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。