本發(fā)明屬于智能物流搬運機器人領域，具體涉及一種基于深度機器視覺技術的倉儲搬運機器人及搬運方法。

背景技術：

1、現(xiàn)代物流行業(yè)快速發(fā)展，對倉儲和運輸環(huán)節(jié)的智能化以及工作效率提出了更高要求。然而，傳統(tǒng)機械設備如叉車或輸送帶等功能單一，難以適應貨物種類繁多、場景復雜多變的倉儲環(huán)境，主要存在著搬運效率低、靈活性不足、環(huán)境適應性差等局限性。

2、近年來，隨著人工智能、深度學習及機器人技術的興起，深度視覺技術逐漸應用于物流領域，為倉儲運輸?shù)闹悄芑壧峁┝思夹g支持。特別是基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的圖像處理技術，能夠實現(xiàn)對物體種類、位置及擺放狀態(tài)的精準識別，為實現(xiàn)自主化、智能化的倉儲機器人提供了可能。此外，機電液一體化技術的進步也為倉儲機器人設備的小型化、集成化、多功能化創(chuàng)造了條件。

3、然而，目前市場上現(xiàn)有的智能倉儲設備大多存在以下不足：（1）視覺處理方面，存在著識別精度不足、算法適應性差等問題，特別是在復雜背景下對貨物分割和識別的準確性有待提升；（2）機構設計方面，現(xiàn)有設備在結構設計上未能充分考慮多任務操作需求，部分機械裝置的設計靈活性不足，導致機械設備功能單一，協(xié)同度較差，影響了整體效率與適用性；（3）運動控制方面，路徑規(guī)劃和避障能力尚未達到高度自動化水平，底層運動算法設計的精準度存在不足，限制了設備的穩(wěn)定性和靈活性；（4）硬件集成方面，缺乏對多功能協(xié)同操作的有效設計，例如液壓系統(tǒng)和抓取裝置的集成控制能力有限，無法滿足精細化、復雜化的操作需求。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種基于深度機器視覺技術的倉儲搬運機器人及搬運方法，該種倉儲搬運機器人具備深度視覺處理、自動一體化取物、搬運功能于一體，通過集成傳感器、全向移動、控制系統(tǒng)，能夠高效、準確地完成倉儲任務，對于智能倉儲的實現(xiàn)具有積極作用。

2、為解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案：一種基于深度機器視覺技術的倉儲搬運機器人，包括車架，所述車架自下而上依次設置有全向底盤裝置、剪式升降運料裝置和水平推進裝置，所述水平推進裝置上設置有豎向起重裝置，所述豎向起重裝置上安裝有機械爪，在車架上還固定有機械系統(tǒng)控制模塊、機器視覺識別模塊及多傳感器協(xié)同模塊。

3、優(yōu)選的，所述車架由多根高強度鋁合金型材和直角型材連接件搭建而成，車架是該倉儲搬運機器人的主體框架結構，其余的部件均需固定在車架上。

4、優(yōu)選的，所述機器視覺識別模塊使用openmv?4plus智能視覺攝像頭，其識別任務主要為二維碼識別、顏色識別、不同物體輪廓識別等，二維碼識別和顏色識別任務可以直接調用openmv開源的相關程序進行測試，而針對于不同的物體的識別需要使用機器學習的方法，利用攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)后，進行預處理，然后通過訓練好的模型對圖像進行推理，最終輸出物體類別。

5、所述全向底盤裝置位于車架的最下方，包括全向輪和驅動全向輪的底盤電機，其可以使倉儲搬運機器人在地面上自由運動，是機器人的動力驅動機構。

6、優(yōu)選的，所述全向底盤裝置包括分列在兩側的四個麥克納姆輪及驅動每個麥克納姆輪的底盤電機，所述麥克納姆輪通過聯(lián)軸器與底盤電機連接，所述底盤電機為直流編碼電機，所述麥克納姆輪通過雙彈簧懸掛減震機構固定在車架上。

7、更優(yōu)選的，所述第一控制器通過pid閉環(huán)控制算法配合調節(jié)底盤電機驅動器的pwm脈沖占空比的方式來調節(jié)底盤電機的轉速，底盤電機為直流編碼電機，其中編碼器實時檢測電機的實際轉速?y(t)，并將其與程序中設定的目標轉速r(t)進行比較，得到轉速誤差?e(t)=r(t)?y(t)。然后，pid控制器根據(jù)誤差計算出調整值?u(t)，其公式為：

8、（1），

9、其中，kp、ki和kd分別為比例、積分、微分系數(shù)，pid控制器根據(jù)實時誤差計算調整量u(t)，用于改變pwm信號的占空比，進而調節(jié)驅動器的輸出電壓，實現(xiàn)對電機轉速的動態(tài)控制。

10、在全向底盤裝置的上方設置有剪式升降運料裝置，所述剪式升降運料裝置將貨物升降至合適高度并運送，其包括剪式支架，在剪式支架上方設置有置物傳送帶機構，所述剪式支架的底部固定在全向底盤裝置上。

11、優(yōu)選的，所述剪式升降運料裝置的剪式支架為液壓剪式支架，由液壓傳動系統(tǒng)驅動。

12、剪式升降運料裝置可以承載貨物，便于上下升降調節(jié)，實現(xiàn)將目標貨物放置到指定貨柜高度的目的，然后利用其上方的置物傳送帶機構將目標貨物水平運送至指定貨柜內。

13、在車架最上方設置有水平推進裝置，所述水平推進裝置實現(xiàn)水平方向的前后移動，其包括兩個互相平行的水平滑軌及在水平滑軌上移動的水平滑塊，所述水平滑塊由水平電機通過水平齒輪齒條機構驅動，在水平滑塊之間設置有承載板，所述承載板上設置有豎向起重裝置。

14、優(yōu)選的，所述水平推進裝置的2個水平電機為步進電機，所述水平電機與水平齒輪齒條機構的直齒輪連接，將水平電機的定軸轉動轉換為水平齒輪齒條機構的齒條進行直線運動；所述水平滑塊固定在水平齒輪齒條機構的齒條上并在其帶動下，在水平滑軌內前后移動；2個水平滑塊之間連接固定有一承載板，所述承載板由碳纖維材料制成。

15、所述豎向起重裝置實現(xiàn)豎直方向的上下移動，其包括豎向電機及與豎向電機配合的豎向齒輪齒條機構，在豎向齒輪齒條機構上固定安裝有豎向導軌滑塊機構，在豎向導軌滑塊機構上設置有機器視覺識別模塊，在豎向齒輪齒條機構朝向地面的末端固定連接有機械爪。

16、優(yōu)選的，所述豎向起重裝置的豎向電機為直流電機，所述豎向電機固定安裝在承載板上，所述豎向電機與豎向齒輪齒條機構的直齒輪連接，將豎向電機的定軸轉動轉換為豎向齒輪齒條機構的齒條往復平動；所述豎向導軌滑塊機構安裝在豎向齒輪齒條機構的齒條上，實現(xiàn)起升和下降；所述光電傳感器固定在豎向齒輪齒條機構上，并跟隨上下運動。

17、水平推進裝置和豎向起重裝置為取貨階段使用，到達目標取貨區(qū)域之后，水平推進裝置首先水平前后移動，將豎向起重裝置的水平位置調整至合適位置，然后豎向起重裝置在該水平位置處升降運動至合適豎直位置，便于取貨。

18、所述機器視覺識別模塊識別貨物型號及監(jiān)測機器周圍的環(huán)境信息，其通過識別結構固定件固定在承載板下方。

19、所述多傳感器協(xié)同模塊包括灰度傳感器、超聲波傳感器、激光雷達傳感器和光電傳感器，所述灰度傳感器用于識別地面標識，其固定安裝在全向底盤裝置上；所述超聲波傳感器用于測量與貨物之間的距離，其通過超聲結構固定件安裝在機械爪上方；所述激光雷達傳感器用于感知周圍的工作環(huán)境，其固定安裝在全向底盤裝置上；所述光電傳感器用于識別貨物信息，其固定安裝在豎向齒輪齒條機構上。

20、優(yōu)選的，所述多傳感器協(xié)同模塊包括4個五路灰度傳感器，其通過灰度支架固定在全向底盤裝置朝向前進方向的車架上；所述超聲波傳感器包括2個，其通過超聲結構固定件安裝在機械爪上方；所述激光雷達傳感器包括1個，所述光電傳感器包括1個。

21、所述機械系統(tǒng)控制模塊是整個機器自主運行的控制核心，包括第一控制器和第二控制器，所述第一控制器與全向底盤裝置、剪式升降運料裝置、多傳感器協(xié)同模塊電連接，所述第二控制器與水平推進裝置、豎向起重裝置、機器視覺識別模塊、多傳感器協(xié)同模塊及機械爪電連接，所述第一控制器與第二控制器電連接且第一控制器控制第二控制器。

22、優(yōu)選的，所述第一控制器采用arduino?mega2560單片機，所述第二控制器采用arduino?uno單片機。

23、所述機械系統(tǒng)控制模塊中的第一控制器、多傳感器協(xié)同模塊中的激光雷達傳感器和灰度傳感器固定安裝在全向底盤裝置的車架上，且灰度傳感器安裝于面向行進方向的車架上。

24、利用該倉儲搬運機器人的搬運方法，包括以下步驟：

25、s1：倉儲搬運機器人位于起始位置，安裝好電源后啟動設備；

26、s2：機械系統(tǒng)控制模塊中的第一控制器向全向底盤裝置發(fā)出指令，倉儲搬運機器人前往任務區(qū)域獲取任務碼，到達任務區(qū)域后機械系統(tǒng)控制模塊中的第二控制器向機器視覺識別模塊發(fā)出指令，使其掃描給定的任務二維碼，第二控制器向第一控制器反饋信息指令，第一控制器分析后獲知工作任務；

27、s3：第一控制器向多傳感器協(xié)同模塊中的激光雷達傳感器發(fā)出指令，使其感知并反饋周圍的工作環(huán)境，第一控制器規(guī)劃前往目標取貨區(qū)域的最佳路徑；

28、s4：第一控制器向多傳感器協(xié)同模塊中的灰度傳感器發(fā)出指令，使其識別并反饋地面標識引導線，第一控制器向全向底盤裝置發(fā)出指令，使其沿地面標識引導線前往目標取貨區(qū)域；

29、s5：倉儲搬運機器人到達目標取貨區(qū)域后，第二控制器向機器視覺識別模塊發(fā)出指令進行掃碼檢測，識別是否是待取貨物；若識別結果是待取貨物，則第二控制器向第一控制器反饋信息信號，第一控制器向多傳感器協(xié)同模塊中的超聲波傳感器發(fā)出指令，超聲波傳感器反饋距離信號，第一控制器根據(jù)距離的遠近控制全向底盤裝置前進或后退，直至倉儲搬運機器人距離待取貨物在有效范圍內；若識別結果是空或者是該貨物不是任務貨物，則反饋至第一控制器，第一控制器控制倉儲搬運機器人前往下一取物點再次進行掃碼檢測；

30、s6：倉儲搬運機器人距離待取貨物在有效范圍內之后，第一控制器向第二控制器發(fā)出指令，第二控制器控制水平推進裝置進行工作，通過水平電機的轉動，使水平齒輪齒條機構和水平導軌滑塊機構發(fā)生機械傳動，直至水平推進裝置將水平導軌滑塊機構上方的承載板推送至待取貨物正上方；隨后第一控制器向第二控制器發(fā)出指令，第二控制器控制豎向起重裝置進行工作，通過豎向電機的轉動，使豎向齒輪齒條機構和豎向導軌滑塊機構發(fā)生機械傳動，直至位于豎向起重裝置末端的機械爪移動至距離待取貨物的有效范圍內；第一控制器向第二控制器發(fā)出指令，第二控制器向機械爪發(fā)出指令，機械爪夾取貨物，并將其放置在剪式升降運料裝置的置物傳送帶機構上，動作完成后反饋信號；

31、s7：第一控制器收到置物完成信號后，向全向底盤裝置發(fā)出指令，倉儲搬運機器人前往存貨區(qū)域，到達指定存貨區(qū)域后，第一控制器向剪式升降運料裝置發(fā)出指令，剪式升降運料裝置中的剪式支架在液壓傳動系統(tǒng)驅動下上升或下降，直至剪式升降運料裝置上的置物傳送帶機構高度與待放貨柜位置的高度一致，第一控制器向置物傳送帶機構發(fā)出指令，使置物傳送帶機構傳動將貨物傳送至待放貨柜之中，動作完成后反饋信號；

32、s8：第一控制器收到貨物存放完成信號后，向全向底盤裝置發(fā)出指令，倉儲搬運機器人返回起始位置，準備下一輪工作。

33、本發(fā)明包括取貨及存貨兩個階段，通過機器視覺識別模塊和各傳感器可以實現(xiàn)在復雜背景下對貨物分割和識別的準確性，全向底盤裝置采用全向輪可以實現(xiàn)全向移動，實現(xiàn)貨物的取出及有序存放，有益效果在于：

34、（1）智能機電液一體化系統(tǒng)：綜合運用機械設計、電工電子技術、單片機技術、液壓傳動控制等多學科知識，將機械結構、液壓系統(tǒng)和機電控制相互結合，實現(xiàn)對貨物的識別、起重、運輸及分揀自動一體化，極大提升了機器的自動化和智能化水平；

35、（2）機械系統(tǒng)創(chuàng)新設計：將工程力學、機械原理、機械振動、工程機械底盤設計、工程材料、機械制造等學科知識與機械創(chuàng)新設計理念相結合，創(chuàng)新性地設計了機器人底盤的行走系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)、材料選擇等方案，實現(xiàn)了機器人系統(tǒng)設計的全面創(chuàng)新，確保了機器人在復雜環(huán)境中的高效穩(wěn)定運行；

36、（3）現(xiàn)代控制先進算法：結合了機械控制工程、自動控制原理、機器人設計、無人駕駛技術、工業(yè)傳感器和計算機視覺等領域相關知識，通過先進的控制算法實現(xiàn)了機器人的精確控制，并能對各類貨物進行深度識別與分類。使得機器人能夠在動態(tài)、復雜的倉儲環(huán)境中高效執(zhí)行任務。