申请/专利权人：顺丰科技有限公司

申请日：2018-04-02

公开（公告）日：2024-04-16

公开（公告）号：CN108381559B

主分类号：B25J11/00

分类号：B25J11/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.16#授权;2018.09.04#实质审查的生效;2018.08.10#公开

摘要：本申请公开了一种理件机械臂、理件机器人及其控制方法，包括左右对称的理件机械臂，所述机械臂由三个直角移动单元及腕部机构组成，所述控制方法包括单臂移动及旋转控制、双臂翻转协作控制、多机器人任务分配及调度方法。根据本申请实施例提供的技术方案，在传输带上方通过龙门机构布置一组或多组理件机器人，对传输带上的快递进行旋转、平移以及特定面的翻转等操作。本专利空间紧凑、运动控制解耦，且与传输带等配合度较高、可快速部署的理件机器人及控制方法。

主权项：1.一种理件机械臂，其特征在于，包括第一移动单元，所述第一移动单元上滑动连接有第二移动单元，所述第二移动单元的滑动方向与所述第一移动单元的滑动方向垂直，所述第二移动单元上连接有第三移动单元，所述第三移动单元为可伸缩滑杆，所述第三移动单元的运动方向与所述第二移动单元及所述第一移动单元的滑动方向均垂直；所述第三移动单元的滑动端连接有第一旋转单元，所述第一旋转单元的旋转轴与所述第三移动单元重合，所述第一旋转单元上转动连接有第二旋转单元，所述第二旋转单元的旋转轴与所述第一旋转单元的旋转轴垂直，所述第二旋转单元上转动连接有第三旋转单元，所述第三旋转单元的旋转轴与所述第二旋转单元的旋转轴垂直；所述第二移动单元的运动方向和所述第一移动单元的运动方向与快递运行平面平行。

全文数据：理件机械臂、理件机器人及其控制方法技术领域[0001]本公开一般涉及快递领域，尤其涉及理件机械臂、理件机器人及其控制方法。背景技术[0002]物流分拣领域中，通过人工或机器人将快件翻转使得特定面朝上，依次放置于传输带上，然后通过高速扫码及自动化分拣设备。机器人辅助快递理件操作，具体地包括快件的水平搬运、水平面内旋转操作、特定面上的翻转操作等。[0003]现有技术中，理件操作多采用工业机器臂，不仅空间大，现场配置复杂；理论上工业机器臂能够适应快件搬运、旋转以及垂直于抓取面的翻转操作，但不能实现平行于抓取面的翻转操作；串联型机械臂对于负载较敏感，不同业务场景需根据负载区间配置不同型号的机械臂，现场扩展及适应性不够;工业机械臂旋转及平移运动耦合，客观上增加了控制难度。发明内容[0004]鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种理件机械臂、理件机器人及其控制方法。[0005]第一方面，提供一种理件机械臂，包括第一移动单元，所述第一移动单元上滑动连接有第二移动单元，所述第二移动单元的滑动方向与所述第一移动单元的滑动方向垂直，所述第二移动单元上连接有第三移动单元，所述第三移动单元为可伸缩滑杆，所述第三移动单元的运动方向与所述第二移动单元及所述第一移动单元的滑动方向均垂直；[0006]所述第三移动单元的滑动端连接有第一旋转单元，所述第一旋转单元的旋转轴与所述第三移动单元重合，所述第一旋转单元上转动连接有第二旋转单元，所述第二旋转单元的旋转轴与所述第一旋转单元的旋转轴垂直，所述第二旋转单元上转动连接有第三旋转单元，所述第三旋转单元的旋转轴与所述第二旋转单元的旋转轴垂直。[0007]第二方面，提供一种理件机器人，包括上述的两个理件机械臂，两个理件所述机械臂的第三移动单元相互平行设置。[0008]第三方面，提供一种理件机器人控制方法，包括步骤：[0009]扫描传输带上的快递，确定该快递的当前状态，所述当前状态为Stl=[Rtl，ptl，dtl，S]，其中1为快件相对于参考坐标的旋转矩阵，Pt1为快件几何中心相对于参考坐标系的位置适量，dtl为描述快件长度、宽度、高度的偏移矢量，S为快件类别；[0010]根据该快递的目标状态和当前状态的映射关系确定理件机器人的任务序列。[0011]根据本申请实施例提供的技术方案，通过在一个理件机械臂上设置三个方向的直角关节和三个角度的腕部关节，并且可以两个理件机械臂协同进行操作，对传输带上的快递进行旋转、平移以及特定面的翻转等操作，专门针对快递理件进行操作，结构紧凑并且对于快递的操作动作更多；进一步的通过扫描快递的状态确定需要进行的操作，根据快递的状态进行任务规划，判断需要的理件机械臂以及理件机器人的数量，动态调整理件机器人的状态以满足快递调整的需求，对快递调整的适应性更强。附图说明[0012]通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：[0013]图1为本发明实施例中理件机械臂结构示意图；[0014]图2为本发明实施例中理件机器人结构示意图；[0015]图3为本发明实施例中单个理件机器人控制方法流程图；[0016]图4为本发明实施例中对一类快递进行操作前后状态图；[0017]图5为本发明实施例中对另一类快递进行操作前后状态图；[0018]图6为本发明实施例中多个理件机器人工作结构示意图；[0019]图7为本发明实施例中多个理件机器人控制框图；[0020]图8为本发明实施例中多个理件机器人控制方法流程图。具体实施方式[0021]下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。[0022]需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。[0023]请参考图1，本发明实施例提供一种理件机械臂，包括第一移动单元11，所述第一移动单元11上滑动连接有第二移动单元12,所述第二移动单元12的滑动方向与所述第一移动单元11的滑动方向垂直，所述第二移动单元12上连接有第三移动单元13,所述第三移动单元13为可伸缩滑杆，所述第三移动单元13的运动方向与所述第二移动单元12及所述第一移动单元11的滑动方向均垂直；[0024]所述第三移动单元13的滑动端连接有第一旋转单元14,所述第一旋转单元14的旋转轴与所述第三移动单元13重合，所述第一旋转单元14上转动连接有第二旋转单元15,所述第二旋转单元15的旋转轴与所述第一旋转单元14的旋转轴垂直，所述第二旋转单元15上转动连接有第三旋转单元16,所述第三旋转单元16的旋转轴与所述第二旋转单元15的旋转轴垂直。[0025]本实施例中提供的理件机械臂上设置了三个方向的直角关节，通过设置第一移动单元、第二移动单元和第三移动单元实现平行于抓取面的操作，另外通过设置第一旋转单元、第二旋转单元和第三旋转单元这三个角度的腕部关节，并且与三个方向的直角关节串联，另外还能实现平行与抓取面的翻转操作。[0026]进一步的，所述第三旋转单元16上安装有吸附装置18,所述吸附装置18与所述第三旋转单元16之间设有压力传感器19。本实施例中在第三旋转单元一端安装了吸附装置，能够实现对快递的吸附，使得理件机械臂在控制快递进行翻转等操作的时候快递不会轻易掉落造成操作失误等情况的发生，吸附装置可以为吸盘类的结构，同时该理件机械臂通过设置吸盘能够轻易的对轻薄型的快递例如信封、软包装物品等进行翻转操作。此外，在第三旋转单元和吸附装置之间还设置有压力传感器，当两个理件机械臂协同作用进行快递的翻转等操作时，通过设置的压力传感器进行理件机械臂施加给快递的力的检测，以及通过比较压力传感器检测到的压力大小对快递的位置是否产生偏移进行检测，以便于进行调节；此外，为了便于理件机械臂通过压力传感器对压力大小进行检测，同时也防止吸附装置对压力传感器造成影响，在吸附装置和压力传感器之间设置基板17,将吸附装置设置在该基板17上，使得各个单元之间相互作用不会有影响。[0027]进一步的，所述第二移动单元12的运动方向和所述第一移动单元11的运动方向与快递运行平面平行。本实施例中通过将直角关节和腕部关节串联实现对快递状态的调节，其中具体的第一移动单元运动方向为平行于传输带，且沿传输带运行方向设置，第二移动单元运动方向平行于传输带，与传输带运行方向垂直设置，第三移动单元与上述两个移动单元垂直，即与传输带垂直设置，且第三移动单元设置在第二移动单元和传输带之间，并且第三移动单元设置为可伸缩结构，其未连接的一端可靠近或者远离传送带进行操作实现操作部位的上下移动。另外，本实施例中的第一旋转单元带动第二旋转单元和第三旋转单元绕第三移动单元旋转，第二旋转单元带动第三旋转单元绕平行于第一移动单元的轴旋转，第三旋转单元绕平行于第二移动单元的轴旋转，实现三个角度调节，满足了对于快递调节的需求。[0028]如图2所示，本发明实施例还提供了一种理件机器人，包括上述的两个理件机械臂1、2,两个所述理件机械臂的第三移动单元相互平行设置。本实施例提供的理件机器人包括有两个理件机械臂，当遇到的快递有超过两个操作面并且需要进行翻转操作时，需要两个理件机械臂协同进行操作;第三单元平行设置，两个腕部关节相对实现快递的翻转等操作。[0029]进一步的，还包括龙门架，所述龙门架包括设置在传输带5两侧的第一架体3和第二架体4,两个所述理件机械臂的第二移动单元均设置在所述第一架体3与所述第二架体4之间。本实施例中将两个理件机械臂安装在传输带两侧的龙门架上实现固定，安装好的两个理件机械臂均位于传送带正上方实现对快递的操作，同时也能实现对快递路径的控制，使得快递在传送带上沿一定路径移动，便于控制。[0030]进一步的，两个所述理件机械臂的第二移动单元一体连接。本实施例中将两个理件机械臂的第二移动单元一体连接进行设置，例如两个理件机械臂的第一移动单元和第三移动单元安装在同一第二移动单元上，采用一根横梁进行设置，一方面节约资源，另一方面两个理件机械臂的第二移动单元上的运行轨道相同，使得两个理件机械臂对快递进行平移或者翻转等操作的时候更加稳定。[0031]下面给出不同的快递结构进行理件调节所需的步骤，如图4和图5所示，提供了两种快递对象，例如图4所示的纸箱等硬包装快件，具有三对操作面，可记为0①，©②，®③，相对的面序号相同，简记为A类;图5所示的信封、软包装类的包裹只有两个操作面，可记为⑬①，简记为B类。对于A类快递对象而言，任意面的翻转操作至少需要两次旋转操作，（a为初始状态，使侧面0朝上需经过两次翻转操作，第一理件机械臂由面.吸起快件，第二旋转单元旋转90度后到状态b，第二理件机械臂由③接触该快件，作用力与第一理件机械臂大小相等、方向相反，然后两个理件机械臂第三旋转单元同时旋转90度使0朝上到达最终状态c。对于B类快递对象而言，（d为B类快件的初始状态，0朝上，不同的是第一理件机械臂由①面锁定快件状态e，然后该理件机械臂的第二旋转单元转动90度使①朝上，至此B类快件翻转操作完成到达最终状态f。[0032]如图3所示，本发明实施例还提供一种理件机器人控制方法，包括步骤:扫描传输带上的快递，确定该快递的当前状态，所述当前状态为Sti=[Rti，pti，dti，s]，其中Rti为快件相对于参考坐标的旋转矩阵，Pt1为快件几何中心相对于参考坐标系的位置适量，dtl为描述快件长度、宽度、高度的偏移矢量，s为快件类别；[0033]根据该快递的目标状态和当前状态的映射关系确定理件机器人的任务序列。[0034]本实施例中的控制方法首先通过扫描装置扫描当前快递的状态，根据当前的状态计算出达到目标状态所需的操作即任务序列，理件机器人根据任务序列进行操作，直至快递到达目标状态，目标状态为St2=[Rt2，Pt2，dtl，S]，其中包括快件调整后相对于参考坐标的旋转矩阵，调整后快件几何中心相对于参考坐标系的位置适量，后面两个参数保持不变。任务序列用参数sequence表不，sequence=[actiom:k]，actionkGAction，其中，[0035][0036]上述公式中η=I，2，表示不同的理件机械臂，[0037]其中#为空操作；[0038]transn，DIR，d，第η个理件机械臂沿方向DIR平移距离d;[0039]rotn，DIR，0，第n个理件机械臂绕方向DIR旋转角度Θ;[0040]dual_transDIR，d，两个理件机械臂沿方向DIR同步移动距离d，同时保持工具坐标系相对静止；[0041]dual_rotDIR，0，两个理件机械臂工具坐标系绕方向DIR同步旋转角度Θ，同时保持工具坐标系相对静止；[0042]dual_exchangenl，n2，P0S，DIR，理件机械臂m将物品在位置P0S、沿方向DIR转交给理件机械臂Π2。[0043]其中快递在传输带上以一定的速率向前移动，因此安装在龙门架上的两个理件机械臂也以相同的速率沿第一移动单元向前移动，保证理件机械臂与需要调节的快递之间保持相对静止的状态，便于进行快递状态的调整。[0044]进一步的，确定理件机器人的任务序列具体包括:确定该快递达到目标状态所需的理件机械臂数量；[0045]若所需的理件机械臂数量为1，则确定一个理件机械臂各个移动单元和旋转单元的运动轨迹；[0046]若所需的理件机械臂数量为2,则确定一个理件机器人中的两个理件机械臂各个移动单元和旋转单元的运动轨迹。本实施例中需要对理件机械臂的操作步骤进行规划，首先需要确定需要的理件机械臂数量，不同的快递，相同类型的快递不同的操作需要的理件机械臂数量都不相同，随后再确定不同的理件机械臂中各个单元的运动轨迹即具体操作，生成的任务序列中至少包括所需的理件机械臂的数量以及每个理件机械臂所需的操作，每个理件机械臂所需的操作至少包括六个参数，即第一移动单元、第二移动单元、第三移动单元的移动距离，以及第一旋转单元、第二旋转单元、第三旋转单元的旋转角度。[0047]进一步的，若确定所需理件机械臂数量为2,则两个理件机械臂的压力传感器分别进行压力检测，若检测的压力值不同，则两个理件机械臂根据压力差值对快递进行位置调整。在快递理件过程中需要两个理件机械臂协同进行操作时，两个理件机械臂上的压力传感器分别进行压力的检测，通过比较两个压力传感器的数值对快递的位置进行判断，若快递位置发生偏移，则通过对应的理件机械臂进行位置的调整补偿。[0048]本实施例中通过对快递的初始状态进行判断和所需操作的计算，能够动态调整理件机器人的状态满足所需的条件，实现对快递的快速理件。[0049]进一步的，还包括:检测单个理件机器人单位小时的理件速率和传输带上单位小时的到件率，若所述单个理件机器人理件速率大于所述传输带到件率，则提高传输带运行速率以匹配所述理件机器人理件速率；[0050]若所述单个理件机器人理件速率小于带动传输带到件率，则降低所述传输带运行速率以匹配所述理件机器人理件速率，或者控制沿所述传输带运行方向设置的多个理件机器人协作理件。本实施例中还对快递输送的速率和机器人理件的速率进行监控和检测进行流量的控制，使得两者速度相匹配，使得理件机器人的负载较为平衡，对于理件机器人的控制更为合理。若单个理件机器人的理件速率较快，则通过提高传输带的运行速率使得两者的速度进行匹配，相反的情况可以通过降低传输带运行速率或者增加理件机器人的数量进行两者速度的匹配，多个理件机器人工作示意图如图6所示，多个理件机器人沿传输带运行方向串行排列，具有较强的扩展性，根据现场实际情况进行数量的选择任务规划，能够更好的适应传输带上不同的工作量，控制框图如图7所示，其中传输带上设置的理件机器人的数量可以根据实际情况决定，不同的应用场景设置不同数量的理件机器人，设单个机器人单位小时处理快件M个，传输带单位小时上件量为P个，则可以沿传输带运行方向设置N个机器人，通过对N个机器人进行任务分配以及整体流量控制，使得N*M=P，同时也可以调节传输带的传输速率，使得调控后的上件速率P’〈=N*M。[0051]上述的A类快递，进行任务序列的计算并通过理件机器人进行操作，形成的任务序列为sequence_A=[transI，x，dl，rotI，z，90，dual_roty，90，dual_exchange1，2，P0S，y，trans2，x，d2]需要通过两个理件机械臂协同进行操作;上述的B类快递形成的任务序列为sequence_B=[transI,X，dl，rotI，z，90，dual_exchange1，2，P0S，y，rot2,z,90,trans2,x,d2]〇[0052]当在传输带两侧设置多个理件机器人进行理件操作时，需要将该多个理件机器人的操作进行理件任务规划，使得多个理件机器人协作理件，如图8所示，给出了一种多个理件机器人协作控制的流程图，其中对多个理件机器人进行控制的方法和模式有多种多样，图8仅给出了其中一种方式，对传输带上快递的状态进行检测后，对多个理件机器人进行任务规划Task[k]，查询第η个理件机器人当前任务剩余时间tn，下一任务就绪时间tnp;[0053]itn〈tnp，往可分配理件机器人序列List添加机器人η;[0054]当tnptn，从可分配理件机器人序列List删除机器人η;[0055]当List为空时，调节上件速率，使得Ρ’Ν*Μ;[0056]当List非空时，将任务Task[k]分配给List[0]所对应的理件机器人，并删除当前元素。[0057]本发明提供的理件机械臂和理件机器人对传输带上的快递进行旋转、平移以及特定面的翻转等操作，专门针对快递理件进行操作，结构紧凑并且对于快递的操作动作更多。[0058]以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的但不限于具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

权利要求：1.一种理件机械臂，其特征在于，包括第一移动单元，所述第一移动单元上滑动连接有第二移动单元，所述第二移动单元的滑动方向与所述第一移动单元的滑动方向垂直，所述第二移动单元上连接有第三移动单元，所述第三移动单元为可伸缩滑杆，所述第三移动单元的运动方向与所述第二移动单元及所述第一移动单元的滑动方向均垂直；所述第三移动单元的滑动端连接有第一旋转单元，所述第一旋转单元的旋转轴与所述第三移动单元重合，所述第一旋转单元上转动连接有第二旋转单元，所述第二旋转单元的旋转轴与所述第一旋转单元的旋转轴垂直，所述第二旋转单元上转动连接有第三旋转单元，所述第三旋转单元的旋转轴与所述第二旋转单元的旋转轴垂直。2.根据权利要求1所述的理件机械臂，其特征在于，所述第三旋转单元上安装有吸附装置，所述吸附装置与所述第三旋转单元之间设有压力传感器。3.根据权利要求1所述的理件机械臂，其特征在于，所述第二移动单元的运动方向和所述第一移动单元的运动方向与快递运行平面平行。4.一种理件机器人，其特征在于，包括1-3任一所述的两个理件机械臂，两个所述理件机械臂的第三移动单元相互平行设置。5.根据权利要求4所述的理件机器人，其特征在于，还包括龙门架，所述龙门架包括设置在传输带两侧的第一架体和第二架体，两个所述理件机械臂的第二移动单元均设置在所述第一架体与所述第二架体之间。6.根据权利要求4所述的理件机器人，其特征在于，两个所述理件机械臂的第二移动单元一体连接。7.—种理件机器人控制方法，其特征在于，包括步骤：扫描传输带上的快递，确定该快递的当前状态，所述当前状态为Sti=[Rti，pti，dti，s]，其中RtlS快件相对于参考坐标的旋转矩阵，Pt1为快件几何中心相对于参考坐标系的位置适量，dtl为描述快件长度、宽度、高度的偏移矢量，s为快件类别；根据该快递的目标状态和当前状态的映射关系确定理件机器人的任务序列。8.根据权利要求7所述的理件机器人控制方法，其特征在于，确定理件机器人的任务序列具体包括:确定该快递达到目标状态所需的理件机械臂数量；若所需的理件机械臂数量为1，则确定一个理件机械臂各个移动单元和旋转单元的运动轨迹；若所需的理件机械臂数量为2,则确定一个理件机器人中的两个理件机械臂各个移动单元和旋转单元的运动轨迹。9.根据权利要求7所述的理件机器人控制方法，其特征在于，若确定所需理件机械臂数量为2,则两个理件机械臂的压力传感器分别进行压力检测，若检测的压力值不同，则两个理件机械臂根据压力差值对快递进行位置调整。10.根据权利要求7所述的理件机器人控制方法，其特征在于，还包括:检测单个理件机器人单位小时的理件速率和传输带上单位小时的到件率，若所述单个理件机器人理件速率大于所述传输带到件率，则提高传输带运行速率以匹配所述理件机器人理件速率；若所述单个理件机器人理件速率小于带动传输带到件率，则降低所述传输带运行速率以匹配所述理件机器人理件速率，或者控制沿所述传输带运行方向设置的多个理件机器人协作理件。

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