CN109732592A - 一种无人搬运智能机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明的技术方案包括一种无人搬运智能机器人控制系统，用于实现：中央处理单元，用于接收外部环境传感器发送的信号根据预设的行为模式执行任务，以及根据外部指令接收器发回的任务指令执行对应任务；外部环境传感器，用于采集外部环境信息，并返回给中央处理单元；驱动器，用于根据中央处理单元发送的指令驱动机器人执行对应动作；无线通信模块，用于与移动设备和/或计算机建立通信连接，并将通信内容发送给中央处理单元；外部指令接收器，用于接任务指令并发送给中央处理单元。本发明的有益效果为：可以实现多信息的采集，也能实现人机信息的交互与控制，方便人为的控制，高效的完成指定区域的货物搬运操作，降低了人们的工作强度。

Description

一种无人搬运智能机器人控制系统

技术领域

本发明涉及一种无人搬运智能机器人控制系统，属于机器人控制领域。

背景技术

随着社会生产力的快速提升，物品加工生产效率提高，物流业也得到的快速发展，在人们进行相应的货物搬运过程中，大量的货物使得搬运工人十分劳累，也就会使得相应的工作效率降低，而一些搬运过程都是在指定区域内进行来回运转；如何完成指定区域的货物搬运操作，降低人们的工作强度，成为需要解决的问题。，随着近几年“网购”的兴起，我国电子商务行业迎来了飞速的发展，因此，电子商务对物流的要求也不断的提高。物流的自动化、智能化将是电商行业发展的关键。目前，很多物流公司还是采用人工搬运模式，但是这样的模式不仅需要投入很多的人力，成本高，而且效率低，很容易出错，准确率低，智能化低，很难满足现在电商的要求，同时随着现代工业技术不断发展，以前由人力完成的零部件或成品的搬运工作已经逐步由搬运机器人代替完成，提高了企业的生产效率。在自动化生产线上下料作业中，特别是在有毒有害、易燃易爆等恶劣环境内，搬运机器人得到了广泛的应用。自动搬运机器人不但要准确识别被搬运的物体，还要精确控制机械手与物体的接触力，防止损坏待运的物体。这类应用对控制系统提出了更高的要求。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种无人搬运智能机器人控制系统，包括中央处理单元，用于接收外部环境传感器发送的信号根据预设的行为模式执行任务，以及根据外部指令接收器发回的任务指令执行对应任务；外部环境传感器，用于采集外部环境信息，并返回给中央处理单元；驱动器，用于根据中央处理单元发送的指令驱动机器人执行对应动作；无线通信模块，用于与移动设备和/或计算机建立通信连接，并将通信内容发送给中央处理单元；外部指令接收器，用于接任务指令并发送给中央处理单元。

本发明解决其问题所采用的技术方案是：一种无人搬运智能机器人控制系统，其特征在于，包括：中央处理单元，用于接收外部环境传感器发送的信号根据预设的行为模式执行任务，以及根据外部指令接收器发回的任务指令执行对应任务；外部环境传感器，用于采集外部环境信息，并返回给中央处理单元，其中外部环境信息包括，机器人对环境物体的压力、机器人与环境物体的距离以及外部环境光照信息；驱动器，用于根据中央处理单元发送的指令驱动机器人执行对应动作，其中对应动作包括但不限于移动、驱动机器臂、转向以及休眠；无线通信模块，用于与移动设备和/或计算机建立通信连接，并将通信内容发送给中央处理单元；外部指令接收器，用于接任务指令并发送给中央处理单元。

进一步的，所述外部环境传感器还包括：压力传感器，用于测量机械臂与被搬运物体之间的压力，检测抓取物体的力度；激光传感器，用于以一定半径和一定角度的扫描范围向周围发送探测激光，用于测量机器人与一定范围内的外部环境物体的距离；光线传感器，用于采集外部环境的光照信息。

进一步的，所述外部环境传感器还包括地面传感器，安装在机器人底部，用于做地面环境检测。

进一步的，还包括任务指令存储器，用于预先存储多个任务指令列表，机器人运行时安装存储的任务列表执行对应任务，其中中央处理器用于读取存储的任务指令列表并执行解码解读操作，根据任务内容向驱动器发送对应驱动指令。

进一步的，所述中央处理单元还包括：模拟信号处理单元，用于将采集到的模拟信号量进行转换供中央处理单元分析处理；数字信号处理单元，用于将采集到的数字信号量进行转换供中央处理单元分析处理。

进一步的，还包括：二维码生成模块，用于生成与本机器人信息绑定的唯一二维码信息，提供给移动终端进行扫描，移动终端扫描后将绑定信息通过网络发回给无线通信模块，并回传给中央处理单元；显示模块，用于显示二维码生成模块生成的二维码信息，供移动终端扫描。

进一步的，所述二维码生成模块还包括：DM码生成模块，用于生成DM标准的二维码；QR码生成模块，用于生成QR标准的二维码。

进一步的，还包括：位置定位传感器，用于在机器人活动区域中建立坐标系，定位机器人的位置，获取机器人的位置信息，并将采集的信息发送给中央处理单元，中央处理单元通过读取任务指令存储器中存储的任务列表，获取本次任务中机器人的预先行驶路径以及行为动作，通过获得的位置信息，对机器人行驶路径进行实时修正。

进一步的，所述外部环境传感器还包括声波传感器，用于向周围环境发送声波探测，根据声波返回的时间以及声波的传播速度信息，发送给中央处理单元进行处理，获得指定范围内的障碍物信息。

进一步的，还包括人机交互界面模块，用于创建编辑机器人的任务项目以及选择任务指令存储器中存储的任务列表，其中任务项目包括机器人工作的时间、工作区域、行为动作以及行为路径。

本发明的有益效果是：效率高、准确率高和智能化高，可以实现多信息的采集，也能实现人机信息的交互与控制，方便人为的控制，高效的完成指定区域的货物搬运操作，降低了人们的工作强度。

附图说明

图1所示为根据本发明较佳实施例的系统结构示意图；

图2所示为根据本发明较佳实施例的激光雷达扫描示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本文所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

参照图1，搬运机器人控制系统由中央处理单元、外部环境传感器、驱动器、无线通信模块、外部指令接收器构成。系统使用BECKHOFF的CXl030嵌入式控制器作为主控制器，内置Windows CE操作系统。TwinCAT PLC是BECKHOFF一种实时多任务PLC软件，支持IEC61131—3全部5种编程语言，最多可设16个PLC任务，本系统只用到其中一个软PLC的两个任务。控制器有RS232、EtherCAT接口，也可扩展其他形式的总线接口。

参照图2，据本发明较佳实施例的激光雷达扫描示意图，传感器系统选择rotoScanROD4PLUS激光雷达探测目标物体的外形和位置。该型雷达探测的扇形区域约190。扫描线间隔0＝0.36，探测距离约为50m。激光雷达每20ms扫描一次，扫描得到的数据包含有角度值和距离值，通过EtherCAT总线传输给主控制器。激光雷达只能检测机器人前方一定高度处的物体，无法检测地面的情况，因此在搬运机器人底盘的前后左右四个方向各布置一组光电传感器用作地面环境检测。光电传感器输出高电平为5V，经继电器转换为24V的开关信号后连接至数字量输入模块。由于机械加工和装配产生的误差，机器人在开环状态直线行走时会偏离预期方向，位置定位传感器，通过磁传感器中x轴和y轴同时感应的磁分量，计算出方位角度以及机器人在自建坐标中的横纵坐标位置，作为机器人的方向校准。

压力传感器，可以在机械臂机械手的四个手指内侧各安装一组压力应变片，用于检测抓取物体的力度，保证能抓稳物体的同时不会损坏物体。

驱动器，可以为器人底盘安装四个全向轮，四个AM3121直流伺服电机经减速机减速后直接与轮子连接。机器人手臂的升降和机械手的张合分别由AM3111直流伺服电机驱动。驱动电机的EL7201是一种模块化的伺服驱动器，速度环和位置环都使用PI控制器，电机响应速度快，遇负载扰动时可快速恢复稳定。用于升降的同步带和控制机械手的伺服电机都工作在位置模式，因此机器人手臂升降的高度和机械手的力度都可以达到较满意的控制精度。

机器人主要是直流电机的驱动，直流电机主要是用来作为车轮的驱动力，还控制机械臂的上升和下降，舵机主要是控制机械手抓取货物。通过人机交互界面，进行信息查看和功能设置。

无线通信模块，近则采用433MHz频段无线数据终端DTD433，远则选用GPRS透明传输数据终端DTP_S09F。所谓“近”，指3公里以内可以覆盖大多数厂矿；所谓“远”，是指通讯距离超过3公里，甚至跨越不同地域以及不同国家，好在中国移动网络已经覆盖了全球，所以距离不是问题。DTP_S09F与DTD433远近结合可以满足绝大部分无线测控的要求。

多台PLC之间的无线通信方案

多台西门子S7_200之间的无线MODBUS通信设计说明，具有设计说明及PLC主机和从机的程序。

多台三菱PLC之间的无线N：N通信设计，汇川PLC与三菱PLC方案一样。

两个台达PLC之间的MODBUS无线通信例程，程序源代码和设计说明。

无线PLC数据终端与无线MODBUS测控终端的连接应用

PLC与3公里以内4DI/4DO无线开关量终端DTD433H以及4AI/4AO无线模拟量终端DTD433F进行MODBUS协议无线通信，实现无线MODBUS传输。

触摸屏与PLC的无线通信方案

西门子200PLC和无线PLC数据终端与深圳步科触摸屏的无线通信；

威纶触摸屏与S7-200的无线PPI通信；

昆仑通态触摸屏MCGS与PLC的无线通信；

Autoface触摸屏与西门子PLC的无线MODBUS通信；

显控触摸屏无线通信实例；

运行触摸屏组态程序，能采用MODBUS协议，西门子PPI协议，三菱N：N协议，永宏PLC协议，台达PLC协议等。

组态软件与PLC的无线通信方案

组态王软件与西门子PLC的无线PPI、MODBUS通信；

力控组态软件与西门子PLC的无线通信。

指令接收模块，以西门子PLC S7-300系列为例，编程软件为STEP7V5.5SP2，其中的指令SR触发器和RS触发器的说明如下：

1.SR触发器

这个指令是复位优先型触发器。它有两个输入S和R，一个输出Q。我们用0和1表示信号的高低电平。下面是程序中出现的几种情况：

(1)S＝0，R＝0时，Q保持不变(0或1)；

(2)S＝0，R＝1时，Q＝0；

(3)S＝1，R＝0时，Q＝1；

(4)S＝1，R＝1时，Q＝0；

2.RS触发器

这个指令是置位优先型触发器。它同样有两个输入S和R，一个输出Q。我们用0和1表示信号的高低电平。下面是程序中出现的几种情况：

(1)S＝0，R＝0时，Q保持不变(0或1)；

(2)S＝0，R＝1时，Q＝0；

(3)S＝1，R＝0时，Q＝1；

(4)S＝1，R＝1时，Q＝1；

数字信号处理单元和模拟信号处理单元，模拟信号是指用连续变化的物理量所表达的信息，如温度、湿度、压力、长度、电流、电压等等，我们通常又把模拟信号称为连续信号，它在一定的时间范围内可以有无限多个不同的取值。而数字信号是指在取值上是离散的、不连续的信号。

实际生产生活中的各种物理量，如摄相机摄下的图像、录音机录下的声音、车间控制室所记录的压力、流速、转速、湿度等等都是模拟信号。数字信号是在模拟信号的基础上经过采样、量化和编码而形成的。具体地说，采样就是把输入的模拟信号按.适当的时间间隔得到各个时刻的样本值.量化是把经采样测得的各个时刻的值用二进码制来表示，编码则是把t化生成的二进制数排列在一起形成顺序脉冲序列。

模拟信号传输过程中,先把信息信号转换成几乎“一模一样”的波动电信号(因此叫“模拟”),再通过有线或无线的方式传输出去,电信号被接收下来后,通过接收设备还原成信息信号。

近百年以来,无论是有线相连的电话,还是无线发送的广播电视,很长的时间内都是用模拟信号来传递信号的。照说模拟信号同原来的信号在波形上几乎“一模一样”,似乎应该达到很好的传播效果,然而事实恰恰相反,过去我们打电话时常常遇到听不清、杂音大的现象；广播电台播出的交响乐,听起来同在现场听乐队演奏相比总有较大的欠缺；电视图像上也时有雪花点闪烁。这是因为信号在传输过程中要经过许多的处理和转送,这些设备难免要产生一些噪音和干扰；此外,如果是有线传输,线路附近的电气设备也要产生电磁干扰；如果是无线传送,则更加“开放”,空中的各种干扰根本无法抗拒。这些干扰很容易引起信号失真,也会带来一些噪声。这些失真和附加的噪声,还会随着传送的距离的增加而积累起来,严重影响通讯质量。对此,人们想了许多办法。一种是采取各种措施来抗干扰,如提高信息处理设备的质量,尽量减少它产生噪音；又如给传输线加上屏蔽；再如采用调频载波来代替调幅载波等。但是,这些办法都不能从根本上解决干扰的问题。另一种办法是设法除去信号中的噪声,把失真的信号恢复过来,但是,对于模拟信号来说,由于无法从已失真的信号较准确地推知出原来不失真的信号,因此这种办法很难有效,有的甚至越弄越糟。

主要是与离散的数字信号相对的连续的信号。模拟信号分布于自然界的各个角落，如气温的变化，而数字信号是人为的抽象出来的在幅度取值上不连续的信号。电学上的模拟信号主要是指幅度和相位都连续的电信号，此信号可以被模拟电路进行各种运算，如放大，相加，相乘等。模拟信号是指用连续变化的物理量表示的信息，其信号的幅度，或频率，或相位随时间作连续变化，广播的声音信号，电视的图像信号等。

数字化信号处理作用简单来说就是把模拟量数字化，处理成0和1组成的序列。它的优点主要是设备灵活、精确、抗干扰能力强、远距离传输速度快且不失真(这个失真是指传输上的)，模拟信号在远距离传输时信号衰减大，且抗干扰能力差要说缺点好像能想到的只是在模数转换时因采样率的关系会出现失真，但随着技术的进步采样率越来越高，这个缺点也越来越不明显了。

广义来说，数字信号处理是研究用数字方法对信号进行分析、变换、滤波、检测、调制、解调以及快速算法的一门技术学科。但很多人认为：数字信号处理主要是研究有关数字滤波技术、离散变换快速算法和谱分析方法。随着数字电路与系统技术以及计算机技术的发展，数字信号处理技术也相应地得到发展，其应用领域十分广泛。

数字控制、运动控制方面的应用主要有磁盘驱动控制、引擎控制、激光打印机控制、喷绘机控制、马达控制、电力系统控制、机器人控制、高精度伺服系统控制、数控机床等。

面向低功耗、手持设备、无线终端的应用主要有：手机、PDA、GPS、数传电台等

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (10)

1.一种无人搬运智能机器人控制系统，其特征在于，包括：

中央处理单元，用于接收外部环境传感器发送的信号根据预设的行为模式执行任务，以及根据外部指令接收器发回的任务指令执行对应任务；

外部环境传感器，用于采集外部环境信息，并返回给中央处理单元，其中外部环境信息包括，机器人对环境物体的压力、机器人与环境物体的距离以及外部环境光照信息；

驱动器，用于根据中央处理单元发送的指令驱动机器人执行对应动作，其中对应动作包括但不限于移动、驱动机器臂、转向以及休眠；

无线通信模块，用于与移动设备和/或计算机建立通信连接，并将通信内容发送给中央处理单元；

外部指令接收器，用于接任务指令并发送给中央处理单元。

2.根据权利要求1所述的无人搬运智能机器人控制系统，其特征在于，所述外部环境传感器还包括：

压力传感器，用于测量机械臂与被搬运物体之间的压力，检测抓取物体的力度；

激光传感器，用于以一定半径和一定角度的扫描范围向周围发送探测激光，用于测量机器人与一定范围内的外部环境物体的距离；

光线传感器，用于采集外部环境的光照信息。

3.根据权利要求1所述的无人搬运智能机器人控制系统，其特征在于，所述外部环境传感器还包括地面传感器，安装在机器人底部，用于做地面环境检测。

4.根据权利要求1所述的无人搬运智能机器人控制系统，其特征在于，还包括任务指令存储器，用于预先存储多个任务指令列表，机器人运行时安装存储的任务列表执行对应任务，其中中央处理器用于读取存储的任务指令列表并执行解码解读操作，根据任务内容向驱动器发送对应驱动指令。

5.根据权利要求1所述的无人搬运智能机器人控制系统，其特征在于，所述中央处理单元还包括：

模拟信号处理单元，用于将采集到的模拟信号量进行转换供中央处理单元分析处理；

数字信号处理单元，用于将采集到的数字信号量进行转换供中央处理单元分析处理。

6.根据权利要求1所述的无人搬运智能机器人控制系统，其特征在于，还包括：

二维码生成模块，用于生成与本机器人信息绑定的唯一二维码信息，提供给移动终端进行扫描，移动终端扫描后将绑定信息通过网络发回给无线通信模块，并回传给中央处理单元；

显示模块，用于显示二维码生成模块生成的二维码信息，供移动终端扫描。

7.根据权利要求6所述的无人搬运智能机器人控制系统，其特征在于，所述二维码生成模块还包括：

DM码生成模块，用于生成DM标准的二维码；

QR码生成模块，用于生成QR标准的二维码。

8.根据权利要求1所述的无人搬运智能机器人控制系统，其特征在于，还包括：

位置定位传感器，用于在机器人活动区域中建立坐标系，定位机器人的位置，获取机器人的位置信息，并将采集的信息发送给中央处理单元，中央处理单元通过读取任务指令存储器中存储的任务列表，获取本次任务中机器人的预先行驶路径以及行为动作，通过获得的位置信息，对机器人行驶路径进行实时修正。

9.根据权利要求1所述的无人搬运智能机器人控制系统，其特征在于，所述外部环境传感器还包括声波传感器，用于向周围环境发送声波探测，根据声波返回的时间以及声波的传播速度信息，发送给中央处理单元进行处理，获得指定范围内的障碍物信息。

10.根据利要求1所述的无人搬运智能机器人控制系统，其特征在于，还包括人机交互界面模块，用于创建编辑机器人的任务项目以及选择任务指令存储器中存储的任务列表，其中任务项目包括机器人工作的时间、工作区域、行为动作以及行为路径。