具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种基于视觉检测的自适应矩阵式物料拾取系统及方法，可降低落料风险。

本发明所提供基于视觉检测的自适应矩阵式物料拾取系统具体实施例一，包括拾取装置9、视觉系统7和控制装置。拾取装置9、视觉系统7分别通信连接于控制装置。

拾取装置9包括驱动组件和至少两个拾取部件1，且各拾取部件1沿X向、Y向保持矩阵状分布，X向垂直于Y向。具体地，X向、Y向和Z向两两垂直，拾取装置9沿Z向移动，Z向具体可为竖直方向，使用时，物料位于拾取装置9下方。

本实施例中，如图2所示，拾取部件1为16个，呈4×4矩阵状排布。当然，在其他实施例中，拾取部件1也可以为其他数量，相应地，排列方式也可以进行其他设置，例如，拾取部件1为15个，呈3×5矩阵状排布，又或者，拾取部件1为9个，呈1×9矩阵状排布，或者3×3矩阵状排布。

其中，由于拾取部件1始终保持矩阵状排布，则相应地，在X向上位置相同、即同一排的拾取部件1同步运动，在Y向上位置相同、即同一排的拾取部件1同步运动。

其中，在X向上设置至少两排拾取部件1时，每相邻两排拾取部件1之间排间距可以全部相同，也可以并不是全部相同的；在Y向上设置至少两排拾取部件1时，每相邻两排拾取部件1之间排间距可以全部相同，也可以并不是全部相同的。

控制装置用于接收视觉系统7的拍摄结果，并根据拍摄结果控制驱动组件运行，以使驱动组件带动拾取部件1沿X向和/或Y向移动。其中，视觉系统7应用视觉检测技术，可以获取物料的形状、重心位置、角度等特征数据，通过视觉算法合理计算物料的位置，提高拾取装置9抓取精度。

本实施例中，如图10和图11所示，采用视觉系统7可以拍摄物料图形，且拾取部件1之间的位置关系是可调节的，具体可以根据物料图形以及物料的重量调整拾取部件1的位置，使得足够多的拾取部件1集中到物料S所在位置拾取物料，确保对物料S的拾取能力，降低物料掉落的可能性。另外，由于拾取部件1呈矩阵状分布，排布的规则性较高，便于位置的规划。

进一步地，如图6和图9所示，拾取装置9还包括滑块2和两个连杆组件6。连杆组件6包括沿着线性方向依次设置的连杆结构。具体地，连杆结构为直杆。其中一个连杆组件6中，线性方向为X向，各连杆结构分别构成X轴连杆61；另一个连杆组件6中，线性方向为Y向，各连杆结构分别构成Y轴连杆62。

各拾取部件1分别固定于对应的滑块2上，各滑块2呈矩阵状分布，从而使得拾取部件1呈矩阵状排布。如图2所示，在X向上位置相同的各滑块2均滑动连接于同一X轴连杆61，在Y向上位置相同的各滑块2均滑动连接于同一Y轴连杆62。另外，如图2所示，驱动组件包括分别连接于两个连杆组件6的驱动装置，以分别驱动X轴连杆61沿X向移动，以及驱动Y轴连杆62沿Y向移动。

本实施例中，由于X向上或者Y向上位置相同的拾取部件1，连接在同一个连杆结构上，通过驱动连杆结构，即可带动X向上或者Y向上位置相同的拾取部件1同步运动，可以减少对驱动器的数量需求，无需每个拾取部件1分别连接一个驱动器，且能够保证X向上或者Y向上位置相同的拾取部件1运动的同步性。

进一步地，至少一个连杆组件6中，连杆结构为至少两个。如本实施例中，两个连杆组件6中均有至少两个连杆结构。

具体如图8所示，在连杆结构为X轴连杆61的连杆组件6中，部分连杆结构连接于驱动组件，以作为主动连杆63，如本实施例中，两个X轴连杆61为主动连杆63，其他实施例中，也可以使得一个X轴连杆61为主动连杆63。同时，所有X轴连杆61之间通过联动结构5连接。当驱动组件驱动X轴连杆61中的主动连杆63沿X向移动时，在联动结构5的带动下，其他X轴连杆61也同时运动。其中，一个连杆组件6中的连杆结构同时运动时，不同的连杆结构的运动方向和速度大小可以相同，也可以不同。

当然，另一个Y轴连杆62构成的连杆组件6中，也可以进行相同的联动设置，使得驱动组件驱动Y轴连杆62中的主动连杆63沿Y向移动时，通过对应的联动结构5使得所有Y轴连杆62同时运动。

本实施例中，采用联动结构5实现连杆组件6中连杆结构的联动，能够进一步简化驱动组件的设置。

进一步地，如图8所示，联动结构5包括若干个联动杆51，联动杆51两两铰接形成转动副。各转动副沿着对应的连杆组件6中连杆结构的移动方向依次设置，相邻转动副对应铰接以形成平行四边形联动结构53，平行四边形联动结构53的两个相对的端点分别为两个转动副内的中心铰接点52。各中心铰接点52与各连杆结构对应连接。采用平行四边形联动结构53，联动运动的平稳性较高，另外，当所有平行四边形联动结构53均设置为相同的结构时，连杆组件6中的各连杆结构的运动速度大小相同。

进一步地，如图5和图8所示，驱动装置包括旋转驱动器4，旋转驱动器4通过丝杠螺母组件41连接于对应的主动连杆63。其中，旋转驱动器4为步进电机。本实施例中，具体包括两个旋转驱动器4，分别作为驱动X轴连杆61沿X向移动的X轴驱动器42和驱动Y轴连杆62沿Y向移动的Y轴驱动器43。当然，在其他实施例中，还可以通过气缸等驱动设备实现X轴连杆61或者Y轴连杆62的移动。

进一步地，如图1和图4所示，物料拾取系统还包括机壳3，各X轴连杆61均滑动连接于机壳3上沿X向延伸的滑道31上。各Y轴连杆62均滑动连接于机壳3上沿Y向延伸的滑道31上。通过滑道31的限位，能够提高连杆结构移动的平稳性。另外，视觉系统7、驱动组件均可以连接在机壳3的外表面上。

进一步地，如图6和图7所示，机壳3上固定设置X轴定位座34，X轴定位座34上固定设置沿Y向延伸的X轴定位杆33，X轴定位杆33上滑动连接若干个X轴定位块32，各X轴定位块32分别滑动连接各Y轴连杆62。在其他实施例中，机壳3上还固定设置Y轴定位座，Y轴定位座上固定设置沿X向延伸的Y轴定位杆，Y轴定位杆上滑动连接若干个Y轴定位块，各Y轴定位块分别滑动连接各X轴连杆61。才采用定位杆可以与滑槽配合，可以提高连杆结构运动的平稳性。

进一步地，如图3所示，拾取部件1为吸盘，适用于表面平滑的物料，以确保吸盘真空检测压力足够。在其他实施例中，拾取部件1还可以为夹爪。

进一步地，各拾取部件1分别通信连接于控制装置，以通过控制装置分别控制各拾取部件1的启停。本实施例中，拾取部件1为吸盘，相应地，控制装置通过控制各个吸盘所连接的电磁阀，以提供开气和关气信号，以实现吸盘的启停控制。

本实施例所提供的物料拾取系统，其工作时，部件之间的控制关系具体可以参考图12：

PLC8与视觉系统7之间：视觉系统7向PLC8发送物料拍摄结果A1，PLC8向视觉系统7发送视觉控制信息A2；

PLC8与工业机器人10之间：PLC8接收工业机器人10的反馈信息D1，工业机器人10向PLC8发送控制信息，其中拾取装置9设置在工业机器人10上；

工业机器人10与视觉系统7之间：PLC8向工业机器人10发送物料的图像信息F3；

PLC8与X轴驱动器42之间：PLC8向X轴驱动器42发送控制信息B2，以调整X轴连杆61位置；

PLC8与Y轴驱动器43之间：PLC8向Y轴驱动器43发送控制信息C2，以调整Y轴连杆62位置；

PLC8与拾取装置9之间：PLC8接收拾取装置9的真空检测结果E1,向拾取装置9发送吸盘开关控制信号E2；

其中，控制装置可以由PLC8、工业机器人10中等设备中的控制部共同构成。

本实施例提供的物料拾取系统，具备基于视觉检测的机器人自适应矩阵式吸盘控制装置，融合机器视觉、PLC8和工业机器人10的智能控制系统，通过工业以太网可以实时交互通信数据。针对不同形态的物料，机器视觉进行物料形状、位置、角度等特征数据。一方面将角度数据发送给机器人，机器人接收到角度后调整吸盘工具的角度姿态；另一方面通过视觉算法计算出机器人吸持物料的合适位置，并将计算数据发送给PLC8控制器，PLC8根据视觉检测数据控制相应步进电机，使吸盘装置调整合适的行列间距，达到正确吸持物料的姿态，可以应用于物料搬运分拣作业。同时，每个吸盘可以单独控制开启与关气，可根据物料的形状达到自适应改变矩阵式吸盘装置形态、灵活控制吸盘开关信号，以达到吸持较重物料的目的，解决了中吸盘工具单一化而造成了机器人吸持较重物料重心不稳、物料掉落的问题，提高了不同形态的较重物料搬运分拣作业可靠性、稳定性，且提高了机器人作业效率。

除了上述物料拾取方法，本发明还提供了一种物料拾取系统，该物料拾取系统应用以上物料拾取方法。该物料拾取方法具体包括以下步骤：

第一步：接收所述视觉系统7对物料的拍摄图像，根据所述拍摄图像确定所述物料的实际位置。

其中，在确定物料实际位置时，具体可以以拍摄图像上的设定点，例如中点、重心等位置作为基准点，以基准点在设定的坐标系中的位置作为物料的实际位置。又或者，确定物料实际位置时，也可以通过确定物料上设定线的位置以确定物料的位置。

第二步：获取所述物料的重量。

其中，物料的重量具体可以预存在控制装置中，或者现场测量后，传输至控制装置中。

第三步：根据所述物料的重量以及单个所述拾取部件1的拾取能力确定所需拾取部件1的使用数量。

第四步：调节各所述拾取部件1在所述X向和/或所述Y向的间距，使得至少所述使用数量的所述拾取部件1能够连接于所述物料的待连接面。

本实施例中，由于先确定物料的位置与重量，确定出能够接触到物料的拾取部件1所在的区域以及需要提供提升力的拾取部件1的数量，能够自适应地提供与物料的重量和位置相匹配的提升力，降低落料风险。

进一步地，所述实际位置包括所述物料在预设平面坐标系中的位置信息和角度信息。其中，对于角度信息的确定，可以根据物料上某一边的角度进行确定，例如，物料顶面最长边在预设平面坐标系中的角度。

在第四步：所述调节各所述拾取部件1在所述X向和/或所述Y向的间距之前，还包括：

根据所述角度信息，以垂直于所述预设平面坐标系的预设轴线为中心调整所述拾取装置9的角度，使所述拾取装置9与所述物料的角度关系保持在预设角度关系。

例如，预设角度关系为物料顶面的最长边平行于拾取装置9的X轴连杆61的移动方向，当不满足该关系时，调整拾取装置9的角度，以达到该预设角度关系。另外，机壳3具体可以设于工业机器人10上，通过控制装置对工业机器人10的控制，调整机壳3的角度，实现对拾取装置9的角度调节。

本实施例中，对拾取装置9和物料的角度关系判断与调节，更有利于规划拾取部件1的位置关系。

进一步地，如图10和图11所示，第四步中：调节各所述拾取部件1在所述X向和/或所述Y向的间距，使得至少所述使用数量的所述拾取部件1能够连接于所述物料的待连接面，具体包括：

实时拟合各所述拾取部件1构成的模板图像；

调节各所述拾取部件1在所述X向和/或所述Y向的间距，并比对所述拍摄图像的边缘与所述模板图像在预设坐标系中的位置关系，使得进入所述拍摄图像的边缘的所述拾取部件1的数量不小于所述使用数量，从而使得至少所述使用数量的所述拾取部件1能够连接于所述物料的待连接面。

本实施例中，通过在同一坐标系中的图像对比，可以方便地确定出拾取部件1之间的最佳位置关系。

进一步地，所述物料为柱体，其端面为所述待连接面，步骤：所述获取所述物料的重量，包括：

根据所述拍摄图像计算所述物料的待连接面面积；

根据所述待连接面面积、所述物料的厚度和所述物料的密度获得所述物料的重量。其中，密度和厚度可以预存于控制装置中。

本实施例中，借助拍摄图像获得的物料待连接面面积来计算物料的重量，可以提高对物料重量计算的准确性，特别适用于物料顶面形状不规则的物料的重量计算。物料待连接面具体为物料顶面。

进一步地，在第四步后，还包括：

控制所述拾取部件1移动，直至所述拾取部件1连接于所述物料的待连接面，其中，各所述拾取部件1中，连接于所述物料的所述拾取部件1开启，其余所述拾取部件1关闭。

也就是说，只有起到拾取作用的拾取部件1才启动，其余拾取部件1关闭，有利于节约使用成本。

本实施例所提供方法的一种具体操作过程如下：

(一)确定物料的实际位置：

如图10和图11所示，P₀为视觉中心，如公式1所示，同时也是物料拾取系统示教基准位置，其中X₀，Y₀，Z₀为物料拾取系统TCP点(末端工具中心点)的位置数据，RX₀，RY₀，RZ₀为物料拾取系统TCP点的姿态数据。ΔX、ΔY、ΔZ为视觉系统7检测处理后发送给PLC8的物料中心偏移位置，分别与X₀，Y₀，Z₀代数和即可得到物料拾取系统实际抓取物料的位置，如公式2、3、4所示。

Δθ为视觉检测后的物料角度数据，与RZ₀代数和即可得到物料拾取系统实际抓取物料的角度姿态，如公式5所示。

通过ΔX、ΔY、ΔZ、Δθ四个数据的代数和计算，得到当前物料实际吸持位置为P1，如公式6所示。

P₀＝[X₀,Y₀,Z₀,RX₀,RY₀,RZ₀] (1)

X₁＝X₀+ΔX (2)

Y₁＝Y₀+ΔY (3)

Z₁＝Z₀+ΔZ (4)

RZ₁＝RZ₀+Δθ (5)

P₁＝[X₁,Y₁,Z₁,RX₁,RY₁,RZ₁] (6)

(二)所需拾取部件1数量的计算：

物料重量的计算：以物料为柱体为例，测量物料的顶面面积s，根据预知的物料密度ρ和厚度h，根据如公示(7)可算出物料的重力G：

G＝＝Mg＝ρVg＝ρshg (7)

拾取部件1为吸盘，已知空气压缩机的大气压强为P，吸盘的直径为d，根据如公示(8)可算出一个吸盘的吸力F：

计算当前物料所需吸盘数量N₀如公示所示：

其中μ为安全系数，μ≥2.5。

(三)拾取部件1行列宽度的计算：

如图10所示，由于硬件机构的限制，吸盘的行间距m和列间距n应满足如下公示(10)和(11)：

其中，m_max为最大行间距，m_min为最小行间距，d为吸盘直径，a为物体长度，b为物体的宽度。

根据自适应矩阵式吸盘的行列间距为m和n，即可获取16个吸盘的物理位置如公示12所示：

P_k＝(x_k,y_k) (12)

其中k为吸盘序号，k∈[1,16]。

根据16个吸盘的物理位置P_k和吸盘直径d，根据原始图像S(x,y)和圆的标准方程，可以拟合一个模板图像T(x,y)，该图像为16个直径为d的拟合圆组成，16个拟合圆的边缘位置为O_k(i_k,j_k)，且该图像像素大小与原始图像S(x,y)一致。

将原始S(x,y)通过图像处理后得到二值化图像S’(x,y)，将S’(x,y)与T(x,y)比较即可得到吸盘有效作用的个数N。

若满足N＞N₀，则行列间距为m₁和n₁时，物料拾取系统可以正常吸持工件。

需要说明的是，当元件被称为“固定”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的基于视觉检测的自适应矩阵式物料拾取系统及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。