[发明专利]一种基于点激光测距的货箱自动抓取装置及方法

权利要求书

1.一种基于点激光测距的货箱自动抓取装置，其特征在于，包括激光测距单元、信息处理与控制单元和执行单元；

所述执行单元，包括大臂(1)、伸缩臂(2)、旋转关节(3)、抓具(4)和大臂旋转关节(9)，其中抓具(4)包括抓具主架(10)和卡爪(12)；所述执行单元用于实现抓取目标货箱(5)的任务；

所述激光测距单元，包括激光距离传感器(11)，用于采集抓具(4)与目标货箱(5)之间的距离信息，并将采集的距离数据传输至信息处理与控制单元；

所述信息处理与控制单元，包括控制器(8)，用于对采集到的距离信息进行分析和处理，得到抓具(4)与目标货箱(5)之间的位姿信息，并控制执行单元将抓具(4)运动到抓取目标货箱(5)正上方；

激光测距单元获取抓具(4)与目标货箱(5)之间的距离信息，具体如下：

将四个激光距离传感器(11)分别安装在抓具(4)的四个顶点，激光发射方向竖直向下，指向目标货箱(5)；

四个激光距离传感器(11)同时向目标货箱(5)发射测距激光，根据回波得到目标货箱(5)四个顶点的距离信息，分别为D1、D2、D3和D4，其中D1、D2为长方形货箱一条短边上的两个顶点对应的距离信息，D3、D4为另一条短边上的两个顶点对应的距离信息；

激光距离传感器(11)通过串行数据通信接口将D1、D2、D3和D4送至控制器(8)；

信息处理与控制单元通过激光测距单元传来的数据计算抓具(4)与目标货箱(5)之间的相对位姿，具体如下：

控制器(8)接收到距离数据以后，对数据进行比较，设定D1与D2的平均值与D3和D4的平均值之差为δ，即若δ的绝对值大于允许误差X，则抓具(4)所在平面与目标货箱(5)上表面不平行，控制器(8)控制旋转关节(3)的旋转角度θ，使抓具(4)所在平面与目标货箱(5)上表面保持平行，旋转角度θ的计算公式为：

其中，L为抓具(4)的长度；

抓具(4)与目标货箱(5)上表面调平，即δ的绝对值小于允许误差X后，控制器(8)取和的平均值作为抓具(4)与目标货箱(5)上表面之间的距离D，当距离D小于目标距离DT时，控制器(8)发送控制信号到执行单元，使伸缩臂(2)伸长，直到D等于DT。

2.根据权利要求1所述的基于点激光测距的货箱自动抓取装置，其特征在于，所述激光测距单元包括在抓具(4)上四个顶点安装的四个激光距离传感器(11)和数据传输模块；

所述激光距离传感器(11)型号为DT500型激光距离传感器，用于采集抓具(4)与目标货箱(5)之间的距离数据，测量距离为30m，重复精度为1mm，测量精度为±3mm；

所述数据传输模块为串行通讯接口，用于将激光距离传感器(11)得到的距离信息发送到信息处理与控制单元。

3.根据权利要求2所述的基于点激光测距的货箱自动抓取装置，其特征在于，所述信息处理与控制单元包括控制器(8)，所述控制器(8)采用型号为STM32F103的嵌入式处理器；所述嵌入式处理器通过接收来自激光距离传感器(11)的四组距离数据，得到抓具(4)与目标货箱(5)四个角的距离信息，并计算抓具(4)相对于目标货箱(5)的位姿，嵌入式处理器根据位姿信息发送相应的控制信号到执行单元。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于点激光测距的货箱自动抓取装置，其特征在于，执行单元中：

所述大臂(1)能够在水平面上旋转，用于实现作业面的平移；大臂(1)长度为L1；

所述伸缩臂(2)上端固定在大臂(1)末端，下端能够进行竖直方向上的位移，用于下放和抬升抓具(4)，伸缩臂(2)初始长度为L2，伸长距离范围为[0,ΔL2]；

所述旋转关节(3)用于调整抓具(4)在水平方向的姿态，使抓具(4)与目标货箱(5)上表面保持平行；旋转关节(3)角度旋转范围为[-θ_max,θ_max]；

所述抓具(4)上装有激光距离传感器(11)和卡爪(12)，激光距离传感器(11)用于实现抓具(4)与目标货箱(5)距离的测量，卡爪(12)用于实现目标货箱(5)的抓取。