本發(fā)明屬于智能制造，具體涉及全自動(dòng)碼垛方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、碼垛作業(yè)是物流倉(cāng)儲(chǔ)中的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的人工碼垛方式存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、安全風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題，雖然目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了各類碼垛機(jī)器人，但是現(xiàn)有的自動(dòng)碼垛方案仍然存在以下問(wèn)題：碼垛方案的生成缺乏系統(tǒng)性和科學(xué)性，往往只考慮簡(jiǎn)單的空間利用，忽視了裝載穩(wěn)定性；多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)采用固定的碼垛模式，無(wú)法根據(jù)不同貨物的特性靈活調(diào)整碼垛方案；在多層碼垛過(guò)程中，缺乏對(duì)整體穩(wěn)定性的有效評(píng)估，容易導(dǎo)致貨物傾倒或損壞；碼垛機(jī)器人的路徑規(guī)劃不夠優(yōu)化，存在路徑冗長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)不平順等問(wèn)題，影響作業(yè)效率。

2、因此，亟需一種既能保證較高的空間利用效率，又能確保貨物的穩(wěn)定性的自動(dòng)碼垛方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供全自動(dòng)碼垛方法及系統(tǒng)，綜合考慮空間利用率和裝載穩(wěn)定性，使得生成的碼垛方案達(dá)到既能保證較高的空間利用效率，又能確保貨物的穩(wěn)定性的目的。

2、具體方案如下：

3、第一方面，本發(fā)明提供全自動(dòng)碼垛方法，所述方法基于碼垛機(jī)器人完成，所述方法包括以下步驟：

4、步驟s1，獲取待碼垛貨物的物理參數(shù)信息，所述物理參數(shù)信息包括貨物的三維尺寸、重量、和托盤規(guī)格。

5、步驟s2，基于所述物理參數(shù)信息和碼垛環(huán)境參數(shù)，生成單層碼垛基準(zhǔn)方案，基于所述單層碼垛基準(zhǔn)方案生成最終的碼垛方案。

6、步驟s3，基于貨物所在區(qū)域和目標(biāo)碼垛區(qū)域，為碼垛機(jī)器人規(guī)劃最優(yōu)作業(yè)路徑，根據(jù)最終的碼垛方案執(zhí)行自動(dòng)碼垛作業(yè)。

7、進(jìn)一步的，所述單層碼垛基準(zhǔn)方案的生成過(guò)程包括：

8、步驟s21，基于貨物的三維尺寸、托盤規(guī)格，計(jì)算可行貨物排列組合方式，每個(gè)貨物的長(zhǎng)寬高均不能超出托盤；

9、步驟s22，計(jì)算每種排列組合方式的空間利用率和裝載穩(wěn)定性；

10、所述單個(gè)托盤的空間利用率η公式為：其中，li，wi為第i個(gè)貨物的長(zhǎng)度和寬度，l0，w0為托盤的長(zhǎng)度和寬度，n為托盤上的單層貨物數(shù)量；

11、所述裝載穩(wěn)定考慮單層碼垛的壓力分布均勻性，其中，p為壓力分布均勻性，其越接近1，壓力分布均勻性越好；σp為單層貨物壓力分布的標(biāo)準(zhǔn)差，μp為單層貨物平均壓力；

12、步驟s23，綜合考慮空間利用率和裝載穩(wěn)定性，選擇最優(yōu)排列組合作為單層碼垛基準(zhǔn)方案；

13、計(jì)算每個(gè)排列組合η(p-1)的值，最小值對(duì)應(yīng)的排列組合方案即為單層碼垛基準(zhǔn)方案。

14、進(jìn)一步的，所述基于所述單層碼垛基準(zhǔn)方案生成最終的碼垛方案包括：

15、步驟s24，基于單層碼垛基準(zhǔn)方案，計(jì)算多層疊加時(shí)的重心分布情況；

16、步驟s25，生成整體穩(wěn)定性指標(biāo)，選擇滿足整體穩(wěn)定性閾值且層數(shù)最高的方案作為最終的碼垛方案；

17、其中，整體穩(wěn)定性指標(biāo)s評(píng)估模型的表達(dá)式為：ai為第i層貨物的受支撐面積，即下一層貨物的總體上表面積，a0為托盤面積，m為總層數(shù)，δg為重心偏移距離，所述重心偏移距離是指貨物重心相對(duì)于托盤中心的偏移量，托盤的中心點(diǎn)為原點(diǎn)(0，0，0)，則其中，(xc，yc，zc)為貨物重心，計(jì)算公式為：

18、其中，mi為第i個(gè)貨物的質(zhì)量，(xi，yi，zi)為第i個(gè)貨物的重心坐標(biāo)。

19、所述整體穩(wěn)定性閾值sthreshold的計(jì)算方法為：sthreshold＝1.5×kh×kw×km，其中，kh為高度修正系數(shù)，其中h為總堆垛高度，wmin為托盤最小邊長(zhǎng)；kw為重量修正系數(shù)其中w為總重量，wmax為允許最大重量；km為材料特性系數(shù)，根據(jù)貨物屬性確定。

20、進(jìn)一步的，所述根據(jù)選定的碼垛方案執(zhí)行自動(dòng)碼垛作業(yè)包括：將貨物按照最終的碼垛方案轉(zhuǎn)移至托盤；為碼垛機(jī)器人規(guī)劃最優(yōu)作業(yè)路徑，所述碼垛機(jī)器人按照最優(yōu)作業(yè)路徑執(zhí)行貨物搬運(yùn)并碼垛。

21、進(jìn)一步的，所述最優(yōu)作業(yè)路徑根據(jù)路徑的適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行確定，根據(jù)貨物所在區(qū)域和目標(biāo)碼垛區(qū)域，將碼垛作業(yè)區(qū)域按照固定的網(wǎng)格進(jìn)行均勻劃分，所述網(wǎng)格的邊長(zhǎng)不小于碼垛機(jī)器人能通過(guò)的最小值；

22、將無(wú)障礙物的網(wǎng)格標(biāo)記為可規(guī)劃區(qū)域，在所述可規(guī)劃區(qū)域中確定碼垛機(jī)器人從貨物轉(zhuǎn)運(yùn)起始點(diǎn)到目標(biāo)碼垛區(qū)域必須經(jīng)過(guò)或停留的網(wǎng)格標(biāo)記為路徑節(jié)點(diǎn)，路徑節(jié)點(diǎn)的數(shù)量記為b，則，對(duì)于碼垛機(jī)器人第i個(gè)路徑規(guī)劃li，其適應(yīng)度函數(shù)的數(shù)學(xué)表述為：

23、其中，s(a，a+1)為路徑規(guī)劃順序中，相鄰路徑節(jié)點(diǎn)a到其a+1的距離，μ為平滑性懲罰項(xiàng)的權(quán)重系數(shù)，0.05<μ<0.25，p(li)為路徑平滑度，路徑平滑度的數(shù)學(xué)表述為：

24、其中，θ(a，a+1，a+2)表示路徑li中，連續(xù)三個(gè)節(jié)點(diǎn)所形成的夾角，夾角的大小通過(guò)向量的點(diǎn)積公式計(jì)算得到：

25、于碼垛機(jī)器人所有的路徑規(guī)劃，選擇最小的適應(yīng)度函數(shù)值對(duì)應(yīng)的路徑，即為最優(yōu)作業(yè)路徑；所述最小的適應(yīng)度函數(shù)值對(duì)應(yīng)的路徑的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：min(f(l1)…f(li)…f(lg))；其中，g為路徑總數(shù)。

26、第二方面，本發(fā)明提供全自動(dòng)碼垛系統(tǒng)，用于執(zhí)行第一方面所述的方法，所述系統(tǒng)包括依次連接的：貨物信息獲取模塊、碼垛方案生成模塊和路徑規(guī)劃執(zhí)行模塊。

27、所述貨物信息獲取模塊，用于獲取待碼垛貨物的物理參數(shù)信息，所述物理參數(shù)信息包括貨物的三維尺寸、重量和托盤規(guī)格。

28、所述碼垛方案生成模塊，用于基于所述物理參數(shù)信息和碼垛環(huán)境參數(shù)，生成單層碼垛基準(zhǔn)方案，并基于所述單層碼垛基準(zhǔn)方案生成最終的碼垛方案。

29、所述碼垛方案生成模塊還用于：基于貨物的三維尺寸、托盤規(guī)格，計(jì)算可行貨物排列組合方式；計(jì)算每種排列組合方式的空間利用率和裝載穩(wěn)定性；綜合考慮空間利用率和裝載穩(wěn)定性，選擇最優(yōu)排列組合作為單層碼垛基準(zhǔn)方案。

30、基于單層碼垛基準(zhǔn)方案，計(jì)算多層疊加時(shí)的重心分布情況；生成整體穩(wěn)定性指標(biāo)，選擇整體穩(wěn)定性最高的方案作為最終的碼垛方案。

31、所述路徑規(guī)劃執(zhí)行模塊，用于基于貨物所在區(qū)域和目標(biāo)碼垛區(qū)域?yàn)榇a垛機(jī)器人規(guī)劃最優(yōu)作業(yè)路徑，并控制所述碼垛機(jī)器人根據(jù)最終的碼垛方案執(zhí)行自動(dòng)碼垛作業(yè)。

32、進(jìn)一步的，所述路徑規(guī)劃執(zhí)行模塊具體用于：

33、將碼垛作業(yè)區(qū)域按照固定的網(wǎng)格進(jìn)行均勻劃分，所述網(wǎng)格的邊長(zhǎng)不小于碼垛機(jī)器人能通過(guò)的最小值。

34、將無(wú)障礙物的網(wǎng)格標(biāo)記為可規(guī)劃區(qū)域，在所述可規(guī)劃區(qū)域中確定碼垛機(jī)器人從貨物轉(zhuǎn)運(yùn)起始點(diǎn)到目標(biāo)碼垛區(qū)域必須經(jīng)過(guò)或停留的網(wǎng)格標(biāo)記為路徑節(jié)點(diǎn)。

35、基于路徑適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算所有可能路徑的適應(yīng)度值，選擇具有最小適應(yīng)度函數(shù)值的路徑作為最優(yōu)作業(yè)路徑，控制所述碼垛機(jī)器人沿著最優(yōu)作業(yè)路徑完成碼垛作業(yè)。

36、其中，所述路徑適應(yīng)度函數(shù)包括路徑長(zhǎng)度和路徑平滑度兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，所述路徑平滑度通過(guò)計(jì)算路徑中連續(xù)三個(gè)節(jié)點(diǎn)所形成的夾角來(lái)評(píng)估。

37、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是：

38、本發(fā)明的方法不僅考慮單層碼垛的壓力分布均勻性，還關(guān)注多層疊加時(shí)的重心分布，從而有效提高了碼垛作業(yè)的可靠性，設(shè)計(jì)了基于網(wǎng)格劃分的路徑規(guī)劃方法，通過(guò)綜合考慮路徑長(zhǎng)度和平滑度的適應(yīng)度函數(shù)，能夠?yàn)榇a垛機(jī)器人生成最優(yōu)運(yùn)動(dòng)軌跡，顯著提高了碼垛作業(yè)的效率和安全性；本發(fā)明方法具有較強(qiáng)的通用性和適應(yīng)性，可根據(jù)不同貨物的物理特性自動(dòng)生成最優(yōu)碼垛方案，適用于各類規(guī)格的貨物碼垛作業(yè)，具有廣闊的應(yīng)用前景。