锂电池机器人拆解控制方法及其系统

1.本发明涉及电池拆解控制技术领域，具体是一种锂电池机器人拆解控制方法及其系统。


背景技术：

2.随着新能源汽车快速发展，推动着动力锂电池产业的不断扩张。退役动力锂电池中的钴、镍、锂等材料都是非常重要的资源，广泛应用于航空、航天、电器、机械、化学和陶瓷等领域，因此实现退役动力锂电池的资源化循环利用至关重要。
3.目前动力锂电池的回收利用还处于初始阶段，针对不同类型的动力锂电池拆解尚缺乏成熟的技术，许多方面还存在诸多问题，如电池拆解的自动化和智能化程度低、电池单体拆解技术研究少、自动化拆解技术对异构电池的适应性差等，因此针对大规模退役动力锂电池，尽快开展通用性好、适应性强、自动化与智能化程度高的拆解技术与装备，才能保证新能源产业的健康及可持续的发展。


技术实现要素：

4.本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种锂电池机器人拆解控制方法及其系统，对整个锂电池拆解过程进行分级分类控制，可以满足拆解的多样性需求，提高整体流程的效率。
5.本发明提供了一种锂电池机器人拆解控制方法，包括以下步骤：s1、电池放入传送带上，pc上位机控制软件开启总设备，系统开始运行；s2、分析传送带上的电池信息，步骤包括：s21、在图像识别模块中，启动二维相机拍摄传送带下方电池图像，将图像信息传送回pc上位机软件并在界面上显示，分析当前帧图像上电池数量；s22、在材料识别模块中，启动设置于传送带下方的电磁传感器组，对传送带上方的电池进行检测，将检测电流信息传送回pc上位机软件，分析电池类型与外壳信息；s3、电池类型与位置信息分析完毕后，机器人控制模块调用抓取机器人将传送带上的电池放至旋转台对应工位上；s4、分析电池在工位上的位置是否有误，步骤包括：s41、plc控制模块启动旋转台上传感器检测工位上是否有电池放入；s42、图像与材料识别模块启动三维相机，拍摄工位上电池的图像，分析切割两侧位置与理论位置误差；s43、确定电池位置无误，plc控制模块控制旋转台夹具夹紧电池；s5、旋转台控制模块启动旋转台，并设置运动参数，将电池旋转至切割工位；s6、机器人控制模块调用切割机器人移动至工作区域，对电池进行切割；s7、旋转台旋转至下一工位；s8、plc控制模块启动推芯气缸，将电芯推出，随后将电池夹具松开；
s9、机器人控制模块调用抓取机器人，将电池外壳移出旋转台。
6.进一步改进，步骤s2和步骤s4所述图像与材料识别模块包括二维相机、三维相机与传感器组的工作控制。
7.所述二维相机包括触发模式、触发源、触发极性和软触发指令；触发模式包括单独触发和自动触发，触发源选择指定相机，触发极性为相机本身自动设置，包括有上升沿触发、下降沿触发、双沿触发，软触发即软件触发；二维相机通过调节曝光时间和增益参数改变相机的拍照频率和清晰度。
8.所述传感器组采用电磁传感器检测工作电流，根据不同通道的电流信息识别传送带上的电池外壳材料信息，并以表格形式显示和保存。
9.所述三维相机用于拍摄旋转台上的电池图像，分析电池与夹具侧边的实际位置与理论位置的误差，使锯片成功切割电池两端并不碰撞到旋转台上的其他元件。
10.进一步改进，步骤s5至步骤s8的电池拆解过程采用plc控制模块控制，plc控制模块同时控制抓取机器人的夹爪、切割机器人的锯片、旋转台上夹具、传感器和推出气缸的工作；plc控制模块中plc的输入端有旋转台上三工位、每工位方圆两种传感器检测，输出端有旋转台三工位、每工位方圆两种夹紧气缸与推出气缸、方形电池夹具特有的侧压气缸、抓取机器人手爪、切割机器人锯片。
11.进一步改进，步骤s6中机器人控制模块对机器人的类型进行选择，包括抓取机器人和切割机器人；机器人控制模块对选择的机器人进行单独控制并显示机器人运动状态，包括机器人某时间点的动作状态，同时实现双机器人连接控制和机器人的复位。
12.所述机器人控制模块控制机器人工作时，对机器人工作区域进行划分，在夹具上方设置机器人过渡点，抓取机器人设置机器人上、下料过渡点，切割机器人设置拆解过渡点；上、下料路径为抓取机器人从工作区边缘点移动至夹具上方过渡点，然后移动至上、下料点后，plc控制夹爪松开，随后夹爪返回至过渡点，最后回到移动区域边缘点等待移动区域工作；切割工作路径为切割机器人从工作边缘点移动至拆解过渡点，plc打开电主轴，其次从过渡点移动至左端切割起点，向下移动至左端切割终点，然后返回左端切割起点，平移至右端切割起点，向下移动至右端切割终点，之后返回移动区域边缘点。
13.所述对机器人工作区域进行划分过程，在robot studio软件中使用示教器手动移动机器人和工作后更新储存机器人位置点，在pc上位机软件中通过控制器连接rapid接口, rapid接口连接示教器进行数据读取,获得在pc上位机软件界面显示安全点。
14.进一步改进，机器人工作区域划分后，机器人在工作区域和移动区域之间的控制设计采用rs软件与ros系统通讯的方式，利用ros系统中运动规划库完成机器人运动规划，再将数据传输并保存到rs软件模块中。
15.本发明还提供了一种锂电池机器人拆解控制系统，包括硬件系统和软件控制系统；硬件系统包括沿电池运动方向依次设置的传送带、抓取机器人、旋转台和回收舱，所述传送带处设置有二维相机和传感器组，旋转台处设置有三维相机和切割机器人；软件系统包括pc机及上位机控制软件以及与pc机及上位机控制软件连接的总控模块、plc控制模块、图像与材料识别模块、旋转台控制模块、机器人控制模块；pc机及上位机控制软件与机器人控制模块、plc控制模块、旋转台控制模块之间采用通讯连接，进行plc信号的输入输出、机器人的调用指令和状态读取、旋转台的启停信号与状态读取。
16.进一步改进，所述pc机及上位机控制软件与机器人控制模块之间的通讯连接方式为在visual studio软件中使用sdk提供的通讯接口创建机器人控制器与rs建立socket通讯，调用sdk对应模块实现机器人自动化运行。
17.进一步改进，所述pc机及上位机控制软件与plc控制模块通讯连接方式为，对plc进行二次开发，采用三菱mc协议为通讯方式，tcp/ip作为通讯协议方式。
18.进一步改进，所述pc机及上位机控制软件与旋转台控制模块之间连接方式为使用自带的动态链接库mt_api进行二次开发，库中主要分为四个模块：通讯接口、运行状态检查、定速模式和定位模式，通讯接口模块实现两者通讯连接，运行状态检查实现旋转台的状态显示，通过定速和定位模式设置旋转台的工作参数。
19.进一步改进，旋转台控制模块可计算和调节旋转台多次旋转循环后的误差，例如通过计算999次旋转后，次数除以3的余数为0，则当前旋转台角度与0
°
比较，理论允许误差为
±
0.2
°
，超过误差值将使旋转台回归零位。
20.本发明有益效果在于：1、对整个系统进行分级分类控制，plc的二次开发取代传统继电器控制，可以满足拆解的多样性需求。
21.2、将plc和机器人集成到一个软件中，方便实现自动化控制和统一管理。
22.3、本发明手动控制机器人完成工作并记录工作点，记录机器人移动工作时避免碰撞和路径复杂的路线，提高整体流程的效率，并且与ros系统通讯，ros系统中运动规划数据可保存至rs系统模块中，可以节省更换现实场景后重复规划的时间。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
24.图1为本发明锂电池机器人拆解系统的控制方法流程图；图2为本发明锂电池机器人拆解系统方框示意图。
实施方式
25.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它实施例，都属于本发明保护的范围。
26.如图1所示，本发明提供一种锂电池机器人拆解系统的控制方法，二维相机与传感器组分别置于传送带上方和下方，对电池信息进行同步分析，节省了空间，缩短了流程。具体步骤包括：s1、电池放入传送带上，pc上位机控制软件开启总设备，系统开始运行；s2、分析传送带上的电池信息，步骤包括：s21、在图像识别模块中，启动二维相机拍摄传送带下方电池图像，将图像信息传
送回pc上位机软件并在界面上显示，分析当前帧图像上电池数量；s22、在材料识别模块中，启动设置于传送带下方的电磁传感器组，对传送带上方的电池进行检测，将检测电流信息传送回pc上位机软件，分析电池类型与外壳信息；s3、电池类型与位置信息分析完毕后，机器人控制模块调用抓取机器人将传送带上的电池放至旋转台对应工位上；s4、分析电池在工位上的位置是否有误，步骤包括：s41、plc控制模块启动旋转台上传感器检测工位上是否有电池放入；s42、图像与材料识别模块启动三维相机，拍摄工位上电池的图像，分析切割两侧位置与理论位置误差；s43、确定电池位置无误，plc控制模块控制旋转台夹具夹紧电池；s5、旋转台控制模块启动旋转台，并设置运动参数，将电池旋转至切割工位；s6、机器人控制模块调用切割机器人移动至工作区域，对电池进行切割；s7、旋转台旋转至下一工位；s8、plc控制模块启动推芯气缸，将电芯推出，随后将电池夹具松开；s9、机器人控制模块调用抓取机器人，将电池外壳移出旋转台。
27.如图2所示，本发明通过pc上位机控制软件控制锂电池机器人拆解系统的流程与信息监控，分为五个模块：总控模块、plc控制模块、图像与材料识别模块、旋转台控制模块、机器人控制模块。其中总控模块用于控制整个设备的启停，总控界面能够显示电池图像与信息；plc控制模块主要控制旋转台上的元件和机器人上的夹爪和锯片；图像与材料识别模块分为图像识别和材料识别两部分，图像识别包括二维相机和三维相机拍摄，二维相机拍摄传送带上的电池信息，三维相机拍摄旋转台夹具上的电池信息，材料识别部分为传送带下方的传感器组对传送带上经过的电池进行电流检测，识别电池外壳的材料以及类型；旋转台控制模块用于控制电动旋转台的启停、运动模式、循环参数，界面上可显示旋转台的当前运动状态；机器人控制模块用于选择机器人的调用，界面显示机器人的调用抓状态、位姿信息、安全点信息。
28.总控界面的操作部分包括五个按钮：设备开机、关闭设备、自动运行、初始化和急停。点击设备开机按钮后，软件根据默认参数与全部设备连接，初始化按钮使所有设备恢复到最初设定状态，自动运行按钮使所有设备根据软件运行逻辑实现电池拆解，运行出现异常可点击急停按钮使设备立即停止。显示部分包括电池的图像采集，图像显示框会显示传送带上的锂电池图像，电池拆解后会记录每个拆解电池的形状、尺寸等信息。
29.plc控制模块分为plc通讯连接、plc机器人末端执行器控制、plc旋转台传感器和气缸控制。plc与pc上位机的通讯连接方式为对plc进行二次开发，采用三菱mc协议为通讯方式，tcp/ip作为通讯协议方式，使pc机与plc之间数据传输稳定可靠。机器人末端执行器部分有切割机器人的锯片和抓取机器人的夹爪，plc可控制锯片的旋转、停止和复位和夹爪的张开和夹紧，旋转台部分每个工位各有两个传感器，两个夹紧气缸，两个推出气缸和方形电池拆解所需的侧压气缸，合理分配plc的输入输出端口，使plc与这些元件相连。
30.图像与材料识别模块分为图像识别部分和材料识别部分，图像识别部分分为二维相机拍摄和三维相机拍摄，二维相机设备控制包含相机的开启关闭和采集开始停止，界面中可以设置二维相机拍摄模式和拍摄参数，拍摄模式包括单次拍摄和连续拍摄；触发源可
选择由哪部相机进行拍摄；触发极性一般由相机本身自动设置，有上升沿触发、下降沿触发、双沿触发三种；软触发即由软件触发；基本参数设置包括曝光时间和增益，通过调节曝光时间和增益参数可改变相机的拍照频率和清晰度。二维相机拍摄的图片可以在图像框中显示，根据图像框中的图像信息与数据库记录对比识别电池信息，并以表格形式显示。三维相机拍摄电池在旋转台夹具上的图像，分析计算电池侧边与夹具底座侧边的差值，并与理论误差进行对比，判断该电池是否能进行切割。材料识别部分由八个电磁传感器组成，安置于传送带下方，对传送带上方经过的电池进行电流检测，可以对比电流信息识别电池的方圆类型和外壳材料。
31.旋转台控制模块以自带的动态链接库mt_api进行二次开发，将旋转台与pc上位机进行连接，库中分为四个模块：通讯接口、运行状态检查、定速模式和定位模式，通讯接口模块实现两者通讯连接，运行状态检查实现旋转台的状态显示，定速和定位模式可设置旋转台的工作参数。如界面所示，运动模式设置包含启动加速度、停止减速度、相对定位移动、绝对定位移动、设置旋转速度；状态显示包含运行状态、正限位、负限位、方向、是否处于零位；旋转台还设有循环设置功能，可自定义旋转台工作的旋转间隔时间与角度。误差调节部分可计算和调节旋转台多次旋转循环后的误差，例如通过计算999次旋转后，次数除以3的余数为0，则当前旋转台角度与0
°
比较，理论允许误差为
±
0.2
°
，超过误差值将使旋转台回归零位。
32.机器人控制模块中pc机与abb机器人通讯连接方式为在visual studio软件中使用sdk提供的通讯接口创建机器人控制器与rs建立socket通讯，调用sdk对应模块即可实现机器人自动化运行，调用的机器人信息可在界面上以表格形式显示；界面下方显示抓取机器人和切割机器人的位姿信息；右侧为机器人安全点信息，通过在rs软件中手动操作示教器完成流程，并记录经过的安全点，在pc上位机软件中通过控制器连接rapid接口, rapid接口连接示教器进行数据读取,获得在pc上位机软件界面显示安全点。
33.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，以上所述仅是本发明的优选实施方式，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对于本技术领域的普通技术人员来说，可轻易想到的变化或替换，在不脱离本发明原理的前提下，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种锂电池机器人拆解控制方法，其特征在于包括以下步骤：s1、电池放入传送带上，启动控制系统；s2、分析传送带上的电池信息，通过图像识别和材料识别分别识别电池位置信息与类型；s3、电池类型与位置信息分析完毕后，机器人控制模块调用抓取机器人将传送带上的电池放至旋转台对应工位上；s4、通过图像与材料识别模块分析电池在工位上的位置是否有误，包括检测工位上是否有电池放入，分析切割两侧位置与理论位置误差，若确定电池位置无误，plc控制模块控制旋转台夹具夹紧电池；s5、旋转台控制模块启动旋转台，并设置运动参数，将电池旋转至切割工位；s6、机器人控制模块调用切割机器人移动至工作区域，对电池进行切割；s7、旋转台旋转至下一工位；s8、启动推芯气缸，将电芯推出，随后将电池夹具松开；s9、机器人控制模块调用抓取机器人，将电池外壳移出旋转台。2.根据权利要求1所述的锂电池机器人拆解控制方法，其特征在于：步骤s2所述图像识别和材料识别具体过程如下：s21、在图像识别模块中，启动二维相机拍摄传送带下方电池图像，将图像信息传送回pc上位机软件并在界面上显示，分析当前帧图像上电池数量；s22、在材料识别模块中，启动设置于传送带下方的电磁传感器组，对传送带上方的电池进行检测，将检测电流信息传送回pc上位机软件，分析电池类型与外壳信息。3.根据权利要求1所述的锂电池机器人拆解控制方法，其特征在于：步骤s4所述分析电池在工位上的位置是否有误过程具体如下：s41、plc控制模块启动旋转台上传感器，检测工位上是否有电池放入；s42、图像与材料识别模块启动三维相机，拍摄工位上电池的图像，分析切割两侧位置与理论位置误差。4.根据权利要求1所述的锂电池机器人拆解控制方法，其特征在于：步骤s2和步骤s4所述图像与材料识别模块包括二维相机、三维相机与传感器组的工作控制；所述二维相机包括触发模式、触发源、触发极性和软触发指令；触发模式包括单独触发和自动触发，触发源选择指定相机，触发极性为相机本身自动设置，包括有上升沿触发、下降沿触发、双沿触发，软触发即软件触发；二维相机通过调节曝光时间和增益参数改变相机的拍照频率和清晰度；所述传感器组采用电磁传感器检测工作电流，根据不同通道的电流信息识别传送带上的电池外壳材料信息，并以表格形式显示和保存；所述三维相机用于拍摄旋转台上的电池图像，分析电池与夹具侧边的实际位置与理论位置的误差，使锯片成功切割电池两端并不碰撞到旋转台上的其他元件。5.根据权利要求1所述的锂电池机器人拆解控制方法，其特征在于：步骤s5至步骤s8的电池拆解过程采用plc控制模块控制，plc控制模块同时控制抓取机器人的夹爪、切割机器人的锯片、旋转台上夹具、传感器和推出气缸的工作；plc控制模块中plc的输入端有旋转台上三工位、每工位方圆两种传感器检测，输出端有旋转台三工位、每工位方圆两种夹紧气缸
与推出气缸、方形电池夹具特有的侧压气缸、抓取机器人手爪、切割机器人锯片。6.根据权利要求1所述的锂电池机器人拆解控制方法，其特征在于：步骤s6中机器人控制模块对机器人的类型进行选择，包括抓取机器人和切割机器人；机器人控制模块对选择的机器人进行单独控制并显示机器人运动状态，包括机器人某时间点的动作状态，同时实现双机器人连接控制和机器人的复位。7.根据权利要求1或6所述的锂电池机器人拆解控制方法，其特征在于：所述机器人控制模块控制机器人工作时，对机器人工作区域进行划分，在夹具上方设置机器人过渡点，抓取机器人设置机器人上、下料过渡点，切割机器人设置拆解过渡点；上、下料路径为抓取机器人从工作区边缘点移动至夹具上方过渡点，然后移动至上、下料点后，plc控制夹爪松开，随后夹爪返回至过渡点，最后回到移动区域边缘点等待移动区域工作；切割工作路径为切割机器人从工作边缘点移动至拆解过渡点，plc打开电主轴，其次从过渡点移动至左端切割起点，向下移动至左端切割终点，然后返回左端切割起点，平移至右端切割起点，向下移动至右端切割终点，之后返回移动区域边缘点；所述对机器人工作区域进行划分过程，在robot studio软件中使用示教器手动移动机器人和工作后更新储存机器人位置点，在pc上位机软件中通过控制器连接rapid接口, rapid接口连接示教器进行数据读取,获得在pc上位机软件界面显示安全点。8.根据权利要求7所述的锂电池机器人拆解控制方法，其特征在于：机器人工作区域划分后，机器人在工作区域和移动区域之间的控制设计采用rs软件与ros系统通讯的方式，利用ros系统中运动规划库完成机器人运动规划，再将数据传输并保存到rs软件模块中。9.一种锂电池机器人拆解控制系统，其特征在于：包括硬件系统和软件控制系统；硬件系统包括沿电池运动方向依次设置的传送带、抓取机器人、旋转台和回收舱，所述传送带处设置有二维相机和传感器组，旋转台处设置有三维相机和切割机器人；软件系统包括pc机及上位机控制软件以及与pc机及上位机控制软件连接的总控模块、plc控制模块、图像与材料识别模块、旋转台控制模块、机器人控制模块；pc机及上位机控制软件与机器人控制模块、plc控制模块、旋转台控制模块之间采用通讯连接，进行plc信号的输入输出、机器人的调用指令和状态读取、旋转台的启停信号与状态读取。10.根据权利要求9所述锂电池机器人拆解控制系统，其特征在于：所述pc机及上位机控制软件与机器人控制模块之间的通讯连接方式为在visual studio软件中使用sdk提供的通讯接口创建机器人控制器与rs建立socket通讯，调用sdk对应模块实现机器人自动化运行；所述pc机及上位机控制软件与plc控制模块通讯连接方式为，对plc进行二次开发，采用三菱mc协议为通讯方式，tcp/ip作为通讯协议方式；所述pc机及上位机控制软件与旋转台控制模块之间连接方式为使用自带的动态链接库mt_api进行二次开发，库中主要分为四个模块：通讯接口、运行状态检查、定速模式和定位模式，通讯接口模块实现两者通讯连接，运行状态检查实现旋转台的状态显示，通过定速和定位模式设置旋转台的工作参数。

技术总结
本发明提供了一种锂电池机器人拆解系统的控制方法及其系统，该方法将锂电池放到传送带上，启动设备，传送带开始运作，二维相机拍摄图像、电磁传感器组检测传送带上方电池电流判断电池材料与类别，将信息输入到PC上位机并在软件界面显示，随后输出信息控制抓取机器人，将传送带上的电池抓取到旋转台对应工位上，旋转台上传感器检测电池位置是否到位，三维相机拍摄旋转台上的电池图像信息判断电池理论与实际切割误差，判断无误后切割机器人开始切割电池，切割完成后推芯气缸将电芯推出，抓取机器人把电池外壳移除。本发明不仅能够实现控制锂电池机器人拆解系统的基本拆解工作，还在整个流程上提高了系统的安全性、高效性、直观性。直观性。直观性。


技术研发人员：梁睿君 叶文华 王俊伟 巫青华 王朕 马晓琪
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/8/1