Alpha Lab 实验室自动化系统方案丨参数及功能介绍

协作机器臂用于商业领域，也是To B的一种，但市场规模会比工业领域大很多。能够实现选择和放置、注塑成型、装配、包装码垛、质检、螺丝锁缚、抛光、维护保养、粘合和喷涂、分析与测量、上下料等。主要领域涉及：电子3C、汽车与零部件、一般工业与白色家电、消费品、教育与研究、一般工业GI、食品饮料、生物医药类、化妆品与香水、包装与物流、航空航天、餐饮等。

一、行业应用

随着科技和时代的高速发展，无论是科研还是生产，对实验的要求都越来越高。大部分实验室都会遇到任务量大、时间紧张、人手不足、效率低下等难题，因此实验室智能化自动化就成为必然趋势。我们致力于把协作机械臂、移动机器人系统、物联网以及人工智能等技术带入生命科学、生物制药、检验检测等行业，让实验室工作人员从低效的人工操作中解放出来，从而有更多的精力去做更有价值的事情。

本项目以物料样品运输与处理为具体对象，开展基于移动机器人系统与协作机械臂协同配合为基础的技术研究，以实现实验室全面自动化为目标开展新技术的探索，打造移动机器人系统与协作机械臂为应用开发主体的科研验证平台。

二、产品说明

2.1配件清单

三、系统组成和整体实现功能

3.1系统硬件组成

移动底盘、协作机械臂、抓手、深度摄像头、机械臂本地服务器、远程高性能服务器。

协作机械臂A搭载移动底盘，电动抓手及深度摄像头通过连接法兰安装在机械臂的末端法兰上，组成一个带抓取能力与导航移动功能的视觉协作机器人系统，并连同协作机械臂B进行样品运送与处理，全面提高实验室生产效率，从而实现实验室自动化管理。

3.2系统软件组成

系统软件包括了机器人控制驱动及运动系统，机器人示教软件，机器人远程操作及监控软件，机器人自主建图及导航系统，定制化机器人视觉系统。

3.3 系统特点与优势

自带深度信息的无线图像传输

Alpha Lab配备了具有景深信息的深度摄像头，连接机器人自带的WIFI网络可以接收带有深度信息的实时视频信息，利用机器人视觉捕获的实时图像结合精确的深度信息构建更细致的三维物理环境。

5G通信及超远距离控制

Alpha Lab可以选配4G/5G模块进行跨地域的超远距离控制，结合自带的实时视觉功能，实现真正的现场无人化操作及监控。

基于扫码信息的的精确定位

Alpha Lab具备基础的二维码及Apriltag识别功能，通过自带的深度摄像头结合识别算法对视觉范围内的目标进行更精确的空间位置定位，消除因为环境的变化对SLAM定位带来的定位误差。

基于深度学习的目标识别及空间定位

Alpha Lab充分利用搭载的深度摄像头，结合内置的深度学习人工智能算法及模型，可以在SLAM定位的基础上能更好的辅助定位目标物体的真实位置，并利用定位信息结合协作机械臂的智能轨迹规划，轻松实现针对目标物体的操作任务。

四、硬件配置技术参数

SMART移动底盘

Alpha 机械臂

腕部摄像头参数

电动抓手

五、软件功能描述和算法说明

5.1 软件功能描述

移动机器人系统和机械臂均配置了视觉系统，可对非结构化环境中的目标物体进行识别，通过挂载在移动底盘与机械臂上的深度摄像头，利用机械臂的灵活性，对周围环境进行多方位观察，并通过识别算法判断目视范围内是否存在目标，在目标确定的情况下锁定其具体位置。

该软件实现了对非结构化环境的自主建图与环境分析，在非结构化的复杂环境下，可通过搭载在机器人上的激光雷达对周围地形与障碍物进行全方位扫描，以构建与真实可行动空间吻合的环境地图；实现了复杂干扰场景下的路径规划及智能定位与行驶功能，可以自主规避意外出现的障碍物以及突发状况，依据传感器的反馈重新规划任务路线。

该软件实现了移动机器人和机械臂协同工作，移动机器人通过二维码定位获取物体具体位置信息，在设定好的坐标位置，移动机器人将物品抓取放置到操作机器人的工作平台上，等待机械臂完成任务后再返回自己的工作位置，配合紧密。

该软件构建了一套多设备的耦合系统，实现了实验室物料样品运输与处理的自动化管理。相关实验室工作人员能够设定机器人工作模式，既可以手动操作，也能设定程式实现远程无人自主操作。

5.2 算法说明

机械臂自主目标定位及抓取

利用双瞳深度摄像头，通过识别二维码在图像的位置和大小，计算抓取目标的深度并确认实际物体的大小与空间坐标偏移。在距离较近的情况下深度摄像头因为目视角度容易产生畸变从而可能会造成数值有一定偏差，在实际场景下这种偏差因为环境的改变（如二维码位置变化）而进一步增大，所以会使用Opencv相机校准之棋盘格标定算法标定。同时当目标被遮挡时，还需要观察并选取不同的角度对目标物体进行抓取。我们的方案在估算空间坐标的基础上利用机械臂的灵活性，根据实时环境计算出合适的抓取姿态接近目标物体后，利用实时视觉识别系统形成控制闭环跟踪目标物体，控制机械臂在小范围内修正位置并进行抓取任务。该方案利用机械臂的灵活度可以最大程度降低环境干扰实现精确抓取。

由于移动机器人定位精度在厘米级，因此每次试管架搬运后，放置位置可能会有一定的偏移和旋转，此时机械臂会利用双瞳深度摄像头，计算出二维码的大小和定位原点坐标，以及当前坐标系的旋转角度，再次发送试管位置坐标，计算并控制机械臂前往正确的位置并进行抓取任务。