生產(chǎn)線搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

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1、生產(chǎn)線搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討 摘要:隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，以及人力資源成本的逐步增加，迫切需要設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化搬運(yùn)機(jī)械手。本文在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，搭建了一個(gè)兩自由度平臺(tái)以及一個(gè)皮帶傳輸線，傳輸線上安裝有視覺(jué)檢測(cè)裝置，電感式傳感器。通過(guò)控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳送帶運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到預(yù)設(shè)的位置以后，視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)到工件的信息，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)機(jī)械手完成抓取動(dòng)作。首先對(duì)電源模塊、機(jī)械手驅(qū)動(dòng)模塊、視覺(jué)檢測(cè)模塊、通信模塊進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)。在電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊，通信模塊，視覺(jué)檢測(cè)模塊進(jìn)行了程序設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞:步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；STC12C5A60S2；機(jī)械手；視覺(jué)檢

2、測(cè) 1引言 工件分類是工業(yè)生產(chǎn)制造中的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的分類方式主要依靠人工完成，人工分類受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及主觀因素影響較大。近年來(lái)人力資源成本逐步增加，迫切需要一些自動(dòng)化裝置。隨著工業(yè)4.0以及智能工廠的提出，越來(lái)越多的企業(yè)開始對(duì)智能化裝置感興趣。機(jī)械手具有速度快，精度高的特點(diǎn)，將機(jī)器視覺(jué)與機(jī)器人技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)工件的分類，成為工業(yè)流水線的發(fā)展趨勢(shì)。此外，人工智能相關(guān)的技術(shù)，例如語(yǔ)音識(shí)別，圖像處理，運(yùn)動(dòng)控制取得明顯進(jìn)步，從而為自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了可能[1-2]。文章首先討論了機(jī)械手系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，在分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)電源模塊、機(jī)械手驅(qū)動(dòng)模

3、塊、視覺(jué)檢測(cè)模塊、通信模塊進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)。在電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊，通信模塊，視覺(jué)檢測(cè)模塊進(jìn)行了程序設(shè)計(jì)。 2系統(tǒng)工作原理與機(jī)械本體分析 其工作原理是：傳送帶上運(yùn)輸一手機(jī)外殼，工件到達(dá)傳送帶的位置已知，傳送帶上有標(biāo)記，攝像頭獲取工件的位置信息，視覺(jué)處理模塊將檢測(cè)到工件的位置信息與顏色信息經(jīng)處理發(fā)送到主機(jī)模塊。主機(jī)模塊處理位置數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)二自由度平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，在達(dá)到規(guī)定位置時(shí)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電磁鐵得電，完成抓取動(dòng)作。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，首先進(jìn)行了機(jī)械手本體設(shè)計(jì)，本文選擇了一種二自由度平臺(tái)，平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。 3硬件電路

4、設(shè)計(jì) 3.1系統(tǒng)電源模塊電路設(shè)計(jì) 為了給主從機(jī)控制系統(tǒng)、電磁閥以及其它外圍設(shè)備供電，系統(tǒng)選擇了LM25011芯片。LM25011具有較大的電壓輸入范圍，輸入電壓6V至42V電壓，開關(guān)頻率可達(dá)2MHZ，最大可以給負(fù)載提供達(dá)2A電流。輸出電壓具有非常小的紋波，滿足為OPENMV供電等需求[3-4]。系統(tǒng)電源模塊電路圖如圖2所示。 3.2位置檢測(cè)電路 為了保證手機(jī)外殼通過(guò)傳送帶達(dá)到一個(gè)具體位置并停止，系統(tǒng)選擇了一種電感式接近開關(guān)，其型號(hào)為：LJ18A3-8-Z/BX，檢測(cè)范圍為8mm，是一種NPN型傳感器。棕色線連接電源正極，蘭色線連接電源負(fù)極，黑色為

5、信號(hào)線。系統(tǒng)選擇了一種高速光耦PC817，當(dāng)傳感器輸出為低電平時(shí)，導(dǎo)通，系統(tǒng)輸出低電平Motor_Stop連接至控制系統(tǒng)[5-6]。當(dāng)沒(méi)有檢測(cè)到手機(jī)外殼時(shí)，傳感器輸出高電平，不導(dǎo)通，系統(tǒng)輸出高電平。 3.3工件檢測(cè)電路 由于工件每次都達(dá)到一個(gè)固定位置，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)，在傳動(dòng)帶末端增加了一個(gè)檢測(cè)裝置。當(dāng)工件到達(dá)末端時(shí)，電感式傳感器給控制系統(tǒng)一個(gè)信號(hào)。控制系統(tǒng)檢測(cè)到信號(hào)以后傳送帶停止運(yùn)動(dòng)。在系統(tǒng)固定位置設(shè)置一個(gè)APRILTAG標(biāo)記，得到物體相對(duì)于相機(jī)的三個(gè)平移坐標(biāo)以及其它的三個(gè)旋轉(zhuǎn)分量，從而可以得到工件相對(duì)于相機(jī)的位置，便于驅(qū)動(dòng)機(jī)械手完成抓取動(dòng)作。 3.

6、4視覺(jué)通信電路 系統(tǒng)采用了主從式的構(gòu)架，STC12C5A60S2單片機(jī)作為主機(jī)，接收OPENMV發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的數(shù)據(jù)格式完成數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)選擇的通信速度9600bps、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位。預(yù)先設(shè)置的通信格式為起始標(biāo)志+X軸數(shù)據(jù)+逗號(hào)+Y軸數(shù)據(jù)+字符b+結(jié)束標(biāo)記。 3.5驅(qū)動(dòng)模塊電路 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)X、Z軸電機(jī)進(jìn)行控制，系統(tǒng)選擇了42步進(jìn)電機(jī)，選擇的驅(qū)動(dòng)器為FMDD50D40NOM。通過(guò)SW1-SW4設(shè)置電機(jī)電流為2A。通過(guò)SW5-SW8設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)，系統(tǒng)設(shè)置細(xì)分?jǐn)?shù)為800。 4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.1視覺(jué)檢測(cè)模塊

7、程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)選擇了一種視覺(jué)處理模塊，其處理器為STM32?？梢圆捎媚壳傲餍械腗icroPython進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。（1）導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的模塊，系統(tǒng)需要用到sensor、image、time。然后導(dǎo)入frompybimportUART，進(jìn)行串口通信的配置。配置為使用串口3，波特率為9600bps。（2）需要尋找的顏色閾值設(shè)置，需要設(shè)置lmin，lmax，Amin，Amax，Bmin，Bmax。可以通過(guò)工具--機(jī)器視覺(jué)--閾值編輯器，提取目標(biāo)對(duì)應(yīng)的閾值。視覺(jué)檢測(cè)模塊程序設(shè)計(jì)思路為：初始化攝像頭傳感器，采用RGB565像素格式，采用QQVGA其目的是為了提高速度，讓新的設(shè)置生效，然后關(guān)閉白平衡

8、。以后控制系統(tǒng)不停的循環(huán)，采集一張圖像，尋找目標(biāo)顏色，如果找到了對(duì)應(yīng)的顏色，用矩形標(biāo)注目標(biāo)顏色對(duì)應(yīng)的區(qū)域，向控制系統(tǒng)發(fā)送對(duì)應(yīng)的一幀數(shù)據(jù)[9]。 4.2通信模塊程序設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)與視覺(jué)檢測(cè)模塊主要采用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。控制系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)以后，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。首先需要完成的是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。如果接收到數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量小于緩沖區(qū)的大小，并且起始字符為a，則進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，說(shuō)明為數(shù)據(jù)起始幀。如果標(biāo)志位為1，說(shuō)明起始數(shù)據(jù)正確。在起始數(shù)據(jù)正確的前提下，并且數(shù)據(jù)不為字符b，進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。如果接收到的數(shù)據(jù)為b，則說(shuō)明接收到了數(shù)據(jù)傳輸完成標(biāo)志，接收完成標(biāo)志位置1，同時(shí)關(guān)閉串口中斷。緊

9、接著系統(tǒng)處理接收到的數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)置的顏色，驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成對(duì)應(yīng)的抓取動(dòng)作，如果不為設(shè)置的顏色，則控制系統(tǒng)不會(huì)運(yùn)動(dòng)。 4.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) 電感式傳感器檢測(cè)到工件到達(dá)預(yù)定的位置，視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)到工件的顏色符合待抓取的顏色以后，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，運(yùn)動(dòng)到待抓取點(diǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)繼電器的線圈，控制電磁鐵完成抓取動(dòng)作。運(yùn)動(dòng)到規(guī)定的位置以后，再釋放物體。電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序主要包括底層的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，方向判別函數(shù)等。通過(guò)傳入函數(shù)的脈沖數(shù)，脈沖的方向，需要驅(qū)動(dòng)的電機(jī)軸，控制系統(tǒng)完成步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的控制[10]。 5實(shí)驗(yàn)與總結(jié) 5.1實(shí)驗(yàn) 為了對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行驗(yàn)證，系統(tǒng)

10、準(zhǔn)備了紅色與綠色兩個(gè)不同顏色的物體。假設(shè)紅色為抓取的物體，通過(guò)設(shè)置紅色物體的閾值，當(dāng)視覺(jué)傳感器檢測(cè)到紅色物體時(shí)，向主控單元發(fā)送對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。通過(guò)串口調(diào)試助手監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信息如表3所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠的抓取物體。 6結(jié)束語(yǔ) 本文搭建了一個(gè)兩自由度平臺(tái)，組裝了一個(gè)皮帶傳輸線，傳輸線上安裝有視覺(jué)檢測(cè)裝置，電感式傳感器。通過(guò)控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳送帶運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到預(yù)設(shè)的位置以后，視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)工件的信息，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)機(jī)械手完成抓取動(dòng)作。系統(tǒng)采用了單片機(jī)控制技術(shù)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、視覺(jué)檢測(cè)、傳感器技術(shù)，系統(tǒng)不僅可以用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，還可以應(yīng)用于高職學(xué)校的教學(xué)。