生產(chǎn)線搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計探討 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)計一種自動化搬運(yùn)機(jī)械手。本文在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，搭建了一個兩自由度平臺以及一個皮帶傳輸線，傳輸線上安裝有視覺檢測裝置，電感式傳感器。通過控制直流電機(jī)驅(qū)動傳送帶運(yùn)動，運(yùn)動到預(yù)設(shè)的位置以后，視覺系統(tǒng)檢測到工件的信息，進(jìn)而驅(qū)動機(jī)械手完成抓取動作。首先對電源模塊、機(jī)械手驅(qū)動模塊、視覺檢測模塊、通信模塊進(jìn)行了電路設(shè)計。在電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用模塊化的設(shè)計方法，對驅(qū)動模塊，通信模塊，視覺檢測模塊進(jìn)行了程序設(shè)計。關(guān)鍵詞:步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊；STC12C5A60S2；機(jī)械手；視覺檢測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)場環(huán)境及主觀因素影響較大。近年來人力資源成本逐步增加，迫切需要一些自動化裝置。隨著工業(yè)4.0以及智能工廠的提出，越來越多的企業(yè)開始對智能化裝置感興趣。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。此外，人工智能相關(guān)的技術(shù)，例如語音識別，圖像處理，運(yùn)動控制取得明顯進(jìn)步，從而為自動化系統(tǒng)設(shè)計提供了可能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。在結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，對電源模塊、機(jī)械手驅(qū)動模塊、視覺檢測模塊、通信模塊進(jìn)行了電路設(shè)計。在電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了控制系統(tǒng)軟件設(shè)計，采用模塊化的設(shè)計方法，對驅(qū)動模塊，通信模塊，視覺檢測模塊進(jìn)行了程序設(shè)計。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，視覺處理模塊將檢測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)動二自由度平臺運(yùn)動，在達(dá)到規(guī)定位置時，通過驅(qū)動電磁鐵得電，完成抓取動作。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，本文選擇了一種二自由度平臺，平臺的結(jié)構(gòu)如圖1所示。3硬件電路設(shè)計3.1系統(tǒng)電源模塊電路設(shè)計為了給主從機(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位置檢測電路為了保證手機(jī)外殼通過傳送帶達(dá)到一個具體位置并停止，系統(tǒng)選擇了一種電感式接近開關(guān)，其型號為：LJ18A3-8-Z/BX，檢測范圍為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，黑色為信號線。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，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)沒有檢測到手機(jī)外殼時，傳感器輸出高電平，不導(dǎo)通，系統(tǒng)輸出高電平。3.3工件檢測電路由于工件每次都達(dá)到一個固定位置，為了實(shí)現(xiàn)對工件進(jìn)行檢測，在傳動帶末端增加了一個檢測裝置。當(dāng)工件到達(dá)末端時，電感式傳感器給控制系統(tǒng)一個信號。控制系統(tǒng)檢測到信號以后傳送帶停止運(yùn)動。在系統(tǒng)固定位置設(shè)置一個APRILTAG標(biāo)記，得到物體相對于相機(jī)的三個平移坐標(biāo)以及其它的三個旋轉(zhuǎn)分量，從而可以得到工件相對于相機(jī)的位置，便于驅(qū)動機(jī)械手完成抓取動作。3.4視覺通信電路系統(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)送過來的數(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個數(shù)據(jù)位、1個停止位。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+Y軸數(shù)據(jù)+字符b+結(jié)束標(biāo)記。3.5驅(qū)動模塊電路為了實(shí)現(xiàn)對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)動器為FMDD50D40NOM。通過SW1-SW4設(shè)置電機(jī)電流為2A。通過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4.1視覺檢測模塊程序設(shè)計系統(tǒng)選擇了一種視覺處理模塊，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?？梢酝ㄟ^工具-機(jī)器視覺-閾值編輯器，提取目標(biāo)對應(yīng)的閾值。視覺檢測模塊程序設(shè)計思路為：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。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，如果找到了對應(yīng)的顏色，用矩形標(biāo)注目標(biāo)顏色對應(yīng)的區(qū)域，向控制系統(tǒng)發(fā)送對應(yīng)的一幀數(shù)據(jù)9。4.2通信模塊程序設(shè)計控制系統(tǒng)與視覺檢測模塊主要采用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?？刂葡到y(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，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，說明為數(shù)據(jù)起始幀。如果標(biāo)志位為1，說明起始數(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，同時關(guān)閉串口中斷。緊接著系統(tǒng)處理接收到的數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)置的顏色，驅(qū)動電機(jī)完成對應(yīng)的抓取動作，如果不為設(shè)置的顏色，則控制系統(tǒng)不會運(yùn)動。4.3電機(jī)驅(qū)動程序設(shè)計電感式傳感器檢測到工件到達(dá)預(yù)定的位置，視覺系統(tǒng)檢測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)動器，運(yùn)動到待抓取點(diǎn)，進(jìn)而驅(qū)動繼電器的線圈，控制電磁鐵完成抓取動作。運(yùn)動到規(guī)定的位置以后，再釋放物體。電機(jī)驅(qū)動程序主要包括底層的驅(qū)動函數(shù)，方向判別函數(shù)等。通過傳入函數(shù)的脈沖數(shù)，脈沖的方向，需要驅(qū)動的電機(jī)軸，控制系統(tǒng)完成步進(jìn)驅(qū)動器的控制10。5實(shí)驗與總結(jié)5.1實(shí)驗為了對系統(tǒng)功能進(jìn)行驗證，系統(tǒng)準(zhǔn)備了紅色與綠色兩個不同顏色的物體。假設(shè)紅色為抓取的物體，通過設(shè)置紅色物體的閾值，當(dāng)視覺傳感器檢測到紅色物體時，向主控單元發(fā)送對應(yīng)的數(shù)據(jù)。通過串口調(diào)試助手監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息如表3所示。通過實(shí)驗表明，控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠的抓取物體。6結(jié)束語本文搭建了一個兩自由度平臺，組裝了一個皮帶傳輸線，傳輸線上安裝有視覺檢測裝置，電感式傳感器。通過控制直流電機(jī)驅(qū)動傳送帶運(yùn)動，運(yùn)動到預(yù)設(shè)的位置以后，視覺系統(tǒng)檢測工件的信息，進(jìn)而驅(qū)動機(jī)械手完成抓取動作。系統(tǒng)采用了單片機(jī)控制技術(shù)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動技術(shù)、視覺檢測、傳感器技術(shù)，系統(tǒng)不僅可以用于工業(yè)現(xiàn)場，還可以應(yīng)用于高職學(xué)校的教學(xué)。