生產(chǎn)線搬運機械手控制系統(tǒng)設計探討

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1、生產(chǎn)線搬運機械手控制系統(tǒng)設計探討 摘要:隨著工業(yè)機器人技術的不斷發(fā)展，以及人力資源成本的逐步增加，迫切需要設計一種自動化搬運機械手。本文在廣泛調研的基礎上，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。通過控制直流電機驅動傳送帶運動，運動到預設的位置以后，視覺系統(tǒng)檢測到工件的信息，進而驅動機械手完成抓取動作。首先對電源模塊、機械手驅動模塊、視覺檢測模塊、通信模塊進行了電路設計。在電路設計的基礎上，采用模塊化的設計方法，對驅動模塊，通信模塊，視覺檢測模塊進行了程序設計。 關鍵詞:步進電機驅動模塊；STC12C5A60S2；機械手；視覺檢

2、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。機械手具有速度快，精度高的特點，將機器視覺與機器人技術結合，實現(xiàn)工件的分類，成為工業(yè)流水線的發(fā)展趨勢。此外，人工智能相關的技術，例如語音識別，圖像處理，運動控制取得明顯進步，從而為自動化系統(tǒng)設計提供了可能[1-2]。文章首先討論了機械手系統(tǒng)的基本結構，在分析的基礎上，進行了機械手結構設計。在結構設計的基礎上，對電源模塊、機械手驅動模

3、塊、視覺檢測模塊、通信模塊進行了電路設計。在電路設計的基礎上，進行了控制系統(tǒng)軟件設計，采用模塊化的設計方法，對驅動模塊，通信模塊，視覺檢測模塊進行了程序設計。 2系統(tǒng)工作原理與機械本體分析 其工作原理是：傳送帶上運輸一手機外殼，工件到達傳送帶的位置已知，傳送帶上有標記，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)送到主機模塊。主機模塊處理位置數(shù)據(jù)，驅動二自由度平臺運動，在達到規(guī)定位置時，通過驅動電磁鐵得電，完成抓取動作。為了實現(xiàn)上述功能，首先進行了機械手本體設計，本文選擇了一種二自由度平臺，平臺的結構如圖1所示。 3硬件電路

4、設計 3.1系統(tǒng)電源模塊電路設計 為了給主從機控制系統(tǒng)、電磁閥以及其它外圍設備供電，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，開關頻率可達2MHZ，最大可以給負載提供達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 為了保證手機外殼通過傳送帶達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，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，蘭色線連接電源負極，黑色為

5、信號線。系統(tǒng)選擇了一種高速光耦PC817，當傳感器輸出為低電平時，導通，系統(tǒng)輸出低電平Motor_Stop連接至控制系統(tǒng)[5-6]。當沒有檢測到手機外殼時，傳感器輸出高電平，不導通，系統(tǒng)輸出高電平。 3.3工件檢測電路 由于工件每次都達到一個固定位置，為了實現(xiàn)對工件進行檢測，在傳動帶末端增加了一個檢測裝置。當工件到達末端時，電感式傳感器給控制系統(tǒng)一個信號?？刂葡到y(tǒng)檢測到信號以后傳送帶停止運動。在系統(tǒng)固定位置設置一個APRILTAG標記，得到物體相對于相機的三個平移坐標以及其它的三個旋轉分量，從而可以得到工件相對于相機的位置，便于驅動機械手完成抓取動作。 3.

6、4視覺通信電路 系統(tǒng)采用了主從式的構架，STC12C5A60S2單片機作為主機，接收OPENMV發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)預先設置的數(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。預先設置的通信格式為起始標志+X軸數(shù)據(jù)+逗號+Y軸數(shù)據(jù)+字符b+結束標記。 3.5驅動模塊電路 為了實現(xiàn)對X、Z軸電機進行控制，系統(tǒng)選擇了42步進電機，選擇的驅動器為FMDD50D40NOM。通過SW1-SW4設置電機電流為2A。通過SW5-SW8設置步進電機的細分數(shù)，系統(tǒng)設置細分數(shù)為800。 4系統(tǒng)軟件設計 4.1視覺檢測模塊

7、程序設計 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進行編程實現(xiàn)。（1）導入對應的模塊，系統(tǒng)需要用到sensor、image、time。然后導入frompybimportUART，進行串口通信的配置。配置為使用串口3，波特率為9600bps。（2）需要尋找的顏色閾值設置，需要設置lmin，lmax，Amin，Amax，Bmin，Bmax?？梢酝ㄟ^工具--機器視覺--閾值編輯器，提取目標對應的閾值。視覺檢測模塊程序設計思路為：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，讓新的設置生效，然后關閉白平衡

8、。以后控制系統(tǒng)不停的循環(huán)，采集一張圖像，尋找目標顏色，如果找到了對應的顏色，用矩形標注目標顏色對應的區(qū)域，向控制系統(tǒng)發(fā)送對應的一幀數(shù)據(jù)[9]。 4.2通信模塊程序設計 控制系統(tǒng)與視覺檢測模塊主要采用串口進行數(shù)據(jù)傳輸。控制系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)以后，進行數(shù)據(jù)分析。首先需要完成的是數(shù)據(jù)存儲，然后進行數(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，則進行數(shù)據(jù)保存，說明為數(shù)據(jù)起始幀。如果標志位為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)傳輸完成標志，接收完成標志位置1，同時關閉串口中斷。緊

9、接著系統(tǒng)處理接收到的數(shù)據(jù)。根據(jù)設置的顏色，驅動電機完成對應的抓取動作，如果不為設置的顏色，則控制系統(tǒng)不會運動。 4.3電機驅動程序設計 電感式傳感器檢測到工件到達預定的位置，視覺系統(tǒng)檢測到工件的顏色符合待抓取的顏色以后，單片機控制步進電機驅動器，運動到待抓取點，進而驅動繼電器的線圈，控制電磁鐵完成抓取動作。運動到規(guī)定的位置以后，再釋放物體。電機驅動程序主要包括底層的驅動函數(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，需要驅動的電機軸，控制系統(tǒng)完成步進驅動器的控制[10]。 5實驗與總結 5.1實驗 為了對系統(tǒng)功能進行驗證，系統(tǒng)

10、準備了紅色與綠色兩個不同顏色的物體。假設紅色為抓取的物體，通過設置紅色物體的閾值，當視覺傳感器檢測到紅色物體時，向主控單元發(fā)送對應的數(shù)據(jù)。通過串口調試助手監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息如表3所示。通過實驗表明，控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠的抓取物體。 6結束語 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。通過控制直流電機驅動傳送帶運動，運動到預設的位置以后，視覺系統(tǒng)檢測工件的信息，進而驅動機械手完成抓取動作。系統(tǒng)采用了單片機控制技術、步進電機驅動技術、視覺檢測、傳感器技術，系統(tǒng)不僅可以用于工業(yè)現(xiàn)場，還可以應用于高職學校的教學。