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1、生產(chǎn)線搬運機械手控制系統(tǒng)設(shè)計探討
摘要:隨著工業(yè)機器人技術(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)計一種自動化搬運機械手。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。通過控制直流電機驅(qū)動傳送帶運動,運動到預(yù)設(shè)的位置以后,視覺系統(tǒng)檢測到工件的信息,進而驅(qū)動機械手完成抓取動作。首先對電源模塊、機械手驅(qū)動模塊、視覺檢測模塊、通信模塊進行了電路設(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,視覺檢測模塊進行了程序設(shè)計。
關(guān)鍵詞:步進電機驅(qū)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(shù)結(jié)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(guān)的技術(shù),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(shè)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(jié)構(gòu),在分析的基礎(chǔ)上,進行了機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計。在結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上,對電源模塊、機械手驅(qū)動模
3、塊、視覺檢測模塊、通信模塊進行了電路設(shè)計。在電路設(shè)計的基礎(chǔ)上,進行了控制系統(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,視覺檢測模塊進行了程序設(shè)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(qū)動二自由度平臺運動,在達到規(guī)定位置時,通過驅(qū)動電磁鐵得電,完成抓取動作。為了實現(xiàn)上述功能,首先進行了機械手本體設(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
4、設(shè)計
3.1系統(tǒng)電源模塊電路設(shè)計
為了給主從機控制系統(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(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(dǎo)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(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。控制系統(tǒng)檢測到信號以后傳送帶停止運動。在系統(tǒng)固定位置設(shè)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(zhuǎn)分量,從而可以得到工件相對于相機的位置,便于驅(qū)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(gòu)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(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志+X軸數(shù)據(jù)+逗號+Y軸數(shù)據(jù)+字符b+結(jié)束標記。
3.5驅(qū)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(qū)動器為FMDD50D40NOM。通過SW1-SW4設(shè)置電機電流為2A。通過SW5-SW8設(shè)置步進電機的細分數(shù),系統(tǒng)設(shè)置細分數(shù)為800。
4系統(tǒng)軟件設(shè)計
4.1視覺檢測模塊
7、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進行編程實現(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--機器視覺--閾值編輯器,提取目標對應(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
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(yīng)的顏色,用矩形標注目標顏色對應(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行數(shù)據(jù)傳輸??刂葡到y(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(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)動電機完成對應(yīng)的抓取動作,如果不為設(shè)置的顏色,則控制系統(tǒng)不會運動。
4.3電機驅(qū)動程序設(shè)計
電感式傳感器檢測到工件到達預(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,單片機控制步進電機驅(qū)動器,運動到待抓取點,進而驅(qū)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(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)動的電機軸,控制系統(tǒng)完成步進驅(qū)動器的控制[10]。
5實驗與總結(jié)
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(shè)紅色為抓取的物體,通過設(shè)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(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。通過控制直流電機驅(qū)動傳送帶運動,運動到預(yù)設(shè)的位置以后,視覺系統(tǒng)檢測工件的信息,進而驅(qū)動機械手完成抓取動作。系統(tǒng)采用了單片機控制技術(shù)、步進電機驅(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)用于高職學校的教學。