生產(chǎn)線搬運機械手控制系統(tǒng)設計探討

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。3.4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。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)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。