摘要:随着工业机器人技术的不断发展，以及人力资源成本的逐步增加，迫切需要设计一种自动化搬运机械手。本文在广泛调研的基础上，搭建了一个两自由度平台以及一个皮带传输线，传输线上安装有视觉检测装置，电感式传感器。通过控制直流电机驱动传送带运动，运动到预设的位置以后，视觉系统检测到工件的信息，进而驱动机械手完成抓取动作。首先对电源模块、机械手驱动模块、视觉检测模块、通信模块进行了电路设计。在电路设计的基础上，采用模块化的设计方法，对驱动模块，通信模块，视觉检测模块进行了程序设计。
关键词:步进电机驱动模块；STC12C5A60S2；机械手；视觉检测
1引言
工件分类是工业生产制造中的重要环节，传统的分类方式主要依靠人工完成，人工分类受现场环境及主观因素影响较大。近年来人力资源成本逐步增加，迫切需要一些自动化装置。随着工业4.0以及智能工厂的提出，越来越多的企业开始对智能化装置感兴趣。机械手具有速度快，精度高的特点，将机器视觉与机器人技术结合，实现工件的分类，成为工业流水线的发展趋势。此外，人工智能相关的技术，例如语音识别，图像处理，运动控制取得明显进步，从而为自动化系统设计提供了可能[1-2]。文章首先讨论了机械手系统的基本结构，在分析的基础上，进行了机械手结构设计。在结构设计的基础上，对电源模块、机械手驱动模块、视觉检测模块、通信模块进行了电路设计。在电路设计的基础上，进行了控制系统软件设计，采用模块化的设计方法，对驱动模块，通信模块，视觉检测模块进行了程序设计。
2系统工作原理与机械本体分析
其工作原理是：传送带上运输一手机外壳，工件到达传送带的位置已知，传送带上有标记，摄像头获取工件的位置信息，视觉处理模块将检测到工件的位置信息与颜色信息经处理发送到主机模块。主机模块处理位置数据，驱动二自由度平台运动，在达到规定位置时，通过驱动电磁铁得电，完成抓取动作。为了实现上述功能，首先进行了机械手本体设计，本文选择了一种二自由度平台，平台的结构如图1所示。
3硬件电路设计
3.1系统电源模块电路设计
为了给主从机控制系统、电磁阀以及其它设备供电，系统选择了LM25011芯片。LM25011具有较大的电压输入范围，输入电压6V至42V电压，开关频率可达2MHZ，最大可以给负载提供达2A电流。输出电压具有非常小的纹波，满足为OPENMV供电等需求[3-4]。系统电源模块电路图如图2所示。
3.2位置检测电路
为了保证手机外壳通过传送带达到一个具体位置并停止，系统选择了一种电感式接近开关，其型号为：LJ18A3-8-Z/BX，检测范围为8mm，是一种NPN型传感器。棕色线连接电源正极，兰色线连接电源负极，黑色为信号线。系统选择了一种高速光耦PC817，当传感器输出为低电平时，导通，系统输出低电平Motor_Stop连接至控制系统[5-6]。当没有检测到手机外壳时，传感器输出高电平，不导通，系统输出高电平。
3.3工件检测电路
由于工件每次都达到一个固定位置，为了实现对工件进行检测，在传动带末端增加了一个检测装置。当工件到达末端时，电感式传感器给控制系统一个信号。控制系统检测到信号以后传送带停止运动。在系统固定位置设置一个APRILTAG标记，得到物体相对于相机的三个平移坐标以及其它的三个旋转分量，从而可以得到工件相对于相机的位置，便于驱动机械手完成抓取动作。
3.4视觉通信电路
系统采用了主从式的构架，STC12C5A60S2单片机作为主机，接收OPENMV发送过来的数据信息，根据预先设置的数据格式完成数据处理。系统选择的通信速度9600bps、8个数据位、1个停止位。预先设置的通信格式为起始标志+X轴数据+逗号+Y轴数据+字符b+结束标记。
3.5驱动模块电路
为了实现对X、Z轴电机进行控制，系统选择了42步进电机，选择的驱动器为FMDD50D40NOM。通过SW1-SW4设置电机电流为2A。通过SW5-SW8设置步进电机的细分数，系统设置细分数为800。
4系统软件设计
4.1视觉检测模块程序设计
系统选择了一种视觉处理模块，其处理器为STM32。可以采用目前流行的MicroPython进行编程实现。（1）导入对应的模块，系统需要用到sensor、image、time。然后导入frompybimportUART，进行串口通信的配置。配置为使用串口3，波特率为9600bps。（2）需要寻找的颜色阈值设置，需要设置lmin，lmax，Amin，Amax，Bmin，Bmax。可以通过工具——机器视觉——阈值编辑器，提取目标对应的阈值。视觉检测模块程序设计思路为：初始化摄像头传感器，采用RGB565像素格式，采用QQVGA其目的是为了提高速度，让新的设置生效，然后关闭白平衡。以后控制系统不停的循环，采集一张图像，寻找目标颜色，如果找到了对应的颜色，用矩形标注目标颜色对应的区域，向控制系统发送对应的一帧数据[9]。
4.2通信模块程序设计
控制系统与视觉检测模块主要采用串口进行数据传输。控制系统接收到数据以后，进行数据分析。首先需要完成的是数据存储，然后进行数据分析。如果接收到数据，数据量小于缓冲区的大小，并且起始字符为a，则进行数据保存，说明为数据起始帧。如果标志位为1，说明起始数据正确。在起始数据正确的前提下，并且数据不为字符b，进行数据保存。如果接收到的数据为b，则说明接收到了数据传输完成标志，接收完成标志位置1，同时关闭串口中断。紧接着系统处理接收到的数据。根据设置的颜色，驱动电机完成对应的抓取动作，如果不为设置的颜色，则控制系统不会运动。
4.3电机驱动程序设计
电感式传感器检测到工件到达预定的位置，视觉系统检测到工件的颜色符合待抓取的颜色以后，单片机控制步进电机驱动器，运动到待抓取点，进而驱动继电器的线圈，控制电磁铁完成抓取动作。运动到规定的位置以后，再释放物体。电机驱动程序主要包括底层的驱动函数，方向判别函数等。通过传入函数的脉冲数，脉冲的方向，需要驱动的电机轴，控制系统完成步进驱动器的控制[10]。
5实验与总结
5.1实验
为了对系统功能进行验证，系统准备了红色与绿色两个不同颜色的物体。假设红色为抓取的物体，通过设置红色物体的阈值，当视觉传感器检测到红色物体时，向主控单元发送对应的数据。通过串口调试助手监测到的数据信息如表3所示。通过实验表明，控制系统能够稳定、可靠的抓取物体。
6结束语
本文搭建了一个两自由度平台，组装了一个皮带传输线，传输线上安装有视觉检测装置，电感式传感器。通过控制直流电机驱动传送带运动，运动到预设的位置以后，视觉系统检测工件的信息，进而驱动机械手完成抓取动作。系统采用了单片机控制技术、步进电机驱动技术、视觉检测、传感器技术，系统不仅可以用于工业现场，还可以应用于高职学校的教学。
作者:何玉辉 王海旭 苗玉刚 于宁静 单位:四川信息职业技术学院