六自由度機械手在產品包裝檢測線上的應用

天地（常州）自動化股份有限公司 祝國源

六自由度機械手在產品包裝檢測線上的應用

天地（常州）自動化股份有限公司 祝國源

針對已包裝好的產品存在漏裝配件的問題，采用人工檢驗方法費時費力，本設計提出采用位置檢測與稱重相結合的方法，可準確檢測識別出不合格產品，并通過六自由度機械手將檢出的不合格品自動搬至不合格品存放區，進行分類管理。該系統能夠快速篩選出不合格品，在提高工作效率的同時，降低了工人的勞動強度。

產品包裝；自動檢測；六自由度；機械手

0 引言

近幾年隨著勞動力成本上漲和用工荒的日益嚴重，以勞動密集型企業為主的中國制造業進入發展的瓶頸期。隨著自動化技術的發展，以工業機器人為代表的高端自動化技術日漸成熟，機器人行業迎來了風口，同時企業為了解決用工荒的問題對于使用機械手來代替人工的興趣越來越濃厚。而作為工業機器人的重要分支的工業機械手，具有非常重要的研究意義。

手機等便攜式電子產品，除機體本體外，一般都隨機配置有充電器、連接線纜、耳機等配件，其手機本體及相關配件出廠時都包裝在一個盒內提交給用戶，如果生產過程控制不嚴，在產品包裝環節就會發生漏裝配件的問題，如果采用人工檢驗的方法，需將產品的包裝盒打開，檢驗完成后再恢復包裝，費時費力。本設計探索采用機械手配合相關檢測傳感器，針對外形包裝相同的同一類產品，在不需打開包裝盒前提下實現快速檢驗，確認是否漏裝配件，并使用機械手將檢出的不合格品放置于不合格區，實現自動檢測、自動剔除不合格品，提高生產效率。

1 系統硬件設計

本機械手控制系統由系統硬件和系統軟件兩大部分組成，系統硬件由控制器、傳感器、驅動模塊、電源模塊與舵機共5大部分組成，其中電源模塊負責提供控制器、驅動模塊、傳感器等所需的電源，控制器是本系統的控制核心，它采集傳感器的信號，并將相應的控制命令發送到驅動模塊，驅動模塊接到控制器發來的命令后驅動舵機完成物品的搬運工作。它們各執其責一起組成了硬件系統，系統硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖

1.1 控制系統平臺

本項目控制器選用基于Cortex-M3內核的STM32F103為控制核心，驅動模塊選用STC12C5A60S2-LQFP44單片機為控制核心。控制器完成傳感器信號采集及處理，并將控制操作信號通過通訊口傳輸給驅動模塊，驅動舵機完成指定動作。

1.2 供電電源設計

控制器：控制器外接輸入電源DC5V（可通過USB口或移動電源提供），并經LT1117-3.3V電源芯片將DC5V電源轉換為DC3.3V，提供控制板所需的電源。如圖2所示。

圖2 5 V轉換3.3 V電路

驅動模塊及舵機：驅動模塊電路板所需電源為DC5V，舵機所需的電源為DC6V左右，外接電源通過7.4V/2200mAh的電池供電，并經AMS1117-5V電源芯片將DC7.4V電源轉換為DC5V，提供電路板所需的電源。通過降壓芯片將DC7.4V電源轉換為DC6V，提供舵機所需的電源。

傳感器：傳感器所需供電為DC5V或DC3.3V，從控制板DC3.3V電源端子直接引出即可。

1.3 傳感器設計

為了實現在不打開產品包裝盒的前提下檢測產品包裝盒內是否漏裝相關配件，我們采用稱重傳感器獲得物體重量的方式來核定產品合格與否。

（1）稱重傳感器

稱重傳感器，由電阻應變式壓力傳感器和HX711AD模塊組成。其檢測原理如圖3所示，該傳感器上下表面各有一個應變片，每個應變片內有2個壓力電阻。一共為4個壓力電阻，組成的全橋式電路。當有物體放置于傳感器上時，由于應變片受力不同，其全橋電路輸出電壓信號。

圖3 壓力傳感器原理圖

壓力信號轉化為模擬電壓信號后經過AD模塊放大轉為數字信號。傳感器信號采用二線制輸出，接入控制板的IO口，數據按照AD模塊時序讀取。稱重傳感器原理圖如圖4所示。

（2）紅外探測傳感器

系統采用紅外探測傳感器來探測有無待檢測的產品到達指定位置，紅外探測傳感器具有一對紅外線發射與接收管，發射管發射出一定頻率的紅外線，當檢測方向遇到障礙物（反射面）時，紅外線反射回來被接收管接收，經過比較器電路處理之后，紅外探測傳感器電路板上綠色指示燈會亮起，同時傳感器信號輸出接口輸出一個低電平數字信號，可通過電位器旋鈕調節檢測距離。傳感器的電路

原理圖如圖5所示。

圖4 稱重傳感器原理圖

圖5 紅外探測傳感器電路原理圖

1.4 舵機設計

舵機是一種位置（角度）伺服的驅動器，如圖6所示，通過三根線與其它設備連接，分別為VCC、GND、信號線。信號線輸入周期為20ms的PWM控制信號。舵機的控制一般需要一個20ms左右的脈沖，該時基脈沖的高電平部分一般為0.5ms～2.5ms范圍內的角度控制脈沖。180度角度伺服其對應的控制關系如下：

圖6 舵機結構圖

舵機的追隨特性：

假設現在舵機穩定在A點，這時候控制器發出一個PWM信號，舵機全速由A點運動到B點，經過一段時間△T后，舵機運動到B點。

圖7 舵機運動控制

保持時間為Tu：

當Tu≥△T時，舵機能夠到達目標，并有剩余時間；

當Tu≤△T時，時間不夠，舵機不能到達目標；

理論上：當Tu=△T時，時間匹配，系統最連貫，而且舵機運動的最快。

實際過程中u不盡相同，連貫運動時的極限△T比較難以計算出來。

本設計選用了兩個DS3115和四個MG996R舵機作為驅動模塊。形成六自由度的機械手，實現物體的夾持、提升、轉動等動作，完成物體從A位置搬運到B位置的任務目標。

2 系統軟件設計

軟件流程框圖如圖8所示，系統上電先進行初始化，初始化完成后進入等待檢測階段，判定有物體進入后，啟動稱重傳感器對被測物進行稱重，獲取物體的重量，然后與系統預設的物體的標稱重量進行比較，如比較值超出設定的允許范圍，則發出控制命令驅動機械手將被測物抓起放到指定的不合格區，動作完成后，機械手歸位返回到初始位置待命。

2.1 系統初始化

系統上電先進行初始化，完成通訊口、IO口等初始化設置。設置完成后給舵機發送控制命令，控制機械手運行到指定位置待命。

圖8 軟件流程框圖

2.2 稱重傳感器數據采集

（1）AD轉換芯片的初始化

HX711轉換芯片的初始化，主要包括三個步驟。第一步是芯片的復位，當芯片上電時，芯片內的上電自動復位電路會使芯片自動復位。第二步是配置芯片的工作模式，主要有濾波的禁用使能，通道選擇，轉換模式，輸入緩沖使能，增益設置，時鐘源，基準電壓的選擇，采樣頻率的設定。芯片從復位或斷電狀態進入正常工作狀態后，通道A 和增益128 會被自動選擇作為第一次A/D 轉換的輸入通道和增益。隨后的輸入通道和增益選擇由PD_SCK 的脈沖數決定，第三步是芯片的校準，包括系統零電平校準，內部零電平校準，系統滿量程校準，內部滿量程校準。

sbit ADDO = P1^5;

sbit ADSK = P0^0;

unsigned long ReadCount(void)

{

unsigned long Count;

unsigned char i;

ADSK=0; //使能AD（PD_SCK 置低）

Count=0;

while(ADDO); //AD轉換未結束則等待，否則開始讀取

for (i=0;i＜24;i++)

{

ADSK=1; //PD_SCK 置高（發送脈沖）

Count=Count＜＜1; //下降沿來時變量Count左移一位，右側補零

ADSK=0; //PD_SCK 置低

if(ADDO) Count++;

}

ADSK=1;

Count=Count^0x800000;//第25個脈沖下降沿來時，轉換數據

ADSK=0;

return(Count);

}

圖9 數據輸出，輸入通道和增益選擇時序圖

（2）AD轉換數字量信號的輸入采集

當HX711芯片數據輸出管腳DOUT 為高電平時，表明A/D 轉換器還未準備好輸出數據，此時串口時鐘輸入信號PD_SCK 應為低電平。當DOUT 從高電平變低電平后，PD_SCK 應輸入25 至27 個不等的時鐘脈沖。HX711芯片連續轉換分次讀取時序如圖9所示。

由于每次轉換結束DOUT線路會從高到低產生一個下降沿，所以本系統設計數據的輸入使用端口外部中斷下降沿觸發的方式采集。系統設計的采樣頻率是10Hz，所以每隔100ms產生一次外部中斷，在中斷處理程序里，每次向AD轉換芯片內的通信寄存器寫入0x58，得到AD轉換數據，根據主程序的工作狀態標志判斷是存入動態稱重數據緩沖區還是存入靜態稱重數據緩沖區，最終完成AD轉換數據的采集。

3 實驗分析

稱重傳感器稱重范圍0～1Kg，最小讀數為1g，用重200g標準樣品進行測試，讀數200±1g范圍內，讀數穩定。設計的機械手臂抓取轉運物體的重量＜300g。因此，系統將待測物重量合格與否的標準值設置為200g進行測試驗證，用重量為50g、100g、150g、198g待測物分別進行測試時，系統都能判別被測物未達到標準值，發出控制命令，驅動機械手將被測物抓取轉放到指定的不合格產品區，用202g、250g待測物分別進行測試時，系統判斷重量符合要求，機械手未動作。本設計應用在產品包裝檢驗流水線上，用于包裝不合格品的篩選，因此，對于檢驗合格的產品采用繼續留在生產線而不搬運的控制策略。

4 結語

對于包裝檢測線上已基本包裝好的產品存在漏裝配件的問題，采用人工檢驗方法費時費力，本設計采用位置檢測與稱重相結合的方法，能準確檢測識別出不合格產品，并通過六自由度機械手將不合格品自動搬離生產線至不合格品存放區，進行分類管理。通過實例進行了驗證，結果表明該系統高效可靠，能夠快速篩選出不合格品，在提高工作效率的同時，降低了工人的勞動強度。

[1]許超,盧雪梅,鄭艷龍,白永生．六自由度機械手課程設計與實現[J]．實驗技術與管理,2017,34(4)：199-204．

[2]OFweek機器人網．2015年國產工業機器人產業發展年度總結與展望 [EB/OL]．http：//robot．ofweek．com/2015-12/ART-8321202-8420-29044174．html．

[3]OFweek機器人網．用工荒激活機器人市場碼垛機器人應用前景無限[[EB/OL]．http：//robot．ofweek．com/2015-07/ART-8321202-8120-2898480b．html．

[4]孫學儉,于國輝,周文喬等．對世界工業機器人發展特點的分析[J]．機器人技術與應用,2002,3：8-9．

[5]吳世名．基于ARM的三軸機械手控制系統研究與設計[D]．浙江工業大學：浙江工業大學,2015．

[6]李明．機器人[M]．上海：上海科學技術出版社,2012． 3-6

[7]OFweek機器人網．2011年中國機器人產業回顧及未來展望[[EB/OL]．http：//robot．ofweek．com/2015-12/ART-8321202-8420-29045903．html．

[8]蔣亞飛．三自由度機械手控制系統的設計與實現[D]．廣州：廣州工業大學,2016：1-2．

[9]郭洪武．淺析機械手的應用與發展趨勢[J]．中國西部科技,2012,11(10)：3-4．

[10]管永忠．工業機械手的設計探析[J]．Equipment Manufactring Technology,2011,5：50-51．

Application of six degree of freedom manipulator in product packaging inspection line

According to the packing leakage fi tting problem，using artif i cial inspection methods are time-consuming，the design method based on position detection and weighing combination，can accurately detect and identify the unqualif i ed products，and through the six freedom manipulator will not be qualif i ed for the automatic detection of substandard goods moved to the storage area. Classif i ed management.The system can rapidly screen out unqualif i ed products and reduce the labor intensity of workers while improving work eff i ciency.

Product Packaging；Automatic Detection；Six Degree of Freedom；Manipulator

祝國源，浙江蘭溪人，高級工程師，主要從事礦井工業生產過程控制研究工作。