基于視覺伺服的桌面型機械臂創新實驗平臺研制

楊 亮, 郭志軍, 李文生, 王博軒

(1. 電子科技大學 中山學院, 廣東 中山 528402;2. 中山大洋電機股份有限公司, 廣東 中山 528402)

機器人[1-4]是先進制造技術[5]領域最熱門和前沿的研究課題之一,它集中了人工智能、自動控制、機械、電子信息等學科,是衡量一個國家智能化水平和綜合國力的重要標志。工業機械臂[6]是機器人的重要分支,以其重復定位精度高、可靠性強的優點已廣泛應用于航空航天、高精度零部件制造、國防工業等領域。以大數據、物聯網、人工智能、高精度數控機床等為代表的新一代信息技術,正在推動全社會各領域的深刻變革，未來新興產業和新經濟需要的是具備國際競爭力的高素質復合型“新工科”[7-8]人才,工業機械臂既有廣泛的應用背景,又具有多學科交叉、綜合性強的優點,將它引入高校現有實驗教學體系,是探索新工科人才培養的一個有益思路。

然而,在實際操作過程中,傳統工業機械臂因體積龐大、價格昂貴等原因,目前還難以在高校實驗教學中推廣。為此,本文提出了一種基于視覺伺服[9-11]的桌面型機械臂創新實驗平臺設計方案,能夠通過攝像頭采集目標物體圖像信息,并將位置信息轉換控制指令,控制機械臂完成物體抓取等任務,具有成本低、趣味性強、控制效果好的優點。

1 總體設計方案

機械臂本體部分基于dobot[12-13]開源項目,整個機械臂共有3個自由度,分別由3個42線步進電機控制,并配有一個舵機控制吸盤,以實現物體抓取任務?？刂破饔芍骺匕濉Ⅱ寗影褰M成,并配有USB攝像頭采集目標物體的位置信息。系統整體框圖如圖1所示。

圖1 系統整體控制框圖

為提高整個系統的魯棒性和可擴展性,控制器硬件采用控制與驅動相分離的雙層控制結構。驅動板采用AtMega64為控制單元,用于驅動3路步進電機,主控板基于ARM Cortex-A17平臺,通過UART接口與驅動板通信。視覺伺服控制系統運行在主控板上,采用具有良好跨平臺性的QT框架。為實現物體的自動抓取功能,控制器可通過USB攝像頭采集目標物體的位置信息,并配有電容觸摸屏,方便操作。

2 機械臂結構及控制器硬件電路設計

2.1 機械結構簡介

機械結構以開源項目dobot機械臂為藍本,該機械臂由回轉基座、大臂、小臂、臂頭等部分組成。臂頭在運動過程中保持水平,可通過加裝末端夾具實現物體抓取、握手寫字等功能。各部件尺寸規格見表1。

表1 部件尺寸規格

2.2 硬件設計

考慮成本、控制精度等因素,該機械臂的3個自由度由3個42線步進電機驅動,并采用控制與驅動相分離的控制策略。整個系統由主控板、驅動板組成(見圖2),其中主控板采用ARM Cortex-A17架構,主控芯片為RK3288,4核,主頻高達1.8 GB,內嵌高性能2D/3D加速硬件,擁有2GB 雙通道DDR3內存,主控板上運行Linux操作系統。RK3288強大的處理能力與豐富的接口配置,極大增強了系統的魯棒性與可擴展性。例如,當控制器需要增加無線上網的功能時,則只需在主控板上插入一個USB無線網卡,并加載相應驅動即可完成,而無需改進驅動板電路。

圖2 系統硬件原理圖

驅動電路設計采用了AtMega64作為核心,3個42線步進電機分別由3個A4988芯片驅動,AtMega64單片機采用時分復用原理同時輸出3路PWM波實現對電機的實時控制。主控板在接收到用戶指令后,通過UART接口將控制信號發送給驅動板,由驅動板控制機械臂運動。

3 上位機控制系統設計

3.1 系統控制框圖

出于成本的考慮,采用的42線步進電機沒有反饋功能,屬于開環控制。另外,為改善機械臂的自動化程度,實現物體自動抓取功能,采用基于視覺反饋的閉環控制結構,其控制框圖見圖3。

圖3 基于視覺反饋的閉環控制框圖

用戶指令決定抓取具體某一個物體后,系統通過攝像頭采集機械臂末端位置信息以及目標物體,并通過目標物體識別模塊識別機械臂末端位置信息xm及目標物體位置信息xo,目標物體識別模塊根據識別到的位置誤差Δx=xm-xo進行逆運動運算,得到機械臂各關節角期望的軌跡qd,最后通過PID控制器[14]輸出力矩T,驅動機械臂各關節運動。

3.2 上位機軟件設計

上位機控制系統是整體機械臂系統的核心,它需要完成用戶交互、目標檢測、關節空間軌跡跟蹤、電機控制等功能。為提高軟件的可移植性,基于QT框架開發了上位機控制系統。軟件架構見圖4。

圖4 機械臂控制系統軟件架構

整個控制系統構建在嵌入式Linux操作系統之上。由于Linux系統集成了攝像頭驅動,因此上位機軟件通過open系統調用，可以很方便地獲取攝像頭采集到的圖像信息。此外,應用層軟件設計了目標檢測、關節空間軌跡跟蹤及PID控制等模塊,以實現物體自動抓取功能。

為改善用戶體驗,控制系統還提供了觸摸屏控制模式,用戶通過點擊屏幕,拉拽界面上機械臂各部分組件可實現機械臂的控制?？刂栖浖缑嬉妶D5。

圖5 控制器實物圖

3.3 基于模板匹配的目標識別算法

在基于視覺伺服的機械臂控制系統中,準確檢測目標物體位置是關鍵一環,本文的策略是在被抓取物體上打印文本或字母,以標識各個不同物體。

在具體實現上,采用QT+OpenCV框架,通過模板匹配[15-16]算法確定目標物體位置。具體實現思路是:先根據目標物體建立模板,采用隔行掃描的方式遍歷整個圖像；在遍歷過程中以模板圖像大小為模板匹配區域,采用標準方式匹配算法尋找與模板最為相似的圖像區域,最終確定目標物體位置。標準方式匹配公式如下:

其中,R(x,y)表示在圖像(x,y)相素所在的搜索框與目標物體的匹配度，R(x,y)值越小,則表示匹配度越高;(x′,y′)表示在模板中的圖像像素坐標,T(x′,y′)表示模板中(x′,y′)位置的相素顏色信息；I(x+x′,y+y′)則表示實際采集圖像相應位置上的顏色信息。

4 系統測試

本實驗平臺支持觸摸屏控制模式,通過拖拽觸摸屏上的機械臂模型,實現模型與機械臂的動作一致性控制?？刂菩Ч鐖D6。

圖6 觸摸屏控制實驗

此外,物體自動抓取是本創新實驗平臺的一個重要功能。本平臺首先通過3D打印機打印出若干骰子,在每個骰子的正面貼上具體的數字或字母,并將骰子置于機械臂的工作半徑內；機械臂上方安裝USB攝像頭,用于捕獲現場信息,具體實物圖7,機械臂能夠自動捕獲目標物體位置,并將目標物體搬運到指定位置。

圖7 物體自動抓取實驗

為成功抓取物體,本實驗平臺采用氣泵吸盤完成物體的抓取,用戶只需在觸摸屏上選擇需要抓取物體的編號,即可自動抓取并放置在指定位置的功能。

5 結語

桌面型機械臂具有成本低、重量輕、占地面積小的優點。本文提出的基于視覺反饋的桌面型機械臂創新實驗平臺能夠通過攝像頭采集圖像信息,并控制機械臂完成物體的自動抓取、放置等任務,具有趣味性強、控制效果好的優點?？刂栖浖捎媚K化設計,通過增加符合接口標準的模塊可以方便增加新功能,非常適合創新實驗教學。目前,該創新實驗平臺目前已應用于本校學科競賽及“嵌入式Linux應用開發”等課程的綜合類專業課程中,試用表明,該創新實驗平臺能有效調動學生的動手熱情,提高了教學質量。

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