收藏幣拍照機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

付榮豆，毛潭，侯靜嫻

（北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144）

0 引言

近年來(lái)，隨著錢幣收藏市場(chǎng)不斷升溫，越來(lái)越多的人開(kāi)始關(guān)注收藏幣。并非所有的收藏幣都是越來(lái)越值錢的，主要看圖案信息、發(fā)行日期、鑄造工藝、幣制材質(zhì)和發(fā)行數(shù)量等[1]。在收藏幣流通過(guò)程中，由于外觀磨損、劃痕、腐蝕而造成品質(zhì)下降影響收藏價(jià)值，因此需要專門的人工檢測(cè)[2]。考慮到采用人工檢測(cè)的方法，需要專門的設(shè)備儀器和相關(guān)方面的專家，對(duì)于大批量收藏幣檢測(cè)來(lái)說(shuō)，顯然工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大及存檔困難等。本文研究基于機(jī)器視覺(jué)的圖像采集技術(shù)[3]，開(kāi)發(fā)了收藏幣拍照機(jī)器人控制系統(tǒng)，利用機(jī)器人本體和視覺(jué)圖像技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)收藏幣的夾取、升降、移動(dòng)、定位、翻轉(zhuǎn)和圖像采集等一系列全自動(dòng)化工藝流程。

1 控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體方案

機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，收藏幣拍照機(jī)器人控制系統(tǒng)采用“PC+機(jī)器視覺(jué)+嵌入式控制器”架構(gòu)設(shè)計(jì)。上位機(jī)PC端負(fù)責(zé)兩大方面的工作: 一方面負(fù)責(zé)收藏幣圖像采集、電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置、手動(dòng)/自動(dòng)操作流程和人機(jī)交互等工作,另一方面負(fù)責(zé)與下位機(jī)控制器進(jìn)行總線通信。機(jī)器視覺(jué)主要通過(guò)工業(yè)相機(jī)進(jìn)行收藏幣圖像采集。下位機(jī)嵌入式控制器是機(jī)器人本體和上位機(jī)PC端連接的橋梁，涉及到6軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制算法、CAN總線通信[4]、編碼器和限位開(kāi)關(guān)信號(hào)的采集及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

工業(yè)相機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)與PC端連接。嵌入式控制器采用主從定時(shí)器模式發(fā)送PWM波，用于精確控制各軸電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和位移，其中X/Y軸電動(dòng)機(jī)控制收藏幣在二維平面任意移動(dòng)、Z軸空心電動(dòng)機(jī)控制收藏幣的夾取和升降、定位電動(dòng)機(jī)控制收藏幣在定位1（氣動(dòng)抓手2正下方）到定位2（相機(jī)正下方）之間的移動(dòng)、升降和翻轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)完成收藏幣的翻轉(zhuǎn)并且保證與定位電動(dòng)機(jī)模塊不干涉。主控制器通過(guò)通用IO接口與限位開(kāi)關(guān)和繼電器連接，實(shí)現(xiàn)外部輸入信號(hào)中斷和氣動(dòng)抓手的開(kāi)合。編碼器采用RS-485總線通信，用于測(cè)量電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制[5]。

1.2 機(jī)器人本體設(shè)計(jì)

采用模塊化設(shè)計(jì)思想，對(duì)收藏幣拍照機(jī)器人進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[6]。如圖2所示，主要由運(yùn)動(dòng)模塊和固定模塊組成，運(yùn)動(dòng)模塊主要由4個(gè)關(guān)鍵部分組成：X/Y軸移動(dòng)、Z軸夾取、定位移動(dòng)及翻轉(zhuǎn)/移動(dòng)模塊；固定模塊包括相機(jī)支架和收藏幣托盤。采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)作為動(dòng)力來(lái)源，通過(guò)同步帶模組、滾珠絲杠滑臺(tái)進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)，以及2 個(gè)氣動(dòng)抓手的開(kāi)合，再結(jié)合機(jī)器人本體，最終實(shí)現(xiàn)收藏幣的夾取、升降、移動(dòng)、定位、翻轉(zhuǎn)等操作；機(jī)器人本體設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖2 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 機(jī)器人本體

1.3 系統(tǒng)工作流程

收藏幣拍照機(jī)器人全自動(dòng)化工作流程是在依靠機(jī)器人本體、運(yùn)動(dòng)控制算法和機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)收藏幣的夾取、升降、移動(dòng)、定位、翻轉(zhuǎn)、圖像采集和上位機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等過(guò)程。收藏幣拍照機(jī)器人控制系統(tǒng)工作流程主要分為：準(zhǔn)備工作、系統(tǒng)自檢、自動(dòng)/手動(dòng)工作流程、圖像采集、退回收藏幣和采集完成等六大部分，系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

首先進(jìn)行準(zhǔn)備工作，將待檢收藏幣放置于托盤架中，開(kāi)始系統(tǒng)上電，進(jìn)行設(shè)備自檢。

操作人員可以選擇手動(dòng)或自動(dòng)操作模式。手動(dòng)操作主要用于各軸電動(dòng)機(jī)和氣動(dòng)抓手的控制，具體操作可以分為：X/Y軸電動(dòng)機(jī)定位、Z軸空心電動(dòng)機(jī)吸取和升降、定位電動(dòng)機(jī)移動(dòng)、翻轉(zhuǎn)和升降電動(dòng)機(jī)運(yùn)行及氣動(dòng)抓手開(kāi)合。自動(dòng)模式下，首先判斷是否成功吸取收藏幣，吸取不成功則調(diào)試位置再次吸取，直到成功吸取收藏幣，接下來(lái)進(jìn)行收藏幣的移動(dòng)、升降、翻轉(zhuǎn)、定位等多個(gè)連貫性動(dòng)作。

圖像采集模塊的工作流程是：通過(guò)定位電動(dòng)機(jī)將收藏幣放置于工業(yè)相機(jī)的正下方，打開(kāi)環(huán)形光源并且定位電動(dòng)機(jī)開(kāi)始微調(diào)，開(kāi)始采集圖像直到采集到滿意的圖像，然后退回收藏幣到初始位置。

采集完成模塊的工作流程是：如果收藏幣采集圖像數(shù)達(dá)到事先設(shè)定數(shù)量，則機(jī)器人處于待機(jī)狀態(tài)并通知給上位機(jī)報(bào)警提示“采集完成”；否則，將重復(fù)自動(dòng)工作流程下一系列操作，直到達(dá)到事先設(shè)定收藏幣數(shù)。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)選用基于高性能Cortex M4為內(nèi)核的STM32F4為控制器芯片[7]。考慮到收藏幣拍照機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用需求，該控制器設(shè)計(jì)出6軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制接口、16路限位開(kāi)關(guān)信號(hào)接口、4路通用DO、CAN總線接口、RS-485串口通信和儲(chǔ)存模塊等，如圖5所示。控制器硬件使用Altium Desiger16軟件，進(jìn)行四層PCB設(shè)計(jì)，采用“一電一地兩信號(hào)”模式，頂層和底層為信號(hào)層，中間兩層分別為電源層和地層[8]。

圖5 控制器硬件框圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制器軟件

嵌入式控制器的軟件在Keil uVision5環(huán)境開(kāi)發(fā)，基于UCOS_III實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，將其移植到ARM芯片中[9]，應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)主要包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)閉環(huán)運(yùn)動(dòng)算法、CAN總線通信、電磁閥控制模塊、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和限位開(kāi)關(guān)信號(hào)采集等。控制器軟件框架如圖6所示。

圖6 控制器軟件框圖

3.2 上位機(jī)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)應(yīng)用軟件主要用于人機(jī)界面交互，實(shí)現(xiàn)用戶與機(jī)器人的系統(tǒng)交流，可以選擇手動(dòng)或自動(dòng)兩種操作模式。參數(shù)設(shè)置用于規(guī)定各軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的方向、速度、位移和電動(dòng)機(jī)ID，以及采集圖像的格式文件、數(shù)量、名稱和圖片保存路徑等。圖像采集、保存圖像窗口用于采集和保存收藏幣圖像。報(bào)警提示用于監(jiān)測(cè)控制器各個(gè)運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)狀態(tài)。上位機(jī)軟件功能結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

圖7 上位機(jī)應(yīng)用軟件功能設(shè)計(jì)

4 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

收藏幣拍照機(jī)器人控制系統(tǒng)主要由嵌入式控制器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、繼電器模塊、電磁閥，空氣壓縮機(jī)和電源等組成，上位機(jī)PC端通過(guò)USBCAN—II邏輯分析儀和控制器數(shù)據(jù)通信。下位控制系統(tǒng)電氣連接圖如圖8所示。

圖8 下位控制系統(tǒng)

將該系統(tǒng)應(yīng)用于收藏幣拍照機(jī)器人全自動(dòng)化工藝流程中，實(shí)際運(yùn)行效果表明：收藏幣拍照機(jī)器人控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，各個(gè)運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)運(yùn)行良好，圖像采集清晰且高效，平均一個(gè)收藏幣正反面圖像采集需要3 min，托盤內(nèi)16枚收藏幣全部圖像采集完畢并回到初始位置耗時(shí)50 min左右，速度滿足使用要求。上位機(jī)圖像采集過(guò)程如圖9所示。

圖9 上位機(jī)圖像采集過(guò)程

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了一種收藏幣拍照機(jī)器人，并詳細(xì)介紹了機(jī)器人本體設(shè)計(jì)、全自動(dòng)工藝流程和控制器軟硬件設(shè)計(jì)過(guò)程。整個(gè)系統(tǒng)采用上下位機(jī)控制模式，上位機(jī)PC端通過(guò)CAN總線與下位控制器實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)了收藏幣的夾取、升降、移動(dòng)、定位、翻轉(zhuǎn)和圖像采集工作。基于“PC+機(jī)器視覺(jué)+嵌入式控制器”的控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)合理，功能設(shè)計(jì)齊全，實(shí)時(shí)性好、可靠性高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期效果，對(duì)機(jī)器視覺(jué)類機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制具有重要的參考價(jià)值。