基于LabVIEW的機械臂分揀系統設計

陳強

（安康學院科研處，陜西安康 725000）

傳統的原料分揀中普遍采用人工分揀，效率很低，不但限制了后續工序的快速進行，同時也推高了產品的生產成本。為了提高效率，可以使用工業機器人代替人完成簡單重復的工作，或代替高級技工完成精密度要求較高的任務[1-3]。

LabVIEW 是一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言，其VI 代碼由框圖組成，硬件接口豐富，程序代碼可通過驅動直接應用于硬件。基于LabVIEW的機械臂控制，既能滿足機械手臂較高的控制要求，還簡化了程序開發過程，提高了開發效率[4-5]。該設計利用虛擬儀器LabVIEW 平臺設計了機械臂的分揀系統，可以對指定區域的目標進行分類放置，完成自動分揀的功能，代替人工分揀，提高工作效率。

1 總體方案

該設計搭建了機械臂分揀系統，能夠將放在指定區域的不同位置、形狀的目標進行分揀，并在PC端獲得目標的種類、數量、位置等統計信息。為此，方案利用虛擬儀器LabVIEW 編寫讀取目標信息數據，并且利用顯示控件進行顯示；通過判斷結構選出最合適的數據組；將選出的數據組轉化為通信協議可以識別的串口通信指令；通過串口將控制指令有序發出；機械臂控制板解析串口接收到的指令，按步驟完成分揀操作，完成后恢復初始姿態，等待下一次運行。總體的操作流程如圖1 所示。

圖1 總體操作流程

該系統在完成整個操作過程中，可以在顯示器上同步顯示出目標數量，并繪制出目標物體在載物臺上的坐標圖。系統程序具有可移植性，適用性較強，易于拓展，方便人機交互[6]。

2 硬件平臺

2.1 機械臂與載物臺

為了在空間中的不同位置和方向抓取和傳送物體，傳送機構采用6 個自由度的機械臂。機械臂的每個自由度通過其操縱器的獨立驅動關節捕捉物體在其工作空間中的任何位置和姿勢。精密的6 自由度機械臂可以完成極其復雜的動作[7]。該系統的6自由度機械臂及載物臺如圖2 所示。

圖2 機械臂及載物臺

機械臂從末端到底座共6 個自由度，除底座以外的5 個自由度由5 個LD-20MG 數字舵機提供，底座自由度由一個LD-1501MG 數字舵機提供。這些數字舵機使用PWM 脈寬型調節角度，周期為20 ms、占空比為0.5～2.5 ms的脈寬電平對應舵機0～180°角度范圍，且成線性關系[8]。舵機控制器采用500～2 500 數值對應舵機控制輸出角度的占空比0.5～2.54 ms，舵機的控制精度是3 μs，可以滿足機械臂的要求[9]。載物臺采用鋁合金，使用T 型栓、法蘭螺母和角碼固定，可保證結構牢固，機械臂不產生搖晃偏移，不影響操作精度[10]。

2.2 機械臂控制模塊

機械臂的動作由LSC 舵機控制板完成控制，接口較為豐富：

1）藍牙接口：支持移動設備使用APP 控制；

2）USB 接口：連接PC 機，通過上位機軟件控制；

3）二次開發接口：經過串口完成代碼控制；

4）PS2 手柄接收器接口：支持使用PS 手柄控制。

控制板使用單片機控制，使用單片機前要對寄存器和中斷等進行配置。當單片機串口收到數據后，要對數據進行判斷，如果是正確的數據幀就進行解析，如果不是正確的數據幀就將數據丟棄，不作處理。采用狀態機對數據幀進行判斷，判斷數據幀是否正確的流程是首先設置狀態變量St，St的取值有0、1、2，St的初始值是0，當有數據到達時，先判斷第一個字節是否是0x55，如果是0x55，St的值賦為1，若不是，St的值還保持為0，丟棄這一幀數據；若St的值為1 時，則對第二個字節進行判斷，如果是0x55，則St的值賦為2，確定這一幀數據是正確的數據，進行后續數據的解析，若不是，則將St的值賦為0，將這一幀的數據丟棄，繼續等待下一幀數據出現。整個流程循環運行，持續不斷接收數據幀并進行判斷。一旦有正確的數據到達，則進行數據解析，控制機械臂完成相關操作。數據解析流程如圖3 所示。

圖3 數據解析流程

3 上位機部分

上位機模塊在系統中起主控作用，完成指令文件的讀取和解釋、發送等功能。打開操作界面，通過VISA 配置后打開串口，讀取根目錄中的“機械臂參數.txt”文件，將文件中的數據以數組的形式保存在內存中。

上位機內部程序循環讀取載物臺上的目標信息數據，一旦目標信息發生改變，系統即可判斷出載物臺上目標物體發生了改變，需要執行與之對應的分揀操作，并將這些操作步驟轉化為操作指令，發送至下位機，完成分揀。在機械臂完成分揀操作以后，由上位機給下位機發送復位指令，使機械臂回到初始位置，等待載物臺上有新的目標出現，完成新一輪的分揀操作[11]。

3.1 機械臂動作數據獲取

首先，在載物臺上建立坐標軸，將有效區域劃分成有規律的柵格，在對應的位置測出相應數據，每一組XY坐標值對應一個柵格，根據這一對應關系，建立數據組的索引編號。然后按照順序進行每個柵格的機械臂具體路徑測試，將到達每一個柵格的路徑分解成一定步驟進行，并記錄此時的舵機位置，將位置信息保存在“路徑參數.txt”文件中。

當該系統開始運行時，首先解析出該VI 所在目錄的路徑，并與“路徑參數.txt”構成新的路徑，借以將該文檔內容讀取出來，劃分為一組一組的數據，并將數據存儲以備后續程序使用。具體過程：首先根據存儲數據時的約定，按組截取字符串，通過使用“分組For 循環”將所有字符串按順序分組，再將分好組的字符串轉化為對應的數值。每個分組里的數據被保存在一維數組里，所有分組都執行完后，數據被轉化成二維數組[12]。

3.2 動作指令的調用

目標參數以文檔的形式在該VI 根目錄的同一目錄下更新，每當文檔的數據發生變化，即表示載物臺上的目標發生變化。為了檢測到文檔的數據發生變化，該文采用在某一時刻讀出文檔中的數據，經短暫延時后第二次讀取數據并比較，兩次讀出的內容一致時，說明文檔內容沒有改變，即載物臺上的目標情況沒有變化。此時，需要將物塊坐標圖上的點清零。當目標信息發生改變時，將文檔內容讀出來，根據信息的存儲規則，計算出當前載物臺上的目標數量，在只有一臺機械臂的情況下，目標的數量即為機械臂需要進行分揀操作的次數。目標信息不變時，循環次數默認為0，即不進行后續操作[13]。

從文檔里讀出來的數據包括X軸坐標、Y軸坐標、表示目標類型的數據，并不能直接用于機械臂的控制，還須將坐標數據轉化為與之對應的動作指令組。該文采用近似的方法，根據測量數據時選擇的閾值來對數據進行近似確定。以坐標（2，2）且閾值為0.75 為例，按照0.75的閾值依次可得到（0.75，0.75）、（1.5，1.5）、（2.25，2.25.）、（3，3）等多個坐標，對（1.5，1.5）、（2.25，2.25.）兩個坐標而言，（2.25，2.25）離（2，2）更近一些，可用（2.25，2.25）這個坐標點的動作數據，來近似完成（2，2）的動作。基于這一原理，可以通過減小閾值來提高測量密度，在同等大小的區域中獲得更多更準確的機械臂動作數據，進而提高系統精度。

3.3 動作指令的通信

動作指令由上位機經串口發送給機械臂。要控制6 個舵機，給舵機編號并規定控制機械臂執行動作所需時間。6 個舵機的編號以及要轉到的角度分別由十六進制指令表示。指令通過串口發送至舵機控制板之后，舵機控制板便會對其進行解析，在指定的時間里完成單步動作，按順序完成每一單步，即可完成整個分揀操作。

指令發送的程序置于循環之中，循環次數即載物臺上的目標數量，第一個循環執行完后，所有目標的坐標信息以簇的形式輸入XY坐標控件，并以坐標點的形式在坐標圖中顯示當前目標所在位置。當不需要執行分揀操作時，會對坐標圖進行二次清零，保證坐標圖不會錯誤顯示目標的位置，引起系統誤操作。

使用LabVIEW 完成通信會用到VISA 框架，這是LabVIEW 儀器驅動VI 中的底層函數。VISA 能控制VXI、GPIB 串口或者基于計算機的儀器，并根據儀器類型調用合適的驅動程序[14-15]。

文中使用的VISA 通信函數是“VISA 寫入”和“VISA 讀取”函數。由于串口通信需要配置額外參數，所以必須先運行“VISA 配置串口”VI,將VISA 資源名稱識別的端口初始化為指定設置[16-18]。

4 系統調試與結果分析

為了驗證分揀操作的效果，把兩個實驗目標放入工作區域，測試機械臂的抓取過程完成情況。上位機顯示如圖4 所示，兩個目標的坐標位于柵格(29，10)和(19，10)，產生一個索引，根據索引得到對應的指令。該指令經串口送入機械臂控制板，即可操作機械臂完成目標分揀，整個分揀過程如圖5 所示。該指令操作：底座旋轉-24.75°（6 號舵機），大臂旋轉44.1°（5 號舵機），小臂處兩個自由度分別旋轉-38.61°（4 號舵機）、12.87°（3 號舵機），機械臂末端旋轉-16.83°（2 號舵機），抓手張開-58.95°（1 號舵機），到達目標上方。完成這一動作后，機械臂下降至目標物體的高度，完成夾取動作。

圖4 上位機前面板圖

圖5 機械臂分揀測試

機械臂夾取目標物體，到達過渡位置時，可進行分類。可根據目標的具體信息，按照分類規則將其放置在規定位置。圖5 所示抓取過程中，各舵機旋轉角度如表1 所示。

表1 機械臂舵機角度

經測試，文中所設計的系統可以完成分揀運作，而且夾取過程的精確度可以根據需要進行調整。系統獲取數據的方式是將目標區域分成若干個柵格，沿著X、Y軸平移，按順序測出機械臂的參數，并將這一過程分解成分步動作，所采取的索引編號是根據木塊重心所在位置進行判斷的，平移位移的閾值越小，則動作精度越高，可根據目標的實際情況，選擇合適的動作精度執行分揀任務。而在安裝載物臺和機械臂時，最大程度保持連接穩定性，確保機械臂不因操作產生移位，也可以提高操作精度，同時也能保護設備，減少磨損。

5 結論

文中采用LabVIEW 平臺完成機械臂分揀系統的設計，經測試，該系統成功完成了數據檢測、顯示、控制機械臂分揀等功能。系統能夠根據目標的形狀信息調取不同的動作組指令數據，完成載物臺上目標的抓取和分類。創新之處在于可以通過減小閾值來提高測量密度，增加機械臂動作數據，提高系統精度。系統調試方便，操作簡單，可移植性好，具有一定的實用價值。