基于OpenCV的智能機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳再師++劉任任

摘要：在機(jī)器人技術(shù)快速發(fā)展與持續(xù)完善的大環(huán)境下，工業(yè)機(jī)械手臂被廣泛運(yùn)用于工業(yè)領(lǐng)域中，其發(fā)展與應(yīng)用意義重大。該論文采用TQ210開發(fā)板作為系統(tǒng)的主控模塊，通過移植OpenCV視覺庫到主控板，實(shí)現(xiàn)智能機(jī)械手臂的構(gòu)建。在滿足一定環(huán)境的要求下，它可以完全智能地抓取限定工作臺(tái)面的物體。同時(shí)，它也可通過實(shí)時(shí)抓幀，測量周圍物體的坐標(biāo)位置，調(diào)整自身參數(shù)，實(shí)現(xiàn)其適應(yīng)、交互的智能特性。

關(guān)鍵詞：智能機(jī)械手臂；OpenCV視覺庫；嵌入式系統(tǒng)；機(jī)器人控制

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）25-0118-02

1 引言

隨著工業(yè)4.0概念的推廣，在機(jī)器人技術(shù)快速發(fā)展與持續(xù)完善的大環(huán)境下，機(jī)械手臂現(xiàn)已廣泛地運(yùn)用于各工業(yè)領(lǐng)域中，其發(fā)展與應(yīng)用有著十分重要的意義。在國內(nèi)，機(jī)器手臂的研究起始于上世紀(jì)七十年代，相比于西方發(fā)達(dá)國家，我國對機(jī)械手臂的研究起步較晚，技術(shù)也相對落后。由于機(jī)械手臂可以實(shí)現(xiàn)更快、更精確地抓舉物品、安裝零件，可以更高強(qiáng)度的連續(xù)工作，所以現(xiàn)在人們開始把更多的精力用在了機(jī)械手臂的研究和制造上，期望它能給人類帶來更多經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1-4]。

現(xiàn)在所使用的機(jī)械手臂，大部分都是采用示教控制，即都是事先編好程序，使機(jī)械手臂按照一定的邏輯順序從一個(gè)位置運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)位置，這種控制方法對于流水線工作是簡單有效的。但是當(dāng)運(yùn)動(dòng)環(huán)境發(fā)生變化的時(shí)候，機(jī)械手臂還是會(huì)按照原來的編程好的路徑運(yùn)動(dòng)，往往不能達(dá)到期望的位置，這就缺少了運(yùn)動(dòng)自主性。所以機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)原理和核心控制系統(tǒng)就成為了機(jī)械手臂能夠自由運(yùn)動(dòng)，抓放的基礎(chǔ)，而控制核心的基石便是機(jī)械手臂的驅(qū)動(dòng)技術(shù)的設(shè)計(jì)和研究。只有將機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)與機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)算法很好的融合，才可以隨時(shí)識別新的工作環(huán)境，動(dòng)態(tài)調(diào)整手臂的運(yùn)動(dòng)路徑，使得手臂能夠準(zhǔn)確定位目標(biāo)物體。但目前機(jī)械手臂的研究還不是特別成熟和完善，很多成果只是單方面的或是基于仿真條件下的，所以本論文以實(shí)際對象為背景，對機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)的研究具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

2 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要是用6個(gè)mg995伺服舵機(jī)+16路舵機(jī)控制板實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手臂的硬件動(dòng)作部分；用TQ210+16路舵機(jī)控制板為核心實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的控制部分；TQ210 +USB攝像頭實(shí)現(xiàn)信息采集處理部分[5-6]。

系統(tǒng)的硬件平臺(tái)主要由五部分組成：主控制板（TQ210）、USB攝像頭、運(yùn)動(dòng)控制單元，如圖1所示。其中，主控制板是TQ210開發(fā)板，它包含基S5PV210微處理器等硬件。運(yùn)動(dòng)控制單元為16路伺服舵機(jī)控制板和機(jī)械手臂，通過串口與主控制板相連實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動(dòng)作控制。

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1機(jī)械手臂動(dòng)作系統(tǒng)的硬件連接

由于本機(jī)器手臂的動(dòng)作組是下載在舵機(jī)控制板中，因此主控制板可以根據(jù)所需的不同場景，發(fā)動(dòng)不同的動(dòng)作指令調(diào)取不同的動(dòng)作組，使機(jī)器人能夠做出相應(yīng)的動(dòng)作。具體方法如下：

（1）將舵機(jī)控制板的USB插針用跳線連接，通過miniUSB將控制板與PC相連。

（2）安裝驅(qū)動(dòng)，通過Windows環(huán)境下載動(dòng)作組，雙擊安裝。

（3）安裝上位機(jī)軟件環(huán)境，上位機(jī)軟件需要有Microsoft.Net Framewoks2.0的支持。

（4）使用上位機(jī)軟件下載動(dòng)作。

下面以初始化動(dòng)作組為例：控制以下六個(gè)多級到預(yù)設(shè)位置#0 P800 #1 P1500 #2 P1800 #3 P1800 #4 P1800 #5 P1800。選擇動(dòng)作組0，單擊下載按鈕，此預(yù)設(shè)動(dòng)作組即被下載到舵機(jī)控制板256地址被自動(dòng)編號為0動(dòng)作組，下一個(gè)地址便是從498開始下載了。

舵機(jī)控制板與TQ210的串口TX1相連，+極連接VDD5V，-極連接GND，使用串口1為TQ210與舵機(jī)板的通信提供硬件基礎(chǔ)，使用串口2為TQ210與Arduino通信提供基礎(chǔ)，串口0作為pc的打印終端使用，具體如圖2所示。

3.2 主控制板的RS232通信方法

主控制板與舵機(jī)控制板以及Arduino拓展版的通信方法均是通過RS232方法實(shí)現(xiàn)信息傳輸。S5PV210可以方便地利用UART控制器（TQ210實(shí)驗(yàn)板的UART控制器為SP3232EEN）實(shí)現(xiàn)串口通訊功能。如圖3所示。

S5PV210屬于常規(guī)的電平轉(zhuǎn)換芯片，其作用在于：實(shí)現(xiàn)53C2440端的TTL電平和RS232串口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電平兩者之間的靈活切換。嵌入式Linux內(nèi)核在主控制板內(nèi)運(yùn)作的情況下，在重編譯移植的工作中將所支持的串口驅(qū)動(dòng)加入配置選項(xiàng)里面。其連接串口的方式可分成三種類型，其主控板里面的三線串口引腳中的RXD、TXD連接的分別是Arduino平臺(tái)中的引腳TXD、RXD，一般情況上，其他針角連接GND針腳，或干脆懸空。該系統(tǒng)內(nèi)串口0與/dev/ttys0相對應(yīng)，串口1與/dev/ttys1相對應(yīng)，串口2實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)指令和傳感信息兩者的傳輸，與之相應(yīng)的設(shè)備文件是/dev /ttyS2。TQ210的實(shí)驗(yàn)板有三個(gè)串口接口，其中只有串口0與SP3232相連，本系統(tǒng)就是用此串口0作為開發(fā)板與宿主機(jī)的串口終端鏈接，進(jìn)行控制；采用串口1與舵機(jī)控制板相連，組成是機(jī)械手臂動(dòng)作模塊，用以實(shí)現(xiàn)主機(jī)控制手臂動(dòng)作。

3.3 控制指令的編碼設(shè)計(jì)

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制和內(nèi)部傳感器信息采集單元通過串口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)兩者之間的通訊。其控制指令集：# P S T

具體釋義如下：

=舵機(jī)號，0-31； =脈沖寬度單位微秒，范圍500-2500； =移動(dòng)速率us/s每秒移動(dòng)脈寬數(shù)， 針對一個(gè)舵機(jī)有效；

=移動(dòng)到指定位置使用的毫秒數(shù) （Optional）。

舵機(jī)控制板可以直接提取以上控制指令加以執(zhí)行。如："#5 P1600 S750 "，表示移動(dòng)舵機(jī)號5到脈寬 1600us 速率為每秒移動(dòng)脈寬750微秒；"#5 P1600 #10 P750 T2500 "，表示移動(dòng)舵機(jī)號5 到脈寬1600us移動(dòng)舵機(jī)號10到脈寬750us使用時(shí)間為2500ms。

3.4 OpenCV圖像處理

OpenCV[7，8]調(diào)試開發(fā)是在Windows下通過vs2008完成的，項(xiàng)目集成在Linux下進(jìn)行，具體如下：

（1）Windows下安裝OpenCV主要使用cmake工具將源碼配置好，再使用vs2008打開工程編譯生成動(dòng)態(tài)鏈接庫。

C：＼ OpenCV-2.1.0＼VS-2008＼include＼OpenCV

C：＼ OpenCV-2.1.0＼VS-2008＼lib

C：＼ OpenCV-2.1.0＼VS-2008＼bin，三個(gè)目錄分別存放了OpenCV開發(fā)依賴的頭文件，動(dòng)態(tài)連接及可執(zhí)行文件。然后在配置vs2008就可以使用OpenCV開發(fā)了。

（2）Linux的安裝主要修改makefile，給ubuntu安裝OpenCV需要的依賴庫，

[sudo apt-get install build-essential libgtk2.0-dev libavcodec-dev libavformat-dev]和[libjpeg62-dev libtiff4-dev libswscale-dev libjasper-dev]。使用cmake生成makefile，然后編譯安裝就能生成OpenCV的庫文件。

OpenCV圖像處理過程具體如下：

（1）抓取一幀圖片并灰度處理。

（2）通過極值處理提取輪廓。

（3）判斷物體輪廓分布在哪片區(qū)域再返回轉(zhuǎn)向坐標(biāo)指令。

3.5 機(jī)械手臂根據(jù)物體位置確定動(dòng)作組

根據(jù)攝像頭和機(jī)械手臂建立的坐標(biāo)系，確定機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)控制庫。根據(jù)OpenCV返回的物體位置，直接匹配運(yùn)動(dòng)控制庫，實(shí)現(xiàn)根據(jù)物體在坐標(biāo)系中的位置規(guī)劃機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)抓取物體的目的。

首先將串口指令封裝，void HandMove（int num，int degree，int time）函數(shù)用來控制伺服電機(jī)并適當(dāng)延時(shí)，隨后根據(jù)物體位置調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制庫，匹配動(dòng)作組啟動(dòng)機(jī)械手臂抓取物體。

物體以機(jī)械手臂基座的位置為圓心呈一定角度和距離，角度和距離根據(jù)OpenCV像素坐標(biāo)計(jì)算得出，物體坐標(biāo)封裝在結(jié)構(gòu)體struct Location變量goal中，直接通過函數(shù)計(jì)算得出。

distance = sqrt（goal.X*goal.X + goal.Y*goal.Y）；

angle =180.0/3.14159*atan2（goal.X，goal.Y）；

再通過HandMove（1，1500-angle*8，800）；調(diào)整底座舵機(jī)直接轉(zhuǎn)向物體，匹配動(dòng)作組抓取物體。

好的機(jī)械手臂應(yīng)具備學(xué)習(xí)能力，我設(shè)計(jì)的這款機(jī)械手臂也不例外。當(dāng)機(jī)械手臂完成抓取物體之前的任務(wù)后，會(huì)提醒用戶是否啟動(dòng)學(xué)習(xí)模式，這時(shí)候用戶選擇學(xué)習(xí)即可通過圖形界面在線調(diào)整機(jī)械手臂，系統(tǒng)將自動(dòng)記錄更新后的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)下次將自動(dòng)調(diào)用新的動(dòng)作庫數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

本作品通過運(yùn)用嵌入式開發(fā)中的某些技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手臂的智能化，具體總結(jié)如下：

（1）以TQ210開發(fā)板作為整個(gè)工作系統(tǒng)的控制主板，對各種數(shù)據(jù)信號進(jìn)行了相關(guān)處理。

（2）以O(shè)penCV作為視覺庫，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手臂對物體實(shí)施抓取動(dòng)作的路徑設(shè)計(jì)。

（3）在一定環(huán)境下，機(jī)械手臂可不接受外界控制完全自主執(zhí)行抓取動(dòng)作。

（4）能通過實(shí)時(shí)抓幀、測量周圍的物體的坐標(biāo)位置，調(diào)整自身參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)其適應(yīng)、交互的智能特性。

由于在時(shí)間和實(shí)驗(yàn)條件上的限制，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、理論方法和實(shí)際控制等方面都存在一些不足之處，總結(jié)如下：

（1）機(jī)械手臂抓取目標(biāo)物體的路徑，不僅僅只能通過OpenCV進(jìn)行圖像處理得到，還可以通過建模，運(yùn)用智能優(yōu)化算法得到，如：蟻群算法、粒子群算法，禁忌搜索算法等。

（2）機(jī)械手臂自由度比較有限，抓取范圍和抓取物體都受到一定的限制，還不能360度地旋轉(zhuǎn)。

（3）運(yùn)動(dòng)控制庫建立比較欠缺，待完善。

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