六自由度機(jī)械手在產(chǎn)品包裝檢測線上的應(yīng)用

天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司 祝國源

六自由度機(jī)械手在產(chǎn)品包裝檢測線上的應(yīng)用

天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司 祝國源

針對(duì)已包裝好的產(chǎn)品存在漏裝配件的問題，采用人工檢驗(yàn)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，本設(shè)計(jì)提出采用位置檢測與稱重相結(jié)合的方法，可準(zhǔn)確檢測識(shí)別出不合格產(chǎn)品，并通過六自由度機(jī)械手將檢出的不合格品自動(dòng)搬至不合格品存放區(qū)，進(jìn)行分類管理。該系統(tǒng)能夠快速篩選出不合格品，在提高工作效率的同時(shí)，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

產(chǎn)品包裝；自動(dòng)檢測；六自由度；機(jī)械手

0 引言

近幾年隨著勞動(dòng)力成本上漲和用工荒的日益嚴(yán)重，以勞動(dòng)密集型企業(yè)為主的中國制造業(yè)進(jìn)入發(fā)展的瓶頸期。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，以工業(yè)機(jī)器人為代表的高端自動(dòng)化技術(shù)日漸成熟，機(jī)器人行業(yè)迎來了風(fēng)口，同時(shí)企業(yè)為了解決用工荒的問題對(duì)于使用機(jī)械手來代替人工的興趣越來越濃厚。而作為工業(yè)機(jī)器人的重要分支的工業(yè)機(jī)械手，具有非常重要的研究意義。

手機(jī)等便攜式電子產(chǎn)品，除機(jī)體本體外，一般都隨機(jī)配置有充電器、連接線纜、耳機(jī)等配件，其手機(jī)本體及相關(guān)配件出廠時(shí)都包裝在一個(gè)盒內(nèi)提交給用戶，如果生產(chǎn)過程控制不嚴(yán)，在產(chǎn)品包裝環(huán)節(jié)就會(huì)發(fā)生漏裝配件的問題，如果采用人工檢驗(yàn)的方法，需將產(chǎn)品的包裝盒打開，檢驗(yàn)完成后再恢復(fù)包裝，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。本設(shè)計(jì)探索采用機(jī)械手配合相關(guān)檢測傳感器，針對(duì)外形包裝相同的同一類產(chǎn)品，在不需打開包裝盒前提下實(shí)現(xiàn)快速檢驗(yàn)，確認(rèn)是否漏裝配件，并使用機(jī)械手將檢出的不合格品放置于不合格區(qū)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測、自動(dòng)剔除不合格品，提高生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本機(jī)械手控制系統(tǒng)由系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件兩大部分組成，系統(tǒng)硬件由控制器、傳感器、驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊與舵機(jī)共5大部分組成，其中電源模塊負(fù)責(zé)提供控制器、驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器等所需的電源，控制器是本系統(tǒng)的控制核心，它采集傳感器的信號(hào)，并將相應(yīng)的控制命令發(fā)送到驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)模塊接到控制器發(fā)來的命令后驅(qū)動(dòng)舵機(jī)完成物品的搬運(yùn)工作。它們各執(zhí)其責(zé)一起組成了硬件系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

1.1 控制系統(tǒng)平臺(tái)

本項(xiàng)目控制器選用基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103為控制核心，驅(qū)動(dòng)模塊選用STC12C5A60S2-LQFP44單片機(jī)為控制核心。控制器完成傳感器信號(hào)采集及處理，并將控制操作信號(hào)通過通訊口傳輸給驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)完成指定動(dòng)作。

1.2 供電電源設(shè)計(jì)

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

圖2 5 V轉(zhuǎn)換3.3 V電路

驅(qū)動(dòng)模塊及舵機(jī)：驅(qū)動(dòng)模塊電路板所需電源為DC5V，舵機(jī)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(jīng)AMS1117-5V電源芯片將DC7.4V電源轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為DC6V，提供舵機(jī)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(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)在不打開產(chǎn)品包裝盒的前提下檢測產(chǎn)品包裝盒內(nèi)是否漏裝相關(guān)配件，我們采用稱重傳感器獲得物體重量的方式來核定產(chǎn)品合格與否。

（1）稱重傳感器

稱重傳感器，由電阻應(yīng)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(gè)應(yīng)變片，每個(gè)應(yīng)變片內(nèi)有2個(gè)壓力電阻。一共為4個(gè)壓力電阻，組成的全橋式電路。當(dāng)有物體放置于傳感器上時(shí)，由于應(yīng)變片受力不同，其全橋電路輸出電壓信號(hào)。

圖3 壓力傳感器原理圖

壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)后經(jīng)過AD模塊放大轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)。傳感器信號(hào)采用二線制輸出，接入控制板的IO口，數(shù)據(jù)按照AD模塊時(shí)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(tǒng)采用紅外探測傳感器來探測有無待檢測的產(chǎn)品到達(dá)指定位置，紅外探測傳感器具有一對(duì)紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測方向遇到障礙物（反射面）時(shí)，紅外線反射回來被接收管接收，經(jīng)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(huì)亮起，同時(shí)傳感器信號(hào)輸出接口輸出一個(gè)低電平數(shù)字信號(hào)，可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)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(jī)設(shè)計(jì)

舵機(jī)是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動(dòng)器，如圖6所示，通過三根線與其它設(shè)備連接，分別為VCC、GND、信號(hào)線。信號(hào)線輸入周期為20ms的PWM控制信號(hào)。舵機(jī)的控制一般需要一個(gè)20ms左右的脈沖，該時(shí)基脈沖的高電平部分一般為0.5ms～2.5ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖。180度角度伺服其對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系如下：

圖6 舵機(jī)結(jié)構(gòu)圖

舵機(jī)的追隨特性：

假設(shè)現(xiàn)在舵機(jī)穩(wěn)定在A點(diǎn)，這時(shí)候控制器發(fā)出一個(gè)PWM信號(hào)，舵機(jī)全速由A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)，經(jīng)過一段時(shí)間△T后，舵機(jī)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)。

圖7 舵機(jī)運(yùn)動(dòng)控制

保持時(shí)間為Tu：

當(dāng)Tu≥△T時(shí)，舵機(jī)能夠到達(dá)目標(biāo)，并有剩余時(shí)間；

當(dāng)Tu≤△T時(shí)，時(shí)間不夠，舵機(jī)不能到達(dá)目標(biāo)；

理論上：當(dāng)Tu=△T時(shí)，時(shí)間匹配，系統(tǒng)最連貫，而且舵機(jī)運(yùn)動(dòng)的最快。

實(shí)際過程中u不盡相同，連貫運(yùn)動(dòng)時(shí)的極限△T比較難以計(jì)算出來。

本設(shè)計(jì)選用了兩個(gè)DS3115和四個(gè)MG996R舵機(jī)作為驅(qū)動(dòng)模塊。形成六自由度的機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)物體的夾持、提升、轉(zhuǎn)動(dòng)等動(dòng)作，完成物體從A位置搬運(yùn)到B位置的任務(wù)目標(biāo)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件流程框圖如圖8所示，系統(tǒng)上電先進(jìn)行初始化，初始化完成后進(jìn)入等待檢測階段，判定有物體進(jìn)入后，啟動(dòng)稱重傳感器對(duì)被測物進(jìn)行稱重，獲取物體的重量，然后與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的物體的標(biāo)稱重量進(jìn)行比較，如比較值超出設(shè)定的允許范圍，則發(fā)出控制命令驅(qū)動(dòng)機(jī)械手將被測物抓起放到指定的不合格區(qū)，動(dòng)作完成后，機(jī)械手歸位返回到初始位置待命。

2.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)上電先進(jìn)行初始化，完成通訊口、IO口等初始化設(shè)置。設(shè)置完成后給舵機(jī)發(fā)送控制命令，控制機(jī)械手運(yùn)行到指定位置待命。

圖8 軟件流程框圖

2.2 稱重傳感器數(shù)據(jù)采集

（1）AD轉(zhuǎn)換芯片的初始化

HX711轉(zhuǎn)換芯片的初始化，主要包括三個(gè)步驟。第一步是芯片的復(fù)位，當(dāng)芯片上電時(shí)，芯片內(nèi)的上電自動(dòng)復(fù)位電路會(huì)使芯片自動(dòng)復(fù)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(zhuǎn)換模式，輸入緩沖使能，增益設(shè)置，時(shí)鐘源，基準(zhǔn)電壓的選擇，采樣頻率的設(shè)定。芯片從復(fù)位或斷電狀態(tài)進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，通道A 和增益128 會(huì)被自動(dòng)選擇作為第一次A/D 轉(zhuǎn)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(shù)決定，第三步是芯片的校準(zhǔn)，包括系統(tǒng)零電平校準(zhǔn)，內(nèi)部零電平校準(zhǔn)，系統(tǒng)滿量程校準(zhǔn)，內(nèi)部滿量程校準(zhǔn)。

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(zhuǎn)換未結(jié)束則等待，否則開始讀取

for (i=0;i＜24;i++)

{

ADSK=1; //PD_SCK 置高（發(fā)送脈沖）

Count=Count＜＜1; //下降沿來時(shí)變量Count左移一位，右側(cè)補(bǔ)零

ADSK=0; //PD_SCK 置低

if(ADDO) Count++;

}

ADSK=1;

Count=Count^0x800000;//第25個(gè)脈沖下降沿來時(shí)，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)

ADSK=0;

return(Count);

}

圖9 數(shù)據(jù)輸出，輸入通道和增益選擇時(shí)序圖

（2）AD轉(zhuǎn)換數(shù)字量信號(hào)的輸入采集

當(dāng)HX711芯片數(shù)據(jù)輸出管腳DOUT 為高電平時(shí)，表明A/D 轉(zhuǎn)換器還未準(zhǔn)備好輸出數(shù)據(jù)，此時(shí)串口時(shí)鐘輸入信號(hào)PD_SCK 應(yīng)為低電平。當(dāng)DOUT 從高電平變低電平后，PD_SCK 應(yīng)輸入25 至27 個(gè)不等的時(shí)鐘脈沖。HX711芯片連續(xù)轉(zhuǎn)換分次讀取時(shí)序如圖9所示。

由于每次轉(zhuǎn)換結(jié)束DOUT線路會(huì)從高到低產(chǎn)生一個(gè)下降沿，所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的輸入使用端口外部中斷下降沿觸發(fā)的方式采集。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的采樣頻率是10Hz，所以每隔100ms產(chǎn)生一次外部中斷，在中斷處理程序里，每次向AD轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)的通信寄存器寫入0x58，得到AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，根據(jù)主程序的工作狀態(tài)標(biāo)志判斷是存入動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)緩沖區(qū)還是存入靜態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)緩沖區(qū)，最終完成AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的采集。

3 實(shí)驗(yàn)分析

稱重傳感器稱重范圍0～1Kg，最小讀數(shù)為1g，用重200g標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行測試，讀數(shù)200±1g范圍內(nèi)，讀數(shù)穩(wěn)定。設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂抓取轉(zhuǎn)運(yùn)物體的重量＜300g。因此，系統(tǒng)將待測物重量合格與否的標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)置為200g進(jìn)行測試驗(yàn)證，用重量為50g、100g、150g、198g待測物分別進(jìn)行測試時(shí)，系統(tǒng)都能判別被測物未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，發(fā)出控制命令，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手將被測物抓取轉(zhuǎn)放到指定的不合格產(chǎn)品區(qū)，用202g、250g待測物分別進(jìn)行測試時(shí)，系統(tǒng)判斷重量符合要求，機(jī)械手未動(dòng)作。本設(shè)計(jì)應(yīng)用在產(chǎn)品包裝檢驗(yàn)流水線上，用于包裝不合格品的篩選，因此，對(duì)于檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品采用繼續(xù)留在生產(chǎn)線而不搬運(yùn)的控制策略。

4 結(jié)語

對(duì)于包裝檢測線上已基本包裝好的產(chǎn)品存在漏裝配件的問題，采用人工檢驗(yàn)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，本設(shè)計(jì)采用位置檢測與稱重相結(jié)合的方法，能準(zhǔn)確檢測識(shí)別出不合格產(chǎn)品，并通過六自由度機(jī)械手將不合格品自動(dòng)搬離生產(chǎn)線至不合格品存放區(qū)，進(jìn)行分類管理。通過實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該系統(tǒng)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(shí)，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

[1]許超,盧雪梅,鄭艷龍,白永生．六自由度機(jī)械手課程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2017,34(4)：199-204．

[2]OFweek機(jī)器人網(wǎng)．2015年國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展年度總結(jié)與展望 [EB/OL]．http：//robot．ofweek．com/2015-12/ART-8321202-8420-29044174．html．

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

[4]孫學(xué)儉,于國輝,周文喬等．對(duì)世界工業(yè)機(jī)器人發(fā)展特點(diǎn)的分析[J]．機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2002,3：8-9．

[5]吳世名．基于ARM的三軸機(jī)械手控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D]．浙江工業(yè)大學(xué)：浙江工業(yè)大學(xué),2015．

[6]李明．機(jī)器人[M]．上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,2012． 3-6

[7]OFweek機(jī)器人網(wǎng)．2011年中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)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(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．廣州：廣州工業(yè)大學(xué),2016：1-2．

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

[10]管永忠．工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)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(jí)工程師，主要從事礦井工業(yè)生產(chǎn)過程控制研究工作。