嵌入式技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人分揀技術(shù)中的應(yīng)用研究

廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 廣東匯興精工智造股份有限公司 周友良

廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 管貽生

為了使得工業(yè)機(jī)器人分揀更具有適應(yīng)性，提出一種基于嵌入式技術(shù)改進(jìn)的程序設(shè)計(jì)方法，利用相機(jī)采用信息后，通過嵌入式技術(shù)進(jìn)行位置識別與抓取，同時(shí)通過硬件、軟件方面的設(shè)置，提高檢測與抓取的精度。這一過程中，通過智能攝像頭讀取工件信息，調(diào)整工件參數(shù)，然后通過主控單元調(diào)試優(yōu)化工業(yè)機(jī)器人工件識別與分揀。研究結(jié)果表明，通過改進(jìn)程序設(shè)計(jì)方法，即利用嵌入式技術(shù)能夠提高工業(yè)機(jī)器人分揀的精度。

隨著人工勞動成本逐步上漲，高性價(jià)比的機(jī)器人需求量進(jìn)一步增加，大幅推動了這一領(lǐng)域的發(fā)展。機(jī)械工件分揀作業(yè)是工業(yè)生產(chǎn)流程中極為常見的工作任務(wù)，旨在將歸屬于一類的物品進(jìn)行挑揀進(jìn)行劃分，或者分揀有質(zhì)量缺陷的機(jī)械工件。就現(xiàn)實(shí)而言，工業(yè)機(jī)器人分揀作用需要克服諸多困境，如智能化水平較低等。為實(shí)現(xiàn)分揀操作作業(yè)的順利進(jìn)行，工業(yè)機(jī)器人需要明確待分揀的工件類型，以及這些工件產(chǎn)品在傳送帶運(yùn)動時(shí)的位置信息，因此需要設(shè)計(jì)人員為工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行一定程序的設(shè)計(jì)，通過安裝圖像傳感器設(shè)備，讓其了解外部圖像信息能力，從而滿足分揀種類繁多的機(jī)械零部件要求。

1 工業(yè)機(jī)器人分揀識別系統(tǒng)硬件構(gòu)造及運(yùn)作原理

在實(shí)際應(yīng)用中，工業(yè)機(jī)器人分揀識別系統(tǒng)的硬件構(gòu)成部分是通過以太網(wǎng)連接而成。這之中，硬件構(gòu)成部分既涉及視覺通用相機(jī)系統(tǒng)，也包括機(jī)械人裝置、PLC控制單元，以及智能運(yùn)料小車等設(shè)施。不僅如此，這一設(shè)備采用智能攝像機(jī)為工業(yè)機(jī)器人的視覺識別系統(tǒng)，主要型號為SV4-30ML。同時(shí)，可編程控制器系統(tǒng)采用S7-1200型號的1215C。工業(yè)機(jī)器人分揀識別系統(tǒng)主要通過智能識別攝像機(jī)這一設(shè)備，以TCP通信協(xié)議與兩個(gè)PLC之間進(jìn)行通信。詳細(xì)而言，工業(yè)機(jī)器人分揀識別系統(tǒng)運(yùn)作過程如下所述，如圖1所示。在工件裝配線上打造較為準(zhǔn)確的智能視覺系統(tǒng)，這一系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成，光源、控制支重輪、透鏡及相關(guān)配件。在這些系統(tǒng)中，光源采用背面光模式。另外，在進(jìn)行具體單元檢測過程中，機(jī)械工件中的視覺系統(tǒng)會通過裝配線識別工件的具體形狀及相應(yīng)類型，而后將這一信息輸送給主控系統(tǒng)，而后通過主控PLC系統(tǒng)來控制6軸工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行對應(yīng)工作。

圖1 工業(yè)機(jī)器人分揀系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2 基于嵌入式技術(shù)的軟件平臺搭建及應(yīng)用

以嵌入式技術(shù)為核心的工業(yè)機(jī)器人的工件分揀流程如下所述。每一托盤均可以放置任一工件，抑或是空托盤。首先，托盤裝配線接到命令，將托盤運(yùn)輸?shù)角度胧郊夹g(shù)的視覺監(jiān)測站，通過智能相機(jī)的定位識別系統(tǒng)，在將設(shè)備相關(guān)信息讀取之后傳送到對應(yīng)的主控單元系統(tǒng)。在此環(huán)境之下，主控單元完成數(shù)據(jù)讀取工作之后，再將托盤置于相關(guān)位置進(jìn)行存儲。

2.1 控制系統(tǒng)對軟件系統(tǒng)要求

第一，可靠性良好。可靠性對于工業(yè)控制系統(tǒng)而言是首位目標(biāo)，且是分揀作業(yè)的關(guān)鍵內(nèi)容。較低故障率及良好的可靠性會大幅提升任務(wù)執(zhí)行效率。此時(shí)，工業(yè)機(jī)器人如要執(zhí)行分揀工作，需要軟件系統(tǒng)的良好運(yùn)作提高整體分揀效率。第二，實(shí)時(shí)性較好。工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，不僅表現(xiàn)在響應(yīng)用戶操作較好方面，還體現(xiàn)在控制系統(tǒng)的指令作出響應(yīng)，完成既定工作規(guī)范要求。如此一來，機(jī)器人可在同一時(shí)間達(dá)成多項(xiàng)任務(wù)時(shí)，需要及時(shí)在不同軟件之間進(jìn)行切換，甚至采取部分任務(wù)中斷來執(zhí)行相關(guān)操作。第三，正確性要高。在精密分揀領(lǐng)域，機(jī)器人分揀的內(nèi)容需要準(zhǔn)確率高，而且需要執(zhí)行大量相應(yīng)指令，這就對工業(yè)機(jī)器人提出更高要求。第四，抗干擾要求較高。多數(shù)情況下，工業(yè)機(jī)器人在執(zhí)行高強(qiáng)度的重復(fù)性分揀工作，這不僅需要可靠的硬件支持，還需要有相關(guān)軟件的適應(yīng)性。

2.2 嵌入式操作系統(tǒng)選擇

一般情況下，嵌入式操作系統(tǒng)主要選取Linux，理由如下。第一，成本較低。Linux采用GPL許可證，且在商業(yè)環(huán)境下應(yīng)用無需購買許可證，這大幅降低企業(yè)系統(tǒng)購買成本。另外Linux為大量軟件資源開發(fā)者提供了更多樣的免費(fèi)資源。憑借這一優(yōu)勢，開發(fā)者通過GPL協(xié)議發(fā)布免費(fèi)資源，能夠進(jìn)一步降低自身的開發(fā)成本。第二，穩(wěn)定性高。Linux內(nèi)核在服務(wù)器行業(yè)的廣泛應(yīng)用極為穩(wěn)定。第三，硬件支持性較好。Linux系統(tǒng)支持硬件極為廣泛。Linux很好支持ARM920T核心的S3C2440芯片，且移植到開發(fā)板較為容易。

2.3 基于嵌入式技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人分揀系統(tǒng)總方案設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人分揀控制系統(tǒng)進(jìn)程中，為保障整個(gè)分揀系統(tǒng)有序、實(shí)時(shí)性，本文選用Linux操作系統(tǒng)進(jìn)一步完成底層硬件管理工作及系統(tǒng)調(diào)度任務(wù)。隨后，以嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)了完整工業(yè)機(jī)器人分揀控制系統(tǒng)。

在運(yùn)行工業(yè)機(jī)器人分揀操作系統(tǒng)時(shí)，首先需要進(jìn)行上電自檢、硬件復(fù)位等流程，從而確定系統(tǒng)的硬件是否符合系統(tǒng)要求。同時(shí)，這一過程還需將操作系統(tǒng)或其他代碼拷貝到系統(tǒng)盤中。此時(shí)，工業(yè)機(jī)器人分揀的嵌入式操作系統(tǒng)一般不具有BIOS功能，所以需要通過BootLoader完成。這一過程中，鑒于BootLoader是由一段代碼構(gòu)成，因而筆者在使用新硬件時(shí)，需要按照硬件情況及需要的操作系統(tǒng)進(jìn)行移植。當(dāng)BootLoader引導(dǎo)操作系統(tǒng)運(yùn)行后，此時(shí)還需要對文件系統(tǒng)進(jìn)行修飾，從而方便對硬件的操作。此外，文章還會利用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動器與控制系統(tǒng)的通信。這一過程主要利用Linux的網(wǎng)絡(luò)芯片編寫進(jìn)行驅(qū)動，從而完成玩了個(gè)協(xié)議的收發(fā)操作。

2.4 系統(tǒng)調(diào)試方法

此時(shí)構(gòu)建的嵌入式機(jī)器人控制系統(tǒng)分別由BootLoader、Linux內(nèi)核、人機(jī)界面、網(wǎng)絡(luò)芯片驅(qū)動等部分構(gòu)成。每一部分需要修改對應(yīng)的代碼。為進(jìn)一步完善系統(tǒng)，文章將對系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化。針對機(jī)器人分揀系統(tǒng)調(diào)試來說，應(yīng)采用主機(jī)+目標(biāo)機(jī)的方式完成。一般情況下，程序在主機(jī)編寫，從而編譯成為目標(biāo)機(jī)識別的代碼，并利用其他方式將代碼下載到目標(biāo)機(jī)。隨后在操作過程中，文章對目標(biāo)機(jī)進(jìn)行在線調(diào)試，調(diào)試環(huán)境如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境

在調(diào)試BootLoader的過程中，需要驗(yàn)證工業(yè)機(jī)器人嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試程序。考慮到實(shí)驗(yàn)板尚未建立任何可用程序，因而事先需要借助JTAG接口下載相關(guān)應(yīng)用程度。另外，還需利用串口打印調(diào)試信息，評判整體程序運(yùn)作過程是否執(zhí)行了指定功能。在進(jìn)行調(diào)試過程中，如若工業(yè)機(jī)器人通過BootLoader測試后，說明就可以利用這一程序價(jià)值相關(guān)程序，從而實(shí)現(xiàn)分揀工作。接下來，系統(tǒng)會通過USB加載接口程序，下載Zmodem協(xié)議、文件系統(tǒng)等諸多內(nèi)容。如此一來，本次調(diào)試過程需通過打印調(diào)試完成。待系統(tǒng)進(jìn)一步運(yùn)作之后，文章可以通過NFS驅(qū)動方式，下載相關(guān)應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)芯片驅(qū)動。

3 研究結(jié)論

綜上，對嵌入式技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人分揀系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)及調(diào)試，并利用示教記錄工件信息，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人能夠正確分揀和裝配工件，也可將空托盤放置收集處。此時(shí)，工業(yè)機(jī)器人能夠重復(fù)新一輪任務(wù)要求，及時(shí)對工件的分揀。換言之，工業(yè)機(jī)器人即通過“識別工件、定位位置、抓取工件、釋放工件”一系列操作，完成不同工件抓取與分揀任務(wù)，并將安裝任務(wù)要求放置到對應(yīng)存儲區(qū)。研究實(shí)驗(yàn)表明，以嵌入式技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人分揀系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分揀和識別的正確率較高，取得預(yù)期效果。