收藏幣拍照機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計與開發(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，隨著錢幣收藏市場不斷升溫，越來越多的人開始關(guān)注收藏幣。并非所有的收藏幣都是越來越值錢的，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)下降影響收藏價值，因此需要專門的人工檢測[2]?？紤]到采用人工檢測的方法，需要專門的設(shè)備儀器和相關(guān)方面的專家，對于大批量收藏幣檢測來說，顯然工作效率低、勞動強(qiáng)度大及存檔困難等。本文研究基于機(jī)器視覺的圖像采集技術(shù)[3]，開發(fā)了收藏幣拍照機(jī)器人控制系統(tǒng)，利用機(jī)器人本體和視覺圖像技術(shù)來實現(xiàn)收藏幣的夾取、升降、移動、定位、翻轉(zhuǎn)和圖像采集等一系列全自動化工藝流程。

1 控制系統(tǒng)整體設(shè)計

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+嵌入式控制器”架構(gòu)設(shè)計。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、電動機(jī)運動參數(shù)設(shè)置、手動/自動操作流程和人機(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)器視覺主要通過工業(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)電動機(jī)運動控制算法、CAN總線通信[4]、編碼器和限位開關(guān)信號的采集及數(shù)據(jù)存儲等功能。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

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

1.2 機(jī)器人本體設(shè)計

采用模塊化設(shè)計思想，對收藏幣拍照機(jī)器人進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計[6]。如圖2所示，主要由運動模塊和固定模塊組成，運動模塊主要由4個關(guān)鍵部分組成：X/Y軸移動、Z軸夾取、定位移動及翻轉(zhuǎn)/移動模塊；固定模塊包括相機(jī)支架和收藏幣托盤。采用步進(jìn)電動機(jī)、氣動驅(qū)動作為動力來源，通過同步帶模組、滾珠絲杠滑臺進(jìn)行動力傳動，以及2 個氣動抓手的開合，再結(jié)合機(jī)器人本體，最終實現(xiàn)收藏幣的夾取、升降、移動、定位、翻轉(zhuǎn)等操作；機(jī)器人本體設(shè)計如圖3所示。

圖2 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3 機(jī)器人本體

1.3 系統(tǒng)工作流程

收藏幣拍照機(jī)器人全自動化工作流程是在依靠機(jī)器人本體、運動控制算法和機(jī)器視覺系統(tǒng)，來實現(xiàn)收藏幣的夾取、升降、移動、定位、翻轉(zhuǎn)、圖像采集和上位機(jī)狀態(tài)監(jiān)測等過程。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/手動工作流程、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，開始系統(tǒng)上電，進(jìn)行設(shè)備自檢。

操作人員可以選擇手動或自動操作模式。手動操作主要用于各軸電動機(jī)和氣動抓手的控制，具體操作可以分為：X/Y軸電動機(jī)定位、Z軸空心電動機(jī)吸取和升降、定位電動機(jī)移動、翻轉(zhuǎn)和升降電動機(jī)運行及氣動抓手開合。自動模式下，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，接下來進(jìn)行收藏幣的移動、升降、翻轉(zhuǎn)、定位等多個連貫性動作。

圖像采集模塊的工作流程是：通過定位電動機(jī)將收藏幣放置于工業(yè)相機(jī)的正下方，打開環(huán)形光源并且定位電動機(jī)開始微調(diào)，開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)報警提示“采集完成”；否則，將重復(fù)自動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

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)器人實際應(yīng)用需求，該控制器設(shè)計出6軸步進(jìn)電動機(jī)控制接口、16路限位開關(guān)信號接口、4路通用DO、CAN總線接口、RS-485串口通信和儲存模塊等，如圖5所示?？刂破饔布褂肁ltium Desiger16軟件，進(jìn)行四層PCB設(shè)計，采用“一電一地兩信號”模式，頂層和底層為信號層，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

3.1 控制器軟件

嵌入式控制器的軟件在Keil uVision5環(huán)境開發(fā)，基于UCOS_III實時操作系統(tǒng)，將其移植到ARM芯片中[9]，應(yīng)用軟件設(shè)計主要包括步進(jìn)電動機(jī)閉環(huán)運動算法、CAN總線通信、電磁閥控制模塊、數(shù)據(jù)儲存和限位開關(guān)信號采集等?？刂破鬈浖蚣苋鐖D6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

上位機(jī)應(yīng)用軟件主要用于人機(jī)界面交互，實現(xiàn)用戶與機(jī)器人的系統(tǒng)交流，可以選擇手動或自動兩種操作模式。參數(shù)設(shè)置用于規(guī)定各軸步進(jìn)電動機(jī)運動的方向、速度、位移和電動機(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。報警提示用于監(jiān)測控制器各個運動環(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

4 應(yīng)用實驗

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)電動機(jī)驅(qū)動器、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)器人全自動化工藝流程中，實際運行效果表明：收藏幣拍照機(jī)器人控制系統(tǒng)運動穩(wěn)定，各個運動環(huán)節(jié)運行良好，圖像采集清晰且高效，平均一個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50 min左右，速度滿足使用要求。上位機(jī)圖像采集過程如圖9所示。

圖9 上位機(jī)圖像采集過程

5 結(jié)論

本文設(shè)計和開發(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、全自動工藝流程和控制器軟硬件設(shè)計過程。整個系統(tǒng)采用上下位機(jī)控制模式，上位機(jī)PC端通過CAN總線與下位控制器實時通信，實現(xiàn)了收藏幣的夾取、升降、移動、定位、翻轉(zhuǎn)和圖像采集工作。基于“PC+機(jī)器視覺+嵌入式控制器”的控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計合理，功能設(shè)計齊全，實時性好、可靠性高。實驗結(jié)果達(dá)到了預(yù)期效果，對機(jī)器視覺類機(jī)器人運動控制具有重要的參考價值。