陳再師++劉任任

摘要：在機器人技術(shù)快速發(fā)展與持續(xù)完善的大環(huán)境下，工業(yè)機械手臂被廣泛運用于工業(yè)領(lǐng)域中，其發(fā)展與應用意義重大。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，實現(xiàn)智能機械手臂的構(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面的物體。同時，它也可通過實時抓幀，測量周圍物體的坐標位置，調(diào)整自身參數(shù)，實現(xiàn)其適應、交互的智能特性。

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

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：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，在機器人技術(shù)快速發(fā)展與持續(xù)完善的大環(huán)境下，機械手臂現(xiàn)已廣泛地運用于各工業(yè)領(lǐng)域中，其發(fā)展與應用有著十分重要的意義。在國內(nèi)，機器手臂的研究起始于上世紀七十年代，相比于西方發(fā)達國家，我國對機械手臂的研究起步較晚，技術(shù)也相對落后。由于機械手臂可以實現(xiàn)更快、更精確地抓舉物品、安裝零件，可以更高強度的連續(xù)工作，所以現(xiàn)在人們開始把更多的精力用在了機械手臂的研究和制造上，期望它能給人類帶來更多經(jīng)濟價值[1-4]。

現(xiàn)在所使用的機械手臂，大部分都是采用示教控制，即都是事先編好程序，使機械手臂按照一定的邏輯順序從一個位置運動到另一個位置，這種控制方法對于流水線工作是簡單有效的。但是當運動環(huán)境發(fā)生變化的時候，機械手臂還是會按照原來的編程好的路徑運動，往往不能達到期望的位置，這就缺少了運動自主性。所以機械手臂的運動原理和核心控制系統(tǒng)就成為了機械手臂能夠自由運動，抓放的基礎(chǔ)，而控制核心的基石便是機械手臂的驅(qū)動技術(shù)的設(shè)計和研究。只有將機械手臂的運動系統(tǒng)的驅(qū)動與機械手臂運動系統(tǒng)算法很好的融合，才可以隨時識別新的工作環(huán)境，動態(tài)調(diào)整手臂的運動路徑，使得手臂能夠準確定位目標物體。但目前機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，所以本論文以實際對象為背景，對機械手臂運動的研究具有一定的理論和現(xiàn)實意義。

2 總體設(shè)計

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

系統(tǒng)的硬件平臺主要由五部分組成：主控制板（TQ210）、USB攝像頭、運動控制單元，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。運動控制單元為16路伺服舵機控制板和機械手臂，通過串口與主控制板相連實現(xiàn)機器人的動作控制。

3 詳細設(shè)計

3.1機械手臂動作系統(tǒng)的硬件連接

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

（1）將舵機控制板的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，通過Windows環(huán)境下載動作組，雙擊安裝。

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

（4）使用上位機軟件下載動作。

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

舵機控制板與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

主控制板與舵機控制板以及Arduino拓展版的通信方法均是通過RS232方法實現(xiàn)信息傳輸。S5PV210可以方便地利用UART控制器（TQ210實驗板的UART控制器為SP3232EEN）實現(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：實現(xiàn)53C2440端的TTL電平和RS232串口協(xié)議標準規(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)動加入配置選項里面。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，串口1與/dev/ttys1相對應，串口2實現(xiàn)了系統(tǒng)指令和傳感信息兩者的傳輸，與之相應的設(shè)備文件是/dev /ttyS2。TQ210的實驗板有三個串口接口，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)板與宿主機的串口終端鏈接，進行控制；采用串口1與舵機控制板相連，組成是機械手臂動作模塊，用以實現(xiàn)主機控制手臂動作。

3.3 控制指令的編碼設(shè)計

機器人運動控制和內(nèi)部傳感器信息采集單元通過串口實現(xiàn)與上位機兩者之間的通訊。其控制指令集：# P S T

具體釋義如下：

=舵機號，0-31； =脈沖寬度單位微秒，范圍500-2500； =移動速率us/s每秒移動脈寬數(shù)， 針對一個舵機有效；

=移動到指定位置使用的毫秒數(shù) （Optional）。

舵機控制板可以直接提取以上控制指令加以執(zhí)行。如："#5 P1600 S750 "，表示移動舵機號5到脈寬 1600us 速率為每秒移動脈寬750微秒；"#5 P1600 #10 P750 T2500 "，表示移動舵機號5 到脈寬1600us移動舵機號10到脈寬750us使用時間為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，項目集成在Linux下進行，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，三個目錄分別存放了OpenCV開發(fā)依賴的頭文件，動態(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)向坐標指令。

3.5 機械手臂根據(jù)物體位置確定動作組

根據(jù)攝像頭和機械手臂建立的坐標系，確定機械手臂的運動控制庫。根據(jù)OpenCV返回的物體位置，直接匹配運動控制庫，實現(xiàn)根據(jù)物體在坐標系中的位置規(guī)劃機械手臂運動抓取物體的目的。

首先將串口指令封裝，void HandMove（int num，int degree，int time）函數(shù)用來控制伺服電機并適當延時，隨后根據(jù)物體位置調(diào)用運動控制庫，匹配動作組啟動機械手臂抓取物體。

物體以機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像素坐標計算得出，物體坐標封裝在結(jié)構(gòu)體struct Location變量goal中，直接通過函數(shù)計算得出。

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)整底座舵機直接轉(zhuǎn)向物體，匹配動作組抓取物體。

好的機械手臂應具備學習能力，我設(shè)計的這款機械手臂也不例外。當機械手臂完成抓取物體之前的任務后，會提醒用戶是否啟動學習模式，這時候用戶選擇學習即可通過圖形界面在線調(diào)整機械手臂，系統(tǒng)將自動記錄更新后的運動數(shù)據(jù)，系統(tǒng)下次將自動調(diào)用新的動作庫數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

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

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

（2）以O(shè)penCV作為視覺庫，實現(xiàn)了機械手臂對物體實施抓取動作的路徑設(shè)計。

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

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

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

（1）機械手臂抓取目標物體的路徑，不僅僅只能通過OpenCV進行圖像處理得到，還可以通過建模，運用智能優(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）運動控制庫建立比較欠缺，待完善。

參考文獻：

[1] 高微，楊中平，趙榮飛，等.機械手臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造，2006（1）：13-15.

[2] 劉偉，齊曉慧.基于視覺的機械手臂自主抓物的實現(xiàn)[J].兵工自動化，2008（12）：79-80.

[3] Bicchi A， Tonietti G. Fast and "soft-arm" tactics [robot arm design]. IEEE Robotics & Amp Amp Automation Magazine， 2004， 11（2）：22-33.

[4] Khan S G， Grafi M A. Humanoid Robot Arm Adaptive Control： Experimental Implementation. Journal of Applied Sciences， 2014， 14（19）：2267-2275.

[5] 徐中林.基于Arduino平臺頻率、占空比測試儀器的制作[J].滄州師范學院學報，2015（1）：38-41.

[6] 劉澤良，胡日新.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下基于Arduino的智能公交系統(tǒng)模型設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理，2014（11）：140-143.

[7] Bradski G. The OpenCV Library. Doctor Dobbs Journal， 2000， 25（11）：384-386.

[8] 劉瑞禎.OpenCV教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.