康俊杰 路明 羅馮婭 黎宇彬

摘? 要 系統(tǒng)主要由OpenMV、LCD屏、單片機(jī)和一臺(tái)小型機(jī)器人組成。OpenMV是系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)傳感器，32單片機(jī)是系統(tǒng)的控制核心，機(jī)器人是由三個(gè)步進(jìn)電機(jī)和一個(gè)氣泵驅(qū)動(dòng)組成，作為系統(tǒng)的執(zhí)行器，LCD屏幕作為系統(tǒng)的反饋，以便觀察OpenMV與單片機(jī)是否通信成功。當(dāng)OpenMV攝像機(jī)開始檢測(cè)時(shí)，攝像頭將對(duì)物塊的顏色進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)，并與事先按要求設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，從而判斷出當(dāng)前所檢測(cè)的物塊是否符合要求的，若符合要求，OpenMV攝像機(jī)就把數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器對(duì)該物塊進(jìn)行抓取，并在LCD屏幕上顯示該物塊的坐標(biāo)，若不符合要求，則執(zhí)行器不動(dòng)。LCD屏幕上顯示“NO FIND”本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)抓取裝置具有效率高、應(yīng)用廣、易操控等優(yōu)點(diǎn)，在零售、工業(yè)抓取等領(lǐng)域有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);OpenMV;自動(dòng)抓取;圖像識(shí)別

課題主要研究的內(nèi)容

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，會(huì)需要搬運(yùn)一些零部件，目前，更多采用的是人工搬運(yùn)，但人工效率低，且成本高。同時(shí)，由于人會(huì)感覺累，需要休息一會(huì)后再開始搬運(yùn)。所以可以考慮機(jī)器人自動(dòng)抓取方式，這個(gè)過程就要求對(duì)物塊的顏色外觀進(jìn)行相應(yīng)的判斷，從而取抓取物塊。當(dāng)智能相機(jī)對(duì)物塊的顏色特征進(jìn)行檢測(cè)，通過檢測(cè)幾何特征參數(shù)與先前拍取的完好的物塊或者符合要求的物塊進(jìn)行比對(duì)，判斷物塊的形狀或顏色后，智能相機(jī)把數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)再將相應(yīng)數(shù)據(jù)輸出到步進(jìn)電機(jī)通過電機(jī)進(jìn)行控制機(jī)器人將符合設(shè)計(jì)要求的物塊抓取出去，然后放置在指定位置或者需要的地方。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

見圖1所示。本設(shè)計(jì)是運(yùn)用OPENMV攝像頭、32單片機(jī)和機(jī)器人組成。主要實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂對(duì)物塊的自動(dòng)抓取并放置，同時(shí)實(shí)現(xiàn)LCD模塊上顯示坐標(biāo)、手動(dòng)按鍵控制抓取等功能。本文主要從OPENMV、機(jī)械臂、LCD顯示屏、主控和PCB板五個(gè)方面介紹該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

1.1 OpenMV相機(jī)模塊

OpenMV的概述：： OpenMV是一個(gè)非常易用且低價(jià)的機(jī)器視覺開發(fā)組件，由于其強(qiáng)大的圖像處理能力，豐富的開源功能代碼庫，深受國內(nèi)外數(shù)十萬開發(fā)者的歡迎。OpenMV項(xiàng)目旨在通過開發(fā)一個(gè)用戶友好的、開源的、低成本的機(jī)器視覺平臺(tái)，使機(jī)器視覺更易于初學(xué)者使用。OpenMV支持幀差分（運(yùn)動(dòng)檢測(cè)）、標(biāo)記跟蹤、顏色跟蹤（最多同時(shí)支持32種顏色）、圖像捕獲（BMP/JPG/PPM/PGM）、視頻錄制（MJPEG/GIF）等功能。編程是在OpenMV IDE中使用微python語言完成的。你可以在OpenMV Cam文檔中找到更多詳細(xì)信息。

1.2 機(jī)械臂的選擇

本設(shè)計(jì)選擇的PL42B010B減速步進(jìn)電機(jī)小機(jī)械臂，2.5kG負(fù)載機(jī)械手減速步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)的機(jī)身長(zhǎng)34mm ，減速機(jī)的長(zhǎng)度：35mm，電機(jī)的扭力為：3N·m。該機(jī)械臂主要由三個(gè)步進(jìn)電機(jī)和一個(gè)氣泵直流電機(jī)組成，三個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)器人的底座、前軸、后軸的運(yùn)動(dòng)，直流電機(jī)控制機(jī)器人末端的氣泵開關(guān)，通電則開啟氣泵，斷電則關(guān)閉氣泵。

1.3 LCD顯示屏

本設(shè)計(jì)使用LCD12864模塊作為顯示部分。該模塊內(nèi)含簡(jiǎn)體中文字庫，可以顯示漢字和數(shù)字。該點(diǎn)陣的顯示屏成本相對(duì)較低，適用于各類儀器，小型設(shè)備的顯示領(lǐng)域。

1.4 主控

本設(shè)計(jì)使用stm32f103c8t6微控制器作為主控制器，STM32F103xx性能線系列結(jié)合了高性能ARM Cortex-M332位RISC核心，以72MHz頻率、高速嵌入內(nèi)存（閃存高達(dá)128K字節(jié)、SRAM高達(dá)20K字節(jié)）以及連接到兩個(gè)APB總線的各種增強(qiáng)型I/O和外圍設(shè)備運(yùn)行。所有設(shè)備提供兩個(gè)12位ADC，三個(gè)通用16位定時(shí)器加上一個(gè)PWM定時(shí)器，和標(biāo)準(zhǔn)和高級(jí)通信接口[1]：多達(dá)兩個(gè)LC計(jì)算機(jī)和SPI，三個(gè)USART，一個(gè)USB和一個(gè)CAN。

1.5 PCB板設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是以stm32f103c8t6為主控芯片，設(shè)計(jì)出一塊實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、串口通信、按鍵控制、LCD屏幕顯示等功能的PCB板。主要分為電源、驅(qū)動(dòng)器、燒錄口、LCD顯示、串口通信部分等。首先設(shè)計(jì)電源部分，通過兩個(gè)穩(wěn)壓芯片來保持+5V的電壓，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)步進(jìn)電機(jī)的控制，運(yùn)用三個(gè)TB6612驅(qū)動(dòng)及逆行驅(qū)動(dòng)，再設(shè)定兩個(gè)通信串口與LCD顯示屏和OPENMV進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，再設(shè)定手動(dòng)控制部分，程序燒錄部分支持USB和Jink燒錄。如圖2所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件與硬件電路緊密結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的控制，本文主要從步進(jìn)電機(jī)的控制、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、顏色識(shí)別、串口通信和LCD顯示五個(gè)板塊進(jìn)行論述。

2.1步進(jìn)電機(jī)控制部分

目前市面上的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路通常使用的驅(qū)動(dòng)芯片，缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)能力弱。本設(shè)計(jì)選用的是基于 TB6612 驅(qū)動(dòng)芯片的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，不僅驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，單路最大輸出電流 3A，而且采用了高速光耦，做到高速狀態(tài)不失步，可以很好的驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂采用的步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)與控制板連接正確后，通過主控板向控制板的CW端輸入 5V 的高電平，電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，輸入低電平正向旋轉(zhuǎn); EN 端低電平電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，高電平則停止轉(zhuǎn)動(dòng)。CLK 端輸入脈沖，電機(jī)運(yùn)行，無脈沖式鎖定電機(jī)。通過上面三個(gè)端口控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的控制。STM32 芯片的定時(shí)器可以直接 PWM （ Pulse Width Modulation） 輸出，只需要設(shè)置CCRX，ARR等寄存器，就可以實(shí)現(xiàn)頻率、占空比的調(diào)節(jié)，以及 PWM 輸出的打開與關(guān)閉，從而根據(jù)需要對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。

2.2坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

本文設(shè)計(jì)的小型機(jī)械臂，采用了直角坐標(biāo)系的機(jī)械結(jié)構(gòu)，擁有多個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸，以及一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，可以對(duì)應(yīng)直角坐標(biāo)系中互相垂直的 X、Y 軸。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)量不能直接對(duì)應(yīng)到坐標(biāo)系的坐標(biāo)變化量，所以在控制時(shí)，需要通過軟件算法將輸入的坐標(biāo)移動(dòng)量轉(zhuǎn)換為可以提供給步進(jìn)電機(jī)的控制量。市面上的機(jī)械臂多采用伺服電機(jī)進(jìn)行控制，雖然本設(shè)計(jì)采用的步進(jìn)電機(jī)與之有一定的差距，但是都可以等效為控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度。因此運(yùn)用軟件先將坐標(biāo)的變換根據(jù)現(xiàn)有公式轉(zhuǎn)換為角度的變換，再將角度的變換轉(zhuǎn)換為給步進(jìn)電機(jī)的控制量，最終達(dá)到了對(duì)機(jī)械臂坐標(biāo)位置的控制。

2.3 OPENMV的顏色識(shí)別

顏色識(shí)別程序中白平衡校正是不可或缺的。在白光照射下，RGB 顏色傳感器的輸出并不相等，通常情況下，綠色傳感器的輸出值較之其他會(huì)更大一點(diǎn)。除此之外，顏色檢測(cè)系統(tǒng)的白平衡還會(huì)受到照明燈的色溫差異干擾。在OPENMV中可以運(yùn)用Sensor模塊進(jìn)行處理，其程序可以在OPENMV-IDE中進(jìn)行編輯。之后通過調(diào)節(jié)閾值來進(jìn)行顏色的識(shí)別。

2.4串口通信

一般來說，OPENMV的通信串口必須是UART3，32單片機(jī)的通信波特率一般是115200。本設(shè)計(jì)使用的通信串口設(shè)置是使用的默認(rèn)值。

2.5 LCD顯示

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括LCD初始、寫數(shù)據(jù) 、寫命令，以及畫點(diǎn)、字符顯示等 程序設(shè)計(jì)。液晶顯示模塊正常工作前，需要對(duì)其進(jìn)行初始化，主要包括復(fù)位液晶、確定顯示對(duì)比度、偏壓比等參數(shù)，然后才能實(shí)現(xiàn)字符、圖形以及其他的顯示功能。 在向液晶顯示模塊寫入數(shù)據(jù)或者命令時(shí)，一定要注意寫入的時(shí)序，只有嚴(yán)格地按 照時(shí)序編寫驅(qū)動(dòng)程序才能正常工作。

3? 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的機(jī)械臂方案由于運(yùn)用了更快速的處理器并且優(yōu)化了顏色識(shí)別算法，相較于市面上的小型機(jī)械臂，在多種光線環(huán)境下具有檢測(cè)正確率高、抓取穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。隨著社會(huì)工業(yè)化發(fā)展，機(jī)械臂越來越小型化、智能化，應(yīng)用范圍逐漸向社會(huì)各行各業(yè)滲透，將會(huì)有更多的智能機(jī)械臂走進(jìn)人們?nèi)粘Ｉ?，?duì)我國的穩(wěn)定發(fā)展也具有重要作用。

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作者簡(jiǎn)介：

康俊杰（1999-），男，漢族，江西萍鄉(xiāng)人，三江學(xué)院本科在讀，主要研究方向：圖像識(shí)別