管樹龍

The Design of Material Sorting System Based on Image Recognition

GUAN Shu-long

（Suzhou Hanlong Intelligent Equipment Co.， Ltd.， Suzhou 215000， China）

【摘? 要】論文以四個自由度的機械臂為研究對象，對其進行機械機構(gòu)的設(shè)計，首先利用SolidWorks進行有限元分析，進而驗證機械臂的應(yīng)用可行性，然后采用Arduino開發(fā)板來控制舵機，從而使機械臂產(chǎn)生不同的運動，最后基于Proteus軟件對舵機進行仿真。分揀的總工作流程就是利用Matlab進行圖像識別，檢測出該物料的類別，然后輸出坐標和數(shù)據(jù)給Arduino，從而完成機械臂對物料的整個分揀動作。

【Abstract】The paper takes the manipulator with four degrees of freedom as the research object， and designs its mechanical mechanism. The paper firstly uses SolidWorks to perform finite element analysis to verify the application feasibility of the manipulator， then uses the Arduino development board to control the steering gear， so that the manipulator produces different motions， and finally simulates the steering gear based on the Proteus software. The total work procedure of sorting is to use Matlab for image recognition， detect the category of the material， and then output coordinates and data to Arduino， so as to complete the whole sorting action of the manipulator for the material.

【關(guān)鍵詞】SolidWorks有限元分析;Arduino控制系統(tǒng);Proteus仿真

【Keywords】SolidWorks finite element analysis; Arduino control system; Proteus simulation

【中圖分類號】TH122;TP241? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）05-0178-02

1 引言

產(chǎn)品分揀是工業(yè)自動化生產(chǎn)中的一項重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的人工分揀或示教工業(yè)機器人分揀無法適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)對勞動生產(chǎn)率和生產(chǎn)過程自動化水平的需求，將機器視覺技術(shù)與工業(yè)機器人相結(jié)合可使分揀作業(yè)具有更高的柔性和可靠性。本文設(shè)計的是基于Arduino控制的四自由度機械臂，總工作流程是先通過Matlab的圖像識別分析出該物料的歸屬范疇，然后給予機械臂一個坐標，再通過Arduino的普通數(shù)字傳感器接口產(chǎn)生占空比不同的方波，模擬產(chǎn)生出PWN信號來進行舵機定位，從而實現(xiàn)對機械臂的控制，完成物料分揀的整個任務(wù)流程。最后基于Proteus軟件對其電氣原理圖進行仿真，驗證Arduino程序的對與錯。

2 機械臂本體的設(shè)計

2.1 機械臂類型方案選擇

本設(shè)計采用的是伺服電機驅(qū)動的四軸旋轉(zhuǎn)坐標機械臂。此類機械臂又稱關(guān)節(jié)型機械臂，其最大的特點就是工作的空間范圍大，只要在機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計上多加幾個關(guān)節(jié)，就可以實現(xiàn)多自由度的運動，配合其控制系統(tǒng)，其運動軌跡可以是多種多樣的，只要對控制系統(tǒng)的程序進行編輯，就可以控制其關(guān)節(jié)部位，從而控制機械臂的整個運動。

2.2 SolidWorks建模與裝配

待所有的機械設(shè)計完成之后，利用SolidWorks對其進行建模，并裝配，得到物料分揀機械臂三維圖示，如圖1所示。

3 機械臂控制系統(tǒng)的設(shè)計

程序的開始先是調(diào)用Arduino的Servo庫，隨后建立幾個舵機的Servo對象，設(shè)置舵機轉(zhuǎn)角變化的速度，告知Arduino開發(fā)板舵機需要接在哪幾個引腳上，當然，舵機必須接在模擬端口。這部分就類似于準備工作，準備工作完成后，就正式開始程序主要部分的編寫。為了方便查看數(shù)據(jù)，調(diào)用串口通訊命令，在串口監(jiān)視器編寫想要知道的信息。由于分揀物品包含三類，因此，就用到switch case語句，分出三套獨立的動作，且分揀動作完成后，舵機會返回到初始狀態(tài)的位置。

在Arduino IDE編譯正確且完成后，打開串口監(jiān)視器，可以對其輸入A、B、C指令，這會反饋出舵機角度的信息，如圖2所示。

4 基于Proteus的仿真測試

4.1 Proteus電氣原理圖的建立

電氣原理圖如圖3所示，由于設(shè)計的機械臂是采用吸盤吸取物料，涉及氣泵的驅(qū)動和兩位三通電磁閥，氣泵的作用是抽吸吸盤內(nèi)部的氣體，在此電氣原理圖采用直流電機來代替，電機開始轉(zhuǎn)動就表示氣泵開始工作。

4.2 Proteus仿真結(jié)果分析

仿真舵機初始位置的波形圖如圖4所示。從圖中可以看出，每一格的長度為1ms，第一條線代表0°位置，脈寬為半格，為0.5ms，第二條線、第三條線和第四條線代表90°位置，脈寬為1格半，為1.5ms。

4.2.1 輸入指令為分揀瓶蓋（bottle cap）

當要分揀的物品是瓶蓋時，首先大臂舵機轉(zhuǎn)到34°位置，小臂舵機轉(zhuǎn)到78°位置，末端執(zhí)行器轉(zhuǎn)到136°位置，這時末端執(zhí)行器的吸盤已經(jīng)貼在了瓶蓋的表面，驅(qū)動氣泵工作，抽走吸盤內(nèi)部的所有空氣。然后大臂與小臂的角度轉(zhuǎn)到90°位置，提升重物，腰部舵機轉(zhuǎn)到180°的位置，大、小臂角度分別轉(zhuǎn)到最初的34°和78°位置，放下重物，這時接通電磁閥，如圖5所示，開始放走吸盤內(nèi)的空氣，松開重物。在完成重物的搬運后，機械臂各關(guān)節(jié)就會再次返回到初始狀態(tài)的位置。

4.2.2 輸入指令為分揀充電器（charger）

當要分揀的物品是充電器時，首先大臂舵機轉(zhuǎn)到36°位置，小臂舵機轉(zhuǎn)到78°位置，末端執(zhí)行器轉(zhuǎn)到138°位置，這時末端執(zhí)行器的吸盤已經(jīng)貼在了充電器的表面，驅(qū)動氣泵工作，抽走吸盤內(nèi)部的所有空氣。然后大臂與小臂的角度轉(zhuǎn)到90°位置，提升重物，腰部舵機轉(zhuǎn)到135°的位置，大、小臂角度分別轉(zhuǎn)到最初的36°和78°位置，放下重物，這時接通電磁閥，如圖6所示，開始放走吸盤內(nèi)的空氣，松開重物。在完成重物的搬運后，機械臂各關(guān)節(jié)就會再次返回到初始狀態(tài)的位置。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了機械臂，分為三大部分，機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，基于Arduino控制系統(tǒng)的設(shè)計，基于Proteus的仿真測試。第一部分機械機構(gòu)的設(shè)計，并進行了SolidWorks建模與裝配。第二部分控制系統(tǒng)的設(shè)計，利用了Arduino開發(fā)板無限性的特點，重點是了解舵機的控制原理。第三部分是基于Proteus的仿真，Proteus軟件中有虛擬示波器，在一定程度上解決了舵機運行工作狀態(tài)的問題。透過示波器，可以很直觀地觀測到Arduino輸出給舵機的PWM信號，得到舵機轉(zhuǎn)軸在不同角度位置下的脈沖寬度，以此來驗證程序的對與錯。

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