陳強

（安康學院科研處，陜西安康 725000）

傳統(tǒng)的原料分揀中普遍采用人工分揀，效率很低，不但限制了后續(xù)工序的快速進行，同時也推高了產品的生產成本。為了提高效率，可以使用工業(yè)機器人代替人完成簡單重復的工作，或代替高級技工完成精密度要求較高的任務[1-3]。

LabVIEW 是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言，其VI 代碼由框圖組成，硬件接口豐富，程序代碼可通過驅動直接應用于硬件?；贚abVIEW的機械臂控制，既能滿足機械手臂較高的控制要求，還簡化了程序開發(fā)過程，提高了開發(fā)效率[4-5]。該設計利用虛擬儀器LabVIEW 平臺設計了機械臂的分揀系統(tǒng)，可以對指定區(qū)域的目標進行分類放置，完成自動分揀的功能，代替人工分揀，提高工作效率。

1 總體方案

該設計搭建了機械臂分揀系統(tǒng)，能夠將放在指定區(qū)域的不同位置、形狀的目標進行分揀，并在PC端獲得目標的種類、數量、位置等統(tǒng)計信息。為此，方案利用虛擬儀器LabVIEW 編寫讀取目標信息數據，并且利用顯示控件進行顯示；通過判斷結構選出最合適的數據組；將選出的數據組轉化為通信協(xié)議可以識別的串口通信指令；通過串口將控制指令有序發(fā)出；機械臂控制板解析串口接收到的指令，按步驟完成分揀操作，完成后恢復初始姿態(tài)，等待下一次運行?？傮w的操作流程如圖1 所示。

圖1 總體操作流程

該系統(tǒng)在完成整個操作過程中，可以在顯示器上同步顯示出目標數量，并繪制出目標物體在載物臺上的坐標圖。系統(tǒng)程序具有可移植性，適用性較強，易于拓展，方便人機交互[6]。

2 硬件平臺

2.1 機械臂與載物臺

為了在空間中的不同位置和方向抓取和傳送物體，傳送機構采用6 個自由度的機械臂。機械臂的每個自由度通過其操縱器的獨立驅動關節(jié)捕捉物體在其工作空間中的任何位置和姿勢。精密的6 自由度機械臂可以完成極其復雜的動作[7]。該系統(tǒng)的6自由度機械臂及載物臺如圖2 所示。

圖2 機械臂及載物臺

機械臂從末端到底座共6 個自由度，除底座以外的5 個自由度由5 個LD-20MG 數字舵機提供，底座自由度由一個LD-1501MG 數字舵機提供。這些數字舵機使用PWM 脈寬型調節(jié)角度，周期為20 ms、占空比為0.5～2.5 ms的脈寬電平對應舵機0～180°角度范圍，且成線性關系[8]。舵機控制器采用500～2 500 數值對應舵機控制輸出角度的占空比0.5～2.54 ms，舵機的控制精度是3 μs，可以滿足機械臂的要求[9]。載物臺采用鋁合金，使用T 型栓、法蘭螺母和角碼固定，可保證結構牢固，機械臂不產生搖晃偏移，不影響操作精度[10]。

2.2 機械臂控制模塊

機械臂的動作由LSC 舵機控制板完成控制，接口較為豐富：

1）藍牙接口：支持移動設備使用APP 控制；

2）USB 接口：連接PC 機，通過上位機軟件控制；

3）二次開發(fā)接口：經過串口完成代碼控制；

4）PS2 手柄接收器接口：支持使用PS 手柄控制。

控制板使用單片機控制，使用單片機前要對寄存器和中斷等進行配置。當單片機串口收到數據后，要對數據進行判斷，如果是正確的數據幀就進行解析，如果不是正確的數據幀就將數據丟棄，不作處理。采用狀態(tài)機對數據幀進行判斷，判斷數據幀是否正確的流程是首先設置狀態(tài)變量St，St的取值有0、1、2，St的初始值是0，當有數據到達時，先判斷第一個字節(jié)是否是0x55，如果是0x55，St的值賦為1，若不是，St的值還保持為0，丟棄這一幀數據；若St的值為1 時，則對第二個字節(jié)進行判斷，如果是0x55，則St的值賦為2，確定這一幀數據是正確的數據，進行后續(xù)數據的解析，若不是，則將St的值賦為0，將這一幀的數據丟棄，繼續(xù)等待下一幀數據出現。整個流程循環(huán)運行，持續(xù)不斷接收數據幀并進行判斷。一旦有正確的數據到達，則進行數據解析，控制機械臂完成相關操作。數據解析流程如圖3 所示。

圖3 數據解析流程

3 上位機部分

上位機模塊在系統(tǒng)中起主控作用，完成指令文件的讀取和解釋、發(fā)送等功能。打開操作界面，通過VISA 配置后打開串口，讀取根目錄中的“機械臂參數.txt”文件，將文件中的數據以數組的形式保存在內存中。

上位機內部程序循環(huán)讀取載物臺上的目標信息數據，一旦目標信息發(fā)生改變，系統(tǒng)即可判斷出載物臺上目標物體發(fā)生了改變，需要執(zhí)行與之對應的分揀操作，并將這些操作步驟轉化為操作指令，發(fā)送至下位機，完成分揀。在機械臂完成分揀操作以后，由上位機給下位機發(fā)送復位指令，使機械臂回到初始位置，等待載物臺上有新的目標出現，完成新一輪的分揀操作[11]。

3.1 機械臂動作數據獲取

首先，在載物臺上建立坐標軸，將有效區(qū)域劃分成有規(guī)律的柵格，在對應的位置測出相應數據，每一組XY坐標值對應一個柵格，根據這一對應關系，建立數據組的索引編號。然后按照順序進行每個柵格的機械臂具體路徑測試，將到達每一個柵格的路徑分解成一定步驟進行，并記錄此時的舵機位置，將位置信息保存在“路徑參數.txt”文件中。

當該系統(tǒng)開始運行時，首先解析出該VI 所在目錄的路徑，并與“路徑參數.txt”構成新的路徑，借以將該文檔內容讀取出來，劃分為一組一組的數據，并將數據存儲以備后續(xù)程序使用。具體過程：首先根據存儲數據時的約定，按組截取字符串，通過使用“分組For 循環(huán)”將所有字符串按順序分組，再將分好組的字符串轉化為對應的數值。每個分組里的數據被保存在一維數組里，所有分組都執(zhí)行完后，數據被轉化成二維數組[12]。

3.2 動作指令的調用

目標參數以文檔的形式在該VI 根目錄的同一目錄下更新，每當文檔的數據發(fā)生變化，即表示載物臺上的目標發(fā)生變化。為了檢測到文檔的數據發(fā)生變化，該文采用在某一時刻讀出文檔中的數據，經短暫延時后第二次讀取數據并比較，兩次讀出的內容一致時，說明文檔內容沒有改變，即載物臺上的目標情況沒有變化。此時，需要將物塊坐標圖上的點清零。當目標信息發(fā)生改變時，將文檔內容讀出來，根據信息的存儲規(guī)則，計算出當前載物臺上的目標數量，在只有一臺機械臂的情況下，目標的數量即為機械臂需要進行分揀操作的次數。目標信息不變時，循環(huán)次數默認為0，即不進行后續(xù)操作[13]。

從文檔里讀出來的數據包括X軸坐標、Y軸坐標、表示目標類型的數據，并不能直接用于機械臂的控制，還須將坐標數據轉化為與之對應的動作指令組。該文采用近似的方法，根據測量數據時選擇的閾值來對數據進行近似確定。以坐標（2，2）且閾值為0.75 為例，按照0.75的閾值依次可得到（0.75，0.75）、（1.5，1.5）、（2.25，2.25.）、（3，3）等多個坐標，對（1.5，1.5）、（2.25，2.25.）兩個坐標而言，（2.25，2.25）離（2，2）更近一些，可用（2.25，2.25）這個坐標點的動作數據，來近似完成（2，2）的動作?；谶@一原理，可以通過減小閾值來提高測量密度，在同等大小的區(qū)域中獲得更多更準確的機械臂動作數據，進而提高系統(tǒng)精度。

3.3 動作指令的通信

動作指令由上位機經串口發(fā)送給機械臂。要控制6 個舵機，給舵機編號并規(guī)定控制機械臂執(zhí)行動作所需時間。6 個舵機的編號以及要轉到的角度分別由十六進制指令表示。指令通過串口發(fā)送至舵機控制板之后，舵機控制板便會對其進行解析，在指定的時間里完成單步動作，按順序完成每一單步，即可完成整個分揀操作。

指令發(fā)送的程序置于循環(huán)之中，循環(huán)次數即載物臺上的目標數量，第一個循環(huán)執(zhí)行完后，所有目標的坐標信息以簇的形式輸入XY坐標控件，并以坐標點的形式在坐標圖中顯示當前目標所在位置。當不需要執(zhí)行分揀操作時，會對坐標圖進行二次清零，保證坐標圖不會錯誤顯示目標的位置，引起系統(tǒng)誤操作。

使用LabVIEW 完成通信會用到VISA 框架，這是LabVIEW 儀器驅動VI 中的底層函數。VISA 能控制VXI、GPIB 串口或者基于計算機的儀器，并根據儀器類型調用合適的驅動程序[14-15]。

文中使用的VISA 通信函數是“VISA 寫入”和“VISA 讀取”函數。由于串口通信需要配置額外參數，所以必須先運行“VISA 配置串口”VI,將VISA 資源名稱識別的端口初始化為指定設置[16-18]。

4 系統(tǒng)調試與結果分析

為了驗證分揀操作的效果，把兩個實驗目標放入工作區(qū)域，測試機械臂的抓取過程完成情況。上位機顯示如圖4 所示，兩個目標的坐標位于柵格(29，10)和(19，10)，產生一個索引，根據索引得到對應的指令。該指令經串口送入機械臂控制板，即可操作機械臂完成目標分揀，整個分揀過程如圖5 所示。該指令操作：底座旋轉-24.75°（6 號舵機），大臂旋轉44.1°（5 號舵機），小臂處兩個自由度分別旋轉-38.61°（4 號舵機）、12.87°（3 號舵機），機械臂末端旋轉-16.83°（2 號舵機），抓手張開-58.95°（1 號舵機），到達目標上方。完成這一動作后，機械臂下降至目標物體的高度，完成夾取動作。

圖4 上位機前面板圖

圖5 機械臂分揀測試

機械臂夾取目標物體，到達過渡位置時，可進行分類?？筛鶕繕说木唧w信息，按照分類規(guī)則將其放置在規(guī)定位置。圖5 所示抓取過程中，各舵機旋轉角度如表1 所示。

表1 機械臂舵機角度

經測試，文中所設計的系統(tǒng)可以完成分揀運作，而且夾取過程的精確度可以根據需要進行調整。系統(tǒng)獲取數據的方式是將目標區(qū)域分成若干個柵格，沿著X、Y軸平移，按順序測出機械臂的參數，并將這一過程分解成分步動作，所采取的索引編號是根據木塊重心所在位置進行判斷的，平移位移的閾值越小，則動作精度越高，可根據目標的實際情況，選擇合適的動作精度執(zhí)行分揀任務。而在安裝載物臺和機械臂時，最大程度保持連接穩(wěn)定性，確保機械臂不因操作產生移位，也可以提高操作精度，同時也能保護設備，減少磨損。

5 結論

文中采用LabVIEW 平臺完成機械臂分揀系統(tǒng)的設計，經測試，該系統(tǒng)成功完成了數據檢測、顯示、控制機械臂分揀等功能。系統(tǒng)能夠根據目標的形狀信息調取不同的動作組指令數據，完成載物臺上目標的抓取和分類。創(chuàng)新之處在于可以通過減小閾值來提高測量密度，增加機械臂動作數據，提高系統(tǒng)精度。系統(tǒng)調試方便，操作簡單，可移植性好，具有一定的實用價值。