嵌入式技術在工業機器人分揀技術中的應用研究

廣東工業大學機電工程學院 廣東匯興精工智造股份有限公司 周友良

廣東工業大學機電工程學院 管貽生

為了使得工業機器人分揀更具有適應性，提出一種基于嵌入式技術改進的程序設計方法，利用相機采用信息后，通過嵌入式技術進行位置識別與抓取，同時通過硬件、軟件方面的設置，提高檢測與抓取的精度。這一過程中，通過智能攝像頭讀取工件信息，調整工件參數，然后通過主控單元調試優化工業機器人工件識別與分揀。研究結果表明，通過改進程序設計方法，即利用嵌入式技術能夠提高工業機器人分揀的精度。

隨著人工勞動成本逐步上漲，高性價比的機器人需求量進一步增加，大幅推動了這一領域的發展。機械工件分揀作業是工業生產流程中極為常見的工作任務，旨在將歸屬于一類的物品進行挑揀進行劃分，或者分揀有質量缺陷的機械工件。就現實而言，工業機器人分揀作用需要克服諸多困境，如智能化水平較低等。為實現分揀操作作業的順利進行，工業機器人需要明確待分揀的工件類型，以及這些工件產品在傳送帶運動時的位置信息，因此需要設計人員為工業機器人進行一定程序的設計，通過安裝圖像傳感器設備，讓其了解外部圖像信息能力，從而滿足分揀種類繁多的機械零部件要求。

1 工業機器人分揀識別系統硬件構造及運作原理

在實際應用中，工業機器人分揀識別系統的硬件構成部分是通過以太網連接而成。這之中，硬件構成部分既涉及視覺通用相機系統，也包括機械人裝置、PLC控制單元，以及智能運料小車等設施。不僅如此，這一設備采用智能攝像機為工業機器人的視覺識別系統，主要型號為SV4-30ML。同時，可編程控制器系統采用S7-1200型號的1215C。工業機器人分揀識別系統主要通過智能識別攝像機這一設備，以TCP通信協議與兩個PLC之間進行通信。詳細而言，工業機器人分揀識別系統運作過程如下所述，如圖1所示。在工件裝配線上打造較為準確的智能視覺系統，這一系統主要由三部分構成，光源、控制支重輪、透鏡及相關配件。在這些系統中，光源采用背面光模式。另外，在進行具體單元檢測過程中，機械工件中的視覺系統會通過裝配線識別工件的具體形狀及相應類型，而后將這一信息輸送給主控系統，而后通過主控PLC系統來控制6軸工業機器人進行對應工作。

圖1 工業機器人分揀系統硬件設計

2 基于嵌入式技術的軟件平臺搭建及應用

以嵌入式技術為核心的工業機器人的工件分揀流程如下所述。每一托盤均可以放置任一工件，抑或是空托盤。首先，托盤裝配線接到命令，將托盤運輸到嵌入式技術的視覺監測站，通過智能相機的定位識別系統，在將設備相關信息讀取之后傳送到對應的主控單元系統。在此環境之下，主控單元完成數據讀取工作之后，再將托盤置于相關位置進行存儲。

2.1 控制系統對軟件系統要求

第一，可靠性良好。可靠性對于工業控制系統而言是首位目標，且是分揀作業的關鍵內容。較低故障率及良好的可靠性會大幅提升任務執行效率。此時，工業機器人如要執行分揀工作，需要軟件系統的良好運作提高整體分揀效率。第二，實時性較好。工業機器人控制系統的實時性，不僅表現在響應用戶操作較好方面，還體現在控制系統的指令作出響應，完成既定工作規范要求。如此一來，機器人可在同一時間達成多項任務時，需要及時在不同軟件之間進行切換，甚至采取部分任務中斷來執行相關操作。第三，正確性要高。在精密分揀領域，機器人分揀的內容需要準確率高，而且需要執行大量相應指令，這就對工業機器人提出更高要求。第四，抗干擾要求較高。多數情況下，工業機器人在執行高強度的重復性分揀工作，這不僅需要可靠的硬件支持，還需要有相關軟件的適應性。

2.2 嵌入式操作系統選擇

一般情況下，嵌入式操作系統主要選取Linux，理由如下。第一，成本較低。Linux采用GPL許可證，且在商業環境下應用無需購買許可證，這大幅降低企業系統購買成本。另外Linux為大量軟件資源開發者提供了更多樣的免費資源。憑借這一優勢，開發者通過GPL協議發布免費資源，能夠進一步降低自身的開發成本。第二，穩定性高。Linux內核在服務器行業的廣泛應用極為穩定。第三，硬件支持性較好。Linux系統支持硬件極為廣泛。Linux很好支持ARM920T核心的S3C2440芯片，且移植到開發板較為容易。

2.3 基于嵌入式技術的工業機器人分揀系統總方案設計

在設計工業機器人分揀控制系統進程中，為保障整個分揀系統有序、實時性，本文選用Linux操作系統進一步完成底層硬件管理工作及系統調度任務。隨后，以嵌入式技術設計了完整工業機器人分揀控制系統。

在運行工業機器人分揀操作系統時，首先需要進行上電自檢、硬件復位等流程，從而確定系統的硬件是否符合系統要求。同時，這一過程還需將操作系統或其他代碼拷貝到系統盤中。此時，工業機器人分揀的嵌入式操作系統一般不具有BIOS功能，所以需要通過BootLoader完成。這一過程中，鑒于BootLoader是由一段代碼構成，因而筆者在使用新硬件時，需要按照硬件情況及需要的操作系統進行移植。當BootLoader引導操作系統運行后，此時還需要對文件系統進行修飾，從而方便對硬件的操作。此外，文章還會利用以太網實現對驅動器與控制系統的通信。這一過程主要利用Linux的網絡芯片編寫進行驅動，從而完成玩了個協議的收發操作。

2.4 系統調試方法

此時構建的嵌入式機器人控制系統分別由BootLoader、Linux內核、人機界面、網絡芯片驅動等部分構成。每一部分需要修改對應的代碼。為進一步完善系統，文章將對系統調試環境進行優化。針對機器人分揀系統調試來說，應采用主機+目標機的方式完成。一般情況下，程序在主機編寫，從而編譯成為目標機識別的代碼，并利用其他方式將代碼下載到目標機。隨后在操作過程中，文章對目標機進行在線調試，調試環境如圖2所示。

圖2 系統調試環境

在調試BootLoader的過程中，需要驗證工業機器人嵌入式系統的調試程序。考慮到實驗板尚未建立任何可用程序，因而事先需要借助JTAG接口下載相關應用程度。另外，還需利用串口打印調試信息，評判整體程序運作過程是否執行了指定功能。在進行調試過程中，如若工業機器人通過BootLoader測試后，說明就可以利用這一程序價值相關程序，從而實現分揀工作。接下來，系統會通過USB加載接口程序，下載Zmodem協議、文件系統等諸多內容。如此一來，本次調試過程需通過打印調試完成。待系統進一步運作之后，文章可以通過NFS驅動方式，下載相關應用及網絡芯片驅動。

3 研究結論

綜上，對嵌入式技術的工業機器人分揀系統進行設計及調試，并利用示教記錄工件信息，發現機器人能夠正確分揀和裝配工件，也可將空托盤放置收集處。此時，工業機器人能夠重復新一輪任務要求，及時對工件的分揀。換言之，工業機器人即通過“識別工件、定位位置、抓取工件、釋放工件”一系列操作，完成不同工件抓取與分揀任務，并將安裝任務要求放置到對應存儲區。研究實驗表明，以嵌入式技術的工業機器人分揀系統實現分揀和識別的正確率較高，取得預期效果。