色系識別自動上下料小車的系統設計*

朱達文，李東亞

（蘇州大學應用技術學院，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

隨著我國數控加工技術的快速發展，之前國內許多數控加工產業采用人工上下料的方式。但如今多數企業開始將自動上下料技術與數控車床（加工中心）相結合，組成新的自動化加工模式[1－2]，即實現將車床上料、加工、下料的自動化、無人化，通過新的加工模式來提高企業生產效率、節約人力成本，并且使工人擺脫繁重的體力勞動。本文針對數控車床設計一款根據顏色識別完成自動上下料的智能小車，具備循跡、識別工件并實現抓取和放置工件的功能，利用探索者模型完成小車的裝配并進行測試，為數控車自動上下料智能小車的設計提供了參考[3]。

在科技日益精進的推動下，自動上下料技術快速發展，在制造業領域中的作用越來越重。國內對自動上下料機器人方面做了大量研究，趙錦榮[4]設計出應用于拉伸機的上下料機械手，能夠實現拉伸機的自動上下料，針對不同規格的工件，機械手采用自動對中連桿交叉雙活塞式平移夾持器。2012年曹海燕等設計出一種用于數控砂輪磨齒機自動上下料的新型柔性機械手，該設計可以降低旋轉時的離心力。2018年楊繼東等研究了基于視覺抓取的并聯桁架機器人，分析了路徑規劃的影響，并且選擇最優路徑控制，將自動上下料機器人的路徑選擇和禁忌域進行相應的改進。上述文獻描述了近年來自動上下料機器人研究情況及國內發展現狀。如今在計算機技術、控制技術、傳感器等科學領域先進技術加持下，追求智能化、自動化、高效化儼然成為自動上下料的追求[5]。國內的自動上下料技術發展是未來我國制造業發展的重要發展方向，若能在各個行業中采用自動上下料技術，將提高生產效率與產品質量，降低人工成本，減少人工加工的危險性。但是沒有涉及到與小車相結合，因而能夠與小車結合的分揀、投遞技術存在一定問題。

本文從校園快遞分揀人員的操作流程進行分析，基于提高分揀效率和減少分揀人員兩個指標，提出小車的整體結構和控制流程，采用UG進行三維建模和探索者模型進行測試，提出小車進行循跡和避障的控制方式，針對小車運行體系進行分析，驗證其小車避障與投遞的準確性和可靠性。

1 色系識別自動上下料小車系統結構設計

智能小車分為3個部分，分別為小車主體、機械手和傳感器[6]。同時在普通夾爪的基礎上引申出了新型夾爪。小車主要依靠機械傳動和Arduino控制有機結合來實現整個流程的控制工作，附加一些輔助工作的執行元件，如電機、行程開關等，其結構如圖1所示。

圖1 智能小車整體結構

1.1 小車主體部分

智能小車由控制板、料倉、電池、車板、輪轂、舵機、傳感器等組成。控制系統選擇Arduino的Basra控制板與BigFish擴展板組成微型計算機控制系統。其優點是編程方便、調試簡易、材料便宜。料倉主要負責存儲小車所夾取的材料。模型設計料倉大小約為50 mm×60 mm×40 mm，滿足試驗用材料的大小。車底板用亞克力板，優點為自重輕、成本低、抗沖擊力強，符合小車行走的基本需求。行走方式為輪式，其優點是效率高、速度快、機動性好。相比履帶式，當搭載黑標循跡傳感器時，能夠更靈敏地轉向。

以加工沖頭為例，控制系統通過循跡控制小車行走軌跡，利用顏色識別工位控制小車停留在工位，機械手爪抓取料倉中零件進行上料，小車等待相應加工時間后進行卸料，而后前往下一工位，其結構如圖2所示。

圖2 智能小車主體側視圖

1.2 檢測裝置

小車檢測裝置分為磁效應循跡以及Tcs3200顏色識別。小車利用磁效應循跡，優點為穩定性高、制造成本低、結構簡單、易于維護，非常適于在中小型企業內推廣應用。該小車的技術方案是在流水線鋪上磁條，磁效應循控制小車跡沿著磁條運動。該種利用循跡的小車控制系統，包括位于小車下方的分別控制左、右輪轉動的2臺小車馬達，其獨特之處在于所述控制系統由4塊磁效應傳感器構成循跡檢測模塊，安裝于車下底板，距地面約1 mm。能夠更精確地捕捉磁條，從而達到精準循跡。

小車采用TCS3200顏色識別裝置，基于TCS3200的顏色檢測裝置，通過顏色傳感器采集到工位的顏色信號，經由內部信號轉換電路送至微控制器進行信號分析、控制處理，再與存儲模塊中的顏色庫匹配，最后將顏色檢測RGB值和匹配結果送到控制板內，最后讀取相應的程序。

1.3 機械臂結構

一種裝載于智能小車上進行夾取的機械爪[7]。夾爪部分由鉗體與滑塊組成，夾口設計成“V”型，更適合夾取沖頭。滑塊裝與絲杠螺母上，圓周舵機通過絲杠螺母帶動滑塊移動，形成對工件的加緊與放松。鉗身與標準舵機連接，標準舵機與單杠拉伸式氣缸相連接，如圖3所示。

圖3 機械夾爪整體前視圖

其運動原理如下。

（1）伸縮運動：當小車到達預定位置時，單杠拉伸式氣缸由控制板控制推動。進行夾取工件，當夾取到工件時，再縮回夾爪，這樣就完成一個伸縮運動。

（2）旋轉運動：標準舵機與鉗體相連接，當小車到達預定位置，氣缸伸出，舵機轉動使工件正好處于夾爪中央。這樣就完成一個旋轉運動。

（3）夾取運動：當工件處于夾爪中央圓周舵機驅動絲杠螺母使得滑塊進行收緊，滑塊與鉗體設計“V”型口，更容易夾取工件。

小車運動到指定位置，小車進行90°旋轉使夾爪正對工件。控制板控制氣缸伸出一定長度，圓周舵機旋轉90°使得工件處于夾爪中央。當機械臂伸到足夠夾取工件長度，圓周舵機通過絲杠螺母帶動滑塊移動，從而對工件加緊，最后氣缸縮回。這樣就完成機械臂對工件的夾取。具體流程如圖4所示。

圖4 小車夾取工件流程

本機械臂與現在技術相比具有以下優點：夾爪靈感來自于平口鉗，使得夾爪比傳統夾爪抓力更牢；夾爪結構簡單，維修起來較為方便，維修成本低；鉗口設計成“V”型從而更適合于夾取圓柱型工件；本設計解決如今人工加工工件導致“精度低”、“較危險”、“效率低”等問題。

2 色系智能識別自動上下料小車控制系統設計

控制模塊是整個系統的核心部分，是系統能否正常運行的保障，沒有控制模塊的系統，即使每個模塊都能工作，可是模塊與模塊之間也無法進行協調運動[8]。文中的控制系統采用Arduino為控制核心，Arduino是一個基于開源代碼的軟硬件控制平臺，以開放原始碼simple I/O介面板為主導，還具有使用Java、C語言的Process?ing/Wiring開發環境。Arduino含有2個主要部分：硬件部分是來做電路連接的Arduino電路板；軟件部分是基于Arduino IDE的程序開發環境。Arduino通過各類傳感器來感知環境，并控制光亮、電動機以及其他的傳感裝置來反饋和影響周圍環境。

傳感器控制系統采用了TCS3200顏色識別傳感器。目前常用的顏色識別系統主要是根據傳感器將光信號進行轉換為電信號，對電信號進行處理并輸出新的信號，可是輸出為模擬量，需要增加A/D轉換器，將模擬量信號轉換成數字量信號，最后輸出可以識別的結果，該電路比較復雜并且容易產生大的誤差，使用效果不好。該色系識別智能小車具有循跡、避障、自動上下料等功能，并且通過TCS3200顏色識別傳感器。能夠將光信號轉換成電信號從而對其處理并輸出。

位置檢測系統采用磁效應循跡系統，能夠精確識別流水線上磁條位置，從而達到控制小車行駛在相應軌跡上的效果。小車控制系統如圖5所示。

圖5 小車控制系統

3 結束語

本文綜合運用了機械、電子、自控等多學科知識，實物制作之前利用UG進行結構搭建和思路模擬，節省了大量的時間，對各個部分的結構零件、機械結構、布局進行直觀、詳細地說明。同時利用探索者模型完成了小車的裝配并進行測試，為數控車自動上下料智能小車的設計提供了參考。

控制系統能精確處理信息，精度高達90%以上。磁感應循跡能夠準確識別磁條，保證小車行駛在規定軌跡上，顏色識別傳感器能夠準確識別工位顏色。

通過測試，小車具備了顏色識別、自動上下料、循跡避障等功能，達到了預期要求。