收藏幣拍照機器人控制系統設計與開發

付榮豆，毛潭，侯靜嫻

（北方工業大學機械與材料工程學院，北京 100144）

0 引言

近年來，隨著錢幣收藏市場不斷升溫，越來越多的人開始關注收藏幣。并非所有的收藏幣都是越來越值錢的，主要看圖案信息、發行日期、鑄造工藝、幣制材質和發行數量等[1]。在收藏幣流通過程中，由于外觀磨損、劃痕、腐蝕而造成品質下降影響收藏價值，因此需要專門的人工檢測[2]。考慮到采用人工檢測的方法，需要專門的設備儀器和相關方面的專家，對于大批量收藏幣檢測來說，顯然工作效率低、勞動強度大及存檔困難等。本文研究基于機器視覺的圖像采集技術[3]，開發了收藏幣拍照機器人控制系統，利用機器人本體和視覺圖像技術來實現收藏幣的夾取、升降、移動、定位、翻轉和圖像采集等一系列全自動化工藝流程。

1 控制系統整體設計

1.1 系統總體方案

機器人系統架構如圖1所示，收藏幣拍照機器人控制系統采用“PC+機器視覺+嵌入式控制器”架構設計。上位機PC端負責兩大方面的工作: 一方面負責收藏幣圖像采集、電動機運動參數設置、手動/自動操作流程和人機交互等工作,另一方面負責與下位機控制器進行總線通信。機器視覺主要通過工業相機進行收藏幣圖像采集。下位機嵌入式控制器是機器人本體和上位機PC端連接的橋梁，涉及到6軸步進電動機運動控制算法、CAN總線通信[4]、編碼器和限位開關信號的采集及數據存儲等功能。

圖1 控制系統框圖

工業相機通過以太網與PC端連接。嵌入式控制器采用主從定時器模式發送PWM波，用于精確控制各軸電動機的轉速和位移，其中X/Y軸電動機控制收藏幣在二維平面任意移動、Z軸空心電動機控制收藏幣的夾取和升降、定位電動機控制收藏幣在定位1（氣動抓手2正下方）到定位2（相機正下方）之間的移動、升降和翻轉電動機完成收藏幣的翻轉并且保證與定位電動機模塊不干涉。主控制器通過通用IO接口與限位開關和繼電器連接，實現外部輸入信號中斷和氣動抓手的開合。編碼器采用RS-485總線通信，用于測量電動機轉動的角度實現閉環控制[5]。

1.2 機器人本體設計

采用模塊化設計思想，對收藏幣拍照機器人進行整體結構設計[6]。如圖2所示，主要由運動模塊和固定模塊組成，運動模塊主要由4個關鍵部分組成：X/Y軸移動、Z軸夾取、定位移動及翻轉/移動模塊；固定模塊包括相機支架和收藏幣托盤。采用步進電動機、氣動驅動作為動力來源，通過同步帶模組、滾珠絲杠滑臺進行動力傳動，以及2 個氣動抓手的開合，再結合機器人本體，最終實現收藏幣的夾取、升降、移動、定位、翻轉等操作；機器人本體設計如圖3所示。

圖2 機器人整體結構設計

圖3 機器人本體

1.3 系統工作流程

收藏幣拍照機器人全自動化工作流程是在依靠機器人本體、運動控制算法和機器視覺系統，來實現收藏幣的夾取、升降、移動、定位、翻轉、圖像采集和上位機狀態監測等過程。收藏幣拍照機器人控制系統工作流程主要分為：準備工作、系統自檢、自動/手動工作流程、圖像采集、退回收藏幣和采集完成等六大部分，系統工作流程如圖4所示。

圖4 系統工作流程圖

首先進行準備工作，將待檢收藏幣放置于托盤架中，開始系統上電，進行設備自檢。

操作人員可以選擇手動或自動操作模式。手動操作主要用于各軸電動機和氣動抓手的控制，具體操作可以分為：X/Y軸電動機定位、Z軸空心電動機吸取和升降、定位電動機移動、翻轉和升降電動機運行及氣動抓手開合。自動模式下，首先判斷是否成功吸取收藏幣，吸取不成功則調試位置再次吸取，直到成功吸取收藏幣，接下來進行收藏幣的移動、升降、翻轉、定位等多個連貫性動作。

圖像采集模塊的工作流程是：通過定位電動機將收藏幣放置于工業相機的正下方，打開環形光源并且定位電動機開始微調，開始采集圖像直到采集到滿意的圖像，然后退回收藏幣到初始位置。

采集完成模塊的工作流程是：如果收藏幣采集圖像數達到事先設定數量，則機器人處于待機狀態并通知給上位機報警提示“采集完成”；否則，將重復自動工作流程下一系列操作，直到達到事先設定收藏幣數。

2 控制系統硬件設計

本控制系統選用基于高性能Cortex M4為內核的STM32F4為控制器芯片[7]。考慮到收藏幣拍照機器人實際應用需求，該控制器設計出6軸步進電動機控制接口、16路限位開關信號接口、4路通用DO、CAN總線接口、RS-485串口通信和儲存模塊等，如圖5所示。控制器硬件使用Altium Desiger16軟件，進行四層PCB設計，采用“一電一地兩信號”模式，頂層和底層為信號層，中間兩層分別為電源層和地層[8]。

圖5 控制器硬件框圖

3 控制系統軟件設計

3.1 控制器軟件

嵌入式控制器的軟件在Keil uVision5環境開發，基于UCOS_III實時操作系統，將其移植到ARM芯片中[9]，應用軟件設計主要包括步進電動機閉環運動算法、CAN總線通信、電磁閥控制模塊、數據儲存和限位開關信號采集等。控制器軟件框架如圖6所示。

圖6 控制器軟件框圖

3.2 上位機應用軟件設計

上位機應用軟件主要用于人機界面交互，實現用戶與機器人的系統交流，可以選擇手動或自動兩種操作模式。參數設置用于規定各軸步進電動機運動的方向、速度、位移和電動機ID，以及采集圖像的格式文件、數量、名稱和圖片保存路徑等。圖像采集、保存圖像窗口用于采集和保存收藏幣圖像。報警提示用于監測控制器各個運動環節狀態。上位機軟件功能結構，如圖7所示。

圖7 上位機應用軟件功能設計

4 應用實驗

收藏幣拍照機器人控制系統主要由嵌入式控制器、步進電動機驅動器、繼電器模塊、電磁閥，空氣壓縮機和電源等組成，上位機PC端通過USBCAN—II邏輯分析儀和控制器數據通信。下位控制系統電氣連接圖如圖8所示。

圖8 下位控制系統

將該系統應用于收藏幣拍照機器人全自動化工藝流程中，實際運行效果表明：收藏幣拍照機器人控制系統運動穩定，各個運動環節運行良好，圖像采集清晰且高效，平均一個收藏幣正反面圖像采集需要3 min，托盤內16枚收藏幣全部圖像采集完畢并回到初始位置耗時50 min左右，速度滿足使用要求。上位機圖像采集過程如圖9所示。

圖9 上位機圖像采集過程

5 結論

本文設計和開發了一種收藏幣拍照機器人，并詳細介紹了機器人本體設計、全自動工藝流程和控制器軟硬件設計過程。整個系統采用上下位機控制模式，上位機PC端通過CAN總線與下位控制器實時通信，實現了收藏幣的夾取、升降、移動、定位、翻轉和圖像采集工作。基于“PC+機器視覺+嵌入式控制器”的控制系統架構設計合理，功能設計齊全，實時性好、可靠性高。實驗結果達到了預期效果，對機器視覺類機器人運動控制具有重要的參考價值。