基于LabVIEW的機(jī)械臂分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳強(qiáng)

（安康學(xué)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(jìn)行，同時(shí)也推高了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。為了提高效率，可以使用工業(yè)機(jī)器人代替人完成簡(jiǎn)單重復(fù)的工作，或代替高級(jí)技工完成精密度要求較高的任務(wù)[1-3]。

LabVIEW 是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言，其VI 代碼由框圖組成，硬件接口豐富，程序代碼可通過(guò)驅(qū)動(dòng)直接應(yīng)用于硬件。基于LabVIEW的機(jī)械臂控制，既能滿足機(jī)械手臂較高的控制要求，還簡(jiǎn)化了程序開(kāi)發(fā)過(guò)程，提高了開(kāi)發(fā)效率[4-5]。該設(shè)計(jì)利用虛擬儀器LabVIEW 平臺(tái)設(shè)計(jì)了機(jī)械臂的分揀系統(tǒng)，可以對(duì)指定區(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行分類放置，完成自動(dòng)分揀的功能，代替人工分揀，提高工作效率。

1 總體方案

該設(shè)計(jì)搭建了機(jī)械臂分揀系統(tǒng)，能夠?qū)⒎旁谥付▍^(qū)域的不同位置、形狀的目標(biāo)進(jìn)行分揀，并在PC端獲得目標(biāo)的種類、數(shù)量、位置等統(tǒng)計(jì)信息。為此，方案利用虛擬儀器LabVIEW 編寫讀取目標(biāo)信息數(shù)據(jù)，并且利用顯示控件進(jìn)行顯示；通過(guò)判斷結(jié)構(gòu)選出最合適的數(shù)據(jù)組；將選出的數(shù)據(jù)組轉(zhuǎn)化為通信協(xié)議可以識(shí)別的串口通信指令；通過(guò)串口將控制指令有序發(fā)出；機(jī)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(fù)初始姿態(tài)，等待下一次運(yùn)行。總體的操作流程如圖1 所示。

圖1 總體操作流程

該系統(tǒng)在完成整個(gè)操作過(guò)程中，可以在顯示器上同步顯示出目標(biāo)數(shù)量，并繪制出目標(biāo)物體在載物臺(tái)上的坐標(biāo)圖。系統(tǒng)程序具有可移植性，適用性較強(qiáng)，易于拓展，方便人機(jī)交互[6]。

2 硬件平臺(tái)

2.1 機(jī)械臂與載物臺(tái)

為了在空間中的不同位置和方向抓取和傳送物體，傳送機(jī)構(gòu)采用6 個(gè)自由度的機(jī)械臂。機(jī)械臂的每個(gè)自由度通過(guò)其操縱器的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)捕捉物體在其工作空間中的任何位置和姿勢(shì)。精密的6 自由度機(jī)械臂可以完成極其復(fù)雜的動(dòng)作[7]。該系統(tǒng)的6自由度機(jī)械臂及載物臺(tái)如圖2 所示。

圖2 機(jī)械臂及載物臺(tái)

機(jī)械臂從末端到底座共6 個(gè)自由度，除底座以外的5 個(gè)自由度由5 個(gè)LD-20MG 數(shù)字舵機(jī)提供，底座自由度由一個(gè)LD-1501MG 數(shù)字舵機(jī)提供。這些數(shù)字舵機(jī)使用PWM 脈寬型調(diào)節(jié)角度，周期為20 ms、占空比為0.5～2.5 ms的脈寬電平對(duì)應(yīng)舵機(jī)0～180°角度范圍，且成線性關(guān)系[8]。舵機(jī)控制器采用500～2 500 數(shù)值對(duì)應(yīng)舵機(jī)控制輸出角度的占空比0.5～2.54 ms，舵機(jī)的控制精度是3 μs，可以滿足機(jī)械臂的要求[9]。載物臺(tái)采用鋁合金，使用T 型栓、法蘭螺母和角碼固定，可保證結(jié)構(gòu)牢固，機(jī)械臂不產(chǎn)生搖晃偏移，不影響操作精度[10]。

2.2 機(jī)械臂控制模塊

機(jī)械臂的動(dòng)作由LSC 舵機(jī)控制板完成控制，接口較為豐富：

1）藍(lán)牙接口：支持移動(dòng)設(shè)備使用APP 控制；

2）USB 接口：連接PC 機(jī)，通過(guò)上位機(jī)軟件控制；

3）二次開(kāi)發(fā)接口：經(jīng)過(guò)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(jī)控制，使用單片機(jī)前要對(duì)寄存器和中斷等進(jìn)行配置。當(dāng)單片機(jī)串口收到數(shù)據(jù)后，要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果是正確的數(shù)據(jù)幀就進(jìn)行解析，如果不是正確的數(shù)據(jù)幀就將數(shù)據(jù)丟棄，不作處理。采用狀態(tài)機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行判斷，判斷數(shù)據(jù)幀是否正確的流程是首先設(shè)置狀態(tài)變量St，St的取值有0、1、2，St的初始值是0，當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，先判斷第一個(gè)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(shù)據(jù)；若St的值為1 時(shí)，則對(duì)第二個(gè)字節(jié)進(jìn)行判斷，如果是0x55，則St的值賦為2，確定這一幀數(shù)據(jù)是正確的數(shù)據(jù)，進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)的解析，若不是，則將St的值賦為0，將這一幀的數(shù)據(jù)丟棄，繼續(xù)等待下一幀數(shù)據(jù)出現(xiàn)。整個(gè)流程循環(huán)運(yùn)行，持續(xù)不斷接收數(shù)據(jù)幀并進(jìn)行判斷。一旦有正確的數(shù)據(jù)到達(dá)，則進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，控制機(jī)械臂完成相關(guān)操作。數(shù)據(jù)解析流程如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)解析流程

3 上位機(jī)部分

上位機(jī)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(kāi)操作界面，通過(guò)VISA 配置后打開(kāi)串口，讀取根目錄中的“機(jī)械臂參數(shù).txt”文件，將文件中的數(shù)據(jù)以數(shù)組的形式保存在內(nèi)存中。

上位機(jī)內(nèi)部程序循環(huán)讀取載物臺(tái)上的目標(biāo)信息數(shù)據(jù)，一旦目標(biāo)信息發(fā)生改變，系統(tǒng)即可判斷出載物臺(tái)上目標(biāo)物體發(fā)生了改變，需要執(zhí)行與之對(duì)應(yīng)的分揀操作，并將這些操作步驟轉(zhuǎn)化為操作指令，發(fā)送至下位機(jī)，完成分揀。在機(jī)械臂完成分揀操作以后，由上位機(jī)給下位機(jī)發(fā)送復(fù)位指令，使機(jī)械臂回到初始位置，等待載物臺(tái)上有新的目標(biāo)出現(xiàn)，完成新一輪的分揀操作[11]。

3.1 機(jī)械臂動(dòng)作數(shù)據(jù)獲取

首先，在載物臺(tái)上建立坐標(biāo)軸，將有效區(qū)域劃分成有規(guī)律的柵格，在對(duì)應(yīng)的位置測(cè)出相應(yīng)數(shù)據(jù)，每一組XY坐標(biāo)值對(duì)應(yīng)一個(gè)柵格，根據(jù)這一對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立數(shù)據(jù)組的索引編號(hào)。然后按照順序進(jìn)行每個(gè)柵格的機(jī)械臂具體路徑測(cè)試，將到達(dá)每一個(gè)柵格的路徑分解成一定步驟進(jìn)行，并記錄此時(shí)的舵機(jī)位置，將位置信息保存在“路徑參數(shù).txt”文件中。

當(dāng)該系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，首先解析出該VI 所在目錄的路徑，并與“路徑參數(shù).txt”構(gòu)成新的路徑，借以將該文檔內(nèi)容讀取出來(lái)，劃分為一組一組的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以備后續(xù)程序使用。具體過(guò)程：首先根據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)的約定，按組截取字符串，通過(guò)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(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的數(shù)值。每個(gè)分組里的數(shù)據(jù)被保存在一維數(shù)組里，所有分組都執(zhí)行完后，數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)化成二維數(shù)組[12]。

3.2 動(dòng)作指令的調(diào)用

目標(biāo)參數(shù)以文檔的形式在該VI 根目錄的同一目錄下更新，每當(dāng)文檔的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，即表示載物臺(tái)上的目標(biāo)發(fā)生變化。為了檢測(cè)到文檔的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，該文采用在某一時(shí)刻讀出文檔中的數(shù)據(jù)，經(jīng)短暫延時(shí)后第二次讀取數(shù)據(jù)并比較，兩次讀出的內(nèi)容一致時(shí)，說(shuō)明文檔內(nèi)容沒(méi)有改變，即載物臺(tái)上的目標(biāo)情況沒(méi)有變化。此時(shí)，需要將物塊坐標(biāo)圖上的點(diǎn)清零。當(dāng)目標(biāo)信息發(fā)生改變時(shí)，將文檔內(nèi)容讀出來(lái)，根據(jù)信息的存儲(chǔ)規(guī)則，計(jì)算出當(dāng)前載物臺(tái)上的目標(biāo)數(shù)量，在只有一臺(tái)機(jī)械臂的情況下，目標(biāo)的數(shù)量即為機(jī)械臂需要進(jìn)行分揀操作的次數(shù)。目標(biāo)信息不變時(shí)，循環(huán)次數(shù)默認(rèn)為0，即不進(jìn)行后續(xù)操作[13]。

從文檔里讀出來(lái)的數(shù)據(jù)包括X軸坐標(biāo)、Y軸坐標(biāo)、表示目標(biāo)類型的數(shù)據(jù)，并不能直接用于機(jī)械臂的控制，還須將坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為與之對(duì)應(yīng)的動(dòng)作指令組。該文采用近似的方法，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)選擇的閾值來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行近似確定。以坐標(biāo)（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(gè)坐標(biāo)，對(duì)（1.5，1.5）、（2.25，2.25.）兩個(gè)坐標(biāo)而言，（2.25，2.25）離（2，2）更近一些，可用（2.25，2.25）這個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的動(dòng)作數(shù)據(jù)，來(lái)近似完成（2，2）的動(dòng)作。基于這一原理，可以通過(guò)減小閾值來(lái)提高測(cè)量密度，在同等大小的區(qū)域中獲得更多更準(zhǔn)確的機(jī)械臂動(dòng)作數(shù)據(jù)，進(jìn)而提高系統(tǒng)精度。

3.3 動(dòng)作指令的通信

動(dòng)作指令由上位機(jī)經(jīng)串口發(fā)送給機(jī)械臂。要控制6 個(gè)舵機(jī)，給舵機(jī)編號(hào)并規(guī)定控制機(jī)械臂執(zhí)行動(dòng)作所需時(shí)間。6 個(gè)舵機(jī)的編號(hào)以及要轉(zhuǎn)到的角度分別由十六進(jìn)制指令表示。指令通過(guò)串口發(fā)送至舵機(jī)控制板之后，舵機(jī)控制板便會(huì)對(duì)其進(jìn)行解析，在指定的時(shí)間里完成單步動(dòng)作，按順序完成每一單步，即可完成整個(gè)分揀操作。

指令發(fā)送的程序置于循環(huán)之中，循環(huán)次數(shù)即載物臺(tái)上的目標(biāo)數(shù)量，第一個(gè)循環(huán)執(zhí)行完后，所有目標(biāo)的坐標(biāo)信息以簇的形式輸入XY坐標(biāo)控件，并以坐標(biāo)點(diǎn)的形式在坐標(biāo)圖中顯示當(dāng)前目標(biāo)所在位置。當(dāng)不需要執(zhí)行分揀操作時(shí)，會(huì)對(duì)坐標(biāo)圖進(jìn)行二次清零，保證坐標(biāo)圖不會(huì)錯(cuò)誤顯示目標(biāo)的位置，引起系統(tǒng)誤操作。

使用LabVIEW 完成通信會(huì)用到VISA 框架，這是LabVIEW 儀器驅(qū)動(dòng)VI 中的底層函數(shù)。VISA 能控制VXI、GPIB 串口或者基于計(jì)算機(jī)的儀器，并根據(jù)儀器類型調(diào)用合適的驅(qū)動(dòng)程序[14-15]。

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

4 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證分揀操作的效果，把兩個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)放入工作區(qū)域，測(cè)試機(jī)械臂的抓取過(guò)程完成情況。上位機(jī)顯示如圖4 所示，兩個(gè)目標(biāo)的坐標(biāo)位于柵格(29，10)和(19，10)，產(chǎn)生一個(gè)索引，根據(jù)索引得到對(duì)應(yīng)的指令。該指令經(jīng)串口送入機(jī)械臂控制板，即可操作機(jī)械臂完成目標(biāo)分揀，整個(gè)分揀過(guò)程如圖5 所示。該指令操作：底座旋轉(zhuǎn)-24.75°（6 號(hào)舵機(jī)），大臂旋轉(zhuǎn)44.1°（5 號(hào)舵機(jī)），小臂處兩個(gè)自由度分別旋轉(zhuǎn)-38.61°（4 號(hào)舵機(jī)）、12.87°（3 號(hào)舵機(jī)），機(jī)械臂末端旋轉(zhuǎn)-16.83°（2 號(hào)舵機(jī)），抓手張開(kāi)-58.95°（1 號(hào)舵機(jī)），到達(dá)目標(biāo)上方。完成這一動(dòng)作后，機(jī)械臂下降至目標(biāo)物體的高度，完成夾取動(dòng)作。

圖4 上位機(jī)前面板圖

圖5 機(jī)械臂分揀測(cè)試

機(jī)械臂夾取目標(biāo)物體，到達(dá)過(guò)渡位置時(shí)，可進(jìn)行分類。可根據(jù)目標(biāo)的具體信息，按照分類規(guī)則將其放置在規(guī)定位置。圖5 所示抓取過(guò)程中，各舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度如表1 所示。

表1 機(jī)械臂舵機(jī)角度

經(jīng)測(cè)試，文中所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以完成分揀運(yùn)作，而且?jiàn)A取過(guò)程的精確度可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的方式是將目標(biāo)區(qū)域分成若干個(gè)柵格，沿著X、Y軸平移，按順序測(cè)出機(jī)械臂的參數(shù)，并將這一過(guò)程分解成分步動(dòng)作，所采取的索引編號(hào)是根據(jù)木塊重心所在位置進(jìn)行判斷的，平移位移的閾值越小，則動(dòng)作精度越高，可根據(jù)目標(biāo)的實(shí)際情況，選擇合適的動(dòng)作精度執(zhí)行分揀任務(wù)。而在安裝載物臺(tái)和機(jī)械臂時(shí)，最大程度保持連接穩(wěn)定性，確保機(jī)械臂不因操作產(chǎn)生移位，也可以提高操作精度，同時(shí)也能保護(hù)設(shè)備，減少磨損。

5 結(jié)論

文中采用LabVIEW 平臺(tái)完成機(jī)械臂分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)成功完成了數(shù)據(jù)檢測(cè)、顯示、控制機(jī)械臂分揀等功能。系統(tǒng)能夠根據(jù)目標(biāo)的形狀信息調(diào)取不同的動(dòng)作組指令數(shù)據(jù)，完成載物臺(tái)上目標(biāo)的抓取和分類。創(chuàng)新之處在于可以通過(guò)減小閾值來(lái)提高測(cè)量密度，增加機(jī)械臂動(dòng)作數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)精度。系統(tǒng)調(diào)試方便，操作簡(jiǎn)單，可移植性好，具有一定的實(shí)用價(jià)值。