基于越疆魔術(shù)師機(jī)械臂的流水線設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李 超 陳 佳 王瑞娟 胡文杰*

（咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽712000）

在工業(yè)機(jī)器人的智能化程度越來越高的情況下，利用人工智能的方式來解決工業(yè)生產(chǎn)的效率，是全球都亟待解決的一個(gè)問題。隨著生產(chǎn)方式自動(dòng)化的不斷提高，應(yīng)用高智能的工業(yè)機(jī)器人來完成一些大型的，重復(fù)程度比較多的工業(yè)生產(chǎn)，應(yīng)該是目前社會(huì)上的主流趨勢。

該機(jī)械臂是由越疆公司研發(fā)的多功能輕小型的智能機(jī)械臂，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于智能化程度比較高，可塑性較強(qiáng)而且精度比較高，能夠完成比較精密的工作，而且在完成大規(guī)模集成化的生產(chǎn)時(shí)有著獨(dú)特的優(yōu)勢。該機(jī)械臂還可應(yīng)用于家庭生活、學(xué)校實(shí)訓(xùn)等多個(gè)方面。充分體現(xiàn)了該機(jī)械臂功能的強(qiáng)大和用途的廣泛。

就現(xiàn)狀來說，全球的人工智能市場還處于一個(gè)較大的發(fā)展時(shí)期，智能化的產(chǎn)品還沒有形成一定的市場影響力，在解決工業(yè)生產(chǎn)的高智能自動(dòng)化問題方面還存在一定的瓶頸，該課題最終目的就是要解決這一問題，彌補(bǔ)這個(gè)市場缺口，解放勞動(dòng)力，依托多機(jī)械臂和其它輔助配件的共同使用來改進(jìn)目前工廠的流水線生產(chǎn)，提高工業(yè)生產(chǎn)的效率和利潤。

1 系統(tǒng)概況

流水線搬運(yùn)機(jī)械臂是由編程腳本編程控制、位置檢測和氣動(dòng)技術(shù)于一體的完整的綜合的控制系統(tǒng)。這套系統(tǒng)包括軟件部分、電氣部分和機(jī)械驅(qū)動(dòng)部分。機(jī)械驅(qū)動(dòng)部分采用機(jī)械臂臂身、滑桿、吸盤等；電氣部分包括步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直流電機(jī)、光電傳感器、顏色傳感器你、電磁閥等。

系統(tǒng)工作原理如下：按下啟動(dòng)按鈕后，傳送帶運(yùn)行，機(jī)械臂A 運(yùn)行至工件堆放區(qū)，機(jī)械臂A 開始下降，夾取工件后門型運(yùn)動(dòng)至傳送帶上方，松開夾鉗放置工件，放置完畢0.5S 后機(jī)械臂A 開始上升歸位至初始設(shè)定位置待命。傳送帶運(yùn)直到光電傳感器檢測到工件停止，同時(shí)機(jī)械臂B 開始下降。下降到位后機(jī)械鉗夾緊工件，0.5S 后開始上升，而機(jī)械夾鉗保持夾緊。門型運(yùn)動(dòng)至顏色傳感器上方，顏色傳感器打開識(shí)別顏色后關(guān)閉，機(jī)械臂門型運(yùn)動(dòng)至指定顏色分類區(qū)域進(jìn)行放置歸類，放置完畢機(jī)械臂B 門型運(yùn)動(dòng)至初始位置進(jìn)行待命，傳送帶開始繼續(xù)運(yùn)行，如此循環(huán)。機(jī)械臂配合傳送帶完成一個(gè)周期的工作，完成工件采集、運(yùn)送以及分類放置或者堆疊。

為了流水線搬運(yùn)機(jī)械手臂動(dòng)作的準(zhǔn)確確定位置，系統(tǒng)采用二相八拍混合式步進(jìn)電機(jī)。該電機(jī)具有較高的啟動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率，而且體積小、耗能低。在該機(jī)械臂的機(jī)械手基座上還設(shè)置有一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼盤，該編碼盤的作用是：產(chǎn)生一個(gè)方波信號(hào)，設(shè)定每旋2°編碼盤發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，發(fā)送給DobotStudio 軟件平臺(tái)環(huán)境，用于定位控制，能夠達(dá)到精準(zhǔn)的運(yùn)行和操控。為了機(jī)械臂運(yùn)行的安全性和準(zhǔn)確性，機(jī)械臂安裝了下限和上限滾軸式行程開關(guān)，該開關(guān)的作用是：在基座上設(shè)有左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)電感式開關(guān)，由光電傳感器開關(guān)構(gòu)成的工件檢測系統(tǒng)負(fù)責(zé)檢測傳送帶A 上的工件是否移動(dòng)到指定位置，運(yùn)動(dòng)到指定位置后機(jī)械手開的始動(dòng)作。此外，步進(jìn)電機(jī)固有的特點(diǎn)使它運(yùn)行在某個(gè)頻率上會(huì)產(chǎn)生共振，在編寫脈沖信號(hào)輸出時(shí)，設(shè)定的頻率值除細(xì)分?jǐn)?shù)后避免在200-250 之間，至此完成一整套的機(jī)械臂搬運(yùn)工作。該項(xiàng)目主要的模塊化技術(shù)流程圖如圖1 所示：

圖1 模塊化技術(shù)流程圖

2 系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)

根據(jù)流水線搬運(yùn)機(jī)械手的控制要求，考慮到I/O 點(diǎn)數(shù)通常留有10%-15%的裕量，我們采用越疆DobotStudio 軟件平臺(tái)環(huán)境。這個(gè)平臺(tái)可以完全滿足自動(dòng)化控制需要，具有完善指令控制系統(tǒng)，功能齊全的控制方式、豐富的可擴(kuò)展編程模塊等等。此外，性價(jià)比高也是此系統(tǒng)采用它的重要原因。該系統(tǒng)采用以c++為底層編程做為基礎(chǔ)，它可以直接通過python 指令化編程或模塊化編程的方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)不同的功能需求，以控制機(jī)械手的位移和運(yùn)動(dòng)速度，來控制機(jī)械臂完成不同的工作。

系統(tǒng)的輸入信號(hào)由兩部分組成，分別是可視化代碼和積木化編程和電感式接近開關(guān)、光電開關(guān)、和滾軸式行程開關(guān)等，這些傳感器信號(hào)和按鈕信號(hào)作為機(jī)械臂的輸入變量，經(jīng)過機(jī)械臂的輸入接口端輸入到內(nèi)部儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的寄存器上暫存，然后在機(jī)械臂內(nèi)部CPU 進(jìn)行邏輯運(yùn)算或者數(shù)據(jù)處理后，以輸出變量的形式送到輸出接口端，從而能夠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂上的電機(jī)控制機(jī)械手的上下升降和左右旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作，讓機(jī)械臂能夠進(jìn)行精準(zhǔn)的門型運(yùn)動(dòng)。在現(xiàn)場工作期間，可通過計(jì)算機(jī)上的軟件對(duì)其動(dòng)態(tài)控制，并可及時(shí)地根據(jù)具體環(huán)境的控制要求對(duì)其坐標(biāo)和點(diǎn)位進(jìn)行修改和調(diào)整。

在數(shù)控系統(tǒng)中要求點(diǎn)位要非常準(zhǔn)確控制時(shí)，就要通常用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因?yàn)樵撾姍C(jī)體積小，耗能低，而且準(zhǔn)確性和可靠性高。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功能是把PLC 控制系統(tǒng)發(fā)出的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，從而對(duì)機(jī)械手進(jìn)行預(yù)定的整個(gè)軌跡的控制。該系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器信號(hào)端用的是12V 電壓供電，輸入端信號(hào)為低電平有效。下面是系統(tǒng)機(jī)械臂的I/o 分配表1：

表1 系統(tǒng)機(jī)械臂的I/o 分配表

3 系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)

流水線搬運(yùn)機(jī)械臂的操作方式有兩種，分別是手動(dòng)操作和自動(dòng)操作。自動(dòng)操作又分為步進(jìn)操作方式、單周期操作方式和多周期操作方式。其中連續(xù)多周期操作方式為最常用的工作方式，采用以c++為底層的編程系統(tǒng)對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行精確的自動(dòng)控制以完成預(yù)期的工作任務(wù)。這套編程系統(tǒng)采用可視化編程系統(tǒng)。可視化編程，就是可視化程序設(shè)計(jì)：也就是我們常說的所見即所得，這種編程方式，簡潔、高效。我們力圖實(shí)現(xiàn)編程工作的可視化的目的，就是隨時(shí)可以看到結(jié)果，程序和結(jié)果的調(diào)整同步，大大提高開發(fā)效率?？梢暬幊淌桥c傳統(tǒng)的編程方式相比而言的，這里的“可視”，指的是無須編程，僅通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊，和類似搭積木的方式在可視化界面完成的設(shè)計(jì)工作，是目前最好的Windows 系統(tǒng)上的應(yīng)用程序開發(fā)工具。

系統(tǒng)搬運(yùn)模塊與傳送帶程序結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

系統(tǒng)識(shí)別識(shí)別模塊與放置模塊的程序結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

4 機(jī)械臂的實(shí)踐運(yùn)用

越疆機(jī)械臂是一款多功能高精度輕量型智能實(shí)訓(xùn)機(jī)械臂，是一站式STEAM 教育綜合平臺(tái)，具備3D 打印、激光雕刻、寫字畫畫等多種功能，預(yù)留13 個(gè)拓展接口支持二次開發(fā)，用戶可以通過軟件編程結(jié)合硬件拓展來開發(fā)更多的應(yīng)用場景。

而我們所研究和運(yùn)用的主要是應(yīng)用在工廠流水線生產(chǎn)過程中，可替代人力做重復(fù)搬運(yùn)的工作，類似于傳統(tǒng)流水線生產(chǎn)搬運(yùn)，消耗人力，效率低下，對(duì)于一些重復(fù)程度較高的生產(chǎn)，使用機(jī)械臂流水線搬運(yùn)，可大大提高工廠自動(dòng)化水平，降低人力成本，可幫助工廠快速搭建起生產(chǎn)線，市場前景廣闊。

該機(jī)械臂在能夠完成流水線生產(chǎn)搬運(yùn)的同時(shí)，結(jié)合其他輔助配件還可以完成3D 打印，定點(diǎn)抓取與放置，寫毛筆字等一些高精密性工作。而市場上對(duì)該機(jī)械臂的實(shí)踐和應(yīng)用大多也集中在這一方面。例如：

a.2017 年1 月，越疆機(jī)械臂攜手阿里云ET 揮毫潑墨寫春聯(lián)，展示現(xiàn)代科技與傳統(tǒng)文化的融合。2017 年5 月，越疆機(jī)械臂作為唯一的中國科技產(chǎn)品亮相2017 年Google I/O 開發(fā)者大會(huì)。

b.還有在2017 年10 月，上海交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心電子電工實(shí)驗(yàn)室采用越疆機(jī)械臂進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，進(jìn)行機(jī)械、自動(dòng)化等相關(guān)課題研究。11 月，西安交通大學(xué)設(shè)計(jì)系學(xué)生用于實(shí)驗(yàn)室課題研究-智能工廠，該課程設(shè)計(jì)的目的是為了實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化、智能化的生產(chǎn)與管理。

c.2017 年12 月，悉尼科技大學(xué)工業(yè)機(jī)器人與基礎(chǔ)算法項(xiàng)目向?qū)W生展示了如何操控機(jī)械臂以及并了解機(jī)械臂可執(zhí)行的操作任務(wù)。

而就工廠自動(dòng)化生產(chǎn)這個(gè)方向來說，該機(jī)械臂有著絕對(duì)的優(yōu)勢，我們?cè)?jīng)做過的一些小的實(shí)驗(yàn)，利用機(jī)械臂的傳感器系統(tǒng)建立一個(gè)圖像坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系，并對(duì)傳感器識(shí)別到的外界物體進(jìn)行預(yù)處理，提取物體特征并匹配特征模板來進(jìn)行識(shí)別、分類，最后發(fā)送指令對(duì)機(jī)器人動(dòng)作進(jìn)行控制。比如，物體的定點(diǎn)抓取，精準(zhǔn)放置，和顏色識(shí)別等。都是通過機(jī)械臂的改系統(tǒng)進(jìn)行完成的。也主要應(yīng)用到了可視化編程技術(shù)。通過考察工廠流水線的具體運(yùn)作流程，對(duì)機(jī)械臂各個(gè)功能模塊進(jìn)行精確定位，最后完成智能化，自動(dòng)化的工程流水線生產(chǎn)作業(yè)。該機(jī)械臂的3D 打印模塊，通過配合3D 打印組件的使用，也可為工廠產(chǎn)品的制作提供有力的保障，配合流水線生產(chǎn)作業(yè)，完成工廠從生產(chǎn)到搬運(yùn)再到分揀的工作，解決工程自動(dòng)化程度的提升。解決目前市場上，傳統(tǒng)流水線作業(yè)生產(chǎn)效率低下等問題。

通過以上該機(jī)械臂在人工智能領(lǐng)域的多方向應(yīng)用和實(shí)踐，不難看出，我們機(jī)械臂流水線自動(dòng)化生產(chǎn)課題市場前景廣闊，結(jié)合該機(jī)械臂的多種接口和多種配件組合使用，一定可以在市場上開創(chuàng)出屬于智能化機(jī)械臂的新時(shí)代。

圖2 系統(tǒng)搬運(yùn)魔塊與傳送帶的程序結(jié)構(gòu)圖

圖3 系統(tǒng)識(shí)別模塊與放置模塊程序結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)論

流水線搬運(yùn)機(jī)械臂具有高效的工作效率、準(zhǔn)確的定位精度、超強(qiáng)的適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化和自動(dòng)化的有效結(jié)合。該系統(tǒng)使生產(chǎn)效率提高了35%，運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高，維修方便，具有廣泛的應(yīng)用前景。當(dāng)前，在解決工業(yè)生產(chǎn)的高智能自動(dòng)化問題方面還存在一定的瓶頸，該課題最終目的就是要解決這一問題，彌補(bǔ)這個(gè)市場缺口，解放勞動(dòng)力，依托機(jī)械臂好和其它輔助配件的共同使用來改進(jìn)目前工廠的流水線生產(chǎn)，提高工業(yè)生產(chǎn)的利潤和價(jià)值。