基于OpenMV的視覺抓取機器人系統(tǒng)設計

康俊杰 路明 羅馮婭 黎宇彬

摘? 要 系統(tǒng)主要由OpenMV、LCD屏、單片機和一臺小型機器人組成。OpenMV是系統(tǒng)的信號檢測傳感器，32單片機是系統(tǒng)的控制核心，機器人是由三個步進電機和一個氣泵驅動組成，作為系統(tǒng)的執(zhí)行器，LCD屏幕作為系統(tǒng)的反饋，以便觀察OpenMV與單片機是否通信成功。當OpenMV攝像機開始檢測時，攝像頭將對物塊的顏色進行識別檢測，并與事先按要求設定的參數(shù)進行對比，從而判斷出當前所檢測的物塊是否符合要求的，若符合要求，OpenMV攝像機就把數(shù)據(jù)傳輸給單片機，單片機驅動執(zhí)行器對該物塊進行抓取，并在LCD屏幕上顯示該物塊的坐標，若不符合要求，則執(zhí)行器不動。LCD屏幕上顯示“NO FIND”本文設計的自動抓取裝置具有效率高、應用廣、易操控等優(yōu)點，在零售、工業(yè)抓取等領域有一定參考價值。

關鍵詞：單片機;OpenMV;自動抓取;圖像識別

課題主要研究的內(nèi)容

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，會需要搬運一些零部件，目前，更多采用的是人工搬運，但人工效率低，且成本高。同時，由于人會感覺累，需要休息一會后再開始搬運。所以可以考慮機器人自動抓取方式，這個過程就要求對物塊的顏色外觀進行相應的判斷，從而取抓取物塊。當智能相機對物塊的顏色特征進行檢測，通過檢測幾何特征參數(shù)與先前拍取的完好的物塊或者符合要求的物塊進行比對，判斷物塊的形狀或顏色后，智能相機把數(shù)據(jù)傳輸給單片機，單片機再將相應數(shù)據(jù)輸出到步進電機通過電機進行控制機器人將符合設計要求的物塊抓取出去，然后放置在指定位置或者需要的地方。

1? 系統(tǒng)設計方案

見圖1所示。本設計是運用OPENMV攝像頭、32單片機和機器人組成。主要實現(xiàn)機械臂對物塊的自動抓取并放置，同時實現(xiàn)LCD模塊上顯示坐標、手動按鍵控制抓取等功能。本文主要從OPENMV、機械臂、LCD顯示屏、主控和PCB板五個方面介紹該系統(tǒng)的硬件設計。

1.1 OpenMV相機模塊

OpenMV的概述：： OpenMV是一個非常易用且低價的機器視覺開發(fā)組件，由于其強大的圖像處理能力，豐富的開源功能代碼庫，深受國內(nèi)外數(shù)十萬開發(fā)者的歡迎。OpenMV項目旨在通過開發(fā)一個用戶友好的、開源的、低成本的機器視覺平臺，使機器視覺更易于初學者使用。OpenMV支持幀差分（運動檢測）、標記跟蹤、顏色跟蹤（最多同時支持32種顏色）、圖像捕獲（BMP/JPG/PPM/PGM）、視頻錄制（MJPEG/GIF）等功能。編程是在OpenMV IDE中使用微python語言完成的。你可以在OpenMV Cam文檔中找到更多詳細信息。

1.2 機械臂的選擇

本設計選擇的PL42B010B減速步進電機小機械臂，2.5kG負載機械手減速步進電機，電機的機身長34mm ，減速機的長度：35mm，電機的扭力為：3N·m。該機械臂主要由三個步進電機和一個氣泵直流電機組成，三個步進電機控制機器人的底座、前軸、后軸的運動，直流電機控制機器人末端的氣泵開關，通電則開啟氣泵，斷電則關閉氣泵。

1.3 LCD顯示屏

本設計使用LCD12864模塊作為顯示部分。該模塊內(nèi)含簡體中文字庫，可以顯示漢字和數(shù)字。該點陣的顯示屏成本相對較低，適用于各類儀器，小型設備的顯示領域。

1.4 主控

本設計使用stm32f103c8t6微控制器作為主控制器，STM32F103xx性能線系列結合了高性能ARM Cortex-M332位RISC核心，以72MHz頻率、高速嵌入內(nèi)存（閃存高達128K字節(jié)、SRAM高達20K字節(jié)）以及連接到兩個APB總線的各種增強型I/O和外圍設備運行。所有設備提供兩個12位ADC，三個通用16位定時器加上一個PWM定時器，和標準和高級通信接口[1]：多達兩個LC計算機和SPI，三個USART，一個USB和一個CAN。

1.5 PCB板設計

本設計是以stm32f103c8t6為主控芯片，設計出一塊實現(xiàn)驅動步進電機、串口通信、按鍵控制、LCD屏幕顯示等功能的PCB板。主要分為電源、驅動器、燒錄口、LCD顯示、串口通信部分等。首先設計電源部分，通過兩個穩(wěn)壓芯片來保持+5V的電壓，為了實現(xiàn)對三個步進電機的控制，運用三個TB6612驅動及逆行驅動，再設定兩個通信串口與LCD顯示屏和OPENMV進行驅動，再設定手動控制部分，程序燒錄部分支持USB和Jink燒錄。如圖2所示。

2 系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)軟件與硬件電路緊密結合實現(xiàn)對機械臂的控制，本文主要從步進電機的控制、坐標轉換、顏色識別、串口通信和LCD顯示五個板塊進行論述。

2.1步進電機控制部分

目前市面上的步進電機驅動電路通常使用的驅動芯片，缺點是驅動能力弱。本設計選用的是基于 TB6612 驅動芯片的步進電機驅動板，不僅驅動能力強，單路最大輸出電流 3A，而且采用了高速光耦，做到高速狀態(tài)不失步，可以很好的驅動機械臂采用的步進電機。步進電機與控制板連接正確后，通過主控板向控制板的CW端輸入 5V 的高電平，電機反向旋轉，輸入低電平正向旋轉; EN 端低電平電機轉動，高電平則停止轉動。CLK 端輸入脈沖，電機運行，無脈沖式鎖定電機。通過上面三個端口控制步進電機的正反轉，轉動的步數(shù)，實現(xiàn)對電機轉動角度的控制。STM32 芯片的定時器可以直接 PWM （ Pulse Width Modulation） 輸出，只需要設置CCRX，ARR等寄存器，就可以實現(xiàn)頻率、占空比的調(diào)節(jié)，以及 PWM 輸出的打開與關閉，從而根據(jù)需要對步進電機進行控制。

2.2坐標轉換

本文設計的小型機械臂，采用了直角坐標系的機械結構，擁有多個直線運動軸，以及一個旋轉軸，可以對應直角坐標系中互相垂直的 X、Y 軸。因為步進電機的轉動量不能直接對應到坐標系的坐標變化量，所以在控制時，需要通過軟件算法將輸入的坐標移動量轉換為可以提供給步進電機的控制量。市面上的機械臂多采用伺服電機進行控制，雖然本設計采用的步進電機與之有一定的差距，但是都可以等效為控制轉動角度。因此運用軟件先將坐標的變換根據(jù)現(xiàn)有公式轉換為角度的變換，再將角度的變換轉換為給步進電機的控制量，最終達到了對機械臂坐標位置的控制。

2.3 OPENMV的顏色識別

顏色識別程序中白平衡校正是不可或缺的。在白光照射下，RGB 顏色傳感器的輸出并不相等，通常情況下，綠色傳感器的輸出值較之其他會更大一點。除此之外，顏色檢測系統(tǒng)的白平衡還會受到照明燈的色溫差異干擾。在OPENMV中可以運用Sensor模塊進行處理，其程序可以在OPENMV-IDE中進行編輯。之后通過調(diào)節(jié)閾值來進行顏色的識別。

2.4串口通信

一般來說，OPENMV的通信串口必須是UART3，32單片機的通信波特率一般是115200。本設計使用的通信串口設置是使用的默認值。

2.5 LCD顯示

系統(tǒng)軟件設計主要包括LCD初始、寫數(shù)據(jù) 、寫命令，以及畫點、字符顯示等 程序設計。液晶顯示模塊正常工作前，需要對其進行初始化，主要包括復位液晶、確定顯示對比度、偏壓比等參數(shù)，然后才能實現(xiàn)字符、圖形以及其他的顯示功能。 在向液晶顯示模塊寫入數(shù)據(jù)或者命令時，一定要注意寫入的時序，只有嚴格地按 照時序編寫驅動程序才能正常工作。

3? 結論

本文設計的機械臂方案由于運用了更快速的處理器并且優(yōu)化了顏色識別算法，相較于市面上的小型機械臂，在多種光線環(huán)境下具有檢測正確率高、抓取穩(wěn)定性高等優(yōu)點。隨著社會工業(yè)化發(fā)展，機械臂越來越小型化、智能化，應用范圍逐漸向社會各行各業(yè)滲透，將會有更多的智能機械臂走進人們?nèi)粘Ｉ?，對我國的穩(wěn)定發(fā)展也具有重要作用。

參考文獻

[1]滕高飛，周國政，周天悅，張銳.基于STM32F103VBT6的焊接監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子設計工程，2020，28（02）：169-172+179.

[2]李慧敏，樊記明，楊笑.基于STM32和OV7670的圖像采集與顯示系統(tǒng)設計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2016，35（09）：114-117.

[3]孟建平.基于STM32的多自由度機械臂設計研究[J].時代農(nóng)機，2017，44（07）：106.

[4]謝懿.基于stm32與ov7725的嵌入式工件尺寸檢測系統(tǒng)的設計[J].電子世界，2017（24）：110-111.

[5] 林健全，劉浩捷，孫偉卿.基于STM32的智能物料搬運小車[J].軟件，2020，41（07）：27-30.

作者簡介：

康俊杰（1999-），男，漢族，江西萍鄉(xiāng)人，三江學院本科在讀，主要研究方向：圖像識別