色系識(shí)別自動(dòng)上下料小車的系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

朱達(dá)文，李東亞

（蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

隨著我國(guó)數(shù)控加工技術(shù)的快速發(fā)展，之前國(guó)內(nèi)許多數(shù)控加工產(chǎn)業(yè)采用人工上下料的方式。但如今多數(shù)企業(yè)開(kāi)始將自動(dòng)上下料技術(shù)與數(shù)控車床（加工中心）相結(jié)合，組成新的自動(dòng)化加工模式[1－2]，即實(shí)現(xiàn)將車床上料、加工、下料的自動(dòng)化、無(wú)人化，通過(guò)新的加工模式來(lái)提高企業(yè)生產(chǎn)效率、節(jié)約人力成本，并且使工人擺脫繁重的體力勞動(dòng)。本文針對(duì)數(shù)控車床設(shè)計(jì)一款根據(jù)顏色識(shí)別完成自動(dòng)上下料的智能小車，具備循跡、識(shí)別工件并實(shí)現(xiàn)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(jìn)行測(cè)試，為數(shù)控車自動(dòng)上下料智能小車的設(shè)計(jì)提供了參考[3]。

在科技日益精進(jìn)的推動(dòng)下，自動(dòng)上下料技術(shù)快速發(fā)展，在制造業(yè)領(lǐng)域中的作用越來(lái)越重。國(guó)內(nèi)對(duì)自動(dòng)上下料機(jī)器人方面做了大量研究，趙錦榮[4]設(shè)計(jì)出應(yīng)用于拉伸機(jī)的上下料機(jī)械手，能夠?qū)崿F(xiàn)拉伸機(jī)的自動(dòng)上下料，針對(duì)不同規(guī)格的工件，機(jī)械手采用自動(dòng)對(duì)中連桿交叉雙活塞式平移夾持器。2012年曹海燕等設(shè)計(jì)出一種用于數(shù)控砂輪磨齒機(jī)自動(dòng)上下料的新型柔性機(jī)械手，該設(shè)計(jì)可以降低旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力。2018年楊繼東等研究了基于視覺(jué)抓取的并聯(lián)桁架機(jī)器人，分析了路徑規(guī)劃的影響，并且選擇最優(yōu)路徑控制，將自動(dòng)上下料機(jī)器人的路徑選擇和禁忌域進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。上述文獻(xiàn)描述了近年來(lái)自動(dòng)上下料機(jī)器人研究情況及國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀。如今在計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、傳感器等科學(xué)領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)加持下，追求智能化、自動(dòng)化、高效化儼然成為自動(dòng)上下料的追求[5]。國(guó)內(nèi)的自動(dòng)上下料技術(shù)發(fā)展是未來(lái)我國(guó)制造業(yè)發(fā)展的重要發(fā)展方向，若能在各個(gè)行業(yè)中采用自動(dòng)上下料技術(shù)，將提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量，降低人工成本，減少人工加工的危險(xiǎn)性。但是沒(méi)有涉及到與小車相結(jié)合，因而能夠與小車結(jié)合的分揀、投遞技術(shù)存在一定問(wèn)題。

本文從校園快遞分揀人員的操作流程進(jìn)行分析，基于提高分揀效率和減少分揀人員兩個(gè)指標(biāo)，提出小車的整體結(jié)構(gòu)和控制流程，采用UG進(jìn)行三維建模和探索者模型進(jìn)行測(cè)試，提出小車進(jìn)行循跡和避障的控制方式，針對(duì)小車運(yùn)行體系進(jìn)行分析，驗(yàn)證其小車避障與投遞的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 色系識(shí)別自動(dòng)上下料小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能小車分為3個(gè)部分，分別為小車主體、機(jī)械手和傳感器[6]。同時(shí)在普通夾爪的基礎(chǔ)上引申出了新型夾爪。小車主要依靠機(jī)械傳動(dòng)和Arduino控制有機(jī)結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)流程的控制工作，附加一些輔助工作的執(zhí)行元件，如電機(jī)、行程開(kāi)關(guān)等，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能小車整體結(jié)構(gòu)

1.1 小車主體部分

智能小車由控制板、料倉(cāng)、電池、車板、輪轂、舵機(jī)、傳感器等組成。控制系統(tǒng)選擇Arduino的Basra控制板與BigFish擴(kuò)展板組成微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是編程方便、調(diào)試簡(jiǎn)易、材料便宜。料倉(cāng)主要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)小車所夾取的材料。模型設(shè)計(jì)料倉(cāng)大小約為50 mm×60 mm×40 mm，滿足試驗(yàn)用材料的大小。車底板用亞克力板，優(yōu)點(diǎn)為自重輕、成本低、抗沖擊力強(qiáng)，符合小車行走的基本需求。行走方式為輪式，其優(yōu)點(diǎn)是效率高、速度快、機(jī)動(dòng)性好。相比履帶式，當(dāng)搭載黑標(biāo)循跡傳感器時(shí)，能夠更靈敏地轉(zhuǎn)向。

以加工沖頭為例，控制系統(tǒng)通過(guò)循跡控制小車行走軌跡，利用顏色識(shí)別工位控制小車停留在工位，機(jī)械手爪抓取料倉(cāng)中零件進(jìn)行上料，小車等待相應(yīng)加工時(shí)間后進(jìn)行卸料，而后前往下一工位，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能小車主體側(cè)視圖

1.2 檢測(cè)裝置

小車檢測(cè)裝置分為磁效應(yīng)循跡以及Tcs3200顏色識(shí)別。小車?yán)么判?yīng)循跡，優(yōu)點(diǎn)為穩(wěn)定性高、制造成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)，非常適于在中小型企業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用。該小車的技術(shù)方案是在流水線鋪上磁條，磁效應(yīng)循控制小車跡沿著磁條運(yùn)動(dòng)。該種利用循跡的小車控制系統(tǒng)，包括位于小車下方的分別控制左、右輪轉(zhuǎn)動(dòng)的2臺(tái)小車馬達(dá)，其獨(dú)特之處在于所述控制系統(tǒng)由4塊磁效應(yīng)傳感器構(gòu)成循跡檢測(cè)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(dá)到精準(zhǔn)循跡。

小車采用TCS3200顏色識(shí)別裝置，基于TCS3200的顏色檢測(cè)裝置，通過(guò)顏色傳感器采集到工位的顏色信號(hào)，經(jīng)由內(nèi)部信號(hào)轉(zhuǎn)換電路送至微控制器進(jìn)行信號(hào)分析、控制處理，再與存儲(chǔ)模塊中的顏色庫(kù)匹配，最后將顏色檢測(cè)RGB值和匹配結(jié)果送到控制板內(nèi)，最后讀取相應(yīng)的程序。

1.3 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)

一種裝載于智能小車上進(jìn)行夾取的機(jī)械爪[7]。夾爪部分由鉗體與滑塊組成，夾口設(shè)計(jì)成“V”型，更適合夾取沖頭。滑塊裝與絲杠螺母上，圓周舵機(jī)通過(guò)絲杠螺母帶動(dòng)滑塊移動(dòng)，形成對(duì)工件的加緊與放松。鉗身與標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)連接，標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)與單杠拉伸式氣缸相連接，如圖3所示。

圖3 機(jī)械夾爪整體前視圖

其運(yùn)動(dòng)原理如下。

（1）伸縮運(yùn)動(dòng)：當(dāng)小車到達(dá)預(yù)定位置時(shí)，單杠拉伸式氣缸由控制板控制推動(dòng)。進(jìn)行夾取工件，當(dāng)夾取到工件時(shí)，再縮回夾爪，這樣就完成一個(gè)伸縮運(yùn)動(dòng)。

（2）旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)與鉗體相連接，當(dāng)小車到達(dá)預(yù)定位置，氣缸伸出，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使工件正好處于夾爪中央。這樣就完成一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

（3）夾取運(yùn)動(dòng)：當(dāng)工件處于夾爪中央圓周舵機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母使得滑塊進(jìn)行收緊，滑塊與鉗體設(shè)計(jì)“V”型口，更容易夾取工件。

小車運(yùn)動(dòng)到指定位置，小車進(jìn)行90°旋轉(zhuǎn)使夾爪正對(duì)工件?？刂瓢蹇刂茪飧咨斐鲆欢ㄩL(zhǎng)度，圓周舵機(jī)旋轉(zhuǎn)90°使得工件處于夾爪中央。當(dāng)機(jī)械臂伸到足夠夾取工件長(zhǎng)度，圓周舵機(jī)通過(guò)絲杠螺母帶動(dòng)滑塊移動(dòng)，從而對(duì)工件加緊，最后氣缸縮回。這樣就完成機(jī)械臂對(duì)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(jī)械臂與現(xiàn)在技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：夾爪靈感來(lái)自于平口鉗，使得夾爪比傳統(tǒng)夾爪抓力更牢；夾爪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修起來(lái)較為方便，維修成本低；鉗口設(shè)計(jì)成“V”型從而更適合于夾取圓柱型工件；本設(shè)計(jì)解決如今人工加工工件導(dǎo)致“精度低”、“較危險(xiǎn)”、“效率低”等問(wèn)題。

2 色系智能識(shí)別自動(dòng)上下料小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，是系統(tǒng)能否正常運(yùn)行的保障，沒(méi)有控制模塊的系統(tǒng)，即使每個(gè)模塊都能工作，可是模塊與模塊之間也無(wú)法進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)[8]。文中的控制系統(tǒng)采用Arduino為控制核心，Arduino是一個(gè)基于開(kāi)源代碼的軟硬件控制平臺(tái)，以開(kāi)放原始碼simple I/O介面板為主導(dǎo)，還具有使用Java、C語(yǔ)言的Process?ing/Wiring開(kāi)發(fā)環(huán)境。Arduino含有2個(gè)主要部分：硬件部分是來(lái)做電路連接的Arduino電路板；軟件部分是基于Arduino IDE的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境。Arduino通過(guò)各類傳感器來(lái)感知環(huán)境，并控制光亮、電動(dòng)機(jī)以及其他的傳感裝置來(lái)反饋和影響周圍環(huán)境。

傳感器控制系統(tǒng)采用了TCS3200顏色識(shí)別傳感器。目前常用的顏色識(shí)別系統(tǒng)主要是根據(jù)傳感器將光信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理并輸出新的信號(hào)，可是輸出為模擬量，需要增加A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)，最后輸出可以識(shí)別的結(jié)果，該電路比較復(fù)雜并且容易產(chǎn)生大的誤差，使用效果不好。該色系識(shí)別智能小車具有循跡、避障、自動(dòng)上下料等功能，并且通過(guò)TCS3200顏色識(shí)別傳感器。能夠?qū)⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)從而對(duì)其處理并輸出。

位置檢測(cè)系統(tǒng)采用磁效應(yīng)循跡系統(tǒng)，能夠精確識(shí)別流水線上磁條位置，從而達(dá)到控制小車行駛在相應(yīng)軌跡上的效果。小車控制系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 小車控制系統(tǒng)

3 結(jié)束語(yǔ)

本文綜合運(yùn)用了機(jī)械、電子、自控等多學(xué)科知識(shí)，實(shí)物制作之前利用UG進(jìn)行結(jié)構(gòu)搭建和思路模擬，節(jié)省了大量的時(shí)間，對(duì)各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)零件、機(jī)械結(jié)構(gòu)、布局進(jìn)行直觀、詳細(xì)地說(shuō)明。同時(shí)利用探索者模型完成了小車的裝配并進(jìn)行測(cè)試，為數(shù)控車自動(dòng)上下料智能小車的設(shè)計(jì)提供了參考。

控制系統(tǒng)能精確處理信息，精度高達(dá)90%以上。磁感應(yīng)循跡能夠準(zhǔn)確識(shí)別磁條，保證小車行駛在規(guī)定軌跡上，顏色識(shí)別傳感器能夠準(zhǔn)確識(shí)別工位顏色。

通過(guò)測(cè)試，小車具備了顏色識(shí)別、自動(dòng)上下料、循跡避障等功能，達(dá)到了預(yù)期要求。