CN104020699A

CN104020699A - 一种移动式视觉识别物料分拣智能机器人控制装置

Info

Publication number: CN104020699A
Application number: CN201410234814.1A
Authority: CN
Inventors: 刘胜; 于海强; 李冰; 张兰勇
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2014-05-30
Publication date: 2014-09-03

Abstract

本发明涉及一种能根据图像信息识别物料属性的可移动式的物料分拣机器人的移动式视觉识别物料分拣智能机器人控制装置。本发明包括微处理器模块、视觉识别装置、移动平台控制器、车体位置矫正装置和机械臂抓取装置，微处理器模块位于移动平台尾，视觉识别装置位于移动平台头部，移动平台控制器位于移动平台底部，车体位置矫正装置位于移动平台头部的底部，机械臂抓取装置位于移动平台上视觉识别装置的左侧。该发明针对基于视觉识别的可移动式物料分拣机器人，该控制装置的投入可以使分拣机器人进行大范围的移动和搬运工作，省却了其他运输装置的成本。

Description

一种移动式视觉识别物料分拣智能机器人控制装置

技术领域

本发明涉及一种能根据图像信息识别物料属性的可移动式的物料分拣机器人的移动式视觉识别物料分拣智能机器人控制装置。

背景技术

分拣作业是许多流水生产线上的一个重要环节。而自动物料分拣机器人现已广泛的应用于工业环境中的物料分拣流水线上。然而，一般的分拣机器人只是应用一个单一方向上的机械臂来实现物体的分拣，且机械臂固定于传送带上，加上控制装置较简单，往往采用固定流程的的分拣工序，导致分拣工序和分拣对象比较单一，所以大多只能应用于一种固定的分拣流水线。当该分拣机器人需要应用于其他的分拣环境中时往往需要进行大量的重新调试与改动。同时，机械臂大多采用不带角度或者位置传感器的工业伺服电机，所以不能做成闭环控制，当需要做闭环系统时需要增加额外的传感器。此外，当被分拣的物品需要被大范围的搬运时，一般的分拣机器人不能完成该功能，需要依靠另外的运输载体。而一般的控制器不足以针对以上描述的可移动式的物料分拣机器人进行有效而精准的控制。

例如已公布专利CN200920264146(一种物料分拣装置)，该物料分拣装置并没有安装移动平台和自身的位置矫正装置，该发明是固定于某一位置的，当物料需要进行大范围的搬运时需要依赖于其他的运送车体，增加了生产成本。又例如已公布专利CN103662777A(物料分拣装置和工程机械)，该发明同样是固定于同一位置，其分拣后的过程依然依赖于输送机来完成，增加了生产的复杂性和过程成本，且其只能依赖单一传感器判断物料属性，属性获取信息不明确，分拣对象比较单一和固定。又例如已公布专利CN203409783U(工业机械手)，该机械手和以上两个专利中的机械抓取装置采用的都是不带角度传感器的工业伺服电机，采取的是开环控制，控制精度受限，如果做成闭环控制需要加入角度或者位置传感器，增加了复杂性和生产成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不增加外部角度测量传感器的前提下增加机械臂控制的精度的移动式视觉识别物料分拣智能机器人控制装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明包括微处理器模块S1、视觉识别装置S2、移动平台控制器S3、车体位置矫正装置S4和机械臂抓取装置S5，微处理器模块位于移动平台尾，视觉识别装置位于移动平台头部，移动平台控制器位于移动平台底部，车体位置矫正装置位于移动平台头部的底部，机械臂抓取装置位于移动平台上视觉识别装置的左侧，微处理器模块由ARM主处理器和飞思卡尔单片机组成，ARM作为主处理器，飞思卡尔单片机作为协处理器，二者通过SPI总线接口通信，飞思卡尔单片机的70、71、72、73引脚分别与ARM处理器的33、34、35、36引脚相连；视觉识别装置由高清摄像头和闪光灯组成，其1和2引脚分别与ARM处理器的58、59引脚相连，其4至12引脚分别与ARM处理器的14至22引脚相连，可将采集到的图像信息传给微处理器模块；移动平台控制器由步进电机、电机驱动电路和驱动控制器组成，其STC12C2052单片机16，17引脚分别与飞思卡尔单片机的63、64引脚相连，通信方式为RS232串口通信，可受微处理器模块的控制而运动；车体位置矫正装置由红外发射和红外接收装置组成，共有四个，分别和飞思卡尔单片机的41至44脚相连，可将车体位置偏差数据传送给微处理器模块；机械臂抓取装置为三段式装置，用四个数字舵机采用关节式连接，其四个数字舵机的MCU_TXD引脚相互串联后与飞思卡尔单片机的65引脚相连、MCU_RXD引脚相互串联后与飞思卡尔单片机的66引脚相连，可以将机械臂位置信息传送给微处理器模块同时受微处理器模块控制而运动，完成物料分拣动作。

本发明的有益效果在于：

1、该发明针对基于视觉识别的可移动式物料分拣机器人，该控制装置的投入可以使分拣机器人进行大范围的移动和搬运工作，省却了其他运输装置的成本。

2、移动平台底部采用红外发射接受装置进行车体位置矫正，可以方便的修改和更换运输轨道。

3、采用摄像头进行物料识别，增加了物料分拣的多样性，减少了物料分拣编程的复杂性。并且在摄像头上增加了闪光灯以适应不同的光线环境。

4、机械臂采用数字舵机，在不增加其他角度测量装置的情况下可以得到机械臂的各个角度，减小了机械臂的重量与体积同时增加了机械臂的控制精度。且数字舵机可以灵活的更改站地址，不用修改总控制程序即可方便的更换数字舵机。

5、各个系统以及各个模块之间采用串口和I2C通信协议，保证了信号传输的稳定性。

附图说明

图1为本发明的系统原理结构图；

图2为本发明的系统程序流程图；

图3为本发明的系统结构示意图；

图4为ARM处理器最小系统电路原理图；

图5为飞思卡尔单片机电路原理图；

图6为摄像头电路接线原理图；

图7为移动平台控制器电路原理图；

图8为车体矫正装置电路原理图；

图9为机械臂抓取装置数字舵机接线原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

本发明涉及一种移动式视觉识别物料分拣智能机器人控制装置，包括微处理器模块S1、视觉识别装置S2、移动平台控制器S3、车体位置矫正装置S4和机械臂抓取装置S5；S1由ARM主处理器和飞思卡尔单片机构成，ARM处理器与S2相连，飞思卡尔单片机和S3、S4以及S5相连。本设计通过位于机器人上的视觉识别装置对需要分拣的物料进行识别，根据其图像信息判断其物料属性，通过位于机械臂上的数字舵机实现机械臂多方位多角度的抓取物品。同时，当机器人需要进行大范围的移动来搬运分拣的物料时，依靠机器人底部的车体位置矫正装置和电机驱动装置，可以使机器人按照预定的轨道在生产线上来回移动。

本发明的目的在于设计一种基于视觉分析辨别物料属性和可以对物料进行大范围搬运的物料分拣机器人的控制装置。本设计通过位于机器人上的视觉识别装置对需要分拣的物料进行识别，可根据其图像信息判断其物料属性，通过位于机械臂上的数字舵机实现机械臂多方位多角度的抓取物品同时数字舵机反馈回的机械臂位置信息可以在不增加外部角度测量传感器的前提下增加机械臂控制的精度，增加了可分拣物料的多样性。同时，当机器人需要进行大范围的移动来搬运分拣的物料时，依靠机器人底部的车体位置矫正装置和电机驱动装置，可以使机器人按照预定的轨道在生产线上来回移动。

本发明由微处理器模块S1、视觉识别装置S2、移动平台控制器S3、车体位置矫正装置S4和机械臂抓取装置S5组成。其中微处理器模块S1由ARM处理器STM32F103和飞思卡尔MC9S12XS128单片机组成，以ARM处理器STM32F103为主处理器，以飞思卡尔MC9S12XS128单片机作为协处理器；视觉识别装置S2由高清摄像头OV7660和闪光灯组成；移动平台控制器S3由步进电机、电机驱动电路和驱动控制器组成；车体位置矫正装置S4由红外发射和红外接收装置组成，可将车体位置偏差数据传送给S1；机械抓取装置S5为三段式装置，用四个数字舵机采用关节式连接，可以将机械臂位置信息传送给S1同时受S1控制而运动，完成物料分拣动作。S2通过I2C总线与S1中的ARM主处理器相连；S3通过RS232串口与S1中的飞思卡尔单片机相连；S4通过导线与S1中飞思卡尔单片机的I/O口相连；S5通过RS232串口与S1中的飞思卡尔单片机相连。S1位于移动平台尾部，S2位于移动平台头部，S3位于移动平台底部，S4位于移动平台头部的底部，S5位于移动平台上S2的左侧。

结合图1，图1是本发明的系统原理结构图；本发明包括微处理器模块S1、视觉识别装置S2、移动平台控制器S3、车体位置矫正装置S4和机械臂抓取装置S5；S1由ARM处理器和飞思卡尔单片机构成，其中飞思卡尔单片机主要负责处理S4发送的车体位置偏差数据和S5通过RS232串口传回的机械臂位置偏差数据，并通过SPI通信接口将处理后得到的数据给送到ARM处理器中。ARM通过处理S2传回的图像信息和飞思卡尔单片机传回的车体位置偏差及机械臂位置偏差，对机械臂和移动平台控制器S3发出控制指令。

图2为本发明的系统程序流程图。当系统上电后开始进行系统的初始化，主要包括控制器的初始化和各个系统的初始条件初始化；然后摄像头将采集到的数据传送到ARM处理器中，ARM处理器通过处理图像信息得到物料的属性信息，与数据库相匹配；根据物料的属性信息判断是否需要进行大范围的搬运，如果不需要则根据物料属性控制机械臂进行物料分拣，该流程结束；如果需要进行大范围的搬运，则飞思卡尔单片机通过车体矫正红外装置进行车体位置的反馈，然后将预处理后的数据发送到ARM处理器中，ARM处理器通过飞思卡尔单片机发送移动指令到移动平台控制器中控制机器人移动，此过程一直循环直到移动到规定位置为止；当达到规定位置之后，根据物料属性进行物料分拣，分拣过程结束。

图3为本发明的系统结构示意图；结合图1和图2,本发明结构组成如图所示。1为微处理器模块S1控制电路板,安放于移动载体平台后方；2为移动平台控制器电路板,安放于移动平台的底部,以节省空间,2通过串口通信协议与1连接；3为用于控制机械臂运动的4个数字舵机,每个数字舵机均采用串口通信协议与1连接；4为视觉识别装置,主要由摄像头和闪关灯构成,摄像头采集物料图像数据,闪光灯在灯光不好的时候进行补光,摄像头通过图6所示接口与1相连；5为车体矫正装置,由四个红外发射接收装置组成,通过导线与1相连；6为待分拣物料示意图。

结合图4到图9，它们是系统的部分电路原理图。图4为ARM处理器最小系统原理图，作为系统的控制中心；图5为飞思卡尔XS128单片机电路原理图，通过70、71、72、73引脚分别与图4中ARM处理器的33、34、35、36引脚相连，通信协议为SPI通信，实现主协处理器的数据交互；图6为摄像头电路接线原理图，其1和2引脚分别与图4中ARM处理器的58、59引脚相连，为I2C通信，其4至12引脚分别与ARM处理器的14至22引脚相连,将摄像头数据发送到ARM处理器中；图7为移动平台控制器电路原理图，采用一块STC12C2052单片机来控制LM298电机驱动芯片实现步进电机的驱动，连接方式如图，其16，17引脚分别与图5中飞思卡尔单片机的63、64引脚相连，通信方式为RS232串口通信，作用为实现飞思卡尔单片机与电机控制器之间的数据交互，OUT1、OUT2、OUT3、OUT4分别和步进电机的四个接线端子相连；图8为车体矫正装置电路原理图，为红外发射和接受装置，可以测量铺在车间的黑色轨道的位置，其一共有四路，分别与图5中飞思卡尔单片机的41至44脚相连；图9为机械臂抓取装置数字舵机接线原理图，共有四个数字舵机，其四个数字舵机的MCU_TXD引脚相互串联后与图4中飞思卡尔单片机的65引脚相连，MCU_RXD引脚相互串联后与飞思卡尔单片机的66引脚相连，作用为实现飞思卡尔单片机和数字舵机间的数据交互，其SIG引脚和数字舵机的SIG引脚相连传输控制信号，图中VCC和GND表示为数字舵机输入电源。

Claims

1.一种移动式视觉识别物料分拣智能机器人控制装置，包括微处理器模块(S1)、视觉识别装置(S2)、移动平台控制器(S3)、车体位置矫正装置(S4)和机械臂抓取装置(S5)，微处理器模块位于移动平台尾，视觉识别装置位于移动平台头部，移动平台控制器位于移动平台底部，车体位置矫正装置位于移动平台头部的底部，机械臂抓取装置位于移动平台上视觉识别装置的左侧,其特征在于：微处理器模块由ARM主处理器和飞思卡尔单片机组成，ARM作为主处理器，飞思卡尔单片机作为协处理器，二者通过SPI总线接口通信，飞思卡尔单片机的70、71、72、73引脚分别与ARM处理器的33、34、35、36引脚相连；视觉识别装置由高清摄像头和闪光灯组成，其1和2引脚分别与ARM处理器的58、59引脚相连，其4至12引脚分别与ARM处理器的14至22引脚相连，可将采集到的图像信息传给微处理器模块；移动平台控制器由步进电机、电机驱动电路和驱动控制器组成，其STC12C2052单片机16，17引脚分别与飞思卡尔单片机的63、64引脚相连，通信方式为RS232串口通信，可受微处理器模块的控制而运动；车体位置矫正装置由红外发射和红外接收装置组成，共有四个，分别和飞思卡尔单片机的41至44脚相连，可将车体位置偏差数据传送给微处理器模块；机械臂抓取装置为三段式装置，用四个数字舵机采用关节式连接，其四个数字舵机的MCU_TXD引脚相互串联后与飞思卡尔单片机的65引脚相连、MCU_RXD引脚相互串联后与飞思卡尔单片机的66引脚相连，可以将机械臂位置信息传送给微处理器模块同时受微处理器模块控制而运动，完成物料分拣动作。