CN108709621B - 一种基于超声阵列的异形工件检测抓取装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声阵列的异形工件检测抓取装置，包括框架、超声波传感器阵列固定板、垫片、转运箱、称重传感器、超声波传感器阵列、控制箱、单片机、电源模块、按键开关、显示屏、蜂鸣器和机械臂；超声波传感器阵列固定板的一面固定在框架的顶部，另一面安装有超声波传感器阵列；超声波传感器阵列由超声波传感器排列组成，能够完全覆盖转运箱；每个超声波传感器均与单片机连接；称重传感器安装在框架的底部，其上端与垫片连接，并且与单片机连接；垫片上放置转运箱；控制箱安装在框架上；单片机、电源模块、按键开关、显示屏和蜂鸣器均安装在控制箱中；机械臂、蜂鸣器、显示屏、按键开关和电源模块均与单片机连接。

Description

一种基于超声阵列的异形工件检测抓取装置

技术领域

本发明涉及工件检测与抓取领域，具体是一种基于超声阵列的异形工件检测抓取装置。

背景技术

工件的形态各种各样，可以分为规则和不规则两种类型，规则工件的抓取很方便，但是不规则工件的抓取存在许多问题：1、工件数量不定：工件形状不规则导致每次转运箱中工件数量不确定；2、工件倒伏与遗留：工件形状不规则导致在转运箱中摆放不规则，抓取工件过程中可能导致其他工件倒伏甚至出现工件遗漏；3、人工问题：需要人工介入，查看是否有工件的剩余，人工成本高昂，而且效率低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于超声阵列的异形工件检测抓取装置。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于超声阵列的异形工件检测抓取装置，其特征在于该装置包括框架、超声波传感器阵列固定板、垫片、转运箱、称重传感器、超声波传感器阵列、控制箱、单片机、电源模块、按键开关、显示屏、蜂鸣器和机械臂；

所述超声波传感器阵列固定板的一面固定在框架的顶部，另一面安装有超声波传感器阵列；所述超声波传感器阵列由超声波传感器排列组成，能够完全覆盖转运箱；每个超声波传感器均与单片机连接；所述称重传感器安装在框架的底部，其上端与垫片连接，并且与单片机连接；所述垫片上放置转运箱；所述控制箱安装在框架上；所述单片机、电源模块、按键开关、显示屏和蜂鸣器均安装在控制箱中；所述机械臂、蜂鸣器、显示屏、按键开关和电源模块均与单片机连接。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)该装置在已知单个工件和转运箱重量情况下，称重传感器对转运箱内的工件进行称重，得到工件的个数，装置抓取工件结束后，再次称量转运箱，如果称得重量为转运箱自重则工件无遗漏，否则报警有工件遗漏。

(2)该装置工件抓取路径规划方面，采用超声波传感器阵列测量到工件的距离，确定转运箱中最高工件的位置以及工件的排布情况，从而按规划路径进行工件抓取。并在显示屏上显示时间、开始时的工件数目和抓取完毕后的工件数目，便于巡逻人员观察。

(3)该装置使得所需工人人数减少，节约时间，减少成本，并且能够更快的发现抓取过程中的倒伏现象和遗留现象。

附图说明

图1为本发明基于超声阵列的异形工件检测抓取装置一种实施例的整体结构主视图。

图2为本发明基于超声阵列的异形工件检测抓取装置一种实施例的整体结构左视图。

图3为本发明基于超声阵列的异形工件检测抓取装置一种实施例的模块连接示意框图。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种基于超声阵列的异形工件检测抓取装置(参见图1-3，简称装置)，其特征在于该装置包括框架1、超声波传感器阵列固定板2、垫片3、转运箱4、称重传感器5、超声波传感器阵列6、控制箱7、单片机8、电源模块9、按键开关10、显示屏11、蜂鸣器12和机械臂13；

所述框架1为装置的主体外壳；所述超声波传感器阵列固定板2的一面固定在框架1的顶部，其为绝缘耐用材料，如有机玻璃等，另一面安装有超声波传感器阵列6；所述超声波传感器阵列6由超声波传感器紧密排列组成，能够完全覆盖转运箱4，即超声波传感器阵列6的面积不小于转运箱4的上表面面积，用来测量测量工件表面与超声波传感器之间的距离；每个超声波传感器均与单片机8连接，将测得的数据传输给单片机8；每个超声波传感器的发送端和接收端距离水平面的高度均相同；在行方向上相邻两个超声波传感器之间的发送端和接收端间隔布置，即此超声波传感器的接收端与下一个超声波传感器的发送端相邻；在列方向上相邻两个超声波传感器之间的发送端和接收端相邻布置，即此超声波传感器的接收端与下一个超声波传感器的接收端相邻，此超声波传感器的发送端与下一个超声波传感器的发送端相邻；所述称重传感器5安装在框架1的底部，其上端与垫片3连接，用来测量转运箱4和工件的重量，并且与单片机8连接，将测得的数据传输给单片机8；所述垫片3上放置转运箱4，用于保护称重传感器5并且给转运箱4一个平面支撑；所述控制箱7安装在框架1上；所述单片机8安装在控制箱7中，为整个系统的控制中心；所述电源模块9安装在控制箱7中，为整个控制系统提供电源；所述按键开关10安装在控制箱7中，控制整个系统的开断；所述显示屏11安装在控制箱7中，用来显示时间、开始时的工件数目和抓取完毕后的工件数目；所述蜂鸣器12安装在框架1的顶部，在有工件剩余的情况下发出警报。所述机械臂13、蜂鸣器12、显示屏11、按键开关10和电源模块9均与单片机8连接。

所述超声波传感器的型号为Risym公司的HC-SR04超声测距模块，测量距离为2cm到450cm，精度高达3mm，感应角度大不于15度。

本发明基于超声阵列的异形工件检测抓取装置的工作原理和工作流程是：

(1)在工作开始时，整个装置初始化，将转运箱4运送到框架1中，放在垫片3上，接通电源模块9，将整个装置通电，并且按下按键开关10，启动装置；

(2)整个检测过程在转运箱转运过程中完成，以便节约时间；首先称重传感器5测量转运箱4的总重量(G总重)，并且将测得的数据传输给单片机8，单片机8由设定的转运箱4的重量(G转运箱)和每个工件的重量(G工件)，计算出转运箱4中的工件个数(N)，计算公式为：N＝(G总重-G转运箱)/G工件，将工件个数N显示在显示屏11上，便于工人观察和记录数据；同时，单片机8发出信号给超声波传感器阵列6，超声波传感器会发出超声波到转运箱4的表面工件，并且由超声波传感器阵列6接收返回的超声波，并将得到时间间隔(t)传输给单片机8，由公式s＝340t/2可得到超声波传感器与表面工件之间的距离s。因为超声波探头虽然可以认为是点声源，但其发出的是球面波。超声波探头有一个重要的参数就是波束角，波束角指的是以传感器中轴线的延长线为轴线，由此向外，至能量强度减少一半(-3dB)处，这个角度被称为波束角。在波束角内的超声波可以作为有效波进行测量，但在波束角范围外同样存在具有一定能量的超声波，如果两束超声波相距较近的话，可能会彼此产生干扰。因此，超声波传感器阵列6中的各个超声波传感器在测量时，不能同时进行；首先由三角函数定理计算出超声波不相互干扰的最近距离，最近距离H＝h*tan7.5°，h为超声波传感器阵列6到转运箱4底部的距离；按此最近距离让超声波传感器依次发送和接收数据，整个超声波传感器阵列的长为45mm，宽为20mm；以行为例，根据此最近距离确定的一行上的超声波传感器个数n＝超声波传感器阵列的长/H，n为正整数，当有余数时n向上取整；超声波传感器的发送端S(1+n)发出超声波，并且由超声波传感器的接收端M(1+n)接收返回的超声波，当单片机8收到超声波传感器测量的数据时，将控制超声波传感器的发送端S(2+n)发射超声波，并由超声波传感器的接收端M(2+n)接收返回的超声波；同理规划列上的超声波传感器；由此测量方法既能避免超声波传感器之间的干扰，又能快速检测工件的位置；单片机8将接收到的数据进行比较，根据距离s值判断出转运箱4中最上端的工件；

(3)判断完毕后，单片机8将会规划出最优抓取路径，最优抓取路径为：首先抓取最上端工件，再抓取次高点……直到将差距较大的点抓完；然后从转运箱4中的一角按由近及远的路径顺序抓取，直至抓取工件总数N次；单片机8将会控制机械臂13按照规划好的最优抓取路径进行抓取，这样可以减少倒伏现象；当机械臂13完成抓取任务后，称重传感器5将会再次进行称重测量，并将数据传输给单片机8，单片机8按公式N＝(G总重-G转运箱)/G工件计算出工件有没有剩余，如果转运箱4中没有工件剩余，显示屏11中会显示工件抓取完毕；如果有工件剩余，则会显示剩余工件数目，并且单片机8会控制蜂鸣器12发出警报声，提醒巡逻工人；

(4)在抓取完成后，巡逻工人按下按键开关10，将装置关闭，并切断电源模块9的供电。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种基于超声阵列的异形工件检测抓取装置，其特征在于该装置包括框架、超声波传感器阵列固定板、垫片、转运箱、称重传感器、超声波传感器阵列、控制箱、单片机、电源模块、按键开关、显示屏、蜂鸣器和机械臂；

所述超声波传感器阵列固定板的一面固定在框架的顶部，另一面安装有超声波传感器阵列；所述超声波传感器阵列由超声波传感器排列组成，能够完全覆盖转运箱；每个超声波传感器均与单片机连接；所述称重传感器安装在框架的底部，其上端与垫片连接，并且与单片机连接；所述垫片上放置转运箱；所述控制箱安装在框架上；所述单片机、电源模块、按键开关、显示屏和蜂鸣器均安装在控制箱中；所述机械臂、蜂鸣器、显示屏、按键开关和电源模块均与单片机连接；

该装置的工作过程如下：

（1）在工作开始时，整个装置初始化，将转运箱运送到框架中，放在垫片上，接通电源模块，将整个装置通电，并且按下按键开关，启动装置；

（2）首先称重传感器测量转运箱的总重量，并且将测得的数据传输给单片机，单片机由设定的转运箱的重量和每个工件的重量，计算出转运箱中的工件个数N，计算公式为：N=（G总重-G转运箱）/G工件，将工件个数N显示在显示屏上；同时，单片机发出信号给超声波传感器阵列，超声波传感器会发出超声波到转运箱的表面工件，并且由超声波传感器阵列接收返回的超声波，并将得到时间间隔t传输给单片机，由公式s=340t/2可得到超声波传感器与表面工件之间的距离s；超声波传感器阵列中的各个超声波传感器在测量时，不能同时进行；首先由三角函数定理计算出超声波不相互干扰的最近距离，最近距离H=h*tan7.5°，h为超声波传感器阵列到转运箱底部的距离；按此最近距离让超声波传感器依次发送和接收数据；以行为例，根据此最近距离确定的一行上的超声波传感器个数n=超声波传感器阵列的长/H，n为正整数，当有余数时n向上取整；超声波传感器的发送端S（1+n）发出超声波，并且由超声波传感器的接收端M（1+n）接收返回的超声波，当单片机收到超声波传感器测量的数据时，将控制超声波传感器的发送端S（2+n）发射超声波，并由超声波传感器的接收端M（2+n）接收返回的超声波；同理规划列上的超声波传感器；单片机将接收到的数据进行比较，根据距离s值判断出转运箱中最上端的工件；

（3）判断完毕后，单片机将会规划出最优抓取路径，最优抓取路径为：首先抓取最上端工件，再抓取次高点直到将差距较大的点抓完；然后从转运箱中的一角按由近及远的路径顺序抓取，直至抓取工件总数N次；单片机将会控制机械臂按照规划好的最优抓取路径进行抓取；当机械臂完成抓取任务后，称重传感器将会再次进行称重测量，并将数据传输给单片机，单片机按公式N=（G总重-G转运箱）/G工件计算出工件有没有剩余，如果转运箱中没有工件剩余，显示屏中会显示工件抓取完毕；如果有工件剩余，则会显示剩余工件数目，并且单片机控制蜂鸣器发出警报声；

（4）在抓取完成后，按下按键开关，将装置关闭，并切断电源模块的供电。

2.根据权利要求1所述的基于超声阵列的异形工件检测抓取装置，其特征在于超声波传感器阵列固定板为绝缘材料。

3.根据权利要求1所述的基于超声阵列的异形工件检测抓取装置，其特征在于每个超声波传感器的发送端和接收端距离水平面的高度均相同。

4.根据权利要求1所述的基于超声阵列的异形工件检测抓取装置，其特征在于在行方向上相邻两个超声波传感器之间的发送端和接收端间隔布置；在列方向上相邻两个超声波传感器之间的发送端和接收端相邻布置。

5.根据权利要求1所述的基于超声阵列的异形工件检测抓取装置，其特征在于所述超声波传感器为超声测距模块。