基于機(jī)械視角的三維機(jī)械手設(shè)計(jì)

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傳統(tǒng)的機(jī)械手是利用程序編程定位，然后操縱步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)切實(shí)抓取物體，在國(guó)家提倡智能制造的大背景和機(jī)遇下，研究更智能化的設(shè)備用以變更人們的生活、便當(dāng)人們的生活具有重要的意義。本文研究和設(shè)計(jì)基于機(jī)械視角的三維機(jī)械手，利用CMOS攝像頭采集圖像，然后通過STM32F429微操縱器處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了通過機(jī)械視覺定位物體位置從而舉行抓取物體。

機(jī)械視覺；三維機(jī)械手；圖像采集

TP212A1009-5624（2022）01-0086-03

1引言

隨著圖像識(shí)別在社會(huì)各方面越來越廣泛的應(yīng)用，對(duì)于圖像采集與顯示技術(shù)的研究具有極高的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1]；圖像處理技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)工程、通信工程、工業(yè)檢測(cè)、軍事公安等領(lǐng)域。本文所設(shè)計(jì)的三維機(jī)械手，核心是機(jī)械視覺，而機(jī)械視覺通過圖像識(shí)別物體，圖像數(shù)據(jù)由STM32F429舉行處理進(jìn)而確定物體的位置[2]。我們?cè)O(shè)計(jì)的三維機(jī)械手，在工業(yè)搬運(yùn)、自動(dòng)售貨機(jī)和機(jī)器人焊接等方面都可以大顯身手，并且在3D打印技術(shù)中三維機(jī)械手就不成或缺。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由STM32F429微處理器、CMOS-OV5640攝像頭、RGB電容觸摸屏、步進(jìn)電機(jī)和電磁繼電器組成的機(jī)械手及其他外設(shè)組成。系統(tǒng)整體框架如1所示。

2.1機(jī)械手模型構(gòu)造

該系統(tǒng)主要使用不銹鋼焊成一個(gè)長(zhǎng)方體框架，在框架上架設(shè)三維滑臺(tái)，X，Y，Z分別使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶，帶動(dòng)滑臺(tái)運(yùn)行。使用步進(jìn)電機(jī)加同步帶使得系統(tǒng)精度高，速度快。同步帶的特點(diǎn)：（1）傳動(dòng)切實(shí)，工作時(shí)無滑動(dòng)，具有恒定的傳動(dòng)比；（2）傳動(dòng)平穩(wěn)，具有緩沖、減振才能，噪聲低；（3）傳動(dòng)效率高，可達(dá)0.98，節(jié)能效果明顯；（4）維護(hù)保養(yǎng)便當(dāng)，不需潤(rùn)滑，維護(hù)費(fèi)用低；（5）速比范圍大，線速度可達(dá)50m/s，具有較大的功率傳遞范圍，可達(dá)幾瓦到幾百千瓦；（6）可用于長(zhǎng)距離傳動(dòng)，中心距可達(dá)10m以上，實(shí)物圖如圖2所示。

2.2操縱系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)操縱器硬件電路包括STM32F429操縱模塊、光耦隔離模塊、步進(jìn)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

STM32操縱模塊：本設(shè)計(jì)采用的STM2F429，是基于ARMCortex-M4核心的32位微操縱器。相對(duì)于ARM系列其他芯片，STM32運(yùn)行速度更快[3]，7個(gè)TIM最多可以產(chǎn)生28個(gè)精準(zhǔn)的PWM信號(hào)，便當(dāng)?shù)赜糜诓竭M(jìn)電機(jī)操縱[4]。

光耦隔離模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)輸出PWM操縱信號(hào)，通過施密特觸發(fā)器74HC14D直接驅(qū)動(dòng)高速光耦6N137，隔離操縱信號(hào)，鞏固抗干擾才能[5]。

步進(jìn)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)操縱元件。

由STM32F429內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生脈沖操縱DM542步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器舉行操縱步進(jìn)電機(jī)。DM542通過接收微操縱器的操縱指令對(duì)步進(jìn)電機(jī)舉行驅(qū)動(dòng)，在系統(tǒng)的操縱下，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的穩(wěn)定精確運(yùn)行[6]。

2.3圖像采集系統(tǒng)

圖像的采集使用CMOS-OV5640攝像頭，STM32F429通過DCMI接口與攝像頭連接舉行圖形處理。STM32的DCMI接口整體框圖見圖4。

（1）STM32F429具有攝像頭DCMI接口，DCMI芯片自帶的一個(gè)數(shù)字?jǐn)z像頭接口，該接口是一個(gè)同步并行接口，能夠采納外部8位，10位，12位或者14位CMOS攝像頭模塊發(fā)出的高速數(shù)據(jù)流，可支持不同的數(shù)據(jù)格式。通過該接口STM32F4可以高速的獲取數(shù)據(jù)圖像數(shù)據(jù)。

（2）經(jīng)過DCMI獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過DMA緩存一幀到數(shù)組中，采集完一幀數(shù)據(jù)后對(duì)該數(shù)據(jù)舉行運(yùn)算。DCMI接口的內(nèi)部布局見圖5。

1）同步器：同步器主要用于管理DCMI接收數(shù)據(jù)的時(shí)序，它根據(jù)外部的信號(hào)提取輸入的數(shù)據(jù)。

2）FIFO/數(shù)據(jù)格式化器：為了對(duì)數(shù)據(jù)傳輸加以管理，STM32在DCMI接口上實(shí)現(xiàn)了4個(gè)字（32bitx4）深度的FIFO，用以緩沖接收到的數(shù)據(jù)。

3）AHB接口：DCMI接口掛載在AHB總線上，在AHB總線中有一個(gè)DCMI接口的數(shù)據(jù)寄放器，當(dāng)我們讀取該寄放器時(shí)，它會(huì)從FIFO中獲取數(shù)據(jù)，并且FIFO中的數(shù)據(jù)指針會(huì)自動(dòng)舉行偏移，使得我們每次讀取該寄放器都可獲得一個(gè)新的數(shù)據(jù)。

4）操縱/狀態(tài)寄放器：DCMI的操縱寄放器協(xié)調(diào)圖中的各個(gè)布局運(yùn)行，程序中可通過檢測(cè)狀態(tài)寄放器來獲DCMI的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。

5）DMA接口：由于DCMI采集的數(shù)據(jù)量很大，我們一般使用DMA來把采集得的數(shù)據(jù)搬運(yùn)至內(nèi)存。

2.4圖像顯示系統(tǒng)

顯示模塊選用ATK-7寸RGB電容觸摸屏，辨識(shí)率為1024*600，16位真彩顯示，模塊自帶LCD操縱器，擁有多達(dá)8MB的顯示，能供給8頁的顯示，并支持任意點(diǎn)顏色讀取。模塊采用電容觸摸屏，支持5點(diǎn)同時(shí)觸摸，另外還具有鏡像翻轉(zhuǎn)、背光操縱等功能，具有分外好的顯示效果。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)只有在軟件的支持下才能正常工作。本設(shè)計(jì)在kail軟件中舉行程序設(shè)計(jì)，通過jlink仿真器將程序下載到STM32中，當(dāng)每次上電或者系統(tǒng)復(fù)位后行頭開頭執(zhí)行程序[1]。

4工作流程

我們的目的是探索物體，在攝像頭拍攝的圖像中我們使用黑色的物體，白色背景作為運(yùn)行環(huán)境，同時(shí)燈光要充沛，這些外部的條件便當(dāng)我們對(duì)圖像舉行處理，圖像越單一算法越簡(jiǎn)樸。布置好外部條件后就是拍照，系統(tǒng)采用OV5640yuv成像，也就是黑白的圖像。這樣處理后拍的照片只有白和黑。

4.1實(shí)際位置的標(biāo)定

系統(tǒng)安裝完后需要對(duì)攝像頭的成像范圍對(duì)應(yīng)實(shí)際的位置舉行標(biāo)定，也就是找出圖像上的像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離的比例。標(biāo)定的方法是：首先固定好攝像頭，然后拍照取兩個(gè)點(diǎn)的像素坐標(biāo)量出兩個(gè)點(diǎn)的實(shí)際距離，通過這兩個(gè)點(diǎn)的實(shí)際距離和像素坐標(biāo)計(jì)算比例，假設(shè)攝像頭安裝相對(duì)垂直，在確定范圍內(nèi)可以認(rèn)為圖像沒有發(fā)生形變，就不需要對(duì)圖像舉行畸形矯正。標(biāo)定好攝像頭后就要標(biāo)定電機(jī)，由于攝像頭安裝的位置不是在機(jī)械手上，因此就需要計(jì)算攝像頭算出來的實(shí)際距離，相對(duì)于機(jī)械手原點(diǎn)的距離計(jì)算出電機(jī)要走的距離就可以操縱電機(jī)運(yùn)行。

4.2系統(tǒng)初始化

開機(jī)探索原點(diǎn)，操縱電機(jī)走到傳感器的初始位置，也就是實(shí)際坐標(biāo)的原點(diǎn)，以傳感器為準(zhǔn)。確定好坐標(biāo)后等待系統(tǒng)識(shí)別物體。

4.3拍照識(shí)別物體

放下物體，按下開頭，攝像頭開頭拍照，保存數(shù)據(jù)到內(nèi)存數(shù)組。

4.4計(jì)算坐標(biāo)

對(duì)圖像數(shù)據(jù)處理步驟如下：

1）二值化處理：對(duì)RGB彩色圖像灰度化以后，掃描圖像的每個(gè)像素值，值小于127的將像素值設(shè)為0（黑色），值大于等于127的像素值設(shè)為255（白色）。

2）均值濾波：對(duì)待處理的當(dāng)前像素點(diǎn)（x，y），選擇一個(gè)模板，該模板由其近鄰的若干像素組成，求模板中全體像素的均值，再把該均值賦予當(dāng)前像素點(diǎn)（x，y），作為處理后圖像在該點(diǎn)上的灰度g（x，y），即g（x，y）=1/m∑f（x，y），m為該模板中包含當(dāng)前像素在內(nèi)的像素總個(gè)數(shù)。

3）從上到下掃描圖像第一個(gè)黑點(diǎn)：黑點(diǎn)周邊8個(gè)點(diǎn)都是黑點(diǎn)就認(rèn)定為是物體最上的邊緣。

4）從下到上掃描圖像第一個(gè)黑點(diǎn)：黑點(diǎn)周邊8個(gè)點(diǎn)都是黑點(diǎn)就認(rèn)定為是物體最下的邊緣。

5）找出物體的中心像素點(diǎn)：通過計(jì)算兩個(gè)邊緣點(diǎn)的中心確認(rèn)物體的中心坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)圖像上的像素點(diǎn)。

6）算出物體像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)際位置。

4.5操縱電機(jī)運(yùn)行去抓取物體

按照計(jì)算出來的距離運(yùn)行步進(jìn)電機(jī)，走到對(duì)應(yīng)的位置后運(yùn)行z軸，Z軸傳感器亮也就是碰見物體，開啟繼電器吸取物體，返回原點(diǎn)，放下物體完成動(dòng)作。

5結(jié)論及總結(jié)

在本設(shè)計(jì)中，經(jīng)過不斷地研究、調(diào)試與提升，從機(jī)械手模型的設(shè)計(jì)、主控板的選擇、光耦隔離電路的設(shè)計(jì)，都體驗(yàn)了繁重的過程，譬如，本機(jī)械手的金屬傳感器用的電壓是24伏，但是主控板額定電壓卻是5伏的，為了統(tǒng)一，我們利用光耦三極管6N137舉行電路隔離，實(shí)現(xiàn)了傳感器和主控板的協(xié)調(diào)應(yīng)用，最終告成通過對(duì)STM32F429編程將OV5640采集到的圖像信息顯示在電容觸摸屏上，并告成操縱機(jī)械手抓取物體，我們的研究在工業(yè)搬運(yùn)、自動(dòng)售貨機(jī)和機(jī)器人焊接等方面會(huì)得到廣泛應(yīng)用。

[1]劉祺，王銀玲，吳林恒.基于STM32的圖像采集與顯示系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，1007-9416（2022）02-0094-01.

[2]黃智偉，于紅利，寧志剛，劉雙，陸銀麗.基于STM32F417的圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].新器件新技術(shù)，2022（10）48-51.

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[4]李寧.基于MDK的STM32處理器開發(fā)應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2022：35-47.

[5]劉雪超，吳志勇.基于TMS320F2