《基于虚拟仿真的工件机器人分拣工作站系统硬软件设计》

基于虚拟仿真的工件机器人分拣工作站系统硬软件设计1系统硬件电路1.1电机驱动模块据调研可得，欧鹏科技该企业发明的为机器人优化的L298专用芯片可以实现电机转动角度的快慢控制，也可以实现以下的驱动模块的需求。机器人前轮的驱动用伺服电机的方法实现。同时需要要求利用脉冲宽度调节波（pulsewidthmodulation，PWM）来控制输入信号的极性，从而实现电机正反转之间的转换形式。还可以控制输出电压的有效值的大小形式。该企业的芯片使用时的成效显著，且工作很稳定，硬件也比较简单。该企业的L298专用芯片的实现方法为：将P4.4口分别连接L298N的IN1和IN2的引脚，可以控制一路电机(左电机)的正反转；I/O口的P4.3、P4.2分别连接L298N的IN3、IN4的引脚，控制另一路电机（右电机）正反转；P2.1、P4.0分别连接电机的使能端ENA、ENB，控制电机的停转。L298N电机驱动芯片可以同时驱动两个电机，其内部集成了4通道逻辑驱动电路。L298N输出电流峰值可达2.5A。第1脚和第15脚接地，具体连接的方法如图3.4所示。图3.4电机驱动电路1.2稳定电压电路模块根据根据驱动电机、单片机、灰度传感器、物料颜色传感器等各个模块的要求，需要设计提供7.4V和5V两个档位的电压，7.4V电压是由锂电池直接给驱动电机供电，但是5V的电压需要通过稳压电路进行降压输出获得，其原理如图4所示，该电路选用的核心芯片是LM2576，其功耗很低，平均工作效率可达70%～90%，可以有效地解决因发热带来的元器件损坏和能量损失的问题。图3.5稳压模块电路2基于虚拟仿真的工件机器人分拣工作站软件设计2.1系统软件搭建整个系统的软件框架分为三个模块，分别是识别与定位模块、系统标定模块和工件检测准备模块；标定模块的功能是维护机器人坐标系与摄像机坐标系之间的转换关系；将这三个模块的功能与相机的主要功能串联起来是很有用的。整个系统的软件框架如图2.1所示。图2.1系统软件框架图2.1.1识别定位模块识别定位模块的主要功能是提取各类工件的附加信息并创建分类模板。模板提取与匹配是机器仿真中的重要环节。匹配可以利用目标图像的轮廓、灰度、纹理等特征。在选择适当的功能，重要的是要考虑所选函数的稳定性在不同的环境中，这将直接影响匹配的准确性，选择对象调整方法基于边缘工件分类方法，该方法通过工件的轮廓信息参数进行适应，具有稳定性好、精度高的优点。2.1.2标定模块标定模块的功能是维护机器人坐标系与摄像机坐标系之间的转换关系。手眼标定的实质是维护机器人坐标系与工业相机坐标系之间的转换关系。传统的手眼标定方法工作步骤多，计算量大，标定时间长。根据本工程的要求，采用了快速手动标定方法。该方法使用三个标记点进行校准。标定时，只需拍一张标定图，移动机器人三次，即可在工作层面实现工业相机坐标系到工业机器人坐标系的转换。2.1.3主模块主模块是整个排序工作场所的主干。在主模块中调用标定矩阵和分类模板，完成工件的分类和工件中心坐标的采集，最终实现自动分拣。图4.2主要模块的流程图首先发送指令的相机拍照工件排序，然后调用的分类模板分类，然后提取图像中的工件中心坐标的坐标系统和计算使用手校准矩阵获得校准模块得到的坐标工业机器人工件中心坐标系统，然后与机器人申请建立一个待排序工件的基础，通过网络端口通信将该类型工件放置区域的坐标值发送给机器人。在机器人通信程序中，机器人端部必须准备好与计算机建立以太网通信、通信端口号和分配其他操作。准备工作结束后，下一步就是等待计算机连接。在接收到计算机端发来的连接请求后，建立连接，接收到坐标数据并有序的存储在机器人的内部寄存器上。最后调用寄存器中的坐标数据完成对工件的排序。图4.2主模块流程图2.2通信系统建立虚拟系统和机器人之间的通信通过TCP/IP协议进行。虚拟系统收集的图像使用TCP/IP协议发送到工控机。整个系统的虚拟模块以及工业计算机与机器人的连接方式如图4.3所示。图4.3系统连接图工控机与机器人连接后，上位机程序的功能中包含了要发送的指令。函数包含与每条指令对应的函数体，函数体包含命令类型、数据、函数体的长度等。机器人通讯程序接收到结构的数据后，机器人可以得到当前的坐标值，移动机器人，设定速度，设定安全等级等。2.3系统软件设计基于虚拟机器人分拣工作站软件，选择三层架构模式进行设计，软件结构图如图4.4所示。图4.4系统软件结构图整个系统软件的主要功能是获取通过以太网、工业相机采集的图像进行分类和提取中心，然后操作坐标信息和目标植物的类别信息通过数据处理模块，然后通过系统的系统数据通信模块机器人控制器，每个单元和逻辑处理模块是秩序的计划，组织逻辑，共同完成分类任务。本系统是在Windows平台的visualStudio2013环境下开发的。通过Halcon虚拟库提供的算法来补充系统中虚拟函数的实现。接下来给出整个软件UI层的人机交互界面，图像算法实现的过程以及整个机器人虚拟分拣工作场所的整个操作逻辑。在visualstudio2013环境下开发了基于虚拟基础的机器人分拣工作站人机界面。所有软件都有三个个人计算机接口，分别是主界面、手动模式界面和虚拟排序界面。主界面主要用于建立工业计算机与机器人之间的通信，设置机器人的移动速度和安全级别。主界面如图4.5所示。图4.5系统软件主界面手动模式界面如图4.6所示。用户可以在该界面中调试和移动机器人，得到机器人当前的位置信息。在该界面中，用户还可以通过简单的操作完成工件坐标系的设置。工件坐标系设置完成后，机器人可以切换到工件坐标系上的任意指定位置。图4.6手动模式界面虚拟分拣界面如图4.7所示。它的主要任务是建立工业计算机与相机之间的通信，获取相机采集到的图像并在图形控制中显示出来。图4.7虚拟分拣界面整个系统的图像算法基于德国Mvte公司开发的虚拟软件Halcon。效率高、方便的特点，已广泛应用在工业领域，通过调用Halcon的图像捕获功能拍照的排序，然后是工业相机采集的图像转移到工业控制计算机通过TCP/IP通信协议。对采集到的图像进行预处理、阈值分割、边缘提取、模板匹配等处理整个分拣工作站软件可分为上位机程序、机器人通信程序和机器人移动程序三部分。上位机程序是整个程序的核心，主要完成图像采集、图像准备、阈值分割、边缘提取、模板匹配、坐标版本以及与摄像机和机器人的通信等功能。机器人通信程序主要负责连接上位机，接收上位机传输的坐标数据。由于机器人内部寄存器是有限的，在实际应用过程中无法确定要排序的片数和排序次数。因此，多个排序后，工件坐标通过上层计算