分拣基于图像识别的物料分拣系统——机械臂设计与控制定稿

北京理工大学珠海学院2016届本科生毕业设计

基于图像识别的物料分拣系统——机械臂设计与控制

学 院 工业自动化学院

专 业 机械电子工程

姓 名 欧阳永豪 学 号 160404102532

指导老师 李琳 职 称 讲师

中国·珠海

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二○二○年五月

诚信承诺书

本人郑重承诺本人承诺呈交的毕业设计《基于图像识别的物料分拣系统——机械臂设计与控制》是在指导教师的指导下独立开展研究取得的成果文中引用他人的观点和材料均在文后按顺序列出其参考文献设计使用的数据真实可靠。

本人签名欧阳永豪

日期 2020年5月13日

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基于图像识别的物料分拣系统——机械臂设计与控制

摘 要

21世纪的今天科技高度发达,为了顺应当代科技潮流本文设计出自动物料分拣的机械臂 以配合我们设计的基于Matlab图像识别的物料分拣系统。本文以这四个自由度的机械臂为研究对象对其进行机械机构的设计静力学分析用SolidWorks的Simulation进行有限元分析进而验证机械臂的可行性然后采用Arduino开发板来控制舵机就是通过信号线发送一系列脉冲改变脉冲宽度来改变舵机的旋转角度从而实现机械臂产生不同的运动。最后基于Proteus软件对舵机进行仿真得到仿真出来的脉冲宽度。

分拣的总工作流程就是利用Matlab进行图像识别检测出该物料的类别然后输出坐标和数据给Arduino事先在Arduino中编写程序产生脉冲控制舵机转动从而完成机械臂对物料的整个分拣动作。

关键词 Sol idWorks有限元分析 Arduino控制系统 PWN脉冲舵机;

Proteus仿真

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Material Sorting System Based on Image

Recognition——Design and Control of Manipulator

Abstract

In the 21 st century, science and technology is highly developed. In order to adaptto the trend of modern technology, this article designs a robotic arm for automaticmaterial sorting to match the material sorting system based on Matlab imagerecognition that we designed. This article takes these four degrees of freedommanipulators as the research object, conducts mechanical mechanism design, staticanalysis,and uses SolidWorks Simulation to perform finite element analysis to verifythe feasibility of the manipulators, and then uses the Arduino development board tocontrol The servo is to send a series of pulses through the signal line,and change thepulse width to change the rotation angle of the servo, so as to realize differentmovements of the mechanical arm.Finally, the servo is simulated based on Proteusso ftware to obtain the simulated pulse width.

The overall workflow of sorting is to use Matlab for image recognition,detectthe type of the material,and then output the coordinates and data to Arduino,write aprogram in Arduino in advance,generate pulses to control the steering gear to rotate,thus completing the entire robot arm to the material Sorting action.

Keywo rds:SolidWorks finite element analysis;Arduino control system;PWN pulse;steering gear;Proteus simulation

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目录

1.绪论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

1. 1 自动物料分拣的研究背景及意义. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

1.2国外物料分拣系统的发展历史与现状. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2

1.3国内物料分拣系统的发展历史与现状. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

1.4本文设计的主要内容. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

2机械臂本体的设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

2. 1机械臂类型方案选择. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

2.2机械臂结构设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

2.3末端执行器真空吸盘与气泵的选用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

2.4各关节舵机的选型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12

2.5机械臂关键部位的有限元分析和校核. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

2.6各关节角度的确定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23

2.7 SolidWorks建模与装配. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27

3机械臂控制系统的设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29

3. 1 Arduino开发板介绍. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29

3.2基于Arduino控制舵机的原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29

3.3 Arduino控制程序的设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

4基于Proteus的仿真测试. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33

4. 1 Proteus电气原理图的建立. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33

4.2仿真程序. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34

4.3 Proteus仿真结果分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36

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4.总结不足与展望. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41

参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43

谢 辞. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44

附 录. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45

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1.绪论

1. 1 自动物料分拣的研究背景及意义

社会的不断发展促使着我们生活水平的提高也使得市场上各企业的竞争愈发激烈各个企业为了有效地占据一方席地不断地改进企业的生产模式都迫不及待地提高生产水平 以致于提高生产效率从而促进了产量与质量的提高。为此企业们都采用了事先的物料分拣 以减少在生产过程中的组装时间有序且快速地完成早期物料分拣已经成为每个企业必须做的一件事情。分拣在传统的意义上是把不同的物品按照一定的原则分门别类 以致于实现物料有序的空间位移。

21世纪是我们目前所生活的年代是世界经济发展的年代更是科学力量强盛的一个年代 国家下达各种各样的政策去解放生产力发展生产力为此提高了对工业自动化的要求。生产力的提高离不开对这一类智能控制的机械提出更高的要求我们需要这机器更快速更高的精度去完成生产任务。为此世界各国都在不断研究这类产品高智能机器人更是种类繁多层出不穷想尽千方百计尽量使到每个行业都走进自动化的道路。 [1]

随着机器人技术的成熟智能控制更是引领着时代的潮流机器人以其实用性灵活性可靠性广泛应用与生活上各个行业在工业生产上更是担任着一个不可或缺的角色。机器人面世到现在已经有了数十年我们定义的机器人的范畴也更大包罗万象基本上我们讲的机器人就是一个非生物人造系统。如果说追本溯源的话等于说还是一切都是从机械手臂开始讲起也就是说这些手臂是整个机器领域中发展最早的也是最完整的人们通过仿照人的上臂而制造出机械臂。

在以前这一工作往往是通过人工的方式来完成的通过人的感觉的识别并且经过人大脑的分析处理作出动作的决定再借助手或者其他工具来实现物件的分拣处理。 比如在制造业里一些零件要求精度高并且需要大规模生产这时候人手短时间内完成这项工作基本上是难于上青天在生产过后还要对其检验对于某些含有放射性或者含有对人体有害物质的零件人手检测更是不现实为此我们需要一些智能控制的机械来替人类完成这些任务。为了更好地完成人类的生产任务就要提高精度我们需要借助于一些传感器来增强机械的感官通过不间断对传感器的调试提高机械的灵敏度使其更为接近于人类甚至超越人类从而间接提高了生产效率。 自动物料分拣就在这么的一个环境下诞生

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各个大型企业的生产线上都是采用一些机械臂根据人们事先设定好的一些指令完成整个物料分拣的过程。产品分拣是工业自动化生产中的一项重要生产环节传统的人工分拣或示教工业机器人分拣无法适应现代工业对劳动生产率和生产过程自动化水平的需求将机器视觉技术与工业机器人相结合可使分拣作业具有更高的柔性和可靠性。 [2]

1.2国外物料分拣系统的发展历史与现状

像这种高科技集成品最开始都是国外发展起来的后续才传入国内。早在1905年奥地利就研制出一款名为光电分选机的机器这类光电分选机其实就是物料分拣系统的前身。在上世纪四十年代光电分选机开始应用于农作物的选种及谷物、豆类等食品的分选。到了后期 50年代的时候才开始了应用与重工业上应用范畴扩展到了石灰石、 白云石等建筑材料。随着技术在该方面的应用逐渐地成熟到了六七十年代光电分选机的处理能力已经达到了160吨每小时。 [3]

20世纪60年代末有一台应用了新科技的机器人横空出世那就是美国斯坦福大学的科学家们研发的新型视觉机器人他们让这台机器人做了个有趣的实验——摘香蕉。这台名为“赛克”的机器人具备了以往机器人所不具备的能力它能够准确识别出面前的东西究竟是不是香蕉并且赛克在做出判断后还能够顺利把香蕉摘下来在经过半个多小时的赛克也不负众望完成了实验。经过了这次的实验科学家们相信接下来的研究成果将会更为震惊人类为未来智能机器人的出现奠定了基础。

到了1979年德国的双仕S+S公司诞生了下一年也就是在1980年就率先推出了首款RAP ID金属分离器如下图1. 1所示奠定了该公司成为分拣技术领域的领头羊并且往后该公司不断地在这领域上研究到了2016年又推出了金属探测器INTUITY如下图1.2所示该金属检测系统的检测能力不仅限于铁或磁性材料还包括每种金属。 同时该公司还使用了基于电磁感应的发射器/接收器的方法 当在运行的时候金属探测器会产生恒定的电磁场。如果一块金属穿过检测器则会干扰磁场。随后接收到的信号记录为金属的存在并且控制模块中的软件会分析记录的信号能够可靠地将金属污染物与环境或产品本身的干扰区分开。

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图1. 1首款RAPID金属分离器图1.2金属探测器INTUITY

普度大学的Rahardja,K.与Kosaka,A.研制出了一种基于机器视觉的物料分拣系统如下图1.3所示它采用简单的圆弧轮廓特征来描述复杂的零件能够较好地分拣多种不同的零件从装有一堆零件的容器中捡取零件。 [4]

今年德国Sesotec公司还展示了新型金属分离器如上图所示1.4通过RAPID PRO-SENSE 6扩展了其自由落体金属分离器的工作范围具有更高的检测精度还配备了以太网接口供连接物联网实现互联互通。

图1.3物料分拣机器人图1.4新型金属分离器

在工业上最早通常采用的是日本的SCARA型机器人全球第一台SCARA机

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