收藏币拍照机器人控制系统设计与开发

付荣豆，毛潭，侯静娴

（北方工业大学机械与材料工程学院，北京 100144）

0 引言

近年来，随着钱币收藏市场不断升温，越来越多的人开始关注收藏币。并非所有的收藏币都是越来越值钱的，主要看图案信息、发行日期、铸造工艺、币制材质和发行数量等[1]。在收藏币流通过程中，由于外观磨损、划痕、腐蚀而造成品质下降影响收藏价值，因此需要专门的人工检测[2]。考虑到采用人工检测的方法，需要专门的设备仪器和相关方面的专家，对于大批量收藏币检测来说，显然工作效率低、劳动强度大及存档困难等。本文研究基于机器视觉的图像采集技术[3]，开发了收藏币拍照机器人控制系统，利用机器人本体和视觉图像技术来实现收藏币的夹取、升降、移动、定位、翻转和图像采集等一系列全自动化工艺流程。

1 控制系统整体设计

1.1 系统总体方案

机器人系统架构如图1所示，收藏币拍照机器人控制系统采用“PC+机器视觉+嵌入式控制器”架构设计。上位机PC端负责两大方面的工作: 一方面负责收藏币图像采集、电动机运动参数设置、手动/自动操作流程和人机交互等工作,另一方面负责与下位机控制器进行总线通信。机器视觉主要通过工业相机进行收藏币图像采集。下位机嵌入式控制器是机器人本体和上位机PC端连接的桥梁，涉及到6轴步进电动机运动控制算法、CAN总线通信[4]、编码器和限位开关信号的采集及数据存储等功能。

图1 控制系统框图

工业相机通过以太网与PC端连接。嵌入式控制器采用主从定时器模式发送PWM波，用于精确控制各轴电动机的转速和位移，其中X/Y轴电动机控制收藏币在二维平面任意移动、Z轴空心电动机控制收藏币的夹取和升降、定位电动机控制收藏币在定位1（气动抓手2正下方）到定位2（相机正下方）之间的移动、升降和翻转电动机完成收藏币的翻转并且保证与定位电动机模块不干涉。主控制器通过通用IO接口与限位开关和继电器连接，实现外部输入信号中断和气动抓手的开合。编码器采用RS-485总线通信，用于测量电动机转动的角度实现闭环控制[5]。

1.2 机器人本体设计

采用模块化设计思想，对收藏币拍照机器人进行整体结构设计[6]。如图2所示，主要由运动模块和固定模块组成，运动模块主要由4个关键部分组成：X/Y轴移动、Z轴夹取、定位移动及翻转/移动模块；固定模块包括相机支架和收藏币托盘。采用步进电动机、气动驱动作为动力来源，通过同步带模组、滚珠丝杠滑台进行动力传动，以及2 个气动抓手的开合，再结合机器人本体，最终实现收藏币的夹取、升降、移动、定位、翻转等操作；机器人本体设计如图3所示。

图2 机器人整体结构设计

图3 机器人本体

1.3 系统工作流程

收藏币拍照机器人全自动化工作流程是在依靠机器人本体、运动控制算法和机器视觉系统，来实现收藏币的夹取、升降、移动、定位、翻转、图像采集和上位机状态监测等过程。收藏币拍照机器人控制系统工作流程主要分为：准备工作、系统自检、自动/手动工作流程、图像采集、退回收藏币和采集完成等六大部分，系统工作流程如图4所示。

图4 系统工作流程图

首先进行准备工作，将待检收藏币放置于托盘架中，开始系统上电，进行设备自检。

操作人员可以选择手动或自动操作模式。手动操作主要用于各轴电动机和气动抓手的控制，具体操作可以分为：X/Y轴电动机定位、Z轴空心电动机吸取和升降、定位电动机移动、翻转和升降电动机运行及气动抓手开合。自动模式下，首先判断是否成功吸取收藏币，吸取不成功则调试位置再次吸取，直到成功吸取收藏币，接下来进行收藏币的移动、升降、翻转、定位等多个连贯性动作。

图像采集模块的工作流程是：通过定位电动机将收藏币放置于工业相机的正下方，打开环形光源并且定位电动机开始微调，开始采集图像直到采集到满意的图像，然后退回收藏币到初始位置。

采集完成模块的工作流程是：如果收藏币采集图像数达到事先设定数量，则机器人处于待机状态并通知给上位机报警提示“采集完成”；否则，将重复自动工作流程下一系列操作，直到达到事先设定收藏币数。

2 控制系统硬件设计

本控制系统选用基于高性能Cortex M4为内核的STM32F4为控制器芯片[7]。考虑到收藏币拍照机器人实际应用需求，该控制器设计出6轴步进电动机控制接口、16路限位开关信号接口、4路通用DO、CAN总线接口、RS-485串口通信和储存模块等，如图5所示。控制器硬件使用Altium Desiger16软件，进行四层PCB设计，采用“一电一地两信号”模式，顶层和底层为信号层，中间两层分别为电源层和地层[8]。

图5 控制器硬件框图

3 控制系统软件设计

3.1 控制器软件

嵌入式控制器的软件在Keil uVision5环境开发，基于UCOS_III实时操作系统，将其移植到ARM芯片中[9]，应用软件设计主要包括步进电动机闭环运动算法、CAN总线通信、电磁阀控制模块、数据储存和限位开关信号采集等。控制器软件框架如图6所示。

图6 控制器软件框图

3.2 上位机应用软件设计

上位机应用软件主要用于人机界面交互，实现用户与机器人的系统交流，可以选择手动或自动两种操作模式。参数设置用于规定各轴步进电动机运动的方向、速度、位移和电动机ID，以及采集图像的格式文件、数量、名称和图片保存路径等。图像采集、保存图像窗口用于采集和保存收藏币图像。报警提示用于监测控制器各个运动环节状态。上位机软件功能结构，如图7所示。

图7 上位机应用软件功能设计

4 应用实验

收藏币拍照机器人控制系统主要由嵌入式控制器、步进电动机驱动器、继电器模块、电磁阀，空气压缩机和电源等组成，上位机PC端通过USBCAN—II逻辑分析仪和控制器数据通信。下位控制系统电气连接图如图8所示。

图8 下位控制系统

将该系统应用于收藏币拍照机器人全自动化工艺流程中，实际运行效果表明：收藏币拍照机器人控制系统运动稳定，各个运动环节运行良好，图像采集清晰且高效，平均一个收藏币正反面图像采集需要3 min，托盘内16枚收藏币全部图像采集完毕并回到初始位置耗时50 min左右，速度满足使用要求。上位机图像采集过程如图9所示。

图9 上位机图像采集过程

5 结论

本文设计和开发了一种收藏币拍照机器人，并详细介绍了机器人本体设计、全自动工艺流程和控制器软硬件设计过程。整个系统采用上下位机控制模式，上位机PC端通过CAN总线与下位控制器实时通信，实现了收藏币的夹取、升降、移动、定位、翻转和图像采集工作。基于“PC+机器视觉+嵌入式控制器”的控制系统架构设计合理，功能设计齐全，实时性好、可靠性高。实验结果达到了预期效果，对机器视觉类机器人运动控制具有重要的参考价值。