机械手对目标物体抓取的研究

１２

机械手对目标物体抓取的研究

机械手对目标物体抓取的研究

Ｒｅｓｅｒｃｈ

ｏｎ

ＳｎａｔｃｈＴａｒｇｅｔＯｂｊｅｃｔｂｙＲｏｂｏｔＨａｎｄ

李亮费

凌

（西华大学机械工程与自动化学院，四川成都６１００３９）

摘要

机械手在工业控制自动化中有着广泛的应用，介绍了一种主要由视觉和力党传感器、电机及单片机和ＰＣ构成的四自由度机械手系统。主要讨论了该控制系统图象分析过程，系统硬件的结构和抓取控制的原理，并给出了上位机与下位机的串口通讯。试验结果表明该系统能够完成对形状为立方体的目标物体的抓取。

关键词：机械手，图像分析。控制系统，抓取

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｔｈｅｒｏｂｏｔｈａｎｄｉｓｗｈｉｃｈｉｓ

ｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄ

ｉｎ

ｉｎｄｕｓｔｒｙａｏｔｕｍａｔｉｃｃｏｎｔｒｏｌＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ

ｓｅｎｓｏｒ．ｆｏｒｃｅｓｅｎｓｏｒ．ｍｏｔｏｒ。ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ

ｓｙｓｔｅｍ

ａｎｄｓｎａｔｃｈｉｎｇ

ａ

４ｄｅｇｒｅｅｓｏｆ

ｆｒｅｅｄｏｍｒｏｂｏｔｈａｎｄ

ｍａｉｎｌｙｃｏｍｐｒｉｓｅｄｏｆｖｉｓｕａｌ

ｓｅｎｓｅ

ｕｎｉｔａｎｄＰＣ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｍａｉｎｌｙｄｉｓｃｕｓｓｔｈｅ

ｓｈｏｗ

ｔｈｅｓｅｒｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａ－

ｐｒｏｃｅｓｓｏｆｉｍａｇｅｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ．ｈａｒｄｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎ

ｃｏｎｔｒｏｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．Ａｎｄ

ｃａｎ

ｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅＰＣａｎｄＭＣＵ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ

ｒｅｓｕｌｅｔｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ

ｓｎａｔｃｈｃｕｂｉｃ

ｏｂｊｅｃｔｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ．ｉｍａｇｅａｎａｌｙｓｉｓ．ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ．ｓｎａｔｃｈ

机械手是一个高度集成的、具有多种感知功能和智能化的机电系统，涉及机构学、自动控制、传感器技术、计算机技术、人工智能、通讯技术、微电子学、材料学等多个研究领域和交叉学科。

我国的机器人的研究开始于上世纪７０年代，起步较晚，手爪研究也相对落后。从上世纪８０年代至今，在国家８６３计划和国家自然基金的大力支持下，机器人的研究被列入重点发展的主题。本文设计了一种用于实验的四自由度的机械手。

１

括：手爪指关节复位，手爪各部件态自检和手爪进一步视觉定位，其中视觉定位的目的：尽量将手爪中心线通过物体形心，以便实现稳定的抓取和作业过程的视觉监控．该过程完成后手爪开似乎进行抓取，同时主要根据位置和力信息进行抓取作业控

制。手爪的抓取过程分为３个主要阶段：①趋近物体。此阶段中

采用位置控制模式，机械手低速平稳进给，直到指端开始接触物

体。②状态判断。在至少一指接触物体后，进行首次尝试接触，判

断物体抓取可靠程度。③抓取保持。在确定抓取有效的情况下。保持指端与物体深度接触，同时切换到力控制模式。２手臂设计

机器人手臂的机构和控制系统是紧密相关的，机构是其它部件的载体。其设计的优劣直接影响着控制系统以及软硬件的复杂程度。因此，机构设计的同时必须考虑控制系统和电气系统

系统构成

包括图像采集系统和控制系统两部分如图１所示。

ＰＣ

Ｉ．—１刚像采集Ｋ忡ＣＤ摄像机

，｛机卜叫驱动系统卜＿叫执行机构（４个步进Ｉ乜机）卜＋｛操ｆｆ对象

圈１系统构成

等功能要求．采用并行设计的方法。并行设计在设计之初就考虑设计的相关过程，是并行、一体化、系统化的工作模式。

手臂结构设计主要考虑三个方面的问题：一是驱动力矩；二是运动速度；三是手臂的重量。为了使手臂结构紧凑，体积小型

１．１图像采集系统

图像采集系统包括图像采集卡、ＣＣＤ摄像机及其驱动器。在本文图像采集系统中图像分析技术用于对目标物体的识别、形心坐标计算并最终给出定性分析结果。

机械手抓取物体的具体识别过程分为：目标物体检测、原始图像获得、灰度拉伸、图像边缘细化、二值化处理、二值边缘及形心定位。根据图像分析结果，如果目标物体大小未超过允许值，则给出可抓取信息，否则给出不可抓取的信息。１．２控制系统总体结构

控制系统设计中采用个人ＰＣ与单片机控制器进行两级控制上一级采用速度和性能较好的ＰＣ来进行控制，能够实现关节运动的人机接口，轨迹规划和指令传送，利用它的运算能力来完成坐标变换，轨迹差补，并定时的把运算结果作为关节运动的角度送到公共内存，供下位机（单片机控制器）读取。单片机完成全部关节位置数字控制。１．３控制原理

已确定作业对象（本试验未立方体）的情况下，抓取作业分为以下几个步骤：手爪定位，即将手爪定位在物体的大致上方可接触距离内，手爪视觉判别系统开始判断立方体大小是否处于可抓取范围内，若可抓取则进行手爪作业初始化，初始化过程包

化，设计采取以下措施：①电器元件尽量安装在手臂内部；②

在保证结构安全的前提下。尽量减轻手臂体积和重量以达到使手臂控制更简单的目的。

在此讨论的四自由度机械臂主要时应用于实验室试验不需要很大的力矩．驱动机构由四个高性二相混合式步进电机组成。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在。加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常简单。步进电机配以高性能驱动电源（采用全集成ＰＷＭ斩波控制），直接驱动丝杆螺母机构或蜗轮蜗杆机构，实现各个关节的运动，它具有控制定位准确、运行噪声小等特点。

本试验系统选步进电动机带动执行机构从一个位置精确地运行到另一个位置。不仅电动机的位置控制时步进电机的一大优点。它可以不用接住位置传感器只需要简单的开环控制就能达到足够的控制精度。步进电机的位置控制需要两个参数：

万方数据　

＜工业控制计算机）２００９年２２卷第１期

１３

第一个参数是步进电控制中，可以从这些存储区域中获得各个步进电机的运行要求。动机控制的执行机构当前从而控制步进电机运行。

的位置参数，我们称为绝对系统运行开始首先调用系统初始化子程序，该子程序的主位置。绝对位置是有限的，要工作是初始化定时器、ＵＡＲＴ、设定中断优先级、配置输入输出器极限是执行机构运动的口等。初始化程序执行完后，单片机控制系统将进入“等待串口范围，超越了这个极限就应操作是否已完成”状态。当计算机串口传来了数据，单片机响应报警。

串口中断请求，程序将执行串口中断服务子程序。在串口中断服第二个参数是从当前务子程序中，完成对计算机串口传来的有效指令的接收并在完位置移动到目标位置的距全正确接收数据后置串口完成标志。若不能正确接收数据，则串离，我们可以用折算的方式口完成标志不能置位。主程序只能在“串口操作是否已完成”处将这个距离折算成步进电等待。当串口完全正确接收数据后，主程序调用指令分析处理子动机的步数。步进电机位置程序，完成对接收的有效指令的分析处理工作，如指令的分解，控制程序框图如图２。直线、圆弧插补的相关计算。指令分析处理完成后。将调用电机３软件设计

控制执行子程序，完成步进电机的运动参数设置，置位步进电机软件部分分为上位机驱动器脉冲选通端，控制电机的转向等。由上位机发给单片机的程序和单片机程序两部分。一个字节的指令中，把一个字节的第０、１位作为驱动机械臂的其中上位机程序实现了路四个步进电机的电机号。００对应手部；０１对应手腕的旋转关节；径规划、用户界面和串口通１０对应手腕的弯曲关节；１１对应第一手臂的旋转关节；命令字

信功能。单片机程序除了串圈２步进电机位置控制程序框圈

的第２位为步进电机的转动方向标志位，“１，，为正转，“０”为反口编程，更重要的是产生步

转。第３位到第７位为步进电机转动角度控制位。进电机控制信号，使步进电机带动执行机构做规划好的路径。４通讯模块

３．１上位机编程

上位ＰＣ机与下位Ａ＿ｒ８９Ｃ５１单片机之间的通信可以采用上位机程序使用ＶＢ语言编写，首先是实现了用户界面。在串行和并行两种通信方式。本系统不需要传输大量的数据，因此此界面中，用户可以输入机械臂各个关节的转向和转动角度，这使用了简单易用的串行通信方式。虽然ＰＣ机和ＭＣＳ５１单片机些电机的控制命令通过串口送到下位单片机，采用ＶｉｓｕａＩＢａ－上都有串行口，但是ＰＣ机串口采用的电平逻辑是ＲＳ２３２电ｓｉｃ编写ＰＣ机控制界面程序需要将十进制数转换成十六进制平，而ＭＣＳ５１串口电平逻辑则是ＴＴＬ电平，所以必须先要解决数发送给单片机。由单片机解析控制命令产生控制信号，经过驱电平转换的问题。完成ＴＴＬ和ＲＳ２３２Ｃ电平逻辑转换的方法很动电路后驱动各关节按照规划好的运动轨迹运动。同时上位机多，一般是选用集成电路芯片。这里选用了ＭＡＸ２３２

Ｅ

Ｊ作为

接收单片机送来的关节限位信号以及抓取机构的夹紧信号，并电平转换的器件。通过ＭＡ＞（２３２转换出来的ＲＳ２３２Ｃ串行信号在用户界面上显示各个关节是否超出限位。再连至ＤＢ９插座与上位机连接，便可建立起上位机与单片机的３．２下位机编程

通信。上位机通过串口发送给单片机数据后，单片机通过中断方５结束语

式接收并保存。

文章较详细的介绍了用于实验的四自由度机械手的硬件与单片机初始化程序中，应添加如下语句产生波特率：

软件设计细节，在以上分析基础上，进行了对不同的目标物体ｖｏｉｄＴｉｍｅｒ２１ｎｉｔ（ｖｏｉｄ）

（立方体长度分别为５ｃｍ、６ｃｍ、８ｃｍ）的成功抓取。该系统利用ｆ

ＰＣ强大的运算能力减小了单片机的工作负担，并且拥有较高的ＲＣＡＰ２Ｈ＝０ｘｆｆ；控制精度。

ＲＣＡＰ２Ｌ＝０ｘｂ８：ＲＣＬＫ＝Ｉ；参考文献

１℃ＬＫ＝Ｉ：［１］王晓明．电动机的单片机控制［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，

ＴＲ２＝Ｉ；

２００２

｝

［２］石东海．单片机数据通信技术从入门到精通［Ｍ］．西安：西安电子科技

串行口设置为工作方式１，一帧数据为１０位，包含一位起大学出版社．２００２

始位“Ｏ”、８位数据位和一位停止位“１”，定时器Ｔ为通信产生时［３］柳洪义。松伟刚．机器人技术基础［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，２００２

序信号控制其波特率。接收程序很简单，只要在串口中断服务子［收稿日期：２００８．１０．１４】

程序中保存接收的数据到预定的存储区域就可以了。在后面的

，ｋｊＩ｝—■ｊｋ■｝坐，ｋ■｝■｝—ｌ｝■｝■｝—｝ｊｋ■皇■ｔ，Ｉ｜｝■｝■｝—｝ｊｋｊｋ■｝ｊｋｊｋｊｋｊｋ—ｋｊＩｋ—■■｝生坐坐坐坐■｝坐业ｊｋ坐—｝—｝■｝—ｋｊｋ■ｔ

我国自主知识产权道路检测车哈工大问世

哈尔滨工业大学科研人员经过８年攻关，研制出具有自主知识产权的多功能道路检测车。它可取代价格昂贵的进口设备，并消除人工检测道路状况的种种弊端，为公路维护管理提供科学依据。这部名叫“国畅”的多功能道路检测车可以不分昼夜，以最高每小时１００公里的速度完成路面状况全自动检测，形成道路检测报告。这个名为“路面表面状况自动化采集与分析系统的研制与开发”的项目，最近通过了黑龙江省交通厅组织的省级鉴定。

万　

方数据

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机械手对目标物体抓取的研究

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摘要

机械手在工业控制自动化中有着广泛的应用，介绍了一种主要由视觉和力党传感器、电机及单片机和ＰＣ构成的四自由度机械手系统。主要讨论了该控制系统图象分析过程，系统硬件的结构和抓取控制的原理，并给出了上位机与下位机的串口通讯。试验结果表明该系统能够完成对形状为立方体的目标物体的抓取。

关键词：机械手，图像分析。控制系统，抓取

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｔｈｅｒｏｂｏｔｈａｎｄｉｓｗｈｉｃｈｉｓ

ｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄ

ｉｎ

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ｓｅｎｓｏｒ．ｆｏｒｃｅｓｅｎｓｏｒ．ｍｏｔｏｒ。ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ

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ｆｒｅｅｄｏｍｒｏｂｏｔｈａｎｄ

ｍａｉｎｌｙｃｏｍｐｒｉｓｅｄｏｆｖｉｓｕａｌ

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机械手是一个高度集成的、具有多种感知功能和智能化的机电系统，涉及机构学、自动控制、传感器技术、计算机技术、人工智能、通讯技术、微电子学、材料学等多个研究领域和交叉学科。

我国的机器人的研究开始于上世纪７０年代，起步较晚，手爪研究也相对落后。从上世纪８０年代至今，在国家８６３计划和国家自然基金的大力支持下，机器人的研究被列入重点发展的主题。本文设计了一种用于实验的四自由度的机械手。

１

括：手爪指关节复位，手爪各部件态自检和手爪进一步视觉定位，其中视觉定位的目的：尽量将手爪中心线通过物体形心，以便实现稳定的抓取和作业过程的视觉监控．该过程完成后手爪开似乎进行抓取，同时主要根据位置和力信息进行抓取作业控

制。手爪的抓取过程分为３个主要阶段：①趋近物体。此阶段中

采用位置控制模式，机械手低速平稳进给，直到指端开始接触物

体。②状态判断。在至少一指接触物体后，进行首次尝试接触，判

断物体抓取可靠程度。③抓取保持。在确定抓取有效的情况下。保持指端与物体深度接触，同时切换到力控制模式。２手臂设计

机器人手臂的机构和控制系统是紧密相关的，机构是其它部件的载体。其设计的优劣直接影响着控制系统以及软硬件的复杂程度。因此，机构设计的同时必须考虑控制系统和电气系统

系统构成

包括图像采集系统和控制系统两部分如图１所示。

ＰＣ

Ｉ．—１刚像采集Ｋ忡ＣＤ摄像机

，｛机卜叫驱动系统卜＿叫执行机构（４个步进Ｉ乜机）卜＋｛操ｆｆ对象

圈１系统构成

等功能要求．采用并行设计的方法。并行设计在设计之初就考虑设计的相关过程，是并行、一体化、系统化的工作模式。

手臂结构设计主要考虑三个方面的问题：一是驱动力矩；二是运动速度；三是手臂的重量。为了使手臂结构紧凑，体积小型

１．１图像采集系统

图像采集系统包括图像采集卡、ＣＣＤ摄像机及其驱动器。在本文图像采集系统中图像分析技术用于对目标物体的识别、形心坐标计算并最终给出定性分析结果。

机械手抓取物体的具体识别过程分为：目标物体检测、原始图像获得、灰度拉伸、图像边缘细化、二值化处理、二值边缘及形心定位。根据图像分析结果，如果目标物体大小未超过允许值，则给出可抓取信息，否则给出不可抓取的信息。１．２控制系统总体结构

控制系统设计中采用个人ＰＣ与单片机控制器进行两级控制上一级采用速度和性能较好的ＰＣ来进行控制，能够实现关节运动的人机接口，轨迹规划和指令传送，利用它的运算能力来完成坐标变换，轨迹差补，并定时的把运算结果作为关节运动的角度送到公共内存，供下位机（单片机控制器）读取。单片机完成全部关节位置数字控制。１．３控制原理

已确定作业对象（本试验未立方体）的情况下，抓取作业分为以下几个步骤：手爪定位，即将手爪定位在物体的大致上方可接触距离内，手爪视觉判别系统开始判断立方体大小是否处于可抓取范围内，若可抓取则进行手爪作业初始化，初始化过程包

化，设计采取以下措施：①电器元件尽量安装在手臂内部；②

在保证结构安全的前提下。尽量减轻手臂体积和重量以达到使手臂控制更简单的目的。

在此讨论的四自由度机械臂主要时应用于实验室试验不需要很大的力矩．驱动机构由四个高性二相混合式步进电机组成。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在。加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常简单。步进电机配以高性能驱动电源（采用全集成ＰＷＭ斩波控制），直接驱动丝杆螺母机构或蜗轮蜗杆机构，实现各个关节的运动，它具有控制定位准确、运行噪声小等特点。

本试验系统选步进电动机带动执行机构从一个位置精确地运行到另一个位置。不仅电动机的位置控制时步进电机的一大优点。它可以不用接住位置传感器只需要简单的开环控制就能达到足够的控制精度。步进电机的位置控制需要两个参数：

万方数据　

＜工业控制计算机）２００９年２２卷第１期

１３

第一个参数是步进电控制中，可以从这些存储区域中获得各个步进电机的运行要求。动机控制的执行机构当前从而控制步进电机运行。

的位置参数，我们称为绝对系统运行开始首先调用系统初始化子程序，该子程序的主位置。绝对位置是有限的，要工作是初始化定时器、ＵＡＲＴ、设定中断优先级、配置输入输出器极限是执行机构运动的口等。初始化程序执行完后，单片机控制系统将进入“等待串口范围，超越了这个极限就应操作是否已完成”状态。当计算机串口传来了数据，单片机响应报警。

串口中断请求，程序将执行串口中断服务子程序。在串口中断服第二个参数是从当前务子程序中，完成对计算机串口传来的有效指令的接收并在完位置移动到目标位置的距全正确接收数据后置串口完成标志。若不能正确接收数据，则串离，我们可以用折算的方式口完成标志不能置位。主程序只能在“串口操作是否已完成”处将这个距离折算成步进电等待。当串口完全正确接收数据后，主程序调用指令分析处理子动机的步数。步进电机位置程序，完成对接收的有效指令的分析处理工作，如指令的分解，控制程序框图如图２。直线、圆弧插补的相关计算。指令分析处理完成后。将调用电机３软件设计

控制执行子程序，完成步进电机的运动参数设置，置位步进电机软件部分分为上位机驱动器脉冲选通端，控制电机的转向等。由上位机发给单片机的程序和单片机程序两部分。一个字节的指令中，把一个字节的第０、１位作为驱动机械臂的其中上位机程序实现了路四个步进电机的电机号。００对应手部；０１对应手腕的旋转关节；径规划、用户界面和串口通１０对应手腕的弯曲关节；１１对应第一手臂的旋转关节；命令字

信功能。单片机程序除了串圈２步进电机位置控制程序框圈

的第２位为步进电机的转动方向标志位，“１，，为正转，“０”为反口编程，更重要的是产生步

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３．１上位机编程

上位ＰＣ机与下位Ａ＿ｒ８９Ｃ５１单片机之间的通信可以采用上位机程序使用ＶＢ语言编写，首先是实现了用户界面。在串行和并行两种通信方式。本系统不需要传输大量的数据，因此此界面中，用户可以输入机械臂各个关节的转向和转动角度，这使用了简单易用的串行通信方式。虽然ＰＣ机和ＭＣＳ５１单片机些电机的控制命令通过串口送到下位单片机，采用ＶｉｓｕａＩＢａ－上都有串行口，但是ＰＣ机串口采用的电平逻辑是ＲＳ２３２电ｓｉｃ编写ＰＣ机控制界面程序需要将十进制数转换成十六进制平，而ＭＣＳ５１串口电平逻辑则是ＴＴＬ电平，所以必须先要解决数发送给单片机。由单片机解析控制命令产生控制信号，经过驱电平转换的问题。完成ＴＴＬ和ＲＳ２３２Ｃ电平逻辑转换的方法很动电路后驱动各关节按照规划好的运动轨迹运动。同时上位机多，一般是选用集成电路芯片。这里选用了ＭＡＸ２３２

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接收单片机送来的关节限位信号以及抓取机构的夹紧信号，并电平转换的器件。通过ＭＡ＞（２３２转换出来的ＲＳ２３２Ｃ串行信号在用户界面上显示各个关节是否超出限位。再连至ＤＢ９插座与上位机连接，便可建立起上位机与单片机的３．２下位机编程

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软件设计细节，在以上分析基础上，进行了对不同的目标物体ｖｏｉｄＴｉｍｅｒ２１ｎｉｔ（ｖｏｉｄ）

（立方体长度分别为５ｃｍ、６ｃｍ、８ｃｍ）的成功抓取。该系统利用ｆ

ＰＣ强大的运算能力减小了单片机的工作负担，并且拥有较高的ＲＣＡＰ２Ｈ＝０ｘｆｆ；控制精度。

ＲＣＡＰ２Ｌ＝０ｘｂ８：ＲＣＬＫ＝Ｉ；参考文献

１℃ＬＫ＝Ｉ：［１］王晓明．电动机的单片机控制［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，

ＴＲ２＝Ｉ；

２００２

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［２］石东海．单片机数据通信技术从入门到精通［Ｍ］．西安：西安电子科技

串行口设置为工作方式１，一帧数据为１０位，包含一位起大学出版社．２００２

始位“Ｏ”、８位数据位和一位停止位“１”，定时器Ｔ为通信产生时［３］柳洪义。松伟刚．机器人技术基础［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，２００２

序信号控制其波特率。接收程序很简单，只要在串口中断服务子［收稿日期：２００８．１０．１４】

程序中保存接收的数据到预定的存储区域就可以了。在后面的

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我国自主知识产权道路检测车哈工大问世

哈尔滨工业大学科研人员经过８年攻关，研制出具有自主知识产权的多功能道路检测车。它可取代价格昂贵的进口设备，并消除人工检测道路状况的种种弊端，为公路维护管理提供科学依据。这部名叫“国畅”的多功能道路检测车可以不分昼夜，以最高每小时１００公里的速度完成路面状况全自动检测，形成道路检测报告。这个名为“路面表面状况自动化采集与分析系统的研制与开发”的项目，最近通过了黑龙江省交通厅组织的省级鉴定。

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