引言

近年來,我國(guó)工廠數(shù)量和種類逐漸增多,其中包括一些具有高輻射區(qū)域、粉塵或有害氣體的工作車間、無(wú)菌環(huán)境以及一些狹窄間隙等,當(dāng)需要在此環(huán)境中拿取小物品時(shí),就大大增加了員工工作的危險(xiǎn)系數(shù),降低了工作效率。此外,在日常生活中也會(huì)出現(xiàn)一些尖銳的鐵質(zhì)小物件掉落不易尋找的情況,尤其掉落到地毯上更是難以尋找,存在安全隱患。因此,本文設(shè)計(jì)了一種智能尋物小車用于尋找鐵制零件和一些小物件。當(dāng)攝像頭發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物體(未知）后,金屬探測(cè)儀檢測(cè)是否為鐵制品,如果是鐵制品,則使用電磁鐵,按下遙控器,此時(shí)與電磁鐵相連的發(fā)光二級(jí)管點(diǎn)亮,小車向前行駛的過程中觀察與特制檢測(cè)板相連的二極管,當(dāng)二極管發(fā)光時(shí),說明物體成功被吸取:若沒有,則繼續(xù)尋找物體直到二極管發(fā)光,即成功拾取物體。如果檢測(cè)不是鐵制品,則使用機(jī)械臂抓取。拾取系統(tǒng)的具體工作流程如圖1所示。

1車體整體設(shè)計(jì)

車體是小車的硬件基礎(chǔ),根據(jù)小車功能,對(duì)其余電子元件進(jìn)行合理的位置排布,使小車可以正常工作?？紤]到本智能小車所需電子元件較多,而履帶式移動(dòng)載體的支撐面積大,對(duì)地面壓力較小,履帶支撐面上附有多條棱起,移動(dòng)時(shí)不易產(chǎn)生滑動(dòng),牽引附件能力好,有較好的越障能力,可以更好地適應(yīng)路面,所以本產(chǎn)品選用了履帶式移動(dòng)載體作為車體。

車殼采用硬質(zhì)紙殼通過測(cè)量、裁剪,與車體完美結(jié)合,用不規(guī)則黑色絕緣膠帶加以裝飾,提升了小車美感,并與整車色調(diào)相協(xié)調(diào)。

2機(jī)械臂組裝及調(diào)試

本款智能尋物小車的機(jī)械臂由6個(gè)型號(hào)為TBs2701的單軸舵機(jī)和若干連接件組成。六自由度機(jī)械臂具有高速、靈活、易操控等優(yōu)點(diǎn)。本車機(jī)械臂最大伸展長(zhǎng)度接近40cm,可夾持范圍在機(jī)械臂可伸展長(zhǎng)度內(nèi)的任一三維坐標(biāo)點(diǎn)。

組裝完成后要對(duì)舵機(jī)自動(dòng)回正的方向進(jìn)行調(diào)整,使電源開啟時(shí)機(jī)械臂在自動(dòng)回正程序的控制下處于豎直狀態(tài)。再對(duì)Ps手柄和接收器進(jìn)行對(duì)頻,使其完成信號(hào)連接,達(dá)到控制機(jī)械臂的目的。

3視頻監(jiān)控實(shí)現(xiàn)步驟

通過樹莓派遠(yuǎn)程桌面與小車上的攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)接,實(shí)時(shí)觀察小車周圍情況及各指示燈工作狀態(tài)。具體操作流程及代碼如下:

通過mjpg-streamer網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控wi-Fi遙控小車,編譯mjpg-streamer軟件,下載并修改源碼,mjpg-stream支持JPEG和YUV兩種格式,本文攝像頭使用Yuv格式,編譯程序:

cpp代碼:

1cd~/mjpg-streamer/

2makeUsE一LBV4一2Itr=ecuealauu開啟mjpg-streamer:

s=dn./start.sh

然后在瀏覽器地址欄內(nèi)輸入樹莓派LP地址,端口號(hào)8080,頁(yè)面會(huì)顯示關(guān)于MJPEGstreamer的信息:點(diǎn)擊stream會(huì)實(shí)時(shí)顯示攝像頭拍攝的內(nèi)容。因程序文字?jǐn)?shù)量大,本文只介紹視頻監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)步驟。

4電路及部分電子元件工作原理

本智能尋物小車的電路較多,多為獨(dú)立電路,本文對(duì)電磁鐵控制電路、遙控開關(guān)原理、金屬檢測(cè)模塊工作原理和自主設(shè)計(jì)的檢測(cè)鐵制零件是否被吸引的檢測(cè)電路進(jìn)行簡(jiǎn)單說明。

電磁鐵的電路控制主要是利用自鎖的工作方式,通過遙控開關(guān)遠(yuǎn)距離控制電路通斷。此電路中二極管與電磁鐵并聯(lián),當(dāng)按下遙控開關(guān)后,二極管發(fā)光,說明電路接通。

小車使用5V遙控開關(guān),電源采用50mA以上的直流穩(wěn)壓電源,通過點(diǎn)動(dòng)式方式工作。小車所使用的遙控器接收板適用于多種控制電路。遙控開關(guān)模塊繼電器接點(diǎn)獨(dú)立輸出,更適合于直接控制各類負(fù)載:采用無(wú)線編碼技術(shù)(隔空對(duì)碼）,無(wú)方向性,開關(guān)互不干擾。另外,接收板每路可承受10A電流,可以直接驅(qū)動(dòng)直流/交流負(fù)載。遙控開關(guān)構(gòu)造圖及電路連接圖如圖2所示。

金屬探測(cè)模塊用于檢測(cè)智能尋物小車所經(jīng)之處是否有金屬物件,為之后控制電磁鐵的通斷電提供信號(hào)。金屬探測(cè)模塊主要由三極管、電位器、色環(huán)電阻、發(fā)光二極管等組成。

人工特制檢測(cè)板由銅絲和電路板焊接而成。當(dāng)導(dǎo)電物體被電磁鐵吸引后,會(huì)與自制的檢測(cè)板上的銅絲接觸,使電路通路,二極管發(fā)光,因此通過檢測(cè)板即可檢測(cè)到是否吸引到目標(biāo)(鐵制品）。

5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

Ps手柄的最遠(yuǎn)遙控距離:20m:

電磁鐵遙控的最遠(yuǎn)遙控距離:≤100m:

機(jī)械臂舉重能力:≤270g:

機(jī)械臂可夾持物品大小:寬度≤80mm,長(zhǎng)度500mm左右(保持水平狀態(tài)下）:

檢測(cè)是否被吸引的鐵制零件最小直徑(寬度）:3mm。

6數(shù)據(jù)分析

測(cè)試不同型號(hào)的電磁鐵最大吸引距離實(shí)驗(yàn),所選用的電磁鐵額定電壓均為12V,功率隨型號(hào)的不同而改變,型號(hào)則根據(jù)所需吸引物的最大質(zhì)量決定。由于本小車需要隔空吸引鐵質(zhì)物件,電磁鐵型號(hào)的選擇以實(shí)驗(yàn)最終效果而定。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)取平均數(shù),本款小車最終采用型號(hào)P30/22的電磁鐵能達(dá)到最佳效果。

不同型號(hào)的電磁鐵最高吸引高度如表1所示。

檢測(cè)是否被吸引的自主設(shè)計(jì)電路由于手工焊制銅絲間距而很難保證完全一致,存在一定誤差,經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),最小可檢測(cè)到的鐵制物件為3mm(由于人工測(cè)量,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定誤差）。

7結(jié)語(yǔ)

隨著零件精密性的提高,小物件丟失的情況越來越頻繁,尤其在一些工廠及不易進(jìn)入的密閉空間內(nèi),快速尋找細(xì)小零件成為了亟需解決的問題。而本文設(shè)計(jì)的智能尋物小車,可通過圖像回傳告知拾取人,然后通過機(jī)械臂抓取非鐵制品,或者通過金屬檢測(cè)模塊檢測(cè),用電磁鐵吸取鐵制品,解決了細(xì)小零件丟失尋找困難和惡劣環(huán)境取物件不便的問題。