引言

近年來,我國工廠數(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、無菌環(huán)境以及一些狹窄間隙等,當需要在此環(huán)境中拿取小物品時,就大大增加了員工工作的危險系數(shù),降低了工作效率。此外,在日常生活中也會出現(xiàn)一些尖銳的鐵質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,本文設計了一種智能尋物小車用于尋找鐵制零件和一些小物件。當攝像頭發(fā)現(xiàn)目標物體(未知）后,金屬探測儀檢測是否為鐵制品,如果是鐵制品,則使用電磁鐵,按下遙控器,此時與電磁鐵相連的發(fā)光二級管點亮,小車向前行駛的過程中觀察與特制檢測板相連的二極管,當二極管發(fā)光時,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。如果檢測不是鐵制品,則使用機械臂抓取。拾取系統(tǒng)的具體工作流程如圖1所示。

1車體整體設計

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

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

2機械臂組裝及調試

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

組裝完成后要對舵機自動回正的方向進行調整,使電源開啟時機械臂在自動回正程序的控制下處于豎直狀態(tài)。再對Ps手柄和接收器進行對頻,使其完成信號連接,達到控制機械臂的目的。

3視頻監(jiān)控實現(xiàn)步驟

通過樹莓派遠程桌面與小車上的攝像頭實現(xiàn)對接,實時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輸入樹莓派LP地址,端口號8080,頁面會顯示關于MJPEGstreamer的信息:點擊stream會實時顯示攝像頭拍攝的內容。因程序文字數(shù)量大,本文只介紹視頻監(jiān)控的實現(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,多為獨立電路,本文對電磁鐵控制電路、遙控開關原理、金屬檢測模塊工作原理和自主設計的檢測鐵制零件是否被吸引的檢測電路進行簡單說明。

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

小車使用5V遙控開關,電源采用50mA以上的直流穩(wěn)壓電源,通過點動式方式工作。小車所使用的遙控器接收板適用于多種控制電路。遙控開關模塊繼電器接點獨立輸出,更適合于直接控制各類負載:采用無線編碼技術(隔空對碼）,無方向性,開關互不干擾。另外,接收板每路可承受10A電流,可以直接驅動直流/交流負載。遙控開關構造圖及電路連接圖如圖2所示。

金屬探測模塊用于檢測智能尋物小車所經(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。金屬探測模塊主要由三極管、電位器、色環(huán)電阻、發(fā)光二極管等組成。

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

5實驗數(shù)據(jù)

Ps手柄的最遠遙控距離:20m:

電磁鐵遙控的最遠遙控距離:≤100m:

機械臂舉重能力:≤270g:

機械臂可夾持物品大小:寬度≤80mm,長度500mm左右(保持水平狀態(tài)下）:

檢測是否被吸引的鐵制零件最小直徑(寬度）:3mm。

6數(shù)據(jù)分析

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

不同型號的電磁鐵最高吸引高度如表1所示。

檢測是否被吸引的自主設計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)多次實驗發(fā)現(xiàn),最小可檢測到的鐵制物件為3mm(由于人工測量,實驗數(shù)據(jù)存在一定誤差）。

7結語

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入的密閉空間內,快速尋找細小零件成為了亟需解決的問題。而本文設計的智能尋物小車,可通過圖像回傳告知拾取人,然后通過機械臂抓取非鐵制品,或者通過金屬檢測模塊檢測,用電磁鐵吸取鐵制品,解決了細小零件丟失尋找困難和惡劣環(huán)境取物件不便的問題。