激光扫描在机器人折弯板材边缘检测中的应用

时间：2024-05-04

陈明瑞葛奕玮

摘要：本方案旨在将ARM激光扫描仪应用在折弯机器人机上，通过对扫描出来的图像进行处理分析判断堆料是否对齐。它不仅使得折弯钢板的质量有所提高、节约了材料，也使得堆垛的钢板摆放整齐，提高工业生产的效率。相对于传统折弯机器人，假如它的吸盘和框架之间是刚性连接的，其产生的误差可能影响折弯质量，从而造成材料的浪费。另外，我们设计的控制系统的硬件和软件具有较高开放性，便于移植拓展。

关键词：激光扫描仪;钢板边缘检测;ARM系列芯片控制;PID算法

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1672-9129（2018）06-0085-02

Application of a Laser Scanner on Edge Alignment Detection Based on a Bending Robot

CHEN Mingrui*， GE Yiwei

（Wuhan University of Technology， Hubei Wuhan， 430070， China）

Abstract： This paper will apply laser scanner which based on ARM series chips in bending machine to analyze the judgment of stacking alignment by processing the image that was accessed by scanner. It can not only improve the quality of bent steel plate to save materials， but also places the stacking plate neatly to increase the working and producing efficiency. Compared with the conventional bending robot， if its suckers and mechanical arms are connected rigidly， the errors will affect quality of bent steel plate and lead to the waste of materials. Moreover， the hardware and software of our control system is of good compatibility to transplant easily.

Keywords： Laser scanner; Steel plate edge alignment detection; ARM chip control; PID algorithm

引用：陈明瑞，葛奕玮. 激光扫描在机器人折弯板材边缘检测中的应用[J]. 数码设计， 2018， 7（6）： 85-86.

Cite：CHEN Mingrui， GE Yiwei. Application of a Laser Scanner on Edge Alignment Detection Based on a Bending Robot[J]. Peak Data Science， 2018， 7（6）： 85-86.

引言

隨着科学技术的发展，生活中尤其是工业中的自动化程度越来越高，机器人也渐渐步入了我们的社会，而折弯机器人也成为了工业生产线中的主流，折弯机器人的一个工作周期主要包括取料、折弯、堆垛三个阶段，大大减少了人力，提高了工业生产的效率。因此，只要将这类机器人稍加改造，便可以运用于工业生产中的其他方面，具有广阔的市场前景。

折弯机器人在工业生产中的应用十分广泛，但是由于机器人做“跟随”动作时不可能与折弯机完全同步，假如吸盘和框架之间是刚性连接的，那么这种误差可能影响折弯质量，从而造成材料的浪费。所以为了改善目前这一状况，提高钢板折弯的质量，我们拟定研制一项基于ARM Cortex—M4核心处理器的激光扫描技术，利用激光扫描装置扫描物体的信息，经过ARM处理器采集处理后传入上位机，再通过对图像的处理测距，检测出堆料是否对齐，若是没有对齐，再借助机械臂的推力使之对齐，以提高工业生产中的效率。

1 系统总体方案设计

1.1 研究目标

研制的应用于智能折弯机器人的激光扫描仪系统具有边缘检测和自动对齐功能，可精确检测出堆料未对齐的具体位置且与上位机实时连接反馈信号，机械臂可将未对齐的堆料自动摆放整齐，从而可以提高工业生产质量，节约材料。

1.2 设计思路

基于ARM的应用于智能折弯机器人的激光扫描仪系统的硬件设计，涉及以ARM Cortex-M4为核心的控制模块，驱动、稳压等组成的外围电路模块的设计，检测模块的运行轨道的搭建，以及机械臂对堆料摆放整齐的控制。

基于ARM的应用于智能折弯机器人的激光扫描仪系统软件设计，即由控制单元对检测得到的数据进行转换处理，得到相应控制变量，再由PID算法进行控制优化，结合电机运行调控程序，形成外界检测与内部控制结合的反馈系统，以及电路保护模块程序的设计。

对应用于智能折弯机器人的激光扫描仪系统的数据采集，数据处理和智能折弯机器人原理进行剖析，对其在实际折弯钢板的运行过程进行测试，验证总体设计是否满足要求。

2 硬件设计

2.1 主要设计思路

主控制板的微芯片和激光扫描仪通过串行端口相互传递信息。基于脉冲宽度调制（PWM）信号转换原理，通过控制每个转换开关的占空比调节速度。微芯片产生PWM信号给激光扫描电机和步进电机。流程图如图1所示。

2.2 各部分硬件设计

2.2.1 主控制电路

主控制板用ARM Cortex-M4系列STM32 F4 芯片。STM32F4系列芯片有更高的性能，更多的资源，更强的外设功能，有更低的功耗，IO口的复用功能大大增强。除最小系统以外，配合按键模块，JATAG仿真调试模块，电源模块就构成了主控板模块。

2.2.2 电机和电机驱动

电机选用的是步进电机，步进电机是一种用电脉冲进行控制、将电脉冲信号转换成相应角位移的电动机。步进电动机输入一个电脉冲信就前进一步，其输出的角位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。我们选用的步进电机步进角为1.8°，步进精度为1.8°±0.09°，电机驱动用的是DM542数字式两相步进驱动。该驱动采用内置微细分技术，即使在低细分的条件下，也能达到高细分的效果，低中高速运行都很平稳，噪音超小。驱动内部集成了参数自整定功能，能够针对不同电机自动生成最优运行参数，最大限度发挥电机性能。

2.2.3 模拟折弯机器人工作系统。

采用A1M1型号360度二维激光扫描仪，该扫描仪可以实现 360 度 6 米范围内的激光测距扫描，产生所在空间的平面点云地图信息用于地图测绘、机器人定位导航、物体/环境建模等应用，扫描仪的测距分辨率在距离小于1.5m时小于0.5mm，角度分辨率小于1度，单次测距的时间为0.5ms，扫描频率为5.5Hz，且该激光扫描仪采用串口和单片机之间进行通讯，较为方便直观。激光扫描仪的运动系统基于工字型滑轨，滑轨上安装两台步进电机，可以进行前后左右四个方向的运动，这样可以扫描整个钢板，做出准确判断。

3 软件设计

3.1 系统总体设计

系统设置四个按键，分别代表发送最后数据、前进、后退、开始检测这四个状态。按下开始检测键，激光扫描仪到达钢板边角位置先在x方向即横向扫描，分别在钢板两边和中间的位置进行三次扫描，同理，横向扫描完以后进行纵向扫描，等距离三次进行扫描。扫描完后，判断扫描到的点是否为偏移点，扫描点数据储存在数组里，串口每接收一次数据，存放一组数据，以最后一块钢板为基准点，判断超出这个范围的点为第几层数据的点，最后根据偏移点的个数判断偏移量的大小。程序流程图如图2所示。

3.2 扫描仪串口协议通讯

扫描仪和单片机之间串口互相通讯，外部系统给扫描仪发送请求信号以后，扫描仪开始给单片机发送数据信号，两者用串口2进行通讯，在程序初始化时就开启扫描仪。扫描仪发送的数据包括扫描仪起始标志位S，S=1时表示开始;校验位C，判断应答报文起始字节;采样点信号质量quality，与激光接收信号质量有关;角度数据angle_q6，0-360°范围，实际角度为

Angle=angle_q6/64.0°;

距离信号distance_q2，激光扫描头到障碍的距离，实际距离为

Distance=distance_q2/4.0mm;

4 實验和数据

激光扫描仪的精度为1mm，实际上会有1-2mm的误差，因此我们分别选用了3mm，4mm，5mm厚的钢板进行实验测试，钢板的大小为10cm*15cm，测试过程中也增加了光照的变量。根据测量结果，工字型滑轨建立的坐标系的范围为X轴1-17000，Y轴1-170000，钢板放置的起始点为X轴60000，Y轴77000，结束点坐标为X轴135000，结束点坐标为140000，其中三次扫描的距离间隔为10000。实验结果如下表所示。

5 结论：

从实验结果可知，3mm，4mm，5mm的钢板都在可测的范围内，因此，找到的偏移点数量相当，有略微的差异。在偏移较大时，用较快的速度进行扫描，得到的扫描点较少，但是还是能测出结果。实验数据来看，第一层扫描到的点比较多，后面层的点很少，因为后面层的偏移点被第一层挡住，所以第一层到第二层的点的个数会有突变，所以为了避免被上一层挡住造成误判，我们对钢板进行了横纵向分别三次扫描，可以减少误判率。另外光线的强弱对激光扫描的影响几乎是没有的。综上所述，利用激光扫描仪检测工业钢板边缘是否对齐是可以实现的。

6 结束语

与以往研究相比，我们的研究具有如下创新之处：

（1）激光扫描边缘检测，板材是否对齐;

利用激光头对钢板进行一行一行地扫描，可以测出激光头与板材边缘的距离大小进行计算，判断板材是否对齐。

（2）提供给控制系统板材信息，控制机械手吸盘的正确吸取;

将激光头检测出来的距离信息反馈给扫描系统，再通过扫描装置与折弯机器人系统的结合，可控制折弯机器人的机械手吸盘准确吸取钢板。

（3）速度快，成本低，非接触，精度满足需要，在昏暗的环境中也能工作等优点;

激光扫描速度快，不用接触钢材本身避免损坏钢材，由于测量的是激光头与板材边缘的距离，因此在昏暗的环境中也能工作。

我们通过工字型滑轨模拟的智能折弯机器人系统搭载激光扫描仪，实现对不对齐钢板的检测，并通过实验数据证明该方案的可行性，开发出了一套适用于该环境的功能完整的程序。

参考文献：

[1] 张涛，吴运新，龚海，郑细昭，蒋绍松.蛇形热轧中轧制参数对7075铝合金厚板变形分布的影响[J].中国有色金属报：英文版，2014，24（07）：2150 -2156.

[2] 吴刚，王海鹏，刘若愚.折弯机器人 [J].金属加工（热加工）， 2010，（17）： 43-45.