关键词：六自由度机械臂；FPGA；图像识别；联合调试

Abstract  In this paper, a six-degree-of-freedom robot arm grasping system based on FPGA control can be intelligently identified by image processing in an area, and the specified object can be captured by FPGA real-time action planning, so as to ensure the operation safety of the robot arm, the whole system can be controlled by the speech recognition module. The system can display the situation on the operator's station in real time, the user can realize the crawl function through voice control, after many optimization, improvement and hardware and software joint debugging, and finally realize the required functions. This system is suitable for the selection of defective products in the automated industrial production assembly line, or the sorting of different products, so as to improve the operating efficiency of the factory, save the operating costs of the factory, and enhance the competitiveness of the enterprise. 

Key words：Six degrees of freedom robotic arm  FPGA  pattern recognition  joint debugging

1 引言

随着电子技术的快速发展，如FPGA此类强大的数字硬件处理器涌现出来，这些器件可以大幅度地提高图像系统的处理速度。硬件技术在算法上具有独特的优势，因为这些硬件系统支持并行指令操作，所以这些操作将把“时间”上的叠加转成“空间”的并行运算，从而有效提高图像的速度处理。特别是FPGA内部集成了非常丰富的硬件逻辑资源，以及强大的并行处理能力和流水线设计，可以作为图像处理算法设计的高性能硬件解决方案，这种硬件图像处理算法大大减轻了图像处理上的压力，提高了图像系统的性能。

近年来我国制造业在迎接市场需求的情况下获得了巨大的发展，促使国内工业机器人技术不断革新，其中以六自由度机械臂最为注目，传统的工业机械臂动作路线单一、灵活性不够，为此，将图像识别与机械臂结合，再结合相关传感器，本系统可以实现机械臂的智能运动。

文献[1]阐述FPGA可以促进硬件对实时图像的处理；文献[2]重点探讨了FPGA对视频图像的处理；文献[3]-[8]均用到图像二值化来处理图像；文献[9]采用逆运动学求解六自由度机械臂的逆解；文献[10]设计了基于图像识别的果蔬分拣系统；文献[11]采用雅可比矩阵函数的方式进行六自由度机械臂的运动学仿真；文献[12]-[14]采用不同的方法对六级自由度的机械臂进行路径规划，并予以验证。

2  系统总体设计

本系统总体设计可分为两部分，一是图像识别处理的设计，二是机械臂抓取模块设计。系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

Fig.1  System structure diagram

摄像头模块采集操作台的图像信息，将信息存入FPGA的BRAM存储器。FPGA直接存储器访问读取缓存中的图像信息，图像经过并行化处理后再通过直接存取访问读取出来，将最终的处理后结果显示出来。在显示器显示图像的同时，FPGA生成物体的坐标，再进一步利用机械臂的路径规划处理坐标，得到机械臂的各个舵机所需旋转的角度，从而实现物体的抓取。

3  系统的硬件设计

硬件设计分为语音识别模块、图像识别模块及机械臂抓取模块。

本设计采用语音识别模块，可用语音控制图像识别和机械臂抓取功能，在实际运用中，如果遇到环境嘈杂等问题，可通过串口与产品中的单片机进行串口通信达到控制效果。

图像识别系统包含有图像采集、图像处理、VGA显示。图像采集所采用的摄像头为OV7670，其可输出8位的RGB图像，工作频率为25MHz。图像处理所用芯片是Artix-7，其外部时钟的高频达到100MHz，有5200个逻辑单元和4个六输入LUT结构，可满足设计需求。本设计中采用VGA显示器显示像素为2个320*240的图像。

机械臂选取六自由度的机械臂，六自由度机械臂被广泛应用于工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事、半导体制造和太空探索等领域，可通过控制六个舵机的旋转角度来控制机械臂实现相应功能。

图像识别处理流程设计如图2所示。

图2  图像识别处理程序流程图

（2）机械臂路径规划程序设计

六自由度机械臂可通过控制六个舵机旋转的角度来实现对机械臂的控制，如图3所示。

图3 机械臂的结构示意图

Fig.3  Schematic diagram of the mechanical arm

机械臂数学模型的建立：
 

图5 机械臂路径规划程序流程图

5  实验测试

5.1  系统实物

图6  系统实物展示 

Fig.6 System physical display

5.2  图像识别系统测试

图像识别系统经过多次调试，可正常工作。通过VGA可显示摄像头拍摄的画面及图像处理后的画面，如图7所示。

图7 图像处理效果图

Fig.7 Image processing rendering

图像识别系统软硬件测试正常。

5.3  机械臂抓取系统测试

机械臂抓取系统经通过控制舵机旋转可实现抓取功能。本系统机械臂为104mm，为98mm，为135mm。将物体放置X=130mm，Y=75mm处，用示波器检测受控制舵机的PWM信号，可推出舵机旋转角度，所测PWM信号波形如图8所示。

路径规划完成，测试中机械臂可以顺利抓取物块,机械臂抓取系统软硬件测试正常。

6  结论

本文设计了一款基于FPGA控制的六自由度机械臂抓取系统，主要目的在于克服传统的工业机械臂动作路线单一、灵活性不够的缺陷，本设计将图像识别与机械臂结合，再结合相关传感器，可以实现机械臂的智能抓取。本设计以Airtx-7开发板为控制核心，首先对整个系统做出总体设计，分析其功能，画出结构框图等，然后针对各个模块制定出相应的实现方案（根据硬件模块设计编写相应软件程序），最后软硬件结合对成品进行调试优化,最终该设计能够较好地实现设计需求。

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 作者简介：

许志敏  男，1998年生，本科，研究方向为自动化。

万 欣  男，1997年生，本科，研究方向为自动化。

顾 凯   男，1997年生，本科，研究方向为自动化。

魏海峰  男，1981年生，博士，副教授，研究方向为电机控制。