2022 年山東省職業(yè)院校技能大賽高職組“電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制作”賽項(xiàng)

2022年山東省職業(yè)院校技能大賽高職組

“電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制作”賽項(xiàng)

題目：視覺識別分揀機(jī)器人設(shè)計(jì)及制作

1競賽任務(wù)

按賽題要求，利用所發(fā)的技術(shù)資料、元器件及器材完成視覺識別分揀機(jī)器人

控制器的裝調(diào)和測試任務(wù)，進(jìn)行Cortex-M3系列STM32F103ZET6（LQFP144）

處理器或51系列STC單片機(jī)IAP15W4K61S4（LQFP64S）的軟件設(shè)計(jì)，完成

該控制器的整機(jī)設(shè)計(jì)及制作。

1.1根據(jù)本賽題及所給U盤中的技術(shù)資料分析視覺識別分揀機(jī)器人控制器的工作

原理和功能要求；

1.2根據(jù)賽題所給的視覺識別分揀機(jī)器人控制器原理圖和印刷線路板約束條件，

利用AltiumDesigner軟件繪制印刷線路板圖；

1.3完成賽項(xiàng)所提供印刷線路板的焊接任務(wù)，并將線路板用于機(jī)器人控制器中；

1.4完成某一成品線路板的故障排除任務(wù)，該線路板將用于機(jī)器人控制器中；

1.5利用賽項(xiàng)提供的視覺識別分揀機(jī)器人控制器機(jī)箱及套件完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和整機(jī)

安裝，包括開關(guān)、電源、電路板、插座的安裝及機(jī)箱內(nèi)走線的規(guī)劃；

1.6完成視覺識別分揀機(jī)器人控制器的功能調(diào)試，使其達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，實(shí)

現(xiàn)視覺識別分揀機(jī)器人的正常工作；

1.7完成STM32F103或IAP15W4K61S4處理器控制軟件的編寫，使視覺識別分

揀機(jī)器人達(dá)到規(guī)定的功能要求。

2競賽時(shí)間

競賽時(shí)間為6小時(shí)（9:00-15:00）。

3功能要求與技術(shù)指標(biāo)

3.1原理說明

視覺識別分揀機(jī)器人為三自由度執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在Z軸安裝有攝像頭和機(jī)械手，

通過對攝像頭獲取的圖像識別，實(shí)現(xiàn)對圖形件的自動(dòng)識別和分揀。其機(jī)構(gòu)如圖1

所示：

上下運(yùn)動(dòng)直線導(dǎo)軌

機(jī)械手

前后運(yùn)動(dòng)直線導(dǎo)軌

攝像頭OV7725

面板與圖形件左右運(yùn)動(dòng)直線導(dǎo)軌

電容式位移傳感

圖1視覺識別分揀機(jī)器人

視覺識別分揀機(jī)器人由三個(gè)直線導(dǎo)軌分別控制機(jī)械手的左右、上下和前后運(yùn)

動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對面板上圖形件的識別分揀。X軸左右運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的驅(qū)動(dòng)電機(jī)有三種，分

別為帶編碼器的直流減速電機(jī)、直流無刷電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，可根據(jù)賽題要求更換，

并安裝有電容式位移傳感器、紅外測距傳感器和激光測距傳感器，在導(dǎo)軌的兩端

安裝有防撞行程開關(guān)；Y軸上下運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的驅(qū)動(dòng)為帶編碼器的直流減速電機(jī)，在

導(dǎo)軌的兩端安裝有防撞行程開關(guān)；Z軸前后運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的驅(qū)動(dòng)為直流減速電機(jī)，在

導(dǎo)軌的兩端安裝有防撞行程開關(guān)；安裝在Z軸上機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)源為舵機(jī)；在機(jī)

械手夾持板的一邊內(nèi)側(cè)安裝力傳感器，可以檢測夾持圖形件的力度，在機(jī)械手的

下方安裝攝像頭，用于識別圖形件的顏色和形狀。視覺識別分揀機(jī)器人還配有搖

桿電位器控制板，與控制器有線連接，可手動(dòng)控制視覺識別分揀機(jī)器人的各種動(dòng)

作。

3.2功能實(shí)現(xiàn)

視覺識別分揀機(jī)器人通過判斷圖形件的顏色與形狀，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)分揀或自動(dòng)分

揀。圖形件的形狀包括三角形、正方形、圓形、星形，顏色包括紅色、黃色、藍(lán)

色、綠色。視覺識別分揀機(jī)器人控制器由微處理器(STM32或51)電路、顯示與

鍵盤電路、傳感器測量電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和電源電路等部分組

成。

參賽隊(duì)需完成視覺識別分揀機(jī)器人控制器的印刷線路板繪制、線路板的焊接

與調(diào)試、某一線路板的故障排除、控制器的安裝與調(diào)試、控制器指定功能的軟件

編程與調(diào)試等多項(xiàng)競賽任務(wù)。

3.2.1印刷線路板的繪制

根據(jù)賽題所指定的視覺識別分揀機(jī)器人控制器原理圖和印刷線路板約束條

件，利用AltiumDesigner軟件繪制該控制器的印刷線路板圖。要求所用元器件

均采用3D模型，其中某一個(gè)元器件需要參數(shù)隊(duì)自行建模，所繪制的印刷線路板

可以進(jìn)行三維展示。

控制器原理圖由CPU電路單元、人機(jī)接口電路單元、傳感器測量電路單元、

A/D電路單元、功率輸出電路單元、電源電路單元等幾部分組成，每一單元電路

都有若干種選擇，印刷線路板外形結(jié)構(gòu)和自行建模元器件也有若干種選擇。比賽

時(shí)由裁判長下發(fā)具體方案。

線路板約束規(guī)則要求：雙層印刷線路板，最小間距10mil（集成電路引腳間

距不受此約束），最小線寬10mil，過孔最小孔徑15mil，過孔最小直徑30mil，敷

銅最小間距10mil。

參賽隊(duì)所繪制的視覺識別分揀機(jī)器人控制器的原理圖、元器件封裝和印刷線

路板圖的電子稿采用U盤上交。

3.2.2印刷線路板焊接與調(diào)試

微處理器核心板（DCP-401或DCP-301）、微處理器核心板（DCP-400或

DCP-300）、DCP-204液晶顯示和鍵盤電路板、DCP-218功率H橋PWM輸出

電路板、DCP-216功率運(yùn)放輸出電路板、DCP-206ADS7950串行A/D轉(zhuǎn)換電

路板、DCP-208ADS1118串行A/D轉(zhuǎn)換電路板、DCP-28-1信號調(diào)理電路板、

DCP-228步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、DCP-229直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)板等電路板中其中兩塊

為散件，需參賽隊(duì)根據(jù)比賽時(shí)下發(fā)的焊接套件清單、焊接原理圖自己焊接和調(diào)試。

若焊接的線路板不能正常工作，可以采用成品線路板替代，但將扣除線路板調(diào)試

部分任務(wù)的分?jǐn)?shù)。

3.2.3某一線路板的故障排除

組裝控制箱所需某一線路板包含有若干個(gè)硬件故障，需要參賽隊(duì)檢測排除，

并填寫故障排除記錄表，在該線路板功能正常后，用于控制器的組裝。若未能正

常工作，可采用成品線路板替代，但將扣除相應(yīng)未能使故障板正常工作的分?jǐn)?shù)。

3.2.4視覺識別分揀機(jī)器人控制器的安裝與調(diào)試

視覺識別分揀機(jī)器人控制器的裝調(diào)工作要求在如圖2所示的機(jī)箱中完成。

安裝套件包括機(jī)箱、開關(guān)電源、前面板、后面板、安裝底板、微處理器核心板

（STM32或51單片機(jī)）、人機(jī)接口電路板、傳感器測量電路板、A/D轉(zhuǎn)換電路

板、功率輸出電路板以及必要的電氣附件。

圖2視覺識別分揀機(jī)器人控制器機(jī)箱圖

視覺識別分揀機(jī)器人控制器的前面板安裝DCP-400/DCP-300或DCP-

204及搖桿電位器接口和電源開關(guān)。前面板的布置如圖3所示：

圖3視覺識別分揀機(jī)器人控制器前面板圖

視覺識別分揀機(jī)器人控制器的后面板的布置如圖4所示，安裝有7個(gè)接線

插座和帶保險(xiǎn)絲的電源插座。其中端口1連接左右運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌電機(jī)及編碼器、電

容式位移傳感器的信號，端口2連接上下運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌電機(jī)及編碼器、前后運(yùn)動(dòng)導(dǎo)

軌電機(jī)的信號，端口3連接機(jī)械手舵機(jī)、攝像頭和力傳感器的信號，其余4個(gè)

接線插座的定義在后面板已用文字表明。參賽隊(duì)根據(jù)賽題的硬件要求選用對應(yīng)的

接線插座接線。

圖4視覺識別分揀機(jī)器人控制器后面板圖

視覺識別分揀機(jī)器人控制器的具體線路板構(gòu)成如下：

1）微處理器核心板DCP-401、DCP301、DCP-400、DCP-300四選一；

2）DCP-204液晶顯示和鍵盤電路板（若選擇DCP-400或300則不需要

DCP-204）；

3）DCP-206ADS7950或DCP-208ADS1118串行A/D轉(zhuǎn)換電路板；

4）DCP-28-1信號調(diào)理電路板；

5）DCP-218功率H橋PWM輸出電路板；

6）DCP-228步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板或DCP-229直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)板或DCP-216

功率運(yùn)放輸出電路板。

參賽隊(duì)需自行按要求完成視覺識別分揀機(jī)器人控制器機(jī)箱內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和

裝調(diào)工作。以上線路板的原理圖、印刷線路板元件布置圖、元件清單均在電子文

件“視覺識別分揀機(jī)器人控制器裝調(diào)”文件夾中。

控制器整機(jī)的安裝工藝評分和印刷線路板的焊接工藝評分將在比賽結(jié)束、整

機(jī)功能測試后集中進(jìn)行，比賽過程中不對印刷線路板的焊接工藝單獨(dú)評分。

3.2.5視覺識別分揀機(jī)器人的功能要求

1）視覺識別分揀機(jī)器人控制器前面板的按鍵定義

此處考察選手現(xiàn)場編程能力，具體要求比賽時(shí)下發(fā)。

2）上電后控制器初始要求

系統(tǒng)通電后先顯示開機(jī)動(dòng)畫，開機(jī)動(dòng)畫結(jié)束后進(jìn)入顯示界面一，包含參賽隊(duì)

自己的賽位號，核心板上蜂鳴器鳴叫X秒，界面底部“按X進(jìn)入主界面”每隔X秒

閃爍一次，按下面板上的X鍵，進(jìn)入主界面。進(jìn)入主界面后通過前面板的按鍵進(jìn)

入對應(yīng)的子功能界面

注1：通電界面、主界面、子功能界面具體要求均在比賽時(shí)下發(fā)。

注2：“X”代表具體的數(shù)字，具體數(shù)字在比賽時(shí)下發(fā)。

注3：開機(jī)動(dòng)畫在“視覺識別分揀機(jī)器人控制器裝調(diào)”文件夾中。

3）手動(dòng)控制要求

進(jìn)入手動(dòng)控制界面后，將圖形件（顏色、圖形、位置隨機(jī)），從面板上夾取

出來，并放入裁判指定的位置，面板上的圖形件詳見圖5，具體實(shí)現(xiàn)要求比賽時(shí)

下發(fā)。

圖5圖形件

4）夾持力控制要求

能夠?qū)C(jī)械手的夾持力的大小進(jìn)行控制并在界面顯示設(shè)定值和當(dāng)前值。具體

要求和界面比賽時(shí)下發(fā)。

5）區(qū)域巡邊要求

能夠根據(jù)要求進(jìn)行區(qū)域設(shè)定，并設(shè)置巡邊方式，按照設(shè)定的巡邊方式，機(jī)械

手沿區(qū)域邊界運(yùn)動(dòng)一周，具體要求和界面比賽時(shí)下發(fā)。

6）自動(dòng)控制要求

進(jìn)入自動(dòng)控制界面后，自動(dòng)識別“區(qū)域設(shè)定”內(nèi)的圖形件，按要求把識別的圖

形件自動(dòng)分揀至指定位置，具體要求比賽時(shí)下發(fā)。

注1：以上功能要求以組合的形式出現(xiàn)在各抽取方案中，比賽時(shí)將隨機(jī)抽取

其中一份方案作為比賽試卷。

注2：為保證各參賽隊(duì)伍坐標(biāo)基準(zhǔn)一致，視覺識別分揀機(jī)器人左側(cè)邊緣和面

板邊緣對齊，如下圖6所示，坐標(biāo)顯示以攝像頭中心坐標(biāo)為準(zhǔn)。

圖6采果器和面板位置擺放示意圖

3.3功能的分步實(shí)現(xiàn)

本賽題包含印刷線路板設(shè)計(jì)、印刷線路板焊接及調(diào)試、線路板故障排除、視

覺識別分揀機(jī)器人控制器的裝調(diào)、控制器軟件的編寫幾方面內(nèi)容，參賽隊(duì)在設(shè)計(jì)

及制作時(shí)可分步完成以上各項(xiàng)內(nèi)容。

4技術(shù)文件要求

各隊(duì)完成的全部文件存放在“2022SD××”（××為2位數(shù)字，即競賽隊(duì)工位號）

文件夾中，提交的電子文件采用統(tǒng)一命名規(guī)則（類型名＋工位號），不得以其它

名稱命名電子文件。因保密要求，在電路原理圖和線路板圖文件中不得出現(xiàn)學(xué)校

名稱、參賽選手姓名、工位號等信息；電子文件名稱如不符合命名規(guī)則，體現(xiàn)參

賽隊(duì)信息的，該隊(duì)該項(xiàng)競賽成績將被取消。

4.1提交的技術(shù)文件

參賽隊(duì)提交的電子文件均采用U盤保存后提交，技術(shù)文件包括：

1、電子設(shè)計(jì)工藝任務(wù)模塊所繪制的印刷線路板原理圖和線路板圖；

2、視覺識別分揀機(jī)器人任務(wù)與功能驗(yàn)證任務(wù)模塊所編寫的源程序；

4.2文件命名要求

電子文件列表如下：

2022SD××電路原理圖××.SchDoc

線路板圖××.PcbDoc

源程序××（文件夾）

4.3技術(shù)文件上交方式

原理圖、線路板圖及源程序均需提交電子文檔，采用U盤保存，上交時(shí)間為

比賽結(jié)束時(shí)（15:00）。

5評分標(biāo)準(zhǔn)

序號評分項(xiàng)目知識、技能點(diǎn)