物品分揀搬送裝置設(shè)計(jì)*

邢曉敏 朱一多

(武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

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物品分揀搬送裝置設(shè)計(jì)*

邢曉敏 朱一多

(武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

系統(tǒng)以ATmega2560單片機(jī)為核心，利用圖像識(shí)別模塊采集物品圖像信息，然后經(jīng)過(guò)色調(diào)過(guò)濾算法確定物品顏色及位置。最后，單片機(jī)輸出3路脈沖信號(hào)到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)固定在滑臺(tái)x、y、z軸的3個(gè)步進(jìn)電機(jī)工作，使固定在滑臺(tái)z軸的機(jī)械手到達(dá)指定位置并完成抓取任務(wù)，搬送物品到指定坐標(biāo)后發(fā)出聲光報(bào)警。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)精度高，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。經(jīng)過(guò)測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)均能較好地滿足設(shè)計(jì)要求。

ATmega2560；色調(diào)過(guò)濾算法；高精度滑臺(tái)

近年來(lái)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物及網(wǎng)絡(luò)支付方便快捷，網(wǎng)購(gòu)成了人們?nèi)粘Ｉ钪械馁?gòu)物首選，使得物流業(yè)井噴式發(fā)展。物品的分揀搬送作為物流業(yè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，不僅影響后續(xù)物流順暢作業(yè)，而且極大地保護(hù)了顧客權(quán)益，避免暴力分揀事故發(fā)生，因此越來(lái)越受到各大快遞公司的重視。目前，我國(guó)擁有世界最大的物流市場(chǎng)，如何更好地發(fā)展與完善受到學(xué)者的廣泛專注。楊丹丹[1]設(shè)計(jì)了一種基于ARM的物流包裹分揀機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合條碼掃描器已完成對(duì)不同包裹的分揀，具有成本低、效率高的優(yōu)勢(shì)。黃倫[2]模擬了垃圾分類的識(shí)別技術(shù)，并通過(guò)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了技術(shù)的可行性。張俊[3]等人設(shè)計(jì)了一種基于PLC及MCGS二級(jí)結(jié)構(gòu)型自動(dòng)分揀系統(tǒng)，能夠完成快遞的快速分揀工作。張緒鵬[4]針對(duì)藥品自動(dòng)分揀系統(tǒng)的特點(diǎn)，將模塊化設(shè)計(jì)思想引入該系統(tǒng)中，從而完成對(duì)藥品的自動(dòng)分揀分析。可以看出，物品分揀是計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)械控制技術(shù)的綜合應(yīng)用[5-7]，物流的快迅發(fā)展對(duì)物品分揀精細(xì)化和可靠性要求越來(lái)越高，設(shè)計(jì)高精度的物品分揀系統(tǒng)十分必要。上述這些系統(tǒng)分揀裝置雖然都取得了一定的物品分揀效果，但是這些裝置存在只能識(shí)別規(guī)定物體、操作精度低等缺點(diǎn)，為此本文設(shè)計(jì)了一種新的物品分揀搬送裝置，該裝置基于ATmega2560單片機(jī)，采用圖像識(shí)別模塊采集物品信息，并通過(guò)色調(diào)過(guò)濾算法[8-10]確定物品顏色及位置，從而完成物品的分揀操作。

1 方案論證

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.2 具體方案論證

1.2.1 微處理器的選擇

采用Arduino Mega2560。Arduino Mega 2560是一款基于ATmega2560的微控制器板。它有54個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳(其中15個(gè)可用作PWM輸出)、16個(gè)模擬輸入、4個(gè)UART(硬件串行端口)、1個(gè)16 MHz晶體振蕩器、1個(gè)USB連接、1個(gè)電源插座、1個(gè)ICSP頭和1個(gè)復(fù)位按鈕，USB供電。由于其理想的PWM輸出特性，是控制電機(jī)首選器件。

1.2.2 圖像識(shí)別模塊的選擇

采用Pixy Cmucam5模塊。Pixy Cmucam5是由Charmed實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合卡內(nèi)基梅隆大學(xué)共同推出的一款圖像傳感器。其強(qiáng)大的處理器上搭載著一個(gè)圖像傳感器，它會(huì)選擇性的處理有用的信息，將特定顏色的物體的視覺(jué)數(shù)據(jù)發(fā)送給相互配合的微型控制器，而不是輸出所有視覺(jué)數(shù)據(jù)以進(jìn)行圖像處理。該模塊不僅能進(jìn)行顏色識(shí)別，還能知道帶顏色物品的位置，通過(guò)顏色來(lái)追蹤物體。

1.2.3 搬送裝置的選擇

采用高精度三軸滑臺(tái)加機(jī)械手?；_(tái)x，y軸水平移動(dòng)，可以找到物品的位置，再通過(guò)滑臺(tái)z軸的豎直移動(dòng)和機(jī)械手動(dòng)作完成抓取任務(wù)，最后搬送到指定的區(qū)域。三個(gè)坐標(biāo)軸各用一臺(tái)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，機(jī)械手固定在z軸底部，用一臺(tái)舵機(jī)控制?；_(tái)實(shí)物圖如圖2所示。

其次，由于高中實(shí)驗(yàn)難度較大，對(duì)學(xué)生的理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)技能有較高的要求，學(xué)生獨(dú)立操作無(wú)法有效完成實(shí)驗(yàn)。在這種情況下，教師可以采取分組實(shí)驗(yàn)的方法，讓學(xué)生以小組為單位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)任務(wù)的分配，充分調(diào)動(dòng)小組內(nèi)每位成員的積極性，保證實(shí)驗(yàn)人員配置的最優(yōu)化，集思廣益，取長(zhǎng)補(bǔ)短，從而提高化學(xué)實(shí)驗(yàn)的操作效率，培養(yǎng)學(xué)生的合作意識(shí)。

圖2 滑臺(tái)實(shí)物圖

1.2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用MB450A兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。該電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用直流18～50V供電，驅(qū)動(dòng)電壓24V～50V，電流小于4.2A。此驅(qū)動(dòng)器采用電流環(huán)進(jìn)行細(xì)分控制，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)很小，低速運(yùn)行很平穩(wěn),幾乎沒(méi)有振動(dòng)和噪音。高速時(shí)力矩也大大高于其它二相驅(qū)動(dòng)器，定位精度高。該步進(jìn)電機(jī)靜力矩1.8Nm，步距角為1.8度，連續(xù)收到200個(gè)步進(jìn)指令正好轉(zhuǎn)一圈。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器設(shè)置為128細(xì)分時(shí)，單片機(jī)向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送25600個(gè)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)一圈。因此，單片機(jī)可以通過(guò)脈沖信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行極高精度的控制。

2 理論分析與計(jì)算

2.1 色調(diào)過(guò)濾算法

本系統(tǒng)在圖像識(shí)別時(shí)使用色調(diào)過(guò)濾算法來(lái)識(shí)別物體。相對(duì)于灰度圖像而言,彩色圖像能夠提供更多的信息,尤其是顏色信息。如果按照現(xiàn)有匹配算法的處理模式,彩色圖像需要先轉(zhuǎn)換為灰度圖像,這就丟掉了顏色信息,有可能會(huì)降低匹配算法的性能。另一方面,彩色圖像具有顏色恒常特性,能有效克服環(huán)境光照亮度變化對(duì)匹配算法的影響,從而提高匹配的魯棒性。在各顏色空間中,RGB顏色是最常用的顏色空間,但提供的圖像彩色信息較少;HSV顏色空間結(jié)合了人類心理學(xué)和顏色視覺(jué)的特點(diǎn),能夠提供更多的顏色信息,因此在HSV顏色空間能夠取得更好的圖像匹配效果。

HSV模型是一種符合人類主觀感覺(jué)的色彩模型。在HSV模型中:色調(diào)H(hue)表示從一個(gè)物體反射的或透過(guò)物體的光波長(zhǎng),表示顏色的種類,如紅、橙、綠,它用角度-180°～180°或0～360°來(lái)度量；飽和度S(saturation)指顏色的深淺,例如同樣是紅色,也會(huì)因濃度不同而分為深紅和淺紅,它也用百分比來(lái)度量,從0到完全飽和的100%;亮度V(value)是顏色的明暗程度,取值為[0,1]。

通過(guò)將彩色圖像從RGB空間轉(zhuǎn)換到HSV空間,能夠有效地提取出彩色圖像中的顏色信息。另外,由于彩色圖像中景物的色調(diào)信息(H)具有恒常性,它不易受到光照條件變化的影響,因此適應(yīng)性更強(qiáng)。

本系統(tǒng)在圖像識(shí)別前，預(yù)先將被識(shí)別物體(立方體或乒乓球)的HSV值存入處理器，然后在識(shí)別過(guò)程中，將實(shí)時(shí)圖像中各個(gè)坐標(biāo)的HSV值與存儲(chǔ)器中內(nèi)容對(duì)比，從而找到匹配的物體，并將匹配物體的坐標(biāo)發(fā)送給電機(jī)控制裝置。從圖3圖像識(shí)別結(jié)果示意圖可以看出，黃色方塊(s=1)和紅色方塊(s=2)均能良好識(shí)別。實(shí)驗(yàn)證明，此方法對(duì)其他顏色的物體也能快速識(shí)別，取得良好的效果。

當(dāng)然此方法也有一定的局限性，因?yàn)槭褂蒙{(diào)識(shí)別法，物體應(yīng)有明顯的色調(diào)，黑、白或灰色物體因?yàn)樯{(diào)不明顯而不易識(shí)別。

圖3 圖像識(shí)別結(jié)果示意圖

攝像頭圖片x軸坐標(biāo)范圍為(0,320)，y軸坐標(biāo)范圍為(0,200)，物體所在平面x軸坐標(biāo)范圍為(0,150cm)，y軸坐標(biāo)范圍為(0,100cm)，據(jù)此將攝像頭圖片坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為物體平面坐標(biāo)。設(shè)滑臺(tái)動(dòng)作起點(diǎn)坐標(biāo)為(x1，y1)，終點(diǎn)坐標(biāo)為(x2，y2)，則滑臺(tái)x軸位移距離為x2-x1，y軸位移距離為y2-y1。當(dāng)位移距離為正數(shù)時(shí)，單片機(jī)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，滑臺(tái)沿坐標(biāo)軸正向移動(dòng)；當(dāng)距離為負(fù)數(shù)時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，滑臺(tái)沿坐標(biāo)軸負(fù)向移動(dòng)。移動(dòng)的距離由單片機(jī)發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖數(shù)決定。整個(gè)匹配過(guò)程如圖4所示。抓取物體時(shí)，張開(kāi)固定在z軸滑臺(tái)的機(jī)械爪，沿z軸負(fù)向移動(dòng)，到達(dá)指定高度后，收攏機(jī)械爪，沿z軸正向移動(dòng)至起始高度，從而完成抓取。單片機(jī)向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送的脈沖數(shù)與位移距離是正比例關(guān)系，可以據(jù)此對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程。

圖4 步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作與坐標(biāo)匹配

3 硬件電路與程序設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路的設(shè)計(jì)

硬件電路由ATmega2560控制板模塊、電源模塊、圖像識(shí)別模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、按鍵模塊、聲光報(bào)警模塊組成。系統(tǒng)硬件電路原理圖如5所示。

3.2 程序設(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示，首先根據(jù)實(shí)際需求確定工作任務(wù)(待抓取物體的顏色)，由攝像頭獲取實(shí)時(shí)圖像，再通過(guò)色調(diào)過(guò)濾算法將待抓取物體從背景顏色中提取出來(lái)并確定所有物體的坐標(biāo)。單片機(jī)對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行處理后控制三軸滑臺(tái)移動(dòng)和機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)物體抓取和搬送，并在完成任務(wù)后進(jìn)行聲光提示。

圖5 系統(tǒng)硬件電路原理圖

圖6 主程序設(shè)計(jì)流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 測(cè)試工具及場(chǎng)地

測(cè)試工具有水平尺、直尺、秒表。測(cè)試場(chǎng)地為一個(gè)以木條(截面不大于3cm×4cm，木質(zhì)本色)圍成的100cm×150cm的A區(qū)域內(nèi)，顏色為白色，B區(qū)域?yàn)楹谏?，C區(qū)域?yàn)榧t色。

圖7 測(cè)試場(chǎng)地

4.2 測(cè)試方法

本系統(tǒng)通過(guò)按鍵來(lái)選擇系統(tǒng)工作模式，圖像識(shí)別模塊將物品顏色及位置信息發(fā)送到Arduino Mega2560，經(jīng)過(guò)分析運(yùn)算后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)并完成搬送任務(wù)。觀察搬送物體是否到達(dá)目的地，記錄搬送總時(shí)間。

4.3 測(cè)試數(shù)據(jù)

(1)從A區(qū)域搬送12只黑色正方體(位置隨機(jī))到B區(qū)域所花時(shí)間及搬送情況如表1所示。

表1 搬送黑正方體所花時(shí)間及搬送情況表

(2)從A區(qū)域搬送12只黑色正方體(位置隨機(jī))到C區(qū)域所花時(shí)間及搬送情況如表2所示。

表2 搬送黑正方體所花時(shí)間及搬送情況表

(3)從A區(qū)域12只桔黃色與黑色正方體(位置隨機(jī))中搬送桔黃色正方體(個(gè)數(shù)隨機(jī))到C區(qū)域所花時(shí)間及搬送情況如表3所示。

表3 搬送桔黃色正方體所花時(shí)間及搬送情況表

(4)從A區(qū)域12只桔黃色與黑色乒乓球(位置隨機(jī))中搬送桔黃色乒乓球(個(gè)數(shù)隨機(jī))到C區(qū)域所花時(shí)間及搬送情況如表4所示。

表4 搬送桔黃色乒乓球所花時(shí)間及搬送情況表

4.4 測(cè)試結(jié)果分析

從上表可以看出，本文設(shè)計(jì)的物品分揀搬送裝置能在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)被搬運(yùn)物進(jìn)行識(shí)別并搬運(yùn)到指定位置，充分證明了色調(diào)過(guò)濾算法的實(shí)用性，克服了傳統(tǒng)物品分揀裝置只能識(shí)別規(guī)定物體、操作精度低等缺點(diǎn)，是電機(jī)控制技術(shù)與視頻識(shí)別技術(shù)的良好結(jié)合，對(duì)于提高物品分揀智能化具有積極意義。

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2016-11-10

邢曉敏(1979-)，女，湖北鐘祥人，武漢交通職業(yè)學(xué)院講師，主要從事檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)化控制研究。朱一多(1982-)，男，湖北隨州人，武漢交通職業(yè)學(xué)院講師、在讀博士，主要從事智能控制研究。

10.3969/j.issn.1672-9846.2016.04.020

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