基于圖像識別的智能裝配搬運機器人設計

王銘辰 劉青松 汪妤 楊金德 陳飛鵬

摘要：本文設計一款基于OpenCV圖像識別的智能裝配搬運機器人。由安裝OpenCV庫的樹莓派進行圖像處理，通過串口控制Arduino單片機進行運動控制。智能裝配搬運機器人由五自由度機械手臂、桁架型底盤和輻板式車輪組成?？刂葡到y由循跡模塊Arduino單片機最小系統、超聲波測距及顯示，電機驅動模塊組成，各個模塊相互配合，能完成智能物流車的自動循跡，機械臂搬取等動作。

關鍵詞：智能裝配;OpenCV;樹莓派

1.引言

機器人是一種典型的機電一體化裝置，具有較高的智能化程度，是檢測、機械、 電子、控制和計算機的較好融合。先進的機器人還能有人的感知器官甚至邏輯思維能力，可以視覺識別物體、感知環(huán)境、聽懂人的語言、對日常事務的推理及判斷。 因而，未來對于機器人的發(fā)展應用也具有廣闊的前景。本文基于OpenCV圖像識別設計了一款智能裝配搬運機器人，主體結構由五自由度機械手臂、桁架型底盤和輻板式車輪組成?？刂葡到y有循跡模塊Arduino單片機最小系統、外圍接口有超聲波測距及顯示，電機驅動等部分組成，各個模塊簡相互配合，能完成智能物流車的自動循跡，機械臂搬取物品等動作。該設計是為浙江省大學生競賽用機器人所設計，運行試驗表明，該系統結構簡單，便于組裝，運行效率高。

2.硬件結構

機器人小車主體架構采用鋁型材材料，通過螺栓與角連接件連接成一體，鋁型材剛性好，重量輕，而且加工方便、成本低，組裝采用角連接件與螺栓器件，組裝即為方便，改變車架的大小可以通過更換部分鋁型材實現。機器人的驅動采用四個步進電機，可實現每個輪子的驅動，在車底盤裝一個五自由度機械手臂，機械臂上裝有攝像頭，便于物品的識別與裝夾功能。

2.1車架系統

車架系統主體是桁架型底盤，材料為鋁型材，各鋁型材之間通過角連接件聯接形成桁架型車架。在小車底盤上裝有四個輻板式車輪，由于輻板式車輪質量好適用于各種環(huán)境，四個輻板式車輪由步進電機驅動，選用體積小，能耗低的電機，可以通過控制步距角精確控制加減速轉向。

2.2機械手臂系統

機器人的機械臂采用鋼結構組件構成，利用舵機裝置來控制關節(jié)部分轉動，機械臂為五自由度的機械臂，分別由五個舵機控制具有腰部旋轉、大臂仰俯、中臂仰俯、小臂仰俯和腕部旋轉。由Arduino單片機控制舵機實現物流小車的自行抓取，加上OpenCV圖像識別系統，可以實現在無人控制的情況下的智能抓取。

2.3系統系統

控制系統就指整個機器人的控制部分，它單片機組成，供電采用蓄電池（12V直流電源），單片機作為主控器負責處理信號和發(fā)出指令，攝像頭捕捉畫面，由樹莓派進行處理比較圖像顏色形狀，將信息傳給單片機，再由單片機發(fā)出控制指令，傳輸給舵機控制器，由舵機控制器將控制指令放大，完成抓取。機器人采用循跡系統，這樣可以在地面有引導線的情況下使得智能機器人自主確定車體的行進路線，自助行駛到達目的地。

3.軟件實現

3.1 圖像采集

樹莓派通過Picamera采集圖像，搭配了OpenCV視覺庫，攝像頭捕捉目標，然后對目標物體進行顏色和輪廓提取。OpenCV視覺庫是一個開源的跨平臺計算機數據庫，在圖像處理和計算機視覺方面有很多成熟的通用算法，近年來在國內外圖像識別領域廣泛使用。

3.2圖像識別

通過Picamera獲取周圍環(huán)境圖像，對圖像進行高斯濾波和中值濾波，使得到的圖像更平滑，減少噪聲影響。將圖像的顏色空間由RGB轉為HSV。通過函數：cvCvtPixToPlane（src，H，S，V，0）將HSV圖像分為H（色度通道圖像）、S（飽和度通道圖像）、V（亮度通道圖像）。創(chuàng)建滑動條窗口和回調函數，合并三幅圖像并進行膨脹腐蝕處理，減少噪點。通過Canny邊緣檢測法對圖像進行輪廓檢測，并把圖像輸出給查找輪廓函數：cvFindContours（），得到輪廓個數。

根據程序拾取到的顏色和輪廓個數，通過對比得到目標物體具體是哪個，使機器人將目標物體放到指定位置。

3.3運動控制

機器人的運動控制程序涉及循跡、機械臂動作。用 C 語言進行編程，在while函數中加入循跡程序，可實現循跡加定位的功能。讓機器人按照循跡的路徑路線前進;在機械臂控制中，預先將不同動作組程序編寫并燒錄至舵機控制板，然后利用舵機去控制機械臂抓取相應的要求運送的物塊，運送回立體倉庫，機器人調試時可直接調用相應動作組。

4.結束語

本文為了順應智能制造和自動化行業(yè)的步伐，設計了基于Arduino和樹莓派的智能搬運機器人的方案，實現了高效率、高精度和低成本的自動搬運機器人設計。通過Opencv庫完成對圖像的處理，提高了機器人的智能性。為機器人的應用提供了便利。機器人的研究也能為生產機器人的廠家提供參考，同時，制作的機器人也能參加浙江省大學生機器人競賽或全國大學生搬運機器人競賽。

參考文獻

[1]陳勝勇，劉盛.基于Opencv的計算機視覺技術實現[M].科學出版社，2008.

[2]田瑤.基于PC控制的智能小車循跡系統的實現[D].湖北：華中師范大學，2011. DOI：10.7666/d.y1899028.

[3]鄭增輝，劉聰，劉艷.基于Arduino的運輸對抗機器人設計與實現[J].制造業(yè)自動化.2017，39（11）：31-34，39. DOI：10.3969.1009-0134.2017.11.008.

[4]王娜，李霞.一種新的改進Canny邊緣檢測算法[J].深圳大學學報，2005（2）：149-153.

基金項目

本文得到嘉興學院南湖學院大學生創(chuàng)新項目（NH85179321）資助

作者簡介：王銘辰，嘉興學院電氣工程及其自動化專業(yè)學生，研究方向為智能控制。

（作者單位：嘉興學院南湖學院）