基于機(jī)器視覺的智能垃圾分揀機(jī)器人的設(shè)計(jì)

周旭華，伍懿美，黃曉茹，翁嘉欣

（河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 河源 517000）

0 引言

隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，人們的生活水平逐漸的提高，科技產(chǎn)品的使用也越來越普及，一切都向著智能化發(fā)展[1-3]?，F(xiàn)在，智能機(jī)器人的數(shù)量和適應(yīng)場景的復(fù)雜性也在增加，這也顯示出對智能機(jī)器人的精確性，耐用性和靈活性等性能有更高的要求。機(jī)械臂技術(shù)的應(yīng)用已越來越普及，已逐漸滲透到軍事、航天、醫(yī)療、日常生活及教育娛樂等各個領(lǐng)域，慢慢取代了人類的勞動，尤其是代替人不能到或不適宜去的、有危險的環(huán)境中，工業(yè)自動化對機(jī)器人的智能化水平依賴也越來越高，機(jī)械臂的發(fā)展越來越受到重視[4-5]。

本文設(shè)計(jì)了一種以AT Mega328（Uno）為主控元件的六自由度機(jī)械臂智能垃圾分揀機(jī)器人，包括硬件、軟件和機(jī)械等部分，能夠?qū)崿F(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信及控制，本文制作的樣機(jī)能夠滿足高職院校汽車智能化專業(yè)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)，通過對樣機(jī)進(jìn)一步優(yōu)化，還能應(yīng)用在貨物搬運(yùn)、智能巡邏等領(lǐng)域，該機(jī)器人的研究符合我國人工智能技術(shù)的政策發(fā)展趨勢，具有很好的實(shí)用價值，具有很好的推廣應(yīng)用前景。

1 智能垃圾分揀機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

垃圾的分類有很多種，本文設(shè)計(jì)利用顏色來代替不同種類的垃圾[6-8]。智能垃圾分揀機(jī)器人系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)為機(jī)械臂，視覺功能模塊和藍(lán)牙通信技術(shù)，在面對不同場合需求時，需要設(shè)計(jì)不同的動作組來實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動路徑，也就是說控制各個舵機(jī)的轉(zhuǎn)動角度，本系統(tǒng)視覺功能模塊設(shè)計(jì)中，利用星通科技提供的OpenMV 視覺模塊來完成物體顏色識別，在編程中設(shè)計(jì)三組顏色（紅黃綠）來代替三種類型的垃圾，通過OpenMV 攝像頭的識別來檢測目標(biāo)物體，最終將顏色信息通過藍(lán)牙模塊傳遞給基于Arduino單片機(jī)的開源舵機(jī)控制板，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的顏色自動分揀。

設(shè)計(jì)的智能分揀機(jī)器人，首先由視覺模塊先完成顏色識別功能，同時設(shè)計(jì)機(jī)械臂的動作組，視覺模塊識別物體顏色是否為目標(biāo)顏色，如是目標(biāo)物體，則將結(jié)果發(fā)送給機(jī)械臂的控制板，控制板根據(jù)所得的信息進(jìn)行控制機(jī)械臂做出對應(yīng)的動作組，整體設(shè)計(jì)流程圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要有四個模塊：一是機(jī)械臂的主控模塊；二是機(jī)器的視覺模塊；三是機(jī)械臂模塊；四是藍(lán)牙通信技術(shù)。使用Arduino 編程的開源舵機(jī)控制板控制機(jī)械臂操作的運(yùn)動，并連接藍(lán)牙模塊與OpenMV視覺模塊進(jìn)行串口通信。其系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件部分包括OpenMV 模塊1 個，藍(lán)牙模塊2個，Arduino 控制板1 塊，數(shù)字舵機(jī)6 個，機(jī)械爪1個，旋轉(zhuǎn)底座1 個，U 型支架4 個，鋰電池1 個。整體設(shè)計(jì)硬件電路及實(shí)物如圖3 所示。

圖3 整體硬件電路圖及實(shí)物圖

3 軟件設(shè)計(jì)

智能分揀機(jī)器人整體的軟件設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境有Arduino IDE 和OpenMV IDE。這兩個軟件系統(tǒng)的共同特點(diǎn)就是擁有豐富的開源功能代碼庫和通俗易通的編程操作。本文主要通過Arduino 編程來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動和連接藍(lán)牙，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的動作操作。通過OpenMV IDE 編程來對物體進(jìn)行顏色識別。

3.1 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊程序設(shè)計(jì)流程圖及部分程序如圖4 所示。

圖4 藍(lán)牙模塊程序設(shè)計(jì)流程圖及部分程序

3.2 機(jī)械臂模塊

通過Arduino 編程來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的動作操作。其機(jī)械臂程序流程圖如圖5 所示。

圖5 機(jī)械臂模塊程序設(shè)計(jì)流程圖及部分程序

3.3 視覺模塊

通過OpenMV IDE 編程來對物體進(jìn)行顏色識別，將識別的顏色結(jié)果輸出給Arduino 控制板，當(dāng)識別到紅色物體則發(fā)送“red”，綠色“green”，藍(lán)色“blue”，以字符串的形式由藍(lán)牙模塊發(fā)送出去，然后Arduino 板從藍(lán)牙從模塊中讀取，進(jìn)行判斷是否為目標(biāo)顏色，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的分揀動作。其視覺模塊顏色識別部分程序流程圖如圖6 所示。

圖6 視覺模塊顏色識別部分程序流程圖級部分程序

4 測試

測試部分主要檢測OpenMV 視覺模塊識別目標(biāo)顏色是否正確以及檢測機(jī)械臂是否能正確抓取。首先將符合設(shè)定顏色的積木進(jìn)行位置的擺放，并指定最終放置目標(biāo)物體的位置。當(dāng)視覺模塊檢測到目標(biāo)顏色時，從IDE 界面中攝像頭的圖像里能看到，目標(biāo)顏色的物體被矩形方框框起來，如圖7 所示。

圖7 視覺模塊識別目標(biāo)顏色

經(jīng)過多次的測試，智能分揀機(jī)器人總體的性能是良好的，OpenMV 攝像頭獲取的圖片后處理的信息基本是有效的，能把目標(biāo)物體的顏色信息通過藍(lán)牙串口傳送至主控板，主控板獲取的信息后，能夠有效準(zhǔn)確的控制機(jī)械臂進(jìn)行抓取目標(biāo)物體，機(jī)械臂抓取后能正確的將物體放置在指定的位置。但是OpenMV 在進(jìn)行識別物體顏色時，如果背景顏色和目標(biāo)物體的顏色過于接近的話，那么則會出現(xiàn)多個色塊識別的情況，不能分離出背景和物塊。如果在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下光照過強(qiáng)或著過暗，那么識別的物塊顏色可能會有點(diǎn)偏差。

5 結(jié)論及應(yīng)用

設(shè)計(jì)了一種以AT Mega328（Uno）為主控元件的六自由度機(jī)械臂智能垃圾分揀機(jī)器人，包括硬件、軟件和機(jī)械等部分。文中給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案以及流程圖，同時給出了軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)通過藍(lán)牙發(fā)送指定字符串、機(jī)械臂通過藍(lán)牙接收字符串和控制機(jī)械手臂的功能，并能實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂回到初始位置，在設(shè)計(jì)時，由于需要測量的距離范圍固定，采用了量尺測量法。軟件主要分為顏色識別模塊和無線通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊這三大模塊，軟件的這種“自頂向下”的模塊化軟件編程方法，能使軟件的結(jié)構(gòu)更清晰，并有利于軟件的調(diào)試和修改。經(jīng)過調(diào)試，該機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)送指定字符串到機(jī)械臂然后機(jī)械臂工作。

目前，該機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用于我校汽車智能化專業(yè)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，能夠滿足基本教學(xué)，在將該機(jī)器人的硬件和軟件部分進(jìn)一步優(yōu)化，還能應(yīng)用在貨物搬運(yùn)、智能巡邏等領(lǐng)域，該機(jī)器人的研究符合我國人工智能技術(shù)的政策發(fā)展趨勢，具有很好的實(shí)用價值。