基于顏色識別的智能搬運機器人的設計

鄭永濤，葉仕通，張 釗

（1.廣東工業大學 華立學院，廣東 廣州511325；2.深圳視爵光旭電子有限公司 廣東 深圳518108）

基于顏色識別的智能搬運機器人的設計

鄭永濤1，葉仕通1，張 釗2

（1.廣東工業大學 華立學院，廣東 廣州511325；2.深圳視爵光旭電子有限公司 廣東 深圳518108）

文中研究基于顏色識別技術進行智能搬運機器人的設計。搬運機器人系統以STM32芯片為控制核心，利用無線通訊模塊與控制中心通訊，聯合顏色傳感器、機械臂以及載物小車組成自動引導搬運機器人系統，實現對碼垛小型柱狀物料以及不同顏色物體的搬運。通過智能分揀、搬運，以降低生產過程中對人工的使用，同時提高生產效率。

智能搬運機器人；機械手；傳感；無線通訊

智能機器人涉及動力系統、傳感檢測、機械設計以及人工智能等多方面知識，獨特地成為一門綜合學科。在現實生活中，智能機器人扮演的角色也越來越多，如機械焊接、農場管理、道路交通應用等。基于顏色識別的智能搬運機器人，實現了利用傳感器采集模塊采集信息、無線通信傳導信息、單片機控制核心處理命令的一體化功能[1]，使用方便，工作效率高，成本低，對生產應用具有重大意義。

1 系統設計

1.1 系統組成

系統采用STM32單片機作為核心控制模塊，完成對執行機構的控制和信息的處理；顏色傳感器和機械手分別實現對目標物體的識別和獲取、釋放；超聲波傳感器和直流電機分別為運載體提供避障和動力；采用無線通信對整個系統實時監控實現自動控制[2-4]。系統總體結構設計如下：

圖1 系統總體結構設計圖

1.2 系統硬件設計

根據方案設計和要求，系統可分為單片機控制模塊、超聲波避障模塊、顏色傳感器模塊、電機驅動模塊、機械手控制模塊、無線通訊與顯示模塊、電源模塊共7個模塊電路。

1.2.1 單片機主控

STM32F103ZET6單片機具有集成度高、功耗控制杰出和實時性能優異的優點。內部集成2通道12位D/A，12通道DMA控制器以及多達112個快速I/ O端口，強干擾場合。單片機最小系統組成（包括I/O接口、晶振、復位電路等）作為系統的核心控制部分，主要完成對顏色傳感器和超聲波避障數據的采集和顯示，通過內部處理實現對電機和機械手的驅動工作。

1.2.2 超聲波避障模塊設計

超聲波避障選擇HC-SR04模塊進行對障礙物的檢測，通過檢測的距離對比系統設定的安全距離判定是否啟動自動避障動作[5-6]。模塊中采用IO觸發測距，自動發送8個40 khz的方波，自動檢測是否有信號返回；若有信號返回，通過IO輸出一高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間，測試距離采用[7]：

測試距離=（高電平時間*聲速（340M/S））/2，測試距離由STM32核心控制器程序運算實現。

1.2.3 顏色傳感器模塊設計

專用顏色識別傳感器采用以TCS3200D芯片為核心，具有數字兼容接口的RGB彩色光/頻率轉換器，內部由硅光電二極管陣列和一個電流/頻率轉換器集成，通過測試輸出的頻率便可獲知RGB顏色的值。顏色傳感器模塊電路主要由TCS3200D芯片和白色LED陣列組成，通過電源接口供電，數據接口與核心控制器進行連接通信，通過程序算法分離RGB三基色，查表識別[8]。

1.2.4 電機模塊設計

作為智能搬運機器人的動力源，考慮搬運車車體、各傳感器模塊、搬運目標等的重量、電機自重以及工作電壓、控制方式等因素，選擇RF-370直流減速電機作為搬運機器人的驅動電機，以提高搬運機器人的穩定性。采用差速驅動模式，最大扭力可達4 kg/cm。

基于RF-370直流減速電機與機器人整體考慮，采用單片L298N的H橋芯片實現雙路電機的驅動，最大輸出驅動電流4A，7.2 V/6 A鋰電池直接輸出驅動電機，控制芯片對驅動芯片5，7，10，12腳輸入控制電平來控制電機的轉動；EnA，EnB接控制使能端，控制電機的停轉。通過PWM調速方式可使電機輸入使能脈沖寬度按要求變化，實現小車的前進、后退、左轉、右轉、停止、調速的工作[10]。

1.2.5 機械手模塊設計

充分考慮搬運機器人性能，數字舵機反應更快，變速過程也更迅速、柔和；能在任意脈沖段或者任意角度中進行鎖死，從而提供更大的固定力量。設計中使用MG996R數字舵機，最大拉力可達15 kg/cm，共使用3個舵機組成3自由度的機械手。

對數字舵機的控制，主要采用單片機產生的脈沖信號，即PWM信號來控制。單片機系統的控制信號的變化依靠硬件計數，受外界干擾較小、工作可靠，在脈沖寬度調節方面可實現微秒級變化。通過控制3個舵機實現三自由度機械手的控制[11]。

1.2.6 通信與顯示模塊設計

無線通信主要采用NRF24L01無線收發器 （包括：頻率發生器、增強型 Schock Burst TM模式控制器、功率放大器、晶體放大器、調制器和解調器）。它具有高速率、多頻點、低功耗的優點。通過對輸出功率頻道選擇和協議的設置可以實現低電流待機。顯示方面，主要通過NRF24L01無線模塊實現機器人與PC機之間進行通信，從而將機器人工作狀態體現在PC機顯示屏上[12]。而智能搬運機器人自身搭載LCD12864字符型液晶用于實現機械手對搬運目標識別的計數、實現對工作現場環境變化的信息提示。

1.2.7 電源模塊設計

除直接使用鋰電池驅動直流減速電機外，其余均采用集成穩壓器LM2596提供穩壓電壓。主要有為單片機提供正常工作的5 V直流電壓；為機械手模塊的數字舵機提供正常工作的7.2 V直流電壓。

2 系統軟件設計

在系統軟件設計中，主要分析了系統整體的軟件設計思路以及搬運目標顏色識別的軟件設計思路。

2.1 系統整體軟件設計思路

進行系統程序設計時，主要根據智能搬運機器人工作流程進行程序的編寫[13-16]。系統軟件主要包括主控模塊，控制模塊和檢測模塊3部分。系統主要實現：采集引導路徑數據、提取里面引導信息、確定搬運設備自身的位置和尋找搬運目標位置、識別搬運目標、機械臂獲取搬運目標、目標的搬運與堆放、搬運目標的計數以及工作現場環境的監控。軟件流程圖如圖2所示。

圖2 系統整體軟件設計流程圖

2.2 搬運目標顏色識別軟件設計

本設計利用TCS3200D顏色傳感器模塊對搬運目標進行識別[9]。首先需要對傳感器模塊進行初始化，即進行白平衡設置；然后通過傳感器探頭對搬運目標進行反射光線信息的接收；最后經過程序進行三基色分離，通過RGB三基色表格查表獲取正確的顏色。該軟件程序流程圖如圖3所示。

圖3 搬運目標顏色識別軟件設計流程圖

3 結 論

基于顏色識別的智能搬運機器人系統通過系統軟件和控制電路協調工作，通過采集顏色傳感器數據識別確認搬運目標，利用機械手獲取與釋放，運載體通過超聲波等傳感器自動避開障礙物進行路徑的優化選擇，最終將搬運目標釋放到目的地。實驗測試結果表明，該系統性能穩定，易于操作，成本低，在工業自動化中可廣泛采用。

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Design color recognition based on intelligent transport robot

ZHENG Yong-tao1，YE Shi-tong1，ZHANG Zhao2
（1.Huali College，Guangdong University of Technology，Guangzhou 511325，China；2.Shenzhen Infiled Electronics Co.，LTD，Shenzhen 518108，China）

On the basis of the color recognition technology，this paper is about the design of intelligent transport robot.The transport robot system has the controlling core of STM32 chip which uses the wireless communication module and controlling center communication，associates the color sensor machine，manipulator arm with loading car to form an automatic handling robot guidance system for stacking small cylindrical objects of different colors and materials handling in order to reduce the utilization of labor in the process of production and improve the productivity by intelligent sorting and handling.

intelligent transport robot；manipulator；sensing；telecommunications

TN99

A

1674－6236（2017）10-0078-03

2016-05-06稿件編號：201605042

2014年度廣東省大學生創新創業訓練計劃項目（201413656015）

鄭永濤（1991—），男，廣東汕頭人，助理講師。研究方向：電氣工程及其自動化。