基于機器視覺的智能垃圾分揀機器人的設(shè)計

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器人的精確性，耐用性和靈活性等性能有更高的要求。機械臂技術(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)自動化對機器人的智能化水平依賴也越來越高，機械臂的發(fā)展越來越受到重視[4-5]。

本文設(shè)計了一種以AT Mega328（Uno）為主控元件的六自由度機械臂智能垃圾分揀機器人，包括硬件、軟件和機械等部分，能夠?qū)崿F(xiàn)上位機和下位機的通信及控制，本文制作的樣機能夠滿足高職院校汽車智能化專業(yè)的實訓(xùn)教學(xué)，通過對樣機進一步優(yōu)化，還能應(yīng)用在貨物搬運、智能巡邏等領(lǐng)域，該機器人的研究符合我國人工智能技術(shù)的政策發(fā)展趨勢，具有很好的實用價值，具有很好的推廣應(yīng)用前景。

1 智能垃圾分揀機器人總體設(shè)計

垃圾的分類有很多種，本文設(shè)計利用顏色來代替不同種類的垃圾[6-8]。智能垃圾分揀機器人系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)為機械臂，視覺功能模塊和藍牙通信技術(shù)，在面對不同場合需求時，需要設(shè)計不同的動作組來實現(xiàn)機械臂的運動路徑，也就是說控制各個舵機的轉(zhuǎn)動角度，本系統(tǒng)視覺功能模塊設(shè)計中，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牙模塊傳遞給基于Arduino單片機的開源舵機控制板，從而實現(xiàn)機械臂的顏色自動分揀。

設(shè)計的智能分揀機器人，首先由視覺模塊先完成顏色識別功能，同時設(shè)計機械臂的動作組，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)送給機械臂的控制板，控制板根據(jù)所得的信息進行控制機械臂做出對應(yīng)的動作組，整體設(shè)計流程圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

圖2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計框圖

2.2 硬件電路設(shè)計

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

圖3 整體硬件電路圖及實物圖

3 軟件設(shè)計

智能分揀機器人整體的軟件設(shè)計開發(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 編程來控制舵機的轉(zhuǎn)動和連接藍牙，從而實現(xiàn)機械臂的動作操作。通過OpenMV IDE 編程來對物體進行顏色識別。

3.1 藍牙模塊

藍牙模塊程序設(shè)計流程圖及部分程序如圖4 所示。

圖4 藍牙模塊程序設(shè)計流程圖及部分程序

3.2 機械臂模塊

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

圖5 機械臂模塊程序設(shè)計流程圖及部分程序

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”，藍色“blue”，以字符串的形式由藍牙模塊發(fā)送出去，然后Arduino 板從藍牙從模塊中讀取，進行判斷是否為目標(biāo)顏色，從而實現(xiàn)機械臂的分揀動作。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械臂是否能正確抓取。首先將符合設(shè)定顏色的積木進行位置的擺放，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)確的控制機械臂進行抓取目標(biāo)物體，機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。如果在實驗環(huán)境下光照過強或著過暗，那么識別的物塊顏色可能會有點偏差。

5 結(jié)論及應(yīng)用

設(shè)計了一種以AT Mega328（Uno）為主控元件的六自由度機械臂智能垃圾分揀機器人，包括硬件、軟件和機械等部分。文中給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案以及流程圖，同時給出了軟件系統(tǒng)設(shè)計方法。系統(tǒng)實現(xiàn)了上位機通過藍牙發(fā)送指定字符串、機械臂通過藍牙接收字符串和控制機械手臂的功能，并能實現(xiàn)機械臂回到初始位置，在設(shè)計時，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，該機器人能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)送指定字符串到機械臂然后機械臂工作。

目前，該機器人已經(jīng)應(yīng)用于我校汽車智能化專業(yè)的實訓(xùn)教學(xué)中，能夠滿足基本教學(xué)，在將該機器人的硬件和軟件部分進一步優(yōu)化，還能應(yīng)用在貨物搬運、智能巡邏等領(lǐng)域，該機器人的研究符合我國人工智能技術(shù)的政策發(fā)展趨勢，具有很好的實用價值。