王銘辰 劉青松 汪妤 楊金德 陳飛鵬

摘要：本文設(shè)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(tǒng)由循跡模塊Arduino單片機最小系統(tǒng)、超聲波測距及顯示，電機驅(qū)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(guān)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(wù)的推理及判斷。 因而，未來對于機器人的發(fā)展應(yīng)用也具有廣闊的前景。本文基于OpenCV圖像識別設(shè)計了一款智能裝配搬運機器人，主體結(jié)構(gòu)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(tǒng)有循跡模塊Arduino單片機最小系統(tǒng)、外圍接口有超聲波測距及顯示，電機驅(qū)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(shè)計是為浙江省大學(xué)生競賽用機器人所設(shè)計，運行試驗表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于組裝，運行效率高。

2.硬件結(jié)構(gòu)

機器人小車主體架構(gòu)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(xiàn)。機器人的驅(qū)動采用四個步進電機，可實現(xiàn)每個輪子的驅(qū)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(tǒng)

車架系統(tǒng)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(lián)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(zhì)量好適用于各種環(huán)境，四個輻板式車輪由步進電機驅(qū)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(zhuǎn)向。

2.2機械手臂系統(tǒng)

機器人的機械臂采用鋼結(jié)構(gòu)組件構(gòu)成，利用舵機裝置來控制關(guān)節(jié)部分轉(zhuǎn)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(zhuǎn)、大臂仰俯、中臂仰俯、小臂仰俯和腕部旋轉(zhuǎn)。由Arduino單片機控制舵機實現(xiàn)物流小車的自行抓取，加上OpenCV圖像識別系統(tǒng)，可以實現(xiàn)在無人控制的情況下的智能抓取。

2.3系統(tǒng)系統(tǒng)

控制系統(tǒng)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(zé)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(tǒng)，這樣可以在地面有引導(dǎo)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(xiàn)

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(shù)據(jù)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(nèi)外圖像識別領(lǐng)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(zhuǎn)為HSV。通過函數(shù)：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(diào)函數(shù)，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(shù)：cvFindContours（），得到輪廓個數(shù)。

根據(jù)程序拾取到的顏色和輪廓個數(shù)，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(shù)中加入循跡程序，可實現(xiàn)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(yù)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(yīng)的要求運送的物塊，運送回立體倉庫，機器人調(diào)試時可直接調(diào)用相應(yīng)動作組。

4.結(jié)束語

本文為了順應(yīng)智能制造和自動化行業(yè)的步伐，設(shè)計了基于Arduino和樹莓派的智能搬運機器人的方案，實現(xiàn)了高效率、高精度和低成本的自動搬運機器人設(shè)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(yīng)用提供了便利。機器人的研究也能為生產(chǎn)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(xué)生機器人競賽或全國大學(xué)生搬運機器人競賽。

參考文獻

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基金項目

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

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

（作者單位：嘉興學(xué)院南湖學(xué)院）