楊 琦，陶 晶，周潤發(fā)，何海燕

（1.安徽工業(yè)大學(xué) 創(chuàng)新教育學(xué)院；2.安徽工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院；3.安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002）

●科學(xué)技術(shù)與設(shè)計(jì)

一種基于顏色識別的智能分揀機(jī)器人的設(shè)計(jì)

楊 琦1，陶 晶2，周潤發(fā)2，何海燕3

（1.安徽工業(yè)大學(xué) 創(chuàng)新教育學(xué)院；2.安徽工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院；3.安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002）

本文根據(jù)中國工程機(jī)器人大賽“機(jī)器人搬運(yùn)工程”賽項(xiàng)的競賽要求，設(shè)計(jì)了一種基于顏色識別的智能分揀的機(jī)器人，詳細(xì)設(shè)計(jì)了物料的識別與分揀、物料的運(yùn)輸與存放機(jī)構(gòu)，提出了改進(jìn)的物料識別算法，完善了其控制系統(tǒng)方案，通過實(shí)驗(yàn)和競賽驗(yàn)證了方案的穩(wěn)定性和可靠性.

機(jī)器人；分揀；顏色識別

隨著互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對現(xiàn)代物流行業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)，“分揀”流程是物流體系中的重要的環(huán)節(jié)之一，精確、高效、安全地進(jìn)行分揀是一個亟待解決的重要問題，利用機(jī)器人來替代人力來完成貨物分揀過程是未來發(fā)展的重要方向.在中國工程機(jī)器人大賽中設(shè)置了“機(jī)器人搬運(yùn)工程”賽項(xiàng)，該賽題旨在模擬體系中分揀作業(yè)的基本流程，設(shè)計(jì)一個可以將形狀相同、色彩不同的物料進(jìn)行分類并且搬運(yùn)到指定位置的分揀機(jī)器人，如圖1所示.本文提出了一種基于顏色識別的智能分揀的機(jī)器人，能完成競賽賽題的需求，實(shí)現(xiàn)智能分揀的功能.

1 功能需求

總體要求：在8分鐘的時(shí)間內(nèi)，機(jī)器人從發(fā)車區(qū)發(fā)出，根據(jù)任務(wù)的要求，依次完成物料的分揀與搬運(yùn)任務(wù)，最終回到出發(fā)區(qū).

圖1 “機(jī)器人搬運(yùn)工程”賽項(xiàng)任務(wù)圖

任務(wù)要求：（1）在5種不同色彩（紅色、綠色、藍(lán)色、黑色、白色）的物料中隨機(jī)抽取3種，依次擺放到A、C、E的位置上，機(jī)器人收集到物料后，分別搬運(yùn)到相對應(yīng)的顏色區(qū)域處，以目標(biāo)區(qū)域靶位的環(huán)數(shù)計(jì)分；（2）將儲料區(qū)F和G中的10個物料取出，分揀并搬運(yùn)到相對應(yīng)顏色區(qū)域.機(jī)器人自主選擇每次搬運(yùn)物料的數(shù)量、制定合理的軌跡，任務(wù)2必須在任務(wù)1完成后方可進(jìn)行.

性能要求：精度要求、任務(wù)完成度要求、時(shí)間要求.

2 智能分揀機(jī)器人的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分揀機(jī)器人主要由輪式機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)、各類傳感器檢測元件、物料存儲機(jī)構(gòu)、物料裝卸機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)等五大部分組成，如圖2所示.

圖2 分揀機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)

2.2 機(jī)器人視覺感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)

巡線的光電傳感器：在機(jī)器人的前方和后方各裝有一個TSL1401線性CCD，用于機(jī)器人在移動過程中的路徑識別.TSL1401CL線性傳感器列陣由一個128個光電二極管陣列組成，并為了抗外界環(huán)境光線干擾，我們在CCD的側(cè)邊添加了LED燈進(jìn)行補(bǔ)光.

標(biāo)志位檢測傳感器：在機(jī)器人的四個角各裝有一個灰度檢測模塊，用于機(jī)器人準(zhǔn)確檢測物料收件點(diǎn)的位置和存放區(qū)域的位置，做到物料的準(zhǔn)確放置.

分揀的顏色識別傳感器：為了區(qū)分送往不同區(qū)域的物料，我們將物料先標(biāo)記上不同顏色.用裝與物料進(jìn)口處的TCS230顏色傳感器，對裝入的物料進(jìn)行三基色的采集，然后把進(jìn)行顏色分析后的數(shù)據(jù)存入單片機(jī)中.

轉(zhuǎn)向和磁感線循跡傳感器：在機(jī)器人完成分揀運(yùn)輸任務(wù)時(shí)，需要多次轉(zhuǎn)向和對于外界環(huán)境過于復(fù)雜對于光電傳感器不易循跡的情況下，我們依靠裝于機(jī)器人上的MPU6050陀螺儀模塊采集磁感線數(shù)據(jù)，對機(jī)器人位置的姿態(tài)進(jìn)行分析，用來進(jìn)行車身旋轉(zhuǎn)角度的調(diào)整.

轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)位置檢測傳感器：因?yàn)楸緳C(jī)器人設(shè)計(jì)是為了一次同時(shí)分揀多個物料，提高效率，轉(zhuǎn)盤需要多次轉(zhuǎn)動.如果簡單延時(shí)，會造成每次旋轉(zhuǎn)的誤差累積最后會造成無法填入物料.為了消除每次旋轉(zhuǎn)的誤差，我們在每個轉(zhuǎn)盤的棱角上裝了小磁鐵，并在物料進(jìn)口處上方安裝了霍爾傳感器，檢測轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)棱角的位置.

2.3 物料的裝載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了提高機(jī)器人的分揀效率，我們設(shè)計(jì)了用于同時(shí)搬運(yùn)多個物料的多物料轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)，如圖3所示.

圖3 多物料轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)

物料的裝載過程：第一步，機(jī)器人先控制曲柄滑塊機(jī)構(gòu)打開車門，電機(jī)驅(qū)動向前將物料放入機(jī)器人前方的物料裝載區(qū)；第二步，機(jī)器人向前移動將物料裝入轉(zhuǎn)盤內(nèi)，同時(shí)對裝載區(qū)的物料進(jìn)行顏色識別，將顏色傳感器采集的顏色數(shù)據(jù)保存入單片機(jī)；第三步，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤，將物料存入轉(zhuǎn)盤內(nèi)，當(dāng)轉(zhuǎn)盤上方的霍爾傳感器檢測到下一個磁鐵的到來時(shí)，停止轉(zhuǎn)動，如圖4所示；第四步進(jìn)行與第一步相同的操作，如此循環(huán)，直到將機(jī)器人的物料存儲區(qū)域存滿，機(jī)器人利用轉(zhuǎn)盤將物料出口區(qū)域卡死，對物料進(jìn)行運(yùn)輸.

圖4 物料的裝載過程示意圖

2.4 機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)選擇

本機(jī)器人的動力系統(tǒng)采用的是24V-JGB37無刷大力矩減速電機(jī)，電機(jī)自帶驅(qū)動與編碼器，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)精準(zhǔn)控制.由于電機(jī)的工作電壓為24V，而控制主板上的穩(wěn)壓芯片為線性穩(wěn)壓芯片LM1117-5V或者LM1117-3.3V，穩(wěn)壓的壓差太大不利于穩(wěn)壓，所以我們采用雙電源供電，主控板電源為8V，電機(jī)驅(qū)動電源為24V電池.

3 機(jī)器人功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 機(jī)器人載運(yùn)功能的實(shí)現(xiàn)

分揀機(jī)器人先前往物料收件集中點(diǎn)，利用機(jī)器人前方的取件的機(jī)械結(jié)構(gòu)將物料裝載入轉(zhuǎn)盤并按存入物料的順序記錄物料的顏色.機(jī)器人將多物料存儲轉(zhuǎn)盤存滿后，分揀機(jī)器人將分析有哪些顏色的物料存入了轉(zhuǎn)盤，然后自主規(guī)劃線路，前往各個顏色的物料存放區(qū).分揀機(jī)器人沿著路途中的引導(dǎo)線前往存放區(qū)域，當(dāng)機(jī)器人標(biāo)志位檢測傳感器檢測到準(zhǔn)確標(biāo)志位，開始進(jìn)行指定顏色的物料卸載.然后前往其他顏色存放區(qū)域，進(jìn)行同樣的物料卸載.當(dāng)卸載完成之后，分揀機(jī)器人回到物料收件集中點(diǎn)如此循環(huán)往復(fù)工作.

3.2 物料的識別與分揀功能的實(shí)現(xiàn)

我們用TCS230顏色傳感器檢測物料進(jìn)口處的物料顏色，其檢測過程的一般算法是，在一固定時(shí)間（10ms），然后選通三種顏色的濾波器，計(jì)算這段時(shí)間內(nèi)OUT端口的輸出脈沖數(shù)，通過白平衡計(jì)算出的比例因子，得出所相應(yīng)的R、G、B的值.在實(shí)踐中，我們改進(jìn)判別算法：除了白色與黑色這兩種特殊顏色外，利用R、G、B的值之間的相對大小關(guān)系提出了相對的顏色判別算法，如圖5所示，解決了無論在遠(yuǎn)近都可以迅速準(zhǔn)確的判斷的出物料的顏色.

圖5 分揀機(jī)器人物料顏色判別算法

3.3 物料的運(yùn)輸與存放功能的實(shí)現(xiàn)

分揀機(jī)器人在運(yùn)輸?shù)拇蟛糠侄际且揽繖C(jī)器人前方或者后方的線性CCD尋找引導(dǎo)線完成移動，當(dāng)分揀機(jī)器人到達(dá)存放物料的標(biāo)志位，轉(zhuǎn)盤開始旋轉(zhuǎn)并且顏色傳感器不斷的對物料出口處的物料顏色進(jìn)行判斷.當(dāng)指定顏色的物料到達(dá)出口處的時(shí)候，物料從分揀機(jī)器人出口處與機(jī)器人分離，完成物料的存放.

在搬運(yùn)過程中，特別是分揀機(jī)器人裝載貨物的時(shí)候，機(jī)器人前方的視野會被物料所遮擋造成干擾，此時(shí)依靠機(jī)器人中間位置的MPU6050陀螺儀模塊，通過分析磁感線，來矯正自身的位置.

3.4 機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

分揀機(jī)器人進(jìn)行控制部分選用K60單片機(jī)，利用其自帶ADC模塊對機(jī)器人的標(biāo)志位檢測模塊的模擬信號進(jìn)行采集，F(xiàn)TM模塊輸出PWM波對電機(jī)驅(qū)動進(jìn)行控制，lptmr低功耗定時(shí)器用于讀取顏色傳感器輸出三基色的脈沖數(shù)，UART串口模塊讀取陀螺儀輸出的角度值.機(jī)器人對于一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)分部執(zhí)行的流程，我們建立標(biāo)志位，不斷在PIT定時(shí)器模塊檢測，來控制機(jī)器人下一步操作，其工作流程如圖6所示.

圖6 分揀機(jī)器人的控制流程圖

分揀機(jī)器人行走的路徑規(guī)劃是整個過程的關(guān)鍵，其基本思路是依靠的機(jī)器人前方或者后方的CCD，采集外界信息，在進(jìn)行濾除噪點(diǎn)之后，分析出引導(dǎo)線與機(jī)器人的位置關(guān)系，然后通過PID控制得出兩邊電機(jī)的輸出PWM波的占空比，行走時(shí)實(shí)時(shí)進(jìn)行位姿矯正.在外界環(huán)境復(fù)雜，有障礙物時(shí)，人為可以設(shè)置標(biāo)志位，在機(jī)器人進(jìn)入復(fù)雜環(huán)境前，將機(jī)器人的角度記錄下來，然后利用機(jī)器人身上的陀螺儀進(jìn)行位姿矯正.同時(shí)，機(jī)器人利用在每一次存儲物料時(shí)記錄下物料的顏色，對需要前往的物料區(qū)進(jìn)行分析，自主對進(jìn)行線路進(jìn)行規(guī)劃.

4 總結(jié)

這種基于顏色識別的智能分揀機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單、搬運(yùn)效率高、穩(wěn)定可靠，可適用于多種環(huán)境，獲得第七屆機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽安徽賽區(qū)一等獎.

〔1〕組委會.2017中國工程機(jī)器人大賽暨國際公開賽機(jī)器人搬運(yùn)工程項(xiàng)目比賽規(guī)則[EB/OL].http://www.robotmatch.cn/Contents/Competition/2017-2-23-9-52-0-5537.htm.

〔2〕袁勇,吳來杰,李吉春.一種小型自主移動式搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電工程，2006(8):24-26.

〔3〕張松燦,肖本賢.高分辨率顏色傳感器TCS230的原理和應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2005(3):44-46.

〔4〕柯洪娣.基于顏色識別的智能電動車電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].吉林工商學(xué)院學(xué)報(bào)，2009(5):70-72.

TP249

A

1673-260X（2017）09-0022-03

2017-05-08

安徽省大學(xué)生創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目（2015ckjh010）；安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201510360032）；安徽工業(yè)大學(xué)校企合作實(shí)踐教育基地項(xiàng)目(2012-5)