張洪偉

（南京師范大學(xué)附屬中學(xué)樹人學(xué)校，江蘇 南京 210001）

機器人主要由機械系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)三部分構(gòu)成，設(shè)計過程涉及到的知識理論體系涵蓋人工智能、傳感檢測以及機械控制理論等多個層次。隨著科技的進步和需求的多樣化，機器人的概念和功能變得更為寬泛，具備顏色識別功能的機器人得到了大力的推廣和應(yīng)用，其在應(yīng)用的過程中視覺技術(shù)是關(guān)鍵，通過傳感器來實現(xiàn)對周邊環(huán)境的感知，進而完成智能的定位和路徑規(guī)劃。

1 機器人系統(tǒng)的組成

機器人的基本構(gòu)成主要為機械、傳感以及控制三大部分，這三大部分當(dāng)中包含有6個子系統(tǒng)，其中，驅(qū)動系統(tǒng)和機械系統(tǒng)是機械部分的主要構(gòu)成；人機交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是控制部分的主要構(gòu)成；而感知系統(tǒng)和機器人環(huán)境交互系統(tǒng)是傳感部分的主要構(gòu)成。這6個子系統(tǒng)在機器人工作的過程中相互影響、相互促進，通過協(xié)同合作實現(xiàn)任務(wù)的完成。

圖1 機器人系統(tǒng)工作流程示意圖

如今機器人的使用逐漸朝向智能化和定向化的方向發(fā)展，智能化的應(yīng)用在于勞動力的解放、在于商業(yè)價值的創(chuàng)造，而定向化在于與實際應(yīng)用的緊密聯(lián)系，通過特定程序的設(shè)定來促使目標(biāo)的實現(xiàn)。但無論在哪一個方向的應(yīng)用，實現(xiàn)需求的重點皆在于多傳感器、多識別器、多控制器以及先進的控制算法和復(fù)雜的機電系統(tǒng)的設(shè)計和使用。

2 具有顏色識別功能機器人的設(shè)計原理

機器人整個視覺系統(tǒng)的建立以信息獲取、信息轉(zhuǎn)換、分析處理、輸出顯示、指令完成程序的執(zhí)行來完成工作的處理，其中信息獲取是第一步也是關(guān)鍵的一步，該過程通過對顏色、形狀等信息的獲取來進行環(huán)境目標(biāo)的識別，該過程主要通過攝像頭實現(xiàn)，在攝像頭獲得相應(yīng)的色彩圖像之后通過計算機系統(tǒng)實現(xiàn)模擬信號的轉(zhuǎn)換，使其成為可以被計算機處理的數(shù)據(jù)序列。當(dāng)然，在機器人視覺系統(tǒng)工作的過程當(dāng)中，對視覺信息的處理和分析也是十分關(guān)鍵的。該過程以圖像處理為基礎(chǔ)，通過對圖像的增強、數(shù)據(jù)的編碼以及傳輸、特征抽取、理解等一系列的流程實現(xiàn)輸出圖像質(zhì)量的優(yōu)化提升，從而更加方便計算機系統(tǒng)對所獲取的圖像進行深度的分析和處理。所以在這樣的過程中實現(xiàn)RGB圖像的獲取和HSI空間模型的轉(zhuǎn)換才是最基本的設(shè)計原理。

3 具有顏色識別功能機器人的設(shè)計研究

3.1 整體構(gòu)架

（1）硬件設(shè)計。簡而言之，硬件是看得到摸得到的東西。機器人的研究設(shè)計過程當(dāng)中硬件的設(shè)計既包含機械部分也包含電氣部分?？梢哉f整個硬件設(shè)計幾乎包含了機器人的所有功能，在設(shè)計的過程當(dāng)中，機械結(jié)構(gòu)要滿足機器人的使用功能，其重點在于各類機械尺寸的選擇、驅(qū)動方式的決定以及電機的選擇等，電氣部分是機器人的核心，設(shè)計的根本在于信息的接收處理以及對機器人所有動作的指揮。在對具有顏色識別功能的機器人進行設(shè)計研究時，電氣設(shè)計的難點和重點皆在于視覺識別系統(tǒng)。而實際上視覺識別系統(tǒng)也是一種感知系統(tǒng)，通過對目標(biāo)的識別來實現(xiàn)信息的傳遞，從而達到對外部環(huán)境和內(nèi)部狀態(tài)的理解，為進一步的智能作業(yè)提供決策依據(jù)。

（2）軟件設(shè)計。相比較硬件而言，軟件是一種看不見摸不到的東西，但卻能夠?qū)崿F(xiàn)具體的運算和控制。整個軟件系統(tǒng)既有原生操作系統(tǒng)、也有感知控制系統(tǒng)，當(dāng)然也包含SLAM（同步定位與地圖構(gòu)建）和路徑規(guī)劃系統(tǒng)，整個軟件的設(shè)計是以硬件為基礎(chǔ)的，設(shè)計的核心就在于通過各種程序以及算法的設(shè)定和實現(xiàn)，達到對硬件控制的目的，因而在完成機器人的一系列活動同時實現(xiàn)各功能的調(diào)試和優(yōu)化。

3.2 目標(biāo)識別算法研究

（1）顏色識別算法分析。顏色識別以顏色空間、分量關(guān)系為基礎(chǔ)，所以在進行識別的時候，首先要進行的就是顏色空間選取。顏色空間包含基色顏色空間和色亮分離的顏色空間。在RGB顏色空間中，直角坐標(biāo)空間的變量為紅、綠、藍三個變量，但這三種變數(shù)彼此獨立，且性質(zhì)對等，是其他顏色空間的基礎(chǔ)。

圖2 RGB顏色空間模型

色亮分離的色彩空間結(jié)構(gòu)則主要是將色彩分為表色與表光兩種屬性空間結(jié)構(gòu)，也就是人們常說的HSV(HSB）空間結(jié)構(gòu)，在HSV的空間結(jié)構(gòu)中三種色彩屬性彼此獨立但特性完全不同，在顏色識別算法中一般采用HSI模式的建立方式來對色相、飽和度以及明度進行描述。在機器人對顏色進行識別的過程當(dāng)中主要就是通過HSI模型來實現(xiàn)有效判斷。

圖3 HSV（左圖）和HSI（右圖）顏色空間模型

實際上，在顏色空間模型的轉(zhuǎn)換過程實現(xiàn)的就是由RGB實現(xiàn)HSI的轉(zhuǎn)換。常見的轉(zhuǎn)換算法由此幾何推導(dǎo)法、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法、分段定義法以及標(biāo)準(zhǔn)模型法和Bajon近似法，轉(zhuǎn)換思路的不同對整個HSI顏色空間模型的轉(zhuǎn)換會造成不同的結(jié)果。其中最為經(jīng)典最容易理解也最容易計算識別的轉(zhuǎn)換算法就是幾何推導(dǎo)法，整個幾何算法推導(dǎo)的過程實際上實現(xiàn)的就是亮度信息的分離，最終完成三維空間向二維空間的轉(zhuǎn)換，這樣一來通過平面內(nèi)向量點積公式是使用就能夠完成HSI模型色調(diào)分量值的計算。RGB轉(zhuǎn)換到HSI的計算公式如下：首先給定RGB顏色空間的值(R0,G0,B0)其中，則轉(zhuǎn)換到HSI空間的(H,S,I)值的計算如下：設(shè)將(R0,G0,B0)歸一化得(R,G,B)為：

（2）目標(biāo)定位。機器人通過攝像頭進行RGB彩色圖像采集，且在采集的過程當(dāng)中會受到光線變化的影響，因此造成RGB值的分布產(chǎn)生一定的變化，這是不利于機器人進行特定顏色識別的。相比較而言，HSI空間更加吻合人眼識別顏色的方式，展現(xiàn)的是一個主觀的顏色識別感覺，所以為了提高識別的穩(wěn)定性在對顏色識別智能機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計過程當(dāng)中需要引入HSI顏色空間。在實現(xiàn)RGB到HSI空間的轉(zhuǎn)化之后，就可以通過不同H值來完成圖像的二值化處理，二值化的過程實際上是將圖像當(dāng)中所含有的0～255的二進制像素依照規(guī)定的閾值劃分為兩類，經(jīng)過二值處理完成后的圖像可以實現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域外矩形位置的計算，進而實現(xiàn)對圖像的標(biāo)定，完成機器人的顏色識別。

圖4 圖像處理流程圖

3.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

（1）設(shè)計原則。具有顏色識別功能的機器人控制系統(tǒng)設(shè)計的宗旨在于完成圖像識別后實現(xiàn)功能、控制形式和本體三方面的統(tǒng)一確定，整個控制系統(tǒng)可分為單CPU控制方式、二級CPU控制方式以及多CPU控制方式來實現(xiàn)。其中二級CPU控制方式以一級CPU為主機，實現(xiàn)聯(lián)機接口和數(shù)據(jù)的運算，在該過程中一級CPU為兩級CPU提供了數(shù)據(jù)讀取，而兩級CPU則通過存儲器來完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、擴展、并完成控制工作。多CPU控制器由多微控制器所構(gòu)成，在每個控制器中都具有自己單獨的CPU來完成設(shè)備操作與數(shù)據(jù)收集。在對系統(tǒng)進行總體設(shè)計的過程中，不管采用什么控制系統(tǒng)機構(gòu)都要堅持簡單構(gòu)造、便于維修、標(biāo)準(zhǔn)化、便于推廣的總體設(shè)計原則，并且還要提高系統(tǒng)設(shè)計的安全性，盡量利用成熟的環(huán)境進行開發(fā)，以免在設(shè)計的過程中遇到不必要的麻煩。

（2）電壓電路設(shè)計。機器人的工作過程當(dāng)中需要電源提供動力，但實際上機器人的工作過程當(dāng)中不同于其他的工作電器，因為機器人的結(jié)構(gòu)構(gòu)造比較復(fù)雜例如說驅(qū)動機工作電壓為24V，紅外傳感器的供電為5V，超聲傳感器電壓為12V，所以在電源電壓電路設(shè)計的時候需要根據(jù)不同需求進行不同等級的電壓設(shè)計配備。

（3）處理器的選擇。處理器是整個控制系統(tǒng)的重要構(gòu)成，在進行選擇時既要考慮到數(shù)據(jù)處理的能力也要考慮到豐富的外設(shè)資源，結(jié)合軟件、硬件的開發(fā)難度進行處理器的優(yōu)化和選擇。在該過程當(dāng)中，需要結(jié)合傳感器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和分析。

4 結(jié)語

機器人設(shè)計是一門復(fù)雜且高深的學(xué)科，整個設(shè)計過程當(dāng)中，既有智能控制，也有機械控制，既有軟件設(shè)計，也有硬件設(shè)計。但實際上在進行顏色識別功能機器人設(shè)計時最主要的設(shè)計方向就是通過程控制系統(tǒng)的裝置來對機器人進行控制，在這樣的過程當(dāng)中需要通過攝像頭進行圖像的采集，再由控制系統(tǒng)經(jīng)過空間轉(zhuǎn)換利用連通域算法實現(xiàn)位置標(biāo)定。

實際上無論是何種機器人的設(shè)計和研究，歸根結(jié)底都是集信息技術(shù)和自動化于一體的高新技術(shù)，設(shè)計研究的過程都離不開計算機和人工智能的發(fā)展。因此，在未來，在人工智能、計算機科學(xué)以及傳感器的發(fā)展基礎(chǔ)上，機器人的設(shè)計研發(fā)水平也會更上一層樓。