一種基于顏色識別的智能分揀機器人的設計

楊 琦，陶 晶，周潤發，何海燕

（1.安徽工業大學 創新教育學院；2.安徽工業大學 電氣與信息工程學院；3.安徽工業大學 機械工程學院，安徽 馬鞍山 243002）

●科學技術與設計

一種基于顏色識別的智能分揀機器人的設計

楊 琦1，陶 晶2，周潤發2，何海燕3

（1.安徽工業大學 創新教育學院；2.安徽工業大學 電氣與信息工程學院；3.安徽工業大學 機械工程學院，安徽 馬鞍山 243002）

本文根據中國工程機器人大賽“機器人搬運工程”賽項的競賽要求，設計了一種基于顏色識別的智能分揀的機器人，詳細設計了物料的識別與分揀、物料的運輸與存放機構，提出了改進的物料識別算法，完善了其控制系統方案，通過實驗和競賽驗證了方案的穩定性和可靠性.

機器人；分揀；顏色識別

隨著互聯網經濟的不斷發展，對現代物流行業提出了新的挑戰，“分揀”流程是物流體系中的重要的環節之一，精確、高效、安全地進行分揀是一個亟待解決的重要問題，利用機器人來替代人力來完成貨物分揀過程是未來發展的重要方向.在中國工程機器人大賽中設置了“機器人搬運工程”賽項，該賽題旨在模擬體系中分揀作業的基本流程，設計一個可以將形狀相同、色彩不同的物料進行分類并且搬運到指定位置的分揀機器人，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器人，能完成競賽賽題的需求，實現智能分揀的功能.

1 功能需求

總體要求：在8分鐘的時間內，機器人從發車區發出，根據任務的要求，依次完成物料的分揀與搬運任務，最終回到出發區.

圖1 “機器人搬運工程”賽項任務圖

任務要求：（1）在5種不同色彩（紅色、綠色、藍色、黑色、白色）的物料中隨機抽取3種，依次擺放到A、C、E的位置上，機器人收集到物料后，分別搬運到相對應的顏色區域處，以目標區域靶位的環數計分；（2）將儲料區F和G中的10個物料取出，分揀并搬運到相對應顏色區域.機器人自主選擇每次搬運物料的數量、制定合理的軌跡，任務2必須在任務1完成后方可進行.

性能要求：精度要求、任務完成度要求、時間要求.

2 智能分揀機器人的關鍵機構設計

2.1 基本結構設計

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

圖2 分揀機器人基本結構

2.2 機器人視覺感知系統設計

巡線的光電傳感器：在機器人的前方和后方各裝有一個TSL1401線性CCD，用于機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，并為了抗外界環境光線干擾，我們在CCD的側邊添加了LED燈進行補光.

標志位檢測傳感器：在機器人的四個角各裝有一個灰度檢測模塊，用于機器人準確檢測物料收件點的位置和存放區域的位置，做到物料的準確放置.

分揀的顏色識別傳感器：為了區分送往不同區域的物料，我們將物料先標記上不同顏色.用裝與物料進口處的TCS230顏色傳感器，對裝入的物料進行三基色的采集，然后把進行顏色分析后的數據存入單片機中.

轉向和磁感線循跡傳感器：在機器人完成分揀運輸任務時，需要多次轉向和對于外界環境過于復雜對于光電傳感器不易循跡的情況下，我們依靠裝于機器人上的MPU6050陀螺儀模塊采集磁感線數據，對機器人位置的姿態進行分析，用來進行車身旋轉角度的調整.

轉盤旋轉位置檢測傳感器：因為本機器人設計是為了一次同時分揀多個物料，提高效率，轉盤需要多次轉動.如果簡單延時，會造成每次旋轉的誤差累積最后會造成無法填入物料.為了消除每次旋轉的誤差，我們在每個轉盤的棱角上裝了小磁鐵，并在物料進口處上方安裝了霍爾傳感器，檢測轉盤旋轉時棱角的位置.

2.3 物料的裝載機構設計

為了提高機器人的分揀效率，我們設計了用于同時搬運多個物料的多物料轉盤機構，如圖3所示.

圖3 多物料轉盤機構

物料的裝載過程：第一步，機器人先控制曲柄滑塊機構打開車門，電機驅動向前將物料放入機器人前方的物料裝載區；第二步，機器人向前移動將物料裝入轉盤內，同時對裝載區的物料進行顏色識別，將顏色傳感器采集的顏色數據保存入單片機；第三步，轉動轉盤，將物料存入轉盤內，當轉盤上方的霍爾傳感器檢測到下一個磁鐵的到來時，停止轉動，如圖4所示；第四步進行與第一步相同的操作，如此循環，直到將機器人的物料存儲區域存滿，機器人利用轉盤將物料出口區域卡死，對物料進行運輸.

圖4 物料的裝載過程示意圖

2.4 機器人驅動系統選擇

本機器人的動力系統采用的是24V-JGB37無刷大力矩減速電機，電機自帶驅動與編碼器，可以實現電機的閉環精準控制.由于電機的工作電壓為24V，而控制主板上的穩壓芯片為線性穩壓芯片LM1117-5V或者LM1117-3.3V，穩壓的壓差太大不利于穩壓，所以我們采用雙電源供電，主控板電源為8V，電機驅動電源為24V電池.

3 機器人功能的實現

3.1 機器人載運功能的實現

分揀機器人先前往物料收件集中點，利用機器人前方的取件的機械結構將物料裝載入轉盤并按存入物料的順序記錄物料的顏色.機器人將多物料存儲轉盤存滿后，分揀機器人將分析有哪些顏色的物料存入了轉盤，然后自主規劃線路，前往各個顏色的物料存放區.分揀機器人沿著路途中的引導線前往存放區域，當機器人標志位檢測傳感器檢測到準確標志位，開始進行指定顏色的物料卸載.然后前往其他顏色存放區域，進行同樣的物料卸載.當卸載完成之后，分揀機器人回到物料收件集中點如此循環往復工作.

3.2 物料的識別與分揀功能的實現

我們用TCS230顏色傳感器檢測物料進口處的物料顏色，其檢測過程的一般算法是，在一固定時間（10ms），然后選通三種顏色的濾波器，計算這段時間內OUT端口的輸出脈沖數，通過白平衡計算出的比例因子，得出所相應的R、G、B的值.在實踐中，我們改進判別算法：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，解決了無論在遠近都可以迅速準確的判斷的出物料的顏色.

圖5 分揀機器人物料顏色判別算法

3.3 物料的運輸與存放功能的實現

分揀機器人在運輸的大部分都是依靠機器人前方或者后方的線性CCD尋找引導線完成移動，當分揀機器人到達存放物料的標志位，轉盤開始旋轉并且顏色傳感器不斷的對物料出口處的物料顏色進行判斷.當指定顏色的物料到達出口處的時候，物料從分揀機器人出口處與機器人分離，完成物料的存放.

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

3.4 機器人控制系統的實現

分揀機器人進行控制部分選用K60單片機，利用其自帶ADC模塊對機器人的標志位檢測模塊的模擬信號進行采集，FTM模塊輸出PWM波對電機驅動進行控制，lptmr低功耗定時器用于讀取顏色傳感器輸出三基色的脈沖數，UART串口模塊讀取陀螺儀輸出的角度值.機器人對于一項復雜的任務分部執行的流程，我們建立標志位，不斷在PIT定時器模塊檢測，來控制機器人下一步操作，其工作流程如圖6所示.

圖6 分揀機器人的控制流程圖

分揀機器人行走的路徑規劃是整個過程的關鍵，其基本思路是依靠的機器人前方或者后方的CCD，采集外界信息，在進行濾除噪點之后，分析出引導線與機器人的位置關系，然后通過PID控制得出兩邊電機的輸出PWM波的占空比，行走時實時進行位姿矯正.在外界環境復雜，有障礙物時，人為可以設置標志位，在機器人進入復雜環境前，將機器人的角度記錄下來，然后利用機器人身上的陀螺儀進行位姿矯正.同時，機器人利用在每一次存儲物料時記錄下物料的顏色，對需要前往的物料區進行分析，自主對進行線路進行規劃.

4 總結

這種基于顏色識別的智能分揀機器人結構簡單、搬運效率高、穩定可靠，可適用于多種環境，獲得第七屆機械創新設計大賽安徽賽區一等獎.

〔1〕組委會.2017中國工程機器人大賽暨國際公開賽機器人搬運工程項目比賽規則[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機器人的設計與實現[J].機電工程，2006(8):24-26.

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

〔4〕柯洪娣.基于顏色識別的智能電動車電控系統設計[J].吉林工商學院學報，2009(5):70-72.

TP249

A

1673-260X（2017）09-0022-03

2017-05-08

安徽省大學生創業實驗室建設計劃項目（2015ckjh010）；安徽省大學生創新創業訓練計劃項目（201510360032）；安徽工業大學校企合作實踐教育基地項目(2012-5)