智能化妝機器人控制系統設計

黃瀝 陶波 屈俊雯 唐紫璽 鄒春吉 李亞東

摘要：本項目擬設計一款智能化妝機器人，采用目前最為先進的人臉識別技術以及科技前沿的仿生機械手臂，以STM32單片機為控制核心。將Open MV識別到的信息通過系統分析與判斷得到適合的妝容方案，按照制定的妝容方案控制機械臂及其末端執行機構完成相應的動作組，從而實現機器人的智能選妝與上妝全過程。

關鍵詞：STM32;圖像識別;機械手臂;舵機控制

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）09-0181-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Design of Intelligent Makeup Robot Control System

HUANG Li， TAO Bo， QU Jun-wen， TANG Zi-xi， ZOU Chun-ji， LI Ya-dong*

（School of Electronic Information Engineering，Yangtze Normal University， Chongqing 408100， China）

Abstract：This project plans to design an intelligent cosmetic robot， which adopts the most advanced face recognition technology and the bionic mechanical arm in the forefront of science and technology， and takes STM32 micro-controller as the control core.The information identified by Open MV is analyzed and judged by the system to get the appropriate makeup scheme. According to the makeup scheme， the robot arm and its end-effector is controlled to complete the corresponding action group， so as to realize the whole process of intelligent makeup selection and makeup application of the robot.

Key words： STM32; Image recognition; A robotic arm; Steering gear cont

1背景

當今時代，人們對外貌、衣著也有了更高的要求。化妝、穿搭成為廣大愛美人士生活中不可或缺的一部分。對于學生黨來說，早上起床花費在化妝上的時間都足夠讓人頭疼，還極有可能達不到自己滿意的效果;對于上班族來說，合適的妝容更能夠讓她們在職場中獲得自信，對于需要舉辦一些大型舞會或者活動的策劃者來說，化妝間以及化妝師缺乏導致時間的浪費。為此，我們擬設計一款智能化妝機器人，通過面部識別系統采集分析面部信息并識別皮膚狀態，以制定出合適的妝容方案。為了減少機械給用戶帶來的生冷感，我們采用貼合人體皮膚的材料，通過主控系統對各個模塊進行操控完成相應部位的妝容最后達到整體的效果。整個過程操作時間快，為人們節約出了化妝所需要的時間，能夠滿足大部分人的需求。

2系統總體設計

根據用戶使用智能機器人的便利性要求，機械手臂的整體布局如圖1所示。為提高用戶使用機器人進行化妝時的舒適度，使用戶置身于享受狀態，機械手掌制作采用貼合人體皮膚材料。機器人的整體系統包含主控電路模塊，舵機控制模塊以及Open MV視覺識別模塊。選用STM32F407VET6芯片為主控;機械臂的每個手關節安裝扭矩為15Kg.cm的TBS2701數碼數字舵機。設計舵機控制器實現對舵機角度的控制，根據所需要的妝容，設計具體的動作組，控制運行軌跡和末端執行機構。

3控制電路設計

3.1STM32最小系統電路

STM32F407VET6 作為主控芯片（圖2所示），該芯片數字模擬輸入輸出口多，處理速度快，功耗低。由時鐘電路、復位電路、BOOT啟動電路，電源電路、SWD下載接口，指示燈提示電路，電源供電、擴展I/O接口等部分組成。利用STM32最小系統直接控制6個舵機，使用串口屏實現人機互動，OpenMV4識別模塊。電源電路：DC電源接口，通過電源線通過該接口為開發板供電，供電電壓5V。電源開關：為了保障開發板上各器件的安全運行，電源電路中需要設置電源開關統一管理電源的供斷。開發板的電源指示燈，電壓轉換芯片，5V電壓通過該芯片轉換得到3.3V電壓，可用于SRAM、FLASH以及晶振等芯片電路的供電，分布的電容可以起到濾波的作用。晶振電路：作用是為系統提供基本的時鐘信號，在本開發板上包含了兩個晶振，分別為外部8MHz的高速晶振，為系統提供時鐘信號和內部32.768KHz的內部晶振，為RTC提供時鐘信號。低電平復位：RSET為芯片的復位引腳信號，此時芯片復位引腳接通GND，芯片將會復位重啟。主芯片程序下載采用SWD接口電路，SWD接口包括VDD、JTMS、JTCK、GND四線，下載方便[1]。

3.2軟件設計

化妝機器人軟件控制設計中，編寫了人臉識別算法，校準機械臂初始位置，應用單片機軟件控制舵機動作組，對人臉劃分區域，實行不同的流程操作。機械臂開始動作組執行到達化妝品指定位置，機械夾進行化妝品抓取，在人臉相應區域進行化妝過程，化妝完畢機械臂結束動作組執行，將化妝品放回化妝盒。化妝品的抓取與放回沿預定軌跡運行，保證化妝品的完整性，經過不同區域完整操作，整個化妝流程結束。

選用Open MVH7攝像頭模組進行圖像數據采集，采集的圖像經攝像頭內的感光元件處理，獲取圖像，存入儲存卡中，在用其自帶的集成開發環境Open MVIDE，用Python語言編寫代碼，基于Grab Cut的人臉區域提取算法， 先從輸入一幀圖片中提取出人臉前景， 排除了干擾信息， 提升了處理的效率和人臉區域識別精度。并把處理結果經串口發送給STM32 F407VET6主控芯片，對識別區域進行儲存并劃分。

3.3 Open MV 模塊

Open MV模塊（圖3）用于采集人臉圖像，用于面部識別。Open MV采用STM32H743VIT6主控芯片，設備采用高速嵌入式存儲器，具有高達2兆字節的雙組閃存、1兆字節的RAM（包括192千字節的TCM RAM、864千字節的用戶SRAM和4千字節的備份SRAM），以及廣泛的增強型I/O和連接到APB總線、2x32位多AHB總線材料的外圍設備。以及支持內部和外部存儲器訪問的多層AXI互連。

3.4 TBS2701數碼舵機

TBS2701數碼舵機扭力達15kg，通過PWM脈沖信號控制調節角度。周期20ms，占空比0.5ms-2.5ms，可控角度270°，控制精度3us即0.24°，舵機在整行程中扭力平均。

通過PID算法實現舵機角度定位，持續發送一次PWM信號保持鎖定角度不變，智能化妝機器人控制系統設計使用6個TBS2701數碼舵機（圖1所示）。1號舵機控制機械臂的1關節水平轉動，2號舵機大幅度控制機械臂關節2前后垂直轉動，3號舵機控制關節3垂直轉動，4號舵機控制關節4垂直轉動，關節5控制關節5水平轉到，關節6控制關節6—機械爪[2]。

4化妝功能實現

基于人臉識別算法準確識別人臉，在人臉平面空間進行定位，根據定位校準機械臂初始位置，使機械臂正向面對人。根據識別的空間對人臉劃分區域，主要分為額頭、面部、鼻子、嘴巴，額頭選用放置好（化妝盒內）化妝品，軟件控制舵機動作組，不同區域化妝品與動作智能選擇，機械臂開始動作組執行到達化妝品指定位置，機械夾進行化妝品抓取，經過設定軌跡路線，設定與人臉的距離，在人臉相應區域進行化妝過程，化妝完畢機械臂結束動作組執行，將化妝品放回化妝盒，機械臂回到初始位置。經過不同區域完整操作，整個化妝流程結束。

5結束語

本文智能化妝機器人的設計，實現了用Open MV進行人臉識別，機械手臂對人臉進行化妝。本設計基于STM32F407VET6單片機構建了化妝機器人的控制系統，分別對化妝機器人的Open MV視覺識別模塊、機械手臂和舵機控制、基于STM32F407VET6的主控電路及三大模塊的硬件電路和控制算法進行了設計。

參考文獻：

[1] 張碩，劉天悅，張鑫宇，等.盆栽轉移競賽機器人控制系統設計[J].機電工程技術，2020，49（8）：115-118.

[2] 肖艷軍，毛哲，溫博，等.基于STM32的綜合實驗平臺設計[J].實驗技術與管理，2019，36（12）：72-76.

【通聯編輯：梁書】