CN109551525B - 一种基于机器视觉的物体回收装置及回收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的物体回收装置以及回收方法，回收装置包括移动组件、机械臂组件、摄像头组件、回收框、支撑座以及控制系统，所述控制系统分别与移动组件、机械臂组件以及摄像头组件电性连接；所述移动组件包括两个履带、若干个履带轮、若干个第一电机以及若干个第一编码器，所述第一电机以及第一编码器分别与控制系统电性连接，所述第一编码器分别安装在第一电机上，所述第一电机分别驱动各个履带轮转动，所述履带安装在履带轮上，各个所述第一电机均是步进电机。本发明通过履带、履带轮以及第一电机的组合形成履带式移动机构，保证物体回收装置在工作过程中能够长时间稳定移动，避免物体回收装置出现倾斜等不稳定的状况。

Description

一种基于机器视觉的物体回收装置及回收方法

技术领域

本发明涉及物体回收装置技术领域，更具体地说涉及一种基于机器视觉的物体回收装置以及物体回收方法。

背景技术

机器人(Robot)是一种自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。智能机器人不仅具有获取外部环境信息的各种传感器，而且还具有记忆能力、语言理解能力、图像识别能力、推理判断能力等人工智能，这些都是微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用密切相关。机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，从60年代初问世以来，经历四十多年的发展已取得长足的进步。在制造业中，工业机器人甚至已成为不可少的核心装备，世界上有近百万台工业机器人正与工人朋友并肩战斗在各条战线上。机器人的出现是社会和经济发展的必然，它的高速发展提高了社会的生产水平和人类的生活质量。

机器视觉是人工智能与机器人结合的一个分支，如今它正在快速发展。简单说来，机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是通过机器视觉产品(即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种)将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，得到被摄目标的形态信息，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。

随着计算机技术与信息网络的发展和广泛的应用，体育场馆管理系统的概念应运而生。日常生活中，体育场馆内地面均分布着各种小型的球类物体，现有技术中应用在体育场馆的回收装置普遍使用轮子驱动方式，导致回收装置在移动过程中难免出现倾斜等不稳定的状况。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种移动稳定性高的基于机器视觉的物体回收装置。

本发明解决其技术问题的解决方案是：

一种基于机器视觉的物体回收装置，包括移动组件、机械臂组件、摄像头组件、回收框、支撑座以及控制系统，所述移动组件安装在支撑座的底部，所述机械臂组件、摄像头组件以及回收框均安装在支撑座的顶部，所述控制系统分别与移动组件、机械臂组件以及摄像头组件电性连接；所述移动组件包括两个履带、若干个履带轮、若干个第一电机以及若干个第一编码器，所述第一电机以及第一编码器分别与控制系统电性连接，所述第一编码器分别安装在第一电机上，所述第一电机分别驱动各个履带轮转动，所述履带安装在履带轮上，各个所述第一电机均是步进电机。

作为上述技术方案的进一步改进，所述机械臂组件包括六自由度机械臂，所述控制系统与六自由度机械臂电性连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述摄像头组件包括升降机构、旋转机构以及摄像头，所述旋转机构驱动摄像头转动，所述升降机构同时驱动旋转机构以及摄像头上下移动。

作为上述技术方案的进一步改进，所述升降机构包括电动丝杆以及第二编码器，所述电动丝杆包括推杆以及第二电机，所述升降机构以及摄像头均安装在推杆的顶部，所述第二编码器安装在第二电机上，所述第二电机以及第二编码器分别与控制系统相连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述旋转机构包括第三电机以及第三编码器，所述第三编码器安装在第三电机上，所述第三电机以及第三编码器分别与控制系统电性连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述控制系统包括单片机、蓝牙通信模块、图像处理模块、液晶显示模块、语音模块、红外收发模块以及环境传感器，所述蓝牙通信模块、图像处理模块、液晶显示模块、语音模块、红外收发模块以及环境传感器分别与单片机电性连接，所述单片机分别与摄像头组件、移动组件以及机械臂组件电性连接，所述摄像头组件与图像处理模块电性连接。

本发明的有益效果是：本发明通过履带、履带轮以及第一电机的组合形成履带式移动机构，保证物体回收装置在工作过程中能够长时间稳定移动，避免物体回收装置出现倾斜等不稳定的状况。

本发明用于收集体育场馆内地面上的小型球类物体。

本发明创造同时还公开了一种基于机器视觉的物体回收方法，包括以下步骤：

步骤100，控制系统开机并初始化，启动摄像头组件；

步骤200，控制系统进入搜索模式，直到摄像头的视觉范围内出现物体且物体到回收装置的距离在规定范围内；

步骤300，控制系统终止搜索模式，切换为识别模式，对物体进行识别，判断视觉范围内的物体是否为目标物体，如果是，执行下一步操作，否则控制系统终止识别模式，切换回搜索模式；

步骤400，控制系统进入拾取模式，控制系统控制机械臂组件将物体夹起并移送至回收框中。

作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤200包括以下步骤：

步骤210，设置预设范围；

步骤220，控制系统启动移动组件运行，直到摄像头的视觉范围内出现物体；

步骤230，计算视觉范围内的物体到回收装置的距离；

步骤240，判断物体到回收装置的距离是否在预设范围内，如果是，控制系统切换至识别模式，如果不是，控制系统控制移动组件朝物体方向移动，直到物体在预设范围内。

作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤300包括以下步骤：

步骤310，控制系统加载预存图像；

步骤320，将摄像头所采集的图像转换成为灰度图，得到待测图像；

步骤330，对待测图像进行滤波操作；

步骤340，将待测图像与预存图像进行特征比对以及颜色比对；

步骤350，判断待测图像内的物体是否为预存图像内的目标物体，如果是，执行下一步操作，否则控制系统切换至搜索模式；

步骤360，控制系统获取待测图像中物体的坐标位置，若待测图像中存在多个符合要求的物体，则获取距离回收装置最近的物体的坐标。

本发明的有益效果是：本发明所述回收方法基于摄像头组件视觉范围内所采集的图像得以实现，控制系统通过在搜索模式、识别模式以及拾取模式中进行切换以实现物体回收功能，智能化程度高，物体回收准确率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的电路原理图；

图3是本发明的回收方法流程图；

图4是本发明的物体测距第一个示意图；

图5是本发明的物体测距第二个示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本申请的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本申请的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本申请保护的范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接辅件，来组成更优的连接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。最后需要说明的是，如文中术语“中心、上、下、左、右、竖直、水平、内、外”等指示的方位或位置关系则为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

参照图1～图2，本技术方案公开了一种基于机器视觉的物体回收装置，包括移动组件100、机械臂组件200、摄像头组件300、回收框400、支撑座500以及控制系统，所述移动组件100安装在支撑座500的底部，所述机械臂组件200、摄像头组件300以及回收框400均安装在支撑座500的顶部，所述控制系统分别与移动组件100、机械臂组件200以及摄像头组件300电性连接；所述移动组件100包括两个履带、若干个履带轮、若干个第一电机以及若干个第一编码器，所述第一电机以及第一编码器分别与控制系统电性连接，所述第一编码器分别安装在第一电机上，所述第一电机分别驱动各个履带轮转动，所述履带安装在履带轮上，各个所述第一电机均是步进电机。具体地，本技术方案通过履带、履带轮以及第一电机的组合形成履带式移动机构，保证物体回收装置在工作过程中能够长时间稳定移动，避免物体回收装置出现倾斜等不稳定的状况。

进一步作为优选的实施方式，本申请具体实施方式中，所述机械臂组件200包括六自由度机械臂，所述控制系统与六自由度机械臂电性连接。

进一步作为优选的实施方式，为了实现摄像头组件300的摄像范围可调功能，本申请具体实施方式中，所述摄像头组件300包括升降机构330、旋转机构320以及摄像头310，所述旋转机构320驱动摄像头310转动，所述升降机构330同时驱动旋转机构320以及摄像头310上下移动，通过对摄像头310的高度以及安装方向进行控制从而实现摄像头310摄像范围的调节功能。

进一步作为优选的实施方式，本申请具体实施方式中，所述升降机构330包括电动丝杆以及第二编码器，所述电动丝杆包括推杆以及第二电机，所述升降机构330以及摄像头310均安装在推杆的顶部，所述第二编码器安装在第二电机上，所述第二电机以及第二编码器分别与控制系统相连接，其中所述第二电机优先采用步进电机。

进一步作为优选的实施方式，本申请具体实施方式中，所述旋转机构320是一种电动的旋转机构320，包括第三电机以及第三编码器，所述第三编码器安装在第三电机上，所述第三电机以及第三编码器分别与控制系统电性连接，其中所述第三电机优先采用步进电机。当然了所述旋转机构320除了第三电机以及第三编码器以外，还包括其他部件的结合以实现摄像头310的转动功能。

进一步作为优选的实施方式，本申请具体实施方式中，所述控制系统包括单片机、蓝牙通信模块、图像处理模块、液晶显示模块、语音模块、红外收发模块以及环境传感器，所述蓝牙通信模块、图像处理模块、液晶显示模块、语音模块、红外收发模块以及环境传感器分别与单片机电性连接，所述单片机分别与摄像头组件300、移动组件100以及机械臂组件200电性连接，所述摄像头组件300与图像处理模块电性连接，其中所述环境传感器主要用于检测物体回收装置所处的环境状况，因此所述环境传感器并不是指某一个单一的传感器，本领域技术人员可根据实际需要自由选择若干个不同类型、不同功能的传感器作为环境传感器，本技术方案中所述环境传感器优先选择温湿度传感器以及光电传感器。

参照图3，本技术方案还公开了一种基于机器视觉的物体回收方法，包括以下步骤：

步骤100，控制系统开机并初始化，启动摄像头组件；

步骤200，控制系统进入搜索模式，直到摄像头310的视觉范围内出现物体且物体到回收装置的距离在规定范围内；

步骤300，控制系统终止搜索模式，切换为识别模式，对物体进行识别，判断视觉范围内的物体是否为目标物体，如果是，执行下一步操作，否则控制系统终止识别模式，切换回搜索模式；

步骤400，控制系统进入拾取模式，控制系统控制机械臂组件将物体夹起并移送至回收框中。

具体地，本技术方案中所述的回收方法基于摄像头组件视觉范围内所采集的图像得以实现，控制系统通过在搜索模式、识别模式以及拾取模式中进行切换以实现物体回收功能，智能化程度高，物体回收准确率高。

进一步作为优选的实施方式，本申请具体实施方式中，所述步骤200包括以下步骤：

步骤210，设置预设范围；

步骤220，控制系统启动移动组件运行，直到摄像头310的视觉范围内出现物体；

步骤230，计算视觉范围内的物体到回收装置的距离；

步骤240，判断物体到回收装置的距离是否在预设范围内，如果是，控制系统切换至识别模式，如果不是，控制系统控制移动组件朝物体方向移动，直到物体在预设范围内。

具体地，本技术方案中是通过以下方式获取物体到回收装置的距离，参照图4以及图5，假设物体到回收装置纵向距离和横向距离分别为L(y)以及L(x)，由图4可得L(y)＝D+L+d(y)，其中D为摄像头310到回收装置尾部的距离，

参数D、h、α、γ均为可预设参数，可在装置安装时进行设置，个别参数还可以在装置运行过程中根据升降机构330以及旋转机构320中编码器所返回的数据得知；/>

参数y为摄像头310所采集的图像中物体的y轴坐标值，参数Y表示图像分辨率垂直值，Γ(y)表示摄像头310所采集图像中上下边缘间的实际距离；由图5可得/>

参数x表示摄像头310所采集的图像中物体的x轴坐标值，参数X表示图像分辨率水平值，Γ(x)表示摄像头310所采集图像中中间垂直线到左右边缘的实际距离。

进一步作为优选的实施方式，本申请具体实施方式中，所述步骤300包括以下步骤：

步骤310，控制系统加载预存图像；

步骤320，将摄像头310所采集的图像转换成为灰度图，得到待测图像；

步骤330，对待测图像进行滤波操作；

步骤340，将待测图像与预存图像进行特征比对以及颜色比对；

步骤350，判断待测图像内的物体是否为预存图像内的目标物体，如果是，执行下一步操作，否则控制系统切换至搜索模式；

步骤360，控制系统获取待测图像中物体的坐标位置，若待测图像中存在多个符合要求的物体，则获取距离回收装置最近的物体的坐标。

以上对本申请的较佳实施方式进行了具体说明，但本申请并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种基于机器视觉的物体回收方法，其特征在于，应用于一种基于机器视觉的物体回收装置，所述基于机器视觉的物体回收装置包括移动组件（100）、机械臂组件（200）、摄像头组件（300）、回收框（400）、支撑座（500）以及控制系统，所述移动组件（100）安装在支撑座（500）的底部，所述机械臂组件（200）、摄像头组件（300）以及回收框（400）均安装在支撑座（500）的顶部，所述控制系统分别与移动组件（100）、机械臂组件（200）以及摄像头组件（300）电性连接；所述移动组件（100）包括两个履带、若干个履带轮、若干个第一电机以及若干个第一编码器，所述第一电机以及第一编码器分别与控制系统电性连接，所述第一编码器分别安装在第一电机上，所述第一电机分别驱动各个履带轮转动，所述履带安装在履带轮上，各个所述第一电机均是步进电机；

所述摄像头组件（300）包括升降机构（330）、旋转机构（320）以及摄像头（310），所述旋转机构（320）驱动摄像头（310）转动，所述升降机构（330）同时驱动旋转机构（320）以及摄像头（310）上下移动；

所述方法包括以下步骤：

步骤100，控制系统开机并初始化，启动摄像头组件；

步骤200，控制系统进入搜索模式，直到摄像头的视觉范围内出现物体且物体到回收装置的距离在规定范围内；

步骤300，控制系统终止搜索模式，切换为识别模式，对物体进行识别，判断视觉范围内的物体是否为目标物体，如果是，执行下一步操作，否则控制系统终止识别模式，切换回搜索模式；

步骤400，控制系统进入拾取模式，控制系统控制机械臂组件将物体夹起并移送至回收框中；

所述步骤200包括以下步骤：

步骤210，设置预设范围；

步骤220，控制系统启动移动组件运行，直到摄像头的视觉范围内出现物体；

步骤230，计算视觉范围内的物体到回收装置的距离；

步骤240，判断物体到回收装置的距离是否在预设范围内，如果是，控制系统切换至识别模式，如果不是，控制系统控制移动组件朝物体方向移动，直到物体在预设范围内。

2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的物体回收方法，其特征在于：所述机械臂组件（200）包括六自由度机械臂，所述控制系统与六自由度机械臂电性连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的物体回收方法，其特征在于：所述升降机构（330）包括电动丝杆以及第二编码器，所述电动丝杆包括推杆以及第二电机，所述升降机构（330）以及摄像头（310）均安装在推杆的顶部，所述第二编码器安装在第二电机上，所述第二电机以及第二编码器分别与控制系统相连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于机器视觉的物体回收方法，其特征在于：所述旋转机构（320）包括第三电机以及第三编码器，所述第三编码器安装在第三电机上，所述第三电机以及第三编码器分别与控制系统电性连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的物体回收方法，其特征在于：所述控制系统包括单片机、蓝牙通信模块、图像处理模块、液晶显示模块、语音模块、红外收发模块以及环境传感器，所述蓝牙通信模块、图像处理模块、液晶显示模块、语音模块、红外收发模块以及环境传感器分别与单片机电性连接，所述单片机分别与摄像头组件（300）、移动组件（100）以及机械臂组件（200）电性连接，所述摄像头组件（300）与图像处理模块电性连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的物体回收方法，其特征在于，所述步骤300包括以下步骤：

步骤310，控制系统加载预存图像；

步骤320，将摄像头所采集的图像转换成为灰度图，得到待测图像；

步骤330，对待测图像进行滤波操作；

步骤340，将待测图像与预存图像进行特征比对以及颜色比对；

步骤350，判断待测图像内的物体是否为预存图像内的目标物体，如果是，执行下一步操作，否则控制系统切换至搜索模式；

步骤360，控制系统获取待测图像中物体的坐标位置，若待测图像中存在多个符合要求的物体，则获取距离回收装置最近的物体的坐标。

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