德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 劉玉叢

文章提出一種基于機(jī)器視覺進(jìn)行垃圾分類的機(jī)器人設(shè)計(jì)，在具體設(shè)計(jì)過程中首先分析設(shè)計(jì)的總體方案、設(shè)備功能要求以及系統(tǒng)布局，再從目標(biāo)識(shí)別單元和分揀控制單元兩方面完成具體設(shè)計(jì)，以期能夠提高垃圾分揀機(jī)器人在垃圾分類過程中的正確率和與有效性。

現(xiàn)階段，城市垃圾資源回收處理已成為社會(huì)關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容，其不僅符合我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃要求，也是解決當(dāng)前城市發(fā)展與環(huán)境破壞矛盾，實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共存的重要途徑。垃圾分揀作為城市垃圾資源回收的重要步驟，其工作效率將會(huì)直接影響到城市垃圾資源回收效率及效果。因此，為能夠進(jìn)一步提高垃圾分揀工作效率，實(shí)現(xiàn)垃圾分揀自動(dòng)化已成為必然的發(fā)展趨勢。據(jù)此，對基于機(jī)器視覺的垃圾分揀機(jī)器人設(shè)計(jì)進(jìn)行研究分析，有一定現(xiàn)實(shí)意義。

1 基于機(jī)器視覺的垃圾分揀機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

基于機(jī)器視覺進(jìn)行垃圾分揀的機(jī)器人需要對分揀過程中無法通過磁吸、震篩等傳統(tǒng)方式進(jìn)行處理的高回收價(jià)值目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別分揀，基于此要求，在本垃圾分揀機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中將會(huì)采用機(jī)器視覺和工業(yè)機(jī)械臂相結(jié)合的自動(dòng)化垃圾分揀方案。

基于機(jī)器視覺的垃圾分揀機(jī)器人設(shè)計(jì)主要分為目標(biāo)識(shí)別單元和分揀控制單元兩部分。其中，目標(biāo)識(shí)別單元主要由圖像采集攝像機(jī)、工業(yè)計(jì)算機(jī)等設(shè)備共同組成；分揀控制單元?jiǎng)t由綜合控制設(shè)備、末端執(zhí)行設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人以及工業(yè)機(jī)器人控制設(shè)備共同組成。機(jī)器人設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 總體方案設(shè)計(jì)

1.2 設(shè)備功能分析

（1）圖像采集攝像機(jī)：設(shè)置在垃圾傳送帶上方，主要用于實(shí)時(shí)獲取傳送帶上垃圾的圖像信息，并將所采集到的圖像信息傳遞給工業(yè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行識(shí)別處理。

（2）工業(yè)計(jì)算機(jī)：基于圖像采集攝像機(jī)所傳遞的圖像信息，根據(jù)預(yù)設(shè)的各類垃圾參數(shù)特點(diǎn)，對圖像信息進(jìn)行識(shí)別處理，獲取到垃圾目標(biāo)的實(shí)際空間坐標(biāo)和角度信息，然后將相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞給分揀控制單元，同時(shí)輸出相應(yīng)的控制指令。

（3）綜合控制設(shè)備：其是分揀控制單元的核心，可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)工業(yè)機(jī)器人的同步操控工作。通過控制總線接收工業(yè)計(jì)算機(jī)所傳遞的空間坐標(biāo)、角度信息以及控制指令，然后將相關(guān)信息及指令進(jìn)行轉(zhuǎn)換，發(fā)送給工業(yè)機(jī)器人控制設(shè)備。

（4）工業(yè)機(jī)器人控制設(shè)備：根據(jù)綜合控制設(shè)備所傳遞的控制指令，對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行具體控制。

（5）工業(yè)機(jī)器人：接收工業(yè)機(jī)器人控制設(shè)備的控制指令，實(shí)施具體動(dòng)作軌跡規(guī)劃，以此來驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行設(shè)備。

（6）末端執(zhí)行設(shè)備：根據(jù)控制指令對垃圾目標(biāo)進(jìn)行正確分揀。

1.3 系統(tǒng)布局

根據(jù)上述總體設(shè)計(jì)及設(shè)備功能分析，合理提出基于機(jī)器視覺的垃圾分揀機(jī)器人設(shè)計(jì)布局方案，如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)布局方案

2 目標(biāo)識(shí)別單元設(shè)計(jì)

2.1 軟件設(shè)計(jì)

為保障目標(biāo)識(shí)別單元的應(yīng)用效果，在具體應(yīng)用中需要將機(jī)器學(xué)習(xí)與人機(jī)交互糾錯(cuò)機(jī)制相結(jié)合，提高垃圾分揀機(jī)器人對垃圾分類識(shí)別的正確率?；诖四康?，目標(biāo)識(shí)別單元軟件部分包括深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)、人機(jī)交互糾錯(cuò)接口、綜合處理單元三部分。其中，深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)和綜合處理單元將會(huì)設(shè)置在工業(yè)計(jì)算機(jī)上，保障工業(yè)計(jì)算機(jī)能夠快速識(shí)別、分析傳送帶上的垃圾；人機(jī)交互糾錯(cuò)接口軟件雖然也設(shè)置在工業(yè)計(jì)算機(jī)中，但其可以采用觸摸屏和計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)控制兩種操控模式，方便操作人員對垃圾目標(biāo)進(jìn)行快速處理，為提升識(shí)別目標(biāo)單元正確率提供支持。

2.2 形態(tài)識(shí)別模塊

形態(tài)識(shí)別模塊設(shè)計(jì)中引入了形態(tài)學(xué)知識(shí)，以此為基礎(chǔ)對圖像采集攝像機(jī)所拍攝的各類圖像信息進(jìn)行形態(tài)識(shí)別、提取、剔除、聚類處理，進(jìn)而獲取到圖像信息中的二維坐標(biāo)、角度信息和時(shí)間信息等，然后對目標(biāo)垃圾進(jìn)行跟蹤顯示；判斷各圖像中目標(biāo)垃圾是否為統(tǒng)一目標(biāo)，若是非統(tǒng)一目標(biāo)，則會(huì)再次對圖像中目標(biāo)垃圾的二維坐標(biāo)、角度信息和時(shí)間信息進(jìn)行計(jì)算分析，并將分析結(jié)果傳遞給人工輔助處理模塊；反之，若是統(tǒng)一目標(biāo)，則不傳遞信息。

2.3 識(shí)別算法優(yōu)化

在現(xiàn)有的VGG16網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將VGG16網(wǎng)絡(luò)卷積層上的第三、第四以及第五層進(jìn)行有機(jī)融合，使得優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能適用于垃圾分揀中各類有價(jià)值垃圾的識(shí)別檢測，同時(shí)強(qiáng)化物品角度預(yù)測能力，降低物品角度預(yù)測誤差幾率。

具體來說，識(shí)別算法優(yōu)化主要包含以下三方面內(nèi)容：

（1）將現(xiàn)有VGG16網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的卷積層上第三、第四以及第五層進(jìn)行有機(jī)融合。

（2）將現(xiàn)有的分類回歸損失和角度預(yù)測解相耦合，以此來保障兩者獨(dú)立訓(xùn)練和預(yù)測效果。

（3）通過全卷積網(wǎng)絡(luò)實(shí)施算法訓(xùn)練，保障訓(xùn)練速度的同時(shí)，避免出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)擬合。

2.4 人工輔助模塊

（1）人工糾錯(cuò)模塊：人工糾錯(cuò)模塊會(huì)呈現(xiàn)圖像采集攝像機(jī)所采集的圖像信息，工作人員根據(jù)圖像變化來判斷圖像識(shí)別的有效性，并將系統(tǒng)識(shí)別過程中有明顯錯(cuò)誤的目標(biāo)去除，有效信息會(huì)自動(dòng)傳遞給綜合處理單元進(jìn)行分析處理。

（2）人工輔助處理模塊：同人工糾錯(cuò)模塊相類似，人工輔助處理模塊也需要對圖像信息進(jìn)行分析判斷，然后將圖像中系統(tǒng)識(shí)別到的缺漏目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)記。在人工標(biāo)記后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)分析標(biāo)記目標(biāo)的二維坐標(biāo)、角度信息以及時(shí)間信息，并將相關(guān)信息傳遞給綜合處理單元處理。

2.5 綜合處理單元

綜合處理單元在接收到人工糾錯(cuò)接口和人工輔助處理模塊所傳遞的錯(cuò)誤目標(biāo)或者缺漏目標(biāo)信息后，會(huì)自動(dòng)分析處理目標(biāo)在圖像中的二維坐標(biāo)信息、角度信息以及時(shí)間信息，去除錯(cuò)誤目標(biāo)，添加缺漏目標(biāo)，為后續(xù)分揀控制單元的有效控制提供參考。在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于目標(biāo)垃圾處于時(shí)刻運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以，為解決同一目標(biāo)在連續(xù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的信息提取問題，還需要在設(shè)計(jì)中引入基于機(jī)器視覺的目標(biāo)信息提取方法，實(shí)時(shí)記錄和綜合分析目標(biāo)垃圾在每種圖像狀態(tài)下的坐標(biāo)參數(shù)變動(dòng)情況，結(jié)合角度、時(shí)間等參數(shù)來實(shí)現(xiàn)圖像對比，實(shí)現(xiàn)同一目標(biāo)的動(dòng)態(tài)化信息提取。

3 分揀控制單元設(shè)計(jì)

3.1 坐標(biāo)系設(shè)計(jì)

（1）圖像坐標(biāo)系：將圖像采集攝像機(jī)所采集圖像的左下角坐標(biāo)作為原點(diǎn)，然后根據(jù)圖像的像素情況劃分圖像坐標(biāo)點(diǎn)，例如：圖像大小為1600×1200dpi，那么圖像坐標(biāo)系原點(diǎn)相對應(yīng)的右上角點(diǎn)的坐標(biāo)即為（1600，1200）。

（2）傳送帶坐標(biāo)系：同圖像坐標(biāo)系相類似，傳送帶坐標(biāo)系也需要將左下角的某一固定邊緣點(diǎn)設(shè)定為坐標(biāo)系原點(diǎn)，此坐標(biāo)系的X軸則為傳送帶的行進(jìn)方向，Y軸則是傳送帶行進(jìn)方向的垂直方向。

（3）多機(jī)械手坐標(biāo)：機(jī)械手在傳送帶坐標(biāo)系上的平面坐標(biāo)點(diǎn)將會(huì)以機(jī)械手與傳送帶交點(diǎn)為基準(zhǔn)，具體空間坐標(biāo)系將會(huì)采用傳遞帶坐標(biāo)系。

（4）人機(jī)交互界面坐標(biāo)系：以任意交互界面最左下角像素點(diǎn)作為原點(diǎn)，根據(jù)界面構(gòu)建坐標(biāo)系。

3.2 多機(jī)械手控制

綜合控制設(shè)備會(huì)將接收到的目標(biāo)識(shí)別單元所傳遞的目標(biāo)信息和相關(guān)指令存儲(chǔ)在緩存區(qū)，然后根據(jù)目標(biāo)信息預(yù)測目標(biāo)在傳送帶上的后續(xù)坐標(biāo)信息，進(jìn)而控制距離目標(biāo)最近的機(jī)械手對目標(biāo)進(jìn)行抓取。在此過程中，綜合控制設(shè)備會(huì)時(shí)刻判斷緩沖區(qū)內(nèi)是否存在新目標(biāo)的二維坐標(biāo)和角度信息，若存在，則會(huì)根據(jù)新目標(biāo)的二維坐標(biāo)和角度信息發(fā)出新的控制指令。

結(jié)束語：綜上，為滿足當(dāng)前環(huán)境保護(hù)及可持續(xù)發(fā)展相關(guān)需要，本文提出一種基于機(jī)器視覺的垃圾分揀機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，此設(shè)計(jì)方案主要分為目標(biāo)識(shí)別單元和分揀控制單元兩部分內(nèi)容，其中目標(biāo)識(shí)別單元主要負(fù)責(zé)對機(jī)器視覺圖像進(jìn)行識(shí)別、分析及處理，為分揀控制單元提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息支持；分揀控制單元?jiǎng)t可以根據(jù)目標(biāo)識(shí)別單元所提供的信息參數(shù)，控制垃圾分揀機(jī)器人完成垃圾分揀操作。結(jié)合實(shí)際情況來看，此設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對在垃圾分揀過程中，無法通過磁吸、震篩等傳統(tǒng)方式進(jìn)行分揀處理的高回收價(jià)值目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別分揀。本方案雖然未涉及到具體算法、設(shè)備型號(hào)以及控制代碼相關(guān)內(nèi)容，但該方案仍可以作為后續(xù)垃圾分揀機(jī)器人設(shè)計(jì)的參考。