一種智能球形物體回收機器人系統及方法與流程
2023-10-04 02:37:04 2
本發明涉及機器人領域，特別涉及一種智能球形物體回收機器人系統及方法。
背景技術：
機器人（Robot）是自動執行工作的機器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運行預先編排的程序，也可以根據以人工智慧技術制定的原則綱領行動。它的任務是協助或取代人類工作的工作，例如生產業、建築業，或是危險的工作。
近年來，隨著改革開放的不斷深化，人民生活水平有了極大的提高，更多的人參與到體育鍛鍊中來，運動員的水平也有了飛躍性地上升，在訓練、比賽中提高效率顯得越來越重要。而在訓練場地以及比賽現場，如果能在不需要人工控制的情況下，就自動將練習時擊出的大量桌球、網球以及可能構成不安全因素的鉛球等球類撿回，無疑會減少運動員或工作人員的不必要的勞動，極大地提高訓練、比賽的效率。
技術實現要素：
鑑於此，本發明提供了一種智能球形物體回收機器人系統及方法，該發明具有：識別準確、結構簡單、實用性強和成本低等優點。
本發明採用的技術方案如下：
一種智能球形物體回收機器人系統，其特徵在於，所述系統包括：圖像採集裝置、中央處理器、回收裝置和運動裝置；所述中央處理器包括：攝像頭定位模塊、機器人控制模塊和機械臂控制模塊；所述攝像頭定位模塊分別信號連接於圖像採集裝置、機器人控制模塊和機械臂控制模塊；所述機器人控制模塊信號連接於運動裝置；所述機械臂控制模塊信號連接於回收裝置。
所述攝像頭定位模塊包括：圖像分割模塊、空間轉換模塊、相似度計算模塊和判斷模塊；所述圖像分割模塊分別信號於圖像採集裝置和空間轉換模塊，用於將採集到的原始圖像中的球體區域從背景中分離出來；所述空間轉換模塊信號連接於相似度計算模塊，用於將分離出來的球體區域圖像從RGB色彩空間轉換到YCBCR色彩空間；所述相似度計算模塊信號連接於判斷模塊，用於對YCBCR色彩空間的圖像信息進行球色相似度值計算；所述判斷模塊，用於根據相似度計算模塊的計算結果，判斷球體的種類，得出判斷結果，發送控制命令至各個功能模塊。
所述回收裝置包括：回收電機、機械臂和箱體；所述回收電機分別信號連接於機械臂控制模塊和機械臂，用於根據機械臂控制模塊發送過來的控制命令，控制機械臂的運行；所述箱體，用於存放回收的球類物體。
所述運動裝置包括：滾輪和步進電機；所述步進電機信號連接於機器人控制模塊，用於根據機器人控制模塊發送過來的信號控制步進電機進行左轉，右轉和前進的運動。
所述圖像採集裝置包括：攝像頭和旋轉控制裝置；所述攝像頭信號連接於旋轉控制裝置，用於獲取原始的圖像信息；所述旋轉控制裝置信號連接於攝像頭定位模塊，用於根據攝像頭定位模塊發送過來的控制信息控制攝像頭進行旋轉。
一種基於智能球形物體回收機器人系統的方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟：
步驟1：圖像採集裝置通過攝像頭觀察周圍環境，將採集到的原始圖像發送給中央處理器，中央處理器對原始圖像進行處理後，控制機器人尋找球形物體，當視野中出現一個或多個完整的球形物體時根據近大遠小選擇最大的一個調整機器人位置使球形物體正好位於機器人視野正中心；
步驟2：機器人控制模塊控制機器人運動，在運動過程中不斷校正機器人方向，確定使其正對要撿起的球形物體，最後使機器人到達球形物體位置；
步驟3：機器人進入撿球模式，機械臂控制模塊控制機器人的機械臂撿起球形物體，使得球形物體落入箱體中；
步驟4：圖像採集裝置繼續掃描其他目標進行撿拾，按遠近關係依次撿完球場上所有的球形物體。攝像頭觀察檢測到沒有剩餘球形物體時找尋返回位置標誌返回，完成任務。
所述處理器對原始圖像進行處理的方法包括以下步驟：
步驟1：攝像頭拍下照片，將原始圖像數據信息發送給攝像頭定位模塊；
步驟2：攝像頭定位模塊對接收到的原始圖像進行圖像分割，將原始圖像中的球形物體的區域從背景中分離出來；
步驟3：攝像頭定位模塊對將分離出來的球體區域圖像從RGB色彩空間轉換到YCBCR色彩空間；
步驟4：:攝像頭定位模塊對YCBCR色彩空間的圖像信息進行球色相似度值計算；
步驟5：:攝像頭定位模塊根據相似度計算模塊的計算結果，判斷球體的種類，得出判斷結果，發送控制命令至各個功能模塊。
所述攝像頭定位模塊對YCBCR色彩空間的圖像信息進行球色相似度值計算的方法包括以下步驟：
步驟1：根據球體顏色在YCBCR色彩空間的概率分布特性，建立一個搞死球色模型，得到其概率密度函數為：
;其中C為協方差矩陣；
步驟2：求取協方差矩陣在YCBCR色彩空間中各個灰度值的分量為 和 ；
步驟3：根據秋色相似度計算公式： ;計算單個像素的球色相似度值,進而得到整幅圖像的最大球色相似度值。每一點像素的球色相似度值除以最大球色相似度值,作為該點的灰度值,從而得到球色相似度。
採用以上技術方案，本發明產生了以下有益效果：
1、結構簡單：本發明的機器人結構簡單，容易組裝，各個部分可以單獨生產，適用於工業化生產。
2、成本低：本發明的機器人機械部分結構簡單，造價低；大幅度降低了機器人的成本。
3、實用性強：本發明的機器人採用圖像識別技術進行控制，比起傳統的採用傳感器製作而成的機器人，其運行效率更高，對於物體識別更加準確。
採用以上技術方案，本發明產生了以下有益效果：
1、識別準確：本發明的機器人對於球形物體的識別在圖像處理的基礎上，進行了空間域的轉換處理，同時採用球色相似度計算的方法對球形物體進行計算，使得計算和識別結果更加準確。
2、結構簡單：本發明的機器人結構簡單，容易組裝，各個部分可以單獨生產，適用於工業化生產。
3、成本低：本發明的機器人機械部分結構簡單，造價低；大幅度降低了機器人的成本。
4、實用性強：本發明的機器人採用圖像識別技術進行控制，比起傳統的採用傳感器製作而成的機器人，其運行效率更高，對於物體識別更加準確。
附圖說明
圖1是本發明實施例中一種智能球形物體回收機器人系統及方法的系統的流程圖。
具體實施方式
本說明書中公開的所有特徵，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特徵和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
本說明書（包括任何附加權利要求、摘要）中公開的任一特徵，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特徵加以替換。即，除非特別敘述，每個特徵只是一系列等效或類似特徵中的一個例子而已。
本發明實施例1中提供了一種智能球形物體回收機器人系統，系統結構圖如圖1所示：
一種智能球形物體回收機器人系統，其特徵在於，所述系統包括：圖像採集裝置、中央處理器、回收裝置和運動裝置；所述中央處理器包括：攝像頭定位模塊、機器人控制模塊和機械臂控制模塊；所述攝像頭定位模塊分別信號連接於圖像採集裝置、機器人控制模塊和機械臂控制模塊；所述機器人控制模塊信號連接於運動裝置；所述機械臂控制模塊信號連接於回收裝置。
所述攝像頭定位模塊包括：圖像分割模塊、空間轉換模塊、相似度計算模塊和判斷模塊；所述圖像分割模塊分別信號於圖像採集裝置和空間轉換模塊，用於將採集到的原始圖像中的球體區域從背景中分離出來；所述空間轉換模塊信號連接於相似度計算模塊，用於將分離出來的球體區域圖像從RGB色彩空間轉換到YCBCR色彩空間；所述相似度計算模塊信號連接於判斷模塊，用於對YCBCR色彩空間的圖像信息進行球色相似度值計算；所述判斷模塊，用於根據相似度計算模塊的計算結果，判斷球體的種類，得出判斷結果，發送控制命令至各個功能模塊。
所述回收裝置包括：回收電機、機械臂和箱體；所述回收電機分別信號連接於機械臂控制模塊和機械臂，用於根據機械臂控制模塊發送過來的控制命令，控制機械臂的運行；所述箱體，用於存放回收的球類物體。
所述運動裝置包括：滾輪和步進電機；所述步進電機信號連接於機器人控制模塊，用於根據機器人控制模塊發送過來的信號控制步進電機進行左轉，右轉和前進的運動。
所述圖像採集裝置包括：攝像頭和旋轉控制裝置；所述攝像頭信號連接於旋轉控制裝置，用於獲取原始的圖像信息；所述旋轉控制裝置信號連接於攝像頭定位模塊，用於根據攝像頭定位模塊發送過來的控制信息控制攝像頭進行旋轉。
本發明實施例2中提供了一種基於智能球形物體回收機器人系統的方法，具體步驟如下：
一種基於智能球形物體回收機器人系統的方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟：
步驟1：圖像採集裝置通過攝像頭觀察周圍環境，將採集到的原始圖像發送給中央處理器，中央處理器對原始圖像進行處理後，控制機器人尋找球形物體，當視野中出現一個或多個完整的球形物體時根據近大遠小選擇最大的一個調整機器人位置使球形物體正好位於機器人視野正中心；
步驟2：機器人控制模塊控制機器人運動，在運動過程中不斷校正機器人方向，確定使其正對要撿起的球形物體，最後使機器人到達球形物體位置；
步驟3：機器人進入撿球模式，機械臂控制模塊控制機器人的機械臂撿起球形物體，使得球形物體落入箱體中；
步驟4：圖像採集裝置繼續掃描其他目標進行撿拾，按遠近關係依次撿完球場上所有的球形物體。攝像頭觀察檢測到沒有剩餘球形物體時找尋返回位置標誌返回，完成任務。
所述處理器對原始圖像進行處理的方法包括以下步驟：
步驟1：攝像頭拍下照片，將原始圖像數據信息發送給攝像頭定位模塊；
步驟2：攝像頭定位模塊對接收到的原始圖像進行圖像分割，將原始圖像中的球形物體的區域從背景中分離出來；
步驟3：攝像頭定位模塊對將分離出來的球體區域圖像從RGB色彩空間轉換到YCBCR色彩空間；
步驟4：:攝像頭定位模塊對YCBCR色彩空間的圖像信息進行球色相似度值計算；
步驟5：:攝像頭定位模塊根據相似度計算模塊的計算結果，判斷球體的種類，得出判斷結果，發送控制命令至各個功能模塊。
所述攝像頭定位模塊對YCBCR色彩空間的圖像信息進行球色相似度值計算的方法包括以下步驟：
步驟1：根據球體顏色在YCBCR色彩空間的概率分布特性，建立一個搞死球色模型，得到其概率密度函數為：
;其中C為協方差矩陣；
步驟2：求取協方差矩陣在YCBCR色彩空間中各個灰度值的分量為 和 ；
步驟3：根據秋色相似度計算公式：;計算單個像素的球色相似度值,進而得到整幅圖像的最大球色相似度值。每一點像素的球色相似度值除以最大球色相似度值,作為該點的灰度值,從而得到球色相似度。
本發明實施例3中提供了一種智能球形物體回收機器人系統及方法，系統結構圖如圖1所示：
一種智能球形物體回收機器人系統，其特徵在於，所述系統包括：圖像採集裝置、中央處理器、回收裝置和運動裝置；所述中央處理器包括：攝像頭定位模塊、機器人控制模塊和機械臂控制模塊；所述攝像頭定位模塊分別信號連接於圖像採集裝置、機器人控制模塊和機械臂控制模塊；所述機器人控制模塊信號連接於運動裝置；所述機械臂控制模塊信號連接於回收裝置。
所述攝像頭定位模塊包括：圖像分割模塊、空間轉換模塊、相似度計算模塊和判斷模塊；所述圖像分割模塊分別信號於圖像採集裝置和空間轉換模塊，用於將採集到的原始圖像中的球體區域從背景中分離出來；所述空間轉換模塊信號連接於相似度計算模塊，用於將分離出來的球體區域圖像從RGB色彩空間轉換到YCBCR色彩空間；所述相似度計算模塊信號連接於判斷模塊，用於對YCBCR色彩空間的圖像信息進行球色相似度值計算；所述判斷模塊，用於根據相似度計算模塊的計算結果，判斷球體的種類，得出判斷結果，發送控制命令至各個功能模塊。
所述回收裝置包括：回收電機、機械臂和箱體；所述回收電機分別信號連接於機械臂控制模塊和機械臂，用於根據機械臂控制模塊發送過來的控制命令，控制機械臂的運行；所述箱體，用於存放回收的球類物體。
所述運動裝置包括：滾輪和步進電機；所述步進電機信號連接於機器人控制模塊，用於根據機器人控制模塊發送過來的信號控制步進電機進行左轉，右轉和前進的運動。
所述圖像採集裝置包括：攝像頭和旋轉控制裝置；所述攝像頭信號連接於旋轉控制裝置，用於獲取原始的圖像信息；所述旋轉控制裝置信號連接於攝像頭定位模塊，用於根據攝像頭定位模塊發送過來的控制信息控制攝像頭進行旋轉。
一種基於智能球形物體回收機器人系統的方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟：
步驟1：圖像採集裝置通過攝像頭觀察周圍環境，將採集到的原始圖像發送給中央處理器，中央處理器對原始圖像進行處理後，控制機器人尋找球形物體，當視野中出現一個或多個完整的球形物體時根據近大遠小選擇最大的一個調整機器人位置使球形物體正好位於機器人視野正中心；
步驟2：機器人控制模塊控制機器人運動，在運動過程中不斷校正機器人方向，確定使其正對要撿起的球形物體，最後使機器人到達球形物體位置；
步驟3：機器人進入撿球模式，機械臂控制模塊控制機器人的機械臂撿起球形物體，使得球形物體落入箱體中；
步驟4：圖像採集裝置繼續掃描其他目標進行撿拾，按遠近關係依次撿完球場上所有的球形物體。攝像頭觀察檢測到沒有剩餘球形物體時找尋返回位置標誌返回，完成任務。
所述處理器對原始圖像進行處理的方法包括以下步驟：
步驟1：攝像頭拍下照片，將原始圖像數據信息發送給攝像頭定位模塊；
步驟2：攝像頭定位模塊對接收到的原始圖像進行圖像分割，將原始圖像中的球形物體的區域從背景中分離出來；
步驟3：攝像頭定位模塊對將分離出來的球體區域圖像從RGB色彩空間轉換到YCBCR色彩空間；
步驟4：:攝像頭定位模塊對YCBCR色彩空間的圖像信息進行球色相似度值計算；
步驟5：:攝像頭定位模塊根據相似度計算模塊的計算結果，判斷球體的種類，得出判斷結果，發送控制命令至各個功能模塊。
所述攝像頭定位模塊對YCBCR色彩空間的圖像信息進行球色相似度值計算的方法包括以下步驟：
步驟1：根據球體顏色在YCBCR色彩空間的概率分布特性，建立一個搞死球色模型，得到其概率密度函數為：
;其中C為協方差矩陣；
步驟2：求取協方差矩陣在YCBCR色彩空間中各個灰度值的分量為 和 ；
步驟3：根據秋色相似度計算公式： ;計算單個像素的球色相似度值,進而得到整幅圖像的最大球色相似度值。每一點像素的球色相似度值除以最大球色相似度值,作為該點的灰度值,從而得到球色相似度。
本發明並不局限於前述的具體實施方式。本發明擴展到任何在本說明書中披露的新特徵或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。