一種新型垃圾處理機械手系統及其智能控制方法

王慰慰

（國家知識產權局專利局專利審查協作 廣東中心，廣東 廣州 510530）

0 引言

據國家旅游局發布的《中國旅游業統計公報》統計，2010 年至2013 年，國內旅游人數分別為21.03 億、26.41 億、29.57 億、32.62 億，國內旅游人數的快速增長一定程度上體現了旅游業總體的快速發展。然而，旅游垃圾也隨著旅游人數的增長而成正比增長。以礦泉水瓶、易拉罐、飲料罐（鍍錫鐵）、玻璃瓶為主的瓶罐類垃圾是旅游垃圾的主要組成部分之一，均屬于可回收類垃圾，而人工將這些瓶罐從旅游垃圾中分揀出來并進行分類，不僅勞動量大，而且效率較低，另外，旅游垃圾中的有害物質也會損害工人的身體健康。故本文提出一種能夠將上述瓶罐從旅游垃圾中分揀并自動進行分類的機械手系統，通過智能化控制實現全自動地高效作業。

1 機械手系統結構設計

1.1 機械手系統整體

如圖1 所示，機械手系統整體結構主要包括支架1、兩個機械手a 和b、傳送帶2、八個分類箱3、八個分類板4。機械手a 和b 結構相同，均為四自由度機械手。

支架1 包括4 根支柱1a 和4 根橫梁1b，其中一對相對設置的橫梁1b 上分別設置有X 向導軌5，每個X 向導軌5 上均設有兩個X 向滑塊6，四個X 向驅動氣缸7 分別固定在上述一對相對設置的橫梁1b 的兩端。

圖1 機械手系統整體結構Fig.1 The overall structure of the manipulator system

圖2 A 處局部放大圖Fig.2 The enlarged view of A

兩Y 向臂8 與另外一對橫梁1b 平行設置，并且每個Y 向臂8 分別與兩對應X 向滑塊6固接。Y 向臂8 上設置有Y 向導軌9 和Y 向驅動氣缸10，Y 向導軌9 上設置一Y 向滑塊11。

如圖2 所示，Y 向滑塊11 一側固定安裝有Z 向旋轉電機12，與輸出軸止轉連接的齒輪與齒輪15 嚙合，齒輪15 與Z 向旋轉軸14 止轉連接，Z 向旋轉軸14 通過與Y 向滑塊11 固定連接的上連接塊16 和下連接塊17 而保持。如圖1所示，Z 向旋轉軸14 下端與連接座18 的背板18a 止轉連接，連接座18 的橫板18b 固接在背板18a 的下端，橫板18b 上固定有Z 向驅動氣缸19，并且設置有兩個導向孔。安裝座21 包括頂板21a 和兩支撐板21b，頂板21a 上設置兩根導向柱。

傳送帶2 沿X 向設置在支架1 內，間歇性地輸送旅游垃圾。八個分類箱3 均布在傳送帶2 兩側，分類板4設置在傳送帶2 和分類箱3 之間，并且分類板4 靠近傳送帶2 的一側高于與靠近分類箱3 的一側，從而在末端執行器20 將夾持瓶罐在分類板4 上松開時，瓶罐在自重作用下滑入對應分類箱3。

1.2 末端執行器

圖3 末端執行器及B 處局部放大圖Fig.3 The end effector and the enlarged view of B

如圖3 所示，采用3 根交錯設置的夾爪提高了對瓶罐夾持的有效性。末端執行器包括夾持氣缸201、雙面齒條202、齒輪203 和204 以及三根夾爪205。

夾持氣缸201 的活塞桿與雙面齒條202 一端固接，齒輪203 和204 分別與齒輪軸206 和207 止轉連接，齒輪軸206 和207轉動連接在兩支撐板21b 之間，且齒輪203和204 分別與雙面齒條202 的其中一面嚙合。兩根夾爪205 與齒輪軸206 止轉連接，并且位于齒輪203 的兩側，另外一根夾爪205 與齒輪軸207 止轉連接，且該夾爪與齒輪204 在齒輪軸207 上的位置相對應。

2 智能控制系統

智能控制系統包括圖像采集模塊、圖像處理模塊、路徑規劃模塊a 和b、種類識別模塊a 和b、運動控制模塊a 和b、傳感器模塊。圖像采集模塊由安裝在與Y向臂平行的兩橫梁1b 上的六個攝像機a 以及安裝在安裝座21 上的攝像機b 組成。傳感器模塊包括安裝在各夾爪上的壓力傳感器以及安裝在安裝座21 上的紅外傳感器。智能控制流程如下：

2.1 系統初始化

系統初始化，機械手a 和b 運行至各自的初始位置，并保持初始姿態。裝有旅游垃圾的傳送帶2 向前運動一定距離，該距離與兩機械手在X 向的運動范圍相等。

2.2 全局圖像采集及瓶罐位姿的確定

首先，六個攝像機a 采集傳送帶2 上旅游垃圾的圖像并傳送至圖像處理模塊，通過分析與計算，得到工作區域內傳送帶2 上所有瓶罐的位姿信息，并用XiYj（i=1～N，j=1～M，X 表示行，Y 表示列）來表示瓶罐在傳送帶2 平面內的坐標值，將瓶罐在傳送帶2 上的坐標值從小到大依次排列（首先比較列的大小，列所對應的值越大，則坐標值越大，如坐標值X3Y2＜X2Y3，若列相同，行所對應的值越大，則坐標值越大，如X2Y3＜X3Y3），將坐標值的該排列與對應瓶罐的位姿信息一一對應儲存，并將坐標值最小和最大瓶罐的位姿信息對應發送至路徑規劃模塊a 和路徑規劃模塊b。

2.3 夾持運動路徑規劃

路徑規劃模塊a 根據坐標值最小瓶罐的位姿信息以及機械手a 當前的位置及姿態信息規劃機械手a 的夾持運動路徑，并發送至運動控制模塊a，控制機械手a 各向驅動氣缸以及Z 向旋轉電機的運動。同時，路徑規劃模塊b 根據坐標值最大瓶罐的位姿信息以及機械手b 當前的位置及姿態信息規劃機械手b 的夾持運動路徑，并發送至運動控制模塊b，控制機械手b 各向驅動氣缸以及Z 向旋轉電機的運動。

2.4 目標瓶罐圖像采集及夾持運動路徑實時修正

機械手a 和b 開始運動，攝像機a 停止工作，攝像機b 開始工作，實時采集目標瓶罐的圖像，通過圖像處理模塊計算得到所采集圖像中目標瓶罐的位姿信息，將該位姿信息與存儲在圖像處理模塊中的位姿信息進行比較，并將該誤差輸入模糊控制器，模糊控制器的輸出發送至路徑規劃模塊，實時調整機械手a 和b 的夾持運動路徑，從而準確地到達目標瓶罐。

當通過攝像機b 采集到的圖像識別出末端執行器運動到目標瓶罐處時，運動控制模塊發布命令，控制夾持氣缸運動，完成對目標瓶罐的夾持。

2.5 種類識別

當夾爪上的壓力傳感器檢測到夾爪與被夾持瓶罐間的壓力大于預先設定的閾值時，運動控制模塊啟動安裝座上的紅外傳感器，紅外傳感器將采集到的數據傳輸至種類識別模塊，根據不同材料對紅外輻射的吸收程度不同來識別所夾持瓶罐的種類，并將該種類信息發送至對應路徑規劃模塊。

2.6 分類路徑規劃

路徑規劃模塊根據目前機械手位置以及所夾持瓶罐對應種類的分類板位置規劃機械手的分類路徑，并發送至對應運動控制模塊，控制各向驅動氣缸運動，在將夾持瓶罐的末端執行器運動至對應分類箱的分類板時，夾持氣缸驅動夾爪松開，瓶罐在自身重力作用下，由分類板滑至分類箱，此時完成一瓶罐從旅游垃圾中的夾持及分類。

重復步驟（2.3～2.6）：機械手在上一瓶罐的松開時位姿信息為下一瓶罐夾持時起始位姿信息，機械手a 和b 分別從坐標序列的兩端開始瓶罐的夾持與分類，重復步驟（2.3～2.6），直至將工作區域中傳送帶2 上的瓶罐全部分類完畢。重復步驟（2.1～2.7）：傳送帶2 向前移動一定距離，重復步驟（2.1～2.7）。

3 總結

本文機械手系統中設置兩個結構相同的機械手同時工作，每個機械手在三個方向上的移送均采用氣缸驅動，并加入了一轉動自由度，機械手的末端執行器采用三根交錯布置的夾爪。智能控制系統中加入模糊控制，并通過紅外傳感器快速識別夾持瓶罐的種類。本機械手系統結構簡單，響應快，便于控制，提高了夾持的有效性。采用上述智能控制系統，使機械手能夠準確到達目標瓶罐，并實現自動分類。本文提出的垃圾處理機械手系統及其智能控制方法解決了旅游垃圾中瓶罐分揀及分類的問題，為旅游業的健康發展提供了技術支撐。

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