軌道式垃圾回收機器人設計與分析

李阿為，張廣良

(西安航空學院 機械工程學院, 陜西 西安 710077)

0 引言

隨著科技的進步，機器人行業也迅速發展，特別是雙臂機器人已在災難營救、科學考察、地質勘探等領域得到應用，對人類征服自然、了解地球、探索宇宙具有重要意義[1]。機器人將形成一個巨大的產業，對國家的綜合國力和可持續發展有著深遠的影響，是衡量一個國家制造業和科技水平的重要標志[2]。

裴文良等人設計了一種軌道式巡檢機器人，討論了巡檢機器人數據采集系統的功能與結構，介紹了控制系統的軟件設計方法[3]。周明靜等人針對煤礦井下皮帶運輸機等設備巡檢、監控問題，研制了一種軌道式、可代替人工巡檢功能的礦用井下巡檢機器人裝置，利用該巡檢機器人可以實現對煤礦井下皮帶運輸機、刮板機等大型設備的自動巡檢，實現無人值守，從根本上減輕巡檢人員的勞動強度，最大限度提升煤礦的安全管理[4]。胡楠等人針對配電房等室內電力系統供電設備自動巡檢的需求，提出了以微控制器MSP430F5438為核心的自動巡檢機器人控制系統總體設計方案，可以實現巡檢機器人對配電房供電設備的自動巡檢[5]。吳威等人為了解決傳統的閥廳人工巡檢方式所存在的效率低下、巡檢覆蓋率與及時性等無法得到保證的問題，開發設計了基于智能軌道的閥廳巡檢機器人系統[6]。肖龍雪等人設計了一種內頂軌道驅動式課桌清潔機器人,主要面向高校教室常用的敞開式課桌的清潔作業。該清掃機器人能夠進行自動化課桌清潔工作,對教室環境里常見的垃圾具有良好的清掃能力[7]。王化玲等人根據機器人巡檢的工作狀況及環境，開發了一種適于換流站巡檢的組合式軌道機器人[8]。王嫦娟等人研究設計了一種收集裝置，主要組成部分為垃圾集裝箱、減速器、起重臂、電動推桿、鏈條鏈輪部裝、絲杠螺母部裝、定滑輪部裝、張緊輪部裝、電器及潤滑系統等[9]。

隨著我國高速公路的不斷建設，目前我國高速公路總長已超過了13.1萬公里，由于擁堵現象時常發生，導致了嚴重的垃圾問題。我國在清掃垃圾機器人方面已經有了許多研究，但基本上都是應用于家庭、公共場所等，在高速公路上清理垃圾的機器人還未有報道。面對這種情況，本文針對室外作業、高速公路的環境進行了軌道式高速公路專用垃圾回收機器人的結構設計，對其部分的結構進行了運動分析和功能性的運動仿真，然后從實際出發進行了結構設計與優化。

1 機械結構設計

機器人主要由機器人殼體、末端手爪、關節臂以及控制系統4個部分組成。機器人殼體是用來連接關節臂、垃圾回收裝置、光伏發電裝置以及懸掛裝置，實現在高速路上不占用車道以及在防護欄上平穩地運行。末端手爪可以進行旋轉以及夾持動作，其整個運動過程可以將路面上的易拉罐等垃圾夾住并放入垃圾回收裝置中。關節臂由3段式組成，前2節關節臂可進行旋轉，第3節關節臂進行偏轉。本次設計的末端手爪以及關節臂主要是用來實現垃圾回收機器人抓取垃圾和放置垃圾的功能。運動時主要由懸掛裝置將其懸掛在高速路路邊雙波形防護欄上，以雙波形防護欄為軌道進行前進或者后退運動。其工作流程是由光伏發電供電，關節臂上的電機正反轉控制機械臂的運動，使得末端手爪接近物品，末端手爪上的電機控制末端手爪的張開與閉合進行物品的夾持，然后放入垃圾筐中。軌道式高速公路專用垃圾回收機器人總裝配圖如圖1所示。

1—懸掛裝置； 2—收集垃圾裝置；3—光合發電裝置；4—電機；5—末端手爪手掌；6—驅動元件；7—驅動搖桿；8—手指；9—從動搖桿；10—轉動元件；11—末端手爪滑動元件；12—末端手爪旋轉裝置；13—第3節關節臂；14—第2節關節臂；15—電機；16—第1節關節臂；17—電機；18—機器人輪子。圖1 機器人的總裝配圖

機器人末端手爪由手指、驅動搖桿、從動搖桿、驅動元件、末端手爪手掌元件、轉動元件、電機、滑動元件、旋轉裝置等元件組成，其運動過程是由旋轉裝置進行旋轉，則末端手爪就可以夾持各種角度的物品(易拉罐)，由轉動元件帶動滑動元件，從而帶動驅動元件，由驅動元件帶動驅動搖桿，則末端手爪進行張開與閉合運動。

1—手指；2—驅動搖桿；3—從動搖桿；4—驅動元件；5—末端手爪手掌元件；6—轉動元件；7—電機；8—滑動元件；9—旋轉裝置。圖2 機械手結構圖

高速路常用護欄立柱高為1200mm、1500mm，立柱預埋為250mm～300mm，即關節臂到路面長1000mm左右。由此設計出零件尺寸，見表1。

表1 零件部分尺寸 單位：mm

第1節關節臂用來連接機器人以及第2節關節臂，其驅動方式是用電機連接軸直接驅動關節臂的運轉，其運動方式為旋轉；第2節關節臂負責旋轉運動以及連接作用；第3節關節臂與第2節關節臂連接，第3節關節臂做偏轉運動，并且與末端手爪相連，其相連處末端手爪有旋轉裝置。

2 仿真分析

本文設計的垃圾回收機器人是用于高速公路環境下進行垃圾清理的，由于人們在此環境下清理垃圾具有一定的危險性，本設計較好地解決了高速公路垃圾難處理的難題。

通過在UG軟件三維建模及參數的設置，對垃圾回收機器人進行運動學仿真，仿真總時長是25s，總步長是100，具體仿真結果如圖3-圖6所示。為了更加直觀地表現出各個關節的運動情況，初始狀態的關節臂與末端手爪統一平行，基本上處于同一高度位置，即1.00 m，方便后面的運動與初始狀態作比較。

圖3 初始狀態

圖4 第1關節臂旋轉5 s后

圖5 第2關節臂旋轉5 s后

圖6 15 s時末端手爪狀態

由圖3-圖6的運動過程，求解了第1關節、第2關節和末端手爪的角位移曲線、速度曲線，具體變化趨勢如圖7-圖12所示，且由圖7和圖8知第1關節角位移最大值為90.769 rad、最小值為84.728 rad，最大速度為34.964mm/s，0.25s時速度為6.643mm/s；同理可得第2關節、末端手爪的位移和速度數值。由表1零件部分尺寸，結合各關節臂尺寸及角位移情況可求解其運動作業范圍，為回收機器人的設計提供了數值基礎。

圖7 第1節關節臂前5 s角位移曲線

圖8 第1節關節臂前5 s速度曲線

圖9 第2節關節臂10 s～15 s角位移曲線

圖10 第2節關節臂10 s～15 s速度曲線

圖11 末端手爪15 s～20 s旋轉角位移曲線

圖12 末端手爪15 s～20 s旋轉速度曲線

3 PLC控制

為實現機器人的自動化作業，選取西門子PLC來控制關節臂的運動、末端手爪的旋轉及開合動作以及機器人整體在防護欄上的運行等。根據控制的需要，列出I/O分配表，如表2所示。

表2 I/O分配表

仿真結果說明：啟動仿真程序處于運行狀態，實時監控程序運行過程。按下啟動按鈕I0.0，程序開始運行，高速脈沖輸出端Q0.0顯示結果為運行狀態，且發出高速脈沖。脈沖發生器一直處于發生狀態，當某臺電機動作的時候，其電機的脫開指令不動作，此時這臺電機與驅動器完全接通，處于運行狀態，其他電機則脫開指令動作，也就意味著其他電機不動作。圖13為Q0.3和Q0.5通電，此時對應的電機M1和M3處于動作狀態。若按下停止按鈕I0.1時，脈沖發生器停止發生脈沖并且清零，則電機停止運轉。仿真結果顯示速度、加速度運行過程沒有突變，運行平穩。

4 結語

本設計是針對高速公路上收集易拉罐等垃圾而設計一款收集的機器人。首先進行了機器人的結構設計，它是以防護欄為軌道沿著高速路運行，根據防護欄的高度以及尺寸大小進行機器人機構尺寸的設計，選擇機械臂為3節式，機械手采用4桿機構，且可以做旋轉運動。使用NX三維軟件對機器人進行零件的建模以及整體裝配，用運動仿真模塊對機器人進行運動仿真，分析其可行性。用西門子S7-200進行控制系統的編程并進行了仿真，分析可行性。

圖13 仿真結果示意圖