一種氣動機器人垃圾分揀系統的設計與分析

王 華

(商丘職業技術學院機電工程系， 河南商丘 476005)

引言

隨著人們生活水平的提高及城鎮化的快速發展，城市規模逐漸擴大，人口密度逐漸增加，但隨之而來產生的生活垃圾、建筑垃圾也在不斷增加，對自然生態環境造成極大破壞，實現生活垃圾、建筑垃圾分類投放非常必要[1]。目前，生活垃圾、建筑垃圾分類仍采用人工流水線分揀方式，該方式勞動強度大，工人工作環境惡劣，分揀效率低和自動化程度低，完全不能滿足我國目前城市化的發展和生態保護，垃圾自動化分揀系統代替人工分揀勢在必行。結合工業機器人技術和計算機視覺技術的新型自動化分揀系統不僅能夠實現垃圾分類的智能化和柔性化，而且還可以節約成本，減少工人勞動強度和提高生產效率等[2]，未來在工業自動化發展中有著廣闊前景。

唐媛紅等[3]設計的機器人視覺采摘分揀控制系統，解決了果蔬采摘完后分揀作業的效率低、分揀精度差等問題；王成軍等[4]分析了機器人視覺技術在自動化分揀設備中的廣泛應用，同時也分析國內外研究應用現狀和存在的問題，為后續機器人視覺技術在智能化分揀系統中的應用提供參考依據；郝大孝等[5]通過運用歐姆龍NJ運動控制器設計一種機器人控制系統，實現精準抓取，同時提出一種動態抓取算法，該算法和機器人視覺完美結合，實現分揀過程精準和抓取率高。目前，我國垃圾分揀基本依靠人工分揀為主，機械輔助分揀很少，人工成本高且危險性很大，工作環境惡劣，分揀效果較差；為進一步提高智能化垃圾分揀效率，基于現狀，設計出一種基于機器人視覺垃圾分揀系統，為后續實現垃圾分揀完全自動化提供參考依據。

1 機器人分揀設備整體設計方案

利用SolidWorks三維軟件，設計出一種新型智能化機器人，以康奈視In-Sight 7000型智能相機等為基礎，搭建一種基于機器人視覺垃圾分揀系統平臺[6]，整體結構設計如圖1所示。

智能化垃圾分揀系統工作過程：首先，生活垃圾經過兩側智能相機掃描后，智能相機對采集到的目標物進行預處理，尋找相應的輪廓，對目標進行提取；然后，進行形狀判別，對目標進行分析；最后，機械手進行分類抓取，完成整個分揀過程。

2 機械手的設計、運動及控制分析

2.1 機械手結構

機械手機構主要包括[7-8]擺動氣缸、轉臺、立柱、導向桿、活塞、活塞桿、前伸/回縮氣缸、上升/下降氣缸、吸盤等，智能化機械手機構的簡圖如圖2所示。

1.擺動氣缸 2.轉臺 3.立柱 4.導向桿 5.活塞 6.活塞桿7.前伸/回縮氣缸 8.上升/下降氣缸 9.吸盤圖2 機械手機構示意圖簡圖Fig.2 Schematic diagram of manipulator

2.2 驅動系統的設計

機械手底座采用氣缸驅動，關節臂和吸盤利用單桿循環運動的雙向氣缸驅動，分揀抓取機械手的運動主要包括底座旋轉、豎直機械臂的上下運動、水平機械臂的前后運動、吸盤拾取或者放下對應的垃圾物體等[9-10]，機械臂驅動系統原理圖如圖3所示。

1.氣體壓力機 2.壓縮氣體處理結構 3.氣體罐 4、6、8、23.控速閥 5、7、9、21.消音裝置10～12.三位四通電磁換向閥 13、14.二位二通電磁閥 15～20.單向控速閥 22.真空壓縮機 24.開關25.過濾裝置 26.拾取裝置 A.水平伸縮氣缸 B.小臂升降氣缸 C.擺動氣缸圖3 機械手驅動系統示意圖Fig.3 Schematic diagram of manipulator drive system

智能化垃圾分揀系統機械手的驅動系統包括氣缸、吸盤、消聲器、電磁換向閥、電磁閥、調速閥等；4個調速閥控制氣缸的上下左右運動以及底座的轉動速度，避免底座運動速度過快產生剛性沖擊；三位四通電磁換向閥可以改變氣缸的運動方向，進而控制機械臂的運動；二位二通電磁閥控制真空壓縮機，實現對不同種類的垃圾進行吸取和釋放；消聲裝置用于降低排氣噪聲，改善工人工作環境。

1) 擺動氣缸運動控制

當開關左/右旋按鍵接通后，空氣處理單元產生氣壓經過儲氣罐進入，三位四通電磁換向閥的6YA/5YA通電，氣壓回路左/右側接通，實現擺動氣缸左/右旋。

2) 水平氣缸的伸縮控制

當底座擺動到右側或左側90°位置時，就能碰到右側或左側限位開關，使電磁換向閥12斷電，底座氣壓缸停止轉動，經時間繼電器延時，電磁換向閥10的左側1YA通電，左側氣壓回路接通，水平氣缸A右移，水平手臂后縮動作；電磁換向閥10的右側2YA通電，右側氣壓回路接通，水平氣缸A左移，水平手臂前伸動作。

3) 豎直機械臂的下降或上升運動控制

當水平機械臂伸出到相應的位置時， 碰觸到前限位開關，電磁換向閥10的1YA斷電，水平機械臂停止運動，經時間繼電器延時，豎直機械臂下降控制按鈕接通，電磁換向閥11的左側3YA通電，左側氣壓回路接通，豎直氣缸向下運動，執行豎直機械臂向下運動動作；

當傳感器檢測到相應垃圾已經被吸盤吸起時，電磁換向閥11的右側電磁鐵4YA通電，右側氣壓回路接通，豎直機械臂向上運動，執行豎直機械臂上升運動動作。

垃圾分揀機械手可以實現手動、自動等多種工作模式，可以通過利用相應按鈕，實現對垃圾分揀機械手的各種運動的控制；也可以利用循環按鈕，實現對垃圾分揀機械手自動連續不斷的執行分揀任務的各個步驟，氣動分揀過程的程序流程圖如圖4所示。

圖4 氣動分揀過程的程序流程圖Fig.4 Procedure flow chart of pneumatic sorting process

3 相機標定

相機標定的目的就是確定圖像像素坐標系、相機坐標系和世界坐標系的關系[13]。假設空間中存在任意一點M，在相機坐標系下的坐標為(XC，YC，ZC)，該像點在成像平面坐標系中的投影為m，坐標值為(x，y)，在圖像像素坐標系中的投影點為q，坐標值為(u，v)，根據數學知識，可求得空間點M與像點m的函數關系：

(1)

式中，fX—— 相機在X方向的焦距

fY—— 相機在Y方向的焦距

cX，cY—— 表示圖像坐標系原點O在像素坐標系的位置坐標

z—— 參數變量

令矩陣：

K稱為相機內參數矩陣，表示相機坐標與圖像像素坐標之間的關系。

令空間中的一點P在世界坐標系中的坐標值為(XW，YW，ZW)，在相機坐標系中的坐標值是(XC，YC，ZC)，可以得到如下關系式：

(2)

式中，R—— 旋轉矩陣

t—— 偏移向量

轉換成齊次坐標的形式是：

(3)

式(3)為世界坐標系與相機坐標系之間的轉換數學方程式，其中0T=(0，0，0)。將式(3)代入到式(1)中得：

(4)

式中,s是一個任意刻度比例。式(4)描述了針孔模型下圖像像素坐標系與世界坐標系的關系，[XWYWZW]為特征點的世界坐標，利用轉換可求得圖像像素坐標，進而實現機械手的抓取。

為了提高相機標定的精度，本研究利用9張不同方向的棋盤格圖片作為標定模板，每張圖片像素為640×480，X，Y方向分別有8個和6個內角點，棋盤格實際邊長為30 mm，標定結果如圖5所示。

圖5 標定模板與結果Fig.5 Calibration template and results

本研究標定按照線性模型方法標定，標定完后相機的內外參數值如下：

相機焦距：

外參數矩陣：

內參數矩陣：

偏移向量：

4 實驗驗證

為驗證搭建平臺可行性和有效性，根據所搭建的實驗平臺，分別在傳送帶上放置不同的生活垃圾廢棄物[14-15]，試驗現場整體結構圖如圖6所示。

圖6 試驗現場整體結構圖Fig.6 Overall structure diagram of test site

實驗過程中，機械手接到指令運動到相應的位置吸取目標物，然后將目標物放置到指定的位置，在目標物的上方安裝另外一個相機，利用相機來獲取目標物的中心，通過相機拍照來確定分析機械手在抓取物體時X和Y方向產生的偏差值。經過50次試驗和數據收集，得出如圖7所示的X和Y方向中心偏差e及表1所示平臺分揀實驗結果表。

表1 機械手分揀實驗結果Tab.1 Experimental results of manipulator sorting

從圖7可得，在X方向偏差變化相對大一些，通過對50次抓取動作進行數據收集和計算，得到X方向的重復性精度為1.78983 mm，Y方向的重復性精度為1.03728 mm，X，Y方向的誤差即為總體累計誤差。由于機械手末端執行機構是吸盤，采用氣壓吸取目標物，機械手吸盤可吸取3 mm的范圍內的目標物，因此，機械手吸盤能實現快速準確抓起和放料。

圖7 X，Y方向中心偏差Fig.7 Center deviation in X and Y directions

5 結論

現有生活垃圾主要是填埋、焚燒等，生活垃圾處理方式填埋對土壤污染比較嚴重，焚燒對空氣污染嚴重等，在結合機器人視覺技術的基礎上，設計出一種新型自動化垃圾分揀系統，研究表明：

(1) 該系統在機器人視覺引導下的機械手能夠高精度的抓取和放料，現場試驗證明，該系統精度可以達到3 mm，能夠完成生活或生產中垃圾的分揀要求；

(2) 該系統利用氣壓回路實現對機械手的控制，減少勞動強度，提高了吸盤抓取精度，實現對環境無污染，綠色制造；

(3) 該系統采用棋盤格標定法進行對相機標定，標定結果誤差相對較小，實現機械手能精準抓取生活垃圾的設計；

(4) 該系統還具有自動化程度高、分揀精度高、運行相對平穩、工作效率高等特點，具有很好的應用前景，為未來垃圾分揀實現智能化提供參考依據。