垃圾處理機(jī)器人的初步設(shè)計(jì)

武焱鑫

1、項(xiàng)目摘要

當(dāng)今我國面臨嚴(yán)重的的環(huán)境問題——大氣污染、水污染、垃圾處理等。本屆機(jī)器人創(chuàng)意比賽主題為“環(huán)保機(jī)器人”。根據(jù)這一創(chuàng)意主題，進(jìn)行網(wǎng)上調(diào)查和本地調(diào)查，對目前環(huán)境問題的嚴(yán)重性有了更深刻的認(rèn)識。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在我市垃圾處理方面，普遍由垃圾車人工處理，存在的問題是：垃圾處理不及時(shí)、不到位、不夠智能；經(jīng)常產(chǎn)生二次污染；處理人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，不衛(wèi)生，影響工作人員的健康等等。決定以垃圾處理機(jī)器人作為突破口，在改善環(huán)境問題上有所作為，研制垃圾處理機(jī)器人系統(tǒng)。

垃圾處理機(jī)器人系統(tǒng)由自動(dòng)垃圾箱和自動(dòng)垃圾車組成。自動(dòng)垃圾箱，由機(jī)器人控制，任務(wù)是當(dāng)有人靠近垃圾箱要投放垃圾時(shí)，提醒其按要求分類投放；自動(dòng)垃圾車到達(dá)后垃圾車與其聯(lián)系，自動(dòng)垃圾箱將垃圾裝上垃圾車。自動(dòng)垃圾車，由機(jī)器人控制，通過尋線的方式尋找垃圾箱并與其通信，裝載垃圾后將垃圾運(yùn)送到垃圾站，自動(dòng)卸載垃圾。工作流程：自動(dòng)垃圾箱安裝超聲波測距傳感器，當(dāng)人靠近垃圾箱投放垃圾時(shí)，測距傳感器探測到，則由機(jī)器人發(fā)出聲音提示——“請分類放置”；當(dāng)自動(dòng)尋線、定位垃圾車達(dá)到時(shí)，自動(dòng)垃圾車主控器通過藍(lán)牙發(fā)出裝載垃圾信號，自動(dòng)垃圾箱向垃圾車傾倒垃圾，垃圾車裝完垃圾，運(yùn)到垃圾處理廠，卸載垃圾，完成垃圾清理工作。

2、項(xiàng)目來源

眾所周知，我國的環(huán)境問題相當(dāng)突出：大氣污染、水污染、垃圾處理、土地沙化、水土流失、旱災(zāi)、水災(zāi)、生物破壞、持久性有機(jī)物污染，等等，通過進(jìn)一步調(diào)查，對我國環(huán)境問題的嚴(yán)重性有了較深刻的認(rèn)識，激發(fā)了解決環(huán)境問題的一些想法和相應(yīng)的解決方案，如：大氣污染的檢測、大氣污染的治理、室內(nèi)空氣的檢測與凈化、垃圾的分類、垃圾的清理、垃圾無公害處理、水污染檢測等問題。由于一些問題需要專業(yè)化的傳感器采集信息，以及復(fù)雜編程，超出我們的能力范圍。通過對一些方案的比較和權(quán)衡，結(jié)合對齊齊哈爾市區(qū)進(jìn)行的調(diào)查，了解了身邊的環(huán)境污染情況，在探究保護(hù)環(huán)境、治理污染的相關(guān)知識和技術(shù)的基礎(chǔ)上。決定從能夠解決的問題入手，能有效處理生活中的環(huán)境問題。設(shè)計(jì)制作能夠解決身邊環(huán)境問題的環(huán)保機(jī)器人。在齊齊哈爾市北三區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在我市垃圾處理方面，普遍由垃圾車人工處理，存在的問題是：垃圾處理不及時(shí)、不到位、不夠智能；經(jīng)常產(chǎn)生二次污染；處理人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，不衛(wèi)生，影響工作人員的健康等等。由以上種種原因，在綜合各種因素的基礎(chǔ)上，選擇了垃圾處理機(jī)器人系統(tǒng)作為研制課題。

3、基本思路和研制過程

（1）基本思路：總的設(shè)想是：讓機(jī)器人處理垃圾更加智能化，包括垃圾投放分類提醒、垃圾的自動(dòng)裝載、運(yùn)輸、卸載等，由機(jī)器人自動(dòng)控制完成。垃圾處理機(jī)器人系統(tǒng)由自動(dòng)垃圾箱和自動(dòng)垃圾車組成。自動(dòng)垃圾箱，由機(jī)器人控制，任務(wù)是當(dāng)有人靠近垃圾箱要投放垃圾時(shí)，提醒其按要求分類投放；自動(dòng)垃圾車到達(dá)后垃圾車與其聯(lián)系，自動(dòng)垃圾箱將垃圾裝上垃圾車。自動(dòng)垃圾車，由機(jī)器人控制，通過尋線的方式尋找垃圾箱并與其通信，裝載垃圾后將垃圾運(yùn)送到垃圾站自動(dòng)卸載垃圾。工作流程：自動(dòng)垃圾箱安裝超聲波測距傳感器，當(dāng)人靠近垃圾箱投放垃圾時(shí)，測距傳感器探測到，則由機(jī)器人發(fā)出聲音提示——“請分類放置”；當(dāng)自動(dòng)尋線、定位垃圾車達(dá)到時(shí)，自動(dòng)垃圾車通過藍(lán)牙發(fā)出裝載垃圾信號，由垃圾箱裝完垃圾，運(yùn)到垃圾處理廠，卸載垃圾，完成垃圾清理工作。在垃圾車移動(dòng)過程中，遇到障礙物，如行人、車輛等要停下來避讓，這一功能由超聲波探測障礙物，機(jī)器人控制完成。

研制過程：利用樂高9797教育套裝、GT2201學(xué)生基礎(chǔ)套裝、9695配件庫以及樂高其他配件搭建機(jī)器人，進(jìn)行模擬論證。將上面的設(shè)想通過設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、完善各個(gè)功能模塊，并將各模塊整合起來，分別形成機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)輸車和機(jī)器人垃圾箱（如下圖1、圖2所示）。

利用樂高機(jī)器人自帶的圖形化編程軟件，設(shè)計(jì)機(jī)器人程序，在機(jī)器人上調(diào)試、修改程序，由機(jī)器人實(shí)現(xiàn)以下功能：機(jī)器人垃圾運(yùn)輸車自動(dòng)尋找垃圾箱，機(jī)器人垃圾箱與垃圾運(yùn)輸機(jī)器人通過藍(lán)牙通訊，機(jī)器人與自動(dòng)垃圾箱相互配合將垃圾裝上垃圾運(yùn)輸機(jī)器人，由垃圾運(yùn)輸機(jī)器人通過巡線移動(dòng)、定位，自動(dòng)運(yùn)輸垃圾到垃圾處理站并自動(dòng)卸載垃圾。

4、科學(xué)性創(chuàng)新性和實(shí)用性

（1）科學(xué)性：利用樂高機(jī)器人9797教育套裝和樂高積木等，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的基本原理，搭建建機(jī)器人。使用樂高的NEX主控器和聲音傳感器、光電傳感器、超聲波傳感器、角度傳感器、電機(jī)等組成機(jī)器人，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮了重心位置、驅(qū)動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)功率以及程序中各參數(shù)對機(jī)器人工作的影響，使用樂高9797教育套裝、運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)思想，利用樂高圖形化編程軟件編寫的程序來控制機(jī)器人完成垃圾的裝載、運(yùn)輸、卸載等任務(wù)，設(shè)計(jì)制作具有一定的科學(xué)性。

（2）創(chuàng)新性：機(jī)器人自動(dòng)垃圾箱、機(jī)器人垃圾自動(dòng)運(yùn)輸車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；由自動(dòng)垃圾箱、自動(dòng)垃圾運(yùn)輸車構(gòu)成的系統(tǒng)設(shè)計(jì)；垃圾投放監(jiān)督、提醒功能；相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)。以上內(nèi)容經(jīng)查新未發(fā)現(xiàn)相同設(shè)計(jì)，具有一定的創(chuàng)新性。

（3）實(shí)用性：設(shè)計(jì)的垃圾處理機(jī)器人由自動(dòng)垃圾箱、垃圾自動(dòng)運(yùn)輸車、垃圾箱自動(dòng)清理車、人工遠(yuǎn)程控制以及相應(yīng)的軟件組成。自動(dòng)垃圾收儲箱在自動(dòng)垃圾車?？繒r(shí)能夠自動(dòng)向垃圾車傾倒垃圾；自動(dòng)垃圾車能夠自動(dòng)尋找垃圾箱，與自動(dòng)垃圾箱通信后，由自動(dòng)垃圾箱將垃圾裝上后，將垃圾運(yùn)輸?shù)嚼幚碚?，自?dòng)卸載垃圾；該系統(tǒng)由傳感器獲取信息，經(jīng)控制器在程序的控制下完成規(guī)定的任務(wù)。經(jīng)測試，達(dá)到了設(shè)計(jì)的功能要求，經(jīng)過因地制宜改進(jìn)后，加以推廣，具有一定的實(shí)際使用價(jià)值。

5、進(jìn)一步改進(jìn)與完善的設(shè)想

對垃圾處理機(jī)器人進(jìn)行功能擴(kuò)展，提升機(jī)器人處理較復(fù)雜問題的能力。具體設(shè)想如下：

（1）增加功能。增加垃圾處理機(jī)器人的功能：由多個(gè)機(jī)器人構(gòu)成一個(gè)功能更加強(qiáng)大垃圾處理系統(tǒng)，每個(gè)機(jī)器人完成特定的任務(wù)，這些機(jī)器人不僅能夠處理生活垃圾，還能處理工廠、醫(yī)院產(chǎn)生的特殊垃圾；減少有害垃圾對環(huán)境的影響，杜絕垃圾清理工與有害垃圾的直接接觸。

要給機(jī)器人增加清洗垃圾箱、給垃圾箱消毒和滅蟲的功能；結(jié)合北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)（或GPS定位系統(tǒng)）和電子地圖對機(jī)器人進(jìn)行精確定位和導(dǎo)航，讓機(jī)器人自由往返于垃圾產(chǎn)生地與垃圾處理站之間；提醒、監(jiān)督人們對垃圾進(jìn)行分類；在垃圾處理廠對垃圾進(jìn)行自動(dòng)分類，減輕人工分類的強(qiáng)度；引入相應(yīng)的傳感器，獲取有害垃圾的信息，由專門的機(jī)器人對有害垃圾進(jìn)行無公害處理。

增加人工遠(yuǎn)程操控；由于環(huán)境因素、機(jī)器人自身因素的影響，會出現(xiàn)這樣那樣的問題，需要把問題反饋給控制中心，由人工進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，使系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定、更加高效。人工遠(yuǎn)程操控由信息采集和反饋裝置、控制裝置、顯示裝置等硬件和操控軟件等組成。

使用功能更加強(qiáng)大的機(jī)器人。功能更加強(qiáng)大的機(jī)器人要有更多的傳感器接口、動(dòng)作驅(qū)動(dòng)接口或輸出終端、交互能力、更快的運(yùn)行速度以及更好的顯示界面；更靈敏的各種傳感器。

6、總結(jié)與展望

垃圾處理機(jī)器人是一個(gè)由多個(gè)獨(dú)立的機(jī)器人（或模塊）組成的垃圾處理系統(tǒng)。能夠部分代替垃圾處理過程中某些方面人員的工作。通過進(jìn)一步完善該機(jī)器人垃圾處理系統(tǒng)以及增加人工遠(yuǎn)程控制，能有效減少人們處理垃圾的工作量，把人們從垃圾處理的工作中解放出來，也能使環(huán)境更加美好。

垃圾處理機(jī)器人搭建和程序設(shè)計(jì)較合理，符合物理學(xué)中的力學(xué)原理。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮了重心位置、驅(qū)動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)功率以及程序中各參數(shù)對機(jī)器人工作的影響，使用樂高9797教育套裝、樂高積木和樂高圖形編程軟件，運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)制作具有一定的科學(xué)性；機(jī)器人功能的確定、結(jié)構(gòu)的搭建、程序的設(shè)計(jì)是一系列試驗(yàn)的基礎(chǔ)上敲定的，經(jīng)過查新，沒有發(fā)現(xiàn)相同的設(shè)計(jì)，具有創(chuàng)新性；垃圾處理機(jī)器人的設(shè)計(jì)，在功能上，具有垃圾分類提醒、垃圾裝卸、運(yùn)輸?shù)墓δ埽谝欢ǔ潭壬?，能解決垃圾處理的問題，具有實(shí)用價(jià)值。但是，機(jī)器人程序和機(jī)器人結(jié)構(gòu)以及功能上還有待進(jìn)一步完善和提高的空間，還須不斷改進(jìn)。

用機(jī)器人處理垃圾是機(jī)器人應(yīng)用的一個(gè)發(fā)展方向，可以這樣展望，垃圾處理機(jī)器人通過不斷改進(jìn)，定能逐步取代垃圾清潔工的工作，具有廣闊的發(fā)展前景。但是，就目前及今后一段時(shí)間內(nèi)，由于技術(shù)的限制，垃圾的處理離開人的參與還是不行的，機(jī)器人與人與人結(jié)合進(jìn)行遠(yuǎn)程操控來處理垃圾應(yīng)該是比較現(xiàn)實(shí)的選擇。

參考文獻(xiàn)：

[1]機(jī)器人 百度百科

[2]作者姓名：杰瑞·卡普蘭 出版社：浙江人民出版社出版 書名：《人工智能時(shí)代》