建筑垃圾分揀機器人分揀系統(tǒng)的設(shè)計與研究

吳金文 房劍飛

摘 要：傳統(tǒng)的建筑垃圾處理方法主要是將垃圾運往郊外堆放或挖坑填埋，這種方法不僅會占用大量的土地資源，造成嚴重的環(huán)境污染，還會造成建筑垃圾中有用資源的浪費。本課題通過對桁架式分揀機械手的機械部分和控制部分等進行研究設(shè)計，以期能夠提高建筑垃圾的分揀效率和分揀準確率，達到節(jié)約人工、自動分揀、再生利用的目的。

關(guān)鍵詞：機器人；建筑垃圾；機械手；PLC控制

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）04-0184-02

Design and Research of Building Waste Sorting Robot System

WU Jinwen，F(xiàn)ANG Jianfei

（Nanjing Technology University Pujiang Institute，Nanjing 211200，China）

Abstract：Traditional construction waste dispoSal methods are mainly to be transported to the suburbs for storage or digging and landfill，which not only requires a large amount of land resources，but also causes serious environmental pollution and waste of useful resources in construction waste. Through the research and design of the mechanical part and control part of truss sorting machine，the sorting efficiency and accuracy of construction waste can be improved，and the purpose of Saving labor，automatic sorting and recycling can be achieved.

Keywords：robot；construction waste；manipulator；PLC control

0 引 言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，社會經(jīng)濟各行業(yè)技術(shù)的提高，有關(guān)機器人自動控制的科學(xué)技術(shù)成為近幾十年來發(fā)展最為迅速的綜合科學(xué)技術(shù)之一。利用機器人來完成各類自動控制動作是提高產(chǎn)品的質(zhì)量和勞動生產(chǎn)效率，實現(xiàn)生產(chǎn)流程自動化，改善勞動條件，減輕勞動強度的一種技術(shù)方法。另外，工業(yè)機器人能在高溫、粉塵、有毒、易燃、易爆等惡劣、危險的環(huán)境下進行操作，較人為操作具有明顯的優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前景。

1 分揀機構(gòu)機械部分設(shè)計

本課題的主要目的是設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的桁架式機器人來代替人工進行建筑垃圾的分揀工作，機器人可以代替很多重復(fù)性的體力勞動，從而減輕工人的勞動強度，提高分揀垃圾的效率，節(jié)約工廠的作業(yè)成本。希望通過結(jié)合所學(xué)的各方面的知識，在設(shè)計過程中提高發(fā)現(xiàn)問題、研究問題、解決問題的能力。

機器人特性的最基礎(chǔ)的技術(shù)參數(shù)主要包括：自由度、坐標形式的選擇、有效負載、運動特性、工作范圍等，另外還包括機器人的規(guī)格參數(shù)等一些基本參數(shù)。本次設(shè)計的桁架式分揀機器人的功能是對建筑垃圾進行分類，完成目標的抓取任務(wù)，并將目標放置到規(guī)定區(qū)域。所以機器人的運動的自由度個數(shù)簡單。包括沿著X軸和Z軸的直線運動運動到指定的位置，機器人的手爪為氣動手爪，最大初值抓取力為10kg，動力部分由交流伺服電機驅(qū)動。

在本次設(shè)計中，當(dāng)沒有負載時，可以適當(dāng)?shù)丶涌扈旒苁浇ㄖ謷C器人的運動速度，就像機床在切割工件前可以適當(dāng)加速至指定位置等待加工；當(dāng)有負載時，末端執(zhí)行器手爪在工作狀態(tài)下要和物體進行直接接觸，為了運行安全，需要盡量降低機械手臂的運行速度，以減小沖擊和震動，這樣也會對機構(gòu)形成保護。桁架式結(jié)構(gòu)機器人的運動速度在一定范圍內(nèi)是可以自由調(diào)控的，此設(shè)計方案可以滿足不同情況對分揀機器人的使用需求。

根據(jù)機器人的主要運動參數(shù)來選擇運動形式是機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)。目前機器人的運動形式通常有五種：直角坐標型、圓柱坐標型、極坐標型、關(guān)節(jié)型和SCARA型?？紤]到桁架式結(jié)構(gòu)機器人作業(yè)時的特點和要求：要求其動作靈活，整個機械有比較大的工作空間，要求機械整體的結(jié)構(gòu)能夠緊湊且簡單，易于控制等。本設(shè)計選用直角坐標型桁架機器人。

本課題設(shè)計的機器人手爪是機器人機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的重要組成部分，特別是對于分揀機器人來說，手爪是其關(guān)鍵部分。整個分揀機器人的各部分都是為機械手爪服務(wù)的，都是為了機械手爪能夠完成特定的動作，準確無誤地完成對物體的抓取工作。對于機器人來說，機械手爪就相當(dāng)于人的兩只手，主要用于對物體進行握持和其它操作，其具備重要的執(zhí)行操作功能。當(dāng)氣缸傳入動力時，連桿向上移動，當(dāng)移動一段距離后，套筒與氣缸底部突出部分相遇，氣缸底部突出部分頂住套筒，套筒不動，連桿繼續(xù)向上帶動底部連接座向上移動，連接座帶動手爪做閉合運動，手爪抓取物體。相反，當(dāng)連桿向下移動時，手爪做張開運動，放下物體，手爪示意圖如圖1所示。

2 分揀機構(gòu)控制部分設(shè)計

本課題以Staubli公司的CS8C控制器為控制系統(tǒng)，以桁架式結(jié)構(gòu)為機械主體，通過相機識別，PLC控制電機來控制手爪抓取物體，本章節(jié)將重點分析系統(tǒng)實現(xiàn)分揀垃圾的控制原理和流程。

2.1 分揀控制系統(tǒng)的原理

整個系統(tǒng)的工作原理為：將垃圾放在輸送帶上，經(jīng)過相機獲取輸送帶上各類垃圾的圖像，之后圖像采集卡將采集的圖像進行模擬量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換，圖像處理軟件對圖像采集卡轉(zhuǎn)換過的圖像和已經(jīng)存入計算機的圖像數(shù)據(jù)進行圖形的特征提取、平滑處理、邊緣提取，之后再進行垃圾的匹配和垃圾種類的識別，并將識別的垃圾的位置數(shù)據(jù)輸入分揀機器人的控制器中，然后控制器給機器人發(fā)送移動和抓取指令，機械人在電機位移驅(qū)動和機械手爪氣動驅(qū)動的控制下完成對垃圾的抓取，最后再將抓取到的垃圾放入對應(yīng)的存放點，分揀工作完成。

2.2 分揀控制系統(tǒng)流程

良好的軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計是控制系統(tǒng)的軟件程序正確編寫的必要前提，控制系統(tǒng)軟件流程如圖2所示，根據(jù)控制系統(tǒng)模塊的功能需求來分析，可將控制系統(tǒng)軟件分為以下幾個功能模塊：主模塊、視覺模塊、調(diào)試模塊、控制模塊、處理模塊。

（1）系統(tǒng)開機通電之后，程序按照設(shè)定自動運行，首先運行開機處理模塊，完成部分程序的初始化設(shè)置，若需要改變部分參數(shù)，則可以根據(jù)調(diào)試模塊的需要修改參數(shù)，試運行和調(diào)試其他相關(guān)程序，調(diào)試完畢后機械手臂歸零，至此，系統(tǒng)的準備工作完成。

（2）視覺模塊可以采用循環(huán)工作的運行方式識別輸送帶的位置，當(dāng)物體進入相機的識別范圍后，相機根據(jù)一定的工作頻率進行連續(xù)拍照，圖片經(jīng)過圖像處理模塊的處理可以轉(zhuǎn)換成相機坐標系的參數(shù)，相機坐標系的參數(shù)通過坐標轉(zhuǎn)換程序可以轉(zhuǎn)換成機械手爪坐標參數(shù)，從而為下一步抓取物體做好準備。

（3）通過視覺模塊獲取物體的具體位置之后，需要進行抓取路徑的規(guī)劃，控制器調(diào)用目標跟蹤模塊，跟蹤軌跡規(guī)劃模塊計算出動平臺的運行軌跡，控制抓取目標，完成物品抓取任務(wù)。

（4）安裝在傳送帶兩側(cè)的光電接受開關(guān)的信號可以判別物品是否到達機器手爪的抓取位置范圍，如果在抓取范圍內(nèi)，PLC則發(fā)送反饋信號到控制器，控制機械手爪通過目標跟蹤模塊來識別抓取的物品，并循環(huán)執(zhí)行相關(guān)動作。

3 結(jié) 論

綜上所述，本課題設(shè)計了一種桁架式建筑垃圾分揀機器人，詳細、具體地介紹了直角坐標型桁架式結(jié)構(gòu)機器人的各個部分，并在詳細分析各機械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對桁架式建筑垃圾分揀機器人的各個機械部分的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，包括橫軸、豎軸、手爪、傳動結(jié)構(gòu)等；同時，本課題還對垃圾分揀機構(gòu)的控制系統(tǒng)進行了深入研究。本課題設(shè)計在建筑垃圾自動分揀等領(lǐng)域具有重要的現(xiàn)實意義。

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作者簡介：吳金文（1984-），男，漢族，江蘇南京人，講師，高級技師，碩士，研究方向：機電一體化技術(shù)。