智能垃圾分揀機(jī)器人

河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 馬嘉寧 張立昂 張榮峰 蔚嘉龍

1 垃圾分揀現(xiàn)狀

1.1 我國(guó)垃圾分類(lèi)現(xiàn)狀

我國(guó)在垃圾的現(xiàn)代化清理運(yùn)輸、處理等方面開(kāi)展較晚 ，也較為落后。在部分地區(qū)，人們的生活垃圾被直接堆放在居住地附近的露天垃圾場(chǎng)。這些露天的垃圾堆放場(chǎng)會(huì)對(duì)周?chē)耐寥馈⒖諝夂退丛斐晌廴?，進(jìn)而影響到附近居民的身體健康。而即便是被送往垃圾處理廠(chǎng)的垃圾 ，也大多被一并焚燒 ，并不會(huì)被分類(lèi)處理 ，從而造成資源的浪費(fèi)。隨著深圳進(jìn)入“垃圾強(qiáng)行分類(lèi)時(shí)代”，全國(guó)各地的城市都在陸續(xù)推進(jìn)垃圾分類(lèi)工作。 經(jīng)過(guò)了這幾年的宣傳后，多數(shù)居民已經(jīng)了解到了垃圾分類(lèi)的重要性。不清楚垃圾該如何分類(lèi)的現(xiàn)象也在逐步改善。

1.2 國(guó)外生活垃圾分類(lèi)現(xiàn)狀

在美國(guó)，有將近90%的美國(guó)人會(huì)直接參與到所在街道的廢物回收工作中。

加拿大早在100多年前就已經(jīng)開(kāi)始對(duì)城市的生活垃圾進(jìn)行分類(lèi)回收。

在日本，國(guó)民是生活垃圾分類(lèi)的主體。目前，日本已經(jīng)形成一套完整的生活垃圾分類(lèi)體系的法律。

1.3 垃圾分類(lèi)未來(lái)的發(fā)展方向

目前垃圾分類(lèi)處理設(shè)備的生產(chǎn)工作在國(guó)內(nèi)外都有一個(gè)比較迅速的發(fā)展趨勢(shì)。而就中國(guó)目前的發(fā)展水平而言，垃圾處理設(shè)備的發(fā)展還處于一個(gè)較低的水平。

2 項(xiàng)目概述

2.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

圖1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)框架圖

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)框架如圖1所示，其主要包括嵌入式計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、STM32控制板、4軸機(jī)械臂、傳輸帶、攝像頭模塊以及垃圾桶等設(shè)備。使用垃圾分類(lèi)模型對(duì)垃圾進(jìn)行顏色、形狀分類(lèi)。STM32控制板負(fù)責(zé)機(jī)械臂和傳輸帶的運(yùn)動(dòng)控制對(duì)垃圾進(jìn)行分類(lèi)采集，并將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)上傳到云端。

系統(tǒng)運(yùn)行流程為：各類(lèi)垃圾通過(guò)垃圾投放口進(jìn)入系統(tǒng)，傳輸帶將垃圾逐個(gè)分離；機(jī)械臂將垃圾搬運(yùn)到攝像頭下方，進(jìn)行圖像識(shí)別分類(lèi)；操作系統(tǒng)將垃圾分類(lèi)結(jié)果通過(guò)串口發(fā)送給STM32單片機(jī)，STM32單片機(jī)控制機(jī)械臂將垃圾搬運(yùn)、傾倒到指定的垃圾桶。最后利用壓力傳感器計(jì)算每個(gè)垃圾存放區(qū)中垃圾的總重量，以及新放入的垃圾的重量等數(shù)據(jù)，并在顯示屏上顯示且上傳數(shù)據(jù)到云端。

2.2 運(yùn)作流程

（1）在將垃圾集中運(yùn)往分揀場(chǎng)后，啟動(dòng)滑軌，將投遞的垃圾袋有間隙地送入傳送帶上方。傳送帶整個(gè)部分由外部獨(dú)立供電。

（2）傳送帶啟動(dòng)的同時(shí)激活機(jī)械臂整體及其他的外設(shè)配置，使能完成后機(jī)械臂將運(yùn)行主程序，即內(nèi)部微處理器控制步進(jìn)電機(jī)的輸出信號(hào)來(lái)調(diào)整機(jī)械臂的動(dòng)作姿態(tài)，使機(jī)械臂到達(dá)程序設(shè)定的初位置。

（3）機(jī)械臂在達(dá)到初位置時(shí)，垃圾輸送的位置被機(jī)械臂上的傳感器識(shí)別，機(jī)械臂做出抓取動(dòng)作，即完成對(duì)傳送帶上的物品的夾取功能，同時(shí)裝載色塊識(shí)別模塊將對(duì)抓取的垃圾進(jìn)行色塊識(shí)別，攝像頭所獲取的顏色與形狀信號(hào)將與程序內(nèi)部的資料庫(kù)進(jìn)行匹配，然后進(jìn)行下一步動(dòng)作，把垃圾投放到相應(yīng)的垃圾存放區(qū)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同種類(lèi)垃圾分區(qū)域進(jìn)行放置。在無(wú)人直接參與的條件下，實(shí)現(xiàn)基本的垃圾分揀功能。執(zhí)行單元主要包括4軸機(jī)械臂和傳輸帶。機(jī)械臂帶有步進(jìn)電機(jī)接口，可直接控制傳輸帶啟停。用戶(hù)只需通過(guò)機(jī)械臂的串行接口，就可控制機(jī)械臂和傳輸帶的運(yùn)動(dòng)。

（4）利用壓力傳感器計(jì)算每個(gè)垃圾存放區(qū)中垃圾的總重量，以及新放入的垃圾的重量等數(shù)據(jù)，并在顯示屏上顯示且上傳數(shù)據(jù)。感知單元包括STM32控制板、攝像頭以及NB-IOT（基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)）通信單元。STM32控制板通過(guò)串口接收垃圾識(shí)別結(jié)果，并進(jìn)行數(shù)據(jù)過(guò)濾，通過(guò)另外一路串口驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂和傳輸帶運(yùn)動(dòng)。STM32控制板還可以通過(guò)多路光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)傳輸帶上的垃圾是否進(jìn)入機(jī)械臂托盤(pán)、垃圾桶等情況，通過(guò)NB-IOT實(shí)時(shí)傳輸垃圾桶、機(jī)械臂和傳輸帶狀態(tài)到云端的服務(wù)器。

3 主要電氣設(shè)備

3.1 stm32f103單片機(jī)

STM32F103系列單片機(jī)擁有性能高的ARMCortex-M332位RISC內(nèi)核，其基礎(chǔ)工作頻率為72MHz。它的運(yùn)算速度快，擁有較大容量的SRAM，適合用于較為復(fù)雜的自動(dòng)化設(shè)備。其除晶振占用的IO口外，其他所有IO口均被引出，這極大地方便了使用者對(duì)其進(jìn)行工程擴(kuò)展。STM32F103系列單片機(jī)的主芯片采用自帶512K字節(jié)FLASH，并外擴(kuò)16M字節(jié)SPIFLASH，可以滿(mǎn)足大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。

3.2 傳送裝置

傳送帶（滑軌），用于垃圾的傳送 。其可以分為兩類(lèi) ：輕型輸送帶和重型輸送帶。 適用輸送塊狀、粒狀 、粉末狀物料和成件物品等。

3.3 攝像頭模塊

采用OV7725高清攝像頭，像素30W，模塊小巧且功能強(qiáng)大、性能優(yōu)良，可使用編程語(yǔ)言進(jìn)行控制。擁有集成有源晶振與FIFO，方便MCU讀取其圖像并進(jìn)行控制。在使用時(shí)，可以自動(dòng)進(jìn)行曝光與白平衡。額定電壓且靈敏度高，非常適合嵌入式的應(yīng)用環(huán)境。

為了提高圖像處理的速度，我們將OV7725攝像頭與另一個(gè)單片機(jī)單獨(dú)相連，共同作為攝像頭模塊。

3.4 四軸機(jī)械臂

四軸機(jī)械臂有四個(gè)自由度 ，由五個(gè)舵機(jī) 、一個(gè)機(jī)械爪、一個(gè)云臺(tái)與若干連接用U型架構(gòu)成。四個(gè)舵機(jī)中，最下方的舵機(jī)用于控制機(jī)械臂的左右運(yùn)動(dòng)，中間兩個(gè)舵機(jī)用于控制機(jī)械爪的上下運(yùn)動(dòng)，最前端舵機(jī)用于控制機(jī)械爪上下轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)械爪的開(kāi)合也由舵機(jī)控制。該結(jié)構(gòu)可以保證機(jī)械臂在180度范圍內(nèi)自由活動(dòng)，抓取物品。

舵機(jī)為伺服電機(jī)，由單片機(jī)輸出的PWM波控制，其舵機(jī)控制的基準(zhǔn)信號(hào)為20ms、1.5ms寬的方波。單片機(jī)產(chǎn)生的PWM脈沖波會(huì)沿控制線(xiàn)傳輸至舵機(jī)，這段脈沖的占空比決定了舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。PWM脈沖波的持續(xù)時(shí)間應(yīng)大于或等于舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到預(yù)定位置所需的時(shí)間，否則，舵機(jī)將不能轉(zhuǎn)動(dòng)至預(yù)定位置。

4 垃圾識(shí)別原理

垃圾的識(shí)別主要由攝像頭模塊進(jìn)行。 當(dāng)觀點(diǎn)傳感器檢測(cè)到有物體被傳送帶運(yùn)送到指定位置后，傳送帶暫時(shí)停止運(yùn)動(dòng) ，攝像頭模塊快速獲取圖像并通過(guò)分析得到物體的主要特征并辨明其種類(lèi)。為了提升分析速度，與之相連的單片機(jī)會(huì)首先判斷物體的顏色 ，確定物體所在的類(lèi)別范圍，然后再將物體的形狀與所確定的分組類(lèi)別中的每一個(gè)進(jìn)行對(duì)應(yīng)以確定最符合的一類(lèi)。圖像處理完成后， 這個(gè)單片機(jī)再將數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給控制整個(gè)系統(tǒng)的單片機(jī)。

5 總結(jié)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人工垃圾分揀的工作效果顯得越來(lái)越不理想。我們的團(tuán)隊(duì)結(jié)合當(dāng)下的發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了垃圾分揀的機(jī)械化，以機(jī)械來(lái)代替人力；實(shí)現(xiàn)了工作效率的提高，生產(chǎn)成本的降低，避免人與垃圾的直接接觸。

智能垃圾分揀設(shè)備可以很好地解決垃圾分揀問(wèn)題。它不受氣候、時(shí)間和體力的限制，實(shí)現(xiàn)了垃圾的連續(xù)大規(guī)模分揀及數(shù)據(jù)采集上傳?；緦?shí)現(xiàn)無(wú)人分揀作業(yè)，降低企業(yè)人工成本投入，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作人員的效率。通過(guò)將系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫撕螅蓪?shí)現(xiàn)對(duì)垃圾分揀情況的監(jiān)控及不同種垃圾的重量等信息的匯總，更便于后期對(duì)垃圾的處理工作。