一種氣動(dòng)機(jī)器人垃圾分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

王 華

(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)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(zhèn)化的快速發(fā)展，城市規(guī)模逐漸擴(kuò)大，人口密度逐漸增加，但隨之而來(lái)產(chǎn)生的生活垃圾、建筑垃圾也在不斷增加，對(duì)自然生態(tài)環(huán)境造成極大破壞，實(shí)現(xiàn)生活垃圾、建筑垃圾分類(lèi)投放非常必要[1]。目前，生活垃圾、建筑垃圾分類(lèi)仍采用人工流水線分揀方式，該方式勞動(dòng)強(qiáng)度大，工人工作環(huán)境惡劣，分揀效率低和自動(dòng)化程度低，完全不能滿足我國(guó)目前城市化的發(fā)展和生態(tài)保護(hù)，垃圾自動(dòng)化分揀系統(tǒng)代替人工分揀勢(shì)在必行。結(jié)合工業(yè)機(jī)器人技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的新型自動(dòng)化分揀系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)垃圾分類(lèi)的智能化和柔性化，而且還可以節(jié)約成本，減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度和提高生產(chǎn)效率等[2]，未來(lái)在工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展中有著廣闊前景。

唐媛紅等[3]設(shè)計(jì)的機(jī)器人視覺(jué)采摘分揀控制系統(tǒng)，解決了果蔬采摘完后分揀作業(yè)的效率低、分揀精度差等問(wèn)題；王成軍等[4]分析了機(jī)器人視覺(jué)技術(shù)在自動(dòng)化分揀設(shè)備中的廣泛應(yīng)用，同時(shí)也分析國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，為后續(xù)機(jī)器人視覺(jué)技術(shù)在智能化分揀系統(tǒng)中的應(yīng)用提供參考依據(jù)；郝大孝等[5]通過(guò)運(yùn)用歐姆龍NJ運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)一種機(jī)器人控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)抓取，同時(shí)提出一種動(dòng)態(tài)抓取算法，該算法和機(jī)器人視覺(jué)完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)分揀過(guò)程精準(zhǔn)和抓取率高。目前，我國(guó)垃圾分揀基本依靠人工分揀為主，機(jī)械輔助分揀很少，人工成本高且危險(xiǎn)性很大，工作環(huán)境惡劣，分揀效果較差；為進(jìn)一步提高智能化垃圾分揀效率，基于現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出一種基于機(jī)器人視覺(jué)垃圾分揀系統(tǒng)，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)垃圾分揀完全自動(dòng)化提供參考依據(jù)。

1 機(jī)器人分揀設(shè)備整體設(shè)計(jì)方案

利用SolidWorks三維軟件，設(shè)計(jì)出一種新型智能化機(jī)器人，以康奈視In-Sight 7000型智能相機(jī)等為基礎(chǔ)，搭建一種基于機(jī)器人視覺(jué)垃圾分揀系統(tǒng)平臺(tái)[6]，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

智能化垃圾分揀系統(tǒng)工作過(guò)程：首先，生活垃圾經(jīng)過(guò)兩側(cè)智能相機(jī)掃描后，智能相機(jī)對(duì)采集到的目標(biāo)物進(jìn)行預(yù)處理，尋找相應(yīng)的輪廓，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行提取；然后，進(jìn)行形狀判別，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分析；最后，機(jī)械手進(jìn)行分類(lèi)抓取，完成整個(gè)分揀過(guò)程。

2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)及控制分析

2.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)

機(jī)械手機(jī)構(gòu)主要包括[7-8]擺動(dòng)氣缸、轉(zhuǎn)臺(tái)、立柱、導(dǎo)向桿、活塞、活塞桿、前伸/回縮氣缸、上升/下降氣缸、吸盤(pán)等，智能化機(jī)械手機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖如圖2所示。

1.擺動(dòng)氣缸 2.轉(zhuǎn)臺(tái) 3.立柱 4.導(dǎo)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(pán)圖2 機(jī)械手機(jī)構(gòu)示意圖簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of manipulator

2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

機(jī)械手底座采用氣缸驅(qū)動(dòng)，關(guān)節(jié)臂和吸盤(pán)利用單桿循環(huán)運(yùn)動(dòng)的雙向氣缸驅(qū)動(dòng)，分揀抓取機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)主要包括底座旋轉(zhuǎn)、豎直機(jī)械臂的上下運(yùn)動(dòng)、水平機(jī)械臂的前后運(yùn)動(dòng)、吸盤(pán)拾取或者放下對(duì)應(yīng)的垃圾物體等[9-10]，機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

1.氣體壓力機(jī) 2.壓縮氣體處理結(jié)構(gòu) 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(jī) 24.開(kāi)關(guān)25.過(guò)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(dòng)氣缸圖3 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of manipulator drive system

智能化垃圾分揀系統(tǒng)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括氣缸、吸盤(pán)、消聲器、電磁換向閥、電磁閥、調(diào)速閥等；4個(gè)調(diào)速閥控制氣缸的上下左右運(yùn)動(dòng)以及底座的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，避免底座運(yùn)動(dòng)速度過(guò)快產(chǎn)生剛性沖擊；三位四通電磁換向閥可以改變氣缸的運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)而控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)；二位二通電磁閥控制真空壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同種類(lèi)的垃圾進(jìn)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(huán)境。

1) 擺動(dòng)氣缸運(yùn)動(dòng)控制

當(dāng)開(kāi)關(guān)左/右旋按鍵接通后，空氣處理單元產(chǎn)生氣壓經(jīng)過(guò)儲(chǔ)氣罐進(jìn)入，三位四通電磁換向閥的6YA/5YA通電，氣壓回路左/右側(cè)接通，實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)氣缸左/右旋。

2) 水平氣缸的伸縮控制

當(dāng)?shù)鬃鶖[動(dòng)到右側(cè)或左側(cè)90°位置時(shí)，就能碰到右側(cè)或左側(cè)限位開(kāi)關(guān)，使電磁換向閥12斷電，底座氣壓缸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)時(shí)間繼電器延時(shí)，電磁換向閥10的左側(cè)1YA通電，左側(cè)氣壓回路接通，水平氣缸A右移，水平手臂后縮動(dòng)作；電磁換向閥10的右側(cè)2YA通電，右側(cè)氣壓回路接通，水平氣缸A左移，水平手臂前伸動(dòng)作。

3) 豎直機(jī)械臂的下降或上升運(yùn)動(dòng)控制

當(dāng)水平機(jī)械臂伸出到相應(yīng)的位置時(shí)， 碰觸到前限位開(kāi)關(guān)，電磁換向閥10的1YA斷電，水平機(jī)械臂停止運(yùn)動(dòng)，經(jīng)時(shí)間繼電器延時(shí)，豎直機(jī)械臂下降控制按鈕接通，電磁換向閥11的左側(cè)3YA通電，左側(cè)氣壓回路接通，豎直氣缸向下運(yùn)動(dòng)，執(zhí)行豎直機(jī)械臂向下運(yùn)動(dòng)動(dòng)作；

當(dāng)傳感器檢測(cè)到相應(yīng)垃圾已經(jīng)被吸盤(pán)吸起時(shí)，電磁換向閥11的右側(cè)電磁鐵4YA通電，右側(cè)氣壓回路接通，豎直機(jī)械臂向上運(yùn)動(dòng)，執(zhí)行豎直機(jī)械臂上升運(yùn)動(dòng)動(dòng)作。

垃圾分揀機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)等多種工作模式，可以通過(guò)利用相應(yīng)按鈕，實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾分揀機(jī)械手的各種運(yùn)動(dòng)的控制；也可以利用循環(huán)按鈕，實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾分揀機(jī)械手自動(dòng)連續(xù)不斷的執(zhí)行分揀任務(wù)的各個(gè)步驟，氣動(dòng)分揀過(guò)程的程序流程圖如圖4所示。

圖4 氣動(dòng)分揀過(guò)程的程序流程圖Fig.4 Procedure flow chart of pneumatic sorting process

3 相機(jī)標(biāo)定

相機(jī)標(biāo)定的目的就是確定圖像像素坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系的關(guān)系[13]。假設(shè)空間中存在任意一點(diǎn)M，在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(XC，YC，ZC)，該像點(diǎn)在成像平面坐標(biāo)系中的投影為m，坐標(biāo)值為(x，y)，在圖像像素坐標(biāo)系中的投影點(diǎn)為q，坐標(biāo)值為(u，v)，根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)，可求得空間點(diǎn)M與像點(diǎn)m的函數(shù)關(guān)系：

(1)

式中，fX—— 相機(jī)在X方向的焦距

fY—— 相機(jī)在Y方向的焦距

cX，cY—— 表示圖像坐標(biāo)系原點(diǎn)O在像素坐標(biāo)系的位置坐標(biāo)

z—— 參數(shù)變量

令矩陣：

K稱(chēng)為相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣，表示相機(jī)坐標(biāo)與圖像像素坐標(biāo)之間的關(guān)系。

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

(2)

式中，R—— 旋轉(zhuǎn)矩陣

t—— 偏移向量

轉(zhuǎn)換成齊次坐標(biāo)的形式是：

(3)

式(3)為世界坐標(biāo)系與相機(jī)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)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(gè)任意刻度比例。式(4)描述了針孔模型下圖像像素坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的關(guān)系，[XWYWZW]為特征點(diǎn)的世界坐標(biāo)，利用轉(zhuǎn)換可求得圖像像素坐標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的抓取。

為了提高相機(jī)標(biāo)定的精度，本研究利用9張不同方向的棋盤(pán)格圖片作為標(biāo)定模板，每張圖片像素為640×480，X，Y方向分別有8個(gè)和6個(gè)內(nèi)角點(diǎn)，棋盤(pán)格實(shí)際邊長(zhǎng)為30 mm，標(biāo)定結(jié)果如圖5所示。

圖5 標(biāo)定模板與結(jié)果Fig.5 Calibration template and results

本研究標(biāo)定按照線性模型方法標(biāo)定，標(biāo)定完后相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)值如下：

相機(jī)焦距：

外參數(shù)矩陣：

內(nèi)參數(shù)矩陣：

偏移向量：

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證搭建平臺(tái)可行性和有效性，根據(jù)所搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別在傳送帶上放置不同的生活垃圾廢棄物[14-15]，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Overall structure diagram of test site

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)械手接到指令運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)的位置吸取目標(biāo)物，然后將目標(biāo)物放置到指定的位置，在目標(biāo)物的上方安裝另外一個(gè)相機(jī)，利用相機(jī)來(lái)獲取目標(biāo)物的中心，通過(guò)相機(jī)拍照來(lái)確定分析機(jī)械手在抓取物體時(shí)X和Y方向產(chǎn)生的偏差值。經(jīng)過(guò)50次試驗(yàn)和數(shù)據(jù)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(tái)分揀實(shí)驗(yàn)結(jié)果表。

表1 機(jī)械手分揀實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental results of manipulator sorting

從圖7可得，在X方向偏差變化相對(duì)大一些，通過(guò)對(duì)50次抓取動(dòng)作進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和計(jì)算，得到X方向的重復(fù)性精度為1.78983 mm，Y方向的重復(fù)性精度為1.03728 mm，X，Y方向的誤差即為總體累計(jì)誤差。由于機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)是吸盤(pán)，采用氣壓吸取目標(biāo)物，機(jī)械手吸盤(pán)可吸取3 mm的范圍內(nèi)的目標(biāo)物，因此，機(jī)械手吸盤(pán)能實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)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(jié)論

現(xiàn)有生活垃圾主要是填埋、焚燒等，生活垃圾處理方式填埋對(duì)土壤污染比較嚴(yán)重，焚燒對(duì)空氣污染嚴(yán)重等，在結(jié)合機(jī)器人視覺(jué)技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種新型自動(dòng)化垃圾分揀系統(tǒng)，研究表明：

(1) 該系統(tǒng)在機(jī)器人視覺(jué)引導(dǎo)下的機(jī)械手能夠高精度的抓取和放料，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)精度可以達(dá)到3 mm，能夠完成生活或生產(chǎn)中垃圾的分揀要求；

(2) 該系統(tǒng)利用氣壓回路實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的控制，減少勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了吸盤(pán)抓取精度，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境無(wú)污染，綠色制造；

(3) 該系統(tǒng)采用棋盤(pán)格標(biāo)定法進(jìn)行對(duì)相機(jī)標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果誤差相對(duì)較小，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手能精準(zhǔn)抓取生活垃圾的設(shè)計(jì)；

(4) 該系統(tǒng)還具有自動(dòng)化程度高、分揀精度高、運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn)、工作效率高等特點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景，為未來(lái)垃圾分揀實(shí)現(xiàn)智能化提供參考依據(jù)。