裝載機(jī)械臂的智能輪式環(huán)衛(wèi)機(jī)器人

黃 磊，秦耀澤，郭迎九

（北京城市學(xué)院 信息學(xué)部，北京 101300）

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)非常重視生活垃圾的分類回收，有數(shù)據(jù)顯示我國(guó)年產(chǎn)垃圾約占全球的30%，且城市固體廢棄物的積累量約為70億噸[1-2]。上海自1995年起陸續(xù)發(fā)布了八部針對(duì)生活垃圾處理的政策文件，而到2019年落實(shí)完全分類的居民僅有11%[3]。另一方面，目前城市環(huán)衛(wèi)主要依靠人力勞動(dòng)，而2020年咸陽(yáng)市環(huán)衛(wèi)工人的健康檢查報(bào)告顯示：受檢的1 066名從業(yè)者平均年齡為56歲，健康方面的異常率高達(dá)92.1%[4]。傳統(tǒng)環(huán)衛(wèi)行業(yè)同時(shí)面臨招工難、留工難、用工難等問(wèn)題[5]，城市環(huán)衛(wèi)工作高強(qiáng)度低收入的性質(zhì)與高齡從業(yè)者長(zhǎng)期亞健康狀態(tài)之間的矛盾日益激烈。

隨著人工智能與傳感識(shí)別技術(shù)的飛速發(fā)展，利用相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一款輔助完成城市環(huán)衛(wèi)工作的智能機(jī)器人，能夠有效緩解矛盾。早在20世紀(jì)40年代，西方國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始研發(fā)液壓型車載機(jī)械臂以減少高昂的人力成本，如德國(guó)Ducker公司研發(fā)了基于同套臂架系統(tǒng)的智能公路清潔養(yǎng)護(hù)工程車，通過(guò)更換末端機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用。但此類產(chǎn)品體積較大，并沒(méi)有很好地減少人力成本。

跨入信息時(shí)代后，為給全面推進(jìn)城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型賦能，實(shí)現(xiàn)無(wú)人環(huán)衛(wèi)器械的商用落地，百度、宇通重工、龍馬環(huán)衛(wèi)等大型企業(yè)相繼推出智能環(huán)衛(wèi)車輛產(chǎn)品，滿足園區(qū)環(huán)境的地面清掃需求[6-7]。而就現(xiàn)階段的無(wú)人駕駛環(huán)衛(wèi)車來(lái)說(shuō)，由于自動(dòng)駕駛技術(shù)的局限性導(dǎo)致產(chǎn)品對(duì)環(huán)境依賴較高，也弱化了垃圾處理的針對(duì)性，因而目前并沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。

1 環(huán)衛(wèi)機(jī)器人設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上述背景，本文開(kāi)發(fā)了一款裝載機(jī)械臂的智能輪式環(huán)衛(wèi)機(jī)器人。機(jī)器人的底盤(pán)結(jié)構(gòu)采用由一組萬(wàn)向輪和兩組伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輪式結(jié)構(gòu)。萬(wàn)向輪支撐整體結(jié)構(gòu)及輔助運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪通過(guò)伺服電機(jī)與減速器的同步帶傳動(dòng)方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，調(diào)整伺服電機(jī)輸入，配合可控制電機(jī)轉(zhuǎn)向的H橋電路，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行駛功能。機(jī)械臂結(jié)構(gòu)如圖1所示，各關(guān)節(jié)都由獨(dú)立伺服機(jī)構(gòu)控制，最終所有伺服器由控制器統(tǒng)一控制并協(xié)調(diào)工作[8-12]。

圖1 四自由度機(jī)械臂示意圖

使用D-H法，根據(jù)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)為每處連桿建立坐標(biāo)系A(chǔ)i(i-1)，通過(guò)坐標(biāo)系的變換完成機(jī)械臂末端位姿的描述，其比例模型的參數(shù)見(jiàn)表1所列。以此進(jìn)行機(jī)械臂模型仿真及關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)解算[13]：

表1 四自由度機(jī)械臂D-H參數(shù)表

其中，Ai表示第一個(gè)連桿坐標(biāo)系相對(duì)于基坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，以此類推。該機(jī)械臂的正運(yùn)動(dòng)學(xué)變換矩陣為：

在此基礎(chǔ)上可求解各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角θi，即式（3）～（5）。通過(guò)輸入PWM控制每個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該機(jī)械臂整體的控制。

1.2 傳感網(wǎng)絡(luò)部署

（1）激光雷達(dá)與SLAM

由貝葉斯公式計(jì)算得：

兩邊取對(duì)數(shù)：

圖2 激光SLAM建圖

（2）攝像頭與目標(biāo)識(shí)別

在目標(biāo)識(shí)別方面，經(jīng)歷了OpenCV和Tensorflow路線帶來(lái)的高成本、高難度和低收益后，最終選擇了相對(duì)簡(jiǎn)潔的華為多主體和百度垃圾識(shí)別雙API調(diào)用方案，以多主體識(shí)別API為例，將攝像頭畫(huà)面周期上傳至OSS生成URL，調(diào)用API接口即可返回主體信息。

（3）超聲波測(cè)距模塊及垃圾位置判定

HC-SR04采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，發(fā)送信號(hào)后，若接收到返回信號(hào)，則通過(guò)IO口ECHO輸出時(shí)差高電平。常溫下聲波傳輸速度約為344 m/s，通過(guò)式（9）即可計(jì)算距離d，其中t為高電平時(shí)間。

攝像頭反饋的方位信息結(jié)合超聲反饋的距離信息構(gòu)成物體極坐標(biāo)，由控制器樹(shù)莓派在控制中不斷校正實(shí)現(xiàn)閉環(huán)，最終驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)抓取。

（4）其他參照信息傳感模塊

為促成機(jī)器人的數(shù)據(jù)可視化工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)其全方位的控制，為其裝載了GPS模塊S1216和加速度模塊MPU6050，遠(yuǎn)程獲取經(jīng)緯度信息和六軸速度信息。

1.3 控制核心

控制核心是機(jī)器人數(shù)據(jù)計(jì)算、輸出命令的重要模塊，本文的設(shè)計(jì)中選擇了較高算力的樹(shù)莓派4B作為上位機(jī)，與32單片機(jī)構(gòu)成機(jī)器人的雙控制核心。樹(shù)莓派擁有網(wǎng)卡、USB等模塊，同時(shí)具備音視頻模擬輸出能力，還具備GPIO、SPI、UART等硬件設(shè)備，為機(jī)器人提供硬件條件和計(jì)算環(huán)境，具有計(jì)算能力強(qiáng)、體型小等優(yōu)點(diǎn)。為了充分應(yīng)用樹(shù)莓派資源，引用了一款擴(kuò)展板Nano_Controlle，為傳感器提供更多擴(kuò)展接口，同時(shí)輸出PWM信號(hào)控制底盤(pán)。

2 整體框架

本文提出如圖3所示的硬件架構(gòu)，模塊部署及程序燒錄實(shí)物如圖4所示，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2所列。

圖3 裝載機(jī)械臂的智能輪式環(huán)衛(wèi)機(jī)器人硬件系統(tǒng)模型

圖4 裝載機(jī)械臂的智能輪式環(huán)衛(wèi)機(jī)器人實(shí)物

表2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款輔助城市環(huán)衛(wèi)的智能機(jī)器人，具備避障導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、對(duì)象識(shí)別、控制抓取四大核心功能。盡管各項(xiàng)基本功能已順利實(shí)現(xiàn)，但是仍有空間亟待優(yōu)化。第一是目標(biāo)識(shí)別方面，現(xiàn)有方案由于需要嵌套調(diào)用API，網(wǎng)絡(luò)依賴性強(qiáng)、延遲性較高。后期團(tuán)隊(duì)提出基于Paddlelite的本地化模型部署方案，但數(shù)據(jù)集局限導(dǎo)致識(shí)別精度欠缺，想要實(shí)裝仍需優(yōu)化。第二是在目標(biāo)物品定位上，可以改用深度攝像頭等高精設(shè)備。另外，未來(lái)還可以考慮通過(guò)搭載不同的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成更多類型的工作，乃至于在軍事、消防、物流等領(lǐng)域開(kāi)拓新的應(yīng)用，為提高人們生活水平、推動(dòng)科學(xué)技術(shù)發(fā)展發(fā)揮更大的作用。