基于無(wú)人機(jī)的垃圾撿拾裝置設(shè)計(jì)

呂奕 張開利 關(guān)宏強(qiáng) 肖楓

【摘 ?要】 文章針對(duì)峭壁垃圾位置難以抵達(dá)和掛在樹枝上的白色垃圾位置較高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)人機(jī)的垃圾撿拾裝置。該裝置通過(guò)接收遙控器發(fā)送的信號(hào)，經(jīng)過(guò)飛控信息處理后，調(diào)節(jié)各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變飛行器的位置；同時(shí)，接收盒將信號(hào)轉(zhuǎn)換成PWM信號(hào)，控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂和機(jī)械爪的操作。這使得裝置可以靈活飛行到環(huán)衛(wèi)工人難以抵達(dá)的位置，準(zhǔn)確抓取目標(biāo)物，解決了垃圾撿拾中的一系列棘手問(wèn)題，降低了環(huán)衛(wèi)工人的危險(xiǎn)性，提高了垃圾清理效率，為凈化環(huán)境添磚加瓦。

【關(guān)鍵詞】 無(wú)人機(jī)；垃圾撿拾；機(jī)械爪；機(jī)械臂

隨著人們對(duì)精神文化需求的提升，旅游已成為了解歷史文化和區(qū)域文化的主要方式，特別是一些名山秀水備受青睞。然而，隨之而來(lái)的是游客留下的大量廢棄物，如礦泉水瓶、各種包裝袋等。這些廢棄物的增加，加上風(fēng)力的影響，導(dǎo)致一些垃圾滯留在峭壁、樹枝或其他高處，難以清理。針對(duì)這種峭壁垃圾位置難以抵達(dá)，以及白色垃圾掛在樹枝上高處的問(wèn)題，文章研究并設(shè)計(jì)了一種可以飛行的垃圾撿拾裝置，有效地替代了傳統(tǒng)的“蜘蛛人”攀巖作業(yè)的危險(xiǎn)性和使用升降車作業(yè)的低效性。

一、裝置工作原理

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在現(xiàn)代社會(huì)中的應(yīng)用日益廣泛，無(wú)論是在軍事領(lǐng)域的偵察與打擊，還是在民用領(lǐng)域的航拍與物流，都離不開這項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的支持。然而，隨著無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜度不斷增加，如何保持其高度可用性成為一個(gè)迫切的問(wèn)題。因此，對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的可用性進(jìn)行評(píng)估與提升，是提高其整體性能與效益的關(guān)鍵。本裝置利用無(wú)人機(jī)接收遙控器發(fā)送的信號(hào)，經(jīng)過(guò)飛控信息處理后，通過(guò)電調(diào)控制各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變飛行器的運(yùn)動(dòng)位置；同時(shí)，接收盒將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成PWM信號(hào)，以控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度，完成機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)、機(jī)械爪抓取的功能操作，使得裝置能夠靈活飛行到環(huán)衛(wèi)工人不易抵達(dá)的位置，準(zhǔn)確抓取目標(biāo)物。

（一）無(wú)人機(jī)飛行及控制的實(shí)現(xiàn)

考慮到被清理垃圾的重量通常不會(huì)超過(guò)1kg，本研究選擇了大疆F450無(wú)人機(jī)作為載荷平臺(tái)。該無(wú)人機(jī)的毛重為0.89kg，可搭載1kg至1.2kg的負(fù)載。電調(diào)采用的是天行者系列的HOBBYWING40A，其最高轉(zhuǎn)速為：2極馬達(dá)210000轉(zhuǎn)/分鐘、6極馬達(dá)70000轉(zhuǎn)/分鐘、12極馬達(dá)35000轉(zhuǎn)/分鐘。無(wú)人機(jī)搭載了飛控系統(tǒng)，其中包括先進(jìn)的姿態(tài)穩(wěn)定算法、多種飛行控制模式/智能切換、GPS模塊擴(kuò)展/精準(zhǔn)定位懸停、智能方向控制、失控保護(hù)模式、低電壓保護(hù)、普通、PPM接收機(jī)及D-BUS支持，以及支持多種多旋翼類型、云臺(tái)增穩(wěn)和遠(yuǎn)程調(diào)參等功能。RF209S型接收機(jī)能夠接收遙控器發(fā)送的信號(hào)，經(jīng)過(guò)飛控程序處理后，通過(guò)電調(diào)來(lái)控制各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器動(dòng)作的精確控制。

（二）無(wú)人機(jī)的操控原理

無(wú)人機(jī)采用的是當(dāng)前普通直升機(jī)的氣動(dòng)布局，能夠攜帶圖像采集和信息傳輸設(shè)備。在飛行過(guò)程中，無(wú)人機(jī)通過(guò)傳輸設(shè)備將所獲取的各種信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，從而極大地提高了工作效率。常見的四旋翼無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)布局是四個(gè)旋翼相互對(duì)稱分布，這種結(jié)構(gòu)具有良好的起降能力。此外，四旋翼無(wú)人機(jī)還配備了減震云臺(tái)和無(wú)線傳輸設(shè)備，能夠在進(jìn)行垃圾撿拾過(guò)程中利用高分辨率的圖像采集設(shè)備進(jìn)行信息的采集和傳輸，并將信息及時(shí)傳送到監(jiān)控中心。本裝置選擇的大疆F450四旋翼無(wú)人機(jī)，其主要?jiǎng)恿?lái)源是四個(gè)螺旋槳。螺旋槳的布局決定了各個(gè)電機(jī)的動(dòng)力分配方式，通常分為對(duì)稱和不對(duì)稱兩種。在本裝置中，為了方便動(dòng)力的分配，采用了對(duì)稱布局。

采用對(duì)稱布局的無(wú)人機(jī)有兩種主要類型：“X”型和“十字”型。在本裝置中，由于無(wú)人機(jī)需要完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)任務(wù)，包括滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航和平移等，同時(shí)需要在底盤上安裝機(jī)械手臂以進(jìn)行垃圾撿拾，因此無(wú)人機(jī)的機(jī)頭方向需要垂直于四個(gè)螺旋槳確定的平面。基于此要求，本裝置采用了“X”型布局。無(wú)人機(jī)裝備有四個(gè)電機(jī)，分別標(biāo)記為Ω1、Ω2、Ω3、和Ω4。通過(guò)調(diào)節(jié)每組電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，無(wú)人機(jī)可以產(chǎn)生所需的偏航力矩。由于螺旋槳有正反之分，使得不同旋轉(zhuǎn)方向的螺旋槳產(chǎn)生相同方向的推力。因此，為了實(shí)現(xiàn)各種姿態(tài)飛行，需要讓兩組電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)以獲得相同方向的推力。例如，如果無(wú)人機(jī)需要向右滾轉(zhuǎn)，可以增加Ω1和Ω4的轉(zhuǎn)速，降低Ω2和Ω3的轉(zhuǎn)速。這樣，機(jī)體右側(cè)的力矩小于左側(cè)的力矩，使得機(jī)體向右傾斜。同樣地，如果需要前傾即俯沖姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，只需要降低Ω1和Ω2的轉(zhuǎn)速，增加Ω3和Ω4的轉(zhuǎn)速即可，反之亦然，以實(shí)現(xiàn)后傾即機(jī)頭仰起的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。由此可見，無(wú)論機(jī)頭需要向何方運(yùn)動(dòng)，只需降低相應(yīng)方向的兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)增加對(duì)側(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即可實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)動(dòng)。

（三）機(jī)械臂和無(wú)人機(jī)連接的實(shí)現(xiàn)

針對(duì)無(wú)人機(jī)和機(jī)械臂的重量和操作需求，本研究選擇了SHANG YI品牌的鋰電池，其具有XT60端口輸出，容量為6000mAh，重量為435克。電池通過(guò)接頭連接，為機(jī)械臂提供供電。一塊充滿電的SHANG YI鋰電池可以保證無(wú)人機(jī)和機(jī)械臂連續(xù)工作約15至30分鐘。考慮到實(shí)際垃圾清理工作的量，環(huán)衛(wèi)工人可以準(zhǔn)備幾塊備用電池，以確保工作的連續(xù)性和高效性。

（四）無(wú)人機(jī)及機(jī)械臂供電的實(shí)現(xiàn)

無(wú)人機(jī)底盤和機(jī)械臂之間通過(guò)自制的亞克力板材與連接件連接使其固定。其中，機(jī)械臂具有兩個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)和機(jī)械爪的開合。利用無(wú)人機(jī)的空中飛行能力，可以輕松到達(dá)高處或危險(xiǎn)地帶，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的準(zhǔn)確抓取。連接無(wú)人機(jī)底盤和機(jī)械臂的方式是使用連接板和U型件。連接板固定在無(wú)人機(jī)底部，而機(jī)械臂的連接件則使用短U型連接件連接。連接板和U型件通過(guò)螺釘組裝在一起，以確保連接穩(wěn)固可靠。

（五）機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

利用無(wú)人機(jī)的飛控裝置控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)，舵機(jī)具有勻速轉(zhuǎn)動(dòng)和指定角度轉(zhuǎn)動(dòng)的特點(diǎn)。支架與支架之間通過(guò)舵機(jī)連接。舵機(jī)的控制信號(hào)是一個(gè)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)（PWM信號(hào)）。通過(guò)接收機(jī)發(fā)出不同頻率的PWM信號(hào)，將舵機(jī)連接在接收機(jī)的通道上，以控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)到不同的角度。這樣就可以帶動(dòng)機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)和機(jī)械爪的開合，從而完成目標(biāo)物的抓取功能。

（六）機(jī)械爪抓取的實(shí)現(xiàn)

機(jī)械爪也采取舵機(jī)作為原動(dòng)力，考慮無(wú)人機(jī)所能承受機(jī)械臂的重量，采用與型號(hào)重量較合適的舵機(jī)。舵機(jī)選取時(shí)需要考慮以下幾點(diǎn)：

（1）舵機(jī)是機(jī)械臂的組成部分，去除舵機(jī)以外的機(jī)械臂組成部分重量，計(jì)算、預(yù)估出舵機(jī)重量的合理范圍值；

（2）機(jī)械爪舵機(jī)應(yīng)滿足實(shí)際需求抓取目標(biāo)物的重量范圍。舵機(jī)固定在機(jī)械爪的咬合處，轉(zhuǎn)動(dòng)固定的角度，連接到機(jī)械爪旋轉(zhuǎn)的部位，帶動(dòng)機(jī)械爪上控制旋轉(zhuǎn)的齒輪區(qū)域進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到機(jī)械爪抓取的功能。

（七）機(jī)械臂支架

考慮到無(wú)人機(jī)的載重問(wèn)題，整個(gè)裝置重量越輕越好?？鄢延卸鏅C(jī)、底座的重量，剩下的載重量則是機(jī)械臂部分的重量，機(jī)械臂材料選取時(shí)需要考慮以下三點(diǎn)：

1. 需要考慮材質(zhì)的重量，材質(zhì)重量不宜過(guò)大；

2. 材質(zhì)的耐用性至關(guān)重要，耐用性強(qiáng)的材質(zhì)可以延長(zhǎng)裝置的使用壽命；

3. 材質(zhì)的承重性決定了整個(gè)裝置的穩(wěn)定性和可靠性，承重性強(qiáng)的材質(zhì)可以保證配置在機(jī)械臂上的其他部件更加穩(wěn)固、保證抓取目標(biāo)物更加可靠。

基于以上因素，機(jī)械臂支架全部采用2A16航空鋁材，減輕機(jī)械臂重量，降低無(wú)人機(jī)載重量，滿足本裝置在耐用性、穩(wěn)固性、可靠性等方面的需求。

二、裝置設(shè)計(jì)與計(jì)算

機(jī)械部分包括機(jī)械臂和機(jī)械爪兩個(gè)構(gòu)件。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、選材、組裝和調(diào)試，最終制作出實(shí)物。根據(jù)零部件的相關(guān)參數(shù)（如圖1所示），可以計(jì)算出該裝置可以抓取的目標(biāo)物的重量范圍，從而為實(shí)際應(yīng)用時(shí)撿拾目標(biāo)物提供參考。

1. 計(jì)算機(jī)械爪可抓取的物體最大重量（即G物）。

公式：G桿·L桿+G舵·L舵+G爪·L爪+G物·L物=M1 ?①

已知參數(shù)的數(shù)據(jù)值如下：

G桿：機(jī)械臂的重量0.64N；

L桿：舵機(jī)Ⅰ的回轉(zhuǎn)中心到機(jī)械臂重心的長(zhǎng)度170 mm；

G舵：舵機(jī)Ⅱ的重量0.6N；

L舵：舵機(jī)Ⅰ的回轉(zhuǎn)中心到舵機(jī)Ⅱ重心的距離300mm；

G爪：機(jī)械爪的重量1.25N；

L爪：舵機(jī)Ⅰ的回轉(zhuǎn)中心到機(jī)械爪中心的距離350 mm；

L物：抓取的物體重心到舵機(jī)Ⅱ的距離，即機(jī)械爪中心到舵機(jī)Ⅱ的距離350mm；

M1：舵機(jī)Ⅰ的扭矩150N·cm；

將各參數(shù)值代入公式①，具體如下：

∵G桿·L桿+G舵·L舵+G爪·L爪+G物·L物=M1

∴0.64N·170×10-1cm＋0.6N·300×10-1cm＋1.25N·350×10-1cm＋G物·350×10-1cm＝150N·cm

計(jì)算得出，G物＝2.21N，即機(jī)械爪可抓取物體的最大重量G物的值為2.21N。

2. 計(jì)算機(jī)械爪的夾取力（即F）。

公式：F·d=M2 ?②

已知參數(shù)的數(shù)據(jù)值如下：

d：舵機(jī)Ⅱ到機(jī)械爪中心的距離50mm；

M2：舵機(jī)Ⅱ的扭矩160N·cm；

將各參數(shù)值代入公式②，具體如下：

∵F·d=M2

∴F·50×10-1cm＝160N·cm

計(jì)算得出，F(xiàn)＝32N，即機(jī)械爪的夾取力F的值為32N。

經(jīng)過(guò)以上兩步計(jì)算，得出機(jī)械爪夾取力F遠(yuǎn)大于可抓取最大物體重量G物，即F＞G物。同時(shí)考慮到在抓取白色掛枝垃圾時(shí)其處于掛枝狀態(tài)，強(qiáng)行抓取會(huì)有較大的掛枝力，可通過(guò)遙控?zé)o人機(jī)多角度多方位抓取避免掛枝阻力；另外由于掛枝物大多為塑料類，材質(zhì)具有輕、軟、柔等特性，為了盡可能避免由于機(jī)械爪材質(zhì)過(guò)硬，實(shí)際工作時(shí)出現(xiàn)抓取脫離現(xiàn)象，本裝置在機(jī)械爪抓取部位粘貼了軟而輕的珍珠棉來(lái)增加抓取物與機(jī)械爪間的摩擦力。通過(guò)裝置的多個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境測(cè)試，證明本裝置的設(shè)計(jì)及配置是正確、合理的。

3. 調(diào)整整個(gè)裝置的平衡性。

當(dāng)機(jī)械臂與無(wú)人機(jī)機(jī)體相互垂直時(shí)，無(wú)人機(jī)四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速是相等的，可以保證整個(gè)裝置的平衡性；當(dāng)機(jī)械臂向右旋轉(zhuǎn)90度角（面對(duì)裝置時(shí)）與無(wú)人機(jī)機(jī)體平行時(shí)，飛控計(jì)算自適應(yīng)調(diào)整左側(cè)旋翼Ω1、Ω4的轉(zhuǎn)速和右側(cè)旋翼Ω2、Ω3的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速調(diào)整需要滿足以下兩點(diǎn)，可以保證整個(gè)裝置的平衡性：

①右側(cè)Ω2、Ω3的升力之和大于左側(cè)Ω1、Ω4的升力之和，即F右＞F左，可以保障機(jī)械臂向右扭轉(zhuǎn)時(shí)正常抓取目標(biāo)物；

②保證總力矩平衡，即M左旋＝M右旋＋M臂，其中，M左旋是左側(cè)旋翼Ω1、Ω4的力矩之和，M右旋是右側(cè)旋翼Ω2、Ω3的力矩之和，M臂是機(jī)械臂的力矩；

根據(jù)以上兩點(diǎn)裝置平衡性原理要求，本裝置順利完成平衡性調(diào)試，并成功通過(guò)測(cè)試。

三、結(jié)語(yǔ)

本裝置借助無(wú)人機(jī)的飛行功能及可擴(kuò)展功能二次開發(fā)的特點(diǎn)，對(duì)機(jī)械臂、機(jī)械爪各方位抓取功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)本裝置靈活飛行于環(huán)衛(wèi)工人不易抵達(dá)的位置，準(zhǔn)確抓取目標(biāo)物，降低環(huán)衛(wèi)工人撿拾垃圾的危險(xiǎn)度，提高垃圾清理效率。本裝置具體性能如下：

1. 在可見范圍內(nèi)，即無(wú)任何阻擋的前提下，無(wú)人機(jī)最遠(yuǎn)可控距離約為500m，滿足環(huán)衛(wèi)工人一次垃圾清理的工作范圍，實(shí)用性強(qiáng)；

2. 當(dāng)機(jī)械臂扭轉(zhuǎn)至與無(wú)人機(jī)機(jī)身平行時(shí)，機(jī)械臂的長(zhǎng)度應(yīng)大于無(wú)人機(jī)最大長(zhǎng)度的一半，機(jī)械臂最長(zhǎng)距離約為408 mm，保證無(wú)人機(jī)的旋翼不會(huì)觸碰垃圾清除點(diǎn)阻礙體，保證無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)下旋翼安全、無(wú)觸碰；

3. 實(shí)現(xiàn)多方向、多角度旋轉(zhuǎn)及抓取牢固性，更好地適應(yīng)峭壁垃圾的復(fù)雜地形和“掛枝”白色垃圾不可預(yù)測(cè)的纏掛狀態(tài)，確保垃圾撿拾工作更加高效、安全。

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