垃圾分拣系统机械结构设计

垃圾分拣系统机械结构设计

刘子涵1葛雪1

1.山东协和学院 山东济南    邮编   250200

摘要：在日常生活中，垃圾的处置始终是一个较大的难题，目前垃圾的处置分拣过程主要依赖人工完成，工人的工作量颇大且工作效率低。因此，本文构建了一种基于人工智能技术的垃圾分拣系统，能够实现废旧垃圾的高效分离，切实解决了垃圾分拣过程中的识别难题、分拣成功率低以及成本居高不下等问题，真正实现了低成本、高效率、低污染的需求。

关键词：垃圾分拣；智能技术；目标识别

国家于垃圾处理方面倾注了大量心力，倡导树立群众的垃圾分类意识，吁请广大群众培育垃圾分类意识。然而现阶段我国垃圾处理工作多数为人工分拣，其在人力成本、分拣程度等方面耗费的诸多资源效果欠佳，存在效率低下、工作环境恶劣、分拣不精准等问题，给小区居民和工作人员均带来了极大困扰。国内物体识别技术历经数十年发展，已然能够实时检测物体，并即时反馈结果。将其应用于垃圾分拣领域，能够解决生活垃圾的精准识别、信息上报等问题。本文的研究的垃圾分拣系统可以精准且迅速地识别生活垃圾，并将其目标分类后投送至对应区域，能够切实应用到在实际场景中，提升分拣处理的准确性及效率，具有一定研究价值。

一、垃圾分拣系统整体方案设计

图 1 垃圾分拣系统总体方案设计

图1图2分别给出了机器人垃圾分选系统的方案设计及系统模型图，系统主要包含视觉模块、传输模块与抓取模块。其中，视觉模块主要由相机、镜头与光源等构成，主要负责在垃圾分拣进程中对废旧垃圾进行实时信息采集；传输模块主要由输送带、编码器以及变频器等组成，主要作用于系统中输送带速度的控制、位置记录以及垃圾的运输工作；抓取模块由机器人、末端执行器等组成，主要用于实施垃圾抓取的动作，并把物料从输送带上分选至指定的垃圾分选筐内。

图2 垃圾分拣系统模型

该系统的工作原理是：废旧垃圾均匀地分布在输送带上运送至相机室，由计算机控制相机采集垃圾的图片，通过目标检测算法获取物料的类别信息和位置信息，并通过姿态检测获取到垃圾的姿态信息。最后把获取到的信息通过计算机传输给机器人，控制机器人对垃圾进行抓取，再通过高压气喷末端执行器将垃圾分选到指定的分选筐中，完成垃圾分拣工作。

二、视觉模块硬件选型

在垃圾分拣系统里，相机承担图像采集的职责，其采集质量径直影响到识别的精准性。相较于普通相机，工业相机具有结构强度大、高帧率、数据传输能力强以及快门时间短等特性，CMOS 相机在工业环境中受到较少的外部光线干扰，通过将每个像素的电荷转化为电压，再经由放大电路输出数字信号，从而实现图像采集。

在垃圾分拣的过程中，相机采集的物体处于输送带上运动状态，若物体曝光时间变长，就容易出现拖影现象。因此，所选择的相机需要具备较短的曝光时间和更快的帧率，经过考量，本文决定选用MV-CA050-20UC工业相机，此相机满足需求，而且成本低、分辨率高。

工业镜头借助光学透镜组将物体投射到传感器上。并且，工业镜头具备高分辨率和超低失真设计技术，失真技术可以减少反射损耗和眩光，提升对比度以及色彩还原度，进而增强图像的清晰度。通过多组透镜的设计，达成高分辨率和低畸变。在相机的成像原理中，镜头的焦距f、相机传感器元件宽度尺寸w、拍摄图片宽度W以及物体到相机平面的距离物距D构成了基本参数。利用公式(1)能够算出相机的焦距。

                       （1）

依照系统方案的总体设计，输送带平面与相机的距离D为1.1米，宽度为1米，也就是W=1米。本文所选的MV-CA050-20UC相机的靶面尺寸具体为 12.8mm×9.6mm，代入公式(1)可得到镜头的焦距为14.08mm。考虑到已选定的相机型号和焦距尺寸规格，最终选用了海康的MVL-KF1228M-12MPE1200万定焦12mm 镜头。

三、传输模块硬件选型

传输模块主要由输送带、电机、编码器以及变频器等部分构成，其主要作用是在系统中实现输送带的速度控制、位置记录以及物料的运输任务。

输送带充当相机识别的背景板，对其带面的反光度有特殊的需求。需要灯光照射到输送带上呈现为漫反射，且输送带带面的光照要均匀。因此，本文选用了黑色哑光型的输送带，其具体尺寸为长30米、宽10米、高 0.75米，电机型号为6GU-10K。由于该系统对输送带的速度有严格的规定，所以采用EM100变频器对电机进行控制。

编码器是机器人垃圾分拣系统中数字化采集模块的关键组成部分，被安装于电机旁边的同步轮上。它是一种能将运动或位置转化为数字信号的传感器，主要被用于测量电机或者电机驱动轴的转速以及转角位置，将机械运动转化为电信号。它的作用是实时监控电机或驱动轴的运动状况，把转动角度转变为数字或者模拟信号输出给控制器，进而达成精确的位置控制和速度控制。为满足以上要求，本设计选用精度高、抗干扰能力强、拥有断电记忆等功能的绝对值编码器。

四、抓取模块硬件选型及设计

工业机器人作为垃圾分拣系统的核心部分，必须接收其他模块输出的信号，进而完成抓取动作。本文选用了华数机器人的HSR-JR605，如图3所示。此机器人是常见的六自由度串联机器人，具有六个关节轴，且每个关节轴都存在一个旋转角度，其灵活性较高，价格相对较低，稳定性强，性价比出色，是垃圾分选机器人的上佳之选。

图3 华数机器人HSR-JR605

为保障抓取流程的安全性，机器人的每一个轴都设定了限位。当机器人处于运行状态时，各轴的运动均不能超越其限位，不然机器人就会停止运转，并发出警告提示。依托工业嵌入式计算机平台，IPC控制器在实时Linux系统中运行，并集成了高效的机器人运动控制算法。伺服电机驱动器用于操控伺服电机，适用于高精度位置传动系统。I/O模块主要为机器人的实际应用提供外部接口，总计有16路通用输入输出。在本系统中，主要用于控制电磁阀的通断，以达成机器人的抓取任务。

为达成抓取任务，通常会在工业机器人末端法兰上增装末端执行器。本文主要探究的分拣对象为生活中常见的废旧垃圾，其具有重量轻、形状相对规范的特点。运用传统的末端执行机构效率偏低且价格昂贵。鉴于这种工况，设计出了一种高压气喷末端执行器机构，如图4所示，整个机构由真空发生器、电磁阀、高压喷头、金具支架、双轴伸缩气缸以及吸嘴等构成。

（a）末端执行器缩短            （b）末端执行器伸长

图4 末端执行器结构图

在实施垃圾抓取操作时，控制真空发生器开启，使垃圾吸附于吸嘴之上，机器人抬升运行至指定位置，第六轴旋转至适宜的角度，双轴气缸伸展，带动喷嘴移至物料的斜下方，如图4（b）所示。开启喷嘴电磁阀，同时关闭吸嘴电磁阀，将物料喷射进指定的垃圾分选筐中。

五、结束语

本文重点阐述了垃圾分拣系统的机械结构设计，且绘制出了此系统原理的三维模型图。而且对系统中的机器人、输送带、相机、末端执行器等主要硬件进行选型与设计，确保系统中的各个硬件均能符合垃圾分拣系统的需求。与此同时，还就末端执行器的设计展开了探讨，并拿出了一种高压气喷末端执行器的设计规划，运用该末端执行器能够增多垃圾分拣的类别， 提高废旧垃圾分拣的效率。这三个模块由计算机统一控制，协作运行，以达成机器人智能抓取。该系统的设计能够达成对垃圾的高效分选与回收利用，降低人力成本，提升垃圾分拣的效率与准确性。

参考文献

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[3]卢智亮,林伟,曾碧,刘瑞雪.机器人目标抓取区域实时检测方法[J].计算机工程与应用,2020,56(19):224-230.

作者简介：

刘子涵，男，汉族，山东泰安，2001年3月，本科应届毕业生。

葛雪，女，汉族，山东高密，1997年1月，研究生，流体润滑方向。

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