“未来”——环卫机器人.pdf

智能制造技术“未来”环卫机器人李林泽，马佳辰，徐涵，于千容，张千喜（太原工业学院，山西太原0 30 0 0 8）【摘要】环卫机器人能够进行自主导航，识别与分栋垃圾，可实现人机交互。拥有语音交互、屏幕交互、APP交互等功能。机器人通过激光雷达、陀螺仪与编码器电机协同实现自主导航功能，使用双目摄像头搭载YOLO算法实现对垃圾的识别分类。机器人在导航巡逻过程中，若识别到目标垃圾，通过串口将信号传输给主控芯片，机器人自主路径规划，通过机械臂和机械爪对目标垃圾进行抓取，完成对垃圾的分栋任务。关键词：目标检测；手眼标定；自主导航；人机交互中图分类号：TP242DOl:10.12147/ki.1671-3508.2023.10.056(Taiyuan Institute of Technology,Taiyuan,Shanxi 030008,CHN)AbstractSanitation robots can perform autonomous navigation,identify and sort garbage,andachieve human-machine interaction.It has functions such as voice interaction,screen interac-tion,and APP interaction.The robot achieves autonomous navigation through the collaborationof lidar,gyroscope,and encoder motor,and uses binocular cameras equipped with YOLO algo-rithm to recognize and classify garbage.During the navigation and patrol process of the robot,ifthe target garbage is identified,the signal is transmitted to the main control chip through the se-rial port.The robot independently plans the path,grabs the target garbage through the mechani-cal arm and claws,and completes the sorting task of the garbage.Key words:object detection;hand eye calibration;autonomous navigation;human-computerinteraction文献标识码：BThe Future-Sanitation RobotsLi Linze,Ma Jiachen,Xu Han,Yu Qianrong,Zhang Qianxi1引言随着人类生活水平的不断提高，全球垃圾生产增长速度日益增高，环境污染逐步被高度重视。节能环保、生态保护已然成为世界各国关心的问题。目前生活中垃圾分栋大多数依靠耗时费力的人力分栋，方式单一。因此,智能化垃圾分栋的呼声日益提高。垃圾是人们生活起居和生产制造中产生的对环境具备污染的废料。若不妥善处置，既不利于城乡卫生清洁，又容易引起环境恶化，对社会带来不良影响。在如此紧迫的环境下，通过对目前市场上垃圾分栋机器人的调研和分析，本小组设计了智能垃圾分栋机器人，旨在针对传统垃圾分抹的短板，使用人工智能技术完成:178:小型垃圾的分栋任务。本项目设计的机器人旨在解决垃圾处理的问题，以机电结合的方式，将电子元器件与机械零部件紧密配合完成对垃圾的识别、抓取、搬运和处理工作。相信该设计会为智能垃圾分抹提供一种新思路。2系统总体设计机器人主控部分使用了STM32F407ZGT6的集成芯片。编码器和陀螺仪相互结合实现超远距离定点信息收集。摄像头和其他传感器识别目标垃圾后通过舵机控制板控制舵机夹取目标垃圾。在机械方面机器人总体设计有移动装置、识别装置、旋转装置、夹模具制造2 0 2 3年第10 期智能制造技术取装置、垃圾储存和倾倒装置。设计总体示意图如图1所示,为作者原创。在电路的设计方案中,考虑到软件和机械的综合要求，选用双层电路板的设计，以主控芯片为核心，将隔离电路、晶振电路、滤波电路等集成一体化，为机器人的作业保驾护航，使用的稳压模块作为电源和各元器件之间的纽带，实现了恒定的电压输出。存储、倾倒装置未来环卫不可回收垃圾图1机器人总体示意图2.1移动装置机器人使用编码器减速电机进行驱动，使电机旋转位移更精确、可控。同时搭载麦克纳姆轮悬挂系统实现整体点对点移动，以其独特的麦轮运动机理实现机器人全方位的精准位移。2.2旋转装置机器人抓取结构主要由底部旋转装置以及中心机械臂和夹取结构组成。旋转装置安装于底架重心处，由转盘轴承和金属齿轮舵机构成,转盘轴承是由12cm的内外双环与钢制滚珠结合的一种旋转体系,能承载较大的平面载荷，承担旋转装置的主要驱动力，为整个装置旋转提供切应力，两者结合后不但适用于角度变换的特殊场合还可以承受较大的轴向、径向负荷和倾覆力矩。2.3夹取装置机械臂使用齿轮齿条构成夹爪伸缩结构，旋转开合抓取机构使用了丝杠步进电机作为驱动力，通过丝杠螺母与各夹爪的局部连接。在夹爪方面，使用了特殊的柔性鳍式夹爪，通过柔性材料塑造成型,可以随着被夹物品的外形特点进行半包覆式的变化，能通过不同力度去抓取不同外轮廓的垃圾，这种夹取方式大大提高夹取效率,降低了由于抓取结构外形局限的夹取死区，为差异性垃圾分抹需求提供了良好的解决方案。2.4储存、倾倒装置机器人左右两侧分别为可回收和不可回收垃圾的存储装置，存储装置由轻型合金板卯接而成，与车模具制造2 0 2 3年第10 期身结构协调配合，保持一定的平衡性。存储装置内侧安装两个条形激光光电开关检测垃圾的溢满状态，扫描平面将储物装置顶端进行全覆盖。存储装置前后两侧为倾倒结构的滑槽以及负责储物门开闭的连杆开合结构,用来控制储物门的开合。机器人前后两侧安装有倾倒装置，当检测装置识别到垃圾过满时，机抓取装置器人会到投放点进行垃圾定点倾倒。堆放后舵机再次驱动单摆臂使存储装置恢复水平并处于水平收缩状态，继续搜寻垃圾。3电路设计方案3.1MCU控制电路设计本设计选用基于ARM32位Cortex-M4为内核的STM32F407ZGT6芯片作为主控芯片。其工作电压为棋刻装置移动装置1.8-3.6V，拥有17 个定时器，6 个串口，144个I/0引脚，资源丰富，满足机器人设计需求。3.2电源电路设计电源电路选用MP1584ENDC-DC直流降压模块。此模块将高频滤波电容、可调电位器、一体成型电感、自动断电保护、实测12 V、3A 反接保护智能稳压芯片集成一体化。在机器人运行过程中，可通过观察电压的变化，排除电压过小引起的机器人动力不足等问题。3.3PCB板设计为满足机器人机械结构需求，主控板采用双层PCB电路板设计，如图2 和图3所示，图为作者原创制作。将JLINK程序下载引脚单独引出设计转接板，以减小电路板尺寸。电路板采用3.9 6 mm绿色插线端和2.54mm白色接线端作为芯片I0口接线端，能有效避免因插线松弛所引起的一系列问题。O图2 STM32F43D图4程序设计方案4.1垃圾识别与分类本作品选用YOLO卷积神经网络对生活中的各类垃圾进行机器学习与训练，使垃圾分栋机器人能够分:179:图3STM32F4PCB图智能制造技术辨各类垃圾。当机器人摄像头识别出垃圾后，将获取垃圾信息并将其通过自定义通信协议传输至STM32F4ZGT6下位机。分栋机器人使用SAHI算法强化YOLOv5在小目标上的表现。SAHI算法会对图像进行分割再融合，能够明显增高图像中小目标的识别精准率。本作品采用将两类垃圾分为了多个子类，首先确定所识别垃圾的子类分类，再根据子类类别判别所属母类，从而确定该垃圾的最终分类的识别策略，可以减小分类种类内部的差异性，提高数据集的可靠性，使识别更加准确。4.2垃圾拾取本文使用手眼标定算法控制机械臂，使其准确夹取垃圾。机器人采用了张正友相机标定法进行相机标定的实现，张正友相机标定法克服了传统标定法需要高精度标定物的缺点，同时在确定模型内外参数与求解实际的畸变系数的过程中，使用了极大似然估计策略，相对于自标定而言，提高了精度，便于操作。4.3自主导航（1)环境地图构建。本作品使用基于2 D激光雷达的Gmapping算法对环境完成二维栅格地图的构建。Gmapping算法根据所有粒子自身权重离散程度来决定是否对粒子进行重采样。Gmapping算法使用此种选择性重采样的方法缓解粒子耗散问题，保证建图过程中的粒子多样性，提高地图可靠性。(2)机器人位姿确定。精确定位的实现是机器人完成自主导航任务的基础。本作品使用AMCL自适应蒙特卡洛定位实现对机器人位姿的精准确定!。AMCL自适应蒙特卡洛定位是一种采用粒子滤波器跟踪已知地图中机器人位姿的概率定位系统，在大范围的局部定位问题上性能优越。(3)路径规划。机器人的路径规划分为全局路径规划于局部路径规划两部分。本作品选用A-Star算法2 实现机器人的全局路径规划，使用TEB算法实现机器人的局部路径规划，该方法针对全局路径规划器生成的初始轨迹进行后续修正 3，从而优化机器人运动轨迹，最终使其组成的轨迹能达到时间最短、距离最短、远离障碍物等目。（4)导航实现。本作品使用ROS导航功能包Move_base功能包实现环境地图构建、机器人位姿确定、路径规划程序的链接。Move_base功能包通过订阅激光雷达、Gampping地图、Amcl定位等数据，规划出全局路径和局部路径，再将路径转化为机器人的基础控制信息，最终实现机器人导航。:180:4.4垃圾桶盈满检测机器人采用超声波距离传感器对垃圾进行盈满检测。在机器人的垃圾箱顶端安装超声波距离传感器，自主感应垃圾距离垃圾箱顶部的距离，从而获得垃圾箱的满溢程度。当垃圾箱的满溢度达到设定值以上时，系统将锁死垃圾桶盖，停止垃圾收集过程，并指挥机器人前往就近的垃圾倾倒点倾倒垃圾。4.5人机交互(1)语音交互。机器人采用LU-ASRO1语音识别模块实现语音交互的功能，可实现对机器基本操作命令，并借此模块发出语音提醒行人避让等。（2）屏幕交互。屏幕交互采用TJC8048570_011CS串口屏幕，目前该屏幕可以完成所有对机器人的基本操作指令，如垃圾桶盈满程度显示、各种类垃圾数量显示、垃圾倾倒、自主导航等，额外功能有调节屏幕亮度、播放音乐视频、锁定屏幕等。（3）A p p 交互。手机端App使用Androidstudio作为开发工具。App端主要分为远端遥控和数据显示两个界面。远程遥控功能：App通过tcp协议连接到机器人后，将实时发送摄像头画面到手机端，手机端可以通过按键控制机器人的运动状态，对机器人发布自主导航，垃圾倾倒等任务。状态检测功能：机器人将自身数据实时发送到手机端，包括机器人所处位置、电池电量、垃圾桶盈满程度、各种类垃圾数量，运行时间等；手机端在数据界面进行显示并通过App内置的算法对数据进行处理，结合摄像头画面，得到机器人当前运行的状态，实现故障提醒，低电量预警。本研究想要通过该机器人，只需简单的人机交互，就可自动实现对一定区域内的垃圾清理，并进行垃圾分类，使该区域长期保持干净。目前该机器人还存在一些不足，在体积与装垃圾容量方面还有待提升，以便更长续航工作。参考文献1 SebastianThrun.概率机器人 M.北京：机械工业出版社，2017.2 成亮.机器人路径规划中A-star改进算法的研究与实现 D上海：上海应用技术大学，2 0 2 1.3 张大为.基于ROS的服务机器人控制系统研究 D.西安：陕西科技大学,2 0 2 2.第一作者简介：李林泽，男，2 0 0 2 年7 月生，汉族，本科在读，研究方向：电气自动化。(收稿日期：2 0 2 3-0 6-0 1)OMM模具制造2 0 2 3年第10 期