建筑垃圾分拣机器人分拣系统的设计与研究

吴金文 房剑飞

摘 要：传统的建筑垃圾处理方法主要是将垃圾运往郊外堆放或挖坑填埋，这种方法不仅会占用大量的土地资源，造成严重的环境污染，还会造成建筑垃圾中有用资源的浪费。本课题通过对桁架式分拣机械手的机械部分和控制部分等进行研究设计，以期能够提高建筑垃圾的分拣效率和分拣准确率，达到节约人工、自动分拣、再生利用的目的。

关键词：机器人；建筑垃圾；机械手；PLC控制

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）04-0184-02

Design and Research of Building Waste Sorting Robot System

WU Jinwen，FANG Jianfei

（Nanjing Technology University Pujiang Institute，Nanjing 211200，China）

Abstract：Traditional construction waste dispoSal methods are mainly to be transported to the suburbs for storage or digging and landfill，which not only requires a large amount of land resources，but also causes serious environmental pollution and waste of useful resources in construction waste. Through the research and design of the mechanical part and control part of truss sorting machine，the sorting efficiency and accuracy of construction waste can be improved，and the purpose of Saving labor，automatic sorting and recycling can be achieved.

Keywords：robot；construction waste；manipulator；PLC control

0 引 言

隨着现代科学技术的飞速发展，社会经济各行业技术的提高，有关机器人自动控制的科学技术成为近几十年来发展最为迅速的综合科学技术之一。利用机器人来完成各类自动控制动作是提高产品的质量和劳动生产效率，实现生产流程自动化，改善劳动条件，减轻劳动强度的一种技术方法。另外，工业机器人能在高温、粉尘、有毒、易燃、易爆等恶劣、危险的环境下进行操作，较人为操作具有明显的优越性，有着广阔的发展前景。

1 分拣机构机械部分设计

本课题的主要目的是设计一种结构简单、操作方便的桁架式机器人来代替人工进行建筑垃圾的分拣工作，机器人可以代替很多重复性的体力劳动，从而减轻工人的劳动强度，提高分拣垃圾的效率，节约工厂的作业成本。希望通过结合所学的各方面的知识，在设计过程中提高发现问题、研究问题、解决问题的能力。

机器人特性的最基础的技术参数主要包括：自由度、坐标形式的选择、有效负载、运动特性、工作范围等，另外还包括机器人的规格参数等一些基本参数。本次设计的桁架式分拣机器人的功能是对建筑垃圾进行分类，完成目标的抓取任务，并将目标放置到规定区域。所以机器人的运动的自由度个数简单。包括沿着X轴和Z轴的直线运动运动到指定的位置，机器人的手爪为气动手爪，最大初值抓取力为10kg，动力部分由交流伺服电机驱动。

在本次设计中，当没有负载时，可以适当地加快桁架式建筑垃圾分拣机器人的运动速度，就像机床在切割工件前可以适当加速至指定位置等待加工；当有负载时，末端执行器手爪在工作状态下要和物体进行直接接触，为了运行安全，需要尽量降低机械手臂的运行速度，以减小冲击和震动，这样也会对机构形成保护。桁架式结构机器人的运动速度在一定范围内是可以自由调控的，此设计方案可以满足不同情况对分拣机器人的使用需求。

根据机器人的主要运动参数来选择运动形式是机械结构设计的基础。目前机器人的运动形式通常有五种：直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、关节型和SCARA型。考虑到桁架式结构机器人作业时的特点和要求：要求其动作灵活，整个机械有比较大的工作空间，要求机械整体的结构能够紧凑且简单，易于控制等。本设计选用直角坐标型桁架机器人。

本课题设计的机器人手爪是机器人机械结构系统的重要组成部分，特别是对于分拣机器人来说，手爪是其关键部分。整个分拣机器人的各部分都是为机械手爪服务的，都是为了机械手爪能够完成特定的动作，准确无误地完成对物体的抓取工作。对于机器人来说，机械手爪就相当于人的两只手，主要用于对物体进行握持和其它操作，其具备重要的执行操作功能。当气缸传入动力时，连杆向上移动，当移动一段距离后，套筒与气缸底部突出部分相遇，气缸底部突出部分顶住套筒，套筒不动，连杆继续向上带动底部连接座向上移动，连接座带动手爪做闭合运动，手爪抓取物体。相反，当连杆向下移动时，手爪做张开运动，放下物体，手爪示意图如图1所示。

2 分拣机构控制部分设计

本课题以Staubli公司的CS8C控制器为控制系统，以桁架式结构为机械主体，通过相机识别，PLC控制电机来控制手爪抓取物体，本章节将重点分析系统实现分拣垃圾的控制原理和流程。

2.1 分拣控制系统的原理

整个系统的工作原理为：将垃圾放在输送带上，经过相机获取输送带上各类垃圾的图像，之后图像采集卡将采集的图像进行模拟量与数字量之间的转换，图像处理软件对图像采集卡转换过的图像和已经存入计算机的图像数据进行图形的特征提取、平滑处理、边缘提取，之后再进行垃圾的匹配和垃圾种类的识别，并将识别的垃圾的位置数据输入分拣机器人的控制器中，然后控制器给机器人发送移动和抓取指令，机械人在电机位移驱动和机械手爪气动驱动的控制下完成对垃圾的抓取，最后再将抓取到的垃圾放入对应的存放点，分拣工作完成。

2.2 分拣控制系统流程

良好的软件系统体系结构设计是控制系统的软件程序正确编写的必要前提，控制系统软件流程如图2所示，根据控制系统模块的功能需求来分析，可将控制系统软件分为以下几个功能模块：主模块、视觉模块、调试模块、控制模块、处理模块。

（1）系统开机通电之后，程序按照设定自动运行，首先运行开机处理模块，完成部分程序的初始化设置，若需要改变部分参数，则可以根据调试模块的需要修改参数，试运行和调试其他相关程序，调试完毕后机械手臂归零，至此，系统的准备工作完成。

（2）视觉模块可以采用循环工作的运行方式识别输送带的位置，当物体进入相机的识别范围后，相机根据一定的工作频率进行连续拍照，图片经过图像处理模块的处理可以转换成相机坐标系的参数，相机坐标系的参数通过坐标转换程序可以转换成机械手爪坐标参数，从而为下一步抓取物体做好准备。

（3）通过视觉模块获取物体的具体位置之后，需要进行抓取路径的规划，控制器调用目标跟踪模块，跟踪轨迹规划模块计算出动平台的运行轨迹，控制抓取目标，完成物品抓取任务。

（4）安装在传送带两侧的光电接受开关的信号可以判别物品是否到达机器手爪的抓取位置范围，如果在抓取范围内，PLC则发送反馈信号到控制器，控制机械手爪通过目标跟踪模块来识别抓取的物品，并循环执行相关动作。

3 结 论

综上所述，本课题设计了一种桁架式建筑垃圾分拣机器人，详细、具体地介绍了直角坐标型桁架式结构机器人的各个部分，并在详细分析各机械结构的基础上，对桁架式建筑垃圾分拣机器人的各个机械部分的结构进行了设计，包括横轴、竖轴、手爪、传动结构等；同时，本课题还对垃圾分拣机构的控制系统进行了深入研究。本课题设计在建筑垃圾自动分拣等领域具有重要的现实意义。

參考文献：

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作者简介：吴金文（1984-），男，汉族，江苏南京人，讲师，高级技师，硕士，研究方向：机电一体化技术。