垃圾處理機器人的初步設計

武焱鑫

1、項目摘要

當今我國面臨嚴重的的環境問題——大氣污染、水污染、垃圾處理等。本屆機器人創意比賽主題為“環保機器人”。根據這一創意主題，進行網上調查和本地調查，對目前環境問題的嚴重性有了更深刻的認識。通過調查發現，在我市垃圾處理方面，普遍由垃圾車人工處理，存在的問題是：垃圾處理不及時、不到位、不夠智能；經常產生二次污染；處理人員勞動強度大，不衛生，影響工作人員的健康等等。決定以垃圾處理機器人作為突破口，在改善環境問題上有所作為，研制垃圾處理機器人系統。

垃圾處理機器人系統由自動垃圾箱和自動垃圾車組成。自動垃圾箱，由機器人控制，任務是當有人靠近垃圾箱要投放垃圾時，提醒其按要求分類投放；自動垃圾車到達后垃圾車與其聯系，自動垃圾箱將垃圾裝上垃圾車。自動垃圾車，由機器人控制，通過尋線的方式尋找垃圾箱并與其通信，裝載垃圾后將垃圾運送到垃圾站，自動卸載垃圾。工作流程：自動垃圾箱安裝超聲波測距傳感器，當人靠近垃圾箱投放垃圾時，測距傳感器探測到，則由機器人發出聲音提示——“請分類放置”；當自動尋線、定位垃圾車達到時，自動垃圾車主控器通過藍牙發出裝載垃圾信號，自動垃圾箱向垃圾車傾倒垃圾，垃圾車裝完垃圾，運到垃圾處理廠，卸載垃圾，完成垃圾清理工作。

2、項目來源

眾所周知，我國的環境問題相當突出：大氣污染、水污染、垃圾處理、土地沙化、水土流失、旱災、水災、生物破壞、持久性有機物污染，等等，通過進一步調查，對我國環境問題的嚴重性有了較深刻的認識，激發了解決環境問題的一些想法和相應的解決方案，如：大氣污染的檢測、大氣污染的治理、室內空氣的檢測與凈化、垃圾的分類、垃圾的清理、垃圾無公害處理、水污染檢測等問題。由于一些問題需要專業化的傳感器采集信息，以及復雜編程，超出我們的能力范圍。通過對一些方案的比較和權衡，結合對齊齊哈爾市區進行的調查，了解了身邊的環境污染情況，在探究保護環境、治理污染的相關知識和技術的基礎上。決定從能夠解決的問題入手，能有效處理生活中的環境問題。設計制作能夠解決身邊環境問題的環保機器人。在齊齊哈爾市北三區調查發現，在我市垃圾處理方面，普遍由垃圾車人工處理，存在的問題是：垃圾處理不及時、不到位、不夠智能；經常產生二次污染；處理人員勞動強度大，不衛生，影響工作人員的健康等等。由以上種種原因，在綜合各種因素的基礎上，選擇了垃圾處理機器人系統作為研制課題。

3、基本思路和研制過程

（1）基本思路：總的設想是：讓機器人處理垃圾更加智能化，包括垃圾投放分類提醒、垃圾的自動裝載、運輸、卸載等，由機器人自動控制完成。垃圾處理機器人系統由自動垃圾箱和自動垃圾車組成。自動垃圾箱，由機器人控制，任務是當有人靠近垃圾箱要投放垃圾時，提醒其按要求分類投放；自動垃圾車到達后垃圾車與其聯系，自動垃圾箱將垃圾裝上垃圾車。自動垃圾車，由機器人控制，通過尋線的方式尋找垃圾箱并與其通信，裝載垃圾后將垃圾運送到垃圾站自動卸載垃圾。工作流程：自動垃圾箱安裝超聲波測距傳感器，當人靠近垃圾箱投放垃圾時，測距傳感器探測到，則由機器人發出聲音提示——“請分類放置”；當自動尋線、定位垃圾車達到時，自動垃圾車通過藍牙發出裝載垃圾信號，由垃圾箱裝完垃圾，運到垃圾處理廠，卸載垃圾，完成垃圾清理工作。在垃圾車移動過程中，遇到障礙物，如行人、車輛等要停下來避讓，這一功能由超聲波探測障礙物，機器人控制完成。

研制過程：利用樂高9797教育套裝、GT2201學生基礎套裝、9695配件庫以及樂高其他配件搭建機器人，進行模擬論證。將上面的設想通過設計、試驗、完善各個功能模塊，并將各模塊整合起來，分別形成機器人自動運輸車和機器人垃圾箱（如下圖1、圖2所示）。

利用樂高機器人自帶的圖形化編程軟件，設計機器人程序，在機器人上調試、修改程序，由機器人實現以下功能：機器人垃圾運輸車自動尋找垃圾箱，機器人垃圾箱與垃圾運輸機器人通過藍牙通訊，機器人與自動垃圾箱相互配合將垃圾裝上垃圾運輸機器人，由垃圾運輸機器人通過巡線移動、定位，自動運輸垃圾到垃圾處理站并自動卸載垃圾。

4、科學性創新性和實用性

（1）科學性：利用樂高機器人9797教育套裝和樂高積木等，根據運動學和動力學的基本原理，搭建建機器人。使用樂高的NEX主控器和聲音傳感器、光電傳感器、超聲波傳感器、角度傳感器、電機等組成機器人，在結構設計時，考慮了重心位置、驅動方式、驅動功率以及程序中各參數對機器人工作的影響，使用樂高9797教育套裝、運用模塊化設計思想，利用樂高圖形化編程軟件編寫的程序來控制機器人完成垃圾的裝載、運輸、卸載等任務，設計制作具有一定的科學性。

（2）創新性：機器人自動垃圾箱、機器人垃圾自動運輸車的結構設計；由自動垃圾箱、自動垃圾運輸車構成的系統設計；垃圾投放監督、提醒功能；相應的程序設計。以上內容經查新未發現相同設計，具有一定的創新性。

（3）實用性：設計的垃圾處理機器人由自動垃圾箱、垃圾自動運輸車、垃圾箱自動清理車、人工遠程控制以及相應的軟件組成。自動垃圾收儲箱在自動垃圾車停靠時能夠自動向垃圾車傾倒垃圾；自動垃圾車能夠自動尋找垃圾箱，與自動垃圾箱通信后，由自動垃圾箱將垃圾裝上后，將垃圾運輸到垃圾處理站，自動卸載垃圾；該系統由傳感器獲取信息，經控制器在程序的控制下完成規定的任務。經測試，達到了設計的功能要求，經過因地制宜改進后，加以推廣，具有一定的實際使用價值。

5、進一步改進與完善的設想

對垃圾處理機器人進行功能擴展，提升機器人處理較復雜問題的能力。具體設想如下：

（1）增加功能。增加垃圾處理機器人的功能：由多個機器人構成一個功能更加強大垃圾處理系統，每個機器人完成特定的任務，這些機器人不僅能夠處理生活垃圾，還能處理工廠、醫院產生的特殊垃圾；減少有害垃圾對環境的影響，杜絕垃圾清理工與有害垃圾的直接接觸。

要給機器人增加清洗垃圾箱、給垃圾箱消毒和滅蟲的功能；結合北斗導航定位系統（或GPS定位系統）和電子地圖對機器人進行精確定位和導航，讓機器人自由往返于垃圾產生地與垃圾處理站之間；提醒、監督人們對垃圾進行分類；在垃圾處理廠對垃圾進行自動分類，減輕人工分類的強度；引入相應的傳感器，獲取有害垃圾的信息，由專門的機器人對有害垃圾進行無公害處理。

增加人工遠程操控；由于環境因素、機器人自身因素的影響，會出現這樣那樣的問題，需要把問題反饋給控制中心，由人工進行遠程操控，使系統工作更加穩定、更加高效。人工遠程操控由信息采集和反饋裝置、控制裝置、顯示裝置等硬件和操控軟件等組成。

使用功能更加強大的機器人。功能更加強大的機器人要有更多的傳感器接口、動作驅動接口或輸出終端、交互能力、更快的運行速度以及更好的顯示界面；更靈敏的各種傳感器。

6、總結與展望

垃圾處理機器人是一個由多個獨立的機器人（或模塊）組成的垃圾處理系統。能夠部分代替垃圾處理過程中某些方面人員的工作。通過進一步完善該機器人垃圾處理系統以及增加人工遠程控制，能有效減少人們處理垃圾的工作量，把人們從垃圾處理的工作中解放出來，也能使環境更加美好。

垃圾處理機器人搭建和程序設計較合理，符合物理學中的力學原理。在結構設計時，考慮了重心位置、驅動方式、驅動功率以及程序中各參數對機器人工作的影響，使用樂高9797教育套裝、樂高積木和樂高圖形編程軟件，運用模塊化設計思想，設計制作具有一定的科學性；機器人功能的確定、結構的搭建、程序的設計是一系列試驗的基礎上敲定的，經過查新，沒有發現相同的設計，具有創新性；垃圾處理機器人的設計，在功能上，具有垃圾分類提醒、垃圾裝卸、運輸的功能，在一定程度上，能解決垃圾處理的問題，具有實用價值。但是，機器人程序和機器人結構以及功能上還有待進一步完善和提高的空間，還須不斷改進。

用機器人處理垃圾是機器人應用的一個發展方向，可以這樣展望，垃圾處理機器人通過不斷改進，定能逐步取代垃圾清潔工的工作，具有廣闊的發展前景。但是，就目前及今后一段時間內，由于技術的限制，垃圾的處理離開人的參與還是不行的，機器人與人與人結合進行遠程操控來處理垃圾應該是比較現實的選擇。

參考文獻：

[1]機器人 百度百科

[2]作者姓名：杰瑞·卡普蘭 出版社：浙江人民出版社出版 書名：《人工智能時代》