智能環保機器人

董華 李萌 康燕汝 于孟琪

摘 要：伴隨著工業4.0智能化時代的到來，自動化程度越來越高。智能制造作為新一代信息通信技術系統與制造技術系統融合發展的產物，機器人是將實現智能制造系統的重要載體。智能制造技術與機器人技術不僅促進制造業發展，也促進了制造新業態的誕生。如今，城市化現象的加劇導致了環保工作量不斷上升，為了生產效率的提高，本文基于PLC設計了一臺能自動清理垃圾的智能環保機器人。

關鍵詞：智能化；機器人；PLC；環保

1概述

環保機器人是用來收集處理生活垃圾的機器人，本文設計的機器人能自動識別并撿起垃圾，將機器人的工作流程設置為機器人識別垃圾，發現垃圾后自動生成路徑規劃圖，機械手動作時避障移動設置，然后抓起垃圾再次路徑規劃，搬運垃圾直至垃圾回收區。

按照機器人的工作流程，整個設計分為三大模塊，分別為本體設計模塊、垃圾識別模塊和避障模塊，其中，本體設計模塊屬于硬件設計，垃圾識別模塊和避障模塊主要涉及軟件部分。

2研究背景

根據市面上不同類型機器人來看，履帶式機器人具有良好的越障能力，能夠適應室外的復雜環境；輪式機器人可以在平整的路面上快速移動，能夠在短時間內進入目標地點。因此，采用輪履組合式機器人實現履帶式行走與輪式行走的變換，使機器人適應不同的環境。

3工作原理

機器人使用絲杠螺母來實現豎直方向的運動，絲杠固定，螺母移動，絲杠的一端經過聯軸器與蝸桿蝸輪減速器軸連接，減速器安裝在車架上，電機的輸出經減速器減速之后到達絲杠。在螺母的另一端安裝有車輪架，車輪經過輪軸與車輪架連接。當機器人運行在平坦的路面上時，在絲杠螺母的帶動下將車輪降下，從而將整個機器人的底盤抬高，履帶離開地面。

垃圾收集裝置主要由絲杠、推板、電機組成，機械手部分是環保機器人執行任務的重要裝置，該環保機器人的機械手部分主要由大臂1、大臂2、小臂、末端執行器組成。根據抓取對象的不同可以使用不同的機械手，一種為三爪式，另一種為鏟形結構。三爪形結構主要用來抓取圓柱形的垃圾，鏟形結構主要抓取散的垃圾。

4 設計方案

4.1 硬件設計

根據設計要求，機器人本體設計與搭建主要分為兩部分：載體部分和機械手部分。在載體搭建中，為了前進和避障設計導向輪和驅動輪，將兩者結合到一起。通過改變左右驅動輪的速度來實現導向，后邊拖動一個萬向輪。

抓舉模塊是整個設計的關鍵，關鍵在于抓舉是否靈活。由于控制器接口有限，電機接口只有三個，兩個用于驅動機器人移動，用于機械手的就只有一個電機，所以就只能用一個電機實現“抓”和“舉”兩個動作。這樣就只能通過物理傳動，分時使用電機，實現先“抓”后“舉”，機械手實現 “抓”、“舉”的原理是電機轉動帶動小齒輪轉動，小齒輪帶動大齒輪，大齒輪的旋轉帶動拉桿前后移動，拉桿前后移動帶動中轉拉桿，從而使中轉軸轉動，中轉軸的轉動又帶動了中轉拉桿，使垂直方向的四角齒輪轉動，帶動水平方向的四角齒輪，水平方向的四角齒輪帶動手抓轉動，從而實現“抓”和“放”的動作。當手抓抓緊以后，水平方向的四角齒輪不再轉動，中轉軸也不再轉動，隨著電機的轉動，拉桿繼續移動，中轉拉桿往上運動，電機向下運動，從而實現“舉”的動作。

機械手設計方案確定后，考慮顏色傳感器需要檢測前方的“垃圾”，所以將顏色傳感器安裝在機械手前端。

4.2 軟件設計

在硬件實現基礎上，實現機器人的軟件編程，主要包括垃圾識別模塊、避障模塊等的程序設計。機器人的任務是識別路面上的垃圾并撿起，所以垃圾的識別也至關重要。在此，我們選擇了專用的顏色傳感器作為識別模塊，使用了檢測不同顏色工作模式，顏色傳感器產生一個邏輯信號，在編程時可選擇某種顏色作為傳感器的觸發值。

路徑規劃是機器人的核心程序，是移動機器人導航的一個重要環節。常用的避障算法有可視圖法、自由空間法、神經網絡法、模糊邏輯算法、遺傳算法和蟻群算法等。本文考慮機器人需要將垃圾送到回收站，并需要記錄機器人的路徑，采用了改進的基于模糊邏輯的避障算法。

4.3 PLC與視覺系統設計

PLC與智能視覺系統通訊需要預先進行PLC的硬件地址的配置，本系統的單元名稱為傳送單元，PLC 型號為西門子CPU215C。

PLC 與視覺系統是采用 TCP/IP Modbus 通訊方式，當物體在流水線上到達視覺系統識別工位系統時，PLC 通過通訊的方式讀取視覺系統識別的數據后給視覺系統一個信號，觸發視覺系統對托盤中的物體進行視覺識別。

詳細參數設置為：REQ與Modbus TCP 服務器之間的通信請求REQ參數受到等級控制。這意味著只要設置了輸入（REQ = true），指令就會發送通信請求。其它客戶端背景數據塊的通信請求被阻止。在服務器進行響應或輸出錯誤消息之前，對輸入參數的更改不會生效。如請求期間重置參數REQ，將不會進行其它傳輸。DISCONNECT 通過該參數，可以控制與 Modbus服務器建立和終止連接：0：建立與指定 IP 地址和端口號的通信連接。1：斷開通信連接。在終止連接的過程中，不執行任何其它功能。成功終止連接后，STATUS 參數將輸出值 7003。而如果在建立連接的過程中設置了參數REQ，將立即發送請求。CONNECT_ ID 確定連接的唯一 ID。指令 “MB_CLIENT”和 “MB_SERVER”的每個實例都必須指定一個唯一的連接 ID。Modbus TCP 服務器 IP 地址中的八位字節。

4.4 收集裝置設計

在垃圾進入到收集裝置之后，借助傳感器將垃圾分類。本文將垃圾分為金屬和非金屬，然后再將不同屬性的垃圾傳輸到各自的管道中去。基于垃圾桶中傳感器的設計做出收集裝置的外形設計和內部設計，詳細如下。

（1）外形設計。將裝置的上蓋設計成傾斜式，在它的上蓋加一個蓋子，目的是為了阻擋裝置內的氣味傳播到空氣中，防止細菌傳播。

（2）內部設計。首先，設計一個分揀及篩選裝置，將垃圾篩選出來之后，就會自動送入各自桶內。在篩選裝置的下方設計了兩個桶，一個裝金屬類垃圾，另一個裝非金屬類垃圾。當桶內垃圾的重量達到一定的值，自動報警器就會發出響聲，底部閥門打開，將垃圾傳輸到管道后通過抽風機的強大吸力，將垃圾從下方管道傳輸到回收區域。

（3）傳感器的設計。傳感器的工作原理就是進行信息的智能采集并自動傳送。垃圾進入垃圾箱內的流程如下：垃圾進入，傳感器檢測并分類，自動進入相應的桶內并進行傳輸。當垃圾進入箱內，篩選裝置通過傳感器檢測并做出相應操作。

5 總結

本文基于PLC設計的智能環保機器人，通過機器人載體和機械手關鍵機構的合理設計以及各功能模塊的軟件設計，保證機器人快速準確的識別垃圾，然后撿起垃圾并進行回收。在工業4.0的浪潮下，目前人工智能獲得了前所未有的關注和支持，各地紛紛出臺產業政策支持人工智能的發展。

參考文獻

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作者簡介：董華，1998.03，女，漢族，河北省定州市北城區西里元村本科，山東工商學院，264005