一種建筑垃圾分揀機器人的設計

房劍飛 吳金文 袁祖強

摘要：隨著社會經濟的發展，建筑垃圾已經成為了城市發展的負擔，建筑垃圾資源化利用研究已經成為熱點。本課題設計了一種桁架式建筑垃圾分揀機器人，快速有效地進行垃圾分揀，達到智能識別、自動分揀的目的，減輕了人工勞動強度，提高了資源利用率。

關鍵詞：建筑垃圾;分揀;機械手

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）02-0163-02

0 緒論

隨著社會的進步，經濟的發展，建筑垃圾圍城現象屢見不鮮。但建筑垃圾其實是一種“放錯地方的資源”，已經引起了社會和科研的重視。當前建筑垃圾主要依靠人工方式分揀、填埋，方式傳統粗獷，效率低，甚至引起環境污染。雖然也有一些基于風選技術或者其他特殊手段的大型篩選機械設備，但是也存在篩選不準確，分揀不干凈等弊端。基于機械電子技術的分揀機器人，能夠很大程度地減少工人勞動強度，實現分揀的自動化和智能化，是一種有效的建筑垃圾處理手段。

國外發達國家早年就開展了這方面的研究，目前也擁有了相對成熟的技術。譬如日本Shitara Kousan廢棄物處理廠通過擁有擬人化手臂的智能機器人，基于各類光學傳感器對垃圾進行掃描檢測，能夠有效地識別建筑垃圾中的金屬、塑料凳各類材料。芬蘭ZenRobotics公司設計的分揀機器人通過三維掃描器、金屬、光學、重量等多種傳感器進行材質數據信息的收集、訓練，能夠高精度分揀不同類的垃圾碎片。我國目前擁有的建筑垃圾分揀技術還不夠成熟，就應用方面更多地還是依賴于自動化程度較低，分揀效率和效果較差的振動篩技術。本課題將設計一種桁架式建筑垃圾分揀機器人的機械結構，以能夠更加快速有效分揀建筑垃圾，達到智能分揀、自動分揀、再生利用建筑垃圾的目的。

1 總體方案設計

1.1 基礎技術參數確定

機器人自由度、坐標形式、有效負載、工作范圍、規格參數等基礎技術參數決定了機器人的特性。結合研究對象以及實際應用進行建筑分揀機器人基礎技術參數的確定。

1.1.1 自由度

無論什么形式的機器人，自由度的數量直接決定了其靈活程度。自由度越多，靈活性越強，但相應的結構越復雜，重量越大，控制難度也越大。一般而言，桁架式機器人有5到6個自由度即可滿足其使用要求。基于建筑垃圾分揀機器人應用場合，本次設計的機器人主要包括X向和Z向的直線運動，縱向的旋轉運動，分揀手爪的開合運動。

1.1.2 坐標形式

機器人坐標形式多樣，從常見的直角坐標系、圓柱坐標系、關節型坐標系到結構復雜的SCARA型和并聯型。建筑垃圾分揀過程中，希望機器人能夠操作簡單，結構穩定，移動位置精度高，所以綜合考慮選擇直角型坐標系。

1.1.3 有效負載

本次設計對象主要完成建筑垃圾的分類和目標抓取工作，考慮到作用對象的質量，保證作業的高效穩定，設定有效負載為10kg。

1.1.4 工作范圍

機器人工作范圍通過工作空間來表示，主要根據機器人操作范圍和運動軌跡來確定。根據作業要求，設計機器人的橫向和縱向的工作范圍為5m×3m。

1.2 結構設計

分揀機器人采用桁架式結構進行設計，結構圖如圖1所示，由立柱、橫梁、托板、豎軸等幾部分組成。立柱是分揀機器人最基本構件，與橫梁連接，固定在地面上，選擇方鋼管作為立柱。橫梁置于立柱上方，是機器人的重要承重部件，作為機器人的X軸，其剛度和強度決定了機器的精度，材料選擇Q235鋼。豎軸是機器人的Z軸，下方安裝機械手爪，實現機械手上下運動。托板兩部分互相垂直，呈現L型，分別于橫梁和豎軸平行連接。

機器人運動過程中，利用步進電機帶動齒輪運動，齒輪與橫梁和豎軸上的齒條相嚙合，實現水平和上下移動，水平方向的移動為X軸運動，上下方向的移動為Z軸運動。移動過程中通過安裝限位器，控制移動范圍。最后機械手爪負責抓取物體。

2 關鍵部件設計

機械手爪主要用于抓取和握持物體，是工業機器人尤其是分揀機器人的關鍵部件。從功能性出發，要求機械手爪機構簡單，工作靈活，輸出力適中。因此設計機械手爪最大輸出力大小為10kg，驅動方式選擇氣動方式。機械手爪設計為如圖2所示的三爪定心結構，抓取類型為直線平移運動形式，由氣缸提供動力，氣缸選擇結構簡單，易于制作的MHS3-40型氣缸。

3 控制流程設計

根據控制系統模塊化功能需求分析，控制系統分為視覺模塊、信息采集模塊、主控制模塊、動作處理模塊四大部分。系統上電處理后，系統程序初始化調試，機械手臂處于零位，準備進行工作。傳送帶裝載垃圾進行傳輸，進入到視野區域后，視覺模塊循環工作，控制工業相機連續拍照，圖像信息經過一定處理，結合信息采集模塊得到的傳感器等信息傳送至主控制模塊進行處理分析，獲得垃圾位置及材質等有用信息。當光電傳感器顯示垃圾已經達到機械人處理位置時，主控制模塊通過調用動作處理模塊，實現機械手跟蹤抓取指定目標垃圾。

4 總結

智能分揀機器人的研究有利于實現建筑垃圾的精細化處理，降低了人工勞動強度，提高了生產效率，是一種高效安全的垃圾分揀手段，在建筑垃圾資源化處理方面具有重要的價值和意義。

參考文獻

[1] 賀雅琴.自動物料分揀機器人系統的關鍵技術研究[D].廣州：華南理工大學，2011.

[2] 鄭先報.建筑垃圾機器人分揀技術研究[D].泉州：華僑大學，2019.

[3] 朱金權.桁架式機器人的機械設計與研究[J].中國新技術新產品，2014（17）：18-21.

[4] 靳璞磊.基于智能相機和工業機器人的自動分揀技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2016.

Design of? a Construction Waste Sorting Robot

FANG Jian-fei，WU Jin-wen，YUAN Zu-qiang

（Pujiang College， Nanjing University of? Technology， Nanjing? Jiangsu? 211100）

Abstract：With the development of social economy， construction waste has become a burden on urban development， and research on the utilization of construction waste resources has become a hot spot. This project designed a truss-type construction waste sorting robot to quickly and effectively perform waste sorting， to achieve the purpose of intelligent identification and automatic sorting， reduce manual labor intensity， and improve resource utilization.

Key words：construction waste; sorting; manipulator