基于顏色分選的建筑廢料分揀系統(tǒng)設(shè)計

尹恒軍 楊 寧 代作曉 張 鵬

（ 1、上海電力大學(xué)，上海200090 2、中科院上海技術(shù)物理研究所太倉中心，江蘇 蘇州215400）

1 概述

伴隨當(dāng)前我國科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展， 我國已經(jīng)逐漸進(jìn)入到了數(shù)字信息化智能時代，在社會生活中的各個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，使各行業(yè)技術(shù)都得到了提升。 在建筑領(lǐng)域，建筑廢料隨著生活質(zhì)量的提升，數(shù)量和種類也逐漸增加。 尤其是在拆舊建新的過程中，伴隨著大量的建筑廢料產(chǎn)生。 對建筑廢料的有效分揀勢在必行，不僅要提升廢料分揀效率，更要提升分揀的準(zhǔn)確率。

傳統(tǒng)的人工分揀人工或傳感器識別已經(jīng)無法滿足當(dāng)今建筑廢料分揀數(shù)量，而且由于技術(shù)落后，其處理的方式也大多為直接填埋或者當(dāng)作路基使用，這樣不僅占用大量的土地資源，消耗運籌建設(shè)經(jīng)費，還污染環(huán)境。

因此， 本文通過對建筑廢料進(jìn)行成像后， 對其像素RGB 數(shù)值進(jìn)行有效區(qū)分， 并且使用雙線陣彩色CCD 進(jìn)行成像，最后通過機械臂完成建筑廢料的分揀。 整個過程依據(jù)顏色識別的建筑廢料分選系統(tǒng)，主要完成對建筑廢料中青磚、紅磚、混凝土塊等進(jìn)行分選。 這種通過工業(yè)相機識別進(jìn)行有效分揀的系統(tǒng)，大大提高了建筑廢物分揀速度和效率，提升了分揀的準(zhǔn)確性，節(jié)省了時間成本、人工成本以及空間存儲成本，同時也減輕了對環(huán)境的污染，可以進(jìn)行大范圍試用和推廣。

2 建筑廢料分類

隨著我國城鎮(zhèn)化加劇，城鎮(zhèn)基礎(chǔ)建設(shè)不斷加大，我國產(chǎn)生的垃圾廢物也與日激增，每年生產(chǎn)的建筑垃圾大概有15-20 億噸。大量的建筑垃圾不僅污染周圍環(huán)境，也會造成一定的資源損失。

建筑廢料的分類是根據(jù)《 城市建筑垃圾和工程渣土管理規(guī)定(修訂稿)》所分類的，其中建筑廢料指的是建設(shè)、施工單位對各種建筑物、構(gòu)筑物在建設(shè)、拆遷、維修以及居民裝飾、裝修時所產(chǎn)生的余泥、余渣及其他垃圾。 如果根據(jù)廢料來源進(jìn)行分類，建筑廢料可以分成土地挖掘、道路挖掘、建筑物拆除、建筑施工以及建材廢料五類，而這五類主要由渣土、碎石塊、泥沙漿、碎石塊、廢舊塑料、金屬廢料以及竹木廢料等形成。

根據(jù)建筑廢料的分類，可以依據(jù)不同垃圾廢料的用處，對建筑廢料進(jìn)行二次回收利用，提高廢舊資源的利用率。 目前，根據(jù)顏色差異對建筑廢料進(jìn)行重新劃分、再利用的技術(shù)，在歐美國家已經(jīng)較為成熟， 在中國還處于探索階段， 垃圾廢料再利用率較低。

圖1 建筑廢料分選工作流程圖

圖2 光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

3 顏色分選原理

建筑廢料的回收利用一般情況下，要對燒紙的磚、石進(jìn)行一定程度的分離， 以生產(chǎn)二次利用的磚石與混凝土原料。 傳統(tǒng)技術(shù)中的分揀設(shè)備早已經(jīng)無法滿足現(xiàn)有需要，燒治的磚、石塊也無法做到準(zhǔn)確分離，影響再利用質(zhì)量。 針對現(xiàn)有分揀難題，利用現(xiàn)代技術(shù)手段，可以通過圖片顏色的識別來進(jìn)行建筑廢物的分揀，以達(dá)到廢舊物再利用的目的。 顏色分選主要是利用建筑垃圾的顯示顏色差異，在基于物體表面差異的基礎(chǔ)之上，采用分選系統(tǒng)來識別不同顏色進(jìn)行劃分。

本篇文章所述的建筑廢料分選系統(tǒng)的基本工作原理是通過雙線陣CCD 攝像機攝像，獲取建筑廢料的在傳送帶上一定速度下的圖像， 然后將獲取的圖像通過高速圖像采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，接著利用計算機將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過算法自動識別圖像中建筑廢料的RGB 的值，之后進(jìn)行建筑廢料的匹配和建筑廢料種類的識別，將獲取到的建筑廢料的位置信息輸入到運動控制芯片中，由動控制芯片發(fā)送控制信息來指揮機械臂的移動和實現(xiàn)對建筑廢料的抓取。 最后將抓取到的建筑廢料放入到對應(yīng)的存放點，分揀工作完成。

建筑廢料的顏色識別分選過程是， 在進(jìn)料斗中的建筑廢料進(jìn)入破碎機之前，先對建筑廢料進(jìn)行簡單處理，主要是將混凝土與鋼筋進(jìn)行初步的分離。接著將含有磚塊、混凝土塊、碎石塊、泥沙漿等建筑廢料送到破碎機處理，需要將建筑廢料破碎成直徑大約為10cm 的塊狀物體， 利用機器傳送帶將這些塊狀廢料通過光箱內(nèi)的透明背景區(qū)。 廢料在接收到光源的照射后，采用兩套彩色線陣CCD 拍攝圖片，并將采集的數(shù)據(jù)傳送給計算機處理，通過計算機將控制參數(shù)輸送給控制運動的芯片，由控制運動芯片控制機械臂，把磚塊主要是紅磚、青磚、混凝土塊、碎石塊、泥沙漿等建筑廢料進(jìn)行分離，最后將分離后的廢料通過四個傳送帶送入四個不同的料箱中，從而分選完成。 工作流程圖如圖1 所示。

4 建筑廢料分揀系統(tǒng)設(shè)計

建筑廢料分揀系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系主要是由四個模塊組成，這四個模塊呈線型分布，是“ 一條龍”控制模式，主要包括供料系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)和分選系統(tǒng)。

4.1 供料系統(tǒng)

供料系統(tǒng)的設(shè)計主要用于對建筑廢料的整理， 一方面使建筑廢料在傳送帶上能夠做到不重疊不遮擋，另一方面使建筑廢料保持穩(wěn)定的傳動速和相對穩(wěn)定的個體姿態(tài)，從而保證建筑廢料通過光學(xué)系統(tǒng)的觀察區(qū)能夠逐個被識別檢測，該系統(tǒng)主要由供料站、破碎機、振動喂料器等組成。

在對建筑廢料分揀前，需要對建筑廢料進(jìn)行初步分離，初步分離主要是針對混凝土和鋼筋，當(dāng)初步分離完成后，將建筑廢料通過破碎機進(jìn)行處理，考慮到系統(tǒng)實驗性的要求，后面分選系統(tǒng)采用的是型號為VS-6677GM-B 的機械臂， 因此將建筑廢料破碎成直徑大約為10cm 的塊狀物體， 接著通過震動喂料器將經(jīng)過破碎處理的廢料移到傳送帶，利用傳送帶將廢料重送至光學(xué)檢測區(qū)域進(jìn)行識別檢測。

最終，供料系統(tǒng)需要完成下列幾個任務(wù)：

（ 1）破碎，保證建筑廢料達(dá)到合適的大小，既能方便識別也能方便分揀；

（ 2）排隊，保證建筑廢料在傳送帶上不重疊不遮擋，有順序的進(jìn)入到光學(xué)系統(tǒng)；

（ 3）勻速，保證建筑廢料到達(dá)后面的系統(tǒng)保持一個穩(wěn)定的速度， 使其到達(dá)監(jiān)測點和分選點的時候能夠被準(zhǔn)確的識別和分選。

4.2 光學(xué)系統(tǒng)

光學(xué)系統(tǒng)的作用是用來對建筑廢料進(jìn)行觀察， 用來獲取傳送帶上建筑廢料的顏色信息和位置信息。 本系統(tǒng)采用兩個彩色線陣CCD 工業(yè)相機、光源、背景板、以及清潔器組成。

線陣CCD 擁有著比面陣CCD 結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，靈敏度高，動態(tài)范圍廣等優(yōu)勢。 本系統(tǒng)中采用的顏色線陣CCD 工業(yè)相機是采用的是分光棱鏡的方法， 在棱鏡后對應(yīng)三片CCD 傳感器，分別來對應(yīng)光線的三原色：紅、綠、藍(lán)，通過顏色線陣CCD 相機將采集的圖像結(jié)合計算機完成建筑廢料的顏色識別。 為了在識別過程中減小系統(tǒng)硬件帶來的干擾，將光源和背景板均選用白色。

采用雙線陣彩色CCD 的作用如下：

（ 1）相比于單線陣CCD 能夠獲取更多的數(shù)據(jù)，得到更準(zhǔn)確無誤的建筑廢料的顏色信息；

（ 2）能夠利用雙目視覺的特點，測量傳送帶上建筑廢料的位置信息，確保獲得的分選信息準(zhǔn)確無誤。

光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2。

4.3 運動控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中的運動控制是貫穿整個建筑廢料分揀系統(tǒng)的， 是各個模塊的鏈接環(huán)，也是整個分選系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。 運動控制系統(tǒng)主要是對控制器的選擇， 主要包括PLC、PC 加運動控制器以及專用的控制器，可以根據(jù)建筑環(huán)境盡心特征性選擇。 其次，運動控制系統(tǒng)還有選擇滿足作業(yè)要求負(fù)荷的電機，對選型電機進(jìn)行一定次數(shù)的試驗，以保證系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。 運動控制系統(tǒng)最基本的要求就是具有良好的作業(yè)性能，能夠有效調(diào)節(jié)各個子系統(tǒng)，優(yōu)選最佳的工作條件，選個控制算法以及人機界面，這些是其核心要素，缺一不可。

4.4 分選系統(tǒng)

分選系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的執(zhí)行系統(tǒng)， 他的主要作用是將建筑廢料根據(jù)不同顏色分開。 分選裝置采用的是Denso 機械臂VS-6677GM-B，如圖3 所示。

圖3 Denso 機械臂結(jié)構(gòu)圖

VS-6677GM-B 型機械臂擁有6 自由度， 臂全長770mm，最大的工作范圍為R=934mm（ 工具安裝表面）、R=854mm（ P 點：J4、J5、J6），最大可搬運質(zhì)量7kg。 若搬運的物料超過6kg 時，需要以法蘭面朝下±45o的姿勢使用。