復雜地形下無人機搭載的智能垃圾拾取機器人設計

鄒欣桐，王曉媛，彭 辰，馬一鳴，于聽雨

（華東理工大學機械與動力工程學院，上海 200237）

0 引言

近年來，環境保護日益受到人們關注。目前，山地、景區、水庫、沼澤等較為復雜地形下的垃圾拾取問題主要還是通過人工拾取，這樣的處理方式不僅效率低下，還會使得清潔人員處于較大的危險之中。

面對這樣的問題，無人機與機械臂的結合為解決復雜地形下垃圾的處理提出了新的可能性。國內外的研究人員對此進行了大量的研究，發現機械臂的搭載平臺可以為六自由度移動的無人機，便于機械臂到達例如山地、景區、水庫、沼澤等地形較為復雜的工作環境之中。而無人機搭載的工作裝置為機械臂，使得無人機不僅有檢測與觀察環境的能力[1-2]，同時也易于人機交互以及操作控制。

在復雜地形下的垃圾拾取工作中，無人機與機械臂的結合[3-5]使得垃圾拾取的安全性大幅度提高，同時具有拾取效率高、準確率高、安全性高以及節約人力等顯著優點。而目前國內外無人機與機械臂相結合的技術尚處在研究開發的初期，技術不夠成熟，應用也不夠普及。

本文設計了一款無人機搭載的智能垃圾拾取機器人，以精妙的機械設計以及合理的電路排布，通過機械傳動系統、飛控系統以及電控系統的協調運作，實現復雜地形下垃圾的拾取與收納。最后，通過對整體機器的重心位置分析以及機械部件的有限元分析，校核其力學穩定性與安全性，從而驗證系統設計的合理性。

1 總體設計方案

復雜地形下無人機搭載的智能垃圾拾取機器人的整體控制流程如圖1所示，其主要工作流程如下：

圖1 工作流程

（1）使用TCP 協議，由無人機上的CSI 攝像頭作為圖像傳輸裝置，將無人機前方視頻同步傳輸到客戶端程序；

（2）根據接收到的圖像，利用SSD 算法識別圖像中垃圾的大致方位，進行標注，便于定位；

（3）成功識別到垃圾后，操作者操作無人機降落至垃圾上方，并操作無人機至懸停狀態；

（4）啟動拾取程序，利用樹莓派控制電機啟動機械臂，控制舵機啟動機械手，以實現機械臂抓取垃圾的動作；

（5）啟動收集程序，將垃圾自動放入到收集裝置中；

（6）往復進行以上動作，直至垃圾收納裝置集滿，無人機自動返航，將垃圾投放。

2 機械機構設計2.1 整體機械結構

復雜地形下無人機搭載的智能垃圾拾取機器人整體結構如圖2所示，主要由無人機部分、機械臂-機械手部分、垃圾收納部分3個部分組成。其中，機械臂-機械手部分與垃圾收納部分通過云臺與無人機部分相連接。

圖2 整體機械結構示意圖

2.2 機構動作流程

無人機啟動后，通過圖傳裝置和SSD 算法識別及定位到垃圾位置，操作者將無人機降落懸停至垃圾位置附近，開始進行垃圾的拾取及收納。

首先，操作者啟動拾取程序，控制電機啟動定滑輪，定滑輪連同尼龍繩帶動第二級機械臂進行伸長，此時機械手到達指定位置；接著，控制舵機啟動機械手，機械手通過夾緊動作實現垃圾的抓取；完成垃圾拾取動作后，定滑輪反方向轉動，帶動第二級機械臂收縮至原始位置；同時，控制電機帶動垃圾收納裝置旋轉至機械手正下方，機械手松開，垃圾落入垃圾收納裝置內；最后，控制機械臂-機械手部分和垃圾收納部分復位，完成一次垃圾的拾取[6]。往復進行以上動作，直至垃圾收納裝置集滿，無人機自動返航，投放垃圾。

2.3 各機構部分設計

2.3.1 無人機部分

本設計的無人機為八軸式旋翼無人機[7]，裝配有云臺以及起落架，可承載質量高達8 kg，除去所搭載裝置自重外，仍可承載5 kg 的質量。無人機為可操縱式具有上升、下降、懸停等不同的飛行姿態[8]。

2.3.2 機械臂-機械手部分

其功能為完成垃圾的抓取，優勢為結構簡單、高效低耗、傳動巧妙。

如圖3 所示，本部分主要由2 段PVC 桿、2個定滑輪、1 個機械手、2 個42 步 進 電 機、1 個DS3218 舵機組成。該部分的設計創新點在于兩段PVC 桿構成伸縮桿結構組成二級機械臂，由定滑輪及尼龍繩帶動其伸長與收縮。通過定滑輪、尼龍繩與伸縮桿結構的有機配合，不僅可以實現機械臂的收縮，同時對比液壓傳動裝置，其結構簡單、傳動效率高、經濟成本低，雖然平穩性不比液壓傳動裝置，但是在低速進給情況下，其平穩性已滿足收縮及抓取運動的要求。抓取垃圾的具體流程：無人機懸停于指定位置后，操縱者通過遙控發出抓取指令，此時控制定滑輪的電機轉動，帶動機械臂伸長；機械臂伸長至指定位置后，機械手通過舵機帶動而夾緊，拾取垃圾[9]；完成垃圾拾取動作后，定滑輪反方向轉動，帶動機械臂收縮至原始位置，實現一次垃圾的抓取。

圖3 機械臂－機械手部分結構示意圖

2.3.3 垃圾收納部分

垃圾收納裝置主要由一段PVC 桿、一個42 步進電機、軟質塑料容器組成。42 步進電機帶動垃圾收納裝置轉動，與機械臂的伸長與收縮以及機械手的夾緊與放松相配合。垃圾收納框連接件使用鋼材，保證較強的剛度及穩定性，其形狀為半徑為10 cm 的圓，能夠保證大部分垃圾可順利進入垃圾收納筐。垃圾收納筐采用軟質塑料，其體積可根據垃圾存儲量進行調整，并避免與其余機構發生沖突。

3 受力及有限元分析3.1 重心位置分析

無人機的飛行性能與重心位置密切相關[10]。在水平方向上，如果無人機的重心位置發生偏移，將會導致無人機起飛困難且伴有偏飛，進而導致飛行操控難度加大，因此需要對無人機搭載的智能垃圾拾取機器人進行中心位置的校正；在垂直方向上，重心過高不利于飛行器的穩定性，同時重心離螺旋槳平面越遠會增加飛行器的惰性進而導致飛行器耗電多，做功大，因此要求無人機在垂直方向上在保持穩定性的條件下，使得重心位置盡量靠近螺旋槳[11]。運用Solidworks對機器人進行建模以及不同材料密度的設置，得到重心位置如圖4 所示。模型重心等參數如表1 所示。圖中機器人重心在水平方向位于無人機中心位置，無偏移，符合要求；重心在垂直方向上位于云臺正下方，即可保證飛行的平穩性，也可以保證飛行的機動性。

圖4 整體模型的重心

表1 整體模型的重心參數

3.2 受力分析

無人機在飛行過程中，螺旋槳是產生升力的唯一來源，同時云臺正下方是無人機、機械臂和垃圾回收一體化裝置的重心位置，即重力的作用位置。機器人的不同飛行狀態取決于升力與重力的大小關系。機器人總質量為16.40 kg，在空中懸停時，受力平衡，無人機框架單臂升力為2.05 kg。為滿足無人機正常起降，無人機框架單臂升力大于2.05 kg，同時為滿足無人機姿態控制時的加速需求，單臂升力最大為10.20 kg，單臂動力富裕系數為4.98。在最大升力的狀態下，機器人受力狀態如圖5所示，此時升力大于重力，機器人處于上升狀態。

圖5 整體模型受力狀態

3.3 機械手有限元分析

為了保證機器人能夠平穩且安全地實現飛行以及抓取垃圾的一體化操作，必須對機器人進行強度計算以及校核。根據機器人運動學以及受力分析，機械臂抓取部分的機械手、無人機的機臂和中心板是最危險區域[12]。由于無人機負載按照其標準配置且中心位置無偏移，因此無人機強度滿足要求，故主要對機械手進行強度計算和校核，本研究利用ANSYS 對其進行有限元變形、應變和應力計算和分析，從而保證機器人的強度的安全性和撓度的合理性[13-14]。

根據機械臂結構和運動特性以及機械手電機的選型，將機械手與機械臂連接部分和與抓取垃圾的爪作為固定面；根據一次抓取的垃圾質量為500 g，安全系數為2.04，在2 個抓取垃圾的爪部施以最大抓取力10 N。機械手以碳纖維作為材料基體，其抗拉強度為290 GPa，彈性模量為6.02 GPa，泊松比為0.012[15-16]。

有限元分析計算結果如圖6 所示，抓取爪部是最大變形量處，且最大變形量為1.395 × 10-7m，該變形量遠小于機械手允許最大變形量，所以撓度滿足安全設計要求。

圖6 機械手總變形云圖

如圖7 所示，機械手在嚙合齒處產生最大應變，其值為6.135 5× 10-5，該應變遠小于機械手允許最大應變，所以應變也滿足安全設計要求。

圖7 機械手應變形云圖

如圖8 所示，機械手最大靜應力位置在在嚙合齒處，其值為1.227 1× 107Pa，機械手材料為碳纖維，抗拉強度為290 GPa，從相關文獻中查得靜載荷的安全系數許用值為1.5～2.0[17]，得到許用應力：

圖8 機械手應力云圖

[σ]=σb/nb= 1.45× 1011Pa ＞1.2271× 107Pa[18]。

所以強度也是滿足安全設計要求。

通過以上驗證，機械手滿足材料強度要求、剛度要求以及高可靠度要求（失效概率不大于0.01%）。最危險位置為齒輪嚙合處，該處強度、剛度均在許用值范圍內，滿足不失效工作條件。機械手最大抓取力預估為10 N，滿足一次性抓取500 g垃圾的需求。

4 控制系統設計

4.1 動力源選擇

為在拾取垃圾的過程中保持穩定，機械手部件處舵機選用大扭力DS3218 數字舵機（180 °），其空載轉速為0.16 s/60 °，堵轉扭矩18～21.5 kg/cm，滿足抓取塑料瓶及紙屑等垃圾的抓取力需求。傳動定滑輪處以及垃圾臂回轉處電機選擇42 步進電機，該電機質量為282 g，額定電壓為3.3 V，步距角為1.8 ± 5%°/步，保持轉矩48 N·cm，滿足傳動力以及穩定性需求。根據所選電機以及舵機數量和型號，動力系統選擇5 V、2 A的電源進行供電。

4.2 控制系統組成

無人機采用Pixhawk4 作為飛控控制系統，該系統架構清晰，生態系統龐大而完善，具有多線程，可以保證自動飛行姿態的自由性，多數外設可以自動檢測和配置。憑借其雙處理器，搭配樹莓派3B+作為飛控擴展，裝備有攝像頭、云臺、機械臂，可以在安全穩定的情況下，以進行圖像傳輸和識別、垃圾拾取運動等操作。

4.3 控制原理及流程

無人機控制系統啟動后，樹莓派程序自動開始運行，通過Python 編寫的多線程程序控制無人機外設。圖像傳輸裝置選用CSI 攝像頭，使用TCP 協議，將圖像數據轉換為流數據并存儲到內存中，在同一局域網下啟動客戶端程序，將進行base64 編碼后的流數據發送給客戶端。客戶端程序將數據解碼為圖像，顯示在窗口上，實現無人機前方視頻同步傳輸到客戶端程序。客戶端程序中還包括有SSD 算法，該算法速度快，可以一次完成目標定位，同時，基于特征金字塔的檢測方式，在不同特征映射下預測目標，比Yolo 算法更能準確識別小目標，更適用于飛行、懸空姿態下對垃圾進行標注及定位。

發現垃圾后，操作者降落無人機，啟動拾取程序，通過樹莓派利用RPI.GPIO 庫輸出高低電平，以實現對步進電機、舵機323 的控制，進一步實現機械臂抓取垃圾的動作，并將垃圾自動放入到收集裝置中。往復進行以上動作，直至垃圾收納裝置集滿，無人機自動返航，將垃圾投放。

5 結束語

為實現復雜地形下的垃圾智能化拾取，本文設計了一款復雜地形下無人機搭載的智能垃圾拾取機器人。本設計將SSD 算法、圖像傳輸裝置、Pixhawk 飛控技術及樹莓派作為控制主體，結合以二級機械臂與可旋轉垃圾收納裝置為主體的機械結構，可穩定、精準地完成飛行控制、垃圾識別、垃圾抓取以及垃圾收納的統一動作，實現了人、機、電三者的交互控制。本設計將無人機與機械臂相結合，使用六自由度的無人機來搭載機械臂，進而機械臂的工作范圍得到了極大程度的擴展，與此同時，圖像傳輸裝置使得操縱者能夠實時知曉環境情況，降低誤差，在保障安全的前提下高效地完成復雜地形下的垃圾拾取任務。在環境問題日益嚴重的今天，本設計為復雜地形下的垃圾拾取提供了新的思路，具有廣闊的運用前景。