环卫机器人运动控制及垃圾识别关键技术研究

环卫机器人运动控制及垃圾识别关键技术研究

贺敏

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摘要：现阶段，我国社会发展迅速，随着生活水平的不断提高，全球垃圾生产增长速度日益增高，环境污染逐步被高度重视。节能环保、生态保护已然成为世界各国关心的问题。目前生活中垃圾分拣大多数依靠耗时费力的人力分拣，方式单一。因此，智能化垃圾分拣的呼声日益提高。垃圾是人们生活起居和生产制造中产生的对环境具备污染的废料。若不妥善处置，既不利于城乡卫生清洁，又容易引起环境恶化，对社会带来不良影响。在如此紧迫的环境下，通过对目前市场上垃圾分拣机器人的调研和分析，设计了智能垃圾分拣机器人，旨在针对传统垃圾分拣的短板，使用人工智能技术完成小型垃圾的分拣任务。

关键词：环卫机器人；运动控制；垃圾识别；关键技术；研究

引言

未来人工智能发展将进入大规模商业化，认知能力指数提高，由产品向智慧服务迈进并对劳动密集型产业产生巨大冲击。环卫机器人作为人工智能应用的重要领域，将人工智能技术赋能传统环卫作业，通过人工智能使现有环卫装备具有更灵活、更智能、更具精度作业的能力，从而进一步将现有环卫工人从繁重、单调且危险的传统环卫工作中解放出来。

1环卫机器人简介

环卫机器人是指应用于环卫领域，具有清扫、清洗、垃圾收集及垃圾转运等一种或多种作业功能的机器人，主要适用于城市辅道、非机动车道、人行道、步行街、风光带、公园、学校、景点、居民生活小区、商场、高铁站等狭窄或相对封闭区域的清扫保洁作业。环卫机器人一方面通过机械化智能化设备作业提升清扫保洁效率和效果，提升环卫服务调配能力和智能化水平，创造巨大经济利益；另一方面，可以有效解决目前环卫工人工作量大，工作条件恶劣，社会地位低，危险性高的行业痛点。同时环卫行业还存在招工难，员工老龄化严重的问题，环卫机器人及智能化环卫设备的推广和普及促使环卫工人由人力工种转变成技术工种，有利于提高行业待遇水平，吸引年轻人就业，推动整个行业变革和进步。

2存在的问题

2.1垃圾分类问题

（１）垃圾分类工作已经开展较长时间，但是在市内部的成效并不算明显，其原因是依旧存在大量垃圾被混合收集的情况，废物利用效率偏低，而且为数不少的城市居民在丢弃垃圾的时候，并未严格按照垃圾分类的要求进行丢弃，直接降低了垃圾分类、处理的成效，导致垃圾处理成本居高不下，城市环卫设施的规划因此受到不利影响。

（２）环卫分类收集以及运输设施存在明显缺陷，垃圾在分类收集之后，需要先运送至收集站，然后通过垃圾转运站进行处理，最终输送至远离城区的垃圾处理厂内部。上述过程并未根据实际垃圾情况，配置足够的垃圾收集和运输设施，产生了大量分类收集、混合输送的问题。不仅如此，市内部不同类型的垃圾，在处理过程中往往将填埋作为主要的方法，缺乏应有的细化处理环节，垃圾的资源化、减量化处理落实力度不足，极易在市内部产生新的环境风险。

2.2环卫设施规划问题

（１）垃圾分类与处理工作仍旧存在不到位的现象，且缺乏应有的后端分类处置系统。当前虽然已经实施垃圾的分类回收，但在实际上回收效果较差。严格执行垃圾分类的小区，比例不超过20％，而且后端处理环节中也存在缺陷，并未形成组织明确的可回收垃圾资源化利用中心，以及有害垃圾处理中心。已经建设完成的、专门用于处理厨余垃圾的场地，均已经满负荷运行，所有厨余垃圾在被单独收集完毕之后，处理需求会出现更大的缺口，且缺口呈现出持续上升的态势。

（２）环卫设施的管理工作缺乏科学性。内部的垃圾分类以及环卫设施管理工作，会按照行政区域进行划分，垃圾处理设施为各区域共用。内部的区级和县级主管部门，需要对环境以及卫生的需求进行全面统筹，消除行政管理产生的范围局限，针对环卫设施规划，制定出统一的管理标准以及经费补偿标准。但是在实际规划过程中，环卫设施获取的补贴资金，通常为政府给出的财政补贴，但是县级和以下级别的财政较差，甚至出现个别区域的财政捉襟见肘、不能支撑环卫设施规划工作的问题。

3系统总体设计

3.1移动装置

机器人使用编码器减速电机进行驱动，使电机旋转位移更精确、可控。同时搭载麦克纳姆轮悬挂系统实现整体点对点移动，以其独特的麦轮运动机理实现机器人全方位的精准位移。

3.2旋转装置

机器人抓取结构主要由底部旋转装置以及中心机械臂和夹取结构组成。旋转装置安装于底架重心处，由转盘轴承和金属齿轮舵机构成，转盘轴承是由12cm的内外双环与钢制滚珠结合的一种旋转体系，能承载较大的平面载荷，承担旋转装置的主要驱动力，为整个装置旋转提供切应力，两者结合后不但适用于角度变换的特殊场合还可以承受较大的轴向、径向负荷和倾覆力矩。

3.3夹取装置

机械臂使用齿轮齿条构成夹爪伸缩结构，旋转开合抓取机构使用了丝杠步进电机作为驱动力，通过丝杠螺母与各夹爪的局部连接。在夹爪方面，使用了特殊的柔性鳍式夹爪，通过柔性材料塑造成型，可以随着被夹物品的外形特点进行半包覆式的变化，能通过不同力度去抓取不同外轮廓的垃圾，这种夹取方式大大提高夹取效率，降低了由于抓取结构外形局限的夹取死区，为差异性垃圾分拣需求提供了良好的解决方案。

3.4储存、倾倒装置

机器人左右两侧分别为可回收和不可回收垃圾的存储装置，存储装置由轻型合金板卯接而成，与车身结构协调配合，保持一定的平衡性。存储装置内侧安装两个条形激光光电开关检测垃圾的溢满状态，扫描平面将储物装置顶端进行全覆盖。存储装置前后两侧为倾倒结构的滑槽以及负责储物门开闭的连杆开合结构，用来控制储物门的开合。机器人前后两侧安装有倾倒装置，当检测装置识别到垃圾过满时，机器人会到投放点进行垃圾定点倾倒。

4垃圾转运站功能扩展

在过去的垃圾收运系统中,垃圾不是进焚烧厂就是进填埋场。但在垃圾分类工作的推动下,垃圾被分为4类,后端必须有对应分类的终端处理设施:可回收物进入资源再生利用中心;餐厨、厨余垃圾进入好氧厌氧生物处理厂;其他垃圾多数会进入垃圾焚烧厂;有害垃圾进入危险废物处置中心。随着垃圾分类工作的逐渐深入和规范,当前垃圾转运站在前端分类收集和末端分类处置两端中间未能充分发挥分类转运的作用,对混合垃圾分类中转尚存在功能上的缺失,传统垃圾转运站对生活垃圾减量化、资源化的提升有一定局限性,所以在大力推进生活垃圾分类的新形势下,如何改变垃圾转运站中转功能的缺失,打造“中转+X”的新模式,将是解决垃圾分类工作梗阻问题的一项关键工作。

鉴于分散建设不同种类垃圾转运设施,存在耗费土地指标、邻避效应突出、管理体系冗余及资源重复等弊端,未来的垃圾转运设施规划中,应更加注重垃圾转运站的扩能规划,大力推进垃圾转运综合体、绿色循环综合体、分类减量综合体的规划建设,将装修(大件)垃圾、绿化垃圾处置,厨余垃圾就地处理,再生资源分拣及有害垃圾贮存等设施纳入其中,最大限度的实现垃圾的资源化利用和无害化处理。同时,在建设过程中还应充分考虑综合体的环保教育功能、车辆停保功能及智慧环卫管理等。

结语

只需简单的人机交互，就可自动实现对一定区域内的垃圾清理，并进行垃圾分类，使该区域长期保持干净。目前该机器人还存在一些不足，在体积与装垃圾容量方面还有待提升，以便更长续航工作。

参考文献

［1］张岁寒，张斌，陈凯，等.一种机器人智能自跟随方法、装置、介质、电子设备：中国，发明专利，202011342457.2［P］.2021-12-17.

［2］张斌，李亮，蒋志达，等.垃圾清洁机与垃圾清洁机的分类收集方法：中国，发明专利，202111425651.1［P］.2022-11-29.