智能垃圾分拣机器人

河北农业大学 马嘉宁 张立昂 张荣峰 蔚嘉龙

1 垃圾分拣现状

1.1 我国垃圾分类现状

我国在垃圾的现代化清理运输、处理等方面开展较晚 ，也较为落后。在部分地区，人们的生活垃圾被直接堆放在居住地附近的露天垃圾场。这些露天的垃圾堆放场会对周围的土壤、空气和水源造成污染，进而影响到附近居民的身体健康。而即便是被送往垃圾处理厂的垃圾 ，也大多被一并焚烧 ，并不会被分类处理 ，从而造成资源的浪费。随着深圳进入“垃圾强行分类时代”，全国各地的城市都在陆续推进垃圾分类工作。 经过了这几年的宣传后，多数居民已经了解到了垃圾分类的重要性。不清楚垃圾该如何分类的现象也在逐步改善。

1.2 国外生活垃圾分类现状

在美国，有将近90%的美国人会直接参与到所在街道的废物回收工作中。

加拿大早在100多年前就已经开始对城市的生活垃圾进行分类回收。

在日本，国民是生活垃圾分类的主体。目前，日本已经形成一套完整的生活垃圾分类体系的法律。

1.3 垃圾分类未来的发展方向

目前垃圾分类处理设备的生产工作在国内外都有一个比较迅速的发展趋势。而就中国目前的发展水平而言，垃圾处理设备的发展还处于一个较低的水平。

2 项目概述

2.1 项目简介

图1实验平台系统框架图

本实验平台系统框架如图1所示，其主要包括嵌入式计算机操作系统、STM32控制板、4轴机械臂、传输带、摄像头模块以及垃圾桶等设备。使用垃圾分类模型对垃圾进行颜色、形状分类。STM32控制板负责机械臂和传输带的运动控制对垃圾进行分类采集，并将统计数据上传到云端。

系统运行流程为：各类垃圾通过垃圾投放口进入系统，传输带将垃圾逐个分离；机械臂将垃圾搬运到摄像头下方，进行图像识别分类；操作系统将垃圾分类结果通过串口发送给STM32单片机，STM32单片机控制机械臂将垃圾搬运、倾倒到指定的垃圾桶。最后利用压力传感器计算每个垃圾存放区中垃圾的总重量，以及新放入的垃圾的重量等数据，并在显示屏上显示且上传数据到云端。

2.2 运作流程

（1）在将垃圾集中运往分拣场后，启动滑轨，将投递的垃圾袋有间隙地送入传送带上方。传送带整个部分由外部独立供电。

（2）传送带启动的同时激活机械臂整体及其他的外设配置，使能完成后机械臂将运行主程序，即内部微处理器控制步进电机的输出信号来调整机械臂的动作姿态，使机械臂到达程序设定的初位置。

（3）机械臂在达到初位置时，垃圾输送的位置被机械臂上的传感器识别，机械臂做出抓取动作，即完成对传送带上的物品的夹取功能，同时装载色块识别模块将对抓取的垃圾进行色块识别，摄像头所获取的颜色与形状信号将与程序内部的资料库进行匹配，然后进行下一步动作，把垃圾投放到相应的垃圾存放区当中，实现对不同种类垃圾分区域进行放置。在无人直接参与的条件下，实现基本的垃圾分拣功能。执行单元主要包括4轴机械臂和传输带。机械臂带有步进电机接口，可直接控制传输带启停。用户只需通过机械臂的串行接口，就可控制机械臂和传输带的运动。

（4）利用压力传感器计算每个垃圾存放区中垃圾的总重量，以及新放入的垃圾的重量等数据，并在显示屏上显示且上传数据。感知单元包括STM32控制板、摄像头以及NB-IOT（基于蜂窝的窄带物联网）通信单元。STM32控制板通过串口接收垃圾识别结果，并进行数据过滤，通过另外一路串口驱动机械臂和传输带运动。STM32控制板还可以通过多路光电开关检测传输带上的垃圾是否进入机械臂托盘、垃圾桶等情况，通过NB-IOT实时传输垃圾桶、机械臂和传输带状态到云端的服务器。

3 主要电气设备

3.1 stm32f103单片机

STM32F103系列单片机拥有性能高的ARMCortex-M332位RISC内核，其基础工作频率为72MHz。它的运算速度快，拥有较大容量的SRAM，适合用于较为复杂的自动化设备。其除晶振占用的IO口外，其他所有IO口均被引出，这极大地方便了使用者对其进行工程扩展。STM32F103系列单片机的主芯片采用自带512K字节FLASH，并外扩16M字节SPIFLASH，可以满足大数据存储需求。

3.2 传送装置

传送带（滑轨），用于垃圾的传送 。其可以分为两类 ：轻型输送带和重型输送带。 适用输送块状、粒状 、粉末状物料和成件物品等。

3.3 摄像头模块

采用OV7725高清摄像头，像素30W，模块小巧且功能强大、性能优良，可使用编程语言进行控制。拥有集成有源晶振与FIFO，方便MCU读取其图像并进行控制。在使用时，可以自动进行曝光与白平衡。额定电压且灵敏度高，非常适合嵌入式的应用环境。

为了提高图像处理的速度，我们将OV7725摄像头与另一个单片机单独相连，共同作为摄像头模块。

3.4 四轴机械臂

四轴机械臂有四个自由度 ，由五个舵机 、一个机械爪、一个云台与若干连接用U型架构成。四个舵机中，最下方的舵机用于控制机械臂的左右运动，中间两个舵机用于控制机械爪的上下运动，最前端舵机用于控制机械爪上下转动。机械爪的开合也由舵机控制。该结构可以保证机械臂在180度范围内自由活动，抓取物品。

舵机为伺服电机，由单片机输出的PWM波控制，其舵机控制的基准信号为20ms、1.5ms宽的方波。单片机产生的PWM脉冲波会沿控制线传输至舵机，这段脉冲的占空比决定了舵机转动的角度。PWM脉冲波的持续时间应大于或等于舵机转动到预定位置所需的时间，否则，舵机将不能转动至预定位置。

4 垃圾识别原理

垃圾的识别主要由摄像头模块进行。 当观点传感器检测到有物体被传送带运送到指定位置后，传送带暂时停止运动 ，摄像头模块快速获取图像并通过分析得到物体的主要特征并辨明其种类。为了提升分析速度，与之相连的单片机会首先判断物体的颜色 ，确定物体所在的类别范围，然后再将物体的形状与所确定的分组类别中的每一个进行对应以确定最符合的一类。图像处理完成后， 这个单片机再将数据通过串口发送给控制整个系统的单片机。

5 总结

随着科学技术的发展，人工垃圾分拣的工作效果显得越来越不理想。我们的团队结合当下的发展趋势，实现了垃圾分拣的机械化，以机械来代替人力；实现了工作效率的提高，生产成本的降低，避免人与垃圾的直接接触。

智能垃圾分拣设备可以很好地解决垃圾分拣问题。它不受气候、时间和体力的限制，实现了垃圾的连续大规模分拣及数据采集上传。基本实现无人分拣作业，降低企业人工成本投入，降低工人劳动强度，提高工作人员的效率。通过将系统采集到的数据传输到云端后，可实现对垃圾分拣情况的监控及不同种垃圾的重量等信息的汇总，更便于后期对垃圾的处理工作。