基于视觉识别的垃圾分类机器人系统的设计

人类活动产生越来越多的垃圾无法处理，然而垃圾是放错地方的资源，通过实施垃圾分类措施，可以变废为宝，既处理了无法安置的垃圾，又节省了生产原料。但因各种原因，例如人们的环保意识不强和垃圾种类繁多等，目前实际的情况是很多垃圾混合在一起，并没有真正做到垃圾分类。本文设计一套垃圾分类系统，实现垃圾分类的自动化，可用于教学和演示，也可以作为实际垃圾分类工程应用的雏形。

系统采用两台小型工业机器人、工业视觉识别系统、小型传送带、AGV小车、通用台架等设备，自动完成对分拣对象的传送、识别、抓取、分拣和装载等一系列任务，形成一条小型循环演示生产线。整个系统采用模块化设计，可单独分为机器人识别分拣系统和机器人上下料系统，每个分系统也可单独进行操作演示（如图1所示）。

整个过程有如下几步。第一步：传送带上传送着各类物品，分拣机器人通过视觉控制系统识别分拣对象，将从传送带上抓取的物品放入相应的垃圾盒内。第二步：AGV小车载着垃圾桶沿着指定路线开向下一个站点。第三步：AGV小车到位后，负责装载的机器人抓取垃圾盒，将垃圾全部倒在振动盘上，与此同时，AGV小车开始将备用垃圾盒运回初始位置。第四步：振动盘将垃圾逐个振出到传送带上，此时小车已回到原点，实现循环演示。

在智能分拣中，控制系统是核心部分，保证智能分拣各个组成部分的协调工作。控制系统结构如图2所示。

控制系统中，PLC作为中央控制系统，接收并处理视觉检测识别系统、工业机器人和传送带编码器发送过来的信号，控制系统的启停和告知机器人执行相应的程序，控制整个系统的工作和循环。PLC接有人机交互的触摸屏，触摸屏主要负责系统各部分的参数设置、状态显示等。

需要一台品牌为“ABB”、型号为IRB120-3/0.6的小型工业机器人作为分拣执行单元，负责将传送带上的物品依次捡取并分类放入垃圾盒内。控制轴数为6轴；工作范围为580mm；机器人重量为25 kg；载重为3 kg；重复定位精度为±0.01 mm。

另需一台品牌为“FANUC”，型号为LR Mate 200 iD的小型工业机器人作为装载单元，负责将垃圾盒里的垃圾一次性全部倒在振动盘上。控制轴数为6轴；工作范围为717 mm；机器人重量为25 kg；载重为7 kg；重复定位精度为±0.02 mm。机器人尺寸图如图3所示。

视觉检测识别系统主要包括支架、智能相机、镜头、光源和IO通信模块，其中智能相机、镜头和光源安装在工业机器人手腕端，IO通信模块通过线缆与智能相机连接。

传送带的作用为接收振动盘上掉落的垃圾，以可调的速度，将垃圾从FANUC机器人端运到ABB机器人端。根据机器人分拣操作速度、AGV小车循环一周时间及安装台尺寸，确定传送带相关参数如下：长1 000 mm、宽175 mm，框架铝板，皮带1 mm，绿色，承重20 kg，速度为0～10 m/min，预留接口与机器人和控制系统通信。

当垃圾盒装满垃圾后，AGV小车将垃圾盒连同架子顶起，接着运输到垃圾中转站。为了实现演示循环，本文设计了两套垃圾盒及货架。AGV小车将垃圾放下后，继续移动向前，将另一空垃圾盒及架子顶起，然后运输到循环起点处。考虑到场地何负载问题，终选择快仓公司的朱雀M15A小车，尺寸大小为620 mm×538 mm×221 mm，自重为78 kg，负载为150 kg，导航方式为激光导航，含顶升机构（如图4所示）。

垃圾盒内的垃圾在传输的过程中混为一体，甚至叠加在一起，不利于摄像头识别及机器手的抓取作业。因此，可以利用震动盘将垃圾分散，依次振动出去，有序传输到传送带上。振动盘结构简单，只有一圈，将首个垃圾振动出去的时间小于等于AGV小车从中转站到循环起点的时间。振动盘出口向下倾斜，直接搭到传送带上方，防止垃圾掉落在传送带外面。

安装台面应有槽口，用于固定各设备，且方便调整设备在台面上的位置。安装台应为两个台拼接而成，方便分离，实现每个工业机器人可单独演示的功能。安装台内应有空间放置工业机器人的电控箱。安装台有滑轮，方便移动。

本智能分拣系统已在实验室安装完成，用于演示与学习。