鄒欣桐，王曉媛，彭 辰，馬一鳴，于聽(tīng)雨

（華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237）

0 引言

近年來(lái)，環(huán)境保護(hù)日益受到人們關(guān)注。目前，山地、景區(qū)、水庫(kù)、沼澤等較為復(fù)雜地形下的垃圾拾取問(wèn)題主要還是通過(guò)人工拾取，這樣的處理方式不僅效率低下，還會(huì)使得清潔人員處于較大的危險(xiǎn)之中。

面對(duì)這樣的問(wèn)題，無(wú)人機(jī)與機(jī)械臂的結(jié)合為解決復(fù)雜地形下垃圾的處理提出了新的可能性。國(guó)內(nèi)外的研究人員對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，發(fā)現(xiàn)機(jī)械臂的搭載平臺(tái)可以為六自由度移動(dòng)的無(wú)人機(jī)，便于機(jī)械臂到達(dá)例如山地、景區(qū)、水庫(kù)、沼澤等地形較為復(fù)雜的工作環(huán)境之中。而無(wú)人機(jī)搭載的工作裝置為機(jī)械臂，使得無(wú)人機(jī)不僅有檢測(cè)與觀察環(huán)境的能力[1-2]，同時(shí)也易于人機(jī)交互以及操作控制。

在復(fù)雜地形下的垃圾拾取工作中，無(wú)人機(jī)與機(jī)械臂的結(jié)合[3-5]使得垃圾拾取的安全性大幅度提高，同時(shí)具有拾取效率高、準(zhǔn)確率高、安全性高以及節(jié)約人力等顯著優(yōu)點(diǎn)。而目前國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)與機(jī)械臂相結(jié)合的技術(shù)尚處在研究開(kāi)發(fā)的初期，技術(shù)不夠成熟，應(yīng)用也不夠普及。

本文設(shè)計(jì)了一款無(wú)人機(jī)搭載的智能垃圾拾取機(jī)器人，以精妙的機(jī)械設(shè)計(jì)以及合理的電路排布，通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)以及電控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地形下垃圾的拾取與收納。最后，通過(guò)對(duì)整體機(jī)器的重心位置分析以及機(jī)械部件的有限元分析，校核其力學(xué)穩(wěn)定性與安全性，從而驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

1 總體設(shè)計(jì)方案

復(fù)雜地形下無(wú)人機(jī)搭載的智能垃圾拾取機(jī)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(xié)議，由無(wú)人機(jī)上的CSI 攝像頭作為圖像傳輸裝置，將無(wú)人機(jī)前方視頻同步傳輸?shù)娇蛻?hù)端程序；

（2）根據(jù)接收到的圖像，利用SSD 算法識(shí)別圖像中垃圾的大致方位，進(jìn)行標(biāo)注，便于定位；

（3）成功識(shí)別到垃圾后，操作者操作無(wú)人機(jī)降落至垃圾上方，并操作無(wú)人機(jī)至懸停狀態(tài)；

（4）啟動(dòng)拾取程序，利用樹(shù)莓派控制電機(jī)啟動(dòng)機(jī)械臂，控制舵機(jī)啟動(dòng)機(jī)械手，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂抓取垃圾的動(dòng)作；

（5）啟動(dòng)收集程序，將垃圾自動(dòng)放入到收集裝置中；

（6）往復(fù)進(jìn)行以上動(dòng)作，直至垃圾收納裝置集滿(mǎn)，無(wú)人機(jī)自動(dòng)返航，將垃圾投放。

2 機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 整體機(jī)械結(jié)構(gòu)

復(fù)雜地形下無(wú)人機(jī)搭載的智能垃圾拾取機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由無(wú)人機(jī)部分、機(jī)械臂-機(jī)械手部分、垃圾收納部分3個(gè)部分組成。其中，機(jī)械臂-機(jī)械手部分與垃圾收納部分通過(guò)云臺(tái)與無(wú)人機(jī)部分相連接。

圖2 整體機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 機(jī)構(gòu)動(dòng)作流程

無(wú)人機(jī)啟動(dòng)后，通過(guò)圖傳裝置和SSD 算法識(shí)別及定位到垃圾位置，操作者將無(wú)人機(jī)降落懸停至垃圾位置附近，開(kāi)始進(jìn)行垃圾的拾取及收納。

首先，操作者啟動(dòng)拾取程序，控制電機(jī)啟動(dòng)定滑輪，定滑輪連同尼龍繩帶動(dòng)第二級(jí)機(jī)械臂進(jìn)行伸長(zhǎng)，此時(shí)機(jī)械手到達(dá)指定位置；接著，控制舵機(jī)啟動(dòng)機(jī)械手，機(jī)械手通過(guò)夾緊動(dòng)作實(shí)現(xiàn)垃圾的抓??；完成垃圾拾取動(dòng)作后，定滑輪反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)第二級(jí)機(jī)械臂收縮至原始位置；同時(shí)，控制電機(jī)帶動(dòng)垃圾收納裝置旋轉(zhuǎn)至機(jī)械手正下方，機(jī)械手松開(kāi)，垃圾落入垃圾收納裝置內(nèi)；最后，控制機(jī)械臂-機(jī)械手部分和垃圾收納部分復(fù)位，完成一次垃圾的拾取[6]。往復(fù)進(jìn)行以上動(dòng)作，直至垃圾收納裝置集滿(mǎn)，無(wú)人機(jī)自動(dòng)返航，投放垃圾。

2.3 各機(jī)構(gòu)部分設(shè)計(jì)

2.3.1 無(wú)人機(jī)部分

本設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)為八軸式旋翼無(wú)人機(jī)[7]，裝配有云臺(tái)以及起落架，可承載質(zhì)量高達(dá)8 kg，除去所搭載裝置自重外，仍可承載5 kg 的質(zhì)量。無(wú)人機(jī)為可操縱式具有上升、下降、懸停等不同的飛行姿態(tài)[8]。

2.3.2 機(jī)械臂-機(jī)械手部分

其功能為完成垃圾的抓取，優(yōu)勢(shì)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效低耗、傳動(dòng)巧妙。

如圖3 所示，本部分主要由2 段PVC 桿、2個(gè)定滑輪、1 個(gè)機(jī)械手、2 個(gè)42 步 進(jìn) 電 機(jī)、1 個(gè)DS3218 舵機(jī)組成。該部分的設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)在于兩段PVC 桿構(gòu)成伸縮桿結(jié)構(gòu)組成二級(jí)機(jī)械臂，由定滑輪及尼龍繩帶動(dòng)其伸長(zhǎng)與收縮。通過(guò)定滑輪、尼龍繩與伸縮桿結(jié)構(gòu)的有機(jī)配合，不僅可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的收縮，同時(shí)對(duì)比液壓傳動(dòng)裝置，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高、經(jīng)濟(jì)成本低，雖然平穩(wěn)性不比液壓傳動(dòng)裝置，但是在低速進(jìn)給情況下，其平穩(wěn)性已滿(mǎn)足收縮及抓取運(yùn)動(dòng)的要求。抓取垃圾的具體流程：無(wú)人機(jī)懸停于指定位置后，操縱者通過(guò)遙控發(fā)出抓取指令，此時(shí)控制定滑輪的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)械臂伸長(zhǎng)；機(jī)械臂伸長(zhǎng)至指定位置后，機(jī)械手通過(guò)舵機(jī)帶動(dòng)而夾緊，拾取垃圾[9]；完成垃圾拾取動(dòng)作后，定滑輪反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)械臂收縮至原始位置，實(shí)現(xiàn)一次垃圾的抓取。

圖3 機(jī)械臂－機(jī)械手部分結(jié)構(gòu)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(gè)42 步進(jìn)電機(jī)、軟質(zhì)塑料容器組成。42 步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)垃圾收納裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，與機(jī)械臂的伸長(zhǎng)與收縮以及機(jī)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(qiáng)的剛度及穩(wěn)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(jìn)入垃圾收納筐。垃圾收納筐采用軟質(zhì)塑料，其體積可根據(jù)垃圾存儲(chǔ)量進(jìn)行調(diào)整，并避免與其余機(jī)構(gòu)發(fā)生沖突。

3 受力及有限元分析3.1 重心位置分析

無(wú)人機(jī)的飛行性能與重心位置密切相關(guān)[10]。在水平方向上，如果無(wú)人機(jī)的重心位置發(fā)生偏移，將會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)起飛困難且伴有偏飛，進(jìn)而導(dǎo)致飛行操控難度加大，因此需要對(duì)無(wú)人機(jī)搭載的智能垃圾拾取機(jī)器人進(jìn)行中心位置的校正；在垂直方向上，重心過(guò)高不利于飛行器的穩(wěn)定性，同時(shí)重心離螺旋槳平面越遠(yuǎn)會(huì)增加飛行器的惰性進(jìn)而導(dǎo)致飛行器耗電多，做功大，因此要求無(wú)人機(jī)在垂直方向上在保持穩(wěn)定性的條件下，使得重心位置盡量靠近螺旋槳[11]。運(yùn)用Solidworks對(duì)機(jī)器人進(jìn)行建模以及不同材料密度的設(shè)置，得到重心位置如圖4 所示。模型重心等參數(shù)如表1 所示。圖中機(jī)器人重心在水平方向位于無(wú)人機(jī)中心位置，無(wú)偏移，符合要求；重心在垂直方向上位于云臺(tái)正下方，即可保證飛行的平穩(wěn)性，也可以保證飛行的機(jī)動(dòng)性。

圖4 整體模型的重心

表1 整體模型的重心參數(shù)

3.2 受力分析

無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中，螺旋槳是產(chǎn)生升力的唯一來(lái)源，同時(shí)云臺(tái)正下方是無(wú)人機(jī)、機(jī)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(jī)器人的不同飛行狀態(tài)取決于升力與重力的大小關(guān)系。機(jī)器人總質(zhì)量為16.40 kg，在空中懸停時(shí)，受力平衡，無(wú)人機(jī)框架單臂升力為2.05 kg。為滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)正常起降，無(wú)人機(jī)框架單臂升力大于2.05 kg，同時(shí)為滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)姿態(tài)控制時(shí)的加速需求，單臂升力最大為10.20 kg，單臂動(dòng)力富裕系數(shù)為4.98。在最大升力的狀態(tài)下，機(jī)器人受力狀態(tài)如圖5所示，此時(shí)升力大于重力，機(jī)器人處于上升狀態(tài)。

圖5 整體模型受力狀態(tài)

3.3 機(jī)械手有限元分析

為了保證機(jī)器人能夠平穩(wěn)且安全地實(shí)現(xiàn)飛行以及抓取垃圾的一體化操作，必須對(duì)機(jī)器人進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算以及校核。根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)以及受力分析，機(jī)械臂抓取部分的機(jī)械手、無(wú)人機(jī)的機(jī)臂和中心板是最危險(xiǎn)區(qū)域[12]。由于無(wú)人機(jī)負(fù)載按照其標(biāo)準(zhǔn)配置且中心位置無(wú)偏移，因此無(wú)人機(jī)強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，故主要對(duì)機(jī)械手進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和校核，本研究利用ANSYS 對(duì)其進(jìn)行有限元變形、應(yīng)變和應(yīng)力計(jì)算和分析，從而保證機(jī)器人的強(qiáng)度的安全性和撓度的合理性[13-14]。

根據(jù)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性以及機(jī)械手電機(jī)的選型，將機(jī)械手與機(jī)械臂連接部分和與抓取垃圾的爪作為固定面；根據(jù)一次抓取的垃圾質(zhì)量為500 g，安全系數(shù)為2.04，在2 個(gè)抓取垃圾的爪部施以最大抓取力10 N。機(jī)械手以碳纖維作為材料基體，其抗拉強(qiáng)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(jì)算結(jié)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(yuǎn)小于機(jī)械手允許最大變形量，所以撓度滿(mǎn)足安全設(shè)計(jì)要求。

圖6 機(jī)械手總變形云圖

如圖7 所示，機(jī)械手在嚙合齒處產(chǎn)生最大應(yīng)變，其值為6.135 5× 10-5，該應(yīng)變遠(yuǎn)小于機(jī)械手允許最大應(yīng)變，所以應(yīng)變也滿(mǎn)足安全設(shè)計(jì)要求。

圖7 機(jī)械手應(yīng)變形云圖

如圖8 所示，機(jī)械手最大靜應(yīng)力位置在在嚙合齒處，其值為1.227 1× 107Pa，機(jī)械手材料為碳纖維，抗拉強(qiáng)度為290 GPa，從相關(guān)文獻(xiàn)中查得靜載荷的安全系數(shù)許用值為1.5～2.0[17]，得到許用應(yīng)力：

圖8 機(jī)械手應(yīng)力云圖

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

所以強(qiáng)度也是滿(mǎn)足安全設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)以上驗(yàn)證，機(jī)械手滿(mǎn)足材料強(qiáng)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(xiǎn)位置為齒輪嚙合處，該處強(qiáng)度、剛度均在許用值范圍內(nèi)，滿(mǎn)足不失效工作條件。機(jī)械手最大抓取力預(yù)估為10 N，滿(mǎn)足一次性抓取500 g垃圾的需求。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 動(dòng)力源選擇

為在拾取垃圾的過(guò)程中保持穩(wěn)定，機(jī)械手部件處舵機(jī)選用大扭力DS3218 數(shù)字舵機(jī)（180 °），其空載轉(zhuǎn)速為0.16 s/60 °，堵轉(zhuǎn)扭矩18～21.5 kg/cm，滿(mǎn)足抓取塑料瓶及紙屑等垃圾的抓取力需求。傳動(dòng)定滑輪處以及垃圾臂回轉(zhuǎn)處電機(jī)選擇42 步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)質(zhì)量為282 g，額定電壓為3.3 V，步距角為1.8 ± 5%°/步，保持轉(zhuǎn)矩48 N·cm，滿(mǎn)足傳動(dòng)力以及穩(wěn)定性需求。根據(jù)所選電機(jī)以及舵機(jī)數(shù)量和型號(hào)，動(dòng)力系統(tǒng)選擇5 V、2 A的電源進(jìn)行供電。

4.2 控制系統(tǒng)組成

無(wú)人機(jī)采用Pixhawk4 作為飛控控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)架構(gòu)清晰，生態(tài)系統(tǒng)龐大而完善，具有多線(xiàn)程，可以保證自動(dòng)飛行姿態(tài)的自由性，多數(shù)外設(shè)可以自動(dòng)檢測(cè)和配置。憑借其雙處理器，搭配樹(shù)莓派3B+作為飛控?cái)U(kuò)展，裝備有攝像頭、云臺(tái)、機(jī)械臂，可以在安全穩(wěn)定的情況下，以進(jìn)行圖像傳輸和識(shí)別、垃圾拾取運(yùn)動(dòng)等操作。

4.3 控制原理及流程

無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)啟動(dòng)后，樹(shù)莓派程序自動(dòng)開(kāi)始運(yùn)行，通過(guò)Python 編寫(xiě)的多線(xiàn)程程序控制無(wú)人機(jī)外設(shè)。圖像傳輸裝置選用CSI 攝像頭，使用TCP 協(xié)議，將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為流數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到內(nèi)存中，在同一局域網(wǎng)下啟動(dòng)客戶(hù)端程序，將進(jìn)行base64 編碼后的流數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶(hù)端?？蛻?hù)端程序?qū)?shù)據(jù)解碼為圖像，顯示在窗口上，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)前方視頻同步傳輸?shù)娇蛻?hù)端程序。客戶(hù)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(biāo)定位，同時(shí)，基于特征金字塔的檢測(cè)方式，在不同特征映射下預(yù)測(cè)目標(biāo)，比Yolo 算法更能準(zhǔn)確識(shí)別小目標(biāo)，更適用于飛行、懸空姿態(tài)下對(duì)垃圾進(jìn)行標(biāo)注及定位。

發(fā)現(xiàn)垃圾后，操作者降落無(wú)人機(jī)，啟動(dòng)拾取程序，通過(guò)樹(shù)莓派利用RPI.GPIO 庫(kù)輸出高低電平，以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)323 的控制，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂抓取垃圾的動(dòng)作，并將垃圾自動(dòng)放入到收集裝置中。往復(fù)進(jìn)行以上動(dòng)作，直至垃圾收納裝置集滿(mǎn)，無(wú)人機(jī)自動(dòng)返航，將垃圾投放。

5 結(jié)束語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地形下的垃圾智能化拾取，本文設(shè)計(jì)了一款復(fù)雜地形下無(wú)人機(jī)搭載的智能垃圾拾取機(jī)器人。本設(shè)計(jì)將SSD 算法、圖像傳輸裝置、Pixhawk 飛控技術(shù)及樹(shù)莓派作為控制主體，結(jié)合以二級(jí)機(jī)械臂與可旋轉(zhuǎn)垃圾收納裝置為主體的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可穩(wěn)定、精準(zhǔn)地完成飛行控制、垃圾識(shí)別、垃圾抓取以及垃圾收納的統(tǒng)一動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了人、機(jī)、電三者的交互控制。本設(shè)計(jì)將無(wú)人機(jī)與機(jī)械臂相結(jié)合，使用六自由度的無(wú)人機(jī)來(lái)搭載機(jī)械臂，進(jìn)而機(jī)械臂的工作范圍得到了極大程度的擴(kuò)展，與此同時(shí)，圖像傳輸裝置使得操縱者能夠?qū)崟r(shí)知曉環(huán)境情況，降低誤差，在保障安全的前提下高效地完成復(fù)雜地形下的垃圾拾取任務(wù)。在環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重的今天，本設(shè)計(jì)為復(fù)雜地形下的垃圾拾取提供了新的思路，具有廣闊的運(yùn)用前景。