一种智能垃圾分拣机器人[实用新型专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)实用新型专利
(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201821838091.6
(22)申请日 2018.11.09
(73)专利权人 吉林大学
地址 130012 吉林省长春市前进大街2699
号
(72)发明人 千承辉　侯天远　肖若兰　张小键　
(74)专利代理机构 长春市恒誉专利代理事务所
(普通合伙) 22212
代理人 鞠传龙
(51)Int.Cl.
B25J 5/00(2006.01)
B25J 13/00(2006.01)
B25J 19/04(2006.01)
(54)实用新型名称
一种智能垃圾分拣机器人
(57)摘要
本实用新型涉及一种智能垃圾分拣机器人，
目的是解决现阶段垃圾分拣机器人存在的缺陷。

包括机械臂、分类垃圾桶、架体、驱动电机、驱动
轮、中央处理器、无线数据传输器、运动控制系
统、机械臂控制系统、摄像头和电源，所述的机械
臂和分类垃圾桶分别设在架体上部，驱动电机和
驱动轮设在架体下部，驱动电机的输出轴与驱动
轮相连；中央处理器、无线数据传输器、运动控制
系统、机械臂控制系统、摄像头和电源分别设在
架体上，无线数据传输器和摄像头分别与中央处
理器相连。

本实用新型能够适应多种复杂地形环
境，可自主规划路线，精准拾取垃圾并进行分类，
抗干扰能力更强，鲁棒性更高，同时还具有轻便
化、智能化、低功耗、
低成本等特点。

权利要求书1页 说明书4页 附图4页CN 208914092 U 2019.05.31
C N 208914092
U
1.一种智能垃圾分拣机器人，其特征在于：包括机械臂、分类垃圾桶、架体、驱动电机、驱动轮、中央处理器、无线数据传输器、运动控制系统、机械臂控制系统、摄像头和电源；
所述的机械臂和分类垃圾桶分别设在架体上部，驱动电机和驱动轮设在架体下部，驱动电机的输出轴与驱动轮相连；中央处理器、无线数据传输器、运动控制系统、机械臂控制系统、摄像头和电源分别设在架体上，无线数据传输器和摄像头分别与中央处理器相连；
所述的运动控制系统包括第一处理器、电机驱动器、卫星定位系统和陀螺仪，其中第一处理器与中央处理器相连，电机驱动器、卫星定位系统和陀螺仪分别与第一处理器相连，电机驱动器的输出端与驱动电机相连；
所述的机械臂控制系统包括第二处理器和舵机驱动器，其中第二处理器与中央处理器相连，舵机驱动器与第二处理器相连，舵机驱动器的输出端与机械臂的舵机相连；
电源通过分压电路分别与驱动电机、中央处理器、运动控制系统、机械臂控制系统、摄像头以及机械臂中的舵机相连，并提供电能。

2.根据权利要求1所述的一种智能垃圾分拣机器人，其特征在于：所述的机械臂为两个六自由度机械臂，分别设在架体上部左右两侧的中心位置，分类垃圾桶设在两机械臂之间，机械臂上设有机械抓手。

3.根据权利要求1所述的一种智能垃圾分拣机器人，其特征在于：所述的驱动轮为三角履带轮。

4.根据权利要求1所述的一种智能垃圾分拣机器人，其特征在于：所述的摄像头为两个双目摄像头，分别设在架体上部左右两侧，与机械臂在同一直线上，两个摄像头分别与中央处理器相连。

5.根据权利要求1所述的一种智能垃圾分拣机器人，其特征在于：所述的电源包括太阳能电池板、蓄电池和电源管理模块，太阳能电池板设在架体的上部，蓄电池设在架体内部，太阳能电池板与蓄电池相连；电源管理模块包括第三处理器和电源开关，其中第三处理器分别与电源开关、太阳能电池板和蓄电池相连，电源开关设在太阳能电池板与蓄电池之间的充电电路上。

6.根据权利要求1所述的一种智能垃圾分拣机器人，其特征在于：所述的分类垃圾桶为三格分类垃圾桶。

7.根据权利要求1所述的一种智能垃圾分拣机器人，其特征在于：所述的运动控制系统还包括红外避障传感器，红外避障传感器与第一处理器相连。

权　利　要　求　书1/1页CN 208914092 U
一种智能垃圾分拣机器人
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种机器人，特别涉及一种智能垃圾分拣机器人。

背景技术
[0002]随着人们对环保意识的逐渐加强，垃圾分类开始受到关注，人们开始意识到垃圾分类的重要性；伴随着智能科技的发展，机器人的应用领域逐渐变大，如何将机器人应用于垃圾分类的工作中成为越来越多学者研究的课题。

目前，大多数垃圾分类机器人都是仅限于垃圾的分类或垃圾清理，对于将垃圾的捡去与分类集成的机器人的研究还不够完善，市面上很多已有的都是家庭清扫机器人，能实现简单的清扫但价格昂贵，适用于室内而无法适应室外的复杂地形，且无法实现准确定位垃圾位置和区分垃圾种类，智能化程度较低，不能自主规划路径应对复杂地形，没有形成一套独立的结构体系。

因此，需要一种拥有简单的物理结构和独特的工作方式的垃圾分拣机器人，能够自主规划路径自主运动、适应复杂地形，寻找垃圾并将垃圾拾取和准确分类收集。

发明内容
[0003]本实用新型为了解决现阶段垃圾分拣机器人存在的问题，提供一种智能垃圾分拣机器人。

[0004]本实用新型包括机械臂、分类垃圾桶、架体、驱动电机、驱动轮、中央处理器、无线数据传输器、运动控制系统、机械臂控制系统、摄像头和电源，所述的机械臂和分类垃圾桶分别设在架体上部，驱动电机和驱动轮设在架体下部，驱动电机的输出轴与驱动轮相连；中央处理器、无线数据传输器、运动控制系统、机械臂控制系统、摄像头和电源分别设在架体上，无线数据传输器和摄像头分别与中央处理器相连；无线数据传输器与上位机进行无线通讯，与上位机进行信息交互。

[0005]所述的运动控制系统包括第一处理器、电机驱动器、卫星定位系统、陀螺仪和红外避障传感器，其中第一处理器与中央处理器相连，电机驱动器、卫星定位系统、陀螺仪和红外避障传感器分别与第一处理器相连，电机驱动器的输出端与驱动电机相连；
[0006]所述的机械臂控制系统包括第二处理器和舵机驱动器，其中第二处理器与中央处理器相连，舵机驱动器与第二处理器相连，舵机驱动器的输出端与机械臂的舵机相连；[0007]电源通过分压电路分别与驱动电机、中央处理器、运动控制系统、机械臂控制系统、摄像头以及机械臂中的舵机相连，并提供电能。

[0008]所述的机械臂为两个，分别设在架体上部左右两侧的中心位置，分类垃圾桶设在两机械臂之间，机械臂上设有机械抓手。

[0009]所述的驱动轮为三角履带轮。

[0010]所述的摄像头为两个，分别设在架体上部左右两侧，与机械臂在同一直线上，两个摄像头分别与中央处理器相连。

[0011]所述的电源包括太阳能电池板、蓄电池和电源管理模块，太阳能电池板设在架体
的上部，蓄电池设在架体内部，太阳能电池板与蓄电池相连；电源管理模块包括第三处理器和电源开关，其中第三处理器分别与电源开关、太阳能电池板和蓄电池相连，电源开关设在太阳能电池板与蓄电池之间的充电电路上。

[0012]所述的分类垃圾桶为三格分类垃圾桶。

[0013]机械臂、无线数据传输器、陀螺仪和红外避障传感器均为现有技术，因此具体结构不在此赘述。

[0014]本实用新型的工作原理：
[0015]首先，通过上位机或者外部控制器输入相应指令，例如输入机器人的终点位置，将该指令信号传输给智能垃圾分拣机器人，机器人通过无线数据传输器接收指令，将指令传输到中央处理器，中央处理器向运动控制系统发出控制信号，在第一处理器内进行路径规划，第一处理器分析后，输出控制信号给电机驱动器，通过电机驱动器控制驱动电机运行，使机器人行走；
[0016]机器人行走的过程中，摄像头进行图像实时采集，并将图像传递回中央处理器，一旦检测到可疑物体，中央处理器将信号传输给运动控制系统中的第一处理器，控制机器人停止行走，此时中央处理器重新对物体进行图像分析和处理，完成物体的识别分类和定位，将数据传输给机械臂控制系统中的第二处理器，对物体种类和位置信息进行分析并处理，通过舵机驱动器控制机械臂上的各个舵机运行实现物体的抓取，并将拾取的垃圾放到对应的分类桶中，同时中央处理器将分类以及状态信息通过无线数据传输器发送到上位机或者外部控制器，实现人机交互。

[0017]本实用新型的有益效果：
[0018]与现有技术相比，本实用新型提供的一种智能垃圾分拣机器人，设计了独特的机械结构，通过使用太阳能电池板和蓄电池的结合增强续航能力，通过综合卫星定位系统、陀螺仪以及红外避障传感器的数据信息控制机器人在规定的路线上可以避开障碍物并平稳运行，结合摄像头及三角履带轮使其能够在杂地形和环境中正常工作。

为精确控制其运动，采用了卫星定位系统和陀螺仪相结合的方式来保证机器人的定位，提高机器人运行的精确度，在机械臂控制系统的第二处理器中采用逆运动学，PID等算法来控制机械臂的精确抓取，在中央处理器中采用SIFI特征匹配法、K-均值聚类等算法来提高定位分类的准确度。

机器人在行进的过程中保持缓慢，以便摄像头可以采集到有物体存在的信息，并在采集图形信息时，始终和摄像头平行视角输出图像信息，使智能垃圾分拣机器人抗干扰能力更强，鲁棒性更高。

本实用新型在实现自由移动的同时还具有轻便化、智能化、低功耗、低成本等特点，这也决定该机器人能有更多实际的应用。

附图说明
[0019]图1为本实用新型整体结构示意图。

[0020]图2为本实用新型控制系统结构示意图。

[0021]图3为本实用新型运动控制流程示意图。

[0022]图4为本实用新型图像分析流程示意图。

[0023]1、机械臂 2、分类垃圾桶 3、架体 4、驱动电机 5、驱动轮
[0024]6、中央处理器 7、无线数据传输器 8、运动控制系统
[0025]9、机械臂控制系统 10、摄像头 11、电源 12、第一处理器
[0026]13、电机驱动器 14、卫星定位系统 15、陀螺仪
[0027]16、红外避障传感器 17、第二处理器 18、舵机驱动器
[0028]19、太阳能电池板 20、蓄电池 21、电源管理模块
[0029]22、第三处理器 23、电源开关 24、舵机。

具体实施方式
[0030]请参阅图1至图4所示：
[0031]本实用新型包括机械臂1、分类垃圾桶2、架体3、驱动电机4、驱动轮5、中央处理器6、无线数据传输器7、运动控制系统8、机械臂控制系统9、摄像头10和电源11，所述的机械臂1和分类垃圾桶2分别设在架体3上部，驱动电机4和驱动轮5设在架体3下部，驱动电机4的输出轴与驱动轮5相连；中央处理器6、无线数据传输器7、运动控制系统8、机械臂控制系统9、摄像头10和电源11分别设在架体3上，无线数据传输器7和摄像头10分别与中央处理器6相连；无线数据传输器7与上位机进行无线通讯，与上位机进行信息交互。

[0032]所述的运动控制系统8包括第一处理器12、电机驱动器13、卫星定位系统14、陀螺仪15和红外避障传感器16，其中第一处理器12与中央处理器6相连，红外避障传感器16设在架体3前端，电机驱动器13、卫星定位系统14、陀螺仪15和红外避障传感器16分别与第一处理器12相连，电机驱动器13的输出端与驱动电机4相连；
[0033]所述的机械臂控制系统9包括第二处理器17和舵机驱动器18，其中第二处理器17与中央处理器6相连，舵机驱动器18与第二处理器17相连，舵机驱动器18的输出端与机械臂1的舵机24相连；
[0034]电源11通过分压电路分别与驱动电机4、中央处理器6、摄像头10、运动控制系统8中的第一处理器12和电机驱动器13、机械臂控制系统9中的第二处理器17和舵机驱动器18以及机械臂1中的舵机24相连，并提供电能。

[0035]所述的机械臂1为六自由度机械臂，在架体3上部左右两侧的中心位置对称设有两个，使拾取范围更大，拾取更灵活；分类垃圾桶2设在两机械臂1之间，机械臂1上设有机械抓手。

六自由度机械臂为现有设备。

[0036]所述的驱动轮5为三角履带轮，三角履带轮为现有设备。

[0037]所述的摄像头10为双目摄像头，在架体上部左右两侧机械臂1的外侧对称设有两个，与机械臂1在同一直线上，使观察范围更广，方便定位垃圾的位置，使机械臂1拾取垃圾更容易，两个摄像头10分别与中央处理器6相连，由中央处理器6进行图像处理。

[0038]所述的电源11包括太阳能电池板19、蓄电池20和电源管理模块21，太阳能电池板19设在架体3的上部，蓄电池20设在架体3内部，太阳能电池板19与蓄电池20相连；电源管理模块21包括第三处理器22和电源开关23，其中第三处理器22分别与电源开关23、太阳能电池板19和蓄电池20相连，电源开关23设在太阳能电池板19与蓄电池20之间的充电电路上。

电源管理模块21通过第三处理器22监测分析蓄电池20的电压以及太阳能电池板19的输出电压，当蓄电池20电压没有达到饱和且太阳能电池板19的输出电压达到阈值时，第三处理器22控制电源开关23接通，给蓄电池20进行充电。

[0039]所述的分类垃圾桶2为三格分类垃圾桶。

[0040]所述的中央处理器6为微型计算机，用于接收指令，处理双目摄像头的图像数据，控制运动控制系统8和机械臂控制系统9。

所述的卫星定位系统14为GPS定位系统。

[0041]第一处理器12、第二处理器17、第三处理器22均采用ARM嵌入式微处理器，ARM嵌入式微处理器为现有设备。

[0042]本实用新型的工作原理：
[0043]首先，通过上位机或者外部控制器输入相应指令，例如输入机器人的终点位置，将该指令信号传输给智能垃圾分拣机器人，机器人通过无线数据传输器7接收指令，将指令传输到中央处理器6即微型计算机，中央处理器6向运动控制系统8发出控制信号，在第一处理器12内进行GPS路径规划，第一处理器12分析后，输出控制信号给电机驱动器13，通过电机驱动器13控制驱动电机4运行，使机器人行走；
[0044]机器人行走的过程中，第一处理器12分析卫星定位系统14、陀螺仪15和红外避障传感器16的数据进行规避路障、稳定行驶，双目摄像头进行图像实时采集，并将图像传递回中央处理器6，一旦检测到可疑物体，中央处理器6将信号传输给运动控制系统8中的第一处理器12，控制机器人停止行走，此时中央处理器6重新对物体进行图像分析和处理，采用SIFI特征匹配法、K-均值聚类等算法来提高定位分类的准确度，完成物体的识别分类和定位，将数据传输给机械臂控制系统9中的第二处理器17，经过逆运动学算法以及PID算法对物体种类和位置信息进行分析并处理，通过舵机驱动器18控制机械臂1上的各个舵机24运行实现物体的抓取，并将拾取的垃圾放到对应的分类垃圾桶2中，同时中央处理器6将分类以及状态信息通过无线数据传输器7发送到上位机或者外部控制器，实现人机交互。

图1
图2
图3
图4。