垃圾处理机器人的初步设计

武焱鑫

1、项目摘要

当今我国面临严重的的环境问题——大气污染、水污染、垃圾处理等。本届机器人创意比赛主题为“环保机器人”。根据这一创意主题，进行网上调查和本地调查，对目前环境問题的严重性有了更深刻的认识。通过调查发现，在我市垃圾处理方面，普遍由垃圾车人工处理，存在的问题是：垃圾处理不及时、不到位、不够智能；经常产生二次污染；处理人员劳动强度大，不卫生，影响工作人员的健康等等。决定以垃圾处理机器人作为突破口，在改善环境问题上有所作为，研制垃圾处理机器人系统。

垃圾处理机器人系统由自动垃圾箱和自动垃圾车组成。自动垃圾箱，由机器人控制，任务是当有人靠近垃圾箱要投放垃圾时，提醒其按要求分类投放；自动垃圾车到达后垃圾车与其联系，自动垃圾箱将垃圾装上垃圾车。自动垃圾车，由机器人控制，通过寻线的方式寻找垃圾箱并与其通信，装载垃圾后将垃圾运送到垃圾站，自动卸载垃圾。工作流程：自动垃圾箱安装超声波测距传感器，当人靠近垃圾箱投放垃圾时，测距传感器探测到，则由机器人发出声音提示——“请分类放置”；当自动寻线、定位垃圾车达到时，自动垃圾车主控器通过蓝牙发出装载垃圾信号，自动垃圾箱向垃圾车倾倒垃圾，垃圾车装完垃圾，运到垃圾处理厂，卸载垃圾，完成垃圾清理工作。

2、项目来源

众所周知，我国的环境问题相当突出：大气污染、水污染、垃圾处理、土地沙化、水土流失、旱灾、水灾、生物破坏、持久性有机物污染，等等，通过进一步调查，对我国环境问题的严重性有了较深刻的认识，激发了解决环境问题的一些想法和相应的解决方案，如：大气污染的检测、大气污染的治理、室内空气的检测与净化、垃圾的分类、垃圾的清理、垃圾无公害处理、水污染检测等问题。由于一些问题需要专业化的传感器采集信息，以及复杂编程，超出我们的能力范围。通过对一些方案的比较和权衡，结合对齐齐哈尔市区进行的调查，了解了身边的环境污染情况，在探究保护环境、治理污染的相关知识和技术的基础上。决定从能够解决的问题入手，能有效处理生活中的环境问题。设计制作能够解决身边环境问题的环保机器人。在齐齐哈尔市北三区调查发现，在我市垃圾处理方面，普遍由垃圾车人工处理，存在的问题是：垃圾处理不及时、不到位、不够智能；经常产生二次污染；处理人员劳动强度大，不卫生，影响工作人员的健康等等。由以上种种原因，在综合各种因素的基础上，选择了垃圾处理机器人系统作为研制课题。

3、基本思路和研制过程

（1）基本思路：总的设想是：让机器人处理垃圾更加智能化，包括垃圾投放分类提醒、垃圾的自动装载、运输、卸载等，由机器人自动控制完成。垃圾处理机器人系统由自动垃圾箱和自动垃圾车组成。自动垃圾箱，由机器人控制，任务是当有人靠近垃圾箱要投放垃圾时，提醒其按要求分类投放；自动垃圾车到达后垃圾车与其联系，自动垃圾箱将垃圾装上垃圾车。自动垃圾车，由机器人控制，通过寻线的方式寻找垃圾箱并与其通信，装载垃圾后将垃圾运送到垃圾站自动卸载垃圾。工作流程：自动垃圾箱安装超声波测距传感器，当人靠近垃圾箱投放垃圾时，测距传感器探测到，则由机器人发出声音提示——“请分类放置”；当自动寻线、定位垃圾车达到时，自动垃圾车通过蓝牙发出装载垃圾信号，由垃圾箱装完垃圾，运到垃圾处理厂，卸载垃圾，完成垃圾清理工作。在垃圾车移动过程中，遇到障碍物，如行人、车辆等要停下来避让，这一功能由超声波探测障碍物，机器人控制完成。

研制过程：利用乐高9797教育套装、GT2201学生基础套装、9695配件库以及乐高其他配件搭建机器人，进行模拟论证。将上面的设想通过设计、试验、完善各个功能模块，并将各模块整合起来，分别形成机器人自动运输车和机器人垃圾箱（如下图1、图2所示）。

利用乐高机器人自带的图形化编程软件，设计机器人程序，在机器人上调试、修改程序，由机器人实现以下功能：机器人垃圾运输车自动寻找垃圾箱，机器人垃圾箱与垃圾运输机器人通过蓝牙通讯，机器人与自动垃圾箱相互配合将垃圾装上垃圾运输机器人，由垃圾运输机器人通过巡线移动、定位，自动运输垃圾到垃圾处理站并自动卸载垃圾。

4、科学性创新性和实用性

（1）科学性：利用乐高机器人9797教育套装和乐高积木等，根据运动学和动力学的基本原理，搭建建机器人。使用乐高的NEX主控器和声音传感器、光电传感器、超声波传感器、角度传感器、电机等组成机器人，在结构设计时，考虑了重心位置、驱动方式、驱动功率以及程序中各参数对机器人工作的影响，使用乐高9797教育套装、运用模块化设计思想，利用乐高图形化编程软件编写的程序来控制机器人完成垃圾的装载、运输、卸载等任务，设计制作具有一定的科学性。

（2）创新性：机器人自动垃圾箱、机器人垃圾自动运输车的结构设计；由自动垃圾箱、自动垃圾运输车构成的系统设计；垃圾投放监督、提醒功能；相应的程序设计。以上内容经查新未发现相同设计，具有一定的创新性。

（3）实用性：设计的垃圾处理机器人由自动垃圾箱、垃圾自动运输车、垃圾箱自动清理车、人工远程控制以及相应的软件组成。自动垃圾收储箱在自动垃圾车停靠时能够自动向垃圾车倾倒垃圾；自动垃圾车能够自动寻找垃圾箱，与自动垃圾箱通信后，由自动垃圾箱将垃圾装上后，将垃圾运输到垃圾处理站，自动卸载垃圾；该系统由传感器获取信息，经控制器在程序的控制下完成规定的任务。经测试，达到了设计的功能要求，经过因地制宜改进后，加以推广，具有一定的实际使用价值。

5、进一步改进与完善的设想

对垃圾处理机器人进行功能扩展，提升机器人处理较复杂问题的能力。具体设想如下：

（1）增加功能。增加垃圾处理机器人的功能：由多个机器人构成一个功能更加强大垃圾处理系统，每个机器人完成特定的任务，这些机器人不仅能够处理生活垃圾，还能处理工厂、医院产生的特殊垃圾；减少有害垃圾对环境的影响，杜绝垃圾清理工与有害垃圾的直接接触。

要给机器人增加清洗垃圾箱、给垃圾箱消毒和灭虫的功能；结合北斗导航定位系统（或GPS定位系統）和电子地图对机器人进行精确定位和导航，让机器人自由往返于垃圾产生地与垃圾处理站之间；提醒、监督人们对垃圾进行分类；在垃圾处理厂对垃圾进行自动分类，减轻人工分类的强度；引入相应的传感器，获取有害垃圾的信息，由专门的机器人对有害垃圾进行无公害处理。

增加人工远程操控；由于环境因素、机器人自身因素的影响，会出现这样那样的问题，需要把问题反馈给控制中心，由人工进行远程操控，使系统工作更加稳定、更加高效。人工远程操控由信息采集和反馈装置、控制装置、显示装置等硬件和操控软件等组成。

使用功能更加强大的机器人。功能更加强大的机器人要有更多的传感器接口、动作驱动接口或输出终端、交互能力、更快的运行速度以及更好的显示界面；更灵敏的各种传感器。

6、总结与展望

垃圾处理机器人是一个由多个独立的机器人（或模块）组成的垃圾处理系统。能够部分代替垃圾处理过程中某些方面人员的工作。通过进一步完善该机器人垃圾处理系统以及增加人工远程控制，能有效减少人们处理垃圾的工作量，把人们从垃圾处理的工作中解放出来，也能使环境更加美好。

垃圾处理机器人搭建和程序设计较合理，符合物理学中的力学原理。在结构设计时，考虑了重心位置、驱动方式、驱动功率以及程序中各参数对机器人工作的影响，使用乐高9797教育套装、乐高积木和乐高图形编程软件，运用模块化设计思想，设计制作具有一定的科学性；机器人功能的确定、结构的搭建、程序的设计是一系列试验的基础上敲定的，经过查新，没有发现相同的设计，具有创新性；垃圾处理机器人的设计，在功能上，具有垃圾分类提醒、垃圾装卸、运输的功能，在一定程度上，能解决垃圾处理的问题，具有实用价值。但是，机器人程序和机器人结构以及功能上还有待进一步完善和提高的空间，还须不断改进。

用机器人处理垃圾是机器人应用的一个发展方向，可以这样展望，垃圾处理机器人通过不断改进，定能逐步取代垃圾清洁工的工作，具有广阔的发展前景。但是，就目前及今后一段时间内，由于技术的限制，垃圾的处理离开人的参与还是不行的，机器人与人与人结合进行远程操控来处理垃圾应该是比较现实的选择。

参考文献：

[1]机器人 百度百科

[2]作者姓名：杰瑞·卡普兰 出版社：浙江人民出版社出版 书名：《人工智能时代》