AR识别智能垃圾分类机器人

王秀丽 刘静 李恩荣 周培郁 王帅超 张衡

摘要：随着人们生活水平的不断提高，国内的垃圾也在增加，但是垃圾分类和处理却不令人满意。20世纪90年代后，中国一直推行垃圾分类收集制度，但是一直效果甚微。通过与AR识别技术的组合，智能垃圾分类机器人发挥了垃圾分类的效果，不仅降低了垃圾收集的成本，提高了玻璃收集的效率，更是避免了长期积累造成的环境污染。

Abstract： With the continuous improvement of people's living standards， domestic garbage is also increasing， but garbage classification and treatment is not satisfactory. Since the 1990s， China has been implementing the garbage classification and collection system， but the effect has been very little. Through the combination with AR recognition technology， the intelligent garbage classification robot plays a role in garbage classification， which not only reduces the cost of garbage collection， improves the efficiency of glass collection， but also avoids the environmental pollution caused by long-term accumulation.

關键词：智能机器人;AR识别;垃圾分类;分类方式

Key words： intelligent robots;AR identification;garbage sorting;classification way

中图分类号：TP242.6                                   文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）22-0162-03

0  引言

随着生活水平的提高和城市化的加速，我国城市生活垃圾的生产量逐渐增加，许多地区垃圾处理太慢，环境问题越来越明显，一定程度上限制了新型城镇化的发展。因此，垃圾能否减量化、资源化、无害化已经成为我们面临的一大问题。习主席在中央财经领导小组第十四次会议上提出了加快配送系统、分类收集、分类运输、分类处理的确立，构建基于法律制度的垃圾分类制度的提案，由政府推进，加入全国人民、自治城市和农村地区，适应地方情况，努力改善垃圾分类系统。

近年来增强现实技术（Augmented Reality，简称AR）发展迅速，作为众多学科交叉集成的技术手段，AR的关键组成部分是依托计算机视觉和机器学习的图形识别与追踪技术。在日常生活中，能经常接触到AR的主要用途的是智能手机和平板电脑等终端，他们会根据AR的特性和需求更新硬件构成，为内容开发构建更好的环境。

1  国内外对于垃圾分类的情况

1.1 国外对于垃圾分类的成功经验

德国在垃圾分类回收利用方面走在了世界的前列，比如德国有较为完善的法律法规，如《废弃物处理法》、《废物分类包装条例》、《循环经济与废弃物处理法》、《可再生能源法》等，并强化配套相关实施条例。另外，德国从垃圾回收到其循环利用都是通过私营公司完成的，由于法规的严格限制和适当的实施，德国通过垃圾分类获得了垃圾资源的最大回收。此外，在金融政策方面，私营企业参与了回收再利用，得到极大的利润，实现可持续发展、资源再利用和德国私营企业盈利的多次胜利。

在每年的年初，汉堡的地方主管机构将会对新的一年的垃圾清运时间即垃圾分类说明发放到每家每户，使得居民可以按照条例严格执行。每个生活社区也会有各种专门收集轻型包装物、废旧纸壳、各色玻璃瓶的回收箱，居民还可以按照地方所发布的时间表将旧报纸和一次性纸袋捆绑好放置在街道旁，回收公司将会排除专车及时收取。而对于金属易拉罐和一次性饮料瓶等回收率低的垃圾，则实行押金制度，居民可以单独收集这类垃圾，并到指定地点进行垃圾回收。

日本是世界上将垃圾分类工作做得很好的一个国家之一，日本从小对孩子除了进行地震相关的安全知识传授以外，也很看重对垃圾分类的教育，所以国民的垃圾分类意识已经成为了他们生活中的一部分。当然，日本也拥有完善的法律体系，每个个体与企业都很配合，积极参与到生活垃圾的分类行列当中，之后的大量具体工作则有政府承担。在日本，垃圾分类最成功的经验是在政府、企业、市民之间形成协调的治理体系，严格的刑罚制度和规章制度，以及有效的支援和奖励政策。

1.2 我国垃圾分类制度的情况

中国生活垃圾分类的推广工作已经持续了许多年，在上世纪90年代中期，北京就开始提出了对生活垃圾的分类，鼓励居民对生活垃圾进行分类。2000年建设部下发《关于公布生活垃圾分类收集试点城市的通知》（建城环[2000]12号），将北京、上海、广州、深圳、杭州、南京、厦门、桂林8个城市确定为生活垃圾分类收集的试点城市。2016年，国家发改委、住建部发布《垃圾强制分类制度（征求意见稿）》，提出建立城镇生活垃圾强制分类制度。到2020年底，那些实施了生活垃圾强制分类的城市，其生活垃圾分类收集覆盖需率达到90%以上，生活垃圾回收利用率达到35%以上。

2019年7月份，上海开始实行垃圾分类的“四分法”，即被分成可回收、有害、湿垃圾和干垃圾。强制要求上海的居民必须根据需要严格分类垃圾。颁布条例强制实行垃圾分类也许有利有弊，但确实增强了人们对于垃圾分类的意识，也部分做到了对于垃圾的减量化、资源化、无害化。

同年10月10日，上海公布9月份生活垃圾分类情况，“《上海市生活垃圾管理条例》实施至今已超过百日，生活垃圾分类实效提升远超预期”。据上海市绿化和市容管理局数据，三季度居住区达标率提升至80%，单位达标率总体为87%。

据可靠数据，《上海市生活垃圾管理条例》实施以来，居住区与单位达标率明显提升。三季度，全市共抽查3724个居住区和443个单位。根据调查结果显示，居住区垃圾分类达标率得到了显著提高，其三个季度的垃圾分类达标率已从去年年底的15%提升至80%，大部分居民们都参与其中，进行垃圾分类，其中还有部分居住区的居民已经完全习惯了对生活垃圾的分类，无需志愿者去值守。

2  AR识别智能垃圾分类机器人的理念

文中所提到的智能垃分类机器人是对我们在公共场所常见的垃圾桶进行改造，运用AR图形识别技术进行分类存放。传统的垃圾分类方式是以人工分类为主，人工垃圾分类需要大量的人力资源，费用高，其中还存在一定对人体有危害的物质。而AR识别智能垃圾分类机器人（如图1）旨在对垃圾进行随扔随分类，省去传统的人工筛分方式，取而代之的是采用智能化筛选方式，使各类垃圾得到快速分流，大大降低了垃圾分类回收的运营成本，最大限度地实现了对生活垃圾中可循环利用物质的回收利用。

在传统垃圾桶的基础上对其进行改造，往地下放置垃圾分类系统，最大化节省空间。当对智能垃圾分类机器人供电后，垃圾桶将处于启动休眠状态，每当行人向垃圾箱的投入口投入一件垃圾后，垃圾将首先通过投入口进入垃圾暂存区，随后AR识别系统对其进行识别并与云端数据进行对比得出结果。于此同时，处于垃圾暂存区的垃圾将被逐个放到传送带之上，进行垃圾的运输。通过AR图形识别的输出信号会实时发送至垃圾存放桶，使存放桶产生转动，将与所扫描垃圾所对应的垃圾种类存放桶转至传送带末端。这样，垃圾智能分类运算就完成了，每次垃圾分类分类处理结束，系统内的所有工作区间都会会回到原来的位置，便于接受下一个垃圾智能分类操作。

智能垃圾分类操作完成后，系统对距离传感器进行检测，检测出纸箱中的垃圾内容，通过互联网向云服务器发送数据，将其整合、计算、分析分数，并收集处理后的数据集中通知。垃圾车根据大数据和服务器计算出的最有效的途径，去各个垃圾箱的位置收集垃圾。工作人员还可以通过对垃圾箱内安置的上位机对蓝牙范围内的所有垃圾桶进行实时监测，进一步提高对已分类垃圾的有效回收。（图2）

3  垃圾分类机器人的结构组成

3.1 AR识别

AR（Augmented Reality）技术的全称是增强现实技术，是将虚拟和现实结合起来的新技术。文章提及的垃圾分类机器人进行垃圾分类的基础便是AR图像识别技术。

AR识别技术的两个重要因素是图像指纹和汉明距离。首先，系统提取目标特征，然后通过感知散列算法对颜色、亮度、像素灰度等提取的细节进行合计，以确定表示为64位数字的图像指纹。需要使用目标编码值来计算相似性。根据汉明距离区域，可以确定不同对象的哈希值差。一般来说，如果不同比特的数量小于5，我们可以认为他们更类似。当然，也可以根据需要设定不同的阈值，保持具有高相似性的图像。

由于位置、角度的变化引起的变形、远近、光变化影响静态图形检测的应用范围，所以当相同目标在上面变化时，可以有效地识别或掌握相同特征值的物理形态跟踪技术的重要性，想要追踪移动物体的话，需要目标检测，所有跟踪都取决于提取和功能值的匹配。SLAM是指在追踪的基础上对于三位环境的实时追踪，在未来和AR几乎成了绑定存在的关系，AR的深度应用离不开时间空间对应关系的建立。

3.2 传送装置

即传送带，一个根据垃圾桶大小、容量、位置而不同，且具有合适长度与速度，使垃圾由足够的时间去识别并输出信号使终端的垃圾桶旋转至相应种类垃圾的存放桶处。除此之外，也保证垃圾不会因为过分堆积在始端，使整个系统无法工作。输电装置的能源供给主要由太阳能完成，为了太阳能发电，使用半导体和太阳能电池（也称为光伏电池）的太阳能发电效果，将太阳能直接转换成电能。由于太阳能是零排放的清洁能源，可以进一步解决环境污染问题。

3.3 垃圾存放桶

将传统垃圾桶的装填功能放置整个系统的末端，根据需要可分为2分式、3分式、4分式，每个分区存放的垃圾种类各不相同。在AR识别之后，经过与云端数据对比生成所识别垃圾的种类，并给出信号，使垃圾存放桶的中间轴发生转动，将垃圾存放桶转至扫描垃圾所对应的分区，让传送带上的垃圾最后可以准确投放至正确的分类桶中。存放桶也可以通过蓝牙范围内的上级计算機实时监控，工作人员可以通过蓝牙检测周围瓶子的剩余容量，以及温度、湿度和瓶子的其他信息，并根据情况对垃圾箱进行收集处理。这样，通过统一管理一定区域内的垃圾桶，可大幅降低垃圾回收的操作成本，大幅提高垃圾回收的效率，也可避免因垃圾长期累积而引起的各种环境污染问题。

4  垃圾分类机器人的未来市场

众所周知，垃圾分类是一项肮脏、枯燥且一定危险的工作。再工作中，垃圾回收工人的受伤人数是其他工作工人的两倍，此外，居高不下的死亡率也使垃圾处理成为危险职业之一。随着各国环保政策和理念的推行，全球对环保投入力度不断增强，加之科学技术不断向前迈进，将人工智能运用与垃圾分类不仅可以减少如此事件的发生，同时也提高垃圾有效分类的效率。随着人脸识别技术的越来越高超，我们随后可见的智能机都已实现了人脸解锁，甚至瞳孔解锁，这便为人工智能应用在垃圾分类工作的发力点。在不久的将来，人工智能化的垃圾分类必将是垃圾管理的发展趋势之一。根据新思界产业研究中心发布的《2019-2023年中国智能垃圾分类市场可行性研究报告》显示，人类在过去已经生产了超过80亿吨的塑料，而其中却仅有9%被回收利用，剩余12%被焚烧，79%则进了垃圾填埋场;预计到2050年人类将会产生超过120亿吨塑料垃圾，智能垃圾垃圾分类机器人将会是提高塑料回收效率的主力军，拥有极大的潜在应用市场。

自2004年起，中国就已经成为世界最大的垃圾生产国。近年来，随着城镇化速度加快，我国城市生活垃圾产生量逐年增长，据可靠数据数据显示，2018年我国城市生活垃圾清运总量达到了2.95亿吨，同比2017年共增长800万吨。在如此的背景下，垃圾的分类拥有着巨大的开发空间。在未来，城市生活垃圾的分类和处理将向减量化、资源化、无害化和智能化的方向发展。本文提出的AR识别智能垃圾分类机器人虽然还存在着一些问题，但同样的也拥有着无限的发展空间。如实现一个完整的垃圾分类回收系统，结合现有情况来看，拥有完整的配套设备建设，能使垃圾分类效果得到有效提升，让我国从过去城市生活垃圾处理方面的被动局面得到了显著改变，也有助于推动我国城市建设的可持续发展。

由于智能垃圾分类机器人研发技术有限，并且垃圾是商品的变异体，现有的智能分类机器人对垃圾的识别率尚不能达到百分之百。据不完全统计，现有的应用于垃圾分类的人工智能并不是很多，已经运用在市场上的智能垃圾分类的机器人有加拿大的“奥斯卡”垃圾桶、上海的GPS垃圾回收机器人和日本FANUC视觉分拣机器人。目前，智能垃圾分类机器人尚处于起步阶段，市场上几乎没有应用于垃圾分类的人工智能机器人，因此智能垃圾分类机器人的研发空间相当广阔。

参考文献：

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作者简介：王秀丽（1982-），女，河南安阳人，讲師，研究方向为模块化设计;李恩荣（通讯作者）（1999-），男，朝鲜族，黑龙江牡丹江人，安徽建筑大学，本科在读。