董华 李萌 康燕汝 于孟琪

摘 要：伴随着工业4.0智能化时代的到来，自动化程度越来越高。智能制造作为新一代信息通信技术系统与制造技术系统融合发展的产物，机器人是将实现智能制造系统的重要载体。智能制造技术与机器人技术不仅促进制造业发展，也促进了制造新业态的诞生。如今，城市化现象的加剧导致了环保工作量不断上升，为了生产效率的提高，本文基于PLC设计了一台能自动清理垃圾的智能环保机器人。

关键词：智能化；机器人；PLC；环保

1概述

环保机器人是用来收集处理生活垃圾的机器人，本文设计的机器人能自动识别并捡起垃圾，将机器人的工作流程设置为机器人识别垃圾，发现垃圾后自动生成路径规划图，机械手动作时避障移动设置，然后抓起垃圾再次路径规划，搬运垃圾直至垃圾回收区。

按照机器人的工作流程，整个设计分为三大模块，分别为本体设计模块、垃圾识别模块和避障模块，其中，本体设计模块属于硬件设计，垃圾识别模块和避障模块主要涉及软件部分。

2研究背景

根据市面上不同类型机器人来看，履带式机器人具有良好的越障能力，能够适应室外的复杂环境；轮式机器人可以在平整的路面上快速移动，能够在短时间内进入目标地点。因此，采用轮履组合式机器人实现履带式行走与轮式行走的变换，使机器人适应不同的环境。

3工作原理

机器人使用丝杠螺母来实现竖直方向的运动，丝杠固定，螺母移动，丝杠的一端经过联轴器与蜗杆蜗轮减速器轴连接，减速器安装在车架上，电机的输出经减速器减速之后到达丝杠。在螺母的另一端安装有车轮架，车轮经过轮轴与车轮架连接。当机器人运行在平坦的路面上时，在丝杠螺母的带动下将车轮降下，从而将整个机器人的底盘抬高，履带离开地面。

垃圾收集装置主要由丝杠、推板、电机组成，机械手部分是环保机器人执行任务的重要装置，该环保机器人的机械手部分主要由大臂1、大臂2、小臂、末端执行器组成。根据抓取对象的不同可以使用不同的机械手，一种为三爪式，另一种为铲形结构。三爪形结构主要用来抓取圆柱形的垃圾，铲形结构主要抓取散的垃圾。

4 设计方案

4.1 硬件设计

根据设计要求，机器人本体设计与搭建主要分为两部分：载体部分和机械手部分。在载体搭建中，为了前进和避障设计导向轮和驱动轮，将两者结合到一起。通过改变左右驱动轮的速度来实现导向，后边拖动一个万向轮。

抓举模块是整个设计的关键，关键在于抓举是否灵活。由于控制器接口有限，电机接口只有三个，两个用于驱动机器人移动，用于机械手的就只有一个电机，所以就只能用一个电机实现“抓”和“举”两个动作。这样就只能通过物理传动，分时使用电机，实现先“抓”后“举”，机械手实现 “抓”、“举”的原理是电机转动带动小齿轮转动，小齿轮带动大齿轮，大齿轮的旋转带动拉杆前后移动，拉杆前后移动带动中转拉杆，从而使中转轴转动，中转轴的转动又带动了中转拉杆，使垂直方向的四角齿轮转动，带动水平方向的四角齿轮，水平方向的四角齿轮带动手抓转动，从而实现“抓”和“放”的动作。当手抓抓紧以后，水平方向的四角齿轮不再转动，中转轴也不再转动，随着电机的转动，拉杆继续移动，中转拉杆往上运动，电机向下运动，从而实现“举”的动作。

机械手设计方案确定后，考虑颜色传感器需要检测前方的“垃圾”，所以将颜色传感器安装在机械手前端。

4.2 软件设计

在硬件实现基础上，实现机器人的软件编程，主要包括垃圾识别模块、避障模块等的程序设计。机器人的任务是识别路面上的垃圾并捡起，所以垃圾的识别也至关重要。在此，我们选择了专用的颜色传感器作为识别模块，使用了检测不同颜色工作模式，颜色传感器产生一个逻辑信号，在编程时可选择某种颜色作为传感器的触发值。

路径规划是机器人的核心程序，是移动机器人导航的一个重要环节。常用的避障算法有可视图法、自由空间法、神经网络法、模糊逻辑算法、遗传算法和蚁群算法等。本文考虑机器人需要将垃圾送到回收站，并需要记录机器人的路径，采用了改进的基于模糊逻辑的避障算法。

4.3 PLC与视觉系统设计

PLC与智能视觉系统通讯需要预先进行PLC的硬件地址的配置，本系统的单元名称为传送单元，PLC 型号为西门子CPU215C。

PLC 与视觉系统是采用 TCP/IP Modbus 通讯方式，当物体在流水线上到达视觉系统识别工位系统时，PLC 通过通讯的方式读取视觉系统识别的数据后给视觉系统一个信号，触发视觉系统对托盘中的物体进行视觉识别。

详细参数设置为：REQ与Modbus TCP 服务器之间的通信请求REQ参数受到等级控制。这意味着只要设置了输入（REQ = true），指令就会发送通信请求。其它客户端背景数据块的通信请求被阻止。在服务器进行响应或输出错误消息之前，对输入参数的更改不会生效。如请求期间重置参数REQ，将不会进行其它传输。DISCONNECT 通过该参数，可以控制与 Modbus服务器建立和终止连接：0：建立与指定 IP 地址和端口号的通信连接。1：断开通信连接。在终止连接的过程中，不执行任何其它功能。成功终止连接后，STATUS 参数将输出值 7003。而如果在建立连接的过程中设置了参数REQ，将立即发送请求。CONNECT_ ID 确定连接的唯一 ID。指令 “MB_CLIENT”和 “MB_SERVER”的每個实例都必须指定一个唯一的连接 ID。Modbus TCP 服务器 IP 地址中的八位字节。

4.4 收集装置设计

在垃圾进入到收集装置之后，借助传感器将垃圾分类。本文将垃圾分为金属和非金属，然后再将不同属性的垃圾传输到各自的管道中去。基于垃圾桶中传感器的设计做出收集装置的外形设计和内部设计，详细如下。

（1）外形设计。将装置的上盖设计成倾斜式，在它的上盖加一个盖子，目的是为了阻挡装置内的气味传播到空气中，防止细菌传播。

（2）内部设计。首先，设计一个分拣及筛选装置，将垃圾筛选出来之后，就会自动送入各自桶内。在筛选装置的下方设计了两个桶，一个装金属类垃圾，另一个装非金属类垃圾。当桶内垃圾的重量达到一定的值，自动报警器就会发出响声，底部阀门打开，将垃圾传输到管道后通过抽风机的强大吸力，将垃圾从下方管道传输到回收区域。

（3）传感器的设计。传感器的工作原理就是进行信息的智能采集并自动传送。垃圾进入垃圾箱内的流程如下：垃圾进入，传感器检测并分类，自动进入相应的桶内并进行传输。当垃圾进入箱内，筛选装置通过传感器检测并做出相应操作。

5 总结

本文基于PLC设计的智能环保机器人，通过机器人载体和机械手关键机构的合理设计以及各功能模块的软件设计，保证机器人快速准确的识别垃圾，然后捡起垃圾并进行回收。在工业4.0的浪潮下，目前人工智能获得了前所未有的关注和支持，各地纷纷出台产业政策支持人工智能的发展。

参考文献

[1] 王莉烨. 多传感器信息融合技术在智能机器人上的应用[D].沈阳理工大学，2009.

[2] 刘玉民. 自治型水下环保机器人运动控制系统的仿真研究[D].昆明理工大学，2003.

[3] 丁贵彬. 受环境约束可重构机器人模块化协同力/位置控制研究[D].吉林大学，2016.

作者简介：董华，1998.03，女，汉族，河北省定州市北城区西里元村本科，山东工商学院，264005