CN110640759B - 一种全自动道路垃圾捡拾机器人及其使用方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种全自动垃圾捡拾机器人，并公开了合作式子车相互配合，对载台载垃圾自动化捡拾作业，以自动化捡拾作业取代人力进行捡拾，解决人力不足对于垃圾处理造成的影响。捡拾子车具有定位方向及辨识垃圾位置的功能，再与夹取机构配合完成捡拾动作，最后通过无线通讯模块建立子母车载台间的沟通桥梁，载台母车以导引及运送功能与捡拾子车配合，完成垃圾自动化捡拾作业，对于环等保领域具有良好的应用前景。

Description

一种全自动道路垃圾捡拾机器人及其使用方法

技术领域

本发明涉及人工智能领域，更具体地讲，涉及一种全自动垃圾捡拾机器人。

背景技术

在经济与科技迅速发展的当前社会，人们对生活环境越来越关注，因此广场、道路、校园、小区等公共区域的环保任务也越来越重，尤其是对于废弃瓶罐、景观树木掉落的落果等垃圾种类，生活中人们较为常见的是清扫马路等主干道的大型清扫车，而一些人行道、小区街道、公园、校园等地，由于路面宽度小且弯道较多，大型清扫车根本目前无法工作，对于上述的环境卫生保护工作还主要依赖传统型的人工捡拾，长期以来的人工捡拾模式存在着诸多问题，在人工捡拾过程中，要不停的弯腰，对清洁工人的身体健康造成严重的影响，同时效率也非常低。

因此，随着机器人技术的不断发展和人们对高品质生活环境的不断追求，为了能够更加进一步的提高生活质量并且改善居住环境，对环保设备的研制势在必行，开发一种性能优良，价格便宜，操作简单，使用安全的全自动式智能垃圾捡拾机器人已成为一种必要。

发明内容

因此，针对现有技术上存在的不足，提供本发明的示例以基本上解决由于相关领域的限制和缺点而导致的一个或更多个问题，安全性和可靠性大幅度提高，有效的起到保护设备的作用。

按照本发明提供的技术方案，全自动垃圾捡拾机器人包括硬件机构和控制系统。

进一步的，硬件机构包括定位体、捡拾子车、载台母车；捡拾子车寻找垃圾的位置并引导捡拾子车上对垃圾进行捡拾，并通过定位体的配合完成捡拾区域的捡拾任务；载台母车将完成单行捡拾任务的捡拾子车载至下个工作行，使捡拾子车能执行下行捡拾任务。

进一步的，控制系统包括无线通讯模块，捡拾子车与载台母车间利用无线通讯模块互相沟通协调完成捡拾任务，其中，载台母车根据无线通讯模块接收的动作指令，依据母车行走控制的规划完成引导及运送捡拾子车，捡拾子车通过无线通讯模块的收发讯号使载台母车配合并引导捡拾子车在捡拾区域内来回执行行走和捡拾任务。

进一步的，捡拾子车包括子车底盘单元、夹取机构、子车控制系统、子车无线通讯模块、子车感测系统、辅助挡板。

进一步的，子车底盘单元下方配置有两个动力轮和一个惰性轮，动力轮由直流行走马达带动；子车底盘单元后方设置有一个放置垃圾的子车收集箱，子车收集箱能够通过倾倒机构将垃圾倾倒至载台母车，倾倒机构包括两组单连杆，单连杆能够将子车收集箱抬升完成倾倒动作。

进一步的，夹取机构位于子车底盘单元的前方，夹取机构为多个伺服马达组成的六自由度机械手臂，执行夹取动作时，机械手臂运动至初始位置准备夹取，接着通过小臂、大臂与夹爪开合的联合运动使手臂抵达夹取位置进行夹取，再利用小臂及大臂的运动使机械手臂抬升至垃圾的高度，最后通过腰部和腕部旋转及夹爪开合完成垃圾夹取任务。

进一步的，子车控制系统位于子车底盘单元的中间，子车控制系统包括嵌入式控制器；子车感测系统位于子车底盘单元的最前端，子车感测系统包括距离感测器、角度感测器、视觉机器，子车感测系统还包括若干个杆件组成的支架，距离感测器、角度感测器、视觉机器设置在支架上；距离感测器为雷射测距仪，角度感测器为陀螺仪模组，视觉机器包括前视摄像机和俯视摄像机。

进一步的，捡拾子车执行行走捡拾任务，以俯视摄像机定位垃圾并利用雷射测距仪测量距离，引导子车修正位置并利用夹取机构完成捡拾，捡拾子车完成捡拾任务后，通过陀螺仪模组的角度信息进行初步修正方向的动作，修正完行驶方向后再以前视摄像机进行方向定位，定位前方定位体的中心位置，捡拾子车朝着定位体的位置继续行走并捡拾，并使用雷射测距仪测量量定位体 的距离，直到子车抵达定位体，完成单向的行走捡拾任务。

进一步的，载台母车包括母车底盘单元、母车控制系统、母车无线通讯模块、母车收集箱、子车停车板，子车停车板位于母车底盘单元的中部，子车停车板的两旁还装设引导滚轮，引导滚轮能够与捡拾子车的辅助挡板配合，引导捡拾子车完成上下车的动作。

进一步的，母车底盘单元下方配置有两个动力轮和两个惰性轮，动力轮由直流马达带动；母车收集箱位于母车底盘单元的后方，用于收集子车收集箱倾倒的垃圾；母车底盘单元的前方设有支座，母车控制系统和母车无线通讯模块设置在支座上，子车停车板上还设有斜板。

进一步的，定位体包括场地定位板和目标定位板，场地定位板和目标定位板的中部均设有彩色定位块，场地定位板的正反两面还设有直角铁板，目标定位板通过承载体架设于母车底盘单元的一侧。

本发明涉及一种全自动垃圾捡拾机器人，公开了合作式子车相互配合，对载台载垃圾自动化捡拾作业，以自动化捡拾作业取代人力进行捡拾，解决人力不足对于垃圾处理造成的影响。捡拾子车具有定位方向及辨识垃圾位置的功能，再与夹取机构配合完成捡拾动作，最后通过无线通讯模块建立子母车载台间的沟通桥梁，载台母车以导引及运送功能与捡拾子车配合，完成垃圾自动化捡拾作业，对于环等保领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的系统架构图示意图。

图2为本发明捡拾工作示意图。

图3为本发明的行驶方向示意图。

图4为本发明的捡拾子车示意图。

图5为本发明的捡拾子车底盘示意图。

图6为本发明的捡拾子车倾倒示意图。

图7为本发明的夹取机构示意图。

图8为本发明的捡拾动作示意图。

图9为本发明的捡拾子车控制示意图。

图10为本发明的视觉机器示意图。

图11为本发明的摄像方向工作示意图。

图12为本发明的场地定位板示意图。

图13为本发明的捡拾子车整体电路配置示意图。

图14为本发明的捡拾子车整体接线示意图。

图15为本发明的载台母车示意图。

图16为本发明的母车配合示意图。

图17为本发明的载台母车整体电路配置示意图。

图18为本发明的载台母车整体接线示意图。

图19为本发明的配合流程动作示意图。

图20为本发明的捡拾子车行走路径示意图。

图21为本发明的捡拾子车程式流程示意图。

图22为本发明的行走捡拾示意图。

图23为本发明的定位影像处理示意图。

图24为本发明的单颗垃圾捡拾示意图。

图25为本发明的多颗垃圾捡拾示意图。

图26为本发明的载台母车行走路径示意图。

图27为本发明的载台母车控制流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

本发明所公开的全自动垃圾捡拾机器人包括硬件机构和控制系统两个部分，其系统架构图如图1所示。

硬件机构包括定位体、捡拾子车、载台母车；捡拾子车负责以视觉机器寻找地面垃圾的位置并引导捡拾子车上的夹取机构进行捡拾，并通过定位场地定位板及载台母车上的目标定位板，完成捡拾区域的捡拾任务; 载台母车负责将完成单行捡拾任务的捡拾子车载至下个工作行，使捡拾子车能执行下行捡拾任务，而捡拾子车与载台母车间利用无线通讯模块，互相沟通协调完成捡拾任务，捡拾工作示意图如图2所示。

控制系统包括无线通讯模块，该无线通讯模块的部分则由子车无线通讯模块、母车无线通讯模块两个个部分所组成，通过捡拾子车上及载台母车上的无线通讯模块的接收与发送，使捡拾子车和载台母车能在捡拾作业中互相配合。 载台母车根据无线通讯模块接收的动作指令，依据载台母车行走控制的规划，完成导引及运送捡拾子车，而捡拾子车通过无线通讯模块的收发讯号使载台母车配合并导引，捡拾子车顺利在 捡拾区域内来回执行行走和捡拾任务，在行走捡拾任务中捡拾子车由视觉机器单元寻找垃圾位置，并且引导夹取机构完成垃圾连续捡拾任务。

为了使捡拾子车能于捡拾场地内完成行走捡拾任务，因此捡拾子车行驶路径以远离载台母车及面向载台母车为两个主要行驶的方向，如图3所示，通过事先于捡拾场地中摆放的场地定位板与载台母车上的目标定位板，导引捡拾子车行驶在规划的行走路径。

捡拾子车包括子车底盘单元、夹取机构、子车控制系统、子车无线通讯模块、子车感测系统、辅助挡板。捡拾子车如图4所示。捡拾子车主要利用无线通讯模块与载台母车进行沟通并完成配合，根据载台母车的导引，捡拾子车在捡拾区内来回行走， 进行捡拾任务，捡拾子车以视觉机器寻找垃圾位置，通过行走马达修正车体位置后以夹 取机构完成夹取垃圾动作。而每一行的捡拾作业完成后，底盘的倾倒机构可将捡拾子车后方的子车收集箱内的垃圾倒出，集中至载台母车的母车收集箱，完成垃圾收获作业。

捡拾子车的底盘单元下方配置两动力轮与一惰性轮，如图5所示，为了使捡拾子车在作业中拥有较高的行走机动性，因此设计以三轮的行走模式进行移动。而动 力轮由直流马达带动，本发明所选用的直流马达以 12V直流电瓶串联作为动力源，规格表如表1所示。

表 1 捡拾子车动力轮的直流马达规格表

项 目	规 格
		电压	24 V
电流	4.5 A
		扭矩	61 kg·cm
转速	72 rpm
		重量	2.2 kg

底盘后方设置一个放置垃圾的子车收集箱，而子车收集箱设计成可以倾倒至载台母车的功能，倾倒机构包括两组单连杆，通过后方子车收集箱的抬升完成倾倒动作，由于抬升马达的大小装设在底盘的空间限制，其倾倒机构最大的倾倒角度为35度，倾倒动作示意图如图 6所示。两组单连杆分别装置一组线性推杆马达作为连杆的拉升动力，此线性推杆马达的工作电压为12V，最大推力为240N，线性推杆马达规格表如表2所示。

表2 倾倒子车收集箱的线性推杆马达规格表

项 目	规 格
		电压	12 V
功率	20 W
		行程	100 mm
空载速度	40 mm/s
		最大推力	230 N
推杆材料	铝合金

夹取机构为由多个（舵机）伺服马达所组成的 6自由度机械手臂，机械手臂自由度包含腰部、大臂、小臂、小臂旋转、腕部、腕部旋转，如图7所示。夹取动作主要包括四个动作，执行夹取动作时，机械手臂运动至初始位置准备夹取，接着通过小臂、大臂与夹爪开合的联合运动使手臂抵达夹取位置进行夹取，再 利用小臂及大臂的运动使手臂抬升至放置垃圾的高度，最后通过腰部旋转及夹爪开合 完成垃圾夹取任务，如图8所示，其中捡拾垃圾具体动作示意为：(a)手臂初始位置、(b)手臂夹取地面的垃圾、(c)手臂抬升、(d)手臂腰部旋转并放置垃圾。本发明选用伺服马达的型号两种，分别为A马达和B马达，两种伺服马达规格表如表 3所示，将机械臂受力较大的小臂、 大臂及腰部之关节处，配置较大扭力的 B型号伺服马达，以利机械臂进行捡拾动作。

表3 夹取机构使用的两种伺服马达规格表

子车控制系统以嵌入式控制器（myRIO1900）为主体，完成垃圾捡拾及捡拾区行走任务，嵌入式控制器规格如表4所示。捡拾子车主要利用俯视的摄像机撷取影像信息并定位垃圾位置，再以雷射测距仪 测量捡拾子车与垃圾之间的距离，定位并修正车体位置后再以夹取机构捡拾地上的垃圾。

表4 嵌入式控制器规格表

项 目	规 格
		模拟输入脚位数	10
模拟输出脚位数	6
		数位I/O 脚位数	40
模拟模拟输出脚位数(PWM)	8
		处理器	双核心 ARM Cortex-A9
工作电压	DC 12 V
		尺寸	136.6×88.6× 24.7mm

捡拾子车在捡拾区行走的动作示意如图9所示，以下为动作(a)至动作(d)的动作介绍： (a)捡拾子车执行行走捡拾任务，以俯视的摄像机定位垃圾及雷射测距仪测量距离引导捡拾子车修正位置并利用夹取机构完成捡拾。 (b)捡拾子车完成捡拾任务后，通过陀螺仪的角度信息进行初步修正方向的动作。(c)修正完行驶方向后再以前视的摄像机进行方向定位，定位前方场地/目标定位板的中心位置。 (d)捡拾子车朝着场地/目标定位板的位置继续行走并捡拾，并以雷射测距仪测量与场地/目标定位板 的距离，直到捡拾子车抵达场地/目标定位板前，完成单向的行走捡拾任务。

本发明的雷射测距仪作为距离感测工具，规格如表 5所示。主要用于测量车体与垃圾之间的距离，而捡拾子车会根据距离远近做出相对应的动作，移动至夹取机构的捡拾范围内，完成捡拾作业。

表5 雷射测距仪规格表

视觉机器由两个摄像机组成，装设于车体正中间，而为了使摄像机取像的视角较广将高度设置为距离地面垂直高度不小于 60 cm，装置示意图如图10所示。本发明选用的摄像机的分辨率为 1280×720，最高帧 数为 30fps，摄像机采用可折式设计，具有 360全方位转幅，方便本发明调整取像角度。两组摄像机分别以向前方及向下方做取像，如图11所示，俯视的摄像机主要用于垃圾识别及定位工作，而前视的摄像机主要用于定位车体行进方向，最后两者取得的实时 影像进行影像处理。

前视的摄像机主要定位目标为捡拾场地中摆放的场地定位板，场地定位板设计如图12所示，主要定位的色彩区块为长 25 cm、宽 25 cm的正方形，为了配合捡拾子车上装设的前视摄像机的高度，将此正方形之中心点的位置与地面之间距离规划为至少 68 cm。由于本发明的场地定位板放置于室外，因此场地板以正反两面装设直角铁片的 设计使得场地定位板能够站立，也可以将场地定位板的设计更改为 旗帜形式，直接插入土壤中，增加场地定位板站立的稳固性。

本发明选用的是无线通讯模块（XBee）支持点对点和多点的传输，最大传输距离为120m，无线通讯模块规格表如表6所示。本发明的无线通讯模块包括子车无线通讯模块和母车无线通讯模块，利用此无线通讯模块，建立捡拾子车与载台母车之间的沟通桥梁，使捡拾子车能通过载台母车的协助完成捡拾任务。

表6无线通讯模块规格表

项 目	规 格
		工作电压	3.3 V
输出功率	2 mW
		数据传送速率	250 kbs
传送范围	120 m
		ADC 输入脚位	6 组
IO 脚位	8 组

捡拾子车以嵌入式控制器（myRIO1900）为控制中心，通过摄像机、陀螺仪及雷射测距仪撷取各项信息， 依照控制策略输出 PWM 讯号控制马达转动，完成各项指定任务，并通过子车无线通讯模块与载台母车互相沟通协调，整体配置如图13所示，接线图如图 14所示。主控制器配有 A、B、C 三组连接器，本发明将马达驱动器的讯号脚位连接至 C组连接器，夹取机构的伺服马达分别连接于A组及B组连接器上的 PWM输出脚位，而雷射测距仪的讯号脚位连接至 A组连接器，无线通讯模块的通讯脚位则与 B组连接器上 TX和 RX脚位相连接，此外为了减轻系统负担并简化主架构的程序，陀螺仪传感器的角度值由另外 的Arduino nano微控制器运算，而取得的角度值会通过 TX和 RX的通讯脚位有线传输至myRIO控制中心。

驱动行走马达及抬升马达所选用的马达驱动模块通过两组致能逻辑讯号，将相对应的控制信号输入便能控制双回路马达输出，主要接收由 myRIO控制中心所输出的PWM轮速控制及马达正反转讯号，规格如表 7所示。

表7 行走马达及抬升马达的驱动器规格表

项 目	规 格
		驱动电压	DC 6~27V
输出通道数	2 路
		每路额定输出电流	7A
每路瞬间峰值电流	50A
		控制输入电压	DC 3~6.5V
每路控制电流	3~11mA
		最小PWM输入脉宽	5μs
工作温度	-25°∁~ 80°∁

本发明的陀螺仪模块作为角度传感器，规格表如表8所示。本本发明的陀螺仪模块的通讯方式与 Arduino nano控制器进行通讯，陀螺仪模块的 VCC与 GND脚位分别与Arduino Nano的 5V及 GND脚位连接，使 Arduino Nano 直接供电给陀螺仪模块，而陀螺仪模块的 RX与 TX脚位分别与 Arduino Nano的 D10及 D11 脚位连接，通过 Tx、Rx通讯模式传送角度讯号至 Arduino Nano。

表8 陀螺仪规格表

项 目	规 格
		测量维度	9 维(加速度、角速度、姿态角各三维)
分辨率	16 bit
		姿态角稳定度	0.01 Deg
工作电压	DC 3~6 V
		输出频率	100 Hz / 20 Hz
输出信号	TTL 及I<sup>2</sup>C (皆可)
		功耗	< 10 mA
尺寸	15.24 × 15.24 × 2 mm

本研究采用的Arduino Nano微控制器共有22组数字 I/O脚位(内包含六组PWM输出)，规格如表9所示。主要用于接收陀螺仪角度讯号，取得角度值后通过序列Tx、Rx通讯模式传送给myRIO控制中心。

表9 Arduino Nano微控制器规格表

项 目	规 格
		模拟输入脚位数	8
模拟模拟输出脚位数(PWM)	6
		数位I/O 脚位数	22
工作电压	DC 5 V
		各I/O 脚位输出电流	40 mA
芯片核心频率	16 MHz
		功耗	19 mA
尺寸(L×W)	18 × 45 mm

载台母车包括母车底盘单元、母车控制系统、母车无线通讯模块、母车收集箱、子车停车板，并于车体上设置一目标定位板作为捡拾子车在自走捡拾时的方向导引，底盘后方放置母车收集箱收集捡拾子车上已成功捡拾的垃圾，载台母车设计如图 15所示。

本发明在载台母车的子车停车板两旁装设引导滚轮，引导捡拾子车完成上下车的动作。引导滚轮主要与捡拾子车的辅助挡板配合，当捡拾子车执行上下车动作，有路径歪斜的形况发生时，通过滚轮的滑动效果，使子车的辅助挡板 与引导滚轮的接触时形成一个辅助行走的轨道，帮助捡拾子车修正行走方向，顺利完成 上下车的动作。

载台母车需有较大的承重能力及扭力驱动，因此载台母车设计以两动力轮及两惰性轮的四轮行走模式，动力轮由直流马达带动，本发明所选用是的与捡拾子车采用的相同的直流马达，以 12V直流电瓶串联作为动力源。车体由铝挤所组成，设置的目标定位板大小为长 60cm、宽 42cm，利用斜板设计使捡拾子车能完成爬上载台母车的任务，另外在载台母车后半部设置垃圾母车收集箱，收集捡拾子车收集箱倾倒的垃圾，载台间配合的动作示意图如图16所示，其中动作示意为(a)捡拾子车行驶至载台母车上；(b)捡拾子车进行倾倒任务。

载台母车控制系统仍由嵌入式控制器（myRIO1900）为主体，完成切换工作行与导引捡拾子车的任务。载台母车主要通过无线通讯模块与捡拾子车配合，根据无线通讯模组的接收获得动作指令，依照动作规划控制行走马达转动，完成运送捡拾子车及导引捡拾子车捡拾方向的任务。

本发明仍选用的是XBee无线通讯模块，支持点对点和多点的传输。利用此无线通讯模块，建立与捡拾子车之间的沟通桥梁，使载台母车能协助导引捡拾子车的捡拾方向，并在子车结束该工作行的捡拾任务时运送捡拾子车至下个工作行完成切换工作行的任务。

载台母车以嵌入式控制器为控制中心，利用无线通讯模块与捡拾子车互相沟通协调，依照行驶策略输出PWM讯号控制马达转动，在捡拾区域内导引捡拾子车正确的行驶方向， 完成运送与导引捡拾子车的任务，整体电路配置如图17所示，母车接线图如图18所示。

载台母车的行走马达的驱动，主要选用和捡拾子车一样规格的马达驱动模块，通过两组致能逻辑讯号，将相对应的控制信号输入便能控制双回路马达输 出，主要接收由嵌入式控制器控制中心所输出的PWM轮速控制及马达正反转讯号。

无线通讯的工作主要是帮助机器人从独立个体作业进阶为联合作业，通过无线的通 讯让个体间之工作信息互相连结，使得复杂内容的工作因为合作而变得简单，因此本发明的无线通讯模块主要负责子车和母车之间的沟通与协调，解决多个工作行的切换以及子车在捡拾场地中自主行走的方向定位问题。

载台子母车配合流程示意图如图19所示，以完成一次导引及运送任务为完整的一次协作工作，循环此动作流程建立完整的自动化捡拾作业，以下为动作(1)至动作(8)的动作介绍:

① 自动化捡拾作业开始时，载台母车发送下车的动作指令；

② 捡拾子车接收指令后执行下车动作；

③ 捡拾子车发送第一次导引的动作指令；

④ 载台母车接收指令后移动至第一次导引之位置，等待捡拾子车进行作业；

⑤ 捡拾子车执行完第二次切换捡拾方向后，捡拾子车发送第二次导引的动作指令；

⑥ 载台母车接收指令后移动至第二次导引之位置，继续等待捡拾子车进行作业；

⑦ 捡拾子车完成该区域的捡拾任务并爬上母车，捡拾子车发送切换工作行的动作指令；

⑧ 接收到动作指令的载台母车会执行切换工作行的动作，将捡拾子车运送至下个工作行。

捡拾子车主要任务为捡拾工作区域内的垃圾并在捡拾完毕后爬上载台母车，通过载台母车的运送才能进行下个工作行，而为了能成功捡拾在捡拾区域内的所有垃圾，因此通过路径的规划使得捡拾子车行走范围涵盖所有的捡拾区域，利用摆放于捡拾场地中的场地定位板与载台母车上的目标定位板进行方向定位，使捡拾子车遵循两个固定的直线方向行走，并以切换三次行走方向的动作循环，完成整个捡拾区域的捡拾作业，路径示意图如图20所示。

捡拾子车程序主要以行走捡拾的程序区块与无线通讯模块的收发，两者配合完成路径行走的捡拾任务，流程图如图21所示，程序开始时捡拾子车会通过无线通讯模块接收载台母车的讯号，接收到下车指令后捡拾子车执行下车动作，捡拾子车完成下车动作后通过无线通讯模块发送第一次导引的讯号至母车，使母车移动至第一次导引的位置，接着捡拾子车开始执行远离母车方向的行走捡拾的程序，当捡拾子车通过载台母车的导引，完成面向载台母车方向的行走捡拾的程序后，捡拾子车通过无线通讯模块发送第二次导引的讯号至载台母车，使载台母车移动至第二次导引的位置，而发送完讯号的捡拾子车继续执行去程的行走捡拾的程序区块，直到完成该工作行的拾任务并行驶至靠近载台母车的目标定位板时，执行上车动作，完成该行整个捡拾区域的捡拾任务，最后再通过无线通讯模块发送上车完成的讯号，载台母车则运送子车至下个工作行，完成切换工作行的任务。

行走捡拾的程序区块主要包括垃圾定位、单个垃圾捡拾、多个垃圾捡拾三项子程序区块，行走捡拾流程图如图22所示，捡拾子车在进行两个方向的行走时，通过垃圾定位的程序，使捡拾子车搜寻路径上是否有垃圾，当垃圾定位的程序成功搜寻到有垃圾时，进入单个或多个的垃圾捡拾的程序区块，捡拾工作完成后会根据陀螺仪的角度信息来得知车体为偏左或偏右，当车体偏左时控制行走马达以固定角度进行原地右转，而当车体偏右时则控制行走马达以固定角度进行原地左转，使捡拾子车能修正车体位置并朝着前方的场地/目标定位板之方向继续捡拾，如垃圾定位的程序没有成功搜寻到垃圾时，则捡拾子车会依照前方场地/目标定位板的方向前进，直到捡拾子车靠近场地/目标定位板后结束该方向的行走捡拾任务。

本发明利用摄像装置于场地复杂背景中寻找并定位垃圾，而为了使视觉机器能成功通过色彩特征完成定位任务，将场地实际拍摄的垃圾图像输入至影像处理软件中进行垃圾的色彩特征分析，通过软件中的指令进行测量，在背景以及垃圾上随机处分别取得的相素点（10个在背景处与5个在垃圾处）的RGB数值，完成各相素点的测量工作后各数值相加后进行平均，如表10所示。

表10 垃圾图像中背景及垃圾取样点的平均RGB数值

	R	G	B
				垃圾	98	98	119.2
背景	170.8	168.9	164.9

以上述的影像处理方法进行本发明的垃圾定位任务，程序开始时首先开启俯视的摄像机撷取影像，接着提取(B-G)色彩空间以减少复杂背景中（道路所需小型非可移动物）等影响， 再将影像进行二值化、去除小对象、填补孔洞、膨胀、侵蚀的影像处理步骤后，找出垃圾的位置，最后取得垃圾中心坐标信息，完成垃圾定位工作，影像处理步骤流程图如图23所示。

单个垃圾捡拾程序的流程图如图24所示，程序开始时先开启俯视的摄像机作为定位依据，接着判断在撷取影像中的垃圾位置是否有偏移，当垃圾位置位于车体中心轴的左边时，控制行走马达以固定角度进行原地右转，而当垃圾位置位于车体中心轴的右边，则控制行走马达以固定角度进行原地左转，以此连续修正使车体中心轴对准垃圾，当修正完毕或一开始垃圾就没有偏移的情况下，系统会进入准备夹取的模式，这时会开启雷射测距仪测量车体与垃圾之间的距离，接着捡拾子车前进至垃圾进入夹取机构可夹取的距离内，即进行夹取动作完成捡拾，最后程序结束，回到行走捡拾流程。

多个垃圾捡拾流程图如图25所示，程序开始时开启俯视的摄像机作为定位依据，当撷取影像中垃圾数量大于一个时，会选择距离车体最近的一个作为锁定目标，接着判断在锁定的该个垃圾位置是否有偏移，当垃圾位置位于车体中心轴的左边时，控制行走马达以固定角度进行原地右转，而当垃圾位置位于车体中心轴的右边，则控制行走马达以固定角度进行原地左转，以此连续修正使车体中心轴对准垃圾，当修正完毕或一开始垃圾就没有偏移的情况下，系统会进入准备夹取的模式，这时会开启雷射测距仪测量车体与垃圾之间的距离，接着前进至垃圾进入夹取机构可夹取的距离内，即进行夹取动作完成捡拾，在捡拾结束后捡拾子车会先后退预先设定的至少10cm距离。最后程序结束，回到行走捡拾流程继续执行垃圾定位的子程序，此时通过在执行多个垃圾捡拾时后退的动作，使得未被成功捡拾的距离较远的垃圾会重新回到俯视的摄像机的取像范围内，通过此规划连续执行多个捡拾与单个捡拾的程序区块，完成垃圾捡拾任务。

载台母车主要任务为运送捡拾子车至捡拾区域进行捡拾任务，同时捡拾子车进行捡拾任务时需移动到指定的位置导捡拾引子车回程的捡拾方向校正，因此载台母车程序主要等待无线通讯模块接收到捡拾子车传送的动作指令后，依照行走控制的工作规划模式来控制行走轮，使载台母车抵达指定的位置完成运送及导引子车的任务。

载台母车行走示意图如图26所示，需要特别指出的一种工况是，现代化的公共道路、小区道路等为配合便捷化的服务，多是以固定距离的排列方式进行种植景观树木，因此这就为捡拾区域的测量就提供了相当便利的服务，可以依照这个已知的环境及距离，载台母车的行走控制以移动固定距离的方式进行控制，简化载台母车的行走控制流程，快速地移动至指定的位置，完成导引及切换工作行之任务。

载台母车行走控制程序主要与无线通讯模块收发的讯号配合，依照行走控制的规划控制行走轮，完成导引及运送任务，行走控制流程图如图27所示，程序开始时载台母车通过无线通讯模块发送下车的指令至捡拾子车，捡拾子车接收到后执行下车动作，此时载台母车会接收捡拾子车的讯号，当载台母车上的无线通讯模块接收到第一次导引的指令时，载台母车移动至第一次导引的位置，接着载台母车持续接收子车讯号，当无线通讯模块接收到第二次导引的指令时，载台母车移动至第二次导引的位置，在结束第二次导引后，载台母车继续等待接收子车讯号，此时捡拾子车会完成捡拾区域的行走捡拾任务，接着爬上载台母车并通过捡拾子车上的无线通讯模块发送切换工作行的指令，此时载台母车接收到切换工作行的指令，载台母车会将捡拾子车载至下个工作行的位置，完成运送任务，以此流程循环运作，直到载台母车接收到结束工作的动作指令即程序结束，合作式子母车载台以此动作流程完成多个工作行的捡拾任务，建立自动化捡拾操作系统。

本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种全自动道路垃圾捡拾机器人，所述的全自动道路垃圾捡拾机器人包括硬件机构和控制系统；其特征在于，

所述的硬件机构包括定位体、捡拾子车、载台母车；所述的捡拾子车寻找垃圾的位置并引导所述的捡拾子车对垃圾进行捡拾，并通过所述的定位体的配合完成捡拾区域的捡拾任务；所述的载台母车将完成单行捡拾任务的所述的捡拾子车载至下个工作行，使所述的捡拾子车能执行下行捡拾任务；

所述的控制系统包括无线通讯模块，所述的捡拾子车与所述的载台母车间利用所述的无线通讯模块互相沟通协调完成捡拾任务，其中，所述的载台母车根据无线通讯模块接收的动作指令，依据母车行走控制的规划完成引导及运送所述的捡拾子车，所述的捡拾子车通过无线通讯模块的收发讯号使所述的载台母车配合并引导所述的捡拾子车在捡拾区域内来回执行行走和捡拾任务；

所述的捡拾子车包括子车底盘单元、夹取机构、子车控制系统、子车无线通讯模块、子车感测系统、辅助挡板；

所述的子车底盘单元后方设置有一个放置垃圾的子车收集箱，所述的子车收集箱能够通过倾倒机构将垃圾倾倒至所述的载台母车，所述的倾倒机构包括两组单连杆，所述的单连杆能够将所述的子车收集箱抬升完成倾倒动作；

所述的夹取机构为多个伺服马达组成的六自由度机械手臂，所述的夹取机构执行夹取动作时，机械手臂运动至初始位置准备夹取，接着通过小臂、大臂与夹爪开合的联合运动使手臂抵达夹取位置进行夹取，再利用小臂及大臂的运动使机械手臂抬升至垃圾的高度，最后通过腰部和腕部旋转及夹爪开合完成垃圾夹取任务；

所述的子车控制系统包括嵌入式控制器；

所述的子车感测系统包括距离感测器、角度感测器、视觉机器，所述的距离感测器为雷射测距仪，所述的角度感测器为陀螺仪模组，所述的视觉机器包括前视摄像机和俯视摄像机，其中，捡拾子车执行行走捡拾任务，以俯视摄像机定位垃圾并利用雷射测距仪测量距离，引导子车修正位置并利用夹取机构完成捡拾，捡拾子车完成捡拾任务后，通过陀螺仪模组的角度信息进行初步修正方向的动作，修正完行驶方向后再以前视摄像机进行方向定位，定位前方定位体的中心位置，捡拾子车朝着定位体的位置继续行走并捡拾，并使用雷射测距仪量测量定位体的距离，直到子车抵达定位体，完成单向的行走捡拾任务；

所述的载台母车包括母车底盘单元、母车控制系统、母车无线通讯模块、母车收集箱、子车停车板；所述的子车停车板的两旁还装设引导滚轮，所述的引导滚轮能够与所述的捡拾子车的辅助挡板配合，引导所述的捡拾子车完成上下车的动作，所述的母车收集箱用于收集所述的子车收集箱倾倒的垃圾；

所述的定位体包括场地定位板和目标定位板，所述的场地定位板和所述的目标定位板的中部均设有彩色定位块，所述的场地定位板的正反两面还设有直角铁板，所述的目标定位板通过承载体架设于所述的母车底盘单元的一侧。

2.根据权利要求1所述的一种全自动道路垃圾捡拾机器人，其特征在于，所述的子车底盘单元下方配置有两个动力轮和一个惰性轮，所述的动力轮由直流行走马达带动。

3.根据权利要求1所述的一种全自动道路垃圾捡拾机器人，其特征在于，所述的夹取机构位于所述的子车底盘单元的前方。

4.根据权利要求1所述的一种全自动道路垃圾捡拾机器人，其特征在于，所述的子车控制系统位于所述的子车底盘单元的中间，所述的子车感测系统位于所述的子车底盘单元的最前端，所述的子车感测系统还包括若干个杆件组成的支架，所述的距离感测器、角度感测器、视觉机器设置在所述的支架上。

5.根据权利要求1所述的一种全自动道路垃圾捡拾机器人，其特征在于，所述的子车停车板位于所述的母车底盘单元的中部。

6.根据权利要求1所述的一种全自动道路垃圾捡拾机器人，其特征在于，所述的母车底盘单元下方配置有两个动力轮和两个惰性轮，所述的动力轮由直流马达带动；所述的母车收集箱位于所述的母车底盘单元的后方，所述的母车底盘单元的前方设有支座，所述的母车控制系统和所述的母车无线通讯模块设置在所述的支座上，所述的子车停车板上还设有斜板。

7.一种机器人的使用方法，所述的机器人为权利要求1-6中任意一项所述的全自动道路垃圾捡拾机器人，其特征在于，所述的捡拾子车的使用步骤如下：

A．捡拾操作开始时，捡拾子车会通过子车无线通讯模块接收载台母车发出的讯号，接收到下车指令后，捡拾子车执行下车动作；

B．捡拾子车完成下车动作后，通过子车无线通讯模块发送第一次导引讯号至载台母车，使母车移动至第一次导引的位置；

C．捡拾子车开始执行远离载台母车和面向载台母车两个方向的行走捡拾的动作，其中，捡拾子车行走捡拾的动作包括垃圾定位、单个垃圾捡拾、多个垃圾捡拾的子动作，捡拾子车在进行两个方向的行走时，通过垃圾定位的子动作，使捡拾子车搜寻路径上是否有垃圾，当垃圾定位的子动作成功搜寻到有垃圾时，进入单个或多个的垃圾捡拾的子动作，捡拾工作完成后会根据陀螺仪模组的角度信息来得知捡拾子车为偏左或偏右的状态，当车体偏左时控制行走马达以固定角度进行原地右转，而当车体偏右时则控制行走马达以固定角度进行原地左转，使捡拾子车能修正车体位置并朝着场地定位板或目标定位板的方向继续捡拾，如垃圾定位的动作没有成功搜寻到垃圾时，则捡拾子车会依照场地定位板或目标定位板的方向前进，直到捡拾子车靠近场地定位板或目标定位板后结束该方向的行走捡拾任务；

D．当捡拾子车通过载台母车的导引完成面向载台母车方向的行走捡拾的动作后，捡拾子车通过子车无线通讯模块发送第二次导引的讯号至载台母车，使载台母车移动至第二次导引的位置；

E．发送完讯号的捡拾子车继续执行远离载台母车方向的行走捡拾的动作，直到完成该工作行的捡拾任务并行驶至靠近载台母车的目标定位板时，执行上车动作，完成该工作行整个捡拾区域的捡拾任务；

F．再通过子车无线通讯模块发送上车完成的讯号，载台母车则运送捡拾子车至下个工作行，完成切换工作行的任务。

8.一种机器人的使用方法，所述的机器人为权利要求1-6中任意一项所述的全自动道路垃圾捡拾机器人，其特征在于，所述的载台母车的使用步骤如下：

A．捡拾操作开始时，载台母车通过母车无线通讯模块发送下车的指令至捡拾子车，捡拾子车接收到后执行下车动作；

B．捡拾子车完成下车动作后，载台母车会接收捡拾子车的讯号，当母车无线通讯模块接收到第一次导引的指令时，载台母车移动至第一次导引的位置；

C．接着载台母车持续接收捡拾子车讯号，当母车无线通讯模块接收到第二次导引的指令时，载台母车移动至第二次导引的位置；

D．在结束第二次导引后，载台母车继续等待接收捡拾子车讯号，此时捡拾子车会完成该工作行捡拾区域的行走捡拾任务；

E．捡拾子车爬上载台母车并通过子车无线通讯模块发送切换工作行的指令，此时载台母车接收到切 换工作行的指令，载台母车会将捡拾子车载至下个工作行的位置。

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