CN111689099A

CN111689099A - 一种基于ros的商务楼垃圾回收机器人

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Publication number: CN111689099A
Application number: CN202010575375.6A
Authority: CN
Inventors: 吴清; 唐源泽; 周昊; 李伟; 林文皓
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2020-06-22
Filing date: 2020-06-22
Publication date: 2020-09-22

Abstract

本发明涉及一种基于ROS的商务楼垃圾回收机器人，包括移动底座和垃圾回收桶，移动底座外壁的四周设有导向轮，垃圾回收桶设有用于识别电梯显示的楼层数字的摄像头，移动底座的内腔设有驱动电机、驱动板、雷达和控制器，垃圾回收桶分为四个大小相同的回收子桶，回收子桶间设有分隔板，垃圾回收桶的顶端设有用于按电梯按钮的固定底座和电机，固定底座设有内螺纹筒壁，内螺纹筒壁设有外螺纹圆柱，外螺纹圆柱通过传动键及螺纹啮合沿着内螺纹筒壁的轨道进行单一自由度的伸缩运动，通过卷积神经网络实现数字识别、ROS机器人框架下gmapping slam算法实现导航、惯性测量单元完成自我状态感知。与现有技术相比，本发明具有避免误触、自主乘坐电梯高效回收垃圾等优点。

Description

一种基于ROS的商务楼垃圾回收机器人

技术领域

本发明涉及垃圾分类回收领域、图像处理领域和自主导航领域，尤其是涉及一种基于ROS的商务楼垃圾回收机器人。

背景技术

在垃圾分类思想广泛传播的今天，人们正在尝试利用科技手段为此出一份力。相比于分类问题，垃圾的回收工作并没有得到相当的重视，例如在商务楼或大型商场的各个楼层单独设有垃圾桶，需要安排人工到每个楼层每个地点进行回收，回收垃圾工作的重复率高，需要花费清洁人员较大的人力，并且需要对多个楼层的垃圾进行集中并运送至垃圾回收站，再次增加了清洁人员的工作量。

现有技术公开了一种工业级自主回收垃圾废料智能机器人，通过视觉追踪摄像头识别垃圾废料并进行分类，使用六轴抓取机械臂将分类完成的垃圾废料抓取放置到垃圾废料回收仓中，但由于机械臂的操作幅度较大，在商务楼中进行使用容易与周围的行人或物品发生碰撞，且电梯按钮设置的区域密度较大，通过机械臂去触碰相应楼层的按钮的过程存在较大误差，易触碰到相邻的电梯按钮，不适用于人流较密集的地方。

且现有技术中，并未有明确的用于商务楼自主垃圾回收的方案和完善地机器人自主乘坐电梯方案。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的重复的垃圾回收工作耗费大量人力、机械臂动作幅度大且精度低、自主乘坐电梯方案不够完善的缺陷而提供一种基于ROS的商务楼垃圾回收机器人。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于ROS的商务楼垃圾回收机器人，包括机器人本体，所述机器人本体包括移动底座和设于移动底座上的垃圾回收桶，所述移动底座外壁的四周设有导向轮，所述垃圾回收桶上设有摄像头，所述移动底座的内腔里设有驱动电机、驱动板、雷达和控制器，所述驱动电机、驱动板和雷达分别与控制器连接，所述驱动电机与驱动板连接，所所述垃圾回收桶被分为多个大小相同的回收子桶，所述回收子桶之间设有分隔板，所述垃圾回收桶的顶端外沿设有用于按电梯按钮的固定底座和电机，所述固定底座内设有滚动轴承，所述滚动轴承内嵌有中空的内螺纹筒壁，所述内螺纹筒壁内设有外螺纹圆柱，所述外螺纹圆柱通过设于其内部的传动键及导轨，沿着内螺纹筒壁的轨道进行单一自由度的伸缩运动。

所述垃圾回收桶的桶壁上与固定底座对称的位置上设有加厚壁块，与外螺纹圆柱伸缩产生的力矩进行平衡。

所述导向轮的具体为麦克纳姆轮，数量为4个，使移动底座进行全向移动。

所述控制器内设有超声测距模块、导航模块和数字识别模块。

进一步地，所述避障模块通过控制器上的树莓派与控制终端进行无线连接，融合2D激光雷达、里程计和惯性测量单元获取到的移动底座的位姿信息，建立2D栅格地图并规划目标路径，实现移动底座的自主导航与避障。

避障导航模块设有相应的配置文件，所述配置文件的内容包括最大行进速度、机器人半径和障碍物半径。

进一步地，所述数字识别模块中设有卷积神经网络，所述卷积神经网络包括依次连接的2组卷积层和最大池化层、全连接层和softmax输出层，所述摄像头拍摄的图像输入进卷积神经网络之前先进行预处理降低噪音干扰，所述预处理包括依次进行的灰度处理、边缘检测和膨胀操作。

所述垃圾回收桶上还设有扬声器、振动传感器和惯性测量单元，通过所述扬声器播放相应指令，与电梯内的乘客进行交互，所述振动传感器检测是否发生碰撞，若发生碰撞则重新生成目标路径并向终端发送警告，所述惯性测量单元可检测垃圾桶z轴倾角，若发生倾倒则向终端发送警告并停止本次导航工作，所述惯性测量单元还可监测z轴方向的加速度，即电梯的运动状态并将信息反馈给终端。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明的外螺纹圆柱通过传动键，沿着内螺纹筒壁的轨道进行单一自由度的伸缩运动，可以准确地朝指定位置移动，与机械臂相比减少了误触其他楼层按钮的风险，操作更为简便，具有较高的稳定性。同时，可装载不同高度的螺杆装置，适配性高。

2.本发明在垃圾回收完成后，通过目标路径移动至电梯前，搭乘电梯前往垃圾集中点转送垃圾，相较于人工回收具有更高的回收效率，提高了垃圾回收的工作效率，同时减少了清洁人员的工作量。

3.本发明结合slam导航和数字识别技术，实现了一个完善的自主乘坐电梯上下楼方案，不会在非目标楼层因电梯门的开闭影响工作，可以准确到达指定楼层。同时也考虑到了乘坐电梯所需的人机交互性。

4.本发明在传统垃圾桶上进行改装，外形简单，不影响用户原有的使用习惯，同时适合批量生产。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明各部件的结构示意图；

图3为本发明榫卯连接的结构示意图；

图4为本发明进出电梯的工作流程示意图；

图5为本发明导航模块的信息结构图；

图6为本发明数字识别模块的卷积神经网络的结构示意图。

附图标记：

1-电机；2-滚动轴承；3-内螺纹筒壁；4-外螺纹圆柱；5-固定底座；6-垃圾回收桶；7-移动底座；8-垃圾回收桶的桶壁；9-导向轮；10-移动底座外壁；11-加厚壁块；12-把手；13-分隔板；14-传动键及导轨；15-固定柱；16-回收子桶。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种基于ROS的商务楼垃圾回收机器人，伸缩过程具有较高的稳定性，避免误触，包括机器人本体，机器人本体包括移动底座7和设于移动底座7上的垃圾回收桶6，移动底座外壁10的四周设有导向轮9，垃圾回收桶6上设有用于识别电梯显示的楼层数字的摄像头，移动底座7的内腔里设有驱动电机、驱动板、雷达和控制器，驱动电机、驱动板和雷达分别与控制器连接，驱动电机与驱动板连接，其特征在于，垃圾回收桶6被分为多个大小相同的回收子桶16，回收子桶16之间设有分隔板13，分隔板13通过固定柱15固定在垃圾回收桶的桶壁8上，如图2(d)所示为机器人本体的俯视图，回收子桶16的外壁上设有把手12，如图2(a)所示为机器人本体的侧视图，垃圾回收桶6的顶端外沿设有用于按电梯按钮的固定底座5和电机1，固定底座5内设有滚动轴承2，如图2(b)所示为固定底座5的放大图，滚动轴承2内嵌有中空的内螺纹筒壁3，内螺纹筒壁3内设有外螺纹圆柱4，如图2(e)所示为传动结构的放大图，外螺纹圆柱4通过设于其内部的传动键及导轨14，沿着内螺纹筒壁3的轨道进行单一自由度的伸缩运动。

回收子桶16的数量为4个，每个回收子桶16的夹角为90度。

如图2(c)所示为机器人本体的后视图，垃圾回收桶的桶壁8上与固定底座5对称的位置上设有加厚壁块11，与外螺纹圆柱4伸缩产生的力矩进行平衡。

导向轮9的具体为麦克纳姆轮，数量为4个，使移动底座7进行全向移动。

控制器内设有超声测距模块、导航避障模块和数字识别模块。

如图4所示，机器人本体进入电梯时，先通过外螺纹圆柱4伸长来触碰按钮，超声波测距模块检测前方距离，当电梯门打开，前方距离增大，则移动底座7带动机器人本体前进进入电梯；按下1楼的楼层按钮后通过数字识别模块识别七段数码管显示的电梯楼层数字，在显示1楼后，机器人切换到当前楼层的地图，同时开始检测前方距离，当距离增大，即门打开，控制移动底座7带动机器人本体离开电梯。

如图5所示，导航避障模块通过设于控制器上的树莓派装置与控制终端利用商务楼内网穿透远程无线连接，树莓派使用Ubuntu16.04系统、ROS kinetic版本，使用solidworks软件绘制的垃圾桶模型并保存为URDF机器人模型文件，在ROS中调用此机器人模型。控制终端通过激光雷达获取移动底座7的实时信息并使用gmapping算法建立2D栅格地图，并将建立好的2D栅格地图用于amcl定位和move_base移动导航，激光雷达为RPLIDARA1，采用三角测距技术，测量半径12米。避障模块设有相应的配置文件，配置文件的内容包括最大行进速度、机器人半径和障碍物半径等，考虑到大多数电梯的尺寸，其中障碍物半径设置为0.3米时，既能保证机器人本体顺利进入电梯这一相对狭小空间，又可尽量提高与障碍物的安全距离。控制终端设置好目标点后将速度指令传给arduino进行PID电机控制，并通过编码器获取电机转速传回终端进行运算，得到速度、加速度、路程和相对坐标，进行本地和全局的路径规划。由此实现垃圾回收桶6导航至指定地点并能自主避开途中移动或静止的障碍物。

控制终端上设有图形界面，相关工作人员通过图形界面实时监控和远程控制机器人本体的工作。

如图6所示，数字识别模块中设有卷积神经网络，卷积神经网络包括依次连接的2组卷积层和最大池化层、全连接层和softmax输出层，摄像头拍摄的图像输入进卷积神经网络之前先进行预处理降低噪音干扰，预处理包括依次进行的灰度处理、边缘检测和膨胀操作。

垃圾回收桶6上还设有扬声器、振动传感器和惯性测量单元，垃圾回收桶6通过扬声器发送询问电梯乘客机器人本体是否可以入内的语音，若乘客按下垃圾回收桶6上的拒绝按钮，机器人本体当次将不进入电梯，等待下次电梯门打开；振动传感器检测是否发生碰撞，若发送碰撞则重新生成目标路径，移动底座7根据重新生成的目标路径进行移动。惯性测量单元检测垃圾桶z轴倾角，若发生倾倒则向终端发送警告并停止本次导航工作。机器人本体与控制终端的连接断开后原地等待，并发出报警提示。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于ROS的商务楼垃圾回收机器人，包括机器人本体，所述机器人本体包括移动底座(7)和设于移动底座(7)上的垃圾回收桶(6)，所述垃圾回收桶(6)上设有用于识别电梯显示的楼层数字的摄像头，所述移动底座(7)的内腔里设有驱动电机、驱动板、雷达和控制器，所述驱动电机、驱动板和雷达分别与控制器连接，所述驱动电机与驱动板连接，其特征在于，所述垃圾回收桶(6)被分为多个大小相同的回收子桶(16)，所述回收子桶(16)之间设有分隔板(13)，所述分隔板(13)通过固定柱(15)固定在垃圾回收桶的桶壁(8)上，回收子桶(16)的外壁上设有把手(12)，所述垃圾回收桶(6)的顶端外沿设有固定底座(5)和电机(1)，所述固定底座(5)内设有滚动轴承(2)，所述滚动轴承(2)内嵌有中空的内螺纹筒壁(3)，所述内螺纹筒壁(3)内设有外螺纹圆柱(4)，所述外螺纹圆柱(4)通过设于其内部的传动键及导轨(14)，沿着内螺纹筒壁(3)的轨道进行单一自由度的伸缩运动。

2.根据权利要求1所述的一种基于ROS的商务楼垃圾回收机器人，其特征在于，所述回收子桶(16)的数量为4个，每个回收子桶(16)的夹角为90度。

3.根据权利要求1所述的一种基于ROS的商务楼垃圾回收机器人，其特征在于，所述固定柱(15)以3个为一组，位于所述分隔板(3)的外圈，每组固定柱(15)之间的夹角为90度，所述垃圾回收桶(6)的中心还设有一根固定柱(15)。

4.根据权利要求1所述的一种基于ROS的商务楼垃圾回收机器人，其特征在于，所述控制器内设有超声测距模块、导航模块和数字识别模块。

5.根据权利要求4所述的一种基于ROS的商务楼垃圾回收机器人，其特征在于，所述避障模块通过控制器上的树莓派与控制终端进行无线连接，融合2D激光雷达、里程计和惯性测量单元获取到的移动底座(7)的位姿信息，建立2D栅格地图并规划目标路径，实现移动底座(7)的自主导航与避障。

6.根据权利要求4所述的一种基于ROS的商务楼垃圾回收机器人，其特征在于，所述数字识别模块中使用卷积神经网络，所述卷积神经网络包括依次连接的2组卷积层和最大池化层、全连接层和softmax输出层，所述摄像头拍摄的图像输入进卷积神经网络之前先进行预处理降低噪音干扰，所述预处理包括依次进行的灰度处理、边缘检测和膨胀操作。

7.根据权利要求4所述的一种基于ROS的商务楼垃圾回收机器人，其特征在于，借助图像处理自主识别楼层数字，与slam导航技术结合实现自主乘坐电梯上下楼。

8.根据权利要求1所述的一种基于ROS的商务楼垃圾回收机器人，其特征在于，所述垃圾回收桶(6)上还设有用于确认电梯门是否打开的超声波测距模块、用于人机交互的麦克风、用于检测碰撞的振动传感器和用于检测倾倒和电梯运行状态的惯性测量单元。