CN112124825A - 一种垃圾转运装备机械爪定位控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种垃圾转运装备机械爪定位控制系统，包括相互连接的定位单元和控制单元，在定位单元中，定位处理器从单目鱼眼相机采集的垃圾桶位置图像中获取垃圾桶的像素坐标，并根据垃圾桶的像素坐标以及单点超声波雷达测量的机械爪与垃圾桶之间的横向距离，得到垃圾桶的位置数据；在控制单元中，机械固连模块连接至机械爪，电液控制模块与定位处理器连接，电液控制模块用于控制定位处理器的启动或关闭；并根据垃圾桶和机械爪的位置数据，得到机械爪的纵向控制位移，结合实时检测的机械爪纵向位移量，以控制机械爪进行纵向移动。与现有技术相比，本发明能够准确获取垃圾桶的位置信息，并能对机械爪进行纵向位移精准控制，从而提高垃圾桶抓取效率。

Description

一种垃圾转运装备机械爪定位控制系统

技术领域

本发明涉及智能环卫车技术领域，尤其是涉及一种垃圾转运装备机械爪定位控制系统。

背景技术

应对城市中产生的大量生活垃圾和工业垃圾，目前我国主要采用集中焚烧、深埋地下或者是堆积成可用肥料等方法来进行垃圾处理，在处理垃圾之前，往往需要将城乡居民区、社区等地方的垃圾收集后再通过环卫车转运到垃圾中转站。

为保证垃圾的可靠收集，大部分的环卫车上会配置有垃圾桶自动装卸机构，这种环卫车被称之为自装卸式环卫车或挂桶式环卫车)，其具有以下缺点：一是需要人工配合将垃圾桶放置于挂桶支架上，才能够自动完成提升、倾倒和放下的功能，并且之后还需人工配合将垃圾桶取下放回原位；二是需要行车配合，驾驶员在停靠车辆时，需要人为自主判断车辆与垃圾桶之间在纵向和横向的距离均应处于一定范围内。由此可知，普通自装卸式环卫车的工作效率较低且较为费力。

中国专利CN110589312A提出一种环保型机器手作业设备，用于实现控制机器手将垃圾桶自动倾倒入车厢内。该结构虽然可以控制机械爪在车辆的纵向方向与横向方向上的移动，进而对垃圾桶实现抓取，但是垃圾桶的定位是通过摄像头的电子影像辅助、由操作人员实现视觉捕捉与图像采集，因此，垃圾桶的抓取效率并不能得到可靠提高。

中国专利CN110775491A提出一种智能挂桶式自装卸垃圾车，用于实现机械爪自动定位捕捉垃圾桶，并将垃圾桶自动倾倒入车厢内。其利用红外传感器和摄像头识别垃圾桶的三维位置，进而控制四个机械臂和一个机械爪，实现抓取、提升和翻转垃圾桶。但其存在以下一些缺点：一是摒弃了传统自装卸式环卫车上的提升翻转机构，代替为四个机械臂联结的结构方式，整体装备质量大，传动过程能量损失大，因此成本较高，且可靠性和安全性均存在很大问题；二是采用了在四个机械臂上装GPS定位器的方式，控制器根据GPS定位器所获得的位置信息分别控制四个机械臂，不仅控制方式复杂，而且GPS定位器定位精度达不到厘米级别，因此存在控制精度不够的严重问题，此外，定位器价格昂贵，也会导致整体装备成本的增加；三是其在机械爪上安装有一个摄像头和一个红外传感器，利用红外传感器检测垃圾桶与机械爪的横向距离、摄像头采集垃圾桶图像，控制器根据摄像头所获取的图像识别垃圾桶，并根据识别结果确定垃圾桶的位置，虽然红外传感器能精确地定位垃圾桶的横向位置，但是在定位垃圾桶的纵向位置上，仅一个平视摄像头用于目标检测，其检测精度低，若机械爪工作时有多个垃圾桶并排紧挨在一起时，将需要更高的纵向位置定位精度。

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缺陷而提供一种垃圾转运装备机械爪定位控制系统，以对机械爪的纵向位置进行精准定位及控制，提高垃圾桶抓取效率，同时降低装备成本。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种垃圾转运装备机械爪定位控制系统，包括相互连接的定位单元和控制单元，所述定位单元包括分别与定位处理器连接的单目鱼眼相机和单点超声波雷达，所述单目鱼眼相机用于检测垃圾桶位置图像，所述单点超声波雷达用于实时测量机械爪与垃圾桶之间的横向距离，所述定位处理器从垃圾桶位置图像中获取垃圾桶的像素坐标，并根据垃圾桶的像素坐标以及机械爪与垃圾桶之间的横向距离，得到垃圾桶的纵向位置数据和横向位置数据；

所述控制单元包括相互连接的电液控制模块和机械固连模块，所述机械固连模块连接至机械爪，所述电液控制模块还与定位处理器连接，所述电液控制模块用于输出启动或关闭信号给定位处理器；

用于实时检测机械爪的纵向位移量；

并根据垃圾桶的纵向位置数据以及机械爪自身的位置数据，得到机械爪的纵向控制位移，以控制机械爪进行纵向移动。

进一步地，所述电液控制模块包括纵向调整液压缸以及与PLC控制器连接的位移检测装置，所述PLC控制器与定位处理器连接，所述纵向调整液压缸依次连接有比例方向阀和齿轮泵，所述比例方向阀与PLC控制器连接，所述齿轮泵连接至环卫车的发动机，所述PLC控制器用于输出启动或关闭信号给定位处理器；

根据垃圾桶的纵向位置数据以及机械爪自身的位置数据，得到机械爪的纵向控制位移，以此控制比例方向阀的开启、控制纵向调整液压缸的活塞杆位移；

结合位移检测装置检测的机械爪纵向位移量以及机械爪的纵向控制位移，若机械爪纵向位移量等于纵向控制位移，则控制比例方向阀关闭。

进一步地，所述机械固连模块包括背板、液压缸安装架和前支架，所述背板与侧装提升机构相连接，所述液压缸安装架固定焊接在背板的底部，所述液压缸安装架用于安装纵向调整液压缸，所述背板上设置有导轨，所述前支架可纵向移动地安装在导轨上，所述前支架与机械爪连接，所述前支架与纵向调整液压缸的活塞杆头连接。

进一步地，所述机械爪包括左弧形爪、右弧形爪、齿条轴、双作用液压缸和前端盖板，所述双作用液压缸用于驱动左、右弧形爪发生转动，所述前端盖板与前支架之间形成用于容纳双作用液压缸的空间，所述左、右弧形爪与前端盖板之间分别连接有左弹性带和右弹性带。

进一步地，所述左、右弧形爪通过外六角螺栓固定安装在前支架上，所述纵向调整液压缸的活塞杆通过螺栓和螺母与前支架连接。

进一步地，所述导轨上套设有无油轴承座，所述前支架与无油轴承座固定连接。

进一步地，所述背板通过链传动销连接至提升机构的链条的某一链节上，所述背板还通过T型槽轮与提升机构的提升导轨组成接触副，当侧装提升机构提升时，将带动背板沿提升导轨提升。

进一步地，所述前支架的底部设置有铁盒，所述单目鱼眼相机和单点超声波雷达均安装在铁盒内，所述单目鱼眼相机的镜头平视于垃圾桶。

进一步地，所述位移检测装置包括同步带轮、同步带以及增量式旋转编码器，所述同步带轮和同步带用于将纵向调整液压缸的活塞杆直线位移换为同步带轮的旋转角，所述增量式旋转编码器用于将同步带轮的旋转角转换为对应的位移量，即为机械爪纵向位移量。

进一步地，定位处理器内部集成有CAN卡，所述定位处理器通过CAN卡将垃圾桶的纵向位置数据传输给电液控制模块，以及接收来自电液控制模块的启动或关闭信号。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明结合现有的垃圾转运设备机械爪，通过设置定位单元和控制单元，利用定位单元获取待抓取垃圾桶的精准纵向位置，利用控制单元对机械爪的纵向位移进行精准控制，其中，定位单元采用单目鱼眼相机和单点超声波雷达，结合定位处理器，能够精确地获取垃圾桶的位置数据，且成本低廉，控制单元包括电液控制模块和机械固连模块，电液控制模块采用位移检测装置、PLC控制器以及纵向调整液压缸，能够精准控制纵向调整液压缸的活塞杆位移，机械固连模块通过设置在导轨上可纵向移动的前支架，并利用前支架与纵向调整液压缸的活塞杆头连接、利用前支架作为左右弧形爪的基座，使得左右弧形爪能够随纵向调整液压缸活塞杆的运动而发生纵向移动，保证了机械爪纵向位移控制的可靠性。

二、本发明采用同步带、同步带轮结合增量式旋转编码器的方式构建位移检测装置，通过将纵向调整液压缸活塞杆的纵向线位移转换为同步带轮的旋转角，再利用增量式旋转编码器将旋转角转化为对应的位移量，以此实现间接测量机械爪纵向位移量的目的，相比于传统直接测量线位移的方式，能够有效降低设备成本，同时能够提高对于机械爪纵向位移量的测量精度，从而保证机械爪纵向位移控制的精准性。

三、本发明控制单元中电液控制模块采用位移检测装置结合PLC控制器控制比例方向阀的方式，PLC控制器控制与纵向位置调整液压缸连接的比例方向阀打开，以控制活塞杆位移，直至位移检测装置反馈的信号值达到了所需纵向控制位移，再关闭比例阀，以此形成闭环控制回路，使得机械爪能够快速、准确地进行纵向位移、到达定位单元设定的纵向位置处，从而提高垃圾桶的抓取效率。

附图说明

图1为本发明的主视结构示意图；

图2为本发明的侧视结构示意图；

图3为本发明的俯视结构示意图；

图4为本发明的立体结构示意图；

图5为本发明中位移检测装置的原理示意图；

图6为本发明的工作流程示意图；

图中标记说明：1、左弧形爪，2、背板，3、前支架，4、前端盖板，5、双作用液压缸，6、导轨，7、右弧形爪，8、液压缸安装架，9、纵向调整液压缸，10、齿条轴，11、左弹性带，12、右弹性带，13、外六角螺栓，14、铁盒。

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。

实施例

如图1～图4所示，一种垃圾转运装备机械爪定位控制系统，包括定位单元和控制单元，定位单元由单目鱼眼相机、单点超声波雷达和定位处理器构成，单目鱼眼相机和单点超声波雷达均安装于前支架3下方的固连铁盒14内，单目鱼眼相机平视垃圾桶，以采集待夹取垃圾桶的位置图像，单点超声波雷达用于实时测量机械爪与待夹取垃圾桶之间的横向距离，利用定位处理器将该横向距离与位置图像中的像素坐标进行信息融合，可获取精确的垃圾桶纵向位置数据和横向位置数据，具体的，定位处理器内部设有深度学习目标检测网络架构，可实时处理单目鱼眼相机采集的垃圾桶位置图像，以获得待夹取垃圾桶在图像中的像素坐标，并可同时用于位置图像和单点超声波雷达输出数据的信息融合，定位处理器内部还集成有CAN卡，通过CAN卡发送垃圾桶的纵向位置数据给控制单元，或接收控制单元的CAN线控制信号(启动或关闭)；

控制单元由电液控制模块和机械固连模块组成，其中，电液控制模块由位移检测装置、PLC控制器、比例方向阀、纵向调整液压缸9和齿轮泵组成，机械固连模块则由背板2、液压缸安装架8和前支架3组成，纵向调整液压缸9的液压油缸体部分通过内六角圆柱头螺钉和六角锁紧螺母固结在液压缸安装架8上，液压杆头通过M16螺栓、螺母与前支架3相连；

电液控制模块的工作原理是，PLC控制器控制与纵向调整液压缸9连接的比例方向阀打开，以控制活塞杆位移，直至位移检测装置反馈的活塞杆位移信号值达到了所需纵向控制位移，关闭比例阀，以此实现机械爪纵向位置的精确控制，如图5所示，位移检测装置采用一套线位移转角位移的装置并配套一个增量式旋转编码器来测量对应的位移量，测定的是活塞杆的位移(即机械爪纵向方向位移量)，利用同步带和同步带轮将直线位移转换为带轮的旋转，然后利用增量式旋转编码器将转角量转换为位移量，此种测位移的方法相对于市面上常用的磁致伸缩式位移检测装置和拉线式(拉杆式)位移检测装置，能够显著降低成本，且测量精度可达到毫米级，满足功能要求；

机械固连模块的作用是将电液控制模块与需要纵向控制的机械爪相连接，保证机械爪能沿现有提升机构的提升导轨升降时也能在纵向方向移动，在机械固连模块中，背板2为钢材料结构，部分受力较小的区域以矩形形状被镂空，用作纵向位置调整装置的基座，其负责连接导轨6和侧装提升机构，这三者互相固连，背板2通过链传动销固连在提升机构的链条的某一链节上，同时，背板2通过T型槽轮与提升机构的提升导轨组成接触副，当侧装提升机构提升时，将带动背板2沿提升导轨提升；

液压缸安装架8选用钢材料结构，在中间受力较小的区域采用镂空形式以减小部件质量，其负责连接纵向调整液压缸9和背板2，液压缸安装架8通过焊接固结在背板2上；

前支架3同样选用钢材料结构，用作机械爪的基座，其负责与纵向位置调整液压缸9的活塞杆头和无油轴承座连接，前支架3与无油轴承座之间为固连，无油轴承座套设在导轨6上，从而可以在导轨6上自由纵向滑动，机械爪主要包括双作用液压缸5、齿条轴10、与齿轮为一体的左弧形抓1、右弧形爪7以及前端盖板4，左右弧形爪1和7分别通过外六角螺栓13固定在前支架3上，另外，左、右弧形爪1、7和前端盖板4之间分别连接左右弹性带11、12，用以改善机械爪与垃圾桶壁面间的接触性能，由此，无油轴承座、前支架3、活塞杆头相互固连，导轨6、提升机构、背板2、液压缸安装架8相互固连，这两部分通过无油轴承座在导轨6上形成移动约束副连接。

将本发明应用于实际，其具体的工作流程如图6所示：

驾驶员将环卫车停靠在垃圾桶附近时，驾驶员按下启动按钮，智能垃圾转运装备的定位处理器开始工作，检测出垃圾桶纵向位置信号后，将信号传输至PLC控制器，PLC控制器计算并储存机械爪所需纵向控制位移量，进而控制比例方向阀打开，以控制纵向调整液压缸活塞杆位移，直至位移检测装置反馈的活塞杆位移信号值达到了所需纵向控制位移量，关闭比例方向阀，以此完成对机械爪纵向位置的精确控制。

综上所述，本发明利用定位单元识别垃圾桶位置信息，由控制单元通过实时测量机械爪纵向位移，并结合垃圾桶位置信息，得到精准的机械爪纵向控制位移量，以对机械爪进行纵向位移控制，使得垃圾转运装备机械爪能够自动准确抓取垃圾桶，提高抓取效率。具体的，本发明提出的前支架与机械爪之间连接的结构紧凑，两者通过无油轴承座在导轨上形成移动约束副相连，可轻易实现机械爪的纵向位移，且能充分利用侧装提升机构，保证对垃圾桶全自动装卸，整体转运装备也具有质量轻、安全可靠、节能环保和成本低廉的特点；

本发明中提出用“1个单目相机+1个单点超声波雷达”的布置方案，可以冗余检测垃圾桶的纵向位置，进而提高垃圾桶纵向位置的定位精度，且定位方案成本低廉；

本发明中提出用“旋转编码器+一套线位移转角位移装置”作为位移检测装置，来实时地、间接地测量机械爪纵向方向位移量，比直接测量线位移的方案在成本上更经济，且测量精度也高于GPS定位器，可以提高机械爪纵向位置的测量精度；

本发明中提出用“PLC控制器+比例方向阀+位移检测装置”的闭环控制系统，可以提高机械爪纵向位置的控制精度，使得机械爪能够快速精确地到达定位单元设定的机械爪纵向位置。

Claims (10)

1.一种垃圾转运装备机械爪定位控制系统，其特征在于，包括相互连接的定位单元和控制单元，所述定位单元包括分别与定位处理器连接的单目鱼眼相机和单点超声波雷达，所述单目鱼眼相机用于检测垃圾桶位置图像，所述单点超声波雷达用于实时测量机械爪与垃圾桶之间的横向距离，所述定位处理器从垃圾桶位置图像中获取垃圾桶的像素坐标，并根据垃圾桶的像素坐标以及机械爪与垃圾桶之间的横向距离，得到垃圾桶的纵向位置数据和横向位置数据；

所述控制单元包括相互连接的电液控制模块和机械固连模块，所述机械固连模块连接至机械爪，所述电液控制模块还与定位处理器连接，所述电液控制模块用于输出启动或关闭信号给定位处理器；

用于实时检测机械爪的纵向位移量；

并根据垃圾桶的纵向位置数据以及机械爪自身的位置数据，得到机械爪的纵向控制位移，以控制机械爪进行纵向移动。

2.根据权利要求1所述的一种垃圾转运装备机械爪定位控制系统，其特征在于，所述电液控制模块包括纵向调整液压缸(9)以及与PLC控制器连接的位移检测装置，所述PLC控制器与定位处理器连接，所述纵向调整液压缸(9)依次连接有比例方向阀和齿轮泵，所述比例方向阀与PLC控制器连接，所述齿轮泵连接至环卫车的发动机，所述PLC控制器用于输出启动或关闭信号给定位处理器；

根据垃圾桶的纵向位置数据以及机械爪自身的位置数据，得到机械爪的纵向控制位移，以此控制比例方向阀的开启、控制纵向调整液压缸(9)的活塞杆位移；

结合位移检测装置检测的机械爪纵向位移量以及机械爪的纵向控制位移，若机械爪纵向位移量等于纵向控制位移，则控制比例方向阀关闭。

3.根据权利要求1所述的一种垃圾转运装备机械爪定位控制系统，其特征在于，所述机械固连模块包括背板(2)、液压缸安装架(8)和前支架(3)，所述背板(2)与侧装提升机构相连接，所述液压缸安装架(8)固定焊接在背板(2)的底部，所述液压缸安装架(8)用于安装纵向调整液压缸(9)，所述背板(2)上设置有导轨(6)，所述前支架(3)可纵向移动地安装在导轨(6)上，所述前支架(3)与机械爪连接，所述前支架(3)与纵向调整液压缸(9)的活塞杆头连接。

4.根据权利要求3所述的一种垃圾转运装备机械爪定位控制系统，其特征在于，所述机械爪包括左弧形爪(1)、右弧形爪(7)、齿条轴(10)、双作用液压缸(5)和前端盖板(4)，所述双作用液压缸(5)用于驱动左、右弧形爪(7)发生转动，所述前端盖板(4)与前支架(3)之间形成用于容纳双作用液压缸(5)的空间，所述左、右弧形爪(7)与前端盖板(4)之间分别连接有左弹性带(11)和右弹性带(12)。

5.根据权利要求4所述的一种垃圾转运装备机械爪定位控制系统，其特征在于，所述左、右弧形爪(7)通过外六角螺栓(13)固定安装在前支架(3)上，所述纵向调整液压缸(9)的活塞杆通过螺栓和螺母与前支架(3)连接。

6.根据权利要求3所述的一种垃圾转运装备机械爪定位控制系统，其特征在于，所述导轨(6)上套设有无油轴承座，所述前支架(3)与无油轴承座固定连接。

7.根据权利要求3所述的一种垃圾转运装备机械爪定位控制系统，其特征在于，所述背板(2)通过链传动销连接至提升机构的链条的某一链节上，所述背板(2)还通过T型槽轮与提升机构的提升导轨组成接触副，当侧装提升机构提升时，将带动背板(2)沿提升导轨提升。

8.根据权利要求3所述的一种垃圾转运装备机械爪定位控制系统，其特征在于，所述前支架(3)的底部设置有铁盒(14)，所述单目鱼眼相机和单点超声波雷达均安装在铁盒(14)内，所述单目鱼眼相机的镜头平视于垃圾桶。

9.根据权利要求2所述的一种垃圾转运装备机械爪定位控制系统，其特征在于，所述位移检测装置包括同步带轮、同步带以及增量式旋转编码器，所述同步带轮和同步带用于将纵向调整液压缸(9)的活塞杆直线位移换为同步带轮的旋转角，所述增量式旋转编码器用于将同步带轮的旋转角转换为对应的位移量，即为机械爪纵向位移量。

10.根据权利要求2所述的一种垃圾转运装备机械爪定位控制系统，其特征在于，定位处理器内部集成有CAN卡，所述定位处理器通过CAN卡将垃圾桶的纵向位置数据传输给电液控制模块，以及接收来自电液控制模块的启动或关闭信号。

Images