CN112209059A - 一种应用于垃圾捡拾无人机的复合型垃圾抓取收集装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于垃圾捡拾无人机的复合型垃圾抓取收集装置及其方法，属于垃圾抓取及收集技术领域。包括控制盒、机械臂组件、复合型机械爪组件、垃圾收集装置。控制盒固定于固定平板上，垃圾仓和固定平板之间通过两根支撑柱相连，为确保稳定性，垃圾仓上下表面与固定平板平行，通过导向轴使得开合板能完成张开‑闭合运动；机械臂组件固定于固定平板中心；复合型机械爪组件固定于机械臂组件下方，刚性机械爪与气泵吸盘呈垂直分布，能够实现灵活切换，能抓取不同形状的垃圾，抓取效率更高。该装置可安装在无人机上，配合摄像头识别不同种类的垃圾，刚性机械爪和气泵吸盘灵活转变，从而达到快速准确抓取垃圾并收集的目的。

Description

一种应用于垃圾捡拾无人机的复合型垃圾抓取收集装置及其 方法
技术领域
本发明涉及垃圾抓取及收集技术领域，具体为一种应用于垃圾捡拾无人机的复合型垃圾抓取收集装置及其方法。
背景技术
近年来，我国旅游业快速发展，而随之带来的是更多的景区垃圾，垃圾种类繁多，形状各异，单纯的靠人力清理，不仅耗费时间长，效率低，而且有时碰到尖锐制品，还会对人身安全产生威胁。若这些垃圾存在于景区的高坡上、山崖上等等，清理便变得更加困难。
目前，存在一些垃圾捡拾无人机的设计，其利用无人机的灵活性，采用高清摄像头识别，配合垃圾抓取收集装置将垃圾收集到垃圾仓内。但是现有的垃圾抓取收集装置对垃圾的形状有很高的要求，不适应于景区、山崖上等各种形状的垃圾拾取工作，使得垃圾捡拾的效果不理想。
因此，能设计出一种能抓取各种形状的垃圾，并且具有多自由度、能适应各种环境的装置，就显得非常有必要性。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种应用于垃圾捡拾无人机的复合型垃圾抓取收集装置及其方法，以解决上述背景技术中存在的现有机械爪抓取垃圾局限性较大以及人力清理景区高危垃圾较为困难的问题，本发明与无人机配合，亦能大幅提升景区高危垃圾的清理效率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种应用于垃圾捡拾无人机的复合型垃圾抓取收集装置，所述的复合型垃圾抓取收集装置通过固定平板安装在无人机机架上，所述的复合型垃圾抓取收集装置包括控制盒、机械臂组件、复合型机械爪组件和两个垃圾收集装置；所述的控制盒固定于固定平板上，所述的复合型机械爪组件通过机械臂组件安装在固定平板的下方，所述的两个垃圾收集装置通过支撑柱固定在固定平板的下方，且对称布置在机械臂组件的两侧；
所述的复合型机械爪组件包括机械爪、第一舵机和气泵吸盘；所述的机械爪安装在机械臂组件末端，第一舵机的控制端与控制盒相连，第一舵机的动力输出轴与机械爪相连；所述的气泵吸盘固定在机械爪的侧面上，气泵吸盘通过抽气管与控制盒相连。
优选的，所述的垃圾收集装置包括垃圾仓、开合板、电机和导向轴支座；
所述的垃圾仓通过支撑柱固定在固定平板下方，所述的开合板上远离机械臂组件的一侧通过导向轴固定在垃圾仓的上开口处，导向轴的一端与电机的动力输出轴相连，导向轴的另一端通过导向轴支座固定。
优选的，所述的开合板呈镂空状。
优选的，所述的机械臂组件包括多自由度连接件、电推杆和第二舵机；所述的电推杆由控制盒控制伸缩，且电推杆一端通过多自由度连接件与固定平板下表面的中心位置相连，电推杆另一端通过第二舵机与复合型机械爪组件相连。
优选的，所述的多自由度连接件包括定位支架以及安装在定位支架上的第三舵机、第四舵机和第五舵机；所述的第三舵机、第四舵机和第五舵机的动力输出轴方向两两垂直。
优选的，所述的机械爪由两个夹持件构成，夹持件的内侧设有锯齿。
优选的，所述机械爪中两个夹持件的同一侧均设有一个气泵吸盘。
优选的，所述的气泵吸盘采用聚氨酯材料制成。
本发明的另一目的在于提供一种上述的应用于垃圾捡拾无人机的复合型垃圾抓取收集装置的工作方法，根据垃圾捡拾无人机对目标垃圾的识别结果，确定采用机械爪或者气泵吸盘对目标垃圾进行抓取；
采用机械爪对目标垃圾进行抓取的过程包括：
当无人机与目标垃圾的距离低于阈值后，首先通过控制盒分别控制多自由度连接件调整电推杆的角度、控制电推杆伸长、以及控制第一舵机转动，使得机械爪张开并到达目标垃圾位置；
然后通过第一舵机控制机械爪关闭，抓住目标垃圾；
接着控制第二舵机转动，使得机械爪与垃圾收集装置的开合板平行；控制电推杆缩短至机械爪高于开合板；再通过控制多自由度连接件调整机械爪位于开合板正上方；
最后开启开合板，机械爪打开，将垃圾送入垃圾仓并关闭开合板，机械臂组件和机械爪复位，等待下一次抓取；
采用气泵吸盘对目标垃圾进行抓取的过程包括：
当无人机与目标垃圾的距离低于阈值后，首先通过控制盒分别控制多自由度连接件调整电推杆的角度、控制电推杆伸长、以及控制第一舵机转动，使得气泵吸盘到达目标垃圾位置；
然后通过控制盒控制气泵吸盘抽气，吸住目标垃圾；
接着控制第二舵机转动，使得气泵吸盘与垃圾收集装置的开合板平行；控制电推杆缩短至气泵吸盘高于开合板；再通过控制多自由度连接件调整气泵吸盘位于开合板正上方；
最后开启开合板，停止气泵吸盘抽气，将垃圾送入垃圾仓并关闭开合板，机械臂组件和气泵吸盘复位，等待下一次抓取。
进一步的，两个垃圾收集装置分别用于可回收垃圾收集和不可回收垃圾收集，根据垃圾捡拾无人机对目标垃圾的识别结果确定。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的复合型垃圾抓取收集装置拥有多个自由度，能适应不同环境下的垃圾抓取，灵活性更高；通过刚性机械爪与气泵吸盘的灵活转变，能抓取不同形状的垃圾，抓取效率更高；不同种类的垃圾仓设置，减少了后期工人分拣的难度。该装置与无人机配合，能有效提升处理景区高危垃圾的效率，给景区带来更大的经济效益。
附图说明
图1为本发明整体装置图；
图2为本发明机械臂+复合型机械爪的局部装置图；
图3为本发明垃圾收集装置图
图4为本发明气泵吸盘抓取垃圾的示意图。
图中：1-控制盒；2-机械臂组件；3-复合型机械爪组件；4-垃圾收集装置；211-第五舵机；212-第四舵机；213-第三舵机；214-第二舵机；215-第一舵机；220-固定件；230-电推杆；241-第一连接件；242-第二连接件；243-第三连接件；250-固定平板；310-机械爪；320-气泵吸盘；410-垃圾仓；420-电机；430-导向轴支座；440-开合板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明公开了一种应用于垃圾捡拾无人机的复合型垃圾抓取收集装置，采用复合型机械爪组件固定于机械臂下方，刚性机械爪与气泵吸盘呈垂直分布，能够实现灵活切换，能抓取不同形状的垃圾，抓取效率更高。该装置用于安装在无人机上，配合摄像头识别不同种类的垃圾，刚性机械爪和气泵吸盘灵活转变，从而达到快速准确抓取垃圾并收集的目的。如图1、图2和图3所示，本发明的复合型垃圾抓取收集装置主要包括控制盒1、机械臂组件2、复合型机械爪组件3、两个垃圾收集装置4。本发明的装置用于安装在无人机上，通过视觉识别不同种类的垃圾，刚性机械爪和气泵吸盘灵活转变，从而达到快速准确抓取垃圾并收集的目的。
所述的控制盒固定于固定板上，所述的复合型机械爪组件3通过机械臂组件2安装在固定板的下方，所述的两个垃圾收集装置通过支撑柱固定在固定板的下方，且对称布置在机械臂组件2的两侧。
所述的垃圾收集装置4包括垃圾仓410、开合板440、电机420和导向轴支座430；所述的垃圾仓410通过支撑柱固定在固定板下方，所述的开合板440上远离机械臂组件的一侧通过导向轴固定在垃圾仓410的上开口处，导向轴的一端与电机420的动力输出轴相连，导向轴的另一端通过导向轴支座430固定。
具体的，控制盒1固定于固定平板250上，控制盒上附有穿线孔，便于布线，从而控制整个装置的运动。垃圾仓410和固定平板250之间通过两根支撑柱相连，为确保稳定性，垃圾仓410上下表面与固定平板250平行，电机420和导向轴支座430都固定于垃圾仓410上表面，开合板440通过导向轴实现张开-闭合运动，导向轴的一端与电机420的动力输出轴相连，导向轴的另一端通过导向轴支座430固定。机械臂组件2固定于固定平板250上，并处于中心位置。复合型机械爪组件3固定于机械臂组件2下方，所述的复合型机械爪组件3包括刚性机械爪310、第一舵机215与气泵吸盘320，所述的机械爪310安装在机械臂组件2末端，第一舵机215的控制端与控制盒1相连，第一舵机215的动力输出轴与机械爪310相连；所述的气泵吸盘320固定在机械爪310的侧面上，气泵吸盘320通过抽气管与控制盒1相连。由于刚性机械爪310与气泵吸盘320呈垂直分布，能够实现灵活切换。
在本发明的一项具体实施中，所述开合板由两块长方体薄板构成，设置成镂空形态，节省材料，减轻质量。两个垃圾仓分别设置为可回收垃圾仓和不可回收垃圾仓，减少以后人工分拣垃圾的难度。如图2所示，机械臂组件2悬挂在整个装置的重心处，并且不会与垃圾仓410发生运动干涉。机械臂组件2包括多自由度连接件、电推杆230和第二舵机214；所述的电推杆230由控制盒1控制伸缩，且电推杆230一端通过多自由度连接件与固定板下表面的中心位置相连，电推杆230另一端通过第二舵机214与复合型机械爪组件3相连。
在本发明的一项具体实施中，所述的多自由度连接件包括定位支架以及安装在定位支架上的第三舵机213、第四舵机212和第五舵机211；所述的第三舵机、第四舵机和第五舵机的动力输出轴方向两两垂直。所述的多自由度连接件包括第一连接件241、第二连接件242和第三连接件243；
第五舵机211固定于第一连接件241上，优选的，第一连接件为一个多功能支架。多功能支架与第二连接件242相连接，优选的，第二连接件为一个U型支架。第五舵机211的输出轴上安装有舵盘，舵盘固定于第三连接件243上，优选的，第三连接件采用L型支架。所述的L型支架固定于U型支架上，第四舵机212固定于多功能支架上，第四舵机212的输出轴上固定有舵盘，舵盘固定在U型支架上，第三舵机213通过多功能支架与第四舵机212固定，第三舵机213的输出轴上安装有舵盘和自制固定件220，用于连接下方的微型电推杆230。类似的，微型电推杆230下方通过固定件220和多功能支架与第二舵机214相连，第二舵机214与下方的第一舵机215通过U型支架相连接，第一舵机215的输出轴与刚性机械爪310相连，第一舵机215带动刚性机械爪310完成张开-闭合运动。气泵吸盘320通过螺柱螺母固定于刚性机械爪310上，二者呈垂直分布，通过第二舵机214的运动，可实现不同的垃圾抓取状态。气泵吸盘320通过抽气管(图中省略)与控制盒1相连，可实现吸-放两种形式。
如图2所示，舵机211-215和微型电推杆230的配合使得机械臂具有6个自由度，分别是绕X轴、Y轴、Z轴转动以及沿X轴、Y轴、Z轴移动。
在本发明的一项具体实施中，所述的机械爪310由两个夹持件构成，夹持件的内侧设有锯齿，增大抓取力。优选的，所述机械爪310中两个夹持件的同一侧均设有一个气泵吸盘320。所述的气泵吸盘320采用聚氨酯材料制成。
不同形状的垃圾选取不同的抓取方式，体积大或表面较为平整的垃圾选取气泵吸盘320抓取，体积小或表面较为曲折的垃圾则应选取刚性机械爪310抓取。
本发明的工作过程如下：
根据垃圾捡拾无人机对目标垃圾的识别结果，确定采用机械爪310或者气泵吸盘320对目标垃圾进行抓取；
采用机械爪310对目标垃圾进行抓取的过程包括：
当无人机与目标垃圾的距离低于阈值后，首先通过控制盒1分别控制多自由度连接件调整电推杆230的角度、控制电推杆230伸长、以及控制第一舵机215转动，使得机械爪310张开并到达目标垃圾位置；
然后通过第一舵机215控制机械爪310关闭，抓住目标垃圾；
接着控制第二舵机214转动，使得机械爪310与垃圾收集装置的开合板440平行；控制电推杆230缩短至机械爪310高于开合板440；再通过控制多自由度连接件调整机械爪310位于开合板440正上方；
最后开启开合板，机械爪310打开，将垃圾送入垃圾仓并关闭开合板，机械臂组件和机械爪复位，等待下一次抓取；
采用气泵吸盘320对目标垃圾进行抓取的过程包括：
当无人机与目标垃圾的距离低于阈值后，首先通过控制盒1分别控制多自由度连接件调整电推杆230的角度、控制电推杆230伸长、以及控制第一舵机215转动，使得气泵吸盘320到达目标垃圾位置；
然后通过控制盒1控制气泵吸盘320抽气，吸住目标垃圾；图4展示了气泵吸盘抓取垃圾的示意图，此时吸盘方向朝下。
接着控制第二舵机214转动，使得气泵吸盘320与垃圾收集装置的开合板440平行；控制电推杆230缩短至气泵吸盘320高于开合板440；再通过控制多自由度连接件调整气泵吸盘320位于开合板440正上方；
最后开启开合板，停止气泵吸盘320抽气，将垃圾送入垃圾仓并关闭开合板，机械臂组件和气泵吸盘复位，等待下一次抓取。
通过上述的方案，有效地解决了目前绝大多数机械臂抓取垃圾存在的局限性问题，复合型垃圾抓取收集装置灵活度更高，能快速有效处理不同种类和形状的垃圾，与无人机配合，还能大大减轻景区高危垃圾清理人员的负担，为景区带来更多的经济效益。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于垃圾捡拾无人机的复合型垃圾抓取收集装置，所述的复合型垃圾抓取收集装置通过固定平板安装在无人机机架上，其特征在于，所述的复合型垃圾抓取收集装置包括控制盒(1)、机械臂组件(2)、复合型机械爪组件(3)和两个垃圾收集装置(4)；所述的控制盒固定于固定平板上，所述的复合型机械爪组件(3)通过机械臂组件(2)安装在固定平板的下方，所述的两个垃圾收集装置通过支撑柱固定在固定平板的下方，且对称布置在机械臂组件(2)的两侧；
所述的复合型机械爪组件(3)包括机械爪(310)、第一舵机(215)和气泵吸盘(320)；所述的机械爪(310)安装在机械臂组件(2)末端，第一舵机(215)的控制端与控制盒(1)相连，第一舵机(215)的动力输出轴与机械爪(310)相连；所述的气泵吸盘(320)固定在机械爪(310)的侧面上，气泵吸盘(320)通过抽气管与控制盒(1)相连。
2.根据权利要求1所述的一种应用于垃圾捡拾无人机的复合型垃圾抓取收集装置，其特征在于，所述的垃圾收集装置(4)包括垃圾仓(410)、开合板(440)、电机(420)和导向轴支座(430)；
所述的垃圾仓(410)通过支撑柱固定在固定平板下方，所述的开合板(440)上远离机械臂组件的一侧通过导向轴固定在垃圾仓(410)的上开口处，导向轴的一端与电机(420)的动力输出轴相连，导向轴的另一端通过导向轴支座(430)固定。
3.根据权利要求2所述的一种应用于垃圾捡拾无人机的复合型垃圾抓取收集装置，其特征在于，所述的开合板(440)呈镂空状。
4.根据权利要求1所述的一种应用于垃圾捡拾无人机的复合型垃圾抓取收集装置，其特征在于，所述的机械臂组件(2)包括多自由度连接件、电推杆(230)和第二舵机(214)；所述的电推杆(230)由控制盒(1)控制伸缩，且电推杆(230)一端通过多自由度连接件与固定平板下表面的中心位置相连，电推杆(230)另一端通过第二舵机(214)与复合型机械爪组件(3)相连。
5.根据权利要求4所述的一种应用于垃圾捡拾无人机的复合型垃圾抓取收集装置，其特征在于，所述的多自由度连接件包括定位支架以及安装在定位支架上的第三舵机(213)、第四舵机(212)和第五舵机(211)；所述的第三舵机、第四舵机和第五舵机的动力输出轴方向两两垂直。
6.根据权利要求1所述的一种应用于垃圾捡拾无人机的复合型垃圾抓取收集装置，其特征在于，所述的机械爪(310)由两个夹持件构成，夹持件的内侧设有锯齿。
7.根据权利要求6所述的一种应用于垃圾捡拾无人机的复合型垃圾抓取收集装置，其特征在于，所述机械爪(310)中两个夹持件的同一侧均设有一个气泵吸盘(320)。
8.根据权利要求1所述的一种应用于垃圾捡拾无人机的复合型垃圾抓取收集装置，其特征在于，所述的气泵吸盘(320)采用聚氨酯材料制成。
9.一种基于权利要求1-8任一权利要求所述的应用于垃圾捡拾无人机的复合型垃圾抓取收集装置的工作方法，其特征在于，根据垃圾捡拾无人机对目标垃圾的识别结果，确定采用机械爪(310)或者气泵吸盘(320)对目标垃圾进行抓取；
采用机械爪(310)对目标垃圾进行抓取的过程包括：
当无人机与目标垃圾的距离低于阈值后，首先通过控制盒(1)分别控制多自由度连接件调整电推杆(230)的角度、控制电推杆(230)伸长、以及控制第一舵机(215)转动，使得机械爪(310)张开并到达目标垃圾位置；
然后通过第一舵机(215)控制机械爪(310)关闭，抓住目标垃圾；
接着控制第二舵机(214)转动，使得机械爪(310)与垃圾收集装置的开合板(440)平行；控制电推杆(230)缩短至机械爪(310)高于开合板(440)；再通过控制多自由度连接件调整机械爪(310)位于开合板(440)正上方；
最后开启开合板，机械爪(310)打开，将垃圾送入垃圾仓并关闭开合板，机械臂组件和机械爪复位，等待下一次抓取；
采用气泵吸盘(320)对目标垃圾进行抓取的过程包括：
当无人机与目标垃圾的距离低于阈值后，首先通过控制盒(1)分别控制多自由度连接件调整电推杆(230)的角度、控制电推杆(230)伸长、以及控制第一舵机(215)转动，使得气泵吸盘(320)到达目标垃圾位置；
然后通过控制盒(1)控制气泵吸盘(320)抽气，吸住目标垃圾；
接着控制第二舵机(214)转动，使得气泵吸盘(320)与垃圾收集装置的开合板(440)平行；控制电推杆(230)缩短至气泵吸盘(320)高于开合板(440)；再通过控制多自由度连接件调整气泵吸盘(320)位于开合板(440)正上方；
最后开启开合板，停止气泵吸盘(320)抽气，将垃圾送入垃圾仓并关闭开合板，机械臂组件和气泵吸盘复位，等待下一次抓取。
10.根据权利要求9所述的应用于垃圾捡拾无人机的复合型垃圾抓取收集装置的工作方法，其特征在于，两个垃圾收集装置分别用于可回收垃圾收集和不可回收垃圾收集，根据垃圾捡拾无人机对目标垃圾的识别结果确定。
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