复杂地形下无人机搭载的智能垃圾拾取机器人设计_邹欣桐.pdf

收稿日期：20220507复杂地形下无人机搭载的智能垃圾拾取机器人设计邹欣桐，王晓媛，彭辰，马一鸣，于听雨（华东理工大学 机械与动力工程学院，上海200237）摘要：针对复杂地形下的垃圾拾取困难问题，设计一款智能垃圾拾取机器人。该装置通过图传设备以及SSD算法完成垃圾的识别，由Pixhawk第四代飞控系统控制无人机的飞行状态，树莓派控制动力源，从而实现二级伸缩式机械臂的拾取垃圾动作的控制以及垃圾收纳装置动作的控制。装置的重心位置由无人机、机械臂和垃圾收纳装置共同决定，应用Solidworks软件对其进行建模以及重心位置分析。结果表明，水平面上装置重心位于几何中心，不存在重心位置的偏移；垂直轴上，该装置重心位于云台正下方，可以保证飞行的平稳性和机动性。机械手作为最危险部件，利用ANSYS软件对其进行受力、变形、应变以及应力分析，该分析基于机械手与机械臂的连接面为固定面以及机械手与垃圾的接触面为受力面的边界条件。变形、应力、应变分析数据表明，机械手内部最大变形量为1.395 10-7m，最大应变量为6.1355 10-5，说明该部件变形微小，可忽略不计；最大应力值为1.2271 107Pa，小于部件材料的许用应力值，说明该部件工作安全可靠。关键词：无人机；机械臂；垃圾拾取；树莓派；有限元分析中图分类号：TP242文献标志码：A文章编号：10099492(2023)02015904Design of Intelligent Garbage Picking Robot Carried by UAV UnderComplex LandformZou Xintong，Wang Xiaoyuan，Peng Chen，Ma Yiming，Yu Tingyu（School of Mechanical and Power Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China）Abstract:The intelligent garbage picking robot was designed for the problem of which garbage pickup was difficult in complex terrain.Therecognition of the garbage was realized by the image-transmitting equipment and the SSD algorithm.The flying attitude could be controlled bythe Pixhawk 4 system.A Raspberry Pi was utilized as the controlling power source to control the garbage picking of the telescopic mechanicalarm and the motion of the garbage withdrawing device.The barycenter of the design was decided by all the parts which include the UAV,themechanical arm and the garbage withdrawing device.Solidworks was applied in the modeling and the analysis of the barycenter.The result ofthe barycenter analysis shows that the barycenter of the design is located at the geometric center in the horizontal plane,which means thelocation of the barycenter wont skew.In the vertical plane,the barycenter located directly below the pan-tilt,which can ensure the stabilityand the flexibility of flying.The mechanical claw is the most dangerous component.So ANSYS was used to accomplish the force analysis,deformation analysis,strain analysis and stress analysis.The analysis was based on the boundary condition that the junction surface of themechanical claw and mechanical arm was considered as the fixed surface while the contact surface of the mechanical claw and the garbage wasconsidered as the thrust face.The analyze data of the deformation,stress and strain can show that the maximal deformation in the mechanicalclaw is1.395 10-7mand the maximal strain in the mechanical claw is6.1355 10-5,which can tell that the deformation of the component istoo tidy to consider.While the maximal stress is1.2271 107Pa,which is less than the allowable stress value of the component material.Itcan fully illustrate the safety and reliability of the component.Key words:unmanned aerial vehicle;mechanical arm;garbage pickup;Raspberry Pi;finite element analysis2023年02月第52卷第02期Feb.2023Vol.52No.02机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.02.036邹欣桐，王晓媛，彭辰，等.复杂地形下无人机搭载的智能垃圾拾取机器人设计 J.机电工程技术，2023，52（02）：159-162.0引言近年来，环境保护日益受到人们关注。目前，山地、景区、水库、沼泽等较为复杂地形下的垃圾拾取问题主要还是通过人工拾取，这样的处理方式不仅效率低下，还会使得清洁人员处于较大的危险之中。面对这样的问题，无人机与机械臂的结合为解决复杂地形下垃圾的处理提出了新的可能性。国内外的研究人员对此进行了大量的研究，发现机械臂的搭载平台可以为六自由度移动的无人机，便于机械臂到达例如山地、景区、水库、沼泽等地形较为复杂的工作环境之中。而无人机搭载的工作装置为机械臂，使得无人机不仅有检测与观察环境的能力1-2，同时也易于人机交互以及操作控制。在复杂地形下的垃圾拾取工作中，无人机与机械臂159的结合3-5使得垃圾拾取的安全性大幅度提高，同时具有拾取效率高、准确率高、安全性高以及节约人力等显著优点。而目前国内外无人机与机械臂相结合的技术尚处在研究开发的初期，技术不够成熟，应用也不够普及。本文设计了一款无人机搭载的智能垃圾拾取机器人，以精妙的机械设计以及合理的电路排布，通过机械传动系统、飞控系统以及电控系统的协调运作，实现复杂地形下垃圾的拾取与收纳。最后，通过对整体机器的重心位置分析以及机械部件的有限元分析，校核其力学稳定性与安全性，从而验证系统设计的合理性。1总体设计方案复杂地形下无人机搭载的智能垃圾拾取机器人的整体控制流程如图1所示，其主要工作流程如下：（1）使用 TCP协议，由无人机上的 CSI摄像头作为图像传输装置，将无人机前方视频同步传输到客户端程序；（2）根据接收到的图像，利用SSD算法识别图像中垃圾的大致方位，进行标注，便于定位；（3）成功识别到垃圾后，操作者操作无人机降落至垃圾上方，并操作无人机至悬停状态；（4）启动拾取程序，利用树莓派控制电机启动机械臂，控制舵机启动机械手，以实现机械臂抓取垃圾的动作；（5）启动收集程序，将垃圾自动放入到收集装置中；（6）往复进行以上动作，直至垃圾收纳装置集满，无人机自动返航，将垃圾投放。2机械机构设计2.1整体机械结构复杂地形下无人机搭载的智能垃圾拾取机器人整体结构如图2所示，主要由无人机部分、机械臂-机械手部分、垃圾收纳部分3个部分组成。其中，机械臂-机械手部分与垃圾收纳部分通过云台与无人机部分相连接。2.2机构动作流程无人机启动后，通过图传装置和SSD算法识别及定位到垃圾位置，操作者将无人机降落悬停至垃圾位置附近，开始进行垃圾的拾取及收纳。首先，操作者启动拾取程序，控制电机启动定滑轮，定滑轮连同尼龙绳带动第二级机械臂进行伸长，此时机械手到达指定位置；接着，控制舵机启动机械手，机械手通过夹紧动作实现垃圾的抓取；完成垃圾拾取动作后，定滑轮反方向转动，带动第二级机械臂收缩至原始位置；同时，控制电机带动垃圾收纳装置旋转至机械手正下方，机械手松开，垃圾落入垃圾收纳装置内；最后，控制机械臂-机械手部分和垃圾收纳部分复位，完成一次垃圾的拾取6。往复进行以上动作，直至垃圾收纳装置集满，无人机自动返航，投放垃圾。图2整体机械结构示意图图1工作流程2023年02月机 电 工 程 技 术第52卷第02期1602.3各机构部分设计2.3.1无人机部分本设计的无人机为八轴式旋翼无人机7，装配有云台以及起落架，可承载质量高达8 kg，除去所搭载装置自重外，仍可承载5 kg的质量。无人机为可操纵式具有上升、下降、悬停等不同的飞行姿态8。2.3.2机械臂-机械手部分其功能为完成垃圾的抓取，优势为结构简单、高效低耗、传动巧妙。如图 3 所示，本部分主要由2段PVC杆、2个定滑轮、1个机械手、2 个 42 步进电机、1 个DS3218舵机组成。该部分的设计创新点在于两段PVC杆构成伸缩杆结构组成二级机械臂，由定滑轮及尼龙绳带动其伸长与收缩。通过定滑轮、尼龙绳与伸缩杆结构的有机配合，不仅可以实现机械臂的收缩，同时对比液压传动装置，其结构简单、传动效率高、经济成本低，虽然平稳性不比液压传动装置，但是在低速进给情况下，其平稳性已满足收缩及抓取运动的要求。抓取垃圾的具体流程：无人机悬停于指定位置后，操纵者通过遥控发出抓取指令，此时控制定滑轮的电机转动，带动机械臂伸长；机械臂伸长至指定位置后，机械手通过舵机带动而夹紧，拾取垃圾9；完成垃圾拾取动作后，定滑轮反方向转动，带动机械臂收缩至原始位置，实现一次垃圾的抓取。2.3.3垃圾收纳部分垃圾收纳装置主要由一段 PVC 杆、一个 42 步进电机、软质塑料容器组成。42步进电机带动垃圾收纳装置转动，与机械臂的伸长与收缩以及机械手的夹紧与放松相配合。垃圾收纳框连接件使用钢材，保证较强的刚度及稳定性，其形状为半径为10 cm的圆，能够保证大部分垃圾可顺利进入垃圾收纳筐。垃圾收纳筐采用软质塑料，其体积可根据垃圾存储量进行调整，并避免与其余机构发生冲突。3受力及有限元分析3.1重心位置分析无人机的飞行性能与重心位置密切相关10。在水平方