一种小型水域垃圾清理机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种小型水域垃圾清理机器人，包括船体、设置在船体后方的推进器、设置在船体正前方的激光雷达、设置在船体上部中央位置的垃圾收集箱、设置在船体头部位置的机舱、固定在机舱上端的云台以及固定在机舱外侧的至少一个机械臂；机舱的内部设有机器人控制器和电源模块，云台上设有摄像头；机器人控制器包含船体子系统、图像识别子系统和机械臂子系统；船体子系统用于实现船体在水域中自主巡航的功能；图像识别子系统用于获取机械臂坐标系下目标垃圾的3D坐标信息；机械臂子系统用于实时控制机械臂运动，夹持网兜捞取水面垃圾至垃圾收集箱。利用本发明专利技术，节约了垃圾清理成本，且不会产生噪声，解决了在小型水域中水面垃圾清理的问题。理的问题。理的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种小型水域垃圾清理机器人


[0001]本专利技术属于水上垃圾清理
，尤其是涉及一种小型水域垃圾清理机器人。

技术介绍

[0002]小型水域分布在城市的很多角落，是城市市容市貌的重要部分。随着社会经济的快速发展，水资源受到的威胁日益严重，越来越多的水面垃圾是污染问题的重要体现。水面垃圾不仅会对水体生态造成严重威胁，破坏生态景观，而且由于其往往大量聚集，难以清除，形成阻塞以至于影响河道、城市小型水坝的正常运行，给居民正常工作与生活带来困扰。
[0003]对于水面垃圾的打捞，国内外目前普遍采用人力方式。人力打捞虽然操作灵活到位，但是劳动强度大、效率低、成本高，还有一定的安全隐患。针对人力打捞的种种缺陷，近年来各种自动化清理船被制造并投入使用，它们通常以双体船作船体，体型较大，以格栅滚筒作为清理机构，船体的收集、存储、卸载系统全部采用液压驱动，同时采用全局路径优化和局部路径追踪技术，具备在广阔河道中的自主巡航能力。这些自动化清理船虽然具有高效的水面清理效果，但会产生一定程度的空气和噪音污染，主要应用于远离居民区的大型水域。
[0004]如公开号为CN104986300A的中国专利文献公开了一种水面垃圾清理船，包括船体，所述船体上固定设置有垃圾收集装置和驱动装置，所述船体下方两侧固定设置有两个浮箱，两个浮箱之间形成水流通过区域；所述垃圾收集装置包括从动轴、主动轴和垃圾输送滤带，所述从动轴通过轴承活动设置船体下方，所述主动轴通过轴承设置在船体上，且所述主动轴与驱动装置连接，所述垃圾输送滤带通过主动轴和从动轴倾斜设置在船体上
[0005]公开号为CN111038654A的中国专利文献公开了一种垃圾清理船，包括双体船船体，所述双体船船体的船底两侧设有浮体，两所述浮体之间形成清理区；所述双体船船体内设有安装腔和置料腔，所述安装腔内设有输送装置和粉碎装置，所述输送装置包括输送带，所述安装腔的底部设有开口，所述输送带穿过所述开口并延伸至所述清理区内，所述粉碎装置安装在所述输送带的上端出料端，所述粉碎装置的下端出料端设有螺旋输送机，所述螺旋输送机的出料口位于所述置料腔内，所述安装腔的顶部开设有检修孔，所述检修孔上设有检修门，所述置料腔的顶部设有排料口，所述排料口上设有门。
[0006]与大型水域不同，小型水域通常深度浅、面积小，靠近居民区。更有一些景观水域为了美观设计的需要，专门规划成外观不规则的形状。在这些小型水域中，大型自动化清理船难以灵活移动和转向，降低了工作效率，巨大的噪声也会影响周边居民的生活。因此，一款专门用于小型水域的垃圾清理机器人，具有很广阔的应用前景。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供了一种小型水域垃圾清理机器人，能够实现在小型水域自主巡航，在利用机器视觉识别到水面垃圾后，近侧船载机械臂夹持末端网兜实时捞取目标垃圾，并置
于船载的垃圾箱中。
[0008]一种小型水域垃圾清理机器人，包括带有姿态传感器IMU的船体、设置在船体后方的推进器、设置在船体正前方的激光雷达、设置在船体上部中央位置的垃圾收集箱、设置在船体头部位置的机舱、固定在机舱上端的云台以及固定在机舱外侧的至少一个机械臂；
[0009]所述机舱的内部设有机器人控制器和电源模块，所述云台上设有摄像头，所述机械臂的末端设有用于夹持网兜的夹具；
[0010]所述的机器人控制器包含船体子系统、图像识别子系统和机械臂子系统；所述的船体子系统融合激光雷达和IMU收集的数据，实现船体在水域中自主巡航的功能；所述的图像识别子系统用于获取机械臂坐标系下目标垃圾的3D坐标信息；所述的机械臂子系统用于根据图像识别子系统反馈的坐标信息，实时控制机械臂运动，夹持网兜捞取水面垃圾至垃圾收集箱。
[0011]可选择地，机械臂可以为一个或两个，当机械臂设有两个时，通过机械臂底座分别对称地固定在机舱两侧。
[0012]优选地，所述的机械臂采用具有六个自由度的六轴机械臂，所述六轴机械臂的六个关节上分别设有一个电机。
[0013]优选地，所述船体周围安装有四组对称提手，便于进行人工搬运；所述船体底部安装四组支架，用于机器人在陆地上的放置。
[0014]所述图像识别子系统获取机械臂坐标系下目标垃圾的3D坐标信息过程如下：
[0015]收集足量的垃圾数据集，选择YOLOv5作为水面目标检测算法，并利用垃圾数据集对算法进行预训练以提高算法对环境的抗干扰能力；在识别目标垃圾过程中，用2D+1D的方式获取目标垃圾在相机坐标系下的3D坐标和包含目标表面信息的点云信息，并将目标垃圾的3D坐标转移至机械臂坐标系下。
[0016]所述的机械臂子系统使用基于改进GWLN的控制算法和姿态定向算法来对机械臂进行控制，在实现水面垃圾打捞的主任务前提下，满足包含关节角度限位、空间避障在内的多个子任务。
[0017]使用基于改进GWLN的控制算法对机械臂进行控制时，具体为：
[0018]机械臂的典型次任务约束包括关节角度限位、空间避障，机械臂的一般次任务约束则描述为
[0019]H
i
(q)≥h
i
ꢀꢀ
(1)
[0020]其中，H
i
(q)∈R是次任务的性能函数，h
i
对应阈值；为使一般次任务约束具有和关节角度限位相同的处理方式，引入变换矩阵
[0021][0022]式中，I
n
表示n维单位矩阵，H
g
是任意非实关节限位约束，是其梯度向量，由此定义虚拟关节
[0023][0024]由式(3)、(4)得到，映射后关节速度分为两部分，其中为次任务约束关于时间的导数，对应虚拟关节，另一部分为实际关节速度，对应实际关节；表示关节
速度，由于变换矩阵T非方阵，故定义其矩阵的逆为
[0025]T
#
＝(T
T
WT)
‑1T
T
W
ꢀꢀ
(4)
[0026]其中，W为对角权重矩阵，对角线元素对应各个关节；设第i个关节的性能函数为H
i
，阈值为h
i
，安全裕量为∈
i
，则定义归一化距离为
[0027][0028]而对于同时具有上下限约束的次任务，同样定义阈值上限h
g+
、下限h
g
‑
，及对应的安全裕量∈
i+
、∈
i
‑
，相应d
i
定义为
[0029][0030]基于式(5)和(6)，进一步构造权值因子w
i
，考虑到次任务约束分为两类：虚拟关节约束和实际关节约束，实际关节约束是各个实关节的角度限制，而虚拟关节约束是其他次任务映射为虚拟关节后的等效角度限制，由式(6)映射知，对于实际关节约束，当关节角度满足安全裕量时，应取常值1，而对于虚拟关节约束，则应取常值0，故构造权值因子为
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种小型水域垃圾清理机器人，其特征在于，包括带有姿态传感器IMU的船体、设置在船体后方的推进器、设置在船体正前方的激光雷达、设置在船体上部中央位置的垃圾收集箱、设置在船体头部位置的机舱、固定在机舱上端的云台以及固定在机舱外侧的至少一个机械臂；所述机舱的内部设有机器人控制器和电源模块，所述云台上设有摄像头，所述机械臂的末端设有用于夹持网兜的夹具；所述的机器人控制器包含船体子系统、图像识别子系统和机械臂子系统；所述的船体子系统融合激光雷达和IMU收集的数据，实现船体在水域中自主巡航的功能；所述的图像识别子系统用于获取机械臂坐标系下目标垃圾的3D坐标信息；所述的机械臂子系统用于根据图像识别子系统反馈的坐标信息，实时控制机械臂运动，夹持网兜捞取水面垃圾至垃圾收集箱。2.根据权利要求1所述的小型水域垃圾清理机器人，其特征在于，所述的机械臂设有两个，通过机械臂底座分别对称地固定在机舱两侧。3.根据权利要求1所述的小型水域垃圾清理机器人，其特征在于，所述的机械臂采用具有六个自由度的六轴机械臂，所述六轴机械臂的六个关节上分别设有一个电机。4.根据权利要求1所述的小型水域垃圾清理机器人，其特征在于，所述船体周围安装有四组对称提手，所述船体底部安装四组支架。5.根据权利要求1所述的小型水域垃圾清理机器人，其特征在于，所述图像识别子系统获取机械臂坐标系下目标垃圾的3D坐标信息过程如下：收集足量的垃圾数据集，选择YOLOv5作为水面目标检测算法，并利用垃圾数据集对算法进行预训练以提高算法对环境的抗干扰能力；在识别目标垃圾过程中，用2D+1D的方式获取目标垃圾在相机坐标系下的3D坐标和包含目标表面信息的点云信息，并将目标垃圾的3D坐标转移至机械臂坐标系下。6.根据权利要求1所述的小型水域垃圾清理机器人，其特征在于，所述的机械臂子系统使用基于改进GWLN的控制算法和姿态定向算法来对机械臂进行控制，在实现水面垃圾打捞的主任务前提下，满足包含关节角度限位、空间避障在内的多个子任务。7.根据权利要求6所述的小型水域垃圾清理机器人，其特征在于，使用基于改进GWLN的控制算法对机械臂进行控制时，具体为：机械臂的典型次任务约束包括关节角度限位、空间避障，机械臂的一般次任务约束则描述为H
i
(q)≥h
i
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，H
i
(q)∈R是次任务的性能函数，h
i
对应阈值；为使一般次任务约束具有和关节角度限位相同的处理方式，引入变换矩阵式中，I
n
表示n维单位矩阵，H
g
是任意非实关节限位约束，是其梯度向量，由此定义虚拟关节
由式(3)、(4)得到，映射后关节速度分为两部分，其中为次任务约束关于时间的导数，对应虚拟关节，另一部分为实际关节速度，对应实际关节；表示关节速度，由于变换矩阵T非方阵，故定义其矩阵的逆为T
#
＝(T
T
WT)
‑1T
T
W
ꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，W为对角权重矩阵，对角线元素对应各个关节；设第i个关节的性能函数为H
i
，阈值为h
i
，安全裕量为∈
i
，则定义归一化距离为而对于同时具有上下限约束的次任务，同样定义阈值上限h
g+
、下限h
g
‑
，及对应的安全裕量∈
i+
...

【专利技术属性】
技术研发人员：项基，李超，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：