第一章 设计目的

1.1

目前，我国处理垃圾的很多环节还是使用人工筛检的方式，进行垃圾分类与后续处理。并且，仅仅依靠人力对垃圾进行分拣，一般只能够对非常小的一部分可回收垃圾以及有害垃圾进行拣出，而大部分垃圾还是没有被正确分类并正确处理的。在此背景下，本次设计的创新如下：

（1）自动避障功能：利用避障模块实现小车在工作中遇到的障碍，避免小车误碰障碍物遭到损坏，同时提高了小车运行过程的稳定性。

（2）垃圾分类功能：基于二哈识图模块对不同垃圾进行分类训练，利用该功能的实现了对来及分类的智能化处理。

（3）垃圾分拣功能：利用 OPENMV 模块对垃圾进行定位，由主控通过逆运动学算法求解各个机械臂关节转动角度，并驱动各个机械臂转动对应的角度，对垃圾进行抓取，实现了对垃圾处理工作人员的保护，也大大节省了劳动力。

（4）远程遥控功能：该小车不仅能实现自动寻迹和垃圾分拣，还可切换至手动模式，利用遥控装置实现对小车的控制，该功能可以在极端情况下利用人工控制的方法实现对垃圾分拣。

1.2设计目标

1. 提高垃圾分类的准确性和效率，减少人为错误。

2. 降低垃圾分类的劳动强度，节省人力资源。

3. 实现对不同类型垃圾的有效处理和回收利用。

第二章  工作原理

2.1原理论证

本次设计的智能垃圾分类机器人集智能识别，智能定位，智能抓取和智能语音播报于一身。硬件方面利用 OPENMV 模块对垃圾进行定位，由主控通过逆运动学算法求解各个机械臂关节转动角度，并驱动各个机械臂转动对应的角度，对垃圾进行抓取，利用二哈识图模块对不同垃圾进行分类训练，并利用神经网络算法对垃圾进行识别。主控根据识别的结果，驱动语音模块播报，打开对应的垃圾桶，让机械臂将垃圾准确放在对应的垃圾桶中。主控驱动小车底盘，让小车能够按照特定路线进行循迹行走。

2.2 设计流程

图 2-1 流程图

2.3主要功能

1. 自动识别：

• 配备先进的图像识别技术和传感器，能够快速准确地识别各种垃圾的类型，如可回收物、有害垃圾、厨余垃圾和其他垃圾。

• 对形状不规则、颜色复杂的垃圾也能进行有效识别。

2. 分类收集：

• 根据识别结果，将垃圾自动分类投入相应的收集箱中。

• 收集箱采用密封设计，防止异味散发和垃圾泄漏。

3. 智能导航：

• 具备自主导航功能，能够在不同的环境中自由移动，如小区、街道、公园等。

• 可以避开障碍物，规划最优路径，提高工作效率。

4. 数据传输：

• 实时将垃圾分类数据上传至云端服务器，方便管理人员进行统计和分析。

• 为垃圾分类决策提供数据支持。

第三章  产品构造

3.1  机械臂结构

机械臂作为一种连杆机构，要对其做一个运动学的的研究，一般会引进相关的模型，经典的模型为DH模型。该模型的引入大大降低了我们研究空间连杆机构的运动的难度。要实现机械臂的抓取工作，在这里面涉及的研究对象运动学逆解，以及运动学正解。利用 D- H表示法，给机械臂建立该模型，为下一步对它的运动学的推理做铺垫。当机械臂的关节数不多时，建立D-H模型反而比较麻烦，不过可以采用几何法求解。有了机械臂的运动学基础，为手眼标定和机械臂对物体的抓取奠定理论基础和相关的理论支持。

机械臂的尺寸图如图3-1所示。

图 3-1 机械臂机构图

3.1.1  机械臂坐标变换

机械臂要进行相应的坐标变换，那坐标轴怎么确定呢，比较常用的方法是建立右手坐标系，如下图3-2所示为建立右手坐标系的方法以及坐标系旋转正方向的确定，X、Y、Z轴的的正方向分别为大拇指，食指，中指所朝向。

1.向量绕轴旋转

如下图3-4和图3-5所示，根据右手法则，绕Z轴旋转，旋转角度为��度。。

　　　　　　　图3-3 绕Ｚ轴旋转 图3-4 绕Ｚ旋转角度

由上图可以得出以下推导式：

2. 向量的平移

平移后的向量为初始向量与平移向量相加：

Python语言生成一个平移变换算子如图2-6所示：

图3-7 进行平移变换

进行变换可视化算法如图3-8，可视化结果如图3-9.

图3-8 变换可视化算法

如下图所示，向量为以A坐标系为参考的向量。

　　　　　　　　　　　
                            （3-7）

图3-10  三维坐标下的平移和旋转

3.1.2  机械臂的DH模型

1.ＤＨ模型基本思想

给每一个关节指定一个坐标系，比如从机械臂的基坐标开始，到第一个关节，以此类推，直到到达末端执行器关节停止，从一个坐标系到另外一个坐标系的转换有一个平移和旋转矩阵，有了这些关节的关系，再通过计算，就可以得到各个关节之间的关系。

2. 机械臂DH模型的建立

两活动关节间的连杆作为X轴，Z轴为旋转关节的旋转轴。然后利用上一节的空间坐标轴建立的方法，也就是我们常用的方法：右手法则，最后建立关节的坐标轴。

图3-11 三维坐标下的平移和旋转

DH参数表如下表所示:

表3-1 DH  参数表

3.1.3  正向运动学求解

根据DH表以及上面平移旋转的推导式依次推导出的变换。

   (3-14)

所

3.1.4  逆向运动学

1.机械臂连杆长度与关节角度约束

运动学的逆解在研究整个机器人系统起着至关重要的作用，它可以让我们对这个机械臂系统有了更加深层次的理解。为了简化模型，可以将三维运放在二维平面分析，，，为各个关节的角度，根据正解我们可以知道，里面有大量的矩阵运算，如果用单片机，需要耗费大量的时间，使得单片机不能满足实时性的控制需求，所以接下来用几何法分析，表2-2和表2-3是机械臂的一些参数信息。

表3-2  机械臂连杆长度

表3-3  舵机的约束条件

关节	最小值	最大值	舵机角度范围
			180度
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