作者：庄杰 李欣 程宇昕 石刚毅 刘大福

单位：武汉理工大学 机电工程学院

1. 引言

1.1 研究背景

      随着人口老龄化进程的加快，越来越多行动不便的高龄老年人独居在家中，腿脚不便的老年人常因丢垃圾等一些小事发生意外，因此开发一种智能家居垃圾分类投放机器人具有非常重要的意义。

① 全球老龄化趋势

      从1953年至2020年全国人口普查数据来看，65岁以上的老年人数量占比越来越多，社会抚养老年人的压力越来越大，因此有许多老年人独居在家中，得不到很好的照顾，从全球来看，人口老龄化的趋势也越来越严重。

② 全球独居老人意外发生率

      在全球，有越来越多的老年人独居在家中，其行动不便，没有人照顾，就很容易发生跌倒、坠落等意外事件，让人十分痛心，因此本项目想设计一款智能家居垃圾分类投放机器人来帮助老年人投放垃圾，从而来降低他们受伤的风险。

③ 全球智能家居市场规模

同时，全球的智能家居研究和市场也逐渐深入和扩大，大家都在为降低风险和使家居机器人的普及化不断努力。

1.2 目的和意义

      本项目设计报告旨在介绍一种智能家居垃圾分类投放机器人的设计方案，通过融合传感器技术、图像识别算法和控制算法，实现垃圾分类投放的自动化和智能化，提高垃圾投放的效率和准确性，减轻老年人操作负担，降低老年人受伤的风险。

1.3 概述

     智能垃圾分类投放机器人是一种能够自主感知、决策和执行垃圾分类任务的机器人，它具备自主移动能力，能够在指定区域内收集垃圾并将其投放到相应的分类桶中。

2. 调研

2.1 场景调研

      家庭环境：家庭是智能家居垃圾分类投放机器人最直接应用的场景。家庭中的垃圾种类繁多，包括厨余垃圾、可回收垃圾、有害垃圾和其他垃圾等。智能机器人可以有效地对垃圾进行分类、整理和投放，提高家庭环境卫生水平，同时减少对环境的污染。

      公寓或宿舍：公寓或宿舍等居住建筑通常有公共垃圾收集区域。智能家居垃圾分类投放机器人可以在这些区域对垃圾进行自动分类和整理，减轻人工操作的负担，提高垃圾处理的效率。

      酒店：酒店每天接待大量的客人，产生的垃圾种类和数量较多。智能家居垃圾分类投放机器人的应用可以有效地对酒店的垃圾进行分类、整理和投放，提高酒店的环境卫生水平，同时符合环保要求。

      办公室：办公室是人员密集的场所，产生的垃圾种类和数量也较多。智能家居垃圾分类投放机器人的应用可以自动对办公室的垃圾进行分类、整理和投放，提高办公室的环境卫生水平，同时减少对资源的浪费。

      公共场所：公共场所如公园、广场、商场等，是人员流动性较大的地方。智能家居垃圾分类投放机器人的应用可以有效地对这些场所的垃圾进行分类、整理和投放，提高公共场所的环境卫生水平，同时起到宣传环保的作用。

2.2 国内外现状调研

2.2.1 国内研究现状

      国内：国内智能家居机器人市场呈现持续增长的趋势，2022年中国家庭智能机器人市场规模达到723.6亿元，同比增长31.0%。预计2023年全年市场规模将达到959.2亿元，同比增长32.8%。目前国内家用机器人市场主要分为三个细分领域：

      ① 家政机器人：这类机器人包括扫地机器人、擦窗机器人等，旨在提供清洁卫生方面的服务。

      ② 陪伴机器人：主要针对儿童陪伴和老年护理，充当家长或老人的小帮手，帮助他们进行远程交流或照顾。

      ③ 娱乐机器人：这类机器人可以为用户提供娱乐休闲服务，如唱歌、跳舞等。

      然而尽管市场规模持续增长，但消费者对家用机器人的反应却相对冷淡。主要原因包括目前的体验水平尚未达到用户心中对智能机器人的预期、整体价格水平尚未普及化和大众化、消费者仍处于观望阶段以及市场渠道上从业者过少。

2.2.2 国外研究现状

      国外智能家居机器人市场已经进入了一个快速发展的阶段，以下是关于国外智能家居机器人现状的调研结果：

① 市场规模

      根据市场研究公司IDC的数据，2021年全球智能家居市场的规模约为910亿美元，预计到2025年将增长到1550亿美元。智能家居机器人作为智能家居的一个重要组成部分，其市场规模也在不断扩大。

② 竞争格局

      目前，全球智能家居机器人市场的主要生产商包括iRobot、三星、LG等公司。这些公司在智能家居机器人领域拥有一定的市场份额，并且不断推出新的产品和技术。此外，一些新兴的创业公司也在智能家居机器人领域取得了不少进展。

③ 产品类型

      智能家居机器人的产品类型非常多样化，包括扫地机器人、拖地机器人、擦窗机器人、厨房助手机器人等等。这些机器人可以通过连接Wi-Fi网络实现远程控制，并且能够与其他智能家居设备进行联动，实现更加智能化的家居生活体验。国外智能家居机器人市场正在快速发展，市场规模不断扩大，技术水平不断提高，用户需求也不断增加。未来几年，随着人工智能技术的进一步发展和应用，智能家居机器人的智能化程度将不断提高，其在智能家居市场中的地位也将更加重要。

2.3 调研结果分析

      通过以上调研，可以得出以下结论：

      ① 智能家居垃圾分类投放机器人在家庭、公寓、酒店、办公室和公共场所等不同场景的应用具有广泛的前景，可以显著提高垃圾处理的效率和准确性。

      ② 在不同场景中，需要根据具体的环境和需求对机器人进行定制化设计，以满足实际使用的需求。例如，家庭环境中需要考虑不同类型垃圾的收集容器和收纳位置；公共场所中需要考虑机器人的操作界面和宣传教育功能等。

      ③ 智能家居垃圾分类投放机器人的应用可以提高公众对垃圾分类和处理的认识，促进环保意识的普及。例如，通过机器人的操作演示和教育宣传功能，可以向人们介绍垃圾分类的意义和方法，提高人们的环保意识。

      ④ 在商业应用中，需要考虑机器人的成本和效益问题，以确保机器人的投资回报率。例如，在酒店和办公室等场所中，需要考虑机器人的购置成本和维护费用与所带来的效益之间的关系。

      ⑤ 在公共场所中，需要考虑到公众对机器人的接受程度和隐私保护等问题，以确保机器人的顺利应用。例如，在公园和广场等公共场所中，需要向公众介绍机器人的操作原理和使用方法，以增加公众对机器人的信任度和使用意愿。

      ⑥ 在实际应用过程中，需要建立相应的管理制度和技术规范，以确保机器人的使用效果和维护保养的便利性。例如，需要制定针对不同场景的机器人操作规范和安全管理制度；针对机器人的维护保养计划和故障处理流程等也需要进行规范化和标准化管理。

      ⑦ 国内外智能家居机器人市场都在持续发展，智能家居设备和服务成为主要发展方向。长三角地区在机器人产业方面领先，珠三角地区机器人产业结构相对成熟，京津冀地区在特种机器人和服务机器人方面具有优势。

3. 设计原理

3.1 硬件设计

3.1.1 转向舵机的设计

      转向系统在车辆运行过程中有着非常重要的作用，设计良好的转向系统可以保证车身在行驶的过程中具有较好的方向稳定性和回正性，因此对于智能车机械结构的设计，转向系统的设计和优化是至关重要的。

      在实际操作中，本作品在保证转向系统良好的方向稳定性的前提下，着重考虑了车身如何实现快速转向的问题，考虑到地面摩擦阻力的影响，经过多次的参数测试，最终得到了一套可以稳定、高效工作的舵机pid参数；另外为了智能车转向系统的响应速度，在机械结构上尽可能减小了舵机传动杆和受到来自主动件动力的夹角，提高了舵机的工作效率，实现了预期目标。

3.1.2 车前轮的调校

      车模的前轮定位参数主要包括：主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前轮前束，通过一点点的调整得到了合适的参数，同时使得前轮轮胎呈现外“八”字形张开一定倾角，有效减小车在行驶时的转向阻力，使汽车转向轻便；另一方面还可以减小轴承及其锁紧螺母的载荷，从而增加这些零件的使用寿命，提高汽车的安全性和稳定性，一般前轮外倾角为10度左右。

3.1.3 车身的组装

      在组装车身时将主板、驱动板以及电池等安装在高度尽可能低的位置，通过有效的空间规划，最大限度地降低车的重心，提高车的稳定性，防止高速转弯时发生侧翻。为提高智能车的加速性能，本作品在组装车身的时候通过尽可能多地使用塑料制加固材料，将车身的重量降到最低，以避免因车身重量过大而导致的加速过慢等问题。

3.1.4 摄像头传感器的安装

      在实际操作过程中，摄像头的抖动对智能车工作的稳定性有很大影响，例如在智能车寻找道路的过程中，摄像头的抖动就可能造成标志位坐标发生改变，从而使智能车做出错误判断，一旦出现这种情况，就会严重拖慢智能车分类投放垃圾的速度，因此有必要加固摄像头传感器的安装。

      考虑到摄像头安装的位置相对较高，车身在加速、减速和急转弯的过程中均极易造成摄像头传感器安装杆的抖动弯曲，因此本作品在车身上加固了摄像头，有效解决了摄像头抖动的问题，同时也解决了由于摄像头抖动可能造成的车身重心不稳的问题，使智能车的平稳性得以提升。

3.1.5 测速模块的安装

      车在行驶过程中，要经过加速、减速、转弯等过程,在这些过程中，智能车的控制程序须读取当前左右电机的速度值，以便根据当前的速度值给电机驱动板一个适当的输出占空比，使车能够更好地完成这些动作。提高测速模块的可靠度和精度就直接影响了智能车的稳定性和响应速度，为提高精确度，本作品选用并合理安装了稳定性和准确性较好的磁性编码器。

3.1.6 电机的安装与差速的调节

      在安装电机时，本作品着重考虑并仔细调整了各部分之间齿轮的啮合程度，如果啮合角设置失当，则会导致齿轮极易损坏,从而使得传动性能大大降低。同样在转弯时后轮差速的调节也起着重要的作用，直接影响了车身在行驶过程中的稳定性，因此采用了后轮左右两轮独立控制的方式，并通过实验确定了不同转角时左右轮合适的差速设置。

3.2 软件设计

3.2.1 主程序流程

      采用模块化的编程思想，整体程序分为初始化模块、摄像头采集图像模块、状态判断模块、状态响应模块、运动实现模块、程序调试模块。程序模块化后易于调试和改进，也方便了对某个过程或某个细节进行针对性调整。

3.2.2 摄像头采集数据

      由于常规的摄像头采集图像数据的方法存在在处理图像数据时摄像头闲置的问题，这就在很大程度上降低了摄像头采集图像的效率，也拖慢了程序运行的速度。本项目采用奇偶场的方法使这一问题得到了有效的解决，具体算法为先设定两个摄像头存取数据的缓存区，摄像头采集数据，并将其存储到其中一个缓存区中，当程序处理此缓存区的数据时，摄像头继续工作，将数据存储到另一缓存区中，待第一个缓存区中的数据处理结束后，摄像头继续工作并重复上述步骤，这样就将程序循环一次的时间大大缩短，大大提高了程序运行的效率，使智能车的反应更为灵敏。

3.2.3 舵机的控制

      实际操作过程中，尤其是车以高速行驶时，舵机又往往会产生一定的延时，针对这个问题，本项目采用改进的PID算法，通过调整合适的参数，在很大程度上解决了舵机延时的问题。

3.2.4 速度的控制

      当车要经过减速或加速过程时，速度控制得当，则会使车不但在行驶过程中具有较高的稳定性，而且还可以大大地缩短完成任务所需的时间，因此速度的控制算法同样需要具有较好的自适应性和容错性，针对这一考虑，本项目同样采用了改进的PID算法，通过多次调试分析，找到了一套合适的参数，取得了良好的效果。

3.2.5 路径规划

      用灰度传感器对小车路径进行精确的规划，让其依次通过窄桥、楼梯、弯刀，然后进行图像识别，将垃圾进行准确的分类投放。

3.3 结构设计

      ① 机身结构：采用坚固的材料制作机身，确保机器人能够承受重量和保持平衡。

      ② 感知装置：机身顶部配备摄像头等传感器，用于实时感知周围环境、识别垃圾和分类容器。

      ③ 投放机构：机器人顶部配备多轴托盘投放机构，可根据垃圾种类和分类容器位置进行精确定位和投放。

      ④ 控制系统：采用高性能的控制器和传感器接口模块，实现对机器人动作和感知系统的集成控制。

4. 创新设计

       智能家居垃圾分类投放机器人的创新之处有以下几点：

① 车身设计

       间轮偏前的位置，可以利用姿态舵机抬起后轮产生的转动惯量使车头抬起并控制重心，因此我们在代码编写过程中多次利用该舵机带动后轮产生的转动惯量调整车身姿态，免去了很多优秀团队在车头安放舵机的方法，巧妙地利用姿态舵机也能使本车不再需要陀螺仪感知目前角度，精准的控制舵机能够精确地调整车身姿态。

② 机器视觉技术

       利用摄像头获取垃圾图片，并通过图像处理技术进行特征提取，实现垃圾分类。在特征提取过程中，利用卷积神经网络等深度学习算法进行训练，提高垃圾分类的准确率。

③ 自动分拣技术

       利用托盘等机器人装置将分类好的垃圾自动投放到不同的垃圾桶中，减少人工操作的参与，提高垃圾分类的效率和准确性。

④ 环保理念

       将智能家居与垃圾分类结合起来，实现家居垃圾的自动化分类和投放，有助于家庭垃圾的减量化、资源化和无害化处理，促进绿色环保理念的实践。

⑤ 智能家居技术的拓展

       通过智能家居技术，实现家庭垃圾的自动分类和投放，为智能家居技术的应用提供了新的思路和方法，有助于智能家居技术的进一步发展。

5. 实施方案

5.1 硬件实现

       根据设计原理，搭建机器人底盘，并安装传感器系统和托盘。确保机器人能够平稳移动、准确测量距离、捕捉图像和投放垃圾。

5.2 软件实现

      开发嵌入式系统软件，编写图像识别算法和控制算法。通过嵌入式系统与传感器和执行机构进行通信，实现机器人的自主运动和智能垃圾分类投放功能。

6. 实验结果与分析

6.1 功能测试

      对机器人进行功能测试，验证其是否能够准确识别垃圾桶类型、判断垃圾分类方式，并将垃圾投放到正确的垃圾桶中。测试使用多种不同类型和形状的垃圾桶进行验证。

6.2 性能评估

      评估机器人在不同垃圾分类场景下的性能表现，包括运动控制精度、图像识别准确率、抓取垃圾的稳定性等指标。通过与人工操作进行对比，分析智能机器人的优势和可行性。

7. 应用前景和挑战

7.1 应用前景

      智能家居垃圾分类投放机器人具有广阔的应用前景。它还可以应用于社区、学校、写字楼等各种场所，实现垃圾分类投放的自动化，提高垃圾处理效率，减少人力成本。

7.2 技术难点及解决方案

① 传感器技术

      在实现垃圾分类和识别时，需要使用图像识别、物体识别等技术，这些技术需要高性能的传感器支持。难点在于选择合适的传感器，并优化算法以提高识别精度。

      解决方案：选择高精度的图像传感器和物体识别传感器，并针对实际应用场景进行算法优化，提高识别精度和速度。

② 机械结构设计

      机器人的机械结构设计需要考虑稳定性、移动性和可维护性等因素。难点在于设计合适的机械结构，以满足实际应用需求。

      解决方案：采用模块化设计方法，将机器人分为移动模块、垃圾盛放模块、分类模块和投放模块等，便于维护和升级。同时考虑采用轻量化材料，提高机器人的移动性和稳定性。

③ 控制系统设计

      控制系统需要实现对机器人的精确控制和自动化操作。难点在于设计合适的控制器和算法，并考虑系统的可靠性和稳定性。

      解决方案：采用先进的控制算法和传感器技术，实现对机器人的精确控制。同时进行充分的测试和验证，确保控制系统的可靠性和稳定性。

④ 垃圾处理系统设计

      垃圾处理系统需要实现对不同类型垃圾的分类处理和投放。难点在于设计合适的垃圾处理机构和算法，并考虑系统的可扩展性和可维护性。

      解决方案：采用模块化设计方法，将垃圾处理系统分为多个模块，便于维护和升级。同时考虑采用先进的垃圾处理技术和算法，提高系统的分类处理能力和投放精度。

8. 结论

      通过本作品设计报告的介绍，本项目可以得出以下结论：智能家居垃圾分类投放机器人能够实现垃圾分类投放的自动化和智能化；机器人的硬件设计和软件设计相互配合，实现机器人的自主运动、图像识别和精确抓取；经过功能测试和性能评估，机器人可以准确完成垃圾分类投放的任务，可以帮助独居老人分类投放垃圾，从而降低了独居老人受伤的风险。

9. 展望

      智能家居分类投放机器人经测试完全可以胜任分类准确投放垃圾的任务，并且可以通过多种复杂地形条件，如窄桥、楼梯、弯道等，可以帮助独居老人投放垃圾。随着全球人口老龄化的进程加快，越来越多的独居老人不能得到贴心的照顾已经成为不争的事实，且应该会越来越多，那本项目设计的这一款智能家居垃圾分类投放机器人就充满意义，它可以满足独居老人的需要，可以降低独居老人在家受伤的风险，为老年人带来福祉，相信在以后，会有越来越多的人认可这款智能垃圾分类投放机器人。

* 本项目未获得作者开源授权，无法提供资料下载。