北京理工大學珠海學院2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計垃圾自動分類處理機分揀機構(gòu)設(shè)計垃圾自動分類處理機分揀機構(gòu)設(shè)計摘 要隨著垃圾越來越多的趨勢，垃圾填埋場也開始力不從心，如何讓垃圾減少土地污染，回收垃圾得到更好的利用，垃圾分類成為必須要攻克的問題。但由于我國此前并未對垃圾分類有很好的普及，導致人們對垃圾分類并不很了解，并覺得這樣很麻煩。因此，為了減少人類勞動和減輕垃圾處理廠的分類壓力，我們針對小區(qū)垃圾分類的問題設(shè)計了一款垃圾自動分類處理機，這款垃圾自動分類處理機是小區(qū)垃圾的初分類，主要是對可回收垃圾的分類處理，本文則對分類處理機的分揀機構(gòu)部分進行了設(shè)計。關(guān)鍵詞：垃圾分類；分揀機構(gòu)；圖像處理；IVWaste automatic sorting machine - sorting mechanism designAbstractWith the trend of garbage more and more, landfills are beginning to lose their power, how to reduce land pollution, recycling waste to get better use, garbage classification has become a problem that must be overcome. However, because China has not before the garbage classification has a good popularity, resulting in people do not know about garbage classification, and feel that this is very troublesome.Therefore, in order to reduce human labor and reduce the pressure of garbage disposal plant classification, we have designed a waste automatic sorting machine for the problem of community garbage classification, this garbage automatic sorting machine is the initial classification of community garbage, mainly for the sorting of recyclable waste, this paper is the sorting mechanism part of the sorting machine designed.Keywords: Garbage sorting; sorting mechanism; image processing;目錄1緒論11.1研究背景及其意義11.2機器視覺的構(gòu)成11.3研究內(nèi)容21.4研究方法32垃圾處理分類機分揀機構(gòu)方案設(shè)計32.1垃圾分揀機構(gòu)功能分析32.2垃圾分揀機構(gòu)功能實現(xiàn)32.2.1各種材料的識別方法42.2.2垃圾處理的執(zhí)行機構(gòu)52.3垃圾分揀機構(gòu)方案設(shè)計52.3.1拍攝方案的設(shè)計52.3.2傳送機構(gòu)與執(zhí)行機構(gòu)的方案設(shè)計63垃圾分類機分揀機構(gòu)設(shè)計83.1斜板設(shè)計83.2 擋板式分揀機設(shè)計83.2.1傳送機構(gòu)設(shè)計83.2.1.1 輸送帶機架83.2.1.2 輸送帶83.2.1.3傳動滾筒和改向滾筒113.2.1.4輸送帶受力計算123.2.2傳動功率的計算133.2.3執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計133.3圖像采集硬件方案143.3.1照明143.3.2相機153.3.3控制系統(tǒng)173.4傳感器與控制器174垃圾分揀機圖像處理184.1高光譜成像194.2 基于圖像識別的PyTorch 算法195設(shè)計總結(jié)20參考文獻21謝 辭221緒論1.1研究背景及其意義垃圾分類就是指人們將自己家里的生活垃圾按照國家給出的規(guī)定或標準在初階段就進行對垃圾的分類儲存、投放，在后期，垃圾處理機構(gòu)對垃圾分類搬運和處理，最終這些處理過后的垃圾會直接或間接的變?yōu)楣操Y源，這一系列的統(tǒng)稱就是垃圾分類。但是，很多人不明白的是為什么垃圾分類會與自身相關(guān)，實際上，垃圾在人們家中產(chǎn)生時是屬于個人私有品，只有在前往垃圾桶丟棄它時，它才屬于公共資源，所以，垃圾分類需要在源頭就開始執(zhí)行。每個國家進行垃圾分類的目的是為了提高資源的利用率，在資源衰竭的今天希望垃圾能夠物盡其用，提高資源價值和經(jīng)濟價值。每個城市對生活垃圾的分類標準是不一樣的，從全世界各城市來看，分類的標準一般都涉及成分、產(chǎn)生量、回收過程，再與地方處理垃圾的綜合能力來結(jié)合，進行對垃圾處理的方式和資源利用的安排。關(guān)于進行小區(qū)垃圾集中分類的優(yōu)點是可以減少垃圾處理量、降低處理成本等，對于后續(xù)垃圾處理來說，可以減少土地資源的消耗、提高資源的利用率，垃圾分類在大層面來說具有社會效益、經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。人們消耗大量的資源來進行生產(chǎn)，然后對這些資源進行大規(guī)模的消費，但是卻沒有對這些產(chǎn)生的垃圾進行處理，垃圾無公害化的處理費用從近百元到近千元，如果不對這些行為進行約束，反而任其發(fā)展，后果可能我們難以承受。全世界垃圾年增長速度為8.42%，而中國垃圾增長率達到10%以上。我國需要加緊進行處理垃圾的速度才能盡可能避免垃圾圍城的窘?jīng)r，因為我國垃圾處理行業(yè)起步較晚，現(xiàn)階段垃圾處理的手段主要分為衛(wèi)生填埋和高溫堆肥，個別經(jīng)濟發(fā)達地發(fā)展焚燒技術(shù)。但無論是哪一種垃圾處理的方式，處理費用都是十分高昂，若是處理不當還會產(chǎn)生二次污染。所以，垃圾分類處理可以最大限度有效的減少資源浪費，最大限度提取可再生資源，最大限度降低有毒有害物質(zhì)對環(huán)境的危害。1.2機器視覺的構(gòu)成機器視覺一項綜合技術(shù)，它作為人工智能正在快速發(fā)展的一個分支，它能夠處理用機器代替人眼來做一些測量和判斷，很多可代替人工的技術(shù)，比較常用的方面是圖像處理、機械（機電）控制技術(shù)、光學成像、傳感器、計算機軟硬件技術(shù)。機器視覺就是這些測量和判斷可以是很細微的區(qū)別的東西，可以用來彌補人眼的失誤。機器視覺系統(tǒng)的運作方式是將物體被相機或其他圖像攝取裝置取得的圖片轉(zhuǎn)換成為圖像信號（也可以說是光信號），然后這些信號會傳送出去到圖像處理系統(tǒng)，這些圖像處理系統(tǒng)會根據(jù)得到的圖像信號來對圖像進行分析，從而得到關(guān)于目標物體的這個圖片的關(guān)鍵信息，系統(tǒng)將這些信息例如亮度、顏色等轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，接著對這些提取出來的數(shù)字化信息進行計算和判斷，與前期的信息進行對比，提取目標物體的特征部分，最后系統(tǒng)會根據(jù)計算得到的結(jié)果來控制后續(xù)的執(zhí)行機構(gòu)的動作。機器視覺應(yīng)用系統(tǒng)中一般運用模塊是圖像捕捉、光源系統(tǒng)、圖像數(shù)字化模塊、數(shù)字圖像處理模塊、智能判斷決策模塊和機械控制執(zhí)行模塊。機器視覺經(jīng)常運用在一些人們需要進行長時間枯燥的機械性活動中，或者是用在一些不適于人工作業(yè)的危險工作環(huán)境，或者是人工視覺難以滿足要求的場合，系統(tǒng)在重復性高的工業(yè)生產(chǎn)的工程中可以提高生產(chǎn)的靈活性和效率，和提高工廠的自動化程度。對于一個可以運行機器視覺系統(tǒng)來說，照明、鏡頭、相機、圖像采集卡缺一不可；同時隨著時代的發(fā)展，PLC的高運行速度足夠快速處理視覺處理任務(wù)，從前用來加快處理視覺任務(wù)的視覺采集卡與處理器則慢慢的退出了市場。本節(jié)簡要的介紹一下這四個部分；首先是照明，光照質(zhì)量直接影響輸入照片的輸入質(zhì)量和應(yīng)用效果，所以照明是機器視覺系統(tǒng)輸入的重要部件。但是由于運用機器視覺的設(shè)備并不固定，所以市場也并沒有對照明設(shè)備進行統(tǒng)一的標準，因此可以針對現(xiàn)實應(yīng)用場景進行不同的應(yīng)用，從而選出相應(yīng)的照明裝置，達到此場照明的最佳效果。其次是鏡頭，在進行鏡頭選擇時需要尤為注意鏡頭的焦距、目標高度、放大倍數(shù)、到目標的距離、畸變等因素，這些是影響成像的關(guān)鍵。再其次是相機，高速相機一般為機器視覺系統(tǒng)所經(jīng)常選用的相機，現(xiàn)在有許多廠家對高速相機進行特定優(yōu)化，可以根據(jù)不同的實際情況對按需選取不同的相機。最后是圖像采集卡,作為同樣是機器視覺系統(tǒng)中一個非常重要的部件的圖像采集卡，其中有一種典型的捕獲卡可以快速的將圖像傳送到處理系統(tǒng)，還可以兼容PCI或AGP，同時圖像采集卡的接口類型直接決定了攝像頭的接口是否是黑白、是否是模擬相機等。1.3研究內(nèi)容本文以住宅小區(qū)垃圾分類處理為例，設(shè)計一臺以主要處理生活垃圾為主的自動垃圾分類處理機，結(jié)合塑料、紙類、玻璃、其他分辨的功能要求，研究垃圾處理機的分揀機構(gòu)系統(tǒng)，主要研究內(nèi)容如下：（1） 垃圾處理機的功能分析，確定垃圾分類的分揀方案。（2） 垃圾分揀圖像采集系統(tǒng)是將各垃圾進行圖像采集，以獲得圖像處理軟件所需的圖像，然后通過目標識別和判斷進行傳送帶將垃圾傳送到對應(yīng)的分揀執(zhí)行機構(gòu)處，配合后續(xù)計算機計算結(jié)果進行機構(gòu)的后續(xù)動作。包括:1)傳送設(shè)備和分揀執(zhí)行機構(gòu)的的設(shè)計; 2)圖像采集系統(tǒng)部分硬件的確定。（3） 基于機器視覺的垃圾分類識別圖像處理的方法研究針對各種材料對光線明暗的反射，像素率等的不同，進行各方案一定可行性的研究和探討。1.4研究方法根據(jù)本課題的研究內(nèi)容和機器視覺技術(shù)確定本課題的研究方法:(1) 確定系統(tǒng)的總體技術(shù)路線：綜合各方考量，決定選擇當前比較容易對垃圾種類進行辨別的機器視覺技術(shù)，應(yīng)用機器視覺技術(shù)和計算機可深度學習的模式進行模擬人類思考模式進行垃圾種類的自動識別與分揀。(2) 確定識別目標物體的方法：根據(jù)研究對象在種類、光暗反射率、成像光譜各方面的差異，為此選擇合適的識別方法。(3) 確定分揀目標物體的方法：首先要選擇構(gòu)成機器視覺系統(tǒng)的硬件設(shè)備以及用于目標分揀的機械設(shè)備，識別目標物體之后再進行分揀物體，因為需要將識別出來的物體從群體中進行正確的分揀，所以需要考慮使用何種裝置用何種方式進行分揀。(4) 進行系統(tǒng)控制過程的配合：在系統(tǒng)能夠目標識別和目標分揀基本任務(wù)實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化處理識別目標、分揀目標的過程的算法和系統(tǒng)性能，而這個過程中，目標物體可能正處于一個運動的狀態(tài)，這是一個上下緊密相連的運動過程，這個動態(tài)運動可能在控制時需要進行一定的考慮提高系統(tǒng)的分揀速度與準確，從而將目標物體分揀進合適的地方。2垃圾處理分類機分揀機構(gòu)方案設(shè)計垃圾分類機主要運用于實現(xiàn)小區(qū)內(nèi)各種垃圾分揀的初分類，擬減少后續(xù)垃圾處理的費用和人工。根據(jù)垃圾分類機的工作過程和所需要的功能，將之分為三部分：（1）分揀機構(gòu)裝置；（2）打包及推出裝置；（3）PLC電路控制部分。2.1垃圾分揀機構(gòu)功能分析垃圾分類處理機主要用于實現(xiàn)人群密集投放垃圾的自動化分類，旨在減少垃圾分類中的人力勞動，降低人力輸出，縮短人們因為分類垃圾所耗費的精力。根據(jù)垃圾分類處理機的工作過程及各部分的功能，可將處理機總共分成3部分：垃圾的分揀裝置，垃圾打包裝置和數(shù)字控制部分；圖2-1為垃圾分類處理機工作過程的示意圖。 圖2-1 垃圾分類處理機工作過程2.2垃圾分揀機構(gòu)功能實現(xiàn)垃圾分揀機構(gòu)主要用于垃圾投放進來以后實現(xiàn)各種垃圾的分辨，然后將之投放進正確的垃圾桶內(nèi)。本文集中于研究垃圾分揀的實時過程，設(shè)計分揀裝置，并基于機器視覺系統(tǒng)的分類來實現(xiàn)。本文的垃圾分類處理機主要分為左右兩個部分，左面是廚余垃圾的處理，右面則是其他生活垃圾的分類處理。根據(jù)垃圾自動分類機的工作過程，需要進入分揀系統(tǒng)的垃圾可能存在玻璃、紙類、塑料和其他生活垃圾，主要攻克部分就是將玻璃、紙類、塑料三者分開來，其余的垃圾直接投入“其他”垃圾桶。下圖2-2為本次設(shè)計中垃圾箱整體的結(jié)構(gòu)。圖2-2 垃圾分類示意圖垃圾分揀系統(tǒng)的工作過程為：垃圾放入投放口機器劃開垃圾袋機器視覺系統(tǒng)開始分辨垃圾傳送帶將垃圾傳送至指定位置分揀機構(gòu)將垃圾投放入垃圾桶。2.2.1各種材料的識別方法各種材料的識別方法可以通過利用機器視覺技術(shù)進行目標識別，其實質(zhì)是通過計算機技術(shù)對圖像進行去噪、增強、恢復、分割和特征提取等處理，對圖像進行圖像處理和分析。同樣的不同的目標提取的方法針對不同識別對象，識別整個圖像的形狀、大小、的位置、與圖像中其他物體的差異或一個整體的圖像背景的差異都會影響具體處理方法的選取。表2-1為各物體的分辨方法。表2-1 各物體的分辨方法分辨目標差異區(qū)分方法其他垃圾玻璃尖銳的形狀物體，或有晶體狀顆粒常規(guī)玻璃對于可見光波段的反射率一般在8%-10%之間紙類規(guī)則的方形物體；或類球體對光的吸收率為20%，反射量為80%左右。塑料有一定形狀；或瓶罐類反射光較小，透光率好金屬汽水鋁罐，柱狀體對波長在200nm500nm的光的反射率都約94% 廚余2.2.2垃圾處理的執(zhí)行機構(gòu)對于進行執(zhí)行分揀動作的機構(gòu)，我們需要考慮它運動時的動作，受控制時的過程復雜性，執(zhí)行動作時的響應(yīng)速度和靈敏度，綜合考慮后，選出了兩種代表性的機構(gòu)方案。一種是能夠根據(jù)既定程序和要求自動完成物體傳輸或操作的機械裝置。機械裝置一般由多個關(guān)節(jié)組成，具有多個自由度，可以與氣缸、機架、凸輪等運動部件一起在工作時驅(qū)動運動。而另一種機構(gòu)是基于氣缸的執(zhí)行機構(gòu)，這種機械結(jié)構(gòu)很簡單，僅由氣缸和彈射板組成。這種機構(gòu)自由度小，控制簡單，運動速度快，成本低，能適應(yīng)多種工作環(huán)境。與小組成員進行討論后，雖然基于氣缸的執(zhí)行機構(gòu)的成本低、自由度小，但由齒輪與軸帶動擋板進行擺動的過程速度可以較緩和，避免垃圾被推出垃圾桶范圍。2.3垃圾分揀機構(gòu)方案設(shè)計本文對垃圾處理機的垃圾分揀部分進行研究,利用機器視覺技術(shù)實現(xiàn)了對不同種類垃圾的自動識別和分類。從前文對機器視覺技術(shù)的簡單介紹可以看出，垃圾分類的工作過程為：傳感器感覺到物體到達輸送帶，圖像采集器開始攝取圖像并傳送到圖像處理器進行處理、提取、識別，系統(tǒng)識別判斷之后將識別結(jié)果傳輸?shù)娇刂破魇箞?zhí)行機構(gòu)進行動作。因此，實現(xiàn)分揀功能需要的設(shè)備主要包括傳送設(shè)備、傳感器、控制器、執(zhí)行機構(gòu)。2.3.1拍攝方案的設(shè)計本次設(shè)計中，我們將相機放置在傳送設(shè)備前端的上部，以得到最大的視野范圍，執(zhí)行機構(gòu)則位于傳送帶后端，圖2-2為該機構(gòu)示意圖。圖2-3 拍攝方案示意圖將相機置于傳送帶垂直上方，此時相機的視野范圍大，可以涵蓋整個傳送。拍攝前進行相機的標定，使得圖像左下角與坐標原點一致，以拍攝區(qū)域其中一點為（X1,Y1）為例，通過下列公式算出垃圾到達執(zhí)行機構(gòu)的時間；設(shè)傳送帶運動速度為v； （2.1） （2.2）（2.3）式中：t1-物體到達傳送帶末端時間t2-傳送帶末端到執(zhí)行機構(gòu)的時間t-圖像處理時間t-從圖像采集到執(zhí)行機構(gòu)的時間s-傳送帶到執(zhí)行機構(gòu)的距離2.3.2傳送機構(gòu)與執(zhí)行機構(gòu)的方案設(shè)計根據(jù)現(xiàn)有的自動分揀機構(gòu)進行改良優(yōu)化，使之更加適應(yīng)我們的垃圾分類機，目前自動分揀機主要分為七類：交叉帶分揀機、翻盤式分揀機、滑塊式分揀機、擋板式分揀機、膠帶浮出式分揀機、輥筒浮出式分揀機、條板傾斜式分揀機。滑塊式分揀機、膠帶浮出式分揀機、條板傾斜式分揀機、輥筒浮出式分揀機這四種分揀機都是特殊的帶式輸送機，滑塊式分揀機的傳送帶是由金屬管組成的，管上帶有滑塊裝置，當物體到達指定通道口時，通過計算機控制，就會使滑塊推動著物體逐漸離開輸送帶；膠帶浮出式分揀機是當物體到達通道口時，位于輸送機底部的受單獨鏈條的多條膠帶就會浮起，從底部托起物體，將它從輸送機的一側(cè)推出；輥筒浮出式分揀機的工作原理和膠帶浮出式分揀機非常相似，只不過輥筒式分揀機并不是由膠帶運送，而是由輥筒，同時輥筒浮出式分揀機的輥筒是斜向安裝的，一般用于輥筒式或鏈條式的主輸送機上，還有一種輥筒浮出式分揀機是采用一排能左右旋轉(zhuǎn)的輥筒，以氣泵提升，向左或向右都可以將商品抬起排出。翻盤式分揀機和條板傾斜式分揀機都是通過傾斜來使得物體從輸送機上掉落，不過翻盤式分揀機是輸送機上的托盤傾翻從而將貨物分揀出去，這種分揀機常用于快遞行業(yè)和機場的行李分揀；條板傾斜式分揀機是物體放在輸送機的條板上，當?shù)竭_位置后，條板的一端就會升起，使物品內(nèi)的板條同時傾斜，物體滑出輸送機，這種輸送機在一定限度內(nèi)對物品的長度沒有限制。擋板式分揀機是有擋板一端作為支點，可以旋轉(zhuǎn)。當擋板移動時，它會擺動后形成一堵墻阻擋貨物繼續(xù)向前移動，利用輸送機對商品的摩擦力推動，使商品沿著擋板表面移動，從輸送機上離開。平時那塊擋板在輸送機的一側(cè)，并不會阻礙物品的移動，只有在收到進行擺動指令時才會進行動作，擋板安裝時并不會與輸送帶的表面進行接觸，因為擋板需要和物體進行接觸運用摩擦力將物體推下輸送機，所以經(jīng)常使用滾輪或光滑的塑料材料安裝在擋板表面以減小摩擦力。經(jīng)過上述各分揀機的優(yōu)缺點，以及結(jié)合我們分揀機所需要的環(huán)境和成本等因素，決定選用擋板式分揀機，擋板選用曲線型，以便更好的進入滑道內(nèi)，工作面采用光滑的塑料材料，持久耐用，減少維護成本。圖2-3為擋板式分揀機的圖。圖2-4 擋板式分揀機示意圖輸送帶操作安全，輸送帶使用簡便，維修容易，運費低廉，節(jié)省人力物力。傳送帶皮帶部分選用尼龍材質(zhì)帆布運輸帶，在潮濕有水的環(huán)境也可以運行。圖2-4為分揀機構(gòu)傳送帶基本形狀。圖2-5 分揀機構(gòu)傳送帶方向綜合各方面因素，本章對實現(xiàn)分揀系統(tǒng)需求的方法提出比較明確的方案，對垃圾分類的分揀系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進行研究，基于各種原理詳細介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計了垃圾分揀系統(tǒng)的拍攝方案，最后選擇了處理和控制過程簡單，準確率高的方案作為本文的分揀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。3垃圾分類機分揀機構(gòu)設(shè)計本章主要完成垃圾分類機分揀機設(shè)計部分，包括分揀機械部分的改進、對垃圾分辨特性進行特別的照明設(shè)計、完成分揀機硬件方案選擇。3.1斜板設(shè)計在垃圾投放口與輸送帶之間，采用一片斜板來進行二者的連接，由前節(jié)可以看到，垃圾箱的投放口在離地1200mm處，同時輸送帶機架在900mm處，然后可以得出，斜板的長度為728mm，寬度為650mm，厚度為10mm，為了防止垃圾從斜板中掉落，斜板兩邊附有高150mm的薄擋片。圖3.1 斜板3.2 擋板式分揀機設(shè)計3.2.1傳送機構(gòu)設(shè)計由傳送帶特殊工作環(huán)境可得知，連續(xù)單向運動，全天制不定時運作。傳送帶部分分為左邊和右邊進行運動，當相機檢測到是廚房垃圾時，傳送帶向左邊運動，檢測到是玻璃等其他垃圾時，輸送帶向右邊運動進行進一步的分揀。傳送帶各部分裝置一般分為驅(qū)動裝置、輸送帶、頭部傳動滾筒、改向滾筒、托輥等。3.2.1.1 輸送帶機架綜合多方面考量，從價格、環(huán)境、重量、安裝難易程度等，本文設(shè)計決定采用鋁合金框架作為輸送帶的機架，輸送帶機架高900mm，采用鋁合金管作支撐，直徑為200mm。3.2.1.2 輸送帶輸送帶的速度取決于輸送物料所需要的速度，它是傳送設(shè)備的承載機構(gòu)，所以要一定的耐磨性、較高的強度和良好的撓曲性。輸送帶一般分為橡膠運輸帶、塑料運輸帶、鋼帶、金屬網(wǎng)帶等。橡膠運輸帶由數(shù)層棉織布用硫化橡膠黏結(jié)而成，帶的上、下面及左右兩側(cè)都覆以橡膠保護層，棉織布的層數(shù)與膠帶的寬度有關(guān)，層數(shù)加多，能承載的總壓力也越多，但層數(shù)增加時，帶的橫向撓曲性減小。本文根據(jù)GB/T 23677-2017輕型輸送帶、GB/T 4490-1994 輸送帶尺寸給出的標準來設(shè)計。輸送帶骨架由尼龍織物組成，由于輸送帶運送的貨物會含有尖銳物體，所以輸送需要覆蓋層，覆蓋層為橡膠。從運行環(huán)境與國標的對比，輸送帶的總厚度采用厚度5毫米，輸送帶寬度為B=500mm；輸送帶采用環(huán)形帶，長度為12.00米。表3.1GB/T 23677-2017輕型輸送帶輸送帶總厚度規(guī)格總厚度0.50.81.01.31.62.02.53.04.05.05.66.38.0注：超出表中R10系列的規(guī)格可由供需雙方確定。 單位為毫米表3.2 GB/T4490-1994輸送帶尺寸輸送帶長度及其極限偏差輸送帶類型輸送帶長度，m極限偏差環(huán)形帶1550mm>152075mm>200.5%表3.3 GB/T4490-1994輸送帶尺寸輸送帶寬度及其極限偏差輸送帶寬度，mm極限偏差輸送帶寬度，mm極限偏差3005mm16001%400180050020006001%220065024008002600100028001200300014003200本文選用NN-100的尼龍芯膠布三層橡膠覆蓋層的輸送帶，查表3.4，上覆蓋膠厚1.5mm，下膠厚1.5mm。表3.4 常用輸送帶型號與規(guī)格織物類型織物構(gòu)造織物型號膠布厚度（mm/P）強度系列（N/mm)覆蓋膠厚度 mm寬度范圍帶長（m）尼龍經(jīng)緯2層3層4層5層6層上覆蓋膠下覆蓋膠300綿綸（N）錦綸（N)NN-1000.702003004005006001.5-80-4.5400-2500NN-1250.75250375500625750NN-1500.80300450600750900NN-2000.9040060080010001200500-2500NN-2501.10500750100012501500NN-3001.25-900120015001800NN-3501.35-1050140017502100800-2500NN-4001.70-160020002400NN-5001.80-2000250030003.2.1.3傳動滾筒和改向滾筒頭部傳動滾筒的的直徑和長度符合GB/T 10595 2009的規(guī)定。由帶寬B=500mm，本文選擇直徑200mm，長度為200mm的傳動滾筒，轉(zhuǎn)速在800-1000r/min之間。表3.5 GB/T 10595 2009輸送機滾筒的直徑的標準滾筒直徑200、250、315、400、500、630、800、1000、1250、1400、1600、1800表3.6 輸送機滾筒長度、直徑與帶寬的組合帶寬B滾筒長度L滾筒直徑D300400200、250、315、400400500200、250、315、400、500500600650750200、250、315、400、500、630800950200、250、315、400、500、630、800、1000、1250、1400改向滾筒主要用于改變輸送機的運行方向，通常用于180、90和<45的方向改變，改向滾筒一般布置在輸送機尾部，它的結(jié)構(gòu)型式與傳動滾筒一致，改向滾筒的直徑關(guān)系與傳動滾筒的直徑有著匹配關(guān)系，選用改向滾筒的直徑參見下表。所以尾部改向滾筒由表3.7可以得出，尾部改向滾筒的直徑為400mm。由于改向滾筒不參與傳動工作，它由傳動滾筒提供的傳動動力由輸送帶帶至尾部進行運動，由此將輸送帶在尾部進行180的轉(zhuǎn)動。表3.7 傳動滾筒直徑與改向滾筒直徑的關(guān)系帶寬傳動滾筒直徑180尾部改向滾筒直徑5005004006505004006305003.2.1.4輸送帶受力計算傳動滾筒的圓周驅(qū)動力為所有阻力之和，則有公式（3.1）： （3.1）式中：F總-圓周驅(qū)動力；FN-附加阻力；FST-傾斜阻力；FH-主要阻力；FS1-附加特種阻力，托輥前傾摩擦等；其中，由于本輸送帶是水平放置，F(xiàn)ST的傾斜阻力為0，附加阻力FN也為0；主要阻力的計算公式為式（3.2）： （3.2）式中：qRO-承載分支托輥組每米長度旋轉(zhuǎn)部分重量；qRU-回程分支托輥組每米長度旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量；qB-每米長輸送帶的質(zhì)量；qG-每米長輸送物料的質(zhì)量；由于輸送帶水平放置角度取0，cos1，考慮輸送帶工作環(huán)境和各影響方面，帶速v取1m/s，同時假設(shè)物體最大重量60kg， （3.3）由表3.4可以查出，該輸送帶的上膠厚為1.5mm，下膠厚為1.5mm，每毫米膠面厚重1.25kg/m2，則我們可以算出每米輸送帶的質(zhì)量： （3.4）模擬摩擦系數(shù)根據(jù)工作環(huán)境、設(shè)備質(zhì)量的不同來選取，根據(jù)表3.8模擬摩擦系數(shù)，可以選得摩擦系數(shù)f=0.03。表3.8 模擬摩擦系數(shù)表輸送機工況工作條件和設(shè)備質(zhì)量良好，帶速低，物料內(nèi)摩擦較小0.020.023工作條件和設(shè)備質(zhì)量一般帶速較高，物料內(nèi)摩擦較大0.0250.035工作環(huán)境惡劣、多塵低溫，設(shè)備質(zhì)量較差、托輥成槽角大于350.0350.045 由于本設(shè)計中并未采用托輥、卸料槽清掃器等額外裝置，所以附加阻力FN=0,特種阻力FS1=0，且輸送帶使用水平安裝，傾斜角度為0，則FST=0；既可得出：3.2.2傳動功率的計算傳動滾筒的功率計算如下式： （3.5）所以，傳動滾筒的功率為127.6W。3.2.3執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計分揀機構(gòu)執(zhí)行部分通過一塊擋板擺動將垃圾推入垃圾箱內(nèi)。該擋板的長約為500mm，高150mm，厚度約為20mm，與皮帶接觸面有35mm的間隙，減少與皮帶的摩擦接觸。擋板通過軸與下方的齒輪進行連接，通過電機帶動齒輪從而帶動擋板進行翻擺運動。圖3.3 擋板式執(zhí)行機構(gòu)按照輸送機設(shè)置的最大載荷垃圾重量60kg，速度取1m/s，可以將物體快速掃落，連接軸的直徑為100mm，根據(jù)上述數(shù)據(jù)，我們可以得出： （3.6） （3.7） （3.8）所以，擋板運作時需要的功率為470.4w，軸的轉(zhuǎn)速為191.08r/min，扭矩為23.52N/M。3.3圖像采集硬件方案3.3.1照明分揀系統(tǒng)的核心部分為圖像采集部分，如果沒有良好的圖像采集能力，則無法判斷出該垃圾的種類，而良好的圖像采集需要獲取較高的圖像質(zhì)量，影響圖像質(zhì)量的重要因素之一便是照明。不同的光源、光源不同的位置照射出來的圖像效果也并不一樣，所以，在照明上的重要選擇因素就是燈光種類的選擇和打光的位置。機器視覺中的光源種類有很多，其中按照燈光的形狀可分為環(huán)形光源、條形光源、背光源、點光源等；按填充物又可分為鹵素燈、熒光燈和LED燈。表3.9 光源性能參數(shù)光源類型壽命（小時）色溫（K）發(fā)光效率（lm/w）光電轉(zhuǎn)化率鹵素燈5000-70002900（白色偏黃）17-3310%熒光燈10000-200003000（白色偏綠）8030%LED80000-1000003500（白色）10060%從表3.9中可以明顯看出，LED燈的各方面性能指標都比其他類型的燈優(yōu)異，不僅如此，LED燈可以做成各種顏色和形狀、尺寸和燈光的照射角度，還可以隨時調(diào)節(jié)亮度。LED燈不僅有著上述相比較下的這么多優(yōu)點，它的性價比也是非常的高的，因此LED燈在市場的占有率也開始逐步上升，漸漸成為各種需要照明系統(tǒng)中的照明的首選，所以LED燈也成為市面上經(jīng)營視覺光源的廠家的主要售賣產(chǎn)品，綜合各方考慮，本文也是采用了LED燈作為照明光源。3.3.2相機工業(yè)相機是圖像采集系統(tǒng)的核心部分，它的工作原理是將光信號變成電信號進行有序的輸出，良好的工業(yè)相機應(yīng)有著好的成像質(zhì)量，高清晰度，高穩(wěn)定性和好的傳輸能力。工業(yè)相機的選用需要注意以下幾點：分辨率：數(shù)字圖像使用像素來進行描繪，分辨率越大像素越多，像素越多則圖像的清晰度越高。但同時，分辨率越大的圖像，數(shù)據(jù)就越大，后期圖像的計算速度就會變慢。所以，分辨的選擇應(yīng)該依據(jù)實際情況來選擇： ，在保證圖片質(zhì)量和清晰度的情況下，因為本文中的圖像處理并不打算對圖片進行細微的操作，所以我們可以采用較小的分辨率的相機來提高圖像處理的速度。幀率：即相機采集傳輸圖像的速率，相機每秒采集圖像的幀數(shù)和行數(shù)分別對應(yīng)面陣相機和線陣相機，因為分揀系統(tǒng)在執(zhí)行圖像采集、圖像分析的時候，輸送帶是運動中的，對幀率有一定的要求。感光度：指的是被測物光亮低到一定程度時相機輸出的視頻信號電平低到規(guī)定值時的景物亮度，由于本文中判斷垃圾的方法是依據(jù)光暗變化來實現(xiàn)區(qū)別，所以相機的這一參數(shù)也極為重要。焦距：景深意味著當相機的焦距在某一點上對齊時，當圖像在該點之前或之后的某個距離內(nèi)移動時，它仍然可以保持圖像清晰。根據(jù)焦距是否可調(diào)，可分為固定焦距鏡頭和變焦鏡頭。從鏡頭中心到平面，與光圈的使用、鏡頭焦距、與形成清晰圖像之間的距離，這決定了相機視角的大小，焦距越小，拍攝范圍越大。本文要求定位精度為1mm，相機可視范圍大于等于500*800mm，分辨率應(yīng)大于500*800pix，同時，相機是連續(xù)抓拍圖片，為了盡量不漏物體，幀率選用大于20fps的，結(jié)合上述考量，選用出兩款相機作為比較，型號分別為德國BASLER公司的avA2300-25gc - Basler aviator和acA2040-25gc - Basler ace，如圖3.2所示。 A）avA2300-25gc - Basler aviator B）acA2040-25gc - Basler ace圖3.4 兩款工業(yè)相機兩款相機在分辨率以及幀率的處理能力都相差無幾，且兩者同是彩色相機，不過avA2300-25gc相機的感光芯片采用的是CCD，而ace采用的是CMOS的芯片，雖然CMOS芯片的傳輸速度特別快，但它的感光度要比CCD的低上不少，同時，由于CMOS芯片的自有問題，它的固有噪音比CCD的要高上10倍，而這些噪音會在圖片中顯示出來，所以選用CCD的avA2300-25gc - Basler aviator相機。avA2300-25gc - Basler aviator 相機的幀率最高可達26fps，完全滿足本設(shè)計中的輸出要求。同時鏡頭則選用同公司與相機搭配的Kowa Lens LM12HC F1.4 f12.5mm 1”固定焦距鏡頭。下表中分別為相機與鏡頭的重要參數(shù)表。表3.10 avA2300-25gc - Basler aviator相機的重要參數(shù)感光芯片CCD感光芯片尺寸12.8mm*9.6mm分辨率4MP幀速率26fps像素位深12bits接口GigE電源12VDC功率6W表3.11 Kowa Lens鏡頭的相關(guān)參數(shù)鏡頭焦距12.5mm鏡頭接口C-mount光圈F1.4-F16.0光圈類型manual靶面尺寸1”工作距離300mm3.3.3控制系統(tǒng)在前面我們已經(jīng)選完了系統(tǒng)中的硬件，接下來就是軟件了，軟件相當于一個大腦在視覺分揀系統(tǒng)，它負責控制硬件的相互配合。對于分揀系統(tǒng)來說，軟件的結(jié)構(gòu)和運行決定了系統(tǒng)的智能性、穩(wěn)定性、可靠性和自動化水平，由此，提高圖像算法的準確度和魯棒性、軟件結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是特別重要的一個事情。參考資料后，本文選用了美國國家儀器公司的LabVIEW虛擬儀器的軟件平臺，這家公司提出了一種構(gòu)成儀器系統(tǒng)的新概念虛擬儀器，其基本思想是用計算機資源取代傳統(tǒng)儀器中的輸入和輸出等部分，利用計算機中的軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的硬件數(shù)據(jù)處理部分，即是不需要用硬件也可以完成軟件計算，它有著運行速度快、加速執(zhí)行代碼、開發(fā)周期短、開放式平臺等一系列的優(yōu)點。本分揀系統(tǒng)的圖像采集采用傳感器觸發(fā)的方式，當傳感器被觸發(fā)后，計算機初始化，系統(tǒng)運行，相機開始準備拍照，同時程序啟動傳送帶。隨后在相機連續(xù)采集圖像后，圖像通過PC端被進行處理，當判斷出何種物體后，程序向所在分揀執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送準備分揀指令，并實時跟蹤目標位置。當執(zhí)行機構(gòu)反饋擋板已就緒的信息后，系統(tǒng)會將實時跟蹤到的目標位置發(fā)送給執(zhí)行機構(gòu)，最后擋板完成擺動，將垃圾推入垃圾桶內(nèi)?；谝曈X的分揀系統(tǒng)軟件程序流程如下面程序框圖所示。圖3.5 系統(tǒng)程序流程圖3.4傳感器與控制器傳感器是啟動視覺處理系統(tǒng)運行的一環(huán)，只有傳感器感應(yīng)到目標物體的進入才會觸發(fā)相機開始攝取圖片，然后系統(tǒng)才會進行后續(xù)的工作。傳感器在實際中有很多不同的類型，壓力傳感器、位置傳感器、溫度傳感器等，根據(jù)本文設(shè)計中，垃圾是有重量的，由此我們選擇了壓力傳感器，并把傳感器放置在斜板的下方，當它感受到斜板壓力的變化后，將信號傳遞給相機。這個傳感器的型號是MPX5700D，它的輸出端是模擬。圖3.6 壓力傳感器控制器是系統(tǒng)的載體，各個零件的輸入輸出都是在這里完成的，本文選用了影火工控機YHC系列的工業(yè)級無風扇固態(tài)工控機，這件控制器能夠適應(yīng)多種工作環(huán)境，有接近50個不同的接口，適配多樣的機器，且運行功率僅12-15W，適配電源為12V3A，計算能力也很強。圖3.7 工控機尺寸4垃圾分揀機圖像處理數(shù)字圖像處理是利用計算機對數(shù)字圖像進行優(yōu)化和分析。在視覺系統(tǒng)中，圖像采集設(shè)備受限于相機本身的工藝問題和現(xiàn)場的干擾問題，所采集圖像有可能發(fā)生部分失真或者噪聲污染嚴重等情況。直接提取這種受損圖片的特征會對識別結(jié)果造成一定的影響，因此通過應(yīng)用各種圖像處理技術(shù)對圖像進行加工，使得計算機獲取圖像中感興趣的目標物體。但由于垃圾分類圖像處理部分過于復雜，本文將兩種可行方案進行探討。4.1高光譜成像高光譜成像是由于不同物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)的不同組合對不同的光波長有著不一樣的吸收，最終會呈現(xiàn)出不同的對于反射率光譜的信息。高光譜成像有著因光譜分辨率高、圖譜合一、可實現(xiàn)快速無損檢測等特點，現(xiàn)在已經(jīng)運用在許多的場合。根據(jù)趙冬蛾、吳瑞等人的高光譜成像的垃圾分類識別研究可以明顯看出，采集的樣品在近紅外（7801000nm）的范圍內(nèi)，通過去噪、黑白校正、反射率等信息處理和成分分析，可以提出訓練樣本的特征波段，又從這些特征波段中提取出幾種樣品的的參考波段光譜。隨后再將測試樣本通過光譜角度填圖法找出它們的ROI區(qū)域（感興趣區(qū)域），然后將測試樣品的高光譜成像的特征波段與參考光譜的特征波段進行對比匹配，結(jié)果表明通過光譜角度填圖法，在測試樣品中分類紙類樣品的準確度是100%，塑料樣品為98%、木制樣品為100%；通過Fisher判別方法的判別函數(shù)式和判別準則的分類的結(jié)果表明，紙類的為100%、塑料的是100%，木制樣品為97%。這兩種通過高光譜成像進行物體檢測與識別的辦法中，光譜角度填圖法分類準確的平均率約為99.33%，而Fisher判別方法的準確率約為99%，數(shù)據(jù)顯示出利用光譜角度填圖法能夠在檢測與分類中得到更高的準確度，從而實現(xiàn)更精準的物體投放。雖然這項實驗數(shù)據(jù)只是實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)，但也由此驗證了高光譜成像在垃圾分揀中實際運用的可行性和科學性。4.2 基于圖像識別的PyTorch 算法利用PyTorch軟件建立一個數(shù)據(jù)庫，訓練計算機的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)讓計算機記住各種垃圾分類的主要特征，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是指一類包含卷積計算且具有深度結(jié)構(gòu)的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用于計算機視覺、自然語言處理，是深度學習的代表算法之一，也被稱為平移不變?nèi)斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)。這一類的圖片識別方法是將各種垃圾的圖片進行先一步的分類，就是將玻璃、塑料、金屬、紙類、其他垃圾的大量圖片分類完畢后先一步導入計算機，然后讓計算機開始對訓練數(shù)據(jù)進行學習，此時需要運用到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并以此找出合理的訓練模型，然后學習這個模型，對這個模型進行訓練，解決模型困惑，最后就可以對測試數(shù)據(jù)進行預(yù)測。這種利用計算機算法的出來對于垃圾準確分揀的概率有92%左右，在一些可能會混淆的地方需要有更多的時間來讓計算機進行學習。在一定程度上可以說明，雖然這個方法在實際操作中過程可能會更復雜與需要更多的數(shù)據(jù)來模擬測試，但市基于圖像識別的PyTorch 算法的這個垃圾圖像處理方法在實際的運用的可能性。205設(shè)計總結(jié)本文開始選擇垃圾分類這個課題是因為近來我國政府開始對這方面的重視，但相反的是，由于居民對這個方面的薄弱的意識導致垃圾分類的實施有些艱難推進，對此我們提出了一種可以在小區(qū)范圍內(nèi)投放的垃圾分類垃圾箱，首先可以在一定程度上解決人們丟垃圾的問題，其次就是減少因為垃圾不分類導致的資源浪費的問題。本文設(shè)計的分揀機構(gòu)，利用機器視覺處理系統(tǒng)，代替人眼來分辨垃圾的圖像，從而進行判斷，然后輸送機運送目標垃圾到達擋板處，最后擋板將目標垃圾推入應(yīng)屬的垃圾桶中。這套方案在理論上是可行的，而且它能避免清理垃圾的工作人員近距離的接觸垃圾，會更安全衛(wèi)生。此分揀機構(gòu)只是提出了一種設(shè)想，但如果從結(jié)構(gòu)、成本等實際方面的考慮，仍還有許多地方需要更進一步的分析和調(diào)整。根據(jù)這次設(shè)計分析后，我總結(jié)出以下幾點可以更深入的方面，一是可以對垃圾進行更細分的設(shè)計，二是完善對圖像系統(tǒng)提取信息的能力，三是對分揀機構(gòu)的優(yōu)化，能夠更精準分揀垃圾。參考文獻1肖仁，吳定會,歐陽洪才基于機器視覺的自動分揀系統(tǒng)設(shè)計研究綜述J技術(shù)瞭望，2017，43-482 胥磊，機器視覺技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望J.設(shè)備管理與維修，2016（09），7-93 徐家寶基于視覺的機器人分揀系統(tǒng)湖南：湖南大學，20174 袁紫薇基于機器視覺的番茄收割機實時分揀系統(tǒng)研究西安：長安大學，20175 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