引言在不同的道路情况下清理垃圾，对机器人的行走机构有不同的要求。平坦道路情况下适合用车轮式机器人，其摩擦阻力小、能耗低、机械效率高；复杂道路情况下适合用履带式机器人，其接触面积大、接地比压小、抓地力强。但是如果同时使用两种机器人，则无法达到经济、实用的目的。为解决上述问题，本文设计一种轮履切换型道路垃圾清理机器人，利用机器视觉技术监测道路情况，进行车轮式机器人与履带式机器人之间的切换，以适应不同的路况，对道路上的垃圾进行清理，可有效减少能源损耗，达到节能的目的。1机械结构设计设计的一种轮履切换型道路垃圾清理机器人，根据工作需求，进行机械结构的设计、建模，对结构进行分析，验证结构设计的合理性；对机械臂进行建模以及运动学分析；设计机器人的机器视觉控制系统，完成总体设计。机械结构部分包括轮履切换机构、机械臂、收集箱、清扫模块。使用三维建模软件Solid works建立轮履切换型道路垃圾清理机器人的结构模型。其整体结构如图1所示，轮履切换机构如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.014.F001图1轮履切换型道路垃圾清理机器人整体结构图10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.014.F002图2轮履切换机构（1）轮履切换机构：车轮和履带的安装平面相互垂直，轮履切换机构的两端安装回转副，通过回转副的回转运动使轮履切换机构翻转，控制车轮或者履带接触地面，从而进行车轮式机器人与履带式机器人之间的切换，应对不同的道路情况。（2）机械臂由基座、立柱、臂部、腕部、手部组成。立柱与基座构成回转关节；大臂与立柱、大臂与小臂构成俯仰关节；腕部采用单自由度手腕，含有一个回转关节；手部采用外夹式机械爪，通过舵机的运行实现机械爪的开合，配合立柱、臂部、腕部实现垃圾的拾取与收集。（3）收集箱：带箱盖，用于暂时存放机器人在工作过程中清理到的垃圾。（4）清扫模块：由盘刷、滚刷和吸尘口等结构组成，对灰尘等垃圾进行清理。2机械臂模型及运动学分析2.1机械臂运动学模型四自由度机械臂（不含机械臂末端执行器）由立柱、大臂、小臂、腕部等组成。机械臂有4个转动关节，分别为腰关节、肩关节、肘关节、腕关节，前3个关节用于确定手腕中心点的具体位置，第4个关节用于调整末端手部的姿态。根据D-H坐标系建系规则，建立机械臂关节坐标系如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.014.F003图3机械臂关节坐标系{0}系建在基座上，{1}系建在腰关节，{2}系建在肩关节，{3}系建在肘关节，{4}系建在腕关节，且{0}系与{1}系原点重合。四自由度机械臂各杆件参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.05.014.T001表1四自由度机械臂杆件参数项目θidiaiαii=1θ1000i=2θ2d2090°i=3θ30a30i=4θ4d4090°2.2机械臂正向运动学给定机械臂各个杆件的参数，根据各关节坐标系的齐次变换矩阵推算出机械臂末端中心的位置与姿态，称为机械臂的正向运动学。根据D-H参数法坐标系变换，一个坐标系相对于上一个坐标系的齐次变换矩阵为：Ti=Rot(z,θi)Trans(0,0,di)Trans(ai,0,0)Rot(x,αi)=cθi-sθicαisθisαi aicθisθicθicαi-cθisαiaisθi0sαicαidi0001由此，可计算得机械臂各关节坐标系的齐次变换矩阵：T1=c1-s100s1c10000100001    T2=c20s20s20-c20010d20001T3=c3-s30a3c3s3c30a3s300100001   T4=c40s40s40-c40010d400010T4=T1T2T3T4=nxoxax pxnyoyaypynzozazpz0001其中，nx=c3c4(c1c2-s1s2)+s3s4(s1s2-c1c2)ny=c3c4(s1c2+c1s2)-s3s4(s1c2+c1s2)nz=s3c4+c3s4ox=c1s2+s1c2oy=s1s2-c1c2oz=0ax=c3s4(c1c2-s1s2)-s3c4(s1s2-c1c2)ay=c3s4(s1c2+c1s2)+s3c4(s1c2+c1s2)az=s3s4-c3c4px=d4(c1s2+s1c2)+a3c3(c1c2-s1s2)py=d4(s1s2-c1c2)+a3c3(s1c2+c1s2)pz=a3s3+d2（si=sinθi,ci=cosθi）2.3机械臂逆向运动学由机械臂末端执行器中心的位置和姿态反向推算得到机械臂各杆件的具体参数，称为机械臂的逆向运动学。因此，逆向运动学的解可能不存在，可能出现唯一解，也可能出现多解，这是逆向运动学的特性。由推算得机械臂运动学逆解，再对其进行路径规划，可精准控制机械臂对物体的抓取。3控制系统设计文中设计的轮履切换型机器人通过视觉模块将道路情况等信息传递回上位机，由上位机对机器人进行控制。3.1视觉模块目前广泛应用的相机有普通相机和深度相机。普通相机一般情况下只能获取二维坐标，而深度相机可获得像素点的三维坐标。根据机器人工作需求，选择深度相机，所以选用Kinect双目视觉传感器作为机器人的视觉模块。Kinect传感器是一种3D式摄像机，由RGB摄像头、红外发射器、红外接收器等组成。红外发射器发射一束激光，遇到障碍物后会返回，红外接收器会接收返回的激光，由红外发射器与红外接收器的功能就可对探测物体进行建模。RGB摄像头可采集彩色图像。在摄像头图像识别要抓取物体的二维像素坐标（X,Y），转化为以相机中心点为原点的三维坐标（X,Y,Z）,以机械臂基座建立基坐标系，转化坐标为（Xw,Yw,Zw），根据工作需求确定机械臂末端执行器的位置与姿态，对机械臂逆向运动学进行求解，进行路径规划，最后驱动机械臂各个关节的电机以及末端执行器进行物体的抓取。3.2单片机模块选用STM32F103VET6作为机器人的主控芯片，其拥有众多I/O口、定时器、串口等资源、驱动机器人上的各类电机实现机器人的工作。配合视觉模块，利用远距离蓝牙无线传输技术，实现对机器人的精准控制，可有效减少能源的浪费。4结语针对垃圾存在于平坦道路或者复杂路况等不同情况，设计出一种轮履切换型道路垃圾清理机器人。设计机器人的机械结构，通过轮履切换机构回转副的回转运动进行车轮式与履带式的切换，对四自由度机械臂进行建模以及运动学分析，最后设计机器人的机器视觉控制系统，完成整个项目的设计。设计的轮履切换型道路垃圾清理机器人可以应对不同的道路情况进行垃圾清理，代替车轮式与履带式两种机器人进行工作。在平坦道路上切换为车轮式机器人，其摩擦阻力小，能耗低，机械效率高；在雪地、山坡、泥泞、草地等复杂路况上切换为履带式机器人，其接触面积大，接地比压小，抓地力强；实现机器人的多功能性，减少了能源的损耗，可达到经济、实用、节能的目的；并且，在一定程度上解决了道路垃圾清理的问题。在当下提倡节能减排的社会，该机器人具有一定的使用价值。