本发明属于搬运及卸载设备技术领域，适用于公园、校园及小区等公共场所，具体涉及一种用于垃圾箱搬运及卸载的环卫机器人及其控制方法。
背景技术：
随着人类社会不断发展，人们的生活质量越来越高，随之产生的垃圾也越来越多，尤其是小区、校园、公园内的人行道。然而，随着当前科技的发展和人们对美好生活的追求，大多数人不再愿意从事运输环卫垃圾和装卸车这种工作量大、辛苦且收入低的清洁工作；并且由于垃圾过多，经常出现垃圾箱替换不及时导致垃圾箱垃圾溢出，影响市容市貌，从而更加难以清理的恶性循环问题。
现有的清理垃圾箱环卫机器人大多用搬运机构和倾倒机构两个机构实现垃圾箱的替换与倾倒，机构尺寸过大，且不能实现自动控制，依然需要固定人员来操作车辆以实现倾倒垃圾。沃尔沃roar项目开发的无人机控制的机器人能通过无人机扫描并告诉机器人垃圾桶的位置从而抓取垃圾箱，然而这一过程需要至少一名司机操纵无人机和车辆卸载，在解放劳动力方面仍受局限；机器人小车需要一辆垃圾车随车跟随，空间占用较大。
技术实现要素：
针对上述现有技术中存在的技术问题，提供了一种用于垃圾箱搬运及卸载的环卫机器人及其控制方法，以改善现在公共场所垃圾箱更换不及时的问题，提高市容市貌的同时也解放了劳动力，结合说明书附图，本发明的技术方案如下：
一种用于垃圾箱搬运及卸载的环卫机器人，由可转动抓取机构1、倾倒机构2和底盘3三部分组成；
所述可转动抓取机构1安装在底盘3的前端，由转动机构11、升降机构12和抓取机构13组成；
所述转动机构11安装于可转动抓取机构1的底部，所述升降机构12竖直固定安装在转动机构11的转盘114的上方，所述抓取机构13通过滑块1210滑动安装在升降机构12的侧面；在转动机构11的驱动下，抓取机构13实现在水平方向上旋转，在升降机构12的带动下抓取机构13实现在竖直方向上的直线滑移，实现对垃圾箱的抓取及移动；
所述倾倒机构2由转动架21、转动架驱动机构、斜面支撑架26和转动轴27组成；
所述斜面支撑架26固定在底盘3的后端，所述转动轴27转动安装在斜面支撑架26上方，并与转动架驱动机构的输出端同轴固连，转动架21中部与转动轴27固连，在转动架驱动机构的驱动下，转动轴27带动转动架21沿着斜面支撑架26前后翻转，实现对垃圾箱的倾倒。
所述转动机构11由电机乙111、皮带轮112、皮带113、转盘114和转盘支座115组成，其中，电机乙111和转盘支座115均固定在底盘3上，转盘114转动安装在转盘支座115上，皮带轮112和转盘114通过皮带113传动连接，在电机乙111的驱动下，皮带轮112通过皮带113带动转盘114旋转。
所述升降机构12由导轨121、电机丙122、齿轮甲123、齿轮乙124、链轮轴甲125、链轮轴乙126、链轮丙127、链轮丁128、链条乙129和滑块1210组成；
导轨121竖直固定在转盘114上，电机丙121水平固定在转盘114上；链轮轴甲125和链轮轴乙126分别转动安装在导轨121内侧下方和上方，链轮丙127和链轮丁128分别安装在链轮轴甲125和链轮轴乙126上，链轮丙127与链轮丁128之间通过链条乙129传动链接，滑块1210固连在链条乙129上；
齿轮甲123连接在电机丙122的输出轴上，齿轮乙124安装在导轨121外侧并与链轮轴甲125同轴固连，所述齿轮甲123与齿轮乙124相啮合；
在电机丙122的驱动下，齿轮甲123与齿轮乙124啮合传动，驱动链轮轴甲125旋转，带动链轮丙127、链轮丁128和链条乙129组成的链传动机构运转，进而带动滑块1210沿导轨121上下运动。
所述抓取机构13由纵向移动机构131和转动夹持机构132组成。
纵向移动机构131由底座1311、纵向移动驱动机构、纵向移动传动机构以及移动支座1316组成；底座1311与升降机构12上的滑块1210固连，纵向移动传动机构安装在底座1311上，其输入端与纵向移动驱动机构的输出端相连，移动支座1316连接在纵向移动传动机构上，在纵向移动驱动机构的驱动下，纵向移动传动机构带动移动支座1316前后滑移；
转动夹持机构132由电机戊1321、齿轮丙1322、齿轮丁1323、齿轮轴1324、法兰盘甲1325、法兰盘乙1326、右夹持臂1327和左夹持臂1328组成；电机戊1321竖直固定在移动支座1316上，齿轮丙1322和法兰盘甲1325从下到上依次同轴连接在电机戊1321的输出轴上，右夹持臂1327与法兰盘甲1325固连；所述齿轮轴1324竖直旋转安装在移动支座1316上，齿轮丁1323和法兰盘乙1326从下到上依次同轴连接在齿轮轴1324上，齿轮丁1323与齿轮丙1322相啮合，夹持臂左1328与法兰盘乙1326固连；在电机戊1321的驱动下，齿轮丙1322与齿轮丙1322啮合传动，并分别带动其上方的右夹持臂1327和左夹持臂1328转动，右夹持臂1327和左夹持臂1328张开或夹紧实现对垃圾箱的释放或夹紧。
纵向移动驱动机构由电机丁1312、锥齿轮甲1313和锥齿轮乙1314组成；
电机丁1312水平设置并固定在底座1311上，锥齿轮甲1313与电机丁1312的输出轴同轴固连，锥齿轮乙1314与纵向移动传动机构同轴连接，锥齿轮甲1313与锥齿轮乙1314相啮合。
所述纵向移动传动机构采用滚珠丝杠1315，滚珠丝杠1315与所述纵向移动驱动机构的输出端同轴连接，滚珠丝杠1315两端通过轴承支撑安装在底座1311上，移动支座1316和滚珠丝杠1315通过螺纹副相连。
所述转动架驱动机构链轮甲22、链轮乙23、链条甲24和电机甲25组成；
电机甲25水平固定在底盘3上，链轮甲22与电机甲25的输出轴同轴固连，链轮乙23与转动轴27同轴固连，链轮甲22和链轮乙23之间通过链条甲24传动连接。
所述转动架21由支撑框架211、托杆212、卡轮板甲213和卡轮板乙214组成，其中，托杆212有两根，均沿水平面与支撑框架211底部横架垂直固定，用于承载垃圾箱；所述卡轮板甲213和卡轮板乙214分别固定在支撑框架211下方两侧，用于装卡固定垃圾箱底部滚轮。
一种用于垃圾箱搬运及卸载的环卫机器人的控制方法，所述控制方法为：首先，装载空垃圾箱4的环卫机器人按照规划的运动路径运动至满垃圾箱5处，环卫机器人通过可转动抓取机构1将空垃圾箱4抓起并旋转放至指定位置处，然后，环卫机器人根据满垃圾箱5的位置调整机器人位置姿态，通过可转动抓取机构1将满垃圾箱5抓起并旋转放置在倾倒机构2上，最后，装载满垃圾箱5的环卫机器人按照规划的路径运动至垃圾倾倒处，在倾倒机构2的带动下满垃圾箱5向后翻转完成垃圾卸载。
所述控制方法的具体过程如下：
s1：装载有空垃圾箱的环卫机器人在底盘3的带动下按照规划的运动路径行驶，并运动到放置有垃圾箱的地面位置，环卫机器人通过其搭载的检测设备及机器视觉方法判断地面位置上的垃圾箱是否已满，如地面位置上的垃圾箱未满，则环卫机器人继续按照规划路径行驶，直至找到满垃圾箱5；
s2：环卫机器人通过抓取机构13夹持住其装载的空垃圾箱4，通过升降机构12将空垃圾箱4提起，并通过转动机构11将空垃圾箱4旋转，使空垃圾箱4位于放置位置上方，接着，通过升降机构12将空垃圾箱4降下并放置在地面上，抓取机构13松开，环卫机器人向后移动，完成空垃圾箱4的放置；
s3：环卫机器人根据满垃圾箱5的位置调整机器人位置姿态，使抓取机构13正对着满垃圾箱，并控制抓取机构13的位置姿态实现对满垃圾箱5的夹持，接着，通过升降机构12将满垃圾箱5提起，并通过转动机构11将满垃圾箱5旋转，使满垃圾箱5到达转动架21上方，通过升降机构12将满垃圾箱5降下并放置在转动架21上，并启动抓取机构13推动满垃圾箱5，使满垃圾箱5在转动架21上的位置固定，完成满垃圾箱5的抓取；
s4：环卫机器人装载着满垃圾箱5，按照规划的路径行驶到垃圾倾倒处，倾倒机构2开始工作，转动架驱动机构驱动转动架21沿斜面支撑架26上沿向后翻转，使满垃圾箱5的口朝下，进行垃圾卸载；
s5：待满垃圾箱5内的垃圾卸载后，倾倒机构2带动空垃圾箱4反向翻转回正；
s6：判断是否已完成了工作区域内所有垃圾箱的垃圾卸载，如果是，则环卫机器人进入休息状态，结束任务，如果否，则进入下一个工作循环。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明所述环卫机器人实行了搬运机构和倾倒机构一体化，替换垃圾箱和倾倒垃圾可以便捷顺序完成，通过该机器人可以实现对公园、校园及小区等公共场所的垃圾箱智能搬运及垃圾卸载，解决了垃圾清理不及时的问题，美化了环境也解放了劳动力；
2、本发明所述环卫机器人可以替换现有的同类机器人，不需要额外人员来操纵，节省劳动力；
3、本发明所述环卫机器人整体尺寸较小，适用型强，降低生产成本，节省能源，便于投放生产。
附图说明
图1为本发明所述环卫机器人的整体结构示意图；
图2为本发明所述环卫机器人中，可转动抓取机构的结构示意图；
图3为本发明所述环卫机器人中，倾倒机构的结构示意图；
图4为本发明所述环卫机器人中，转动架的结构示意图；
图5为本发明所述环卫机器人中，转动机构的结构示意图；
图6为本发明所述环卫机器人中，升降机构的结构示意图；
图7为本发明所述环卫机器人中，抓取机构的结构示意图；
图8为本发明所述环卫机器人的控制方法流程框图；
图9a为本发明所述环卫机器人装载空垃圾箱运动至满垃圾箱位置处的状态示意图；
图9b为本发明所述环卫机器人将空垃圾箱放置到指定位置后夹持满垃圾箱的状态示意图；
图9c为本发明所述环卫机器人装载满垃圾箱的状态示意图；
图9d为本发明所述环卫机器人倾倒满垃圾箱内垃圾的状态示意图；
图9e为本发明所述环卫机器人重新装载空垃圾箱的状态示意图。
图中：
1、可转动抓取机构，2、倾倒机构，3、底盘，4、空垃圾箱，
5、满垃圾箱；
11、转动机构，12、升降机构，13、抓取机构；
111、电机乙，112、皮带轮，113、皮带，114、转盘，
115、转盘支座；
121、导轨，122、电机丙，123、齿轮甲，124、齿轮乙，
125、链轮轴甲，126、链轮轴乙，127、链轮丙，128、链轮丁，
129、链条乙，1210、滑块；
131、纵向移动机构，132、转动夹持机构；
1311、底座，1312、电机丁，1313、锥齿轮甲，1314、锥齿轮乙，
1315、滚珠丝杠，1316、移动支座；
1321、电机戊，1322、齿轮丙，1323、齿轮丁，1324、齿轮轴，
1325、法兰盘甲，1326、法兰盘乙，1327、右夹持臂右，1328、左夹持臂。
21、转动架，22、链轮甲，23、链轮乙，24、链条甲，
25、电机甲，26、斜面支撑架，27、转动轴；
211、支撑框架，212、托杆，213、卡轮板甲，214、卡轮板乙；
具体实施方式
为进一步阐述本发明的技术方案，结合说明书附图，本发明具体实施方式如下：
如图1所示，本发明公开了一种用于垃圾箱搬运及卸载的环卫机器人，由可转动抓取机构1、倾倒机构2和底盘3三部分组成。所述可转动抓取机构1可旋转地安装在底盘3的前端，所述倾倒机构2固定安装在底盘3的后端。所述底盘3用于将环卫机器人运至指定位置，所述可转动抓取机构1用于抓取垃圾箱，并将垃圾箱放置于指定位置，所述倾倒机构2用于将垃圾箱内的垃圾倾倒卸载。
如图2所示，所述可转动抓取机构1由转动机构11、升降机构12和抓取机构13组成；所述转动机构11安装于可转动抓取机构1的底部，所述升降机构12竖直固定安装在转动机构11的转盘114的上方，所述抓取机构13通过滑块1210滑动安装在升降机构12的侧面；在转动机构11的驱动下，抓取机构13实现在水平方向上旋转，在升降机构12的带动下抓取机构13实现在竖直方向上的直线滑移。
如图5所示，所述转动机构11由电机乙111、皮带轮112、皮带113、转盘114和转盘支座115组成。所述电机乙111和转盘支座115均固定在底盘3上面，转盘114转动安装在转盘支座115上，使转盘114可相对与底盘3转动，皮带轮112和转盘114通过皮带113传动连接，在电机乙111的驱动下，皮带轮112通过皮带113带动转盘114旋转，进而带动转盘114上方部件同步旋转。
如图6所示，所述升降机构12由导轨121、电机丙122、齿轮甲123、齿轮乙124、链轮轴甲125、链轮轴乙126、链轮丙127、链轮丁128、链条乙129和滑块1210组成。其中，所述导轨121竖直设置并固定安装在转盘114上，电机丙121水平设置并固定安装在转盘114上；所述链轮轴甲125两端通过轴承水平支撑安装在导轨121内侧下方，链轮丙127同轴固定安装在链轮轴甲125上，所述链轮轴乙126两端通过轴承水平支撑安装在导轨121内侧上方，链轮丁128同轴固定安装在链轮轴甲125上，链轮丙127与链轮丁128之间通过链条乙129传动链接，所述滑块1210固连在链条乙129上；所述齿轮甲123连接在电机丙122的输出轴上，齿轮乙124安装在导轨121外侧下方，并与链轮轴甲125同轴固连，所述齿轮甲123与齿轮乙124相啮合。在电机丙122的驱动下，齿轮甲123与齿轮乙124啮合传动，驱动链轮轴甲125旋转，进而带动链轮丙127、链轮丁128和链条乙129组成的链传动机构运转，最终带动滑块1210沿导轨121上下运动。
如图7所示，所述抓取机构13由纵向移动机构131和转动夹持机构132组成。
所述纵向移动机构131由底座1311、电机丁1312、锥齿轮甲1313、锥齿轮乙1314、滚珠丝杠1315和移动支座1316组成；所述底座1311与升降机构12上的滑块1210固定在一起，电机丁1312水平设置并固定在底座1311上，锥齿轮甲1313与电机丁1312的输出轴同轴固连，锥齿轮乙1314与滚珠丝杠1315同轴固连，锥齿轮甲1313与锥齿轮乙1314相啮合，滚珠丝杠1315两端通过轴承支撑安装在底座1311上，移动支座1316和滚珠丝杠1315通过螺纹副连接，使移动支座1316沿滚珠丝杠1315直线运动，移动支座1316与底座1311上的表面接触，形成平面副。在电机丁1312的驱动下，锥齿轮甲1313与锥齿轮乙1314啮合传动，驱动滚珠丝杠1315转动，进而通过螺纹副带动移动支座1316向前或向后移动。
所述的转动夹持机构132由电机戊1321、齿轮丙1322、齿轮丁1323、齿轮轴1324、法兰盘甲1325、法兰盘乙1326、右夹持臂1327和左夹持臂1328组成。所述电机戊1321竖直设置并固定在移动支座1316上表面，齿轮丙1322和法兰盘甲1325从下到上依次同轴固定在电机戊1321的输出轴上，右夹持臂1327与法兰盘甲1325固连在一起；所述齿轮轴1324竖直设置并通过轴承旋转安装在移动支座1316上，齿轮丁1323和法兰盘乙1326从下到上依次同轴固定在齿轮轴1324上，齿轮丁1323与齿轮丙1322相啮合，夹持臂左1328与法兰盘乙1326固连在一起，所述右夹持臂1327和左夹持臂1328相对设置，所形成的夹持轮廓与垃圾箱的外轮廓相匹配。在电机戊1321的驱动下，齿轮丙1322与齿轮丙1322啮合传动，并分别带动其上方的右夹持臂1327和左夹持臂1328转动，实现右夹持臂1327和左夹持臂1328张开或夹紧。
如图3所示，所述倾倒机构2由转动架21、链轮甲22、链轮乙23、链条甲24、电机甲25、斜面支撑架26和转动轴27组成。所述斜面支撑架26支撑固定在底盘3上，其斜面朝外；所述转动轴27水平设置并通过轴承安装在斜面支撑架26上方；所述电机甲25水平设置，并通过电机支座固定安装在底盘3上，链轮甲22与电机甲25的输出轴同轴固连，链轮乙23与转动轴27同轴固连，链轮甲22和链轮乙23之间通过链条甲24传动连接；所述转动架21竖直设置在斜面支撑架26的内侧，且转动架21的竖直方向中部与转动轴27固连。在电机甲25的带动下，链轮甲22、链轮乙23和链条甲24组成的链传动机构运转，驱动转动轴27旋转，进而带动转动架21沿着斜面支撑架26的上沿前后翻转，转动架21向后翻转最终落在斜面支撑架26的斜面上。
如图4所示，所述转动架21由支撑框架211、托杆212、卡轮板甲213和卡轮板乙214组成。所述托杆212有两根，均垂直固定在支撑框架211底部横架上；所述卡轮板甲213和卡轮板乙214分别固定在支撑框架211下方两侧，用于装卡固定垃圾箱底部滚轮。
基于上述环卫机器人的组成结构，本发明还提供了一种用于垃圾箱搬运及卸载的环卫机器人的控制方法，所述控制方法包括：空垃圾箱的装载运输及放置、满垃圾箱的抓取及倾倒控制过程。
如图8所示，所述环卫机器人的控制方法过程如下：
s1：装载有空垃圾箱的环卫机器人在底盘3的带动下按照规划的运动路径行驶，并运动到放置有垃圾箱的地面位置，环卫机器人通过其搭载的检测设备，通过机器视觉等方法判断地面位置上的垃圾箱是否已满，如地面位置上的垃圾箱未满，则环卫机器人继续按照规划路径行驶，直到找到满垃圾箱5，如图9a所示；
s2：环卫机器人通过抓取机构13的转动夹持机构132夹持住其装载的空垃圾箱4，通过升降机构12将空垃圾箱4提起，并通过转动机构11将空垃圾箱4旋转一定角度，使空垃圾箱4位于放置位置上方，接着，通过升降机构12将空垃圾箱4降下并放置在地面上，抓取机构13上的转动夹持机构132松开，环卫机器人向后移动，完成空垃圾箱4的放置工作，如图9b所示；
s3：环卫机器人根据满垃圾箱5的位置调整机器人位置姿态，使转动夹持机构132的夹持臂正对着满垃圾箱，检测位置准确后，控制右夹持臂1327和左夹持臂1328的位置姿态实现夹持住满垃圾箱5，如图9b所示，接着通过升降机构12将满垃圾箱5提起，并通过转动机构11将满垃圾箱5旋转一定角度，使满垃圾箱5到达转动架21的托杆212正上方，通过升降机构12将满垃圾箱5降下并放置在托杆212上，并启动纵向移动机构131的电机丁1312，通过纵向移动机构131推动满垃圾箱5，使满垃圾箱5底部两侧的滚轮分别装卡在转动架21下方的卡轮板甲213和卡轮板乙214内实现固定，完成满垃圾箱的抓取过程，如图9c所示；
s4：环卫机器人装载着满垃圾箱5，按照规划的路径行驶到垃圾倾倒处，当机器人距离垃圾倾倒处的距离达到规定距离时，倾倒机构2开始工作，通过电机甲25带动转动架21沿斜面支撑架26上沿向后翻转，并最终落在斜面支撑架26的斜面上，使满垃圾箱5的口朝下，进行垃圾倾倒，如图9d所示；
s5：待满垃圾箱5内的垃圾倾倒干净后，即变成空垃圾箱4，此时，控制电机甲25反转带动转动架21反向翻转并回正，如图9e所示；
s6：判断是否已完成了工作区域内所有垃圾箱的垃圾倾倒工作，即是否所有的满垃圾箱均已倾倒完毕，如果是，则环卫机器人进入休息状态，结束任务；如果否，则进入下一个工作循环。