況天陽(yáng) 辛紹杰 史海波

摘 要： 本文提出了一種新型遙控式水面垃圾清理機(jī)器人，主要包括：驅(qū)動(dòng)裝置、打撈裝置、轉(zhuǎn)向裝置、垃圾承載箱以及特殊的擴(kuò)展作業(yè)面積裝置等。通過基于單片機(jī)的遙控器控制該型機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)聚集和清掃漂浮物、遙控航行與轉(zhuǎn)向等功能，達(dá)到清理水面漂浮物的效果。

關(guān)鍵詞： 水面漂浮物；作業(yè)面積拓展裝置；復(fù)位檢測(cè)

項(xiàng)目資助：上海市閔行區(qū)科技項(xiàng)目資助，項(xiàng)目編號(hào)：2016MH260。

引言

目前，國(guó)內(nèi)大部分的小河道白色漂浮垃圾處理與收集主要是靠人工借助于簡(jiǎn)易工具進(jìn)行打撈，不僅需要花費(fèi)大量的人力、物力，而且工作效率比較低，尤其在危險(xiǎn)區(qū)域作業(yè)存在一定的危險(xiǎn)性。江河的水面漂浮物清理打撈船體積龐大，價(jià)格昂貴，操作也不靈活，無法對(duì)狹窄的河道、旅游景區(qū)等的小型湖面進(jìn)行作業(yè)。另外，現(xiàn)有的水面漂浮物打撈船主要以汽油機(jī)或者柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，作業(yè)時(shí)，不僅會(huì)產(chǎn)生大量的廢氣污染，工作過程中汽油與柴油也可能會(huì)泄露，對(duì)空氣環(huán)境和水的質(zhì)量都有污染與破壞，不符合國(guó)家節(jié)能減排與保護(hù)環(huán)境的新理念。

1、遙控式水面垃圾清理機(jī)器人模塊化設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[1]提出的遙控式水面垃圾清掃機(jī)器人優(yōu)化了行駛、返航、轉(zhuǎn)向和收集等功能。主要包括船體、打撈裝置、水面漂浮物承載箱、動(dòng)力裝置、轉(zhuǎn)向裝置以及擴(kuò)展作業(yè)面積機(jī)構(gòu)，如圖1所示。船體設(shè)計(jì)成雙船體結(jié)構(gòu)，兩個(gè)船體均設(shè)有水面漂浮物收集箱，前端布置打撈裝置，前端兩側(cè)布置擴(kuò)展作業(yè)面積機(jī)構(gòu)，中間布置承載箱是水面漂浮物收集裝置，末端前面布置動(dòng)力裝置，后面布置轉(zhuǎn)向裝置。

2、遙控式水面垃圾清理機(jī)器人設(shè)計(jì)

2.1動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)

該機(jī)器人采用電機(jī)通過聯(lián)軸器、電磁離合器驅(qū)動(dòng)明輪工作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)功能。也可以通過遙控器控制，保證始終只有一個(gè)明輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。設(shè)有兩個(gè)動(dòng)力源，一個(gè)動(dòng)力失靈，可以啟用另一個(gè)備用動(dòng)力源，始終保證機(jī)器人順利返航。

2.2打撈裝置的設(shè)計(jì)

打撈裝置由電動(dòng)機(jī)、帶傳動(dòng)裝置、履帶傳動(dòng)裝置等組成，如圖2所示。履帶傳動(dòng)是將漂浮物傳動(dòng)到船體收集箱內(nèi)，履帶上設(shè)有倒鉤，起打撈和防止漂浮物滑落作用，同時(shí)履帶分別由三根軸帶動(dòng)傳動(dòng)，分別為主動(dòng)軸，從動(dòng)軸，支撐軸。電機(jī)通過傳動(dòng)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)打撈功能。支撐軸連接支撐塊，支撐軸向上移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)支撐塊上移，履帶裝置又與支撐塊連接，用于調(diào)整履帶傳動(dòng)裝置傾斜角度，使得履帶傳動(dòng)裝置的倒鉤能夠進(jìn)入水中，提高了打撈的準(zhǔn)確率和效率。

2.3轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向裝置采用擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，由尾夾板1、電動(dòng)推桿2、連桿3、導(dǎo)桿4、轉(zhuǎn)向板5等組成，如圖3所示。尾夾板兩端固定在船體上。電動(dòng)推桿固定在尾夾板上。電動(dòng)推桿作直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)連桿，使得導(dǎo)桿轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度（最大范圍為120度），即轉(zhuǎn)向板機(jī)構(gòu)也轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度，完成船體不同角度的轉(zhuǎn)向。初始狀態(tài)時(shí)連桿與電動(dòng)推桿垂直，其伸長(zhǎng)到極限位置時(shí)，轉(zhuǎn)向板機(jī)構(gòu)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)船左轉(zhuǎn)；其收縮到極限位置時(shí)，轉(zhuǎn)向板機(jī)構(gòu)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)船右轉(zhuǎn)。

2.4 作業(yè)面積拓展裝置的設(shè)計(jì)

作業(yè)面積擴(kuò)展機(jī)構(gòu)如圖4所示。它以連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成作業(yè)面積擴(kuò)展機(jī)構(gòu)的主體，動(dòng)作柔性好，延展后擴(kuò)展范圍大，縮回后占用空間小。

該機(jī)器人可以控制一側(cè)的電動(dòng)推桿單獨(dú)推動(dòng)第一至第六連桿延展或縮回，從而使作業(yè)面積擴(kuò)展機(jī)構(gòu)在單側(cè)實(shí)現(xiàn)伸展位和收縮位之間切換。設(shè)置的浮力塊能有效地抵消了作業(yè)面積擴(kuò)展機(jī)構(gòu)的自重以及水的阻力。壓力傳感器主要用于檢測(cè)作業(yè)面積擴(kuò)展機(jī)構(gòu)是否碰撞到障礙物，從而通過控制器和作業(yè)面積擴(kuò)展機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聚集漂浮物的作用。

作業(yè)面積擴(kuò)展機(jī)構(gòu)分別對(duì)稱的設(shè)置在船體的前部?jī)蓚?cè)，如圖4所示，作業(yè)面積擴(kuò)展裝置具有收縮位和伸展位，復(fù)位檢測(cè)機(jī)構(gòu)安裝在作業(yè)面積擴(kuò)展機(jī)構(gòu)上，用于檢測(cè)作業(yè)面積擴(kuò)展機(jī)構(gòu)處于伸展位或向伸展位延展時(shí)是否碰撞到障礙物，并碰到障礙物后發(fā)送復(fù)位信號(hào)至控制器，控制器接收到復(fù)位信號(hào)后控制作業(yè)面積擴(kuò)展機(jī)構(gòu)縮回至收縮位，從而將水面上的漂浮物撥動(dòng)到打撈裝置處進(jìn)行打撈。

2.5控制系統(tǒng)

該控制系統(tǒng)由顯示模塊、控制模塊組成；其中顯示模塊采用了數(shù)碼管和指示燈，能直觀反映出驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)等?？刂颇K能控制系統(tǒng)的啟停和緊急停止、控制發(fā)射信號(hào)對(duì)應(yīng)的接收器模塊；通過按鍵控制其對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)，從而控制舵軸順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)本體的左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)；通過按鍵控制其擴(kuò)展作業(yè)面積機(jī)構(gòu)伸展與收縮；也可以通過設(shè)置按鍵來保存、清除按鍵控制系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)來控制本水面漂浮物清掃機(jī)器人的多樣化運(yùn)行。

3、遙控式水面垃圾清理機(jī)器人作業(yè)過程

工作人員將該機(jī)器人放入所需打撈的水域，工作人員開通其電源開關(guān)和遙控開關(guān)，下水前先調(diào)整好履帶的位置，調(diào)整打撈裝置的傾斜角，保證其前端的倒鉤能夠進(jìn)入水中，提高打撈效率以及準(zhǔn)確率。操作前進(jìn)、后退按鍵，控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)至漂浮物所在區(qū)域操作左伸展和右伸展按鍵以及打撈啟動(dòng)按鍵，控制擴(kuò)展作業(yè)面積機(jī)構(gòu)工作，進(jìn)行水面漂浮物的聚集，待船體上傳感器檢測(cè)到信號(hào)，將信號(hào)船體給主控制器，主控制器控制其打撈裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，即可進(jìn)行水面漂浮物的打撈。當(dāng)收集了一定漂浮垃圾之后，工作人員操作打撈停止并返航至岸邊，工作人員只需將其所打撈的漂浮物收集起來，如果需要繼續(xù)打撈，重復(fù)按上述流程即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域的清潔。

參考文獻(xiàn)

[1]辛紹杰，方進(jìn)等.一種水面漂浮物清掃機(jī)器人的作業(yè)面積擴(kuò)展裝置.授權(quán)號(hào)：ZL 201610541208.3.