王居鑫 吳佳霖 劉 達(dá) 夏長春 辛紹杰 / 上海電機(jī)學(xué)院

一種水面漂浮垃圾清掃機(jī)器人

王居鑫 吳佳霖 劉 達(dá) 夏長春 辛紹杰 / 上海電機(jī)學(xué)院

針對(duì)目前公園等景區(qū)水面上的漂浮垃圾的清掃難題，提出并研制一種水面漂浮垃圾清掃機(jī)器人。該型機(jī)器人在行進(jìn)過程中能將水面漂浮垃圾聚集收容，還能根據(jù)需要擴(kuò)展打撈面積，實(shí)現(xiàn)了高效、省時(shí)、省力地實(shí)現(xiàn)水面垃圾打撈的效果，有很好的市場(chǎng)化前景。

機(jī)器人；水面垃圾清掃；伸展單元；無線控制

引言

環(huán)保清潔設(shè)備是隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的提高而發(fā)展起來的一類設(shè)備。目前公園景區(qū)里的湖面有許多諸如湖邊樹木的落葉等輕質(zhì)的漂浮物，對(duì)環(huán)境景觀造成不美觀，更會(huì)形成一定的污染。目前樹葉等漂浮物大多是采用人工打撈或者是使用簡易的打撈船，人工打撈費(fèi)時(shí)費(fèi)力，需要工人劃船進(jìn)行地毯式的打撈，現(xiàn)有的遙控打撈船對(duì)于打撈面積相對(duì)局限，兩種方案的工作效率較低，打撈工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

1.水面垃圾清掃機(jī)器人基本功能與單元設(shè)計(jì)

打撈作業(yè)要求水面垃圾清掃機(jī)器人應(yīng)具有高效、省時(shí)、省力地實(shí)現(xiàn)水面漂浮垃圾的清掃的特點(diǎn)。根據(jù)需要，本文提出并研制的水面垃圾清掃機(jī)器人包括船身以及安裝在船身上的儲(chǔ)物筐、打撈單元、伸展單元、驅(qū)動(dòng)單元、轉(zhuǎn)向單元和控制單元等，如圖1所示。

在打撈作業(yè)時(shí)，操作者通過控制單元實(shí)現(xiàn)對(duì)打撈單元、伸展單元、驅(qū)動(dòng)單元和轉(zhuǎn)向單元的控制。打撈單元可將水面垃圾打撈至儲(chǔ)物筐內(nèi)；驅(qū)動(dòng)單元?jiǎng)t驅(qū)動(dòng)船身水面運(yùn)動(dòng)；轉(zhuǎn)向單元實(shí)現(xiàn)船身轉(zhuǎn)向；伸展單元可以在船身移動(dòng)時(shí)，將漂浮物收容于伸展單元內(nèi)側(cè)，并與打撈單元協(xié)同進(jìn)行打撈工作。

圖1 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖

2.水面垃圾清掃機(jī)器人各單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

2.1 打撈單元

圖2所示的打撈單元設(shè)有電機(jī)、主軸、打撈框架、網(wǎng)面、軸套和基座，基座和電機(jī)分別安裝在主軸的兩端，主軸通過基座和電機(jī)安裝在船身上，主軸的另一端通過軸套與基座連接，打撈框架安裝在主軸外側(cè)，網(wǎng)面固定在打撈框架上。

機(jī)器人作業(yè)時(shí)，打撈網(wǎng)在水中打撈，電機(jī)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)打撈網(wǎng)下降至水面以下時(shí)，將水面垃圾撈起，打撈網(wǎng)離開水面時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)其翻轉(zhuǎn)，將水面垃圾送至儲(chǔ)物筐。

圖2 打撈單元示意圖

2.2 伸展單元

圖3所示的伸展單元設(shè)有兩套伸縮桿裝置和兩套尾部固定裝置。伸縮桿裝置采用四桿機(jī)構(gòu)，并對(duì)稱設(shè)置于船體的兩側(cè)，兩套伸縮桿裝置之間設(shè)有彈簧，并與船身之間設(shè)有與電機(jī)連接的滑輪和拉繩。尾部固定裝置采用兩個(gè)固定銷和一個(gè)長條狀固定環(huán)套配合的方案，伸縮桿裝置架固定在環(huán)套上，固定銷頂部固定在船體后部的下側(cè)。

伸縮桿的分為主桿部和副桿部，主桿部的兩個(gè)主桿內(nèi)設(shè)有電動(dòng)推桿，主桿外設(shè)有打撈網(wǎng)；副桿部的兩個(gè)副桿和支撐軸平行布置在主桿上，副桿上設(shè)有打撈網(wǎng)。伸縮桿裝置中副桿插入主桿中，電動(dòng)推桿推動(dòng)副桿沿主桿內(nèi)壁滑動(dòng)。伸展桿不工作時(shí)平行緊貼于箱體的外側(cè)，滑輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)拉繩伸縮，從而拉動(dòng)兩套伸縮桿裝置，伸展桿伸出時(shí)與箱體成60度夾角。

固定環(huán)套兩端設(shè)有兩個(gè)固定環(huán)，固定環(huán)上設(shè)有兩個(gè)固定銷，固定銷與船身鉸接，船身移動(dòng)時(shí)，裝置在固定銷之間伸展和閉合，伸展桿的上、下桿之間的網(wǎng)面對(duì)船體前部的漂浮物進(jìn)行預(yù)收集，漂浮物與船相對(duì)運(yùn)動(dòng)沿著伸展桿、箱體的前部集中至打撈船的前部中間，進(jìn)行集中處理。

圖3 伸展單元示意圖

2.3 驅(qū)動(dòng)單元和轉(zhuǎn)向單元

驅(qū)動(dòng)單元采用電機(jī)、傳動(dòng)軸和螺旋槳配合的方案，單元兩端架設(shè)于船身兩側(cè)的箱體上，并通過導(dǎo)軌封閉安裝，電機(jī)固定在船身上，傳動(dòng)軸的兩端分別與電機(jī)和螺旋槳連接，螺旋槳固定在船身后側(cè)，如圖1所示。

轉(zhuǎn)向單元如圖4所示，在船身上設(shè)有電動(dòng)伸縮桿和固定片，與擺桿、絲杠螺母機(jī)構(gòu)和葉片相連，轉(zhuǎn)向單元的底部與兩側(cè)的箱體上部設(shè)有封閉的移動(dòng)副。

螺旋槳的旋轉(zhuǎn)由電機(jī)通過傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)推動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；電動(dòng)伸縮桿的伸縮端固定在連板鎖定套上，擺桿中段和連板固定，擺桿的另一端設(shè)有絲杠螺母機(jī)構(gòu)，螺母的底部與轉(zhuǎn)向葉片固定連接，電動(dòng)伸縮桿伸縮帶動(dòng)擺桿，通過絲杠螺母機(jī)構(gòu)傳動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向葉片的左右擺動(dòng)，擺桿自轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)航向的變化。

圖4 轉(zhuǎn)向單元示意圖

2.4 控制單元

控制單元包括若干無線通訊模塊，分別為伸展桿無線模塊、轉(zhuǎn)向無線模塊、打撈無線模塊、驅(qū)動(dòng)無線模塊，打撈單元、伸展單元、驅(qū)動(dòng)單元、轉(zhuǎn)向單元分別通過無線通訊模塊與陸上的控制設(shè)備連接，各模塊布置在船身各處。

船身前部的右側(cè)設(shè)有伸展桿無線模塊，可控制伸展桿伸縮并通過距離傳感器檢測(cè)與障礙物距離；船身后部的右側(cè)設(shè)有轉(zhuǎn)向無線模塊，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)從而控制葉片擺動(dòng)；船身前部的左側(cè)設(shè)有打撈無線模塊，控制打撈電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，打撈網(wǎng)從水中將垃圾打撈至儲(chǔ)物筐；船身后部的左側(cè)設(shè)有驅(qū)動(dòng)無線模塊，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。

3.水面垃圾清掃機(jī)器人的具體作業(yè)方式

操作人員在岸邊進(jìn)行全程操作，通過控制驅(qū)動(dòng)無線模塊打開電機(jī)，驅(qū)動(dòng)螺旋槳前進(jìn)，并結(jié)合轉(zhuǎn)向無線模塊的控制進(jìn)行轉(zhuǎn)向駛至所需的作業(yè)區(qū)，控制伸展桿無線模塊打開電機(jī)，兩側(cè)的主桿就會(huì)打開，并通過控制主桿上桿內(nèi)部的電動(dòng)推桿，將副桿伸出，此時(shí)控制打撈無線模塊打開電機(jī)，打撈單元開始工作，將漂浮物打撈至置物框內(nèi)，直至將湖面的所有的水面漂浮垃圾清掃干凈，最后關(guān)閉伸展單元、打撈單元，駛回岸邊，再將儲(chǔ)物筐提出，將內(nèi)部的垃圾清掃掉，作業(yè)完畢。

[1]李林冬,辛紹杰等.漂浮物打撈船.國家發(fā)明專利.ZL 201410398395.5

王居鑫：男，（1996.1—），上海電機(jī)學(xué)院材料成型及控制工程專業(yè)本科生。

吳佳霖：男，（1997.7—），上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械電子工程專業(yè)本科生。

劉達(dá)：男，（1998.8—），上海電機(jī)學(xué)院材料成型及控制工程專業(yè)本科生。

夏長春：男，（1994.2—），上海電機(jī)學(xué)院本科畢業(yè)生，上海海洋大學(xué)碩士研究生。

辛紹杰：男，（1963.1—），教授，上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械學(xué)院教師。

本項(xiàng)目受上海市大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目資助: A1-5701-17-009-02-32。