謝宇，宋其江，王夢(mèng)，鄭杰倫，侯東芝，肖莎

(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱，150040)

0 引言

國(guó)內(nèi)城鎮(zhèn)河道、湖泊、景觀水域等存在許多塑料瓶、紙屑、樹(shù)葉等漂浮垃圾，一方面極大影響生態(tài)環(huán)境，另一方面影響著人民生活質(zhì)量。水域環(huán)境保護(hù)是需要常長(zhǎng)期堅(jiān)持的事情，目前的打撈方式主要以人工開(kāi)小船打撈和大型打撈船兩種。前者常用于狹小水域或經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力清理效果不佳而且容易出現(xiàn)安全事故。后者常用于大型水域如長(zhǎng)江、海岸，體型笨重、噪聲大易對(duì)環(huán)境造成二次污染。對(duì)于生活區(qū)、景區(qū)等需要長(zhǎng)期維護(hù)的中小型水域的清理裝置較少，這些水域的垃圾一般都是人工進(jìn)行清理，工人高強(qiáng)度工作在人們亂扔垃圾和植物的自然落敗物下清理效果并不理想。如何在不對(duì)環(huán)境進(jìn)行二次傷害且不影響人民生活的基礎(chǔ)上，高效率高質(zhì)量地清理水域漂浮垃圾是需要解決的難題?，F(xiàn)存的各種打撈船收集裝置大多是傳送帶式，存在不夠靈活、打撈不徹底的缺陷。針對(duì)以上問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種以X型桿機(jī)構(gòu)為主體的收集機(jī)構(gòu)并與智能科技結(jié)合創(chuàng)造出一款全自動(dòng)、高效率、低成本、靈活、環(huán)保的中小型水面垃圾清理裝置。裝置加入樹(shù)莓派和單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)智能化；以鋰電池為動(dòng)力來(lái)源，綠色環(huán)保；外觀簡(jiǎn)潔小巧，可清理狹窄水域；收集機(jī)構(gòu)靈活，效率高；工作無(wú)噪音，不影響人民生活。

1 裝置整體介紹

本裝置整體尺寸長(zhǎng)1200mm，寬1200mm，高400mm，主要由浮筒、收集機(jī)構(gòu)、絲杠升降機(jī)構(gòu)、齒輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、螺旋槳、垃圾儲(chǔ)存箱等組成[3]。圖1為由solidworks搭建的裝置整體機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。為了航行穩(wěn)定，減少水面風(fēng)浪影響，裝置采用雙體船結(jié)構(gòu)為船身，由兩個(gè)樹(shù)脂泡沫浮筒組成。其包括動(dòng)力系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、收集系統(tǒng)和識(shí)別系統(tǒng)。

圖1 裝置整體機(jī)械結(jié)構(gòu)

1.1 動(dòng)力系統(tǒng)

裝置通過(guò)24V12A的鋰電池供電，既能提供裝置運(yùn)動(dòng)所需能源，又符合綠色環(huán)保的理念。在垃圾儲(chǔ)存箱尾部裝有兩個(gè)桿，兩個(gè)T60螺旋槳推進(jìn)器安裝在桿的端部。螺旋槳通過(guò)電機(jī)產(chǎn)生推力，前進(jìn)時(shí)，左旋逆時(shí)針，右旋順時(shí)針；后退時(shí)則相反。此螺旋槳加入電調(diào)控制兩個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。為了實(shí)現(xiàn)不同時(shí)機(jī)的完整運(yùn)動(dòng)，設(shè)置了兩種控制方式，航模遙控器控制和通過(guò)單片機(jī)發(fā)送PWM信號(hào)實(shí)行控制。

1.2 存儲(chǔ)系統(tǒng)

為了配合垃圾收集后能順利倒入垃圾儲(chǔ)存箱，選擇將垃圾儲(chǔ)存箱掛在兩浮筒之間，儲(chǔ)存箱是用尼龍材料加工而成，尺寸為長(zhǎng)600mm、寬400mm、高560mm。儲(chǔ)存箱為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，板上有小孔漏空，可過(guò)濾垃圾攜帶的水分。

1.3 收集系統(tǒng)

整個(gè)收集系統(tǒng)由收集機(jī)構(gòu)、絲杠升降機(jī)構(gòu)和齒輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成。收集機(jī)構(gòu)可進(jìn)行長(zhǎng)度伸縮和上下傾斜角度調(diào)節(jié)。絲杠升降機(jī)構(gòu)可以使收集機(jī)構(gòu)進(jìn)行上下滑動(dòng)。齒輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可使整個(gè)收集機(jī)構(gòu)進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)。這樣的設(shè)計(jì)可以使收集系統(tǒng)更加的靈活，提高收集效率。

收集機(jī)構(gòu)是以X型桿機(jī)構(gòu)為主體，由爪子、軸承、旋轉(zhuǎn)軸等配合設(shè)計(jì)而成。X型桿機(jī)構(gòu)的材質(zhì)為鋁合金，由12個(gè)X型桿、4個(gè)b桿組合體和2個(gè)c桿組成。X型桿由兩個(gè)帶孔桿件通過(guò)鉚釘連接構(gòu)成[2]，左右臂各有6個(gè)X型桿。X型桿與b桿之間通過(guò)c桿連接。由于直接控制X型桿伸縮比較復(fù)雜，于是設(shè)計(jì)一對(duì)爪子，一端與X型桿相連，另一端固定在旋轉(zhuǎn)軸上。這樣復(fù)雜的X型桿機(jī)構(gòu)的伸縮運(yùn)動(dòng)可轉(zhuǎn)化為調(diào)節(jié)爪子開(kāi)合角度。X型桿機(jī)構(gòu)最短可收縮至450mm，最多能伸長(zhǎng)至800mm。同時(shí)爪子可以通過(guò)軸承繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)X型桿機(jī)構(gòu)的傾斜調(diào)度。尋找垃圾時(shí)，將X型桿機(jī)構(gòu)收縮至最短能減少阻力，從而加快裝置的運(yùn)動(dòng)速度也就是尋找垃圾的效率。

絲杠升降機(jī)構(gòu)由絲杠、導(dǎo)軌、滑塊等組成。為使收集機(jī)構(gòu)能順利收集垃圾且能根據(jù)實(shí)際情況在合適的高度收集垃圾，設(shè)置一個(gè)外伸桿和連接板將收集機(jī)構(gòu)與絲杠升降機(jī)構(gòu)上的滑塊連接。當(dāng)滑塊相對(duì)于絲杠在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)時(shí)，收集機(jī)構(gòu)會(huì)隨之上下移動(dòng)從而進(jìn)行高度調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)高度的范圍是0-700mm。

齒輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由固定底座、圓盤(pán)底座、大齒輪、小齒輪，軸承等組成。固定底座與浮筒上的支撐板固定。圓盤(pán)底座固定在圓盤(pán)上與絲杠升降機(jī)構(gòu)連接固定。當(dāng)電機(jī)驅(qū)使小齒輪帶動(dòng)大齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，整個(gè)絲杠升降機(jī)構(gòu)和收集機(jī)構(gòu)隨之一起旋轉(zhuǎn)。原則上是可以旋轉(zhuǎn)360°的，這里根據(jù)實(shí)際需要我們將電機(jī)控制調(diào)至180°旋轉(zhuǎn)。

本裝置將由以上三個(gè)機(jī)構(gòu)共同配合運(yùn)動(dòng)完成垃圾清理。收集垃圾時(shí)，將根據(jù)垃圾量、垃圾大小、垃圾形態(tài)及垃圾位置等具體情況，通過(guò)控制爪子調(diào)整收集機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度和上下傾斜角度，通過(guò)絲杠升降機(jī)構(gòu)調(diào)整收集機(jī)構(gòu)的高度，經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整后的X型桿機(jī)構(gòu)可將相應(yīng)位置絕大多數(shù)垃圾納入收集范圍。整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程：X型桿機(jī)構(gòu)略微向下傾斜并沿導(dǎo)軌下降潛入垃圾底部，爪子張合調(diào)整X型桿機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度，隨后再略微向上傾斜，同時(shí)X型桿機(jī)構(gòu)沿導(dǎo)軌上升至頂部，此時(shí)垃圾已被收集，最后X型桿收集體隨大齒輪旋轉(zhuǎn)180°至垃圾儲(chǔ)存箱上方，X型桿機(jī)構(gòu)向下傾斜完成垃圾傾倒。整個(gè)收集機(jī)構(gòu)都是鏤空的，這使垃圾進(jìn)入垃圾儲(chǔ)存箱的之前進(jìn)行了一次漏水，能使收集箱的承載量充分利用。表1收集系統(tǒng)的調(diào)整參數(shù)。圖2為收集系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

表1 收集系統(tǒng)調(diào)整參數(shù)

圖2 收集系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

1.4 控制系統(tǒng)

樹(shù)莓派，單片機(jī)為核心。通過(guò)樹(shù)莓派控制視覺(jué)部分，單片機(jī)通過(guò)控制舵機(jī)從而控制X型桿收集體、垃圾收集箱、螺旋推進(jìn)器運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)智能一體化[3]。本裝置采用三個(gè)步進(jìn)電機(jī)和一個(gè)舵機(jī)，四個(gè)電機(jī)都可以通過(guò)單片機(jī)發(fā)送PWM從而控制精確旋轉(zhuǎn)角度，螺旋推進(jìn)可以通過(guò)單片機(jī)控制，單片機(jī)發(fā)送一定頻率和脈寬范圍的PWM給電調(diào)，電調(diào)根據(jù)脈寬和設(shè)置控制電機(jī)[4]。螺旋推進(jìn)器控制基本原理為電機(jī)為2216無(wú)刷電機(jī)，需要配置無(wú)刷電調(diào)才能啟動(dòng)，不能直接接電池，電調(diào)的頻率為50Hz,脈寬范圍是800us-2200us,中位是1500us，1500us-2200us是電機(jī)正轉(zhuǎn)，800us-1500us是電機(jī)反轉(zhuǎn)。

1.5 視覺(jué)系統(tǒng)

采用攝像頭。攝像頭識(shí)別垃圾，反饋信息到樹(shù)莓派，樹(shù)莓派確定垃圾位于水面的位置，反饋給單片機(jī)，樹(shù)莓派通過(guò)串口與單片機(jī)IO口通訊，單片機(jī)控制船體自動(dòng)前進(jìn)并收集垃圾，適用于狹窄水面；或者攝像頭識(shí)別垃圾后，反饋信息到通訊設(shè)備（手機(jī)或者電腦），通過(guò)遙控控制船體前進(jìn)收集垃圾。[2]-[3]

2 工作流程

將各種參數(shù)調(diào)試好后放入需要清理的水域，兩個(gè)螺旋槳推動(dòng)機(jī)器開(kāi)始巡航，通過(guò)攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控水面垃圾情況，反饋信息相關(guān)系統(tǒng)。攝像頭識(shí)別到垃圾后，通過(guò)單片機(jī)或者遙控器控制船體向垃圾處前進(jìn)。[4]收集機(jī)構(gòu)根據(jù)垃圾狀態(tài)調(diào)整自身形態(tài)后將垃圾收集并倒入垃圾儲(chǔ)存箱。重復(fù)前兩步直至收集箱裝滿(mǎn)或人為停止收集垃圾。返航對(duì)垃圾儲(chǔ)存箱垃圾進(jìn)行分類(lèi)處理后重新出發(fā)清理垃圾。圖3為裝置的工作流程圖。

圖3 工作流程圖

3 結(jié)語(yǔ)

在水域環(huán)境日益變差和生活質(zhì)量需要逐漸提高的今天，各景觀水，城鎮(zhèn)河道，小區(qū)湖泊等水域的漂浮垃圾急需清理且需要長(zhǎng)期維護(hù)。該裝置綠色環(huán)保、機(jī)動(dòng)靈活、功能齊全、智能化高，十分適合這類(lèi)水域里的垃圾清理，不僅能長(zhǎng)期作業(yè)于這些水域完成垃圾清理工作而且裝置外觀尚可具備一定觀賞性。

本裝置的兩大特點(diǎn)：（1）全新的收集機(jī)構(gòu)——以X型桿機(jī)構(gòu)為主體。由收集機(jī)構(gòu)的不同形態(tài)對(duì)應(yīng)裝置兩種運(yùn)動(dòng)形態(tài)：一是快速移動(dòng)形態(tài)：X型桿收縮至最短可減少阻力方便移動(dòng)，適用于垃圾較少水域，或單純行駛而不收集垃圾時(shí)，比如返航；二是聚集垃圾形態(tài)：調(diào)整X型桿機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度、傾斜角度和位置高度為適當(dāng)?shù)男螒B(tài)，便于垃圾清理，提高收集效率。X型桿機(jī)構(gòu)的靈活性足以應(yīng)對(duì)大部分垃圾，無(wú)論是在水域邊緣還是狹窄水域都能輕易收集。（2）高度智能化且集兩種作業(yè)模式一體。為應(yīng)對(duì)特殊情況，我們?cè)O(shè)置了兩種作業(yè)模式，全自動(dòng)作業(yè)模式和半自動(dòng)作業(yè)模式。全自動(dòng)作業(yè)模式是裝置通過(guò)機(jī)器視覺(jué)和程序指令自主尋找并清理垃圾。半自動(dòng)模式是人工通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控操作遙控器使裝置完成垃圾清理。

本裝置在被廣泛使用后，不僅可以?xún)?yōu)化景觀水，城鎮(zhèn)河道，小區(qū)湖泊等水域環(huán)境，而且可以解放一部分人工勞動(dòng)力，提高環(huán)境治理的智能化程度。因此，本裝置擁有廣闊的發(fā)展前景，具備一定的市場(chǎng)價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。