一種具有作業(yè)面積拓展裝置的水面垃圾清理機(jī)器人

況天陽 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

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

引言

目前，國內(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，作業(yè)時(shí)，不僅會產(chǎn)生大量的廢氣污染，工作過程中汽油與柴油也可能會泄露，對空氣環(huán)境和水的質(zhì)量都有污染與破壞，不符合國家節(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)動明輪工作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動功能。也可以通過遙控器控制，保證始終只有一個(gè)明輪驅(qū)動電機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。設(shè)有兩個(gè)動力源，一個(gè)動力失靈，可以啟用另一個(gè)備用動力源，始終保證機(jī)器人順利返航。

2.2打撈裝置的設(shè)計(jì)

打撈裝置由電動機(jī)、帶傳動裝置、履帶傳動裝置等組成，如圖2所示。履帶傳動是將漂浮物傳動到船體收集箱內(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傳動，分別為主動軸，從動軸，支撐軸。電機(jī)通過傳動轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)打撈功能。支撐軸連接支撐塊，支撐軸向上移動時(shí)，帶動支撐塊上移，履帶裝置又與支撐塊連接，用于調(diào)整履帶傳動裝置傾斜角度，使得履帶傳動裝置的倒鉤能夠進(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)向裝置采用擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，由尾夾板1、電動推桿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。電動推桿固定在尾夾板上。電動推桿作直線運(yùn)動，帶動連桿，使得導(dǎo)桿轉(zhuǎn)動一定角度（最大范圍為120度），即轉(zhuǎn)向板機(jī)構(gòu)也轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，完成船體不同角度的轉(zhuǎn)向。初始狀態(tài)時(shí)連桿與電動推桿垂直，其伸長到極限位置時(shí)，轉(zhuǎn)向板機(jī)構(gòu)順時(shí)針轉(zhuǎn)動，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，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)的電動推桿單獨(dú)推動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)自動聚集漂浮物的作用。

作業(yè)面積擴(kuò)展機(jī)構(gòu)分別對稱的設(shè)置在船體的前部兩側(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)位檢測機(jī)構(gòu)安裝在作業(yè)面積擴(kuò)展機(jī)構(gòu)上，用于檢測作業(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)位信號至控制器，控制器接收到復(fù)位信號后控制作業(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)動裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)等。控制模塊能控制系統(tǒng)的啟停和緊急停止、控制發(fā)射信號對應(yīng)的接收器模塊；通過按鍵控制其對應(yīng)驅(qū)動，從而控制舵軸順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，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到信號，將信號船體給主控制器，主控制器控制其打撈裝置驅(qū)動電機(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：ZL 201610541208.3.