智能垃圾清理船設計

曹雯麗，萬志遠

（山東華宇工學院 機械工程學院，山東 德州 253034）

0 引言

隨著經濟的快速發展和城鎮化的加速，各種垃圾也大量產生，垃圾處理成了現代社會不可忽視的環境問題。被排放入水中的垃圾主要由水生植物和生活垃圾組成，嚴重影響了水體生態，破壞了生態平衡，給居民生活帶來巨大困擾[1-2]。目前，國內外對水面污染垃圾的清理主要采用人工和機械方式，不僅需要克服清理機器效率低、噸位大的問題，而且對清理者的人身安全造成很大威脅[3-4]。針對此問題，設計了一種智能垃圾清理船。可以實現水面和水底垃圾的探測和自動清理，有效提高水中垃圾清理效率，減少環保部門的人員投入。清理船可應用于公園湖泊、水產養殖塘等需要垃圾清理的場所，實際應用范圍廣，價值高。

1 清理船總體方案設計

智能船船體結構主要由抓取結構、動力結構、太陽能供電結構、伸縮式調節結構及控制結構組成，設計并制作的智能船主體結構見下頁的圖1。甲板2 安裝于船體1 上，一端安裝有收集箱4，另一端安裝有太陽能供電機構，具有續航能力強的優點，控制機構位于船體1 兩側，包括一對結構相同的動力控制結構、控制面板、第一檢測探頭8 以及第二檢測探頭9；抓取機構包括：第一轉動結構、第二調節結構以及抓取結構；伸縮式調節結構包括：矩形槽10、一對結構相同的第一液壓缸11 以及一對結構相同的伸縮桿12；動力控制結構包括：第一伺服電機13、箱體14、傳動組件以及轉軸15，第一伺服電機13 位于船體1 側壁位置上。動力控制結構安設于船體1 內，且分別位于船體1 兩側，控制面板安設于船體1 內，第一檢測探頭8 安設于船體1 下側壁面上，第二檢測探頭9 安設于船體1 一側、且位于船體1 行進方向一側圖1）。

圖1 智能船主體結構

垃圾清理船工作原理：利用太陽能板6 對船體1進行供電，并利用控制面板對船體1 進行遠程控制，利用第一檢測探頭8 以及第二檢測探頭9 分別檢測船體1 下方水底以及船體1 前方水面上是否有漂浮垃圾，通過檢測探頭將檢測數據進行收集處理，并將電信號發送給遠程控制系統實現水面垃圾、水底垃圾的自動檢測，操作人員根據檢測數據，對船體1 進行遠程控制，實現水面和水底垃圾的收集通過抓取裝置實現自動清理和收集垃圾，智能船由岸邊遙控指揮。

2 機械結構設計

2.1 抓取結構

抓取機構包括：第一轉動結構、第二調節結構以及抓取結構。其位置關系以及連接關系：第一轉動結構安設于船體1 一側，且與動力控制結構相連接；第二調節結構安設于第一轉動結構上，抓取結構安設于第二調節結構上，連接板20 套裝于轉軸15 上，且與轉軸15 固定連接，即轉軸15 轉動過程中帶動連接板20 轉動；第二液壓缸21 的固定端與連接板20 相連接，連接板20 上的第二液壓缸21 隨著轉動；門型架22 安裝于第二液壓缸21 的活動端上；銷軸23 安裝于門型架22 上；轉動桿24 為矩形空腔結構、且一端與銷軸23 相連接；第一液壓泵25 安裝于轉動桿24 內、且與銷軸23 相連接；抓手26 安裝于轉動桿24 的一端上；第二液壓泵27 安裝于抓手26 上，即可實現控制第二液壓缸21 的擴張與收縮，啟動轉動桿24 上的第一液壓泵25 對門型架22 內的銷軸23 進行控制，進而調節轉動桿24 的角度，并控制抓手26上的第二液壓泵27 對抓手26 進行控制，使得抓手26 對垃圾進行抓取，并將抓取到的垃圾投入到收集箱4 內；轉軸15 聯動實現360 度轉動，并且可根據水深、水面情況進行長度調整，一個伸向水底，一個伸向水面，分別抓取水面和水底垃圾，可同步實現水面水底垃圾清理，抓取完成后，轉動桿24 復位，隨第二液壓缸21 轉動，移到收集箱4 上側，兩個轉動桿24 向內轉動，抓手26 將垃圾放置收集箱4 內，完成一次清理，重復前面工作，直至將此區域垃圾清理完成；隨后智能船根據檢查控制信息，移動至下一處垃圾水域進行工作，待垃圾清理完成或收集箱4 垃圾滿后，智能船運動至岸邊，傾倒垃圾進行第二次作業或者完成工作。

2.2 動力控制結構設計

如圖1 所示，第一伺服電機13 位于船體1 側壁位置上，型號為S110-15LPK 的伺服電機，由第一伺服電機13 帶動下列轉軸運動，從而達到整個清理船運動的目的。箱體14 安裝于第一伺服電機13 一側，傳動組件安裝于箱體14 內（包括輸入軸16、第一齒輪17、輸出軸18 以及第二齒輪19）且輸入端與第一伺服電機13 的驅動端相連接；轉軸15 一端貫穿于船體1 側壁，且與船體1 側壁活動連接；轉軸15 另一端與輸出軸相連接，輸入軸16 上套裝有第一齒輪17，一端與第一伺服電機13 的驅動端相連接，另一端與輸出軸18 相連接；第二齒輪19 套裝于輸出軸18 上、且與第一齒輪17 相嚙合。在使用時，啟動第一伺服電機13，第一伺服電機13 的驅動端轉動，帶動輸入軸16 轉動，輸入軸16 轉動帶動輸入軸16 上的第一齒輪17 轉動；第一齒輪17 轉動帶動與之相嚙合的第二齒輪19 轉動；第二齒輪19 轉動帶動輸出軸18 轉動，輸出軸18 轉動，帶動與之相連接的轉軸15 轉動。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象，伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統中，用作執行元件，且具有機電時間常數小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。

2.3 控制系統設計

控制系統包括一對結構相同的動力控制結構、控制面板、第一檢測探頭8 以及第二檢測探頭9，其位置關系以及連接關系：動力控制結構安設于船體1內，且分別位于船體1 兩側；控制面板安設于船體1內，第一檢測探頭8 安設于船體1 下側壁面上；第二檢測探頭9 安設于船體1 一側、且位于船體1 行進方向一側。遠程控制模塊28 安裝于船體1 內，第一探測控制模塊29 安裝于遠程控制模塊28 一側，且與第一檢測探頭8 相連接；第二探測控制模塊30 安裝于第一探測控制模塊29 一側，且與第二檢測探頭9 相連接；第一探測控制模塊29 對第一檢測探頭8 的檢測數據進行收集處理，并將電信號發送給遠程控制模塊28；第二探測控制模塊30 對第二檢測探頭9 的檢測數據進行收集處理，并將電信號發送給遠程控制模塊28，操作人員根據檢測數據，對船體1 進行遠程控制，實現水面以及水底垃圾的收集。

2.4 太陽能供電結構

太陽能供電機構包括：伸縮式調節結構、矩形架5、太陽能電池板6 以及蓄電池7。其位置關系以及連接關系：伸縮式調節結構安設于甲板2 上，其包括第一液壓缸11、矩形架5（安設于伸縮式調節結構上）、太陽能電池板6（嵌裝于矩形架5 上）、蓄電池7（安設于伸縮式調節結構內、且位于太陽能電池板6 下方），在使用時，通過控制第一液壓缸11 的收縮以及擴張，配合伸縮桿12 對矩形架5 進行限位，實現對矩形架5 水平方向上的角度調節，使得太陽能電池板6 正向太陽光源方向，提高利用效率。

在使用時，通過調節太陽能供電機構內的伸縮式調節結構，對太陽能電池板6 的朝向進行調整，使得太陽能電池板6 的效率達到最佳，并將電能存儲到蓄電池7 內，對船體1 進行供電，并利用控制面板對船體1 進行遠程控制，利用第一檢測探頭8 以及第二檢測探頭9 分別檢測船體1 下方水底以及船體1 前方水面上是否有漂浮垃圾，并控制抓取機構進行抓取。

3 結語

智能垃圾清理船，通過檢測探頭實現水面垃圾、水底垃圾的自動檢測；通過抓取裝置自動清理垃圾，整個智能船由岸邊遙控指揮。智能船能源采用太陽能供電，續航能力強，不會產生二次污染。該裝置主要是通過機械手爪對垃圾進行抓取來達到回收垃圾的目的，且配有垃圾分類回收箱，整體提升垃圾清理效率、人員安全性和可操作性，解決了現有水面漂浮垃圾、水底沉降垃圾等問題，有利于促進城市環境的可持續發展。