海域漂浮垃圾收集及分類裝置

摘要：為了提高海灘附近海域垃圾收集的效率，降低打撈者的工作強度，設計一種水面智能漂浮物收集裝置，該裝置由動力系統、傳動系統、垃圾分類系統等組成，初步選定噴射泵作為動力源，傳動系統選用自主設計二級倒鉤齒帶傳動無縫銜接傳送垃圾，選用OpenMV開發板結合180°旋轉擋板自動完成垃圾分類和收集，利用SolidWorks建模軟件建立了海域漂浮垃圾收集及分類裝置的模型、虛擬模擬運動分析。制作樣機測試，滿足安裝條件下符合預期要求。該裝置自動化程度高、工作靈活。通過海灘附近海域垃圾清理機器人結構設計和控制系統的搭建，以期在海灘附近海域水面垃圾打撈的工作中發揮作用。

關鍵詞：垃圾收集；倒鉤齒帶；垃圾分類；智能控制

中圖分類號：TH122 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.02.010

文章編號：1006-0316 （2023） 02-0068-07

Floating Garbage Collection and Sorting Device in the Sea Area

YU Yan，HUANG Zuojun，FAN Pengbo，LIU Yadong，LI Haochen，ZUO Wenjuan，LU Xueyu

（ School of Mechanical Engineering， Jiangnan University， Wuxi 214000， China ）

Abstract：In order to improve the efficiency of offshore garbage collection and reduce the work intensity of the salvagers， a surface intelligent floating garbage collection device is designed. The device is composed of power system， transmission system， garbage sorting system， etc.， and the jet pump is initially selected as the power source. In the transmission system， the self-designed secondary barb tooth transmission belt is selected to transport the garbage seamlessly， the OpenMV development board combined with the 180 ° rotating baffle is adopted to automatically complete the garbage sorting and collection，" and the modeling software SolidWorks is used to establish the model of the floating garbage collection and sorting device in the sea area and conduct the virtual simulation motion analysis. The prototype test is carried out， which meets the expected requirements under installation conditions. The device is highly automated and flexible. The construction of the robot structure design and control system for garbage removal in the sea near the beach is expected to play a role in the offshore salvage of the floating garbage.

Abstract：garbage collection；barb tooth belt；garbage sorting；intelligent control

海域漂浮垃圾主要為塑料袋、塑料瓶和飲料盒等，對海洋生物造成嚴重危害。此外，海域漂浮垃圾的持久性、累積性污染物也可能通過生物鏈危害人類。海面漂浮垃圾收集裝置能夠通過打撈水面的漂浮物從而治理水域環境。檢索發現國內外也有相關海面垃圾收集裝置研究，但現有的裝置體型大工作效率底，且大部分裝置不能直接對收集垃圾進行回收利用[1]。在此背景下本文針對目前海域污染物現狀，設計出了一種海域漂浮垃圾收集及分類裝置，來解決收集困難以及收集分類一體化的問題。

1 設計目標與實現方案描述

1.1 設計目標

為解決污染問題，我們設計一種海域漂浮垃圾收集及分類裝置，能在海灘附近海域實現海面漂浮垃圾自動收集，并對垃圾進行分類的功能，以達到綠色環保的目的，同時也能減少人力的浪費。

1.2 研究內容與實現方案描述

在本設計所提出的研究目標的基礎上，提出了以下幾個方面：

（1）對目前市場上營銷的大型收集船的設備組成、工作原理、適用范圍進行分析，完成了對方案的初步的討論與選擇。

（2）完成自動化控制船體整體的設計，整個船體的動力部分、捕捉垃圾、收集部分、分類裝置，控制部分的研究。

（3）運用三維建模軟件SolidWorks對船體進行了整體的建模，同時也對部分精密零件進行了三維建模。

（4）電控部分選擇使用以Arduino Uno和Motor Drive Board作為主控芯片，通過PS2手柄對整個船體進行控制。

（5）視覺識別。

2 裝置總體結構設計

2.1 垃圾收集與分類裝置工作原理

如圖1所示，水域漂浮垃圾收集及分類裝置主要由捕捉垃圾結構、輸送機構，垃圾分類機構和動力裝置組成，實現了所有功能一體化。

漂浮物捕捉裝置主要通過自主設計的傳送帶結構進行打撈傳遞，同時動力裝置通過水通道吸水使水通道與船外形成水位差，使得水面漂浮物更快地進去回收倉中，實現了“船動”到“垃圾動”的轉變，這一新改動大大提高了垃圾收集的效率。

輸送裝置主要由電機、聯軸器、6 mm剛性連桿、自主設計齒輪法蘭連接體構成。通過控制電機的速度可以控制尼龍傳送帶的速度。

垃圾分類裝置主要通過OpenMV模塊、Arduino Uno開發板和轉動舵機相連接，通過OpenMV對傳送帶傳上來的漂浮物進行識別并傳遞信號給Arduino開發板，同時Arduino開發板將其接受的信號轉化，來控制轉動舵機的轉角，舵機與撥片相連接，對已經到了上端傳送帶的漂浮物進行分類。

動力裝置主要由PS2、Arduino、11防水舵機、連桿以及噴水泵裝置構成，通過PS2對于舵機的控制實現噴水泵噴水方向的改變以及控制電機的轉速以來實現對船身行進的控制。

該垃圾收集裝置設計為一個長241 mm、寬262 mm、高170 mm的船體，整個裝置的凈重為7.1 kg。

2.2 動力裝置設計

動力裝置的設計需要實現對整個船體的運行速度以及方向的控制如圖2所示。

有刷電機與扇葉片過聯軸器相連，通過有刷電機的轉動帶動葉片旋轉，葉片高速旋轉，使其能通過噴水泵的管道在船底水流通道吸取大量的水，并向船后噴出，使整個船體產生動力。水泵內部葉片示意圖如圖3所示。

通過防水舵機的轉動，通過連桿地連接，從而控制動力噴射裝置的噴嘴的朝向，實現對船體的行進方向的控制。

動力裝置電機轉速能達到12 000 r/min，使得該裝置能以最大速度0.5 km/h的速度在水面上進行工作。

通過Uno板實現對模擬信號到數字信號，以及數字信號到模擬信號的轉變，實現對船體的舵機以及電機的控制，使整個船體的控制更加簡單容易，如圖4所示。

通過設置PSX2遙控器左右來實現舵機轉角的的變化，從而實現對裝置的轉向的控制，同時可以通過前后按鍵控制電機的轉速來控制船的行進速度。整個Uno板可以同時控制8個舵機以及4個直流電機。

2.3 捕捉漂浮物裝置設計

由于動力裝置主要靠吸收整個船體下方水倉中的水進行向后噴射，以此形成了一個較小

的水位差，外面區域的水源源不斷地流入到水倉中，同時水面的漂浮物也會跟著水流入到收集帶，以此形成了由“船動”和“水動“相互配合地捕捉裝置，大大提高了收集垃圾地效率，如圖5所示。

2.4 漂浮物輸送裝置設計

漂浮物輸送裝置設計主要通過專門設計帶和連接板等組成。

2.4.1 傳送帶及齒輪的設計

購買市面上尼龍材質的網帶，這種傳送帶輕便堅固，符合使用要求，設計了傳送帶與其相配套的傳送輪，經激光雕刻后進行使用。傳送帶與傳送輪如圖6所示。

由于第一級傳送帶需要垃圾抬升裝置，設計可以鉤住垃圾的倒鉤，同時設計出第一級傳送帶與第二級傳送帶之間的連接板，如圖7、圖8所示，與倒鉤配套使用。第一級傳送帶通過倒鉤將水面漂浮物從水里打撈出，而后第一級通過連接板送到第二級傳送帶，同時將漂浮物運動到垃圾分類區域。

2.4.2 軸承載能力的計算

該裝置主要通過電機帶動軸的轉動來驅動傳送帶，因此，軸主要從抗扭方面考慮，選用的軸材料為45鋼[3]，剪切模量G＝80 GPa，許用應力取40 MPa，單位長度扭轉角取1.5 °/m。

對軸進行扭矩分析，如圖9所示。

扭矩計算公式為[3]：

式中： 為電動機所需額定功率，W； 為整個裝置的總傳遞效率，取0.95。

計算得" W。

根據裝置大小以及實際的打撈情況選擇電動機轉速范圍為40～60 r/min。

綜合考慮價格、重量、傳動比等因素，選定電機型號為37GB-555的直流有刷減速電機，額定電壓為12 V，空載轉速為50 r/min，負載轉速為45 r/min。由自主設計齒輪與電機相互配合得到傳送帶最大速度可達0.18 m/s。

2.4.5 確定傳動裝置效率

常見各類傳動零件的效率取值范圍如表1所示[3]。

根據表1選取聯軸器的效率為0.99、滾動軸承（球軸承）的效率為0.99、帶的效率為0.94。

2.5 垃圾分類裝置設計

通過前端OpenMV的攝像頭來識別，通過斜置傳送帶傳送到平置傳送帶上，當識別到物品時，OpenMV會發數字信號給Arduino板，Arduino板將數字信號發送給舵機來控制舵機舵機，舵機的轉動控制撥片的旋轉實現垃圾分類。

OpenMV攝像頭是一款小巧，低功耗，低成本的電路板，它可以很輕松地完成機器視覺（Machine Vision）應用，也可以通過高級語言Python腳本（是MicroPython，而不是C/C++）[5]。Python的高級數據結構能夠很容易的在機器視覺算法中處理復雜的輸出。但是，也仍然可以由自己完全控制OpenMV。使用外部終端觸發拍攝或者或者執行算法，也可以把算法的結果用來控制I/O引腳。

Motor Driver Board是由專門針對Arduino Uno（兼容Mega2560）機器人，電機驅動，多路舵機控制而研發的一款多功能電機驅動擴展板。本驅動板采用I2C方式控制 PCA9685（16路PWM輸出芯片）[6]。所以本驅動板電機或者舵機和Arduino主板I/O口不存在對應關系，是通過I2C擴展PWM控制。

2.5.1 智能系統軟件設計

使用Python語言進行編程設計，開發環境為OpenMV IDE。利用圖像視覺傳感器對圖像進行采集，并利用OpenMV IDE這款軟件對圖像進行分析處理[7]，繼而傳遞信號給相應的Arduino開發板，使能完成擋板的轉動動作，實現分類的目的。

2.5.2 系統分析

識別系統分析原理如表2所示。

OpenMV開發板在這套系統中只需要完成視覺識別與傳輸數據的功能[7]，防止其因處理太多任務導致過熱影響傳感器性能，提高了識別的準確性。

2.5.3 軟件算法分析

軟件最初進行系統初始化，通過遙控器發送數據使得整體系統啟動，啟動后根據圖像視覺傳感進行攝像，利用軟件進行分析決策，如圖10所示。

海域漂浮垃圾收集及分類裝置依托學科平臺以及專業特設，結合遙控，視覺。同時搭配使用功能強大的Arduino Uno開發板以及GB555強扭矩電機、955舵機、尼龍傳送等元器件，充分體現了機電一體化的設計思想。

3 主要功能

具體有四個功能：

（1）漂浮垃圾捕捉

設計噴射泵與水倉相連，泵工作時除了提供行進動力還可以提供船體和海洋面水位差，以此形成了由“船動”和“水動“相互配合地捕捉裝置，大大提高了收集垃圾地效率。

（2）漂浮垃圾輸送

異形倒鉤二級帶傳動配合連接片收集漂浮垃圾，斜置傳送帶上裝有自主設計的倒鉤實現對漂浮物的輸送。

（3）垃圾分類

由于考慮到整個裝置綠色環保，在平置傳送帶上加上了垃圾分類裝置，用過視覺識別控制擋板已控制整個漂浮物的行進軌跡，并已達到分類效果。

（4）智能一體化

搭配使用Arduino開發板實現了對整個船體的行進方向速度的控制，同時也可以控制傳送帶的電機的開端，避免了在無垃圾的情況的電能浪費[8]。同時通過OpenMV視覺識別模塊與Arduino開發板連接來控制舵機，實現了垃圾分類的自動化。

4 結論

本裝置可以滿足基本垃圾捕捉，收集和分類，并實現智能控制，相對半自動化收集裝置，具有一定理論實踐意義[9]。在實際生活中，本裝置可以對靠岸小型水域進行垃圾打撈作業。在設計的過程中也發現還有很多不足地方，進一步研究可以從以下五個方面著手：

（1）由于海域漂浮垃圾收集工作是在水面上進行的，清理裝置、動力部件在工作時會濺起水花，所以要做好模塊化水面清理機器人的防水措施。

（2）隨著科技的進步，機器人正朝著全自動的方向發展，因此可以在機器人控制系統中加入GPS自動導航系統[10]；與此同時改進水面垃圾自動識別算法，可以進一步地提升機器人的自動化水平。

（3）由于水面漂浮物的存在，可以在船體中增加能夠測量的傳感器，從而實現對整個水域水質的實時監控。

（4）鑒于船體容量的不足，可以增大漂浮物的儲物倉以及浮萍過濾攔截網的容量，以便于一次性收集更多的水面漂浮物。

（5）目前使用的是亞克力倒鉤，未來可以改變收集裝置的材料，以實現對各種環境，各種水面漂浮物的收集功能。

參考文獻：

[1]陳海濱，馬一凡，汪俊時. 內河水面垃圾清撈收集及相關問題探究[J]. 工業安全與環保，2021（47）：83-84.

[2]吳海都，楊德興，盧東泳，等. 基于STC單片機的水面清潔智能小衛士模型的設計[J]. 電子制作，2021（7）：26-29.

[3]濮良貴，紀名剛. 機械設計[M]. 9版. 北京：高等教育出版社，2012.

[4]劉鴻文，材料力學Ⅰ[M]. 6版. 北京：高等教育出社，2017

[5]蔡運富，李萬軍，牟俊宇，等. 基于OpenMV的無接觸溫度測量與身份識別裝置[J]. 中國寬帶，2020，（6）：54-56.

[6]王鈞佩，李之豪，李中源，等. 一種新型水域垃圾清理船的設計[J]. 河南科技，2021，40（12）：44-46.

[7]姚貴發，殷睿新，李金乘. 基于OpenMV的水面漂浮物清理系統 [J]. 價值工程，2022，41（11）：115-117.

[8]李國進，姚冬宜，艾矯燕，等. 基于改進YOLOv3算法的水面漂浮物檢測方法[J]. 工程科技Ⅱ輯：信息科技，2021，15（69）：1569-1578.

[9]易笑宇. 智能化水面垃圾清理機器人研究與實現[J]. 信息記錄材料，2022，22（4）：181-182.

[10]張皓東，王玉勤，倪小強，等. 基于GE·WDR技術的水面垃圾清理裝置設計[J]. 科學技術創新，2021（36）：16-18.

收稿日期：2022-05-10

基金項目：機械創新設計大賽

作者簡介：余衍（2001－），男，湖北黃石人，本科生，主要研究方向為機械工程，E-mail：1760245872@qq.com；盧學玉（1974－），女，

江蘇淮安人，碩士，副教授，主要研究方向為機構創新設計及理論，E-mail：luxueyu@126.com。