水上精靈：全自動水域垃圾清理設備＊

周亞東，吳旭東，黃文良，何明俊，程穩

（湖北汽車工業學院，湖北十堰 442002）

面向國家可持續發展戰略，設計了該全自動的水域清理裝置，控制水面漂浮垃圾污染物。針對水面垃圾清理問題，目前基本上是通過人工乘船進行打撈，但這種方法存在一定局限性，在小型河流、人工湖泊、水上游樂場等地，往往有水面狹窄或水很深的地方，船體不能通行，打撈難度大；另外，對一些景觀湖、河，人工打撈還會對周邊環境造成影響。而且現有水面垃圾清理裝置多是自動化裝置，如大型綜合清污船之類的水面固體垃圾收集機械，它具有良好的續航能力和強大的功能，卻因體積龐大在狹小的水域移動不便、工作效率不高，動力消耗及使用成本太高，不能適應小型河流、人工湖泊、水上游樂場及其他地方水面垃圾清運需求[1]。針對上述問題，設計了一款機動靈活、作業效率高、造價較低的水面垃圾小型清理機器人[2]。

首先吸取了已有水面垃圾清理裝置的長處，同時對現有裝置中存在的一些問題進行了分析。為解決水上垃圾污染問題，對全自動水域清理機機械結構進行了設計。裝置的主要結構包括船體、垃圾收集裝置、垃圾分類裝置、垃圾壓縮裝置及其電氣元件。

該裝置采用強度好、質地輕盈的材料，通過結構分析及靜力計算，設計出介于單體船與雙體船之間獨特的船體類型，又從動力、收集、分類和壓縮等方面入手，依次設計出實現各部件功能要求的機械裝置。經過對結構設計的穩定性進行分析，將它進行裝配，使它擁有結構穩定、收集空間大、轉移靈活等優點。

1 水域垃圾清理裝置介紹

設計的水域垃圾清理裝置應具有以下功能：①水面垃圾清理裝置要能夠平穩運行、可靠性優良、靈活地在水面進行工作；②在工作過程中能夠區分垃圾和障礙物，避免將兩者混淆，能夠自主向垃圾移動并對其種類進行識別，從而將垃圾按種類進行收集；③能在垃圾收集源頭實現對垃圾的分類操作；④對分類的垃圾進行壓縮，通過壓縮裝置的作用，最大程度上提高空間利用率。

水域垃圾清理裝置運行框圖如圖1 所示。

圖1 水域垃圾清理裝置運行框圖

2 電子控制系統

要實現對整體機器的控制，需要對主要機構的動力源進行準確控制。本文設計的水上垃圾清理裝置的主要功能機構為水陸兩用輪和清理機構，即需要實現對水陸兩用輪的驅動電機、與控制分類擋板相連接的凸輪角度的轉動的舵機、清理機構中控制傳送帶運行的減速電機和后方壓縮裝置的步進電機的控制。因此，根據控制系統的整體方案設計、機構基本控制策略和機構的控制系統設計要求，同時為了使各功能部件的運行相互協調、流暢，從而使該裝置達到良好的工作狀態[3]。控制系統設計主要從以下2 個方面切入：首先，根據各機構的運動形式和工作負荷來選取合適的控制電機及其型號；然后，再將這些電機分別與水域清理裝置各功能部件連接在一起，形成一個可控制的整體，從而達到水域清理裝置控制系統設計的目的。水域垃圾清理裝置硬件設計如圖2 所示。

圖2 水域垃圾清理裝置硬件設計

3 軟件結構

采用了基于視覺識別的水上垃圾清理裝置，選取常見不同種類的海洋垃圾，制作數據集，以對水面上垃圾的調查和本裝置的機械結構為依據，選擇了可回收垃圾、不可回收垃圾、其他垃圾3 類作為數據集，每一類選擇多個目標進行采集，每個目標拍攝50～100 張照片，選擇不同角度、不同位置拍攝，然后進行人工神經網絡的訓練，最后將訓練好的神經網絡應用于所使用的OpenMV 攝像頭。OpenMV 檢測到垃圾，自動判斷該垃圾屬于設定的3 類垃圾中的概率，將概率最高的種類通過串口輸出到STM32 單片機中，單片機控制舵機使與之相連的旋轉架帶動凸輪轉動不同角度，與凸輪同步運動的分類板也將隨之運動，以此實現不同種類的垃圾分選后進入各自的垃圾箱中；使用傳感器測量垃圾到垃圾箱口的距離，設置距離閾值，當達到閾值后主控發出壓縮垃圾的信號對垃圾進行壓縮，當與壓縮板相連接的壓力傳感器達到閾值后使電機反轉收回壓縮桿，本次垃圾識別收集分類壓縮完成。還可以將垃圾與車的位置信息傳輸給單片機，假設垃圾在圖像的左上角，說明垃圾在車的左前方，車往左前方運動，從而實現自動尋找并收集垃圾[4]。

4 機械結構

在結構設計上，本產品主要由船體結構裝置、水陸兩用輪結構裝置、垃圾收集結構裝置、垃圾分類結構裝置、垃圾壓縮結構裝置5 個部分組成，如圖3 所示。

圖3 水域垃圾清理裝置機械結構圖

船體結構裝置設計：由于該裝置是針對沙灘、河流、海洋、人工湖泊、景區湖泊等水域垃圾的清理和回收，為了實現在盡可能小的空間中容納更多垃圾和執行機械，同時便于拆裝和維修各部件機器和能源部件等功能模塊，保證該裝置在水面進行工作時可以平穩運行、高效工作，因此對雙體船進行改進，將單體船與雙體船進行結合，將單體船前身部分進行割除，為收集裝置傳送帶的安裝留出充足空間，而船體船身中間與后面部分可用來安裝垃圾分類裝置與垃圾壓縮裝置。

水陸兩用輪結構裝置設計：將沙地輪胎與葉輪相結合，能夠在水上和陸地2 種環境中自動巡航移動以實現跨水域的自動清理，并且可以徹底解決因機器擱淺及改變作業水域而帶來的人工處理成本。

垃圾收集結構裝置設計：對傳送帶式收集裝置進行了改進，采用鏤空式傳送帶，垃圾在被傳送的過程中其上面的水可以自然流落，且傳送帶上安裝有鏤空擋板，使飲料瓶與塑料袋都可被收集。

垃圾分類結構裝置設計：本文設計了基于機器視覺的垃圾自動分類系統和垃圾分類的硬件系統，該結構可以實現對可回收垃圾、不可回收垃圾及其他垃圾的分類[5]。垃圾分類裝置由凸輪、擋板、推桿和舵機等構成。其中，擋板通過軸、法蘭、夾片等零件與凸輪連接從而保證擋板和凸輪同步運動，推桿與舵機通過法蘭連接使得推桿能夠按照給定的角度轉動；推桿和凸輪與底板形成轉動副，當推桿轉動時可以與凸輪接觸形成高副進而推動凸輪轉動。其工作原理是通過舵機的左右旋轉驅動推桿推動凸輪左右旋轉從而使通道擋板旋轉，實現不同種類垃圾通道的開合。垃圾分類結構裝置如圖4 所示。

圖4 垃圾分類結構裝置圖

垃圾壓縮結構裝置設計：針對水上垃圾收集裝置本身垃圾存儲空間有限的問題，設計了一種絲桿傳動的剪叉式垃圾壓縮裝置，可有效對已收集垃圾進行簡單壓縮與整平，提高垃圾的存儲空間。該垃圾壓縮裝置主要由電機、絲桿螺母機構、滑塊、支撐桿、擋塊等組成。通過電機的運動帶動絲桿做旋轉運動，從而使得螺母進行橫向移動帶動支撐桿擺動，以實現擋塊上下自由移動來進行壓縮。該結構裝置簡單可靠、受力情況較好，無需液壓等重型裝置，成本較低，壓縮垃圾的性能良好。

在制作的模型中壓縮裝置的質量大約為500 g，絲杠的機械效率為0.9，為保證速度其導程選為8 mm。

垃圾壓縮結構裝置如圖5 所示。圖5 中設支撐桿2 個圓心間的距離為L，壓縮裝置的重力為G，絲杠提供的推力為F，支撐桿與絲杠的夾角為α，根據能量守恒定律可得：

圖5 垃圾壓縮結構裝置圖

根據幾何關系：

對x、y求導得：

代入式（1）得：

由上可得，當α減少時，F增大；當α為0 時，機構自鎖。

一般絲杠螺母機構整體構造為電機+絲杠螺母，電機工作扭矩T的計算公式為：

式中：BP為絲杠導程的數值，單位mm；η為絲杠機械效率的數值，一般取0.9～0.95。

電機扭矩T=2G×8/2×π×0.9。

5 結論

本文設計了一種全自動水域垃圾清理裝置，專為具有深度淺、水流緩、形狀不規則等特點的小型水域而設計。該裝置解決了目前的清理裝置存在船體較大、小型水域無法靈活展開作業、噪聲大、交通不便、空氣污染等的缺點。本裝置可以對小型水域的水面垃圾進行清理，且能自動巡航，操作方便、結構牢固、運行可靠、價格便宜，很適合在小水域使用。智能化、自動化是當今技術的發展方向，將新技術用于解決目前存在的污染問題是一個宏大的課題，本文以現存的水污染問題為導向，設計了一種基于視覺識別的水上垃圾清理裝置，目前該裝置還有待完善之處，后續會從視覺識別算法、裝置的空間利用率和零部件的輕量化入手進行進一步的研究，以更好地服務于人類社會的發展。