程仁政 孫亞軍 程 翔 王少鋒 張 迪 繩榮金 侯啟岳

（濱州學(xué)院，山東濱州，256600）

遙控式多功能水面清潔機器人

程仁政 孫亞軍 程 翔 王少鋒 張 迪 繩榮金 侯啟岳

（濱州學(xué)院，山東濱州，256600）

本文設(shè)計了一種全新概念的遙控式多功能水面清潔機器人，該機器人由遙控系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、垃圾收集系統(tǒng)、太陽能自動跟蹤控制系統(tǒng)、撒飼機、船體六部分組成，其特殊的動力輪可實現(xiàn)水陸兩棲式運動，通過遙控器可遠(yuǎn)程遙控機器人迅速移動到指定的水面區(qū)域完成垃圾的自動收集、打包、卸載等任務(wù)，外置自動撒飼裝置可進(jìn)行魚食播撒，并采用混合動力設(shè)計，太陽能自動跟蹤模塊實現(xiàn)對太陽能的高效利用。

機器人，水面清潔，水陸兩棲

0 引言

本文對遙控式多功能水面清潔機器人的機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了大膽設(shè)計。先利用solidworks軟件進(jìn)行實體建模（圖1），在電腦上繪制機器人的機械結(jié)構(gòu)框架并模擬其功能，然后根據(jù)3D設(shè)計圖購買材料、加工零件，繼而組裝各個功能模塊，最后完成整個機器人的組裝。

圖1 3D設(shè)計構(gòu)想圖

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 模塊組成

機器人由遙控模塊、傳動模塊、垃圾收集模塊、太陽能自動跟蹤控制模塊、撒飼機、船體六部分組成（圖2）。

遙控模塊分為遙控接收/發(fā)送模塊、AVR單片機等；

傳動模塊分為蓄電池、12V電機、同步帶輪、同步帶、鏈輪、鏈條、齒輪、水陸兩用輪等；

3）垃圾收集模塊分為旋轉(zhuǎn)聚集器、旋轉(zhuǎn)收集器；

太陽能自動跟蹤控制模塊可分為太陽能板、舵機、單片機、光敏電阻等；

撒飼機可分為舵機、單片機等。

圖2 水中作業(yè)實物

1.2 傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)分為：蓄電池、12V電機、同步帶輪、同步帶、鏈輪、鏈條、齒輪、水陸兩用輪等，電機提供動力，利用新式的同步帶輪與同步帶傳動，將扭力和轉(zhuǎn)矩經(jīng)同步帶傳送給左右水陸兩用輪，實現(xiàn)船體的前進(jìn)后退，既保證了傳動效率又盡量減輕了船體的重量。

1.3 垃圾收集系統(tǒng)

垃圾收集系統(tǒng)分為：旋轉(zhuǎn)聚集器（圖3），旋轉(zhuǎn)收集器、垃圾箱、齒輪、同步帶。

旋轉(zhuǎn)聚集器位于船體前部，分左右，由齒輪的外嚙合使左右旋轉(zhuǎn)聚集器旋轉(zhuǎn)方向相反，高效收集水面垃圾。其框架由較輕的鋁合金管支撐，變形鏈接處用較緊的銷連接，鋁合金管上有傳動的同步帶輪，其保證聚集器的機械運動。

由于船體分為左右兩部分，在船的中間有足夠的空間來保證垃圾通過旋轉(zhuǎn)聚集器匯聚到達(dá)旋轉(zhuǎn)收集器附近，然后旋轉(zhuǎn)收集器轉(zhuǎn)動將垃圾撥到垃圾桶里。

圖3 旋轉(zhuǎn)聚集器

圖4 輪子模式

2 電氣控制設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)

控制模塊主要包括AVR單片機、遙控模塊、電機驅(qū)動等元器件。

2.2 太陽能自動跟蹤系統(tǒng)

運用光敏電阻因光照強弱其電阻值會發(fā)生變化這一原理，再利用AD轉(zhuǎn)換，將電阻變化的模擬量轉(zhuǎn)化為單片機可識別的數(shù)字量，單片機根據(jù)返回的數(shù)字量大小調(diào)節(jié)舵機轉(zhuǎn)向，控制太陽能電池板的角度，使其光照接收面積最大，可最大限度地為蓄電池充電。

2.3 遙控水上行走轉(zhuǎn)向

采用12V電機作為動力源，遙控接收模塊相應(yīng)引腳與單片機I/O口相連，根據(jù)單片機I/O口接收到的電平高低變化編寫程序，運用驅(qū)動控制電機正反轉(zhuǎn)，來實現(xiàn)船體的進(jìn)退與轉(zhuǎn)向，例如，按下遙控器的W鍵船體將向前運動，按下S鍵船體將后退，按下A鍵船體將利用左右兩輪的差速向左轉(zhuǎn)向，按下D鍵船體將右轉(zhuǎn)。

3 實物操作

3.1 遙控收集垃圾

遙控器發(fā)送信號給單片機，單片機發(fā)出信號控制電機運轉(zhuǎn)，使機器人到達(dá)指定區(qū)域，電機提供的動力由皮帶傳送給左右旋轉(zhuǎn)聚集器，旋轉(zhuǎn)聚集器位于船前側(cè)，齒輪的外嚙合使左右旋轉(zhuǎn)聚集器旋轉(zhuǎn)方向相反，船前面的垃圾由旋轉(zhuǎn)聚集器收集到船體中間，然后旋轉(zhuǎn)收集器轉(zhuǎn)動將垃圾撥到垃圾桶里。

3.2 陸上行走

該機器人要用一種全新的水陸兩用輪設(shè)計，使機器人既可在陸地上行走，也可在水中實現(xiàn)撥水功能（圖2），其前側(cè)的旋轉(zhuǎn)聚集器可實現(xiàn)變形，成為陸地行走時的前輪（圖4），在位于后側(cè)的水陸兩用輪的驅(qū)動下實現(xiàn)陸上行走。（如圖5）

圖5 陸上行走模式

4 結(jié)語

市面上有不少的大型人工清潔船，其功能相對單一，大多數(shù)僅僅是收集垃圾，不能實現(xiàn)在陸地上行走和太陽能充電。因此，遙控式多功能水面清潔機器人與之相比有極大的優(yōu)勢，該理念可以減少運輸成本，節(jié)省能源，具有良好的應(yīng)用前景。

[1] 陳懇，楊向東，劉莉等.機器人技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006:6-7.

[2] 孫光偉.仿人機器人控制系統(tǒng)設(shè)計與穩(wěn)定性研究[D].西華大學(xué),2010.

[3] 王琪民.微型機械導(dǎo)論[M].合肥:中國科技大學(xué)出版社,2003.

[4] 任蕓丹,王翔．多智能體遙控船綠色性評價方法的應(yīng)用研究[J]．機械設(shè)計與制造, 2011(7).

[5] 于運滿.精密間歇機構(gòu)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000.

本項目為國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目，項目編號：201310449115。