王居鑫 吳佳霖 劉 達 夏長春 辛紹杰 / 上海電機學院

一種水面漂浮垃圾清掃機器人

王居鑫 吳佳霖 劉 達 夏長春 辛紹杰 / 上海電機學院

針對目前公園等景區(qū)水面上的漂浮垃圾的清掃難題，提出并研制一種水面漂浮垃圾清掃機器人。該型機器人在行進過程中能將水面漂浮垃圾聚集收容，還能根據(jù)需要擴展打撈面積，實現(xiàn)了高效、省時、省力地實現(xiàn)水面垃圾打撈的效果，有很好的市場化前景。

機器人；水面垃圾清掃；伸展單元；無線控制

引言

環(huán)保清潔設備是隨著人們對環(huán)境保護要求的提高而發(fā)展起來的一類設備。目前公園景區(qū)里的湖面有許多諸如湖邊樹木的落葉等輕質(zhì)的漂浮物，對環(huán)境景觀造成不美觀，更會形成一定的污染。目前樹葉等漂浮物大多是采用人工打撈或者是使用簡易的打撈船，人工打撈費時費力，需要工人劃船進行地毯式的打撈，現(xiàn)有的遙控打撈船對于打撈面積相對局限，兩種方案的工作效率較低，打撈工作費時費力。

1.水面垃圾清掃機器人基本功能與單元設計

打撈作業(yè)要求水面垃圾清掃機器人應具有高效、省時、省力地實現(xiàn)水面漂浮垃圾的清掃的特點。根據(jù)需要，本文提出并研制的水面垃圾清掃機器人包括船身以及安裝在船身上的儲物筐、打撈單元、伸展單元、驅(qū)動單元、轉(zhuǎn)向單元和控制單元等，如圖1所示。

在打撈作業(yè)時，操作者通過控制單元實現(xiàn)對打撈單元、伸展單元、驅(qū)動單元和轉(zhuǎn)向單元的控制。打撈單元可將水面垃圾打撈至儲物筐內(nèi)；驅(qū)動單元則驅(qū)動船身水面運動；轉(zhuǎn)向單元實現(xiàn)船身轉(zhuǎn)向；伸展單元可以在船身移動時，將漂浮物收容于伸展單元內(nèi)側(cè)，并與打撈單元協(xié)同進行打撈工作。

圖1 機器人整體結(jié)構(gòu)示意圖

2.水面垃圾清掃機器人各單元的結(jié)構(gòu)設計與功能實現(xiàn)

2.1 打撈單元

圖2所示的打撈單元設有電機、主軸、打撈框架、網(wǎng)面、軸套和基座，基座和電機分別安裝在主軸的兩端，主軸通過基座和電機安裝在船身上，主軸的另一端通過軸套與基座連接，打撈框架安裝在主軸外側(cè)，網(wǎng)面固定在打撈框架上。

機器人作業(yè)時，打撈網(wǎng)在水中打撈，電機帶動主軸旋轉(zhuǎn)，當打撈網(wǎng)下降至水面以下時，將水面垃圾撈起，打撈網(wǎng)離開水面時，電機驅(qū)動其翻轉(zhuǎn)，將水面垃圾送至儲物筐。

圖2 打撈單元示意圖

2.2 伸展單元

圖3所示的伸展單元設有兩套伸縮桿裝置和兩套尾部固定裝置。伸縮桿裝置采用四桿機構(gòu)，并對稱設置于船體的兩側(cè)，兩套伸縮桿裝置之間設有彈簧，并與船身之間設有與電機連接的滑輪和拉繩。尾部固定裝置采用兩個固定銷和一個長條狀固定環(huán)套配合的方案，伸縮桿裝置架固定在環(huán)套上，固定銷頂部固定在船體后部的下側(cè)。

伸縮桿的分為主桿部和副桿部，主桿部的兩個主桿內(nèi)設有電動推桿，主桿外設有打撈網(wǎng)；副桿部的兩個副桿和支撐軸平行布置在主桿上，副桿上設有打撈網(wǎng)。伸縮桿裝置中副桿插入主桿中，電動推桿推動副桿沿主桿內(nèi)壁滑動。伸展桿不工作時平行緊貼于箱體的外側(cè)，滑輪旋轉(zhuǎn)帶動拉繩伸縮，從而拉動兩套伸縮桿裝置，伸展桿伸出時與箱體成60度夾角。

固定環(huán)套兩端設有兩個固定環(huán)，固定環(huán)上設有兩個固定銷，固定銷與船身鉸接，船身移動時，裝置在固定銷之間伸展和閉合，伸展桿的上、下桿之間的網(wǎng)面對船體前部的漂浮物進行預收集，漂浮物與船相對運動沿著伸展桿、箱體的前部集中至打撈船的前部中間，進行集中處理。

圖3 伸展單元示意圖

2.3 驅(qū)動單元和轉(zhuǎn)向單元

驅(qū)動單元采用電機、傳動軸和螺旋槳配合的方案，單元兩端架設于船身兩側(cè)的箱體上，并通過導軌封閉安裝，電機固定在船身上，傳動軸的兩端分別與電機和螺旋槳連接，螺旋槳固定在船身后側(cè)，如圖1所示。

轉(zhuǎn)向單元如圖4所示，在船身上設有電動伸縮桿和固定片，與擺桿、絲杠螺母機構(gòu)和葉片相連，轉(zhuǎn)向單元的底部與兩側(cè)的箱體上部設有封閉的移動副。

螺旋槳的旋轉(zhuǎn)由電機通過傳動軸驅(qū)動，實現(xiàn)推動機器人運動；電動伸縮桿的伸縮端固定在連板鎖定套上，擺桿中段和連板固定，擺桿的另一端設有絲杠螺母機構(gòu)，螺母的底部與轉(zhuǎn)向葉片固定連接，電動伸縮桿伸縮帶動擺桿，通過絲杠螺母機構(gòu)傳動帶動轉(zhuǎn)向葉片的左右擺動，擺桿自轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)航向的變化。

圖4 轉(zhuǎn)向單元示意圖

2.4 控制單元

控制單元包括若干無線通訊模塊，分別為伸展桿無線模塊、轉(zhuǎn)向無線模塊、打撈無線模塊、驅(qū)動無線模塊，打撈單元、伸展單元、驅(qū)動單元、轉(zhuǎn)向單元分別通過無線通訊模塊與陸上的控制設備連接，各模塊布置在船身各處。

船身前部的右側(cè)設有伸展桿無線模塊，可控制伸展桿伸縮并通過距離傳感器檢測與障礙物距離；船身后部的右側(cè)設有轉(zhuǎn)向無線模塊，控制電機轉(zhuǎn)動從而控制葉片擺動；船身前部的左側(cè)設有打撈無線模塊，控制打撈電機轉(zhuǎn)動，打撈網(wǎng)從水中將垃圾打撈至儲物筐；船身后部的左側(cè)設有驅(qū)動無線模塊，控制電機轉(zhuǎn)動，帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動推動機器人前進。

3.水面垃圾清掃機器人的具體作業(yè)方式

操作人員在岸邊進行全程操作，通過控制驅(qū)動無線模塊打開電機，驅(qū)動螺旋槳前進，并結(jié)合轉(zhuǎn)向無線模塊的控制進行轉(zhuǎn)向駛至所需的作業(yè)區(qū)，控制伸展桿無線模塊打開電機，兩側(cè)的主桿就會打開，并通過控制主桿上桿內(nèi)部的電動推桿，將副桿伸出，此時控制打撈無線模塊打開電機，打撈單元開始工作，將漂浮物打撈至置物框內(nèi)，直至將湖面的所有的水面漂浮垃圾清掃干凈，最后關閉伸展單元、打撈單元，駛回岸邊，再將儲物筐提出，將內(nèi)部的垃圾清掃掉，作業(yè)完畢。

[1]李林冬,辛紹杰等.漂浮物打撈船.國家發(fā)明專利.ZL 201410398395.5

王居鑫：男，（1996.1—），上海電機學院材料成型及控制工程專業(yè)本科生。

吳佳霖：男，（1997.7—），上海電機學院機械電子工程專業(yè)本科生。

劉達：男，（1998.8—），上海電機學院材料成型及控制工程專業(yè)本科生。

夏長春：男，（1994.2—），上海電機學院本科畢業(yè)生，上海海洋大學碩士研究生。

辛紹杰：男，（1963.1—），教授，上海電機學院機械學院教師。

本項目受上海市大學生創(chuàng)新活動計劃項目資助: A1-5701-17-009-02-32。