曹丹丹 王勇 劉利 史穎剛

摘?要：針對(duì)移動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)機(jī)器人取水深度不夠的問題，設(shè)計(jì)了一種屈伸臂取水裝置。采用剛性結(jié)構(gòu)屈伸臂保證取水水位準(zhǔn)確性，應(yīng)用絲杠滑塊結(jié)構(gòu)構(gòu)成伸縮采樣機(jī)構(gòu)，通過控制系統(tǒng)控制各模塊協(xié)調(diào)工作實(shí)現(xiàn)取水過程?？刂葡到y(tǒng)基于無線遙控原理設(shè)計(jì)，完成了對(duì)取水流程及基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)控制。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)監(jiān)測(cè);屈伸臂;自動(dòng)化采樣

中圖分類號(hào)：TH122

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

目前，在淡水養(yǎng)殖區(qū)域，以及飲用水和觀賞性水源、湖泊中，經(jīng)常需要檢測(cè)水質(zhì)[1，2]。但現(xiàn)有小型移動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備往往只能對(duì)幾十厘米深的水體進(jìn)行采樣，不能真實(shí)反映深層水質(zhì)情況[3]?，F(xiàn)有取水設(shè)備方面的研究欠缺，而滿足取水深度的水下機(jī)器人對(duì)材料要求較高[4]。筆者設(shè)計(jì)了一種屈伸臂取水裝置，此裝置主要由伸縮機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，其控制系統(tǒng)通過控制取水裝置內(nèi)部的伸縮電機(jī)與轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)取水裝置完成對(duì)較深水體的采樣。本裝置結(jié)構(gòu)輕巧、控制靈活，兼具經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性，對(duì)提高小型移動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備水體采樣的準(zhǔn)確性具有重要意義。

1?系統(tǒng)簡(jiǎn)介

水質(zhì)監(jiān)測(cè)機(jī)器人總體布局如圖1所示，包括無人艇本體[5]，取水裝置及控制系統(tǒng)。機(jī)器人采用具有中空底部的雙體艇結(jié)構(gòu)，為取水裝置工作提供穩(wěn)定浮力及安裝支撐。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)機(jī)器人底部結(jié)構(gòu)如圖2所示，推進(jìn)裝置由螺旋槳[6]及推進(jìn)電機(jī)組成，對(duì)稱安裝在船艉，為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)提供穩(wěn)定推力。取水裝置安裝在機(jī)器人的中空底部。取水時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)剛性轉(zhuǎn)動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)臂轉(zhuǎn)到與水面垂直位置時(shí)，伸縮電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)，固定在滑塊上的采樣水管開始向下移動(dòng)，當(dāng)水管移動(dòng)到目標(biāo)取水點(diǎn)后，機(jī)器人上搭載的水泵開始工作，將水抽取上來，經(jīng)與采樣水管連接的軟管通向水質(zhì)檢測(cè)艙室。

2?取水機(jī)構(gòu)機(jī)械設(shè)計(jì)

取水裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，取水裝置主要由圓形底座、支架、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和伸縮機(jī)構(gòu)組成。圓形底座焊接在機(jī)器人船艙下表面與水面之間的中空位置處，為整個(gè)取水裝置提供連接支撐。支架采用中空的鋁材，用于連接底座和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)類似于手臂機(jī)器人的肩關(guān)節(jié)[7]，主要包括固定架、轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)固定座、電機(jī)端小齒輪、固定架大齒輪以及轉(zhuǎn)動(dòng)臂等零件。伸縮機(jī)構(gòu)主要由伸縮電機(jī)、絲杠、采樣管固定滑塊、采樣管、轉(zhuǎn)動(dòng)臂外殼等零件組成[8]。機(jī)器人行駛時(shí)取水裝置與水面平行，但不與水面接觸，可避免機(jī)器人受不明物阻礙，確保機(jī)器人的正常行駛，同時(shí)減小機(jī)器人在航行中的水流阻力。當(dāng)機(jī)器人開始進(jìn)行取水作業(yè)時(shí)，取水裝置才會(huì)進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。首先，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)電機(jī)端小齒輪動(dòng)作，電機(jī)端小齒輪帶動(dòng)固定架大齒輪動(dòng)作，轉(zhuǎn)動(dòng)臂與固定架大齒輪同軸連接，跟隨固定架大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)開始轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)臂轉(zhuǎn)到與水面垂直位置時(shí)，伸縮機(jī)構(gòu)的伸縮電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)采樣管固定滑塊沿著絲杠上下移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)采樣管到達(dá)指定取水點(diǎn)，最后，機(jī)器人搭載的水泵開始工作，將水體樣本抽取至水質(zhì)檢測(cè)艙室。當(dāng)取水作業(yè)完成后，伸縮機(jī)構(gòu)的伸縮電機(jī)反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)采樣管回到初始位置。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)向上轉(zhuǎn)動(dòng)90°，回到初始位置，并保持自鎖。取水裝置重新恢復(fù)至與水面平行狀態(tài)，完成取水過程。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)機(jī)器人取水裝置的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。該表中最大伸長(zhǎng)量是指取水裝置中的轉(zhuǎn)動(dòng)臂與絲杠上滑塊的可活動(dòng)距離之和，轉(zhuǎn)動(dòng)臂的可活動(dòng)角度指轉(zhuǎn)動(dòng)臂可轉(zhuǎn)動(dòng)的范圍，工作角度指轉(zhuǎn)動(dòng)臂的工作范圍。

3?控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)示意圖如圖4所示，設(shè)計(jì)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)機(jī)器人采用遙控的方式控制其移動(dòng)到目標(biāo)檢測(cè)點(diǎn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)檢測(cè)點(diǎn)后，通過遙控控制取水裝置動(dòng)作。無線電遙控系統(tǒng)由無線電發(fā)射機(jī)、無線電接收機(jī)和相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成[9]，工作原理如圖5所示。該水質(zhì)監(jiān)測(cè)機(jī)器人采用NRF905作為無線收發(fā)模塊，其最高工作頻率達(dá)50 kbps，最遠(yuǎn)通信距離達(dá)300 m，滿足養(yǎng)殖池水等小型水域遙控工作要求。

當(dāng)取水裝置到達(dá)目標(biāo)深度后，機(jī)器人搭載的微型水泵開始抽水，一定時(shí)間后停止抽水。多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)傳感器[10]開始檢測(cè)，并將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到AT89C51型號(hào)的單片機(jī)中。檢測(cè)完成后電磁閥動(dòng)作，開始將檢測(cè)艙室的水直接排出，同時(shí)，取水裝置中的絲杠電機(jī)與轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)先后動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)取水裝置恢復(fù)原位，取水結(jié)束。取水流程見圖6所示。

4?結(jié)語

本設(shè)計(jì)為一種水質(zhì)檢測(cè)機(jī)器人的伸縮式取水裝置，該取水裝置采用剛性機(jī)械臂保證采樣水位準(zhǔn)確性，通過伸縮機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)采樣管上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)取水功能。設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)完成對(duì)各個(gè)模塊運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)水域一定深度水體的采樣。本設(shè)計(jì)的取水裝置輕巧靈活、實(shí)用經(jīng)濟(jì)，對(duì)改進(jìn)取水設(shè)備功能具有重要意義。

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