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        一種水質(zhì)監(jiān)測(cè)機(jī)器人取水裝置設(shè)計(jì)

        2019-07-08 03:48:09曹丹丹王勇劉利史穎剛
        河北漁業(yè) 2019年5期

        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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