江笑雨，陳加糧，周浩嵐

(吉首大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 吉首 416000)

全國(guó)各地分布著眾多的小型人工湖，如校園、景區(qū)內(nèi)的觀賞湖等，湖上經(jīng)常漂浮著塑料袋、礦泉水瓶等生活垃圾以及落葉等自然垃圾.這些垃圾不僅影響環(huán)境的觀賞價(jià)值，也讓清潔人員很難進(jìn)行無死角打撈.人工打撈不僅工作量大，而且難以保障人身安全.我國(guó)目前所使用的水面垃圾清理機(jī)器人，大部分是從國(guó)外進(jìn)口的，價(jià)格昂貴，維修成本極高[1].這不僅耗費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力，還影響設(shè)備的正常使用.國(guó)外設(shè)備大部分是采用雙體船，外形較大.國(guó)內(nèi)研發(fā)的一般也是大型機(jī)器，較多應(yīng)用于大型自然水面[2]，對(duì)于小型人工湖的實(shí)用性不強(qiáng).為解決這些問題，筆者設(shè)計(jì)了小型水面垃圾清理自動(dòng)智能化機(jī)器人.該機(jī)器人為智能化機(jī)器人，操控者利用手機(jī)APP監(jiān)察位置，通過遙控器來控制機(jī)器人進(jìn)入特殊水域作業(yè)，能確保人身的安全.主體采用與常用塑料不同的可再生資源PLA聚乳酸熱塑性聚合物，經(jīng)濟(jì)且環(huán)保.傳送帶設(shè)計(jì)借力科學(xué)，行動(dòng)更敏捷輕松，該機(jī)器人非常適合在小型區(qū)域開展清潔工作.

1 框架設(shè)計(jì)

這款機(jī)器人基于arduino 開源系統(tǒng)，使用arduino uno開發(fā)板為主要的控制核心，聯(lián)合其他控制模塊來控制水面垃圾清理，在結(jié)構(gòu)上以“過濾”的理念設(shè)計(jì)出空中心形態(tài)，采用遙控的方式代替人工操作，省時(shí)省力且能保證工作人員的安全[3].操作人員可以通過遙控器來控制機(jī)器人前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn).當(dāng)機(jī)器人運(yùn)行時(shí)，傳送帶一半延伸到水中，一半延伸到存儲(chǔ)裝置中.整體結(jié)構(gòu)如圖1所示.當(dāng)整個(gè)裝置中兩個(gè)螺旋槳推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)的同時(shí)，傳送帶也開始轉(zhuǎn)動(dòng).由于沾上水之后的吸附力，水面的漂浮垃圾會(huì)被傳送帶統(tǒng)統(tǒng)“吃”進(jìn)去，然后隨傳送帶滾動(dòng)的過程中會(huì)把垃圾滾進(jìn)去，而水會(huì)因?yàn)樽匀坏闹亓Ρ涣粼谘b置外面.制作機(jī)器人的材料包括木材、金屬、塑料等.其中金屬為主要的材料， 其強(qiáng)度高、不易磨損、有良好的延展性等.但加工成本會(huì)高，而且金屬在遇到水中的電解質(zhì)時(shí)會(huì)被腐蝕.經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)操作，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和輕量化的要求，我們決定采用PLA 3D打印材料作為整體結(jié)構(gòu).PLA聚乳酸是一種熱塑性聚合物，來自可再生資源.該材料與其他常用塑料不同，它可通過不可再生的石油蒸餾和聚合獲得，設(shè)計(jì)更加符合環(huán)保理念.在打印時(shí)可以提高打印密度，進(jìn)而提高強(qiáng)度和剛度，達(dá)到我們預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn).由PLA材料構(gòu)成的兩個(gè)船型空心體用來提供浮力，并在內(nèi)部放置電機(jī).尾部連著兩個(gè)螺旋槳驅(qū)動(dòng)，上部為有一定厚度的隔離層用于安放控制裝置.垃圾收集由前方傳送帶完成，它把收集到的垃圾傳送到后方垃圾收集裝置.收集裝置由網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組成，呈長(zhǎng)方體型，為可替換式收集箱.

圖1 整體結(jié)構(gòu)

水面垃圾清理機(jī)器人主體構(gòu)造采用的是小水線面雙體船結(jié)構(gòu)，利用中間空腔進(jìn)行垃圾的收集及儲(chǔ)存[4].潛沒于水中的兩側(cè)船型空心體、高于水面的平臺(tái)由連接上下部分的支柱構(gòu)成有效組合體，可減少受水浪干擾力，具備優(yōu)越的耐波性和更富余的利用空間等優(yōu)點(diǎn).

2 收集裝置

收集裝置包括垃圾打撈裝置、存儲(chǔ)裝置以及動(dòng)力裝置[5].整個(gè)打撈裝置運(yùn)用了過濾的原理，保證機(jī)器人所過之處垃圾皆被清理.收集裝置采用了傳送帶設(shè)計(jì)，傳送帶一半延伸到水中，另一半延伸到垃圾收納箱中，當(dāng)整個(gè)裝置中兩個(gè)螺旋槳推動(dòng)的同時(shí)，傳送帶也開始傳動(dòng)，整個(gè)裝置前進(jìn).機(jī)器人行經(jīng)水面時(shí)，充分利用水面垃圾的漂浮性質(zhì)，并借助垃圾沾上水之后的吸附力，將垃圾吸附到傳送帶上，然后隨傳送帶進(jìn)入垃圾收集裝置中.這樣，垃圾清理機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡上所有的垃圾就會(huì)被清理干凈.

3 儲(chǔ)存裝置

儲(chǔ)存裝置采用網(wǎng)狀設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)備在運(yùn)行中會(huì)有水隨著垃圾進(jìn)入而被帶入收集器中，筆者參考了漁網(wǎng)的性質(zhì)，采用了柔性的網(wǎng)狀儲(chǔ)存裝置，網(wǎng)狀的內(nèi)部收集器能將水過濾出去，避免了因?yàn)槔闹亓窟^大而影響運(yùn)行.其中卡扣的設(shè)計(jì)思想，非常方便地進(jìn)行設(shè)備的摘取和安裝，操作簡(jiǎn)單方便.同時(shí)，雙面體船身為垃圾儲(chǔ)存提供了更充足的空間，提高了產(chǎn)品實(shí)用性，整個(gè)裝置具有打撈速度快、收集容量高等特點(diǎn).

4 控制裝置

控制設(shè)計(jì)采用arduino uno開發(fā)板作為主要的控制核心.arduino可利用類C語言來進(jìn)行編程，而且有圖形化的編輯器，容易操作.核心控制電路系統(tǒng)如圖2所示.為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，采用HC05藍(lán)牙模塊連接控制，和手機(jī)App進(jìn)行連接，當(dāng)手機(jī)發(fā)出信號(hào)時(shí)，藍(lán)牙模塊把信號(hào)傳給AS32無線模塊，無線模塊將指令傳遞給主板arduino uno，主板讀取AS32模塊接收到的指令，根據(jù)指令控制兩個(gè)直流電機(jī)和兩個(gè)步進(jìn)電機(jī).其中直流電機(jī)為垃圾清理機(jī)器人提供動(dòng)力來源，步進(jìn)電機(jī)分布在收集裝置履帶的兩側(cè)，給收集裝置提供動(dòng)力來源.整個(gè)控制裝置安裝在機(jī)器人的上部，采用上蓋封裝結(jié)構(gòu)，其中部分連接采用防水貼來提高防水能力.

圖2 控制系統(tǒng)電路

5 動(dòng)力裝置

提供動(dòng)力來源的主要是直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī).為滿足行進(jìn)要求，筆者采用了直流電機(jī)，電壓在12 V的時(shí)，空轉(zhuǎn)可達(dá)到10 000r/min左右，動(dòng)力滿足模型需求.螺旋槳為樹脂材質(zhì)，也用3D打印的方式得到成品，其硬度和強(qiáng)度也可以滿足需求.因?yàn)橹绷麟姍C(jī)避免不了在水下運(yùn)行，所以提前用塑料封裝好，連接處使用防水膠，就可以達(dá)到在水下運(yùn)行的目的.

因?yàn)閭鲃?dòng)的精度要求遠(yuǎn)比行進(jìn)的要高，所以不適宜采用直流電機(jī)來直接驅(qū)動(dòng).為滿足轉(zhuǎn)動(dòng)要求，于是使用步進(jìn)電機(jī)，為履帶提供動(dòng)力來源.履帶收集的動(dòng)力裝置如圖3所示,具體型號(hào)28BYJ48.這款電機(jī)在輸出扭矩上符合要求.步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊采用ULN2003驅(qū)動(dòng)板.ULN2003是由7個(gè)硅 NPN 達(dá)林頓管組成， 其電路的特點(diǎn)是在 5 V 的工作電壓下能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原來需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)，由arduino控制板傳出的信號(hào)可以直接給到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng).

圖3 收集的動(dòng)力裝置

隨著智能時(shí)代的到來，便捷、安全的機(jī)器人替代人的體體力勞動(dòng)是大勢(shì)所趨.本產(chǎn)品為全自動(dòng)水面清潔機(jī)器人，具有智能化及多功能集合的特點(diǎn).船體為小水線面雙體船結(jié)構(gòu)，相對(duì)于市面上的單體船，穩(wěn)定性更強(qiáng)，空間更充足，可裝載更多的垃圾.小型化設(shè)計(jì)有利于機(jī)器人在狹窄水面工作，這在目前還算是一個(gè)空白，市場(chǎng)吸引力巨大，競(jìng)爭(zhēng)較小，消費(fèi)者需求旺盛.該小型水面垃圾清理機(jī)器人經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)、逐步優(yōu)化，具有操作簡(jiǎn)易、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、綠色環(huán)保的特點(diǎn).