曹雯麗，萬志遠(yuǎn)

（山東華宇工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，山東 德州 253034）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化的加速，各種垃圾也大量產(chǎn)生，垃圾處理成了現(xiàn)代社會不可忽視的環(huán)境問題。被排放入水中的垃圾主要由水生植物和生活垃圾組成，嚴(yán)重影響了水體生態(tài)，破壞了生態(tài)平衡，給居民生活帶來巨大困擾[1-2]。目前，國內(nèi)外對水面污染垃圾的清理主要采用人工和機(jī)械方式，不僅需要克服清理機(jī)器效率低、噸位大的問題，而且對清理者的人身安全造成很大威脅[3-4]。針對此問題，設(shè)計了一種智能垃圾清理船?？梢詫崿F(xiàn)水面和水底垃圾的探測和自動清理，有效提高水中垃圾清理效率，減少環(huán)保部門的人員投入。清理船可應(yīng)用于公園湖泊、水產(chǎn)養(yǎng)殖塘等需要垃圾清理的場所，實際應(yīng)用范圍廣，價值高。

1 清理船總體方案設(shè)計

智能船船體結(jié)構(gòu)主要由抓取結(jié)構(gòu)、動力結(jié)構(gòu)、太陽能供電結(jié)構(gòu)、伸縮式調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)及控制結(jié)構(gòu)組成，設(shè)計并制作的智能船主體結(jié)構(gòu)見下頁的圖1。甲板2 安裝于船體1 上，一端安裝有收集箱4，另一端安裝有太陽能供電機(jī)構(gòu)，具有續(xù)航能力強(qiáng)的優(yōu)點，控制機(jī)構(gòu)位于船體1 兩側(cè)，包括一對結(jié)構(gòu)相同的動力控制結(jié)構(gòu)、控制面板、第一檢測探頭8 以及第二檢測探頭9；抓取機(jī)構(gòu)包括：第一轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)、第二調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)以及抓取結(jié)構(gòu)；伸縮式調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)包括：矩形槽10、一對結(jié)構(gòu)相同的第一液壓缸11 以及一對結(jié)構(gòu)相同的伸縮桿12；動力控制結(jié)構(gòu)包括：第一伺服電機(jī)13、箱體14、傳動組件以及轉(zhuǎn)軸15，第一伺服電機(jī)13 位于船體1 側(cè)壁位置上。動力控制結(jié)構(gòu)安設(shè)于船體1 內(nèi)，且分別位于船體1 兩側(cè)，控制面板安設(shè)于船體1 內(nèi)，第一檢測探頭8 安設(shè)于船體1 下側(cè)壁面上，第二檢測探頭9 安設(shè)于船體1 一側(cè)、且位于船體1 行進(jìn)方向一側(cè)圖1）。

圖1 智能船主體結(jié)構(gòu)

垃圾清理船工作原理：利用太陽能板6 對船體1進(jìn)行供電，并利用控制面板對船體1 進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，利用第一檢測探頭8 以及第二檢測探頭9 分別檢測船體1 下方水底以及船體1 前方水面上是否有漂浮垃圾，通過檢測探頭將檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行收集處理，并將電信號發(fā)送給遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實現(xiàn)水面垃圾、水底垃圾的自動檢測，操作人員根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，對船體1 進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)水面和水底垃圾的收集通過抓取裝置實現(xiàn)自動清理和收集垃圾，智能船由岸邊遙控指揮。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 抓取結(jié)構(gòu)

抓取機(jī)構(gòu)包括：第一轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)、第二調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)以及抓取結(jié)構(gòu)。其位置關(guān)系以及連接關(guān)系：第一轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)安設(shè)于船體1 一側(cè)，且與動力控制結(jié)構(gòu)相連接；第二調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)安設(shè)于第一轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)上，抓取結(jié)構(gòu)安設(shè)于第二調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)上，連接板20 套裝于轉(zhuǎn)軸15 上，且與轉(zhuǎn)軸15 固定連接，即轉(zhuǎn)軸15 轉(zhuǎn)動過程中帶動連接板20 轉(zhuǎn)動；第二液壓缸21 的固定端與連接板20 相連接，連接板20 上的第二液壓缸21 隨著轉(zhuǎn)動；門型架22 安裝于第二液壓缸21 的活動端上；銷軸23 安裝于門型架22 上；轉(zhuǎn)動桿24 為矩形空腔結(jié)構(gòu)、且一端與銷軸23 相連接；第一液壓泵25 安裝于轉(zhuǎn)動桿24 內(nèi)、且與銷軸23 相連接；抓手26 安裝于轉(zhuǎn)動桿24 的一端上；第二液壓泵27 安裝于抓手26 上，即可實現(xiàn)控制第二液壓缸21 的擴(kuò)張與收縮，啟動轉(zhuǎn)動桿24 上的第一液壓泵25 對門型架22 內(nèi)的銷軸23 進(jìn)行控制，進(jìn)而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動桿24 的角度，并控制抓手26上的第二液壓泵27 對抓手26 進(jìn)行控制，使得抓手26 對垃圾進(jìn)行抓取，并將抓取到的垃圾投入到收集箱4 內(nèi)；轉(zhuǎn)軸15 聯(lián)動實現(xiàn)360 度轉(zhuǎn)動，并且可根據(jù)水深、水面情況進(jìn)行長度調(diào)整，一個伸向水底，一個伸向水面，分別抓取水面和水底垃圾，可同步實現(xiàn)水面水底垃圾清理，抓取完成后，轉(zhuǎn)動桿24 復(fù)位，隨第二液壓缸21 轉(zhuǎn)動，移到收集箱4 上側(cè)，兩個轉(zhuǎn)動桿24 向內(nèi)轉(zhuǎn)動，抓手26 將垃圾放置收集箱4 內(nèi)，完成一次清理，重復(fù)前面工作，直至將此區(qū)域垃圾清理完成；隨后智能船根據(jù)檢查控制信息，移動至下一處垃圾水域進(jìn)行工作，待垃圾清理完成或收集箱4 垃圾滿后，智能船運(yùn)動至岸邊，傾倒垃圾進(jìn)行第二次作業(yè)或者完成工作。

2.2 動力控制結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1 所示，第一伺服電機(jī)13 位于船體1 側(cè)壁位置上，型號為S110-15LPK 的伺服電機(jī)，由第一伺服電機(jī)13 帶動下列轉(zhuǎn)軸運(yùn)動，從而達(dá)到整個清理船運(yùn)動的目的。箱體14 安裝于第一伺服電機(jī)13 一側(cè)，傳動組件安裝于箱體14 內(nèi)（包括輸入軸16、第一齒輪17、輸出軸18 以及第二齒輪19）且輸入端與第一伺服電機(jī)13 的驅(qū)動端相連接；轉(zhuǎn)軸15 一端貫穿于船體1 側(cè)壁，且與船體1 側(cè)壁活動連接；轉(zhuǎn)軸15 另一端與輸出軸相連接，輸入軸16 上套裝有第一齒輪17，一端與第一伺服電機(jī)13 的驅(qū)動端相連接，另一端與輸出軸18 相連接；第二齒輪19 套裝于輸出軸18 上、且與第一齒輪17 相嚙合。在使用時，啟動第一伺服電機(jī)13，第一伺服電機(jī)13 的驅(qū)動端轉(zhuǎn)動，帶動輸入軸16 轉(zhuǎn)動，輸入軸16 轉(zhuǎn)動帶動輸入軸16 上的第一齒輪17 轉(zhuǎn)動；第一齒輪17 轉(zhuǎn)動帶動與之相嚙合的第二齒輪19 轉(zhuǎn)動；第二齒輪19 轉(zhuǎn)動帶動輸出軸18 轉(zhuǎn)動，輸出軸18 轉(zhuǎn)動，帶動與之相連接的轉(zhuǎn)軸15 轉(zhuǎn)動。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)包括一對結(jié)構(gòu)相同的動力控制結(jié)構(gòu)、控制面板、第一檢測探頭8 以及第二檢測探頭9，其位置關(guān)系以及連接關(guān)系：動力控制結(jié)構(gòu)安設(shè)于船體1內(nèi)，且分別位于船體1 兩側(cè)；控制面板安設(shè)于船體1內(nèi)，第一檢測探頭8 安設(shè)于船體1 下側(cè)壁面上；第二檢測探頭9 安設(shè)于船體1 一側(cè)、且位于船體1 行進(jìn)方向一側(cè)。遠(yuǎn)程控制模塊28 安裝于船體1 內(nèi)，第一探測控制模塊29 安裝于遠(yuǎn)程控制模塊28 一側(cè)，且與第一檢測探頭8 相連接；第二探測控制模塊30 安裝于第一探測控制模塊29 一側(cè)，且與第二檢測探頭9 相連接；第一探測控制模塊29 對第一檢測探頭8 的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行收集處理，并將電信號發(fā)送給遠(yuǎn)程控制模塊28；第二探測控制模塊30 對第二檢測探頭9 的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行收集處理，并將電信號發(fā)送給遠(yuǎn)程控制模塊28，操作人員根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，對船體1 進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)水面以及水底垃圾的收集。

2.4 太陽能供電結(jié)構(gòu)

太陽能供電機(jī)構(gòu)包括：伸縮式調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、矩形架5、太陽能電池板6 以及蓄電池7。其位置關(guān)系以及連接關(guān)系：伸縮式調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)安設(shè)于甲板2 上，其包括第一液壓缸11、矩形架5（安設(shè)于伸縮式調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)上）、太陽能電池板6（嵌裝于矩形架5 上）、蓄電池7（安設(shè)于伸縮式調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)、且位于太陽能電池板6 下方），在使用時，通過控制第一液壓缸11 的收縮以及擴(kuò)張，配合伸縮桿12 對矩形架5 進(jìn)行限位，實現(xiàn)對矩形架5 水平方向上的角度調(diào)節(jié)，使得太陽能電池板6 正向太陽光源方向，提高利用效率。

在使用時，通過調(diào)節(jié)太陽能供電機(jī)構(gòu)內(nèi)的伸縮式調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，對太陽能電池板6 的朝向進(jìn)行調(diào)整，使得太陽能電池板6 的效率達(dá)到最佳，并將電能存儲到蓄電池7 內(nèi)，對船體1 進(jìn)行供電，并利用控制面板對船體1 進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，利用第一檢測探頭8 以及第二檢測探頭9 分別檢測船體1 下方水底以及船體1 前方水面上是否有漂浮垃圾，并控制抓取機(jī)構(gòu)進(jìn)行抓取。

3 結(jié)語

智能垃圾清理船，通過檢測探頭實現(xiàn)水面垃圾、水底垃圾的自動檢測；通過抓取裝置自動清理垃圾，整個智能船由岸邊遙控指揮。智能船能源采用太陽能供電，續(xù)航能力強(qiáng)，不會產(chǎn)生二次污染。該裝置主要是通過機(jī)械手爪對垃圾進(jìn)行抓取來達(dá)到回收垃圾的目的，且配有垃圾分類回收箱，整體提升垃圾清理效率、人員安全性和可操作性，解決了現(xiàn)有水面漂浮垃圾、水底沉降垃圾等問題，有利于促進(jìn)城市環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。