沈李祥 王玉勤 胡毅 周生 曹振虎

摘 要：【目的】為了快速清理水面垃圾，改善水面環(huán)境，設(shè)計了一種水面垃圾清理裝置?！痉椒ā吭诜治銮謇硌b置工作原理的基礎(chǔ)上，建立裝置三維結(jié)構(gòu)模型，并對主要部件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。所設(shè)計的視覺識別系統(tǒng)可以實時監(jiān)測水面垃圾分布情況，從而快速清理水面垃圾。裝置上安裝的太陽能板，可以為設(shè)備提供額外的動能。為了驗證所設(shè)計清潔裝置的傳送帶滾輪是否滿足強度要求，利用SolidWorks軟件對滾輪進行有限元分析?！窘Y(jié)果】計算結(jié)果顯示，所設(shè)計的滾輪結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，強度滿足使用要求?！窘Y(jié)論】所設(shè)計的清潔裝置在自動化、精準(zhǔn)定位、實時監(jiān)控和節(jié)能環(huán)保等方面具有顯著的創(chuàng)新性和應(yīng)用潛力，這為今后智能清理裝置的研發(fā)和設(shè)計提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：水面垃圾清理裝置；視覺傳感器；SolidWorks；有限元分析

中圖分類號：TH137.5? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1003-5168（2024）04-0045-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.04.008

Design of Water Surface Garbage Cleaning Device Based on

Visual Recognition

SHEN Lixiang? ? WANG Yuqin? ? HU Yi? ? ZHOU Sheng? ? CAO Zhenhu

（School of Mechanical Engineering， Chaohu University， Hefei 238024， China）

Abstract： [Purposes] To quickly clean up the surface garbage and improve the water environment， a surface garbage cleaning device is designed. [Methods] Based on the analysis of the working principle of the cleaning device， the three-dimensional structural model of the device is established， and the main components are designed. The designed visual recognition system can monitor the distribution of water surface garbage in real time， so as to clean up water surface garbage quickly. The solar panels installed on the device can provide additional kinetic energy for the equipment.In order to verify whether the conveyor belt roller of the designed cleaning device meets the strength requirements， the finite element analysis of the roller is carried out by SolidWorks software. [Findings] The calculation results show that the structural design of the roller is reasonable and the strength meets the requirements of use. [Conclusions] The designed cleaning device has remarkable innovation and application potential in automation， accurate positioning， real-time monitoring， energy saving， and environmental protection， which provides reference for the research， development and design of intelligent cleaning devices in the future.

Keywords： water surface garbage cleaning device; visual sensor; SolidWorks; finite element analysis

0 引言

隨著社會的發(fā)展，人們生活質(zhì)量不斷提高，生活垃圾也不斷增多。當(dāng)垃圾進入自然水域，若不及時清理，則會對水資源產(chǎn)生污染。為了改善水質(zhì)，降低污染，加強水面垃圾清理工作變得刻不容緩。近些年，隨著國家各項治理水污染政策的陸續(xù)出臺，各級地方政府也都制訂了一系列治理水面污染的措施，水面污染處理范圍呈現(xiàn)了擴容之勢。水面垃圾打撈及處理的需求急劇增長，而傳統(tǒng)打撈方式成本高、效率低、安全性能低。市場急需一款清理效率高、易維護、智能化的水面垃圾處理設(shè)備［1］。

智能清潔行業(yè)的研究主要集中在智能化、自動化方面。江笑雨等［2］采用Arduino-Uno開發(fā)板作為控制核心，設(shè)計了水面清理機器人，清理垃圾效果較好。張國洲等［3］設(shè)計了一種水面垃圾清理機器人，利用水泵運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的漩渦將垃圾吸入收集箱內(nèi)，清理垃圾效率較高。楊海森等［4］利用人工智能算法設(shè)計了水上垃圾清理裝置，有效解決了水面垃圾清潔問題。上述研究在水面垃圾清理領(lǐng)域均取得一定程度的進展，為今后智能清理機器人技術(shù)發(fā)展提供了一定的基礎(chǔ)。

針對當(dāng)前市場對水面垃圾清理機器的需求，本研究利用圖像視覺識別原理，設(shè)計了一種水面垃圾清理裝置。該裝置結(jié)合機器視覺圖像傳輸技術(shù)，通過平臺遠程操作，可以實時、精準(zhǔn)、快速地完成某一地區(qū)部分水文治理任務(wù)。該裝置利用機器視覺反饋技術(shù)實時、準(zhǔn)確地了解水域污染問題，達到高效清理水面垃圾的目的。

1 工作原理

水面垃圾清理裝置通過視覺傳感器控制機器的工作路徑［5］。當(dāng)視覺傳感器檢測到水面有垃圾時，設(shè)備啟動駛向垃圾水域并自動清理垃圾。收集裝置將垃圾收集起來，并用傳送帶將其運送到存儲箱中。為了確保機器的持續(xù)穩(wěn)定運行，該裝置在儲存箱的頂部安裝了感應(yīng)式太陽能板，以提供持續(xù)的動能。傳輸圖像反饋的電信號傳輸給工作人員，由工作人員對清理裝置進行總控制，使其快速清理垃圾。水面清理裝置工作流程如圖1所示。

2 設(shè)計方案

2.1 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

該裝置采用計算機遠程控制，可以實現(xiàn)遠程、實時、高效收集水面垃圾。設(shè)備儲存箱后方的左右兩側(cè)裝有兩個可相互配合的螺旋槳，為裝置提供動力。裝置采用傳送帶將垃圾傳送到儲存箱內(nèi)。在機器頂部設(shè)計有太陽能電池板，提高了設(shè)備的續(xù)航能力。所設(shè)計的清潔裝置三維模型如圖2所示。

2.2 驅(qū)動裝置設(shè)計

驅(qū)動裝置是機器設(shè)備中重要的組成部分，一般采用水下推進器為設(shè)備提供前進動力［6］。水下推進器依賴電動機提供轉(zhuǎn)矩和動力。螺旋槳將旋轉(zhuǎn)動力轉(zhuǎn)化為線性運動，產(chǎn)生推力，帶動設(shè)備前進，其結(jié)構(gòu)如圖3所示?？偟膩碚f，水下推進器的工作原理是通過動力產(chǎn)生、動力轉(zhuǎn)化和推力實現(xiàn)三個環(huán)節(jié)，將原始能量轉(zhuǎn)化為適用于水下行進的推力。

2.3 存儲箱及浮體結(jié)構(gòu)設(shè)計

垃圾存儲箱選用1060鋁合金，鏤空結(jié)構(gòu)便于清潔和維護。浮體選用碳纖維復(fù)合材料?？紤]到裝置的尺寸、形狀、浮力和穩(wěn)定性等因素，浮體設(shè)計為U形結(jié)構(gòu)。浮體下方配備的浮筒可提供額外的浮力，使設(shè)備在水中保持穩(wěn)定。存儲箱安裝在浮體上，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.4 傳送裝置設(shè)計

傳送裝置由傳送帶、滾輪、驅(qū)動器和支撐結(jié)構(gòu)等部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。傳送帶具有一定的承載能力，能夠穩(wěn)定地帶動垃圾傳動。所設(shè)計的滾輪具有耐磨性和低摩擦系數(shù)等特性，可以與傳送帶良好配合，確保運行的平穩(wěn)性。驅(qū)動器具備較好的扭矩和穩(wěn)定性，可以提供足夠的動力。支撐結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性較好，保證了裝置的整體穩(wěn)定性。為確保傳送裝置安全運行，需要對傳送帶進行防滑、防震和防水設(shè)計。防滑設(shè)計可以避免垃圾從傳送帶上滑落；防震設(shè)計能夠使設(shè)備少受震動沖擊；防水設(shè)計能夠防止水滲入設(shè)備內(nèi)部，保障設(shè)備正常運行。

2.5 太陽能—視覺傳感器設(shè)計

太陽能板吸收熱能，并將熱能轉(zhuǎn)化為電能，為整個系統(tǒng)提供電力。太陽能板通過支架與承接柱相連。承接柱作為支撐和固定太陽能板的結(jié)構(gòu)，采用耐候性、承重性和穩(wěn)定性較好的鋁合金材料制成。在承接柱上方安裝視覺傳感器，以便于捕捉到需要監(jiān)測的圖像數(shù)據(jù)。

視覺傳感器包括圖像傳感器、圖像采集卡、處理器和圖像顯示等四部分。圖像傳感器能夠?qū)⒂^察區(qū)域的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號，傳送給圖像采集卡進行處理；圖像采集卡負責(zé)采集圖像信息，并將其數(shù)字化；處理器是視覺傳感器系統(tǒng)的核心，負責(zé)處理和解析從圖像采集卡采集到的圖像數(shù)據(jù)；圖像顯示設(shè)備將處理后的圖像數(shù)據(jù)顯示出來，以便操作者觀察和分析［7］。

視覺傳感器可以捕捉高分辨率和高幀率的圖像數(shù)據(jù)，以提供準(zhǔn)確的視覺信息。對于不同的光照條件和觀察目標(biāo)，需要人為控制傳感器的曝光時間，以保證圖像的質(zhì)量和穩(wěn)定性。選擇具有高速數(shù)據(jù)傳輸和處理能力的硬件設(shè)備，保證視覺傳感器可以高速傳輸和處理大量圖像數(shù)據(jù)。通過各模塊的密切協(xié)作，實現(xiàn)指令解析、運動控制和系統(tǒng)管理等功能，保證裝置的正常運行。

太陽能板和承接柱及視覺傳感器共同構(gòu)成了太陽能—視覺傳感器系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)［8-9］。通過這個結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)能夠利用太陽能產(chǎn)生電能，同時能夠捕捉需要監(jiān)測的圖像數(shù)據(jù)并進行處理和分析，以確定下一步行動計劃。太陽能—視覺傳感器整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.6 水面路徑規(guī)劃設(shè)計

路徑搜索是水面路徑規(guī)劃設(shè)計的核心。通過雷達、衛(wèi)星等設(shè)備獲取周圍環(huán)境的實時信息，可以及時發(fā)現(xiàn)并規(guī)避障礙物。水面環(huán)境是影響船只航行的關(guān)鍵因素，需要考慮流速、風(fēng)向、波浪等情況。在規(guī)劃水面路徑時，需要充分了解當(dāng)前水面環(huán)境的信息，并根據(jù)實際情況進行決策。同時，需要考慮航行時間、燃料消耗和船只負載等多種因素。因此，為了實現(xiàn)最優(yōu)的航行效果，采用智能算法對航行路徑進行優(yōu)化，以獲得最優(yōu)的航行路徑［10-12］。

3 傳送帶滾輪有限元計算分析

傳送帶是清理裝置重要的載荷部件，承載著整個裝置的重量負荷。傳送帶通過滾輪進行傳動。因此，滾輪的工作強度、屈服極限、應(yīng)力應(yīng)變等結(jié)構(gòu)性能需要進行有限元計算分析，以確保其滿足使用要求。本研究利用SolidWorks軟件有限元分析模塊對滾輪進行靜力學(xué)分析計算［13-15］。

3.1 材料選擇及約束條件設(shè)置

滾輪選用4J32合金，該材料具有良好的磁性能、熱膨脹性能和機械性能。滾輪材料屬性參數(shù)見表1。

對滾輪兩端采用固定約束。選用力載荷，滾輪中間位置施加800 N的力。

3.2 網(wǎng)格劃分

對滾輪模型進行網(wǎng)格劃分，如圖7所示。網(wǎng)格的雅可比點設(shè)置為16點。計算得到網(wǎng)格的單元數(shù)為93 756，節(jié)點數(shù)為167 302，其中：單元大小為18 mm，公差為2.3 mm。

3.3 計算結(jié)果分析

利用SolidWorks軟件自帶的靜力學(xué)分析模塊對滾輪進行有限元計算，計算結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，滾輪受到的應(yīng)力集中在中間部位，最大值為132.9 MPa，小于4J32合金的屈服強度250 MPa。滾輪的最大位移量為2.646×102 mm，位移量在4J32合金材料的可承受范圍內(nèi)。由此可見，所設(shè)計的滾輪具有較好的屈服強度和應(yīng)力應(yīng)變性能，可以承擔(dān)傳送帶工作過程中受到的載荷，滿足使用要求。

4 結(jié)語

本研究針對水面垃圾污染的問題，基于圖像視覺識別原理，設(shè)計了一種新型水面垃圾清理裝置。該裝置由驅(qū)動裝置、存儲箱、浮體、傳送裝置、太陽能板、承接柱和視覺傳感器等組成。操作人員可以通過視覺識別系統(tǒng)實時監(jiān)測水面垃圾分布情況，操作設(shè)備駛向指定水域進行垃圾清理工作。利用SolidWorks軟件對傳送帶滾輪進行有限元分析，計算結(jié)果顯示，滾輪最大的應(yīng)力值和最大位移量均小于4J32合金自身的強度和應(yīng)力應(yīng)變屬性。這表明滾輪結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，滿足使用要求。由此可見，基于視覺識別技術(shù)的水面垃圾清理裝置能夠有效解決大型水域的垃圾清理問題，清理效率高，人力投入少，達到了高效、環(huán)保的目的，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

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