一种水面漂浮物自动清理机器人结构设计

机械工程师MECHANICALENGINEER一种水面漂浮物自动清理机器人结构设计史浩辉，李莉莉，付宗国，罗准，官俊（浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江舟山316022）摘为了解决传统的垃圾打捞船难以解决的小型水面悬浮物的问题，提出一种利用“漩涡”和网筛工作原理，并以太阳要：能为新能源的一种水面漂浮物清理机器人的设计方案。实现对水体的“二次清理”，也可在水面航行过程或在静止在某固定点完成垃圾的收集，方便灵活。新能源；机器人；网筛过滤；环保设备关键字：中图分类号:TP242.3文献标志码:A文章编号：员园园圆原圆猿猿猿（圆园员9）01原园110原园3StructuralDesignofanAutomaticCleaningRobotforWaterSurfaceFloatingObjectSHIHaohui，LILili，FUZongguo，LUOZhun，GUANJun(SchoolofNavalArchitectureandElectromechanicalEngineering,ZhejiangOceanUniversity,Zhoushan316022,China)Abstract:Inordertosolvetheproblemthattraditionalgarbagesalvagevesselsaredifficulttocollectsmallwatersurfacewhirlpoolandmeshscreenandusessolarenergyasnewenergy.Toachievethe\"secondaryclean-up\"ofwater,itisalsoconvenientandflexibletocollectgarbageinthesurfacenavigationprocessoratafixedpoint.Keywords:newenergy;robot;meshscreenfiltering;environmentalprotectionequipmentfloatingobjects,thispaperproposesadesignschemeofasurfacefloatingobjectcleaningrobotthatusestheprincipleof0引言12当前国内外对于封闭或小型水域垃圾清理研究较少，水上垃圾清理主要以人工清理为主。虽然目前国内外所开发出的垃圾清理船种类繁多，作用原理也不一而足，但它们大都是定位于江、河、湖、海等大面积水域的垃圾清理，而且只能对于水中的较大体积的漂浮物进行清理，而对于水中较小的悬浮垃圾却是束手无策，不能对水体的清洁作进一步的处理。本文设计了一种水面漂浮物自动清理机器人，不仅可以清理较大体积漂浮物，而且可以[1]清理水面小型的悬浮物（如浮萍、藻类、果皮等），解决了131231110948765图1水面漂浮物自动清理机器人的3/4结构示意图1.后阀门前舱5.水下推进器主体10.前阀门太阳能电池板2.船盖侧夹层6.水泵3.片体内隙7.电磁阀8.斗状套筒4.推进器螺旋桨9.船体传统的垃圾打捞船难以解决的小型水面悬浮物的问题。11援1水面漂浮物清理机器人水面机器人主要结构水面漂浮物自动清理机器人，包括船体及船体的前后两侧分别设置的前阀门和后阀门，且船体中设有网筛。船体的内部为用于放置网筛的主舱室、船体前舱、船体后舱、片体内隙、船舱侧隙组成；前舱阀门的启闭型式为滑移式，并且船体前舱和船体后舱通过船舱侧隙连接。船体底部安装有斗状套筒，斗状套筒末端与水泵进水口相连；在水泵出水口安装电磁阀，在船体底部后侧对称安装两个水下推进器；且水下推进器上都设有推进器螺旋桨。船体与机器人上盖通过U型滑槽滑动连接，机器人上盖前端设置有激光雷达传感器，船体后舱内设置有控制装置；且控制装置为控制在船体底部的水泵工作，还控制着水下推进器的转速，船体前舱里安装超级电容[2]。实现太阳能充电和内置电池储电的互换，通过无线电无线遥控、自主11.激光雷达传感器12.船盖前夹层13.控制互换的方式实现清理垃圾的智能化。1.2机器人流线型外形为了减少机器人在水下时，由于水体对机器人表面造成的阻力问题，提高水面垃圾清理机器人在湖面、河流中的能动性。我们把该机器人的外形构造为流线型外形，提出构思的想法和高速列车的车头结构大致相同，对于水流有顺流作用，以此来减少水中阻力对机器人的能源消耗，同时也更加美观[3]。如图2所示，网筛的顶部为通过船舱侧隙表面上设置的网筛扣固定，整体侧面都为流线型外型。2主要设备与性能如图3，船体的主舱室、船体前舱、船体后舱中都放置2.1网筛过滤装置和仓内垃圾处理110圆园员9年第1期网址：www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com机械工程师MECHANICALENGINEER了大量网筛1816进行水体中垃圾的过滤，当船体底部的水泵6工作，在水面产15生一个水势差，水流通过前后进水口进入主图2水面漂浮物自动清理机器人的船舱室22，此时船体结构示意图舱中的水被水15.船舱侧隙16.U型滑槽17.网筛扣泵从船体抽出，水体中的垃圾在网筛18过滤下留在网筛中，从而实现了水中垃圾的收集。该装置过滤是利用可调节的网筛孔大小，把漂浮物和水体分离的技术。三面船体的两侧偏上方孔径略大于底面孔径，水流通过网筛时因流量差在舱体中出现小型漩涡，可加速水从水泵中抽出，底面网筛孔可调为超小，水体流过网筛，水中漂浮物因大于网筛孔径而被吸附在船舱中，并且不会危及到水中微生物。同时可根据需要收集漂浮物的不同大小，进行网筛孔径的调节[4]。机器人在结束漂浮物清理工作后，由于该机器人采用的太阳能板顶盖和机器人主仓室的拼接结构，只需将太阳能顶盖拆下便可对贮藏室内进行清理。与此同时还可以对主仓室内过滤网进行更换或者清洗，从而使得过滤网内部也能得到17高太阳能2113收集板的13能源供给19能力[7]。具体结构如9图4所示。92.3备用图4太阳能板和内置电容示意图能源超级9.内置超级电容13.太阳能电池板19.船盖后电容装置夹层21.上盖船体前舱9里安装超级电容，在系统中作为能量存储装置。在太阳能供电不足时向负载供电,在太阳能供电富余时吸收、存储多余的能量。超级电容是通过充电、放电的环节从而实现电能的储存和供给。以前的电容不可避免地会有着容量较小、储存电能的能力弱等问题，所以不能作为电力能源的储存容器。但近年来由于对电容方面进一步的深入研究，部分电容也逐步克服了以上问题，因此便催生出了“超级电容”。超级电容的迅速发展使得其迅速在能源储备中占据一席之地。超级电容这种新型的储能设备，其容量达到上千法拉。并且其可多次重复充电且区别于传统蓄电池具有一定污染，超级电池绿色环保。但超级电容其归根结底还是电容，经长时间的工作，不可避免地也会出现漏电的现象，且由于电容的电气特性，其只适用于直流储能并不适用于交流储能。因此该水面漂浮物自动清理机器人的工作电流为直流电。超级电容的装配可以将超级电容的优点充分体现在机器人身上，不仅如此，通过日常的检测以及定期的保养，超级电容的漏电等不稳定现象发生的几率也会大大地减少[8]。作为滤波器,对光伏电池输出的不稳定的电能进行滤波,输出稳定的电能；与光伏阵列及单向DC/DC相配合,实现MPPT（最大功率[9]

点跟踪）。水上垃圾清理机器人的上盖21的侧夹层2和后夹层19用于设置电流整流滤波等电路。具体结构如图4所示。2.4电磁阀检测装置经过滤的水储存在船体后舱中，当储存到一定量时，产生的水压通过感应装置使得水泵6产生转动，水泵6转动抽取后舱中的水，通过进水口的阀门开口大小的调节，对流量进行一个闭环控制，从而使系统在不同负重下维持在一个平衡状态。水中的垃圾在网筛过滤下留在网筛中，从而实现了水中垃圾的收集，过滤后的水被水泵从水底抽4出。在水泵出水口设置有5867[10]

电磁阀7，控图5电磁阀检测装置示意图制出水口的4.推进器螺旋桨5.水下推进器主体6.水开启和闭合，泵7.电磁阀8.斗状套筒在水泵停止全面清理，使得该机器能通过更换过滤网从而适合不同污染程度的水域，达到不同层次的清理效果[5]。141892262.2太阳能供电板装置众所周知太阳能充电器因其清洁、便利等特点越来越广泛地运用到各种仪器上。在图3机器人网筛剖面图6.水泵22.船体主舱室9.船体前舱14.船体后舱18.网筛睡眠漂浮物自动清洗的机器人上安装一层太阳能收集板可以节约一定的能源，实现一定量的能源自供给[6]。而太阳板的安装的主要目的不仅仅在于能一定程度上地节约能源，在某些特殊条件下，一旦机器人在水中能量耗尽无法取回，太阳能电池板则在这时起到了良好的能源收集作用，通过利用太阳能能力实现对电容的充电，从而免去了打捞等不必要的工作。而太阳能电池板作为太阳能充电器中最为关键的部分，其设计也因此尤为重要。目前市场上价格适中，且光电转化效率相对较高的因数晶硅太阳能电池板，其充电效率可以达到20%以上。为了能尽可能多地提高机器人能源自给能力，模块式的晶硅太阳能电池板则是作为太阳能板设计的不二之选，通过模块式的拼接可以最大程度上利用机器人表面的面积，对机器人上表面进行几乎全面化的太阳能板包裹，从而充分提网址：www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com圆园员9年第1期111机械工程师MECHANICALENGINEER工作时候关闭，防止水流倒灌进入主舱室。推进器螺旋桨4和水下推进器主体5为船体提供前进推动力，同时控制装置的方向[11]。2.5机器人水面深度控制该机器人通过收集水面漂浮物达到净化河流的目的，当然，随着收集量的增加同时也会使得机器人自身重力增大。如果在没有足够浮力支撑的情况下，机器人则会因自身质量的增加而下沉。而PID控制器作为一种线性控制装置[12]，它会根据预先设定好的给定值（深度）以及所处环境的实际值构成的控制偏差，对偏差进行计算从而转化为控制信号给予相应的控制器。通过对进水口的阀门开口大小进行调节，对通过排水阀的流量进行闭环控制，从而使得该机器人在水面以上的高度维持恒定，保证了机器人在收集漂浮物时的工作环境。3清理漂浮物流程当水面漂浮物自动清理机器人工作时，由设置在船体后舱14内的控制装置控制，船体底部的水泵6工作，在水面产生一个水势差，水流通过前后进水口进入主舱室22，可通过水泵转速和进水口的阀门开口大小的调节，对在一个平衡状态。水中的垃圾在网筛18过滤下留在网筛1312191421[13]

出现障碍物时，能准确、灵敏地监测到并做出相应的反应。具体功能实现装置如图6所示。4结语国内对于河面、湖面等大面积封闭形水域的垃圾清理，大多数还停留在以船舶为基础的人为打捞。这些打捞船的体积较大，对于特定小角落无法进行清理。以内燃机为能源，成本较高，并且通过人工驱动船舶，具有一定的危险性。此类船舶打捞主要清理大形漂浮物（如浮萍、藻类）。本文装置主要针对船舶无法打捞的小型漂浮物，以网筛的工作原理进行对水体表面垃圾的“二次进化”，。实现清理垃圾的智能化，减少人工的参与，尽量避免工人在船外捞漂的危险，极大地提高安全系数，也不会危及到水中微生物，以太阳能为主要新能源进行节能。该装置设置可应用于环保部门和景区管理部门。能在全国各景区、湖泊、海港等水域完成垃圾清理，对能量节约和环境保护作出巨大贡献[16]。所以该装置拥有良好的经济和社会效益。[参考文献][1][2][3][4][5][6][7][8][9]张芸芸,徐飞飞,徐俊玲.河湖污染问题与有效治理建议分析[J].工程技术研究,2018(1):255-256.学报,2016,28(2):24-27道科学,2007(1):76-80.学,2013.董树宝.从结构到机器:论加塔利的审美范式[J].北方工业大学许平,田红旗,姚曙光.流线型列车头部外形设计方法[J].中国铁李存玉.超微孔过滤原理的研究与应用[D].南京:南京中医药大陈锦,陈娟.废水处理工艺对废水检测影响的讨论[J].科技风,2017(26):99.杨超,王志坤.太阳能无线充电器设计[J].河北农机,2018(1):25.林天意.太阳能充电器的设计[J].黑龙江科技信息,2016(9):59.业,2018(12):52-53.技术,2017(18):164.付韵来.海洋微弱能量收集和管理技术研究[J].中国战略新兴产汪春生.太阳能光伏最大功率点跟踪控制技术研究[J].山东工业流量进行一个闭环控制，从而使系统在不同负重下维持1111018922876图6机器人结构示意图1.后阀门2.船盖侧夹层推进器主体前阀门板主舱室6.水泵7.电磁阀3.片体内隙8.斗状套筒4.推进器螺旋桨9.船体前舱5.水下10.[10]刘向群.自动控制元件（电磁类）[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001:104-130.248-267.[11]哈瓦尔特.船舶阻力与推进[M].大连:大连理工大学出版社,1989：[12]袁彬,魏国亮,董团阳.水下机器人深度控制研究[J].软件导刊,[13]李岳明,万磊,孙玉山,等.考虑剩余浮力影响的欠驱动水下机器人深度控制[J].控制与决策,2013,28(11):1741-1744.(5):407-410.[14]薛志斌,罗才宝.水下推进器控制系统设计[J].计算机仿真,2015,32[15]郭晓波,翟雁,吴丽娜.基于激光雷达信息的机器人障碍物检测[16]张志斌.我国水资源开发利用与保护的思路和建议[J].工程技术研究,2018(2):253-254.（责任编辑张立明）[J].激光杂志,2017,38(9):58-60.2016,15(9):125-126.11.激光雷达传感器18.网筛12.船盖前夹层19.船盖后夹层13.太阳能电池22.船体14.船体后舱21.上盖中，从而实现了水中垃圾的收集，过滤后的水被水泵6从水底抽出。在水泵出水口设置有电磁阀7，控制出水口的开启和闭合，在水泵停止工作时候关闭，防止水流倒灌进入主舱室。水上垃圾清理机器人通过盖子21顶部和侧面安装的太阳能电池板13产生电能，为电动机和水泵的工作提供可靠动力。船底对称安装的两个水下推进器4[14]，为机器人在水面的航行提供动力，并且可通过二者的转速差来调整小船的姿态/方向。船体前舱9里安装超级电容，在系统中作为能量存储装置,在太阳能供电不足时向负载供电,在太阳能供电富余时吸收、存储多余的能量。并且机器人采用了激光雷达避障的方法[15]，当机器人前方作者简介：史浩辉（1997—），男，本科生，主要从事机电一体化研究。收稿日期：2018-03-23112圆园员9年第1期网址：www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com