一種水面漂浮垃圾清掃機器人

王居鑫 吳佳霖 劉 達 夏長春 辛紹杰 / 上海電機學院

一種水面漂浮垃圾清掃機器人

王居鑫 吳佳霖 劉 達 夏長春 辛紹杰 / 上海電機學院

針對目前公園等景區水面上的漂浮垃圾的清掃難題，提出并研制一種水面漂浮垃圾清掃機器人。該型機器人在行進過程中能將水面漂浮垃圾聚集收容，還能根據需要擴展打撈面積，實現了高效、省時、省力地實現水面垃圾打撈的效果，有很好的市場化前景。

機器人；水面垃圾清掃；伸展單元；無線控制

引言

環保清潔設備是隨著人們對環境保護要求的提高而發展起來的一類設備。目前公園景區里的湖面有許多諸如湖邊樹木的落葉等輕質的漂浮物，對環境景觀造成不美觀，更會形成一定的污染。目前樹葉等漂浮物大多是采用人工打撈或者是使用簡易的打撈船，人工打撈費時費力，需要工人劃船進行地毯式的打撈，現有的遙控打撈船對于打撈面積相對局限，兩種方案的工作效率較低，打撈工作費時費力。

1.水面垃圾清掃機器人基本功能與單元設計

打撈作業要求水面垃圾清掃機器人應具有高效、省時、省力地實現水面漂浮垃圾的清掃的特點。根據需要，本文提出并研制的水面垃圾清掃機器人包括船身以及安裝在船身上的儲物筐、打撈單元、伸展單元、驅動單元、轉向單元和控制單元等，如圖1所示。

在打撈作業時，操作者通過控制單元實現對打撈單元、伸展單元、驅動單元和轉向單元的控制。打撈單元可將水面垃圾打撈至儲物筐內；驅動單元則驅動船身水面運動；轉向單元實現船身轉向；伸展單元可以在船身移動時，將漂浮物收容于伸展單元內側，并與打撈單元協同進行打撈工作。

圖1 機器人整體結構示意圖

2.水面垃圾清掃機器人各單元的結構設計與功能實現

2.1 打撈單元

圖2所示的打撈單元設有電機、主軸、打撈框架、網面、軸套和基座，基座和電機分別安裝在主軸的兩端，主軸通過基座和電機安裝在船身上，主軸的另一端通過軸套與基座連接，打撈框架安裝在主軸外側，網面固定在打撈框架上。

機器人作業時，打撈網在水中打撈，電機帶動主軸旋轉，當打撈網下降至水面以下時，將水面垃圾撈起，打撈網離開水面時，電機驅動其翻轉，將水面垃圾送至儲物筐。

圖2 打撈單元示意圖

2.2 伸展單元

圖3所示的伸展單元設有兩套伸縮桿裝置和兩套尾部固定裝置。伸縮桿裝置采用四桿機構，并對稱設置于船體的兩側，兩套伸縮桿裝置之間設有彈簧，并與船身之間設有與電機連接的滑輪和拉繩。尾部固定裝置采用兩個固定銷和一個長條狀固定環套配合的方案，伸縮桿裝置架固定在環套上，固定銷頂部固定在船體后部的下側。

伸縮桿的分為主桿部和副桿部，主桿部的兩個主桿內設有電動推桿，主桿外設有打撈網；副桿部的兩個副桿和支撐軸平行布置在主桿上，副桿上設有打撈網。伸縮桿裝置中副桿插入主桿中，電動推桿推動副桿沿主桿內壁滑動。伸展桿不工作時平行緊貼于箱體的外側，滑輪旋轉帶動拉繩伸縮，從而拉動兩套伸縮桿裝置，伸展桿伸出時與箱體成60度夾角。

固定環套兩端設有兩個固定環，固定環上設有兩個固定銷，固定銷與船身鉸接，船身移動時，裝置在固定銷之間伸展和閉合，伸展桿的上、下桿之間的網面對船體前部的漂浮物進行預收集，漂浮物與船相對運動沿著伸展桿、箱體的前部集中至打撈船的前部中間，進行集中處理。

圖3 伸展單元示意圖

2.3 驅動單元和轉向單元

驅動單元采用電機、傳動軸和螺旋槳配合的方案，單元兩端架設于船身兩側的箱體上，并通過導軌封閉安裝，電機固定在船身上，傳動軸的兩端分別與電機和螺旋槳連接，螺旋槳固定在船身后側，如圖1所示。

轉向單元如圖4所示，在船身上設有電動伸縮桿和固定片，與擺桿、絲杠螺母機構和葉片相連，轉向單元的底部與兩側的箱體上部設有封閉的移動副。

螺旋槳的旋轉由電機通過傳動軸驅動，實現推動機器人運動；電動伸縮桿的伸縮端固定在連板鎖定套上，擺桿中段和連板固定，擺桿的另一端設有絲杠螺母機構，螺母的底部與轉向葉片固定連接，電動伸縮桿伸縮帶動擺桿，通過絲杠螺母機構傳動帶動轉向葉片的左右擺動，擺桿自轉，從而實現航向的變化。

圖4 轉向單元示意圖

2.4 控制單元

控制單元包括若干無線通訊模塊，分別為伸展桿無線模塊、轉向無線模塊、打撈無線模塊、驅動無線模塊，打撈單元、伸展單元、驅動單元、轉向單元分別通過無線通訊模塊與陸上的控制設備連接，各模塊布置在船身各處。

船身前部的右側設有伸展桿無線模塊，可控制伸展桿伸縮并通過距離傳感器檢測與障礙物距離；船身后部的右側設有轉向無線模塊，控制電機轉動從而控制葉片擺動；船身前部的左側設有打撈無線模塊，控制打撈電機轉動，打撈網從水中將垃圾打撈至儲物筐；船身后部的左側設有驅動無線模塊，控制電機轉動，帶動螺旋槳轉動推動機器人前進。

3.水面垃圾清掃機器人的具體作業方式

操作人員在岸邊進行全程操作，通過控制驅動無線模塊打開電機，驅動螺旋槳前進，并結合轉向無線模塊的控制進行轉向駛至所需的作業區，控制伸展桿無線模塊打開電機，兩側的主桿就會打開，并通過控制主桿上桿內部的電動推桿，將副桿伸出，此時控制打撈無線模塊打開電機，打撈單元開始工作，將漂浮物打撈至置物框內，直至將湖面的所有的水面漂浮垃圾清掃干凈，最后關閉伸展單元、打撈單元，駛回岸邊，再將儲物筐提出，將內部的垃圾清掃掉，作業完畢。

[1]李林冬,辛紹杰等.漂浮物打撈船.國家發明專利.ZL 201410398395.5

王居鑫：男，（1996.1—），上海電機學院材料成型及控制工程專業本科生。

吳佳霖：男，（1997.7—），上海電機學院機械電子工程專業本科生。

劉達：男，（1998.8—），上海電機學院材料成型及控制工程專業本科生。

夏長春：男，（1994.2—），上海電機學院本科畢業生，上海海洋大學碩士研究生。

辛紹杰：男，（1963.1—），教授，上海電機學院機械學院教師。

本項目受上海市大學生創新活動計劃項目資助: A1-5701-17-009-02-32。