基于中小型水域研究的水上清潔機器人設計

劉夢婷

引言

本課題研究的是對水面漂浮垃圾進行打撈、收集、自我處理工作的水上智能清潔機器人。該設計是為了解決國內中小型湖泊水域里的水污染問題。該產品智能化、自動化程度較高，噪音小，能完成對各種水面漂浮垃圾的掃描和收集工作;通過手機可轉變人工操作，以便適應各種環境，從而使得使用范圍更加廣泛，清潔效果更加顯著。

一、課題研究背景

市內河道受城市垃圾、生活垃圾污染，污染水源、影響市容且危害巨大，導致了我國江河、湖泊和港口，甚至近海水面的垃圾污染日益嚴重。

水上機器人一般針對于大型水域，噪音大、體型大，不適合放在小型流域，容易造成周邊噪音污染。

二、市場現狀分析

1.國家政策大力支持

《水十條》提出任務措施：將實施包括工業污染防治、城鎮生活污染治理、農業農村污染防治等在內的 8 類工程項目，具體細分水治理項目、環境綜合治理項目，對環保產業的帶動作用最強。

2.自身市場容量可觀

當前，我國處于工業化、城鎮化加速推進時期，面臨著水資源短缺和水環境惡化的壓力和風險，其中水面漂浮垃圾和水面水草泛濫是兩大主要問題，其中水面清潔船、水面割草船等主要適用于河道、水庫、水電站、湖泊、海洋等水域，這是存量市場;然而每年的清潔服務和打撈服務是增量市場，需要每年加以關注和維護。

3.基礎條件前景樂觀

我國河流、湖泊數量眾多，政策驅動各地區水域環保部門亦開始采購全自動清潔船。

三、中小型水域水上清潔機器人產品痛點分析

通過對我國眾多中小型水域的統計與調查，進行梳理總結得出：我國中小型水域深淺度不一、面積不大、且分布不集中、外觀形狀不規則等特征，同時我們針對國內中小型水域復雜特點全面辯證設計和建構使用場景，提出設計一款智能自動化程度高、可靈活運動的中小型水域垃圾清理機器人，并從以下幾個方面架構水上清潔機器人的功能：

1）目前，我國水上垃圾收集效率低范圍小，、人工成本高、安全隱患多等痛點。針對以上痛點，我們設計了這款中小型水域進行智能化水上清潔機器人。通過運用水上清潔機器人進行水面垃圾的清掃收集工作，極大程度提高水上垃圾收集的效率和范圍， 降低人工成本， 減少工作人員的工作強度，保護工作人員的人生安全。

2）針對現有水面垃圾打撈上岸后人工分斂對周邊環境的二次污染痛點問題，為水上清潔機器人進行水陸雙棲設計。通過水上清潔機器人進行機體內儲存，進而進行垃圾對接，智能垃圾分類。

3）針對國內中小型水域狀況復雜多變，突發情況及人為干預等痛點問題，采取人工、智能雙操作系統。

4）針對目前市場是清潔機器人功能單一的痛點問題，增加水質檢查、河流掃描分析、GPS定位等多種針對流域的附加功能，多層次多方位保護環境衛生安全。

5）響應國家低碳環保政策，解決機器人運作的污染，對附近居民的影響問題。采取太陽能+蓄電池組合保證正常運作的前提下更加清潔。

四、針對中小型水域的水上清潔機器人產品設計實踐

1.智能化設計

如今，互聯網時代5G技術都相對成熟，智能化設計在各個領域廣泛應用。對于水上智能清潔機器人來說，智能化設計將改變現今人工或重型機械清理水域現狀，讓人們減去繁重重復的體力工作，化清理為管理。

2.基本結構設計

（1）垃圾收集結構

船在游走過程中通過前端的延伸壁，將湖面上的垃圾收集到傳輸帶上，再由傳輸帶運輸至機器人體內的網狀垃圾箱中，利用傳送帶將垃圾壓縮、干濕分類儲存。

（2）水陸兩棲切換結構

左右旋轉聚集器作為動力部件，實現機器人的陸地行走和水中工作。在陸地行走模式中。左右行進電機會將水陸兩棲輪進行收攏運行處理，收攏后的水陸兩棲輪會成為輪胎形狀。在水中工作時，將會展開左右旋轉聚集器，通過左右行進電機將水陸兩棲輪轉開為爪形進行垃圾的聚攏與收集。

（3）智能移動避讓結構

蓄電池在為機器人提供動力給電動機及螺旋槳不間斷供電8個小時運用的同時，其差速原理為清潔機器人的智能急停前行提供基礎，以控制機器人進退避讓，從而在遇到河道暗流或危險必要情況進行人為干預。

3.外觀造型設計

（1）材質——ABS材質

材質要考慮其安全性、環保性和實用性，防水、抗摔、耐磨，并能與水域環境契合，同時考慮材料性能、加工成本、環保、原材料成本、可行性及模具實現等現實成本問題，外殼主體擬采用具有阻燃，絕緣化、抗氧化、抗腐蝕等特點的ABS材料。

（2）色彩——淺色為主，亮色輔之

水上清潔機器人要給人清潔、環保、高效的視覺感受及印象，考慮產品本身與河道的契合程度，及水域產生垃圾浮游物的特性。故而色彩可以考慮大面積的淺色調或黑色為主，如乳白、蛋青、淺灰等。在減少高科技產品給用戶帶來的固有的冷漠，生硬之感的同時使用戶更易接受，再加以醒目色彩用以突出重要部件起到警示作用。

4.軟件組合輔助設計

（1）攝像頭、雷達：

機器人采用5G通訊方式，船體配有高清攝像頭、雷達等，既可以人工智能清理河道，也可以實時遠程監測河道，操控機器人駕駛，應對緊急情況。

（2）云端互聯、語音播報：

機器人上安裝有高清攝像頭，能夠實時拍攝四周環境畫面，甚至能查看到人眼不可及區域的水環境狀況;船身上安裝“云通話”設備，可以遠程語音喊話，也可以播放提前錄制好的語音;后排告警燈一亮起，可以對周圍船只起到警示作用。船底，則搭載著水質監測器，采集水樣并通過傳感器實時傳輸數據，充分發揮水上平臺的機動性，形成水環境的數據大腦。

（3）雙模式切換自如

智能操作模式下，機器人可提前設定巡邏路線，航線也可實時更改，機器人會自動規劃清潔路線，采取面式清掃;人工操作模式下如果水域情況比較復雜，則可以由工作人員在岸上遙控小船。遇到障礙物，無人船通過雷達掃描，將自動躲避;如果障礙物實在繞不開，則會立刻“剎車”。“無人船利用信號操控，數據幾乎不會有任何延遲。”

結語

水域清潔作為一項長期存在且與人民生活息息相關的行業，正站在時代轉型的路口。傳統清潔行業在近年來的數字化浪潮沖擊下，正面臨愈演愈烈的市場競爭。智能化利用機器人技術、物聯網通訊技術，升級工作流程監管形式;釋放人力并將其指導智能機器完成機械化的基礎清潔工作，將人力人本置于更高附值的崗位中。

在未來，希望有更多的設計在此基礎之上，針對清潔智能化發展進行更加系統、全面和深入的研究，為行業發展和人類智能化生活貢獻力量。