基于仿生原理設計的沙灘垃圾清理裝置

馮泓騫 王赫瑩 管 灝 汪維康 李昊冉 王潤澤

（沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽 110870）

1 研究背景

1.1 設計背景

隨著旅游業的興起，沿海城市逐漸成為旅游勝地，因此解決海灘垃圾問題清理問題迫在眉睫。目前，世界各地對海灘垃圾的處理方法主要有人工垃圾清理、海灘垃圾清理車、人工與機械聯合收集裝置3種。然而，國內許多海濱度假區仍采用人工清理垃圾，需要大量的人力、時間，清理效率較低，造成資源浪費。針對上述問題設計了仿生沙灘垃圾清理裝置，可實現垃圾清理過程的全自動化和垃圾的分類運送。

1.2 設計思路

仿生學是一門模仿生物建造技術的科學，是生物學、數學和工程學的交叉學科。它的核心思想是根據生物體的結構功能原理，模仿、創造和發明新設備、新工具和新科技等先進技術，從而更好地服務人類的學習、生產和生活。衍生的仿生機器人是機械行業發展的一個重要方向。隨著計算機和人工智能技術的飛速發展，仿生機器的研究和應用前景廣闊，已廣泛應用于農業、工業、服務業以及軍事等領域。

設計的仿生沙灘垃圾清理裝置要在整個工作過程中實現全自動控制，節省人力物力，且不受時間和氣候的影響，實現高效率和低成本。此外，設計時力爭外形新穎，工作時能吸引附近游客。

1.3 設計目的

設計主要實現3個目的：一是解決人工清理沙灘垃圾效率低的問題，實現清理自動化，減少人力資源的浪費；二是能適應海灘淺水區、惡劣地形及惡劣條件，對路況適應性強；三是仿生垃圾清理裝置要包括垃圾存儲箱，實現清理和儲運一體化，節省人力。

2 工作原理

2.1 總體結構

仿生垃圾清理裝置的整體機構主要由識別機構、抓取機構、足部機構、控制系統和存儲機構5部分組成，如圖1所示[1]。足部機構為整個清理裝置的載體，主要由齒輪、曲柄連桿機構和支撐板構成。足部機構的運動由行走步進電機驅動，通過控制行走步進電機實現足部的基本動作，如橫向行走、轉彎等。抓取機構主要由步進電機、螺桿、滑動螺桿螺母副、連桿和夾具組成，先由步進電機驅動螺桿，再由連桿將螺桿的力傳遞給抓取垃圾的抓手[2]。仿生清理裝置的控制系統安裝在載體平臺，通過紅外遙控器的指令控制步進電機轉速的快慢，進而調整仿生裝置足部的運動使之完成相關指令。存儲機構主要用于接收抓取的垃圾[3]。

圖1 總體結構

2.2 核心機構

2.2.1 抓取機構

抓取機構主要由步進電機驅動模塊、步進電機、螺桿、滑動螺桿螺母副、連桿和夾具組成。其中，滑動螺桿螺母副是實現抓取動作的主要機構，主要功能是將旋轉運動轉化為直線運動。滑動螺桿螺母副采用螺桿旋轉與螺母運動相結合的方式，結構緊湊，螺桿剛性好。步進電機通過聯軸器與螺桿連接。螺桿穿過螺母形成滑動螺桿螺母副。螺母與連桿結構連接，控制夾具的開閉。

夾持機構的運動從步進電機驅動模塊開始。當垃圾被鎖定時，步進電機驅動模塊接收抓取信號，控制步進電機，驅動兩個絲桿機構旋轉。絲杠旋轉驅動絲杠螺母對沿絲杠進行線性移動。絲杠螺母運動帶動聯動機構運動，聯動機構直接控制夾具前端的開閉實現抓取。抓取機構如圖2所示。

圖2 抓取機構

2.2.2 足部機構

螃蟹具有8條蟹足，每條蟹足的抬起和落地兩種狀態交錯變化。單獨看某一條蟹足，蟹足每一節通過兩束肌肉相連，通過肌肉收縮完成橫向運動。針對螃蟹的這一運動特征，使用四桿機構替代蟹足的每一節，通過電機提供的動力代替肌肉收縮，實現螃蟹的足部機構仿生。足部機構是仿生清理裝置的承載平臺，主要由兩對齒輪、曲柄連桿機構和兩對支撐板組成，可以由行走電機驅動實現基本運動，如橫向行走和轉彎。

足部驅動系統為前后對稱結構。前足主體驅動系統由行走電機、行走主動齒輪、法蘭軸、兩個行走傳動齒輪、四套連桿機構和兩個支撐板組成。一個主動齒輪和兩個從動齒輪夾在兩個支撐板之間。從動齒輪對稱安裝在主動齒輪的兩側。支撐板的前后兩側分別設有一套連桿機構。足部機構如圖3所示。

圖3 足部主體運動機構

足連桿機構由第一連桿、第二連桿、第三連桿和足支撐組成。第一連桿的一端安裝在支撐板的右下側，另一端安裝在第二連桿的中部。第二連桿的一端與法蘭連接，另一端安裝在腳支撐上部的2/3處。第三連桿的一端安裝在支撐板的上側，另一端與腳支撐的上端連接。行走刷電機通過電機輸出軸與行走驅動齒輪連接，足連桿機構通過法蘭與行走傳動齒輪連接，行走驅動齒輪帶動傳動齒輪轉動，使足連桿機構運動。當開始運動時，行走驅動齒輪與行走傳動齒輪嚙合，驅動第二連桿與法蘭一起旋轉。第一、三連桿驅動腳支撐，完成周期性行走[4]。

2.2.3 控制機構

仿生清理裝置控制系統由主控板、紅外遙控器、紅外接收模塊、電刷電機驅動模塊、電源穩壓模塊和舵機驅動模塊組成。舵機驅動模塊是由直流電機、減速齒輪組、傳感器和控制電路組成的一套自動控制系統。舵機驅動模塊通過發送信號，指定輸出軸旋轉角度。舵機與普通直流電機的區別主要在于，直流電機是一圈圈轉動，舵機只能在一定角度內轉動。普通直流電機無法反饋轉動的角度信息，而舵機可以反饋轉動的角度信息。舵機的控制一般需要一個20 ms左右的時基脈沖。該脈沖的高電平部分一般在0.5～2.5 ms，總間隔為2 ms。需要說明的是，脈沖的寬度決定馬達轉動的距離。

主控制板安裝在仿生螃蟹機器人的中間，電源穩壓模塊安裝在主控制板的后部，紅外接收模塊安裝在主控制板的前面，刷電機驅動模塊和轉向器驅動模塊安裝在主控板外部。電源穩壓模塊通過電源線分別與主控板、紅外接收模塊、轉向器驅動模塊、電刷電機驅動模塊、行走電刷電機、回轉轉向器以及抓取電刷電機連接。紅外接收模塊通過銅線與主控板連接。主控板分別與電刷電機驅動模塊和轉向器驅動模塊連接。刷電機驅動模塊與行走刷電機連接，轉向器驅動模塊通過控制線分別與旋轉轉向器和抓取刷電機連接。紅外遙控器用于向紅外接收模塊發送信號。紅外接收模塊接收到來自紅外遙控器的信號后，向主控板的芯片發送信號。主控制器向電機驅動模塊和轉向器驅動模塊發送信號。電機驅動模塊接收到來自主控制器的信號后，電機的旋轉角度和速度會按照信號要求發生改變。電機帶動齒輪曲柄連桿足部機構開始運動，使足部橫向移動。轉向器驅動模塊接收到來自主控制器的旋轉信號后，旋轉電機的旋轉角度隨之發生變化[5]。接收到抓取信號后，步進電機驅動模塊控制步進電機的旋轉角度和速度，并驅動兩個絲杠機構抓取垃圾。

3 工作流程

第1階段，攝像頭識別垃圾。電子設備通過檢測暗、亮的模式確定物體形狀，并且將外形進行數據處理后保存，然后利用卷積等算法進行處理，判斷其顏色、形狀等特征是否符合設定的值，最后判斷是否是垃圾。若識別成功，進入第2階段。

第2階段，清潔裝置足部移動。通過紅外遙控器發射紅外電磁波到紅外接收裝置，紅外接收裝置接收信號并將信號傳遞給主控制器。主控制器控制的有刷電機驅動模塊接收到行走、轉向信號后，控制行走有刷電機的旋轉角度和速度，使有刷電機轉動。有刷電機通過聯軸器將動力傳給中間主軸，主軸轉動通過鍵連接帶動主動大齒輪轉動。主動齒輪轉動帶動兩側的從動小齒輪轉動，兩側軸也隨著齒輪轉動。兩側軸上分別安裝有法蘭盤，可通過從動齒輪轉動帶動兩個法蘭盤轉動，通過法蘭盤將運動傳遞給四桿機構，使得螃蟹足部機構開始運行，以便移動至待抓取物品旁。

第3階段，抓取運動。清潔裝置運動到待抓取物體前時，由主控制器控制的步進電機驅動模塊接收夾緊信號，并控制步進電機的旋轉角度和速度。驅動兩絲桿機構運動，絲桿機構轉動轉變為絲桿螺母沿絲桿上下的移動。絲桿螺母移動帶動連桿機構運動，連桿機構直接控制抓取機構前端開合，實現抓取。

第4階段，將收集垃圾放入儲存箱。清潔裝置抓取物品后，舵機驅動模塊接收到來自主控制器傳來的鉗鰲升降信號，舵機驅動模塊控制升降舵機。主體與收集裝置連接處的升降舵機啟動，通過控制舵機的轉動控制抓取機構的升降。帶動抓取機構升起將垃圾放入儲存箱，完成物品的收集工作。

4 結語

沙灘垃圾清理裝置由機械結構代替人力，操作簡單，高度自動化，可大大減輕人工撿拾垃圾的工作量。在極端地理環境下，螃蟹足結構可完全替代人力進行作業，優勢明顯，效率高。它采用STM32單片機作為控制模塊，通過編程控制能夠自動完成攝像頭識別、足機構運動、鉗鰲抓取以及垃圾儲存一系列過程。沙灘垃圾清理裝置的設計研究具有一定的理論意義和應用價值，可行性較高，減輕了垃圾清理工作量，有利于維護沙灘環境，為沙灘垃圾清理問題提供了一種新思路。