海域漂浮垃圾收集及分類裝置

摘要：為了提高海灘附近海域垃圾收集的效率，降低打撈者的工作強(qiáng)度，設(shè)計(jì)一種水面智能漂浮物收集裝置，該裝置由動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、垃圾分類系統(tǒng)等組成，初步選定噴射泵作為動(dòng)力源，傳動(dòng)系統(tǒng)選用自主設(shè)計(jì)二級(jí)倒鉤齒帶傳動(dòng)無縫銜接傳送垃圾，選用OpenMV開發(fā)板結(jié)合180°旋轉(zhuǎn)擋板自動(dòng)完成垃圾分類和收集，利用SolidWorks建模軟件建立了海域漂浮垃圾收集及分類裝置的模型、虛擬模擬運(yùn)動(dòng)分析。制作樣機(jī)測試，滿足安裝條件下符合預(yù)期要求。該裝置自動(dòng)化程度高、工作靈活。通過海灘附近海域垃圾清理機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的搭建，以期在海灘附近海域水面垃圾打撈的工作中發(fā)揮作用。

關(guān)鍵詞：垃圾收集；倒鉤齒帶；垃圾分類；智能控制

中圖分類號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.02.010

文章編號(hào)：1006-0316 （2023） 02-0068-07

Floating Garbage Collection and Sorting Device in the Sea Area

YU Yan，HUANG Zuojun，F(xiàn)AN Pengbo，LIU Yadong，LI Haochen，ZUO Wenjuan，LU Xueyu

（ School of Mechanical Engineering， Jiangnan University， Wuxi 214000， China ）

Abstract：In order to improve the efficiency of offshore garbage collection and reduce the work intensity of the salvagers， a surface intelligent floating garbage collection device is designed. The device is composed of power system， transmission system， garbage sorting system， etc.， and the jet pump is initially selected as the power source. In the transmission system， the self-designed secondary barb tooth transmission belt is selected to transport the garbage seamlessly， the OpenMV development board combined with the 180 ° rotating baffle is adopted to automatically complete the garbage sorting and collection，" and the modeling software SolidWorks is used to establish the model of the floating garbage collection and sorting device in the sea area and conduct the virtual simulation motion analysis. The prototype test is carried out， which meets the expected requirements under installation conditions. The device is highly automated and flexible. The construction of the robot structure design and control system for garbage removal in the sea near the beach is expected to play a role in the offshore salvage of the floating garbage.

Abstract：garbage collection；barb tooth belt；garbage sorting；intelligent control

海域漂浮垃圾主要為塑料袋、塑料瓶和飲料盒等，對(duì)海洋生物造成嚴(yán)重危害。此外，海域漂浮垃圾的持久性、累積性污染物也可能通過生物鏈危害人類。海面漂浮垃圾收集裝置能夠通過打撈水面的漂浮物從而治理水域環(huán)境。檢索發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外也有相關(guān)海面垃圾收集裝置研究，但現(xiàn)有的裝置體型大工作效率底，且大部分裝置不能直接對(duì)收集垃圾進(jìn)行回收利用[1]。在此背景下本文針對(duì)目前海域污染物現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出了一種海域漂浮垃圾收集及分類裝置，來解決收集困難以及收集分類一體化的問題。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)與實(shí)現(xiàn)方案描述

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

為解決污染問題，我們設(shè)計(jì)一種海域漂浮垃圾收集及分類裝置，能在海灘附近海域?qū)崿F(xiàn)海面漂浮垃圾自動(dòng)收集，并對(duì)垃圾進(jìn)行分類的功能，以達(dá)到綠色環(huán)保的目的，同時(shí)也能減少人力的浪費(fèi)。

1.2 研究內(nèi)容與實(shí)現(xiàn)方案描述

在本設(shè)計(jì)所提出的研究目標(biāo)的基礎(chǔ)上，提出了以下幾個(gè)方面：

（1）對(duì)目前市場上營銷的大型收集船的設(shè)備組成、工作原理、適用范圍進(jìn)行分析，完成了對(duì)方案的初步的討論與選擇。

（2）完成自動(dòng)化控制船體整體的設(shè)計(jì)，整個(gè)船體的動(dòng)力部分、捕捉垃圾、收集部分、分類裝置，控制部分的研究。

（3）運(yùn)用三維建模軟件SolidWorks對(duì)船體進(jìn)行了整體的建模，同時(shí)也對(duì)部分精密零件進(jìn)行了三維建模。

（4）電控部分選擇使用以Arduino Uno和Motor Drive Board作為主控芯片，通過PS2手柄對(duì)整個(gè)船體進(jìn)行控制。

（5）視覺識(shí)別。

2 裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 垃圾收集與分類裝置工作原理

如圖1所示，水域漂浮垃圾收集及分類裝置主要由捕捉垃圾結(jié)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)，垃圾分類機(jī)構(gòu)和動(dòng)力裝置組成，實(shí)現(xiàn)了所有功能一體化。

漂浮物捕捉裝置主要通過自主設(shè)計(jì)的傳送帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行打撈傳遞，同時(shí)動(dòng)力裝置通過水通道吸水使水通道與船外形成水位差，使得水面漂浮物更快地進(jìn)去回收倉中，實(shí)現(xiàn)了“船動(dòng)”到“垃圾動(dòng)”的轉(zhuǎn)變，這一新改動(dòng)大大提高了垃圾收集的效率。

輸送裝置主要由電機(jī)、聯(lián)軸器、6 mm剛性連桿、自主設(shè)計(jì)齒輪法蘭連接體構(gòu)成。通過控制電機(jī)的速度可以控制尼龍傳送帶的速度。

垃圾分類裝置主要通過OpenMV模塊、Arduino Uno開發(fā)板和轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)相連接，通過OpenMV對(duì)傳送帶傳上來的漂浮物進(jìn)行識(shí)別并傳遞信號(hào)給Arduino開發(fā)板，同時(shí)Arduino開發(fā)板將其接受的信號(hào)轉(zhuǎn)化，來控制轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，舵機(jī)與撥片相連接，對(duì)已經(jīng)到了上端傳送帶的漂浮物進(jìn)行分類。

動(dòng)力裝置主要由PS2、Arduino、11防水舵機(jī)、連桿以及噴水泵裝置構(gòu)成，通過PS2對(duì)于舵機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)噴水泵噴水方向的改變以及控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速以來實(shí)現(xiàn)對(duì)船身行進(jìn)的控制。

該垃圾收集裝置設(shè)計(jì)為一個(gè)長241 mm、寬262 mm、高170 mm的船體，整個(gè)裝置的凈重為7.1 kg。

2.2 動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)

動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)船體的運(yùn)行速度以及方向的控制如圖2所示。

有刷電機(jī)與扇葉片過聯(lián)軸器相連，通過有刷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，葉片高速旋轉(zhuǎn)，使其能通過噴水泵的管道在船底水流通道吸取大量的水，并向船后噴出，使整個(gè)船體產(chǎn)生動(dòng)力。水泵內(nèi)部葉片示意圖如圖3所示。

通過防水舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過連桿地連接，從而控制動(dòng)力噴射裝置的噴嘴的朝向，實(shí)現(xiàn)對(duì)船體的行進(jìn)方向的控制。

動(dòng)力裝置電機(jī)轉(zhuǎn)速能達(dá)到12 000 r/min，使得該裝置能以最大速度0.5 km/h的速度在水面上進(jìn)行工作。

通過Uno板實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)，以及數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)對(duì)船體的舵機(jī)以及電機(jī)的控制，使整個(gè)船體的控制更加簡單容易，如圖4所示。

通過設(shè)置PSX2遙控器左右來實(shí)現(xiàn)舵機(jī)轉(zhuǎn)角的的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的轉(zhuǎn)向的控制，同時(shí)可以通過前后按鍵控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制船的行進(jìn)速度。整個(gè)Uno板可以同時(shí)控制8個(gè)舵機(jī)以及4個(gè)直流電機(jī)。

2.3 捕捉漂浮物裝置設(shè)計(jì)

由于動(dòng)力裝置主要靠吸收整個(gè)船體下方水倉中的水進(jìn)行向后噴射，以此形成了一個(gè)較小

的水位差，外面區(qū)域的水源源不斷地流入到水倉中，同時(shí)水面的漂浮物也會(huì)跟著水流入到收集帶，以此形成了由“船動(dòng)”和“水動(dòng)“相互配合地捕捉裝置，大大提高了收集垃圾地效率，如圖5所示。

2.4 漂浮物輸送裝置設(shè)計(jì)

漂浮物輸送裝置設(shè)計(jì)主要通過專門設(shè)計(jì)帶和連接板等組成。

2.4.1 傳送帶及齒輪的設(shè)計(jì)

購買市面上尼龍材質(zhì)的網(wǎng)帶，這種傳送帶輕便堅(jiān)固，符合使用要求，設(shè)計(jì)了傳送帶與其相配套的傳送輪，經(jīng)激光雕刻后進(jìn)行使用。傳送帶與傳送輪如圖6所示。

由于第一級(jí)傳送帶需要垃圾抬升裝置，設(shè)計(jì)可以鉤住垃圾的倒鉤，同時(shí)設(shè)計(jì)出第一級(jí)傳送帶與第二級(jí)傳送帶之間的連接板，如圖7、圖8所示，與倒鉤配套使用。第一級(jí)傳送帶通過倒鉤將水面漂浮物從水里打撈出，而后第一級(jí)通過連接板送到第二級(jí)傳送帶，同時(shí)將漂浮物運(yùn)動(dòng)到垃圾分類區(qū)域。

2.4.2 軸承載能力的計(jì)算

該裝置主要通過電機(jī)帶動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)傳送帶，因此，軸主要從抗扭方面考慮，選用的軸材料為45鋼[3]，剪切模量G＝80 GPa，許用應(yīng)力取40 MPa，單位長度扭轉(zhuǎn)角取1.5 °/m。

對(duì)軸進(jìn)行扭矩分析，如圖9所示。

扭矩計(jì)算公式為[3]：

式中： 為電動(dòng)機(jī)所需額定功率，W； 為整個(gè)裝置的總傳遞效率，取0.95。

計(jì)算得" W。

根據(jù)裝置大小以及實(shí)際的打撈情況選擇電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為40～60 r/min。

綜合考慮價(jià)格、重量、傳動(dòng)比等因素，選定電機(jī)型號(hào)為37GB-555的直流有刷減速電機(jī)，額定電壓為12 V，空載轉(zhuǎn)速為50 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)速為45 r/min。由自主設(shè)計(jì)齒輪與電機(jī)相互配合得到傳送帶最大速度可達(dá)0.18 m/s。

2.4.5 確定傳動(dòng)裝置效率

常見各類傳動(dòng)零件的效率取值范圍如表1所示[3]。

根據(jù)表1選取聯(lián)軸器的效率為0.99、滾動(dòng)軸承（球軸承）的效率為0.99、帶的效率為0.94。

2.5 垃圾分類裝置設(shè)計(jì)

通過前端OpenMV的攝像頭來識(shí)別，通過斜置傳送帶傳送到平置傳送帶上，當(dāng)識(shí)別到物品時(shí)，OpenMV會(huì)發(fā)數(shù)字信號(hào)給Arduino板，Arduino板將數(shù)字信號(hào)發(fā)送給舵機(jī)來控制舵機(jī)舵機(jī)，舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制撥片的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)垃圾分類。

OpenMV攝像頭是一款小巧，低功耗，低成本的電路板，它可以很輕松地完成機(jī)器視覺（Machine Vision）應(yīng)用，也可以通過高級(jí)語言Python腳本（是MicroPython，而不是C/C++）[5]。Python的高級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能夠很容易的在機(jī)器視覺算法中處理復(fù)雜的輸出。但是，也仍然可以由自己完全控制OpenMV。使用外部終端觸發(fā)拍攝或者或者執(zhí)行算法，也可以把算法的結(jié)果用來控制I/O引腳。

Motor Driver Board是由專門針對(duì)Arduino Uno（兼容Mega2560）機(jī)器人，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，多路舵機(jī)控制而研發(fā)的一款多功能電機(jī)驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展板。本驅(qū)動(dòng)板采用I2C方式控制 PCA9685（16路PWM輸出芯片）[6]。所以本驅(qū)動(dòng)板電機(jī)或者舵機(jī)和Arduino主板I/O口不存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，是通過I2C擴(kuò)展PWM控制。

2.5.1 智能系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

使用Python語言進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，開發(fā)環(huán)境為OpenMV IDE。利用圖像視覺傳感器對(duì)圖像進(jìn)行采集，并利用OpenMV IDE這款軟件對(duì)圖像進(jìn)行分析處理[7]，繼而傳遞信號(hào)給相應(yīng)的Arduino開發(fā)板，使能完成擋板的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)分類的目的。

2.5.2 系統(tǒng)分析

識(shí)別系統(tǒng)分析原理如表2所示。

OpenMV開發(fā)板在這套系統(tǒng)中只需要完成視覺識(shí)別與傳輸數(shù)據(jù)的功能[7]，防止其因處理太多任務(wù)導(dǎo)致過熱影響傳感器性能，提高了識(shí)別的準(zhǔn)確性。

2.5.3 軟件算法分析

軟件最初進(jìn)行系統(tǒng)初始化，通過遙控器發(fā)送數(shù)據(jù)使得整體系統(tǒng)啟動(dòng)，啟動(dòng)后根據(jù)圖像視覺傳感進(jìn)行攝像，利用軟件進(jìn)行分析決策，如圖10所示。

海域漂浮垃圾收集及分類裝置依托學(xué)科平臺(tái)以及專業(yè)特設(shè)，結(jié)合遙控，視覺。同時(shí)搭配使用功能強(qiáng)大的Arduino Uno開發(fā)板以及GB555強(qiáng)扭矩電機(jī)、955舵機(jī)、尼龍傳送等元器件，充分體現(xiàn)了機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)思想。

3 主要功能

具體有四個(gè)功能：

（1）漂浮垃圾捕捉

設(shè)計(jì)噴射泵與水倉相連，泵工作時(shí)除了提供行進(jìn)動(dòng)力還可以提供船體和海洋面水位差，以此形成了由“船動(dòng)”和“水動(dòng)“相互配合地捕捉裝置，大大提高了收集垃圾地效率。

（2）漂浮垃圾輸送

異形倒鉤二級(jí)帶傳動(dòng)配合連接片收集漂浮垃圾，斜置傳送帶上裝有自主設(shè)計(jì)的倒鉤實(shí)現(xiàn)對(duì)漂浮物的輸送。

（3）垃圾分類

由于考慮到整個(gè)裝置綠色環(huán)保，在平置傳送帶上加上了垃圾分類裝置，用過視覺識(shí)別控制擋板已控制整個(gè)漂浮物的行進(jìn)軌跡，并已達(dá)到分類效果。

（4）智能一體化

搭配使用Arduino開發(fā)板實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)船體的行進(jìn)方向速度的控制，同時(shí)也可以控制傳送帶的電機(jī)的開端，避免了在無垃圾的情況的電能浪費(fèi)[8]。同時(shí)通過OpenMV視覺識(shí)別模塊與Arduino開發(fā)板連接來控制舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)了垃圾分類的自動(dòng)化。

4 結(jié)論

本裝置可以滿足基本垃圾捕捉，收集和分類，并實(shí)現(xiàn)智能控制，相對(duì)半自動(dòng)化收集裝置，具有一定理論實(shí)踐意義[9]。在實(shí)際生活中，本裝置可以對(duì)靠岸小型水域進(jìn)行垃圾打撈作業(yè)。在設(shè)計(jì)的過程中也發(fā)現(xiàn)還有很多不足地方，進(jìn)一步研究可以從以下五個(gè)方面著手：

（1）由于海域漂浮垃圾收集工作是在水面上進(jìn)行的，清理裝置、動(dòng)力部件在工作時(shí)會(huì)濺起水花，所以要做好模塊化水面清理機(jī)器人的防水措施。

（2）隨著科技的進(jìn)步，機(jī)器人正朝著全自動(dòng)的方向發(fā)展，因此可以在機(jī)器人控制系統(tǒng)中加入GPS自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)[10]；與此同時(shí)改進(jìn)水面垃圾自動(dòng)識(shí)別算法，可以進(jìn)一步地提升機(jī)器人的自動(dòng)化水平。

（3）由于水面漂浮物的存在，可以在船體中增加能夠測量的傳感器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)水域水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（4）鑒于船體容量的不足，可以增大漂浮物的儲(chǔ)物倉以及浮萍過濾攔截網(wǎng)的容量，以便于一次性收集更多的水面漂浮物。

（5）目前使用的是亞克力倒鉤，未來可以改變收集裝置的材料，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種環(huán)境，各種水面漂浮物的收集功能。

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收稿日期：2022-05-10

基金項(xiàng)目：機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽

作者簡介：余衍（2001－），男，湖北黃石人，本科生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工程，E-mail：1760245872@qq.com；盧學(xué)玉（1974－），女，

江蘇淮安人，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)及理論，E-mail：luxueyu@126.com。