基于慧魚技術的海洋垃圾收集裝置研究

萬宏鋼

（江西機電職業技術學院，江西 南昌 330000）

隨著海洋經濟的快速發展，海洋垃圾越來越多，對沿海城市以及海洋生物造成了嚴重影響[1-3]。目前主要靠人工對海面上的大量垃圾進行清理和收集，不僅費時費力，而且工作效率一般，這一現狀觸發了人們對機械化水面清掃船的需求[4]。筆者研制的“海洋環境衛士”是一種清理和收集海面垃圾的新型工具船，如圖1所示，可以實現自動化控制，完成垃圾的收集、篩選、粉碎和壓縮打包等一系列無人化操作，不僅節省了人工成本，還大大提高了工作效率。目前高性能的海面清掃船僅集中在船舶建造工業發達的少數國家，但需求量卻是全球性的，因此該產品具有廣闊的市場前景[5-8]。

圖1 海洋環境衛士

1 作品構思

“海洋環境衛士”具有操作自動化、功能模塊化、智能化等特性，包括6大系統。

1）攔截系統：包括傳動和攔截兩部分。利用螺旋傳動將擋板推出，隨后通過齒輪與連桿相結合的方式驅動擋板展開，從而攔截垃圾。

2）傳送系統：由伸縮履帶裝置和傳送裝置組成。履帶和卷揚機通過伸縮裝置伸入水面以下，卷起攔截網上的垃圾，隨后由傳送裝置將垃圾傳送至下一系統。

3）預處理系統：通過一系列預處理可以對垃圾進行分揀和粉碎，便于后續的打包處理。

4）打包回收系統：經過預處理的垃圾通過導槽掉落至壓縮箱，隨后電機啟動運轉，帶動壓縮機體的齒輪齒條往復運動，實現垃圾壓縮打包處理，方便后續回收儲存。

5）智能倉儲系統：推出裝置將壓縮箱推出，再通過智能機械夾子將壓縮箱進行堆放。實現這兩個動作后推出裝置復位，再由換箱裝置進行換箱操作。

6）智能識別系統：利用In-Sight軟件實現智能視覺系統，使其能夠對箱體容量進行智能化識別。

2 各部分結構與工作原理

2.1 智能控制部分

智能控制部分由4塊慧魚編程接口板和計算機聯合控制。當接通工作開關后，程序啟動，各個部分無需單獨操作，利用計數器與限位開關聯合工作，實行精確控制，如圖2所示。攝像頭可以隨時判斷壓縮機構是否正常運行。當正常運行時，攝像頭捕捉畫面正常，以此來監測壓縮裝置；當非正常運行時，攝像頭捕捉畫面異常，電腦以及船身控制器發出警報，并能精確定位故障部位。

圖2 智能控制部分

2.2 攔截裝置

擋板通過螺旋傳動推出，隨后通過齒輪與齒條進行前后運動從而帶動連桿將擋板展開，如圖3所示。

圖3 攔截裝置開啟與關閉

2.3 伸縮裝置

伸縮履帶裝置如圖4所示，當需要收集垃圾時，通過TXT控制，啟動電機帶動絲桿旋轉，將卷揚機及貯帶倉伸長至水面并延伸至水下，進行垃圾處理的準備工作。

圖4 伸縮履帶裝置

2.4 傳送裝置

當卷揚機到達指定收集位置后，啟動電機帶動卷揚機開始運動，將需要收集的垃圾通過卷揚機的旋轉運輸到履帶前方后，履帶啟動，將收集到的垃圾向分揀裝置運送。裝置由鏈傳動進行，使裝置平均傳動比準確，工作可靠，效率高。

2.5 分揀裝置

裝置通過預留間隙以及齒輪之間的嚙合達到篩選和粉碎的目的，且兩者之間完全由齒輪傳動，保證了裝置的準確性和可靠性。在垃圾運送的途中，分揀裝置啟動，通過電機進行震動，將收集到的垃圾按照體型分為小型及大中型垃圾，小型垃圾通過篩選滑至垃圾收集箱，大中型垃圾則前往粉碎裝置。分揀裝置具體結構如圖5所示。

圖5 分揀裝置

2.6 粉碎裝置

在分揀裝置啟動過程中，粉碎裝置啟動，如圖6所示。大中型垃圾通過篩選裝置進入粉碎機，粉碎機通過電機帶動兩組高速運轉的齒輪對垃圾進行破碎，完成破碎的垃圾落入垃圾收集箱中。

圖6 粉碎裝置

2.7 隔擋裝置

通過電機帶動鏈傳動，實現兩端螺桿的同步上下運動，使隔擋門實現開啟和關閉狀態，進而更好地控制垃圾的進入量，從而使壓縮裝置更好地工作，隔擋裝置如圖7所示。

圖7 隔擋裝置

2.8 壓縮裝置

粉碎后的垃圾和小型垃圾落入垃圾收集箱后，壓縮裝置啟動，如圖8所示。通過電機運轉，帶動壓縮機體的齒輪齒條傳動進行往復運動，由自身重力對垃圾進行壓縮打包。

圖8 壓縮裝置

2.9 推出裝置

當垃圾壓縮完成后，通過電機帶動箱體下方的齒輪齒條傳動，進行箱體的前后運動，達到將箱體推出的目的，以便切換箱體。推出裝置及齒條導軌如圖9所示。

圖9 推出裝置

2.10 換箱裝置

通過電機驅動螺桿前后運動，使新的箱體被推至壓縮裝置下，儲存好的箱子通過重力下落，進行下一輪回。換箱裝置具體結構如圖10所示。

圖10 換箱裝置

2.11 智能倉儲裝置

上端具有導軌可供智能抓取裝置在倉庫內上下左右運動，從而能夠實現自動化入庫，智能堆疊。下方具有承重柱，具有承重量大、結構穩定的特點。智能倉儲裝置總體視圖如圖11所示。

圖11 智能倉儲裝置總體視圖

2.12 智能抓取裝置

當箱體推出時，智能抓取裝置將通過導軌移動到箱體上方進行抓取，裝置設有自動升降，可在倉庫內全方位移動進行貨物堆疊。智能抓取裝置主體部分如圖12所示，可實現以下操作。

圖12 智能抓取裝置主體部分

1）爬升：通過齒輪與齒條嚙合進行爬升，傳遞動力大、壽命長，工作平穩，可靠性高。

2）左右：通過鏈條傳動，實現左右精確運動。

3）前后：利用4個負重輪在導軌上進行前后運動，負重輪上有橡膠包裹，用于增加摩擦力。

4）夾抓：兩條螺桿并排放置，二者之間通過齒輪傳動達到開合的目的。

2.13 節能裝置

通過太陽能和風能搭建風光互補供電系統，從而實現節能，具體如圖13所示。

圖13 節能裝置

2.14 推進裝置

推進裝置利用3組相互嚙合的齒輪，由編碼電機帶動齒輪運動，實現船體的前進與后退，具體如圖14所示。

圖14 推進裝置

2.15 智能識別裝置

利用In-Sight軟件的智能視覺系統，使其能夠對箱體容量進行智能化識別，智能識別裝置如圖15所示。

圖15 智能識別裝置

3 作品的科學性與先進性

本裝置的智能控制系統由ROBO Pro控制軟件、接口板和傳感器組成，能夠對伸縮裝置的伸出與縮回等步驟進行控制[9-10]，科學性和先進性在于：

1）對接口板進行了擴展操作，電機接口由原來的4個變成了8個，同時I/O口的數量也擴展為原來的兩倍，保證作品所需的電源、輸入信號、輸出信號都可以連入控制器中，控制環衛車完成所有的動作。控制器對各電機、傳感器的運行狀態進行監控，進一步保證了“海洋環境衛士”運行的可靠性。

2）本裝置利用限位開關檢測機構運行的位置，控制機器的運行、停止或計數，把數字量的結果即0或1返回給控制器。相比其他類型的傳感器采用延時的控制方式，本設計中的限位開關可以精確控制電機運行的時間，這大大提高了系統運行的可靠性和穩定性。

4 作品的創新點

1）智能倉儲：智能機械平臺能夠實現在倉庫內上下左右運動，從而能夠實現自動化入庫。

2）伸縮裝置：能有效收集水面垃圾和漂浮垃圾，大大提高了工作效率。

3）換箱裝置：通過電機驅動螺桿前后運動，進而使新的箱體被推送至壓縮裝置，存儲好的箱子則通過重力下落進行下一道工序。