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1、摘要：为了有效地进行水域的治理，本文提出了一种基于水流动性的双体船型水面 垃圾清理机器人。本文对此机器人的功能、机械构造、工作原理等进行了详尽的说明。主 要功能是利用水泵产生的局部水流推动垃圾进入清洁舱内，从而实现对垃圾的清理。关键词：水下垃圾；清理；机器人；设计由于海洋拥有广阔的空间，它已成为人类在陆地上生活、生产的必经之路。大量的 垃圾，在这片海域之中飘荡，对周围的环境造成了极大的影响。为了达到更好的环保目 的，世界各地对水域中的垃圾进行了大量的处理，但是效果并不是很好。为了清除水上的 浮物，各类水上垃圾清洁机器人相继问世。大多数的机器人，都是将垃圾收集起来，这样 的话，效率就会降低，打扫
2、起来也会很麻烦。为了有效地清除和提高工作效率，开发了一 种能使垃圾自动进入的流动式表面垃圾清理机器人。、结构设计从图1可以看出，流动表面的垃圾清除机械装置包括一个垃圾清除装置、动力、操 纵等部件构成，利用水流的流动特性，采用了双体船的结构，通过对机身和附体的形状进 行了最优的优化，使船舶的稳定性得到了很大的改善，同时也减小了航行的阻力。在工作 台前面设置了一个摄像机和一个天线，24V安装在工作台中央、16Ah大容量的锂离子电 池，控制电路，导航设备置于电子箱内；推进装置由推进马达、导管螺旋桨及螺旋桨防护 装置构成；垃圾处理装置是一种垃圾收集斗、高度调节板及抽水装置，安装在机械手的两 个浮动缸之
3、间，而抽油泵则设在垃圾收集斗的后面。垃圾收集器的底端设在水平面以下， 其底面为倾斜状，便于产生水流量，而水位调整盘则将货柜与集料箱相连，并能调整料仓 的落点及流速，以满足在各种水域条件下进行日常回收工作的可能性。双壳式船用泡沫填充泡沫材料，不仅能达到对应的浮动压力，而且能对浮动容器进行密闭，确保不渗漏，提 高船舶的稳定性能。(a)3维示意图二、推进系统(b甲面乐趣国擅惊;if也也惑屯器比件本系统采用STM32单片机为主要控制单元，NE0-M8NPixhawkAPM为主要控制 器，采用内置GPS和罗盘的N-M8NPixhawkAPM微控制器，采用FPV700单板高清摄像 机。该系统采用了智能驾驶
4、和远程控制的方法，对机器人进行方向转换和前后运动的控 制，由接收机对2台驱动电动机进行驱动，在双体船的两侧设置推进器，并增加了电调， 便于进行差速转向。(一) 导管螺旋桨与螺旋桨保护罩为了改进它的效率，在推进器的外部安装了一根管子，见图2。导管截面为机翼 状，外部平坦，内侧弯曲。在螺旋桨正转过程中，由于螺旋桨的前后压差的影响，可以形 成一股向前的推力。另外，在零进速条件下，管道静推力是最大的，也就是当机器人从静止状态开始移动时，其工作效率最高，并且容易启动。在低转速时，采用导管推进器，可使效率提升20%左右。图2导管螺旋桨在管道的前面和后面安装一个半水滴形的护套，以减少额外的阻力，如在图3中所
5、见。防护罩能有效地避免水下海藻等障碍的纠缠，增加船舶的行驶安全和平稳的速度。图3螺旋桨保护罩（二）电机推进器T100马达驱动装置。采用塑胶与不锈钢制造的螺旋桨，其耐腐蚀、成本低、操作简 便、无需维修；采用一种防水的防护膜，马达与推进器、喷口紧密配合，占用的面积较常 规推杆少36%，可达到高静力推力，反向推进器可反扭矩；三相无刷式电动机，高性能的 塑胶支座最小摩擦力，有源式的水冷对马达有良好的散热效果；没有空气或空隙，可经受 极限的压强。T100的技术指标见下图1。最最 大反向推 力/转速/工最最长直螺 旋桨直 径/大刖向推力/作电压/大电流/大功率/度/径/kgfkgf(r/min)VAWmm
6、mmmi30062.361.8542001612.513510210076三、功能实现（一）垃圾清理的实现如在图4中所见，由于水是流动的，所以特使用抽水机来抽吸水，以方便垃圾的自 动流入到收集器，达到了快速、有效地清洗目的。垃圾收集器设置在两个浮筒之间，在用 400W额定功率的抽水机对垃圾收集斗正表面的底部进行抽水时，水就会通过倾斜的入口 进入到垃圾收集器中。由于水的黏滞，垃圾可以随着水进入集料箱，同时由于水流的原 因，垃圾很难再次排出。另外，利用高度调整盘调整污水收集器在水中的位置，调整水流 的流速，利用水的流动性和黏性原理，达到回收的目的，从而提高了工作效率，使机器人 在接近时，仅凭水流就
7、能将垃圾自动排入；只要机器人还在工作，水泵就会一直工作，这 样既能保证水的供应，又能阻止垃圾的外泄，确保了垃圾的高效处理。同时，还配备了保 证调整水流的机械装置，使其能够在不同水域、不同环境条件下进行垃圾的清理，大大增 强了机器人的实用性和稳定性。图4水泵示意图（二）浮力的实现由于该装置的质量约为30kg，因此选择了直径为0.12m、长度为0.1m的浮标来提 供所需的浮力。如下图5所示，浮筒内填充了发泡胶，保证了足够的浮力，使浮筒更加密 闭，不会渗入水中，大大提高了装置的稳定性和可靠性。图5填充浮筒里面发泡胶（三）路径规划与智能导航在需要机器人巡视的区域，对多个位置进行地理位置的检测，然后将这
8、些位置输入 到计算机中，然后按照预定的路线进行规划。根据计划的路线，机器人实现了智能化的导 航。该系统具有GPS和指南针的导航控制系统，将其所在的方位以及所经过的方向信息传 送给主机。由PC机完成机器人的坐标、目标坐标和运动轨迹。利用两个螺旋桨的动力， 实现了对机器人的航行方向的调节。利用视觉传感器采集到的影像数据，由微处理器进行 数据采集，再由微处理器进行数据分析，最后将数据传输到计算机。操作员可以通过监控 屏幕来查看河流的情况，如果有什么特别的事情发生，驾驶员可以从自动驾驶状态切换到 远程控制。在计算机中，对计算机进行简单的键盘操作，实现对机械手的人工操纵，使其 能执行特定的工作。四、结论
9、本系统采用24V的方式，实现了全自动和无线远程控制；高电量16Ah的大容量锂 离子，能够提供长期的电力供应。本产品具有低电压警告功能，保证电池的使用年限。一 是双船结构，水面上有风；水流不会对机械臂的运动产生任何的干扰，从而确保了其航行 的稳定，适用于各种不同的水域作业，而且它的阻力很低，可以确保其运行的速度，并且 能够迅速、高效地清除表面的废弃物。二是采用导流式推进器可使船舶航行更高效，而推 进器防护装置则可确保船舶的安全。三是抽水产生的水流确保了垃圾快速、有效地进入， 而采用的泡沫泡沫泡沫结构，确保了设备的安全，同时也增加了运行的稳定性。四是可调 整高度的面板，可调整料仓的水位，调整与地面的距离，从而调整流速。五是按照可持续 发展的原则，原材料的清洁、环保和循环利用。
水下垃圾清理机器人的设计
