遙控式多功能水面清潔機器人

程仁政 孫亞軍 程 翔 王少鋒 張 迪 繩榮金 侯啟岳

（濱州學院，山東濱州，256600）

遙控式多功能水面清潔機器人

程仁政 孫亞軍 程 翔 王少鋒 張 迪 繩榮金 侯啟岳

（濱州學院，山東濱州，256600）

本文設計了一種全新概念的遙控式多功能水面清潔機器人，該機器人由遙控系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、垃圾收集系統(tǒng)、太陽能自動跟蹤控制系統(tǒng)、撒飼機、船體六部分組成，其特殊的動力輪可實現(xiàn)水陸兩棲式運動，通過遙控器可遠程遙控機器人迅速移動到指定的水面區(qū)域完成垃圾的自動收集、打包、卸載等任務，外置自動撒飼裝置可進行魚食播撒，并采用混合動力設計，太陽能自動跟蹤模塊實現(xiàn)對太陽能的高效利用。

機器人，水面清潔，水陸兩棲

0 引言

本文對遙控式多功能水面清潔機器人的機械結構和控制系統(tǒng)進行了大膽設計。先利用solidworks軟件進行實體建模（圖1），在電腦上繪制機器人的機械結構框架并模擬其功能，然后根據3D設計圖購買材料、加工零件，繼而組裝各個功能模塊，最后完成整個機器人的組裝。

圖1 3D設計構想圖

1 結構設計

1.1 模塊組成

機器人由遙控模塊、傳動模塊、垃圾收集模塊、太陽能自動跟蹤控制模塊、撒飼機、船體六部分組成（圖2）。

遙控模塊分為遙控接收/發(fā)送模塊、AVR單片機等；

傳動模塊分為蓄電池、12V電機、同步帶輪、同步帶、鏈輪、鏈條、齒輪、水陸兩用輪等；

3）垃圾收集模塊分為旋轉聚集器、旋轉收集器；

太陽能自動跟蹤控制模塊可分為太陽能板、舵機、單片機、光敏電阻等；

撒飼機可分為舵機、單片機等。

圖2 水中作業(yè)實物

1.2 傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)分為：蓄電池、12V電機、同步帶輪、同步帶、鏈輪、鏈條、齒輪、水陸兩用輪等，電機提供動力，利用新式的同步帶輪與同步帶傳動，將扭力和轉矩經同步帶傳送給左右水陸兩用輪，實現(xiàn)船體的前進后退，既保證了傳動效率又盡量減輕了船體的重量。

1.3 垃圾收集系統(tǒng)

垃圾收集系統(tǒng)分為：旋轉聚集器（圖3），旋轉收集器、垃圾箱、齒輪、同步帶。

旋轉聚集器位于船體前部，分左右，由齒輪的外嚙合使左右旋轉聚集器旋轉方向相反，高效收集水面垃圾。其框架由較輕的鋁合金管支撐，變形鏈接處用較緊的銷連接，鋁合金管上有傳動的同步帶輪，其保證聚集器的機械運動。

由于船體分為左右兩部分，在船的中間有足夠的空間來保證垃圾通過旋轉聚集器匯聚到達旋轉收集器附近，然后旋轉收集器轉動將垃圾撥到垃圾桶里。

圖3 旋轉聚集器

圖4 輪子模式

2 電氣控制設計

2.1 控制系統(tǒng)

控制模塊主要包括AVR單片機、遙控模塊、電機驅動等元器件。

2.2 太陽能自動跟蹤系統(tǒng)

運用光敏電阻因光照強弱其電阻值會發(fā)生變化這一原理，再利用AD轉換，將電阻變化的模擬量轉化為單片機可識別的數(shù)字量，單片機根據返回的數(shù)字量大小調節(jié)舵機轉向，控制太陽能電池板的角度，使其光照接收面積最大，可最大限度地為蓄電池充電。

2.3 遙控水上行走轉向

采用12V電機作為動力源，遙控接收模塊相應引腳與單片機I/O口相連，根據單片機I/O口接收到的電平高低變化編寫程序，運用驅動控制電機正反轉，來實現(xiàn)船體的進退與轉向，例如，按下遙控器的W鍵船體將向前運動，按下S鍵船體將后退，按下A鍵船體將利用左右兩輪的差速向左轉向，按下D鍵船體將右轉。

3 實物操作

3.1 遙控收集垃圾

遙控器發(fā)送信號給單片機，單片機發(fā)出信號控制電機運轉，使機器人到達指定區(qū)域，電機提供的動力由皮帶傳送給左右旋轉聚集器，旋轉聚集器位于船前側，齒輪的外嚙合使左右旋轉聚集器旋轉方向相反，船前面的垃圾由旋轉聚集器收集到船體中間，然后旋轉收集器轉動將垃圾撥到垃圾桶里。

3.2 陸上行走

該機器人要用一種全新的水陸兩用輪設計，使機器人既可在陸地上行走，也可在水中實現(xiàn)撥水功能（圖2），其前側的旋轉聚集器可實現(xiàn)變形，成為陸地行走時的前輪（圖4），在位于后側的水陸兩用輪的驅動下實現(xiàn)陸上行走。（如圖5）

圖5 陸上行走模式

4 結語

市面上有不少的大型人工清潔船，其功能相對單一，大多數(shù)僅僅是收集垃圾，不能實現(xiàn)在陸地上行走和太陽能充電。因此，遙控式多功能水面清潔機器人與之相比有極大的優(yōu)勢，該理念可以減少運輸成本，節(jié)省能源，具有良好的應用前景。

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[5] 于運滿.精密間歇機構[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000.

本項目為國家級大學生創(chuàng)新訓練項目，項目編號：201310449115。