一種水質(zhì)監(jiān)測機器人取水裝置設(shè)計

曹丹丹 王勇 劉利 史穎剛

摘?要：針對移動水質(zhì)監(jiān)測機器人取水深度不夠的問題，設(shè)計了一種屈伸臂取水裝置。采用剛性結(jié)構(gòu)屈伸臂保證取水水位準確性，應(yīng)用絲杠滑塊結(jié)構(gòu)構(gòu)成伸縮采樣機構(gòu)，通過控制系統(tǒng)控制各模塊協(xié)調(diào)工作實現(xiàn)取水過程。控制系統(tǒng)基于無線遙控原理設(shè)計，完成了對取水流程及基礎(chǔ)運動控制。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)監(jiān)測;屈伸臂;自動化采樣

中圖分類號：TH122

文獻標識碼：A

目前，在淡水養(yǎng)殖區(qū)域，以及飲用水和觀賞性水源、湖泊中，經(jīng)常需要檢測水質(zhì)[1，2]。但現(xiàn)有小型移動監(jiān)測設(shè)備往往只能對幾十厘米深的水體進行采樣，不能真實反映深層水質(zhì)情況[3]?，F(xiàn)有取水設(shè)備方面的研究欠缺，而滿足取水深度的水下機器人對材料要求較高[4]。筆者設(shè)計了一種屈伸臂取水裝置，此裝置主要由伸縮機構(gòu)與轉(zhuǎn)動機構(gòu)組成，其控制系統(tǒng)通過控制取水裝置內(nèi)部的伸縮電機與轉(zhuǎn)動電機的運動狀態(tài)，驅(qū)動取水裝置完成對較深水體的采樣。本裝置結(jié)構(gòu)輕巧、控制靈活，兼具經(jīng)濟性與實用性，對提高小型移動水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備水體采樣的準確性具有重要意義。

1?系統(tǒng)簡介

水質(zhì)監(jiān)測機器人總體布局如圖1所示，包括無人艇本體[5]，取水裝置及控制系統(tǒng)。機器人采用具有中空底部的雙體艇結(jié)構(gòu)，為取水裝置工作提供穩(wěn)定浮力及安裝支撐。

水質(zhì)監(jiān)測機器人底部結(jié)構(gòu)如圖2所示，推進裝置由螺旋槳[6]及推進電機組成，對稱安裝在船艉，為機器人運動提供穩(wěn)定推力。取水裝置安裝在機器人的中空底部。取水時轉(zhuǎn)動電機帶動剛性轉(zhuǎn)動臂轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)動臂轉(zhuǎn)到與水面垂直位置時，伸縮電機帶動滾珠絲杠副運動，固定在滑塊上的采樣水管開始向下移動，當水管移動到目標取水點后，機器人上搭載的水泵開始工作，將水抽取上來，經(jīng)與采樣水管連接的軟管通向水質(zhì)檢測艙室。

2?取水機構(gòu)機械設(shè)計

取水裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，取水裝置主要由圓形底座、支架、轉(zhuǎn)動機構(gòu)和伸縮機構(gòu)組成。圓形底座焊接在機器人船艙下表面與水面之間的中空位置處，為整個取水裝置提供連接支撐。支架采用中空的鋁材，用于連接底座和轉(zhuǎn)動機構(gòu)。轉(zhuǎn)動機構(gòu)類似于手臂機器人的肩關(guān)節(jié)[7]，主要包括固定架、轉(zhuǎn)動電機、電機固定座、電機端小齒輪、固定架大齒輪以及轉(zhuǎn)動臂等零件。伸縮機構(gòu)主要由伸縮電機、絲杠、采樣管固定滑塊、采樣管、轉(zhuǎn)動臂外殼等零件組成[8]。機器人行駛時取水裝置與水面平行，但不與水面接觸，可避免機器人受不明物阻礙，確保機器人的正常行駛，同時減小機器人在航行中的水流阻力。當機器人開始進行取水作業(yè)時，取水裝置才會進行相應(yīng)動作。首先，轉(zhuǎn)動機構(gòu)的轉(zhuǎn)動電機帶動電機端小齒輪動作，電機端小齒輪帶動固定架大齒輪動作，轉(zhuǎn)動臂與固定架大齒輪同軸連接，跟隨固定架大齒輪轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動機構(gòu)開始轉(zhuǎn)動;當轉(zhuǎn)動臂轉(zhuǎn)到與水面垂直位置時，伸縮機構(gòu)的伸縮電機帶動絲杠轉(zhuǎn)動，從而帶動采樣管固定滑塊沿著絲杠上下移動，驅(qū)動采樣管到達指定取水點，最后，機器人搭載的水泵開始工作，將水體樣本抽取至水質(zhì)檢測艙室。當取水作業(yè)完成后，伸縮機構(gòu)的伸縮電機反轉(zhuǎn)，驅(qū)動采樣管回到初始位置。轉(zhuǎn)動機構(gòu)向上轉(zhuǎn)動90°，回到初始位置，并保持自鎖。取水裝置重新恢復至與水面平行狀態(tài)，完成取水過程。

水質(zhì)監(jiān)測機器人取水裝置的主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。該表中最大伸長量是指取水裝置中的轉(zhuǎn)動臂與絲杠上滑塊的可活動距離之和，轉(zhuǎn)動臂的可活動角度指轉(zhuǎn)動臂可轉(zhuǎn)動的范圍，工作角度指轉(zhuǎn)動臂的工作范圍。

3?控制系統(tǒng)設(shè)計

水質(zhì)監(jiān)測機器人控制系統(tǒng)示意圖如圖4所示，設(shè)計的水質(zhì)監(jiān)測機器人采用遙控的方式控制其移動到目標檢測點，當?shù)竭_檢測點后，通過遙控控制取水裝置動作。無線電遙控系統(tǒng)由無線電發(fā)射機、無線電接收機和相應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)組成[9]，工作原理如圖5所示。該水質(zhì)監(jiān)測機器人采用NRF905作為無線收發(fā)模塊，其最高工作頻率達50 kbps，最遠通信距離達300 m，滿足養(yǎng)殖池水等小型水域遙控工作要求。

當取水裝置到達目標深度后，機器人搭載的微型水泵開始抽水，一定時間后停止抽水。多參數(shù)水質(zhì)檢測傳感器[10]開始檢測，并將數(shù)據(jù)儲存到AT89C51型號的單片機中。檢測完成后電磁閥動作，開始將檢測艙室的水直接排出，同時，取水裝置中的絲杠電機與轉(zhuǎn)動電機先后動作，驅(qū)動取水裝置恢復原位，取水結(jié)束。取水流程見圖6所示。

4?結(jié)語

本設(shè)計為一種水質(zhì)檢測機器人的伸縮式取水裝置，該取水裝置采用剛性機械臂保證采樣水位準確性，通過伸縮機構(gòu)驅(qū)動采樣管上下移動實現(xiàn)取水功能。設(shè)計控制系統(tǒng)完成對各個模塊運動的協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)了對目標水域一定深度水體的采樣。本設(shè)計的取水裝置輕巧靈活、實用經(jīng)濟，對改進取水設(shè)備功能具有重要意義。

參考文獻：

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