三輸入水面垃圾清理機器人設計

張馳 孫立鵬 趙威 王磊

摘要：我國水面日益增長的水面垃圾已經(jīng)嚴重威脅到水系生物的生存以及水體環(huán)境，對我們生活的質(zhì)量產(chǎn)生了嚴重的影響。人工打撈垃圾又因為低效率性以及不安全性一直難以解決實際問題，本文設計了一種水面垃圾清理機器人，該機器人結(jié)構(gòu)簡單，體積小，但功能顯著，可以很好地解決垃圾牽繞的問題。在機構(gòu)上，還可以實現(xiàn)復位操作，方便操作者使用，對于水面垃圾的清洗工程具有一定的價值。

關鍵詞：垃圾打撈;自動控制;機構(gòu)設計

一、技術方案

1.1 打撈船的總體機構(gòu)圖

如圖1.1所示，本文設計的水面垃圾清理機器人為船體造型，總體結(jié)構(gòu)采用3個動力源作為輸入。

其中打撈爪的控制部分由兩個電機分別控制兩個打撈爪向中軸線同步或異步滑動，捕捉垃圾。打撈輪的傳動部分則是通過電機和鏈輪傳動帶動打撈輪進行前后反向轉(zhuǎn)動，將垃圾推送到垃圾箱內(nèi)。打撈船的驅(qū)動部分則通過控制兩個電機的動力輸出來實現(xiàn)船體的前進，倒退，左轉(zhuǎn)以及右轉(zhuǎn)。

1.2 打撈爪控制部分

本文將打撈手設計成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但考慮到小型水域內(nèi)較多塑料制品容易粘附，所以設計打撈手為向下傾斜一定角度，且設計一定的彎度以增加打撈面積。在控制方式上，采用兩個驅(qū)動分別帶動兩個打撈手，實現(xiàn)了異步打撈的特點，更好地將水面上的垃圾回收，清理更加干凈更加整潔。

1.3 打撈爪傳動機構(gòu)

如圖1-2所示，在打撈機構(gòu)配置上，首先由電機帶動與打撈爪同軸的前輪旋轉(zhuǎn)，撈起漂浮物，然后借助鏈條傳動打撈打撈爪，使得垃圾打撈更加集中起來。而且可以避免由于輪體轉(zhuǎn)動引起的水流流動現(xiàn)象發(fā)生。

二、驅(qū)動部分設計

本文采用兩個電機帶動扇葉來作為打撈船的動力輸入，通過控制其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動的先后及轉(zhuǎn)向，來實現(xiàn)船體的前進，后退，左右旋轉(zhuǎn)。同時還設有排水道，使水流能不斷的補充，從而實現(xiàn)船的快速移動和定位。

2.1 驅(qū)動部分

接收到無線控制信號后，單片機發(fā)出指令經(jīng)過TLP521-4四通道光電隔離芯片后，控制L298N芯片，通過該芯片即可控制船只上的電動機，執(zhí)行相應的動作。

L298N內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路?？梢苑奖愕尿?qū)動兩個直流電機或者舵機。工作電壓：信號端4-6V、控制端5-46V。調(diào)速方式：直流電動機采用PWM信號平滑調(diào)速。其特點為：

1、可實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)及調(diào)速。

2、啟動性能好，啟動轉(zhuǎn)矩大。

3、工作電壓可達到36V，4A。

4、可同時驅(qū)動兩臺直流電機。

2.2 通訊模塊

本文將采用比例式的桿式無線電遙控器，遙控指令通過機殼外部有控制開關和按鈕，經(jīng)過內(nèi)部電路的調(diào)制、編碼，再通過高頻信號放大電路天線發(fā)射電磁波。在調(diào)制、編碼和電路的組成方面有很好的效果。

2.3 超聲波測距防撞模塊

通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差tr，然后求出距離S=Ct/2 。式中的C為超聲波波速。

限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在4個因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射/接收的設計方法。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速C與溫度有關。

2.4 超聲波發(fā)射電路

發(fā)射電路主要由超聲波發(fā)射換能器T和反相器74LS04構(gòu)成，單片機P1.0端口輸出的40kHz的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，提高發(fā)射強度。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上位電阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。

2.5 超聲波檢測接收電路

集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路（如圖7）。實驗證明用CX20106A接收超聲波（無信號時輸出高電平），具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。

三、總結(jié)

本文設計的機器人是為了打撈水上垃圾漂浮物而設計的，相比現(xiàn)在的打撈機器人，本方案打撈手采用網(wǎng)狀設計，減小打撈阻力，增加打撈面積。流水型打撈爪設計能穩(wěn)固抓住垃圾，大大增加打撈和收集的效率。同時采用超聲波防撞模塊，防止行動過程中因為碰撞而導致的硬件損傷，對于水面垃圾的清洗工程具有一定的價值

參考文獻：

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