智能水面垃圾回收機(jī)設(shè)計(jì)

李新陽，孟令昊，李曉丹，王一行

(遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州 121001)

0 引言

伴隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的飛速發(fā)展，生活垃圾逐漸增加，人們在追求自身利益的同時(shí)，水源污染的問題也日益嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，水中垃圾塑料類占31%、泡沫類占46%、木制品占16%[1]。對于這些垃圾，捕撈船捕撈垃圾效率高，但對于小型水域顯得較為乏力，且成本較高，對捕撈人員有危險(xiǎn)。因此，本文研究了一種智能水面垃圾回收機(jī)來解決問題。水面垃圾回收機(jī)能實(shí)現(xiàn)對小型水域漂浮垃圾的自動(dòng)打撈、收集和儲(chǔ)存工作。整個(gè)裝置安裝及使用方便快捷、投入成本低，在節(jié)省人力的同時(shí)，降低了捕撈船排放物的二次污染，因此具有很強(qiáng)的可行性和實(shí)用性。

1 智能水面垃圾回收機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 回收機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成

垃圾回收機(jī)由機(jī)器人固定裝置、推進(jìn)系統(tǒng)和垃圾打撈機(jī)構(gòu)組成。垃圾回收機(jī)的SolidWorks模型圖如圖1所示。

1.2 推進(jìn)裝置設(shè)計(jì)

水面垃圾回收機(jī)采用螺旋槳和葉輪2套推進(jìn)系統(tǒng)組成雙動(dòng)力裝置，使回收機(jī)能四周全方位移動(dòng)。

1—打撈機(jī)構(gòu);2—回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu);3—船體;4—推進(jìn)機(jī)構(gòu);5—ROB防水桶;6—垃圾桶;7—固定桿。

螺旋槳提供驅(qū)動(dòng)力，在水域環(huán)境較好的工作區(qū)域或需要快速推進(jìn)時(shí)，使用螺旋槳驅(qū)動(dòng)，能很好地保證動(dòng)力，同時(shí)，葉輪在兩側(cè)輔助，保證動(dòng)力的同時(shí)防止被水流擾亂前進(jìn)方向。

需要轉(zhuǎn)向時(shí)，在單片機(jī)的控制下，通過兩側(cè)葉輪的轉(zhuǎn)速不同來進(jìn)行轉(zhuǎn)向。葉輪的設(shè)計(jì)使回收機(jī)在轉(zhuǎn)向時(shí)與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向相比更加靈敏，轉(zhuǎn)角更小，能實(shí)現(xiàn)原地掉頭。推進(jìn)裝置示意圖如圖2所示[2]。

1—葉輪；2—螺旋槳。

1.3 打撈裝置設(shè)計(jì)

垃圾打撈裝置由行星輪系將內(nèi)部與外部連接起來，其中連接桿、軸承、打撈斗和左右套板組成整個(gè)身體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖3所示。打撈垃圾時(shí)，垃圾中常常混合許多水分，為了過濾垃圾中的這些水份，在撈斗斗身加上柵欄口。整個(gè)輪系設(shè)有3個(gè)行星輪，打撈斗固定在行星輪上輪流工作，合理運(yùn)用空間，大大提高了打撈效率。

圖3 打撈斗示意圖

1.4 行星輪系設(shè)計(jì)

中心齒輪連接ROB密封艙，由內(nèi)部電機(jī)提供動(dòng)力，帶動(dòng)3個(gè)一級行星齒輪，一級齒輪的作用是使中心齒輪與二級齒輪的轉(zhuǎn)向相同。故3個(gè)打撈斗只需要1個(gè)動(dòng)力源，節(jié)省安裝時(shí)間。且中心齒輪和二級行星輪齒數(shù)相等，使其傳動(dòng)比為1:1，在只有1個(gè)動(dòng)力源的情況下能夠控制3個(gè)二級行星輪的轉(zhuǎn)速。保證打撈斗入水時(shí)的角度在可控范圍內(nèi)。行星輪系示意圖及局部示意圖如圖4所示[3]。

1—中心齒輪；2—一級行星輪；3—二級行星輪。

1.5 行星輪系傳動(dòng)比

通過傳動(dòng)比的計(jì)算，建立數(shù)學(xué)關(guān)系，可對垃圾回收機(jī)3個(gè)垃圾回收斗的位置進(jìn)行確定，對行星輪的齒數(shù)進(jìn)行確定，讓其準(zhǔn)確地將垃圾倒入垃圾桶，如圖5所示。

圖5 行星輪簡圖

自由度[4]：F=3n-2pL-pH

=3×3-2×3-2=1

其自由度為1

n3=0

當(dāng)打撈斗入水時(shí)到扔完垃圾后再次入水時(shí)角度是一樣的，使打撈動(dòng)作連續(xù)，且不發(fā)生干涉。

1.6 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

打撈斗依靠重力與檔桿共同作用使其翻轉(zhuǎn)，因此打撈斗內(nèi)部為階梯狀截面。在出水時(shí)杠桿平衡重力，使打撈斗保持水平。出水后，在上升過程中行星輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使打撈斗擋桿推力方向改變，從而發(fā)生翻轉(zhuǎn)。接著，撈斗重心越過行星輪中線，繼續(xù)向前翻轉(zhuǎn)。在水下前進(jìn)，進(jìn)行下一次打撈，如圖6所示。

圖6 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖

2 智能水面垃圾回收機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)的選擇

STM32單片機(jī)與傳統(tǒng)51單片機(jī)相比具有更多的優(yōu)勢，后者保護(hù)能力很差，很容易燒壞芯片，速度也不如STM32單片機(jī)。并且STM32單片機(jī)程序技術(shù)較為成熟，接口相對簡單，不需要太多的外圍元件，其所在公司資源也更豐富。STM32單片機(jī)具有實(shí)時(shí)性、數(shù)字信號(hào)處理、低功耗、高集成度的特點(diǎn)，所以選用STM32單片機(jī)進(jìn)行控制。

2.2 智能水面垃圾回收機(jī)控制流程

智能水面垃圾回收機(jī)的3個(gè)動(dòng)作是通過STM32單片機(jī)控制2個(gè)推進(jìn)器、2個(gè)葉輪電機(jī)和一級行星輪完成的。

工作時(shí)，M2006電機(jī)通過連接桿帶動(dòng)一級行星齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，一級齒輪帶動(dòng)3個(gè)垃圾撈斗組件上的二級行星齒輪繞中心軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)控制撈斗運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)撈斗在水下運(yùn)動(dòng)7 d，將垃圾扣入垃圾桶。移動(dòng)到前方水域后，第二個(gè)打撈斗剛好降到水面以下，重復(fù)第一個(gè)打撈斗的運(yùn)動(dòng)，3個(gè)裝置如此往復(fù)，提高工作效率。打撈斗將垃圾上升出水面后，由槽輪控制打撈斗翻轉(zhuǎn)，將垃圾扣入垃圾桶。控制系統(tǒng)原理如圖7所示。

螺旋槳采用水下電動(dòng)推進(jìn)器，外觀呈流線型，能更好地減小阻力。

圖7 控制系統(tǒng)原理圖

2.3 能源裝置

能源裝置由太陽能板連接蓄電池，將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，再轉(zhuǎn)化為電能，為回收機(jī)提供能源，符合設(shè)計(jì)時(shí)環(huán)保的理念。能源裝置示意圖如圖8所示。

圖8 能源裝置示意圖

3 結(jié)語

本文研究的水面垃圾回收機(jī)，通過SolidWorks軟件干涉檢查結(jié)果為0，運(yùn)動(dòng)算例分析得出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理可行。

2組推進(jìn)機(jī)構(gòu)以及3組打撈機(jī)構(gòu)，使其保證靈活穩(wěn)定的同時(shí)能提高工作效率。該裝置可以清理水面上漂浮的垃圾，對于河流、湖泊、公園小湖等小型水域的環(huán)境治理有很大的作用，與現(xiàn)有的傳統(tǒng)捕撈船相比，節(jié)省人力、物力，因此具有很強(qiáng)的可行性和實(shí)用性。整個(gè)裝置投入成本低，結(jié)構(gòu)原理簡單，安裝及使用方便快捷，具有較大的市場應(yīng)用價(jià)值。