基于中小型水域研究的水上清潔機(jī)器人設(shè)計(jì)

劉夢(mèng)婷

引言

本課題研究的是對(duì)水面漂浮垃圾進(jìn)行打撈、收集、自我處理工作的水上智能清潔機(jī)器人。該設(shè)計(jì)是為了解決國(guó)內(nèi)中小型湖泊水域里的水污染問(wèn)題。該產(chǎn)品智能化、自動(dòng)化程度較高，噪音小，能完成對(duì)各種水面漂浮垃圾的掃描和收集工作;通過(guò)手機(jī)可轉(zhuǎn)變?nèi)斯げ僮?，以便適應(yīng)各種環(huán)境，從而使得使用范圍更加廣泛，清潔效果更加顯著。

一、課題研究背景

市內(nèi)河道受城市垃圾、生活垃圾污染，污染水源、影響市容且危害巨大，導(dǎo)致了我國(guó)江河、湖泊和港口，甚至近海水面的垃圾污染日益嚴(yán)重。

水上機(jī)器人一般針對(duì)于大型水域，噪音大、體型大，不適合放在小型流域，容易造成周邊噪音污染。

二、市場(chǎng)現(xiàn)狀分析

1.國(guó)家政策大力支持

《水十條》提出任務(wù)措施：將實(shí)施包括工業(yè)污染防治、城鎮(zhèn)生活污染治理、農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染防治等在內(nèi)的 8 類工程項(xiàng)目，具體細(xì)分水治理項(xiàng)目、環(huán)境綜合治理項(xiàng)目，對(duì)環(huán)保產(chǎn)業(yè)的帶動(dòng)作用最強(qiáng)。

2.自身市場(chǎng)容量可觀

當(dāng)前，我國(guó)處于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化加速推進(jìn)時(shí)期，面臨著水資源短缺和水環(huán)境惡化的壓力和風(fēng)險(xiǎn)，其中水面漂浮垃圾和水面水草泛濫是兩大主要問(wèn)題，其中水面清潔船、水面割草船等主要適用于河道、水庫(kù)、水電站、湖泊、海洋等水域，這是存量市場(chǎng);然而每年的清潔服務(wù)和打撈服務(wù)是增量市場(chǎng)，需要每年加以關(guān)注和維護(hù)。

3.基礎(chǔ)條件前景樂觀

我國(guó)河流、湖泊數(shù)量眾多，政策驅(qū)動(dòng)各地區(qū)水域環(huán)保部門亦開始采購(gòu)全自動(dòng)清潔船。

三、中小型水域水上清潔機(jī)器人產(chǎn)品痛點(diǎn)分析

通過(guò)對(duì)我國(guó)眾多中小型水域的統(tǒng)計(jì)與調(diào)查，進(jìn)行梳理總結(jié)得出：我國(guó)中小型水域深淺度不一、面積不大、且分布不集中、外觀形狀不規(guī)則等特征，同時(shí)我們針對(duì)國(guó)內(nèi)中小型水域復(fù)雜特點(diǎn)全面辯證設(shè)計(jì)和建構(gòu)使用場(chǎng)景，提出設(shè)計(jì)一款智能自動(dòng)化程度高、可靈活運(yùn)動(dòng)的中小型水域垃圾清理機(jī)器人，并從以下幾個(gè)方面架構(gòu)水上清潔機(jī)器人的功能：

1）目前，我國(guó)水上垃圾收集效率低范圍小，、人工成本高、安全隱患多等痛點(diǎn)。針對(duì)以上痛點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了這款中小型水域進(jìn)行智能化水上清潔機(jī)器人。通過(guò)運(yùn)用水上清潔機(jī)器人進(jìn)行水面垃圾的清掃收集工作，極大程度提高水上垃圾收集的效率和范圍， 降低人工成本， 減少工作人員的工作強(qiáng)度，保護(hù)工作人員的人生安全。

2）針對(duì)現(xiàn)有水面垃圾打撈上岸后人工分?jǐn)繉?duì)周邊環(huán)境的二次污染痛點(diǎn)問(wèn)題，為水上清潔機(jī)器人進(jìn)行水陸雙棲設(shè)計(jì)。通過(guò)水上清潔機(jī)器人進(jìn)行機(jī)體內(nèi)儲(chǔ)存，進(jìn)而進(jìn)行垃圾對(duì)接，智能垃圾分類。

3）針對(duì)國(guó)內(nèi)中小型水域狀況復(fù)雜多變，突發(fā)情況及人為干預(yù)等痛點(diǎn)問(wèn)題，采取人工、智能雙操作系統(tǒng)。

4）針對(duì)目前市場(chǎng)是清潔機(jī)器人功能單一的痛點(diǎn)問(wèn)題，增加水質(zhì)檢查、河流掃描分析、GPS定位等多種針對(duì)流域的附加功能，多層次多方位保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生安全。

5）響應(yīng)國(guó)家低碳環(huán)保政策，解決機(jī)器人運(yùn)作的污染，對(duì)附近居民的影響問(wèn)題。采取太陽(yáng)能+蓄電池組合保證正常運(yùn)作的前提下更加清潔。

四、針對(duì)中小型水域的水上清潔機(jī)器人產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐

1.智能化設(shè)計(jì)

如今，互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代5G技術(shù)都相對(duì)成熟，智能化設(shè)計(jì)在各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。對(duì)于水上智能清潔機(jī)器人來(lái)說(shuō)，智能化設(shè)計(jì)將改變現(xiàn)今人工或重型機(jī)械清理水域現(xiàn)狀，讓人們減去繁重重復(fù)的體力工作，化清理為管理。

2.基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）垃圾收集結(jié)構(gòu)

船在游走過(guò)程中通過(guò)前端的延伸壁，將湖面上的垃圾收集到傳輸帶上，再由傳輸帶運(yùn)輸至機(jī)器人體內(nèi)的網(wǎng)狀垃圾箱中，利用傳送帶將垃圾壓縮、干濕分類儲(chǔ)存。

（2）水陸兩棲切換結(jié)構(gòu)

左右旋轉(zhuǎn)聚集器作為動(dòng)力部件，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的陸地行走和水中工作。在陸地行走模式中。左右行進(jìn)電機(jī)會(huì)將水陸兩棲輪進(jìn)行收攏運(yùn)行處理，收攏后的水陸兩棲輪會(huì)成為輪胎形狀。在水中工作時(shí)，將會(huì)展開左右旋轉(zhuǎn)聚集器，通過(guò)左右行進(jìn)電機(jī)將水陸兩棲輪轉(zhuǎn)開為爪形進(jìn)行垃圾的聚攏與收集。

（3）智能移動(dòng)避讓結(jié)構(gòu)

蓄電池在為機(jī)器人提供動(dòng)力給電動(dòng)機(jī)及螺旋槳不間斷供電8個(gè)小時(shí)運(yùn)用的同時(shí)，其差速原理為清潔機(jī)器人的智能急停前行提供基礎(chǔ)，以控制機(jī)器人進(jìn)退避讓，從而在遇到河道暗流或危險(xiǎn)必要情況進(jìn)行人為干預(yù)。

3.外觀造型設(shè)計(jì)

（1）材質(zhì)——ABS材質(zhì)

材質(zhì)要考慮其安全性、環(huán)保性和實(shí)用性，防水、抗摔、耐磨，并能與水域環(huán)境契合，同時(shí)考慮材料性能、加工成本、環(huán)保、原材料成本、可行性及模具實(shí)現(xiàn)等現(xiàn)實(shí)成本問(wèn)題，外殼主體擬采用具有阻燃，絕緣化、抗氧化、抗腐蝕等特點(diǎn)的ABS材料。

（2）色彩——淺色為主，亮色輔之

水上清潔機(jī)器人要給人清潔、環(huán)保、高效的視覺感受及印象，考慮產(chǎn)品本身與河道的契合程度，及水域產(chǎn)生垃圾浮游物的特性。故而色彩可以考慮大面積的淺色調(diào)或黑色為主，如乳白、蛋青、淺灰等。在減少高科技產(chǎn)品給用戶帶來(lái)的固有的冷漠，生硬之感的同時(shí)使用戶更易接受，再加以醒目色彩用以突出重要部件起到警示作用。

4.軟件組合輔助設(shè)計(jì)

（1）攝像頭、雷達(dá)：

機(jī)器人采用5G通訊方式，船體配有高清攝像頭、雷達(dá)等，既可以人工智能清理河道，也可以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)河道，操控機(jī)器人駕駛，應(yīng)對(duì)緊急情況。

（2）云端互聯(lián)、語(yǔ)音播報(bào)：

機(jī)器人上安裝有高清攝像頭，能夠?qū)崟r(shí)拍攝四周環(huán)境畫面，甚至能查看到人眼不可及區(qū)域的水環(huán)境狀況;船身上安裝“云通話”設(shè)備，可以遠(yuǎn)程語(yǔ)音喊話，也可以播放提前錄制好的語(yǔ)音;后排告警燈一亮起，可以對(duì)周圍船只起到警示作用。船底，則搭載著水質(zhì)監(jiān)測(cè)器，采集水樣并通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮水上平臺(tái)的機(jī)動(dòng)性，形成水環(huán)境的數(shù)據(jù)大腦。

（3）雙模式切換自如

智能操作模式下，機(jī)器人可提前設(shè)定巡邏路線，航線也可實(shí)時(shí)更改，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)規(guī)劃清潔路線，采取面式清掃;人工操作模式下如果水域情況比較復(fù)雜，則可以由工作人員在岸上遙控小船。遇到障礙物，無(wú)人船通過(guò)雷達(dá)掃描，將自動(dòng)躲避;如果障礙物實(shí)在繞不開，則會(huì)立刻“剎車”。“無(wú)人船利用信號(hào)操控，數(shù)據(jù)幾乎不會(huì)有任何延遲。”

結(jié)語(yǔ)

水域清潔作為一項(xiàng)長(zhǎng)期存在且與人民生活息息相關(guān)的行業(yè)，正站在時(shí)代轉(zhuǎn)型的路口。傳統(tǒng)清潔行業(yè)在近年來(lái)的數(shù)字化浪潮沖擊下，正面臨愈演愈烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。智能化利用機(jī)器人技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，升級(jí)工作流程監(jiān)管形式;釋放人力并將其指導(dǎo)智能機(jī)器完成機(jī)械化的基礎(chǔ)清潔工作，將人力人本置于更高附值的崗位中。

在未來(lái)，希望有更多的設(shè)計(jì)在此基礎(chǔ)之上，針對(duì)清潔智能化發(fā)展進(jìn)行更加系統(tǒng)、全面和深入的研究，為行業(yè)發(fā)展和人類智能化生活貢獻(xiàn)力量。