基于仿生原理設(shè)計(jì)的沙灘垃圾清理裝置

馮泓騫 王赫瑩 管 灝 汪維康 李昊冉 王潤澤

（沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110870）

1 研究背景

1.1 設(shè)計(jì)背景

隨著旅游業(yè)的興起，沿海城市逐漸成為旅游勝地，因此解決海灘垃圾問題清理問題迫在眉睫。目前，世界各地對海灘垃圾的處理方法主要有人工垃圾清理、海灘垃圾清理車、人工與機(jī)械聯(lián)合收集裝置3種。然而，國內(nèi)許多海濱度假區(qū)仍采用人工清理垃圾，需要大量的人力、時(shí)間，清理效率較低，造成資源浪費(fèi)。針對上述問題設(shè)計(jì)了仿生沙灘垃圾清理裝置，可實(shí)現(xiàn)垃圾清理過程的全自動化和垃圾的分類運(yùn)送。

1.2 設(shè)計(jì)思路

仿生學(xué)是一門模仿生物建造技術(shù)的科學(xué)，是生物學(xué)、數(shù)學(xué)和工程學(xué)的交叉學(xué)科。它的核心思想是根據(jù)生物體的結(jié)構(gòu)功能原理，模仿、創(chuàng)造和發(fā)明新設(shè)備、新工具和新科技等先進(jìn)技術(shù)，從而更好地服務(wù)人類的學(xué)習(xí)、生產(chǎn)和生活。衍生的仿生機(jī)器人是機(jī)械行業(yè)發(fā)展的一個重要方向。隨著計(jì)算機(jī)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，仿生機(jī)器的研究和應(yīng)用前景廣闊，已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、服務(wù)業(yè)以及軍事等領(lǐng)域。

設(shè)計(jì)的仿生沙灘垃圾清理裝置要在整個工作過程中實(shí)現(xiàn)全自動控制，節(jié)省人力物力，且不受時(shí)間和氣候的影響，實(shí)現(xiàn)高效率和低成本。此外，設(shè)計(jì)時(shí)力爭外形新穎，工作時(shí)能吸引附近游客。

1.3 設(shè)計(jì)目的

設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)3個目的：一是解決人工清理沙灘垃圾效率低的問題，實(shí)現(xiàn)清理自動化，減少人力資源的浪費(fèi)；二是能適應(yīng)海灘淺水區(qū)、惡劣地形及惡劣條件，對路況適應(yīng)性強(qiáng)；三是仿生垃圾清理裝置要包括垃圾存儲箱，實(shí)現(xiàn)清理和儲運(yùn)一體化，節(jié)省人力。

2 工作原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)

仿生垃圾清理裝置的整體機(jī)構(gòu)主要由識別機(jī)構(gòu)、抓取機(jī)構(gòu)、足部機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)和存儲機(jī)構(gòu)5部分組成，如圖1所示[1]。足部機(jī)構(gòu)為整個清理裝置的載體，主要由齒輪、曲柄連桿機(jī)構(gòu)和支撐板構(gòu)成。足部機(jī)構(gòu)的運(yùn)動由行走步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，通過控制行走步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)足部的基本動作，如橫向行走、轉(zhuǎn)彎等。抓取機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)、螺桿、滑動螺桿螺母副、連桿和夾具組成，先由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動螺桿，再由連桿將螺桿的力傳遞給抓取垃圾的抓手[2]。仿生清理裝置的控制系統(tǒng)安裝在載體平臺，通過紅外遙控器的指令控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢，進(jìn)而調(diào)整仿生裝置足部的運(yùn)動使之完成相關(guān)指令。存儲機(jī)構(gòu)主要用于接收抓取的垃圾[3]。

圖1 總體結(jié)構(gòu)

2.2 核心機(jī)構(gòu)

2.2.1 抓取機(jī)構(gòu)

抓取機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊、步進(jìn)電機(jī)、螺桿、滑動螺桿螺母副、連桿和夾具組成。其中，滑動螺桿螺母副是實(shí)現(xiàn)抓取動作的主要機(jī)構(gòu)，主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動。滑動螺桿螺母副采用螺桿旋轉(zhuǎn)與螺母運(yùn)動相結(jié)合的方式，結(jié)構(gòu)緊湊，螺桿剛性好。步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器與螺桿連接。螺桿穿過螺母形成滑動螺桿螺母副。螺母與連桿結(jié)構(gòu)連接，控制夾具的開閉。

夾持機(jī)構(gòu)的運(yùn)動從步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊開始。當(dāng)垃圾被鎖定時(shí)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊接收抓取信號，控制步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動兩個絲桿機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)。絲杠旋轉(zhuǎn)驅(qū)動絲杠螺母對沿絲杠進(jìn)行線性移動。絲杠螺母運(yùn)動帶動聯(lián)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動，聯(lián)動機(jī)構(gòu)直接控制夾具前端的開閉實(shí)現(xiàn)抓取。抓取機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 抓取機(jī)構(gòu)

2.2.2 足部機(jī)構(gòu)

螃蟹具有8條蟹足，每條蟹足的抬起和落地兩種狀態(tài)交錯變化。單獨(dú)看某一條蟹足，蟹足每一節(jié)通過兩束肌肉相連，通過肌肉收縮完成橫向運(yùn)動。針對螃蟹的這一運(yùn)動特征，使用四桿機(jī)構(gòu)替代蟹足的每一節(jié)，通過電機(jī)提供的動力代替肌肉收縮，實(shí)現(xiàn)螃蟹的足部機(jī)構(gòu)仿生。足部機(jī)構(gòu)是仿生清理裝置的承載平臺，主要由兩對齒輪、曲柄連桿機(jī)構(gòu)和兩對支撐板組成，可以由行走電機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)基本運(yùn)動，如橫向行走和轉(zhuǎn)彎。

足部驅(qū)動系統(tǒng)為前后對稱結(jié)構(gòu)。前足主體驅(qū)動系統(tǒng)由行走電機(jī)、行走主動齒輪、法蘭軸、兩個行走傳動齒輪、四套連桿機(jī)構(gòu)和兩個支撐板組成。一個主動齒輪和兩個從動齒輪夾在兩個支撐板之間。從動齒輪對稱安裝在主動齒輪的兩側(cè)。支撐板的前后兩側(cè)分別設(shè)有一套連桿機(jī)構(gòu)。足部機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 足部主體運(yùn)動機(jī)構(gòu)

足連桿機(jī)構(gòu)由第一連桿、第二連桿、第三連桿和足支撐組成。第一連桿的一端安裝在支撐板的右下側(cè)，另一端安裝在第二連桿的中部。第二連桿的一端與法蘭連接，另一端安裝在腳支撐上部的2/3處。第三連桿的一端安裝在支撐板的上側(cè)，另一端與腳支撐的上端連接。行走刷電機(jī)通過電機(jī)輸出軸與行走驅(qū)動齒輪連接，足連桿機(jī)構(gòu)通過法蘭與行走傳動齒輪連接，行走驅(qū)動齒輪帶動傳動齒輪轉(zhuǎn)動，使足連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動。當(dāng)開始運(yùn)動時(shí)，行走驅(qū)動齒輪與行走傳動齒輪嚙合，驅(qū)動第二連桿與法蘭一起旋轉(zhuǎn)。第一、三連桿驅(qū)動腳支撐，完成周期性行走[4]。

2.2.3 控制機(jī)構(gòu)

仿生清理裝置控制系統(tǒng)由主控板、紅外遙控器、紅外接收模塊、電刷電機(jī)驅(qū)動模塊、電源穩(wěn)壓模塊和舵機(jī)驅(qū)動模塊組成。舵機(jī)驅(qū)動模塊是由直流電機(jī)、減速齒輪組、傳感器和控制電路組成的一套自動控制系統(tǒng)。舵機(jī)驅(qū)動模塊通過發(fā)送信號，指定輸出軸旋轉(zhuǎn)角度。舵機(jī)與普通直流電機(jī)的區(qū)別主要在于，直流電機(jī)是一圈圈轉(zhuǎn)動，舵機(jī)只能在一定角度內(nèi)轉(zhuǎn)動。普通直流電機(jī)無法反饋轉(zhuǎn)動的角度信息，而舵機(jī)可以反饋轉(zhuǎn)動的角度信息。舵機(jī)的控制一般需要一個20 ms左右的時(shí)基脈沖。該脈沖的高電平部分一般在0.5～2.5 ms，總間隔為2 ms。需要說明的是，脈沖的寬度決定馬達(dá)轉(zhuǎn)動的距離。

主控制板安裝在仿生螃蟹機(jī)器人的中間，電源穩(wěn)壓模塊安裝在主控制板的后部，紅外接收模塊安裝在主控制板的前面，刷電機(jī)驅(qū)動模塊和轉(zhuǎn)向器驅(qū)動模塊安裝在主控板外部。電源穩(wěn)壓模塊通過電源線分別與主控板、紅外接收模塊、轉(zhuǎn)向器驅(qū)動模塊、電刷電機(jī)驅(qū)動模塊、行走電刷電機(jī)、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向器以及抓取電刷電機(jī)連接。紅外接收模塊通過銅線與主控板連接。主控板分別與電刷電機(jī)驅(qū)動模塊和轉(zhuǎn)向器驅(qū)動模塊連接。刷電機(jī)驅(qū)動模塊與行走刷電機(jī)連接，轉(zhuǎn)向器驅(qū)動模塊通過控制線分別與旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向器和抓取刷電機(jī)連接。紅外遙控器用于向紅外接收模塊發(fā)送信號。紅外接收模塊接收到來自紅外遙控器的信號后，向主控板的芯片發(fā)送信號。主控制器向電機(jī)驅(qū)動模塊和轉(zhuǎn)向器驅(qū)動模塊發(fā)送信號。電機(jī)驅(qū)動模塊接收到來自主控制器的信號后，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和速度會按照信號要求發(fā)生改變。電機(jī)帶動齒輪曲柄連桿足部機(jī)構(gòu)開始運(yùn)動，使足部橫向移動。轉(zhuǎn)向器驅(qū)動模塊接收到來自主控制器的旋轉(zhuǎn)信號后，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度隨之發(fā)生變化[5]。接收到抓取信號后，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和速度，并驅(qū)動兩個絲杠機(jī)構(gòu)抓取垃圾。

3 工作流程

第1階段，攝像頭識別垃圾。電子設(shè)備通過檢測暗、亮的模式確定物體形狀，并且將外形進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后保存，然后利用卷積等算法進(jìn)行處理，判斷其顏色、形狀等特征是否符合設(shè)定的值，最后判斷是否是垃圾。若識別成功，進(jìn)入第2階段。

第2階段，清潔裝置足部移動。通過紅外遙控器發(fā)射紅外電磁波到紅外接收裝置，紅外接收裝置接收信號并將信號傳遞給主控制器。主控制器控制的有刷電機(jī)驅(qū)動模塊接收到行走、轉(zhuǎn)向信號后，控制行走有刷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和速度，使有刷電機(jī)轉(zhuǎn)動。有刷電機(jī)通過聯(lián)軸器將動力傳給中間主軸，主軸轉(zhuǎn)動通過鍵連接帶動主動大齒輪轉(zhuǎn)動。主動齒輪轉(zhuǎn)動帶動兩側(cè)的從動小齒輪轉(zhuǎn)動，兩側(cè)軸也隨著齒輪轉(zhuǎn)動。兩側(cè)軸上分別安裝有法蘭盤，可通過從動齒輪轉(zhuǎn)動帶動兩個法蘭盤轉(zhuǎn)動，通過法蘭盤將運(yùn)動傳遞給四桿機(jī)構(gòu)，使得螃蟹足部機(jī)構(gòu)開始運(yùn)行，以便移動至待抓取物品旁。

第3階段，抓取運(yùn)動。清潔裝置運(yùn)動到待抓取物體前時(shí)，由主控制器控制的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊接收夾緊信號，并控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和速度。驅(qū)動兩絲桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動，絲桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榻z桿螺母沿絲桿上下的移動。絲桿螺母移動帶動連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動，連桿機(jī)構(gòu)直接控制抓取機(jī)構(gòu)前端開合，實(shí)現(xiàn)抓取。

第4階段，將收集垃圾放入儲存箱。清潔裝置抓取物品后，舵機(jī)驅(qū)動模塊接收到來自主控制器傳來的鉗鰲升降信號，舵機(jī)驅(qū)動模塊控制升降舵機(jī)。主體與收集裝置連接處的升降舵機(jī)啟動，通過控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動控制抓取機(jī)構(gòu)的升降。帶動抓取機(jī)構(gòu)升起將垃圾放入儲存箱，完成物品的收集工作。

4 結(jié)語

沙灘垃圾清理裝置由機(jī)械結(jié)構(gòu)代替人力，操作簡單，高度自動化，可大大減輕人工撿拾垃圾的工作量。在極端地理環(huán)境下，螃蟹足結(jié)構(gòu)可完全替代人力進(jìn)行作業(yè)，優(yōu)勢明顯，效率高。它采用STM32單片機(jī)作為控制模塊，通過編程控制能夠自動完成攝像頭識別、足機(jī)構(gòu)運(yùn)動、鉗鰲抓取以及垃圾儲存一系列過程。沙灘垃圾清理裝置的設(shè)計(jì)研究具有一定的理論意義和應(yīng)用價(jià)值，可行性較高，減輕了垃圾清理工作量，有利于維護(hù)沙灘環(huán)境，為沙灘垃圾清理問題提供了一種新思路。