水陸兩棲垃圾清理機(jī)器人結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)研究

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市化進(jìn)程加快，固體垃圾的產(chǎn)生量迅速增加，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響。因此，合理清理固體垃圾，減少對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的破壞，保護(hù)自然環(huán)境，已成為當(dāng)今社會(huì)的重要議題。垃圾處理不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致一系列公共衛(wèi)生問(wèn)題，如病蟲(chóng)害傳播、生態(tài)破壞和水源污染等。

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者在垃圾清理機(jī)器人領(lǐng)域的研究取得了一定的成果：周亞?wèn)|等設(shè)計(jì)的水上精靈專(zhuān)為深度淺、水流緩、形狀不規(guī)則的小型水域設(shè)計(jì)[2；張振楠等設(shè)計(jì)的自動(dòng)規(guī)劃路徑的水陸兩棲巡航清理運(yùn)輸車(chē)，可以實(shí)現(xiàn)水陸兩棲行駛、垃圾自動(dòng)收集、處理與自主巡航等功能[3]。但現(xiàn)有研究均不能實(shí)現(xiàn)小型不規(guī)則水域及狹窄路面清理裝置的通用化。

因此，本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)小型不規(guī)則水域及狹窄路面清理的水陸兩棲垃圾清理機(jī)器人。通過(guò)結(jié)構(gòu)分析及應(yīng)力計(jì)算，設(shè)計(jì)出雙體船結(jié)構(gòu)及履帶驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，并從動(dòng)力輸入、收集裝置、模式轉(zhuǎn)換等方面著手設(shè)計(jì)出相應(yīng)的機(jī)械裝置，裝配后進(jìn)行穩(wěn)定性分析，其具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、功能多樣、移動(dòng)靈活、通過(guò)性好等優(yōu)點(diǎn)。

1水陸兩棲垃圾清理機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

水陸兩棲垃圾清理機(jī)器人由陸地清掃裝置、垃圾收集裝置、垃圾儲(chǔ)存裝置、水面行進(jìn)裝置、陸地行走裝置以及浮力裝置組成，按照各自的工作順序及使用功能進(jìn)行合理裝配。裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 工作原理

裝置啟動(dòng)進(jìn)入清掃區(qū)域進(jìn)行垃圾收集作業(yè)，視覺(jué)識(shí)別探測(cè)攝像頭開(kāi)始工作，在識(shí)別到垃圾后，通過(guò)單片機(jī)控制單元將信號(hào)傳遞給電機(jī)，驅(qū)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)向并前進(jìn)至垃圾處。裝置通過(guò)傳送帶撈取并收集水面垃圾，垃圾隨傳送帶運(yùn)動(dòng)進(jìn)入垃圾儲(chǔ)存箱內(nèi)。視覺(jué)識(shí)別探測(cè)攝像頭及配套系統(tǒng)繼續(xù)搜索捕捉其他垃圾并收集。垃圾儲(chǔ)存箱底部安裝有重力傳感器模塊，當(dāng)裝置艙室內(nèi)垃圾達(dá)到一定重量時(shí)，裝置返回至陸上指定地點(diǎn)，舵機(jī)工作，完成垃圾的傾倒，完成后可繼續(xù)前往水域進(jìn)行下一輪垃圾收集。裝置在航行過(guò)程中，采用GPS模塊進(jìn)行導(dǎo)航定位，使工作人員可以實(shí)時(shí)掌握裝置所在位置[4。裝置工作流程圖如圖2所示。

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 陸地清掃裝置

陸地清掃裝置主要由滾刷、直流無(wú)刷電機(jī)以及舵機(jī)組成（圖3）。滾刷用于表面垃圾的清掃，舵機(jī)用于滾刷的升降，當(dāng)轉(zhuǎn)換為陸地作業(yè)時(shí)，控制舵機(jī)使?jié)L刷與地面接觸，直流無(wú)刷電機(jī)帶動(dòng)滾刷旋轉(zhuǎn)，開(kāi)始陸地清掃作業(yè)。當(dāng)轉(zhuǎn)換為水面模式時(shí)，控制舵機(jī)使?jié)L刷抬升。

陸地作業(yè)模式下，作業(yè)機(jī)器人運(yùn)行方向與水面作業(yè)行進(jìn)方向相反，通過(guò)滾刷將垃圾清掃到垃圾收集裝置上，工作時(shí)滾刷與傳送帶底部輥軸距離約為 10cm 保證了裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性以及較高的清潔效率。

2.2 垃圾收集裝置

垃圾收集裝置主要由傳送帶、擋板、滾刷、電機(jī)保護(hù)罩以及直流無(wú)刷電機(jī)構(gòu)成（圖4）。裝置運(yùn)行時(shí)，直流無(wú)刷電機(jī)帶動(dòng)傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)利用同步皮帶帶動(dòng)滾刷旋轉(zhuǎn)，滾刷用于清理傳送帶上粘連的垃圾，當(dāng)垃圾隨傳送帶運(yùn)送到滾刷處時(shí)，滾刷轉(zhuǎn)動(dòng)將垃圾收集到垃圾儲(chǔ)存箱內(nèi)，完成垃圾收集過(guò)程。

傳送帶與滾刷的角速度比為1：1，經(jīng)實(shí)際情況分析得，傳動(dòng)比低于1：1的情況下，會(huì)造成垃圾堵塞；若傳動(dòng)比高于1：1，則會(huì)造成垃圾飛濺，以上均不能完成高效率的清理。

傳送帶與水面（或陸地）形成約 50^° 的夾角，經(jīng)過(guò)多次實(shí)際演示，當(dāng)傳送帶與水面或陸地形成的角度約為 50^° 時(shí)，裝置運(yùn)行較為穩(wěn)定。

2.3 垃圾儲(chǔ)存裝置

垃圾儲(chǔ)存裝置是由儲(chǔ)存箱、舵機(jī)、固定支座以及重力傳感器組成（圖5，將舵機(jī)安裝在固定支座上并將固定支座連接在裝置主體上，舵機(jī)與垃圾儲(chǔ)存箱連接，垃圾儲(chǔ)存箱內(nèi)放置重力傳感器，當(dāng)垃圾重量達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，垃圾儲(chǔ)存箱在舵機(jī)的作用下實(shí)現(xiàn)垃圾的傾倒。

2.4 陸地行走裝置

陸地行走裝置（圖6采用雙履帶結(jié)構(gòu)[5]，因考慮到裝置從陸地切換成水面工作的過(guò)程中，電機(jī)的位置過(guò)低會(huì)存在進(jìn)水風(fēng)險(xiǎn)，造成電機(jī)失效，因此將電機(jī)抬高并置于裝置箱體內(nèi)，再通過(guò)同步帶將運(yùn)動(dòng)傳遞給履帶輪，從而實(shí)現(xiàn)陸地行走。

2.5 水面行進(jìn)裝置

水面行進(jìn)裝置是由舵機(jī)、浮筒、舵機(jī)支架以及擺動(dòng)鋁管構(gòu)成（圖7），當(dāng)傳感器識(shí)別到裝置即將下水工作時(shí)，控制舵機(jī)使兩側(cè)浮筒緩慢下降，依靠浮筒浮力使船體漂浮于水面，直到履帶離開(kāi)水面，同時(shí)水下推進(jìn)器開(kāi)始工作；當(dāng)識(shí)別到處于陸地時(shí)，舵機(jī)開(kāi)始工作，控制舵機(jī)使兩側(cè)浮筒抬升，使履帶輪接觸陸地，同時(shí)履帶輪開(kāi)始工作。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

此項(xiàng)目的電機(jī)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制陸地和水面行駛及垃圾清掃裝置的運(yùn)行。系統(tǒng)選用STM32F103C-8T6作為主控，通過(guò)直流無(wú)刷電機(jī)和舵機(jī)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)和垃圾處理，配合傳感器模塊，實(shí)現(xiàn)高效精確的控制。同時(shí)，電源系統(tǒng)由12V鋰電池與穩(wěn)壓模塊組成，能在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的同時(shí)，達(dá)到各部分所需電壓，以確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制框圖如圖8所示。

3.1 陸地控制部分

陸地部分采用履帶式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，直流無(wú)刷電機(jī)通過(guò)同步帶輪和履帶輪的傳動(dòng)控制履帶，這種驅(qū)動(dòng)方式可以提供更好的地面適應(yīng)性和穩(wěn)定性。通過(guò)兩輪之間的差速進(jìn)行轉(zhuǎn)向，電機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)STM32F103C8T6單片機(jī)接收來(lái)自傳感器的信息，動(dòng)態(tài)調(diào)整電機(jī)的PWM輸出，從而控制電機(jī)的輸出功率，確保機(jī)器人在不同地形上行駛的穩(wěn)定性。通過(guò)舵機(jī)控制滾刷的升降，在轉(zhuǎn)換工作模式時(shí)，根據(jù)超聲波傳感器的反饋信號(hào)調(diào)節(jié)滾刷與地面接觸的角度，保證清掃效果。為了進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的性能，采用PID控制算法來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整電機(jī)的PWM輸出，從而控制電機(jī)的輸出功率[6]。PID控制器可以根據(jù)當(dāng)前速度與目標(biāo)速度之間的誤差，動(dòng)態(tài)調(diào)整PWM信號(hào)的占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的精確控制。陀螺儀傳感器用于檢測(cè)機(jī)器人的偏航角和姿態(tài)，這對(duì)于保持機(jī)器人轉(zhuǎn)向時(shí)的穩(wěn)定性至關(guān)重要[7]。例如，當(dāng)機(jī)器人在不平坦的地面上移動(dòng)或在水面上航行時(shí)，陀螺儀傳感器能實(shí)時(shí)提供關(guān)于其姿態(tài)變化的信息，通過(guò)STM32F103C8T6單片機(jī)接收來(lái)自陀螺儀的信息，控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，以適應(yīng)地形變化和保持行駛方向。此外，陀螺儀傳感器還可與加速度計(jì)等其他傳感器配合使用，以實(shí)現(xiàn)更精確的姿態(tài)控制和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。這種傳感器融合的方法可以提高機(jī)器人對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力，從而提升其在復(fù)雜地形中的操作性能和清掃效率。

3.2 水面行駛控制

水上部分則依靠裝置的浮力和由電機(jī)控制的水下推進(jìn)器工作。系統(tǒng)的舵機(jī)控制浮筒的升降，當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入水域時(shí)，舵機(jī)控制浮筒下降，履帶將離開(kāi)水面，隨后，水下推進(jìn)器啟動(dòng)，提供動(dòng)力使機(jī)器人在水面上行駛。

3.3 垃圾處理部分

垃圾處理部分分為垃圾收集和垃圾存儲(chǔ)兩大環(huán)節(jié)。

垃圾收集環(huán)節(jié)由傳送帶和滾刷組成，電機(jī)用于控制傳送帶和滾刷的運(yùn)轉(zhuǎn)。直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，通過(guò)同步帶控制滾刷的旋轉(zhuǎn)，清理傳送帶上的垃圾。

垃圾儲(chǔ)存環(huán)節(jié)通過(guò)舵機(jī)控制垃圾箱的傾倒，單片機(jī)接收來(lái)自重力傳感器的數(shù)據(jù)，當(dāng)垃圾的重量達(dá)到設(shè)定重量時(shí)，系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，完成垃圾傾倒。

4結(jié)束語(yǔ)

水陸兩棲垃圾清理機(jī)器人的結(jié)構(gòu)研究與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，解決了不規(guī)則水域和狹窄路面垃圾清理裝置不通用的難題，機(jī)器人結(jié)合雙體船結(jié)構(gòu)及履帶驅(qū)動(dòng)模式，可以實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)傳送帶和滾刷的結(jié)合實(shí)現(xiàn)垃圾的收集，并結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)完成垃圾的收集與傾倒任務(wù)，大大提高了垃圾清潔效率，為水陸垃圾清理提供了全新的解決思路。該機(jī)器人將在垃圾清理領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為環(huán)境保護(hù)做出更大的貢獻(xiàn)。

[參考文獻(xiàn)]

[1］王旭東，蘭珂，張娜.“清道夫”：水陸兩棲智能垃圾清理車(chē)的研究[J].考試周刊，2017（54）：176.

[2]周亞?wèn)|，吳旭東，黃文良，等.水上精靈：全自動(dòng)水域垃圾清理設(shè)備[J].科技與創(chuàng)新，2023（22）：37-39.

[3]張振楠，韓博康，馬赫，等.一種水陸兩棲巡航清理運(yùn)輸車(chē)的研制[J].設(shè)備管理與維修，2024（8）：42-44.

[4]余胤翔，趙宇洋，黃胤政，等.基于機(jī)器視覺(jué)的水面垃圾尋航系統(tǒng)[J].電子產(chǎn)品世界，2023，30（7）：18-23.

[5]朱慶卓，王玉勤，左夢(mèng)強(qiáng)，等.基于路徑規(guī)劃技術(shù)的沙灘垃圾清理車(chē)設(shè)計(jì)[J].河南科技，2024，51（20）：51-54.

[6]張銘昊，張曉聞，盧雨杰，等.基于STM32設(shè)計(jì)的自動(dòng)避障分揀垃圾小車(chē)系統(tǒng)[J].山西電子技術(shù)，2025（1）：31-34.

[7]馬博經(jīng)，項(xiàng)小東.基于STM32的電動(dòng)輪椅戶外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試，2020（10）：19-21.

收稿日期：2025-03-03作者簡(jiǎn)介：田家煬（2004一），男，河北辛集人，研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。