基于單片機控制的水上清潔機器人液壓系統(tǒng)的開發(fā)

吳懷超，方 毅，何 林

(貴州大學(xué) 機械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003)

1 引言

隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我國水源污染問題日益嚴(yán)重，在很多水面如河流、水庫、海水浴場上都漂浮著塑料袋、泡沫、樹葉等很多垃圾，嚴(yán)重影響著人們的健康生活和環(huán)境的美麗[1，2]。目前，大型打撈船體積大、成本高，需多人同時協(xié)同工作，而且不能進(jìn)入小區(qū)域?qū)嵤┐驌乒ぷ?而在一些小型區(qū)域水面上目前主要依靠的是人工打撈，其工作難度和勞動強度都很大[1，2]。為此，本文設(shè)計了一種適合于中小型區(qū)域進(jìn)行打撈作業(yè)的水上清潔機器人，此機器人具有體積小，成本低、操作簡單，靈活可靠、效率高、打撈水域廣等特點。

水上清潔機器人的核心是其液壓控制系統(tǒng)，針對此，本文首先根據(jù)水上清潔機器人的功能要求，設(shè)計了其液壓系統(tǒng)，然后采用單片機技術(shù)實現(xiàn)了該液壓系統(tǒng)的自動控制，從而為該類型機器人液壓控制系統(tǒng)的開發(fā)提供了可以借鑒的參考資料。

2 水上清潔機器人的結(jié)構(gòu)和工作原理

水上清潔機器人的結(jié)構(gòu)主要包括船體、浮體、打撈手臂、聚攏板、打撈板、推板、懸掛機、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、圖像采集與傳輸系統(tǒng)等部分組成，其外形結(jié)構(gòu)簡圖如圖 1所示。

如圖 1所示，由兩個密封浮體使整個機器人浮在水面上進(jìn)行工作，船體的動力源來自安裝在后部的懸掛機提供，而機器人的機械動作則由液壓控制系統(tǒng)的5個液壓缸來完成，其工作過程如下：

操作者通過圖像采集與傳輸系統(tǒng)遙控機器人接近所要打撈的垃圾，使聚攏板包圍所要打撈的垃圾(聚攏板初始為張開狀態(tài))，然后，通過控制兩個液壓缸使兩片聚攏板合攏，聚攏板合攏到位后，關(guān)節(jié)伸縮缸伸出使機械打撈手臂向上抬起，之后，基本手臂變幅缸縮回(該液壓缸初始為伸出狀態(tài))，使基本手臂向前傾斜，這樣一來，在關(guān)節(jié)伸縮缸和基本手臂變幅缸的控制下，機器人的手臂使打撈板遠(yuǎn)離船體而接近水面，和聚攏板一起包圍所要打撈的垃圾，至此，打撈垃圾的準(zhǔn)備工作己完成，接下來就要完成打撈工作了。

打撈時，基本手臂變幅缸伸出，同時，關(guān)節(jié)伸縮缸處于自由狀態(tài)，從而，機械手臂使打撈板順著船體前部的斜坡將垃圾打撈到船體的垃圾回收倉中，至此，打撈垃圾的工作己完成。

為了給下次打撈的垃圾留出空間，垃圾被打撈到垃圾回收倉中后 ，還需要將垃圾進(jìn)行轉(zhuǎn)移，即將垃圾從垃圾回收倉的前端轉(zhuǎn)移至后端，這一過程，由一個液壓缸控制推板來完成的，當(dāng)垃圾從垃圾回收倉中的前端轉(zhuǎn)移至后端后，此次打撈工作全部完成，然后，重復(fù)上述過程完成下次的打撈。

3 水上清潔機器人液壓系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)上述打撈垃圾的工作過程，設(shè)計了如圖 2所示的水上清潔機器人液壓系統(tǒng)原理圖。

圖2 水上清潔機器人液壓系統(tǒng)原理圖

如圖 2所示，缸 1和缸 2為控制兩片聚攏板合攏與打開的液壓缸，每個液壓缸控制一片聚攏板;缸 3為基本手臂變幅缸;缸 4為關(guān)節(jié)伸縮缸;缸 5為將垃圾從垃圾回收倉的前端轉(zhuǎn)移至后端的推板控制缸。所有缸都是通過接近開關(guān)進(jìn)行位置控制，都是通過各自的三位四通電磁換向閥控制其伸出與縮回的換向。根據(jù)液壓傳動與控制的相關(guān)知識[3]，設(shè)計的減壓閥 11起減壓和穩(wěn)壓的作用;溢流閥 12起安全保護的作用。根據(jù)水上清潔機器人的工作原理，圖 2所示 9個電磁鐵的動作順序如表 1所示。

如表 1所示，機器人在每個階段的每個動作在完成后會觸動相應(yīng)的接近開關(guān)，使相應(yīng)的電磁鐵通電或斷電，其中，當(dāng)缸 3和缸 4配合完成垃圾收集時，3DT、6DT和 9DT都通電，這就保證了在基本手臂變幅缸 3伸出的同時，關(guān)節(jié)伸縮缸 4處于自由狀態(tài)，即關(guān)節(jié)伸縮缸 4的無桿腔和有桿腔都接通油箱，其壓力都接近“0”，其目的是使缸 3伸出使基本手臂抬高的同時，機械手臂關(guān)節(jié)能自由折合，從而使打撈板能順著船體前部的斜坡將垃圾打撈到垃圾回收倉中。

4 水上清潔機器人液壓系統(tǒng)的單片機控制

圖2所示的液壓系統(tǒng)只是整個水上清潔機器人的“神經(jīng)”，要實現(xiàn)水上清潔機器人的自動工作，還必須給之裝上“大腦”，為此，需要開發(fā)出圖 2所示液壓系統(tǒng)的控制部分。

目前，對液壓系統(tǒng)的控制，有繼電器控制、PLC控制、單片機控制以及微機控制等多種方式，每種控制方式都有其優(yōu)缺點和應(yīng)用場合。水上清潔機器人要求機器人本身的重量越小越好，因而，單片機控制是此系統(tǒng)的最佳選擇。單片機目前在市場上有很多品種，鑒于圖 2所示液壓系統(tǒng)的控制是一個時序控制問題，其功能不是很復(fù)雜，所要求單片機的資源也不是很多，因而，擬選用常用的 AT89C51單片機，采用此單片機對圖 2所示的液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制的電路簡圖如圖 3所示。

表1 電磁鐵動作順序表

圖3 水上清潔機器人液壓系統(tǒng)單片機控制電路簡圖

圖2所示的液壓系統(tǒng)中有 9個電磁鐵，9個限位開關(guān)，每個電磁鐵和每個限位開關(guān)的控制電路是一樣的，限于篇幅，圖 3只示出了一個電磁鐵和一個限位開關(guān)的電路圖，其中，電磁鐵電路接口接在 P1.7引腳上，限位開關(guān)電路接口接在P2.7引腳上，其余未示出的電磁鐵電路接口分別接在 P1.0-P1.6及 P3.0引腳上，限位開關(guān)電路接口分別接在 P2.0-P2.6及 P3.1引腳上。如圖 3所示，單片機控制信號從 P1.7引腳輸出，經(jīng)過三極管的放大后接繼電器去驅(qū)動電磁閥的電磁鐵;行程開關(guān)的輸入信號直接通過接插件輸入 P2.7引腳，圖3所示電路中使用了電源轉(zhuǎn)換芯片 LM7805將 12V電源轉(zhuǎn)換成單片機所需的 5V電源，接近開關(guān)和繼電器所需電源電壓均為24V。根據(jù)單片機的相關(guān)知識[4，5]，在圖 3的電路中，設(shè)計了 AT89C51單片機的晶振電路和復(fù)位電路。

圖4 水上清潔機器人液壓系統(tǒng)單片機控制軟件流程圖

根據(jù)水上清潔機器人的工作過程，結(jié)合圖 2所示的液壓系統(tǒng)原理圖，可編寫如圖 4所示的單片機控制軟件流程圖。由圖 4可以看出，此過程是一個時序控制過程，通過此時序控制便能實現(xiàn)水上清潔機器人的自動打撈工作，但由于所控制的電磁鐵較多，為了防止誤動作，在寫程序代碼時應(yīng)注意在相鄰電磁鐵得電之間加入延時程序。

5 應(yīng)用

根據(jù)上述液壓系統(tǒng)及其控制裝置的設(shè)計，制作了水上清潔機器人的實物，并將機器人投放到湖中進(jìn)行垃圾打撈作業(yè)，圖 5是現(xiàn)場作業(yè)照片。

圖5 水上清潔機器人在湖中打撈垃圾現(xiàn)場圖

機器人在湖面現(xiàn)場打撈時，運動靈活，控制方便，智能化程度較高，垃圾打撈效率較高，表明所設(shè)計的液壓系統(tǒng)及其控制裝置發(fā)揮了重要作用。通過機器人在湖面打撈垃圾的現(xiàn)場應(yīng)用，可知該類水上清潔機器人在很大程度上能代替環(huán)衛(wèi)工人的勞動，因而，隨著人類活動的日益頻繁，該類水上清潔機器人勢必將得到廣泛應(yīng)用。

6 結(jié)束語

采用單片機技術(shù)實現(xiàn)水上清潔機器人液壓系統(tǒng)的自動控制，極大地提高了垃圾打撈的自動化和智能化程度。而智能化的水上清潔機器人能極大地降低垃圾的打撈成本，節(jié)約大量的人力、物力和財力，對減少人類勞動強度，保護環(huán)境衛(wèi)生和促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

[1] 曹志強，師忠秀.一種新型水上清潔機器人的設(shè)計與實現(xiàn)[J].青島大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007，20(2)：80-82.

[2] 李金方，司麗麗，楊慶文.螺旋漸進(jìn)式水上清潔機器人設(shè)計方案研究[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2009，(3)：13-15.

[3] 周憶，于今.流體傳動與控制[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[4] 趙全利，肖興達(dá).單片機原理及應(yīng)用教程(第 2版)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[5] 丁元杰.單片微機原理及應(yīng)用(第 3版)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.