基于自動控制的水陸兩棲垃圾處理裝置設(shè)計*

張清蓉 ，王國棟 ，陳龍燦

（重慶移通學(xué)院，重慶 401520）

0 引言

隨著近幾年我國生態(tài)文明建設(shè)步伐的加快，國家對水環(huán)境質(zhì)量改善及治理的重視程度逐漸提高，水體環(huán)保問題愈發(fā)受到社會關(guān)注。水面垃圾不僅包括浮萍、水葫蘆等水生植物，還包括漂浮在水面上的生活垃圾，如白色垃圾、樹枝等，這些水面垃圾會污染水體，破壞水體內(nèi)的生物鏈，對水體造成嚴(yán)重影響。隨著人們生活水平以及城市綠化要求的提高，人們對水體污染的治理和水體垃圾的清理有了更加迫切的需求。

基于此，本文設(shè)計了一款自動化水陸兩棲垃圾打撈處理裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)全自動化的污染物打撈和處理，從方法層面上看，為相關(guān)研究工作的開展提供了參考信息；從技術(shù)層面上看，為水污染治理過程提供了科學(xué)技術(shù)支撐。

1 機(jī)械設(shè)計制造應(yīng)用自動控制技術(shù)的優(yōu)勢

1.1 提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量

所謂的自動控制技術(shù)就是在沒有人參與的情況下，機(jī)器或設(shè)備能夠按照預(yù)期設(shè)定的程序或指令正常工作。借助自動控制技術(shù)[1]，生產(chǎn)設(shè)計不斷改進(jìn)，傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計相關(guān)缺陷與不足得到彌補(bǔ)，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

1.2 降低成本

傳統(tǒng)機(jī)械生產(chǎn)與制造過程以人工操作為主，生產(chǎn)效率難以提升，導(dǎo)致制造企業(yè)成本較高，而這會使得整個機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展受到阻礙。隨著自動控制技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，生產(chǎn)原料的精細(xì)控制得以實(shí)現(xiàn)，廢料率不斷降低之后，生產(chǎn)成本得到了有效控制，生產(chǎn)效益明顯提升。并且生產(chǎn)廢料可以經(jīng)過二次加工，制成新的產(chǎn)品，在有效控制廢料污染的同時，進(jìn)一步降低成本[2]。

1.3 實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化、智能化操作

運(yùn)用自動控制技術(shù)后，可以將存在的問題有效解決。首先，自動控制技術(shù)[3]可以利用控制器編程實(shí)現(xiàn)對機(jī)械設(shè)備的精細(xì)遠(yuǎn)程控制；其次，自動控制技術(shù)可以嚴(yán)密監(jiān)視整個工作流程的執(zhí)行情況，整個過程不需要人工參與；最后，相關(guān)分析科學(xué)化，能夠及時發(fā)現(xiàn)并解決流程問題，盡可能將經(jīng)濟(jì)損失降到最低。

2 水陸兩棲垃圾處理裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文主要采用UG軟件[4]進(jìn)行產(chǎn)品的整體外觀設(shè)計，具體的外觀設(shè)計如圖1所示。該水陸兩棲垃圾處理裝置主要由4個車輪、機(jī)械手、螺旋槳、同步輪、同步帶、直流電機(jī)、推桿等部件組裝而成。

圖1 三維模型外觀設(shè)計正視圖

3 核心用戶用例與工作原理介紹

3.1 核心用戶用例

水體（海洋、長江流域等）環(huán)保問題愈發(fā)受到社會關(guān)注，就當(dāng)前發(fā)展?fàn)顩r來看，多數(shù)區(qū)域仍然使用人工清理打撈的方式，耗時耗力。為了提高水體清理效率，各種水面垃圾清理機(jī)器人成功研發(fā)并投入使用。然而現(xiàn)有的水面垃圾清理機(jī)器人打撈水上垃圾的方式主要有吞進(jìn)式和傳送式兩種，傳統(tǒng)的傳送帶結(jié)構(gòu)存在無法快速捕捉到水瓶垃圾等易滑動物體的缺陷，打撈效果差，且打撈后的垃圾體積較大，而水面垃圾清理機(jī)器人的內(nèi)部存放空間不夠，存在一定的局限性。

常見的水體垃圾處理器功能單一且不具有水陸兩用功能，而本設(shè)計充分運(yùn)用了自動控制技術(shù)，與傳統(tǒng)設(shè)備相比，不僅僅可以應(yīng)用在海洋或者長江流域，通過遠(yuǎn)程操控設(shè)備，不管是水域環(huán)境還是陸地環(huán)境，都能夠?qū)崿F(xiàn)自動清理[5]。

3.2 工作原理

該裝置主要能夠?qū)崿F(xiàn)水面固體垃圾的打撈以及油污和重金屬的處理。該裝置整體功能流程圖如圖2所示。在打撈船上安裝有無線圖傳攝像頭云臺，可以在顯示屏上觀測水面情況，若觀測到垃圾，則電機(jī)驅(qū)動螺旋槳運(yùn)行到垃圾處，打撈船前方斜置的擋板傳送同步帶開始運(yùn)行，電機(jī)驅(qū)動同步帶轉(zhuǎn)動，將垃圾傳送到平臺的垃圾收集處；垃圾桶上端有一個超聲波距離傳感器，當(dāng)垃圾桶裝滿垃圾之后，會通過藍(lán)牙傳輸?shù)绞謾C(jī)終端，提示垃圾已滿；當(dāng)手機(jī)接收到垃圾已滿的信息后，將遠(yuǎn)程操控進(jìn)入四輪運(yùn)行狀態(tài)，離開水體環(huán)境進(jìn)入陸地行駛；當(dāng)設(shè)備進(jìn)入陸地時，控制器控制電機(jī)推動電缸上下移動，從而實(shí)現(xiàn)螺旋槳的升降，設(shè)備進(jìn)入陸地環(huán)境后按照規(guī)定的路線運(yùn)行到垃圾站，完成垃圾的自動傾倒，實(shí)現(xiàn)垃圾桶的自動清理。

圖2 整體功能流程圖

除此之外，該設(shè)備還能實(shí)現(xiàn)對水體環(huán)境中油污的處理，當(dāng)安裝在裝置上端的攝像頭拍攝到水面上有油污時，可以通過操作機(jī)械臂將存放在裝置上的化油劑拋灑到水面上，從而達(dá)到治理水面上油類污染的目的。

在打撈船上安裝水質(zhì)檢測傳感器，該傳感器可以實(shí)時檢測大致的水質(zhì)情況，通過主板上內(nèi)置的藍(lán)牙模塊將水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)終端，人們可以通過手機(jī)終端查看當(dāng)前水質(zhì)情況，為后續(xù)水體污染進(jìn)一步治理提供數(shù)據(jù)支持?？紤]到干擾問題，目前提供了兩套操作模式，分別是2.4 GHz無線電手柄遙控和手機(jī)藍(lán)牙遙控[6]。

水體垃圾以及陸地垃圾的自動處理過程所需的電源均由鋰電池提供，故該設(shè)備在整個處理過程中不會造成二次污染，實(shí)現(xiàn)了水體環(huán)境的環(huán)保處理。

3.3 功能測試

3.3.1 Arduino控制器

圍繞Arduino控制器的項目，能夠只有Arduino[7]，也可以同時包含Arduino和其他能夠在PC上兼容的軟件，它們之間可以通過Flash、Processing、MaxMSP等來達(dá)成通信的目的。本設(shè)計中電機(jī)的驅(qū)動、超聲波傳感器的驅(qū)動、機(jī)械手上舵機(jī)的驅(qū)動都是通過該控制器來實(shí)現(xiàn)的。

3.3.2 直流電機(jī)

本設(shè)計共用了7個電機(jī)，4個車輪采用獨(dú)立驅(qū)動方式。為了考慮裝置上電機(jī)的防水性，四輪選擇使用鏈條傳動的模式完成驅(qū)動及轉(zhuǎn)向，電機(jī)通過聯(lián)軸器連接鏈條，電機(jī)驅(qū)動鏈條從而帶動輪胎的運(yùn)動，具體如圖3所示。

圖3 鏈條傳動

3.3.3 舵機(jī)

本裝置主要利用舵機(jī)來控制機(jī)械臂的360°旋轉(zhuǎn)，方便化油劑的多角度投放。其工作流程為：控制信號→控制電路板→電機(jī)轉(zhuǎn)動→齒輪組減速→舵盤轉(zhuǎn)動→位置反饋電位計→控制電路板反饋。

3.3.4 機(jī)械臂

六自由度機(jī)械臂常見于高校教學(xué)領(lǐng)域、個人DIY制作以及創(chuàng)客教育之中，可以將其看作是一個較為簡單的多自由度演示平臺。主要由6個4 V電機(jī)組成動力系統(tǒng)，機(jī)械手可正常進(jìn)行抓取、搬運(yùn)、演示動作，金屬舵機(jī)輸出具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。也可以選用deadly的數(shù)字舵機(jī)轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)，選擇進(jìn)口軸承不僅能夠提升轉(zhuǎn)向的靈活性，而且能夠保證舵機(jī)圍繞同一圓心轉(zhuǎn)動。本設(shè)計采用了MG996R模擬舵機(jī)[8]。

3.3.5 螺旋槳的自動升降

本設(shè)計的亮點(diǎn)在于，當(dāng)垃圾桶收集滿垃圾以后，設(shè)備可以通過四輪自動運(yùn)行由水體環(huán)境進(jìn)入陸地環(huán)境。為了實(shí)現(xiàn)水陸兩用，避免上陸地的過程中螺旋槳引起的觸地，可以通過機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計實(shí)現(xiàn)螺旋槳的自動升降。

本設(shè)計在兩個螺旋槳處各剛性連接了一個電缸，電缸安裝在滑動導(dǎo)軌上[9]，通過電機(jī)驅(qū)動電缸的上下移動，電缸與螺旋槳[10]的固定軸是剛性連接的，電缸上下運(yùn)動從而帶動螺旋槳的上下移動，最終實(shí)現(xiàn)螺旋槳的自動升降功能。船槳電缸具體如圖4所示。

圖4 船槳電缸

3.3.6 垃圾桶的自動傾倒

當(dāng)裝置上的垃圾桶在水體環(huán)境中收集滿垃圾后，通過電機(jī)驅(qū)動四輪運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)裝置由水體環(huán)境向陸地環(huán)境的運(yùn)行，當(dāng)裝置運(yùn)行到離垃圾站5 cm處時，語音播報系統(tǒng)將提示工作人員控制電缸工作，通過控制電缸的升降，實(shí)現(xiàn)垃圾桶的自動傾倒，完成垃圾的自動清理。垃圾桶電缸如圖5所示。

圖5 垃圾桶電缸

4 總結(jié)

本文以自動控制技術(shù)及機(jī)械設(shè)計原理為理論支撐，以UG為機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，設(shè)計了一款水陸兩棲垃圾處理裝置。在微控制器Arduino的控制下，該裝置能夠完成電機(jī)、舵機(jī)、機(jī)械臂、電缸、攝像頭、傳感器等硬件的驅(qū)動。設(shè)計的水陸兩棲垃圾處理裝置采用自主機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)全自動化的控制過程和水陸兩棲的垃圾自動清理過程，充分將自動控制技術(shù)與機(jī)械設(shè)計制造完美融合，使得裝置功能強(qiáng)大，穩(wěn)定性、快速性及準(zhǔn)確性都符合預(yù)期，具有良好的實(shí)用價值。