三输入水面垃圾清理机器人设计

张驰 孙立鹏 赵威 王磊

摘要：我国水面日益增长的水面垃圾已经严重威胁到水系生物的生存以及水体环境，对我们生活的质量产生了严重的影响。人工打捞垃圾又因为低效率性以及不安全性一直难以解决实际问题，本文设计了一种水面垃圾清理机器人，该机器人结构简单，体积小，但功能显著，可以很好地解决垃圾牵绕的问题。在機构上，还可以实现复位操作，方便操作者使用，对于水面垃圾的清洗工程具有一定的价值。

关键词：垃圾打捞;自动控制;机构设计

一、技术方案

1.1 打捞船的总体机构图

如图1.1所示，本文设计的水面垃圾清理机器人为船体造型，总体结构采用3个动力源作为输入。

其中打捞爪的控制部分由两个电机分别控制两个打捞爪向中轴线同步或异步滑动，捕捉垃圾。打捞轮的传动部分则是通过电机和链轮传动带动打捞轮进行前后反向转动，将垃圾推送到垃圾箱内。打捞船的驱动部分则通过控制两个电机的动力输出来实现船体的前进，倒退，左转以及右转。

1.2 打捞爪控制部分

本文将打捞手设计成网状结构，但考虑到小型水域内较多塑料制品容易粘附，所以设计打捞手为向下倾斜一定角度，且设计一定的弯度以增加打捞面积。在控制方式上，采用两个驱动分别带动两个打捞手，实现了异步打捞的特点，更好地将水面上的垃圾回收，清理更加干净更加整洁。

1.3 打捞爪传动机构

如图1-2所示，在打捞机构配置上，首先由电机带动与打捞爪同轴的前轮旋转，捞起漂浮物，然后借助链条传动打捞打捞爪，使得垃圾打捞更加集中起来。而且可以避免由于轮体转动引起的水流流动现象发生。

二、驱动部分设计

本文采用两个电机带动扇叶来作为打捞船的动力输入，通过控制其转速和转动的先后及转向，来实现船体的前进，后退，左右旋转。同时还设有排水道，使水流能不断的补充，从而实现船的快速移动和定位。

2.1 驱动部分

接收到无线控制信号后，单片机发出指令经过TLP521-4四通道光电隔离芯片后，控制L298N芯片，通过该芯片即可控制船只上的电动机，执行相应的动作。

L298N内部包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机或者舵机。工作电压：信号端4-6V、控制端5-46V。调速方式：直流电动机采用PWM信号平滑调速。其特点为：

1、可实现电机正反转及调速。

2、启动性能好，启动转矩大。

3、工作电压可达到36V，4A。

4、可同时驱动两台直流电机。

2.2 通讯模块

本文将采用比例式的杆式无线电遥控器，遥控指令通过机壳外部有控制开关和按钮，经过内部电路的调制、编码，再通过高频信号放大电路天线发射电磁波。在调制、编码和电路的组成方面有很好的效果。

2.3 超声波测距防撞模块

通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差tr，然后求出距离S=Ct/2 。式中的C为超声波波速。

限制该系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法。由于超声波属于声波范围，其波速C与温度有关。

2.4 超声波发射电路

发射电路主要由超声波发射换能器T和反相器74LS04构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，提高发射强度。输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。

2.5 超声波检测接收电路

集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路（如图7）。实验证明用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平），具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。

三、总结

本文设计的机器人是为了打捞水上垃圾漂浮物而设计的，相比现在的打捞机器人，本方案打捞手采用网状设计，减小打捞阻力，增加打捞面积。流水型打捞爪设计能稳固抓住垃圾，大大增加打捞和收集的效率。同时采用超声波防撞模块，防止行动过程中因为碰撞而导致的硬件损伤，对于水面垃圾的清洗工程具有一定的价值

参考文献：

[1]丁丽佳，刘鑫，赵岳，等.遥控水面垃圾自动清理船[J].科技信息， 2009（11）：114-115.

[2]袁胜发，许德昌，谭桂斌，等.气动式水面垃圾清理装置的研究[J].液压与气动，2008（12）：55-56.