水上机器人

摘要：设计一种新型的水上清洁机器人。把指南针引入自动控制系统，实现了螺旋前进运动，大大简化了操作过程。工作时只需用遥控器设定它的旋转半径和前进方向，就可以自动地完成水面清洁任务。由于采用了柔性舵，转向更灵敏，从而保证了它具有良好的机动性。经过试验取得了良好的效果。

关键词：打捞机构；指南针加速检测；柔性舵；水上清洁

在现实生活中有许多水源，如河流、人工湖、浅水面、海水浴场等，水面上都漂浮着塑料袋、泡沫、过量的水藻、树叶等很多垃圾，严重影响着人们的健康生活和环境的美丽。现在已有的大型打捞船体积大、成本高，需要多人同时协同工作，而且不能进入小区域实施打捞工作。在很多小型区域水面上依然是依靠人工打捞垃圾，而人工打捞工作难度和劳动强度都很大。为了解决这一问题，我们设计制作了水上清洁机器人。它具有成本低、体积小、操作灵活等优点，非常适合在小型区域进行打捞清洁作业，而且实现了自动化的控制，操作人员只需利用遥控器设定两个实际工作参数，水上清洁机器人就可以自动完成水上的清洁任务。

1设计思路

通常来说，垃圾在水面上的分布是不均匀的，如图1所示。若是采用直线式往复运动的轨迹打捞，由于垃圾相对于水面有一定的漂移，打捞效果不好，操纵人员需要根据垃圾分布不均匀的情况不停地来回操纵，费时费力，且对机器损害较大。经分析发现，螺旋前进运动的轨迹是比较理想的，这种运动轨迹具有渐进性，只要设定旋转半径和螺旋渐进方向即可，简化了操纵过程，而且同一区域的水面可以被清洁多次，清洁效果较好，如图2所示。

图1水面上垃圾分布示意图

图2改变旋转半径控制清洁范围

设计要求机器人能够自动完成螺旋前进运动，并且螺旋半径可以调节。仅改变转向舵的角度只能使船体绕某一中心的旋转，并不能实现船体沿某一方向偏移前进。曾考虑使用陀螺仪，考虑到它的价格非常昂贵，需要的处理电路过于复杂，而我们需要的只是一个精度要求不高的开关信号，所以最终采用了指南针，同样达到了很好的效果。经过分析论证后，将指南针引入船体的自动控制系统中，运用了指南针指向不变的原理，在船体转到某一确定位置时加速行驶，实现螺旋渐进运动，如图3所示。

图3在确定位置加速实现螺旋前进

2结构及原理

水上清洁机器人由动力驱动部分、传动系统、打捞系统和控制系统组成，主要部件如图4所示。

图4水上清洁机器人结构图

2.1动力驱动和传动系统

水上清洁机器人工作时打捞工作与螺旋前进同时进行，为了减少电动机的数量，提高续航能力同时降低生产成本，船体的动力驱动部分共用一个电机。传动系统由两条传动路线组成，其中一条传动路线是直流减速电机输出的转矩驱动圆锥齿轮，经过两对圆锥齿轮传动改变方向后驱动螺旋桨，推进船体不断向前行驶；另一条传动路线是减速电机输出同时驱动主动小链轮，通过链传动驱动打捞机构的主动链轮。打捞机构的左右两打捞大链轮安装在同一根轴上，保证了左右两打捞链的同步运动。

2.2打捞系统

图5打捞系统结构简图

打捞系统实现的功能是将垃圾从水面捞进垃圾筐，其结构如图5所示。该打捞机构有9排捞杆，犹如坦克的履带，打捞时像传送带一样不断的把垃圾捞起。打捞机构采用两条不锈钢链条，在链节上有固定板。左右固定板上连接有铝板作为支撑板，支撑板上固定有多个捞杆，用于打捞大块泡沫、树枝等。在打捞机构的上表面，蒙有纱网，用于过滤水藻等细小漂浮物。为了保证系统能够可靠的工作，进行了优化设计并采取了如下措施：打捞机构设计为折叠式，不用时可以折叠于船体上方节省空间；打捞机构采用弧状导向轨道，捞杆上套有剔片，剔片在随捞杆进行打捞运动的同时，还沿着弧状导向轨道所给定的方向不断上下运动，将缠绕在捞杆上的垃圾向上剔除干净，防止塑料袋等缠绕在捞杆上，保证整个系统可以可靠工作(也可用水流或高压气体实现这一功能)。（来源：互联网）

2.3控制系统

水上清洁机器人的控制系统由单片机系统、加速检测电路、遥控电路和继电器等组成。与之相对应的还有控制系统的执行器，采用多个参数不同的直流减速电机，用于驱动柔性舵转向和加速检测开关绕指南针中心轴线转动。指南针控制器结构如图6所示，当水上清洁机器人螺旋前进时，船体转向但指南针的指向不变，加速检测传感器相对船体固定，在某一确定位置时加速检测传感器能够检测到信号，就会将串联在电机两端的电阻短路，使电机加速，船体瞬间加速完成螺旋前进运动(或是采用PWM方式控制电动机，通过改变占空比使电机瞬间加速)。

如图7示，指南针所指的方向不变，由于船体在舵的转向作用下绕某一转向中心旋转，加速检测传感器随船体一起转动。每当船体运行到向右行驶时，加速检测传感器总能检测到指南针头部的遮光片，于是加速检测传感器输出信号，控制继电器将电阻短路或提高电动机控制脉冲的占空比，使电动机加速，进入下一个旋转过程。如此反复，就可以使水上清洁机器人在旋转的同时还有一个螺旋前进的总方向。改变加速检测传感器与船体的相对位置，就可以改变船体螺旋前进的总方向，如图8所示。减速电机相对于船体固定，当它转动时，转轴带动底板和加速检测传感器一起转动，但指南针和遮光板指向不变，这样就改变了加速检测传感器与船体的相对位置，从而改变加速检测传感器检测到指南针输出加速信号的位置，即船体处于加速时所面对的方向不同，其效果就是改变了船体螺旋前进的主方向。转向舵也采用遥控控制，用于设定其转弯螺旋半径，改变柔性舵的偏转方向可以改变船体的螺旋半径。值得说明的是，水上清洁机器人的舵采用柔性舵，如图9所示。舵受到水流的反作用力与水流方向改变的程度有密切关系，柔性舵可以更明显的改变水流的流道，单位面积上可以获得更大的反作用力，使船体转向半径更小，灵活性更高。

图6指南针控制器结构简图

图7指南针控制原理图

图8加速检测开关的转向控制原理

2.4工作过程

使用时，把水上清洁机器人放入需要清洁的水面上，打开电源。调整柔性舵改变船体的螺旋半径，使它适合漂浮物的分布宽度；随后调整加速检测开关相对与船体的位置，改变加速行驶的方向，使螺旋前进主方向与水面漂浮物的分布长度方向一致，从而自动完成水上清洁工作。

图9柔性舵工作原理

3水上试验

经过多次水上试验，取得了良好的效果。水上清洁机器人可以在人的遥控下自动的生成螺旋前进运动，水面上的大小漂浮物基本全部被打捞进入垃圾箱，各项指标均达到了设计要求。4技术参数