引言

隨著人們生活水平的提高,排放的垃圾越來越多[l],環(huán)境污染也日益嚴(yán)重,河流和海洋的污染位列其中。目前水面垃圾收集大多采用人工打撈的方式或是使用自動(dòng)打撈垃圾機(jī)器人進(jìn)行打撈,但采用人工打撈的方式需要專業(yè)人員操作,并且勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、周期長(zhǎng)、不安全,且受天氣環(huán)境影響較為嚴(yán)重:而市場(chǎng)上自動(dòng)打撈垃圾機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、能耗大,且水面死角位置垃圾難以收集。基于這一背景以及日常生活中常見的渦旋現(xiàn)象,本文提出并設(shè)計(jì)了基于流體渦旋向心吸力的水面垃圾收集機(jī)器人,利用流體渦旋向心吸力的原理,增大吸納垃圾的范圍,對(duì)垃圾進(jìn)行收集處理,有效地解決了上述問題。

本文所設(shè)計(jì)的水面垃圾收集機(jī)器人不僅成本低,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,而且垃圾收集效果好,效率高,實(shí)用性強(qiáng),能達(dá)到節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、節(jié)能減排的效果,有利于我國(guó)現(xiàn)代化生態(tài)文明美好家園的建設(shè)。

1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模型搭建是系統(tǒng)開發(fā)的必要環(huán)節(jié),本文采用solidworks三維建模軟件進(jìn)行模型搭建,以雙船體為載體[3],吸力裝置為核心構(gòu)成整體結(jié)構(gòu),如圖1所示。

圖1基于流體渦旋向心吸力的水面垃圾收集機(jī)器人軸測(cè)圖

1一水泵2一桶泵連接蓋3一打撈桶4一雙體船船體

5一船桶連接板6一無線遙控天線7一中央控制器

8一控制器連接管9一船體連接梁l0一螺旋獎(jiǎng)

水泵通過桶泵連接蓋連接到打撈桶上,船桶連接板通過螺栓安裝固定在打撈桶的兩側(cè),再通過螺栓固定在雙體船船體上。船體通過控制器連接管及船體連接梁進(jìn)行雙船體間的

距離固定,使得船體在運(yùn)動(dòng)過程中得以保持穩(wěn)定。中央控制器安裝在控制器連接管的中央,其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)節(jié)省了材料的使用和能源的消耗。

考慮到船體與打撈桶收集垃圾時(shí)會(huì)產(chǎn)生不平衡的力,本文采用3D打印技術(shù)打印出實(shí)體打撈桶,再對(duì)其進(jìn)行了改裝和調(diào)試,使得船體和打撈桶擁有更大的運(yùn)行力和吸力;我們也對(duì)電池進(jìn)行了升級(jí)與調(diào)適,大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和持久性。

2系統(tǒng)開發(fā)

本文設(shè)計(jì)的基于流體渦旋向心吸力的水面垃圾收集機(jī)器人控制系統(tǒng)主要由船體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及垃圾收集系統(tǒng)組成。船體采用基于Arduino板研發(fā)的遠(yuǎn)程控制,在船體上增加天線,用于增強(qiáng)信號(hào)的接收能力,提高對(duì)船體的遠(yuǎn)程控制水平,通過控制器上的油門和方向推桿控制船體的移動(dòng)。垃圾收集系統(tǒng)同樣為基于Arduino的遠(yuǎn)程控制,通過控制器的其他觸發(fā)開關(guān)對(duì)垃圾收集系統(tǒng)的水泵進(jìn)行控制。此外,在整個(gè)系統(tǒng)中,本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人經(jīng)過穩(wěn)壓器處理后輸出的整體供電電壓為24V,經(jīng)過變壓器輸出螺旋獎(jiǎng)所需電壓7.4V、水泵所需電壓24V。該系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)了低電提醒功能,當(dāng)電壓低于l6V時(shí)就會(huì)發(fā)出警報(bào),要求水面垃圾機(jī)器人返回。

3運(yùn)行測(cè)試

通過上文的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)設(shè)計(jì),先在系統(tǒng)上進(jìn)行模擬仿真,如圖2所示。紅色的為模擬垃圾礦泉水塑料瓶,通過開啟垃圾收集系統(tǒng),水泵啟動(dòng)進(jìn)行吸水操作,打撈桶內(nèi)的水被吸走,水面上的水重新注入,打撈桶內(nèi)就會(huì)形成渦旋現(xiàn)象,同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)渦旋向心吸力,水面上的垃圾便會(huì)隨著這個(gè)渦旋向心吸力被卷入到打撈桶內(nèi)。

圖2 基于流體渦旋向心吸力的水面垃圾收集機(jī)器人模擬圖

在系統(tǒng)上進(jìn)行模擬仿真后,對(duì)該水面垃圾收集機(jī)器人進(jìn)行零部件組裝、系統(tǒng)調(diào)試,然后到學(xué)校里的湖泊中進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn),并通過實(shí)際增設(shè)打撈網(wǎng),防止垃圾堵住進(jìn)水口。在實(shí)驗(yàn)中,將水面垃圾收集機(jī)器人放入深水中,使用遙控器對(duì)其進(jìn)行操控,以測(cè)試前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、加速、減速、啟動(dòng)和關(guān)閉等一系列功能。實(shí)驗(yàn)表明,基于流體渦旋向心吸力的水面垃圾收集機(jī)器人的平衡狀態(tài)及垃圾收集功能良好,如圖3所示,滿足預(yù)期效果。

圖3 基于流體渦旋向心吸力的水面垃圾收集機(jī)器人實(shí)驗(yàn)圖

4結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的基于流體渦旋向心吸力的水面垃圾收集機(jī)器人,基于流體渦旋向心吸力的原理,利用Arduino板和藍(lán)牙模塊的結(jié)合,實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。與傳統(tǒng)的自動(dòng)打撈垃圾機(jī)器人相比,本文所述水面垃圾收集機(jī)器人具有效率高、能耗小等優(yōu)勢(shì),在未來的環(huán)保應(yīng)用上有著廣闊的前景。