CN108425353A - 一种水面油污清理机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水面油污清理机器人，包括机器人本体，所述机器人本体包括躯干部和四肢部，所述四肢部与所述躯干部相连接，所述躯干部包括壳体，本发明四肢部的漂浮板使机器人本体能漂浮于水面，同时第一旋转电机带动漂浮板旋转，控制模块控制前后支撑脚的第一旋转电机以差速工作，从而使前后支撑脚的漂浮板差速旋转，使机器人本体在水面上向前移动，移动的同时，水泵间歇性的工作，吸入机器人本体附近的油水混合物，吸入的油水混合物经传送带及上面的亲油疏水层相分离，而水重新排出，油污被暂时保存，能自行对水面上的油污进行清理，无需人工干预，可在恶劣的气候条件下或者危险水域进行作业。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术设备领域，特别涉及一种水面油污清理机器人。
背景技术
石油污染是指石油开采、运输、装卸、加工和使用过程中，由于泄漏和排放石油引起的污染，主要发生在海洋。石油漂浮在海面上，迅速扩散形成油膜，可通过扩散、蒸发、溶解、乳化、光降解以及生物降解和吸收等方式进行迁移、转化。油类可沾附在鱼鳃上，使鱼窒息，抑制水鸟产卵和孵化，破坏其羽毛的不透水性，降低水产品质量。油膜形成可阻碍水体的富氧作用，影响海洋浮游生物生长，破坏海洋生态平衡。因此需要及时有效的处理水面上的油污，避免海洋受到进一步的污染。
现有的水上油污清理装置体形都较为庞大，装置极为复杂，需要专门的作业人员进行操控，但在一些比较恶劣的气候条件下或者危险水域进行作业时，对作业人员的生命安全产生了影响。
发明内容
(一)解决的技术问题
为了解决上述问题，本发明提供了一种水面油污清理机器人，四肢部的漂浮板使机器人本体能漂浮于水面，同时第一旋转电机带动漂浮板旋转，控制模块控制前后支撑脚的第一旋转电机以差速工作，从而使前后支撑脚的漂浮板差速旋转，使机器人本体在水面上向前移动，移动的同时，水泵间歇性的工作，吸入机器人本体附近的油水混合物，吸入的油水混合物经传送带及上面的亲油疏水层相分离，而水重新排出，油污被暂时保存，能自行对水面上的油污进行清理，无需人工干预，可在恶劣的气候条件下或者危险水域进行作业。
(二)技术方案
一种水面油污清理机器人，包括机器人本体，所述机器人本体包括躯干部和四肢部，所述四肢部与所述躯干部相连接，所述躯干部包括壳体，所述壳体的顶部设有太阳能光伏板，所述壳体内分为清理层和控制层，所述控制层位于所述清理层的下方，所述清理层内设有清理箱，所述清理箱与所述壳体共用正面、背面及顶部，所述清理箱内分为蓄液腔和分离腔，所述蓄液腔和所述分离腔之间设有隔板，所述隔板的顶部与所述清理箱的顶部设有豁口，所述蓄液腔和所述分离腔通过所述豁口相连通，所述分离腔内设有主动辊和从动辊，所述主动辊和所述从动辊均为可转动的设于所述清理箱的两侧面之间，所述主动辊位于所述隔板侧，所述从动辊位于所述清理箱的背面侧，所述从动辊低于所述主动辊，所述主动辊与所述从动辊之间设有传送带，所述传送带覆盖所述分离腔的底部，所述传送带的表面设有亲油疏水层，所述传送带的下部分设有若干挤压辊对，所述挤压辊对包括上挤压辊和下挤压辊，所述上挤压辊位于所述传送带的上方，所述下挤压辊位于所述传送带的下方，所述清理箱的一个侧面外部设有第一旋转电机，所述第一旋转电机的第一输出轴与所述主动辊相连接，所述清理箱的背面设有排水口，所述排水口高于所述从动辊，所述排水口露出于所述壳体的背面，所述分离腔的底部设有液位传感器，所述液位传感器位于所述传送带的下方，所述控制层内的一侧设有水泵，所述水泵位于所述壳体的正面内侧，所述水泵的吸水口贯穿所述壳体并露出于所述壳体的正面，所述水泵的出水口贯穿所述清理箱的底部并伸入所述蓄液腔，所述控制层内的另一侧设有舵机，所述舵机位于所述壳体的背面内侧，所述舵机的传动轴伸出于所述壳体的背面，所述传动轴的端部连接舵轴的一侧，所述舵轴的另一侧设有舵叶，所述控制层内还设有控制箱和蓄电池，所述控制箱和所述蓄电池位于所述水泵和所述舵机之间，所述控制箱内设有控制模块、存储模块和GPS定位模块，所述躯干部的正面及两个侧面均设有避障雷达，所述四肢部包括一对前支撑脚和一对后支撑脚，所述前支撑脚和所述后支撑脚具有相同的结构，所述前支撑脚包括横部和竖部，所述横部与所述躯干部相连接，所述竖部的顶部内侧设有第二旋转电机，所述第二旋转电机的第二输出轴贯穿所述竖部并伸出于所述竖部的下方，所述第二输出轴通过轴承与所述竖部相连接，所述第二输出轴的端部连接漂浮板，所述漂浮板为圆形结构，所述避障雷达和所述液位传感器连接所述控制模块的输入端，所述控制模块的输出端分别连接所述第一旋转电机、所述第二旋转电机、所述水泵和所述舵机，所述控制模块与所述存储模块相互连接，所述控制模块通过所述GPS定位模块与GPS定位卫星通信连接，所述太阳能光伏板与所述蓄电池电性连接，所述蓄电池为所述机器人本体提供工作电压。
进一步的，所述漂浮板由聚氯乙烯材料制成。
进一步的，所述亲油疏水层为聚氨酯海绵。
进一步的，所述液位传感器选用静压投入式液位传感器。
进一步的，所述第一旋转电机和所述第二旋转电机均选用RS-380SH型步进电机。
进一步的，所述GPS定位模块选用ET-318 SiRF Star III GPS芯片组。
进一步的，所述存储模块存放离线地图包。
进一步的，所述控制模块选用16位单片机MC95S12DJ128。
进一步的，所述太阳能光伏板为单晶硅太阳能光伏板。
进一步的，所述蓄电池为锂离子蓄电池。
(三)有益效果
本发明提供了一种水面油污清理机器人，四肢部的漂浮板使机器人本体能漂浮于水面，同时第一旋转电机带动漂浮板旋转，控制模块控制前后支撑脚的第一旋转电机以差速工作，从而使前后支撑脚的漂浮板差速旋转，使机器人本体在水面上向前移动，移动的同时，水泵间歇性的工作，吸入机器人本体附近的油水混合物，吸入的油水混合物经传送带及上面的亲油疏水层相分离，而水重新排出，油污经挤压辊对挤压出来后被暂时保存，实现了自行对水面上的油污进行清理，避障雷达对机器人本体移动路线上的障碍物进行定位，当需要转向时，控制模块控制舵机驱动舵轴和舵叶旋转，从而改变机器人本体的移动方向，可非常灵活的避开障碍物，液位传感器对暂存的油污量进行监测，当到达阈值时，机器人本体结合离线地图包和GPS定位数据自动返航，自动化及智能化程度高，无需人工干预，可在恶劣的气候条件下或者危险水域进行作业，太阳能光伏板给蓄电池进行充电从而给机器人本体供电，符合节能环保的设计理念，其结构简单，设计巧妙，检测精度高，响应速度快，稳定性和可靠性好，具有良好的实用性和可扩展性，可广泛应用于各种海洋、湖泊、河道、滩涂等水面的油污清理。
附图说明
图1为本发明所涉及的一种水面油污清理机器人的外部结构示意图。
图2为本发明所涉及的一种水面油污清理机器人的内部结构示意图。
图3为本发明所涉及的一种水面油污清理机器人的清理箱的俯视结构示意图。
图4为本发明所涉及的一种水面油污清理机器人的前支撑脚的结构示意图。
图5为本发明所涉及的一种水面油污清理机器人的系统工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所涉及的实施例做进一步详细说明。
结合图1～图5，一种水面油污清理机器人，包括机器人本体，机器人本体包括躯干部和四肢部，四肢部与躯干部相连接，躯干部包括壳体1，壳体1的顶部设有太阳能光伏板4，壳体1内分为清理层和控制层5，控制层5位于清理层的下方，清理层内设有清理箱6，清理箱6与壳体1共用正面、背面及顶部，清理箱6内分为蓄液腔7和分离腔8，蓄液腔7和分离腔8之间设有隔板9，隔板9的顶部与清理箱6的顶部设有豁口，蓄液腔7和分离腔8通过豁口相连通，分离腔8内设有主动辊10和从动辊11，主动辊10和从动辊11均为可转动的设于清理箱6的两侧面之间，主动辊10位于隔板9侧，从动辊11位于清理箱6的背面侧，从动辊11低于主动辊10，主动辊10与从动辊11之间设有传送带12，传送带12覆盖分离腔8的底部，传送带12的表面设有亲油疏水层，传送带12的下部分设有若干挤压辊对13，挤压辊对13包括上挤压辊和下挤压辊，上挤压辊位于传送带12的上方，下挤压辊位于传送带12的下方，清理箱6的一个侧面外部设有第一旋转电机14，第一旋转电机14的第一输出轴与主动辊10相连接，清理箱6的背面设有排水口15，排水口15高于从动辊11，排水口15露出于壳体1的背面，分离腔8的底部设有液位传感器16，液位传感器16位于传送带12的下方，控制层5内的一侧设有水泵30，水泵30位于壳体1的正面内侧，水泵30的吸水口17贯穿壳体1并露出于壳体1的正面，水泵30的出水口18贯穿清理箱6的底部并伸入蓄液腔7，控制层5内的另一侧设有舵机19，舵机19位于壳体1的背面内侧，舵机19的传动轴20伸出于壳体1的背面，传动轴20的端部连接舵轴21的一侧，舵轴21的另一侧设有舵叶22，控制层5内还设有控制箱23和蓄电池24，控制箱23和蓄电池24位于水泵30和舵机19之间，控制箱23内设有控制模块、存储模块和GPS定位模块，躯干部的正面及两个侧面均设有避障雷达25，四肢部包括一对前支撑脚2和一对后支撑脚3，前支撑脚2和后支撑脚3具有相同的结构，前支撑脚2包括横部和竖部，横部与躯干部相连接，竖部的顶部内侧设有第二旋转电机26，第二旋转电机26的第二输出轴27贯穿竖部并伸出于竖部的下方，第二输出轴27通过轴承28与竖部相连接，第二输出轴27的端部连接漂浮板29，漂浮板29为圆形结构，避障雷达25和液位传感器16连接控制模块的输入端，控制模块的输出端分别连接第一旋转电机14、第二旋转电机26、水泵30和舵机19，控制模块与存储模块相互连接，控制模块通过GPS定位模块与GPS定位卫星通信连接，太阳能光伏板4与蓄电池24电性连接，蓄电池24为机器人本体提供工作电压。
将机器人本体放入待清理水域，由于前支撑脚2和后支撑脚3底部的漂浮板29由聚氯乙烯材料制成，聚氯乙烯为无定形结构的白色通用塑料，支化度较小，相对密度仅1.4左右，可使机器人本体漂浮于水面上。
控制模块控制前支撑脚2内的第二旋转电机26以第一步进频率工作，带动底部的漂浮板29旋转，控制后支撑脚3内的第二旋转电机以第二步进频率工作，而第二步进频率小于第一步进频率，因此前支撑脚2底部的漂浮板29的旋转速率大于后支撑脚3底部漂浮板的旋转速率，前后的漂浮板形成差速，因此使得机器人本体能够在水面上向前移动，扩大了水面油污的清理范围。
机器人本体在水面上移动的同时，控制模块控制水泵30按一定频率间歇性的工作，从吸水口17将机器人本体附近的油水混合物吸入，再从出水口18排出至清理箱6的蓄液腔7中，当吸入的水量超过隔板9的高度时，油水混合物从隔板9与清理箱6顶部之间的豁口进入分离腔8。第一旋转电机14驱动主动辊10旋转，主动辊10通过传送带12带动从动辊11一起旋转。第一旋转电机14和第二旋转电机26均选用RS-380SH型步进电机，可非常方便的设定电机的步进频率，从而调节输出轴的旋转速率。油水混合物经传送带12传送，由于传送带12表面设有亲油疏水层，且亲油疏水层为聚氨酯海绵，聚氨酯海绵的表面被十六烷基三甲氧基硅烷修饰并且接枝聚合覆盖聚丙烯酸，因此聚氨酯海绵具有超疏水超亲油的特性，使油水混合物中的油污吸收，聚氨酯海绵可以吸收大约20倍自身重量的油，并且通过挤压的方法，吸收的油可以释放出，使得聚氨酯海绵可以重复利用，降低了成本，避免了浪费，更加环保。油水混合物中的油污被传送带12表面的亲油疏水层吸收，而水经排水口15重新进入水域。吸收油污的亲油疏水层跟随传送带12运动至下部分时，若干挤压辊对13对亲油疏水层进行挤压，将吸附的油污挤压释放出来，落入分离腔8的底部进行暂存。液位传感器16对油污量实时监测，液位传感器16选用静压投入式液位传感器，静压投入式液位传感器是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号。当油污量达到液位传感器16的设定阈值时，机器人本体进入返航状态，此时水泵30停止工作。
控制模块通过GPS定位模块接收GPS定位卫星的导航电文，GPS定位模块选用ET-318 SiRF Star III GPS芯片组，SiRF Star III GPS芯片组具有灵敏度高，低信号下快速TTFF(首次定位时间)，20通道全视野跟踪，跟踪速度精度为0.1m/s，支持NMEA0183和SiRF二进位协议，通过串口固定输出NMEA0183规定的数据信息。MC95S12DJ128接收其中的推荐定位信息，获得时间、经纬度等信息。存储模块内预先存入待清理水域的离线地图包，控制模块结合离线地图包及GPS定位数据自动返航，自动化及智能化程度高。
壳体1表面的避障雷达25对机器人本体移动路线上的障碍物进行定位，当需要转向时，控制模块控制舵机19工作，舵机19驱动传动轴20转动，传动轴20带动舵轴21及上面的舵叶22一起转动，改变水流的方向，从而使机器人本体改变前进方向，实现了非常灵活的避开障碍物。
控制模块对避障雷达25和液位传感器16的检测输入信号进行处理，输出控制信号分别控制第一旋转电机14、第二旋转电机26、水泵30和舵机19工作，同时控制模块读取存储模块的离线地图包数据，并通过GPS定位模块与GPS定位卫星进行通信连接。为了简化电路，降低成本，提高系统后期的可扩展性，控制模块选用16位单片机MC95S12DJ128，其内置128KB的Flash、8KB的RAM和2KB的EEPROM，具有5V输入和驱动能力，CPU工作频率可达到50MHz。29路独立的数字I/O接口，20路带中断和唤醒功能的数字I/O接口，2个8通道的10位A/D转换器，具有8通道的输入捕捉/输出比较，还具有8个可编程PWM通道。具有2个串行异步通信接口SCI，2个同步串行外设接口SPI，I2C总线和CAN功能模块等，满足设计要求。
考虑到机器人本体需长时间工作于日晒环境下，在机器人本体的顶部覆盖太阳能光伏板4，太阳能光伏板4为单晶硅太阳能光伏板，具有极高的光伏转换效率，提高了太阳光能利用率，为机器人本体提供充足的电能。太阳能光伏板4转换的电能存储于蓄电池24中，蓄电池24采用锂离子蓄电池，反复充放电次数高，使用寿命长，且转化效率高，体现了节能环保的精神。
本发明提供了一种水面油污清理机器人，四肢部的漂浮板使机器人本体能漂浮于水面，同时第一旋转电机带动漂浮板旋转，控制模块控制前后支撑脚的第一旋转电机以差速工作，从而使前后支撑脚的漂浮板差速旋转，使机器人本体在水面上向前移动，移动的同时，水泵间歇性的工作，吸入机器人本体附近的油水混合物，吸入的油水混合物经传送带及上面的亲油疏水层相分离，而水重新排出，油污经挤压辊对挤压出来后被暂时保存，实现了自行对水面上的油污进行清理，避障雷达对机器人本体移动路线上的障碍物进行定位，当需要转向时，控制模块控制舵机驱动舵轴和舵叶旋转，从而改变机器人本体的移动方向，可非常灵活的避开障碍物，液位传感器对暂存的油污量进行监测，当到达阈值时，机器人本体结合离线地图包和GPS定位数据自动返航，自动化及智能化程度高，无需人工干预，可在恶劣的气候条件下或者危险水域进行作业，太阳能光伏板给蓄电池进行充电从而给机器人本体供电，符合节能环保的设计理念，其结构简单，设计巧妙，检测精度高，响应速度快，稳定性和可靠性好，具有良好的实用性和可扩展性，可广泛应用于各种海洋、湖泊、河道、滩涂等水面的油污清理。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (10)
1.一种水面油污清理机器人，包括机器人本体，所述机器人本体包括躯干部和四肢部，所述四肢部与所述躯干部相连接，其特征在于：所述躯干部包括壳体，所述壳体的顶部设有太阳能光伏板，所述壳体内分为清理层和控制层，所述控制层位于所述清理层的下方，所述清理层内设有清理箱，所述清理箱与所述壳体共用正面、背面及顶部，所述清理箱内分为蓄液腔和分离腔，所述蓄液腔和所述分离腔之间设有隔板，所述隔板的顶部与所述清理箱的顶部设有豁口，所述蓄液腔和所述分离腔通过所述豁口相连通，所述分离腔内设有主动辊和从动辊，所述主动辊和所述从动辊均为可转动的设于所述清理箱的两侧面之间，所述主动辊位于所述隔板侧，所述从动辊位于所述清理箱的背面侧，所述从动辊低于所述主动辊，所述主动辊与所述从动辊之间设有传送带，所述传送带覆盖所述分离腔的底部，所述传送带的表面设有亲油疏水层，所述传送带的下部分设有若干挤压辊对，所述挤压辊对包括上挤压辊和下挤压辊，所述上挤压辊位于所述传送带的上方，所述下挤压辊位于所述传送带的下方，所述清理箱的一个侧面外部设有第一旋转电机，所述第一旋转电机的第一输出轴与所述主动辊相连接，所述清理箱的背面设有排水口，所述排水口高于所述从动辊，所述排水口露出于所述壳体的背面，所述分离腔的底部设有液位传感器，所述液位传感器位于所述传送带的下方，所述控制层内的一侧设有水泵，所述水泵位于所述壳体的正面内侧，所述水泵的吸水口贯穿所述壳体并露出于所述壳体的正面，所述水泵的出水口贯穿所述清理箱的底部并伸入所述蓄液腔，所述控制层内的另一侧设有舵机，所述舵机位于所述壳体的背面内侧，所述舵机的传动轴伸出于所述壳体的背面，所述传动轴的端部连接舵轴的一侧，所述舵轴的另一侧设有舵叶，所述控制层内还设有控制箱和蓄电池，所述控制箱和所述蓄电池位于所述水泵和所述舵机之间，所述控制箱内设有控制模块、存储模块和GPS定位模块，所述躯干部的正面及两个侧面均设有避障雷达，所述四肢部包括一对前支撑脚和一对后支撑脚，所述前支撑脚和所述后支撑脚具有相同的结构，所述前支撑脚包括横部和竖部，所述横部与所述躯干部相连接，所述竖部的顶部内侧设有第二旋转电机，所述第二旋转电机的第二输出轴贯穿所述竖部并伸出于所述竖部的下方，所述第二输出轴通过轴承与所述竖部相连接，所述第二输出轴的端部连接漂浮板，所述漂浮板为圆形结构，所述避障雷达和所述液位传感器连接所述控制模块的输入端，所述控制模块的输出端分别连接所述第一旋转电机、所述第二旋转电机、所述水泵和所述舵机，所述控制模块与所述存储模块相互连接，所述控制模块通过所述GPS定位模块与GPS定位卫星通信连接，所述太阳能光伏板与所述蓄电池电性连接，所述蓄电池为所述机器人本体提供工作电压。
2.根据权利要求1所述的一种水面油污清理机器人，其特征在于：所述漂浮板由聚氯乙烯材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种水面油污清理机器人，其特征在于：所述亲油疏水层为聚氨酯海绵。
4.根据权利要求1所述的一种水面油污清理机器人，其特征在于：所述液位传感器选用静压投入式液位传感器。
5.根据权利要求1所述的一种水面油污清理机器人，其特征在于：所述第一旋转电机和所述第二旋转电机均选用RS-380SH型步进电机。
6.根据权利要求1所述的一种水面油污清理机器人，其特征在于：所述GPS定位模块选用ET-318SiRF Star III GPS芯片组。
7.根据权利要求1所述的一种水面油污清理机器人，其特征在于：所述存储模块存放离线地图包。
8.根据权利要求1所述的一种水面油污清理机器人，其特征在于：所述控制模块选用16位单片机MC95S12DJ128。
9.根据权利要求1所述的一种水面油污清理机器人，其特征在于：所述太阳能光伏板为单晶硅太阳能光伏板。
10.根据权利要求1所述的一种水面油污清理机器人，其特征在于：所述蓄电池为锂离子蓄电池。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20180821 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |