CN109878642A - 一种可进行分流的水面垃圾清洁智能机器人 - Google Patents

Abstract

一种可进行分流的水面垃圾清洁智能机器人，包括主船体，主船体分为前舱和后舱，前舱放置控制系统，后舱放置动力系统，主船体内部中间设置有舱板，舱板上设置有船帆，主船体尾部设置有船舵，位于主船体两侧设置有垃圾收集输送装置，垃圾收集输送装置运行的末端设置有垃圾收纳装置，垃圾收集输送装置前部设置有机械臂，动力系统包括差速推进系统和船帆船舵系统，动力系统、垃圾收集输送装置和机械臂分别与控制系统相连，本发明通过智能化手段，及时高效收集水面垃圾，确保水体清洁程度，同时有利于构建生态文明城市,节省人力物力，接轨智能时代，实现城市智慧式管理和运行，为城市中的人创造更美好的生活，促进城市的和谐、可持续成长。

Description

一种可进行分流的水面垃圾清洁智能机器人

技术领域

本发明涉及垃圾清理设备技术领域，特别涉及一种可进行分流的水面垃圾清洁智能机器人。

背景技术

我国是一个严重缺水的国家。各大江河水系均受到不同程度的污染。大部分污染水质的垃圾都会先漂浮在水面，如果处理不及时，则会进一步污染水质，带来更严重的后果。

另外，城市景观水体也正在遭受不同程度的污染。其两岸植物少、水中生物少，受人为活动影响大，这些特性决定了城市河流环境容量小，生态系统脆弱的特点。城市景观水体垃圾清理工作刻不容缓，但工作量是巨大的，需要在这方面耗费巨大的人力物力。虽然目前市场上存在的水面垃圾清理装置,往往是大型水域垃圾打捞船,或水面清扫船,其结构复杂、体型庞大、成本高昂,非常不适合在小型水域中使用。校园人工湖、小区观光人工湖等城市景观水域水面漂浮物的清理办法主要是采用手持式网兜等传统工具进行清除,存在清理不干净、耗时长、效率低、劳动强度大等弊端。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可进行分流的水面垃圾清洁智能机器人，可在中小型河道、湖面等城市景观水体上进行垃圾收集的智能机器人，本机器人意在通过智能化手段，及时高效收集水面垃圾，确保水体清洁程度，可以有效的提高垃圾的收集效率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种可进行分流的水面垃圾清洁智能机器人，包括主船体1，主船体1分为前舱和后舱，前舱放置控制系统，后舱放置动力系统，主船体1内部中间设置有舱板，舱板上设置有船帆3，所述的主船体1尾部设置有船舵4，位于主船体1两侧设置有垃圾收集输送装置，垃圾收集输送装置运行的末端设置有垃圾收纳装置8，垃圾收集输送装置前部设置有机械臂2，所述的动力系统包括差速推进系统和船帆船舵系统，动力系统、垃圾收集输送装置和机械臂2分别与控制系统相连，所述的主船体1顶部设置有分流板29，分流板29两端卡在垃圾收集输送装置的支架上的凹槽中。

所述的差速推进系统包括两个同型号的推进器，推进器设置在后舱内部两侧，推进器包括安装在主船体1尾部的叶轮13，叶轮13与安装在传动轴套11内的传动轴12一端相连，传动轴12另一端连接电动机10，电动机10放置在后舱，所述的控制系统与推进器相连。

所述的船帆船舵系统包括船帆3，船帆3顶部设置有船帆卡环33，位于船帆3底部设置有用于控制其转向的步进电机32，步进电机32与控制系统相连，所述的步进电机32固定在船舱隔板上，步进电机32上的电机轴上的第一齿轮35与桅杆底部的设置的第二齿轮36啮合，位于主船体1船头设置有风向标34，风向标34通过传感器将风向信息传给控制系统。

所述的垃圾收集输送装置包括输送带16，输送带16两侧设置有链条15，输送带16上穿过有钢条，链条15与钢条连接并与位于输送带16上方两侧链轮9相连，链轮9之间设置有主动轴17，主动轴17末端通过联轴器20与伺服电机22连接，输送带16下方设置有从动轴，垃圾收集输送装置在运行方向上为前低后高的结构。

所述的垃圾收集输送装置前部位于水面以下。

所述的主动轴17上设置有轴承座19，链轮9与轴承座19之间加有隔套14，轴承座19位于支撑钢架21上，联轴器20套在座体23内。

所述的输送带16与支撑钢架21之间的缝隙处设置有弧形挡板25。

所述的垃圾收集输送装置通过挂钩架7挂在主船体1的船壁上。

所述的机械臂2包括矩形铁丝网，矩形铁丝网与垃圾收集输送装置通过转轴26相连进行转动，转轴26设置在转轴座27上，转轴26通过舵机28提供动力，舵机28带动齿轮30转动，齿轮30与固定在转轴26的齿轮31啮合。

所述的主船体1端部为三角状。

所述的传动轴套11穿过船体时通过橡胶垫5进行密封。

所述的控制系统的型号为高性能微控制器STM32F407作为核心芯片。

所述的红外电子测量仪18型号为GP2Y0A21YKOF红外测距传感器模块。

所述的推进器的型号为RCD-MI50水下推进器。

本发明的有益效果：

1、垃圾收集范围大，单次垃圾收集量大。船头两侧均有输送装置且船头两侧安装有机械臂，可增强工作效率。

2、船体容量大。可携带大容量电源，续航能力更强。适合中小型湖面的垃圾收集工作。

3、工作人员回收垃圾方便。回航后，工作人员可直接将垃圾收纳装置提出，待工作人员处理垃圾后将垃圾收纳装置重新安装，机器人可立即回航，提高效率。

4、垃圾收集智能化。机器人可自动巡航，识别垃圾进行收集。另有垃圾称重装置，质量达到额定值自动返航。智能系统和人工遥控的双系统控制，可以使得人与机器更好地配合，减轻人的劳动力。

6、推进装置采用推进器差速转向，可以使机器人行走更快，转弯灵活。

7、采用风向标检测风向、控制系统风向信息处理、步进电机控制船帆角度，使得机器人利用风能更加便捷。

8、人工对卡环进行调节实现船帆升降相比于利用滑轮来调节更加方便高效。

9、输送带采用链轮驱动，相比于输送带与轴之间靠摩擦力制动，本结构不会使输送带打滑，同时减轻了机器人的重量，零件加工更简单。

10、电能、太阳能、风能的综合使用，不但实现了节能减排的目的，同时也极大的增强了其续航能力，使装置可以保持全天工作状态。

附图说明

图1为双传动式水面垃圾清洁智能机器人的模型。

图2为机器人的收集输送装置。

图3为机器人的主船体。

图4为收集输送装置的主动轴装配图。

图5为机器人的推进器装置。

图6为机器人的机械臂装置。

图7为机器人的垃圾收纳装置。

图8为机器人的船帆动力装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示：双传动式水面垃圾清洁智能机器人的结构大致包括主船体1、收集输送装置、推进器、垃圾收纳装置8、船帆3、船舵4等。

主船体1分为前舱和后舱，前舱里主要放置机器人的控制系统、太阳能板、电池、工具箱和储物箱等。中间的舱板上安装有船帆3，后舱放置整个机器人的动力系统。船体尾部的中间安装有船舵4，两侧是推进器的叶轮13。

动力系统结构包括差速推进系统结构和船帆船舵系统结构。前者利用电能作为机器人能量来源，后者利用风能作为机器人能量来源。两个动力系统综合搭配使用，充分利用能源，节约环保。

如图3所示：差速推进系统结构由两个同型号的推进器组成。推进器包括电动机10、传动轴套11、传动轴12、叶轮13等组成，传动轴12安装在传动轴套11内与叶轮13链接。考虑到推进器安装在主船体1上时，传动轴套11与船壁之间会有缝隙，导致船体漏水。本装置采用橡胶垫5进行密封，防止漏水。电动机10带动传动轴12转动，使得叶轮13转动，机器人向前移动。通过控制两个电动机10的转动速率使得两个叶轮13产生转速差(如图5所示)，从而实现机器人的转向。该差速转动动作可靠，灵敏度高，为船体的全方位运动提供动力保障，便于收集边缘垃圾。

如图1所示：船帆船舵系统结构由船帆3、船舵4、步进电机32、船帆卡环33、和风向标34组成。步进电机32固定在船舱隔板上，电机轴上的第一齿轮35与桅杆底部的第二齿轮36啮合(如图8所示)。船帆卡环33固定在船帆3顶部，可通过人工操作使船帆卡环33卡紧或卡松，实现升帆和降帆的操作。机器人通过风向标34确定风向，并通过传感器将风向信息传给控制系统，控制系统将信号传给步进电机32，使其带动桅杆转动一定角度。从而实现自动调节船帆3与风向的角度，使得船帆3能一直处于迎风面。达到最终效果是在无风天气，可降下船帆，利用太阳能、电能提供动力。在有风天气，机器人可利用船帆3将风力转化为自己前进的动力，通过控制船舵4来掌握方向，实现转向。

如图2图4所示：垃圾收集输送装置包括机械臂2、挂钩架7、链轮9、隔套14、链条15、输送带16、主动轴17、从动轴、轴承座19、联轴器20、支撑钢架21、伺服电机22、垃圾收纳装置8、座体23、张紧装置24、红外电子测量仪18。

钢条横向穿过输送带16，链条15通过与钢条连接，固定在输送带16两侧，目的是为了使链轮9转动时带动输送带16工作。

如图4所示：主动轴17装配如下：主动轴17两侧各安装一个链轮9，并且两端都与支撑钢架21上的轴承座19配合，为了使主轴上各零件配合紧密，链轮9与轴承座19之间加有隔套14。主动轴17末端通过联轴器20与伺服电机22连接。为了固定伺服电机22，在支撑钢架21上安装一个座体23，伺服电机22通过螺钉连接在座体上。同时，联轴器20被套在座体23内，既保护轴与电机连接部分不受污染又使整个结构整洁美观。

从动轴的装配与主动轴17基本一致，主要区别在于从动轴不需要与伺服电机连接。

如图7所示：垃圾收纳装置8是由喷了金属保护漆的铁丝网折成的无盖网桶，为防止网口的铁丝毛刺伤人，利用夹板将铁丝网口加紧。利用挂钩悬挂在垃圾收集输送装置末端处的支架上。网桶内部置有垃圾布袋，待垃圾收满时，工作人员可直接将其提出，简单方便。在铁丝网口安置一个红外电子测量仪18，当垃圾收满时，红外电子测量仪接收信息并反馈给控制系统。机器人回到岸边，等待工作人员处理垃圾。该设计轻质简洁、材质成本低、收纳装置可反复利用。

挂钩架7固定在收集输送装置的支架上，同时挂在船壁上，并用螺栓加紧。挂钩架7由两个弯钩和铁皮构成。铁皮依照弯钩形态焊接在弯钩上，增大弯钩对船壁的施力面积，减小对船壁的压强，保护船体。左右两个输送装置之间，通过两根铁杆连接，从而减小输送装置对船壁向外的拉力，增加了对船体的保护。

如图6所示：机械臂2由矩形铁丝网、方管、转轴26、转轴座27以及舵机28组成，轻质廉价。因其独特的网状结构减小了机器人行进过程中水对它的阻力。在机械臂2与输送装置固定的位置安装了舵机28，在机器人检测到垃圾的位置时，将信息传递给舵机28，使其带动齿轮30转动，齿轮30与固定在转轴26的齿轮31啮合，使得转轴转动。从而实现机械臂2在一定180°范围内的旋转，将前方垃圾拨送到机器人前方。机械臂的设计大大增加了机器人收集垃圾的区域面积，大大提高了工作效率。

如图1所示：考虑到主船体1与垃圾收集输送装置之间有很大的缝隙，被机械臂2收揽的垃圾难免会从缝隙中漏过，降低垃圾收集的效率。针对此问题，机器人安装了分流板29。分流板材质光滑易折叠，与机械臂2配合，可以将机械臂2在机器人前方聚揽的垃圾分成两部分，使左右垃圾收集装置将垃圾收集。分流板29安装在船体的前端，与主船体1相贴合，分流板29的两端卡在垃圾收集输送装置的支架上的凹槽中，用螺丝上紧。分流板29的使用在可以提高垃圾的收集效率的同时，也使得机器人整体外观更加美观。

如图2所示：同样的，为了防止垃圾从输送带16与支撑钢架21之间的缝隙漏过，本机器人用弧形挡板25皮将缝隙进行遮挡。同时也避免了链条15被垃圾卡住，损坏装置的事件发生。

本发明的工作原理：

机器人在水面上时，输送带16底端浸没在水里，采用自动巡航技术运动，采用风向标对风向进行判别并自动调节船帆与风向的角度，采用超声波识别系统实现自动避障，利用树莓派3B作为硬件处理设备，利用OpenCV平台计算机视觉库实现视觉识别，当机器人感受到垃圾的方位时，向垃圾区域行驶，机械臂2将垃圾拨送到机器人正前方，三角形船头顺势将垃圾分成左右两部分，被船体左右两侧的收集输送装置运送到装置的顶部，在重力作用下落到垃圾袋中。

当垃圾袋载满垃圾后，装在垃圾收纳装置上的红外线电子测量仪18将信息传输给机器人控制系统进行处理，机器人逐渐减速至停止，在原地停留一分钟，期间只有输送装置的电机保持转动，目的是保证输送带上的垃圾全部被收到垃圾袋中，随后，输送机电机停止工作，机器人通过预先设定好的程序自动导航至岸边，当机器人停靠至岸边时，将船上的垃圾卸下以后，机器人将重新返回河中进行垃圾回收。

另外，机器人同时还采用人工智能遥控设备。以人工操作为辅助，当机器人出现故障时，可通过人工遥控进行远程操作、调试，使机器人完成工作。

Claims (10)

1.一种可进行分流的水面垃圾清洁智能机器人，其特征在于，包括主船体(1)，主船体(1)分为前舱和后舱，前舱放置控制系统，后舱放置动力系统，主船体(1)内部中间设置有舱板，舱板上设置有船帆(3)，所述的主船体(1)尾部设置有船舵(4)，位于主船体(1)两侧设置有垃圾收集输送装置，垃圾收集输送装置运行的末端设置有垃圾收纳装置(8)，垃圾收集输送装置前部设置有机械臂(2)，所述的动力系统包括差速推进系统和船帆船舵系统，动力系统、垃圾收集输送装置和机械臂(2)分别与控制系统相连，所述的主船体1顶部设置有分流板29，分流板29两端卡在垃圾收集输送装置的支架上的凹槽中。

2.根据权利要求1所述的一种可进行分流的水面垃圾清洁智能机器人，其特征在于，所述的差速推进系统包括两个同型号的推进器，推进器设置在后舱内部两侧，推进器包括安装在主船体(1)尾部的叶轮(13)，叶轮(13)与安装在传动轴套(11)内的传动轴(12)一端相连，传动轴(12)另一端连接电动机(10)，电动机(10)放置在后舱，所述的控制系统与推进器相连，所述的传动轴套(11)穿过船体时通过橡胶垫(5)进行密封。

3.根据权利要求1所述的一种可进行分流的水面垃圾清洁智能机器人，其特征在于，所述的船帆船舵系统包括船帆(3)，船帆(3)顶部设置有船帆卡环(33)，位于船帆(3)底部设置有用于控制其转向的步进电机(32)，步进电机(32)与控制系统相连，所述的步进电机(32)固定在船舱隔板上，步进电机(32)上的电机轴上的第一齿轮(35)与桅杆底部的设置的第二齿轮(36)啮合，位于主船体(1)船头设置有风向标(34)，风向标(34)通过传感器将风向信息传给控制系统。

4.根据权利要求1所述的一种可进行分流的水面垃圾清洁智能机器人，其特征在于，所述的垃圾收集输送装置包括输送带(16)，输送带(16)两侧设置有链条(15)，输送带(16)上穿过有钢条，链条(15)与钢条连接并与位于输送带(16)上方两侧链轮(9)相连，链轮(9)之间设置有主动轴(17)，主动轴(17)末端通过联轴器(20)与伺服电机(22)连接，输送带(16)下方设置有从动轴，垃圾收集输送装置在运行方向上为前低后高的结构；

所述的垃圾收集输送装置前部位于水面以下。

5.根据权利要求4所述的一种可进行分流的水面垃圾清洁智能机器人，其特征在于，所述的主动轴(17)上设置有轴承座(19)，链轮(9)与轴承座(19)之间加有隔套(14)，轴承座(19)位于支撑钢架(21)上，联轴器(20)套在座体23内。

6.根据权利要求1所述的一种可进行分流的水面垃圾清洁智能机器人，其特征在于，所述的输送带(16)与支撑钢架(21)之间设置有弧形挡板(25)。

7.根据权利要求1所述的一种可进行分流的水面垃圾清洁智能机器人，其特征在于，所述的垃圾收纳装置(8)为喷了金属保护漆的铁丝网折成的无盖网桶，通过挂钩悬挂在垃圾收集输送装置末端处的支架上，无盖网桶内部置有垃圾布袋，所述的无盖网桶网口安置一个用于测量垃圾高度的红外电子测量仪18，红外电子测量仪(18)与控制系统相连。

8.根据权利要求1所述的一种可进行分流的水面垃圾清洁智能机器人，其特征在于，所述的垃圾收集输送装置通过挂钩架(7)挂在主船体(1)的船壁上，挂钩架(7)由两个弯钩和铁皮构成，铁皮依照弯钩形态焊接在弯钩上，垃圾收集输送装置之间通过两根铁杆连接。

9.根据权利要求1所述的一种可进行分流的水面垃圾清洁智能机器人，其特征在于，所述的机械臂(2)包括矩形铁丝网，矩形铁丝网与垃圾收集输送装置通过转轴(26)相连进行转动，转轴(26)设置在转轴座(27)上，转轴(26)通过舵机(28)提供动力，舵机(28)带动齿轮(30)转动，齿轮(30)与固定在转轴(26)的齿轮(31)啮合；

10.根据权利要求1所述的一种可进行分流的水面垃圾清洁智能机器人，其特征在于，所述的主船体(1)端部为三角状。