CN111452924A - 一种水面垃圾清理机器人 - Google Patents

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李莹辉
周兆峰
张嘉宝
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Abstract

一种水面垃圾清理机器人，它包括框架、垃圾收集装置和驱动源；垃圾收集装置包括回弹防倒出机构和垃圾收集仓；垃圾收集仓设置于框架内并可滑动，垃圾收集仓具有一收集口，回弹防倒出机构设置于收集口处，并与垃圾收集仓转动连接，回弹防倒出机构在受到外侧液体压力时向垃圾收集仓内转动；驱动源安装在框架上，用于提供动力；所述框架包括外壳和船体；外壳底部相对的两侧各安装有一船体，所述驱动源可驱动所述船体航行。本发明结构可靠，收集到的垃圾不会再二次倒出，运行阻力小，收集和清理效果好。

Description

一种水面垃圾清理机器人
技术领域
本发明涉及一种水面垃圾清理机器人，具体涉及以水下推进器作为动力的水面垃圾清理机器人。
背景技术
随着时代的进步和社会的发展，人们的生活活动场所的扩大，资源利用和浪费造成的城市水体如河流、湖泊等的水体污染日益严重，给社会生态环境带来了极大的影响。随着生活水平以及城市绿化要求的提高，人们的环保意识的逐步增强，目前对水体污染的治理和水体垃圾的清理有着更加迫切的需求。水体环保问题愈加受社会关注，目前水体清理大多依靠人力进行打捞，人力物力耗费较大。已有的垃圾清理装置都有一定的局限性。
发明内容
本发明为克服现有技术不足，提供一种水面垃圾清理机器人。该机器人运行可靠，行进阻力小，收集和清理效果好。
一种水面垃圾清理机器人包括框架、垃圾收集装置和驱动源；
垃圾收集装置包括回弹防倒出机构和垃圾收集仓，垃圾收集仓设置于框架内并可滑动，垃圾收集仓具有一收集口，回弹防倒出机构设置于收集口处，并与垃圾收集仓转动连接，在受到外侧液体压力时向垃圾收集仓内转动；驱动源安装在框架上，用于提供动力；所述框架包括外壳和船体；外壳底部相对的两侧各安装有一船体，所述驱动源可驱动所述船体航行。
本发明相比现有技术的有益效果是：
一、回弹防倒出机构保证收集到的垃圾不会再二次倒出，且采用纯机械结构，在保证功能要求的前提下节省能源。
二、垃圾清理机器人针对城市小型水体设计，目的是对城市水体存在的泡沫垃圾，固体垃圾，塑料瓶等进行清理，框架内采用了可滑动的收集仓，可以实现便捷收集垃圾这个功能，在设计方面船体与垃圾收集装置一体连接，采用半入水式进行垃圾收集和清理，收集装置的可拆卸便于垃圾的回收处理，船体采用双船体，外形为长条结构，可以改进船体外形减小阻力以提升行进速度。对于在三维建模中受力复杂的结构处，进行ANSYS有限元分析，确定结构的抗载荷能力，优化结构设计。还可以改进动力系统提高垃圾清理机器人的运行速度，提升收集和清理效率。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：
附图说明
图1为本发明的垃圾清理机器人的立体图；
图2为本发明垃圾收集仓伸出框架的状态图；
图3为垃圾收集装置的立体图；
图4为减阻装置的连接关系图；
图5为气孔的布置图；
图6为检测模块的布置图；
图7为FPV图传模块和检测模块的布置图。
具体实施方式
参见图1-图2所示，本实施方式的一种水面垃圾清理机器人，它包括框架1、垃圾收集装置2和驱动源3；
垃圾收集装置2包括回弹防倒出机构21和垃圾收集仓22；
垃圾收集仓22设置于框架1内并可滑动，用于垃圾的取出倾倒，垃圾收集仓22具有一收集口，回弹防倒出机构21设置于收集口处，并与垃圾收集仓22转动连接，回弹防倒出机构21在受到外侧液体压力时向垃圾收集仓22内转动；回弹防倒出机构21用于控制收集口启闭；
驱动源3安装在框架1上，用于提供动力；
所述框架1包括外壳11和船体12；外壳11底部相对的两侧各安装有一船体12，所述驱动源3可驱动所述船体12航行。
本实施方式根据需要，船体采用两个船体，每个船体的外形为前端上翘后端平直、底部窄顶部宽的长条船体，基于结构的优化设计，减小阻力以提升行进速度。
作为一个示例，两个船体12依靠双头螺柱及固定滑块设在外壳11上，双头螺柱固定滑块上下可移动，这样设计可调节机器人吃水深度从而适应不同水域。外壳11可由上部为罩壳，下部为架体的组合体，罩壳和架体采用螺栓连接，便于拆卸。
可选地，所述外壳11的顶部还安装有鱼鳍状流线件8。利用鱼鳍状流线件8减少阻力提高行进速率。
可选地，如图3所示，所述回弹防倒出装置21包括挡板211和弹性件212；垃圾收集仓22的收集口处相对设置有两个挡板211，两个挡板211通过弹性件212与垃圾收集仓22连接。用于垃圾的收集或倒出。
作为一个示例，弹性件212为弹簧合页。垃圾收集仓22为网状的拱形体或圆弧形和矩形的组合体。当机器人静止时由于弹簧合页本身劲度系数的原因使得挡板211相对垃圾收集仓22直立，收集口关闭；当机器人直线行进或者转弯行进的时候，迫于水流给与挡板211的压力压缩弹簧使得收集口打开，垃圾被收集进垃圾收集仓22中；当机器人倒退时，一方面是弹簧合页的本身劲度系数的原因，更重要的是在水流的阻力下，使得挡板相对垃圾收集仓22直立，收集口关闭防止收集的垃圾倒出，或者在静止瞬间，由于弹簧合页本身劲度系数的原因得挡板相对垃圾收集仓22直立，收集口关闭防止收集的垃圾倒出。
作为一个示例，垃圾收集仓22由铝型材构成，它与外壳11之间由铝型材滑块连接，实现垃圾收集仓22的可抽拉式，方便收集垃圾之后的二次处理问题。
可选地，如图1和图2所示，所述驱动源包括水下推进器4和遥控系统；遥控系统具有遥控器、接收机和电调；接收机和电调安装在框架1上，外壳11的底部安装有呈阵列排布的四个水下推进器4，接收机经导线与电调连接，电调经导线与水下推进器4的电机连接，遥控器与接收机无线通信。控制遥控器便可控制水下推进器的电机启停，进而实现机器人航行、倒退或转弯，以实现清理收集垃圾的目的。
可选地，所述水下推进器4为螺旋推进器。可选用SPEEDING RC公司的ROV-560KV-3KG-G型水下推进器。螺旋桨推进器的螺旋桨构造简单，工作可靠，效率较高。采用两个船体和螺旋推进器，改进动力系统提高垃圾清理机器人的运行速度，提升收集和清理效率。
可选地，如图4和图5所示，所述垃圾清理机器人还包括减阻装置，外壳11的上部相对两侧布置有两套减阻装置；每套所述减阻装置包括气泵51、气体输送主管52和气体输送支管53；气泵51连接气体输送主管52，气体输送主管52连接气体输送支管53，气体输送支管53安装在船体12的底部，气体输送支管53上开设有多个排气孔。
作为一个示例，排气孔呈一排设置，气泵51由移动电源供电，源源不断地产生气体，通过气体传输主管52将气体传输到气体输送支管53并通过气孔26产生微气泡排除。根据流体力学性能和动力学性能要求，高压气泡会在船体下面形成一层微小气泡隔离层(隔水膜)可以有效减小阻力。微气泡减阻装置形成致密的水膜，满足流体动力动力学性能要求，减小行进的阻力。
可选地，如图6和图7所示，所述垃圾收集机器人还包括检测模块，所述检测模块包括温度传感器61、浊度传感器62、超声波传感器63、单片机64和显示器65；温度传感器61和浊度传感器62安装在外壳11的下部，超声波传感器63安装在外壳11的上部，温度传感器61、浊度传感器62和超声波传感器63分别与单片机64电连接，单片机64与显示器65电连接。单片机核心控制器采用5V电源供电，为温度传感器61、浊度传感器62和超声波传感器63供给电源。其中温度传感器61检测水体温度；浊度传感器62根据水中颗粒物多少和大小对光线折射率的影响，判断水体浑浊度程度，并根据具体数值区分为“good”、“attention”、“harmful！！”三种等级；超声波传感器63测量机顶到水面之间的距离，从而判断机器人吃水深度，防止机器人意外沉溺，以上三种传感器的测量值经过单片机64核心控制器处理计算后显示在显示器65上，使用时，数据将返给操作人PC端实时监测机器人运行状态，防止机器人意外沉溺。
作为一个示例，单片机64可采用品牌TELESKY的STM32F407VET6开发板；温度传感器61可选用浙江欣拓电气有限公司的DS18B20数字温度传感器探头；浊度传感器62可选用安徽阜阳五金电子的TDS浊度传感器；超声波传感器63可采用品牌TELESKY的HY-SRF05五针超声波模块超声波测距模块；显示器65可采用品牌TELESKY的0.96寸OLED显示屏。
可选地，所述垃圾清理机器人还包括FPV图传模块，所述FPV图传模块包括摄像头71和信号处理及传输天线72；所述摄像头71安装在框架1的顶部，信号处理及传输天线72将摄像头采集的图像信号传输给现场的PC机。摄像头71放置非水平，采用一定斜度使得摄像头拍摄到的画面为机器人正面水域，信号处理及传输天线72将机器人正面的水况画面传输到PC端，帮助快速定位垃圾位置，观察水面实时情况，提高垃圾收集效率，实现更深度的人机交互。作为一个示例，FPV图传模块可采用品牌ewrf的FPV图传接收套装。
可选地，如图7所示，所述垃圾清理机器人还包括航行控制器9，航行控制器9与遥控器无线通信，机器人返航时，遥控器从手动挡调到自动挡，航行控制器9驱动机器人返航。作为一个示例，水下推进器16通过双通道遥控器受航行控制器。航行控制器9搭载pixhawk控制器，采用GPS信号定位，智能巡航功能和自主返航功能基于此定位实现。通过调节和参数设置使pixhawk模块与垃圾清洁机器人的动力需求兼容，pixhawk控制器与接收机相连后可通过遥控器直接自动控制动力输出，当需要返航时，可把遥控器从手动挡调到自动挡，pixhawk控制器就会自动执行返航程序，驱动清洁船返航；如果不开自动挡，也可以完全手动操控返航。其中Pixhawk支持动力输出的解锁和上锁，并搭载内存卡，可在解锁时对解锁定位地点进行记录，设置为返航的目标点。通过遥控器通道触发返航模式后，pixhawk可通过调整油门大小和差速动力转向，不断修正前进返航路线，控制机器人自主航行返回出发点即解锁地点。搭载的pixhawk控制器可选用权盛电子的Pixhawk 2.4.8型控制器。机器人可选远程遥控模式和自主巡航、回程模式，以及机器人搭载FPV智能图传模块，实现深度化的人机交互。以满足智能化需求。
上述方案中，水下推进器4、遥控系统、气泵51、检测模块、FPV图传模块和航行控制器9均通过安装在框架1上的移动电源供电。
工作原理
当水面垃圾清理机器人在开机静止模式下，水下推进器4通电待机，移动电源给双通道的气泵51供电，气泵51运行在一对船体12底部产生一层致密的水膜包裹着船体12，操作双通道的遥控器使水面垃圾清理机器人处于运行模式时，垃圾收集仓的收集口处的两个挡板21由于水流压力使得弹簧合页的弹簧压缩，收集口打开，机器人开始收集水面垃圾；当机器人行驶至人眼清晰观察的区域之外时，操作者可根据FPV图传模块实时传输到PC端的画面，精准判断水面垃圾的位置，从而操作机器人高效清洁。若机器人有转弯需求时，可以操作遥控器，由机器人两边水下推进器4排水量不同差速转向原理实现半径转向或原地转弯；若机器人需要后退，则只需操作遥控器使得水下推进器4反转实现后退，当机器人倒退时，一方面是弹簧合页的本身劲度系数的原因，更重要的是在水流的阻力下，使得挡板相对垃圾收集仓22直立，收集口关闭防止收集的垃圾倒出，或者在静止瞬间，由于弹簧合页本身劲度系数的原因得挡板相对垃圾收集仓22直立，收集口关闭防止收集的垃圾二次倒出。在机器人整个运行期间，可以根据智能检测模块5传输回的数据判断水质水温的状态和机器运行的状态，实现更好的人机交互，检测模块检测水质水温吃水深度显示在OLED显示屏上。当机器人收集完垃圾回程时，可选远程遥控模式和自主巡航、回程模式。机器人收集的垃圾二次处理依靠可抽拉式垃圾收集仓轻松处理。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (9)

1.一种水面垃圾清理机器人，其特征在于：它包括框架(1)、垃圾收集装置(2)和驱动源(3)；
垃圾收集装置(2)包括回弹防倒出机构(21)和垃圾收集仓(22)；
垃圾收集仓(22)设置于框架(1)内并可滑动；垃圾收集仓(22)具有一收集口，回弹防倒出机构(21)设置于收集口处，并与垃圾收集仓(22)转动连接，回弹防倒出机构(21)在受到外侧液体压力时向垃圾收集仓(22)内转动；
驱动源(3)安装在框架(1)上，用于提供动力；
所述框架(1)包括外壳(11)和船体(12)；外壳(11)底部相对的两侧各安装有一船体(12)，所述驱动源(3)可驱动所述船体(12)航行。
2.根据权利要求1所述一种水面垃圾清理机器人，其特征在于：所述回弹防倒出机构(21)包括挡板(211)和弹性件(212)；垃圾收集仓(22)的收集口处相对设置有两个挡板(211)，两个挡板(211)通过弹性件(212)与垃圾收集仓(22)连接。
3.根据权利要求1所述一种水面垃圾清理机器人，其特征在于：所述驱动源(3)包括水下推进器(4)和遥控系统；遥控系统具有遥控器、接收机和电调；
接收机和电调安装在框架(1)上，外壳(11)的底部安装有呈阵列排布的四个水下推进器(4)，接收机经导线与电调连接，电调经导线与水下推进器(4)的电机连接，遥控器与接收机无线通信。
4.根据权利要求3所述一种水面垃圾清理机器人，其特征在于：所述水下推进器(4)为螺旋推进器。
5.根据权利要求4所述一种水面垃圾清理机器人，其特征在于：还包括减阻装置，外壳(11)的上部相对两侧布置有两套减阻装置；
每套所述减阻装置包括气泵(51)、气体输送主管(52)和气体输送支管(53)；
气泵(51)连接气体输送主管(52)，气体输送主管(52)连接气体输送支管(53)，气体输送支管(53)安装在船体(12)的底部，气体输送支管(53)上开设有多个气孔。
6.根据权利要求2或5所述一种水面垃圾清理机器人，其特征在于：还包括检测模块，所述检测模块包括温度传感器(61)、浊度传感器(62)、超声波传感器(63)、单片机(64)和显示器(65)；
温度传感器(61)和浊度传感器(62)安装在外壳(11)的下部，超声波传感器(63)安装在外壳(11)的上部，温度传感器(61)、浊度传感器(62)和超声波传感器(63)分别与单片机(64)电连接，单片机(64)与显示器(65)电连接。
7.根据权利要求6所述一种水面垃圾清理机器人，其特征在于：还包括FPV图传模块，所述FPV图传模块包括摄像头(71)和信号处理及传输天线(72)；
所述摄像头(71)安装在框架(1)的顶部，信号处理及传输天线(72)将摄像头采集的图像信号传输给现场的PC机。
8.根据权利要求1所述一种水面垃圾清理机器人，其特征在于：所述外壳(11)的顶部还安装有鱼鳍状流线件(8)。
9.根据权利要求8所述一种水面垃圾清理机器人，其特征在于：还包括航行控制器(9)，航行控制器(9)与遥控器无线通信，机器人返航时，遥控器从手动挡调到自动挡，航行控制器(9)驱动机器人返航。
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Application publication date: 20200728

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