CN114351672A - 仿生儒艮湖泊垃圾清理机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及湖泊垃圾清理设备技术领域，具体涉及一种仿生儒艮湖泊垃圾清理机器人。通过平衡水舱的充水和出水改变机器人整体密度来实现机器人的上浮和下潜，并通过在两侧均设置平衡水舱，结合气压机和控制器，实现机器人上浮/下潜深度的精确控制；通过采用模仿儒艮外形的鱼头结构、鱼身结构，结合鳍肢舵机、仿生鳍肢以及电机、摇摆机构、仿生鱼尾和仿生尾鳍相配合，能够实现机器人在水中稳定、快速的前进；通过头部传感器和控制器相配合，能够实现水体中的异物的自动识别，再结合垃圾进口通道、垃圾收集箱和水泵的工作，能够湖泊中垃圾的自动收集。
Description
技术领域
本发明涉及湖泊垃圾清理设备技术领域，具体涉及一种仿生儒艮湖泊垃圾清理机器人。
背景技术
儒艮，是一种海洋草食性哺乳动物，儒艮的身体呈纺锤形，全身有稀疏的短细体毛，没有明显的颈部，头部较小，无外耳廓，耳孔位于眼后，无背鳍，仿生鳍肢为椭圆形，尾鳍宽大，左右两侧扁平对称，后缘为新月形。儒艮是世界上最古老的海洋动物之一，水下适应性强。
目前湖泊清理以人工为主，人工清理过程中打捞费时费力，效率低；现有的湖泊清理机械，存在条件限制，只能在水面工作，水下垃圾清理还是依靠人力。现有湖泊清理机械主要漂浮在水面进行工作，通过带倒刺的履带传送机构把垃圾从水面拉出运送至垃圾箱内；或通过机械的移动让水面上的垃圾自己“钻”进机械垃圾箱。
现有技术无法满足湖泊水下垃圾的自动清理需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种仿生儒艮湖泊垃圾清理机器人，能够平稳的在水中移动并清理湖泊中各水层的垃圾，且能够实现湖泊水中垃圾的自动清理。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种仿生儒艮湖泊垃圾清理机器人，包括外壳、垃圾收集箱5、平衡水舱2、仿生驱动结构和控制器，所述外壳由模仿儒艮外形的鱼头结构、鱼身结构组成，所述鱼头结构设有垃圾进口通道1和头部传感器21，所述垃圾进口通道1与位于鱼身结构内部的垃圾收集箱5连接，所述鱼身结构上部设有垃圾箱盖4，鱼身结构后部设有鱼身分隔板8，所述鱼身分隔板8上设有水泵11，所述水泵11一端与垃圾收集箱5相连，另一端与开设在鱼身分隔板8底部的鱼身分隔板出水口17相连；
所述鱼身结构两侧对称设有平衡水舱2，所述平衡水舱2通过中部隔板分隔为高压气舱18和充水舱19，所述隔板装有气压机23，所述充水舱19外壁和靠近垃圾收集箱5一侧的内壁均开设有网状孔并设有对应的水阀16；
所述平衡水舱2外壁设有鳍肢舵机20，所述鳍肢舵机20连接有仿生鳍肢3，所述垃圾收集箱5后盖中部设有电机6，所述电机6后部连有摇摆机构7，所述摇摆机构7连接有仿生鱼尾10和仿生尾鳍9；
所述鱼身结构底部设有控制器、深度传感器和电源13，所述深度传感器、电源13、头部传感器21、水泵11、鳍肢舵机20、电机6、水阀16和气压机23均与所述控制器电连接。
进一步的，所述垃圾收集箱5内依次设有垃圾箱一层滤网14和垃圾箱二层滤网15。
进一步的，所述垃圾收集箱5后盖底部开设有垃圾箱网状出水口12，所述垃圾箱网状出水口12通过水泵连接管22连接水泵11。
进一步的，所述头部传感器21具体为红外传感器或雷达传感器。
进一步的，所述水泵11上装有流速检测器，所述流速检测器与所述控制器电连接。
进一步的，所述电源13具体为可充电蓄电池。
进一步的，所述仿生鳍肢3、仿生鱼尾10和仿生尾鳍9的形状均模仿儒艮相应的部位设计。
进一步的，所述外壳、仿生鳍肢3、仿生鱼尾10和仿生尾鳍9外壁均采用镀锌处理。
进一步的，所述垃圾收集箱5内壁和所述充水舱19内壁均采用防腐蚀材料。
本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：
1、通过平衡水舱的充水和出水改变机器人整体密度来实现机器人的上浮和下潜，并通过在两侧均设置平衡水舱，结合气压机和控制器，实现机器人上浮/下潜深度的精确控制，同时可通过控制两侧平衡水舱进水量不同，实现机器人轴向旋转动作；
2、通过采用模仿儒艮外形的鱼头结构、鱼身结构，结合鳍肢舵机、仿生鳍肢以及电机、摇摆机构、仿生鱼尾和仿生尾鳍相配合，能够实现机器人在水中稳定、快速的前进；
3、通过头部传感器和控制器相配合，能够实现水体中的异物的自动识别，再结合垃圾进口通道、垃圾收集箱和水泵的工作，能够湖泊中垃圾的自动收集，同时，通过垃圾箱一层滤网、垃圾箱二层滤网、垃圾箱网状出水口和垃圾箱网状出水口的层层过滤，能够有效阻隔箱内垃圾不外泄且不影响水流通过。
附图说明
图1是本发明湖泊垃圾清理机器人整体结构示意图；
图2是本发明湖泊垃圾清理机器人剖视图；
图3是本发明湖泊垃圾清理机器人垃圾收集箱示意图；
图4是本发明湖泊垃圾清理机器人平衡水舱示意图；
图5是本发明湖泊垃圾清理机器人正视图。
图中：1、垃圾进口通道；2、平衡水舱；3、仿生鳍肢；4、垃圾箱盖；5、垃圾收集箱；6、电机；7、摇摆机构；8、鱼身分隔板；9、仿生尾鳍；10、仿生鱼尾；11、水泵；12、垃圾箱网状出水口；13、电源；14、垃圾箱一层滤网；15、垃圾箱二层滤网；16、水阀；17、鱼身分隔板出水口；18、高压气舱；19、充水舱；20、鳍肢舵机；21、头部传感器；22、水泵连接管；23、气压机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
一、仿生儒艮湖泊垃圾清理机器人结构
如图1～5所示，一种仿生儒艮湖泊垃圾清理机器人，包括外壳、垃圾收集箱、平衡水舱、仿生驱动结构和控制器，所述外壳由模仿儒艮外形的鱼头结构、鱼身结构组成。
其中，所述鱼头结构口部设有垃圾进口通道1，所述鱼头结构中部设有头部传感器21(具体可为红外传感器或雷达传感器)，所述垃圾进口通道1与位于鱼身结构内部的垃圾收集箱5连接，所述鱼身结构上部设有与垃圾收集箱5对应的垃圾箱盖4，所述鱼身结构后部设有鱼身分隔板8；
所述鱼身分隔板8上设有水泵11，所述水泵11上装有流速检测器，所述水泵11一端通过水泵连接管22与所述垃圾收集箱5相连，另一端与开设在鱼身分隔板8底部的鱼身分隔板出水口17相连。
进一步的，所述垃圾收集箱5内后部依次设有垃圾箱一层滤网14(粗网)和垃圾箱二层滤网15(细网)，所述垃圾收集箱5后盖底部开设有垃圾箱网状出水口12，所述垃圾箱网状出水口12通过水泵连接管22连接水泵11。
进一步的，所述鱼身结构两侧对称设有平衡水舱2，所述平衡水舱2通过中部的隔板分隔为高压气舱18和充水舱19，所述隔板上设有气压机23；所述充水舱19外壁和靠近垃圾收集箱5一侧的内壁均开设有网状孔并设有对应的水阀16。
更进一步的，所述平衡水舱2外壁设有鳍肢舵机20，所述鳍肢舵机20连接有仿生鳍肢3，所述垃圾收集箱5后盖中部设有电机6，所述电机6后部连有摇摆机构7，所述摇摆机构7后部连接有仿生鱼尾10和仿生尾鳍9，所述鳍肢舵机20、仿生鳍肢3、电机6、摇摆机构7、仿生鱼尾10和仿生尾鳍9共同构成了仿生驱动结构。
更进一步的，所述控制器(具体可为单片机)设于鱼身结构底部，所述鱼身结构底部还装有深度传感器和电源13(具体为可充电蓄电池)，所述深度传感器、电源13、头部传感器21、水泵11、流速检测器、鳍肢舵机20、电机6、水阀16和气压机23均与所述控制器电连接。
更进一步的，所述仿生鳍肢3、仿生鱼尾10和仿生尾鳍9的形状均模仿儒艮相应的部位设计，能够更好的适应水下移动，提供更高效、充足的推进力。
所述外壳、仿生鳍肢3、仿生鱼尾10和仿生尾鳍9外壁均采用镀锌处理；
所述垃圾收集箱5内壁和所述充水舱19内壁均采用防腐蚀材料。
二、工作原理
(1)上浮下潜原理：
本发明的湖泊垃圾清理机器人通过平衡水舱2的充水和出水改变机器人整体密度来实现机器人的上浮和下潜。
当需要下潜时，控制器控制水阀16开启，同时控制平衡水舱2内气压机23工作把充水舱19内气体吸收压缩至高压气舱18，由于充水舱19内气压减小，水通过水阀16流入充水舱19，使机器人整体密度增大，从而实现机器人下潜；
当需要上浮时，控制器控制水阀16开启，同时控制平衡水舱2内气压机23工作把高压气舱18内高压气体释放至充水舱19内，由于充水舱19内气压增大，水通过水阀16从充水舱19排出，使机器人整体密度变小，从而实现机器人上浮；
深度传感器检测实时将机器人深度信息发送给控制器，当机器人上浮或下潜至预设深度后，控制器控制水阀16关闭，同时控制气压机23关闭。
(2)推进原理：
控制器控制鱼身结构两侧的鳍肢舵机20进行往复摆动，带动两侧的仿生鳍肢3划动，提供向前的推力，并且可通过控制两侧鳍肢舵机20的摆动速度不同，造成两仿生鳍肢的划动速度不同来实现机器人的转向；同时，控制器控制电机6工作带动摇摆机构7上下摆动，摇摆机构7上下摆动带动仿生鱼尾10和仿生尾鳍9上下摆动，达到使机器人稳定、快速前进的目的。
(3)垃圾清理原理：
通过头部传感器21自动识别水体中的异物信息并发送给控制器，控制器结合深度传感器信号计算出机器人需要上浮或下潜的预设深度；
当机器人达到预设深度时，水泵11开始工作，使机器人口部水体通过垃圾进口通道1向垃圾收集箱5内流动，并使机器人口部周围垃圾随水流吸入垃圾收集箱5，垃圾收集箱5内垃圾箱一层滤网14(粗网)把较大垃圾阻隔在垃圾收集箱5前半部分箱体内，垃圾箱二层滤网15(细网)过滤细小垃圾和尘土，防止其堵塞水泵连接管22，垃圾收集箱5内水体依次通过垃圾箱网状出水口12、水泵连接管22、水泵11、鱼身分隔板出水口17排出机器人，排出的水体可作为动力推动机器人前进；
水泵11上装有的流速检测器通过监测流过水泵11的水体流速，判断垃圾箱内垃圾容量。
综上所述，采用本发明的一种仿生儒艮湖泊垃圾清理机器人：
1、通过平衡水舱的充水和出水改变机器人整体密度来实现机器人的上浮和下潜，并通过在两侧均设置平衡水舱，结合气压机和控制器，实现机器人上浮/下潜深度的精确控制，同时可通过控制两侧平衡水舱进水量不同，实现机器人轴向旋转动作；
2、通过采用模仿儒艮外形的鱼头结构、鱼身结构，结合鳍肢舵机、仿生鳍肢以及电机、摇摆机构、仿生鱼尾和仿生尾鳍相配合，能够实现机器人在水中稳定、快速的前进；
3、通过头部传感器和控制器相配合，能够实现水体中的异物的自动识别，再结合垃圾进口通道、垃圾收集箱和水泵的工作，能够湖泊中垃圾的自动收集，同时，通过垃圾箱一层滤网、垃圾箱二层滤网、垃圾箱网状出水口和垃圾箱网状出水口的层层过滤，能够有效阻隔箱内垃圾不外泄且不影响水流通过。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种仿生儒艮湖泊垃圾清理机器人，包括外壳、垃圾收集箱(5)、平衡水舱(2)、仿生驱动结构和控制器，其特征在于：所述外壳由模仿儒艮外形的鱼头结构、鱼身结构组成，所述鱼头结构设有垃圾进口通道(1)和头部传感器(21)，所述垃圾进口通道(1)与位于鱼身结构内部的垃圾收集箱(5)连接，所述鱼身结构上部设有垃圾箱盖(4)，鱼身结构后部设有鱼身分隔板(8)，所述鱼身分隔板(8)上设有水泵(11)，所述水泵(11)一端与垃圾收集箱(5)相连，另一端与开设在鱼身分隔板(8)底部的鱼身分隔板出水口(17)相连；
所述鱼身结构两侧对称设有平衡水舱(2)，所述平衡水舱(2)通过中部隔板分隔为高压气舱(18)和充水舱(19)，所述隔板装有气压机(23)，所述充水舱(19)外壁和靠近垃圾收集箱(5)一侧的内壁均开设有网状孔并设有对应的水阀(16)；
所述平衡水舱(2)外壁设有鳍肢舵机(20)，所述鳍肢舵机(20)连接有仿生鳍肢(3)，所述垃圾收集箱(5)后盖中部设有电机(6)，所述电机(6)后部连有摇摆机构(7)，所述摇摆机构(7)连接有仿生鱼尾(10)和仿生尾鳍(9)；
所述鱼身结构底部设有控制器、深度传感器和电源(13)，所述深度传感器、电源(13)、头部传感器(21)、水泵(11)、鳍肢舵机(20)、电机(6)、水阀(16)和气压机(23)均与所述控制器电连接。
2.根据权利要求1所述的一种仿生儒艮湖泊垃圾清理机器人，其特征在于：所述垃圾收集箱(5)内依次设有垃圾箱一层滤网(14)和垃圾箱二层滤网(15)。
3.根据权利要求1所述的一种仿生儒艮湖泊垃圾清理机器人，其特征在于：所述垃圾收集箱(5)后盖底部开设有垃圾箱网状出水口(12)，所述垃圾箱网状出水口(12)通过水泵连接管(22)连接水泵(11)。
4.根据权利要求1所述的一种仿生儒艮湖泊垃圾清理机器人，其特征在于：所述头部传感器(21)具体为红外传感器或雷达传感器。
5.根据权利要求1所述的一种仿生儒艮湖泊垃圾清理机器人，其特征在于：所述水泵(11)上装有流速检测器，所述流速检测器与所述控制器电连接。
6.根据权利要求1所述的一种仿生儒艮湖泊垃圾清理机器人，其特征在于：所述电源(13)具体为可充电蓄电池。
7.根据权利要求1所述的一种仿生儒艮湖泊垃圾清理机器人，其特征在于：所述仿生鳍肢(3)、仿生鱼尾(10)和仿生尾鳍(9)的形状均模仿儒艮相应的部位设计。
8.根据权利要求1所述的一种仿生儒艮湖泊垃圾清理机器人，其特征在于：所述外壳、仿生鳍肢(3)、仿生鱼尾(10)和仿生尾鳍(9)外壁均采用镀锌处理。
9.根据权利要求1所述的一种仿生儒艮湖泊垃圾清理机器人，其特征在于：所述垃圾收集箱(5)内壁和所述充水舱(19)内壁均采用防腐蚀材料。
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