基于流體渦旋向心吸力的水面垃圾收集機器人設(shè)計

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打撈垃圾機器人進行打撈,但采用人工打撈的方式需要專業(yè)人員操作,并且勞動強度大、工作效率低、周期長、不安全,且受天氣環(huán)境影響較為嚴(yán)重:而市場上自動打撈垃圾機器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴、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)計了基于流體渦旋向心吸力的水面垃圾收集機器人,利用流體渦旋向心吸力的原理,增大吸納垃圾的范圍,對垃圾進行收集處理,有效地解決了上述問題。

本文所設(shè)計的水面垃圾收集機器人不僅成本低,結(jié)構(gòu)簡單,而且垃圾收集效果好,效率高,實用性強,能達到節(jié)約資源、保護環(huán)境、節(jié)能減排的效果,有利于我國現(xiàn)代化生態(tài)文明美好家園的建設(shè)。

1結(jié)構(gòu)設(shè)計

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器人軸測圖

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

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行雙船體間的

距離固定,使得船體在運動過程中得以保持穩(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會產(chǎn)生不平衡的力,本文采用3D打印技術(shù)打印出實體打撈桶,再對其進行了改裝和調(diào)試,使得船體和打撈桶擁有更大的運行力和吸力;我們也對電池進行了升級與調(diào)適,大大提高了系統(tǒng)運行時的穩(wěn)定性和持久性。

2系統(tǒng)開發(fā)

本文設(shè)計的基于流體渦旋向心吸力的水面垃圾收集機器人控制系統(tǒng)主要由船體運動系統(tǒng)及垃圾收集系統(tǒng)組成。船體采用基于Arduino板研發(fā)的遠程控制,在船體上增加天線,用于增強信號的接收能力,提高對船體的遠程控制水平,通過控制器上的油門和方向推桿控制船體的移動。垃圾收集系統(tǒng)同樣為基于Arduino的遠程控制,通過控制器的其他觸發(fā)開關(guān)對垃圾收集系統(tǒng)的水泵進行控制。此外,在整個系統(tǒng)中,本文設(shè)計的機器人經(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所需電壓7.4V、水泵所需電壓24V。該系統(tǒng)中還設(shè)計了低電提醒功能,當(dāng)電壓低于l6V時就會發(fā)出警報,要求水面垃圾機器人返回。

3運行測試

通過上文的機構(gòu)設(shè)計以及系統(tǒng)設(shè)計,先在系統(tǒng)上進行模擬仿真,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),水泵啟動進行吸水操作,打撈桶內(nèi)的水被吸走,水面上的水重新注入,打撈桶內(nèi)就會形成渦旋現(xiàn)象,同時也會產(chǎn)生一個渦旋向心吸力,水面上的垃圾便會隨著這個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器人模擬圖

在系統(tǒng)上進行模擬仿真后,對該水面垃圾收集機器人進行零部件組裝、系統(tǒng)調(diào)試,然后到學(xué)校里的湖泊中進行實物實驗,并通過實際增設(shè)打撈網(wǎng),防止垃圾堵住進水口。在實驗中,將水面垃圾收集機器人放入深水中,使用遙控器對其進行操控,以測試前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、加速、減速、啟動和關(guān)閉等一系列功能。實驗表明,基于流體渦旋向心吸力的水面垃圾收集機器人的平衡狀態(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器人實驗圖

4結(jié)語

本文所設(shè)計的基于流體渦旋向心吸力的水面垃圾收集機器人,基于流體渦旋向心吸力的原理,利用Arduino板和藍牙模塊的結(jié)合,實現(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測。與傳統(tǒng)的自動打撈垃圾機器人相比,本文所述水面垃圾收集機器人具有效率高、能耗小等優(yōu)勢,在未來的環(huán)保應(yīng)用上有著廣闊的前景。