水面漂浮物、水面垃圾清理機(jī)器人的設(shè)計(jì)含開(kāi)題及4張CAD圖,水面,漂浮,垃圾,清理,機(jī)器人,設(shè)計(jì),開(kāi)題,CAD 1前言 在我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷高速發(fā)展和人民生活水平不斷提高的背后，是我國(guó)的環(huán)境污染的不斷加劇，雖然在人們現(xiàn)在的環(huán)境意識(shí)有很大提高，且國(guó)家對(duì)環(huán)境問(wèn)題的高度重視下，環(huán)境污染情況正在逐漸改善，但是之前的環(huán)境遺留問(wèn)題還是很大，尤其我國(guó)的水域環(huán)境，很大一部分都遭受了嚴(yán)重的污染，在其中，不斷產(chǎn)生的水面漂浮物垃圾如何清理是一個(gè)非常值得重視的問(wèn)題。 歐洲、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家很早就已經(jīng)意識(shí)到水體生態(tài)環(huán)境所面臨問(wèn)題的嚴(yán)重性，并且隨著機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，他們積極展開(kāi)水面污染收集清理的科研與實(shí)踐，并取得了一定的成果。我們國(guó)內(nèi)也開(kāi)發(fā)了一些大中型綜合清污船、自動(dòng)化程度高的大型收集清污機(jī)，用于大型河流的巡航清污，經(jīng)濟(jì)成本低，環(huán)境效益大。 環(huán)境問(wèn)題是大問(wèn)題，水資源環(huán)境問(wèn)題更是重點(diǎn)問(wèn)題，于是，我大量查閱了國(guó)內(nèi)外相關(guān)方面的研究成果和資料。 2水面垃圾清理設(shè)備現(xiàn)狀 2.1引言 最開(kāi)始，我國(guó)投入了大量的研發(fā)資金，開(kāi)發(fā)了一系列的適用于中大型水域的水面清潔船只。例如，為三峽水庫(kù)三年的發(fā)展進(jìn)行專(zhuān)門(mén)服務(wù)的“清漂一號(hào)”清潔船?！笆兰o(jì)之光”清潔船，是當(dāng)時(shí)最先進(jìn)、最智能的清潔船之一，配有全球定位系統(tǒng)和無(wú)線(xiàn)通信，使用電力驅(qū)動(dòng)的嵌入式技術(shù)。中國(guó)科學(xué)院材料研究所智能研究所開(kāi)發(fā)了一種“風(fēng)光互補(bǔ)”水面機(jī)器人，利用太陽(yáng)能和風(fēng)能的混合能量為機(jī)器人提供動(dòng)力。昆明理工大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種水陸兩用的清潔船，可以沿著地面行走，以防止在水體中工作以及身體在淺水中擱淺。還有目前已經(jīng)出現(xiàn)的“領(lǐng)航者”號(hào)無(wú)人船水，它的技術(shù)獨(dú)一無(wú)二遙遙領(lǐng)先，結(jié)合輪船、互聯(lián)網(wǎng)、全面自動(dòng)化、智能避障、遠(yuǎn)程通信、等的現(xiàn)代高科技技術(shù)，全面實(shí)現(xiàn)了無(wú)人操作等現(xiàn)代化功能。但是，這些清潔船存在一些問(wèn)題，如體積大、移動(dòng)不便、成本高、排水量大和機(jī)動(dòng)性差。因此上述水面清潔船僅適用于大型河流、湖泊、海洋和其他大面積水域。對(duì)于小型水域，例如一些景點(diǎn)內(nèi)湖面、城市景觀(guān)湖或人工湖來(lái)說(shuō)，這些設(shè)備并不適用。 因此，在小型水域沒(méi)有成熟的清潔設(shè)備的情況下，只能依靠人力打撈。但是人工打撈面臨勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗時(shí)長(zhǎng)、清洗效果差等條件的限制。而且，它可能受地域限制，無(wú)法進(jìn)行正常打撈，在污染地區(qū)進(jìn)行過(guò)多的工作不適合人工打撈。 在這種情況下，國(guó)內(nèi)外適用于小型水域的清潔設(shè)備的研究也大力展開(kāi)來(lái)，結(jié)合查閱較早的資料和近年來(lái)的資料，關(guān)于適用于小型水域清理工作的設(shè)備情況如下 2.2國(guó)內(nèi)外目前有的幾類(lèi)水面垃圾清理設(shè)備： （一）手動(dòng)式水面垃圾清理船 1.收集裝置2.連桿3.滑道4.曲柄5.垃圾倉(cāng)6.軸7.連桿件8.遮陽(yáng)棚9.翻斗銷(xiāo) 10.浮力筒11.滑塊12.方向控制舵13.連接桿14.杠桿15.驅(qū)動(dòng)螺旋槳16.自行車(chē)架17.螺旋槳遮蓋 圖2-1手動(dòng)式水面垃圾清理船 本垃圾清理船是一種手動(dòng)式工提供動(dòng)力的水面垃圾清理裝置。 它是來(lái)源于廢舊自行車(chē)的改裝，其自行車(chē)架被前進(jìn)機(jī)構(gòu)和操控機(jī)構(gòu)共用，特點(diǎn)是人力驅(qū)動(dòng)，沒(méi)有污染產(chǎn)生，有限的提高工人打撈垃圾的效率，但是保障了工人工作時(shí)的安全性和舒適性。 本實(shí)用新型水上漂浮物收集裝置工作效率相對(duì)較高，水面漂浮物垃圾的清理效果明顯，其優(yōu)點(diǎn)是：本水面垃圾清理裝置對(duì)工作環(huán)境的要求較低，可以較好的在不同的水域工作，方便了工人對(duì)于水面漂浮物垃圾的清理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，操作靈活，工作穩(wěn)定。 （二）自動(dòng)化水面垃圾清理機(jī)器人 1.機(jī)器人船體2.船體上平面 3.收集裝置傳送帶 4.控制元件倉(cāng) 5.垃圾收集箱6.攝像頭7.傳送帶電機(jī)8.短直角固定架 9.長(zhǎng)直角固定架 10.垃圾箱外殼體 圖2-2自動(dòng)化水面垃圾清理機(jī)器人 此發(fā)明是用于收集水面垃圾的自動(dòng)化機(jī)器人，自動(dòng)化水平很高，機(jī)身尺寸較小，結(jié)構(gòu)緊湊合理，較為適用于小型水域水面的清理工作，人員操作方便。該機(jī)器人主要結(jié)合了傳統(tǒng)水面清潔設(shè)備不具備的機(jī)器視覺(jué)，利用攝像頭拍回的圖像資料實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水面的垃圾情況，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，解放了人力，提高水面漂浮垃圾的收集清理效率。將水面漂浮物垃圾收集和清理機(jī)械的自動(dòng)化和智能化水平向前推進(jìn)了一大步。 該機(jī)器人的特點(diǎn)是:船體在其動(dòng)力系統(tǒng)的推進(jìn)下，機(jī)器人可以按照設(shè)定好的路線(xiàn)前進(jìn)，使水流向水面的凹部，此時(shí)水面上的漂浮物垃圾與垃圾傳送帶接觸。該機(jī)器人的凹形船頭設(shè)計(jì)，有利于垃圾在水流的作用下自動(dòng)漂浮到船中間。此時(shí)控制電機(jī)帶動(dòng)垃圾輸送帶（輸送帶設(shè)計(jì)成階梯狀，每隔一段設(shè)臺(tái)階）旋轉(zhuǎn)時(shí)，將更多的漂浮物運(yùn)至垃圾收集桶中，提高了收集效率。在機(jī)器人的頂部安裝的面向船前方的攝像頭，可以實(shí)時(shí)獲取船頭前方水域的圖像信息。嵌入式系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)獲取到的視頻，完成垃圾圖像識(shí)別、垃圾定位、控制機(jī)器人和輸送帶的運(yùn)動(dòng)，完成水面漂浮物垃圾的自動(dòng)收集。 此裝置的結(jié)構(gòu)合理，性?xún)r(jià)比高，安全系數(shù)高，自動(dòng)化程度高，操作方便。另外，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)代替了傳統(tǒng)水面垃圾收集設(shè)備人工識(shí)別垃圾，降低了勞動(dòng)者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了水面清理工作的效率。但是目前的垃圾識(shí)別算法發(fā)展還未成熟，垃圾清理可靠性不如人工高，工作后水面的清潔度可能較難維持在高的水平。 （三）遠(yuǎn)程遙控清理裝置 1.船體2.動(dòng)力馬達(dá)3.遙控接收器4.天線(xiàn)5.滾輪6.支條7.旋轉(zhuǎn)刀片 8.甲板9.收集箱10.欄網(wǎng) 圖 2-3遠(yuǎn)程遙控清理裝置結(jié)構(gòu)圖 該清理裝置采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：船體由遙控裝置控制，船體兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)圍欄網(wǎng)，圍欄網(wǎng)下方設(shè)置一個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片，船體前方設(shè)置一個(gè)收集箱，船體前部設(shè)置有密集覆蓋有支撐條的滾筒，用于收集水面漂浮物。在船體上安裝遙控接收器，及配套天線(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)操作的遙控，在船體底部設(shè)置動(dòng)力馬達(dá)。該裝置同時(shí)實(shí)現(xiàn)了水生植物和垃圾的同步清洗，達(dá)到了省時(shí)、省力、方便、快捷的效果。 隨著我國(guó)水污染嚴(yán)重和水面漂浮物增多，通過(guò)近年來(lái)對(duì)生活污水的處理經(jīng)驗(yàn)和國(guó)家各方面的努力，國(guó)內(nèi)水上垃圾清理機(jī)的設(shè)計(jì)工作的設(shè)計(jì)取得了很大的進(jìn)步。 （四）可控水面垃圾清理器 1.筐體2.擋板3.推進(jìn)器4.浮筒5.撥輪6.遙控接收機(jī) 圖2-4可控水面垃圾清理器結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)清理器工作時(shí)，在裝置前進(jìn)過(guò)程中，一些水垃圾或漂浮物會(huì)被設(shè)置在前方的擋板2阻擋，而安裝在擋板2上的葉輪5會(huì)在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，垃圾會(huì)被轉(zhuǎn)移到筐1中，實(shí)現(xiàn)垃圾收集。由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的葉輪推進(jìn)器分別安裝在吊籃1 3的左后和右后。它用于產(chǎn)生前進(jìn)動(dòng)力和控制前進(jìn)方向。當(dāng)需要改變方向時(shí)，可以通過(guò)遙控裝置關(guān)閉一個(gè)葉輪推進(jìn)器，啟動(dòng)另一個(gè)葉輪推進(jìn)器來(lái)改變吸塵器的前進(jìn)方向，或者使其在水域中自由旋轉(zhuǎn)。吸塵器的各種動(dòng)作都是通過(guò)岸上工作人員操作的遙控發(fā)射器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，可以大大提高水面清洗設(shè)備的自動(dòng)化和智能化水平。 3總結(jié)和展望 綜上所述，大型水域的水面漂浮物垃圾清理的技術(shù)相對(duì)成熟，設(shè)備的功能相對(duì)完善，但對(duì)小型水域的清潔設(shè)備系統(tǒng)的研究較少?，F(xiàn)有產(chǎn)品存在智能化程度低、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低等缺點(diǎn)。因此，開(kāi)發(fā)小型水上漂浮物收集機(jī)器人需要更加智能、高效和環(huán)保的解決方案。 在能源自給和清潔能源方面，近些年來(lái)，以風(fēng)力、太陽(yáng)能互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)為首的機(jī)器人也在高速發(fā)展，完全利用清潔能源進(jìn)行持續(xù)工作指日可待，水面機(jī)器人長(zhǎng)時(shí)間巡航的動(dòng)力問(wèn)題很快會(huì)得到解決。 智能化方面，有大學(xué)正在研究一種全智能的水面機(jī)器人系統(tǒng)，可以用來(lái)清潔湖泊，維持漁業(yè)。機(jī)器人使用視覺(jué)傳感器及觸覺(jué)傳感器及無(wú)線(xiàn)通信，從主要場(chǎng)所遍歷的執(zhí)行清洗操作。它可以去除水表面雜質(zhì)，檢測(cè)水質(zhì)的功能。據(jù)此我們提出了一種基于激光檢測(cè)的垃圾檢測(cè)方法。根據(jù)激光的折射和反射原理，可以確定浮在水面5米以?xún)?nèi)的塑料瓶，確定垃圾的位置。觸覺(jué)傳感器和激光傳感器具有窄的檢測(cè)范圍、低識(shí)別精度和高成本的缺點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)水面垃圾清理機(jī)器人的完全智能化，最重要的一環(huán)就是要有可靠的水面漂浮物識(shí)別和檢測(cè)算法。隨著計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，在移動(dòng)機(jī)器人中計(jì)算機(jī)視覺(jué)的應(yīng)用受到了眾多學(xué)者的關(guān)注，有著非常迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用前景。 現(xiàn)在隨著機(jī)器人、高精傳感器、機(jī)器視覺(jué)、人工智能等技術(shù)的高速發(fā)展，自動(dòng)檢測(cè)和識(shí)別技術(shù)正在蓬勃發(fā)展中，在不久的將來(lái)，一定可以出現(xiàn)可以完全的替代人力，幫助我們?nèi)祟?lèi)完成水面垃圾清理這項(xiàng)復(fù)雜、重復(fù)和具備一定危險(xiǎn)性的工作，更好的保護(hù)我們的水域環(huán)境。 除了清理功能外，水面機(jī)器人還有很多用途，如水部采樣、水質(zhì)測(cè)量，水面漂浮物及垃圾收集、水上巡邏清潔等。甚至可以在漁業(yè)上大展身手，推進(jìn)我們的漁業(yè)的大力發(fā)展。 4參考文獻(xiàn) [1]周志敏.太陽(yáng)能LED照明技術(shù)與工程設(shè)計(jì)[M]．中國(guó)電力出版社,2011 [2]廖東進(jìn);黃建華.光伏發(fā)電系統(tǒng)集成與設(shè)計(jì)[M]．化學(xué)工業(yè)出版社,2013． 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