基于流体涡旋向心吸力的水面垃圾收集机器人设计

引言

随着人们生活水平的提高,排放的垃圾越来越多[l],环境污染也日益严重,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捞的方式或是使用自动打捞垃圾机器人进行打捞,但采用人工打捞的方式需要专业人员操作,并且劳动强度大、工作效率低、周期长、不安全,且受天气环境影响较为严重:而市场上自动打捞垃圾机器人结构复杂、价格昂贵、能耗大,且水面死角位置垃圾难以收集。基于这一背景以及日常生活中常见的涡旋现象,本文提出并设计了基于流体涡旋向心吸力的水面垃圾收集机器人,利用流体涡旋向心吸力的原理,增大吸纳垃圾的范围,对垃圾进行收集处理,有效地解决了上述问题。

本文所设计的水面垃圾收集机器人不仅成本低,结构简单,而且垃圾收集效果好,效率高,实用性强,能达到节约资源、保护环境、节能减排的效果,有利于我国现代化生态文明美好家园的建设。

1结构设计

模型搭建是系统开发的必要环节,本文采用solidworks三维建模软件进行模型搭建,以双船体为载体[3],吸力装置为核心构成整体结构,如图1所示。

图1基于流体涡旋向心吸力的水面垃圾收集机器人轴测图

1一水泵2一桶泵连接盖3一打捞桶4一双体船船体

5一船桶连接板6一无线遥控天线7一中央控制器

8一控制器连接管9一船体连接梁l0一螺旋奖

水泵通过桶泵连接盖连接到打捞桶上,船桶连接板通过螺栓安装固定在打捞桶的两侧,再通过螺栓固定在双体船船体上。船体通过控制器连接管及船体连接梁进行双船体间的

距离固定,使得船体在运动过程中得以保持稳定。中央控制器安装在控制器连接管的中央,其简单的结构节省了材料的使用和能源的消耗。

考虑到船体与打捞桶收集垃圾时会产生不平衡的力,本文采用3D打印技术打印出实体打捞桶,再对其进行了改装和调试,使得船体和打捞桶拥有更大的运行力和吸力;我们也对电池进行了升级与调适,大大提高了系统运行时的稳定性和持久性。

2系统开发

本文设计的基于流体涡旋向心吸力的水面垃圾收集机器人控制系统主要由船体运动系统及垃圾收集系统组成。船体采用基于Arduino板研发的远程控制,在船体上增加天线,用于增强信号的接收能力,提高对船体的远程控制水平,通过控制器上的油门和方向推杆控制船体的移动。垃圾收集系统同样为基于Arduino的远程控制,通过控制器的其他触发开关对垃圾收集系统的水泵进行控制。此外,在整个系统中,本文设计的机器人经过稳压器处理后输出的整体供电电压为24V,经过变压器输出螺旋奖所需电压7.4V、水泵所需电压24V。该系统中还设计了低电提醒功能,当电压低于l6V时就会发出警报,要求水面垃圾机器人返回。

3运行测试

通过上文的机构设计以及系统设计,先在系统上进行模拟仿真,如图2所示。红色的为模拟垃圾矿泉水塑料瓶,通过开启垃圾收集系统,水泵启动进行吸水操作,打捞桶内的水被吸走,水面上的水重新注入,打捞桶内就会形成涡旋现象,同时也会产生一个涡旋向心吸力,水面上的垃圾便会随着这个涡旋向心吸力被卷入到打捞桶内。

图2 基于流体涡旋向心吸力的水面垃圾收集机器人模拟图

在系统上进行模拟仿真后,对该水面垃圾收集机器人进行零部件组装、系统调试,然后到学校里的湖泊中进行实物实验,并通过实际增设打捞网,防止垃圾堵住进水口。在实验中,将水面垃圾收集机器人放入深水中,使用遥控器对其进行操控,以测试前进、后退、左转、右转、加速、减速、启动和关闭等一系列功能。实验表明,基于流体涡旋向心吸力的水面垃圾收集机器人的平衡状态及垃圾收集功能良好,如图3所示,满足预期效果。

图3 基于流体涡旋向心吸力的水面垃圾收集机器人实验图

4结语

本文所设计的基于流体涡旋向心吸力的水面垃圾收集机器人,基于流体涡旋向心吸力的原理,利用Arduino板和蓝牙模块的结合,实现对设备运行状态的实时监测。与传统的自动打捞垃圾机器人相比,本文所述水面垃圾收集机器人具有效率高、能耗小等优势,在未来的环保应用上有着广阔的前景。