水面垃圾清理机器说明书(共20页)

精选优质文档-倾情为你奉上专业课程设计说明书题目：水面垃圾清理机器的设计 指导教师：何韶君班级：机械设计制造及其自动化专业142班 设计者：杨威威学号：校院：大连民族大学机电工程学院目录一摘要本文为解决现如今小型封闭水面垃圾清理耗费人力物力等问题，设计制作了一款由人工辅助远程遥控进行水面垃圾清理的机器人。水面垃圾打捞船针对水面环境污染的问题，主要致力于中小型湖泊河流等水域的固体垃圾清理，如塑料袋、饮料瓶，树枝树叶以及其它易清理的水面垃圾。实现水面垃圾清理的机械化与自动化，整个打捞过程无需人工直接参与，安全性非常好，效率大约是人工打捞的几十倍，水面越大、距离越远效果越显著。本文主要对水面垃圾自动打捞船进行了船体结构、动力装置、打捞及传输装置、垃圾存储装置以及其他零部件的设计、计算及校核等。分析了水面垃圾自动打捞船需要实现的功能要求，在实际环境背景下，研究了水面垃圾自动打捞船的系统构成及功能、各零部件的的设计方法以及系统的实现方式。该机器人采用稳定性较高的双船体结构，通过预估的船体大小及载重，选用合理尺寸的PVC方形管作为船体，利用网状式垃圾收集箱存放垃圾，采用旋转滚刷辅助收集垃圾，通过图传系统采集远距离水面垃圾影像，用基于STM32芯片的控制系统进行方向、速度的控制。整个机器人结构合理稳定，外观简洁美观，制作材料合理，成本低廉，采用电力驱动节约能源、无污染，且收集垃圾快速有效。关键词：人机交互；节约能源；效率高；双船体；图传；STM32；旋转滚刷二AbstractIn order to solve the problem of the waste disposal of small enclosed water surface, this paper designs a robot which can be used to clean the surface of water. Garbage salvage ship the water on the surface of the water environment pollution problem, is mainly engaged in small and medium such as lakes and rivers clear waters of the solid waste, such as plastic bags, bottles, branches and leaves other easy to clean up the water waste. Realize the rubbish the mechanization and automation of the water, the whole process without human directly involved in the salvage, security is very good, efficiency is about artificial fishing a few times, the bigger surface, the farther the distance effect more significant. In this paper, the design, calculation and check of the hull structure, power plant, salvage and transmission device, garbage storage device and other parts are carried out. Analyzed the water garbage salvage ship automatically the function of the need to implement, under the background of the actual environment, studied the water garbage salvage ship automatic system structure and function, the design method and the realization of the system of parts of the way. The robot adopts the high stability of double hull structure, through the forecast of the load and the size of hull, choosing reasonable size of the square tube as hull, PVC using mesh type junk boxes store garbage, USES the rotating roller assisted garbage collection, collection and long distance water waste through figure pass system image, a control system based on STM32 chip for direction and speed control. The whole robot structure is reasonable and stable, the appearance is simple and beautiful, the making material is reasonable, the cost is low, the electric power drive saves energy, pollution-free, and the collection of garbage is fast and effective.Key words: human-computer interaction; Energy conservation; High efficiency; Double hull. Figure pass; STM32; Rotating roller三引言随着社会的发展，人们的生活质量不断提高，产生的垃圾也越来越多，由于环保意识的缺乏，很多垃圾直接或者间接的进入江、河、湖、海，造成现如今水污染严重的局面，而水是生命不可或缺的自然资源，治理水污染势在必行。现如今的水面垃圾清理方法多采用费时、费力的人工打捞，即使有些地方使用机械清理的方式，但大部分都是采用较大型机械，不仅浪费能源，而且还会产生二次污染，难以普及使用。因此设计一款实用性很强的水面垃圾清理收集装置是社会的需要。本文设计制作的水面垃圾清理机器人结构稳定、灵活，采用电力驱动，无需浪费大量能源且节约环保，由人工远程遥控船体移动并进行垃圾清理，节约了人力、提高了效率，通过其上安装的图传系统能够在远距离情况下精准快速的将垃圾收集。由这些特点可以看出，此款水面垃圾清理机器人可以取代传统的人工打捞方式，有很好的应用前景。四 机器人结构设计四1 整体结构设计理念此款水面垃圾清理机器人整体采用双体船结构。双体船结构稳性很好，为了追求快速性能，提高工作效率，现在的船体基本都是细长的，长宽比7：1，甚至9：1。船倾斜后的回复力矩和水线面的惯性矩有关，简单来说细长的船体横摇时回复力矩小，很容易左右摇晃。但是双体船船体分为左右两个，横摇时回复力矩是同样排水量的单体船的若干倍。就好比一个扁担和一块木板扔在水面上，扁担能左右晃不停而木板很稳。而在水面进行垃圾清理，稳定性是非常重要的，双体船可以在承受较大风浪的前提下仍能稳定工作。双体船宽度较大，两船体之间的空间开阔，而此款水面垃圾清理机器人需要安装容量较大的网状式垃圾收集箱，船体宽度范围内需要安装有效的辅助垃圾收集的滚刷结构，另外还需要安装控制系统，而双体船宽阔的空间使得这些设备能够合理有效的布置。专心-专注-专业四2 整体结构设计两侧船体如图1所示,采用100*150*440mm规格的PVC方形管制成，PVC管重量较轻且密封性能好，是制作船体的很好选择。船体前端和后端均采用流线型结构，可以减小水流阻力，提高船体行驶速度。前端和后端用PLA材料经3D打印制作而成，强度高，质量轻盈且防水性能好。船头、船尾和PVC方管采用M4圆头螺钉相互连接，连接处以及铆钉处用防水密封胶密封，防止船体因漏水影响正常工作。左右船体内部使用泡沫填充，使得防漏水工作得到双重保障。3D打印船尾底部有螺旋桨固定瓦片，以便螺旋桨推进器的固定。 图1船体实物图及三维模型图左右船体采用10mm*20mm规格的铁质方管焊接而成的框架连接，如图2。框架总体尺寸为270mm*335mm，顶部采半径125mm的弧形结构，以方便流线型船壳固定，底部为水平结构。船体和框架用螺钉连接，连接处用密封胶进行防水处理，连接后船体总宽度为470mm，左右船体之间空隙尺寸为250mm*200mm，用以放置垃圾收集箱。 图2船体连接架实物图及三维模型图四3 垃圾收集装置设计水面垃圾清理机器人实现的主要功能是垃圾的收集和倾倒，本设计采用如图3所示网状式垃圾收集装置，容量大可快速更换，可以在有效收集垃圾的前提下减小水流以及空气的阻力，提高工作效率。网状式收集箱采用塑料胶网裁剪制成，边角由PVC拐角固定，总体尺寸为235mm*175mm*550mm。工作时可收集最大直径为90mm的垃圾，通过遥控船体向前移动以及前端辅助装置的运行，使垃圾通过船体中间通道进入垃圾收集箱而不会流出。当收集垃圾完毕后，可由人工辅助将收集箱从船体前端抽出倒入后续垃圾收集装置。 图3垃圾收集箱实物图及三维模型图四4 垃圾辅助收集装置设计如图4所示，水面垃圾清理机器人的最前端设有垃圾辅助收集装置，由旋转式滚刷和垃圾收集挡板组成。旋转式滚刷由滚筒和毛刷构成，滚筒由废旧的玩具船船体加工制成，毛刷由废旧扫把毛经3D打印支架固定于滚筒水平两侧母线。滚筒刷通过3D打印的子弹头型支架固定于15mm*15mm的国标铝材调节梁上，以方便调节辅助装置距离水面的距离。滚筒内部固定有防水电机，电机内部有偏心齿轮，偏心齿轮与作为输出轴的齿轮轴啮合，输出轴通过固定卡具固定于滚筒之上，从而带动滚筒转动辅助垃圾收集。滚刷下方有固定于船体之上的垃圾收集挡板，挡板由3mm厚度的亚克力板通过激光切割制成。挡板上切有直径16mm的若干通孔，从而减小水流对船体的阻力，提高工作效率。当船体向前行驶时，挡板会将分散的垃圾聚集于滚刷之下，从而方便滚刷旋转带动垃圾进入后方收集箱内，保证了垃圾收集的效率，以及收集的稳定性。 图4垃圾辅助收集装置实物图及三维模型图垃圾收集辅助装置，采用旋转式滚筒刷结构，既可以快速有效的将垃圾带入网状式垃圾箱，又可以防止垃圾从箱内退回流出，其中采用的软毛刷材料，既可以减小空气阻力，又可以在有效带动垃圾进入收集装置的同时避免垃圾卡在滚筒与水面之间。因此，该辅助装置是非常实用的。五船重和排水量的计算船在满载时的总质量m总=m船+m蓄电池+m其他+m螺旋桨+m垃圾其中船体的重量约为20kg，蓄电池的重量为2kg，螺旋桨的重量为5kg，所能存储的垃圾的最大重量约为8kg故总质量由公式（其中）可得 V排=/ = =0.035m3该船的重排水量为 六最大吃水深度的计算 该船的面积由数学公式可得A0.5由公式可得船的最大吃水深度为 / 该船的最大吃水深度为70mm，而船体的高度为150mm，故船体的高度满足需求。 七动力装置设计船舶推进器是船舶上提供推力的工具，它的作用是将船舶动力装置提供的动力转换成推力，推进船舶。船舶推进器即推动船舶前进的机构。它是把自然力、人力或机械能转换成船舶推力的能量转换器。推进器按作用方式可分为主动式和反应式两类。靠人力或风力驱船前进的纤、帆（见帆船）等为主动式，桨、橹、明轮、喷水推进器、螺旋桨等为反应式。现代运输船舶大多采用反应式推进器，应用最广的是螺旋桨。根据蓄电池的直流供电特点以及船体的简易结构等特点，选用悬扣式电动船舶推进器，该类推进器功能性强，结构简单，操作方便安全，应用范围广。电动船舶推进器是种新颖的水中动力器具，有体积小、结构紧凑、效能转换率高、工作时无噪音等特点，且还具有绿色环保，按装便捷、维护简易的特点，是一些小型的船艇作为动力的首选产品，比较符合本设计的功能需要。该类船舶推进器的选用不锈钢、铝合金或高强度合成纤维，保证推进器具有足够的刚性并经久耐用；采用电子调速，以满足不同速度的需要；使操控更加方便；螺栓安装快速方便，并带有防撞脱扣机构，保护马达安全；防缠型螺旋浆，防止推进器因被水草缠绕而堵转。 鉴于船在行驶的过程中会因为水流以及自身结构所造成的阻力而受到影响，故在选择船用推进器的时候就要考虑该船舶推进器的最大推力是否大于船在行驶过程中所受到的最大阻力，并以此为依据来选择合适的船舶推进器。水流对船体的阻力可由下式来确定 式中：流体阻力系数，一般取侵湿面积（）流体的密度（）侵湿面积取船在最大吃水深度时的值，而最大吃水深度在前面计算得为70mm，根据数学方法计算可以可得，设船在水中行驶时的最大速度为1m/s,则船在行驶过程中，水流对船体的阻力为：=115.5N 则由于双体船宽度比一般船舶要宽，吃水也较一般船舶浅，所以根据它的特点，采用了双螺旋桨推进系统。螺旋桨构造简单，造价低廉，使用方便，效率较高，是目前应用最广的推进器。根据螺旋桨叶数不同效率不同的原则，如图5所示，本设计选用了叶数适中的六叶螺旋桨，根据预估的70mm吃水深度，双桨螺旋桨直径 D=1.2xF阻x70mm/100=97mm得出螺旋桨直径约97mm。将螺旋桨布置于船体两侧尾部下方，既可以保证螺旋桨吃水量，使螺旋桨产生的推力足够且不会浪费，又可以使船体转向灵活、具有很强可操控性。故根据算出来的值可选择如图5所示的推进器，查得该推进器的基本参数如下所示：名称：螺旋桨推进器最大推力：20kg控制方式：遥控动力方式：电机推动（蓄电池供电）变速： 电子调速电机电压：24V电机最大电流：60MA推荐使用蓄电池：24v60MAh直径：96mm长度：190mm重量：4kg图5动力装置装置图 八硬件设计八.1系统总体设计为实现机器人的人机交互，且能够灵活控制以及实时反馈图像等，本设计主要采用了电源供电模块、电机驱动模块、无线传输模块、开关模块、继电器模块、图传模块等。 本设计选用 32 位微处理控制器 STM32F103C8T6作为主控芯片，其工作主频为 72 MHz，STM32系列是基于 AM Cortex M3 内核的处理器，低功耗，处理速度快，能够满足双电机快速差速运动的需要，并自带高速的I 2C、SPI接口控制器，方便与各路传感器模块进行实时数据采集，自带的多路输出PWM模块便于电机的控制，自带的AD采集通道便于实现电压值的采集，实现电机的遥控调速。整个系统由电源管理模块提供电力。图6控制系统总体八2电源模块根据电源模块主要是电压为24V，用时10h，电流60MA,计算电源容量的大小：W=P.T=U.I.T=12v60Mh10=14400MAh容量为15000MAh的锂电池，配有三个稳压模块分别输出1.2535V可调电压，输出3路不同电压值进行单片机、继电器、图传模块的驱动。八.3电机驱动模块电机驱动模块采用 24V 60MA大功率直流电机驱动模块器，H桥全隔离，可满PWM的模块。其功能特点有：（1）小尺寸，50mm50mm12.5mm（2）多重保护，内置过电压、欠电压、过热保护电路（3）控制信号全隔离，充分兼容3-5V电压输入 （4）大功率，无需再加散热处理，即可驱动60MA电机负载（5）高速PWM隔离输入，最小脉冲宽度3us,隔离带宽10MHz（6）支持满占空比输入，可脱离MCU，实现外部开关直接控制，可串联限位开关（7）驱动器运行电压6.5-29V，支持7-24V电压等级直流有刷电动机(8)具有双色转向指示灯指示电机运转方向。 采用完全隔离的方式控制驱动电机，该方式使用独立的电源对MCU供电，通过光电隔离的形式输入控制信号。图7电机驱动优点：MCU与电机驱动完全电气隔离，使MCU电磁兼容性能大大提高，其次还可保证控制电路的电气安全，即使出现严重的短路过压等情况，也不用担心MCU被串入高压而烧毁，同时具有良好的控制稳定性。 电机采用调速，即改变直流电机电枢电压的的占空比来改变平均电压，从而实现直流电机调速。除了电机对应的信号调速之外，该模块还需要2路逻辑输入控制电机转向，模块连接如图7所示。因此将PWM信号输入端接入单片机定时器输出，逻辑输入端接单片机配置为输出模式的口即可实现对该模块的控制。八4无线传输模块如图8，无线传输模块通过串口进行单片机之间的通信，从而实现上位机与主机的数据传输，上位机识别按键发送不同的字符到串口，然后通过无线传输将字符代码发送给主机，主机接收到相应的字符代码后执行对应的动作,从而实现人机交互。图8无线传输模块图解八5继电器模块如图9所示，本设计采用的继电器为1路5V继电器，低电平触发，通过单片机控制继电器模块的启停来控制滚刷电机的启动和停止，从而实现对垃圾辅助收集装置的远程控制。 图9继电器模块图解八.6主程序设计该小船软件程序事是在MDK5开发环境下采用 C语言编写，其流程如下图所示。上电后先进行系统初始化，包括时钟配置、延时函数初始化以及调试程序时所需串口的初始化。然后进行定时器的初始化，本系统中定时器用于信号的产生。采用了两个定时器的分别输出两路PWM波，实现双电机的控制。开始时，上位机遥控端不断的发送停止代码，主机处于停止状态。当遥控端有按键按下，即发送对应的代码，主机接收后做出相应的动作。程序设计流程图如图10所示。图10软件设计流程图九 影像收集系统设计此款水面垃圾清理机器人需要人工远距离遥控，为了更准确快速的定位到垃圾所在位置，设计安装了如图11所示的图传发射收集系统。采用AOMWAY 5.8g TX001图传发射器，具有重量轻、体积小、方便安装等特点，具有5.8g 40个发射机频道，支持6-28V电压供电，利用手机进行影像接收，图像清晰准确。图11图传系统 十 工作参数，待机和工作时长该水面垃圾清理机器人采用24V、10000mA锂电池供电，不仅节能减排，而且可长时间工作，具体工作时间参数如下表：表1 水面垃圾清理机器人工作时长时间参数数值/分钟待机时长30240连续工作时长600十一. 垃圾收集特性及参数本设计采用网状式垃圾收集箱，方型结构，总体尺寸为235mm*175mm*550mm。机器人工作时，可收集直径最大为90mm的垃圾，一次性可收集最多0.02m3体积的垃圾。 垃圾收集的便利性设计采用网状式垃圾收集装置，容量大可快速更换，可以在有效收集垃圾的前提下减小水流以及空气的阻力，提高工作效率。加上船体前端安装有垃圾辅助收集装置，当船体向前行驶时，收集挡板会将分散的垃圾聚集于滚刷之下，从而方便滚刷旋转带动垃圾进入后方收集箱内，保证了垃圾收集的效率，以及收集的稳定性。垃圾收集箱以及垃圾辅助收集装置结构简单、容易制作，且功能性强，利用简单的机械结构便能实现理想的功能，很适合应用推广。 十二.外观特性水面垃圾清理机器人整体采用双体船结构，双体船可以在承受较大风浪的前提下仍能稳定工作，且较大的宽度，使得各设备能够合理有效的布置。船体前端和后端均采用流线型结构，可以尽可能的减小水流阻力，减少能源的浪费。船体保护壳利用亚克力材料弯折成流线型，可以减小空气、风力带来的阻力，提高船体稳定性。十三. 控制方式通过串口进行单片机之间的通信，从而实现上位机与主机的数据传输，上位机识别按键发送不同的字符到串口，然后通过无线传输将字符代码发送给主机，主机接收到相应的字符代码后执行对应的动作，从而控制各模块运行方式，实现人机交互。 十四. 成本报告1 成本概述表2 总成本一览系统材料工序紧固件总成本船体104.37.522.1113.92垃圾收集系统 29.62532.525.125控制系统 352.180.53.9356.18动力系统 225.71.10.8227.6图传系统 113.41.10.6115.1整体造价825.20513.22 9.9848.3252 船体部分表3 船体部分成本一览零件描述单位价格数量材料成本工序成本紧固件成本总成本PVC方管自制，切割41.50.88m36.520.020.436.943D打印船头自制，3D打印0.524m121.10.413.53D打印船尾自制，3D打印0.529m14.51.10.416船体支撑架自制，方形不锈钢管焊接160.94m15.042.30.517.84控制盒固定梁自制，国标铝材角磨机切割5.91.06m6.250.2无6.45船体挡水壳自制，亚克力板激光切割25 0.8 202.80.423.2合计104.37.522.1113.923 垃圾收集系统表4 垃圾收集系统成本一览零件描述单位价格数量材料成本工序成本紧固件成本总成本垃圾收集箱自制，裁剪，胶合5.50.96m25.3无0.45.7滚筒自制，废旧玩具船再加工111无0.61.6毛刷自制，废旧扫把再加工0.511无0.51.5滚筒支架自制，3D打印加工0.515.8m7.91.30.69.8滚筒支撑梁自制，铝材，角磨机切割5.90.75m4.4250.30.44.725垃圾辅助收集板自制，亚克力板激光切割25 0.2 50.6 无5.6角度调节器自制，切割5 1 50.8 无5.8合计29.62532.525.1254 控制系统表5 控制系统成本一览零件描述单位价格数量材料成本工序成本紧固件成本总成本主控制板自制，锡焊焊接17.52350.30.435.7电机驱动购买件5.3210.6无 0.811.4杜邦线购买件0.1292.9无无 2.9锂电池购买2301230无1.4231.4防水盒自制，钻孔34.8134.80.21.336.3稳压模块购买7.5 3 22无无22电源线购买28 0.01 0.28无无0.28电源开关购买1.2 2 2.4无无1.2继电器购买2.7 1 2.7无无2.7无线模块购买11.5 1对 11.5无无11.5合计352.180.53.9356.185 动力系统表6 动力系统成本一览零件描述单位价格数量材料成本工序成本紧固件成本总成本螺旋桨推进器购买2231对223无0.4223.4螺旋桨固定架自制，3D打印0.55.4m2.71.10.44.5合计225.71.10.8227.66 图传系统表7 图传系统成本一览零件描述单位价格数量材料成本工序成本紧固件成本总成本图传发射接收装置购买1101110无无110摄像头固定盒自制，3D打印0.56.8m3.41.10.65.1合计113.41.10.6115.1十五. 创新点说明，及如何有效防水首先船体防水是一个非常重要的工作，一旦大量的水进入设计的机器中，会使机器下沉，吃水量变大。这是国内小型机器的一个大难点，尤其是船体不是封闭的金属或者其他材料。很容易使水进入其中。破坏内部结构，造成严重后果。我的设计思路是用发泡注入船体内部，填充双船体内部空余部分，由于发泡的质量很轻，水很难进入其中，这样无论船体向各个方向行进，都不会使水进入其中。在摄像头附近有挡水板，这样能有效防止滚筒扬起的水进入机构。 滚筒是一大创新点，它的作用有两个。1是将较大垃圾扫入收集箱中，避免了垃圾拥堵在船体端的尴尬局面。2是能有效防止垃圾的流出。当船体在后退时，由于水流的作用，垃圾很容易随水流流出。由于滚筒在不停的旋转，流出的垃圾在遇到滚筒时，会自动被回收到收集箱中。 引导板能使机器船收集效率变为原来的两到三倍，不仅是增大了前进时的触水面积，而且能引导水流，提高了收集效率。十六. 市场分析十六.1 市场推广 该作品适用于景区小面积水域以及不适合现有大型垃圾收集船工作的水面（如小型水库、港区等）垃圾清理问题。可打捞大部分水面漂浮垃圾，如树叶、包装物等。基于无线电遥控技术，操控简单，机动性好，十分适用于公园或景区小面积水域内水面垃圾的清理工作。使用时只需由工作人员在岸上进行遥控，完成垃圾清理后再利用人工辅助回收即可，流动使用，方便快捷。从环保设备的市场来看，使用遥控控制，针对小水域漂浮垃圾清理的相关设备还是空缺。水面垃圾收集机器人实现了人机分离的打捞模式，这种打捞模式随着技术的不断完善必将代替现有的垃圾收集模式，还解决了现有的水上打捞设备正面临着奇缺的尴尬现状，具有巨大的市场潜力。随着水上环境的治理问题越发突出，对水上环境的治理力度必将不断增强，水上垃圾收集机器人以其实用性高，成本低廉，操作简单，安全可靠等一系列优点，实际地解决了垃圾收集的许多弊端，将有很大的发展潜力。十六.2 盈利模式此款水面垃圾清理机器人面临的主要客户将会是环保部门和景区管理部门，也可以直接为港口和水库提供特性化的设备和技术支持。可针对不同的工作面积和垃圾量，根据客户的要求定制不同尺寸的清理机器人，从而扩大营销范围，加大营销力度。结束语 通过以上设计制作，证实了此款水面垃圾清理机器人是合理可行的。采用稳定的双船体结构，整个船体轻盈灵活，无需浪费大量能源，且采用电力驱动，节约环保。选用32位微处理控制器 STM32F103C8T6作为主控芯片，通过串口进行单片机之间的通信，实现了人机交互。远程无线遥控控制，只需一位人员便可完成一系列工作，节约了劳动力、提高了效率，且安装有图传系统，保证了远距离情况下能够精准快速的将垃圾收集。通过这些特性可以看出，该机器人可以取代传统的人工打捞，是一款适合小型水面垃圾清理的实用型机器人。参考文献：1. 国际水中机器人比赛规则2. 中国知网：遥控水面垃圾自动清理船，丁丽佳，20093. 江达飞，毛玉清主编，景区水面垃圾清理船设计， 20164. 朱龙根主编，机械设计，机械工业出版社，20065. 胡军志，小型多用途打捞装置的设计，20086. 唐术杰，王泽霖，遥控式水面垃圾自动清理器，2015