水面垃圾清理机器说明书.docx

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水面垃圾清理机器说明书

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：

2014031224

校院：

某民族大学机电工程学院

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．Abstract

Inordertosolvetheproblemofthewastedisposalofsmallenclosedwatersurface,thispaperdesignsarobotwhichcanbeusedtocleanthesurfaceofwater.Garbagesalvageshipthewateronthesurfaceofthewaterenvironmentpollutionproblem,ismainlyengagedinsmallandmediumsuchaslakesandriversclearwatersofthesolidwaste,suchasplasticbags,bottles,branchesandleavesothereasytocleanupthewaterwaste.Realizetherubbishthemechanizationandautomationofthewater,thewholeprocesswithouthumandirectlyinvolvedinthesalvage,securityisverygood,efficiencyisaboutartificialfishingafewtimes,thebiggersurface,thefartherthedistanceeffectmoresignificant.Inthispaper,thedesign,calculationandcheckofthehullstructure,powerplant,salvageandtransmissiondevice,garbagestoragedeviceandotherpartsarecarriedout.Analyzedthewatergarbagesalvageshipautomaticallythefunctionoftheneedtoimplement,underthebackgroundoftheactualenvironment,studiedthewatergarbagesalvageshipautomaticsystemstructureandfunction,thedesignmethodandtherealizationofthesystemofpartsoftheway.Therobotadoptsthehighstabilityofdoublehullstructure,throughtheforecastoftheloadandthesizeofhull,choosingreasonablesizeofthesquaretubeashull,PVCusingmeshtypejunkboxesstoregarbage,USEStherotatingrollerassistedgarbagecollection,collectionandlongdistancewaterwastethroughfigurepasssystemimage,acontrolsystembasedonSTM32chipfordirectionandspeedcontrol.Thewholerobotstructureisreasonableandstable,theappearanceissimpleandbeautiful,themakingmaterialisreasonable,thecostislow,theelectricpowerdrivesavesenergy,pollution-free,andthecollectionofgarbageisfastandeffective.

Keywords:

human-puterinteraction;Energyconservation;Highefficiency;Doublehull.Figurepass;STM32;Rotatingroller

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X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。

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