基于中小型水域研究的水上清洁机器人设计

刘梦婷

引言

本课题研究的是对水面漂浮垃圾进行打捞、收集、自我处理工作的水上智能清洁机器人。该设计是为了解决国内中小型湖泊水域里的水污染问题。该产品智能化、自动化程度较高，噪音小，能完成对各种水面漂浮垃圾的扫描和收集工作;通过手机可转变人工操作，以便适应各种环境，从而使得使用范围更加广泛，清洁效果更加显著。

一、课题研究背景

市内河道受城市垃圾、生活垃圾污染，污染水源、影响市容且危害巨大，导致了我国江河、湖泊和港口，甚至近海水面的垃圾污染日益严重。

水上机器人一般针对于大型水域，噪音大、体型大，不适合放在小型流域，容易造成周边噪音污染。

二、市场现状分析

1.国家政策大力支持

《水十条》提出任务措施：将实施包括工业污染防治、城镇生活污染治理、农业农村污染防治等在内的 8 类工程项目，具体细分水治理项目、环境综合治理项目，对环保产业的带动作用最强。

2.自身市场容量可观

当前，我国处于工业化、城镇化加速推进时期，面临着水资源短缺和水环境恶化的压力和风险，其中水面漂浮垃圾和水面水草泛滥是两大主要问题，其中水面清洁船、水面割草船等主要适用于河道、水库、水电站、湖泊、海洋等水域，这是存量市场;然而每年的清洁服务和打捞服务是增量市场，需要每年加以关注和维护。

3.基础条件前景乐观

我国河流、湖泊数量众多，政策驱动各地区水域环保部门亦开始采购全自动清洁船。

三、中小型水域水上清洁机器人产品痛点分析

通过对我国众多中小型水域的统计与调查，进行梳理总结得出：我国中小型水域深浅度不一、面积不大、且分布不集中、外观形状不规则等特征，同时我们针对国内中小型水域复杂特点全面辩证设计和建构使用场景，提出设计一款智能自动化程度高、可灵活运动的中小型水域垃圾清理机器人，并从以下几个方面架构水上清洁机器人的功能：

1）目前，我国水上垃圾收集效率低范围小，、人工成本高、安全隐患多等痛点。针对以上痛点，我们设计了这款中小型水域进行智能化水上清洁机器人。通过运用水上清洁机器人进行水面垃圾的清扫收集工作，极大程度提高水上垃圾收集的效率和范围， 降低人工成本， 减少工作人员的工作强度，保护工作人员的人生安全。

2）针对现有水面垃圾打捞上岸后人工分敛对周边环境的二次污染痛点问题，为水上清洁机器人进行水陆双栖设计。通过水上清洁机器人进行机体内储存，进而进行垃圾对接，智能垃圾分类。

3）针对国内中小型水域状况复杂多变，突发情况及人为干预等痛点问题，采取人工、智能双操作系统。

4）针对目前市场是清洁机器人功能单一的痛点问题，增加水质检查、河流扫描分析、GPS定位等多种针对流域的附加功能，多层次多方位保护环境卫生安全。

5）响应国家低碳环保政策，解决机器人运作的污染，对附近居民的影响问题。采取太阳能+蓄电池组合保证正常运作的前提下更加清洁。

四、针对中小型水域的水上清洁机器人产品设计实践

1.智能化设计

如今，互联网时代5G技术都相对成熟，智能化设计在各个领域广泛应用。对于水上智能清洁机器人来说，智能化设计将改变现今人工或重型机械清理水域现状，让人们减去繁重重复的体力工作，化清理为管理。

2.基本结构设计

（1）垃圾收集结构

船在游走过程中通过前端的延伸壁，将湖面上的垃圾收集到传输带上，再由传输带运输至机器人体内的网状垃圾箱中，利用传送带将垃圾压缩、干湿分类储存。

（2）水陆两栖切换结构

左右旋转聚集器作为动力部件，实现机器人的陆地行走和水中工作。在陆地行走模式中。左右行进电机会将水陆两栖轮进行收拢运行处理，收拢后的水陆两栖轮会成为轮胎形状。在水中工作时，将会展开左右旋转聚集器，通过左右行进电机将水陆两栖轮转开为爪形进行垃圾的聚拢与收集。

（3）智能移动避让结构

蓄电池在为机器人提供动力给电动机及螺旋桨不间断供电8个小时运用的同时，其差速原理为清洁机器人的智能急停前行提供基础，以控制机器人进退避让，从而在遇到河道暗流或危险必要情况进行人为干预。

3.外观造型设计

（1）材质——ABS材质

材质要考虑其安全性、环保性和实用性，防水、抗摔、耐磨，并能与水域环境契合，同时考虑材料性能、加工成本、环保、原材料成本、可行性及模具实现等现实成本问题，外壳主体拟采用具有阻燃，绝缘化、抗氧化、抗腐蚀等特点的ABS材料。

（2）色彩——浅色为主，亮色辅之

水上清洁机器人要给人清洁、环保、高效的视觉感受及印象，考虑产品本身与河道的契合程度，及水域产生垃圾浮游物的特性。故而色彩可以考虑大面积的浅色调或黑色为主，如乳白、蛋青、浅灰等。在减少高科技产品给用户带来的固有的冷漠，生硬之感的同时使用户更易接受，再加以醒目色彩用以突出重要部件起到警示作用。

4.软件组合辅助设计

（1）摄像头、雷达：

机器人采用5G通讯方式，船体配有高清摄像头、雷达等，既可以人工智能清理河道，也可以实时远程监测河道，操控機器人驾驶，应对紧急情况。

（2）云端互联、语音播报：

机器人上安装有高清摄像头，能够实时拍摄四周环境画面，甚至能查看到人眼不可及区域的水环境状况;船身上安装“云通话”设备，可以远程语音喊话，也可以播放提前录制好的语音;后排告警灯一亮起，可以对周围船只起到警示作用。船底，则搭载着水质监测器，采集水样并通过传感器实时传输数据，充分发挥水上平台的机动性，形成水环境的数据大脑。

（3）双模式切换自如

智能操作模式下，机器人可提前设定巡逻路线，航线也可实时更改，机器人会自动规划清洁路线，采取面式清扫;人工操作模式下如果水域情况比较复杂，则可以由工作人员在岸上遥控小船。遇到障碍物，无人船通过雷达扫描，将自动躲避;如果障碍物实在绕不开，则会立刻“刹车”。“无人船利用信号操控，数据几乎不会有任何延迟。”

结语

水域清洁作为一项长期存在且与人民生活息息相关的行业，正站在时代转型的路口。传统清洁行业在近年来的数字化浪潮冲击下，正面临愈演愈烈的市场竞争。智能化利用机器人技术、物联网通讯技术，升级工作流程监管形式;释放人力并将其指导智能机器完成机械化的基础清洁工作，将人力人本置于更高附值的岗位中。

在未来，希望有更多的设计在此基础之上，针对清洁智能化发展进行更加系统、全面和深入的研究，为行业发展和人类智能化生活贡献力量。