基于仿生原理设计的沙滩垃圾清理装置

冯泓骞 王赫莹 管 灏 汪维康 李昊冉 王润泽

（沈阳工业大学 机械工程学院，沈阳 110870）

1 研究背景

1.1 设计背景

随着旅游业的兴起，沿海城市逐渐成为旅游胜地，因此解决海滩垃圾问题清理问题迫在眉睫。目前，世界各地对海滩垃圾的处理方法主要有人工垃圾清理、海滩垃圾清理车、人工与机械联合收集装置3种。然而，国内许多海滨度假区仍采用人工清理垃圾，需要大量的人力、时间，清理效率较低，造成资源浪费。针对上述问题设计了仿生沙滩垃圾清理装置，可实现垃圾清理过程的全自动化和垃圾的分类运送。

1.2 设计思路

仿生学是一门模仿生物建造技术的科学，是生物学、数学和工程学的交叉学科。它的核心思想是根据生物体的结构功能原理，模仿、创造和发明新设备、新工具和新科技等先进技术，从而更好地服务人类的学习、生产和生活。衍生的仿生机器人是机械行业发展的一个重要方向。随着计算机和人工智能技术的飞速发展，仿生机器的研究和应用前景广阔，已广泛应用于农业、工业、服务业以及军事等领域。

设计的仿生沙滩垃圾清理装置要在整个工作过程中实现全自动控制，节省人力物力，且不受时间和气候的影响，实现高效率和低成本。此外，设计时力争外形新颖，工作时能吸引附近游客。

1.3 设计目的

设计主要实现3个目的：一是解决人工清理沙滩垃圾效率低的问题，实现清理自动化，减少人力资源的浪费；二是能适应海滩浅水区、恶劣地形及恶劣条件，对路况适应性强；三是仿生垃圾清理装置要包括垃圾存储箱，实现清理和储运一体化，节省人力。

2 工作原理

2.1 总体结构

仿生垃圾清理装置的整体机构主要由识别机构、抓取机构、足部机构、控制系统和存储机构5部分组成，如图1所示[1]。足部机构为整个清理装置的载体，主要由齿轮、曲柄连杆机构和支撑板构成。足部机构的运动由行走步进电机驱动，通过控制行走步进电机实现足部的基本动作，如横向行走、转弯等。抓取机构主要由步进电机、螺杆、滑动螺杆螺母副、连杆和夹具组成，先由步进电机驱动螺杆，再由连杆将螺杆的力传递给抓取垃圾的抓手[2]。仿生清理装置的控制系统安装在载体平台，通过红外遥控器的指令控制步进电机转速的快慢，进而调整仿生装置足部的运动使之完成相关指令。存储机构主要用于接收抓取的垃圾[3]。

图1 总体结构

2.2 核心机构

2.2.1 抓取机构

抓取机构主要由步进电机驱动模块、步进电机、螺杆、滑动螺杆螺母副、连杆和夹具组成。其中，滑动螺杆螺母副是实现抓取动作的主要机构，主要功能是将旋转运动转化为直线运动。滑动螺杆螺母副采用螺杆旋转与螺母运动相结合的方式，结构紧凑，螺杆刚性好。步进电机通过联轴器与螺杆连接。螺杆穿过螺母形成滑动螺杆螺母副。螺母与连杆结构连接，控制夹具的开闭。

夹持机构的运动从步进电机驱动模块开始。当垃圾被锁定时，步进电机驱动模块接收抓取信号，控制步进电机，驱动两个丝杆机构旋转。丝杠旋转驱动丝杠螺母对沿丝杠进行线性移动。丝杠螺母运动带动联动机构运动，联动机构直接控制夹具前端的开闭实现抓取。抓取机构如图2所示。

图2 抓取机构

2.2.2 足部机构

螃蟹具有8条蟹足，每条蟹足的抬起和落地两种状态交错变化。单独看某一条蟹足，蟹足每一节通过两束肌肉相连，通过肌肉收缩完成横向运动。针对螃蟹的这一运动特征，使用四杆机构替代蟹足的每一节，通过电机提供的动力代替肌肉收缩，实现螃蟹的足部机构仿生。足部机构是仿生清理装置的承载平台，主要由两对齿轮、曲柄连杆机构和两对支撑板组成，可以由行走电机驱动实现基本运动，如横向行走和转弯。

足部驱动系统为前后对称结构。前足主体驱动系统由行走电机、行走主动齿轮、法兰轴、两个行走传动齿轮、四套连杆机构和两个支撑板组成。一个主动齿轮和两个从动齿轮夹在两个支撑板之间。从动齿轮对称安装在主动齿轮的两侧。支撑板的前后两侧分别设有一套连杆机构。足部机构如图3所示。

图3 足部主体运动机构

足连杆机构由第一连杆、第二连杆、第三连杆和足支撑组成。第一连杆的一端安装在支撑板的右下侧，另一端安装在第二连杆的中部。第二连杆的一端与法兰连接，另一端安装在脚支撑上部的2/3处。第三连杆的一端安装在支撑板的上侧，另一端与脚支撑的上端连接。行走刷电机通过电机输出轴与行走驱动齿轮连接，足连杆机构通过法兰与行走传动齿轮连接，行走驱动齿轮带动传动齿轮转动，使足连杆机构运动。当开始运动时，行走驱动齿轮与行走传动齿轮啮合，驱动第二连杆与法兰一起旋转。第一、三连杆驱动脚支撑，完成周期性行走[4]。

2.2.3 控制机构

仿生清理装置控制系统由主控板、红外遥控器、红外接收模块、电刷电机驱动模块、电源稳压模块和舵机驱动模块组成。舵机驱动模块是由直流电机、减速齿轮组、传感器和控制电路组成的一套自动控制系统。舵机驱动模块通过发送信号，指定输出轴旋转角度。舵机与普通直流电机的区别主要在于，直流电机是一圈圈转动，舵机只能在一定角度内转动。普通直流电机无法反馈转动的角度信息，而舵机可以反馈转动的角度信息。舵机的控制一般需要一个20 ms左右的时基脉冲。该脉冲的高电平部分一般在0.5～2.5 ms，总间隔为2 ms。需要说明的是，脉冲的宽度决定马达转动的距离。

主控制板安装在仿生螃蟹机器人的中间，电源稳压模块安装在主控制板的后部，红外接收模块安装在主控制板的前面，刷电机驱动模块和转向器驱动模块安装在主控板外部。电源稳压模块通过电源线分别与主控板、红外接收模块、转向器驱动模块、电刷电机驱动模块、行走电刷电机、回转转向器以及抓取电刷电机连接。红外接收模块通过铜线与主控板连接。主控板分别与电刷电机驱动模块和转向器驱动模块连接。刷电机驱动模块与行走刷电机连接，转向器驱动模块通过控制线分别与旋转转向器和抓取刷电机连接。红外遥控器用于向红外接收模块发送信号。红外接收模块接收到来自红外遥控器的信号后，向主控板的芯片发送信号。主控制器向电机驱动模块和转向器驱动模块发送信号。电机驱动模块接收到来自主控制器的信号后，电机的旋转角度和速度会按照信号要求发生改变。电机带动齿轮曲柄连杆足部机构开始运动，使足部横向移动。转向器驱动模块接收到来自主控制器的旋转信号后，旋转电机的旋转角度随之发生变化[5]。接收到抓取信号后，步进电机驱动模块控制步进电机的旋转角度和速度，并驱动两个丝杠机构抓取垃圾。

3 工作流程

第1阶段，摄像头识别垃圾。电子设备通过检测暗、亮的模式确定物体形状，并且将外形进行数据处理后保存，然后利用卷积等算法进行处理，判断其颜色、形状等特征是否符合设定的值，最后判断是否是垃圾。若识别成功，进入第2阶段。

第2阶段，清洁装置足部移动。通过红外遥控器发射红外电磁波到红外接收装置，红外接收装置接收信号并将信号传递给主控制器。主控制器控制的有刷电机驱动模块接收到行走、转向信号后，控制行走有刷电机的旋转角度和速度，使有刷电机转动。有刷电机通过联轴器将动力传给中间主轴，主轴转动通过键连接带动主动大齿轮转动。主动齿轮转动带动两侧的从动小齿轮转动，两侧轴也随着齿轮转动。两侧轴上分别安装有法兰盘，可通过从动齿轮转动带动两个法兰盘转动，通过法兰盘将运动传递给四杆机构，使得螃蟹足部机构开始运行，以便移动至待抓取物品旁。

第3阶段，抓取运动。清洁装置运动到待抓取物体前时，由主控制器控制的步进电机驱动模块接收夹紧信号，并控制步进电机的旋转角度和速度。驱动两丝杆机构运动，丝杆机构转动转变为丝杆螺母沿丝杆上下的移动。丝杆螺母移动带动连杆机构运动，连杆机构直接控制抓取机构前端开合，实现抓取。

第4阶段，将收集垃圾放入储存箱。清洁装置抓取物品后，舵机驱动模块接收到来自主控制器传来的钳鳌升降信号，舵机驱动模块控制升降舵机。主体与收集装置连接处的升降舵机启动，通过控制舵机的转动控制抓取机构的升降。带动抓取机构升起将垃圾放入储存箱，完成物品的收集工作。

4 结语

沙滩垃圾清理装置由机械结构代替人力，操作简单，高度自动化，可大大减轻人工捡拾垃圾的工作量。在极端地理环境下，螃蟹足结构可完全替代人力进行作业，优势明显，效率高。它采用STM32单片机作为控制模块，通过编程控制能够自动完成摄像头识别、足机构运动、钳鳌抓取以及垃圾储存一系列过程。沙滩垃圾清理装置的设计研究具有一定的理论意义和应用价值，可行性较高，减轻了垃圾清理工作量，有利于维护沙滩环境，为沙滩垃圾清理问题提供了一种新思路。