基于自动控制的水陆两栖垃圾处理装置设计*

张清蓉 ，王国栋 ，陈龙灿

（重庆移通学院，重庆 401520）

0 引言

随着近几年我国生态文明建设步伐的加快，国家对水环境质量改善及治理的重视程度逐渐提高，水体环保问题愈发受到社会关注。水面垃圾不仅包括浮萍、水葫芦等水生植物，还包括漂浮在水面上的生活垃圾，如白色垃圾、树枝等，这些水面垃圾会污染水体，破坏水体内的生物链，对水体造成严重影响。随着人们生活水平以及城市绿化要求的提高，人们对水体污染的治理和水体垃圾的清理有了更加迫切的需求。

基于此，本文设计了一款自动化水陆两栖垃圾打捞处理装置，能够实现全自动化的污染物打捞和处理，从方法层面上看，为相关研究工作的开展提供了参考信息；从技术层面上看，为水污染治理过程提供了科学技术支撑。

1 机械设计制造应用自动控制技术的优势

1.1 提高生产效率和产品质量

所谓的自动控制技术就是在没有人参与的情况下，机器或设备能够按照预期设定的程序或指令正常工作。借助自动控制技术[1]，生产设计不断改进，传统机械设计相关缺陷与不足得到弥补，进一步提高了生产效率和产品质量。

1.2 降低成本

传统机械生产与制造过程以人工操作为主，生产效率难以提升，导致制造企业成本较高，而这会使得整个机械制造业的发展受到阻碍。随着自动控制技术的发展及应用，生产原料的精细控制得以实现，废料率不断降低之后，生产成本得到了有效控制，生产效益明显提升。并且生产废料可以经过二次加工，制成新的产品，在有效控制废料污染的同时，进一步降低成本[2]。

1.3 实现精准化、智能化操作

运用自动控制技术后，可以将存在的问题有效解决。首先，自动控制技术[3]可以利用控制器编程实现对机械设备的精细远程控制；其次，自动控制技术可以严密监视整个工作流程的执行情况，整个过程不需要人工参与；最后，相关分析科学化，能够及时发现并解决流程问题，尽可能将经济损失降到最低。

2 水陆两栖垃圾处理装置的机械结构设计

本文主要采用UG软件[4]进行产品的整体外观设计，具体的外观设计如图1所示。该水陆两栖垃圾处理装置主要由4个车轮、机械手、螺旋桨、同步轮、同步带、直流电机、推杆等部件组装而成。

图1 三维模型外观设计正视图

3 核心用户用例与工作原理介绍

3.1 核心用户用例

水体（海洋、长江流域等）环保问题愈发受到社会关注，就当前发展状况来看，多数区域仍然使用人工清理打捞的方式，耗时耗力。为了提高水体清理效率，各种水面垃圾清理机器人成功研发并投入使用。然而现有的水面垃圾清理机器人打捞水上垃圾的方式主要有吞进式和传送式两种，传统的传送带结构存在无法快速捕捉到水瓶垃圾等易滑动物体的缺陷，打捞效果差，且打捞后的垃圾体积较大，而水面垃圾清理机器人的内部存放空间不够，存在一定的局限性。

常见的水体垃圾处理器功能单一且不具有水陆两用功能，而本设计充分运用了自动控制技术，与传统设备相比，不仅仅可以应用在海洋或者长江流域，通过远程操控设备，不管是水域环境还是陆地环境，都能够实现自动清理[5]。

3.2 工作原理

该装置主要能够实现水面固体垃圾的打捞以及油污和重金属的处理。该装置整体功能流程图如图2所示。在打捞船上安装有无线图传摄像头云台，可以在显示屏上观测水面情况，若观测到垃圾，则电机驱动螺旋桨运行到垃圾处，打捞船前方斜置的挡板传送同步带开始运行，电机驱动同步带转动，将垃圾传送到平台的垃圾收集处；垃圾桶上端有一个超声波距离传感器，当垃圾桶装满垃圾之后，会通过蓝牙传输到手机终端，提示垃圾已满；当手机接收到垃圾已满的信息后，将远程操控进入四轮运行状态，离开水体环境进入陆地行驶；当设备进入陆地时，控制器控制电机推动电缸上下移动，从而实现螺旋桨的升降，设备进入陆地环境后按照规定的路线运行到垃圾站，完成垃圾的自动倾倒，实现垃圾桶的自动清理。

图2 整体功能流程图

除此之外，该设备还能实现对水体环境中油污的处理，当安装在装置上端的摄像头拍摄到水面上有油污时，可以通过操作机械臂将存放在装置上的化油剂抛洒到水面上，从而达到治理水面上油类污染的目的。

在打捞船上安装水质检测传感器，该传感器可以实时检测大致的水质情况，通过主板上内置的蓝牙模块将水质检测数据传输到手机终端，人们可以通过手机终端查看当前水质情况，为后续水体污染进一步治理提供数据支持。考虑到干扰问题，目前提供了两套操作模式，分别是2.4 GHz无线电手柄遥控和手机蓝牙遥控[6]。

水体垃圾以及陆地垃圾的自动处理过程所需的电源均由锂电池提供，故该设备在整个处理过程中不会造成二次污染，实现了水体环境的环保处理。

3.3 功能测试

3.3.1 Arduino控制器

围绕Arduino控制器的项目，能够只有Arduino[7]，也可以同时包含Arduino和其他能够在PC上兼容的软件，它们之间可以通过Flash、Processing、MaxMSP等来达成通信的目的。本设计中电机的驱动、超声波传感器的驱动、机械手上舵机的驱动都是通过该控制器来实现的。

3.3.2 直流电机

本设计共用了7个电机，4个车轮采用独立驱动方式。为了考虑装置上电机的防水性，四轮选择使用链条传动的模式完成驱动及转向，电机通过联轴器连接链条，电机驱动链条从而带动轮胎的运动，具体如图3所示。

图3 链条传动

3.3.3 舵机

本装置主要利用舵机来控制机械臂的360°旋转，方便化油剂的多角度投放。其工作流程为：控制信号→控制电路板→电机转动→齿轮组减速→舵盘转动→位置反馈电位计→控制电路板反馈。

3.3.4 机械臂

六自由度机械臂常见于高校教学领域、个人DIY制作以及创客教育之中，可以将其看作是一个较为简单的多自由度演示平台。主要由6个4 V电机组成动力系统，机械手可正常进行抓取、搬运、演示动作，金属舵机输出具有较强的稳定性。也可以选用deadly的数字舵机转向关节，选择进口轴承不仅能够提升转向的灵活性，而且能够保证舵机围绕同一圆心转动。本设计采用了MG996R模拟舵机[8]。

3.3.5 螺旋桨的自动升降

本设计的亮点在于，当垃圾桶收集满垃圾以后，设备可以通过四轮自动运行由水体环境进入陆地环境。为了实现水陆两用，避免上陆地的过程中螺旋桨引起的触地，可以通过机械结构设计实现螺旋桨的自动升降。

本设计在两个螺旋桨处各刚性连接了一个电缸，电缸安装在滑动导轨上[9]，通过电机驱动电缸的上下移动，电缸与螺旋桨[10]的固定轴是刚性连接的，电缸上下运动从而带动螺旋桨的上下移动，最终实现螺旋桨的自动升降功能。船桨电缸具体如图4所示。

图4 船桨电缸

3.3.6 垃圾桶的自动倾倒

当装置上的垃圾桶在水体环境中收集满垃圾后，通过电机驱动四轮运动，实现装置由水体环境向陆地环境的运行，当装置运行到离垃圾站5 cm处时，语音播报系统将提示工作人员控制电缸工作，通过控制电缸的升降，实现垃圾桶的自动倾倒，完成垃圾的自动清理。垃圾桶电缸如图5所示。

图5 垃圾桶电缸

4 总结

本文以自动控制技术及机械设计原理为理论支撑，以UG为机械结构设计软件，设计了一款水陆两栖垃圾处理装置。在微控制器Arduino的控制下，该装置能够完成电机、舵机、机械臂、电缸、摄像头、传感器等硬件的驱动。设计的水陆两栖垃圾处理装置采用自主机械结构，可以实现全自动化的控制过程和水陆两栖的垃圾自动清理过程，充分将自动控制技术与机械设计制造完美融合，使得装置功能强大，稳定性、快速性及准确性都符合预期，具有良好的实用价值。