基于慧鱼技术的海洋垃圾收集装置研究

万宏钢

（江西机电职业技术学院，江西 南昌 330000）

随着海洋经济的快速发展，海洋垃圾越来越多，对沿海城市以及海洋生物造成了严重影响[1-3]。目前主要靠人工对海面上的大量垃圾进行清理和收集，不仅费时费力，而且工作效率一般，这一现状触发了人们对机械化水面清扫船的需求[4]。笔者研制的“海洋环境卫士”是一种清理和收集海面垃圾的新型工具船，如图1所示，可以实现自动化控制，完成垃圾的收集、筛选、粉碎和压缩打包等一系列无人化操作，不仅节省了人工成本，还大大提高了工作效率。目前高性能的海面清扫船仅集中在船舶建造工业发达的少数国家，但需求量却是全球性的，因此该产品具有广阔的市场前景[5-8]。

图1 海洋环境卫士

1 作品构思

“海洋环境卫士”具有操作自动化、功能模块化、智能化等特性，包括6大系统。

1）拦截系统：包括传动和拦截两部分。利用螺旋传动将挡板推出，随后通过齿轮与连杆相结合的方式驱动挡板展开，从而拦截垃圾。

2）传送系统：由伸缩履带装置和传送装置组成。履带和卷扬机通过伸缩装置伸入水面以下，卷起拦截网上的垃圾，随后由传送装置将垃圾传送至下一系统。

3）预处理系统：通过一系列预处理可以对垃圾进行分拣和粉碎，便于后续的打包处理。

4）打包回收系统：经过预处理的垃圾通过导槽掉落至压缩箱，随后电机启动运转，带动压缩机体的齿轮齿条往复运动，实现垃圾压缩打包处理，方便后续回收储存。

5）智能仓储系统：推出装置将压缩箱推出，再通过智能机械夹子将压缩箱进行堆放。实现这两个动作后推出装置复位，再由换箱装置进行换箱操作。

6）智能识别系统：利用In-Sight软件实现智能视觉系统，使其能够对箱体容量进行智能化识别。

2 各部分结构与工作原理

2.1 智能控制部分

智能控制部分由4块慧鱼编程接口板和计算机联合控制。当接通工作开关后，程序启动，各个部分无需单独操作，利用计数器与限位开关联合工作，实行精确控制，如图2所示。摄像头可以随时判断压缩机构是否正常运行。当正常运行时，摄像头捕捉画面正常，以此来监测压缩装置；当非正常运行时，摄像头捕捉画面异常，电脑以及船身控制器发出警报，并能精确定位故障部位。

图2 智能控制部分

2.2 拦截装置

挡板通过螺旋传动推出，随后通过齿轮与齿条进行前后运动从而带动连杆将挡板展开，如图3所示。

图3 拦截装置开启与关闭

2.3 伸缩装置

伸缩履带装置如图4所示，当需要收集垃圾时，通过TXT控制，启动电机带动丝杆旋转，将卷扬机及贮带仓伸长至水面并延伸至水下，进行垃圾处理的准备工作。

图4 伸缩履带装置

2.4 传送装置

当卷扬机到达指定收集位置后，启动电机带动卷扬机开始运动，将需要收集的垃圾通过卷扬机的旋转运输到履带前方后，履带启动，将收集到的垃圾向分拣装置运送。装置由链传动进行，使装置平均传动比准确，工作可靠，效率高。

2.5 分拣装置

装置通过预留间隙以及齿轮之间的啮合达到筛选和粉碎的目的，且两者之间完全由齿轮传动，保证了装置的准确性和可靠性。在垃圾运送的途中，分拣装置启动，通过电机进行震动，将收集到的垃圾按照体型分为小型及大中型垃圾，小型垃圾通过筛选滑至垃圾收集箱，大中型垃圾则前往粉碎装置。分拣装置具体结构如图5所示。

图5 分拣装置

2.6 粉碎装置

在分拣装置启动过程中，粉碎装置启动，如图6所示。大中型垃圾通过筛选装置进入粉碎机，粉碎机通过电机带动两组高速运转的齿轮对垃圾进行破碎，完成破碎的垃圾落入垃圾收集箱中。

图6 粉碎装置

2.7 隔挡装置

通过电机带动链传动，实现两端螺杆的同步上下运动，使隔挡门实现开启和关闭状态，进而更好地控制垃圾的进入量，从而使压缩装置更好地工作，隔挡装置如图7所示。

图7 隔挡装置

2.8 压缩装置

粉碎后的垃圾和小型垃圾落入垃圾收集箱后，压缩装置启动，如图8所示。通过电机运转，带动压缩机体的齿轮齿条传动进行往复运动，由自身重力对垃圾进行压缩打包。

图8 压缩装置

2.9 推出装置

当垃圾压缩完成后，通过电机带动箱体下方的齿轮齿条传动，进行箱体的前后运动，达到将箱体推出的目的，以便切换箱体。推出装置及齿条导轨如图9所示。

图9 推出装置

2.10 换箱装置

通过电机驱动螺杆前后运动，使新的箱体被推至压缩装置下，储存好的箱子通过重力下落，进行下一轮回。换箱装置具体结构如图10所示。

图10 换箱装置

2.11 智能仓储装置

上端具有导轨可供智能抓取装置在仓库内上下左右运动，从而能够实现自动化入库，智能堆叠。下方具有承重柱，具有承重量大、结构稳定的特点。智能仓储装置总体视图如图11所示。

图11 智能仓储装置总体视图

2.12 智能抓取装置

当箱体推出时，智能抓取装置将通过导轨移动到箱体上方进行抓取，装置设有自动升降，可在仓库内全方位移动进行货物堆叠。智能抓取装置主体部分如图12所示，可实现以下操作。

图12 智能抓取装置主体部分

1）爬升：通过齿轮与齿条啮合进行爬升，传递动力大、寿命长，工作平稳，可靠性高。

2）左右：通过链条传动，实现左右精确运动。

3）前后：利用4个负重轮在导轨上进行前后运动，负重轮上有橡胶包裹，用于增加摩擦力。

4）夹抓：两条螺杆并排放置，二者之间通过齿轮传动达到开合的目的。

2.13 节能装置

通过太阳能和风能搭建风光互补供电系统，从而实现节能，具体如图13所示。

图13 节能装置

2.14 推进装置

推进装置利用3组相互啮合的齿轮，由编码电机带动齿轮运动，实现船体的前进与后退，具体如图14所示。

图14 推进装置

2.15 智能识别装置

利用In-Sight软件的智能视觉系统，使其能够对箱体容量进行智能化识别，智能识别装置如图15所示。

图15 智能识别装置

3 作品的科学性与先进性

本装置的智能控制系统由ROBO Pro控制软件、接口板和传感器组成，能够对伸缩装置的伸出与缩回等步骤进行控制[9-10]，科学性和先进性在于：

1）对接口板进行了扩展操作，电机接口由原来的4个变成了8个，同时I/O口的数量也扩展为原来的两倍，保证作品所需的电源、输入信号、输出信号都可以连入控制器中，控制环卫车完成所有的动作。控制器对各电机、传感器的运行状态进行监控，进一步保证了“海洋环境卫士”运行的可靠性。

2）本装置利用限位开关检测机构运行的位置，控制机器的运行、停止或计数，把数字量的结果即0或1返回给控制器。相比其他类型的传感器采用延时的控制方式，本设计中的限位开关可以精确控制电机运行的时间，这大大提高了系统运行的可靠性和稳定性。

4 作品的创新点

1）智能仓储：智能机械平台能够实现在仓库内上下左右运动，从而能够实现自动化入库。

2）伸缩装置：能有效收集水面垃圾和漂浮垃圾，大大提高了工作效率。

3）换箱装置：通过电机驱动螺杆前后运动，进而使新的箱体被推送至压缩装置，存储好的箱子则通过重力下落进行下一道工序。