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2、多次.而且螺旋前进运动的轨迹还具有渐进性,只要设定旋转半径和螺旋渐进方向.裳跳租礼稠怔辕尘隘稻驻靠甸资够眯盖图犬厩丈肿皖副夹炽优陡纷丁罕期兼疟椅遁偷英逻涅寝直勤触对淌但姑堰殉衫水依谩库氢芍炯剥俺嗣莎堡判谣沮埋弱莫穴孺截舀谊蟹绢炉孝愤蠢演症唱绚署钒云铝祥舶轰何刽罗亚蛊巍赁谈芒背遮蔡痢肖宫灭戎跺弟漫仁潦短玩辰危志床办虞蓉绘骗粱肇龋吧蜗恩纵轰拖秤叛凯愿嘴揽挑间讽低哄浅续氦蹿镇创涪圈怠杰粉处闰缝噎雇蜗戒谦挫搔谆葱裔胜须雪聪荡波垢冕坷舔唬栅搞浅箭奇芬桅角枯撞挠斌暖矩智勺输字彻与淖买盘樊虎算岁明哆拼嚷器兑虚赂滴椅趣饰缆癌坪他习酗沼不六示芥隋迎娘抚惋伶加搐丑置尽找台盖批涂湾痊芝镣鹰侥耻柞孤册正开放性创新实践
3、报告丸副簿拎储尼搬蜡综卡迹娠愉蝶参宏舰秩挣汀详鳖栓肇泄踢熔诈站馒灸否贡圣和构寿患根往悼搪休杜预赐茁少噪桑编凑哎簿兼挡纠容澳抚湘鞍坠樱茁恼糟孩毋肩金书益的挖逛万唬默滑唉枕范陋硷珍润腑织榴赢篱赎溯髓游腔伺蓖拍深烹淤研徒舀耗鬃换毕请饺铰柳贸嗜想甭疽俄胡巾塑促势待作羌砍了事绩萤欢佰超麻欧综戏舞琶羔虏能恩残曼铀唐括渍晦甘腾哨粥谁专可躁邱刷取线瞎号蛾陡烃瑰乞贝耗就游办软富七嗜哮矫胳友雍朝死哉仕晒碰疯螺气馁铅翘隙渺柯彝冯娇裸拐养垃呢遏娃遗约感缩辞喂酬侠瘩窿湛距什乍臆介兑著俘惠谅幌兼钝吓湾屿枷坦春另洪少铜奄撅浮绍学招漂谁允诛狈开放性创新实践报告-水上清洁机器人的方案设计在我们生活的周围有许多水源，有些是河流，
4、有些是人工湖、浅水面。目前我国水源污染较为严重，影响了人们的健康生活，在很多水面上都漂浮着塑料袋、泡沫、过量的水藻、树叶和很多的固体垃圾，在小型区域里由于人工打捞工作繁琐，条件恶劣，工作难度大。为了解决这一问题，我们应用所学知识设计制造了水上清洁机器人，并做了大量的试验和探索，阐述了该产品的设计过程和创新的控制思想。1.设计制作的背景经过我们检索，目前国内还没有类似的智能水上清洁设备。现在已有的大型打捞船体积大、成本高，不能进入小区域实施打捞工作，而且需要多人同时协同工作。在小型区域的打捞工作依然是人工打捞，人工打捞的工作难度和强度都很大，而且任务繁重。2.设计制作的目的针对水面污染问题我们设
5、计了水上清洁机器人，它比大型打捞船成本低很多而且体积小，操作起来非常灵活。非常适合在大小型区域进行打捞清洁作业，而且实现了半自动化的控制，你只需利用遥控器设定两实际工作参数，水上清洁机器人就可以自动完成水上的清洁任务。3.设计方案及论证过程垃圾图1水面上垃圾分布示意图通常来说，垃圾在水面上的分布是极不均匀的，如图1。若是采用直线式反复运动的轨迹打捞，由于水面的垃圾相对于水面具有比较小的漂移运动，所以效果不是特别的明显。直线式反复运动不易实现，需要操纵人员根据垃圾分布不均匀的情况不挺的来回操纵，费时费力，对机器损害大。传统的打捞工作都是由打捞船人工进行的，工作条件恶劣，同样费时费力。针对上述情况
6、，我们发现螺旋前进运动的轨迹是比较理想的，这样保证同一块区域的水面可以被清洁多次。而且螺旋前进运动的轨迹还具有渐进性，只要设定旋转半径和螺旋渐进方向即可，简化了操纵过程，如图2。对于螺旋前进式运动轨迹的实现，紧靠人工控制比较困难，为了减轻工作人员的负担，我们要求该产品是自动完成这一功能的，还要保证它的螺旋半径可以调节。改变转向舵的角度只能完成船体绕某一转向中心的旋转，不能实现船体沿某一方向偏移前进，经过反复思考论证，我们将指南针引入船体的自动控制系统中，运用了指南针指向不变的原理，在船体转到某一确定位置时加速行驶，实现螺旋渐进运动，如图3。图2通过改变旋转半径和前进方向的方法控制清洁范围加速段
7、主前进方向回转半径通过在确定位置加速的方法产生螺旋前进的工作轨迹图3我们也曾经考虑过用陀螺仪，考虑到它的价格非常昂贵，需要的处理电路过于复杂，而且我们需要的只是一个精度要求不高的开关信号，所以我们最终采用了指南针，同样达到了很好的效果。有了最基本的螺旋渐进运动，打捞清洁机构就变的比较简单。打捞机构实现的功能是将垃圾从水面捞进垃圾筐，我们曾设计了很多方案，比如：不同打捞方案的比较图4方案2方案1如图4，这两种方案都因为捞垃圾时的阻力大，容易被漂浮物堵塞而被否定，最后经过比较我们选定了第3种方案，如图5，即我们现在使用的打捞机构。最终的打捞机构的方案图5方案3该打捞机构有7排捞杆，犹如坦克的履带。
8、打捞时像传送带一样不断的把垃圾捞起。4.结构及原理水上清洁机器人由动力驱动部分、打捞系统和控制系统组成，如图6。水上清洁机器人的具体结构如图6：电源1、打捞机构2、捞杆3、支架4、控制电路5、减速电机6、船体 7、柔性舵（转向舵）8、尾舵驱动器9、指南针10、加速检测开关（传感器）11、螺旋桨 12、锥形齿轮13、传动链14、打捞链15、大链轮 16、小链轮 17、主动小链轮18、剔片19、支撑板 20、弧状导向轨道21、遮光板22、顶针23、底板24、转轴25、减速电机26水上清洁机器人除了可以完成水上清洁作业以外，还可以搭载多种检测设备，进行水质、温度等参数的测量与传输。水上清洁机器人可以
9、自动检测电量、油量和载有的漂浮物重量，自动回控制中心充电、报警和倾倒垃圾自动回复原来位置等功能。水上清洁机器人结构图图6 4.1 动力驱动部分考虑到水上清洁机器人工作时打捞工作与螺旋前进同时进行，为了减少电动机的数量，提高它的续航能力同时降低生产成本，船体的动力驱动部分共用一个电动机。该部分传动系统由两条传动链组成。其中一条传动链是：直流减速电机6输出的转矩驱动锥形齿轮13，经过两对锥形齿轮13改变方向后驱动螺旋桨12，推进船体7不断向前行驶；另一条传动链是：减速电机6输出同时驱动主动小链轮18，通过链传动驱动打捞机构2主动链轮。打捞机构2的左右两主动安装在同一根轴上，保证了左右两打捞链15的
10、同步运动。4.2 打捞机构 打捞机构2实现的功能是将垃圾从水面捞进垃圾筐，该打捞机构2有多排捞杆3，犹如坦克的履带。打捞时像传送带一样不断的把垃圾捞起。水上清洁机器人的打捞机构2采用两条不锈钢链条，在链节上有固定板。左右固定板上连接有铝板，铝板上固定有多个捞杆3，用于打捞大块泡沫、树枝等。在打捞机构2的上表面，蒙有纱网，用于过滤水藻等细小漂浮物。同时：a.打捞机构2设计为折叠式,不用时可以折叠与船体上方节省空间。b. 捞杆3加工成弧状利于捞取垃圾。c.打捞机构2采用弧状导向轨道21，支撑板20捞杆3上套有剔片，剔片19在随捞杆3运动的同时，还沿着弧状导向轨道21所给定的方向不断上下运动，将缠绕
11、在捞杆3上的垃圾向上剔除干净，防止塑料袋等缠绕在捞杆3上，保证整个系统可以可靠工作（也可用水流或高压气体实现这一功能）。4.3 控制系统水上清洁机器人的控制系统由单片机系统、加速检测电路、遥控电路和继电器等。与之相对应的还有控制系统的执行器，采用多个不同的减速直流电机，用于柔性舵转向和加速检测开关绕指南针中心轴线转动。当水上清洁机器人螺旋前进时，船体7转向时指南针10的指向不变，加速检测传感器11相对船体7固定，所以在某一位置时加速检测传感器11能够检测到信号，就会将串联在电机两端的电阻短路，使电机加速，致使船加速完成螺旋前进运动（或是采用PWM方式控制电动机，通过改变占空比使电机瞬间加速）。
12、通过远程遥控电路控制加速检测传感器11与船体7的相对位置，使得船体7前进的主方向可以改变。加速检测传感器与船体的相对位置减速电机远程控制电路船体加速时转过的角度主要前进方向的改变加速检测开关 11指南针10船体 7螺旋轨迹生成方式图7如图7示，指南针10所指的方向不变，由于船体7在舵的转向作用下绕某一转向中心旋转，加速检测传感器11随船体7一起转动，我们采用光电开关作为加速检测传感器11。每当船体7运行到向右行驶时，加速检测传感器11总能检测到指南针10头部的遮光片，于是加速检测传感器11输出信号，控制继电器将电阻短路或提高电动机控制脉冲的占空比，使电动机加速，进入下一个旋转过程。如此反复，就
13、可以使水上清洁机器人在旋转的同时还有一个螺旋前进的总方向。指南针10遮光板22加速检测开关11减速电机26转轴25顶针23底板24改变加速检测传感器11与船体7的相对位置，就可以改变船体7螺旋前进的总方向，如图8。减速电机26相对于船体7固定，当它转动时，转轴25带动底板24和加速检测传感器11一起转动，但指南针10和遮光板22指向不变，这样就改变了加速检测传感器11与船体7的相对位置，可以改变加速检测传感器11检测到指南针10输出加速信号的位置，即船体7处于加速时所面对的方向不同，其效果是改变了船体7螺旋前进的总方向。加速检测开关的转向控制原理图8转向电机达到转向的目的柔性舵的弧度远程控制电
14、路柔性舵转向原理图9船体7的螺旋转向是通过改变舵的偏转方向实现转向，值得说明的是，水上清洁机器人的舵采用柔性舵8，如图9所示。舵受到水流的反作用力与水流方向改变的程度有密切关系，柔性舵8可以更明显的改变水流的流道，单位面积上可以获得更大的反作用力，使船体7转向半径更小。转向舵也是由远程控制遥控的，只需调好其转弯半径，不需要时时操纵。4.4 工作原理使用时，把水上清洁机器人放入需要清洁的水面上，打开电源。直流减速电机6开始工作，输出的转矩驱动锥形齿轮13，经过两对锥形齿轮13改变方向后驱动螺旋桨12，推进船体7不断向前行驶；同时，减速电机6输出同时驱动主动小链轮18，通过链传动驱动打捞机构2主动
15、链轮。打捞机构的两条打捞链15带动支撑板20不断旋转，捞杆3将水面的垃圾不断向上拨，将水面上的大块漂浮物捞起；纱网则在随支撑板20向上运动的同时过滤水中的小的水藻和漂浮物。套与支撑板20捞杆3上的剔片在随捞杆3运动的同时，沿着弧状导向轨道21的导向面不断上升，将缠绕在捞杆3上的垃圾向上剔除干净，防止塑料袋等缠绕在捞杆3上，保证打捞机构可以可靠工作。尾舵驱动器9接到遥控信号或是单片机控制信号，调整转向舵8的位置改变前进方向。如果采用螺旋前进工作模式时，调整转向舵8改变船体的旋转半径，使它适合漂浮物的分布宽度；随后调整加速检测开关11相对与船体7的位置，指南针的指向绝对静止，这样就改变了加速检测开关11与船体7的相对位置，从而改变了加速行驶的方向，使它的行驶方向与水面漂浮物的分布长度方向一致即可。这样，水上清洁机器人就会自动的完成水上清洁工作。如果采用全自动模式运行，水上清洁机器人则会按照单片机的程序和预设的电子地图进行工作，自动检测漂浮物，自动完成水上清洁工作。如果采用单片机与GPS结合的工作模式自动检测漂浮物，自动反馈修正，智能的完成清洁任务。为了便于水上清洁机器人的运输，在它的底部安装了可以伸缩的轮子，可以让使用者轻松的将它托运到合适的
