一种水面漂浮物自动清理机器人结构设计

一种水面视觉垃圾清理机器人的结构设计摘要：本文介绍一种基于视觉的水面垃圾清理机器人以及该装置的基本结构，工作原理和工作特色。

具体阐述了该装置的设计方向，未来前景，以及对人类未来水污染处理方式的重大影响。

该装置基于摄像头的人工智能视觉算法使得垃圾清理机器人能自动发现并识别垃圾，之后通过目标追踪使小船行驶到垃圾所在位置并通过传送带，压缩装置和粉碎装置对垃圾进行收集和加工以达到清理垃圾的作用。

结果表明，该机器人适合多种复杂水域环境，具有稳定性强、作业效率高、原材料清洁环保等优点，可广泛应用于水环境治理领域。

关键词:人工智能；机器视觉；自动控制；垃圾清理船1.引言海洋因其空间广阔成为人们生活和生产的活动场所，但水面漂浮垃圾的问题也接踵而至。

偌大的江河湖海水面之上，漂浮着各种垃圾，严重影响水域环境。

为更绿色地利用水资源，各国对水面的垃圾清理也较为重视，但效果不是太理想。

【1】根据调查，目前小型水域的漂浮垃圾清理仍以人工驾驶船只打捞为主，存在效率低、成本高和劳动强度大等问题，而且小型水域经常存在水面狭窄或者深浅不一的区域，打捞具有一定的危险性。

为了克服现有技术的缺点．针对小型水域特点和现有清理装置的不足，我们团队设计一种小型水面垃圾清理装置。

【2】2.主体设计本文所设计的视觉跟踪水上垃圾清理船是由动力模块、功能模块、视觉模块、电源模块组成。

小船的工作流程为小船首先进行目标识别，即通过卡尔曼滤波将目标框处理为预测框，再通过距离代价矩阵进行匈牙利匹配，将特征值、检测框与匈牙利匹配共同作用，追踪 ids 系统，寻找目标 ids。

随后进行目标跟踪，移动小船行驶到目标地，将垃圾送入小船内部，使垃圾最后被送到储存箱。

主要结构包括两个1.5KG 推力的直流转向推进器，传送带，垃圾储存箱，摄像头探照灯组成的视觉模组，压实装置，24v 磷酸铁锂电池，电源转换器等部件。

3.结构设计本文所设计的水面视觉垃圾清理机器人装置如图1所示。

• 50•随着社会的发展进步，人们为满足自身利益的同时却往往不重视他们对环境的污染，严重影响水质甚至危害生命。

为了更加方便的进行水面垃圾清理的工作，设计了这种微型水面垃圾清理机器人，用来代替人工打捞垃圾的工作。

为了让垃圾清理船适应各种水域的工作，采用了双船体结构来增加船体的稳定性，使用远距离遥控的技术来实现对垃圾的清理。

该船的主控芯片采用的是意法半导体的STM32F103C8T6来控制，遥控器使用Arduino 遥控手柄，采用433M 无线串口通信，使能在陆地上控制远处水面的清理船。

水是生命的源泉，随着社会经济不断地发展，人们越来越注重物质层面带来的享受，然而在身心得到满足后，往往忽视了自己行为对环境造成了不良影响，河流湖泊等受到的污染程度正愈发严重。

目前水面上的废弃物主要是一些塑料、泡沫等难以降解的白色垃圾，而这些难以降解的垃圾不但不美观，对水里的生物也带来挑战。

用人工清理水面的漂浮垃圾受限颇多，无法在狭窄的河道和一些危险水域开展工作。

为更好的代替人工清理水面垃圾清理，我们以经济、可行、绿色、环保、简洁为主要设计理念，完成本次作品的设计加工。

水面漂浮垃圾的清理长期以来耗用了大量的人力物力，已有的机器人成果也因制作成本昂贵未能量产。

在这种背景之下，对机器人的环境应变能力，市场接轨程度都提出了更高的要求。

随着科学技术的不断更新发展，对不同环境的具体要求，笔者以此为基础，研究设计出了一种微型水面垃圾清理机器人。

1 技术分析与设计1.1 可行性分析为完成小型水域漂浮垃圾清理任务作为工作背景，笔者主要以机器人的操作简便，制作成本低廉，与市场接轨程度高为设计基调。

在保证合理满足水面垃圾清理功能的需求下，尽可能做到清洁、环保、易推广。

在此理念下，设计的水面垃圾清理机器人具有以下特性：（1）安全性，机器人采用遥控方式控制，可实现危险区域的远程操作，避免了人员在危险区域清理垃圾存在的安全隐患；（2）机动性，泵喷推进器可适应多种复杂水域环境，利用差速控制确保了机器人的回转；（3）实时监控，采用网桥连接树莓派进行图像传输，可远距离在线实时查看水面状况；（4）信息采集，通过远距离无线串口通信模块，采集船周围的水浊度、温度、湿度，并将数据上传至串口屏实时显示，以供使用者查看；（5）GPS 定位，使用北斗LBS 多重定位模块。

水下垃圾清理机器人的设计摘要：为了有效地进行水域的治理，本文提出了一种基于水流动性的双体船型水面垃圾清理机器人。

本文对此机器人的功能、机械构造、工作原理等进行了详尽的说明。

主要功能是利用水泵产生的局部水流推动垃圾进入清洁舱内，从而实现对垃圾的清理。

关键词：水下垃圾；清理；机器人；设计由于海洋拥有广阔的空间，它已成为人类在陆地上生活、生产的必经之路。

大量的垃圾，在这片海域之中飘荡，对周围的环境造成了极大的影响。

为了达到更好的环保目的，世界各地对水域中的垃圾进行了大量的处理，但是效果并不是很好。

为了清除水上的浮物，各类水上垃圾清洁机器人相继问世。

大多数的机器人，都是将垃圾收集起来，这样的话，效率就会降低，打扫起来也会很麻烦。

为了有效地清除和提高工作效率，开发了一种能使垃圾自动进入的流动式表面垃圾清理机器人。

一、结构设计从图1可以看出，流动表面的垃圾清除机械装置包括一个垃圾清除装置、动力、操纵等部件构成，利用水流的流动特性，采用了双体船的结构，通过对机身和附体的形状进行了最优的优化，使船舶的稳定性得到了很大的改善，同时也减小了航行的阻力。

在工作台前面设置了一个摄像机和一个天线，24V安装在工作台中央、16Ah大容量的锂离子电池，控制电路，导航设备置于电子箱内；推进装置由推进马达、导管螺旋桨及螺旋桨防护装置构成；垃圾处理装置是一种垃圾收集斗、高度调节板及抽水装置，安装在机械手的两个浮动缸之间，而抽油泵则设在垃圾收集斗的后面。

垃圾收集器的底端设在水平面以下，其底面为倾斜状，便于产生水流量，而水位调整盘则将货柜与集料箱相连，并能调整料仓的落点及流速，以满足在各种水域条件下进行日常回收工作的可能性。

双壳式船用泡沫填充泡沫材料，不仅能达到对应的浮动压力，而且能对浮动容器进行密闭，确保不渗漏，提高船舶的稳定性能。

（a）3维示意图二、推进系统本系统采用STM32单片机为主要控制单元，NEO-M8NPixhawkAPM为主要控制器，采用内置GPS和罗盘的N-M8NPixhawkAPM微控制器，采用FPV700单板高清摄像机。

水面漂浮垃圾收集机器人的系统设计黄庆典（广东慧航物联科技有限公司，广东东莞523000）摘要：如今各水域与河道上存在越来越多的漂浮垃圾，影响了城市的形象，破坏了水域生物的生态环境，假若漂浮垃圾长时间不清理，还会散发出恶臭的气味，危及居民健康。

针对该问题，设计出一种水面漂浮垃圾收集机器人，清洁人员能够根据机器人传输的视频图像远程控制该机器人收集处理水面上的漂浮垃圾。

机器人系统由驱动模块、垃圾收集模块、中央控制模块、传感模块组成，具有安装容易、故障率低、稳定性高的优点。

关键词：水面漂浮；机器人；垃圾收集0引言进入21世纪以来，快速增长的生活消费与工厂生产一定程度上导致了水域受垃圾污染的情况加重。

水域污染不仅影响了各大生态系统，同时影响着居住环境、居民的身体健康[1]。

目前，水面漂浮垃圾治理方法普遍是清洁人员利用船只配合打捞工具在污染水域巡航打捞。

该方法不仅工作效率不高，而且清洁工的劳动强度大，易受烈日寒冬影响，并且腐臭环境对清洁工的身体有不良影响。

因此，有必要设计出一种远程控制的水面漂浮垃圾收集机器人，代替清洁人员在恶劣的工作环境下作业。

为使机器人工作时具有良好的可持续性与可操控性，本文结合光伏技术与图像传输技术，设计了一种可远程控制的水面漂浮垃圾收集机器人，以改善清洁工人工作条件，提高工作效率，降低水域治理成本。

该系统采用模块化设计，机器人由驱动模块、垃圾收集模块、中央控制模块、传感模块组成，可稳定高效地完成工作任务。

1驱动模块由于水面漂浮垃圾收集机器人在水面上工作时能够充分接收太阳光照，同时考虑到机器人频繁的充电需求会严重影响其工作效率，因此使用光能作为驱动能源，驱动推进器工作，完成机器人在水面上的行驶功能。

机器人的驱动模块由推进器、太阳能电池板、蓄电池、太阳能控制器组成。

常见的推进器有螺旋桨推进器、喷水推进器、直翼推进器、吊舱推进器[2]。

（1）螺旋桨推进器是由减速电机加上桨叶组成的，固定设置在船身的下方或侧面，工作状态下的螺旋桨推进器位于水下，螺旋桨击打水体产生推力，从而实现船体的移动。

湖面清扫智能机器人的控制系统设计1、引言机器人是上个世纪中叶迅速发展起来的高新技术密集的机电一体化产品，它作为人类的新型生产工具，在减轻劳动强度、提高生产率、改变生产模式，把人从危险、恶劣的环境下解放出来等方面，显示出极大的优越性。

在发达国家，工业机器人已经得到广泛应用。

随着科学技术的发展，机器人的应用范围也日益扩大，遍及工业、国防、宇宙空间、海洋开发、紧急救援、危险及恶劣环境作业、医疗康复等领域。

进入21世纪，人们已经越来越切身地感受到机器人深入生产、深入生活、深入社会的坚实步伐。

机器人按其智能程度可分为一般机器人和智能机器人。

一般机器人是指不具有智能，只具有一般编程能力和操作功能的机器人；智能机器人是具有感知、思维和动作的机器人。

所谓感知即指发现、认识和描述外部环境和自身状态的能力，如装配机器人需要在非结构化的环境中认识障碍物并实现避障移动，这依赖于智能机器人的感觉系统，即各种各样的传感器；所谓思维是指机器人自身具有解决问题的能力，比如，装配机器人可以根据设计要求为一部复杂机器找到零件的装配办法及顺序，指挥执行机构，即指挥动作部分完成这部机器的装配；动作是指机器人具有可以完成作业的机构和驱动装置。

由此可见，智能机器人是一个复杂的软件、硬件综合体。

机器人的核心是控制系统。

机器人的先进性和功能的强弱通常都直接与其控制系统的性能有关。

机器人控制是一项跨多学科的综合性技术，涉及自动控制、计算机、传感器、人工智能、电子技术和机械工程等多种学科的内容。

近年来，随着工业和其它服务行业的蓬勃发展，人们在重视其经济效益的同时却往往忽略了他们对环境的污染，人类赖以生存的水资源也不例外。

水面污染对人类的水源构成很大的威胁，湖泊尤其是旅游胜地和市内人工湖泊，更是无法逃避漂浮物污染的厄运，举目可见各种日常消费品的包装物在湖面上漂浮。

污染的加剧根治水污染。

但是，水面污染的治理是一项艰难的长期任务，是全人类必须面对的共同问题。

摘要：设计一种新型的水上清洁机器人。

把指南针引入自动控制系统，实现了螺旋前进运动，大大简化了操作过程。

工作时只需用遥控器设定它的旋转半径和前进方向，就可以自动地完成水面清洁任务。

由于采用了柔性舵，转向更灵敏，从而保证了它具有良好的机动性。

经过试验取得了良好的效果。

关键词：打捞机构；指南针加速检测；柔性舵；水上清洁在现实生活中有许多水源，如河流、人工湖、浅水面、海水浴场等，水面上都漂浮着塑料袋、泡沫、过量的水藻、树叶等很多垃圾，严重影响着人们的健康生活和环境的美丽。

现在已有的大型打捞船体积大、成本高，需要多人同时协同工作，而且不能进入小区域实施打捞工作。

在很多小型区域水面上依然是依靠人工打捞垃圾，而人工打捞工作难度和劳动强度都很大。

为了解决这一问题，我们设计制作了水上清洁机器人。

它具有成本低、体积小、操作灵活等优点，非常适合在小型区域进行打捞清洁作业，而且实现了自动化的控制，操作人员只需利用遥控器设定两个实际工作参数，水上清洁机器人就可以自动完成水上的清洁任务。

1设计思路通常来说，垃圾在水面上的分布是不均匀的，如图1所示。

若是采用直线式往复运动的轨迹打捞，由于垃圾相对于水面有一定的漂移，打捞效果不好，操纵人员需要根据垃圾分布不均匀的情况不停地来回操纵，费时费力，且对机器损害较大。

经分析发现，螺旋前进运动的轨迹是比较理想的，这种运动轨迹具有渐进性，只要设定旋转半径和螺旋渐进方向即可，简化了操纵过程，而且同一区域的水面可以被清洁多次，清洁效果较好，如图2所示。

图1水面上垃圾分布示意图图2改变旋转半径控制清洁范围设计要求机器人能够自动完成螺旋前进运动，并且螺旋半径可以调节。

仅改变转向舵的角度只能使船体绕某一中心的旋转，并不能实现船体沿某一方向偏移前进。

曾考虑使用陀螺仪，考虑到它的价格非常昂贵，需要的处理电路过于复杂，而我们需要的只是一个精度要求不高的开关信号，所以最终采用了指南针，同样达到了很好的效果。

智能水上漂浮物清洁器的设计摘要：现在，在国家快速的发展进程下，人们对金融经济的重视程度往往高于对环境的环，随着社会的不断进步，环境的保护永远都重于任何利益，鉴于对环境的保护，我们对不同区域及地域的水面进行了多次勘察，并研究了大量相关智能的文献进行对比，最终提出了一种能够清洁水面漂浮物的智能化机器。

该设计能全方位的在各种不同的复杂水域进行清洁，新能源动力系统加上智能工作能将工作效率达到最大化。

关键词：漂浮物；复杂水域；智能化；清洁器1 引言在这个经济你追我赶的时代，往往有些人会有一些固性思维，认为先搞经济在回过头来处理环境，可当回过头来时，才发现环境污染已经不是一个点的区域了，而是一片一片了。

等到那时候去清洁的时候，往往会花费很大的利益，久而久之就会一直拖着再去清理已经无法挽回了。

水上清洁器的研究就由此应运而生，水上漂浮物的清理是一项长期而又艰巨的任务。

根究研究显示，目前所研究出来的水上机器人多用于对水质的检测、对水文的研究测量及水下地形勘测。

然而，对城镇、农村的河道、水湖的水面上的漂浮物清理的设备却少之又少，更别说广泛普及了。

相信大家经过各种水域时，都会时不时的看到水面上有一些我们生活常见的垃圾，大家的随手一扔，积少成多，日子久了就会造成严重的污染。

因此，开发一种能全天候都在清洁这些水域水面上的漂浮物是非常有必要的[1]。

2 整体方案设计在本研究中，我们将设计方案分为三部分：第一部分就是控制系统的设计，通过80c51通用的单片机进行对硬件的控制；第二部分动力能源的综合相辅；第三部分就是切割的设计及收集装置的结构设计。

在设计上，我们设计的智能漂浮物清洁器选材的基本材料在市场上几乎都可以买得到，所以她得结构简单，操作也非常方便。

在查阅了相关材料的资料，综合零件使用性能的要求、材料的工业性能和选材的经济实惠，设计出其结构能使用寿命长及耐用的水上清洁器。

2.1控制系统主要是基于AT80C51单片机的集成控制，以keil来进行程序编写及stc的烧写软件进行驱动的控制，选用AT80C51单片机主要是它的性能能够处理多种反馈得到呃信息，并且有着可反复擦写Flash和256 bytes。

一种水面漂浮物自动清理机器人结构设计史浩辉;李莉莉;付宗国;罗准;官俊【摘要】为了解决传统的垃圾打捞船难以解决的小型水面悬浮物的问题,提出一种利用“漩涡”和网筛工作原理,并以太阳能为新能源的一种水面漂浮物清理机器人的设计方案.实现对水体的“二次清理”,也可在水面航行过程或在静止在某固定点完成垃圾的收集,方便灵活.【期刊名称】《机械工程师》【年(卷),期】2019(000)001【总页数】3页(P110-112)【关键词】新能源;机器人;网筛过滤;环保设备【作者】史浩辉;李莉莉;付宗国;罗准;官俊【作者单位】浙江海洋大学船舶与机电工程学院,浙江舟山316022;浙江海洋大学船舶与机电工程学院,浙江舟山316022;浙江海洋大学船舶与机电工程学院,浙江舟山316022;浙江海洋大学船舶与机电工程学院,浙江舟山316022;浙江海洋大学船舶与机电工程学院,浙江舟山316022【正文语种】中文【中图分类】TP242.30 引言当前国内外对于封闭或小型水域垃圾清理研究较少，水上垃圾清理主要以人工清理为主。

虽然目前国内外所开发出的垃圾清理船种类繁多，作用原理也不一而足，但它们大都是定位于江、河、湖、海等大面积水域的垃圾清理，而且只能对于水中的较大体积的漂浮物进行清理，而对于水中较小的悬浮垃圾却是束手无策，不能对水体的清洁作进一步的处理。

本文设计了一种水面漂浮物自动清理机器人，不仅可以清理较大体积漂浮物，而且可以清理水面小型的悬浮物（如浮萍、藻类、果皮等）[1]，解决了传统的垃圾打捞船难以解决的小型水面悬浮物的问题。

1 水面漂浮物清理机器人1．1 水面机器人主要结构水面漂浮物自动清理机器人，包括船体及船体的前后两侧分别设置的前阀门和后阀门，且船体中设有网筛。

船体的内部为用于放置网筛的主舱室、船体前舱、船体后舱、片体内隙、船舱侧隙组成；前舱阀门的启闭型式为滑移式，并且船体前舱和船体后舱通过船舱侧隙连接。

船体底部安装有斗状套筒，斗状套筒末端与水泵进水口相连；在水泵出水口安装电磁阀，在船体底部后侧对称安装两个水下推进器；且水下推进器上都设有推进器螺旋桨。

科技创新科技风2019年11月DO/10.19392/kC1671-7341.201932023一种水面清洁机器人及其系统设计赵阳赵飞李依帆王晨陈津翟河南理工大学机械与动力工程学院河南焦作454000摘要：近年来，水面垃圾清理一直是一个热点。

现有人工清理方式不仅效率低，而且存在一定的危险性。

鉴于此情况，设计一款水上垃圾清理机器人，以实现对水面垃圾的高效收集是有必要的。

该机器人可在水中自由移动收集水面垃圾，其工作所消耗的电能由其太阳能与常规电池结合提供。

搭载的视觉系统可采集水面环境信息。

该机器人具有自主巡航和手动操作两种模式，可在大面积水域内作业，完成垃圾的多点精准收集，保证高效率与精确性。

关键词：水面清洁；机器人；自主巡航；太阳能一、设计目的该设计的目的是为了实现水面垃圾清理工作的机械化与自动化，研制出一种具有环保、高效、节能特点的水面垃圾清理机器人，该机器人可对水面漂浮物等垃圾的集拢收集、提升和储运等，对营造绿色的生态环境有着重要的意义。

通过使用机器人清理水面垃圾的方式，解决了人工清理效率低、成本高、效果差等诸多问题。

二、硬件系统介绍该机器人硬件系统由控制系统、供能装置、运动机构、图像采集装置、浮力装置、垃圾收集装置、排水装置构成，具体见图1$图1机器人结构示意图(1)控制装置为机器人的功能控制核心，采用stm32f427芯片控制器作为主控，控制侧身螺旋桨转动来使机器人在前后左右方向移动。

此外,机器人在水中工作时可切换为手动控制，也可自动控制。

手动控制用于水面工作面积较小的环境，操作者通过遥控器对机器人进行控制。

自动控制时,该控制器外拓了GPS模块，可以实时检测该机器人在水中的速度、位置、航向等状态。

同时有开发的手机FP可以对机器人进行控制。

(2+供能装置则采用太阳能与常规电池相结合的方式由一组蓄电池和多组太阳能电池板构成，太阳能电池将光能转化为电能储存在蓄电池中，工作时蓄电池直接供能，供能稳定，节约能源。

智能型水面垃圾清理机器人控制系统的设计与研究目录1. 内容概括 (3)1.1 研究背景 (3)1.2 研究目的与意义 (5)1.3 论文结构概述 (6)2. 文献综述 (7)2.1 机器人技术概述 (8)2.2 水面垃圾清理需求与现状 (9)2.3 机器人控制系统设计方法及特点 (11)2.4 相关研究成果与经验 (12)2.5 未来研究方向与趋势 (13)3. 系统需求分析 (15)3.1 功能需求 (16)3.2 性能指标 (17)3.3 设计限制与约束 (18)4. 系统总体设计 (19)4.1 机器人的硬件架构 (20)4.2 软件架构选型 (22)4.3 数据采集与处理 (24)4.4 控制系统核心模块设计需求 (25)5. 核心模块详细设计与实现 (26)5.1 图像处理与识别模块 (28)5.2 自主导航与路径规划模块 (29)5.3 垃圾抓取与运输模块 (30)5.4 避障与杨烤盘上情景应对模块 (31)5.5 能量管理与充电模块 (32)6. 系统集成与测试 (34)6.1 硬件集成实施 (35)6.2 软件集成开发与测试平台 (37)6.3 接口与通信协议测试 (38)6.4 整体系统集成测试与仿真验证 (39)7. 结果与讨论 (41)7.1 实验结果分析 (43)7.2 性能测试评估指标 (44)7.3 故障分析与改进 (45)7.4 用户反馈与后续优化建议 (47)8. 结论与展望 (48)8.1 总结研究主要贡献 (49)8.2 系统应用的实际效果 (50)8.3 未来研究方向与科学建议 (51)1. 内容概括随着城市化进程的加速和人类生活水平的提高，水环境污染问题愈加严峻。

水面垃圾污染尤为突出，严重影响着生态环境和人们生活质量。

针对水面垃圾清除需求，本论文设计并研究了一套智能型水面垃圾清理机器人控制系统。

该系统集成了多传感器数据融合、路径规划、控制算法以及垃圾识别技术，实现了智能化自动清除水面垃圾的功能。