CN108385641A - 一种风光互补的推进型水面油污清理机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种风光互补的推进型水面油污清理机器人，包括壳体，所述壳体内分为清理层和控制层，所述控制层位于所述清理层的下方，所述清理层内设有清理箱，本发明漂浮球能使机器人漂浮于水面，推进器通过曲柄连杆驱动螺旋桨旋转，使机器人在水面上前进，扩大了水面油污的清理范围，机器人运动的同时，水泵工作吸入附近的油水混合物，油水混合物经传送带传送，油污被传送带表面的亲油疏水层吸收，而水从排水口重新进入水域，亲油疏水层经挤压辊对挤压后吸收的油污被释放出来进行暂时存储，从而实现了油水分离，能自行对水面上的油污进行清理，无需人工干预，可在恶劣的气候条件下或者危险水域进行作业。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术设备领域，特别涉及一种风光互补的推进型水面油污清理机器人。
背景技术
石油污染是指石油开采、运输、装卸、加工和使用过程中，由于泄漏和排放石油引起的污染，主要发生在海洋。石油漂浮在海面上，迅速扩散形成油膜，可通过扩散、蒸发、溶解、乳化、光降解以及生物降解和吸收等方式进行迁移、转化。油类可沾附在鱼鳃上，使鱼窒息，抑制水鸟产卵和孵化，破坏其羽毛的不透水性，降低水产品质量。油膜形成可阻碍水体的富氧作用，影响海洋浮游生物生长，破坏海洋生态平衡。因此需要及时有效的处理水面上的油污，避免海洋受到进一步的污染。
现有的水上油污清理装置体形都较为庞大，装置极为复杂，需要专门的作业人员进行操控，但在一些比较恶劣的气候条件下或者危险水域进行作业时，对作业人员的生命安全产生了影响。
发明内容
(一)解决的技术问题
为了解决上述问题，本发明提供了一种风光互补的推进型水面油污清理机器人，漂浮球能使机器人漂浮于水面，推进器通过曲柄连杆驱动螺旋桨旋转，使机器人在水面上前进，扩大了水面油污的清理范围，机器人运动的同时，水泵工作吸入附近的油水混合物，油水混合物经传送带传送，油污被传送带表面的亲油疏水层吸收，而水从排水口重新进入水域，亲油疏水层经挤压辊对挤压后吸收的油污被释放出来进行暂时存储，从而实现了油水分离，能自行对水面上的油污进行清理，无需人工干预，可在恶劣的气候条件下或者危险水域进行作业。
(二)技术方案
一种风光互补的推进型水面油污清理机器人，包括壳体，所述壳体内分为清理层和控制层，所述控制层位于所述清理层的下方，所述清理层内设有清理箱，所述清理箱与所述壳体共用正面、背面及顶部，所述清理箱内分为蓄液腔和分离腔，所述蓄液腔和所述分离腔之间设有隔板，所述隔板的顶部与所述清理箱的顶部设有豁口，所述蓄液腔和所述分离腔通过所述豁口相连通，所述蓄液腔的下部设有过滤网，所述分离腔内设有主动辊和从动辊，所述主动辊和所述从动辊均为可转动的设于所述清理箱的两侧面之间，所述主动辊位于所述隔板侧，所述从动辊位于所述清理箱的背面侧，所述从动辊低于所述主动辊，所述主动辊与所述从动辊之间设有传送带，所述传送带覆盖所述分离腔的底部，所述传送带的表面设有亲油疏水层，所述传送带的下部分设有若干挤压辊对，所述挤压辊对包括上挤压辊和下挤压辊，所述上挤压辊位于所述传送带的上方，所述下挤压辊位于所述传送带的下方，所述清理箱的一个侧面外部设有电动机，所述电动机的输出轴与所述主动辊相连接，所述清理箱的背面设有排水口，所述排水口高于所述从动辊，所述排水口露出于所述壳体的背面，所述分离腔设有红外线传感器对，所述红外线传感器对包括红外线发射传感器和红外线接收传感器，所述红外线发射传感器和所述红外线接收传感器水平相对的位于所述分离腔的内侧壁上面，所述红外线传感器对位于所述传送带的下方，所述控制层内的一侧设有水泵，所述水泵位于所述壳体的正面内侧，所述水泵的吸水口贯穿所述壳体并露出于所述壳体的正面，所述水泵的出水口贯穿所述清理箱的底部并伸入所述蓄液腔，所述控制层的底部居中的设有推进器，所述推进器的曲柄连杆贯穿所述壳体的底部并伸出于所述壳体，所述曲柄连杆通过橡胶密封圈与所述壳体的底部相连接，所述曲柄连杆的端部设有螺旋桨，所述控制层内的另一侧设有舵机，所述舵机位于所述壳体的背面内侧，所述舵机的传动轴伸出于所述壳体的背面，所述传动轴的端部连接舵轴的一侧，所述舵轴的另一侧设有舵叶，所述控制层内还设有控制箱和蓄电池，所述控制箱位于所述舵机和所述推进器之间，所述蓄电池位于所述推进器和所述水泵之间，所述控制箱内设有控制模块、存储模块和GPS定位模块，所述壳体的正面及侧面设有若干避障雷达，所述避障雷达位于所述吸水口的上方，所述壳体的周向外侧设有若干漂浮球，所述吸水口位于所述漂浮球的上方，所述漂浮球与所述壳体柔性连接，所述漂浮球分内层和外层，所述内层为空腔，所述外层为可降解泡沫，所述壳体的顶部设有太阳能光伏板，所述壳体的背面外侧设有固定支架，所述固定支架位于所述排水口的上方，所述固定支架为门形结构，所述固定支架上设有风轮机，所述避障雷达和所述红外线传感器对连接所述控制模块的输入端，所述控制模块的输出端分别连接所述电动机、所述推进器、所述水泵和所述舵机，所述控制模块与所述存储模块相互连接，所述控制模块通过所述GPS定位模块与GPS定位卫星通信连接，所述太阳能光伏板与所述风轮机均与所述蓄电池电性连接，所述蓄电池为所述控制模块提供工作电压。
进一步的，所述漂浮球的数量至少为4以上的偶数个。
进一步的，所述亲油疏水层为聚氨酯海绵。
进一步的，所述GPS定位模块选用ET-318 SiRF Star III GPS芯片组。
进一步的，所述存储模块存放离线地图包。
进一步的，所述控制模块选用16位单片机MC95S12DJ128。
进一步的，所述太阳能光伏板为单晶硅太阳能光伏板。
进一步的，所述蓄电池为锂离子蓄电池。
(三)有益效果
本发明提供了一种风光互补的推进型水面油污清理机器人，漂浮球能使机器人漂浮于水面，推进器通过曲柄连杆驱动螺旋桨旋转，使机器人在水面上前进，扩大了水面油污的清理范围，机器人运动的同时，水泵工作吸入附近的油水混合物，过滤网滤除油水混合物中的固体颗粒杂质，油水混合物经传送带传送，油污被传送带表面的亲油疏水层吸收，而水从排水口重新进入水域，亲油疏水层经挤压辊对挤压后吸收的油污被释放出来进行暂时存储，从而实现了油水分离，能自行对水面上的油污进行清理，避障雷达对机器人本体移动路线上的障碍物进行定位，当需要转向时，控制模块控制舵机驱动舵轴和舵叶旋转，从而改变机器人本体的移动方向，可非常灵活的避开障碍物，红外线传感器对实时监测暂存的油污量，当到达阈值时，机器人本体结合离线地图包和GPS定位数据自动返航，自动化及智能化程度高，无需人工干预，可在恶劣的气候条件下或者危险水域进行作业，太阳能光伏板和风轮机同时给蓄电池进行充电，从而给机器人供电，充分高效的利用了自然能源，符合节能环保的设计理念，其结构简单，设计巧妙，检测精度高，响应速度快，稳定性和可靠性好，具有良好的实用性和可扩展性，可广泛应用于各种海洋、湖泊、河道、滩涂等水面的油污清理。
附图说明
图1为本发明所涉及的一种风光互补的推进型水面油污清理机器人的外部结构示意图。
图2为本发明所涉及的一种风光互补的推进型水面油污清理机器人的内部结构示意图。
图3为本发明所涉及的一种风光互补的推进型水面油污清理机器人的清理箱的俯视结构示意图。
图4为本发明所涉及的一种风光互补的推进型水面油污清理机器人的漂浮球的内部结构示意图。
图5为本发明所涉及的一种风光互补的推进型水面油污清理机器人的***工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所涉及的实施例做进一步详细说明。
结合图1～图5，一种风光互补的推进型水面油污清理机器人，包括壳体1，壳体1内分为清理层和控制层，控制层位于清理层的下方，清理层内设有清理箱2，清理箱2与壳体1共用正面、背面及顶部，清理箱2内分为蓄液腔3和分离腔4，蓄液腔3和分离腔4之间设有隔板5，隔板5的顶部与清理箱2的顶部设有豁口，蓄液腔3和分离腔4通过豁口相连通，蓄液腔3的下部设有过滤网6，分离腔4内设有主动辊7和从动辊8，主动辊7和从动辊8均为可转动的设于清理箱2的两侧面之间，主动辊7位于隔板5侧，从动辊8位于清理箱2的背面侧，从动辊8低于主动辊7，主动辊7与从动辊8之间设有传送带9，传送带9覆盖分离腔4的底部，传送带9的表面设有亲油疏水层，传送带9的下部分设有若干挤压辊对10，挤压辊对10包括上挤压辊和下挤压辊，上挤压辊位于传送带9的上方，下挤压辊位于传送带9的下方，清理箱2的一个侧面外部设有电动机11，电动机11的输出轴与主动辊7相连接，清理箱2的背面设有排水口26，排水口26高于从动辊8，排水口26露出于壳体1的背面，分离腔4设有红外线传感器对12，红外线传感器对12包括红外线发射传感器和红外线接收传感器，红外线发射传感器和红外线接收传感器水平相对的位于分离腔4的内侧壁上面，红外线传感器对12位于传送带9的下方，控制层内的一侧设有水泵13，水泵13位于壳体1的正面内侧，水泵13的吸水口14贯穿壳体1并露出于壳体1的正面，水泵13的出水口15贯穿清理箱2的底部并伸入蓄液腔3，控制层的底部居中的设有推进器16，推进器16的曲柄连杆17贯穿壳体1的底部并伸出于壳体1，曲柄连杆17通过橡胶密封圈18与壳体1的底部相连接，曲柄连杆17的端部设有螺旋桨19，控制层内的另一侧设有舵机20，舵机20位于壳体1的背面内侧，舵机20的传动轴21伸出于壳体1的背面，传动轴21的端部连接舵轴22的一侧，舵轴22的另一侧设有舵叶23，控制层内还设有控制箱24和蓄电池25，控制箱24位于舵机20和推进器16之间，蓄电池25位于推进器16和水泵13之间，控制箱24内设有控制模块、存储模块和GPS定位模块，壳体1的正面及侧面设有若干避障雷达28，避障雷达28位于吸水口14的上方，壳体1的周向外侧设有若干漂浮球29，吸水口14位于漂浮球29的上方，漂浮球29与壳体1柔性连接，漂浮球29分内层31和外层30，内层31为空腔，外层30为可降解泡沫，壳体1的顶部设有太阳能光伏板27，壳体1的背面外侧设有固定支架32，固定支架32位于排水口26的上方，固定支架32为门形结构，固定支架32上设有风轮机33，避障雷达28和红外线传感器对12连接控制模块的输入端，控制模块的输出端分别连接电动机11、推进器16、水泵13和舵机20，控制模块与存储模块相互连接，控制模块通过GPS定位模块与GPS定位卫星通信连接，太阳能光伏板27与风轮机33均与蓄电池25电性连接，蓄电池25为控制模块提供工作电压。
将机器人放入待清理水域，由于漂浮球29的外层30为可降解泡沫，内层31为空腔，使得机器人能漂浮于水面上。同时由于外层30由可降解材料制成，当漂浮球29破损时，可直接更换废弃，不会对环境造成破坏。为了增加漂浮球29的漂浮能力，可在内层31的空腔里面注入氢气或氦气。为了保证机器人在水中的稳定性，漂浮球29的数量至少为4以上的偶数个。
机器人漂浮的同时，控制模块控制推进器16工作，推进器16通过曲柄连杆17带动螺旋桨19旋转，产生向前的推进力，使机器人向前移动，扩大了水面油污的清理范围。机器人在水面上移动的同时，控制模块控制水泵13按一定频率间歇性的工作，从吸水口14将机器人附近的油水混合物吸入，再从出水口15排出至清理箱2的蓄液腔3中。蓄液腔3下部的过滤网6滤除油水混合物中的固体颗粒杂质，当吸入的水量超过隔板5的高度时，油水混合物从隔板5与清理箱2顶部之间的豁口进入分离腔4。电动机11驱动主动辊7旋转，主动辊7通过传送带9带动从动辊8一起旋转。油水混合物经传送带9传送，由于传送带9表面设有亲油疏水层，且亲油疏水层为聚氨酯海绵，聚氨酯海绵的表面被十六烷基三甲氧基硅烷修饰并且接枝聚合覆盖聚丙烯酸，因此聚氨酯海绵具有超疏水超亲油的特性，使油水混合物中的油污吸收，聚氨酯海绵可以吸收大约20倍自身重量的油，并且通过挤压的方法，吸收的油可以释放出，使得聚氨酯海绵可以重复利用，降低了成本，避免了浪费，更加环保。油水混合物中的油污被传送带9表面的亲油疏水层吸收，而水经排水口26重新进入水域。吸收油污的亲油疏水层跟随传送带9运动至下部分时，若干挤压辊对10对亲油疏水层进行挤压，将吸附的油污挤压释放出来，落入分离腔4的底部进行暂存。红外线传感器对12实时监测暂存的油污量，当油污量达到红外线传感器对12的设定阈值时，机器人进入返航状态，此时水泵13停止工作。
控制模块通过GPS定位模块接收GPS定位卫星的导航电文，GPS定位模块选用ET-318 SiRF Star III GPS芯片组，SiRF Star III GPS芯片组具有灵敏度高，低信号下快速TTFF(首次定位时间)，20通道全视野跟踪，跟踪速度精度为0.1m/s，支持NMEA0183和SiRF二进位协议，通过串口固定输出NMEA0183规定的数据信息。MC95S12DJ128接收其中的推荐定位信息，获得时间、经纬度等信息。存储模块内预先存入待清理水域的离线地图包，控制模块结合离线地图包及GPS定位数据自动返航，自动化及智能化程度高。
壳体1表面的避障雷达28对机器人移动路线上的障碍物进行定位，当需要转向时，控制模块控制舵机20工作，舵机20驱动传动轴21转动，传动轴21带动舵轴22及上面的舵叶23一起转动，改变水流的方向，从而使机器人改变前进方向，实现了非常灵活的避开障碍物。
控制模块对避障雷达28和红外线传感器对12的检测输入信号进行处理，输出控制信号分别控制电动机11、推进器16、水泵13和舵机20工作，同时控制模块读取存储模块的离线地图包数据，并通过GPS定位模块与GPS定位卫星进行通信连接。为了简化电路，降低成本，提高***后期的可扩展性，控制模块选用16位单片机MC95S12DJ128，其内置128KB的Flash、8KB的RAM和2KB的EEPROM，具有5V输入和驱动能力，CPU工作频率可达到50MHz。29路独立的数字I/O接口，20路带中断和唤醒功能的数字I/O接口，2个8通道的10位A/D转换器，具有8通道的输入捕捉/输出比较，还具有8个可编程PWM通道。具有2个串行异步通信接口SCI，2个同步串行外设接口SPI，I2C总线和CAN功能模块等，满足设计要求。
考虑到机器人需长时间工作于日晒环境下，在机器人的顶部覆盖太阳能光伏板27，太阳能光伏板27为单晶硅太阳能光伏板，具有极高的光伏转换效率，提高了太阳光能利用率，为机器人提供充足的电能。同时由于水域环境风量比较充足，还在机器人上面设置风轮机33进行风力发电，当遇到连续阴雨天气的时候，此时太阳能光伏板27无法工作，由风轮机33为机器人供电，实现了风光互补，充分高效的利用了自然能源，保证了机器人的良好续航能力。太阳能光伏板27和风轮机33转换的电能均存储于蓄电池25中，蓄电池25采用锂离子蓄电池，反复充放电次数高，使用寿命长，且转化效率高，体现了节能环保的精神。
本发明提供了一种风光互补的推进型水面油污清理机器人，漂浮球能使机器人漂浮于水面，推进器通过曲柄连杆驱动螺旋桨旋转，使机器人在水面上前进，扩大了水面油污的清理范围，机器人运动的同时，水泵工作吸入附近的油水混合物，过滤网滤除油水混合物中的固体颗粒杂质，油水混合物经传送带传送，油污被传送带表面的亲油疏水层吸收，而水从排水口重新进入水域，亲油疏水层经挤压辊对挤压后吸收的油污被释放出来进行暂时存储，从而实现了油水分离，能自行对水面上的油污进行清理，避障雷达对机器人本体移动路线上的障碍物进行定位，当需要转向时，控制模块控制舵机驱动舵轴和舵叶旋转，从而改变机器人本体的移动方向，可非常灵活的避开障碍物，红外线传感器对实时监测暂存的油污量，当到达阈值时，机器人本体结合离线地图包和GPS定位数据自动返航，自动化及智能化程度高，无需人工干预，可在恶劣的气候条件下或者危险水域进行作业，太阳能光伏板和风轮机同时给蓄电池进行充电，从而给机器人供电，充分高效的利用了自然能源，符合节能环保的设计理念，其结构简单，设计巧妙，检测精度高，响应速度快，稳定性和可靠性好，具有良好的实用性和可扩展性，可广泛应用于各种海洋、湖泊、河道、滩涂等水面的油污清理。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (8)
1.一种风光互补的推进型水面油污清理机器人，包括壳体，其特征在于：所述壳体内分为清理层和控制层，所述控制层位于所述清理层的下方，所述清理层内设有清理箱，所述清理箱与所述壳体共用正面、背面及顶部，所述清理箱内分为蓄液腔和分离腔，所述蓄液腔和所述分离腔之间设有隔板，所述隔板的顶部与所述清理箱的顶部设有豁口，所述蓄液腔和所述分离腔通过所述豁口相连通，所述蓄液腔的下部设有过滤网，所述分离腔内设有主动辊和从动辊，所述主动辊和所述从动辊均为可转动的设于所述清理箱的两侧面之间，所述主动辊位于所述隔板侧，所述从动辊位于所述清理箱的背面侧，所述从动辊低于所述主动辊，所述主动辊与所述从动辊之间设有传送带，所述传送带覆盖所述分离腔的底部，所述传送带的表面设有亲油疏水层，所述传送带的下部分设有若干挤压辊对，所述挤压辊对包括上挤压辊和下挤压辊，所述上挤压辊位于所述传送带的上方，所述下挤压辊位于所述传送带的下方，所述清理箱的一个侧面外部设有电动机，所述电动机的输出轴与所述主动辊相连接，所述清理箱的背面设有排水口，所述排水口高于所述从动辊，所述排水口露出于所述壳体的背面，所述分离腔设有红外线传感器对，所述红外线传感器对包括红外线发射传感器和红外线接收传感器，所述红外线发射传感器和所述红外线接收传感器水平相对的位于所述分离腔的内侧壁上面，所述红外线传感器对位于所述传送带的下方，所述控制层内的一侧设有水泵，所述水泵位于所述壳体的正面内侧，所述水泵的吸水口贯穿所述壳体并露出于所述壳体的正面，所述水泵的出水口贯穿所述清理箱的底部并伸入所述蓄液腔，所述控制层的底部居中的设有推进器，所述推进器的曲柄连杆贯穿所述壳体的底部并伸出于所述壳体，所述曲柄连杆通过橡胶密封圈与所述壳体的底部相连接，所述曲柄连杆的端部设有螺旋桨，所述控制层内的另一侧设有舵机，所述舵机位于所述壳体的背面内侧，所述舵机的传动轴伸出于所述壳体的背面，所述传动轴的端部连接舵轴的一侧，所述舵轴的另一侧设有舵叶，所述控制层内还设有控制箱和蓄电池，所述控制箱位于所述舵机和所述推进器之间，所述蓄电池位于所述推进器和所述水泵之间，所述控制箱内设有控制模块、存储模块和GPS定位模块，所述壳体的正面及侧面设有若干避障雷达，所述避障雷达位于所述吸水口的上方，所述壳体的周向外侧设有若干漂浮球，所述吸水口位于所述漂浮球的上方，所述漂浮球与所述壳体柔性连接，所述漂浮球分内层和外层，所述内层为空腔，所述外层为可降解泡沫，所述壳体的顶部设有太阳能光伏板，所述壳体的背面外侧设有固定支架，所述固定支架位于所述排水口的上方，所述固定支架为门形结构，所述固定支架上设有风轮机，所述避障雷达和所述红外线传感器对连接所述控制模块的输入端，所述控制模块的输出端分别连接所述电动机、所述推进器、所述水泵和所述舵机，所述控制模块与所述存储模块相互连接，所述控制模块通过所述GPS定位模块与GPS定位卫星通信连接，所述太阳能光伏板与所述风轮机均与所述蓄电池电性连接，所述蓄电池为所述控制模块提供工作电压。
2.根据权利要求1所述的一种风光互补的推进型水面油污清理机器人，其特征在于：所述漂浮球的数量至少为4以上的偶数个。
3.根据权利要求1所述的一种风光互补的推进型水面油污清理机器人，其特征在于：所述亲油疏水层为聚氨酯海绵。
4.根据权利要求1所述的一种风光互补的推进型水面油污清理机器人，其特征在于：所述GPS定位模块选用ET-318SiRF Star III GPS芯片组。
5.根据权利要求1所述的一种风光互补的推进型水面油污清理机器人，其特征在于：所述存储模块存放离线地图包。
6.根据权利要求1所述的一种风光互补的推进型水面油污清理机器人，其特征在于：所述控制模块选用16位单片机MC95S12DJ128。
7.根据权利要求1所述的一种风光互补的推进型水面油污清理机器人，其特征在于：所述太阳能光伏板为单晶硅太阳能光伏板。
8.根据权利要求1所述的一种风光互补的推进型水面油污清理机器人，其特征在于：所述蓄电池为锂离子蓄电池。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20180810 |