河道清理机器人收集机构的动力学建模与仿真

李晓星

（浙江工贸职业技术学院，浙江 温州 325003）

1 引言

经济的快速发展使得社会物质文明高度进步，人们的生活有了质的飞跃，但是发展也带来了各种各样的环境问题，特别是我们人类赖以生存的水资源。我国水体污染日益加剧，社会影响巨大，造成的经济损失更是无以估量。在经济不断发展的今天，人们已经越来越意识到环境保护的重要性，特别是水体保护的重要性，这不仅仅是美化我们的生活环境，创造更加适宜的生存空间，而且更是对经济、对人们的日常生活有着十分深刻的影响。

通过查阅国内外相关河道清理机器人文献[1-5]，一般均通过燃油作为能源驱动，存在各种污染，国外现有的水面漂浮物清理机器人集水面漂浮物清理、油污水处理等多种功能，但是其体积相对较大，能耗大，使用成本高，不适合在狭窄河道、湖泊等水域清理。国内现有的景区湖泊、河道仍然停留在人工打捞阶段，效率比较低，工作强度比较大。因此，我们设计了一款采用电源驱动的远程河道清理机器人。

2 河道清理机器人的设计

新型远程可视化河道漂浮物清理机器人是一种新型高科技环保产品，主要用于水面漂浮物（如漂浮垃圾）的打捞和收集工作，其自动化程度较高，能完成对各种水面漂浮垃圾远程操控收集工作，其主要由船体推进机构、漂浮物收集机构、双船体结构、平行四边形控制的旋转盘机构等组成，三维装配示意图，如图1所示。

图1 河道漂浮物清理机器人三维结构示意图Fig.1 The Three-dimensional Structure Schematic of the River Floater Cleaning Robots

2.1 漂浮物收集机构设计

由于该机器人主要应用于河道、湖泊等水域，漂浮物上会粘附大量的水，其收集装置不能采用簸箕类型，因此，我们设计为滤网式的收集铲。该收集机构主要是由支撑架、电机、曲柄、连杆、滤网式收集铲组合成。当漂浮物收集到一定体积时，触碰限位开关，电机驱动电机带动曲柄产生主动旋转，通过连杆等一系列作用使得收集铲把漂浮物从水面打捞到船上的回收舱中。该机构示意图，如图2所示。

图2 一种清理机器人的垃圾收集机构Fig.2 A Garbage Collection Mechanism for Cleaning Robots

2.2 船体推进机构

船体推进机构将动力装置提供的动力转换成船体前行的推力，从而驱动船体前行。常见的主要有主动式和反应式两类[6]。采风力驱动等方式的为主动式，依靠桨轮、喷水、螺旋桨等为反应式。我们设计采用的是螺旋桨。转向时不需要用舵控制，只需要调节电机转速使两侧螺旋桨转速即可达到转向的效果，极易实现控制。

2.3 旋转盘机构

增加水面垃圾自动打捞船的打捞面积，在船体前方增加两个旋转盘。由于收集铲的收集面积有限，安装位置仅为左右船体的中间空余部分，所以在左右船体前方安置两个旋转盘，以扩及到船体所经过位置的所有范围。由于在水域中会有硬质物体，如小的暗礁等，会妨碍到旋转盘的工作，因此设计时通过平行四边形结构的可变性，来安装旋转盘。

3 收集装置动力学建模分析

漂浮物收集机构的设计，直接影响到清洁机器人的工作效率，根据漂浮物收集装置三维图，绘制其机构运动简图，如图3所示。可以看出该机构为一个四杆滑块机构，其自由度为：F自=2。对于只有一个动力源确有2个自由度的机构来说其运动是不确定的，或者说是机构内部杆件的耦合造成了运动的不确定性，难以控制[7]。为了得到一组可靠的运动特性，必须将耦合的问题进行求解。下面建立该机构的动力学模型：

图3 收集机构的示意图Fig.3 Schematic Diagram of The Collection Mechanism

3.1 位置分析

首先进行位置分析，建立该机构的封闭矢量方程式，用复数矢量表示为[6]：l1eiφ1+l2ei（-φ2）+l3eiφ3=sei0（1）

式中：l1、l2、l3—杆 1、2、3 的长度；s—滑块运动距离。

由于 φ2=φ2（φ1，s），j3=j3（j1，s），所以将式（1）分别对 φ2和 φ3求偏导数。按照欧拉公式展开，取实部和虚部分别相等可得：

3.2 速度分析

设各个构件的质心为Si，由原点到Sj的矢量为rsj，则有：

为了求得各个机构的速度和角速度，将式（3）各式两边同时对时间t求导，将速度表达式代入总动能表达式[8]，简化可得：

式中：A、B、C—简化后系数。

由第二类拉格朗日方程，代入式（4）可得式（5）。此方程即为该机构的动力学方程。

式中：Mφ1、Ms—外力转化到构件1和4上的广义驱动力矩。

4 动力学解耦分析

该机构动力学方程为二阶非线性微分方程组。现在讨论该方程的解耦问题。由于各杆件之间的角度与滑块移动距离呈现非线性关系，导致各项相互影响产生耦合；同时，各杆件的质量分布也是产生耦合问题的一个因素[9]。式（5）表明，在运动过程中，机构各杆件的耦合直接影响其控制。系数B与角度和行程均相关，它是影响机构运动特性的最关键因素，若能使系数B值为零，就可以大大缓解耦合的情况，再适当配置质量就可以实现该机构的完全解耦。为了得到一种可行的运动方案。接下来就分析一种特殊的情况，使该机构完全解耦。假设代入式子（5），并利用式（2）得：

其中B是耦合项，若使得构件2、3该构件铰接点连线上且φ2=φ3，则：B=0，于是改动力学方程可以解耦为：

5 动力学解耦模型检验

为了检验动力学模型建立的可靠性，运用动力学分析软件ADAMS建立该虚拟模型样机[10]。虚拟样机模型在建立过程中需要造型尺寸、质量、转动惯量、质心位置等物理特性参数，均用解耦所得的参数进行设定。构件之间的约束关系根据其物理样机模型的约束关系直接进行定义，并添加构件之间的约束限制构件之间的相对运动。最后建立虚拟样机仿真模型从而通过测量工具验证模型。建立的模型并进行约束设定，如图4所示。测量其中的φ1、s和φ3，当φ1从起始位置开始转动过程中，s也在不断增长，同时φ3也随之变化且达到90°，即实现了翻转，将垃圾倾倒出，如图5所示。ADAMS的运动学仿真表明动力学模型的解耦可靠可行。与此同时，按照1：1的尺寸比例制造了实体模型，如图6所示。

图4 虚拟样机模型Fig.4 The Model of The Virtual Prototype

图5 测量 φ1、s和 φ3的变化曲线Fig.5 The Change Curve of φ1，s And φ3

图6 收集机构实物模型图Fig.6 The Physical Model of The Collection Mechanism

6 样机试验

为了检验样机工作的有效性。将样机在真实的河道中进行模拟试验。据统计河道中的漂浮物主要以树叶、树枝和瓶子等为主。于是试验选定在宽度为10m的河道中截取10m长度，在100m2的范围内均布散落一次性筷子（模拟树枝）、树叶、500ml矿泉水瓶子等标记漂浮物。根据河道漂浮物数量的不同和采集时间的不同，将试验分成6组，每组试验10次，分别给定10min和30min进行收集试验，然后又模拟3种不同污染程度的河道，污染较重的河道中一次性筷子80根、树叶200片、矿泉水瓶40个；中等污染的河道中一次性筷子20根、树叶50片、矿泉水瓶10个；污染较轻的河道中一次性筷子5根、树叶20片、矿泉水瓶2个。通过多次试验，采集清理数据汇总，如图7所示。从试验数据可以看出，30min相比10min收集的成功率更高，10min的试验除污染较轻的矿泉水瓶河道收集率均在70%以上，但30min的试验中，整体的收集率均在93%以上。在累计60次的试验中，收集机构均能正常工作，结构运行稳定，故障率为0。

图7 试验数据采集Fig.7 Test Data

7 小结

针对狭窄河道、湖泊设计了一款河道漂浮物清理机器人，其可以实现狭小水域的自动清理，平行四边形机构上的旋转盘将船体宽的范围拨动到滤网式的收集铲范围，随着螺旋桨驱动船体前行，漂浮物收集到一定程度，通过曲柄连杆组件实现漂浮物的回收。对于收集机构运动的不确定性，建立了动力学模型，对其存在的耦合问题进行解耦分析，得出了一种解耦模型，通过ADAMS动力学软件验证了该解耦模型的可行性，实物模型制作后，通过多次试验，运行可靠，清理效果好，可广泛应用于狭窄河道、湖泊、池塘等场所。

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