一种水质监测机器人取水装置设计

曹丹丹 王勇 刘利 史颖刚

摘 要：针对移动水质监测机器人取水深度不够的问题，设计了一种屈伸臂取水装置。采用刚性结构屈伸臂保证取水水位准确性，应用丝杠滑块结构构成伸缩采样机构，通过控制系统控制各模块协调工作实现取水过程。控制系统基于无线遥控原理设计，完成了对取水流程及基础运动控制。

关键词：水质监测;屈伸臂;自动化采样

中图分类号：TH122

文献标识码：A

目前，在淡水养殖区域，以及饮用水和观赏性水源、湖泊中，经常需要检测水质[1，2]。但现有小型移动监测设备往往只能对几十厘米深的水体进行采样，不能真实反映深层水质情况[3]。现有取水设备方面的研究欠缺，而满足取水深度的水下机器人对材料要求较高[4]。笔者设计了一种屈伸臂取水装置，此装置主要由伸缩机构与转动机构组成，其控制系统通过控制取水装置内部的伸缩电机与转动电机的运动状态，驱动取水装置完成对较深水体的采样。本装置结构轻巧、控制灵活，兼具经济性与实用性，对提高小型移动水质监测设备水体采样的准确性具有重要意义。

1 系统简介

水质监测机器人总体布局如图1所示，包括无人艇本体[5]，取水装置及控制系统。机器人采用具有中空底部的双体艇结构，为取水装置工作提供稳定浮力及安装支撑。

水质监测机器人底部结构如图2所示，推进装置由螺旋桨[6]及推进电机组成，对称安装在船艉，为机器人运动提供稳定推力。取水装置安装在机器人的中空底部。取水時转动电机带动刚性转动臂转动，当转动臂转到与水面垂直位置时，伸缩电机带动滚珠丝杠副运动，固定在滑块上的采样水管开始向下移动，当水管移动到目标取水点后，机器人上搭载的水泵开始工作，将水抽取上来，经与采样水管连接的软管通向水质检测舱室。

2 取水机构机械设计

取水装置结构示意图如图3所示，取水装置主要由圆形底座、支架、转动机构和伸缩机构组成。圆形底座焊接在机器人船舱下表面与水面之间的中空位置处，为整个取水装置提供连接支撑。支架采用中空的铝材，用于连接底座和转动机构。转动机构类似于手臂机器人的肩关节[7]，主要包括固定架、转动电机、电机固定座、电机端小齿轮、固定架大齿轮以及转动臂等零件。伸缩机构主要由伸缩电机、丝杠、采样管固定滑块、采样管、转动臂外壳等零件组成[8]。机器人行驶时取水装置与水面平行，但不与水面接触，可避免机器人受不明物阻碍，确保机器人的正常行驶，同时减小机器人在航行中的水流阻力。当机器人开始进行取水作业时，取水装置才会进行相应动作。首先，转动机构的转动电机带动电机端小齿轮动作，电机端小齿轮带动固定架大齿轮动作，转动臂与固定架大齿轮同轴连接，跟随固定架大齿轮转动，转动机构开始转动;当转动臂转到与水面垂直位置时，伸缩机构的伸缩电机带动丝杠转动，从而带动采样管固定滑块沿着丝杠上下移动，驱动采样管到达指定取水点，最后，机器人搭载的水泵开始工作，将水体样本抽取至水质检测舱室。当取水作业完成后，伸缩机构的伸缩电机反转，驱动采样管回到初始位置。转动机构向上转动90°，回到初始位置，并保持自锁。取水装置重新恢复至与水面平行状态，完成取水过程。

水质监测机器人取水装置的主要设计参数如表1所示。该表中最大伸长量是指取水装置中的转动臂与丝杠上滑块的可活动距离之和，转动臂的可活动角度指转动臂可转动的范围，工作角度指转动臂的工作范围。

3 控制系统设计

水质监测机器人控制系统示意图如图4所示，设计的水质监测机器人采用遥控的方式控制其移动到目标检测点，当到达检测点后，通过遥控控制取水装置动作。无线电遥控系统由无线电发射机、无线电接收机和相应执行机构组成[9]，工作原理如图5所示。该水质监测机器人采用NRF905作为无线收发模块，其最高工作频率达50 kbps，最远通信距离达300 m，满足养殖池水等小型水域遥控工作要求。

当取水装置到达目标深度后，机器人搭载的微型水泵开始抽水，一定时间后停止抽水。多参数水质检测传感器[10]开始检测，并将数据储存到AT89C51型号的单片机中。检测完成后电磁阀动作，开始将检测舱室的水直接排出，同时，取水装置中的丝杠电机与转动电机先后动作，驱动取水装置恢复原位，取水结束。取水流程见图6所示。

4 结语

本设计为一种水质检测机器人的伸缩式取水装置，该取水装置采用刚性机械臂保证采样水位准确性，通过伸缩机构驱动采样管上下移动实现取水功能。设计控制系统完成对各个模块运动的协调控制，实现了对目标水域一定深度水体的采样。本设计的取水装置轻巧灵活、实用经济，对改进取水设备功能具有重要意义。

参考文献：

[1] 段鹏翔，段飞飞.水质环境在线监测在工厂化水产养殖的研究与应用[J].建筑工程技术与设计，2018，（23）：5715.

[2] 陶佳丽.关于水质监测对环境保护的意义[J].科技展望，2016，26（14）：117.

[3] 福建（泉州）哈工大工程技术研究院.一种小型城市污水水质快速监测筒：中国，CN201720375398.6[P].2017-11-14.

[4] 河海大学.水下机器人水质监测装置：中国，CN201620561021.5[P].2016-11-09.

[5] 步林鑫.单体小水线面无人艇总体设计及水动力分析[D].镇江：江苏科技大学，2016.

[6] 欧礼坚.船舶螺旋桨及推进装置故障诊断关键技术研究与应用[D].广州：华南理工大学，2010.

[7] 杜宇.运动机械手臂式多参数水质检测仪嵌入式系统设计[D].重庆：重庆大学，2011.

[8] 彭睿，赵一亮，霍玉玲.可伸缩式地表水采样器的设计与运用[J].污染防治技术，2016，29（04）：62-64.

[9] 曾海鹏.无线电遥控系统设计分析[J].通讯世界，2017（21）：320-321.

[10] 田鹏.多参数水质监测仪测控系统设计与实现[D].重庆：重庆大学，2012.