智能水面清洁器
一种水面视觉垃圾清理机器人的结构设计

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。
水面垃圾清理装置研究目标

水面垃圾清理装置研究目标随着城市化和人口增长的加剧,水质受到越来越多的污染,水面上的垃圾污染是解决之道之一。
因此,设计和使用水面垃圾清理装置成为当前环境保护领域内的一个关键问题。
本文将阐述研究目标以及期望的成果。
首先,我们的研究目标是设计并制造高效、智能的水面垃圾清理装置。
该装置可以通过人工或自动操作在海洋或水道中清理垃圾,实现快速、高效而且可持续的清理。
为实现这一目标,我们需要考虑以下关键问题:1. 清理装置的类型和结构设计。
在设计过程中,我们将选择适合地点和操作需求的清理装置类型和结构,确保其可以有效地捕捉和清理水面的各种垃圾。
2. 清理装置的动力系统。
清理装置必须具备充足的动力、灵活性和定位精度,以确保其可以穿越各种水域,包括湖泊、河流和海洋等。
3. 控制系统的设计。
通过设计一种先进的集成控制系统,我们可以为清理装置提供精确的控制和操作,从而确保清理行动的顺利完成。
4. 人工和自动运维技术的整合。
清理装置必须适应复杂多变的水质、不同类型的垃圾和不同环境条件等要素,同时集成创新的自动化技术,包括自主导航、垃圾分类和回收等。
通过解决以上问题,我们期望实现以下几方面的成果:1. 环保水质:水质可以得到有效的保护,水表垃圾问题的得到有效解决,使水体的污染得到最大限度的降低,同时为清理水体垃圾提供可靠的手段。
2. 改进清洁效率:清理装置的智能化设计使其可以在短时间内完成更多的清理工作,减少清理工作所需的人力和时间成本,提高清洁工作的效率。
3. 保护环境:水面垃圾清理装置对于水上环境的保护和改善具有积极意义,它可以帮助维护水生动物和水上植被的生态平衡,保护海洋和水道中的生态系统。
4. 促进经济发展:水面垃圾清理装置同样促进了新技术的开发和运用,此外,清理装置所产生的相关材料也可以再生使用,让垃圾变废为宝,创造经济效益。
总之,通过设计和使用高效智能的水面垃圾清理装置,我们可以实现多个方面的目标,创造出一个更加美好干净的环境。
小型水面垃圾清理机器人

小型水面垃圾清理机器人摘要:小型水面垃圾清理机器人立足于旅游景区、城市内河等狭长的静水水域,主要用于解决目前缺少高效率、高安全系数的打捞设备而给水面垃圾打捞带来的种种问题。
该机器人可对水面漂浮物等垃圾进行集拢收集、提升和储运等,可解决人工清理效率低、成本高、效果差等诸多问题,对营造绿色的生态环境有着重要的意义。
关键词:水面清理;自动化;小型水域;高效环保引言随着工业化的发展,环境问题逐渐走进了人们的视野并受到了极大的关注。
近年来,水域的污染问题越来越受到重视,尤其是旅游景区、城市内河等狭长的静水水域,由于游人或行人众多,很容易在水面积累垃圾。
目前国内对于城市河道和景区湖泊的清理主要靠人工进行,即工人驾驶机动或非机动船舶对湖面垃圾进行打捞,耗时耗力不说,而且受限颇多,无法在狭窄的水面和一些危险水域开展工作且装载垃圾较少,并且工人长期在水面劳作,安全问题也难以保证。
国外和一些国内大厂采用机动船舶进行垃圾采集,净化水域的同时又污染了空气,尽管这种方式效率很高,但仅局限于大型海面或湖面,对于城市河道和景点湖泊并不很实用。
不符合当今社会科技和工业发展的需求。
1.国内外研究现状分析1.1国外研究现状一位来自南非的企业家Richard Hardiman发明了一款名为“垃圾鲨鱼” (WasteShark)的水上机器人,它可以在港口附近自主巡游,可以“吃”掉大部分海洋垃圾。
WasteShark的出现可以持续有效地清理水面,因为水面垃圾清理的越及时,就会有更少的垃圾沉入海底。
还具备收集数据的功能,像水质、水深和天气情况等等,这些数据都能实时反馈给港口提高行船安全。
1.2国内研究现状中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所研究员刘锦淮课题组研发出“风光互补”自主式水面机器人。
其采用了风力和太阳能发电动力技术,解决了续航问题,并且可以清理水面油污。
2.整体结构设计2.1垃圾清理模块采用机械臂抓取水面垃圾,传送带辅助作业。
一种微型水面垃圾清理机器人的设计

• 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。
智能水面垃圾清洁机器人

智能水面垃圾清洁机器人作者:耿若楠陈沛李志文程继航卞宇宸来源:《科学导报·学术》2020年第48期随着社会的快速发展,人们的生活质量不断提高,制造的生活垃圾也越来越多。
由于环保意识的缺乏,很多生活垃圾直接或者间接被弃入江、河、湖泊之中,致使江、河、湖泊的水面上经常漂浮大量生活垃圾,部分区域如航运河道、发电站前池水污染特别严重,这些垃圾如果不及时清理,将会影响航道运行、发电机组正常运转。
另一方面,由于生活污水和工业废水大量排放,河水严重营养富集,导致水面出现了大量的浮游藻类,如不及时清理,将严重打破区域生态平衡。
为了清理这些水面漂浮垃圾,环保部门每年都要投入大量的人力、财力和物力,定时进行人工打捞。
现有的人工打捞工具均为捞勺、捞网或简单小型的打捞设备,致使人工打捞劳动强度大,工作效率低,缺乏灵活性,清理效果也不是很理想。
例如在清理河、湖水面的草生植物或是清理较大体积的垃圾时,会采用机械清理的方式,但几乎都是采用较大型机械,不仅浪费能源,而且还会产生二次污染,难以普及使用。
水是生命不可或缺的自然資源,治理水污染势在必行,因此设计一款清理人流较大的河流和湖上等一切有水域的地方的垃圾,实用性很强的水面垃圾清洁机器人是社会的需要。
(一)国、内外研究现状和发展动态目前,国内外对水面垃圾的清洁主要采用人工打捞和机械打捞两种方式。
人工打捞利用半舱式或甲板机动驳船,由环卫工人手持网兜站在甲板边上直接把垃圾捞上来,这种作业方式劳动强度大、工作环境恶劣、人身安全没有保障,不仅清理难度大、综合成本高,而且无法治理在大雨台风季节暴发的水葫芦等海域污染。
而机械打捞装置具有间断性、笨拙性、耗时性等明显缺点,并且会造成严重污染,无法适应小型河流、湖泊等水面垃圾清理的需要。
国内外在水面垃圾清理方面也有少数自动清理无人船(清洁机器人),但是船体小、垃圾收集量小、垃圾不能太大、续航时间有限。
国内的垃圾清理无人船太小,只能清理小体积较轻的漂浮物,动力不足,一次清理的时间和垃圾量都很有限,而且智能化程度低,基本上都是基于嵌入式系统,没有通用计算机平台,无法运行人工智能和复杂智能感知系统,例如没有用于复杂障碍探测和识别的激光雷达或者图像识别系统,无法在复杂河道中自主巡航和避障,因此只能算是初级无人船。
水面垃圾智能收集装置

华北水利水电大学大学生创新训练项目研究报告项目名称:水面垃圾智能联合收集装置项目负责人:沈杰项目所属学院:机械学院指导教师:一、研究目标传统的清洁方式是人工打捞清理,这种方式效率低且劳动强度大,适用于各种水域范围。
随着科技的进步与社会的发展,人工打捞清理的效率低下和劳动强度大的缺点越来越突出了,随后出些了自动垃圾打捞船。
自动打捞船对漂浮废物可自动打捞,也就是在船只航行的过程中依托水流的力气将打捞的树枝、水生植物、塑料袋等漂浮废物送入船舱内,可快速的大量清理废物,缩短保洁时刻。
比起人工打捞有显着的优势,节省人力,降低劳动强度。
但是为了保证清洁效率这些船设计的都很大,适用于大中型水域环境,无法使用于人们日常生活总经常接触到的小型水域环境。
我们的项目为解决目前城市河道及风景区水域及小流域水面垃圾收集的问题,本项目拟设计一款小型全自动的水面垃圾收集装置,采用视觉传输技术,自动控制技术,特殊的结构方案等,将垃圾识别,收集,实现垃圾打捞的智能化、一体化、高效化,从而真正实现智能化作业。
二、研究过程本次设计想要设计出一套水面垃圾自动清洁船控制系统,最终欲实现的主要任务目标有:(1)小船的基本航行功能,包括前进、后退、停止、加减速等;(2)识别水面垃圾并能进行回收。
整个系统设计由船体及推进装置、主控制芯片、电机和电机驱动电路、供电电源以及图像识别传感器等构成。
1.船体及推进装置船体的构造与设计直接决定小船能否安全运行以及运行是否顺畅,推进装置的选择与设计将影响小船的运行效率以及安全性、稳定性等。
为了保证小船能够安全、稳定、高效地在水面行驶,我们必须对智能小船的外型构造以及推动装置进行合理的选择与设计,保证各个组成部分能够相互配合。
船体应按空间大小,运行稳定,坚固性等要求来设计,我们使用过纯3D打印船体(重量小),雪弗板拼装船体(空间大,重量大),DIY塑料船体(重量小,使用方便)。
2.主要控制系统主控系统是实现智能船无线控制的中枢,主控系统的工作正常与否直接关系到整个系统的运行状况。
项目申报:水面清洁机器人

随着环境保护意识的提高和城市化进程的加速,水面清洁机器人的 市场需求将持续增长。
市场竞争格局变化
未来,具有技术优势和良好服务品牌的厂商将在市场竞争中占据更 有利地位。
05
项目实施计划
研发阶段
需求分析
对市场需求、用户需求和竞品分 析进行深入研究,明确产品定位 和功能需求。
技术研发
根据需求分析结果,进行技术可 行性研究和关键技术攻关,制定 技术路线和实施方案。
总结词
智能控制系统是实现水面清洁机器人远程控制和自动化运行的核心。
详细描述
为了实现智能控制,可以采用物联网技术和云计算平台,实现机器人与控制中心 的实时通信和控制。同时,可以引入人工智能技术,如机器学习和深度学习,以 实现机器人自主决策和优化运行。
04
市场分析与预测
市场需求分析
城市湖泊、河流清洁需求
操作。
防水防腐蚀设计
确保机器人在水环境中稳定运行, 抵抗水和腐蚀性物质的侵蚀。
模块化设计
便于维修和替换损坏的部件,降低 维护成本。
清洁功能设计
高效清洁头
采用特殊材料和设计的刷头,有 效去除水面的垃圾和藻类。
智能识别系统
通过图像识别和传感器技术,识 别不同种类的垃圾,自动调整清
洁头的工作模式。
自动回收系统
农业化肥和农药使用
农业活动中使用的化肥和农药通过雨 水冲刷进入水体,对水生生态系统造 成破坏。
现有清洁方式的不足
01
02
03
人工清洁效率低下
传统的人工清洁方式效率 低下,无法满足大面积水 面的清洁需求。
成本高昂
人工清洁需要投入大量的 人力、物力和财力,成本 较高。
一种水面垃圾清理机器人设计

一种水面垃圾清理机器人设计
张芙蓉;汤泽军
【期刊名称】《技术与市场》
【年(卷),期】2022(29)9
【摘要】针对城市生活体中的人工湖、水上游乐区、湿地公园等水面垃圾人工清
理方式效率低的问题,设计了一种专用于水面垃圾清理的机器人方案。
机器人能在
狭小或较浅且有水草分布的水域自动识别水面垃圾,并快速将漂浮垃圾打捞到垃圾
收集袋,并运至指定地点。
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(垃圾收集舱、动力装置、捕捞机构和控制舱等),具有安装容易、故障率低、稳定性高的优点。
【总页数】4页(P8-11)
【作者】张芙蓉;汤泽军
【作者单位】长沙航空职业技术学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP2
【相关文献】
1.一种水面垃圾清理机器人
2.一种节能环保型水面垃圾清理船设计
3.一种微型水面垃圾清理机器人的设计
4.小型水面垃圾清理机器人的设计与实现
5.一种小型水域
水面垃圾清理机器人
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用户需求
user demand
需求编号: 2018.12.24
需求类型:可自动清洁湖面的清洁器
来源(Who):相关部门
场景(Where、When):相关部门每年对于湖面垃圾的清洁投入大量人力物力
描述(What):每年需要投入大量人力物力,来维持湖面的干净
原因(Why):水面垃圾严重影响湖面美观,破坏市容市貌,破坏湖内生物生存环境
用户目标 提高垃圾清洁效率,保持湖面干净,让美丽风景不受影响,rsn给游客 一个好的体验。
使用场景 使用全自动水面清洁器,一键设定自动打捞垃圾,保持湖面清洁。
PART 5
故事板绘制
Storyboard Drawing
故事板绘制
Storyboard Drawing
利用故事版介绍了小型智能 水面清洁器的使用过程。
确定研究方法
Determine research methods
针对ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ洁员
访谈法
Interview method
针对游客
问卷调查法
Questionnaire survey
DESCRIPTION COMPANY
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通过采访清洁员来了解关于水 面垃圾的情况,以及平时对于 垃圾的清洁方式,以及工作效 率、劳累程度等相关问题。最 后再针对小型水面清洁器,了 解与收集她们的不同看法与观 点。
OPTION 1
概念载体研究
运用仿生原理进行设计,减
少水面清洁器冷冰冰的“机
器感”,赋予其生动的趣味
性,使其在清理垃圾的过程
OPTION 2
相关技术研究 中形成一个有趣的运动方式。
自主导航、智能避障、远距 离通信、视频实时传输和网 络化监控等功能。运用风力 和太阳能发电动力技术,动 力来源于大容量电池、风力 和太阳能发电混合电源系统。
不同用户群体对于水面清洁器的要求
清洁员
便携 简单操作 功能和效率性
游客
美观性与隐蔽性 噪音 一定的趣味性
用户角色模型创建
User Role Model Creation
人物一:肖某,深受人物力耗损困扰已久,急需水环境的治理,对解决问题具有急迫性和 针对性,属于首要用户。
个人信息 男 36岁 现居北京 政府环境部门
运用瓦楞纸,制作1:1大体模型。
低保真原型设计
Low fidelity prototype design
将鲨鱼的形态与水域清洁器相结合,制作一款仿生清洁器。
低保真原型设计
Low fidelity prototype design
仿生背鳍
垃圾入口
垃圾清理口 螺旋桨推进器
APP界面设计
APP Interface Design
汇报人:肖之秀 指导老师:王选
Contents
01
用户研究
User Research
02
需求建立
Demand establishment
05
故事板绘制
Storyboard Drawing
03
设计准备
Design preparation
06
产品原型设计
Product prototype design
随着水上环境的治理问题越发突出,对 水上环境的治理力度必将不断增强,水 上垃圾收集机器人以其实用性高,成本 低廉,操作简单,安全可靠等一系列优 点,实际地解决了垃圾收集的许多弊端, 将有很大的发展潜力。
新概念、新交互的原创产品设计
Creative Product Design with New Concept and New Interaction
由人工远程遥控船体移动并进行垃圾清 理,完成垃圾清理后再利用人工辅助回 收即可,流动使用。
产品的评价
结构稳定、灵活,节约了人力、提高了 效率。
整个打捞过程无需人工直接参与,安全 性非常好,效率大约是人工打捞的几十 倍,水面越大、距离越远效果越显著。
可打捞大部分水面漂浮垃圾,如树叶、 包装物等。基于无线电遥控技术,操控 简单,机动性好,十分适用于公园或景 区小面积水域内水面垃圾的清理工作。
验收目标(How): 能够自动调节方向,移动的清洁器
需求生命特征(When):
需求重要性权重(How much): 满足后:减少计划中的投入 未实现:压力增大
需求关联(Which): 人:湖面清洁器用户 事:自动清洁湖面 物:可自动的湖面清洁器
用户需求
user demand
需求编号: 2018.12.25
故事板绘制
Storyboard Drawing
利用故事版介绍了小型智能 水面清洁器清洁河面垃圾的 工作过程。
PART 6
产品原型设计
Product prototype design
水域清洁器运行流程
APP运行流程图
水域清洁器结构
低保真原型设计
Low fidelity prototype design
用户角色模型创建
User Role Model Creation
人物二:范某,深受打捞垃圾强度大效率低困扰已久,急需提高效率,对解决问题具有急 迫性和针对性,属于首要用户。
性格 勤勤恳恳,任劳任怨,对家庭和工作一丝不苟、无私奉献。q
面临问题 湖面垃圾采用人工打捞方式,效率低,工作强度大。
个人信息 男 42岁 现居北京 某景区湖面清洁员
主要应用于海洋、湖泊、河道、 滩涂,景区内的湖泊、池塘的 固体垃圾、浮萍等清理以及危 险区域进行远程作业。
PART 4
用户角色
User roles
目标用户群体信息收集处理
Target User Group Information Collection and Processing
政府
成本 便于维修 功能和效率性
性格 工作认真负责,勤勤恳恳、任劳任怨,具有清晰思路与创新精神的人, 具有良好的协调能力和顽强毅力。
面临问题 假期来临,市内景区湖垃圾骤增,耗费大量人力物力,水环境的治理 问题越发突出。
用户目标 优化资源配置,使用低成本,低人力,解决水面垃圾问题,打捞大部 分湖面漂浮垃圾,如树叶、包装物等
使用场景 使用全自动水面清洁器,一键设定自动打捞垃圾,保持湖面清洁。
DESCRIPTION
COMPANY
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针对游客进行问卷调查,得知 他们对平日水面垃圾的了解程 度与关心程度,并询问他们对 于小型水面清洁器的看法,以 及他们对于其期望的功能和要 求。
调研对象
Research object
湖面清洁员
雨山湖平时负责打捞湖面垃圾的湖面清 洁员
湖面飘着一些垃圾
水面垃圾严重影响湖面美观 破坏湖内生物生存环境
草拟研究计划
Drafting research plans
湖面清洁员
负责平日湖面垃圾的打捞 一只小船加一支简易打捞网
草拟研究计划
Drafting research plans
对游客进行 调研
问卷调查法
问卷网址:https:///jq/33047882.aspx
游客
在雨山湖游玩的游客
草拟研究计划
Determine research methods
美丽的雨山湖
对湖面清洁 员进行调研
访谈法
平日湖面垃圾多吗? 一般采用哪种清洁方法? 劳动强度? 对于小型只能清洁器怎么看? .........
草拟研究计划
Drafting research plans
问卷网址:https:///jq/33047882.aspx
采集数据&分析数据
Data Acquisition & Analysis
一些调研用户提出的一些建议
得出结论或假设
To draw conclusions or assumptions
湖面打捞都有人工借助专业工 具完成,一天工作量大,效率 低下。
置身现场
Stay at the scene
所遇到的 问题
Problems encountered
水面对于清洁器具有一定阻力 一般采用哪种清洁方法 容易被水草卡住 必须具有一定自动避障能力 .........
采集数据&分析数据
Data Acquisition & Analysis
需求重要性权重(How much): 满足后:心情放松,身体舒适 未实现:劳动强度大
需求生命特征(When):
需求关联(Which): 人:湖面清洁员 事:提高湖面情节效率 物:可提高湖面效率的湖面清洁器
需求清单
Demand list
模块 垃圾 收集
自动 前进
远程 监控
子模块 功能 任务描述
“网状” 硅胶收 集器
小型智能水面清洁器
Intelligent surface cleaner
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DESCRIPTION COMPANY 仿生设计,增强机器与自然的
Your Tagline Here 联系感。
DESCRIPTION COMPANY
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融合船舶、通信、自动化、机 器人控制、远程监控、网络化 系统等技术。
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需求类型:可提高湖面清洁效率清洁器
来源(Who):湖面清洁员
场景(Where、When):当游客高峰期,湖面垃圾剧增