基于慧鱼模型的水上垃圾收集器设计

毕业设计（论文）基于慧鱼模型的水上垃圾收集器设计专业年级机械工程及自动化 2008级

学号姓名

指导教师

评阅人

二○一二年六月

中国常州

河海大学

本科毕业设计（论文）任务书

（理工科类）

Ⅰ、毕业设计（论文）题目：

基于慧鱼组合模型的水上垃圾收集器设计

Ⅱ、毕业设计（论文）工作内容

（从综合运用知识、研究方案的设计、研究方法和手段的运用、应用文献资料、数据分析处理、图纸质量、技术或观点创新等方面详细说明）：

一、翻译英文资料；

二、水上垃圾收集器在水上能更加方便地收集各种垃圾，清理河道水面。通过机器前部分的叶片装置，再加上机械手臂的水面辅助功用，可以大大的加强机械水上收集垃圾的效率，进行更加方便快捷地处理水上垃圾。这个装置在设计中设计为可拆装组件，在考虑机械手臂的同时，在手臂的中间部分采用网状设计，可以减少水的阻力，也可以收集垃圾，使之更为方便和快捷。叶片的功能，在装置的前部分以叶片为主要部件。装置主要通过叶片的旋转来实现其主要功能——收集垃圾。除此外，叶片收集垃圾的可以达到不间断性，提高收集垃圾的效率。最终要求实物与设计方案一致，搭接实物模型应能够实现论文中所涉及到的相关功能，实物应以慧鱼基本构件为基础辅以其他相关零配件。

三、每周汇报进度；

四、毕业论文的撰写、修改、打印；

五、参加毕业设计论文答辩。

Ⅲ、进度安排：

1—2 周相关资料收集，拟定初始搭接方案

3―4 周英文资料查找及翻译，完善搭接方案

5―8 周进行模型搭接，并完成最终模型

9―12周完成模型软件部分设计

13―14周完成论文初稿，拍摄作品动作视频

15―16周论文修改并定稿，参加答辩

Ⅳ、主要参考资料：

[1] 《机电创新实践教程》周军河海大学出版社

[2] 《机械原理》申永胜清华大学出版社

[3] 《机械设计》濮良贵高等教育出版社

[4] 《慧鱼创意机器人设计与实践教程》曲凌上海交通大学出版社

指导教师：安翠翠， 2011 年 12 月 20 日

学生姓名：付泽，专业年级：机械工程及自动化2008级

系负责人审核意见（从选题是否符合专业培养目标、是否结合科研或工程实际、综合训练程度、内容难度及工作量等方面加以审核）：

该课题来自实际情况，符合机械工程及自动化专业的培养目标，对学生进行多方面的综合训练，内容难度及工作量均符合要求。

系负责人签字：年月日

摘要

慧鱼创意组合模型（fischertechnik）诞生于德国，是技术含量很高的工程技术类智趣拼装模型，是展示科学原理和技术过程的理想教具，。慧鱼创意组合模型包含了机械、电子、控制、气动、汽车技术、能源技术和机器人技术等领域和高新学科，利用工业标准的基本构件（机械元件/电气元件/气动元件），辅以传感器、控制器、执行器和软件的配合，运用设计构思和实验分析，可以实现任何技术过程的还原，更可以实现工业生产和大型机械设备操作的模拟。

一．使用背景

随着国家经济的发展，环境污染越发严重，水体污染更是重中之重，但是清理水中垃圾单靠人力清理十分困难，基于这种情况，慧鱼模型的仿真技术来模拟仿真一个具有创新功能的全自动功能的垃圾清扫船。它可以清理漂浮垃圾，大型块状垃圾，更为重要的是不需要人来操作，实现全自动清扫垃圾。

二．机械电器结构

垃圾清理船通过各种结构，如气动，齿轮齿条，凸轮，丝杠螺母。来实现清理工作，本文具有大量的机械结构，具有垃圾清理，垃圾分类，垃圾压缩，垃圾移动，大型垃圾的抓取等装置，通过这些装置可以使垃圾清理船能够轻而易举的完成基本任务，传感器是机械结构能够完美运行的保证，本文运用超声波距离传感器，光电传感器，光敏传感器等实现了船体的精确定位。实现了机械和电器的完美结合。

三，软件构成

应用ROBO软件通过软件的编写可以方便的实现所有机构的准确运行.ROBO软件为图表式编程。ROBO软件的人性化编程界面可以给用户提供良好的人机交互。它具有数字量，模拟量的编辑方法，可以使用户自由选择。

慧鱼模型在本文中依靠其良好的塑造性。成功的模拟出垃圾清理船的具有的实体结构和功能的实现。，

关键词：慧鱼漂浮垃圾处理大型块状垃圾处理垃圾清理船

Abstract

Fischer creative combination model (fischertechnik) was born in Germany, is a technology-intensive engineering and technical intellectual interest in the assembly model is the ideal teaching aids that demonstrate scientific principles and technical processes. Fischer creative combination model includes the field of mechanical, electronic, control, pneumatic, automotive technology, energy technology and robot technology and high-tech disciplines, using industry standard components (components of the mechanical / electrical components / pneumatic components), supplemented by sensor controllers, actuators and software with the use of the design concept and experimental analysis, can achieve the reduction of any technical process, industrial production and large-scale machinery and equipment operation simulation.

1. Use Background

More serious with the national economic development, environmental pollution, water pollution is the most important, but human clean-up alone is very difficult to clean water, garbage, based on this case, the the Fischertechnik model simulation technology to simulate the simulation of a innovative features the automatic function of scavenging boat. It can clean up floating garbage, large block junk, more importantly, does not require people to operate, to achieve automatic scavenging。

2. Machinery and electrical structure

Garbage clean up the ship through a variety of structures, such as pneumatic, rack and pinion, cam, screw nut. To achieve the clean-up work, this article has a lot of mechanical structure, with refuse removal, refuse, and garbage compression,

junk mobile, large garbage crawl devices, these devices can make garbage clean-up boat can easily complete basic tasks, the sensor is mechanical structure to the perfect operation of the guarantee in this paper the use of ultrasonic distance sensors, photoelectric sensors, light sensors, to achieve the precise positioning of the hull. To achieve the perfect combination of mechanical and electrical。3． the software component

?Application ROBO software through the preparation of the software can facilitate the realization of the exact operation of all agencies. ROBO software chart programming. ROBO software user-friendly programming interface to provide users with good human-computer interaction. It has digital and analog editing, and allows the user freedom of choice.

The Fischertechnik model in this paper rely on its good shaping. The successful simulation of the implementation of the garbage clean up the boat with a solid structure and function.

Keywords：Fishcher Floating garbage disposal Large massive waste disposal Waste clean-up boat

目录

第一章绪论

河道对于国家来说是血管，是国家经济的命脉，做好河道的清理对于国家经济的发展具有十分重要的作用，我国两条主要的运输航线黄河，长江是内陆河，尤其黄河大量的生活垃圾从上游卷入河道对下游的运输产生了很大的影响，山峡库区的水体富营养化使海草生长使我们的河道产生拥堵，导致船不能顺畅航行，所以需要大量的垃圾清理船，而全自动垃圾清理船无异于最优选择，因为它大量的节约了人力，能24小时不间断工作。

第一节垃圾清理船的使用背景

一．水面垃圾现状-水生植物

水葫芦也叫凤眠莲、水荷花，是生长于河流、湖泊、池塘、水库、稻田等水流慢水域的多年生浮水草本植物。目前，水葫芦已被列为世界10大害草之一，国家环保局已把它列为首批最危险的16种外来入侵物种之一.从1975年至今，珠江水域水葫芦每十年就增长十倍，1975年平均每天只捞到吨水葫芦，1985年为5吨，1995

年为50吨，而现在平均每天接近500吨。

我国广东、云南、浙江、福建等地每年都要人工打捞

水葫芦，仅浙江温州和福建莆田1999年的人工打捞费用

就分别为1000万和500万元。世界自然保护联盟的数字

显示，在世界最穷的非洲，七个国家每年为控制水葫芦付出的“成本”是两千万到五千万美元，水葫芦治理已迫在眉睫。

图水葫芦二．水面垃圾现状-生活垃圾

中国目前城市生活垃圾量已达亿吨，其中有很大比重

的垃圾被排入江河等水体中，给垃圾清理工作带来很大困难。例如：北京市现日产垃圾13000吨,全年生产495万吨,而且每年将以8%的速度递增。再之，上海市2004年度生活垃圾总量达到万吨，每天产生万吨。水体中的生活垃圾亟待解决。

图生活垃圾

三．水面垃圾现状-水面油污污染

含油污水的来源主要是石油工业、金属工业、食品工业、纺织工业及运输工业等行业。含油污水的第一大来源是石油工业，在石油生产、精炼、储存、运输和使用过程中均会产生大量的含油污水，尤其是炼油工业会产生大量的含油污水，污水中的油有相当一部分以乳化油的形式存在，这些污水主要包括油气和油品的冷凝分离水、油气和油品的洗涤水、反应生成水、机泵填料冷却水、化验室排水、油槽车洗涤水、炼油设备洗涤水和地面冲洗水等。含油污水的第二大来源是金属工业，而钢材制造和金属加工业是金属工业中含油污水的两大重要来源，这类污水中主要含有润滑油和液压油，其

中既有游离态油，也有乳化油。含油污水的第三大来源是

食品加工业。在肉、鱼和家禽的屠宰、清洗及其副产品

的加工过程中会产生大量的含油污水

油脂对水体污染的危害主要表现在以下几个方面：

(1)恶化水质、危害水产资源；

(2)危害人体健康；

(3)污染大气；

(4)影响农作物的生长；图油污污染

(5)影响自然景观；

(6)影响洁净的自然水源。

综上所述，含油污水进入水体会对生态环境造成极大的危害，但是，与此同时，这些油类也是资源，一旦回收，它们中的大部分可以用作化工原料，因此，对含油污水进行治理与资源回收具有必要性和紧迫性。现在，多数情况仍然采用人工打捞的传统方法，费时费力。而现有打捞机械价格昂贵、工作效率低，远远没有普及，主要缺点是速度慢、打捞效果差、噪音大、污染大、垃圾容仓小等。

油污染作为一种常见的污染，对环境保护和生态平衡危害极大。当今油水分离技术较多，常用的方法有重力分离法、空气浮选法、粗粒化法、过滤法、吸附法、超声波法等技术，并且新的除油技术还在不断的研发中。但对乳化油的处理效果往往较差，有时还产生二次污染等问题。

综上分析，现在市场上急需一种高效的，性价比高的清污船。

第二节慧鱼组合模型的介绍

一．硬件

慧鱼的硬件主要是由主板起到决定性的作用，这是十分重要的板块，他起了相当于人类大脑的作用，为慧鱼提供了逻辑思考能力，慧鱼主板有多种接口，以电脑连接以usb为主，而对于电源接口则有两种。一种是蓄电池，另一种是DC接口，这位慧鱼模型的移动提供了很大的便利。主板的组成由8个数字接口，一个模拟量接口，距离接口，以及4个电机接口。

图慧鱼的主板

二．软件

慧鱼的软件部分是编程部分，也是能让慧鱼模型动起来的关键一步，慧鱼的程序编辑软件有很优秀的人机交互界面，它采用图表式的编程方法，使得整个编辑界面简单，明了。十

分便于学生的使用。

图慧鱼的操作界面

第三节慧鱼模型编程的常用模块

一．慧鱼的常用模块

（1）开始模块

程序流程都是由“开始”模块作为开头的。如果程序不是由此模块开头，流程就无法执行。假如一个程序由几个流程组成，每一个流程必须由“开始”模块开头。各个不同的流程就同时开始启动。

“开始”模块没有属性可以改变，所以，如果鼠标右键点击模块，则不象其它大多数模块会有属性窗口打开。

（2）结束模块

一个流程结束的出口应该连到“结束”模块。流程也可以在各个不同的地方用此模块终结，也可以将各个不同流程的出口连接到同一个“结束”模块。但是，也很有可能流程是也个没有结束的循环，不含“结束”模块。

“结束”模块没有属性可以改变，所以，如果鼠标右键点击模块，则不象其它大多数模块会有属性窗口打开。

（3）数字分支

根据某一个数字量输入I1-I8的状态，在一个或者两个方向上你可以直接用此分支来编程控制。比如，数字量输入的某个传感器闭合（=1），则程序分支走“1”出口。反之，如果输入断开，则程序分支走“0”出口。

如果鼠标右键点击模块，会有属性窗口打开：

按钮“I1”到“I8”允许选择某一个要查询的接口板输入。

在“接口板/扩展板（Interface/extension）”一栏，可以选择所需的是ROBO接口板、扩展板还是其它接口板的输入信号。

在“交换1/0分支位置（Interchange 1/0 connections）”一栏，可以交换分支中“1”和“0”出口的位置。一般情况下，“1”出口在下部，“0”出口在右边。但有时侯将“1”出口放到右边会更实用，按一下“Interchange 1/0 connections”，在关闭对话框时，这两个出口就互换了。

（4）模拟分支

除了数字量输入，ROBO接口板有6路模拟量输入：2路阻抗输入AX和AY，2路电压输入A1和A2，以及2路距离传感器输入D1和D2。用此模块可以将模拟量输入值和固定值进行比较，根据比较的结果，来确定分支的“Yes(Y)”或者“No(N)”出口。

如果鼠标右键点击模块，会有属性窗口打开：

在“模拟量输入（Analog input）”一栏，可以选择某一个要查询的接口板输入。所有的模拟量输入都返回一个0—1023的值。详细信息可以参见71页第节各种模拟量输入方面的信息。

在“接口板/扩展板（Interface/extension）”一栏，可以选择所需的是ROBO接口板、扩展板还是其它接口板的输入信号。详细信息可以参见48页第6章“扩展接口板和控制几块接口板”

在“条件（condition）”一栏，可以选择一个比较算式，比如小于（<）或者大于（>）,并输入比较值。比较值应该在0和1023之间。当在线模式下启动一个含模拟分支的程序时，当前的模拟值会显示出来。

在“交换Y/N分支位置（Interchange Y/N connections）”一栏，可以交换分支中“Y”和“N”出口的位置。一般情况下，“Y”出口在下部，“N”出口在右边。但有时侯将“Y”出口放到右边会更实用，按一下“Interchange 1/0 connections”，在关闭对话框时，这两个出口就互换了。

（5）延时

用延时模块可以使流程执行延迟一个你所设定的持续周期。

如果鼠标右键点击模块，会有属性窗口打开：你可以在窗口中输入所要延迟的时间（秒、分钟或者小时）。延时时间范围可以从1毫秒到500小时。然而，延时时间越长，精度越低。（6）马达输出

用“马达输出”程序模块可以改变接口板的两极输出M1-M4中某一个的状态。接口板的输出可以是马达，也可以是灯或者电磁铁。对于马达，可以设置它的转向和速度。

如果鼠标右键点击模块，会有属性窗口打开：

在“马达输出（Motor output）”一栏，可以设定选用M1至M4中的一个作为输出。

在“接口板/扩展板（Interface / Extension）”一栏，可以选择所需的是ROBO接口板、扩展板还是其它接口板的输出。详细信息可以参见50页第6章“扩展接口板和控制多块接口板”

在“类型（Image）”一栏，可以选择代表连接到输出的慧鱼器件的图示。

在“动作状态（Action）”一栏，可以设置输出该如何动作。对于马达，可以设置马达左转（逆时针）或者右转（顺时针）或者停止。如果在马达输出上接了一个灯（见下面灯输出的提示），可以打开或者关闭它。

最后，可以在“1”和“8”之间指定一个速度或者亮度。 8是最大速度，亮度或者磁场强度； 1 最小。在停止或者关闭的情况下，通常不需要指定速度。

这里列举了一些动作符号和图示：

马达右转(顺时

针)马达左转(逆时

针)

马达停止

u灯打开灯关闭

图动作图示

二．子程序模块

(1) 子程序入口

一个子程序可以有一个或多个子程序入口。主程序或者上层子程序通过这些入口将控制转入子程序。在插入上一级程序的子程序绿色符号中，每个子程序入口的一个连接端子都插在上边。这个符号上的连接线有一个相同的顺序（由左至右），正如子程序的功能设计中的子程序入口。如果鼠标右键点击模块，会有属性窗口打开。在窗口中可以给入口取个名字，然后此名字会在符号中显示。有关子程序更多的相关信息，可以参见第27页的第四章“运行子程序”

（2）子程序出口

一个子程序可以有一个或多个子程序出口。子程序通过这些出口将控制转回主程序或者上层子程序。在插入上一级程序的子程序绿色符号中，每个子程序入口的一个连接端子都插在下边。这个符号上的连接线有一个相同的顺序（由左至右），正如子程序的功能设计中的子程序入口。如果鼠标右键点击模块，会有属性窗口打开。在窗口中可以给入口取个名字，然后此名字会在符号中显示。

三．变量

（1）全局变量

每个变量可以存储一个-32767 到 32767之间的数值。变量的值可由连接一个“=”模块到指令模块的左边来设定。在属性窗口中，也可以赋予变量一个初始值，并保持到其收到第一个指令改变的值。

ROBO Pro只能为所有的变量模块建立一个同名而且变量类型为全局的变量。所有的同名全局变量都是一样的，而且有相同的值，即使它们出现在不同的子程序中。当其中一个变量模块通过指令改变了，所有其它的同名变量也被改变了。这一条对与局部变量并不适用。

除了“= ”指令，变量也可以接受“+”和“–”指令。所以，比如说变量接到了一个指令“+ 5“，就将5加到了当前值上。对与“-”指令，指令传送的值就由当前值减去。

在“名称（Name）”一栏，可以输入变量名。

在“初始值（Initial value）”一栏，可以输入变量的初始值。变量保持这个值，直到通过=, +, 或者–指令得到一个新的值。

这个“变量类型（Variable type）”项只有在子程序中对变量才有意义，而且在下一节“局部变量”中有更好的解释。对于主程序中的变量，两个设置的效果是一样的。

（2）常量

和变量一样，常量也有一个值，但是常量的值不能由程序来改变。如果子程序中总是使用一个相同的值，可以将一个常量和一个子程序符号的数据输入相关联。常量在运算器计算中也是非常实用的。

三．指令集

（1）加

指令“+”可以传递到变量或者定时器变量来增加变量的值。指令“+”可以附带任何一个想要的值，并加到变量上。因为指令附带的值也可以为负，变量的值也可以用此指令来减少。

（2）判断

这个程序判断模块的左边有一个橙色的数据输入端“A”。通过这个端子，可以读入一个经常来自输入模块的数值（见第71页）。数据输入端“A”可以和变量、定时器变量或运算器的输出相关联（见第76页“运算器”一节）。模块将来自数据输入端“A”的数值和一个固定但可自由定义的值比较。根据比较是否保持，决定模块的分支以“Y”或者“N”为出口。

在“条件（Condition）”这一栏，在右边的区域，可以输入用来和输入值A作比较的的数值。通常的比较运算器对于这一比较是有效的。

如果你选择了“交换Y/N分支位置（Interchange Y/N connections）”，在你选择OK，退出属性窗口的时候，“Y”and“N”两个出口就会互换。要将Y/N 接口回到初始的位置，你可以将它们再互换一次。

最常用的比较是A>0。意味着如果在数据输入端A出现的数值大于0，那么控制分支就以Y为出口。例如，仅传递1或者0值的的数字量输入，就可以用这个方法来评估。但是，定时器变量和其它很多的数值也同样可以用比较式A>0来评估。

（3）数字量输入

数字量输入I1到 I8的值可以用“Digital input”模块来查询。如果接口板上输入端口电气上是闭合的，则数字量输入模块的橙色连接上会返回一个数值“1”，否则就会返回一个数值“0”。

在“数字量输入（Digital input）”一栏，可以选择所用的接口板输入端号。扩展接口板上的输入端可以在“接口板/扩展板（Interface / Extension）”中选择。

在“类型（Image）”一栏，可以选择连接到输入端的传感器图示。大多数情况下是一个“微动开关（mini-push-button）”。“干簧管（reed contact）”是一种可以检测磁场的传感器。虽然光电开关事实上是一种模拟的传感器，但也可以接到数字接口。你可以将一个带透镜的灯作为光束，和连接到输入端的光电开关一起使用。其在光束中断时为(=0) 或者未中断 (=1)。另一方面，如果将光电开关接到一个模拟量输入端，可以用来区分在明亮和黑暗之间的许多阶段。

在“接口板/扩展板（Interface / Extension）”一栏，可以选择所要使用的输入端口是来自ROBO接口板，扩展接口板还是其它的接口板。

经更仔细的查看，对于所有的输入类型都只有一种类型的程序模块。你随时可以通过属性窗口顶部的标签来多次切换输入端。这种功能在开关输入、IR输入和面板输入间切换时特别有用。

（4）模拟量输入