雙碳背景下“河長(zhǎng)”垃圾回收機(jī)器人的研究

王小云 李玉涵 程彥年 范磊

摘??要：雙碳背景下，“河長(zhǎng)”垃圾回收機(jī)器人的研究是為了及時(shí)回收水面垃圾，保障水面生態(tài)環(huán)境。以往的河長(zhǎng)制通常需要人力來(lái)完成；而機(jī)器人加入其中，能夠更加全面地推行“河長(zhǎng)制”，從而保護(hù)水資源、防治水污染、改善水環(huán)境、修復(fù)水生態(tài)。同時(shí)，此項(xiàng)目研究的“河長(zhǎng)”垃圾回收機(jī)器人推廣到市場(chǎng)，不僅有利于保護(hù)海洋生物棲息地、落實(shí)綠色發(fā)展理念、推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，更是完善水治理體系，保障國(guó)家水質(zhì)安全的創(chuàng)新舉措。

關(guān)鍵詞：水域清理??樹(shù)莓派??海洋塑料垃圾??水下機(jī)器人

中圖分類號(hào)：TP242;X505

Research?on?"River?Chief"?Garbage?Recycling?Robots?Under?the?Background?of?Dual?Carbon

WANG?Xiaoyun??LI?Yuhan??CHENG?Yannian??FAN?Lei*

（Shenyang?Urban?Construction?University，?Shenyang，?Liaoning?Province，?110167?China）

Abstract：?In?the?context?of?dual?carbon，?the?research?on?"River?Chief"?garbage?recycling?robots?is?to?timely?recycle?garbage?on?the?water?surface?to?ensure?the?ecological?environment?o?the?water?surface.?The?previous?river?chief?system?usually?required?manpower?to?complete，?but?the?introduction?of?robots?can?implement?the?"river?chief?system"?more?comprehensively，?so?as?to?protect?water?resources，?prevent?and?control?water?pollution，?improve?the?water?environment?and?restore?the?water?ecology.?At?the?same?time，?the?promotion?of?"River?Chief"?garbage?recycling?robots?studied?in?this?project?to?the?market?is?not?only?beneficial?for?protecting?marine?habitats，?implementing?the?concept?of?green?development?and?promoting?the?construction?of?ecological?civilization，?but?also?an?innovative?measure?to?improve?the?water?treatment?system?and?ensure?the?safety?of?national?water?quality.

Key?Words：?Water?cleaning;?Raspberry?pie;?Marine?plastic?waste;?Underwater?robot

1??水下垃圾處理機(jī)器人研究現(xiàn)狀

由于城市化和工業(yè)化進(jìn)程、旅游業(yè)的發(fā)展、民眾環(huán)保意識(shí)淡薄等因素，垃圾污染成為現(xiàn)階段我國(guó)急需解決的問(wèn)題之一，尤其是江河、湖泊、海洋等水面的垃圾污染。通過(guò)對(duì)江河湖泊垃圾收集問(wèn)題的研究發(fā)現(xiàn)，目前水上垃圾大部分采用的還是人工駕船回收的方法，勞動(dòng)強(qiáng)度大且作業(yè)效率低，有些有害垃圾還會(huì)傷害工人的身體健康。近些年隨著各種研究的推進(jìn)，相繼開(kāi)發(fā)了各種水面垃圾回收船，但這些清理船大多體積龐大且依靠燃油驅(qū)動(dòng)，不僅運(yùn)行成本高、能耗大，還會(huì)造成其他污染。為有效清理水下垃圾，本文設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單高效的“河長(zhǎng)”水下垃圾回收機(jī)器人。

當(dāng)前，對(duì)于海底生活垃圾的處理方法，一般有手工作業(yè)和機(jī)械作業(yè)兩種。采用手工方法進(jìn)行搜救，不僅成本高，效率低，而且風(fēng)險(xiǎn)較大。而機(jī)械式的救助，是以清除垃圾的船只為主體的一種機(jī)器產(chǎn)物，在手動(dòng)的遠(yuǎn)程控制下對(duì)其進(jìn)行清除。例如：劉伯運(yùn)和他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的MC120型水上清掃艇，它使用了雙螺桿的動(dòng)力系統(tǒng)，可以利用遠(yuǎn)距離操控來(lái)迅速清掃水上的污物；嚴(yán)蘇豫等人研制了一艘能利用廢物回收設(shè)備對(duì)油污、固體廢物進(jìn)行分門(mén)別類清潔的船舶；張國(guó)洲和他的團(tuán)隊(duì)研制出了一種雙船型水上清掃機(jī)器人，它利用抽水泵的驅(qū)動(dòng)，將水中的廢物送到貨艙內(nèi)，從而達(dá)到清掃水體的目的[1]。

以上所介紹的清潔船舶多用于沿海和河流等區(qū)域，由于其尺寸比較大，造價(jià)也比較昂貴，很難用于中小規(guī)模的水域。為此，本項(xiàng)目針對(duì)湖泊、池塘等中小規(guī)模水體的環(huán)境問(wèn)題，提出一種以“樹(shù)莓派”為主要研究對(duì)象的水下環(huán)境友好型機(jī)器人。這個(gè)“河長(zhǎng)”水下垃圾回收機(jī)器人它使用的是框架式的造型，上面還安裝了膠囊式耐壓艙、圖像采集裝置等，可以迅速有效地進(jìn)行海底工作，可以實(shí)現(xiàn)在中小規(guī)模水體中對(duì)塑料廢物的精確識(shí)別和救助。

2?機(jī)器人的整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的“河長(zhǎng)”水下垃圾回收機(jī)器人，在外觀上使用的是框架式的概念設(shè)計(jì)，它的全長(zhǎng)為500?mm，總寬度為225?mm，總高為275?mm，它的主體部分是水下驅(qū)動(dòng)裝置、圖像采集裝置、水下打撈裝置和膠囊式耐壓艙。

為避免機(jī)械臂在作業(yè)時(shí)受到損傷，將機(jī)械臂的電氣控制及燈具等部件置于箱體的承載室內(nèi)，承載室位于箱體中央。在耐壓艙的前面，設(shè)置了一個(gè)攝像機(jī)，可以為用戶提供工作的視野。在它的后面，還設(shè)置了一個(gè)臍帶索的接口，用戶在工作的時(shí)候，可以利用它與母艦[2]進(jìn)行聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)母艦的遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)的傳送。在耐壓室的底部，是一臺(tái)三自由度的潛水機(jī)器人，可以進(jìn)行大幅度的旋轉(zhuǎn)，并在機(jī)器人的尾端安裝了一臺(tái)抓取機(jī)器人，用于對(duì)水中的廢物進(jìn)行打撈和清除。

在水下航行器的設(shè)計(jì)中，采用了一種膠囊式的耐壓艙，在水下航行器的設(shè)計(jì)中，采用了該耐壓艙。本項(xiàng)目擬采用輕質(zhì)、高強(qiáng)度材料制備耐壓艙室，使其具有更高的浮力，但僅靠耐壓艙室的外殼來(lái)提供其所需的浮力，勢(shì)必會(huì)使外殼的容積和流阻加大，故需在其骨架上配置適當(dāng)?shù)姆栏〔牧稀?/p>

現(xiàn)有的水下垃圾處理機(jī)器人大多使用人造的固態(tài)物質(zhì)，即通過(guò)在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫ο拢瑢⒉ＡО匆欢ǖ谋壤尤氲江h(huán)氧樹(shù)脂中，然后通過(guò)高溫和壓力的作用，使其形成具有良好的懸浮性能的復(fù)合材料。該材料具有密度小，抗靜水壓能力強(qiáng)，彈性模量接近于海水的特點(diǎn)。本項(xiàng)目擬采用CFC-400級(jí)的固態(tài)物料，依據(jù)作業(yè)環(huán)境和深度，將其放置于耐壓容器四周，使其具有足夠的浮力。

3?機(jī)器人的關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1?膠囊耐壓艙

在水下工作時(shí)，“河長(zhǎng)”機(jī)器人要承受各種負(fù)載，如靜水壓、流體阻力等。耐壓艙是機(jī)械臂在水中工作時(shí)，對(duì)機(jī)械臂電氣控制系統(tǒng)起到了防護(hù)作用，是機(jī)械臂在水中工作時(shí)最重要的一環(huán)，因而必須對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保機(jī)械臂在水中工作時(shí)的安全性。在盡可能降低水流阻力的前提下，該耐壓艙的形狀是一個(gè)類似于膠囊的形狀，也就是一個(gè)圓形的內(nèi)腔和一個(gè)半球形的蓋子結(jié)合在一起。在船艙的前部，前透明罩、前部支架和前圈使用了螺栓固定，后部支架和尾蓋使用了螺絲固定。

3.2?水下驅(qū)動(dòng)裝置

本文所提出之執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)以安裝于耐壓艙室四周之水推進(jìn)為主體，并在其中部設(shè)置一控制模組。該系統(tǒng)共有4臺(tái)水下螺旋槳，每臺(tái)螺旋槳配對(duì)安裝在一個(gè)外框上，利用螺旋槳間的相互配合，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)水下運(yùn)動(dòng)。螺旋槳是垂直安裝于耐壓艙體的兩邊，在同一轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的情況下，可以實(shí)現(xiàn)上浮和下沉的動(dòng)作，在不同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的情況下，可以實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速的翻身動(dòng)作；從制作的角度出發(fā)，結(jié)合工程實(shí)際情況，選擇了螺旋推進(jìn)。而電機(jī)方面，選用了一臺(tái)具有高轉(zhuǎn)矩、低起動(dòng)電流、良好剎車(chē)性能的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。

3.3?圖像采集裝置設(shè)計(jì)

該“河長(zhǎng)”機(jī)器人的影像采集器，包括一架攝影機(jī)、兩自由度云臺(tái)，及LED燈。利用燈環(huán)對(duì)水中物體進(jìn)行補(bǔ)光，利用兩個(gè)自由度的天平調(diào)整相機(jī)的視角，以減少作業(yè)中的視覺(jué)死角。毛昕蓉[3]通過(guò)對(duì)獲取到的目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別出目標(biāo)，并將目標(biāo)從目標(biāo)中提取出來(lái)。

系統(tǒng)使用樹(shù)莓派4B作為垃圾清理裝置的主控，樹(shù)莓派4B上使用的CPU為64位1.4?GHz四核ARM?Cortex-A53的BCM?2837B0，具有1?GB內(nèi)存。其CSI攝像頭接口接500萬(wàn)像素?cái)z像頭，對(duì)工作場(chǎng)景實(shí)時(shí)回傳圖像，樹(shù)莓派對(duì)實(shí)時(shí)環(huán)境圖像抓取處理，進(jìn)行識(shí)別。樹(shù)莓派運(yùn)行ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)，對(duì)視覺(jué)的實(shí)現(xiàn)和裝置的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行全局管控[4]。

3.4??水下打撈裝置

3.4.1?機(jī)械手臂

本文介紹了一種的水下拾取垃圾結(jié)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)用于水下垃圾的拾取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。機(jī)器人手臂作為一種主要的水下拾取設(shè)備，其工作原理是利用機(jī)器人手臂上各個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)和協(xié)作來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)器人手臂的定位，并利用機(jī)器人手臂的夾緊來(lái)完成對(duì)物體的拾取。

3.4.2?機(jī)械手

為了使該“河長(zhǎng)”機(jī)器人能夠平穩(wěn)地進(jìn)行工作，在其尾端加裝了一只機(jī)械手。在機(jī)器人的末端處，裝有一個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，并經(jīng)由電動(dòng)機(jī)固定座與一根絲杠連接，該絲杠帶動(dòng)一個(gè)傳動(dòng)螺母，使其沿一根絲杠軸線線性移動(dòng)，然后再帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，以使折棒的擺動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)。因?yàn)檎蹢U、機(jī)械指、連接桿組成了一個(gè)平行四邊形結(jié)構(gòu)，當(dāng)折桿移動(dòng)時(shí)，連接桿也會(huì)跟著移動(dòng)，這樣就能帶動(dòng)機(jī)械手指移動(dòng)，完成一個(gè)相對(duì)固定的動(dòng)作。

機(jī)械手的抓取能夠精準(zhǔn)定位目標(biāo)位置，結(jié)合相關(guān)抓取算法，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精準(zhǔn)抓取的方法參考基于機(jī)器視覺(jué)的機(jī)械臂目標(biāo)穩(wěn)準(zhǔn)抓取研究[5]。

4?水下機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)

該方案的整體方案，包含了軟硬件的方案，并進(jìn)行了方案的連接。硬體系統(tǒng)具體包含了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和電路的構(gòu)成，在軟件系統(tǒng)中，主要由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分構(gòu)成。上位機(jī)與機(jī)器人進(jìn)行了通信，在上位機(jī)發(fā)出指令之后，可以使用?Wi–Fi，機(jī)器人可以對(duì)指令進(jìn)行分析，并進(jìn)行相應(yīng)的操作[6]。

4.1??硬件電路

主控板：選用的是RaspberryPi4B，能夠通過(guò)?SSH、遠(yuǎn)程桌面或者顯示器與顯示界面相連接，能夠在界面上進(jìn)行編程，能夠?qū)?GPIO口進(jìn)行操作，還能夠調(diào)用強(qiáng)大的?Wring?Pi庫(kù)功能，具有輸出穩(wěn)定，調(diào)試容易，擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠滿足本設(shè)計(jì)的需要。

在推進(jìn)方面：選擇了一臺(tái)具有高轉(zhuǎn)矩、低起動(dòng)電流、良好的剎車(chē)性能的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)采用了無(wú)刷電調(diào)來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，由于電調(diào)能夠準(zhǔn)確地對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行控制并改變其旋轉(zhuǎn)方向。為了避免不穩(wěn)的供電對(duì)樹(shù)莓派造成損害，還可以減少電調(diào)電流對(duì)樹(shù)莓派的信號(hào)影響。

信號(hào)接收器：樹(shù)莓派內(nèi)置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，不過(guò)在水下，電磁波會(huì)受到一定程度的影響，所以它的信號(hào)范圍很窄，內(nèi)置的2.4?G信號(hào)浮標(biāo)，可以讓它即時(shí)收到信號(hào)。

4.2?上位機(jī)

其中，主機(jī)部分完成指令的發(fā)送，數(shù)據(jù)的接收，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，以及報(bào)警等操作。將上位機(jī)作為服務(wù)器端，利用?Labview作為開(kāi)發(fā)工具，利用主機(jī)名或?IP地址和端口號(hào)碼來(lái)進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，然后等待客戶機(jī)的連接[7]。

4.3??下位機(jī)

其中，從系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)的傳遞等。下位機(jī)是一個(gè)客戶端，它會(huì)在第一時(shí)間創(chuàng)建?socket套接字，之后用?bind函數(shù)[8]將服務(wù)端?IP地址捆綁起來(lái)，再調(diào)用?connect函數(shù)，向服務(wù)器端發(fā)出一個(gè)連接請(qǐng)求，在服務(wù)器端收到并獲得了一個(gè)連接的成功之后，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)雙向通信，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。

在接收到主機(jī)的命令后，通過(guò)對(duì)輸入的?PWM進(jìn)行分析，使其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生變化，并在不確定的情況下，利用?PID控制方法[9]對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行修正。

5?結(jié)論

本文針對(duì)樹(shù)莓派Raspberry?Pi4B為控制平臺(tái)控制機(jī)器人的行動(dòng)和拾取目標(biāo)。設(shè)計(jì)的“河長(zhǎng)”機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)水下的前進(jìn)、后退、上浮、下沉、翻轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，有效提高了機(jī)器人的靈活性。通過(guò)將攝像頭與曲柄連桿機(jī)構(gòu)和球面副連桿并聯(lián)，設(shè)計(jì)了一種二自由度攝像云臺(tái)，使攝像頭能有效減少水下機(jī)器人工作時(shí)的視野盲區(qū)。水下打撈裝置主要由三自由度機(jī)械臂與夾持式機(jī)械手組成。。

參考文獻(xiàn)

[1]???郭志明，陳子暄，戴娟，等.一種新型水下垃圾打撈機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)沙大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，36（5）：31-36.

[2]??蔣超奇，羅衛(wèi)平.一種水上垃圾回收船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].福建農(nóng)機(jī)，2021（1）：29-32.

[3]??毛昕蓉，趙嘉豪，史智帥.基于樹(shù)莓派的智能垃圾分類系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2022，30（20）：157-160，165.

[4]??周鑫，李喬碩，陳君君，等.基于機(jī)器視覺(jué)的水面垃圾清理裝置[J].智能城市，2023，9（1）：95-97.

[5]??陳璟.基于機(jī)器視覺(jué)的機(jī)械臂目標(biāo)穩(wěn)準(zhǔn)抓取研究[J].蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2023，39（4）：70-72，86.

[6]??王歡.水下機(jī)器人移動(dòng)路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2022，12（4）：159-162.

[7]??熊超，付佳偉，李海翔，等.基于樹(shù)莓派的小型水下機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].科技風(fēng)，2020（14）：34.

[8]??LEI?L，YU?Z，GANG?Y.Multisource?Information?Fusion-Based?Environment?Perception?and?Dynamic?Model?of?Underwater?Vehicle?in?Irregular?Ocean?Environment[J].Information?Fusion，2023，94：257-271.

[9]??CHEN?G，ZHAO?Z?H，WANG?Z?Y，et?al.Swimming?Modeling?and?Performance?Optimization?of?a?Fish-Inspired?Underwater?Vehicle?（FIUV）[J].Ocean?Engineering，2023，271：113748.