雙碳背景下“河長”垃圾回收機器人的研究

王小云 李玉涵 程彥年 范磊

摘??要：雙碳背景下，“河長”垃圾回收機器人的研究是為了及時回收水面垃圾，保障水面生態環境。以往的河長制通常需要人力來完成；而機器人加入其中，能夠更加全面地推行“河長制”，從而保護水資源、防治水污染、改善水環境、修復水生態。同時，此項目研究的“河長”垃圾回收機器人推廣到市場，不僅有利于保護海洋生物棲息地、落實綠色發展理念、推進生態文明建設，更是完善水治理體系，保障國家水質安全的創新舉措。

關鍵詞：水域清理??樹莓派??海洋塑料垃圾??水下機器人

中圖分類號：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??水下垃圾處理機器人研究現狀

由于城市化和工業化進程、旅游業的發展、民眾環保意識淡薄等因素，垃圾污染成為現階段我國急需解決的問題之一，尤其是江河、湖泊、海洋等水面的垃圾污染。通過對江河湖泊垃圾收集問題的研究發現，目前水上垃圾大部分采用的還是人工駕船回收的方法，勞動強度大且作業效率低，有些有害垃圾還會傷害工人的身體健康。近些年隨著各種研究的推進，相繼開發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動，不僅運行成本高、能耗大，還會造成其他污染。為有效清理水下垃圾，本文設計一種簡單高效的“河長”水下垃圾回收機器人。

當前，對于海底生活垃圾的處理方法，一般有手工作業和機械作業兩種。采用手工方法進行搜救，不僅成本高，效率低，而且風險較大。而機械式的救助，是以清除垃圾的船只為主體的一種機器產物，在手動的遠程控制下對其進行清除。例如：劉伯運和他的團隊開發的MC120型水上清掃艇，它使用了雙螺桿的動力系統，可以利用遠距離操控來迅速清掃水上的污物；嚴蘇豫等人研制了一艘能利用廢物回收設備對油污、固體廢物進行分門別類清潔的船舶；張國洲和他的團隊研制出了一種雙船型水上清掃機器人，它利用抽水泵的驅動，將水中的廢物送到貨艙內，從而達到清掃水體的目的[1]。

以上所介紹的清潔船舶多用于沿海和河流等區域，由于其尺寸比較大，造價也比較昂貴，很難用于中小規模的水域。為此，本項目針對湖泊、池塘等中小規模水體的環境問題，提出一種以“樹莓派”為主要研究對象的水下環境友好型機器人。這個“河長”水下垃圾回收機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，可以迅速有效地進行海底工作，可以實現在中小規模水體中對塑料廢物的精確識別和救助。

2?機器人的整機結構設計

本文所設計的“河長”水下垃圾回收機器人，在外觀上使用的是框架式的概念設計，它的全長為500?mm，總寬度為225?mm，總高為275?mm，它的主體部分是水下驅動裝置、圖像采集裝置、水下打撈裝置和膠囊式耐壓艙。

為避免機械臂在作業時受到損傷，將機械臂的電氣控制及燈具等部件置于箱體的承載室內，承載室位于箱體中央。在耐壓艙的前面，設置了一個攝像機，可以為用戶提供工作的視野。在它的后面，還設置了一個臍帶索的接口，用戶在工作的時候，可以利用它與母艦[2]進行聯系，實現對母艦的遠程控制和數據的傳送。在耐壓室的底部，是一臺三自由度的潛水機器人，可以進行大幅度的旋轉，并在機器人的尾端安裝了一臺抓取機器人，用于對水中的廢物進行打撈和清除。

在水下航行器的設計中，采用了一種膠囊式的耐壓艙，在水下航行器的設計中，采用了該耐壓艙。本項目擬采用輕質、高強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提供其所需的浮力，勢必會使外殼的容積和流阻加大，故需在其骨架上配置適當的防浮材料。

現有的水下垃圾處理機器人大多使用人造的固態物質，即通過在適當的溫度和壓力下，將玻璃按一定的比例加入到環氧樹脂中，然后通過高溫和壓力的作用，使其形成具有良好的懸浮性能的復合材料。該材料具有密度小，抗靜水壓能力強，彈性模量接近于海水的特點。本項目擬采用CFC-400級的固態物料，依據作業環境和深度，將其放置于耐壓容器四周，使其具有足夠的浮力。

3?機器人的關鍵部件設計

3.1?膠囊耐壓艙

在水下工作時，“河長”機器人要承受各種負載，如靜水壓、流體阻力等。耐壓艙是機械臂在水中工作時，對機械臂電氣控制系統起到了防護作用，是機械臂在水中工作時最重要的一環，因而必須對其進行設計，以確保機械臂在水中工作時的安全性。在盡可能降低水流阻力的前提下，該耐壓艙的形狀是一個類似于膠囊的形狀，也就是一個圓形的內腔和一個半球形的蓋子結合在一起。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?水下驅動裝置

本文所提出之執行機構，其執行機構以安裝于耐壓艙室四周之水推進為主體，并在其中部設置一控制模組。該系統共有4臺水下螺旋槳，每臺螺旋槳配對安裝在一個外框上，利用螺旋槳間的相互配合，實現了多個水下運動。螺旋槳是垂直安裝于耐壓艙體的兩邊，在同一轉速旋轉的情況下，可以實現上浮和下沉的動作，在不同轉速旋轉的情況下，可以實現不同轉速的翻身動作；從制作的角度出發，結合工程實際情況，選擇了螺旋推進。而電機方面，選用了一臺具有高轉矩、低起動電流、良好剎車性能的無刷直流電動機。

3.3?圖像采集裝置設計

該“河長”機器人的影像采集器，包括一架攝影機、兩自由度云臺，及LED燈。利用燈環對水中物體進行補光，利用兩個自由度的天平調整相機的視角，以減少作業中的視覺死角。毛昕蓉[3]通過對獲取到的目標進行識別，識別出目標，并將目標從目標中提取出來。

系統使用樹莓派4B作為垃圾清理裝置的主控，樹莓派4B上使用的CPU為64位1.4?GHz四核ARM?Cortex-A53的BCM?2837B0，具有1?GB內存。其CSI攝像頭接口接500萬像素攝像頭，對工作場景實時回傳圖像，樹莓派對實時環境圖像抓取處理，進行識別。樹莓派運行ROS機器人操作系統，對視覺的實現和裝置的運動進行全局管控[4]。

3.4??水下打撈裝置

3.4.1?機械手臂

本文介紹了一種的水下拾取垃圾結構，該機構用于水下垃圾的拾取機構的設計。機器人手臂作為一種主要的水下拾取設備，其工作原理是利用機器人手臂上各個關節的旋轉和協作來調節機器人手臂的定位，并利用機器人手臂的夾緊來完成對物體的拾取。

3.4.2?機械手

為了使該“河長”機器人能夠平穩地進行工作，在其尾端加裝了一只機械手。在機器人的末端處，裝有一個驅動電動機，并經由電動機固定座與一根絲杠連接，該絲杠帶動一個傳動螺母，使其沿一根絲杠軸線線性移動，然后再帶動連桿轉動，以使折棒的擺動得以實現。因為折桿、機械指、連接桿組成了一個平行四邊形結構，當折桿移動時，連接桿也會跟著移動，這樣就能帶動機械手指移動，完成一個相對固定的動作。

機械手的抓取能夠精準定位目標位置，結合相關抓取算法，實現目標的精準抓取的方法參考基于機器視覺的機械臂目標穩準抓取研究[5]。

4?水下機器人導航系統

該方案的整體方案，包含了軟硬件的方案，并進行了方案的連接。硬體系統具體包含了機器人的結構和電路的構成，在軟件系統中，主要由上位機和下位機兩部分構成。上位機與機器人進行了通信，在上位機發出指令之后，可以使用?Wi–Fi，機器人可以對指令進行分析，并進行相應的操作[6]。

4.1??硬件電路

主控板：選用的是RaspberryPi4B，能夠通過?SSH、遠程桌面或者顯示器與顯示界面相連接，能夠在界面上進行編程，能夠對?GPIO口進行操作，還能夠調用強大的?Wring?Pi庫功能，具有輸出穩定，調試容易，擴展性強等特點，能夠滿足本設計的需要。

在推進方面：選擇了一臺具有高轉矩、低起動電流、良好的剎車性能的無刷直流電動機，電動機采用了無刷電調來進行驅動，由于電調能夠準確地對電動機的速度進行控制并改變其旋轉方向。為了避免不穩的供電對樹莓派造成損害，還可以減少電調電流對樹莓派的信號影響。

信號接收器：樹莓派內置無線網絡，不過在水下，電磁波會受到一定程度的影響，所以它的信號范圍很窄，內置的2.4?G信號浮標，可以讓它即時收到信號。

4.2?上位機

其中，主機部分完成指令的發送，數據的接收，數據的存儲，以及報警等操作。將上位機作為服務器端，利用?Labview作為開發工具，利用主機名或?IP地址和端口號碼來進行監聽，然后等待客戶機的連接[7]。

4.3??下位機

其中，從系統實現了數據的采集、存儲、數據的傳遞等。下位機是一個客戶端，它會在第一時間創建?socket套接字，之后用?bind函數[8]將服務端?IP地址捆綁起來，再調用?connect函數，向服務器端發出一個連接請求，在服務器端收到并獲得了一個連接的成功之后，就可以實現一個雙向通信，從而實現數據的交換。

在接收到主機的命令后，通過對輸入的?PWM進行分析，使其在運動過程中的運動軌跡發生變化，并在不確定的情況下，利用?PID控制方法[9]對運動軌跡進行修正。

5?結論

本文針對樹莓派Raspberry?Pi4B為控制平臺控制機器人的行動和拾取目標。設計的“河長”機器人可實現水下的前進、后退、上浮、下沉、翻轉等運動，有效提高了機器人的靈活性。通過將攝像頭與曲柄連桿機構和球面副連桿并聯，設計了一種二自由度攝像云臺，使攝像頭能有效減少水下機器人工作時的視野盲區。水下打撈裝置主要由三自由度機械臂與夾持式機械手組成。。

參考文獻

[1]???郭志明，陳子暄，戴娟，等.一種新型水下垃圾打撈機器人設計[J].長沙大學學報，2022，36（5）：31-36.

[2]??蔣超奇，羅衛平.一種水上垃圾回收船的結構設計[J].福建農機，2021（1）：29-32.

[3]??毛昕蓉，趙嘉豪，史智帥.基于樹莓派的智能垃圾分類系統設計[J].電子設計工程，2022，30（20）：157-160，165.

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

[5]??陳璟.基于機器視覺的機械臂目標穩準抓取研究[J].蘭州職業技術學院學報，2023，39（4）：70-72，86.

[6]??王歡.水下機器人移動路徑智能規劃系統[J].現代工業經濟和信息化，2022，12（4）：159-162.

[7]??熊超，付佳偉，李海翔，等.基于樹莓派的小型水下機器人設計[J].科技風，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.