智能水面垃圾清潔機(jī)器人

耿若楠 陳沛 李志文 程繼航 卞宇宸

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，人們的生活質(zhì)量不斷提高，制造的生活垃圾也越來越多。由于環(huán)保意識(shí)的缺乏，很多生活垃圾直接或者間接被棄入江、河、湖泊之中，致使江、河、湖泊的水面上經(jīng)常漂浮大量生活垃圾，部分區(qū)域如航運(yùn)河道、發(fā)電站前池水污染特別嚴(yán)重，這些垃圾如果不及時(shí)清理，將會(huì)影響航道運(yùn)行、發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)。另一方面，由于生活污水和工業(yè)廢水大量排放，河水嚴(yán)重營(yíng)養(yǎng)富集，導(dǎo)致水面出現(xiàn)了大量的浮游藻類，如不及時(shí)清理，將嚴(yán)重打破區(qū)域生態(tài)平衡。為了清理這些水面漂浮垃圾，環(huán)保部門每年都要投入大量的人力、財(cái)力和物力，定時(shí)進(jìn)行人工打撈?，F(xiàn)有的人工打撈工具均為撈勺、撈網(wǎng)或簡(jiǎn)單小型的打撈設(shè)備，致使人工打撈勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，缺乏靈活性，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較大體積的垃圾時(shí)，會(huì)采用機(jī)械清理的方式，但幾乎都是采用較大型機(jī)械，不僅浪費(fèi)能源，而且還會(huì)產(chǎn)生二次污染，難以普及使用。水是生命不可或缺的自然資源，治理水污染勢(shì)在必行，因此設(shè)計(jì)一款清理人流較大的河流和湖上等一切有水域的地方的垃圾，實(shí)用性很強(qiáng)的水面垃圾清潔機(jī)器人是社會(huì)的需要。

（一）國(guó)、內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)水面垃圾的清潔主要采用人工打撈和機(jī)械打撈兩種方式。人工打撈利用半艙式或甲板機(jī)動(dòng)駁船，由環(huán)衛(wèi)工人手持網(wǎng)兜站在甲板邊上直接把垃圾撈上來，這種作業(yè)方式勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣、人身安全沒有保障，不僅清理難度大、綜合成本高，而且無法治理在大雨臺(tái)風(fēng)季節(jié)暴發(fā)的水葫蘆等海域污染。而機(jī)械打撈裝置具有間斷性、笨拙性、耗時(shí)性等明顯缺點(diǎn)，并且會(huì)造成嚴(yán)重污染，無法適應(yīng)小型河流、湖泊等水面垃圾清理的需要。

國(guó)內(nèi)外在水面垃圾清理方面也有少數(shù)自動(dòng)清理無人船（清潔機(jī)器人），但是船體小、垃圾收集量小、垃圾不能太大、續(xù)航時(shí)間有限。國(guó)內(nèi)的垃圾清理無人船太小，只能清理小體積較輕的漂浮物，動(dòng)力不足，一次清理的時(shí)間和垃圾量都很有限，而且智能化程度低，基本上都是基于嵌入式系統(tǒng)，沒有通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)，無法運(yùn)行人工智能和復(fù)雜智能感知系統(tǒng)，例如沒有用于復(fù)雜障礙探測(cè)和識(shí)別的激光雷達(dá)或者圖像識(shí)別系統(tǒng)，無法在復(fù)雜河道中自主巡航和避障，因此只能算是初級(jí)無人船。國(guó)外雖然在大規(guī)模清理垃圾，但只是在特定的地點(diǎn)固定清理垃圾。2018年11月份，由上海城投環(huán)境下屬上海水域環(huán)境發(fā)展公司和中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所聯(lián)合研制的國(guó)內(nèi)首艘智能保潔水面機(jī)器人在黃浦江正式運(yùn)行作業(yè)，與40米水面保潔船構(gòu)成子母船保潔系統(tǒng)，用于保障進(jìn)博會(huì)期間上海市黃浦江的水面保潔任務(wù)，表明了水面垃圾清理方式的機(jī)械化智能化是符合人們需求并且可以大力研發(fā)的。

隨著水體污染嚴(yán)重以及水面漂浮物增加，我國(guó)根據(jù)近幾年水面垃圾的治理經(jīng)驗(yàn)，在各方面都進(jìn)行了努力，因而水上垃圾清理機(jī)的設(shè)計(jì)工作有了可觀的發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)的還主要以不定期的手工打撈為主，機(jī)械打撈應(yīng)用并不普遍。因此水面垃圾清潔機(jī)器要獲得廣泛的應(yīng)用和全面取代手工打撈，必需自主創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出符合我國(guó)國(guó)情的水上垃圾清理機(jī)器。

（二）研究?jī)?nèi)容

（1）本項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)一個(gè)在人流較大的河流上等一切有水域的地方自動(dòng)搜尋垃圾并收集起來的清潔類機(jī)器人。分為人為操控模式和自主操作模式。①人為操控模式下：系統(tǒng)通過WiFi網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)與單片機(jī)的信號(hào)互聯(lián)，通過手機(jī)APP發(fā)出指令，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，完成水面垃圾的清理工作。②自主操作模式下：可根據(jù)紅外線探測(cè)發(fā)現(xiàn)垃圾的位置，自主前往垃圾附近進(jìn)行垃圾拾取工作。此產(chǎn)品還可利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)提供電能，確保作業(yè)期間電能能夠得到保障。

（2）設(shè)計(jì)紅外感應(yīng)裝置尋找阻礙物位置，根據(jù)接收到的垃圾的波長(zhǎng)從而與機(jī)器人數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，如果符合數(shù)據(jù)庫(kù)中的條件便迅速移動(dòng)到垃圾的位置，數(shù)據(jù)庫(kù)中的垃圾信息是由人工整理后儲(chǔ)存在機(jī)器人中的。然后在距離垃圾10厘米以內(nèi)，自動(dòng)觸發(fā)機(jī)械臂啟動(dòng)開關(guān)，在20N的力的作用下抓取，若某些極特殊的垃圾經(jīng)數(shù)次抓取依然失?。ㄔ谶@里我們?cè)O(shè)置最大抓取次數(shù)為3次），即向控制端返回抓取信號(hào)，通過人工處理的方式來清理垃圾。

（3）開發(fā)手機(jī)APP，通過WIFI傳送信號(hào)對(duì)垃圾清理系統(tǒng)進(jìn)行控制。該模塊可將船體的工作狀態(tài)和垃圾收集情況以報(bào)告形式發(fā)送給手機(jī)APP，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制。在這里手機(jī)相當(dāng)于電腦PC端，指令的發(fā)送則是通過一個(gè)PHP網(wǎng)頁(yè)，這個(gè)網(wǎng)頁(yè)是在路由器上面的，也可以通過電腦以及路由器窗口創(chuàng)設(shè)一個(gè)網(wǎng)頁(yè)鏈接，也能夠從電腦上顯示出來。

（4）當(dāng)箱內(nèi)物品重量達(dá)到一定重量或者一定體積時(shí)返回指定點(diǎn)進(jìn)行垃圾傾倒。進(jìn)行垃圾傾倒的條件有兩個(gè)：1.達(dá)到一定重量即傾倒，在垃圾存儲(chǔ)箱內(nèi)部設(shè)置有重量感應(yīng)器，一旦達(dá)到所能承受的最大重量標(biāo)準(zhǔn)，便實(shí)施垃圾傾倒動(dòng)作。2.達(dá)到一定體積便停止收集，在垃圾存儲(chǔ)設(shè)備中畫一條閾值線，從而能夠進(jìn)行存儲(chǔ)體積與其對(duì)比。需要注意的是有時(shí)候重量沒有達(dá)標(biāo)，但是體積已經(jīng)不夠了，那么也需要傾倒，所以上述兩個(gè)條件之間的關(guān)系是相或的，只要滿足其中一個(gè)條件，機(jī)器人就返回進(jìn)行垃圾處理。

（5）機(jī)器人具有定區(qū)域巡邏能力，對(duì)它進(jìn)行的操作指令是在一定的區(qū)域內(nèi)完成的，并且動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠滿足其變速運(yùn)動(dòng)，在這里主要是能夠采取兩種速度：一是作業(yè)速度，即工作時(shí)速度，作業(yè)速度盡可能與垃圾密度相匹配。二是返回速度，這里主要用于垃圾達(dá)到閾值后去傾倒垃圾的速度，由于這時(shí)已經(jīng)沒有作業(yè)，所以速度可以快一些，這樣可以提高作業(yè)效率。

（6）為了確保機(jī)器人能夠在作業(yè)區(qū)域平穩(wěn)運(yùn)行，或者在有風(fēng)情況下作業(yè)，選擇的材料應(yīng)該選取密度稍微大一點(diǎn)，同時(shí)機(jī)器人外觀設(shè)置為中空流線型，這樣子一部分風(fēng)可以從中間通過，一部分被流線型設(shè)計(jì)所抵消，剩下的阻力在材料所能夠承受的范圍之內(nèi)。需要注意的是機(jī)器應(yīng)該滿足大多數(shù)情況下都能作業(yè)，所以設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)也就是承受風(fēng)力等級(jí)在4-5級(jí)。

該項(xiàng)目由大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資金支持：項(xiàng)目編號(hào)：2019XB059