據研究數據表明，水域中的廢棄物約有 70% 會(huì )沉入海底或分解成微塑料和納米塑料，總量高達 1000 萬(wàn)噸。在 MAELSTROM 開(kāi)展的一個(gè)研究項目中，他們以人工智能系統為基礎，開(kāi)發(fā)了一種自主式機器人，它可以在 20 米深水域處選擇性地識別和收集廢棄物。該系統通過(guò)基于 PC 的控制技術(shù)自動(dòng)控制，已于 2022 年 9 月在威尼斯運河通過(guò)了試運行。

如果想要防止垃圾危害脆弱的水下生態(tài)系統，或者防止微塑料和納米塑料通過(guò)食物鏈進(jìn)入我們的身體，就必須阻止水域受到進(jìn)一步污染，清理水下垃圾。這正是歐盟“地平線(xiàn) 2020” — MAELSTROM 項目的目標：開(kāi)發(fā)和整合各項技術(shù)，以識別、清除、分揀各類(lèi)海洋垃圾并將其轉化為原材料。為此，一個(gè)由西班牙 TECNALIA 研究院、法國 CNRS-LIRMM 機器人研究所和意大利 Servizi Tecnici 公司組成的國際研究小組開(kāi)發(fā)了“海底垃圾清理機器人”。其核心是一個(gè)配備抓手和抽吸裝置的水下機器人，借助 8 個(gè)絞盤(pán)在六個(gè)自由度內靈活移動(dòng)。

手動(dòng)控制顯示屏：操作人員可以看到水深測量地形圖。該圖定位在機器人平臺的內部區域（橙色矩形）的中心。紅色矩形表示安全工作區域，機器人平臺與纜索之間不會(huì )發(fā)生碰撞。下方區域表示鋼纜的拉伸應力。

機器人通過(guò)傳感器和攝像頭探測海底垃圾，自動(dòng)將自己定位在垃圾上方，并能舉起重達 130 公斤的物體（包括自行車(chē)、輪胎、箱子和魚(yú)網(wǎng)）。較小的物體或漂浮在水面上的塑料垃圾則通過(guò)抽吸裝置收集?！坝捎谖覀兪窃诤Ｃ嫔献鳂I(yè)，只有在需要時(shí)才啟動(dòng)抓手或抽吸裝置，因此我們可以實(shí)現高選擇性，最大限度地減少對海底生態(tài)系統的影響?！眮?lái)自 TECNALIA 的 MAELSTROM 項目經(jīng)理 Mariola Rodríguez 解釋道。

定位絞盤(pán)由倍福的 AX5118 伺服驅動(dòng)器和 AM8071 伺服電機同步控制?！盀榱舜_保穩健、精確和快速定位，我們選擇了無(wú)刷同步伺服電機?！盩ECNALIA 纜索機器人團隊的電子工程師 Jose Gorrotxategi 指出。另一個(gè)優(yōu)勢是驅動(dòng)器采用了單電纜技術(shù)（OCT），減少了絞盤(pán)的布線(xiàn)工作和空間需求。絞盤(pán)鋼索可確保機器人支架在水下精確定位，并在水流湍急的情況下保持高穩定性。電機軸上的編碼器可檢測電纜卷筒的角度位置和轉數，從而間接確定盤(pán)繞電纜的長(cháng)度。

電磁制動(dòng)器和力傳感器對纜索張力的監測確保了應用所需的安全性。如果測量結果超出允許范圍，纜索機器人會(huì )立即停止工作，并顯示錯誤信息。

水上水下傳感器集群

水下纜索機器人支架內裝有多個(gè)傳感器和攝像頭用于控制和監測，支持手動(dòng)、自動(dòng)和遠程操作?！爸灰履芤?jiàn)度不是太低，就能手動(dòng)控制攝像頭和照明燈?！盩ECNALIA 纜索機器人團隊的機械工程與控制工程師 Pierre-Elie Herve 補充道。操作人員可以點(diǎn)擊攝像頭畫(huà)面中感興趣的海底位置，機器人就會(huì )自動(dòng)靠近這些位置。機器人支架上的壓力傳感器可檢測潛水深度，慣性測量單元（IMU）可控制機器人在水中的位置。多普勒速度儀（DVL）通過(guò)四個(gè)聲納傳感器記錄移動(dòng)平臺與海底的距離及其相對速度。

其它傳感器（包括一個(gè)壓力傳感器）放置在水上浮橋上，用于在深度控制過(guò)程中補償大氣壓力的變化。兩個(gè) GPS 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位裝置實(shí)時(shí)確定駁船的位置和垂直方向。來(lái)自這些不同系統的所有數據都被整合到機器人的控制和位置調節系統中。例如，根據這些數值，機器人平臺可以精確接近并保持之前在深度圖（水深測量地形圖）上選定的位置，從而提高機器人的工作效率?！斑@種能力已經(jīng)在威尼斯瀉湖非常渾濁的水域中得到了充分彰顯?！盡ariola Rodríguez 指出。

纜索機器人的控制和通信

水下電纜機器人共有 12 根軸（8 個(gè)絞盤(pán)和浮橋桅桿上的 4 個(gè)垂直活動(dòng)滑塊），由 C6650 控制柜式工業(yè) PC 中安裝的 TwinCAT 3 控制。工業(yè) PC 安裝在控制室的主控制柜中。除了索力監測之外，系統（控制室、無(wú)線(xiàn)操控和絞盤(pán)）上的多個(gè)急停按鈕也可確保機器人安全運行。相應的安全邏輯由 TwinSAFE 邏輯端子模塊 EL6910 執行。帶抱閘的伺服驅動(dòng)器通過(guò) AX5805 TwinSAFE 驅動(dòng)器選項卡集成到安全應用中。

另外四個(gè)配電模塊分散安裝在內含 I/O 接口模塊和索力測量電子裝置的纜索絞盤(pán)上?？刂乒衽c配電模塊之間的連接通過(guò) Ethercat P 完成。Jose Gorrotxategi 評論道：“EtherCAT 技術(shù)的這一擴展使得直流供電和 EtherCAT 實(shí)時(shí)通信能夠通過(guò)一根電纜實(shí)現?！?/p>

AX5118 伺服驅動(dòng)器控制纜索機器人的八個(gè)絞盤(pán)驅動(dòng)裝置以及底座托架的四根軸

機器人平臺控制

操作人員通過(guò)操縱桿以及水下移動(dòng)平臺的估計位置和移動(dòng)平臺上的攝像頭控制纜索機器人。除了通過(guò)水下攝像頭進(jìn)行視覺(jué)控制之外，操作人員還可以通過(guò) HMI 選擇不同的控制模式，并根據傳感器數值監測所有功能。

用于水下感知的攝像機系統主要實(shí)現視覺(jué)伺服控制：操作人員一旦看到海洋垃圾（由于水比較渾濁，距攝像頭的距離相對較短），就可以點(diǎn)擊攝像頭畫(huà)面中的垃圾，纜索機器人的移動(dòng)平臺就會(huì )自動(dòng)靠近垃圾。

HMI 中還集成了通過(guò) DVL 系統和攝像頭創(chuàng )建的深度圖。操作人員可以選擇畫(huà)面中的任意一個(gè)位置，然后移動(dòng)平臺就會(huì )向該位置移動(dòng)。除了手動(dòng)操作之外，支架還能自動(dòng)識別、鎖定和收集垃圾?！叭斯ぶ悄苁菍?shí)現這一切的基礎，它能夠識別海洋垃圾，并選擇最合適的清除裝置?！盤(pán)ierre-Elie Herve 解釋道。

針對海底垃圾清理機器人平臺開(kāi)發(fā)的軟件可以實(shí)時(shí)計算機器人的地理位置，這要歸功于實(shí)時(shí)全球定位系統（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量或 RTK）和負責測量和報告位置或方向并同時(shí)監測和控制絞盤(pán)的慣性測量裝置。此外，海底地形圖上會(huì )顯示機器人和垃圾位置。機器人既可以自主移動(dòng)，通過(guò)軟件確定“水中的運動(dòng)軌跡”，也可以通過(guò)操縱桿手動(dòng)控制。機器人移動(dòng)時(shí)，攝像頭和聲學(xué)傳感器會(huì )掃描海底，測量深度（水深）并探測垃圾。這些數據都有地理坐標，并在地形圖上實(shí)時(shí)顯示。