双碳背景下“河长”垃圾回收机器人的研究

王小云 李玉涵 程彦年 范磊

摘  要：双碳背景下，“河长”垃圾回收机器人的研究是为了及时回收水面垃圾，保障水面生态环境。以往的河长制通常需要人力来完成；而机器人加入其中，能够更加全面地推行“河长制”，从而保护水资源、防治水污染、改善水环境、修复水生态。同时，此项目研究的“河长”垃圾回收机器人推广到市场，不仅有利于保护海洋生物栖息地、落实绿色发展理念、推进生态文明建设，更是完善水治理体系，保障国家水质安全的创新举措。

关键词：水域清理  树莓派  海洋塑料垃圾  水下机器人

中图分类号：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  水下垃圾處理机器人研究现状

由于城市化和工业化进程、旅游业的发展、民众环保意识淡薄等因素，垃圾污染成为现阶段我国急需解决的问题之一，尤其是江河、湖泊、海洋等水面的垃圾污染。通过对江河湖泊垃圾收集问题的研究发现，目前水上垃圾大部分采用的还是人工驾船回收的方法，劳动强度大且作业效率低，有些有害垃圾还会伤害工人的身体健康。近些年随着各种研究的推进，相继开发了各种水面垃圾回收船，但这些清理船大多体积庞大且依靠燃油驱动，不仅运行成本高、能耗大，还会造成其他污染。为有效清理水下垃圾，本文设计一种简单高效的“河长”水下垃圾回收机器人。

当前，对于海底生活垃圾的处理方法，一般有手工作业和机械作业两种。采用手工方法进行搜救，不仅成本高，效率低，而且风险较大。而机械式的救助，是以清除垃圾的船只为主体的一种机器产物，在手动的远程控制下对其进行清除。例如：刘伯运和他的团队开发的MC120型水上清扫艇，它使用了双螺杆的动力系统，可以利用远距离操控来迅速清扫水上的污物；严苏豫等人研制了一艘能利用废物回收设备对油污、固体废物进行分门别类清洁的船舶；张国洲和他的团队研制出了一种双船型水上清扫机器人，它利用抽水泵的驱动，将水中的废物送到貨舱内，从而达到清扫水体的目的[1]。

以上所介绍的清洁船舶多用于沿海和河流等区域，由于其尺寸比较大，造价也比较昂贵，很难用于中小规模的水域。为此，本项目针对湖泊、池塘等中小规模水体的环境问题，提出一种以“树莓派”为主要研究对象的水下环境友好型机器人。这个“河长”水下垃圾回收机器人它使用的是框架式的造型，上面还安装了胶囊式耐压舱、图像采集装置等，可以迅速有效地进行海底工作，可以实现在中小规模水体中对塑料废物的精确识别和救助。

2 机器人的整机结构设计

本文所设计的“河长”水下垃圾回收机器人，在外观上使用的是框架式的概念设计，它的全长为500 mm，总宽度为225 mm，总高为275 mm，它的主体部分是水下驱动装置、图像采集装置、水下打捞装置和胶囊式耐压舱。

为避免机械臂在作业时受到损伤，将机械臂的电气控制及灯具等部件置于箱体的承载室内，承载室位于箱体中央。在耐压舱的前面，设置了一个摄像机，可以为用户提供工作的视野。在它的后面，还设置了一个脐带索的接口，用户在工作的时候，可以利用它与母舰[2]进行联系，实现对母舰的远程控制和数据的传送。在耐压室的底部，是一台三自由度的潜水机器人，可以进行大幅度的旋转，并在机器人的尾端安装了一台抓取机器人，用于对水中的废物进行打捞和清除。

在水下航行器的设计中，采用了一种胶囊式的耐压舱，在水下航行器的设计中，采用了该耐压舱。本项目拟采用轻质、高强度材料制备耐压舱室，使其具有更高的浮力，但仅靠耐压舱室的外壳来提供其所需的浮力，势必会使外壳的容积和流阻加大，故需在其骨架上配置适当的防浮材料。

现有的水下垃圾处理机器人大多使用人造的固态物质，即通过在适当的温度和压力下，将玻璃按一定的比例加入到环氧树脂中，然后通过高温和压力的作用，使其形成具有良好的悬浮性能的复合材料。该材料具有密度小，抗静水压能力强，弹性模量接近于海水的特点。本项目拟采用CFC-400级的固态物料，依据作业环境和深度，将其放置于耐压容器四周，使其具有足够的浮力。

3 机器人的关键部件设计

3.1 胶囊耐压舱

在水下工作时，“河长”机器人要承受各种负载，如静水压、流体阻力等。耐压舱是机械臂在水中工作时，对机械臂电气控制系统起到了防护作用，是机械臂在水中工作时最重要的一环，因而必须对其进行设计，以确保机械臂在水中工作时的安全性。在尽可能降低水流阻力的前提下，该耐压舱的形状是一个类似于胶囊的形状，也就是一个圆形的内腔和一个半球形的盖子结合在一起。在船舱的前部，前透明罩、前部支架和前圈使用了螺栓固定，后部支架和尾盖使用了螺丝固定。

3.2 水下驱动装置

本文所提出之执行机构，其执行机构以安装于耐压舱室四周之水推进为主体，并在其中部设置一控制模组。该系统共有4台水下螺旋桨，每台螺旋桨配对安装在一个外框上，利用螺旋桨间的相互配合，实现了多个水下运动。螺旋桨是垂直安装于耐压舱体的两边，在同一转速旋转的情况下，可以实现上浮和下沉的动作，在不同转速旋转的情况下，可以实现不同转速的翻身动作；从制作的角度出发，结合工程实际情况，选择了螺旋推进。而电机方面，选用了一台具有高转矩、低起动电流、良好刹车性能的无刷直流电动机。

3.3 图像采集装置设计

该“河长”机器人的影像采集器，包括一架摄影机、两自由度云台，及LED灯。利用灯环对水中物体进行补光，利用两个自由度的天平调整相机的视角，以减少作业中的视觉死角。毛昕蓉[3]通过对获取到的目标进行识别，识别出目标，并将目标从目标中提取出来。

系统使用树莓派4B作为垃圾清理装置的主控，树莓派4B上使用的CPU为64位1.4 GHz四核ARM Cortex-A53的BCM 2837B0，具有1 GB内存。其CSI摄像头接口接500万像素摄像头，对工作场景实时回传图像，树莓派对实时环境图像抓取处理，进行识别。树莓派运行ROS机器人操作系统，对视觉的实现和装置的运动进行全局管控[4]。

3.4  水下打捞装置

3.4.1 机械手臂

本文介绍了一种的水下拾取垃圾结构，该机构用于水下垃圾的拾取机构的设计。机器人手臂作为一种主要的水下拾取设备，其工作原理是利用机器人手臂上各个关节的旋转和协作来调节机器人手臂的定位，并利用机器人手臂的夹紧来完成对物体的拾取。

3.4.2 机械手

为了使该“河长”机器人能够平稳地进行工作，在其尾端加装了一只机械手。在机器人的末端处，装有一个驱动电动机，并经由电动机固定座与一根丝杠连接，该丝杠带动一个传动螺母，使其沿一根丝杠轴线线性移动，然后再带动连杆转动，以使折棒的摆动得以实现。因为折杆、机械指、连接杆组成了一个平行四边形结构，当折杆移动时，连接杆也会跟着移动，这样就能带动机械手指移动，完成一个相对固定的动作。

机械手的抓取能够精准定位目标位置，结合相关抓取算法，实现目标的精准抓取的方法参考基于机器视觉的机械臂目标稳准抓取研究[5]。

4 水下機器人导航系统

该方案的整体方案，包含了软硬件的方案，并进行了方案的连接。硬体系统具体包含了机器人的结构和电路的构成，在软件系统中，主要由上位机和下位机两部分构成。上位机与机器人进行了通信，在上位机发出指令之后，可以使用 Wi–Fi，机器人可以对指令进行分析，并进行相应的操作[6]。

4.1  硬件电路

主控板：选用的是RaspberryPi4B，能够通过 SSH、远程桌面或者显示器与显示界面相连接，能够在界面上进行编程，能够对 GPIO口进行操作，还能够调用强大的 Wring Pi库功能，具有输出稳定，调试容易，扩展性强等特点，能够满足本设计的需要。

在推进方面：选择了一台具有高转矩、低起动电流、良好的刹车性能的无刷直流电动机，电动机采用了无刷电调来进行驱动，由于电调能够准确地对电动机的速度进行控制并改变其旋转方向。为了避免不稳的供电对树莓派造成损害，还可以减少电调电流对树莓派的信号影响。

信号接收器：树莓派内置无线网络，不过在水下，电磁波会受到一定程度的影响，所以它的信号范围很窄，内置的2.4 G信号浮标，可以让它即时收到信号。

4.2 上位机

其中，主机部分完成指令的发送，数据的接收，数据的存储，以及报警等操作。将上位机作为服务器端，利用 Labview作为开发工具，利用主机名或 IP地址和端口号码来进行监听，然后等待客户机的连接[7]。

4.3  下位机

其中，从系统实现了数据的采集、存储、数据的传递等。下位机是一个客户端，它会在第一时间创建 socket套接字，之后用 bind函数[8]将服务端 IP地址捆绑起来，再调用 connect函数，向服务器端发出一个连接请求，在服务器端收到并获得了一个连接的成功之后，就可以实现一个双向通信，从而实现数据的交换。

在接收到主机的命令后，通过对输入的 PWM进行分析，使其在运动过程中的运动轨迹发生变化，并在不确定的情况下，利用 PID控制方法[9]对运动轨迹进行修正。

5 结论

本文针对树莓派Raspberry Pi4B为控制平台控制机器人的行动和拾取目标。设计的“河长”机器人可实现水下的前进、后退、上浮、下沉、翻转等运动，有效提高了机器人的灵活性。通过将摄像头与曲柄连杆机构和球面副连杆并联，设计了一种二自由度摄像云台，使摄像头能有效减少水下机器人工作时的视野盲区。水下打捞装置主要由三自由度机械臂与夹持式机械手组成。。

参考文献

[1]   郭志明，陈子暄，戴娟，等.一种新型水下垃圾打捞机器人设计[J].长沙大学学报，2022，36（5）：31-36.

[2]  蒋超奇，罗卫平.一种水上垃圾回收船的结构设计[J].福建农机，2021（1）：29-32.

[3]  毛昕蓉，赵嘉豪，史智帅.基于树莓派的智能垃圾分类系统设计[J].电子设计工程，2022，30（20）：157-160，165.

[4]  周鑫，李乔硕，陈君君，等.基于机器视觉的水面垃圾清理装置[J].智能城市，2023，9（1）：95-97.

[5]  陈璟.基于机器视觉的机械臂目标稳准抓取研究[J].兰州职业技术学院学报，2023，39（4）：70-72，86.

[6]  王欢.水下机器人移动路径智能规划系统[J].现代工业经济和信息化，2022，12（4）：159-162.

[7]  熊超，付佳伟，李海翔，等.基于树莓派的小型水下机器人设计[J].科技风，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.