據(jù)研究數(shù)據(jù)表明， 水域中的廢棄物約有 70% 會沉入海底或分解成微塑料和納米塑料， 總量高達 1000 萬噸。在 MAELSTROM 開 展的一個研究項目中，他們以人工智能系統(tǒng)為基礎， 開發(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(tǒng)通過基于 PC 的控制技術自動控制，已于 2022 年 9 月在威尼斯運河通過了試運行。

　　如果想要防止垃圾危害脆弱的水下生態(tài)系統(tǒng)，或者防止 微塑料和納米塑料通過食物鏈進入我們的身體，就必須阻止 水域受到進一步污染，清理水下垃圾。這正是歐盟“地平線 2020” — MAELSTROM 項目的目標： 開發(fā)和整合各項技術， 以識別、清除、分揀各類海洋垃圾并將其轉(zhuǎn)化為原材料。為此， 一個由西班牙 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 發(fā)了“海底垃圾清理機器人”。其核心是一個配備抓手和抽吸 裝置的水下機器人，借助 8 個絞盤在六個自由度內(nèi)靈活移動。

　　手動控制顯示屏：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(nèi)部區(qū)域(橙色矩形) 的中心。紅色 矩形表示安全工作區(qū)域，機器人平臺與纜索之間不會發(fā)生碰撞。 下方區(qū)域表示鋼纜的拉伸應力。

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

　　定位絞盤由倍福的 AX5118 伺服驅(qū)動器和 AM8071 伺服 電機同步控制?！盀榱舜_保穩(wěn)健、精確和快速定位，我們選擇 了無刷同步伺服電機?！盩ECNALIA 纜索機器人團隊的電子工 程師 Jose Gorrotxategi 指出。另一個優(yōu)勢是驅(qū)動器采用了單 電纜技術(OCT) ，減少了絞盤的布線工作和空間需求。絞盤 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(wěn)定性。電機軸上的編碼器可檢測電纜卷筒的角度位 置和轉(zhuǎn)數(shù)，從而間接確定盤繞電纜的長度。

　　電磁制動器和力傳感器對纜索張力的監(jiān)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(nèi)裝有多個傳感器和攝像頭用于控 制和監(jiān)測，支持手動、自動和遠程操作?！爸灰履芤姸炔? 是太低，就能手動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。 操作人員可以點擊攝像頭畫面中感興趣的海底位置， 機器人就 會自動靠近這些位置。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)通過四個聲納傳感器記錄移動平臺與海底 的距離及其相對速度。

　　其它傳感器(包括一個壓力傳感器)放置在水上浮橋上， 用于在深度控制過程中補償大氣壓力的變化。兩個 GPS 實時 動態(tài)定位裝置實時確定駁船的位置和垂直方向。來自這些不同 系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)都被整合到機器人的控制和位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。 例如，根據(jù)這些數(shù)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 個絞盤和浮橋桅桿上 的 4 個垂直活動滑塊)，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(jiān)測之外，系統(tǒng)(控制室、無線操控和絞盤)上的 多個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(zhí)行。帶抱閘的伺服驅(qū)動器 通過 AX5805 TwinSAFE 驅(qū)動器選項卡集成到安全應用中。

　　另外四個配電模塊分散安裝在內(nèi)含 I/O 接口模塊和索力 測量電子裝置的纜索絞盤上。控制柜與配電模塊之間的連接通 過 EtherCAT P 完成。Jose Gorrotxategi 評論道：“EtherCAT 技術的這一擴展使得直流供電和 EtherCAT 實時通信能夠通過 一根電纜實現(xiàn)?！?/p>

　　AX5118 伺服驅(qū)動器控制纜索機器人的八個絞盤驅(qū)動裝置以及 底座托架的四根軸

　　機器人平臺控制

　　操作人員通過操縱桿以及水下移動平臺的估計位置和移 動平臺上的攝像頭控制纜索機器人。除了通過水下攝像頭進行 視覺控制之外，操作人員還可以通過 HMI 選擇不同的控制模 式，并根據(jù)傳感器數(shù)值監(jiān)測所有功能。

　　用于水下感知的攝像機系統(tǒng)主要實現(xiàn)視覺伺服控制：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) ，就可以點擊攝像頭畫面中的垃圾， 纜索機器人的 移動平臺就會自動靠近垃圾。

　　HMI 中還集成了通過 DVL 系統(tǒng)和攝像頭創(chuàng)建的深度圖。 操作人員可以選擇畫面中的任意一個位置， 然后移動平臺就會 向該位置移動。除了手動操作之外， 支架還能自動識別、鎖定 和收集垃圾?！叭斯ぶ悄苁菍崿F(xiàn)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ierre-Elie Herve 解 釋道。

　　針對海底垃圾清理機器人平臺開發(fā)的軟件可以實時計算 機器人的地理位置， 這要歸功于實時全球定位系統(tǒng)(實時動態(tài) 測量或 RTK)和負責測量和報告位置或方向并同時監(jiān)測和控制 絞盤的慣性測量裝置。此外， 海底地形圖上會顯示機器人和垃 圾位置。機器人既可以自主移動，通過軟件確定“水中的運動 軌跡”，也可以通過操縱桿手動控制。機器人移動時，攝像頭 和聲學傳感器會掃描海底， 測量深度(水深) 并探測垃圾。這 些數(shù)據(jù)都有地理坐標，并在地形圖上實時顯示。