智能水面垃圾清潔機(jī)器人獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

智能水面垃圾清潔機(jī)器人獲獎(jiǎng)科研報(bào)告隨著社會的快速發(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。現(xiàn)有的人工打撈工具均為撈勺、撈網(wǎng)或簡單小型的打撈設(shè)備，致使人工打撈勞動強(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)器人是社會的需要。

（一）國、內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

目前，國內(nèi)外對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。

國內(nèi)外在水面垃圾清理方面也有少數(shù)自動清理無人船（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，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)雜障礙探測和識別的激光雷達(dá)或者圖像識別系統(tǒng)，無法在復(fù)雜河道中自主巡航和避障，因此只能算是初級無人船。國外雖然在大規(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)展公司和中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所聯(lián)合研制的國內(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)出符合我國國情的水上垃圾清理機(jī)器。

（二）研究內(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)的信號互聯(lián)，通過手機(jī)APP發(fā)出指令，對系統(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從而與機(jī)器人數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比，如果符合數(shù)據(jù)庫中的條件便迅速移動到垃圾的位置，數(shù)據(jù)庫中的垃圾信息是由人工整理后儲存在機(jī)器人中的。然后在距離垃圾10厘米以內(nèi)，自動觸發(fā)機(jī)械臂啟動開關(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@里我們設(shè)置最大抓取次數(shù)為3次），即向控制端返回抓取信號，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傳送信號對垃圾清理系統(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，這個(gè)網(wǎng)頁是在路由器上面的，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)施垃圾傾倒動作。2.達(dá)到一定體積便停止收集，在垃圾存儲設(shè)備中畫一條閾值線，從而能夠進(jìn)行存儲體積與其對比。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，并且動力驅(qū)動系統(tǒng)能夠滿足其變速運(yùn)動，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