據(jù)研究數(shù)據(jù)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(dá) 1000 萬噸。在 MAELSTROM 開展的一個(gè)研究項(xiàng)目中，他們以人工智能系統(tǒng)為基礎(chǔ)，開發(fā)了一種自主式機(jī)器人，它可以在 20 米深水域處選擇性地識(shí)別和收集廢棄物。該系統(tǒng)通過基于 PC 的控制技術(shù)自動(dòng)控制，已于 2022 年 9 月在威尼斯運(yùn)河通過了試運(yùn)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(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 2020” — MAELSTROM 項(xiàng)目的目標(biāo)：開發(fā)和整合各項(xiàng)技術(shù)，以識(shí)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(gè)由西班牙 TECNALIA 研究院、法國(guó) CNRS-LIRMM 機(jī)器人研究所和意大利 Servizi Tecnici 公司組成的國(guó)際研究小組開發(fā)了“海底垃圾清理機(jī)器人”。其核心是一個(gè)配備抓手和抽吸裝置的水下機(jī)器人，借助 8 個(gè)絞盤在六個(gè)自由度內(nèi)靈活移動(dòng)。
手動(dòng)控制顯示屏：操作人員可以看到水深測(cè)量地形圖。該圖定位在機(jī)器人平臺(tái)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(jī)器人平臺(tái)與纜索之間不會(huì)發(fā)生碰撞。下方區(qū)域表示鋼纜的拉伸應(yīng)力。
機(jī)器人通過傳感器和攝像頭探測(cè)海底垃圾，自動(dòng)將自己定位在垃圾上方，并能舉起重達(dá) 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。“由于我們是在海面上作業(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(xiàn)高選擇性，最大限度地減少對(duì)海底生態(tài)系統(tǒng)的影響。”來自 TECNALIA 的 MAELSTROM 項(xiàng)目經(jīng)理 Mariola Rodríguez 解釋道。
定位絞盤由倍福的 AX5118 伺服驅(qū)動(dòng)器和 AM8071 伺服電機(jī)同步控制。“為了確保穩(wěn)健、精確和快速定位，我們選擇了無刷同步伺服電機(jī)。”TECNALIA 纜索機(jī)器人團(tuán)隊(duì)的電子工程師 Jose Gorrotxategi 指出。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是驅(qū)動(dòng)器采用了單電纜技術(shù)（OCT），減少了絞盤的布線工作和空間需求。絞盤鋼索可確保機(jī)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(jī)軸上的編碼器可檢測(cè)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(zhǎng)度。
電磁制動(dòng)器和力傳感器對(duì)纜索張力的監(jiān)測(cè)確保了應(yīng)用所需的安全性。如果測(cè)量結(jié)果超出允許范圍，纜索機(jī)器人會(huì)立即停止工作，并顯示錯(cuò)誤信息。
水上水下傳感器集群
水下纜索機(jī)器人支架內(nèi)裝有多個(gè)傳感器和攝像頭用于控制和監(jiān)測(cè)，支持手動(dòng)、自動(dòng)和遠(yuǎn)程操作。“只要水下能見度不是太低，就能手動(dòng)控制攝像頭和照明燈。”TECNALIA 纜索機(jī)器人團(tuán)隊(duì)的機(jī)械工程與控制工程師 Pierre-Elie Herve 補(bǔ)充道。操作人員可以點(diǎn)擊攝像頭畫面中感興趣的海底位置，機(jī)器人就會(huì)自動(dòng)靠近這些位置。機(jī)器人支架上的壓力傳感器可檢測(cè)潛水深度，慣性測(cè)量單元（IMU）可控制機(jī)器人在水中的位置。多普勒速度儀（DVL）通過四個(gè)聲納傳感器記錄移動(dòng)平臺(tái)與海底的距離及其相對(duì)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，用于在深度控制過程中補(bǔ)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。來自這些不同系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)都被整合到機(jī)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(jī)器人平臺(tái)可以精確接近并保持之前在深度圖（水深測(cè)量地形圖）上選定的位置，從而提高機(jī)器人的工作效率。“這種能力已經(jīng)在威尼斯瀉湖非常渾濁的水域中得到了充分彰顯。”Mariola Rodríguez 指出。
纜索機(jī)器人的控制和通信
水下電纜機(jī)器人共有 12 根軸（8 個(gè)絞盤和浮橋桅桿上的 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(jiān)測(cè)之外，系統(tǒng)（控制室、無線操控和絞盤）上的多個(gè)急停按鈕也可確保機(jī)器人安全運(yùn)行。相應(yīng)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(dòng)器通過 AX5805 TwinSAFE 驅(qū)動(dòng)器選項(xiàng)卡集成到安全應(yīng)用中。
另外四個(gè)配電模塊分散安裝在內(nèi)含 I/O 接口模塊和索力測(cè)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(píng)論道：“EtherCAT 技術(shù)的這一擴(kuò)展使得直流供電和 EtherCAT 實(shí)時(shí)通信能夠通過一根電纜實(shí)現(xiàn)。”
AX5118 伺服驅(qū)動(dòng)器控制纜索機(jī)器人的八個(gè)絞盤驅(qū)動(dòng)裝置以及底座托架的四根軸。
機(jī)器人平臺(tái)控制
操作人員通過操縱桿以及水下移動(dòng)平臺(tái)的估計(jì)位置和移動(dòng)平臺(tái)上的攝像頭控制纜索機(jī)器人。除了通過水下攝像頭進(jìn)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(cè)所有功能。
用于水下感知的攝像機(jī)系統(tǒng)主要實(shí)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(duì)較短），就可以點(diǎn)擊攝像頭畫面中的垃圾，纜索機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)就會(huì)自動(dòng)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(gè)位置，然后移動(dòng)平臺(tái)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(shí)別、鎖定和收集垃圾。“人工智能是實(shí)現(xiàn)這一切的基礎(chǔ)，它能夠識(shí)別海洋垃圾，并選擇最合適的清除裝置。”Pierre-Elie Herve 解釋道。
針對(duì)海底垃圾清理機(jī)器人平臺(tái)開發(fā)的軟件可以實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)器人的地理位置，這要?dú)w功于實(shí)時(shí)全球定位系統(tǒng)（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量或 RTK）和負(fù)責(zé)測(cè)量和報(bào)告位置或方向并同時(shí)監(jiān)測(cè)和控制絞盤的慣性測(cè)量裝置。此外，海底地形圖上會(huì)顯示機(jī)器人和垃圾位置。機(jī)器人既可以自主移動(dòng)，通過軟件確定“水中的運(yùn)動(dòng)軌跡”，也可以通過操縱桿手動(dòng)控制。機(jī)器人移動(dòng)時(shí)，攝像頭和聲學(xué)傳感器會(huì)掃描海底，測(cè)量深度（水深）并探測(cè)垃圾。這些數(shù)據(jù)都有地理坐標(biāo)，并在地形圖上實(shí)時(shí)顯示。
關(guān)于德國(guó)倍福
倍福（Beckhoff）是一家專注于自動(dòng)化新技術(shù)的德資企業(yè)，創(chuàng)立于 1980 年，總部位于德國(guó)威爾市。作為全球自動(dòng)化技術(shù)的驅(qū)動(dòng)者，倍福定義了自動(dòng)化領(lǐng)域的許多標(biāo)準(zhǔn)，是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定者和推動(dòng)者。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場(chǎng)總線模塊、驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品和 TwinCAT 自動(dòng)化軟件構(gòu)成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個(gè)工控領(lǐng)域提供開放式自動(dòng)化系統(tǒng)和完整的解決方案。經(jīng)過 40 年的發(fā)展和努力，倍福已在世界各地設(shè)立 30 多家分支機(jī)構(gòu)，加上全球的合作伙伴，業(yè)務(wù)遍及 70 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。
倍福于 1997 年進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，中國(guó)區(qū)總部落戶于上海市北高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)，現(xiàn)有員工 300 人，辦事處遍及國(guó)內(nèi) 30 座大中城市。創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、半導(dǎo)體、光伏太陽能、電子制造、金屬加工、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機(jī)械、物流輸送以及樓宇自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)于 2014 年成為中國(guó)國(guó)家推薦性標(biāo)準(zhǔn)，并已入編工信部的《國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》。作為一家技術(shù)驅(qū)動(dòng)型公司，倍福一直注重在技術(shù)上尋求突破創(chuàng)新，在業(yè)內(nèi)享有“創(chuàng)新引擎”的美譽(yù)。倍福基于 PC 的控制技術(shù)具有良好的開放性，它支持所有主流的工業(yè)通信協(xié)議，將 IT 技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化技術(shù)完美融合在一起，為實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
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