本發(fā)明屬于機(jī)器人，特別涉及一種浮游式水下垃圾機(jī)械抓取清掃機(jī)器人。

背景技術(shù)：

1、海洋垃圾，特別是海底垃圾，已經(jīng)成為全球環(huán)境污染的重大問題。隨著全球海洋污染問題的加劇，海底垃圾的積累已成為全球海洋生態(tài)環(huán)境中一個(gè)嚴(yán)重的污染源。海底垃圾的來源主要包括海洋漁業(yè)活動(dòng)、船舶污染、沿海居民生活垃圾、旅游業(yè)及其他人類活動(dòng)等。海底垃圾種類繁多，包括塑料袋、塑料瓶、漁網(wǎng)、廢棄木材、泡沫箱、金屬容器、玻璃瓶以及各種微小顆粒等。根據(jù)《2023年中國(guó)海洋生態(tài)狀況公報(bào)》，海底垃圾的污染程度越來越嚴(yán)重，海底垃圾的積聚密度在某些地區(qū)達(dá)到了每平方公里1201個(gè)，其中塑料類垃圾占比超過75%。這些垃圾在海底的沉積長(zhǎng)期存在，不僅影響水下生物的棲息地，也對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)作造成了干擾。海底垃圾長(zhǎng)期沉積，無法自然降解，嚴(yán)重影響海洋生物的生存環(huán)境，甚至通過食物鏈影響到人類的健康。尤其是塑料垃圾，長(zhǎng)期不被降解，嚴(yán)重污染水體，影響水生動(dòng)植物的生存。

2、目前，海底垃圾清理技術(shù)主要存在以下幾種方式：人工清理、機(jī)械清理和自動(dòng)化清掃系統(tǒng)。人工清理依賴潛水員直接下海，通過手動(dòng)方式撿拾垃圾。雖然這種方法適合于小范圍的清掃任務(wù)，但由于工作環(huán)境復(fù)雜，人工清掃不僅工作強(qiáng)度大，作業(yè)時(shí)間短，而且潛水員在深海作業(yè)時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)較高。此外，人工清掃無法應(yīng)對(duì)大面積和深水區(qū)的清掃任務(wù)。機(jī)械清理系統(tǒng)則利用水下機(jī)械手臂或自動(dòng)網(wǎng)兜等裝置收集垃圾，這類設(shè)備普遍用于較為簡(jiǎn)單的垃圾收集任務(wù)，缺乏應(yīng)對(duì)復(fù)雜水下環(huán)境的能力。機(jī)械化清掃設(shè)備在提升效率方面有所進(jìn)展，但現(xiàn)有技術(shù)中，大多數(shù)設(shè)備的垃圾收集裝置普遍存在體積小、收集能力不足等問題。尤其是在面對(duì)大體積或高密度垃圾時(shí)，傳統(tǒng)設(shè)備的收集效果差，效率低下?，F(xiàn)有的水下機(jī)器人通常采用機(jī)械手臂或網(wǎng)兜進(jìn)行垃圾收集，雖然能夠在一定程度上完成清掃任務(wù)，但由于機(jī)器人收集垃圾的裝置通常受到力量和精度的限制，無法應(yīng)對(duì)大規(guī)模和復(fù)雜環(huán)境下的清掃任務(wù)。

3、隨著科技發(fā)展，自動(dòng)化水下清掃裝備逐漸成為海底垃圾清理的研究熱點(diǎn)。當(dāng)前，一些國(guó)內(nèi)外企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)研發(fā)出了水下機(jī)器人用于海洋垃圾清理，如用于海面或海底垃圾收集的無人潛水器和自航水下機(jī)器人，具備一定垃圾識(shí)別和收集能力，但大多數(shù)設(shè)備仍存在諸如清掃效率不高、自動(dòng)化程度低和擾動(dòng)高等技術(shù)瓶頸?，F(xiàn)有技術(shù)中，垃圾收集裝置大多依賴簡(jiǎn)單的機(jī)械臂或網(wǎng)兜系統(tǒng)，導(dǎo)致垃圾清掃的效率低且收集能力受限。另外，海底作業(yè)中不可避免的水流擾動(dòng)也會(huì)影響垃圾清理的效果，尤其是在面對(duì)體積較大、密度較高的垃圾時(shí)，現(xiàn)有機(jī)器人往往無法完成高效收集。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種浮游式水下垃圾機(jī)械抓取清掃機(jī)器人，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題：1.垃圾收集能力弱、效率低；2.高擾動(dòng)作業(yè)，對(duì)生態(tài)環(huán)境的干擾大；3.裝備智能化不足、自動(dòng)化程度低。

2、為解決上述問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明實(shí)施例提供了一種浮游式水下垃圾機(jī)械抓取清掃機(jī)器人，包括主體框架（6），所述主體框架（6）頂部連接有浮力材料層（10），所述浮力材料層（10）開設(shè)有長(zhǎng)條形缺口，所述主體框架（6）頂部對(duì)應(yīng)該長(zhǎng)條形缺口的位置處設(shè)置有聲光電感知系統(tǒng)（1），所述主體框架（6）上設(shè)置有多個(gè)水下螺旋槳推進(jìn)器（2）；所述主體框架（6）內(nèi)設(shè)置有料倉（7），所述主體框架（6）前側(cè)設(shè)置有垃圾儲(chǔ)存盒（3），所述料倉（7）通過垃圾輸運(yùn)系統(tǒng)（5）與所述垃圾儲(chǔ)存盒（3）連接，所述主體框架（6）底部前端設(shè)置有2個(gè)機(jī)械臂（4）。

4、本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，所述機(jī)械臂（4）為多關(guān)節(jié)可伸縮機(jī)械抓取裝置，通過智能化傳感器系統(tǒng)和控制算法，每個(gè)機(jī)械臂（4）均可獨(dú)立伸縮、旋轉(zhuǎn)，并能夠自主調(diào)節(jié)角度和高度，也可以協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)的目標(biāo)垃圾的精準(zhǔn)抓取收集；采用的作業(yè)模式為：以兩條所述機(jī)械臂（4）各自獨(dú)立工作為主要作業(yè)模式；在遇到單條機(jī)械臂難以收集的垃圾目標(biāo)時(shí)，傳感器系統(tǒng)發(fā)出警告提示，此時(shí)由控制程序切換機(jī)器人的工作模式為協(xié)作模式，由兩條機(jī)械臂（4）協(xié)同作業(yè)，通過控制兩條機(jī)械臂的抓取角度和力度，共同完成對(duì)該目標(biāo)的抓取。

5、本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，所述機(jī)械臂（4）設(shè)置有肩部關(guān)節(jié)、肘部關(guān)節(jié)和腕部關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)都具有大范圍的偏轉(zhuǎn)、俯仰自由度以及足夠的伸縮行程，其中腕部關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)360°的連續(xù)回轉(zhuǎn)。

6、本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，所述垃圾儲(chǔ)存盒（3）為倒梯形網(wǎng)兜式結(jié)構(gòu)，用于暫時(shí)儲(chǔ)存由所述機(jī)械臂（4）收集到的海底垃圾；所述垃圾儲(chǔ)存盒（3）配備有質(zhì)量傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)盒中的垃圾量，并通過數(shù)據(jù)反饋判斷是否需要啟動(dòng)垃圾輸運(yùn)系統(tǒng)（5）。

7、本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，所述垃圾儲(chǔ)存盒（3）頂部設(shè)有彎折形擋板（11），既不妨礙機(jī)械臂（4）進(jìn)出垃圾儲(chǔ)存盒（3），也防止了已經(jīng)進(jìn)入所述垃圾儲(chǔ)存盒（3）中的垃圾隨水流逸出。

8、本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，所述料倉（7）為上下兩層結(jié)構(gòu)，所述料倉（7）上層配備有多排齒輪式破碎裝置（9），用于處理體積較大的垃圾；所述料倉（7）上下兩層之間設(shè)有可控隔板（8），當(dāng)破碎完成之前一直處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)破碎過程結(jié)束后，可控隔板（8）向下打開，垃圾碎片落入所述料倉（7）下層垃圾儲(chǔ)存層，所述料倉（7）下層垃圾儲(chǔ)存層用于存儲(chǔ)已經(jīng)處理的垃圾碎片；所述料倉（7）后側(cè)開有濾水網(wǎng)格，用于濾除儲(chǔ)存垃圾中多余的水，保證了整個(gè)輸運(yùn)-破碎-儲(chǔ)存工作通暢。

9、本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，所述料倉（7）下層垃圾儲(chǔ)存層安裝有容量傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控儲(chǔ)存的垃圾質(zhì)量和體積；當(dāng)儲(chǔ)存層可用容量所剩不多時(shí)或儲(chǔ)存層的垃圾質(zhì)量超過機(jī)器人額定功率所限定的載重量時(shí)，結(jié)束本次作業(yè)并返回母船。

10、本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，所述垃圾輸運(yùn)系統(tǒng)（5）由輸運(yùn)管道與水力抽吸裝置組成，每當(dāng)垃圾儲(chǔ)存盒（3）中的垃圾到達(dá)目標(biāo)質(zhì)量后，將自動(dòng)啟動(dòng)水力抽吸裝置，通過輸送管道從垃圾儲(chǔ)存盒（3）的背面將垃圾抽吸輸送至所述料倉（7）；輸送管道采用柔性材料，能夠適應(yīng)不同垃圾的形狀、體積變化，確保垃圾輸送過程的穩(wěn)定性和可靠性；在垃圾儲(chǔ)存盒（3）中的垃圾未到達(dá)目標(biāo)質(zhì)量時(shí)不工作，節(jié)省能源，也能防止與之關(guān)聯(lián)功能裝置之間的相互干擾；其中，水力抽吸裝置為水泵。

11、本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，多個(gè)水下螺旋槳推進(jìn)器（2）包括四個(gè)水平方向和四個(gè)豎直方向的電動(dòng)螺旋槳推進(jìn)器，在智能控制器的統(tǒng)籌下，根據(jù)傳感器的信號(hào)反饋，機(jī)器人能夠在海底附近精確、快速的沿著指定的路徑移動(dòng)，并有效避免了機(jī)器人的行進(jìn)裝置對(duì)海底生態(tài)系統(tǒng)的擾動(dòng)破壞。

12、本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，所述聲光電感知系統(tǒng)（1）包括探照燈、攝像頭和聲吶，通過探照燈和攝像頭的組合工作，可以得到清掃機(jī)器人的前方以及左右兩側(cè)實(shí)景的事實(shí)清晰觀測(cè)；同時(shí)，通過聲吶探測(cè)也能夠?qū)C(jī)器人的周圍環(huán)境進(jìn)行探測(cè)與感知。

13、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例提供一種浮游式水下垃圾機(jī)械抓取清掃機(jī)器人，具有以下有益效果：

14、（1）、機(jī)械式收集裝置的智能化工作模式：本發(fā)明中的清掃機(jī)器人的前端左右兩側(cè)配置有兩套多關(guān)節(jié)可伸縮機(jī)械收集裝置（機(jī)械臂），通過智能化傳感器系統(tǒng)和控制算法，每個(gè)機(jī)械手臂均可獨(dú)立伸縮、旋轉(zhuǎn)，并能夠自主調(diào)節(jié)角度和高度，也可以協(xié)同作業(yè)。在垃圾收集時(shí)采用如下作業(yè)模式：清掃機(jī)器人以兩條機(jī)械手臂各自獨(dú)立工作為主要作業(yè)模式，在遇到單條機(jī)械手臂無法收集的垃圾目標(biāo)時(shí)，傳感器系統(tǒng)發(fā)出警告提示，此時(shí)由控制程序切換工作模式為協(xié)作模式，由兩條機(jī)械手臂協(xié)同作業(yè)，通過控制兩條機(jī)械臂的抓取角度和力度，共同完成對(duì)該目標(biāo)的抓取。在該作業(yè)模式下，清掃機(jī)器人既能夠使用獨(dú)立工作模式獲得較高的垃圾收集效率，同時(shí)對(duì)于較難收集的垃圾目標(biāo)，也能夠通過協(xié)作模式完成抓取收集，兼顧了工作效率與收集能力，同時(shí)也極大提升了收集裝置對(duì)于不同種類垃圾的適應(yīng)性。

15、本發(fā)明中的清掃機(jī)器人采用的多自由度機(jī)械手臂收集系統(tǒng)，能夠結(jié)合識(shí)別系統(tǒng)對(duì)垃圾目標(biāo)類別與材質(zhì)的識(shí)別結(jié)果以及收集裝置的傳感器數(shù)據(jù)，優(yōu)化機(jī)械裝置的抓取力與抓取角度的分配策略，并決定收集裝置的工作模式（單獨(dú)/協(xié)作），使得機(jī)械手臂能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)垃圾抓取的穩(wěn)定與牢固，提高了機(jī)器人對(duì)垃圾的收集能力與效率。同時(shí)，每個(gè)機(jī)械手臂具備多自由度和足夠的伸縮行程，能夠在水下空間內(nèi)靈活操作，適應(yīng)不同角度、方向的垃圾抓取需求，極大提升了垃圾收集的效率和精度。

16、（2）全工作過程的多模塊聯(lián)動(dòng)與集成：本發(fā)明中的清掃機(jī)器人的工作全過程可概括如下：感知-行進(jìn)-收集-輸運(yùn)-破碎-儲(chǔ)存。其主要工作功能均采用模塊化運(yùn)行，每個(gè)模塊均可獨(dú)立工作，并與其他模塊協(xié)同配合，確保機(jī)器人在復(fù)雜水下環(huán)境中的高效運(yùn)行。本發(fā)明中的清掃機(jī)器人的上位機(jī)系統(tǒng)采用先進(jìn)智能算法，實(shí)時(shí)處理觀測(cè)數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)各個(gè)工作模塊進(jìn)行復(fù)雜決策和進(jìn)程控制，確保機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中工作的自主性和智能化。通過智能化控制程序，實(shí)現(xiàn)清掃機(jī)器人的工作全過程的智能化多模塊聯(lián)動(dòng)，各模塊之間相互配合又互不干擾，極大提高了機(jī)器人的工作效率，提升了裝備的自動(dòng)化程度。具體地體現(xiàn)在：

17、①感知系統(tǒng)通過處理觀測(cè)數(shù)據(jù)，得到機(jī)器人周圍環(huán)境中的垃圾的位置、類型和材質(zhì)的識(shí)別數(shù)據(jù)，用于在垃圾的收集、輸運(yùn)以及破碎等過程的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，主要包括：垃圾抓取過程中機(jī)械手臂和夾爪的力度、角度，垃圾輸運(yùn)過程中的水力大小以及垃圾破碎處理過程中的力度、時(shí)間等參數(shù)。這有利于提高垃圾的回收效率，減少設(shè)備故障率。

18、②水下推進(jìn)系統(tǒng)還可以與機(jī)械收集裝置配合工作，在機(jī)械手臂抓取垃圾的過程中提供抓取角度反方向的推力，使得機(jī)器人的垃圾收集能力得到了進(jìn)一步的提升，增加了海底垃圾的收集效率，保障收集過程中機(jī)器人的姿態(tài)穩(wěn)定與安全。

19、③通過環(huán)境感知與識(shí)別系統(tǒng)對(duì)周圍環(huán)境的測(cè)繪，可以為清掃機(jī)器人的水下行進(jìn)規(guī)劃路徑，通過上位機(jī)的路徑跟蹤控制與機(jī)器人的螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)的配合工作，清掃機(jī)器人能夠在復(fù)雜海底環(huán)境中靈活躲避障礙，并準(zhǔn)確快速地沿指定路徑移動(dòng)到垃圾所在區(qū)域。

20、④清掃機(jī)器人收集到的垃圾在儲(chǔ)存盒中積累到一定質(zhì)量后，垃圾輸運(yùn)模塊將啟動(dòng)，水泵開始工作。此時(shí)，垃圾的機(jī)械收集系統(tǒng)、垃圾破碎系統(tǒng)等模塊均應(yīng)停止工作，以防止“上下游”工作模塊之間的工作過程相互干擾。待輸運(yùn)過程結(jié)束后，破碎機(jī)構(gòu)將開始工作，將輸運(yùn)過程帶來的垃圾進(jìn)行破碎，機(jī)械臂也將開始工作，繼續(xù)收集海底垃圾。

21、⑤在垃圾破碎處理過程結(jié)束后，通過控制系統(tǒng)將料倉的可控隔板打開，并通過振動(dòng)等方式使得破碎處理產(chǎn)生的碎片掉落到下方的料倉儲(chǔ)存區(qū)域。待垃圾碎片完全掉落后，可控隔板關(guān)閉，輸運(yùn)過程則重新進(jìn)入“可工作狀態(tài)”，即其等待儲(chǔ)存盒中的垃圾質(zhì)量到達(dá)目標(biāo)后繼續(xù)工作。

22、⑥根據(jù)環(huán)境感知與識(shí)別系統(tǒng)的觀測(cè)結(jié)果，以周圍環(huán)境中海底垃圾的分布疏密來判定清掃機(jī)器人“停駐工作”與“行進(jìn)工作”兩種工作模式的切換。當(dāng)路徑上某一點(diǎn)附近的垃圾數(shù)量多、質(zhì)量大、形狀不規(guī)則，清掃機(jī)器人采用“停駐工作”模式，即機(jī)器人在一定時(shí)間內(nèi)停留在一個(gè)固定位置，直至對(duì)該位置附近的垃圾收集完畢。在該模式下水下推進(jìn)系統(tǒng)保持工作，實(shí)現(xiàn)“動(dòng)力定位”與姿態(tài)保持功能。當(dāng)路徑上某一點(diǎn)附近的垃圾數(shù)量少、質(zhì)量小、形狀規(guī)則，清掃機(jī)器人采用“行進(jìn)工作”模式，即機(jī)器人的移動(dòng)過程與其他工作模塊同時(shí)進(jìn)行。通過兩種工作模式的切換，實(shí)現(xiàn)了清掃機(jī)器人對(duì)于環(huán)境中垃圾分布隨機(jī)性的自適應(yīng)能力，極大地提高了機(jī)器人垃圾回收的整體效率。