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Beckhoff New Automation Technology

Alrededor del 70 % de los residuos de las aguas se hunden en el fondo de los océanos o se descomponen en microplásticos y nanoplásticos, que acumulan en total cerca de 10 millones de toneladas. A partir de un sistema basado en IA, el proyecto de investigación MAELSTROM desarrolló un robot autónomo para aguas de hasta 20 metros de profundidad que identifica y recoge objetos de forma selectiva. El sistema, que está automatizado con el control basado en PC, superó su prueba de funcionamiento en los canales de Venecia en septiembre de 2022.

Si se quiere evitar que la basura envenene los frágiles ecosistemas submarinos o que los microplásticos y nanoplásticos entren en nuestro organismo a través de las cadenas alimentarias, hay que impedir que se sigan contaminando las masas de agua y recoger la basura que ya está bajo el agua. Esto es precisamente lo que pretende el proyecto MAELSTROM, en el marco del programa europeo Horizonte 2020: desarrollar e integrar tecnologías para identificar, retirar, clasificar y convertir todo tipo de desechos marinos en materias primas. Para ello, un equipo internacional de investigación con representantes de TECNALIA (España), CNRS-LIRMM (Francia) y Servizi Tecnici (Italia), ha desarrollado una «plataforma robótica de limpieza de fondos marinos». Su componente principal es un robot submarino equipado con una pinza y un dispositivo de succión que se mueve con flexibilidad en seis grados de libertad con ayuda de ocho cabrestantes.

Mediante sensores y cámaras, el robot detecta la basura del fondo marino, se coloca automáticamente sobre ella y puede levantar objetos de hasta 130 kg (bicicletas, neumáticos, cajas y redes). Las piezas más pequeñas o de plástico que flotan en el agua se recogen por succión. «Como operamos desde la superficie y activamos las pinzas o ventosas solo cuando es necesario, conseguimos una alta selectividad y así minimizamos el impacto en el ecosistema del fondo marino», explica Mariola Rodríguez, responsable del proyecto MAELSTROM en TECNALIA.

Los cabrestantes de posicionamiento se controlan sincronizadamente mediante servoaccionamientos AX5118 de y servomotores AM8071 de Beckhoff. «Para garantizar un posicionamiento robusto, preciso y rápido, optamos por servomotores síncronos sin escobillas», señala Jose Gorrotxategi, ingeniero electrónico del equipo de robótica por cable de TECNALIA. Otra ventaja es la tecnología de cable único (OCT) de los accionamientos, que reduce el esfuerzo de cableado y los requisitos de espacio en los cabrestantes. Los cables de acero de los cabrestantes permiten colocar con precisión el armazón del robot bajo el agua y mantenerlo en su sitio con gran estabilidad, a pesar de las corrientes, que pueden ser ocasionalmente intensas. Los codificadores de los ejes del motor detectan la posición angular y las revoluciones de los tambores de cable, lo que les permite determinar de forma indirecta la longitud del cable enrollado.

Los frenos electromagnéticos y el control de la tensión de los cables mediante sensores de fuerza garantizan la seguridad necesaria. Si los valores medidos están fuera del rango admisible, el robot de cable se detiene inmediatamente y emite un mensaje de error.

Grupos de sensores por encima y por debajo del agua

Con fines de control y supervisión, el armazón del robot submarino de cable contiene varios sensores y cámaras de funcionamiento manual, automático y remoto. «Las cámaras y las luces permiten el control manual siempre que la visibilidad bajo el agua no sea demasiado baja», añade Pierre-Elie Herve, ingeniero mecánico y de control del equipo de robótica por cable de TECNALIA. El operador puede hacer clic en lugares interesantes del fondo marino en la imagen de la cámara, a los que el robot se acerca de forma autónoma. Un sensor de presión situado en la estructura del robot detecta la profundidad de inmersión, y una unidad de medición inercial (IMU) regula su posición en el agua. La distancia de la plataforma móvil al fondo marino y su velocidad relativa respecto a él se registran mediante un registro de velocidad Doppler (DVL), a través de cuatro sensores de sonar. 

Otros sensores se encuentran en el pontón, en la superficie del agua; entre ellos se incluye un sensor de presión para compensar los cambios de presión atmosférica durante el control de profundidad. Dos unidades cinemáticas de GPS de tiempo real determinan la posición y la orientación vertical de la barcaza en tiempo real. Todos los datos procedentes de estos distintos sistemas se incorporan al control y la regulación de la posición del robot. A partir de estos valores, la plataforma robótica puede ejecutar diversas tareas, como acercarse con precisión a las posiciones previamente seleccionadas en los mapas de profundidad (mapa batimétrico) y mantenerlas, lo que agiliza el trabajo del robot. «Esta capacidad ha demostrado ser una característica clave en las aguas muy turbias de la laguna de Venecia», señala Mariola Rodríguez.

Control y comunicación del robot de cable

Con un total de doce ejes (ocho cabrestantes y cuatro correderas desplazables verticalmente en los mástiles de los pontones), el robot de cable submarino se controla mediante TwinCAT 3, instalado en un PC industrial con armario de control C6650. Se instala en el armario de control principal, que se encuentra en una sala de control. Además de la supervisión de la fuerza del cable, varios botones de parada de emergencia en todo el sistema (sala de control, radiocontrol y cabrestantes) garantizan un funcionamiento seguro. La lógica de seguridad correspondiente se ejecuta mediante un terminal EtherCAT EL6910 con lógica TwinSAFE. Los servoaccionamientos con frenos integrados se incorporan en la aplicación de seguridad mediante tarjetas opcionales de accionamiento AX5805 TwinSAFE.

Otras cuatro cajas de distribución, montadas de manera descentralizada en los cabrestantes de cable, contienen los módulos de interfaz de E/S y la electrónica para la medición de la fuerza del cable. La conexión entre el armario de control y las cajas de distribución se establece a través de Ethercat P. Según Jose Gorrotxategi, «esta ampliación de la tecnología EtherCAT permite transmitir con un solo cable tanto la alimentación de CC como la comunicación en tiempo real EtherCAT».

Control de la plataforma robótica

El control del robot de cable por joystick permite al operador utilizar la posición estimada de la plataforma móvil subacuática y las cámaras situadas en la plataforma móvil. Mediante la interfaz HMI, el operador puede seleccionar los distintos modos de control y supervisar todas las funciones según los valores de los sensores, además de efectuar un control visual mediante las cámaras submarinas.

El sistema de cámaras para la percepción subacuática posibilita, principalmente, el servocontrol visual: en cuanto el operador ve restos marinos (a una distancia relativamente corta de la cámara debido a la turbidez del agua), puede hacer clic sobre ellos en la imagen de la cámara para que la plataforma móvil del robot de cable se acerque automáticamente a ellos.

También hay un mapa de profundidad creado con el sistema DVL y las cámaras integrado en la HMI. El operador puede seleccionar cualquier punto de esta imagen para que la plataforma móvil se dirija a él. Además del funcionamiento manual, la plataforma también puede identificar residuos, dirigirse a ellos y recogerlos. «Esta función se basa en la inteligencia artificial, que es capaz de identificar la basura marina y seleccionar el dispositivo de retirada más adecuado», especifica Pierre-Elie Herve.

El software desarrollado para la plataforma robótica de limpieza del fondo marino calcula en tiempo real la posición geográfica del robot gracias al GPS de tiempo real (RTK o «cinemática en tiempo real») y a los dispositivos de medición inercial, que miden e informan de la posición u orientación al tiempo que supervisan y controlan los cabrestantes. Además, la posición del robot se visualiza en el mapa del fondo marino, que también muestra la posición de los residuos. El robot puede desplazarse en modo automático, en el que el software determina la «trayectoria en el agua», o en modo manual, controlado mediante un joystick. Mientras el robot se desplaza, una cámara combinada con un sensor acústico escanea el fondo marino para medir la profundidad (batimetría) y detectar los residuos. Estos datos se georreferencian y se superponen en el mapa en tiempo real.

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