一種新型水下網(wǎng)箱清洗機(jī)器人的設(shè)計探索

房 熊

（1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院 漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遠(yuǎn)洋漁船與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；3.海洋國家實(shí)驗(yàn)室深藍(lán)漁業(yè)工程裝備技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，山東青島266237）

0 引言

中國是漁業(yè)消費(fèi)大國同時也是世界水產(chǎn)養(yǎng)殖大國，截至2016 年，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖總產(chǎn)量已達(dá)5 200萬噸。與2015年相比，總量增長約4.87%，并且我國水產(chǎn)養(yǎng)殖總量占世界水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量的46.89%。據(jù)統(tǒng)計，中國人均水產(chǎn)品占有量為38.41 kg，其數(shù)值超過世界人均占有量的1倍[1]。豐富水產(chǎn)品資源為中國人民提供了約1/3的動物蛋白來源，并且在各地方形成了不少優(yōu)良傳統(tǒng)以及多姿多彩的民俗民風(fēng)。以水產(chǎn)養(yǎng)殖為主體的水產(chǎn)業(yè)在確保我國食物安全、豐富居民“菜籃子”、改善居民食品質(zhì)量等方面都作出了突出貢獻(xiàn)[2-3]。

網(wǎng)箱養(yǎng)殖是水產(chǎn)養(yǎng)殖生態(tài)學(xué)的最重要的組成部分，同時網(wǎng)箱養(yǎng)殖也是生態(tài)學(xué)、微生物學(xué)、環(huán)境科學(xué)等多學(xué)科交叉領(lǐng)域的應(yīng)用研究對象。網(wǎng)箱養(yǎng)殖是一個自循環(huán)的封閉生態(tài)鏈，其中最主要的關(guān)系是網(wǎng)箱養(yǎng)殖的魚類、養(yǎng)殖活動與養(yǎng)殖水體環(huán)境等相互影響，共生共存的緊密關(guān)系[4-5]。一個成功的網(wǎng)箱養(yǎng)殖必須根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境狀況特征為養(yǎng)殖戶提供因地適宜的養(yǎng)殖海域以及完善的網(wǎng)箱養(yǎng)殖配套裝備和服務(wù)。現(xiàn)代的網(wǎng)箱養(yǎng)殖包含多種項(xiàng)目，主要包括網(wǎng)箱養(yǎng)殖水體環(huán)境管理、養(yǎng)殖容量評估和深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖等。其目標(biāo)是為網(wǎng)箱養(yǎng)殖活動的健康、可持續(xù)發(fā)展（即保護(hù)養(yǎng)殖區(qū)生態(tài)環(huán)境、合理利用資源和提高經(jīng)濟(jì)效益）奠定基礎(chǔ)[6]。

1 現(xiàn)有網(wǎng)箱養(yǎng)殖存在的問題分析

1.1 網(wǎng)箱養(yǎng)殖的清理問題

網(wǎng)箱養(yǎng)殖時網(wǎng)片上常受到海洋浮游動植物的攀附及滋生，微生附著物不但影響網(wǎng)箱內(nèi)外水體交換而且增加了網(wǎng)箱外部水流對網(wǎng)箱的壓力從而導(dǎo)致網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)受損，更嚴(yán)重的是如果被牡蠣等硬殼貝類附著的話將導(dǎo)致網(wǎng)衣增重急劇增加從而根本上破壞了網(wǎng)箱的網(wǎng)片，可能產(chǎn)生魚類出逃的重大事故[9]。因此網(wǎng)箱養(yǎng)殖的重點(diǎn)在于必須保證養(yǎng)殖網(wǎng)箱網(wǎng)衣的清潔以確保網(wǎng)箱內(nèi)養(yǎng)殖區(qū)域海水與外界海水的自然流動性，從而保證使得養(yǎng)殖區(qū)域內(nèi)的魚類處于最佳的生活環(huán)境。目前在我國內(nèi)常用的大型網(wǎng)箱類型主要為重力式全浮網(wǎng)箱和浮繩式網(wǎng)箱等，但這兩大類的網(wǎng)箱都是屬于靜態(tài)式網(wǎng)箱他們都有一些共同的缺點(diǎn)，比如：抗赤潮能力差、對近海污染較為嚴(yán)重、無法規(guī)?；图泄芾?、清洗難度大等[10-12]。

近年來，國內(nèi)的各大企業(yè)和科研院所針對網(wǎng)箱存在的問題做了一些科研攻關(guān)，特別是針對最為突出的網(wǎng)箱日常防污做了大量的工作，但到目前為止現(xiàn)階段我們采取的主要方法分別是：

1）采用定期更換清洗網(wǎng)衣，該方法是通過潛水員到水下采用人工手動的操作方式進(jìn)行網(wǎng)衣更換和清潔，但清理效果不佳，并且極易導(dǎo)致養(yǎng)殖魚類產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)使得其相互撞擊從而導(dǎo)致魚體外表損傷，其他微生物病蟲害侵入魚體等。

2）在網(wǎng)衣表面上涂一層防生物附著涂料，這種防生物涂層材料具有極低的黏度并且擁有較強(qiáng)表面張力等物理特性可以快速的滲透網(wǎng)衣包裹網(wǎng)絲，此外涂層還具有固含量低的物理特點(diǎn)，加入成型塑化劑后可以使網(wǎng)衣表面成膜物的厚度非常薄，這樣涂層對網(wǎng)衣的載荷壓力就很小且在海水中有著較高的減阻性，通過使用新型的防生物附著涂層可以大幅提高網(wǎng)衣的防污能力，明顯減少網(wǎng)衣上貝殼類和藻類等海生物的附著。在早期的防生物附著技術(shù)中曾經(jīng)采用過將有機(jī)金屬編制成型添加到網(wǎng)衣中的方法但其具有一個非常嚴(yán)重的后果就是隨著時間的推移重金屬離子會擴(kuò)散到海水中對養(yǎng)殖區(qū)域和整個海洋環(huán)境造成嚴(yán)重污染。但新型防生物附著涂層主要還是要依靠進(jìn)口，目前相關(guān)的技術(shù)在國內(nèi)還處于試驗(yàn)研制階段并不成熟，并且進(jìn)口的防生物涂層價格極其昂貴，普通的大多數(shù)養(yǎng)殖戶根本沒有能力接受[13-14]。

3）目前大多數(shù)養(yǎng)殖戶采用最為廣泛的方式是依靠潛水員攜帶高壓水槍定期潛入水中在水下對網(wǎng)衣進(jìn)行清污，但這種方式養(yǎng)殖戶必須找經(jīng)過相關(guān)培訓(xùn)的專業(yè)人員進(jìn)行操作，目前這樣的專業(yè)人員國內(nèi)屈指可數(shù)，對于養(yǎng)殖戶來講時間和金錢的投入成本過大[15]。

因此近年來網(wǎng)衣的清洗成了網(wǎng)箱養(yǎng)殖行業(yè)的突出行業(yè)性焦點(diǎn)問題，除了加快研究網(wǎng)衣的防生物涂層技術(shù)攻關(guān)外以及網(wǎng)衣自身材料的防污技術(shù)外，現(xiàn)階段找出一種有效可行的水下網(wǎng)箱清洗機(jī)械設(shè)備不失為一種解決問題的重要渠道。

2 新型水下網(wǎng)箱清洗機(jī)器人的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成及設(shè)計特征

新型水下機(jī)器人的主要分為2 個系統(tǒng)，一個是水下機(jī)器人本體，該部分主要負(fù)責(zé)水下網(wǎng)箱的清洗；還有一個是岸上控制及動力源系統(tǒng)，該系統(tǒng)負(fù)責(zé)操控水下機(jī)器人的人各項(xiàng)動作功能以及為機(jī)器人提供動力源。其工作原理是將高壓水泵搭載在水下移動平臺上，通過驅(qū)動機(jī)器人的四個輪子進(jìn)行方向上的移動，從而使得清洗機(jī)器人到達(dá)所需清理的位置，通過岸上輸入的高壓水流并經(jīng)過機(jī)器人底部的清理轉(zhuǎn)盤從而將網(wǎng)衣上附著的浮游生物、藻類等清理干凈。在控制方面，新型水下機(jī)器人采用模塊化設(shè)計理念，各種控制器單元集成在一塊水下PLC控制面板中并加以密封保護(hù)，并且通過優(yōu)化設(shè)計和處理最大限度的保證了控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，為機(jī)器人在水下進(jìn)行清理操作提供保證。此新型水下網(wǎng)箱清洗機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)可靠、操作方便、控制到位等特點(diǎn)，能夠很好地解決目前養(yǎng)殖行業(yè)網(wǎng)箱清理的行業(yè)難題。水下機(jī)器人外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水下機(jī)器人外形結(jié)構(gòu)

2.2 動力計算設(shè)定

新型水下網(wǎng)箱清洗機(jī)器人在水下要完成清理的工作需要能夠做出各種機(jī)械動作，都是基于整個清洗機(jī)器人在水下是一個平衡的狀態(tài)，為了滿足該平衡狀態(tài)就需要主螺旋槳提供穩(wěn)定且均衡的下壓力使得機(jī)器人能夠緊緊貼合在網(wǎng)衣上，因此主螺旋槳的動力設(shè)計是非常關(guān)鍵的，作為漁業(yè)水下機(jī)器人非常重要的核心部件為整個水下機(jī)器人提供下壓力。根據(jù)漁業(yè)水下機(jī)器人的作業(yè)需求、運(yùn)動性能要求和低成本、民用化的經(jīng)濟(jì)型目標(biāo)，采用單體單發(fā)方案，即垂直面內(nèi)單螺旋槳布置。根據(jù)水下機(jī)器人的預(yù)計總質(zhì)量可計算主螺旋槳的預(yù)計功率，再根據(jù)布置方式確定螺旋槳選型[16-17]。

式中：Rt機(jī)器人的阻力，N；Ct為機(jī)器人總阻力系數(shù)，一般取3.5×103～4.9×103；ρ為流體質(zhì)量密度，kg/m3；v為運(yùn)動速度，m/s，S為機(jī)器人本體的濕表面面積，m2。

影響水下總阻力的主要因素有機(jī)器人的形體、表面粗糙度以及外接設(shè)備的形狀等。其中，機(jī)器人的本體阻力是水下機(jī)器人所受阻力的最主要部分，包括摩擦阻力Rf

當(dāng)水下機(jī)器人在水中深度大于機(jī)器人本體長度1/3時，則可以不計興波阻力。本文中由于水下機(jī)器人需完全在水下進(jìn)行清理工作，其在水下的深度遠(yuǎn)超機(jī)器人本身的長度，因此在阻力計算中興波阻力完全不需要考慮[18-19]。閱相關(guān)資料并綜合考慮后，采用相關(guān)系數(shù)。根據(jù)水下機(jī)器人的大小尺寸，其本體全面積約為1.68 m2，預(yù)設(shè)對抗海水水流速度約為v＝0.6 m/s，為了使得水下機(jī)器人能夠有足夠的下壓力停留在網(wǎng)衣表面上，設(shè)計中預(yù)留來了安全系數(shù)。安全系數(shù)取值為1.4，得到克服阻力所需的力為Rt=4 500 N，主螺旋槳所需最小功率P＝211 W。

2.3 RO V 運(yùn)動方程

水下機(jī)器人在水下運(yùn)動時可以看做為一個整體的剛體，在剛體運(yùn)動學(xué)理論中，每個運(yùn)動的剛體在空間上都有6個自由度，其對應(yīng)的有6個運(yùn)動方程式，具體如式（4）[20]

式中：為了簡化設(shè)計，把運(yùn)動坐標(biāo)系的原點(diǎn)0與水下機(jī)器人的重心重合，于是線性運(yùn)動方程和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動方程可以大大簡化為

2.4 水下平衡分析

作為水下清洗機(jī)器人，其最重要的一個設(shè)計關(guān)鍵點(diǎn)即如何使得機(jī)器人在水下清理網(wǎng)箱的時候能夠保持平衡，不但在水平狀態(tài)下能保持平衡而且在豎直狀態(tài)下也能保持平衡，且使得清洗機(jī)器人緊貼住網(wǎng)箱的網(wǎng)衣。為此專門進(jìn)行了清洗機(jī)器人的水下力學(xué)分析并且優(yōu)化力學(xué)設(shè)計。通過創(chuàng)新性的設(shè)計，利用螺旋槳產(chǎn)生的推力去克服水流噴射反力的水平分力即F5＞F3，螺旋槳產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力去平衡清洗圓盤的旋轉(zhuǎn)力即F2＝F4，這樣清洗機(jī)器人在水下工作時，水平方向和垂直方向2 個坐標(biāo)系都處于平衡狀態(tài)，則清洗機(jī)器人達(dá)到一種相對平衡靜止?fàn)顟B(tài)，因此無論是網(wǎng)箱的底部還是網(wǎng)箱側(cè)壁位置，清洗機(jī)器人均能夠牢牢貼附網(wǎng)衣進(jìn)行工作，如圖2所示[21]。

圖2 水下力學(xué)平衡分析

3 結(jié)論

本文針對近年來網(wǎng)箱養(yǎng)殖行業(yè)中突出的網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗問題進(jìn)行研究并創(chuàng)新地設(shè)計了一種新型水下網(wǎng)箱清洗機(jī)器人，并依托網(wǎng)箱養(yǎng)殖行業(yè)現(xiàn)有條件，利用模塊化集成化理念思路進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化，通過創(chuàng)新性的設(shè)計將機(jī)器人在水下的力進(jìn)行平衡和約束使得清洗機(jī)器人能夠很好的貼合網(wǎng)衣，且無論是水平狀態(tài)還是豎直狀態(tài)下均可近距離對網(wǎng)衣進(jìn)行清理。引入高壓水流對通過機(jī)器人底部的旋轉(zhuǎn)盤向四周流射并將網(wǎng)衣上的附著物進(jìn)行清理，不但能將網(wǎng)衣清理干凈，還不損傷網(wǎng)衣。

通過創(chuàng)新性的設(shè)計，水下清洗機(jī)器人采用4個獨(dú)立驅(qū)動的輪子作為驅(qū)動方式，可在水下很好地進(jìn)行各個方向上的移動，此外該水下清洗機(jī)器人的前置高清攝像裝備可以觀察和記錄整個過程，大大方便了岸上工作人員進(jìn)行操作，極大地節(jié)省了人工成本，提高了工作效率。直觀可視的操作界面滿足了各種網(wǎng)箱養(yǎng)殖戶的需求，且該新型水下網(wǎng)箱清洗機(jī)器人的研制為大規(guī)模網(wǎng)箱養(yǎng)殖行業(yè)以及深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱養(yǎng)殖行業(yè)的發(fā)展提供了可靠的技術(shù)支撐。