一種新型深海網箱網衣清洗機器人設計

莊集超，龐洪臣-4，劉子浪，張德立，江佳濤

?

一種新型深海網箱網衣清洗機器人設計

莊集超1，龐洪臣1-4，劉子浪1，張德立1，江佳濤1

（1.廣東海洋大學 機械與動力工程學院，廣東 湛江 524088；2.山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255000；3.濟寧高新區創業中心，山東 濟寧 272023；4.山東水泊焊割設備制造有限公司，山東 濟寧 272023）

網衣是深海網箱養殖裝備的重要組成部分，其上若存有附著物將嚴重影響水體交換且易使網箱結構受損。為解決前述問題筆者設計了一種新型深海網箱網衣清洗機器人，擬以歧管式噴盤配以高壓旋轉水射流作為清洗動力源，采用雙浮筒調整水下潛浮姿態以及螺旋推進器實現機器人的直行、轉彎等運動，并對射流噴嘴的關鍵技術參數進行了理論分析。

深海網箱；機器人；高壓射流；歧管式噴盤

國外大部分網衣清洗機主要以高壓水清洗為主[1]。國內由于較晚引進大型深海網箱，對網衣清洗配套設備研究不多[2]，但隨著中國深海網箱廣泛應用，網衣附著物清洗在深海域養殖過程中成為一個亟待解決的問題[3]。網衣長時間得不到有效清洗，會導致網孔附著大量藻類、貝類附著物，阻礙網箱水體交換，造成養殖魚類質量降低，定期處理網衣上附著物還可避免因過多附著物而增加網箱重量。目前，國內網衣清洗方式有定期換網法、人工清洗法、上提下沉法、生物清除法和機械清洗法等[4]，存在清洗周期長、清潔度低、清洗成本高、效率低等缺點[5]。筆者設計的新型網衣清洗機器人擬利用高壓旋轉水射流對網衣附著物進行沖洗，該設計對以后同類設備研究具有良好的借鑒意義。

1 深海網箱網衣清洗機器人方案

1.1 清洗方案選擇

人工清洗與陽光曝曬都屬于較傳統清洗方法，要求工人長時間作業或者需要工人潛水清洗，藥物清洗極大可能對養殖魚類造成一定危害。宋協法等人[6]采用橡膠硬質毛刷結合高壓水清洗方式，研制出清洗設備，該設備使用性能較差、智能化程度低，必須配備潛水員進行水下作業，且易對網衣造成一定損壞。據此，本文擬利用高壓旋轉水射流對網衣進行清洗，工作時噴盤與網衣之間未有直接接觸，兩者之間存有5 mm水隙，但其具有瞬時打擊力強，清洗面積大等優勢，應用前景良好。

1.2 沉浮方案選擇

目前大部分小型或微型水下機器人使用螺旋槳來實現沉浮、橫搖、縱傾這三個自由度控制[7]。其缺點是：靠螺旋槳一直運轉來平衡重力與浮力的合力矩功耗大；水下機器人工作環境復雜，受力情況無法用公式計算準確反映，靠螺旋槳的推力平衡合力矩十分困難[8]。壓縮空氣變體積沉浮方案，一般用于大型潛水器。其優點是設備震動小、噪音低、功耗小，適合長時間在水下工作[9]。

1.3 機器人整體結構設計

深海網箱網衣清洗機器人整體結構如圖1所示，該機器人主要由潛浮及姿態控制裝置、歧管式噴盤、高壓清洗系統、螺旋推進裝置、圖像GSM模塊監控系統、水下照明裝置、控制倉、分流器、機架等組成。工作母船將高壓水經高壓膠管導流至設備底部噴盤，噴盤通過自身結構噴射出高壓旋轉水射流沖洗網衣。根據監控系統經電纜傳輸的水下清洗狀況及時調整潛浮及姿態控制裝置和螺旋推進裝置，從而改變機器人清洗軌跡和清洗姿態，以達到最佳清洗效果。清洗工作完成后，通過工作母船上小型起重機將該機器人回收。

1.水下攝像頭 2.螺旋推進器 3.水下強光燈 4.歧管式噴盤 5.單向氣嘴 6.機架 7.浮筒 8.低速推進器9.壓力傳感器 10.緊固件

2 關鍵機構設計

2.1.1 歧管式噴盤結構設計

本文的歧管式噴盤的結構如圖2所示，噴盤通過緊固件固定在機架底部，利用分流至歧管15高壓水經噴嘴2從45°傾斜的前擋板12射流孔射出，在作用力下前擋板12將做旋轉運動，由于前擋板12與導流管13相對靜止，從而使高壓水旋轉噴射，形成高壓旋轉水射流。

套筒7與后蓋4通過螺釘固定，軸套11對角接觸軸承6起軸向定位作用，通過螺帽8與后蓋4之間的斯特封9、O型密封圈和密封壓塊10保證二者的密封性，避免軸承因海水浸泡而腐蝕，影響清洗工作。4個噴孔在圓周方向以90°間隔均勻分布在前擋板上，工作時產生的射流反沖力由背向推進器消除。

2.1.2 設計過程水動力學計算

在計算時以一個噴盤為例，假設：海水為理想液體（＝1.03 g/cm3），該機器人的工作深度為15 m，高壓膠管總長為20 m，直徑為20 mm，在膠管入水口和歧管出水口兩個斷面，根據伯努利方程可知：

1.O型密封圈 2.噴嘴 3.彎頭 4.后蓋 5.螺釘 6.角接觸軸承7.套筒 8.螺帽9.斯特封 10.壓塊 11.軸套12.前擋板 13.導流管 14.螺母 15.歧管

根據連續方程可知：

由上述兩式可得噴嘴壓力為：

式中：為工作深度，m；為噴嘴出口直徑，mm。

在噴嘴出口與入口之間的兩個斷面（忽略高度差），根據伯努利方程可知：

根據連續方程可知：

聯立式（4）、式（5）可得：

化簡得：

聯立式（5）、式（7）得到噴嘴直徑為：

2.2.1 浮筒結構設計

浮筒結構如圖3所示，浮筒內雙軸步進電機兩端分別連接電控牙嵌式離合器，再通過圓柱齒輪傳動，帶動梯形絲桿轉動，使兩端活塞能夠可控地分別或者同時做往復運動，進而改變平臺重心、浮心位置以及浮力大小。兩浮筒兩端活塞同時壓縮或擴張同樣的體積，則可以設備保持重心、浮心位置不變，浮力大小改變，使平臺穩定上浮或下潛。一個浮筒兩端活塞壓縮體積，另一個浮筒擴張同樣的體積，則可以保持重力、浮力大小不變，同時，浮心位置沿軸反方向位移，產生無法平衡的力矩，使平臺橫搖。兩浮筒一端活塞向內運動，另一端活塞向外運動，兩端的運動量保持一致，則重力、浮力大小不變。同理，平臺縱傾。

圖3 浮筒結構示意圖

2.2.2 設計過程壓強計算

在計算時以一個浮筒為例，假設：海水為理想液體（＝1.03 g/cm3），該機器人的工作深度為15 m，最大的帶負載能力40 kg。活塞都處于處時設備重力、浮力大小相等，設備從水面放入并開始下潛，如圖4所示。

圖4活塞行程示意圖

活塞可以運動的距離0＝150 mm

環境壓力為：

由理想氣體狀態方程得：

取、、三個位置工作水深的環境壓力，可算出活塞處于不同位置時的浮筒內壓，計算得、、不同位置的浮筒內部體積如表1所示，由此可知下水前若活塞處于位置內壓取最大值為4.94×105Pa。

表1不同位置的浮筒參數

位置浮筒內壓/Pa內部體積/L A3.4×10576.8 B4×10564.8 C4.94×10552.8

3 結論

本文在綜合考慮深海網箱網衣清洗工況需求基礎上，以提高其清洗能力、清洗效率以及降低姿態控制難度為設計目標，清洗機器人采用了實用性和可靠性較高的高壓旋轉水射流清洗方案和壓縮空氣變體積式姿態沉浮控制方案，對其關鍵運行機構進行了設計，并闡述了該機構的運行機理。但深海網箱網衣清洗機器人的具體尺寸結構、制作成本以及動態分析仍需要根據實際使用需求作進一步的研究，該設備對于后續的同類產品的研發具有良好的借鑒意義。

[1]張小明，郭根喜，陶啟友，等. 歧管式高壓射流水下洗網機的設計[J].南方水產，2010（3）：46-51.

[2]郭根喜，陶啟友. 我國深水網箱養殖技術及發展展望（下）[J]. 科學養魚，2004（9）：10-11.

[3]景發岐. 深海網箱養殖發展現狀[J]. 水產科技，2010（3）：9-11.

[4]張小明，郭根喜，陶啟友，黃小華，胡昱. 高壓水射流水下洗網機旋轉射流打擊力計算[J]. 漁業現代化，2010（1）：25-28.

[5]劉庭成，程駿. 高壓水射流清洗機的參數分析[J]. 洗凈技術，2004（9）：9-11.

[6]宋協法，賈瑞，馬玉霞. 渦旋水流式網箱清洗設備的設計與實驗[J]. 中國海洋大學學報（自然科學版），2006（5）：733-738.

[7]馬金明. 超小型水下機器人沉浮系統設計及其控制研究[D]. 上海：上海大學，2005.

[8]翟宇毅，劉亮，龔振邦. 超小型水下機器人的發展現狀及若干問題探討[J]. 機床與液壓，2005（2）：1-4.

[9]陳建平. 我國潛水器發展狀況及存在的問題[J]. 機器人技術與應用，1999（2）：7-9.

Design of a New Deep-sea Net Cage Cleaning Robot

ZHUANG Jichao1，PANG Hongchen1-4，LIU Zilang1，ZHANG Deli1，JIANG Jiatao1

(1.School of Mechanical and Power Engineering, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088 , China; 2.School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255000, China; 3.Jining High-Tech Zone Venture Center, Jining272023, China; 4.Shandong Shuibo Hange Equipment Manufacturing Corporation, Jining272023, China )

Netting is an important part of deep-sea cage culture equipment, if there is attached material will seriously affect the water exchange and easy to damage the cage structure. In order to solve the above problems, the author designed a new type of deep-sea netting cleaning robot, which is intended to be equipped with high-pressure rotating water jet as a cleaning power source with a manifold spray plate, and a double buoy to adjust the underwater submersible attitude and a spiral propeller The straight and turning of the robot, and the theoretical analysis of the key technical parameters of the jet nozzle.

deep-sea net cages；robots；high pressure jet；schematic manifolds

TP242.3

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.01.015

1006－0316 (2018) 01－0072－04

2017－05－02

廣東海洋大學大學生創新創業訓練計劃項目（CXXL2016017）；廣東海洋大學創新強校工程省專項資金支持建設項目（Q14209）；廣東省工程技術研究中心——廣東省海洋裝備及制造工程技術研究中心項目；2016年廣東省研究生教育創新計劃項目——面向機械工程專業學位研究生的人工智能應用案例庫建設（2016QTLXXM_52）

莊集超（1994－），男，廣東陸豐人，本科，主要研究方向為機械設計制造及其自動化。

通訊作者：龐洪臣（1977－），男，山東樂昌人，博士，講師，主要研究方向為機械設計制造及其自動化。