淺談一種仿生海扁蟲魚缸清理器設計與控制方法

王大地，牟俐蓉，任曉凡，楊怡丹，白元博，朱雷

（西安石油大學，陜西 西安 710065）

觀賞魚作為新型寵物的一種，現(xiàn)階段擁有巨大的市場潛力，因此觀賞魚養(yǎng)殖所需的魚缸和魚缸清理的需求同步上升。我國觀賞魚魚缸的出現(xiàn)已經(jīng)有了較長的歷史，早在15 世紀90 年代就已經(jīng)有了此類產(chǎn)品。但是，近幾個世紀以來，對于魚缸的清理方法，依舊是人力大于機械，存在各種缺點，尚未形成自動化、標準化的魚缸清理方法。

目前，人們通常使用凈化劑以及其他化學產(chǎn)品對魚缸進行清理，或采取人工進行換水、手工制作虹吸現(xiàn)象，或采取生物清理，例如，養(yǎng)殖清道夫清理魚缸。然而，這些方法會對魚類的健康十分不利，嚴重影響魚缸的水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境，清理效果不佳，貿(mào)然使用生物方法甚至會引起外來物種入侵等環(huán)境問題。此外，目前市場上也存在一些仿生清理機器，部分仿生清理機器類似鯉魚，呈紡錘形，表面比較光滑，但由于沒有口器，因此難以吸附魚缸中的垃圾，使得清理效果差；部分仿生清理機器類似清道夫，設置口器，當它在水中游動時，利用吸盤口器吸附在魚缸壁上，并同時用嘴來啃食魚缸壁上的藻類植物以及魚缸底部的糞便，雖然清理效果良好，但是其結(jié)構(gòu)十分復雜，難以設計和加工。

針對現(xiàn)存在的問題，本設計提出一種仿生海扁蟲魚缸清理器及其控制方法，更加環(huán)保，保護魚類和水草植物，對魚缸水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境起促進作用；兼具觀賞價值與實用價值；結(jié)構(gòu)簡單，易加工，運行平穩(wěn)，實現(xiàn)對魚缸進行智能高效深度清理。

1 裝置的原理與結(jié)構(gòu)

本文參考當前引入其他物種進行生物清理觀賞魚魚缸的方法，對機械裝置進行仿生設計。以生物清理中最常用的生物——清道夫為仿生對象，當清道夫在水中游動時，會利用吸盤口器吸附在魚缸壁上，并在吸附的同時，用嘴來啃食魚缸壁上的藻類植物以及魚缸底部的糞便，利用這一原理來進行魚缸垃圾的清理。但傳統(tǒng)的仿生魚都類似的鯉魚，呈紡錘形，表面比較光滑，沒有口器，難以吸附，而且清道夫機械口器十分復雜，難以設計和加工。

本文所設計的一種仿生海扁蟲魚缸清理器，包括頭部、軀殼和尾部，頭部和尾部分別連接在所述軀殼的前后兩端，其頭部和尾部中均設有激光導航傳感器和超聲波距離傳感器，頭部中對稱設有電機組件。在仿生海扁蟲的軀殼中對稱設有曲軸組件，兩側(cè)的電機組件通過聯(lián)軸器與兩側(cè)所述曲軸組件連接，曲軸組件上相對連接有若干旋轉(zhuǎn)撥叉臂，且兩側(cè)的若干所述旋轉(zhuǎn)撥叉臂均呈波浪狀設置。同時，在軀殼的底部對稱設有垃圾收集盒，垃圾收集盒上開設有收集口，本設計在收集口處貫穿設有用于將垃圾卷進的收卷裝置，并在垃圾收集盒的底部設有過濾網(wǎng)格。

具體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 仿生海扁蟲魚缸清理器具體結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，頭部1 中對稱設有電機組件11，軀殼2 中對稱設有曲軸組件21，兩側(cè)電機組件11 通過聯(lián)軸器26 與兩側(cè)曲軸組件21 連接；兩側(cè)曲軸組件21 上相對連接有若干旋轉(zhuǎn)撥叉臂22，且兩側(cè)的若干旋轉(zhuǎn)撥叉臂22 均呈波浪狀設置。由于兩側(cè)電機組件11 通過聯(lián)軸器26 與兩側(cè)曲軸組件21 連接，即控制器接收到信號時可控制電機組件11 驅(qū)動曲軸組件21 轉(zhuǎn)動。

在本設計中，軀殼2 中對稱設有曲軸組件21，兩側(cè)曲軸組件21 上相對連接有18 個旋轉(zhuǎn)撥叉臂22，即每側(cè)曲軸組件21 上連接有9 個旋轉(zhuǎn)撥叉臂22；每一曲軸組件21 包括9 組曲拐，9 組曲拐按一定角度偏角設置，如圖1 所示。同時，每一旋轉(zhuǎn)撥叉臂22 插接在每一曲拐上，因此當旋轉(zhuǎn)撥叉臂22 均連接在曲軸組件21 上時，兩側(cè)的旋轉(zhuǎn)撥叉臂22 均呈波浪狀設計，每側(cè)9 個旋轉(zhuǎn)撥叉臂22 上均貫穿設有支撐轉(zhuǎn)軸桿23，旋轉(zhuǎn)撥叉臂22 可在曲軸組件21 的轉(zhuǎn)動帶動下繞支撐轉(zhuǎn)軸桿23 波浪狀轉(zhuǎn)動。旋轉(zhuǎn)撥叉臂22 包括連接桿221 和與連接桿221 連接的撥動臂222，連接桿221 位于軀殼2 中，連接桿221 的一端插接在曲拐上，另一端與撥動臂222 連接，而撥動臂222 位于軀殼2 外；其中，連接桿221 與曲拐連接的一端設有插接口，使得旋轉(zhuǎn)撥叉臂22 可以即插即用，十分方便；而連接桿221 和撥動臂222 相結(jié)合的設計類似槳葉，此設計使得清理器可在魚缸中平穩(wěn)地移動，也可減少清理器在水下運動時的阻力。

進一步地，軀殼2 的頭部設有電機固定塊24，軀殼2 的中部和尾部設有曲軸組件固定塊25，電機組件11固定在電機固定塊24 上，且通過聯(lián)軸器26 與曲軸組件21 連接，曲軸組件21 通過軸承27 貫穿在中部和尾部的曲軸組件固定塊25 上，使由18 個曲拐組成的曲軸組件21 可以自由運轉(zhuǎn)，并可帶動旋轉(zhuǎn)拔插臂自由轉(zhuǎn)動，機固定塊24、曲軸組件固定塊25 和軸承27 的設置也增強了清理器整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使得清理器運行更加平穩(wěn)。

從設計上看，清理器采用紅外線傳感技術(shù)采集信息，并通過控制器控制電機組件11 驅(qū)動曲軸組件21 轉(zhuǎn)動，以帶動兩側(cè)旋轉(zhuǎn)撥叉臂22 進行波浪狀拍動，模仿海扁蟲在魚缸中自由活動，從而實現(xiàn)控制器指導清理器移動；在活動過程中，曲軸組件21 承受電機傳來的動力，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩通過曲軸輸出并驅(qū)動發(fā)動機上其他附件工作，其傳動形式簡單，原理與工藝簡單易懂，是發(fā)動機中最重要的部件；且曲軸組件21 受到旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力、周期變化的氣體慣性力和往復慣性力的共同作用，使曲軸組件21 能夠承受彎曲扭轉(zhuǎn)載荷的作用，因此曲軸組件21 通常有足夠的強度和剛度，且其軸頸表面耐磨、工作均勻、平衡性好，使得清理器在運行過程中運行平穩(wěn)，且實用性高。

從外觀上看，清理器模仿海扁蟲的外形，使得清理器在魚缸中不顯得突兀，增強了產(chǎn)品與魚缸的一體性；且在清理器的頭部1、軀殼2 和尾部3，可以對其色彩進行專門定制，在不影響其運行的同時可以添加氛圍燈等，加強清理器的觀賞性；此外，本發(fā)明清理器也可作為玩具供兒童玩耍，增加了其附加價值。

從功用上看，軀殼2 的底部對稱設有垃圾收集盒4，垃圾收集盒4 上開設有收集口41，垃圾收集盒4 在收集口41 處貫穿設有用于將垃圾卷進的收卷裝置5；垃圾收集盒4 的底部設有過濾網(wǎng)格6。

具體地，如圖1 所示，收卷裝置5 包括滾刷51 和掃刷組件52，滾刷51 可拆卸式貫穿在收集口41 處，置換方便簡單；滾刷51 貫穿在收集口41 處，滾刷51 的兩端分別與掃刷組件52 連接，掃刷組件52 包括掃刷馬達521 和掃刷522，掃刷522 包括轉(zhuǎn)軸，且掃刷522 通過轉(zhuǎn)軸與掃刷馬達521 連接，掃刷馬達521 驅(qū)動掃刷522 轉(zhuǎn)動；而轉(zhuǎn)軸的另一端設有傘齒523，滾刷51 的兩端端部均設有另一傘齒523，通過兩傘齒523 相嚙合，以使掃刷522 與滾刷51 嚙合連接，即當控制器控制掃刷馬達521 驅(qū)動掃刷522 轉(zhuǎn)動時，掃刷522 會帶動滾刷51 同步轉(zhuǎn)動。

在清理器移動過程中，通過滾刷51 模擬海扁蟲的進食口，而掃刷522 的刷子端位于收集口41 下方，使得掃刷522 起到輔助作用，在收集口41 下方旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生所需的吸力，將魚缸中的垃圾卷進垃圾收集盒4 內(nèi)；在仿生海扁蟲魚缸清理器底部設置掃刷組件52 與滾刷51相結(jié)合，加大清潔力度，使得清理更加充分，且結(jié)構(gòu)簡單，易加工。此外，垃圾收集盒4 的底部設有過濾網(wǎng)格6；有利于將魚類糞便進行回收利用以培植其他植物。

2 裝置的電機與材料的選取

在本設計中掃刷馬達521 采用無刷直流電機，無刷直流電機體積小、轉(zhuǎn)速高，可做到20000 ～120000 轉(zhuǎn)/min，在高速轉(zhuǎn)動中可以產(chǎn)生1500Pa 以上的吸力，無刷直流電機的高轉(zhuǎn)速成本比有刷的要低很多，因此使用無刷直流電機是非常合適的選擇。

同時，在滾刷的選取上，滾刷51 采用目前市場上所運用的清掃機器人、家用掃地機、商用掃地機等清潔產(chǎn)品中的一體式滾刷組件，其包括滾體和刷體，刷體固定連接在滾體上，不可拆卸，刷體采用植毛或者PVC 橡膠條。

在外殼的設計中，頭部1、軀殼2 和尾部3 的材料均為環(huán)保PVC 材質(zhì)；采用環(huán)保PVC 材質(zhì)，衛(wèi)生環(huán)保，堅固耐用，而且產(chǎn)品體量較小，費用較低。撥動臂222 的材料為環(huán)保硅膠材質(zhì)；環(huán)保硅膠材質(zhì)的材料，其耐油性、耐熱性和耐寒性較好，延長了清理器的使用壽命，且使用環(huán)保硅膠材質(zhì)的撥動臂222 代替烏賊肉鰭，使得清理器可更加穩(wěn)定地移動。曲軸組件21 的材料為高韌性樹脂，保證曲軸組件21 在運動時，其剛性足夠，轉(zhuǎn)速適當，使得清理器能夠更加穩(wěn)定地運行，且延長其使用壽命。

3 裝置的控制方法

本裝置采用激光導航傳感器掃描環(huán)境，采集反射物的輪廓，利用激光的不發(fā)散性精準定位清理器的位置，并將所采集的信號傳輸至控制器中。并采用超聲波距離傳感器同步采集所述反射物的位置，同時將所采集的信號傳輸至控制器中，在控制器中完成構(gòu)建清理器的清理地圖；并根據(jù)所得到的清理地圖發(fā)送控制指令，使電機組件11 和收卷裝置5 中的掃刷馬達521 啟動運行。控制器根據(jù)控制指令控制電機組件11 驅(qū)動曲軸組件21 轉(zhuǎn)※※動，以帶動旋轉(zhuǎn)撥叉臂22 轉(zhuǎn)動，從而指導清理器根據(jù)所述清理地圖進行移動，同時，所述控制器根據(jù)控制指令控制掃刷馬達521 轉(zhuǎn)動，以帶動掃刷522 和滾刷51轉(zhuǎn)動，從而控制清理器根據(jù)所述清理地圖對魚缸中的垃圾進行清理。

4 結(jié)語

本文設計的仿生海扁蟲魚缸清理器，使用方便，設計簡單。在環(huán)保方面，本設計減少了化學藥劑的使用，對魚類和魚缸的水質(zhì)、生態(tài)都具有保護和促進作用，更加環(huán)保；在外觀方面，本發(fā)明模仿海扁蟲的外形，具有觀賞價值，可作為兒童的玩具玩耍；在功能方面，通過簡單的機械原理和機械工藝實現(xiàn)模仿海扁蟲在魚缸中自由活動，通過掃刷組件52 和滾刷51 相結(jié)合實現(xiàn)對魚缸充分清洗，其造價低廉、功能強大、實用性高，可以幫助養(yǎng)魚愛好者，快速有效地清理魚缸；在創(chuàng)新方面，采用紅外線傳感技術(shù)，使得清潔器可對魚缸進行全方位、智能傳感清掃，實現(xiàn)高效率的深度清潔。