一种新型深海网箱网衣清洗机器人设计

庄集超，庞洪臣-4，刘子浪，张德立，江佳涛



一种新型深海网箱网衣清洗机器人设计

庄集超1，庞洪臣1-4，刘子浪1，张德立1，江佳涛1

（1.广东海洋大学 机械与动力工程学院，广东 湛江 524088；2.山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博 255000；3.济宁高新区创业中心，山东 济宁 272023；4.山东水泊焊割设备制造有限公司，山东 济宁 272023）

网衣是深海网箱养殖装备的重要组成部分，其上若存有附着物将严重影响水体交换且易使网箱结构受损。为解决前述问题笔者设计了一种新型深海网箱网衣清洗机器人，拟以歧管式喷盘配以高压旋转水射流作为清洗动力源，采用双浮筒调整水下潜浮姿态以及螺旋推进器实现机器人的直行、转弯等运动，并对射流喷嘴的关键技术参数进行了理论分析。

深海网箱；机器人；高压射流；歧管式喷盘

国外大部分网衣清洗机主要以高压水清洗为主[1]。国内由于较晚引进大型深海网箱，对网衣清洗配套设备研究不多[2]，但随着中国深海网箱广泛应用，网衣附着物清洗在深海域养殖过程中成为一个亟待解决的问题[3]。网衣长时间得不到有效清洗，会导致网孔附着大量藻类、贝类附着物，阻碍网箱水体交换，造成养殖鱼类质量降低，定期处理网衣上附着物还可避免因过多附着物而增加网箱重量。目前，国内网衣清洗方式有定期换网法、人工清洗法、上提下沉法、生物清除法和机械清洗法等[4]，存在清洗周期长、清洁度低、清洗成本高、效率低等缺点[5]。笔者设计的新型网衣清洗机器人拟利用高压旋转水射流对网衣附着物进行冲洗，该设计对以后同类设备研究具有良好的借鉴意义。

1 深海网箱网衣清洗机器人方案

1.1 清洗方案选择

人工清洗与阳光曝晒都属于较传统清洗方法，要求工人长时间作业或者需要工人潜水清洗，药物清洗极大可能对养殖鱼类造成一定危害。宋协法等人[6]采用橡胶硬质毛刷结合高压水清洗方式，研制出清洗设备，该设备使用性能较差、智能化程度低，必须配备潜水员进行水下作业，且易对网衣造成一定损坏。据此，本文拟利用高压旋转水射流对网衣进行清洗，工作时喷盘与网衣之间未有直接接触，两者之间存有5 mm水隙，但其具有瞬时打击力强，清洗面积大等优势，应用前景良好。

1.2 沉浮方案选择

目前大部分小型或微型水下机器人使用螺旋桨来实现沉浮、横摇、纵倾这三个自由度控制[7]。其缺点是：靠螺旋桨一直运转来平衡重力与浮力的合力矩功耗大；水下机器人工作环境复杂，受力情况无法用公式计算准确反映，靠螺旋桨的推力平衡合力矩十分困难[8]。压缩空气变体积沉浮方案，一般用于大型潜水器。其优点是设备震动小、噪音低、功耗小，适合长时间在水下工作[9]。

1.3 机器人整体结构设计

深海网箱网衣清洗机器人整体结构如图1所示，该机器人主要由潜浮及姿态控制装置、歧管式喷盘、高压清洗系统、螺旋推进装置、图像GSM模块监控系统、水下照明装置、控制仓、分流器、机架等组成。工作母船将高压水经高压胶管导流至设备底部喷盘，喷盘通过自身结构喷射出高压旋转水射流冲洗网衣。根据监控系统经电缆传输的水下清洗状况及时调整潜浮及姿态控制装置和螺旋推进装置，从而改变机器人清洗轨迹和清洗姿态，以达到最佳清洗效果。清洗工作完成后，通过工作母船上小型起重机将该机器人回收。

1.水下摄像头 2.螺旋推进器 3.水下强光灯 4.歧管式喷盘 5.单向气嘴 6.机架 7.浮筒 8.低速推进器9.压力传感器 10.紧固件

2 关键机构设计

2.1.1 歧管式喷盘结构设计

本文的歧管式喷盘的结构如图2所示，喷盘通过紧固件固定在机架底部，利用分流至歧管15高压水经喷嘴2从45°倾斜的前挡板12射流孔射出，在作用力下前挡板12将做旋转运动，由于前挡板12与导流管13相对静止，从而使高压水旋转喷射，形成高压旋转水射流。

套筒7与后盖4通过螺钉固定，轴套11对角接触轴承6起轴向定位作用，通过螺帽8与后盖4之间的斯特封9、O型密封圈和密封压块10保证二者的密封性，避免轴承因海水浸泡而腐蚀，影响清洗工作。4个喷孔在圆周方向以90°间隔均匀分布在前挡板上，工作时产生的射流反冲力由背向推进器消除。

2.1.2 设计过程水动力学计算

在计算时以一个喷盘为例，假设：海水为理想液体（＝1.03 g/cm3），该机器人的工作深度为15 m，高压胶管总长为20 m，直径为20 mm，在胶管入水口和歧管出水口两个断面，根据伯努利方程可知：

1.O型密封圈 2.喷嘴 3.弯头 4.后盖 5.螺钉 6.角接触轴承7.套筒 8.螺帽9.斯特封 10.压块 11.轴套12.前挡板 13.导流管 14.螺母 15.歧管

根据连续方程可知：

由上述两式可得喷嘴压力为：

式中：为工作深度，m；为喷嘴出口直径，mm。

在喷嘴出口与入口之间的两个断面（忽略高度差），根据伯努利方程可知：

根据连续方程可知：

联立式（4）、式（5）可得：

化简得：

联立式（5）、式（7）得到喷嘴直径为：

2.2.1 浮筒结构设计

浮筒结构如图3所示，浮筒内双轴步进电机两端分别连接电控牙嵌式离合器，再通过圆柱齿轮传动，带动梯形丝杆转动，使两端活塞能够可控地分别或者同时做往复运动，进而改变平台重心、浮心位置以及浮力大小。两浮筒两端活塞同时压缩或扩张同样的体积，则可以设备保持重心、浮心位置不变，浮力大小改变，使平台稳定上浮或下潜。一个浮筒两端活塞压缩体积，另一个浮筒扩张同样的体积，则可以保持重力、浮力大小不变，同时，浮心位置沿轴反方向位移，产生无法平衡的力矩，使平台横摇。两浮筒一端活塞向内运动，另一端活塞向外运动，两端的运动量保持一致，则重力、浮力大小不变。同理，平台纵倾。

图3 浮筒结构示意图

2.2.2 设计过程压强计算

在计算时以一个浮筒为例，假设：海水为理想液体（＝1.03 g/cm3），该机器人的工作深度为15 m，最大的带负载能力40 kg。活塞都处于处时设备重力、浮力大小相等，设备从水面放入并开始下潜，如图4所示。

图4活塞行程示意图

活塞可以运动的距离0＝150 mm

环境压力为：

由理想气体状态方程得：

取、、三个位置工作水深的环境压力，可算出活塞处于不同位置时的浮筒内压，计算得、、不同位置的浮筒内部体积如表1所示，由此可知下水前若活塞处于位置内压取最大值为4.94×105Pa。

表1不同位置的浮筒参数

位置浮筒内压/Pa内部体积/L A3.4×10576.8 B4×10564.8 C4.94×10552.8

3 结论

本文在综合考虑深海网箱网衣清洗工况需求基础上，以提高其清洗能力、清洗效率以及降低姿态控制难度为设计目标，清洗机器人采用了实用性和可靠性较高的高压旋转水射流清洗方案和压缩空气变体积式姿态沉浮控制方案，对其关键运行机构进行了设计，并阐述了该机构的运行机理。但深海网箱网衣清洗机器人的具体尺寸结构、制作成本以及动态分析仍需要根据实际使用需求作进一步的研究，该设备对于后续的同类产品的研发具有良好的借鉴意义。

[1]张小明，郭根喜，陶启友，等. 歧管式高压射流水下洗网机的设计[J].南方水产，2010（3）：46-51.

[2]郭根喜，陶启友. 我国深水网箱养殖技术及发展展望（下）[J]. 科学养鱼，2004（9）：10-11.

[3]景发岐. 深海网箱养殖发展现状[J]. 水产科技，2010（3）：9-11.

[4]张小明，郭根喜，陶启友，黄小华，胡昱. 高压水射流水下洗网机旋转射流打击力计算[J]. 渔业现代化，2010（1）：25-28.

[5]刘庭成，程骏. 高压水射流清洗机的参数分析[J]. 洗净技术，2004（9）：9-11.

[6]宋协法，贾瑞，马玉霞. 涡旋水流式网箱清洗设备的设计与实验[J]. 中国海洋大学学报（自然科学版），2006（5）：733-738.

[7]马金明. 超小型水下机器人沉浮系统设计及其控制研究[D]. 上海：上海大学，2005.

[8]翟宇毅，刘亮，龚振邦. 超小型水下机器人的发展现状及若干问题探讨[J]. 机床与液压，2005（2）：1-4.

[9]陈建平. 我国潜水器发展状况及存在的问题[J]. 机器人技术与应用，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

广东海洋大学大学生创新创业训练计划项目（CXXL2016017）；广东海洋大学创新强校工程省专项资金支持建设项目（Q14209）；广东省工程技术研究中心——广东省海洋装备及制造工程技术研究中心项目；2016年广东省研究生教育创新计划项目——面向机械工程专业学位研究生的人工智能应用案例库建设（2016QTLXXM_52）

庄集超（1994－），男，广东陆丰人，本科，主要研究方向为机械设计制造及其自动化。

通讯作者：庞洪臣（1977－），男，山东乐昌人，博士，讲师，主要研究方向为机械设计制造及其自动化。