用于水面机器人的物料投料喷洒机构设计

梁宇，陈世龙，李宗睿，戚 铎，邵良靖，张芮琦

（同济大学 机械与能源工程学院，上海 201800）

0 引 言

随着人民生活水平的提高，人们的饮食结构发生了较大的变化，对鱼虾类水产品的需求量越来越大。近十年，我国水产养殖业快速发展，取得了较好的经济及社会效益。目前我国已是世界上最大的渔业生产国，水产品产量连续26年居世界第一，占全球水产品产量1/3以上，为城乡居民提供1/4优质动物蛋白[1]。但随着我国养殖业的不断发展，养殖密度不断增加、养殖业资源极大浪费、劳动生产率低、水产病害频发、养殖风险大等问题严重制约水产养殖业的发展。如何精确投料喂食，控制养殖成本，改善水体，减轻污染等绿色养殖问题已受到越来越多人的重视。

为了解决水产养殖中存在的上述问题，近几年出现了自动投料系统，如虾塘移动式投饵系统[2]等。水产养殖投料船中投料机构一般由送料机构与抛洒机构组成。送料机构主要有电磁铁吸拉式送料机构[3]、皮带式送料机构、螺旋输送式送料机构[4]、偏心轮振动式的平衡式抖料机构[5]。电磁铁吸拉式送料机构震动较大，存在安全隐患，因此已较少使用。目前养殖行业常用的送料机构主要以螺旋输送式送料机构和皮带式送料机构。常用的喷洒机构主要有无动力源喷洒机构[6]、使用风力输送饲料[7]和使用圆盘喷洒3种类型。圆盘离心式喷洒机构是最常使用的一种喷洒机构。

目前，市面上已有的用于中小型水域的物料喷洒水面机器人，但其主要采用人工操作控制物料喷洒，投撒物料多为饲料[8]，不能够准确控制物料的喷洒量、喷洒点以及喷洒速度等。部分船体挂载有水质传感器实时采集数据[9]，仅用于采集水样，而不具备对水体实时监控与调节的功能。为了解决这些问题，本文拟设计一种基于物联网技术，利用水下视觉图像和水质检测结果，自动控制水面机器人的物料输送洒料装置，实现物料按需按量、定点自动投放的功能，达到物料准确准投放和局部水质调节的目的。

1 总体方案设计

1.1 工作要求及工作原理

本文所设计的物料输送与喷洒装置是图1所示水面机器人的一个组成部分。该水面机器人主要用于中小型养殖水域水产品的辅助养殖及局部水质调节。机器人所搭载的物料输送与喷洒装置主要用于鱼虾类等水产品的喂食投料，也可用于局部水质颗粒状调节剂的定点投放。物料输送与喷洒系统的基本要求及工作流程如图2所示。

图1 水面机器人组成

图2 物料输送及喷洒装置工作流程

图2所示的水面机器人物料投放系统中，物料存储在上方的存储器中，并利用重力下落到物料输送机构中。当接收到水质监测系统发送的水质状态参数和及水质检测的位置信息后，控制系统按照所需调节剂的投放量控制输送机构按照一定的运转速度运转一定的时间，将所需量的调节剂输送至物料喷洒机构，喷洒机构将调节剂喷洒到水中。饲料投放功能与水质调控功能的工作原理近似，利用水下视觉系统获得的水下鱼群、虾群等水生物的分布信息和位置信息，通过控制系统控制物料输送及喷洒装置，实现定点定量投放饲料。

1.2 方案设计

根据图2所示的物料输送及喷洒装置的工作原理，分析中小型水域的水面环境及投料的工作要求，参考现有离散型物料的输送与喷洒方式，给出了物料输送机构和喷洒机构的几种选型方案及方案分析结果，见表1和表2所列，装置的总体方案如图3所示。

表1 物料输送机构方案

表2 喷洒机构方案

图3 喷洒机构总体结构

考虑水面工作环境、小船空间相对较小，选择螺旋输送式送料机构。物料从进料口进入，受螺旋叶片法向推力作用随叶片向前运动，实现物料的输送。通过设计螺旋输送器的直径、螺距和旋转速度可控制物料的输送量。

本文设计的水面机器人主要用于中小型水域饲料和水质调节剂的喷洒，对物料的完整性要求不高，故选用圆盘离心式方案，通过设计喷洒圆盘直径大小和旋转速度，实现物料的喷洒。

1.3 主要参数计算

由上述分析可知，螺旋输送机构的主要结构参数有螺旋的直径D，螺距S，螺旋的长度L等，如图4所示。

图4 螺旋输送机构主要结构参数

喷洒机构的主要结构参数有圆盘的直径D1等，如图5所示。

图5 离心喷洒机构主要结构参数

查阅《非标准机械设备设计手册》可知，螺旋输送机的直径经验公式如下：

式中：D为螺旋外径（单位：mm）；K为物料特性参数；Q为输送能力（单位：t/h）；φ为填充系数；λ为物料单位容积质量（单位：t/m3）；ε为倾斜输送系数。

根据实际工况[10]，确定物料特性、所需输送能力、填充系数、单位容积质量及倾斜输送系数后可确定所需螺旋外径。物料为磨琢性物料，取K=0.056 5，φ=0.27，λ=0.7 t/m3。综合考虑物料的输送要求和水面机器人的整体协调性，取外径为D=60 m。螺旋的螺距通常使用下式计算确定[11]：

式中：K1为螺距与螺旋直径比值，对于标准的水平布置的输送机，K1为0.8～1.0，故选择螺距S=60 mm。一般轴径计算公式为：

考虑整体尺寸及实际工况，选择轴径d=10 mm。

根据实际工况和水面机器人的空间约束，将螺旋输送器的长度取为L=150 mm。

物料离开转盘时，线速度与转盘边线线速度相同，即：

式中：v为物料线速度（单位：m/s）；D为转盘直径（单位：m）；n为转盘转速。

物料离开转盘后近似看作做平抛运动，则物料喷洒最远距离为：

式中：s为喷洒最远距离（单位：m）；v为物料线速度（单位：m/s）；h为转盘距水面高度（单位：m）；g为重力加速度，g=9.8 m2/s。

本文所使用的水面机器人（见图1）中，喷洒装置布置在双船体的中部靠近尾部，喷洒高度约为h=80 mm，最远距离没有严格要求，喷洒盘的直径D1主要受双船体联结桥空间的限制，取D1=200 mm，可以通过电机转速调节喷洒的距离。

2 驱动系统设计

物料输送与喷洒装置的驱动包含输送螺旋机构电机和物料喷洒机构电机。螺旋机构电机的选择一般由下述经验公式获得。电机的选型主要由极限转速nmax和电机功率确定。螺旋电机的极限转速用下式计算：

式中：A为物料综合特性系数；D为螺旋外径（单位：mm）。

将计算上述获得的A值和D值代入式（6）中，得到nmax=204 r/min。

螺旋输送机构的电机功率P与输送螺旋的结构参数、所用材料、物料的填充系数等有关，功率P一般采用下式计算：

式中：Q为物料为输送能力（单位：t/h）；L为输送距离（单位：m）；μ为物料运行阻力系数；H为倾斜高度（单位：m）。

物料为输送能力可用下式计算：

式（8）中各符号的意义同前。对于用于水质调控的水面机器人，根据实际工况要求，取式（7）进行计算。将表3所列参数代入式（7），得到的电机功率为计算得到螺旋输送系统所需功率P=0.484 W，考虑一定的安全系数，选择ZYTD-520（12V-3500R）直流电机（减速比为1/86）。

表3 部分参数取值

喷洒机构电机主要用于驱动喷洒圆盘转动，无外加。为了采购安装及维修方便，取与螺旋输送机构相同的电机，即能够满足喷洒机构对电机转速的要求。

3 结 语

本文设计了一种用于水面机器人的物料喷洒装置，可实现物料按需按量、定点自动精准投放的功能。该物料喷洒装置的水面机器人主要用于中小型养殖水域。改物料喷洒装置与水质检测系统配合，利用控制系统发出的信息，实现水质调节剂的自动投放、达到调节局部水域水质的目的。该水面机器人也可用于鱼虾类的饲料投放，与水下视觉系统配合，可实现精准投料，降低饲养成本，减少水环境污染。