一种新型水下网箱清洗机器人的设计探索

房 熊

（1.中国水产科学研究院 渔业机械仪器研究所，上海 200092；2.农业农村部远洋渔船与装备重点实验室，上海200092；3.海洋国家实验室深蓝渔业工程装备技术联合实验室，山东青岛266237）

0 引言

中国是渔业消费大国同时也是世界水产养殖大国，截至2016 年，我国水产养殖总产量已达5 200万吨。与2015年相比，总量增长约4.87%，并且我国水产养殖总量占世界水产养殖产量的46.89%。据统计，中国人均水产品占有量为38.41 kg，其数值超过世界人均占有量的1倍[1]。丰富水产品资源为中国人民提供了约1/3的动物蛋白来源，并且在各地方形成了不少优良传统以及多姿多彩的民俗民风。以水产养殖为主体的水产业在确保我国食物安全、丰富居民“菜篮子”、改善居民食品质量等方面都作出了突出贡献[2-3]。

网箱养殖是水产养殖生态学的最重要的组成部分，同时网箱养殖也是生态学、微生物学、环境科学等多学科交叉领域的应用研究对象。网箱养殖是一个自循环的封闭生态链，其中最主要的关系是网箱养殖的鱼类、养殖活动与养殖水体环境等相互影响，共生共存的紧密关系[4-5]。一个成功的网箱养殖必须根据当地环境状况特征为养殖户提供因地适宜的养殖海域以及完善的网箱养殖配套装备和服务。现代的网箱养殖包含多种项目，主要包括网箱养殖水体环境管理、养殖容量评估和深远海养殖等。其目标是为网箱养殖活动的健康、可持续发展（即保护养殖区生态环境、合理利用资源和提高经济效益）奠定基础[6]。

1 现有网箱养殖存在的问题分析

1.1 网箱养殖的清理问题

网箱养殖时网片上常受到海洋浮游动植物的攀附及滋生，微生附着物不但影响网箱内外水体交换而且增加了网箱外部水流对网箱的压力从而导致网箱结构受损，更严重的是如果被牡蛎等硬壳贝类附着的话将导致网衣增重急剧增加从而根本上破坏了网箱的网片，可能产生鱼类出逃的重大事故[9]。因此网箱养殖的重点在于必须保证养殖网箱网衣的清洁以确保网箱内养殖区域海水与外界海水的自然流动性，从而保证使得养殖区域内的鱼类处于最佳的生活环境。目前在我国内常用的大型网箱类型主要为重力式全浮网箱和浮绳式网箱等，但这两大类的网箱都是属于静态式网箱他们都有一些共同的缺点，比如：抗赤潮能力差、对近海污染较为严重、无法规模化和集中管理、清洗难度大等[10-12]。

近年来，国内的各大企业和科研院所针对网箱存在的问题做了一些科研攻关，特别是针对最为突出的网箱日常防污做了大量的工作，但到目前为止现阶段我们采取的主要方法分别是：

1）采用定期更换清洗网衣，该方法是通过潜水员到水下采用人工手动的操作方式进行网衣更换和清洁，但清理效果不佳，并且极易导致养殖鱼类产生应激反应使得其相互撞击从而导致鱼体外表损伤，其他微生物病虫害侵入鱼体等。

2）在网衣表面上涂一层防生物附着涂料，这种防生物涂层材料具有极低的黏度并且拥有较强表面张力等物理特性可以快速的渗透网衣包裹网丝，此外涂层还具有固含量低的物理特点，加入成型塑化剂后可以使网衣表面成膜物的厚度非常薄，这样涂层对网衣的载荷压力就很小且在海水中有着较高的减阻性，通过使用新型的防生物附着涂层可以大幅提高网衣的防污能力，明显减少网衣上贝壳类和藻类等海生物的附着。在早期的防生物附着技术中曾经采用过将有机金属编制成型添加到网衣中的方法但其具有一个非常严重的后果就是随着时间的推移重金属离子会扩散到海水中对养殖区域和整个海洋环境造成严重污染。但新型防生物附着涂层主要还是要依靠进口，目前相关的技术在国内还处于试验研制阶段并不成熟，并且进口的防生物涂层价格极其昂贵，普通的大多数养殖户根本没有能力接受[13-14]。

3）目前大多数养殖户采用最为广泛的方式是依靠潜水员携带高压水枪定期潜入水中在水下对网衣进行清污，但这种方式养殖户必须找经过相关培训的专业人员进行操作，目前这样的专业人员国内屈指可数，对于养殖户来讲时间和金钱的投入成本过大[15]。

因此近年来网衣的清洗成了网箱养殖行业的突出行业性焦点问题，除了加快研究网衣的防生物涂层技术攻关外以及网衣自身材料的防污技术外，现阶段找出一种有效可行的水下网箱清洗机械设备不失为一种解决问题的重要渠道。

2 新型水下网箱清洗机器人的设计

2.1 系统组成及设计特征

新型水下机器人的主要分为2 个系统，一个是水下机器人本体，该部分主要负责水下网箱的清洗；还有一个是岸上控制及动力源系统，该系统负责操控水下机器人的人各项动作功能以及为机器人提供动力源。其工作原理是将高压水泵搭载在水下移动平台上，通过驱动机器人的四个轮子进行方向上的移动，从而使得清洗机器人到达所需清理的位置，通过岸上输入的高压水流并经过机器人底部的清理转盘从而将网衣上附着的浮游生物、藻类等清理干净。在控制方面，新型水下机器人采用模块化设计理念，各种控制器单元集成在一块水下PLC控制面板中并加以密封保护，并且通过优化设计和处理最大限度的保证了控制系统的可靠性和稳定性，为机器人在水下进行清理操作提供保证。此新型水下网箱清洗机器人具有结构可靠、操作方便、控制到位等特点，能够很好地解决目前养殖行业网箱清理的行业难题。水下机器人外形结构如图1所示。

图1 水下机器人外形结构

2.2 动力计算设定

新型水下网箱清洗机器人在水下要完成清理的工作需要能够做出各种机械动作，都是基于整个清洗机器人在水下是一个平衡的状态，为了满足该平衡状态就需要主螺旋桨提供稳定且均衡的下压力使得机器人能够紧紧贴合在网衣上，因此主螺旋桨的动力设计是非常关键的，作为渔业水下机器人非常重要的核心部件为整个水下机器人提供下压力。根据渔业水下机器人的作业需求、运动性能要求和低成本、民用化的经济型目标，采用单体单发方案，即垂直面内单螺旋桨布置。根据水下机器人的预计总质量可计算主螺旋桨的预计功率，再根据布置方式确定螺旋桨选型[16-17]。

式中：Rt机器人的阻力，N；Ct为机器人总阻力系数，一般取3.5×103～4.9×103；ρ为流体质量密度，kg/m3；v为运动速度，m/s，S为机器人本体的湿表面面积，m2。

影响水下总阻力的主要因素有机器人的形体、表面粗糙度以及外接设备的形状等。其中，机器人的本体阻力是水下机器人所受阻力的最主要部分，包括摩擦阻力Rf

当水下机器人在水中深度大于机器人本体长度1/3时，则可以不计兴波阻力。本文中由于水下机器人需完全在水下进行清理工作，其在水下的深度远超机器人本身的长度，因此在阻力计算中兴波阻力完全不需要考虑[18-19]。阅相关资料并综合考虑后，采用相关系数。根据水下机器人的大小尺寸，其本体全面积约为1.68 m2，预设对抗海水水流速度约为v＝0.6 m/s，为了使得水下机器人能够有足够的下压力停留在网衣表面上，设计中预留来了安全系数。安全系数取值为1.4，得到克服阻力所需的力为Rt=4 500 N，主螺旋桨所需最小功率P＝211 W。

2.3 RO V 运动方程

水下机器人在水下运动时可以看做为一个整体的刚体，在刚体运动学理论中，每个运动的刚体在空间上都有6个自由度，其对应的有6个运动方程式，具体如式（4）[20]

式中：为了简化设计，把运动坐标系的原点0与水下机器人的重心重合，于是线性运动方程和旋转运动方程可以大大简化为

2.4 水下平衡分析

作为水下清洗机器人，其最重要的一个设计关键点即如何使得机器人在水下清理网箱的时候能够保持平衡，不但在水平状态下能保持平衡而且在竖直状态下也能保持平衡，且使得清洗机器人紧贴住网箱的网衣。为此专门进行了清洗机器人的水下力学分析并且优化力学设计。通过创新性的设计，利用螺旋桨产生的推力去克服水流喷射反力的水平分力即F5＞F3，螺旋桨产生的旋转力去平衡清洗圆盘的旋转力即F2＝F4，这样清洗机器人在水下工作时，水平方向和垂直方向2 个坐标系都处于平衡状态，则清洗机器人达到一种相对平衡静止状态，因此无论是网箱的底部还是网箱侧壁位置，清洗机器人均能够牢牢贴附网衣进行工作，如图2所示[21]。

图2 水下力学平衡分析

3 结论

本文针对近年来网箱养殖行业中突出的网箱网衣清洗问题进行研究并创新地设计了一种新型水下网箱清洗机器人，并依托网箱养殖行业现有条件，利用模块化集成化理念思路进行设计和优化，通过创新性的设计将机器人在水下的力进行平衡和约束使得清洗机器人能够很好的贴合网衣，且无论是水平状态还是竖直状态下均可近距离对网衣进行清理。引入高压水流对通过机器人底部的旋转盘向四周流射并将网衣上的附着物进行清理，不但能将网衣清理干净，还不损伤网衣。

通过创新性的设计，水下清洗机器人采用4个独立驱动的轮子作为驱动方式，可在水下很好地进行各个方向上的移动，此外该水下清洗机器人的前置高清摄像装备可以观察和记录整个过程，大大方便了岸上工作人员进行操作，极大地节省了人工成本，提高了工作效率。直观可视的操作界面满足了各种网箱养殖户的需求，且该新型水下网箱清洗机器人的研制为大规模网箱养殖行业以及深远海网箱养殖行业的发展提供了可靠的技术支撑。