仿生型海带采收装置的研究

时间：2024-05-24

刘和炜，韩冰

(1.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海200092；2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东青岛 266237)

2017年全国海带产量达140余万吨[1]，多为浮筏平养所产。浮筏平养方式中，每一浮筏由两根长约75 m、平行间距约6 m、且两端系扣于锚绳上的绠绳，以及50根左右、两端借助吊绳分系于两绠绳上、平行且间距约1.5 m的苗绳构成。苗绳净长度为2.0 m，上系海带25～40株。绠绳借助系扣在固定于海中的桩橛之上的锚绳而得以固定[2-3]。以山东荣成爱伦湾海带养殖区为例，经向山东省荣成市寻山集团调研得知：采收时，每一舢板载2人，穿行于绠绳之间，逐一解开吊绳，并由人工拉住苗绳，将海带拖到舢板之中；每年4—7月的采收期间，人员每夜凌晨2：00～2：30出海并工作至下午15：00～17：00，日采收量为10 t左右；以每根苗绳育有海带100 kg计，则每一舢板日作业量为2只浮筏，效率低且劳动强度大。因此，国内多家单位都在研发机械化海带采收装置或机械化海带采收船。

国外现有的海带采收船，多采用传送带或起重吊收取海带，自20世纪60年代以来，此两种方法未有大的改变[4-8]。在国外，传送带法用于采收野生海带，起重吊法既可用于采收野生海带，也可用于采收以垂养法养殖的海带。国内研发的多型海带采收船多采用传送式或吊取式[9-15]，文献[15]对国内外海带采收船进行了详尽的综述，指出由于国内海带采用平养方式养殖，因此相关的采收船所配采收装置存在以下问题：1)因潮位变化导致绠绳对船舶的拖行产生不利影响；2)借助浮球拖拉绠绳，易损坏浮球；3)切割吊绳，造成吊绳不能重复使用。此外，不封闭的钩子，易形成绠绳滑脱，造成漏采；小船配吊作业，船舶重心升高，不利于船舶安全。这两点也是目前国内采收装置存在的问题。

反观浮筏平养人工采收，除人员的持久作业能力低于机械外，在漏采率、浮球损坏率方面远低于现有机械采收法，且无需切割吊绳。因此，有必要将人工采收的优势与机械采收的优势结合，研究新型的海带采收装置。

1 设计方法

1.1 人工采收动作分析

要解决现有机械采收方式的不足，首先必须对人工采收海带的运动过程进行分析。

人工采收作业过程：舢板进入浮筏后，船员两手先后交替拉动左右绠绳，从而船端指向绠绳，船体横向前移，使得舷侧与第一根苗绳接近。然后船员将此吊绳从绠绳上解开，并将苗绳及附在其上的海带拖入舢板。然后再拉动绠绳，使得舢板舷侧接近至下一根苗绳，再次进行采收。

拉动绠绳的动作分解：船员在舷侧站定，左手握住绠绳，随后，身体前倾、弯腰，右手前伸至左手之前，握住绠绳，随后身体后仰，右臂回曲，待右臂回曲到位后，左手松开绠绳，准备前伸。两手交替进行，绠绳便被不断拉向身后。

在此过程中，船员的动作具有四个特点：1)限位——握绠绳的手对绠绳形成360°限位，绠绳不会从此中滑脱。2)阻断——握成拳的手心、指肚与绠绳全面密切接触，绳与手之间几无间隙，使得绠绳不仅不会从手心滑脱，而且不会在手心晃荡，从而将位于手前方的绠绳在风浪作用下产生的运动阻断，使得手后绠绳不受手前绠绳运动的影响。3)连续——双手交替进行，使得绠绳始终处于被限位与被阻断的状态，从而保证稳定地收取绠绳。4)避障——大脑在眼的配合下，可判断绠绳运动状态、并据此指挥手、臂避开吊绳与浮球，而直取绠绳。从上述四步骤可知，第2、3特点均与第1特点密切相关，可见限位是人工连续收取采收海带的关键。

反观目前国内海带采收装置，或无限位器，或限位器不封闭。究其原因，是因为绠绳与吊绳成正交连接，若限位器完全封闭，则会阻挡吊绳及与之相接的苗绳沿拖曳方向前进，进而阻碍连续采收。

1.2 仿生设计思路

仿生学是指在对生物结构、形态、功能等方面进行研究的基础之上，将获取的知识用以创造新思想、新技术、新装备或者用以改进、完善现有思想、技术、装备的科学，从仿生设计模仿的内容而言，包括功能仿生、形态仿生、结构仿生、材料仿生[16-17]。该研究中，依据功能仿生原理设计限位单元，以模仿握绳之手的限位与阻断功能；设计拖曳单元模仿手臂伸、曲臂运动的拖曳功能。

2 采收装置的设计

2.1 限位单元的设计

限位单元的设计考虑以下几点：1)360°限位，使绠绳始终位于限位器内；2)绠绳在限位单元内的水平漂移和垂向晃荡尽可能小；3)吊绳必须能在不解离绠绳的状态下，顺利离开限位单元；4)吊绳及绠绳上附着的野生海藻也能通过限位单元；5)浮球能够通过限位单元。即上述第1、2点要模仿握绳之手，对绠绳实现限位与运动阻断；第3、4、5点是以被动方式实现人脑、眼、手协作所实现的避障功能。

限位单元由底座、框、挡板条、旋转叶片、滚动轴承等构成，如图1所示：框的内侧开一缺口，缺口上端安装具有密封性能的闭型滚动轴承，其内圈与安装有旋转叶片的轴为过盈配合。相邻叶片间的宽度小于缺口高度。框的背面设有单向向后开启的多根挡板条。框的宽度与高度能满足浮球通过，缺口高度远超过绠绳及吊绳直径，保证吊绳及吊绳绳端附近的杂生海藻丛通过。当绠绳被向后拉动时，其中一根挡板条会被绠绳向后顶起，该挡板条会约束绠绳的上下晃动幅度，而绠绳两侧的挡板条或挡板条与框约束绠绳左右晃动的幅度。吊绳被拉到叶片处时，绳索推动叶片向框后方向转动，吊绳通过缺口，带动苗绳继续向拖曳方向运动。同时叶片会阻挡绠绳接近缺口，从而防止绠绳被拉入缺口，避免绠绳脱离限位单元。

2.2 拖曳单元的设计

通过液压系统实现机器人的四肢运动，其本质是利用液压工质推动活塞杆运动[18]。因此可采用与前述本质一致的电液推杆这一液压系统实现拖曳功能。电液推杆具有体积小、重量轻、起动迅速、运动平稳、操作简便、易于维修、可无级调速、可自动过载保护、寿命长等特点，被广泛运用于船舶的舵机、减摇鳍等设备。因此，在海上设备中采用电液推杆是完全可行的。拖曳单元如图2所示：该单元由1个前伸主机械臂、1个前伸副机械臂、1个后伸主机械臂和1个后伸副机械臂构成。机械臂采用分体式电液推杆。液压油箱置于船体之中，液压油因摩擦产生的热量经油箱两侧的压载水舱中的水传递到船体周围的海水之中。两主机械臂反向设置，以减少占地空间。副机械臂安装于相应的主机械臂的伸缩杆前部，随主机械臂的伸缩杆同步进退。副机械臂伸缩杆端部设置一锲块，该锲块随副机械臂的伸缩杆同步进退。

养殖海带的叶片长度介于2.1～6.7 m，叶片宽度介于23.9～58.8 cm之间，厚度介于0.17～0.39 cm之间[19]。虽然最长种海带的叶片宽度小于最宽种的叶片，但鉴于海上风浪流力的预估难度，以及海带在海中运动的不确定性，需考虑到功率储备，故在平潮状态时按以下假设考虑：

1)一浮筏上的每一根2.0 m长的苗绳均被6.7 m长的海带完全遮蔽，共计50根苗绳。每根海带可视为由多根直径等于海带厚度的圆柱体密排而成，故阻力参照海中圆柱体拖曳力公式F=0.5×CD×ρ×S×V2计算，式中CD为拖曳阻力系数，由基于圆柱体直径的雷诺数确定；ρ为海水密度；S为拖曳面积，即为所有海带长度与苗绳长度的乘积之和；V为拖曳速度，即0.1 m/s；以上各参数均采取国际单位制[20]。

在密度及运动粘性系数按15℃状态选取的情况下，基于海带厚度差异，相应雷诺数介于143～328之间，拖曳阻力系数介于1.5～1.4之间，取为1.5。拖曳面积为最大海带长度、苗绳长度与苗绳根数的乘积之和，为670 m2，总拖曳阻力为5.15 kN。

2)一浮筏上的每一根苗绳均仅被海带厚度遮蔽，共计50根苗绳，参照船舶学中平板摩擦阻力计算公式R=0.5×Cf×ρ×S×V2计算，式中Cf为摩擦阻力系数，由基于海带宽度的雷诺数及海水运动粘性系数确定；S为湿表面积，即为所有海带长度与海带宽度的乘积之和；ρ为海水密度；V为拖曳速度；各参数均采取国际单位制；由于傅汝德数极低，兴波阻力不予考虑[21]。

基于海带宽度差异，相应雷诺数介于20 084～49 412之间，对应的阻力系数介于0.014～0.010之间，取为0.014。湿表面积为最大海带长度、2倍最宽海带宽度、每根苗绳上的海带株数与苗绳根数四者的乘积，即15 758 m2，总摩擦阻力为1.10 kN。

即使按海带最小宽度23.9 cm考虑，40株海带宽度之和也远大于苗绳长，且在海流作用下，海带必定存在侧对苗绳的情形，故拖曳阻力与摩擦阻力均会存在。故每个主机械臂的拉力可取略大于上述阻力之和的值。可选用推力10 kN，相应拉力为7 kN、推速及拉速均为0.1 m/s的电液推杆，则拖曳单元两侧的总推力为20 kN，相应总拉力为14 kN，总拉力为拖曳力的2.24倍，安全系数大于2，而行程可略大于苗绳间距，取为1.8 m。

2.3 夹持单元的设计

夹持单元由前、后两机械手构成。机械手如图3所示：机械手的上、下片套装于副机械臂的伸缩杆的前端，上片固定，不能绕副机械臂的伸缩杆旋转，下片则可旋转。上、下片的压柄区内侧均设置有万向滚珠，将与锲块产生滚动摩擦。锲块插入后，向下压动下片，齿板上仰，实现机械手的闭合。反之，下片在自身重力矩作用下，齿板下沉，机械手张开。机械手上片为平板，下片设有齿板，机械手在绳索连接器前方夹持绠绳，绠绳位于齿槽中，不对绠绳产生剪切，齿板与上片围成的区域对机械手后方吊绳处的绳索连接器产生阻挡，从而使得机械手在拖曳单元的作用下拉动绠绳。

2.4 绳索连接器的设计

受海带重力的影响，绠绳在与吊绳连接处形成横卧的“Y”型结构，其上“V”字头即为绠绳，其下“I”底即为吊绳。因此，前文所述推动叶片的绳索，在很大程度上是被拉成“V”字的绠绳。“V”字的底部会和旋转的叶片间产生相对位移，长此以往，会对绠绳造成磨损。绠绳直径一般为22 mm，吊绳直径为5 mm，故可各取1枚未攻丝的M64六角螺母坯料与M32六角螺母坯料焊接成8字形，作为绳索连接器用于绠绳与吊绳连接处：绠绳上下往复穿过大螺母、另将1转环的上环扣于小螺母、下环系扣吊绳，则在拖拉过程中，绠绳就不会被拖成V字型进入叶片间，避免磨损。

此外，海流作用于海带，会导致吊绳扭转，以致断裂。因此，苗绳与吊绳之间也采用转环连接，以减少吊绳的扭转。

2.5 仿生型收割装置总成及工作流程

仿生型收割装置如图4所示：支架前部的斜杆的上端与限位单元边框的缺口下沿平齐、相接，以使吊绳顺利抵达缺口处。导轨后部下降，使得后割刀同前割刀一样，均设置于距离支架顶1.5 m下方处，降低了后割刀重心，有利于船舶稳性。海带被拖至前割刀处，切下海带梢；而后苗绳被拖至导轨后部，待机械手松开后，自行滑落，至导轨底部折弯处受挡，后部割刀切除海带根。两次切下的海带均由割刀下方的传送带转运至驳运舢板中由舢板运走。待一只浮筏收割完毕后，由人员将绠绳及苗绳等从导轨折弯处取下。相较于吊运，传送带传输方式降低了设备重心高度，且无吊运产生的横倾力矩，有效地提高了船舶作业的安全性。

工作时，首先将一段拖绳依次穿过后机械手、前机械手、限位单元，然后将绠绳近端从锚绳上解开，并与拖绳相接，而后将绠绳远端从另一锚绳上解开。拖绳上也与绠绳一样，布置有绳索连接器。后机械手夹住拖绳后，向后拉动至尽头，同时前机械手也向前伸至限位单元后，待前机械手夹持绠绳后缩的同时，后机械手松开并回缩，待前机械手回缩至尽头，后机械手也回缩到位，待后机械手再次夹住绠绳向后伸出的同时，前机械手松开，并再次向前伸出。前后机械手不断往复，则不断拉动绠绳向后移动。由于限位单元的限位，以及始终保持有一机械手夹持并拖拉绠绳，因此绠绳不会大幅度移动，从而保证绠绳始终处于机械手的夹持区域。

3 讨论

3.1 涨、落潮时采收的考虑

涨、落潮存在海流，也就存在顺流采收与逆流采收两种情形。

1)在顺流采收中，船舶位于来流的下方。上方水流流经所收海带时，因海带的不断阻挡，使得在海带丛中，上方流速快，下方流速慢；且海带及绠绳均为柔性体，因而上、下流海带顺流移动的速度有差异，上流海带会逐渐往下流处海带接近。在采收过程中，若拖曳速度小，则可能造成海带纠缠，不利于采收。

以三类海区为例，在大潮汛期间流速可达10 m/min，筏架内的流速也达到2～5 m/min，即0.03～0.08 m/s[2]。要避免海带苗绳自上而下逐层叠压，形成拥堵，则拖曳速度至少需0.09 m/s，方可使此处海带前移速度达到筏架上流方最外一根苗绳处的流速，即10 m/min，亦即170 mm/s。

2)在逆流采收中，船舶位于来流的上方。采收装置的拖曳速度必须至少大于筏架上流方最外一根苗绳处的流速，即10 m/min，亦即170 mm/s，方可克服海流阻力。且为提高采收速度计，拖曳速度也要高于170 mm/s。即使考虑了船舶阻流作用，但因船舶吃水深度约为海带长度的0.20～0.33倍，故阻流效果有限。

对于一类海区和二类海区，海流速度更高，所需拖曳速度更大。由于功率与拖曳速度成立方关系，故以平潮时采收，最省功耗。

此外，电液推杆运动速度大于150 mm/s、工作压力较大、与其相连机构质量较大时，需考虑缓冲设计[22]的定制，其价格也较高。故从此点而言，采用无流状态下采收也更为合适。

3.2 提高采收效率的措施

因苗绳间距设置为1.5 m，在拖曳速度为0.1 m的情况下，机械臂来回一次完成一根苗绳拖曳的时间为30 s，绠绳长度为75 m，则拖曳时间为25 min。电液推杆的工制一般为工作10 min、休息10 min。因此完成一个浮筏作业的拖曳时间为45 min，按前述每根苗绳存有海带100 kg计算，可收获海带为5 t。按拖曳时间4 h计算，可收获海带25 t。

若欲进一步提高单位时间的采收量，则可在已有拖曳单元的正下方再设置一组拖曳与夹持单元，进行轮流交替作业。分离式电液推杆体积小，完全可在支架中另设一组拖曳单元。

3.3 采收装置在船舶上的布置及其影响

该装置在船上的布置有两种方式：1)装置布置于船首，绠绳的拖曳方向为船首指向船尾，此时，传送带指向船的两舷，采收人员在机架后方作业。其优点在于传送装置短，舢板易于靠帮接收海带。其不足在于：重量靠前，船上需增加较多压载，以保持纵向平衡(需略尾倾，以利于航行)；收割装置遮挡驾驶视线，因此驾驶楼需增高一层，从而对稳性不利；采收时，船舶横于筏架间水道，不利于其他船舶航行，且自身需转弯方可驶离，不能在较窄的筏架间水道作业；对依据船舶法定检验规则而要求设置于船舶中前位置的信号设备的安装不利；2)装置布置于船中附近，绠绳的拖曳方向为从一舷指向另一舷，采收人员在机架侧方及后方作业。其优点是用于调整船舶姿态的压载少；驾驶室可置于收割机前部，视线无遮挡，驾驶楼无需增高；船舶沿水道方向停泊，以利于其他船舶航行(因船舶的长宽比>3)，且自身无需转弯即可驶离，故能够在较窄的筏架间水道作业；采收装置前后两端可分设驾驶室与机舱，对信号设备安装有利；驾驶室层高与收割装置的主体高度等高，便于人员从舱顶上机架维修。