基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機器人設(shè)計應(yīng)用*

劉思源，黃林琪，范桂兵，朱庭琨，陳伯豪，俞國燕

(廣東海洋大學，廣東 湛江 524088)

0 引 言

在海水養(yǎng)殖中，有很多不同的養(yǎng)殖方式，其中網(wǎng)箱養(yǎng)殖是一種重要的養(yǎng)殖方式，包括近海網(wǎng)箱和深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖，海下的環(huán)境相對于陸地的環(huán)境而言，更加復(fù)雜，因此在未來，無論是普通的近海網(wǎng)箱養(yǎng)殖還是近年來不斷發(fā)展的深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖都需要往智能化、自動化、環(huán)保節(jié)能高效等方向發(fā)展，而智能化、自動化的發(fā)展往往依靠養(yǎng)殖生產(chǎn)模式和配套設(shè)施，因此在我國網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與現(xiàn)代化的海洋設(shè)施養(yǎng)殖生產(chǎn)模式的發(fā)展緊密相關(guān)[1]。而且，在網(wǎng)箱養(yǎng)殖的過程中，網(wǎng)箱上的網(wǎng)衣常常會因為海洋中的浮游動植物的附著滋長而影響網(wǎng)箱內(nèi)外的水體交換，更嚴重的是長時間的附著會損壞網(wǎng)箱網(wǎng)衣，需要進行網(wǎng)衣更換作業(yè)，增加網(wǎng)箱養(yǎng)殖的成本[2]，因此對于網(wǎng)箱養(yǎng)殖而言，網(wǎng)箱網(wǎng)衣的清洗工作的重要性不言而喻。

目前，國內(nèi)的網(wǎng)箱清洗設(shè)備還是比較少，關(guān)鍵的清洗技術(shù)大多類似，且較為薄弱，智能化自動化程度不高，傳統(tǒng)的清洗技術(shù)以人工清洗為主，大多需要人工進行操作，工人作業(yè)量較大，勞動力成本較高，清洗網(wǎng)衣效果較差，清洗工作效率不高，因此對于上述痛點，網(wǎng)箱清洗技術(shù)和方案的研究刻不容緩。

筆者根據(jù)網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗的特點，提出基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機器人的設(shè)計方案，通過對現(xiàn)有的網(wǎng)箱清洗機器人方案綜合分析對比其優(yōu)缺點，得出基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機器人的設(shè)計方案能夠達到有效清洗網(wǎng)箱網(wǎng)衣的效果，解決清洗效率較低，自動化水平不高，清洗效果差等問題，以此能夠更好的提高我國海洋網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)自動化智能化水平。

1 網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗特點

網(wǎng)衣是網(wǎng)箱養(yǎng)殖中不可缺少的部分，也是網(wǎng)箱清洗的主要清洗對象，網(wǎng)衣的規(guī)模巨大，大小不一，特別是深水網(wǎng)箱，長達幾十周長的網(wǎng)衣比比皆是，而且網(wǎng)衣主要使用場所為海下，所以清洗難度大，且清洗效果要求高。以下是前往廣東省湛江市東海島調(diào)研活動中所拍攝到的照片。

由圖1可知，網(wǎng)衣上有較多的孔洞，且網(wǎng)衣規(guī)模尺寸巨大，極易使得海水中的浮游動植物，如藻類貝類等附著性較強的生物附著會對網(wǎng)箱內(nèi)養(yǎng)殖魚類的生長活動產(chǎn)生影響，因此對網(wǎng)衣的清洗作業(yè)需要定時進行，并達到一定清洗效果，這要求清洗方式和清洗設(shè)備需要具有極高的清洗能力。所以，在網(wǎng)衣的自動化智能化、以及高效清洗的實現(xiàn)上，清洗方式和清洗設(shè)備的選擇在清洗網(wǎng)箱網(wǎng)衣的過程中顯得十分重要。

圖1 網(wǎng)衣上的附著物

目前，對于網(wǎng)箱清洗，可普遍分為物理、化學和生物等三類防污法[3]，具體主要有九種方法：人工、生物、機械、藥物、物理等五種清洗方式以及陽光暴曬、沉箱法、定期換網(wǎng)法以及上提下沉法[4]。其中人工清洗和陽光暴曬這兩種方法都較為原始，而且所需的工人量較多，工人作業(yè)量大，勞動力成本高。當前國內(nèi)主流是使用高壓水槍，將網(wǎng)衣拖上岸人工刷子清洗, 國內(nèi)市場上還尚未大規(guī)模地與水下機器人相結(jié)合使用[5]。但是，隨著網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)不斷向著智能化、自動化、環(huán)保節(jié)能高效方向發(fā)展，機器清洗逐漸代替人工清洗，越來越多的網(wǎng)箱養(yǎng)殖戶開始利用機器對網(wǎng)箱網(wǎng)衣進行清洗，與人工清洗下相比，機器清洗的特點是清洗高效，操作方便、安全、省力，可以保證較高的清洗效果的同時也能保證工作效率。

2 基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機器人設(shè)計

根據(jù)網(wǎng)箱養(yǎng)殖的特點以及對網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗中現(xiàn)階段存在的問題綜合分析后，提出基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機器人設(shè)計方案。基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機器人利用與高壓射流不同的空化射流來進行網(wǎng)衣清洗作業(yè)，主要的設(shè)計依據(jù)來自于對空化射流這一新技術(shù)的應(yīng)用以及實際網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗的需要，設(shè)計的清洗機器人具有一定的創(chuàng)造性和創(chuàng)新性。

基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機器人主要由三大系統(tǒng)組成：驅(qū)動系統(tǒng)(見圖2)、控制系統(tǒng)(見圖3)和清洗系統(tǒng)(見圖4)。驅(qū)動系統(tǒng)適應(yīng)性強，能夠適應(yīng)多種規(guī)格網(wǎng)箱網(wǎng)衣，提供爬行動力；控制系統(tǒng)調(diào)整性能好，搭載了攝像頭，并通過四周螺旋槳動力調(diào)節(jié)機器的方向，使清洗效果更加全面；清洗系統(tǒng)由上位機高壓水泵和下位機清洗盤組成，采用空化射流技術(shù)，通過高壓水流使歧管高速旋轉(zhuǎn)，噴出水流達到清洗效果。

圖2 驅(qū)動系統(tǒng) 圖3 控制系統(tǒng)

圖4 清洗系統(tǒng) 圖5 基于空化射流的深水網(wǎng) 箱清洗機器人實體圖

基于三大系統(tǒng)，該設(shè)備有三大主要功能水下網(wǎng)衣清洗功能、水體環(huán)境檢測功能、實時視頻監(jiān)測功能。通過三大功能，用戶只需通過遙控手柄即可對基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機器人進行實時控制，通過顯示屏，即可簡潔明了地掌握網(wǎng)箱內(nèi)部各種情況，能夠檢查網(wǎng)箱網(wǎng)衣的破損情況，也能夠觀測網(wǎng)衣上附著物的程度，進而判斷是否需要對該網(wǎng)衣進行清洗，用戶無需進行換網(wǎng)、曬干等繁雜步驟后方可進行網(wǎng)衣清洗，可以定時進行清理，預(yù)防附著物過多導(dǎo)致的水中含氧量降低，降低養(yǎng)殖風險。

該設(shè)備基本上擺脫了人工下水操作，利用上位機和下位機，只需要通過遙控手柄即可對網(wǎng)衣清洗機器人的運動進行控制，同時采用履帶輪，履帶總成中采用質(zhì)量小、振動輕、耐腐蝕性強以及適合水下作業(yè)的膠齒驅(qū)動式橡膠履帶[6]。為操作方便，網(wǎng)衣清洗機器人采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過配套軟件處理后能由顯示屏顯示，同時對采集的數(shù)據(jù)進行分析與處理，通過顯示屏顯示擬合的圖像和養(yǎng)殖日記供用戶參考，對種植過程實施精細化管理，以提升管理水平，節(jié)約管理成本。

通過與人工對比分析可以得出，該設(shè)備在進行網(wǎng)箱網(wǎng)衣水下作業(yè)時，比起人工潛水作業(yè)，機器下水安全性更高，且利用空化射流技術(shù)，具有創(chuàng)新性和高效性，利用多路高壓水槍高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的大量氣泡破裂的能量來清洗網(wǎng)衣上的附著物，能夠?qū)崿F(xiàn)更為充分有效的網(wǎng)衣清洗，與同類型作業(yè)級ROV水下機器人相比，該設(shè)備工作效率更高，且更具多樣化功能，且能滿足大部分養(yǎng)殖戶對成本等個性化要求。圖5所示為基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機器人的實體圖。

3 清洗機器的備選方案介紹

結(jié)合上述網(wǎng)箱網(wǎng)衣的特點及其現(xiàn)場工況，并參考國內(nèi)外同行清洗設(shè)備，介紹分析兩種備選方案，分別是渦旋水流式網(wǎng)箱清洗設(shè)備、歧管式高壓射流水下洗網(wǎng)機。下面將分別介紹備選方案的可行性及其特點。

3.1 渦旋水流式網(wǎng)箱清洗設(shè)備

渦旋水流式網(wǎng)箱清洗設(shè)備使用了汽油機作為原動力，主要以水泵和轉(zhuǎn)動圓盤為兩個部分組成，通過水泵將汽油的化學能與水流的機械能轉(zhuǎn)化,以此來達到提供能量的目的，而水流的機械能轉(zhuǎn)化為圓盤的轉(zhuǎn)動動能是利用轉(zhuǎn)動圓盤通過水流對圓盤的反作用力實現(xiàn)的，實現(xiàn)機械能與轉(zhuǎn)動動能的互換，最終帶動毛刷的運動，通過毛刷充分接觸摩擦網(wǎng)箱網(wǎng)衣，達到機器清洗網(wǎng)衣的目的，同時在深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)中，因深海網(wǎng)箱離岸較遠，產(chǎn)生無法為機器提供動力的問題，而通過該設(shè)備的設(shè)計，利用汽油機則能夠有效的解決此問題，提高了工作效率[7]。

由圖6可知，通過對該網(wǎng)箱清洗設(shè)備的綜合研究分析可知：該設(shè)備設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)緊湊，能夠有效的解決動力問題，優(yōu)點顯而易見；但是由于使用該設(shè)備必須需要人工進行配合，需要操作人員攜帶設(shè)備潛入水下進行清洗工作，對勞動力的要求較高，人工勞動密度較高，智能化程度較低，同時其消耗的能耗大，使用汽油機作為動力，對環(huán)境污染大，且海水的侵蝕極易損壞該清洗設(shè)備內(nèi)部的軸承，維修成本較高，故缺點也同樣明顯。

圖6 渦旋水流式網(wǎng)箱清洗設(shè)備簡圖

3.2 歧管式高壓射流水下洗網(wǎng)機

歧管式高壓射流水下洗網(wǎng)機雖然結(jié)構(gòu)比較簡單，但是其具有靈活性強，安全性好等優(yōu)點。

隨著網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展不斷朝著環(huán)保高效節(jié)能轉(zhuǎn)變，網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗設(shè)備也在不斷朝著水動力和太陽能電力驅(qū)動等環(huán)保節(jié)能方向發(fā)展，因此以利用水動力來解決岸電供應(yīng)困難的痛點問題的歧管式高壓射流水下洗網(wǎng)機，也順應(yīng)了網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。由名字可知，該設(shè)備主要是利用導(dǎo)流式的歧管以旋轉(zhuǎn)的方式進行網(wǎng)衣的清洗，其工作原理主要是利用前擋板，旋轉(zhuǎn)式的高壓水流通過多個噴嘴噴射出，將清洗設(shè)備能夠清洗的網(wǎng)衣面積擴大，同時利用后蓋的通孔將螺旋槳上的葉片進行旋轉(zhuǎn)操作，在這其中所產(chǎn)生的水流推力基本消除，使得清洗設(shè)備能夠在清洗作業(yè)的過程中與網(wǎng)衣一直緊貼，降低操作員的勞動強度，提高了對網(wǎng)衣上的附著物的清洗效果，增強安全性。

歧管等一系列新技術(shù)的引入使得歧管式高壓射流水下洗網(wǎng)機能夠在一定程度上克服高壓倉式洗網(wǎng)機水頭損失大的缺點[8]，提高了清洗效率，同時，該設(shè)備的維修成本為同行業(yè)其他設(shè)備相比較低，但是其缺點同樣明顯，還是未能擺脫需要人工操作的問題，勞動力依賴程度高，自動化水平較低。

4 應(yīng)用效果對比

通過對上述 3 種方案的介紹及其綜合性能的分析，最終甄選出基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機器人設(shè)計方案，具體優(yōu)缺點對比見表1所列。

表1 網(wǎng)衣清洗設(shè)備的三種方案比較

由表1可知，基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機器人設(shè)計方案與其他兩套方案相比，雖然維修成本相對較高，但是考慮到網(wǎng)箱養(yǎng)殖與普通的漁場不同，特別是深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖，作為高投入高收入高風險的行業(yè)，資金投入規(guī)模較大，且隨著勞動力越來越緊缺，人工成本也在不斷的上漲，從長遠來看，購置網(wǎng)箱清洗機器人的成本比起人工成本隨著時間的推移會不斷的減少，時間越長，人工成本越高，而網(wǎng)箱清洗機器人的成本越低，且機器人能夠滿足養(yǎng)殖過程中的多種作業(yè)需求。

5 結(jié) 語

通過對網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗中3種設(shè)備方案的討論與分析得出最適合網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗的基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機器人設(shè)計方案。該方案清洗網(wǎng)箱網(wǎng)衣效果好，工作效率高，自動化水平高，并且節(jié)能環(huán)保，安全穩(wěn)定性高，達到了設(shè)計預(yù)期，且通過實際應(yīng)用表明，該方案大大降低了網(wǎng)箱清洗作業(yè)對人工的需求，不斷提高了產(chǎn)業(yè)自動化水平，達到預(yù)期設(shè)計方案的要求。