CN110340062A - 空化射流水下网衣清洗机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了空化射流水下网衣清洗机器人，主要涉及水下附着的海生物清洗领域。包括底盘、行走机构、控制器、视频监控探头、螺旋桨推进器和旋转清洗头，底盘用于安装行走机构、控制器、视频监控探头、螺旋桨推进器和旋转清洗头，行走机构用于带动机器人在挂网上移动，动力传动装置用于给行走机构提供动力，视频监控探头用于收集机器人周围的图像信息，螺旋桨推进器用于推动机器人附着在挂网上，旋转清洗头用于产生含空化气泡的高压水，行走机构安装在底盘上，螺旋桨推进器安装在底盘的侧边，旋转清洗头安装在底盘的下方。本发明的有益效果在于：采用空化射流作为清洗方式，网箱可以在养殖状态下完成网衣清洗。

Description

空化射流水下网衣清洗机器人

技术领域

本发明涉及水下附着的海生物清洗领域，具体是空化射流水下网衣清洗机器人。

背景技术

海洋占据地球表面71％面积，中国有绵长的海岸线，近海及深海资源非常丰富。近年来，我国近海与深海养殖产业规模越来越大，从传统网箱到特种网箱，从养殖平台到养殖工船，各类海洋养殖技术高速发展应用。水产养殖业一直面临着附着生物污染问题，无论是网箱还是养殖平台，无论近海还是深海，凡浸泡在水下的部分都极易遭受海洋生物附着。海草、贝类等海生物附着滋生后，导致网眼堵塞，使得养殖区内水体氧含量下降，水体流动性下降，造成养殖生物大批量死亡。附着在养殖平台或养殖工船上的海生物还增加了设施的负重，降低了稳定性与抗风暴能力，水下长满海生物的网衣也会增大水流阻力，使得网衣抗风暴能力急剧下降，风暴来临时会造成极大经济损失。

传统的清洗方式主要靠人工拖拽上岸后晾晒或者高压水冲洗，耗费大量的人力物力，清洗时间漫长，并且需要等网内没有养殖物后才可实施。另一种方法是派遣潜水员下水，每隔几天对网箱进行冲洗，预防海生物在网衣上的附着生长，这种方式十分耗费人力，且一旦附着上海生物后，用普通的冲水办法很难清除，效率低成本高。对养殖平台及养殖工船的清洗同样面临以上问题。

发明内容

本发明的目的在于提供空化射流水下网衣清洗机器人，它采用空化射流作为清洗方式，网箱可以在养殖状态下完成网衣清洗。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

空化射流水下网衣清洗机器人，包括底盘、行走机构、控制器、视频监控探头、螺旋桨推进器和旋转清洗头，所述底盘用于安装行走机构、控制器、视频监控探头、螺旋桨推进器和旋转清洗头，所述行走机构用于带动机器人在挂网上移动，所述动力传动装置用于给行走机构提供动力，视频监控探头用于收集机器人周围的图像信息，所述螺旋桨推进器用于推动机器人附着在挂网上，所述旋转清洗头用于产生含空化气泡的高压水，所述行走机构安装在底盘上，所述控制器安装在底盘的前部，所述视频监控探头安装在底盘的前端，所述螺旋桨推进器安装在底盘的侧边，所述旋转清洗头安装在底盘的下方。

所述旋转清洗头包反冲推进水管和旋转中心体，所述反冲推进水管固定在底盘上，所述反冲推进水管底部侧壁设置有多个出水口，所述反冲推进水管底部出水口处转动连接有旋转中心体，所述旋转中心体与出水口对应处设置有导水槽，所述旋转中心体侧壁对称位置设置有多个出水管，出水管远离旋转中心体一端设置有空化喷嘴，所述出水管与导水槽相连通，所述空化喷嘴的喷射角度与旋转中心体轴线相倾斜且方向相同，

所述旋转清洗头还包括导流罩，所述导流罩为盘状结构，所述导流罩上设置有喷嘴安装孔和导流孔，所述喷嘴安装孔用于安装空化喷嘴，所述喷嘴安装孔设置有多个且数量与出水管数量相同，所述喷嘴安装孔沿导流罩周向均布，用于安装空化喷嘴，所述空化喷嘴低于导流罩表面，所述导流孔贯穿导流罩。

所述喷嘴安装孔与导流罩圆周方向相切且轴线与导流罩端面有一个15-65°范围的夹角。

所述导流孔与导流罩圆周方向相切且轴线与导流罩端面有一个15-65°范围的夹角，所述喷嘴安装孔与导流孔相对于导流罩轴线的倾斜方向相反。

所述螺旋桨推进器安装在底盘两侧对称设置。

所述行走机构包括行走轮和动力传动装置，所述行走轮转动连接在底盘上且布置在远离重心的位置，所述行走轮设置有多个，所述动力传动装置包括原动机和传动装置，所述原动机提供动力，所述传动装置将原动机输出动力传递到行走轮，所述传动装置使用同步带将原动机输出的动力传递到行走轮。

所述行走轮由多个齿形轮沿轴线方向固定连接组成。

所述视频监控探头包括高清摄像头和led灯，所述高清摄像头用于拍摄图像数据，所述led灯用于提供光源。

还包括浮力箱，所述浮力箱固定在底盘上，所述浮力箱用于提供一定的储备浮力使机器人保持零浮力状态，且通过调整浮力箱相对于底盘的固定位置可改变机器人的重心位置。

对比现有技术，本发明的有益效果在于：

现阶段空化射流清流应经得到应用，其清洗效率高，本发明采用空化射流水下清洗技术，针对网箱面积大，清洗盘可以在工作时通过螺旋桨推进器推向被清洗表面，可以适应网箱的网衣质地柔软这一特点进行创新性设计，同时可以进行远程控制移动行走，无需人员下水作业，大大提高了工人的操作性和工作效率，不用拉到岸上处理可以大幅度减少养殖户的养殖成本，在海中就可以完成对网箱的清理不需要清空网箱可以提高海产品的养殖产量，此设备有非常大的市场前景。

附图说明

附图1是本发明的后视方向结构立体示意图。

附图2是本发明的仰视方向结构立体示意图。

附图3是本发明的侧视方向结构立体示意图。。

附图4是本发明的侧视图。

附图5是本发明的仰视图。

附图6是本发明的旋转清洗头部分结构立体示意图。

附图7是本发明的旋转清洗头部分结构立体剖视图。

附图中所示标号：

1、底盘；2、齿形轮；3、步进电机；4、皮带；5、主动带轮；6、从动带轮；7、控制器；8、视频监控探头；9、浮力箱；10、螺旋桨推进器；11、上密封帽；12、旋转中心体；13、反冲推进水管；14、下密封帽；15、角接触球轴承；16、格莱圈；17、推力轴承；18、出水孔；19、导水槽；20、出水管；21、空化喷嘴；22、导流罩；23、喷嘴安装孔；24、导流孔；25、底堵。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

实施例：本专利主要发明了一种新型的网箱清洗设备及方法。网箱上附着的海生物对养殖产量产生了很大的影响，每个养殖户都会想办法去解决这个问题。传统的清洗方式主要是当网箱海生物长到一定程度或者一个养殖阶段结束以后，由人工或者机械吊车拖拽上岸。晾晒一定时间以后工人拍打使其脱落，或者拖拽上岸以后用高压水清洗。这其中拖拽晾晒都需要很长时间。并且由于需要拖拽上岸，会导致网箱的损坏。而且需要等到网箱内没有养植物时才可以将网箱拖出水中进行清洗。

现阶段空化射流清流应经得到应用，因为本身清洗效率高，所以市场前景广阔。本发明采用空化射流水下清洗技术，针对网箱面积大，质地柔软这一特点进行创新性设计，清洗盘可以在工作时自动吸附到被清洗表面，同时可以进行远程控制移动行走，无需人员下水作业，大大提高了工人的操作性和工作效率，也可以大幅度减少养殖户的养殖成本，提高海产品的养殖产量，有非常大的市场前景。

包括底盘1、行走机构、动力传动装置、控制器7、视频监控探头8、浮力箱9、螺旋桨推进器10、导流罩22和旋转清洗头，所述底盘1为钣金冲压焊接结构，所述底盘1用固定。

清洗盘的行走机构包括行走轮和动力传动装置，所述底盘1在四周设置有四个轴承座，所述行走轮设置有四个与通过轴承座与底盘1实现转动连接，所述行走轮由多个齿形轮2组成，所述齿形轮2根据网箱专门设计，网箱的网衣一般由尼龙绳编织而成，普通的的轮子在上面行走，会因为摩擦力不足产生打滑的现象，并且很容易陷到网眼里面。齿形轮2圆周面上设置有十四个凸起，齿形轮2同轴并排安装有两个。所述行走轮同轴固定连接有从动带轮6。

当然不限于本示例，凸起数量不固定，可根据网眼尺寸设计齿形轮2的形状、齿数、轮宽、层数等都可根据不同网眼进行改动，能在转动过程中牢牢固定住编织尼龙，非常适宜在养殖网上行走。

所述动力传动装置包括步进电机3和皮带4，所述步进电机3输出轴设置有主动带轮5，所述主动带轮5通过皮带4带动从动带轮6，均采用防水设计，步进电机3有扭矩大和方便控制的特点。步进电机3通过同步带轮带动齿形轮2旋转，实现在网箱表面的行走，并且四个轮子可单侧可以单独控制，可使清洗设备原地转向，减少转弯半径，增强设备的操控性。使用同步带传动不会出现打滑的情况，这样可以保证传动比，防止出现四个齿形轮2出现不同的转速影响装置行走。

当然不限于本示例也可采用其它驱动机构，如直流减速电机、液压马达、气动马达等，并通过编码器等方式感知转动圈数。

控制器7主要实现状态控制以及与陆上人员的交互通信，所述控制器7固定在底盘1的前部，控制器7内部包含主控芯片，通信模块，姿态传感器等，通过姿态传感器、加速度传感器、磁场传感器等综合感知机器人的姿态、方位、运动趋势等，可通过算法进行自动、半自动清洗作业。

视频监控探头8主要实现清洗机构的工作过程监控，所述视频监控探头8安装在底盘1的前端。视频监控探头8包括高清摄像头和led灯，主要检测网箱表面的附着物情况，外部为铝合金外壳壳体，端面加密封圈。在深水区以及浑浊环境下，led灯打开提供照明，岸上工作人员根据摄像头的反馈，控制清洗机构运动。这个过程就不要工程人员下水，大大减少了人工成本。

浮力箱9的作用为保持设备在水下为零浮力，所述浮力箱9固定在底盘1上，所述浮力箱9使用密度小于水的材料制作，所述浮力箱9也可以通过安装位置调整设备的重心，保持水下的运动的稳定性。

螺旋桨推进器10的作用为在工作开始以前，使设备靠近网箱。螺旋桨推进器10安装有两个分别设置在浮力箱9的两侧。在工作开始以后，螺旋桨推进器10提供辅助推力，使设备紧贴网箱表面，为清洗盘行走机构提供必要的摩擦力。

旋转清洗头包括推力轴承17、上密封帽11、旋转中心体12、反冲推进水管13、下密封帽14、角接触球轴承15、格莱圈16，所述反冲推进水管13外壁上设置有固定板，所述固定板用于将反冲推进水管13固定在底盘1上。

所述反冲推进水管13底部的侧壁开有出水孔18，所述旋转中心体12为管状结构，所述旋转中心体12套在反冲推进水管13设置有出水口处，所述旋转中心体12在与出水孔18对应位置设有导水槽19，所述旋转中心体12侧壁对称位置设置有两个出水管20，出水管20远离旋转中心体12一端设置有空化喷嘴21，所述出水管20与导水槽19相连通。

所述旋转中心体12两端设置有外螺纹，所述上密封帽11是中间带孔的盘状结构，所述上密封帽11的孔与反冲推进水管13配合，所述上密封帽11通过螺纹与旋转中心体12上端连接，所述上密封帽11与旋转中心体12之间设置有格莱圈16用于密封，所述下密封帽14是中间带孔的盘状结构。所述下密封帽14的孔与反冲推进水管13配合，所述下密封帽14通过螺纹与旋转中心体12上端连接，所述下密封帽14与旋转中心体12之间设置有格莱圈16用于密封。所述推力轴承17安装在上密封帽11与固定板之间。

所述反冲推进水管13下端通过螺纹同轴固定有底堵25，所述角接触轴承安装在底堵25和下密封帽14之间，所述旋转中心、上密封帽11和下密封帽14通过推力轴承17和角接触轴承实现与反冲推进水管13的转动连接。

所述导流罩22为圆盘状结构，导流罩22由轻质耐磨塑像制成，所述导流罩22上设置有喷嘴安装孔23和导流孔24，所述喷嘴安装孔23设置有两个，用于安装空化喷嘴21，所述导流孔24设置有八个，所述喷嘴安装孔23沿导流罩22径向对称设置，所述导流孔24沿圆周方向均匀的设置在两个喷嘴安装孔23之间，所述喷嘴安装孔23轴线与导流罩22轴线相交错呈四十五度角，空化喷嘴21安装时与喷嘴安装孔23同轴，所述导流孔24轴线与导流罩22轴线相交错其角度范围在15-65度之间，并且和切线也存在0-60度角度关系，本示例中两个角度都选用四十五度角。所述喷嘴安装孔23和导流孔24倾斜的方向相反。

所述导流孔24轴线与导流罩22轴线角度设计内容如下：

通过调整该角度可调节导流罩转速(即喷嘴直径、压力、出水量确定情况下，该角度越大，提供给导流罩旋转的分量就越小，转动越慢；如果喷嘴流量小，为保证正常转速，该角度要较小；如果喷嘴流量大，盘转速过快，则要适当调整增大该角度以减少旋转分量。)，并且该角度使得射流范围大于出水管直径，清洗时可将盘前方的附着海生物洗掉。

【工作时，喷嘴处的射流会产生冲力，将清洗机向远离清洗面的反方向推，其力大小可通过动量定理Ft＝mv推算如下：

Ft＝mΔv，因为(m＝s*v*t*ρ)即质量等于喷嘴横截面s*流速v*时间t*水密度ρFt＝s*v*t*ρ*v 两边约掉t

F＝π*(d/2)²*v²*ρ

再由动能定理Fl(距离)＝(mv²)/2推出:(F力＝压强P*喷嘴截面积s；距离l＝时间t*速度v)(m质量＝喷嘴截面积s*速度v*时间t*密度ρ)，带入得：

P*s*t*v＝(s*v*t*ρ*v²)/2

P＝(ρ*v²)/2

V＝√(2P/ρ)

将此推出的V＝√(2P/ρ)带入F＝π*(d/2)²*v²*ρ

得出F＝(π*d²*p)/2，即反冲力等于二分之一的压力乘以直径的平方乘以π

由于喷嘴与清洗面有夹角θ，最终喷嘴对清洗机器人在清洗面上的反冲力为F*sinθ＝sinθ*(π*d²*p)/2

考虑到出水管在转动，有部分能量用于旋转，故实际反冲力小于以上计算。由于射流推动力整流罩旋转，并且导流孔的开孔方向与喷嘴相反，故整流罩旋转时导流孔会推动环境水流向后方流动(喷嘴射流向前)，由此产生反推力抵消喷嘴的冲力，使得整流罩贴近被清洗网箱。类似于螺旋桨转动后将水向后排出从而获得推力。不同的是，导流罩这种设计比螺旋桨式设计相对清洗来说要安全稳定，不存在被污染物缠绕的风险，也不会刮伤、缠绕住被清洗网体。整流罩中导流孔产生的推力主要由整流罩转速、导流孔直径、导流孔数量、导流孔角度、导流孔位置、导流孔形状等因素决定，根据动量定理Ft＝mv推出F＝s*ρ*v2，即推力等于导流孔总面积乘以水的密度再乘以导流孔流出水流的速度的平方。而导流孔流出的速度与整流罩的转速成正比，由此可知导流孔产生的推力与整流罩的转速的平方成正比。由于网体两侧是开放的空间，无法靠负压进行吸附，故本发明通过调节喷嘴的喷射角度和压力、流量等参数，使得整流盘转速与导流孔匹配产生合适的反冲力，最终使得清洗盘工作时能够产生正向吸力，吸附在网体上工作。

导流罩22与旋转中心体12通过螺栓固定连接，所述导流罩22可以使空化气泡尽量保持向网箱方向推送，并且形成一定的阻挡减少空化气泡对设备其他部分的影响。

工作时，高压水经过中心轴流入旋转头，因为格莱圈16的存在，保证高压水不溢流，此时水流只能通过反冲推进水管13经空化喷嘴21流出。通过水流的反冲力，旋转喷头旋转，清洗网箱上面一定面积的附着物。角接触球轴承15、推力轴承17选用耐磨耐腐蚀的陶瓷轴承，作用是保证旋转喷头的稳定性以及减少对密封圈的磨损。上密封帽11、旋转中心体12采用反丝连接，中心体旋转过程中螺纹连接不会松动，保证了可靠性。

空化喷嘴21低于导流罩22表面，可使空化喷嘴21和网箱保持一定的距离，不会损坏网箱；另一方面，工作的时候清洗喷嘴沿箭头方向喷出含空化气泡的高压水，高压水的反作用力带动导流罩22沿喷出水的反方向方向旋转，水流经过导流罩22导流孔24以后，沿切线方向流出，作用力产生一个往下的推力分量，既可以抵消空化射流喷嘴喷出的水射流的后坐力，也可以使清洗盘更容易贴到网箱表面。沿圆周旋转的空化喷嘴21可以形成一个清洁面，相比单个喷嘴清洁的范围更大，又因为是旋转的，喷嘴角度时刻在变化可以从多个角度清洁网衣，在不增加其他装置角度控制装置的情况下可以更好的清洁。

本发明主要优点在于：远程控制，不需要人员下水作业，减少了人工成本，也提高了安全性。为网箱专门设计的轮子，增加了摩擦力和可靠性。采用螺旋桨推进和独特的导流罩22设计，产生反冲力，使清洗盘能紧贴网箱表面。采用盘式清洗头，不伤害网衣，同时增大清洗面积，提高清洗效率。清洗用的高压水通过零浮力胶管链接到清洗机器人上，所使用的电缆也是零浮力电缆(动力电与通讯线)，使得清洗机器人在水下更容易行动。

Claims (10)

1.空化射流水下网衣清洗机器人，其特征在于：包括底盘、行走机构、控制器、视频监控探头、螺旋桨推进器和旋转清洗头，所述底盘用于安装行走机构、控制器、视频监控探头、螺旋桨推进器和旋转清洗头，所述行走机构用于带动机器人在挂网上移动，所述动力传动装置用于给行走机构提供动力，视频监控探头用于收集机器人周围的图像信息，所述螺旋桨推进器用于推动机器人附着在挂网上，所述旋转清洗头用于产生含空化气泡的高压水，所述行走机构安装在底盘上，所述控制器安装在底盘的前部，所述视频监控探头安装在底盘的前端，所述螺旋桨推进器安装在底盘的侧边，所述旋转清洗头安装在底盘的下方。

2.根据权利要求1所述空化射流水下网衣清洗机器人，其特征在于：所述旋转清洗头包反冲推进水管和旋转中心体，所述反冲推进水管固定在底盘上，所述反冲推进水管底部侧壁设置有多个出水口，所述反冲推进水管底部出水口处转动连接有旋转中心体，所述旋转中心体与出水口对应处设置有导水槽，所述旋转中心体侧壁对称位置设置有多个出水管，出水管远离旋转中心体一端设置有空化喷嘴，所述出水管与导水槽相连通，所述空化喷嘴的喷射角度与旋转中心体轴线相倾斜且方向相同。

3.根据权利要求2所述空化射流水下网衣清洗机器人，其特征在于：所述旋转清洗头还包括导流罩，所述导流罩为盘状结构，所述导流罩上设置有喷嘴安装孔和导流孔，所述喷嘴安装孔用于安装空化喷嘴，所述喷嘴安装孔设置有多个且数量与出水管数量相同，所述喷嘴安装孔沿导流罩周向均布，用于安装空化喷嘴，所述空化喷嘴低于导流罩表面，所述导流孔贯穿导流罩。

4.根据权利要求3所述空化射流水下网衣清洗机器人，其特征在于：所述喷嘴安装孔与导流罩圆周方向相切且轴线与导流罩端面有一个15-65°范围的夹角,并且与导流罩外圆切线成0-60度角度,通过调整该角度可调节导流罩转速。

5.根据权利要求4所述空化射流水下网衣清洗机器人，其特征在于：所述导流孔与导流罩圆周方向相切且轴线与导流罩端面有一个15-65°范围的夹角，所述喷嘴安装孔与导流孔相对于导流罩轴线的倾斜方向相反。

6.根据权利要求1所述空化射流水下网衣清洗机器人，其特征在于：所述螺旋桨推进器安装在底盘两侧对称设置。

7.根据权利要求1所述空化射流水下网衣清洗机器人，其特征在于：所述行走机构包括行走轮和动力传动装置，所述行走轮转动连接在底盘上且布置在远离重心的位置，所述行走轮设置有多个，所述动力传动装置包括原动机和传动装置，所述原动机提供动力，所述传动装置将原动机输出动力传递到行走轮，所述传动装置使用同步带将原动机输出的动力传递到行走轮。

8.根据权利要求7所述空化射流水下网衣清洗机器人，其特征在于：所述行走轮由多个齿形轮沿轴线方向固定连接组成。

9.根据权利要求1所述空化射流水下网衣清洗机器人，其特征在于：所述视频监控探头包括高清摄像头和led灯，所述高清摄像头用于拍摄图像数据，所述led灯用于提供光源。

10.根据权利要求1所述空化射流水下网衣清洗机器人，其特征在于：还包括浮力箱，所述浮力箱固定在底盘上，所述浮力箱用于提供一定的储备浮力使机器人保持零浮力状态，且通过调整浮力箱相对于底盘的固定位置可改变机器人的重心位置。