仿生型海帶采收裝置的研究

劉和煒，韓 冰

(1.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海200092；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237)

2017年全國(guó)海帶產(chǎn)量達(dá)140余萬(wàn)噸[1]，多為浮筏平養(yǎng)所產(chǎn)。浮筏平養(yǎng)方式中，每一浮筏由兩根長(zhǎng)約75 m、平行間距約6 m、且兩端系扣于錨繩上的綆繩，以及50根左右、兩端借助吊繩分系于兩綆繩上、平行且間距約1.5 m的苗繩構(gòu)成。苗繩凈長(zhǎng)度為2.0 m，上系海帶25～40株。綆繩借助系扣在固定于海中的樁橛之上的錨繩而得以固定[2-3]。以山東榮成愛(ài)倫灣海帶養(yǎng)殖區(qū)為例，經(jīng)向山東省榮成市尋山集團(tuán)調(diào)研得知：采收時(shí)，每一舢板載2人，穿行于綆繩之間，逐一解開(kāi)吊繩，并由人工拉住苗繩，將海帶拖到舢板之中；每年4—7月的采收期間，人員每夜凌晨2：00～2：30出海并工作至下午15：00～17：00，日采收量為10 t左右；以每根苗繩育有海帶100 kg計(jì)，則每一舢板日作業(yè)量為2只浮筏，效率低且勞動(dòng)強(qiáng)度大。因此，國(guó)內(nèi)多家單位都在研發(fā)機(jī)械化海帶采收裝置或機(jī)械化海帶采收船。

國(guó)外現(xiàn)有的海帶采收船，多采用傳送帶或起重吊收取海帶，自20世紀(jì)60年代以來(lái)，此兩種方法未有大的改變[4-8]。在國(guó)外，傳送帶法用于采收野生海帶，起重吊法既可用于采收野生海帶，也可用于采收以垂養(yǎng)法養(yǎng)殖的海帶。國(guó)內(nèi)研發(fā)的多型海帶采收船多采用傳送式或吊取式[9-15]，文獻(xiàn)[15]對(duì)國(guó)內(nèi)外海帶采收船進(jìn)行了詳盡的綜述，指出由于國(guó)內(nèi)海帶采用平養(yǎng)方式養(yǎng)殖，因此相關(guān)的采收船所配采收裝置存在以下問(wèn)題：1)因潮位變化導(dǎo)致綆繩對(duì)船舶的拖行產(chǎn)生不利影響；2)借助浮球拖拉綆繩，易損壞浮球；3)切割吊繩，造成吊繩不能重復(fù)使用。此外，不封閉的鉤子，易形成綆繩滑脫，造成漏采；小船配吊作業(yè)，船舶重心升高，不利于船舶安全。這兩點(diǎn)也是目前國(guó)內(nèi)采收裝置存在的問(wèn)題。

反觀浮筏平養(yǎng)人工采收，除人員的持久作業(yè)能力低于機(jī)械外，在漏采率、浮球損壞率方面遠(yuǎn)低于現(xiàn)有機(jī)械采收法，且無(wú)需切割吊繩。因此，有必要將人工采收的優(yōu)勢(shì)與機(jī)械采收的優(yōu)勢(shì)結(jié)合，研究新型的海帶采收裝置。

1 設(shè)計(jì)方法

1.1 人工采收動(dòng)作分析

要解決現(xiàn)有機(jī)械采收方式的不足，首先必須對(duì)人工采收海帶的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析。

人工采收作業(yè)過(guò)程：舢板進(jìn)入浮筏后，船員兩手先后交替拉動(dòng)左右綆繩，從而船端指向綆繩，船體橫向前移，使得舷側(cè)與第一根苗繩接近。然后船員將此吊繩從綆繩上解開(kāi)，并將苗繩及附在其上的海帶拖入舢板。然后再拉動(dòng)綆繩，使得舢板舷側(cè)接近至下一根苗繩，再次進(jìn)行采收。

拉動(dòng)綆繩的動(dòng)作分解：船員在舷側(cè)站定，左手握住綆繩，隨后，身體前傾、彎腰，右手前伸至左手之前，握住綆繩，隨后身體后仰，右臂回曲，待右臂回曲到位后，左手松開(kāi)綆繩，準(zhǔn)備前伸。兩手交替進(jìn)行，綆繩便被不斷拉向身后。

在此過(guò)程中，船員的動(dòng)作具有四個(gè)特點(diǎn)：1)限位——握綆繩的手對(duì)綆繩形成360°限位，綆繩不會(huì)從此中滑脫。2)阻斷——握成拳的手心、指肚與綆繩全面密切接觸，繩與手之間幾無(wú)間隙，使得綆繩不僅不會(huì)從手心滑脫，而且不會(huì)在手心晃蕩，從而將位于手前方的綆繩在風(fēng)浪作用下產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)阻斷，使得手后綆繩不受手前綆繩運(yùn)動(dòng)的影響。3)連續(xù)——雙手交替進(jìn)行，使得綆繩始終處于被限位與被阻斷的狀態(tài)，從而保證穩(wěn)定地收取綆繩。4)避障——大腦在眼的配合下，可判斷綆繩運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、并據(jù)此指揮手、臂避開(kāi)吊繩與浮球，而直取綆繩。從上述四步驟可知，第2、3特點(diǎn)均與第1特點(diǎn)密切相關(guān)，可見(jiàn)限位是人工連續(xù)收取采收海帶的關(guān)鍵。

反觀目前國(guó)內(nèi)海帶采收裝置，或無(wú)限位器，或限位器不封閉。究其原因，是因?yàn)榻幚K與吊繩成正交連接，若限位器完全封閉，則會(huì)阻擋吊繩及與之相接的苗繩沿拖曳方向前進(jìn)，進(jìn)而阻礙連續(xù)采收。

1.2 仿生設(shè)計(jì)思路

仿生學(xué)是指在對(duì)生物結(jié)構(gòu)、形態(tài)、功能等方面進(jìn)行研究的基礎(chǔ)之上，將獲取的知識(shí)用以創(chuàng)造新思想、新技術(shù)、新裝備或者用以改進(jìn)、完善現(xiàn)有思想、技術(shù)、裝備的科學(xué)，從仿生設(shè)計(jì)模仿的內(nèi)容而言，包括功能仿生、形態(tài)仿生、結(jié)構(gòu)仿生、材料仿生[16-17]。該研究中，依據(jù)功能仿生原理設(shè)計(jì)限位單元，以模仿握繩之手的限位與阻斷功能；設(shè)計(jì)拖曳單元模仿手臂伸、曲臂運(yùn)動(dòng)的拖曳功能。

2 采收裝置的設(shè)計(jì)

2.1 限位單元的設(shè)計(jì)

限位單元的設(shè)計(jì)考慮以下幾點(diǎn)：1)360°限位，使綆繩始終位于限位器內(nèi)；2)綆繩在限位單元內(nèi)的水平漂移和垂向晃蕩盡可能??；3)吊繩必須能在不解離綆繩的狀態(tài)下，順利離開(kāi)限位單元；4)吊繩及綆繩上附著的野生海藻也能通過(guò)限位單元；5)浮球能夠通過(guò)限位單元。即上述第1、2點(diǎn)要模仿握繩之手，對(duì)綆繩實(shí)現(xiàn)限位與運(yùn)動(dòng)阻斷；第3、4、5點(diǎn)是以被動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)人腦、眼、手協(xié)作所實(shí)現(xiàn)的避障功能。

限位單元由底座、框、擋板條、旋轉(zhuǎn)葉片、滾動(dòng)軸承等構(gòu)成，如圖1所示：框的內(nèi)側(cè)開(kāi)一缺口，缺口上端安裝具有密封性能的閉型滾動(dòng)軸承，其內(nèi)圈與安裝有旋轉(zhuǎn)葉片的軸為過(guò)盈配合。相鄰葉片間的寬度小于缺口高度?？虻谋趁嬖O(shè)有單向向后開(kāi)啟的多根擋板條。框的寬度與高度能滿足浮球通過(guò)，缺口高度遠(yuǎn)超過(guò)綆繩及吊繩直徑，保證吊繩及吊繩繩端附近的雜生海藻叢通過(guò)。當(dāng)綆繩被向后拉動(dòng)時(shí)，其中一根擋板條會(huì)被綆繩向后頂起，該擋板條會(huì)約束綆繩的上下晃動(dòng)幅度，而綆繩兩側(cè)的擋板條或擋板條與框約束綆繩左右晃動(dòng)的幅度。吊繩被拉到葉片處時(shí)，繩索推動(dòng)葉片向框后方向轉(zhuǎn)動(dòng)，吊繩通過(guò)缺口，帶動(dòng)苗繩繼續(xù)向拖曳方向運(yùn)動(dòng)。同時(shí)葉片會(huì)阻擋綆繩接近缺口，從而防止綆繩被拉入缺口，避免綆繩脫離限位單元。

2.2 拖曳單元的設(shè)計(jì)

通過(guò)液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的四肢運(yùn)動(dòng)，其本質(zhì)是利用液壓工質(zhì)推動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)[18]。因此可采用與前述本質(zhì)一致的電液推桿這一液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)拖曳功能。電液推桿具有體積小、重量輕、起動(dòng)迅速、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、操作簡(jiǎn)便、易于維修、可無(wú)級(jí)調(diào)速、可自動(dòng)過(guò)載保護(hù)、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于船舶的舵機(jī)、減搖鰭等設(shè)備。因此，在海上設(shè)備中采用電液推桿是完全可行的。拖曳單元如圖2所示：該單元由1個(gè)前伸主機(jī)械臂、1個(gè)前伸副機(jī)械臂、1個(gè)后伸主機(jī)械臂和1個(gè)后伸副機(jī)械臂構(gòu)成。機(jī)械臂采用分體式電液推桿。液壓油箱置于船體之中，液壓油因摩擦產(chǎn)生的熱量經(jīng)油箱兩側(cè)的壓載水艙中的水傳遞到船體周?chē)暮Ｋ?。兩主機(jī)械臂反向設(shè)置，以減少占地空間。副機(jī)械臂安裝于相應(yīng)的主機(jī)械臂的伸縮桿前部，隨主機(jī)械臂的伸縮桿同步進(jìn)退。副機(jī)械臂伸縮桿端部設(shè)置一鍥塊，該鍥塊隨副機(jī)械臂的伸縮桿同步進(jìn)退。

養(yǎng)殖海帶的葉片長(zhǎng)度介于2.1～6.7 m，葉片寬度介于23.9～58.8 cm之間，厚度介于0.17～0.39 cm之間[19]。雖然最長(zhǎng)種海帶的葉片寬度小于最寬種的葉片，但鑒于海上風(fēng)浪流力的預(yù)估難度，以及海帶在海中運(yùn)動(dòng)的不確定性，需考慮到功率儲(chǔ)備，故在平潮狀態(tài)時(shí)按以下假設(shè)考慮：

1)一浮筏上的每一根2.0 m長(zhǎng)的苗繩均被6.7 m長(zhǎng)的海帶完全遮蔽，共計(jì)50根苗繩。每根海帶可視為由多根直徑等于海帶厚度的圓柱體密排而成，故阻力參照海中圓柱體拖曳力公式F=0.5×CD×ρ×S×V2計(jì)算，式中CD為拖曳阻力系數(shù)，由基于圓柱體直徑的雷諾數(shù)確定；ρ為海水密度；S為拖曳面積，即為所有海帶長(zhǎng)度與苗繩長(zhǎng)度的乘積之和；V為拖曳速度，即0.1 m/s；以上各參數(shù)均采取國(guó)際單位制[20]。

在密度及運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)按15℃狀態(tài)選取的情況下，基于海帶厚度差異，相應(yīng)雷諾數(shù)介于143～328之間，拖曳阻力系數(shù)介于1.5～1.4之間，取為1.5。拖曳面積為最大海帶長(zhǎng)度、苗繩長(zhǎng)度與苗繩根數(shù)的乘積之和，為670 m2，總拖曳阻力為5.15 kN。

2)一浮筏上的每一根苗繩均僅被海帶厚度遮蔽，共計(jì)50根苗繩，參照船舶學(xué)中平板摩擦阻力計(jì)算公式R=0.5×Cf×ρ×S×V2計(jì)算，式中Cf為摩擦阻力系數(shù)，由基于海帶寬度的雷諾數(shù)及海水運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)確定；S為濕表面積，即為所有海帶長(zhǎng)度與海帶寬度的乘積之和；ρ為海水密度；V為拖曳速度；各參數(shù)均采取國(guó)際單位制；由于傅汝德數(shù)極低，興波阻力不予考慮[21]。

基于海帶寬度差異，相應(yīng)雷諾數(shù)介于20 084～49 412之間，對(duì)應(yīng)的阻力系數(shù)介于0.014～0.010之間，取為0.014。濕表面積為最大海帶長(zhǎng)度、2倍最寬海帶寬度、每根苗繩上的海帶株數(shù)與苗繩根數(shù)四者的乘積，即15 758 m2，總摩擦阻力為1.10 kN。

即使按海帶最小寬度23.9 cm考慮，40株海帶寬度之和也遠(yuǎn)大于苗繩長(zhǎng)，且在海流作用下，海帶必定存在側(cè)對(duì)苗繩的情形，故拖曳阻力與摩擦阻力均會(huì)存在。故每個(gè)主機(jī)械臂的拉力可取略大于上述阻力之和的值。可選用推力10 kN，相應(yīng)拉力為7 kN、推速及拉速均為0.1 m/s的電液推桿，則拖曳單元兩側(cè)的總推力為20 kN，相應(yīng)總拉力為14 kN，總拉力為拖曳力的2.24倍，安全系數(shù)大于2，而行程可略大于苗繩間距，取為1.8 m。

2.3 夾持單元的設(shè)計(jì)

夾持單元由前、后兩機(jī)械手構(gòu)成。機(jī)械手如圖3所示：機(jī)械手的上、下片套裝于副機(jī)械臂的伸縮桿的前端，上片固定，不能繞副機(jī)械臂的伸縮桿旋轉(zhuǎn)，下片則可旋轉(zhuǎn)。上、下片的壓柄區(qū)內(nèi)側(cè)均設(shè)置有萬(wàn)向滾珠，將與鍥塊產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦。鍥塊插入后，向下壓動(dòng)下片，齒板上仰，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的閉合。反之，下片在自身重力矩作用下，齒板下沉，機(jī)械手張開(kāi)。機(jī)械手上片為平板，下片設(shè)有齒板，機(jī)械手在繩索連接器前方夾持綆繩，綆繩位于齒槽中，不對(duì)綆繩產(chǎn)生剪切，齒板與上片圍成的區(qū)域?qū)C(jī)械手后方吊繩處的繩索連接器產(chǎn)生阻擋，從而使得機(jī)械手在拖曳單元的作用下拉動(dòng)綆繩。

2.4 繩索連接器的設(shè)計(jì)

受海帶重力的影響，綆繩在與吊繩連接處形成橫臥的“Y”型結(jié)構(gòu)，其上“V”字頭即為綆繩，其下“I”底即為吊繩。因此，前文所述推動(dòng)葉片的繩索，在很大程度上是被拉成“V”字的綆繩?！癡”字的底部會(huì)和旋轉(zhuǎn)的葉片間產(chǎn)生相對(duì)位移，長(zhǎng)此以往，會(huì)對(duì)綆繩造成磨損。綆繩直徑一般為22 mm，吊繩直徑為5 mm，故可各取1枚未攻絲的M64六角螺母坯料與M32六角螺母坯料焊接成8字形，作為繩索連接器用于綆繩與吊繩連接處：綆繩上下往復(fù)穿過(guò)大螺母、另將1轉(zhuǎn)環(huán)的上環(huán)扣于小螺母、下環(huán)系扣吊繩，則在拖拉過(guò)程中，綆繩就不會(huì)被拖成V字型進(jìn)入葉片間，避免磨損。

此外，海流作用于海帶，會(huì)導(dǎo)致吊繩扭轉(zhuǎn)，以致斷裂。因此，苗繩與吊繩之間也采用轉(zhuǎn)環(huán)連接，以減少吊繩的扭轉(zhuǎn)。

2.5 仿生型收割裝置總成及工作流程

仿生型收割裝置如圖4所示：支架前部的斜桿的上端與限位單元邊框的缺口下沿平齊、相接，以使吊繩順利抵達(dá)缺口處。導(dǎo)軌后部下降，使得后割刀同前割刀一樣，均設(shè)置于距離支架頂1.5 m下方處，降低了后割刀重心，有利于船舶穩(wěn)性。海帶被拖至前割刀處，切下海帶梢；而后苗繩被拖至導(dǎo)軌后部，待機(jī)械手松開(kāi)后，自行滑落，至導(dǎo)軌底部折彎處受擋，后部割刀切除海帶根。兩次切下的海帶均由割刀下方的傳送帶轉(zhuǎn)運(yùn)至駁運(yùn)舢板中由舢板運(yùn)走。待一只浮筏收割完畢后，由人員將綆繩及苗繩等從導(dǎo)軌折彎處取下。相較于吊運(yùn)，傳送帶傳輸方式降低了設(shè)備重心高度，且無(wú)吊運(yùn)產(chǎn)生的橫傾力矩，有效地提高了船舶作業(yè)的安全性。

工作時(shí)，首先將一段拖繩依次穿過(guò)后機(jī)械手、前機(jī)械手、限位單元，然后將綆繩近端從錨繩上解開(kāi)，并與拖繩相接，而后將綆繩遠(yuǎn)端從另一錨繩上解開(kāi)。拖繩上也與綆繩一樣，布置有繩索連接器。后機(jī)械手夾住拖繩后，向后拉動(dòng)至盡頭，同時(shí)前機(jī)械手也向前伸至限位單元后，待前機(jī)械手夾持綆繩后縮的同時(shí)，后機(jī)械手松開(kāi)并回縮，待前機(jī)械手回縮至盡頭，后機(jī)械手也回縮到位，待后機(jī)械手再次夾住綆繩向后伸出的同時(shí)，前機(jī)械手松開(kāi)，并再次向前伸出。前后機(jī)械手不斷往復(fù)，則不斷拉動(dòng)綆繩向后移動(dòng)。由于限位單元的限位，以及始終保持有一機(jī)械手夾持并拖拉綆繩，因此綆繩不會(huì)大幅度移動(dòng)，從而保證綆繩始終處于機(jī)械手的夾持區(qū)域。

3 討論

3.1 漲、落潮時(shí)采收的考慮

漲、落潮存在海流，也就存在順流采收與逆流采收兩種情形。

1)在順流采收中，船舶位于來(lái)流的下方。上方水流流經(jīng)所收海帶時(shí)，因海帶的不斷阻擋，使得在海帶叢中，上方流速快，下方流速慢；且海帶及綆繩均為柔性體，因而上、下流海帶順流移動(dòng)的速度有差異，上流海帶會(huì)逐漸往下流處海帶接近。在采收過(guò)程中，若拖曳速度小，則可能造成海帶糾纏，不利于采收。

以三類(lèi)海區(qū)為例，在大潮汛期間流速可達(dá)10 m/min，筏架內(nèi)的流速也達(dá)到2～5 m/min，即0.03～0.08 m/s[2]。要避免海帶苗繩自上而下逐層疊壓，形成擁堵，則拖曳速度至少需0.09 m/s，方可使此處海帶前移速度達(dá)到筏架上流方最外一根苗繩處的流速，即10 m/min，亦即170 mm/s。

2)在逆流采收中，船舶位于來(lái)流的上方。采收裝置的拖曳速度必須至少大于筏架上流方最外一根苗繩處的流速，即10 m/min，亦即170 mm/s，方可克服海流阻力。且為提高采收速度計(jì)，拖曳速度也要高于170 mm/s。即使考慮了船舶阻流作用，但因船舶吃水深度約為海帶長(zhǎng)度的0.20～0.33倍，故阻流效果有限。

對(duì)于一類(lèi)海區(qū)和二類(lèi)海區(qū)，海流速度更高，所需拖曳速度更大。由于功率與拖曳速度成立方關(guān)系，故以平潮時(shí)采收，最省功耗。

此外，電液推桿運(yùn)動(dòng)速度大于150 mm/s、工作壓力較大、與其相連機(jī)構(gòu)質(zhì)量較大時(shí)，需考慮緩沖設(shè)計(jì)[22]的定制，其價(jià)格也較高。故從此點(diǎn)而言，采用無(wú)流狀態(tài)下采收也更為合適。

3.2 提高采收效率的措施

因苗繩間距設(shè)置為1.5 m，在拖曳速度為0.1 m的情況下，機(jī)械臂來(lái)回一次完成一根苗繩拖曳的時(shí)間為30 s，綆繩長(zhǎng)度為75 m，則拖曳時(shí)間為25 min。電液推桿的工制一般為工作10 min、休息10 min。因此完成一個(gè)浮筏作業(yè)的拖曳時(shí)間為45 min，按前述每根苗繩存有海帶100 kg計(jì)算，可收獲海帶為5 t。按拖曳時(shí)間4 h計(jì)算，可收獲海帶25 t。

若欲進(jìn)一步提高單位時(shí)間的采收量，則可在已有拖曳單元的正下方再設(shè)置一組拖曳與夾持單元，進(jìn)行輪流交替作業(yè)。分離式電液推桿體積小，完全可在支架中另設(shè)一組拖曳單元。

3.3 采收裝置在船舶上的布置及其影響

該裝置在船上的布置有兩種方式：1)裝置布置于船首，綆繩的拖曳方向?yàn)榇字赶虼?，此時(shí)，傳送帶指向船的兩舷，采收人員在機(jī)架后方作業(yè)。其優(yōu)點(diǎn)在于傳送裝置短，舢板易于靠幫接收海帶。其不足在于：重量靠前，船上需增加較多壓載，以保持縱向平衡(需略尾傾，以利于航行)；收割裝置遮擋駕駛視線，因此駕駛樓需增高一層，從而對(duì)穩(wěn)性不利；采收時(shí)，船舶橫于筏架間水道，不利于其他船舶航行，且自身需轉(zhuǎn)彎方可駛離，不能在較窄的筏架間水道作業(yè)；對(duì)依據(jù)船舶法定檢驗(yàn)規(guī)則而要求設(shè)置于船舶中前位置的信號(hào)設(shè)備的安裝不利；2)裝置布置于船中附近，綆繩的拖曳方向?yàn)閺囊幌现赶蛄硪幌?，采收人員在機(jī)架側(cè)方及后方作業(yè)。其優(yōu)點(diǎn)是用于調(diào)整船舶姿態(tài)的壓載少；駕駛室可置于收割機(jī)前部，視線無(wú)遮擋，駕駛樓無(wú)需增高；船舶沿水道方向停泊，以利于其他船舶航行(因船舶的長(zhǎng)寬比>3)，且自身無(wú)需轉(zhuǎn)彎即可駛離，故能夠在較窄的筏架間水道作業(yè)；采收裝置前后兩端可分設(shè)駕駛室與機(jī)艙，對(duì)信號(hào)設(shè)備安裝有利；駕駛室層高與收割裝置的主體高度等高，便于人員從艙頂上機(jī)架維修。

4 結(jié)論

仿生型海帶采收裝置基于仿生原理，以機(jī)械設(shè)備模仿人工采收，可大幅降低勞動(dòng)強(qiáng)度；將解開(kāi)吊繩的時(shí)間放在采收結(jié)束之后，故可以提高采收海帶的效率；無(wú)需切割吊繩，有助于降低成本。該裝置仍處于研究階段，各單元的合理性仍需進(jìn)一步優(yōu)化，各設(shè)計(jì)參數(shù)也需要進(jìn)一步研究，以期滿足生產(chǎn)的需要。