淺談一種仿生海扁蟲(chóng)魚(yú)缸清理器設(shè)計(jì)與控制方法

王大地，牟俐蓉，任曉凡，楊怡丹，白元博，朱雷

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

觀賞魚(yú)作為新型寵物的一種，現(xiàn)階段擁有巨大的市場(chǎng)潛力，因此觀賞魚(yú)養(yǎng)殖所需的魚(yú)缸和魚(yú)缸清理的需求同步上升。我國(guó)觀賞魚(yú)魚(yú)缸的出現(xiàn)已經(jīng)有了較長(zhǎng)的歷史，早在15 世紀(jì)90 年代就已經(jīng)有了此類產(chǎn)品。但是，近幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，對(duì)于魚(yú)缸的清理方法，依舊是人力大于機(jī)械，存在各種缺點(diǎn)，尚未形成自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化的魚(yú)缸清理方法。

目前，人們通常使用凈化劑以及其他化學(xué)產(chǎn)品對(duì)魚(yú)缸進(jìn)行清理，或采取人工進(jìn)行換水、手工制作虹吸現(xiàn)象，或采取生物清理，例如，養(yǎng)殖清道夫清理魚(yú)缸。然而，這些方法會(huì)對(duì)魚(yú)類的健康十分不利，嚴(yán)重影響魚(yú)缸的水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境，清理效果不佳，貿(mào)然使用生物方法甚至?xí)鹜鈦?lái)物種入侵等環(huán)境問(wèn)題。此外，目前市場(chǎng)上也存在一些仿生清理機(jī)器，部分仿生清理機(jī)器類似鯉魚(yú)，呈紡錘形，表面比較光滑，但由于沒(méi)有口器，因此難以吸附魚(yú)缸中的垃圾，使得清理效果差；部分仿生清理機(jī)器類似清道夫，設(shè)置口器，當(dāng)它在水中游動(dòng)時(shí)，利用吸盤口器吸附在魚(yú)缸壁上，并同時(shí)用嘴來(lái)啃食魚(yú)缸壁上的藻類植物以及魚(yú)缸底部的糞便，雖然清理效果良好，但是其結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，難以設(shè)計(jì)和加工。

針對(duì)現(xiàn)存在的問(wèn)題，本設(shè)計(jì)提出一種仿生海扁蟲(chóng)魚(yú)缸清理器及其控制方法，更加環(huán)保，保護(hù)魚(yú)類和水草植物，對(duì)魚(yú)缸水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境起促進(jìn)作用；兼具觀賞價(jià)值與實(shí)用價(jià)值；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易加工，運(yùn)行平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)魚(yú)缸進(jìn)行智能高效深度清理。

1 裝置的原理與結(jié)構(gòu)

本文參考當(dāng)前引入其他物種進(jìn)行生物清理觀賞魚(yú)魚(yú)缸的方法，對(duì)機(jī)械裝置進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)。以生物清理中最常用的生物——清道夫?yàn)榉律鷮?duì)象，當(dāng)清道夫在水中游動(dòng)時(shí)，會(huì)利用吸盤口器吸附在魚(yú)缸壁上，并在吸附的同時(shí)，用嘴來(lái)啃食魚(yú)缸壁上的藻類植物以及魚(yú)缸底部的糞便，利用這一原理來(lái)進(jìn)行魚(yú)缸垃圾的清理。但傳統(tǒng)的仿生魚(yú)都類似的鯉魚(yú)，呈紡錘形，表面比較光滑，沒(méi)有口器，難以吸附，而且清道夫機(jī)械口器十分復(fù)雜，難以設(shè)計(jì)和加工。

本文所設(shè)計(jì)的一種仿生海扁蟲(chóng)魚(yú)缸清理器，包括頭部、軀殼和尾部，頭部和尾部分別連接在所述軀殼的前后兩端，其頭部和尾部中均設(shè)有激光導(dǎo)航傳感器和超聲波距離傳感器，頭部中對(duì)稱設(shè)有電機(jī)組件。在仿生海扁蟲(chóng)的軀殼中對(duì)稱設(shè)有曲軸組件，兩側(cè)的電機(jī)組件通過(guò)聯(lián)軸器與兩側(cè)所述曲軸組件連接，曲軸組件上相對(duì)連接有若干旋轉(zhuǎn)撥叉臂，且兩側(cè)的若干所述旋轉(zhuǎn)撥叉臂均呈波浪狀設(shè)置。同時(shí)，在軀殼的底部對(duì)稱設(shè)有垃圾收集盒，垃圾收集盒上開(kāi)設(shè)有收集口，本設(shè)計(jì)在收集口處貫穿設(shè)有用于將垃圾卷進(jìn)的收卷裝置，并在垃圾收集盒的底部設(shè)有過(guò)濾網(wǎng)格。

具體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 仿生海扁蟲(chóng)魚(yú)缸清理器具體結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，頭部1 中對(duì)稱設(shè)有電機(jī)組件11，軀殼2 中對(duì)稱設(shè)有曲軸組件21，兩側(cè)電機(jī)組件11 通過(guò)聯(lián)軸器26 與兩側(cè)曲軸組件21 連接；兩側(cè)曲軸組件21 上相對(duì)連接有若干旋轉(zhuǎn)撥叉臂22，且兩側(cè)的若干旋轉(zhuǎn)撥叉臂22 均呈波浪狀設(shè)置。由于兩側(cè)電機(jī)組件11 通過(guò)聯(lián)軸器26 與兩側(cè)曲軸組件21 連接，即控制器接收到信號(hào)時(shí)可控制電機(jī)組件11 驅(qū)動(dòng)曲軸組件21 轉(zhuǎn)動(dòng)。

在本設(shè)計(jì)中，軀殼2 中對(duì)稱設(shè)有曲軸組件21，兩側(cè)曲軸組件21 上相對(duì)連接有18 個(gè)旋轉(zhuǎn)撥叉臂22，即每側(cè)曲軸組件21 上連接有9 個(gè)旋轉(zhuǎn)撥叉臂22；每一曲軸組件21 包括9 組曲拐，9 組曲拐按一定角度偏角設(shè)置，如圖1 所示。同時(shí)，每一旋轉(zhuǎn)撥叉臂22 插接在每一曲拐上，因此當(dāng)旋轉(zhuǎn)撥叉臂22 均連接在曲軸組件21 上時(shí)，兩側(cè)的旋轉(zhuǎn)撥叉臂22 均呈波浪狀設(shè)計(jì)，每側(cè)9 個(gè)旋轉(zhuǎn)撥叉臂22 上均貫穿設(shè)有支撐轉(zhuǎn)軸桿23，旋轉(zhuǎn)撥叉臂22 可在曲軸組件21 的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)下繞支撐轉(zhuǎn)軸桿23 波浪狀轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)撥叉臂22 包括連接桿221 和與連接桿221 連接的撥動(dòng)臂222，連接桿221 位于軀殼2 中，連接桿221 的一端插接在曲拐上，另一端與撥動(dòng)臂222 連接，而撥動(dòng)臂222 位于軀殼2 外；其中，連接桿221 與曲拐連接的一端設(shè)有插接口，使得旋轉(zhuǎn)撥叉臂22 可以即插即用，十分方便；而連接桿221 和撥動(dòng)臂222 相結(jié)合的設(shè)計(jì)類似槳葉，此設(shè)計(jì)使得清理器可在魚(yú)缸中平穩(wěn)地移動(dòng)，也可減少清理器在水下運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力。

進(jìn)一步地，軀殼2 的頭部設(shè)有電機(jī)固定塊24，軀殼2 的中部和尾部設(shè)有曲軸組件固定塊25，電機(jī)組件11固定在電機(jī)固定塊24 上，且通過(guò)聯(lián)軸器26 與曲軸組件21 連接，曲軸組件21 通過(guò)軸承27 貫穿在中部和尾部的曲軸組件固定塊25 上，使由18 個(gè)曲拐組成的曲軸組件21 可以自由運(yùn)轉(zhuǎn)，并可帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)拔插臂自由轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)固定塊24、曲軸組件固定塊25 和軸承27 的設(shè)置也增強(qiáng)了清理器整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使得清理器運(yùn)行更加平穩(wěn)。

從設(shè)計(jì)上看，清理器采用紅外線傳感技術(shù)采集信息，并通過(guò)控制器控制電機(jī)組件11 驅(qū)動(dòng)曲軸組件21 轉(zhuǎn)動(dòng)，以帶動(dòng)兩側(cè)旋轉(zhuǎn)撥叉臂22 進(jìn)行波浪狀拍動(dòng)，模仿海扁蟲(chóng)在魚(yú)缸中自由活動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)控制器指導(dǎo)清理器移動(dòng)；在活動(dòng)過(guò)程中，曲軸組件21 承受電機(jī)傳來(lái)的動(dòng)力，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩通過(guò)曲軸輸出并驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)上其他附件工作，其傳動(dòng)形式簡(jiǎn)單，原理與工藝簡(jiǎn)單易懂，是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的部件；且曲軸組件21 受到旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力、周期變化的氣體慣性力和往復(fù)慣性力的共同作用，使曲軸組件21 能夠承受彎曲扭轉(zhuǎn)載荷的作用，因此曲軸組件21 通常有足夠的強(qiáng)度和剛度，且其軸頸表面耐磨、工作均勻、平衡性好，使得清理器在運(yùn)行過(guò)程中運(yùn)行平穩(wěn)，且實(shí)用性高。

從外觀上看，清理器模仿海扁蟲(chóng)的外形，使得清理器在魚(yú)缸中不顯得突兀，增強(qiáng)了產(chǎn)品與魚(yú)缸的一體性；且在清理器的頭部1、軀殼2 和尾部3，可以對(duì)其色彩進(jìn)行專門定制，在不影響其運(yùn)行的同時(shí)可以添加氛圍燈等，加強(qiáng)清理器的觀賞性；此外，本發(fā)明清理器也可作為玩具供兒童玩耍，增加了其附加價(jià)值。

從功用上看，軀殼2 的底部對(duì)稱設(shè)有垃圾收集盒4，垃圾收集盒4 上開(kāi)設(shè)有收集口41，垃圾收集盒4 在收集口41 處貫穿設(shè)有用于將垃圾卷進(jìn)的收卷裝置5；垃圾收集盒4 的底部設(shè)有過(guò)濾網(wǎng)格6。

具體地，如圖1 所示，收卷裝置5 包括滾刷51 和掃刷組件52，滾刷51 可拆卸式貫穿在收集口41 處，置換方便簡(jiǎn)單；滾刷51 貫穿在收集口41 處，滾刷51 的兩端分別與掃刷組件52 連接，掃刷組件52 包括掃刷馬達(dá)521 和掃刷522，掃刷522 包括轉(zhuǎn)軸，且掃刷522 通過(guò)轉(zhuǎn)軸與掃刷馬達(dá)521 連接，掃刷馬達(dá)521 驅(qū)動(dòng)掃刷522 轉(zhuǎn)動(dòng)；而轉(zhuǎn)軸的另一端設(shè)有傘齒523，滾刷51 的兩端端部均設(shè)有另一傘齒523，通過(guò)兩傘齒523 相嚙合，以使掃刷522 與滾刷51 嚙合連接，即當(dāng)控制器控制掃刷馬達(dá)521 驅(qū)動(dòng)掃刷522 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，掃刷522 會(huì)帶動(dòng)滾刷51 同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

在清理器移動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)滾刷51 模擬海扁蟲(chóng)的進(jìn)食口，而掃刷522 的刷子端位于收集口41 下方，使得掃刷522 起到輔助作用，在收集口41 下方旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生所需的吸力，將魚(yú)缸中的垃圾卷進(jìn)垃圾收集盒4 內(nèi)；在仿生海扁蟲(chóng)魚(yú)缸清理器底部設(shè)置掃刷組件52 與滾刷51相結(jié)合，加大清潔力度，使得清理更加充分，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易加工。此外，垃圾收集盒4 的底部設(shè)有過(guò)濾網(wǎng)格6；有利于將魚(yú)類糞便進(jìn)行回收利用以培植其他植物。

2 裝置的電機(jī)與材料的選取

在本設(shè)計(jì)中掃刷馬達(dá)521 采用無(wú)刷直流電機(jī)，無(wú)刷直流電機(jī)體積小、轉(zhuǎn)速高，可做到20000 ～120000 轉(zhuǎn)/min，在高速轉(zhuǎn)動(dòng)中可以產(chǎn)生1500Pa 以上的吸力，無(wú)刷直流電機(jī)的高轉(zhuǎn)速成本比有刷的要低很多，因此使用無(wú)刷直流電機(jī)是非常合適的選擇。

同時(shí)，在滾刷的選取上，滾刷51 采用目前市場(chǎng)上所運(yùn)用的清掃機(jī)器人、家用掃地機(jī)、商用掃地機(jī)等清潔產(chǎn)品中的一體式滾刷組件，其包括滾體和刷體，刷體固定連接在滾體上，不可拆卸，刷體采用植毛或者PVC 橡膠條。

在外殼的設(shè)計(jì)中，頭部1、軀殼2 和尾部3 的材料均為環(huán)保PVC 材質(zhì)；采用環(huán)保PVC 材質(zhì)，衛(wèi)生環(huán)保，堅(jiān)固耐用，而且產(chǎn)品體量較小，費(fèi)用較低。撥動(dòng)臂222 的材料為環(huán)保硅膠材質(zhì)；環(huán)保硅膠材質(zhì)的材料，其耐油性、耐熱性和耐寒性較好，延長(zhǎng)了清理器的使用壽命，且使用環(huán)保硅膠材質(zhì)的撥動(dòng)臂222 代替烏賊肉鰭，使得清理器可更加穩(wěn)定地移動(dòng)。曲軸組件21 的材料為高韌性樹(shù)脂，保證曲軸組件21 在運(yùn)動(dòng)時(shí)，其剛性足夠，轉(zhuǎn)速適當(dāng)，使得清理器能夠更加穩(wěn)定地運(yùn)行，且延長(zhǎng)其使用壽命。

3 裝置的控制方法

本裝置采用激光導(dǎo)航傳感器掃描環(huán)境，采集反射物的輪廓，利用激光的不發(fā)散性精準(zhǔn)定位清理器的位置，并將所采集的信號(hào)傳輸至控制器中。并采用超聲波距離傳感器同步采集所述反射物的位置，同時(shí)將所采集的信號(hào)傳輸至控制器中，在控制器中完成構(gòu)建清理器的清理地圖；并根據(jù)所得到的清理地圖發(fā)送控制指令，使電機(jī)組件11 和收卷裝置5 中的掃刷馬達(dá)521 啟動(dòng)運(yùn)行。控制器根據(jù)控制指令控制電機(jī)組件11 驅(qū)動(dòng)曲軸組件21 轉(zhuǎn)※※動(dòng)，以帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)撥叉臂22 轉(zhuǎn)動(dòng)，從而指導(dǎo)清理器根據(jù)所述清理地圖進(jìn)行移動(dòng)，同時(shí)，所述控制器根據(jù)控制指令控制掃刷馬達(dá)521 轉(zhuǎn)動(dòng)，以帶動(dòng)掃刷522 和滾刷51轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制清理器根據(jù)所述清理地圖對(duì)魚(yú)缸中的垃圾進(jìn)行清理。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的仿生海扁蟲(chóng)魚(yú)缸清理器，使用方便，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。在環(huán)保方面，本設(shè)計(jì)減少了化學(xué)藥劑的使用，對(duì)魚(yú)類和魚(yú)缸的水質(zhì)、生態(tài)都具有保護(hù)和促進(jìn)作用，更加環(huán)保；在外觀方面，本發(fā)明模仿海扁蟲(chóng)的外形，具有觀賞價(jià)值，可作為兒童的玩具玩耍；在功能方面，通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械原理和機(jī)械工藝實(shí)現(xiàn)模仿海扁蟲(chóng)在魚(yú)缸中自由活動(dòng)，通過(guò)掃刷組件52 和滾刷51 相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)魚(yú)缸充分清洗，其造價(jià)低廉、功能強(qiáng)大、實(shí)用性高，可以幫助養(yǎng)魚(yú)愛(ài)好者，快速有效地清理魚(yú)缸；在創(chuàng)新方面，采用紅外線傳感技術(shù)，使得清潔器可對(duì)魚(yú)缸進(jìn)行全方位、智能傳感清掃，實(shí)現(xiàn)高效率的深度清潔。