浅谈一种仿生海扁虫鱼缸清理器设计与控制方法

王大地，牟俐蓉，任晓凡，杨怡丹，白元博，朱雷

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

观赏鱼作为新型宠物的一种，现阶段拥有巨大的市场潜力，因此观赏鱼养殖所需的鱼缸和鱼缸清理的需求同步上升。我国观赏鱼鱼缸的出现已经有了较长的历史，早在15 世纪90 年代就已经有了此类产品。但是，近几个世纪以来，对于鱼缸的清理方法，依旧是人力大于机械，存在各种缺点，尚未形成自动化、标准化的鱼缸清理方法。

目前，人们通常使用净化剂以及其他化学产品对鱼缸进行清理，或采取人工进行换水、手工制作虹吸现象，或采取生物清理，例如，养殖清道夫清理鱼缸。然而，这些方法会对鱼类的健康十分不利，严重影响鱼缸的水质和生态环境，清理效果不佳，贸然使用生物方法甚至会引起外来物种入侵等环境问题。此外，目前市场上也存在一些仿生清理机器，部分仿生清理机器类似鲤鱼，呈纺锤形，表面比较光滑，但由于没有口器，因此难以吸附鱼缸中的垃圾，使得清理效果差；部分仿生清理机器类似清道夫，设置口器，当它在水中游动时，利用吸盘口器吸附在鱼缸壁上，并同时用嘴来啃食鱼缸壁上的藻类植物以及鱼缸底部的粪便，虽然清理效果良好，但是其结构十分复杂，难以设计和加工。

针对现存在的问题，本设计提出一种仿生海扁虫鱼缸清理器及其控制方法，更加环保，保护鱼类和水草植物，对鱼缸水质和生态环境起促进作用；兼具观赏价值与实用价值；结构简单，易加工，运行平稳，实现对鱼缸进行智能高效深度清理。

1 装置的原理与结构

本文参考当前引入其他物种进行生物清理观赏鱼鱼缸的方法，对机械装置进行仿生设计。以生物清理中最常用的生物——清道夫为仿生对象，当清道夫在水中游动时，会利用吸盘口器吸附在鱼缸壁上，并在吸附的同时，用嘴来啃食鱼缸壁上的藻类植物以及鱼缸底部的粪便，利用这一原理来进行鱼缸垃圾的清理。但传统的仿生鱼都类似的鲤鱼，呈纺锤形，表面比较光滑，没有口器，难以吸附，而且清道夫机械口器十分复杂，难以设计和加工。

本文所设计的一种仿生海扁虫鱼缸清理器，包括头部、躯壳和尾部，头部和尾部分别连接在所述躯壳的前后两端，其头部和尾部中均设有激光导航传感器和超声波距离传感器，头部中对称设有电机组件。在仿生海扁虫的躯壳中对称设有曲轴组件，两侧的电机组件通过联轴器与两侧所述曲轴组件连接，曲轴组件上相对连接有若干旋转拨叉臂，且两侧的若干所述旋转拨叉臂均呈波浪状设置。同时，在躯壳的底部对称设有垃圾收集盒，垃圾收集盒上开设有收集口，本设计在收集口处贯穿设有用于将垃圾卷进的收卷装置，并在垃圾收集盒的底部设有过滤网格。

具体结构图如图1 所示。

图1 仿生海扁虫鱼缸清理器具体结构

如图1 所示，头部1 中对称设有电机组件11，躯壳2 中对称设有曲轴组件21，两侧电机组件11 通过联轴器26 与两侧曲轴组件21 连接；两侧曲轴组件21 上相对连接有若干旋转拨叉臂22，且两侧的若干旋转拨叉臂22 均呈波浪状设置。由于两侧电机组件11 通过联轴器26 与两侧曲轴组件21 连接，即控制器接收到信号时可控制电机组件11 驱动曲轴组件21 转动。

在本设计中，躯壳2 中对称设有曲轴组件21，两侧曲轴组件21 上相对连接有18 个旋转拨叉臂22，即每侧曲轴组件21 上连接有9 个旋转拨叉臂22；每一曲轴组件21 包括9 组曲拐，9 组曲拐按一定角度偏角设置，如图1 所示。同时，每一旋转拨叉臂22 插接在每一曲拐上，因此当旋转拨叉臂22 均连接在曲轴组件21 上时，两侧的旋转拨叉臂22 均呈波浪状设计，每侧9 个旋转拨叉臂22 上均贯穿设有支撑转轴杆23，旋转拨叉臂22 可在曲轴组件21 的转动带动下绕支撑转轴杆23 波浪状转动。旋转拨叉臂22 包括连接杆221 和与连接杆221 连接的拨动臂222，连接杆221 位于躯壳2 中，连接杆221 的一端插接在曲拐上，另一端与拨动臂222 连接，而拨动臂222 位于躯壳2 外；其中，连接杆221 与曲拐连接的一端设有插接口，使得旋转拨叉臂22 可以即插即用，十分方便；而连接杆221 和拨动臂222 相结合的设计类似桨叶，此设计使得清理器可在鱼缸中平稳地移动，也可减少清理器在水下运动时的阻力。

进一步地，躯壳2 的头部设有电机固定块24，躯壳2 的中部和尾部设有曲轴组件固定块25，电机组件11固定在电机固定块24 上，且通过联轴器26 与曲轴组件21 连接，曲轴组件21 通过轴承27 贯穿在中部和尾部的曲轴组件固定块25 上，使由18 个曲拐组成的曲轴组件21 可以自由运转，并可带动旋转拔插臂自由转动，机固定块24、曲轴组件固定块25 和轴承27 的设置也增强了清理器整体结构的稳定性，使得清理器运行更加平稳。

从设计上看，清理器采用红外线传感技术采集信息，并通过控制器控制电机组件11 驱动曲轴组件21 转动，以带动两侧旋转拨叉臂22 进行波浪状拍动，模仿海扁虫在鱼缸中自由活动，从而实现控制器指导清理器移动；在活动过程中，曲轴组件21 承受电机传来的动力，并将其转变为转矩通过曲轴输出并驱动发动机上其他附件工作，其传动形式简单，原理与工艺简单易懂，是发动机中最重要的部件；且曲轴组件21 受到旋转质量的离心力、周期变化的气体惯性力和往复惯性力的共同作用，使曲轴组件21 能够承受弯曲扭转载荷的作用，因此曲轴组件21 通常有足够的强度和刚度，且其轴颈表面耐磨、工作均匀、平衡性好，使得清理器在运行过程中运行平稳，且实用性高。

从外观上看，清理器模仿海扁虫的外形，使得清理器在鱼缸中不显得突兀，增强了产品与鱼缸的一体性；且在清理器的头部1、躯壳2 和尾部3，可以对其色彩进行专门定制，在不影响其运行的同时可以添加氛围灯等，加强清理器的观赏性；此外，本发明清理器也可作为玩具供儿童玩耍，增加了其附加价值。

从功用上看，躯壳2 的底部对称设有垃圾收集盒4，垃圾收集盒4 上开设有收集口41，垃圾收集盒4 在收集口41 处贯穿设有用于将垃圾卷进的收卷装置5；垃圾收集盒4 的底部设有过滤网格6。

具体地，如图1 所示，收卷装置5 包括滚刷51 和扫刷组件52，滚刷51 可拆卸式贯穿在收集口41 处，置换方便简单；滚刷51 贯穿在收集口41 处，滚刷51 的两端分别与扫刷组件52 连接，扫刷组件52 包括扫刷马达521 和扫刷522，扫刷522 包括转轴，且扫刷522 通过转轴与扫刷马达521 连接，扫刷马达521 驱动扫刷522 转动；而转轴的另一端设有伞齿523，滚刷51 的两端端部均设有另一伞齿523，通过两伞齿523 相啮合，以使扫刷522 与滚刷51 啮合连接，即当控制器控制扫刷马达521 驱动扫刷522 转动时，扫刷522 会带动滚刷51 同步转动。

在清理器移动过程中，通过滚刷51 模拟海扁虫的进食口，而扫刷522 的刷子端位于收集口41 下方，使得扫刷522 起到辅助作用，在收集口41 下方旋转产生所需的吸力，将鱼缸中的垃圾卷进垃圾收集盒4 内；在仿生海扁虫鱼缸清理器底部设置扫刷组件52 与滚刷51相结合，加大清洁力度，使得清理更加充分，且结构简单，易加工。此外，垃圾收集盒4 的底部设有过滤网格6；有利于将鱼类粪便进行回收利用以培植其他植物。

2 装置的电机与材料的选取

在本设计中扫刷马达521 采用无刷直流电机，无刷直流电机体积小、转速高，可做到20000 ～120000 转/min，在高速转动中可以产生1500Pa 以上的吸力，无刷直流电机的高转速成本比有刷的要低很多，因此使用无刷直流电机是非常合适的选择。

同时，在滚刷的选取上，滚刷51 采用目前市场上所运用的清扫机器人、家用扫地机、商用扫地机等清洁产品中的一体式滚刷组件，其包括滚体和刷体，刷体固定连接在滚体上，不可拆卸，刷体采用植毛或者PVC 橡胶条。

在外壳的设计中，头部1、躯壳2 和尾部3 的材料均为环保PVC 材质；采用环保PVC 材质，卫生环保，坚固耐用，而且产品体量较小，费用较低。拨动臂222 的材料为环保硅胶材质；环保硅胶材质的材料，其耐油性、耐热性和耐寒性较好，延长了清理器的使用寿命，且使用环保硅胶材质的拨动臂222 代替乌贼肉鳍，使得清理器可更加稳定地移动。曲轴组件21 的材料为高韧性树脂，保证曲轴组件21 在运动时，其刚性足够，转速适当，使得清理器能够更加稳定地运行，且延长其使用寿命。

3 装置的控制方法

本装置采用激光导航传感器扫描环境，采集反射物的轮廓，利用激光的不发散性精准定位清理器的位置，并将所采集的信号传输至控制器中。并采用超声波距离传感器同步采集所述反射物的位置，同时将所采集的信号传输至控制器中，在控制器中完成构建清理器的清理地图；并根据所得到的清理地图发送控制指令，使电机组件11 和收卷装置5 中的扫刷马达521 启动运行。控制器根据控制指令控制电机组件11 驱动曲轴组件21 转※※动，以带动旋转拨叉臂22 转动，从而指导清理器根据所述清理地图进行移动，同时，所述控制器根据控制指令控制扫刷马达521 转动，以带动扫刷522 和滚刷51转动，从而控制清理器根据所述清理地图对鱼缸中的垃圾进行清理。

4 结语

本文设计的仿生海扁虫鱼缸清理器，使用方便，设计简单。在环保方面，本设计减少了化学药剂的使用，对鱼类和鱼缸的水质、生态都具有保护和促进作用，更加环保；在外观方面，本发明模仿海扁虫的外形，具有观赏价值，可作为儿童的玩具玩耍；在功能方面，通过简单的机械原理和机械工艺实现模仿海扁虫在鱼缸中自由活动，通过扫刷组件52 和滚刷51 相结合实现对鱼缸充分清洗，其造价低廉、功能强大、实用性高，可以帮助养鱼爱好者，快速有效地清理鱼缸；在创新方面，采用红外线传感技术，使得清洁器可对鱼缸进行全方位、智能传感清扫，实现高效率的深度清洁。