一种绳索驱动的刚柔耦合子母嵌套折叠式生态养殖网箱的制作方法

本发明属于海洋养殖工程装备技术领域，涉及一种海洋生态养殖网箱，特别涉及一种绳索驱动的刚柔耦合子母嵌套折叠式生态养殖网箱。

背景技术：

海水养殖是水产业的重要组成部分。中国海水养殖历史悠久，早在汉代之前，就进行牡蛎养殖，宋代发明了养殖珍珠法。中华人民共和国成立后，我国海水养殖发展迅速，海带、紫菜、贻贝和对虾等主要经济品种的发展尤为突出，带动了沿海经济的发展，成为沿海地区的一大产业。按照国际统计标准计算，目前中国已经成为海水养殖第一大国。

随着社会的进步和经济的不断发展，浅海网箱养殖虽然具有投入少和见效快的特点，但其较低的经济效益和发展的无序也极大地影响了其进一步发展。当下，海水养殖正在一步步由浅海走向深海，由于深海区域水质好，几乎无污染，而且海水流动大，鱼苗存活率高，深海网箱所饲养的鱼类都是绿色无公害的，市场前景好。深海海水养殖日益成为了海水养殖行业的发展方向，此外其对拓展养殖海域、减轻环境压力、保护调节海洋养殖品种结构具有重要意义。

而深海海水养殖相比于浅海海水养殖，由于其处于深海，环境更为恶劣，其对网箱的抗风浪能力及自动化要求更高。虽然行业内出现了很多深海养殖网箱，但其多为一体式设计，网箱加工装配完成后体积庞大、结构固定，当需要对网箱进行运输、起捕及清理等作业时，需配套专用工船等设备，使用成本过高，不利于深海网箱养殖推广，此外，目前的深海网箱养殖区域划分单一，无法满足水产品多样化养殖需求，不便于集中化管理，养殖效率低下，这也极大地限制了网箱养殖的推广。

因此，开发一种折叠性好、使用成本低且养殖区域划分较多能满足水产品多样化养殖需求的深海养殖网箱极具现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术体积庞大、结构固定、使用成本高且养殖区域划分单一、无法满足水产品多样化养殖需求的缺陷，提供一种折叠性好、使用成本低且养殖区域划分较多能满足水产品多样化养殖需求的深海养殖网箱。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种绳索驱动的刚柔耦合子母嵌套折叠式生态养殖网箱，包括嵌套折展子母式网箱框架和一个或多个浮力装置；

所述嵌套折展子母式网箱框架包括母网箱和子网箱，母网箱内布置有一个或多个子网箱；

所述母网箱包括母框架和网箱折展驱动机构，所述母框架包括上层框架和下层框架，所述上层框架和下层框架尺寸形状相同且相互平行，为三重对称bricard机构，所述网箱折展驱动机构位于上层框架和下层框架之间，所述网箱折展驱动机构包括一中心立柱、滑座、与滑座连接的驱动杆和绳索，所述中心立柱垂直于所述上层框架所在平面，所述中心立柱上套装有两滑座，滑座与上层框架及下层框架通过驱动杆连接，其中一驱动杆与闭环绳索的两端连接，闭环绳索中部与中心立柱连接，通过控制闭环绳索即可使得驱动杆转动，在驱动杆的带动下上层框架和下层框架同步在轴向及径向上进行折叠进而实现母网箱的折展；

所述子网箱包括子框架，子框架为平面折叠机构，通过折叠所述子框架调整子网箱的容积；

所述浮力装置与母网箱连接，用于为嵌套折展子母式网箱框架提供浮力。

本发明的一种绳索驱动的刚柔耦合子母嵌套折叠式生态养殖网箱，以三重对称bricard机构为框架，利用三重对称bricard机构以三对称面交线为折展中轴线的特性构建网箱折展驱动机构，通过控制网箱折展驱动机构中的闭环绳索即可使得驱动杆转动(一侧绳索伸缩，一侧绳索放长，驱动杆顺时针(逆时针)转动，母框架收拢(展开))进而实现母网箱的折展。一方面，以三重对称bricard机构为框架，母网箱整体结构稳定性好，另一方面，母网箱的折叠性好(折叠后包络体积小，方便运输)且折叠操作方便，采用该种结构母网箱为主体的刚柔耦合子母嵌套折叠式生态养殖网箱的使用成本低，同时，本发明的生态养殖网箱能够通过子网箱合理划分养殖空间，形成多个独立空间养殖，实现多物种集中化低成本生态共同体养殖，极具应用场景。

本发明的母框架的折展，一方面是通过网箱折展驱动机构带动上下层框架的三重对称bricard机构在空间上进行的折展(折展在轴(纵)向及径(横)向上同时进行)，另一方面是网箱折展驱动机构的两滑座相互靠近，对母框架在轴向上进行了进一步的折展。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种绳索驱动的刚柔耦合子母嵌套折叠式生态养殖网箱，所述上层框架与下层框架间还通过钢丝绳(可收放，通过绞盘控制收放)连接在一起；所述上层框架和下层框架外套有母网衣，母网衣包括六张侧面矩形网衣和一张底部正六边形网衣，其采用绳结或搭扣的方式固定在上层框架和下层框架上，母网衣的设置能够有效保证养殖网箱地密封性和安全性，母网箱上部不连接网衣，便于养殖户投放饲料捕捞，方便养殖。本发明的上层框架与下层框架间的钢丝绳能够保证上下层框架在轴(纵)向上进行一定的柔性伸缩(网箱的轴(纵)向折展)。

如上所述的一种绳索驱动的刚柔耦合子母嵌套折叠式生态养殖网箱，所述上层框架为六根框架连杆首尾通过转动副依次连接而成的正六边形结构，一滑座连有三根驱动杆，驱动杆与转动副连接，驱动杆顺时针转动过程中，上层框架由正六边形结构逐渐变成三角形结构，最终完全收拢成六杆平行成束状态。三重对称bricard机构是一种单自由度过约束机构，驱动任意驱动连接杆即可使网箱折展，一方面，具有较好的结构刚度以适应复杂海洋环境，另一方面，通过单驱动即可实现网箱折展，降低驱动难度，能够简化其结构，降低成本。

母框架的折展过程(折叠状态→展开状态)如下：

上层框架由六杆平行(折叠状态)展开至平面正六边形，展开的同时，下层框架沿中心立柱向下移动展开，直至下层框架展开至平面正六边形，此时即形成正六边形网箱。

如上所述的一种绳索驱动的刚柔耦合子母嵌套折叠式生态养殖网箱，所述框架连杆上开有用于安装子框架的子框架安装孔，子框架通过销轴固定在框架连杆上的子框架安装孔上，该设计能够使得子框架随母框架同步展收，子框架随母框架收拢时自适应变形，不干涉母框架折展，当母框架展开时，通过柔性铰链的回复作用重新展开，钢丝绳在重力作用下，受张力作用刚性化，与水平框架形成刚性多面体，可收放钢丝绳由绞盘驱动实现纵向展出；

框架连杆远离框架侧设有连接环；

所述浮力装置与上层框架的连接环连接。

如上所述的一种绳索驱动的刚柔耦合子母嵌套折叠式生态养殖网箱，所述网箱折展驱动机构包括中心立柱、滑座、驱动杆和驱动电机；

所述驱动电机安装在中心立柱上，所述驱动杆一端与滑座连接，另一端通过万向节与上层框架或下层框架连接，所述滑座及与之连接的驱动杆对称布置在中心立柱的两端，一驱动杆上分别设有第一绳索固定端和第二绳索固定端，所述闭环绳索依次与第一绳索固定端、驱动电机及第二绳索固定端连接，通过控制驱动电机即可调整闭环绳索的长短带动驱动杆转动在空间上折叠母框架进而实现母网箱的折展。

如上所述的一种绳索驱动的刚柔耦合子母嵌套折叠式生态养殖网箱，所述子框架呈环状，主要由多个组件首尾连接而成，组件包括柔性铰链和刚性空心管型材，通过折叠或伸展柔性铰链可改变子框架的截面积即子框架进行平面折叠进而调整子网箱的容积。子框架为平面柔顺折叠装置，其安装在上层框架或下层框架上，随着母框架一同折展。当母框架收拢时，子框架依靠自身柔性变形随母框架机构收拢到六杆平行，母框架展开后其通过柔性铰链的回复作用展开，实现柔性铰链小位移驱动子网箱的大范围折展。本发明通过柔性铰链小范围变形使子网箱实现大范围折展。本发明通过子框架的平面折展、母框架的空间折展及上下层框架间的钢丝绳赋予母框架的轴(纵)向折展相互配合完成子母嵌套折叠，折叠幅度大，操作简单，应用场景好。

如上所述的一种绳索驱动的刚柔耦合子母嵌套折叠式生态养殖网箱，所述子网箱包括分别位于上层框架和下层框架对应位置的子框架，所述子框架外套有子网衣，其采用绳结或搭扣的方式固定在子框架上，子网衣的设置能够将母网箱内的空间分割为多个相互独立的空间，以满足水产品多样化养殖的需求，同时子网箱上部不连接网衣，便于养殖户投放饲料捕捞，方便养殖。

如上所述的一种绳索驱动的刚柔耦合子母嵌套折叠式生态养殖网箱，所述浮力装置包括柔性蒙皮和与之相连的支撑机构，所述支撑机构由两个伞式结构对称倒扣连接而成，通过调整伞式结构的展开角度改变柔性蒙皮所围成空间的体积，进而控制产生浮力的大小。

如上所述的一种绳索驱动的刚柔耦合子母嵌套折叠式生态养殖网箱，所述支撑机构包括中柱，所述中柱的一端设置有第一固定端，另一端依次穿过第一滑动件、第二滑动件和第二固定端，所述第一滑动件和第二滑动件均能沿中柱的轴向滑动；

所述第一固定端和第二固定端上均匀设置有相同数量的n个支撑杆，所述第一固定端的n个支撑杆的端部与第二固定端上对应位置的支撑杆的端部通过连接件转动连接；

所述第一滑动件和第二滑动件上均匀设置有相同数量的n个驱动连接杆，所述第一滑动件的n个驱动连接杆的端部与第一固定端对应位置的支撑杆的杆部连接，所述第二滑动件的n个驱动连接杆的端部与第二固定端对应位置的支撑杆的杆部连接。

如上所述的一种绳索驱动的刚柔耦合子母嵌套折叠式生态养殖网箱，还包括一个或多个锚定装置，所述锚定装置用于通过自身重力将网箱固定在养殖海域，其包括重力锚体、锁链和法向承力构件，所述重力锚体通过多根锁链与法向承力构件的一端连接，所述法向承力构件的另一端通过锁链与下层框架上各框架连杆的连接环相连。

有益效果：

(1)本发明的一种绳索驱动的刚柔耦合子母嵌套折叠式生态养殖网箱，将折展理念引入到网箱设计中，采用六边形三重对称bricard机构及平面柔顺机构、可收放钢丝绳组合成为网箱框架，子框架折展自适应调节子网箱养殖容积，母框架机构折展带动网箱整体折展，网箱完全收拢时具有较小的包络体积，便于网箱的运输；网箱完全展开结构稳定、抗风浪性强，为养殖鱼类提供稳定饲养环境，且机构为单自由度，便于驱动；

(2)本发明的一种绳索驱动的刚柔耦合子母嵌套折叠式生态养殖网箱，采用子母式网箱设计，通过在母网箱内安装多个子网箱，将养殖网箱内部空间划分，实现生态养殖区域组合，利于提高鱼类的养殖产量及养殖品种，实现集中化管理，降低人工饲养成本，提高经济效益；

(3)本发明的一种绳索驱动的刚柔耦合子母嵌套折叠式生态养殖网箱，根据三重对称bricard机构的运动特性—即机构三对称面始终交于一条定直线，以定直线为对称折展中轴线，六个转动副轴线三三交于一点且在折展中轴线上运动，构建网箱折展驱动机构；采用闭环绳索驱动，通过电机正反向转动带动驱动杆转动实现网箱折展；闭环绳索驱动系统(闭环绳索+驱动电机)传递作用力均匀，具备良好驱动柔性，系统整体质量轻，力的传递距离远，满足网箱展收驱动的要求。

附图说明

图1为本发明的绳索驱动的刚柔耦合子母嵌套折叠式生态养殖网箱的结构示意图；

图2为本发明的折叠式生态养殖网箱拆除网衣后母框架机构正六边形展开状态示意图；

图3为本发明的折叠式生态养殖网箱拆除网衣后母框架机构纵向收拢状态示意图；

图4为本发明的折叠式生态养殖网箱拆除网衣后母框架机构由正六边形状态收拢至三角形状态示意图；

图5为本发明的折叠式生态养殖网箱拆除网衣后母框架机构完全收拢状态示意图；

图6～8分别为本发明的上层框架或下层框架折展过程的示意图；

图9～10分别为本发明的子框架折叠过程的示意图；

图11为本发明的网箱折展驱动机构的示意图；

图12～14分别为本发明的网箱折展驱动机构的闭环绳索驱动示意图；

图15为本发明的浮力装置的示意图；

图16为本发明的锚定装置的示意图；

图17和18分别为本发明的母网衣和子网衣的示意图；

其中，1-嵌套折展子母式网箱框架，2-浮力装置，3-锚定装置，4-网衣，11-母框架，12-子框架，13-网箱折展驱动机构，14-钢丝绳，21-柔性蒙皮，22-支撑机构，31-法向承力构件，32-锁链，33-重力锚体，41-母网衣，42-子网衣，111-框架连杆，112-转动副，113-子框架安装孔，114-连接环，121-柔性铰链，122-刚性空心管型材，131-中心立柱，132-滑座；133-驱动杆，134-万向节，135-驱动电机，136-第一绳索固定端，137-第二绳索固定端。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步阐述。

一种绳索驱动的刚柔耦合子母嵌套折叠式生态养殖网箱，如图1所示，包括嵌套折展子母式网箱框架1、浮力装置2、锚定装置3及网衣4；

如图2～5所示，嵌套折展子母式网箱框架1包括母网箱和子网箱，母网箱内布置有多个子网箱；

母网箱包括母框架11和网箱折展驱动机构13，母框架包括上层框架和下层框架，上层框架与下层框架间还通过钢丝绳14连接在一起，上层框架和下层框架尺寸形状相同且相互平行，为三重对称bricard机构，网箱折展驱动机构13位于上层框架和下层框架之间；

上层(下层)框架具体为六根框架连杆111首尾通过转动副112依次连接而成的正六边形结构，框架连杆111上开有用于安装子框架的子框架安装孔113，子框架12通过销轴固定在框架连杆111上的子框架安装孔113上，框架连杆远离框架侧设有连接环114，浮力装置与上层框架的连接环114连接；

网箱折展驱动机构13如图11所示，包括一中心立柱131、滑座132、与滑座132连接的驱动杆133和驱动电机135；

驱动电机135安装在中心立柱131上，中心立柱131垂直于上层框架所在平面，中心立柱131上套装有两滑座132，滑座132与上层框架及下层框架通过驱动杆133连接，一滑座132连有三根驱动杆133；

驱动杆133一端与滑座132连接，另一端通过万向节与上层框架或下层框架连接，一驱动杆133上分别设有第一绳索固定端136和第二绳索固定端137，闭环绳索依次与第一绳索固定端136、驱动电机135及第二绳索固定端137连接，通过控制驱动电机135转动即可调整绳索的长短带动驱动杆133运动使得母框架11空间折展，进而实现母网箱的折展，驱动杆133顺时针转动时，母框架11由正六边形结构逐渐变成三角形结构，最终完全收拢成六杆平行成束状态；

母网箱的折展过程如图2～5所示，母网箱折展过程主要有以下几个形态：正六边形完全展开状态、上下层框架纵向收拢状态、三角形收拢过度状态和六杆平行完全收拢状态，折展过程中上层框架或下层框架折展过程如图6～8所示，网箱折展驱动机构的闭环绳索驱动过程如图12～14所示，具体为驱动电机135顺时针转动时，第一绳索固定端136一侧绳索收缩，137一侧绳索放长，驱动杆133顺时针转动，母框架11收拢；反之，母框架11展开；

当网箱完全展开时，上下层框架同时展开，其中框架连杆111展开到平面正六边形状态，子框架展开到图10状态，母网衣41和子网衣42展开至图17和图18，上下层框架开到平面状态，下层框架通过钢丝绳释放沿中心立柱131向下移动，实现纵向展开，展开到位后机构锁定形成稳定网箱结构，此时网箱完全展开如图2所示；网箱收拢时，钢丝绳14通过绞盘带动下层框架向上移动，实现网箱纵向折叠，该过程框架连杆111还为平面正六边形状态，其纵向折叠后的网箱如图3所示；网箱由纵向折叠状态运动到完全收拢状态时，网箱折展驱动机构13通过驱动杆134带动母框架11及子框架12向中心立柱131折叠，在这过程中，框架连杆111的形态首先由平面正六边形状态(如图3所示)收拢至三角形状态(如图4所示)，再由三角形过度状态(如图4所示)收拢至六杆平行完全收拢状态(如图5所示)；当网箱完全收拢时，框架连杆111收拢到六杆平行成一束状态，此时网箱具有最小的包络体积；

子网箱包括分别安装在上层框架和下层框架对应位置的子框架，子框架如图9～10所示，呈环状，主要由多个组件首尾连接而成，组件包括柔性铰链121和刚性空心管型材122，通过折叠或伸展柔性铰链121可改变子框架12的截面积进而调整子网箱的容积；

浮力装置2如图15所示，包括柔性蒙皮21和与之相连的支撑机构22，支撑机构由两个伞式结构对称倒扣连接而成，通过调整伞式结构的展开角度改变柔性蒙皮所围成空间的体积，进而控制产生浮力的大小，其具体包括中柱，中柱的一端设置有第一固定端，另一端依次穿过第一滑动件、第二滑动件和第二固定端，所述第一滑动件和第二滑动件均能沿中柱的轴向滑动；

第一固定端和第二固定端上均匀设置有相同数量的n个支撑杆，第一固定端的n个支撑杆的端部与第二固定端上对应位置的支撑杆的端部通过连接件转动连接；

第一滑动件和第二滑动件上均匀设置有相同数量的n个驱动连接杆，第一滑动件的n个驱动连接杆的端部与第一固定端对应位置的支撑杆的杆部连接，第二滑动件的n个驱动连接杆的端部与第二固定端对应位置的支撑杆的杆部连接；

锚定装置3如图16所示，用于通过自身重力将网箱固定在养殖海域，其包括重力锚体33、锁链32和法向承力构件31，重力锚体33通过多根锁链32与法向承力构件31的一端连接，法向承力构件31的另一端通过锁链32与下层框架上各框架连杆的连接环相连；

上层框架和下层框架外套有如图17所示的母网衣41，母网衣41包括六张侧面矩形网衣和一张底部正六边形网衣，其采用绳结或搭扣的方式固定在上层框架和下层框架上；子框架12外套有如图18所示的子网衣42，其采用绳结或搭扣的方式固定在子框架上，利用子母框架将网衣支撑起一定的形状，使网衣能够随框架同步展收，同时网箱框架为网衣提供支撑，使网箱能够抵抗相对应程度的海上风浪。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应该理解，这些仅是举例说明，在不违背本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。