CN102445358B

CN102445358B - 模块化多功能智能水下取样器

Info

Publication number: CN102445358B
Application number: CN 201110326547
Authority: CN
Inventors: 吴小辉; 葛彤; 刘建民; 庄广胶; 吴超
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2031-10-25
Also published as: CN102445358A

Abstract

一种模块化多功能智能水下采样器，其包括密封筒体、上端盖、下端盖、电气插头、对接盘、模块化液缸式液体取样器、模块化抓斗式取样器、水下摄像头、水下灯和控制模块，其中：下端盖封闭于密封筒体的下端，模块化液缸式液体取样器、模块化抓斗式取样器和水下摄像头固定在下端盖上，水下灯固定在密封筒体外侧，上端盖封闭于密封筒体的上端，对接盘固定在上端盖上，电气插头穿过对接盘和上端盖与密封筒内的控制模块相连，控制模块镶嵌固定在模块化液缸式液体取样器和模块化抓斗式取样器与密封筒体之间的空间内，并且以线路与该两取样器的驱动电机以及水下摄像头相连。本发明具有结构模块化和功能多样化的优点，能够搭载在水下潜器上完成多种取样任务。

Description

模块化多功能智能水下取样器

技术领域

本发明涉及的是一种海洋探测技术领域的取样器，尤其涉及的是一种模块化多功能集成的智能水下取样器。

背景技术

近年来，随着各种海洋科学研究与海洋资源开发利用的不断深入，如何快速、方便和有效地对海洋地质、水质环境进行调查取样，以获得第一手的海洋科学研究样品，全面了解特定海域的情况，成为了当务之急。在水下取样技术中，如何在一个取样器上集成多种采样功能并使之智能化就是一项全新的技术，也是一项有重要意义的工作。传统的取样方法主要有：托网式、抓斗式、冲击式、压差式、冲击振动式、回转式、液缸(活塞)式等等，其主要特点是对采集样品的针对性强，无法对采样过程进行实时监控，取样器的智能水平不高，系统集成度低，对工作母船依赖性大，取样效率低。另外，随着工作水深的加大，取样的难度也逐渐加大，受温度、海风与海流等的限制，在很多海域的调查取样工作将不能展开。

目前各种独立的取样技术在海洋探测调查领域已经得到了非常广泛应用，在海洋调查、海洋资源勘探等方面取得了很大的成功，如何将这些功能单一的水下取样技术进行集成，并提高其智能水平，使之能在陌生复杂的水下环境中采集多种样品是一项非常迫切的任务。

经对现有技术的检索发现，在中国文献《地质情报科技》第一期(2001年3月)上，补家武等发表了《海底取样技术介绍之一——五》，该文详细介绍了国内外各种形式的独立取样器，还对海底取样技术的分类，发展做了较详细的阐述。在《地质装备》第10卷第四期(2009年8月)上，耿雪樵等发表了《我国海底取样设备的现状与发展趋势》对各种常规海底取样设备做了详细的介绍，详尽的阐述了我国海底取样设备的现状与发展趋势。但是实际工程中，在较深的陌生复杂的水域，智能水平较低的独立取样设备取样效率很低、功能单一，无法满足海洋探测研究的要求，另外目前各种独立的取样器对工作母船依赖性大，受温度、海风与海流等因素影响较大的问题目前尚无法有效地解决。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在水下机器人上搭载的模块化多功能智能水下取样器，其能够使操作人员在水面的母船上通过操作台或者根据自身设定的程序方便地实现水下多种形式的采样，并对采样过程进行实时监控，从而在大大提高采样效率的同时，减小了对工作母船的依赖性，为高质量地完成水下采样工作奠定了良好的基础。

为实现以上目的，本发明通过如下技术方案解决其技术问题：

一种模块化多功能智能水下采样器，其包括密封筒体、上端盖、下端盖、电气插头、对接盘、模块化液缸式液体取样器、模块化抓斗式取样器、水下摄像头、水下灯和控制模块，其中：下端盖封闭于密封筒体的下端，模块化液缸式液体取样器、模块化抓斗式取样器和水下摄像头固定在下端盖上，水下灯固定在密封筒体外侧，上端盖封闭于密封筒体的上端，对接盘固定在上端盖上，电气插头穿过对接盘和上端盖与密封筒内的控制模块相连，控制模块镶嵌固定在模块化液缸式液体取样器和模块化抓斗式取样器与密封筒体之间的空间内，并且以线路与该模块化液缸式液体取样器和模块化抓斗式取样器的驱动电机以及水下摄像头相连。

本发明所述模块化多功能智能水下采样器的模块化液缸式液体取样器包括驱动电机、齿轮组、电机板、压盖、筒体、丝杆、补压管、螺母、活塞、端盖、单向阀、过滤头和补压水过滤头，其中：压盖和端盖分别封闭于筒体的上端和下端，丝杆通过轴承安装在压盖上，螺母旋接在该丝杆上，筒体内壁开设有定位槽，螺母上设置有与该定位槽滑动配合的凸部，活塞固定连接于该螺母上且与螺母一起由丝杆带动在筒体内腔中上下直线运动，电机板固定于压盖之上，驱动电机固定于该电机板上，该驱动电机通过齿轮组连接丝杆且驱动丝杆旋转，补压管连接于筒体侧壁且连通筒体内腔，补压水过滤头连接于该补压管的端部，单向阀连接于端盖之下且连通筒体内腔，过滤头连接于该单向阀的端部，在所述筒体、活塞、压盖和丝杆上设置有O型密封圈；所述模块化抓斗式取样器包括驱动电机、齿轮组、支座、支架、四撑杆、传动轴、传动块和两抓斗，其中：四撑杆上端铰接于支架之下，下端分别铰接两抓斗，该两抓斗对称地铰接于传动块上，支座固定在支架之上，该支座内固定有螺母，传动轴旋接在该螺母上，传动块固定于该传动轴下端并随传动轴一起上下直线运动，驱动电机固定于支座上，该驱动电机通过齿轮组连接传动轴且驱动传动轴旋转，在所述支架与传动轴之间设置有O型密封圈；所述电气插头的数量为6件；所述水下灯带有电池且数量为4个。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明所述取样器同时设置有液缸式液体取样器和抓斗式取样器，达到了功能的多样化，而且取样器各个结构部分都是模块化的，因此可以很方便地对取样器进行适当的改造，使之能够搭载在水下潜器上同时完成固体、液体等多种取样任务；此外，所述模块化多功能智能水下采样器设置有电气插头、水下摄像头、水下灯和控制模块，可以使操作人员在水面的母船上通过操作台或者根据自身设定的程序方便地实现水下多种形式的采样，并对采样过程进行实时监控，从而在大大提高采样效率的同时，减小了对工作母船的依赖性，为高质量的完成水下采样工作奠定了良好的基础。因而，本发明实现了结构模块化和功能多样化，在海洋探测和调查领域有着极为广阔的发展前景。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。

图2是本发明的仰视图。

图3是本发明模块化液缸式液体取样器的结构示意图。

图4是本发明模块化液缸式液体取样器的工作状态示意图。

图5是本发明模块化抓斗式取样器的结构示意图。

图6是本发明模块化抓斗式取样器的工作状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提下给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例。

如图1和图2所示，本发明所述的模块化多功能智能水下采样器包括密封筒体5、上端盖3、下端盖6、六件电气插头1、对接盘2、模块化液缸式液体取样器(又称模块化活塞式液体取样器)4、模块化抓斗式取样器9、水下摄像头8、四个水下灯10和控制模块11。所述下端盖6封闭地盖置于所述密封筒体5的下端，所述模块化液缸式液体取样器4、模块化抓斗式取样器9和水下摄像头8均固定在该下端盖6上，所述四个水下灯10均匀地固定在所述密封筒体5的外侧壁周围并且都自带有电池，所述上端盖3封闭地盖置于所述密封筒体5的上端，所述对接盘2固定在所述上端盖3上，所述六件电气插头穿过该对接盘2和上端盖3，并与密封筒5内的控制模块11相连，该控制模块11镶嵌固定在所述模块化液缸式液体取样器4和模块化抓斗式取样器9与密封筒体5内壁之间的空间内，并以线路与所述模块化液缸式液体取样器4和模块化抓斗式取样器9的驱动电机以及水下摄像头8相连。

再如图3和图4所示，本发明的模块化液缸式液体取样器包括驱动电机a3、齿轮组a5、电机板a6、压盖a7、筒体a2、丝杆a4、补压管a8、螺母a9、活塞a10、端盖a11、单向阀a1、过滤头a12和补压水过滤头7。所述筒体a2的下部固定于所述下端盖6上，所述压盖a7封闭地盖置于所述筒体a2的上端，所述端盖a11封闭地盖置于所述筒体a2的下端，从而在筒体a2内形成封闭的内腔，该内腔的下部为补压水舱a13。所述丝杆a4通过轴承安装在该压盖a7上，所述螺母a9旋接在该丝杆a4上，所述筒体a2的内壁开设有定位槽，该螺母a9上设置有与该定位槽滑动配合的凸部，所述活塞a10通过连接件固定连接于该螺母a9上，并且与螺母a9一起由丝杆a4带动在筒体a2的内腔中上下直线运动。所述电机板a6固定于所述压盖a7之上，所述驱动电机a3固定于该电机板a6上，该驱动电机a3通过齿轮组a5连接丝杆a4，并且驱动该丝杆a4旋转。所述补压管a8连接于所述筒体a2的侧壁上，并且连通该筒体a2的内腔，所述补压水过滤头7连接于该补压管a8的端部，并且固定于所述下端盖6上。所述单向阀a1连接于所述端盖a11之下且伸出所述密封筒体5之外，该单向阀a1连通筒体a2的内腔，所述过滤头a12连接于该单向阀a1的端部。在所述筒体a2、活塞a10、压盖a7和丝杆a4上设置有O型密封圈。采样工作时，驱动电机a3的旋转运动通过丝杆a4、螺母a9和筒体a2上的定位槽转化成螺母a9的上下直线运动，与螺母a9相固连的活塞a10在筒体a2的补压水舱a13中向上移动(见图4)，从而产生压力差来吸取液体样品，采集到的液体样品通过过滤头a12和单向阀a1进入模块化液缸式液体取样器。这样的结构使得整个装置不会因为将液体样品抽入模块化液缸式液体取样器而使其自身的重力、浮力发生太大的变化，有利于整个系统的平稳工作。补压水舱a13与补压管a8使得取样时活塞a10两侧的压力始终保持均衡，提高了采样系统的采样效率和可靠性。

再如图5和图6所示，所述模块化抓斗式取样器包括驱动电机b4、齿轮组b6、支座b5、支架b3、四个撑杆b7、传动轴b8、传动块b2和两瓣抓斗b1。所述四撑杆b7二二分开设置在支架b3的两侧，该撑杆b7的上端铰接于支架b3之下，下端分别铰接两抓斗b1，该两抓斗b1对称地铰接于所述传动块b2上。所述支架b3固定在所述下端盖6上，所述两抓斗b1、四撑杆b7和传动块b2位于所述密封筒体5之外。所述驱动电机b4、齿轮组b6以及支座b5设置在密封筒体5的内部，所述支座b5固定在支架b3之上，该支座b5内固定有螺母，所述传动轴b8上设有螺纹且旋接在该螺母上，所述传动块b2固定于该传动轴b8下端并随传动轴b8一起上下直线运动。所述驱动电机b4固定于支座b5上，该驱动电机b4通过齿轮组b6连接传动轴b8且驱动传动轴b8旋转。在所述支架b3与传动轴b8之间设置有O型密封圈，以达到密封效果。采样工作时，驱动电机b4的旋转运动通过传动轴b8以及设置在支座b5上的螺母转化成传动轴b8和传动块b2的上下直线运动，在传动块b2的带动下，两抓斗b1通过打开与收拢的动作完成固体样本的采集。这样的结构可以使两抓斗b1在驱动电机b4的驱动下很好的完成固体样品的采集，同时通过下端盖6上的水下摄像头8，系统可以有效地对采样过程进行实时监控。

本发明所述的模块化多功能智能水下采样器在工作前，先将该取样器的对接盘2与水下自重构机器人(USS)的主动盘相互对接，以将取样器固定在水下自重构机器人上，并通过其六个电气插头1与USS模块进行能量与信息的交流；再将模块化抓斗式取样器9的两抓斗b1处于张开的预备取样状态(见图6)，将模块化液缸式液体取样器4筒体a2的补压水舱a13灌满补压水，活塞a10处于筒体a2最下端的预备取样状态(见图3)。采集液体样本时，由USS将所述的模块化多功能智能水下采样器带至预定取样海域，通过该取样器上的水下摄像头8观察情况，在合适的位置命令模块化液缸式液体取样器4的电机a3驱动活塞a10向上移动，将补压水通过补压管a8和过滤头7排到海中，同时活塞a10向上移动，在单向阀a1两侧制造压力差，在该压力差的作用下，液体样本通过过滤头a12和单向阀a1进入筒体a2，完成液体样本的采集。采集固体样本时，由USS将所述的模块化多功能智能水下采样器带至预定取样处，通过该取样器上的水下摄像头8观察海底的情况，在合适的位置将抓模块化抓斗式取样器9的两抓斗b1插入到海底预定深度，之后命令模块化抓斗式取样器9的驱动电机b4带动传动轴b8和传动块b2向上运动，进而带动两抓斗b1相互靠近，最终完全闭合，将固体样本保存在抓斗内，完成固体样本的采集。完成任务后所述的模块化多功能智能水下采样器与USS一起浮出水面，被回收到母船的甲板上，此时旋开模块化液缸式液体取样器4底端的单向阀a1，再命令驱动电机a3带动活塞a10向下移动，就会放出液体样本；之后命令模块化抓斗式取样器9的驱动电机b4带动传动轴b8和传动块b2向下移动，就会打开两抓斗b1，放出固体样本；将样本放在特殊的容器里做好标记送到实验室，就可以获得海洋科学第一手的研究资料。将样品处理完成后，整个装置随USS至下一个取样点进行取样。

所述模块化多功能智能水下采样器结构的各个部分都是模块化的，通过对其进行适当的改造，就能够使其很方便地搭载在各种水下潜器上完成多种取样任务。

Claims

1.一种模块化多功能智能水下采样器，其特征在于：所述水下采样器包括密封筒体、上端盖、下端盖、电气插头、对接盘、模块化液缸式液体取样器、模块化抓斗式取样器、水下摄像头、水下灯和控制模块，其中：下端盖封闭于密封筒体的下端，模块化液缸式液体取样器、模块化抓斗式取样器和水下摄像头固定在下端盖上，水下灯固定在密封筒体外侧，上端盖封闭于密封筒体的上端，对接盘固定在上端盖上，电气插头穿过对接盘和上端盖与密封筒体内的控制模块相连，控制模块镶嵌固定在模块化液缸式液体取样器和模块化抓斗式取样器与密封筒体之间的空间内；所述模块化液缸式液体取样器包括驱动电机、齿轮组、电机板、压盖、筒体、丝杆、补压管、螺母、活塞、端盖、单向阀、过滤头和补压水过滤头，其中：压盖和端盖分别封闭于筒体的上端和下端，丝杆通过轴承安装在压盖上，螺母旋接在该丝杆上，活塞固定连接于该螺母上且与螺母一起由丝杆带动在筒体内腔中上下直线运动，电机板固定于压盖之上，驱动电机固定于该电机板上，该驱动电机通过齿轮组连接丝杆且驱动丝杆旋转，补压管连接于筒体侧壁且连通筒体内腔，补压水过滤头连接于该补压管的端部，单向阀连接于端盖之下且连通筒体内腔，过滤头连接于该单向阀的端部。

2.根据权利要求1所述的模块化多功能智能水下采样器，其特征在于：所述筒体内壁开设有定位槽，螺母上设置有与该定位槽滑动配合的凸部。

3.根据权利要求1所述的模块化多功能智能水下采样器，其特征在于：在所述筒体、活塞、压盖和丝杆上设置有O型密封圈。

4.根据权利要求1所述的模块化多功能智能水下采样器，其特征在于：所述模块化抓斗式取样器包括驱动电机、齿轮组、支座、支架、四撑杆、传动轴、传动块和两抓斗，其中：四撑杆上端铰接于支架之下，下端分别铰接两抓斗，该两抓斗对称地铰接于传动块上，支座固定在支架之上，该支座内固定有螺母，传动轴旋接在该螺母上，传动块固定于该传动轴下端并随传动轴一起上下直线运动，驱动电机固定于支座上，该驱动电机通过齿轮组连接传动轴且驱动传动轴旋转。

5.根据权利要求4所述的模块化多功能智能水下采样器，其特征在于：在所述支架与传动轴之间设置有O型密封圈。

6.根据权利要求1所述的模块化多功能智能水下采样器，其特征在于：所述电气插头的数量为6件。

7.根据权利要求1所述的模块化多功能智能水下采样器，其特征在于：所述水下灯的数量为4个，每个水下灯自带有电池。