CN104458330A - 水下沉积物采样机器人及其采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水下沉积物采样机器人，包括主舱体、推进器和采样器，主舱体上还设置有配重块和气瓶，气瓶位于主舱体外，该气瓶顶部设置有排气阀，配重块安装在主舱体下部，气瓶底部还设置有进水阀；本发明同时提供一种水下沉积物采样机器人的采样方法，首先寻找并移动到采样位置，待采样管与水底接触后，开启排气阀和进水阀，通过排气进水使其产生向下的作用力，使采样管插入沉积物中采样，采样完成后通过拉起线缆使采样管两端封闭，并将机器人拉回水面。本发明能实现零浮力状态下由操作人员控制寻找最佳采样位置，并通过改变净浮力来实现无扰动采样功能采样管封闭，通过控制排气阀和进水阀的流量将装置维持在水平姿态。

Description

水下沉积物采样机器人及其采样方法

技术领域

本发明属于底泥采样技术领域，特别涉及一种水下沉积物采样机器人及其采样方法。

背景技术

在环境监测、科学研究等过程中，采集河流、湖泊、水库、海洋等水体的沉积物底泥的采样器，管式采样器得到大量应用，这些采样器由操作人员从母船上投放到水中，依靠自身重力沉入水底并将采样管插入沉积物中，然后由操作人员拉回水面，由于这些采样器不具备独立运动调节能力，在下沉过程中受水流的冲击影响较大，因此采样的位置随机，难以获得满意的采样结果，因此采样成功率不高。

水下沉积物采集的事件，对采集到的样品的扰动破坏情况，是一项评价采样器好坏的重要指标。为尽量不扰动采集的样品，采用静压方式实现采样过程成为主流方法。而静压采样需要有较大的初始压力，现有的采样器，是通过加大采样器自身重量的方式获得初始压力；而水下机器人的运动，需要水下机器人尽量保持零浮力状态，两者相互矛盾，因此，通过水下机器人实现静压采样是业内难点。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种水下沉积物采样机器人及其采样方法，能够实现机器人在水下运动时保持零浮力状态，又能在实现采样的前提下为采样作业提供足够的压力，有效避免对采样沉积物的破坏。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种水下沉积物采样机器人，包括主舱体以及安装在主舱体上的推进器和采样器，所述主舱体上还设置有配重块和气瓶，所述配重块安装在主舱体下部，所述气瓶位于主舱体外，该气瓶上设置有排气阀。

采用上述结构，采样器在下降时，采用无动力驱动的方式，利用静压原理，采样时依靠所述气瓶排气产生的竖直向下的净浮力插入沉积物中，配重块靠下部，使得装置的重心靠近下部，以使装置易于维持水平姿态，配重块可以为铅块等，配重块起到抵消浮力，维持主舱体平衡的作用使其趋于水平悬浮状态，由于装置采用的是排气缓慢下降的方式，而且下降速率可以通过排气阀的排气量和速度控制，能够在插入沉积物的过程中最大限度地保护沉积物，能够零浮力状态下由操作人员控制寻找最佳采样位置，并通过改变净浮力来实现无扰动采样，从而获得最原始的样品。

所述气瓶安装在主舱体顶部外侧，所述排气阀设置在气瓶顶部，所述气瓶底部还设置有进水阀，所述采样器安装在主舱体下部，所述配重块对称地安装在采样器的两侧。增设进水阀，在排气时进水，进一步起到平衡和调节速度的作用

所述气瓶中部设置有隔板，该隔板将气瓶内腔分隔为前后两部分，且前后两部分腔体的容积相同，所述排气阀和进水阀均为两个，分别靠近气瓶前后两端，该排气阀和进水阀由控制器单独控制。

4个阀由控制器单独控制，在排气进水的时候能够分别调节流速和流量，通过控制排气阀和进水阀的流量，可以调节气瓶内两部分的进水量，从而改变装置的重心位置，以适应采样时采样管所受到的阻力变化。

还包括线缆，所述线缆连接在采样器顶部，所述主舱体内密封地设置有姿态传感器、摄像头和声呐，所述摄像头为2个，一个水平设置，另一个朝下设置，所述声呐朝向下方，所述线缆与姿态传感器、摄像头和声呐通信连接，进行数据传输。

所述采样器包括、包括采样管，所述采样管上方从上到下依次设置有连接环、固定套、卡紧机构和采样管上盖，连接环与所述主舱体连接，固定套通过固定块与连接环连接，固定套内设置有滑动芯轴，所述线缆连接在滑动芯轴上端，所述滑动芯轴下部设置有与卡紧机构配合的执行块，所述卡紧机构与采样管上盖上的卡接部配合，所述采样管上部竖直设置有导向轴，采样管上盖套在该导向轴上，并能沿导向轴上下运动，采样管上盖与采样管之间设置有拉簧。

初始采样时，卡紧机构通过卡接部将采样管上盖锁定在采样管上方的位置，当采样完成后，通过可以拉动线缆操作滑动芯轴，实现卡紧机构的解锁，使卡紧机构将采样管上盖松开，采样管上盖在拉簧以及重力作用下沿导向轴向下移动，并盖在采样管上端，将采样管封闭。该封闭过程中，由于设置了导向轴因此能够实现准确对准，不会出现封闭不严有间隙的情况，通过拉簧的拉力使采样管上盖进一步拉紧，保证密封效果，操作卡紧机构能够实现采样管上盖的卡紧和松开。

所述卡接部为固定在采样管上盖上表面的卡接块，该卡接块侧面开设有多个卡接槽，所述卡紧机构包括竖向设置在固定套侧的拨动块以及连接在拨动块下端的卡接头，卡接头朝向所述固定套，拨动块内侧设置有连接块，所述固定套下部外壁设置有扭簧架，所述连接块和扭簧架通过销轴穿设连接，该销轴上还套有扭簧，该扭簧一端抵在固定套外壁上，另一端抵在连接块下部。

所述滑动芯轴滑动安装在固定套内，固定套外壁沿轴向开设有多条导向通槽，所述固定套外套有安装环，所述执行块通过挡销安装在安装环上，该挡销穿过安装环与滑动芯轴固定。所述执行块下部抵在拨动块内侧，使卡接头保持在卡接槽内。

采样时，执行块向外扳动拨动块上部，使其卡接头伸入卡接槽内将采样管上盖锁定，当采样完成需要封闭式，通过线缆上拉滑动芯轴，执行块与拨动块脱离，拨动块在扭簧扭力作用下，卡接头转动退出卡接槽，将采样管上盖释放，采样管上盖向下移动完成封闭。

所述滑动芯轴上部沿轴向开设有限位通槽，该限位槽位于执行件上方，所述限位槽内横向设有限位销，限位销两端穿出所述固定套侧壁，还包括采样管下盖和转动支架，该转动支架第一端与采样管中部铰接，第二端安装所述采样管下盖，该转动支架的第二端上水平设置有限位块，该限位块上有设置有卡孔，其中一个所述拨动块的卡接头伸入卡孔内，将所述转动支架锁定。

通过限位销限制滑动芯轴在固定套内移动范围；与采样管上盖的卡紧松开原理相同，在采样时，卡接头是伸入卡孔内将转动支架固定在上方的，当采样完成后，拉动滑动芯轴时，拨动块同样使卡接头退出卡孔，将限位块释放，转动支架在重力作用下带动采样管下盖旋转至采样管底端将其封闭。

所述采样器安装在主舱体下部，该采样器朝向下方，所述配重块对称地安装在采样器的两侧。所述配重块完全对称地安装于采样器的两侧，使采样装置易于维持水平姿态。

本发明同时还提供一种水下沉积物采样机器人的采样方法，包括上述的水下沉积物采样机器人，步骤如下：

一、水下沉积物采样机器人水平移动寻找最佳采样位置；

二、确定采样位置后，水下沉积物采样机器人调整姿态，处于水平状态，并缓慢移动至采样管接触到沉积物；

三、开启气瓶上的排气阀和进水阀，将气瓶缓缓注水，水下沉积物采样机器人的净浮力向下并逐渐变大，将采样器压入水底采样；

四、采样器采样完成后，拉起线缆，将采样管封闭；

五、继续收起线缆，将水下沉积物采样机器人拉回。

该方法，首先，所述的机水下沉积物采样机器人运动到一个适合采样的区域，并调整姿态至采样状态，做好采样准备。控制所述气瓶上的排气阀和进水阀打开，所述气瓶被注入水，所述水下沉积物采样机器人由于重力改变，缓慢下沉，此时，所述采样器插入沉积物中，实现采样。采样结束后，所述水下沉积物采样机器人被船上操作人员通过所述线缆收起，采样管上盖闭合，同时采样器也离开水底，采样管下盖闭合，保证采集的样品不泄露。

作为优选；所述步骤三中，先开启气瓶上的排气阀排气产生向下的推动力，再开启进水阀注水形成向下的作用力，并通过控制进水阀的进水量调节水下沉积物采样机器人至水平；

所述步骤四中，采样器采样完成后，通过线缆拉动滑动芯轴上移，使采样管上盖将采样管上端封闭，待离开水底后，将采样管下端封闭。

如上所述，本发明的有益效果是：1、该结构能实现零浮力状态下由操作人员控制寻找最佳采样位置，并通过改变净浮力来实现无扰动采样功能。2、通过控制排气阀和进水阀的流量将装置维持在水平姿态，且便于通过进水阀调节姿势。3、采样管上盖与采样管上端的准确对准，以及通过拉簧拉力保证两者的密封效果，不会出现传统铰接方式密封不严导致采样失败的情况，操作方便。4、同时能够实现采样管下盖的同步密封，防止采样器上行过程中，采样管内沉积物落出，保证了采样的顺利进行。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例中主舱体的内部示意图；

图3为本发明实施例中气瓶的内部示意图；

图4为本发明实施例中采样器的结构示意图；

图5为本发明实施例中采样器的立体图；

图6为本发明实施例中采样方法的流程图。

零件标号说明

1主舱体；11姿态传感器；12；摄像头13；声呐；2推进器；

3气瓶；31排气阀；32进水阀；33隔板；

4采样器；41采样管；42采样管上盖；43采样管下盖；44导向轴；45拉簧；46拨动块；47扭簧架；48扭簧，49挡销；410滑动芯轴；411限位销；412固定套；413固定块；414连接环；415限位通槽；416导向通槽；417转动支架；418限位块；419支撑环；420安装环；421卡接块；422执行块；

5配重块；6线缆。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

如图1所示，本发明提供一种水下沉积物采样机器人，包括主舱体1，推进器2，气瓶3，采样器4，配重块5和线缆6，采样器4安装在主舱体1下部，配重块5安装于采样器4上，线缆6连接在采样器4的顶部，所述配重块5为铅块，完全对称地安装于采样器4的两侧，使得采样装置的重心靠近下部，以使采用装置易于维持水平姿态。

如图2所示，主舱体1内完全密封地置有姿态传感器11、2个摄像头12、声呐13，用于监测采用装置的姿态以及周围的环境，通过线缆6将采集的数据传给操作人员。

进一步如图3所示，所述气瓶3安装在主舱体1外侧顶部，气瓶3顶部设有2个排气阀31，气瓶3底部设置有2个排气阀31，排气阀31和进水阀32均为两个，分别靠近气瓶4前后两端，所述的排气阀31和排气阀31由控制器单独控制，在排气进水的时候能够分别调节流速和流量；

气瓶1中间安装有隔板33，该隔板33将气瓶1内腔分隔为前后两部分，且前后两部分腔体的容积相同，前后两部分腔体均设有一个排气阀31和一个进水阀32。通过控制排气阀31和进水阀32的流量，可以调节气瓶1内两部分的进水量。从而改变装置的重心位置，以适应采样时采样管所受到的阻力变化。

采样器4采用无动力驱动的方式，利用静压原理，采样时依靠所述气瓶1排气产生的竖直向下的净浮力插入沉积物中，可以实现沉积物无扰动。

进一步如图4和图5所示，采样器4包括采样管41，采样管41上方从上到下依次设置有连接环414、固定套412、卡紧机构和采样管上盖42，连接环414套在所述主舱体1上，固定套412通过固定块412与连接环414连接，固定套412内设置有滑动芯轴410，线缆6连接在滑动芯轴410上端，线缆6一方面起到信号传输作用，另一方面起到拉索的作用，滑动芯轴410下部设置有与卡紧机构配合的执行块422，卡紧机构与采样管上盖42上的卡接部配合，采样管41上部外壁设置有支撑环419，采样管41上部竖直设置有多条导向轴44，导向轴44安装在支撑环419上，采样管上盖42边缘开设有与导向轴44配合的导向孔，采样管上盖42套在该导向轴44上，并能沿导向轴44上下运动，采样管上盖42与采样管41之间设置有拉簧47，采样管上盖42边缘与支撑环419上对应设置有挂孔，拉簧47上下端分别钩在采样管上盖42边缘与支撑环419的挂孔内，导向轴44和拉簧47均沿采样管41周向均布。

卡接部为固定在采样管上盖42上表面的卡接块421，该卡接块421侧面开设有多个卡接槽，卡紧机构包括固定套412以及设置在固定套412下部外壁的多个卡接件，固定套412上部安装有固定块413，固定块413上安装有连接环414，卡接件包括竖向设置的拨动块46以及连接在拨动块46下端的卡接头，卡接头朝向固定套412，拨动块46内侧设置有连接块，固定套412下部外壁设置有扭簧架47，连接块和扭簧架47通过销轴穿设连接，该销轴上还套有扭簧48，该扭簧48一端抵在固定套412外壁上，另一端抵在连接块下部。

滑动芯轴410滑动安装在固定套412内，固定套412外壁沿轴向开设有多条导向通槽416，固定套412外套有安装环420，执行块422通过挡销49安装在安装环420上，该挡销49穿过安装环420与滑动芯轴410固定，执行块422下部抵在拨动块46内侧，使卡接头保持在卡接槽内。

滑动芯轴410上部沿轴向开设有限位通槽415，该限位通槽415位于执行件上方，限位槽内横向设有限位销411，限位销411两端穿出固定套412侧壁。

采样管41外壁上设置有采样管下盖43和转动支架417，该转动支架417第一端与采样管41中部铰接，第二端安装采样管下盖43，该转动支架417的第二端上水平设置有限位块418，限位块418与采样管下盖43位于不同侧，该限位块418上有设置有卡孔，其中一个拨动块46的卡接头伸入卡孔内，将转动支架417锁定。

采样管上盖42可以沿着导向轴44做轴向滑动，同时又受到拉簧47的拉力，采样管下盖43在闭合状态时可以闭合住采样管41的下部，扭簧48安装在扭簧架47和拨动块46之间，挡销49穿过固定套412插入滑动芯轴410中，滑动芯轴410可以沿着固定套412做轴向滑动，同时限位销411限制滑动芯轴410的滑动范围，滑动芯轴410的上部可与线缆连接，固定套412通过固定块413与连接环414连接，连接环414与主舱体1连接。

采样开始时，各零件位置关系如图4所示，当采样结束后，采样管41插入底泥中，滑动芯轴410在线缆6的拖拽下沿固定套412往上滑动，带动挡销49一起滑动，当挡销49滑动至足够高时，执行块422与拨动块46脱离后，拨动块46在扭簧48的作用下张开，此时卡接头从卡接槽中退出，采样管上盖42脱离了拨动块46的束缚，受到拉簧47的拉力向下滑动，闭合采样管41的上部，同时拨动块46同样使卡接头退出卡孔，将限位块418释放，转动支架417在重力作用下带动采样管下盖43旋转至采样管41底端将其封闭，然后继续收起线缆6将采样装置收回。

本发明同时还提供一种水下沉积物采样机器人的采样方法，包括上述的水下沉积物采样机器人，其步骤如下：

一、水下沉积物采样机器人水平移动寻找最佳采样位置；

通过推进器2推动机水下沉积物采样机器人运动到一个适合采样的区域，并调整姿态至采样状态，做好采样准备，该过程中通过摄像头12观察和声呐13探测，并将数据经线缆6传输到操作人员的主机，由操作人员根据数据信息寻找采样位置，以及控制其到达采样区域。

二、确定采样位置，并移动至采样位置后，水下沉积物采样机器人调整姿态，处于水平状态，并缓慢移动至采样管41接触到沉积物；

三、开启气瓶3上的排气阀31和进水阀32，将气瓶3缓缓注水，水下沉积物采样机器人的净浮力向下并逐渐变大，将采样器4的采样管41压入水底采样；

在采样管41移动至接触到沉积物后，通过控制器先开启气瓶3上的排气阀31排气产生向下的推动力，再开启进水阀32注水增大气瓶3的重力，水下沉积物采样机器人由于重力改变，缓慢下降并插入沉积物中，可以实现沉积物无扰动。在采样管41插入沉积物的过程中，如果机器人未处于水平，可以通过控制排气阀31和进水阀32的流量，调节气瓶1内两部分的进水量，从而改变机器人的重心位置，以适应采样时采样管41所受到的阻力变化，使水下沉积物采样机器人采样时保持在水平状态；

四、采样器4采样完成后，拉起线缆6，将采样管41封闭；

采样器4采样完成后，通过线缆6拉动滑动芯轴上移，滑动芯轴410在线缆6的拖拽下沿固定套412往上滑动，带动挡销49一起滑动，当挡销49滑动至执行块422与拨动块46脱离后，拨动块46在扭簧48的作用下张开，此时卡接头从卡接槽中退出，采样管上盖42脱离了拨动块46的束缚，受到拉簧47的拉力向下滑动，闭合采样管41的上部，同时拨动块46同样使卡接头退出卡孔，将限位块418释放，转动支架417在重力作用下带动采样管下盖43旋转，采样管下盖43落在到水底泥沙上，随着线缆6的继续收起，采样机器人的采样管41下端完全脱离水底，采样管下盖43继续旋转，直至将采样管41底端完全封闭，防止沉积物从采样管41内漏出。

五、继续收起线缆6，将水下沉积物采样机器人拉回。

继续拉动线缆6，限位销411挡住滑动芯轴410，使其不能相对于固定套412向上移动，从而使整个水下沉积物采样机器人被滑动芯轴410和线缆6拉回，完成整个采样过程。

任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种水下沉积物采样机器人，包括主舱体以及安装在主舱体上的推进器和采样器，其特征在于：所述主舱体上还设置有配重块和气瓶，所述配重块安装在主舱体下部，所述气瓶位于主舱体外，该气瓶上设置有排气阀。

2.根据权利要求1所述的水下沉积物采样机器人，其特征在于：所述气瓶安装在主舱体顶部外侧，所述排气阀设置在气瓶顶部，所述气瓶底部还设置有进水阀，所述采样器安装在主舱体下部，所述配重块对称地安装在采样器的两侧。

3.根据权利要求2所述的水下沉积物采样机器人，其特征在于：所述气瓶中部设置有隔板，该隔板将气瓶内腔分隔为前后两部分，且前后两部分腔体的容积相同，所述排气阀和进水阀均为两个，分别靠近气瓶前后两端，该排气阀和进水阀由控制器单独控制。

4.根据权利要求2所述的水下沉积物采样机器人，其特征在于：还包括线缆，所述线缆连接在采样器顶部，所述主舱体内密封地设置有姿态传感器、摄像头和声呐，所述摄像头为2个，一个水平设置，另一个朝下设置，所述声呐朝向下方，所述线缆与姿态传感器、摄像头和声呐通信连接。

5.根据权利要求4所述的水下沉积物采样机器人，其特征在于：所述采样器包括、包括采样管，所述采样管上方从上到下依次设置有连接环、固定套、卡紧机构和采样管上盖，连接环与所述主舱体连接，固定套通过固定块与连接环连接，固定套内设置有滑动芯轴，所述线缆连接在滑动芯轴上端，所述滑动芯轴下部设置有与卡紧机构配合的执行块，所述卡紧机构与采样管上盖上的卡接部配合，所述采样管上部竖直设置有导向轴，采样管上盖套在该导向轴上，并能沿导向轴上下运动，采样管上盖与采样管之间设置有拉簧。

6.根据权利要求5所述的水下沉积物采样机器人，其特征在于：所述卡接部为固定在采样管上盖上表面的卡接块，该卡接块侧面开设有多个卡接槽，所述卡紧机构包括竖向设置在固定套侧的拨动块以及连接在拨动块下端的卡接头，卡接头朝向所述固定套，拨动块内侧设置有连接块，所述固定套下部外壁设置有扭簧架，所述连接块和扭簧架通过销轴穿设连接，该销轴上还套有扭簧，该扭簧一端抵在固定套外壁上，另一端抵在连接块下部。

7.根据权利要求6所述的水下沉积物采样机器人，其特征在于：所述滑动芯轴滑动安装在固定套内，固定套外壁沿轴向开设有多条导向通槽，所述固定套外套有安装环，所述执行块通过挡销安装在安装环上，该挡销穿过安装环与滑动芯轴固定，所述执行块下部抵在拨动块内侧，使卡接头保持在卡接槽内。

8.根据权利要求7所述的水下沉积物采样机器人，其特征在于：所述滑动芯轴上部沿轴向开设有限位通槽，该限位槽位于执行件上方，所述限位槽内横向设有限位销，限位销两端穿出所述固定套侧壁，还包括采样管下盖和转动支架，该转动支架第一端与采样管中部铰接，第二端安装所述采样管下盖，该转动支架的第二端上水平设置有限位块，该限位块上有设置有卡孔，其中一个所述拨动块的卡接头伸入卡孔内，将所述转动支架锁定。

9.一种根据权利要求5至8任意一项所述的水下沉积物采样机器人的采样方法，其特征在于：包括以下步骤：

一、水下沉积物采样机器人水平移动寻找最佳采样位置；

二、确定采样位置后，水下沉积物采样机器人调整姿态，处于水平状态，并缓慢移动至采样管接触到沉积物；

三、开启气瓶上的排气阀和进水阀，将气瓶缓缓注水，水下沉积物采样机器人的净浮力向下并逐渐变大，将采样器压入水底采样；

四、采样器采样完成后，拉起线缆，将采样管封闭；

五、继续收起线缆，将水下沉积物采样机器人拉回。

10.根据权利要求9所述的水下沉积物采样机器人的采样方法，其特征在于：所述步骤三中，先开启气瓶上的排气阀排气产生向下的推动力，再开启进水阀注水形成向下的作用力，并通过控制进水阀的进水量调节水下沉积物采样机器人至水平；

所述步骤四中，采样器采样完成后，通过线缆拉动滑动芯轴上移，使采样管上盖将采样管上端封闭，待离开水底后，将采样管下端封闭。