CN106226030A - 一种深海集矿模拟装置及其模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种深海集矿模拟装置及其模拟方法，该装置包括：水槽，其上部具有敞口；多自由度运动机器人手臂，其下端连接有集矿装置、并且伸入所述水槽内；循环用水泵，其连接于所述水槽；流量计，其连接于所述循环用水泵，并通过连通水管连接于所述集矿装置。本发明提出的深海集矿模拟装置及其模拟方法，其能够模拟采矿头进行多自由度运动并收集矿物的过程，适用于深海集矿装置的水动力性能研究。

Description

一种深海集矿模拟装置及其模拟方法

技术领域

本发明涉及海洋工程试验技术领域，且特别涉及一种深海集矿模拟装置及其模拟方法。

背景技术

随着世界工业和经济的高速发展，矿产资源消耗量急剧增加，陆地矿产资源在全球范围内日趋短缺甚至枯竭，人类将目光转向占地球表面积71％的海洋，海洋矿产资源开采是弥补陆地资源枯竭的有效方式。

海洋是地球上尚未被人类充分认识和利用的最大潜在资源基地。除海洋石油气资源和海滨矿砂外，海底目前已知有商业开采价值的还有多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等金属矿产资源。这些矿物中富含镍、钴、铜、锰及金、银金属等，总储量分别高出陆上相应储量的几十倍到几千倍。2013年我国又正式获得一块太平洋富钴结壳矿区。显然，深海矿产资源的开发必须依赖深海采矿装置进行。2015年5月19日公布的《中国制造2025》为“制造强国”战略指明了方向，把“海洋工程装置及高科技船舶”归为重点突破的十大战略领域之一，着重进行先进海洋工程装置的研发和国有化。

深海中蕴藏着丰富的矿产资源，比如富钴结壳、锰结壳等，随着陆地上的矿产资源逐渐稀缺，人类势必要大规模的开采海底矿产，这时候深海集矿装置的性能显得极为重要。如何高效的将海底的矿物收集起来，是深海采矿中的关键技术，而对于深海集矿过程的模拟对于开发高性能集矿装置具有重要的意义。

目前，模型试验是研究水动力性能最有效的方法。但是在目前公开的文献中，没有针对深海集矿装置过程进行模拟的试验平台。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明提出一种深海集矿模拟装置及其模拟方法，其能够模拟采矿头进行多自由度运动并收集矿物的过程，适用于深海集矿装置的水动力性能研究。

为了达到上述目的，本发明提出一种深海集矿模拟装置，包括：

水槽，其上部具有敞口；

多自由度运动机器人手臂，其下端连接有集矿装置、并且伸入所述水槽内；

循环用水泵，其连接于所述水槽；

流量计，其连接于所述循环用水泵，并通过连通水管连接于所述集矿装置。

进一步的，所述多自由度运动机器人手臂安装在一铁板上，并放置在水泥地面上。

进一步的，所述水槽中设置有一块隔板，其高度低于所述水槽四周侧面的高度。

进一步的，所述水槽固定架设在木支架上，并且下部悬空。

进一步的，所述多自由度运动机械手臂下端设置有用来夹持所述集矿装置的采矿头的夹子。

进一步的，所述多自由度运动机械手臂连接有一控制箱用以精确控制机械手臂的运动并读取机械手臂的位置及位置变化。

进一步的，所述多自由度运动机械手臂能够带动所述集矿装置作前后平移运动、竖向平移运动、前后摇摆运动、左右摇摆运动这四种运动方式中的任意一种或两种以上的耦合运动。

进一步的，所述多自由度运动机械手臂由移动副、转动副、驱动所述移动副和转动副运动的动力设备构成，其线位移精度为0.01mm以上，角位移精度为0.1度以上，运动频率最高值为2Hz。

进一步的，所述水槽采用透明材料制成。

进一步的，所述水槽的尺度与集矿装置的最大运动距离保持在10：1的比例之上，所述水槽的容积为8～10立方米。

为了达到上述目的，本发明还提出一种深海集矿模拟方法，包括下列步骤：

在水槽内加入足够量的用水，将集矿装置固定连接在多自由度运动机械手臂的下端，并使集矿装置浸入水中；

通过多自由度运动机械手臂控制集矿装置作前后平移运动、竖向平移运动、前后摇摆运动和左右摇摆运动，以对应地模拟实际深海集矿过程中集矿车带动集矿装置实现的各种运动；

通过外接的运动-受力测试系统可以对水槽中的模拟矿物及集矿装置的水动力性能进行测试，同时可以利用粒子成像测速技术对流场特性进行观测。

本发明提出的深海集矿模拟装置，其优点是：

1、该实验平台可以进行深海采矿集矿装置进行采矿集矿过程的模拟，及相关水动力学性能的研究。

2、根据该试验平台尺度相对较小，试验模型安装方便，其多自由度机器人手臂的刚度大，运动控制系统优良，能实现精确运动控制，位置信息测控精度较高。

3、该试验平台的水槽采用透明材料制成，方便进行流场特性观测。

附图说明

图1和图2所示为本发明较佳实施例的深海集矿模拟装置结构示意图。

图3所示为本发明较佳实施例的多自由度运动机械手臂结构示意图。

图4所示为本发明较佳实施例的循环用水泵结构示意图。

图5所示为本发明较佳实施例的流量计结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图给出本发明的具体实施方式，但本发明不限于以下的实施方式。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图1～图5，图1和图2所示为本发明较佳实施例的深海集矿模拟装置结构示意图，图3所示为本发明较佳实施例的多自由度运动机械手臂结构示意图，图4所示为本发明较佳实施例的循环用水泵结构示意图，图5所示为本发明较佳实施例的流量计结构示意图。

本发明提出一种深海集矿模拟装置，包括：

水槽5，其上部具有敞口，在应用时，需在其内加入足够量的试验用水。

多自由度运动机器人手臂1，其下端连接有集矿装置4、并且伸入所述水槽5内；

循环用水泵2，其连接于所述水槽5；

流量计3，其连接于所述循环用水泵2，并通过连通水管连接于所述集矿装置4。

根据本发明较佳实施例，所述多自由度运动机器人手臂1安装在一铁板上，并放置在水泥地面上，水平放置在水槽旁边，机械手臂下端可以伸入所述水槽5内。实际应用时，该机器人手臂下端能够直接连接集矿装置4。

所述水槽5中设置有一块隔板6，其高度低于所述水槽5四周侧面的高度。所述水槽5固定架设在木支架上，并且下部悬空。

所述多自由度运动机械手臂1下端设置有用来夹持所述集矿装置4的采矿头的夹子。所述多自由度运动机械手臂1连接有一控制箱用以精确控制机械手臂1的运动并读取机械手臂1的位置及位置变化。

进一步的，所述多自由度运动机械手臂1能够带动所述集矿装置4作前后平移运动、竖向平移运动、前后摇摆运动、左右摇摆运动这四种运动方式中的任意一种或两种以上的耦合运动(如既竖向平移，又前后摇摆)。在机械手臂1单独作前后摇摆运动或左右摇摆运动时，机械手臂1始终处于同一竖直面内。

试验时，在水槽5内加入足够量的用水，将集矿装置4固定连接在多自由度运动机械手臂1的下端，并使集矿装置4浸入水中，通过多自由度运动机械手臂1控制集矿装置4作前后平移运动、竖向平移运动、前后摇摆运动和左右摇摆运动，以对应地模拟实际深海集矿过程中集矿车带动集矿装置实现的各种运动。通过外接的运动-受力测试系统可以对水槽中的模拟矿物及集矿装置4的水动力性能进行测试，同时可以利用粒子成像测速技术对流场特性进行观测。

具有上述功能的多自由度运动机械手臂1可采用多种结构形式，而且大部分结构形式为机械领域技术人员所熟知。因多自由度运动机械手臂1的具体结构不属于本申请的保护重点，而且能够从现有技术中获得，故在此不作详述。所述多自由度运动机械手臂1由移动副、转动副、驱动所述移动副和转动副运动的动力设备(如私服电机)等构成，其线位移精度0.01mm以上，角位移精度0.1度以上，运动频率最高可达2Hz。本实施例中的多自由度运动机械手臂1能够实现六个自由度的运动，达到了本发明对运动自由度的基本要求。

为了便于所述多自由度运动机械手臂1和水槽5的安装布置，本例整体放置在刚度足够的水泥地面上，确保试验模型运动精度不受到变形、振动的影响，防止因刚度不够而影响试验精度。

而且，本实施例中的水槽5采用透明材料如高强度玻璃制成，以便试验人员对流场特性进行观测。水槽5的刚度需足够大，保证其不会因为内部水体的运动而发生明显的振动。

水槽5的尺度与集矿装置4的最大运动距离保持在10：1的比例之上，以保证在有效的测试时间内不受池壁效应的影响。一般水槽5的容积为8～10立方米，本例中该水槽的外轮廓为一立方体结构。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种深海集矿模拟装置，其特征在于，包括：

水槽，其上部具有敞口；

多自由度运动机器人手臂，其下端连接有集矿装置、并且伸入所述水槽内；

循环用水泵，其连接于所述水槽；

流量计，其连接于所述循环用水泵，并通过连通水管连接于所述集矿装置。

2.根据权利要求1所述的深海集矿模拟装置，其特征在于，所述多自由度运动机器人手臂安装在一铁板上，并放置在水泥地面上。

3.根据权利要求1所述的深海集矿模拟装置，其特征在于，所述水槽中设置有一块隔板，其高度低于所述水槽四周侧面的高度。

4.根据权利要求1所述的深海集矿模拟装置，其特征在于，所述水槽固定架设在木支架上，并且下部悬空。

5.根据权利要求1所述的深海集矿模拟装置，其特征在于，所述多自由度运动机械手臂前端设置有用来夹持所述集矿装置的采矿头的夹子。

6.根据权利要求1所述的深海集矿模拟装置，其特征在于，所述多自由度运动机械手臂连接有一控制箱用以精确控制机械手臂的运动并读取机械手臂的位置及位置变化。

7.根据权利要求1所述的深海集矿模拟装置，其特征在于，所述多自由度运动机械手臂能够带动所述集矿装置作前后平移运动、竖向平移运动、前后摇摆运动、左右摇摆运动这四种运动方式中的任意一种或两种以上的耦合运动。

8.根据权利要求1所述的深海集矿模拟装置，其特征在于，所述多自由度运动机械手臂由移动副、转动副、驱动所述移动副和转动副运动的动力设备构成，其线位移精度为0.01mm以上，角位移精度为0.1度以上，运动频率最高值为2Hz。

9.根据权利要求1所述的深海集矿模拟装置，其特征在于，所述水槽采用透明材料制成，所述水槽的尺度与集矿装置的最大运动距离保持在10：1的比例之上，所述水槽的容积为8～10立方米。

10.一种深海集矿模拟方法，其特征在于，包括下列步骤：

在水槽内加入足够量的用水，将集矿装置固定连接在多自由度运动机械手臂的下端，并使集矿装置浸入水中；

通过多自由度运动机械手臂控制集矿装置作前后平移运动、竖向平移运动、前后摇摆运动和左右摇摆运动，以对应地模拟实际深海集矿过程中集矿车带动集矿装置实现的各种运动；

通过外接的运动-受力测试系统可以对水槽中的模拟矿物及集矿装置的水动力性能进行测试，同时可以利用粒子成像测速技术对流场特性进行观测。