CN107499479B - 一种海底自行式作业平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海底自行式作业平台，包括主体架、平台运动系统、平台调平装置、平台机器人、动力单元、通讯单元、定位导航系统和监控系统，所述主体架上设有用于安装作业设备的作业设备安装区域，并于作业设备安装区域的周边设有用于固定作业设备的多个作业设备固定座；所述平台运动系统包括履带行走机构和推进器组，所述履带行走机构用于驱动海底自行式作业平台进行着地行走，所述推进器组用于驱动海底自行式作业平台在水中悬浮运动，所述推进器组还用于与履带行走机构协作驱动海底自行式作业平台进行着地行走。本发明能够实现搭载多种海底环境和资源考察作业设备，以对海底进行全方位的综合考察，并节省单个设备的开发和生产成本。

Description

一种海底自行式作业平台

技术领域

本发明涉及海底考察技术领域，尤其涉及一种海底自行式作业平台。

背景技术

在浩瀚的海洋中蕴藏着丰富的生物资源和矿产资源。当前，向海洋进军，开展“蓝色革命”，已成为国际大趋势。海洋生物资源占地球生物资源的80％，有相关报道称，未来农业可能所面临的三大调整之一就是由陆地资源的开发利用转向海洋的开发利用，创建海陆并举的现代新农业。同时，海洋矿产资源也是世界矿产资源的重要储备，现已探明具有商业开采价值的海洋矿产资源主要有多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等。面对日益枯竭的陆地矿产资源，勘探和开发海洋矿产资源显得尤为重要。

随着海底科学考察的不断深入，需要更为详尽的海底环境和海底资源信息，以便对海洋有更为准确和深入的了解，更好地利用开发海洋资源，保护海洋环境。现有单一的海底调查设备功能单一，一般一个设备只能完成一两个考察任务，并且持续作业时间短，无法对目标海底进行长时间详细的全面调查。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种海底自行式作业平台，旨在实现搭载多种海底环境和资源考察作业设备，以对海底进行全方位的综合考察，并节省单个设备的开发和生产成本。

为了实现上述目的，本发明提供一种海底自行式作业平台，所述海底自行式作业平台包括主体架、平台运动系统、平台调平装置、平台机器人、动力单元、通讯单元、定位导航系统和监控系统，其中:

所述主体架构成海底自行式作业平台本体，所述平台运动系统、平台调平装置、平台机器人、动力单元、通讯单元、定位导航系统和监控系统均安装在主体架上，所述主体架上设有用于安装作业设备的作业设备安装区域，并于作业设备安装区域的周边设有用于固定作业设备的多个作业设备固定座；

所述平台运动系统包括履带行走机构和推进器组，所述履带行走机构用于驱动海底自行式作业平台进行着地行走，所述推进器组用于驱动海底自行式作业平台在水中悬浮运动，所述推进器组还用于与履带行走机构协作驱动海底自行式作业平台进行着地行走；

所述平台调平装置用于海底自行式作业平台在定点作业时将主体架调平并固定；

所述平台机器人用于完成海底自行式作业平台上各作业辅助操作；

所述动力单元用于向海底自行式作业平台及其所搭载的作业设备提供动力；

所述通讯单元用于海底自行式作业平台与科考船之间进行通讯，以进行视频传输和控制指令传输；

所述定位导航系统用于海底自行式作业平台的定位和导航；

所述监控系统用于海底自行式作业平台作业时的数据采集。

优选地，所述作业设备安装固定座包括第一油缸、摆杆和基座，所述基座固定在主体架上，所述摆杆可转动地安装在基座上，所述第一油缸连接在摆杆与主体架之间，用于驱动摆杆转动以进行张开或闭合，以进行作业设备的安装或拆卸。

优选地，所述主体架上还设置有用于海底自行式作业平台吊装沉重支架和用于安装浮力材料的安装架。

优选地，所述履带行走机构的数量为两个，分别安装在主体架的两侧，每一个履带行走机构包括履带架及安装在履带架上的履带，所述履带架设有用于驱动履带行走的履带轮，并配备有两个液压行走马达。

优选地，所述两个履带行走机构均配备有实现履带升降的履带高度调节机构，所述履带高度调节机构包括履带连接杆、升降油缸和固定座，所述升降油缸的缸筒一端通过滑动轴承与主体架相连，所述升降油缸的油缸杆通过滑动轴承与履带连接杆相连，所述履带行走机构与履带连接杆的外端连接，所述履带连接杆的内端通过滑动轴承与固定座相连，所述固定座固定在主体架上，所述升降油缸通过伸缩可带动履带连接杆运动，以实现履带的高度升降。

优选地，所述推进器组包括四个对底推进器和四个水平推进器，其中：

四个对底推进器为竖直安装并呈矩形阵列分布，用来控制海底自行式作业平台的整体升降运动；

四个水平推进器为水平安装并呈矩形阵列分布，用于推动海底自行式作业平台水平移动，所述四个水平推进器中相邻两个水平推进器的推进轴呈夹角设置。

优选地，所述平台调平装置的数量为四个，分别设在主体架的四周，每一个平台调平装置包括调平机构和固定机构，其中：

所述调平机构包括调平圆筒、调平油缸、调平滑轨和支架，所述调平圆筒通过调平滑轨可滑动地安装在支架上，所述调平油缸连接在调平圆筒和支架之间，通过所述调平油缸使调平圆筒与海底相互作用，能改变主体架与海底之间的距离；

所述固定机构设于调平圆筒内，包括导杆、钻杆、动力头和推进油缸，所述推进油缸连接在调平圆筒和动力头之间，所述钻杆与动力头连接并通过动力头驱动旋转，所述导杆连接于动力头和调平圆筒之间，用于对动力头和钻杆的伸出和缩进运动进行导引。

优选地，所述平台机器人包括对称布置在海底自行式作业平台两侧的两只机械臂，所述机械臂通过滑块可滑动地安装在主体架上的导轨上，每一只机械臂配备有牵引装置以牵引机械臂前后来回移动，所述牵引装置包括液压马达、钢丝绳、钢丝绳滚筒和定滑轮，所述钢丝绳卷在钢丝绳滚筒上且钢丝绳通过定滑轮后与滑块连接，所述液压马达驱动钢丝绳滚筒正反转带动滑块前后来回移动。

优选地，所述动力单元包含液压动力站、高压电配电中心和电池组，所述液压动力站用于供应海底自行式作业平台和所搭载作业设备中液压部件的动力供应，所述高压配电中心用于海底自行式作业平台和所搭载作业设备的电力供应，所述电池组用作应急电源和当海底自行式作业平台与科考船无动力连接时对声信标进行供电。

优选地，所述定位导航系统包括声信标、惯性导航组件、图像声呐和平台轨迹控制器，所述声信标用于定位海底自行式作业平台的位置，所述惯性导航组件用于测量海底自行式作业平台的航向，所述图像声呐用于采集海底图像数据，所述平台轨迹控制器用于对平台运动系统进行控制，使推进器组和履带行走机构做出相应动作；

所述监控系统包括传感器、数据采集板、灯和摄像头，所述传感器安装于海底自行式作业平台和搭载在海底自行式作业平台上的作业设备上，所述数据采集板用于采集传感器数据，所述灯和摄像头安装在海底自行式作业平台和作业设备上，用于观测海底自行式作业平台和作业设备；

所述主体架的前端和尾部安装观测用云台，用于观测海底自行式作业平台整体运行状态和海底自行式作业平台周围环境；

所述主体架上设有电子控制仓，所述电子控制仓内设有姿态传感器。

本发明的海底自行式作业平台的具有如下优点：

通过设置多个作业设备固定座，可在作业设备安装区域通过搭载多种海底环境和资源考察作业设备，根据不同的区域的特点，使用相应的考察作业设备，实现对海底全方位立体式的综合性考察；

所述海底自行式作业平台的平台运动系统包括履带行走机构和推进器组，可以通过履带行走机构和推进器组单独或协作完成海底自行式作业平台运动，运动方式灵活，有效适应海底复杂环境；

履带行走机构采用液压行走马达驱动并配备有履带高度调节机构，保证好的牵引效果和地形适应能力；

平台调平装置包括调平机构和固定机构，不但可以通过调平机构对海底自行式作业平台进行调平，并且可以通过固定机构的钻杆钻入海底表层地层，保证定点作业时有很好的稳定性；

海底自行式作业平台上设置有机器人，提高了海底自行式作业平台的通用性和使海底自行式作业平台具有比较好的故障排除和修复能力；

多种科学考察作业设备通过共享动力单元和通讯单元，降低单一作业设备的复杂程度，节省了单个作业设备的开发和生产成本。

附图说明

图1为本发明海底自行式作业平台一实施例的结构示意图；

图2为图1所示海底自行式作业平台的俯视图；

图3为图2所示海底自行式作业平台中履带升降机构的结构示意图；

图4为图1所示海底自行式作业平台中调平机构的结构示意图；

图5为图4所示调平机构的右视图；

图6为图4所示调平机构沿A-A线的剖视图。

图7为图1所示海底自行式作业平台中作业设备固定座的结构示意。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1至图7所示，为本发明海底自行式作业平台的一实施例。在本实施例中，海底自行式作业平台包括主体架1、平台运动系统2、平台调平装置3、平台机器人4、动力单元5、通讯单元、定位导航系统和监控系统。

主体架1构成海底自行式作业平台本体，所述平台运动系统2、平台调平装置3、平台机器人4、动力单元5、通讯单元、定位导航系统和监控系统均安装在主体架1上。

主体架1上设有用于安装作业设备的作业设备安装区域100，并于作业设备安装区域100的周边设有用于固定作业设备的多个作业设备固定座13。

所述作业设备安装固定座13包括第一油缸131、摆杆132和基座133，基座133固定在主体架1上，摆杆132可转动地安装在基座133上，第一油缸131连接在摆杆132与主体架1之间，用于驱动摆杆132转动以进行张开或闭合，以进行作业设备的安装或拆卸。安装作业设备时，第一油缸131伸出，摆杆132张开，将作业设备放在基座133上后，第一油缸131收缩，摆杆132闭合卡紧作业设备，从而将作业设备固定在海底自行式作业平台的作业设备安装区域100。

通过设置多个作业设备固定座13，可在作业设备安装区域100通过搭载多种海底环境和资源考察作业设备，根据不同的区域的特点，使用相应的考察作业设备，实现对海底全方位立体式的综合性考察。根据考察的需要，作业平台单次下水，进行海底作业时长可持续达60天。

特别地，在主体架1上还设置有安装浮力材料的安装架11，通过调节安装架11上浮力材料的来多少调节海底自行式作业平台在水中的重量。主体架1上还设置有沉重支架12，用于海底自行式作业平台的吊装。

平台运动系统2包括履带行走机构21和推进器组23。所述履带行走机构21用于驱动海底自行式作业平台进行着地行走，所述推进器组23用于驱动海底自行式作业平台在水中悬浮运动，所述推进器组23还用于与履带行走机构21协作驱动海底自行式作业平台进行着地行走。因此，海底自行式作业平台有三种运动方式，第一种方式是单独通过履带行走机构21进行着地行走，第二种方式是单独在推进器组23的作用下在水中悬浮运动，第三种方式是通过履带行走机构21在推进器组23的协作下进行着地行走。

履带行走机构21的数量为两个，分别安装在主体架1的两侧。每一个履带行走机构21包括履带架211及安装在履带架211上的履带212，所述履带架211设有用于驱动履带212行走的履带轮(图中未标示)，并配备有两个大扭矩的液压行走马达213，可以是单独一个液压行走马达213驱动履带轮，也可以是两个液压行走马达213协同驱动。当两侧的两条履带212的行走速度相同时，海底自行式作业平台进行直线行走，当两侧的两条履带有速度差时，海底自行式作业平台实现转向。

两个履带行走机构21均配备有履带高度调节机构22，实现履带212的升降。履带高度调节机构22包括履带连接杆221、升降油缸222和固定座223。升降油缸222的缸筒一端通过滑动轴承与主体架1相连，升降油缸222的油缸杆通过滑动轴承与履带连接杆221相连，履带行走机构21与履带连接杆221的外端连接，履带连接杆221的内端通过滑动轴承与固定座223相连，固定座223固定在主体架1上，升降油缸222伸缩带动履带连接杆221运动，从而实现履带212的高度升降。依照不同的地形地貌，通过调节履带212的升降改变海底自行式作业平台的离地高度，以更好地适应相应地形与作业需求。

所述推进器组23包括四个对底推进器231和四个水平推进器232，四个对底推进器231为竖直安装并呈矩形阵列分布，用来控制海底自行式作业平台的整体升降运动。四个水平推进器232为水平安装并呈矩形阵列分布，用于推动海底自行式作业平台水平移动。所述对底推进器231和水平推进器232都采用螺旋桨推进器。所述四个水平推进器23中相邻两个水平推进器23的推进轴呈夹角设置，即相邻两个水平推进器23的推进轴不相互平行且不在同一直线上，这样，仅需要设置四个水平推进器23，即可实现海底自行式作业平台在前、后、左、右四个方向的水平移动。

平台调平装置3用于海底自行式作业平台在定点作业时(定点作业就是海底自行式作业平台不运动，静止在海底某一个位置作业)将主体架1调平并固定。

平台调平装置3包括调平机构31和固定机构32。调平机构31包括调平圆筒311、调平油缸312、调平滑轨313和支架314，调平圆筒311通过调平滑轨313可滑动地安装在支架314上，调平油缸312连接在调平圆筒311和支架314之间，通过调平油缸312使调平圆筒311与海底相互作用，能改变主体架1与海底之间的距离。

固定机构32设于调平圆筒311内，包括导杆321、钻杆322、动力头323和推进油缸324，推进油缸324连接在调平圆筒311和动力头323之间，钻杆322与动力头323连接并通过动力头323驱动旋转，导杆321连接于动力头323和调平圆筒311之间，用于对动力头323和钻杆322的伸出和缩进运动进行导引。固定过程为：启动动力头323的液压马达，驱动钻杆322旋转，启动推进油缸324，推进油缸324伸出，钻杆322边旋转边向下运动，直至钻杆322完全钻入海底底层表面，将海底自行式作业平台固定于海底表面，以稳固主体架1。

平台调平装置3的数量为四个，分别设在主体架1的四周。主体架1上设有电子控制仓9，电子控制仓9内设有姿态传感器，通过姿态传感器感应主体架1的倾斜角度，海底自行式作业平台的控制系统自动控制调平机构31的调平油缸312的伸缩，使主体架1保持水平。待主体架1调平后，启动平台调平装置3的固定机构32，进一步稳固海底自行式作业平台。

平台机器人4用于完成海底自行式作业平台上各作业辅助操作，如在海底完成海底自行式作业平台和作业设备之间的动力和通讯连接，海底自行式作业平台上灯和摄像头的角度调节，对海底自行式作业平台进行维护与修护，辅助作业设备进行作业。

平台机器人4包括对称布置在海底自行式作业平台两侧的两只机械臂41，机械臂41通过滑块104可滑动地安装在主体架1上的导轨105上，每一只机械臂41配备有牵引装置42以牵引机械臂41前后来回移动。

牵引装置42包括液压马达、钢丝绳、钢丝绳滚筒和定滑轮。钢丝绳卷在钢丝绳滚筒上且钢丝绳通过定滑轮后与滑块104连接，液压马达驱动钢丝绳滚筒正反转带动滑块104前后来回移动，由于机械臂41固定于滑块104上，使得机械臂41一起前后来回移动，两个机械臂41的前后来回移动，使机械臂41的作业区域覆盖到海底自行式作业平台的任一位置。机械臂41上的伺服电机均作适当改造，以适应深海环境，所有伺服电机的压力补偿口均与海底自行式作业平台上的补偿器101相连接。主体架1上设有伺服电机驱动器仓102，伺服电机的驱动器安装于伺服电机驱动器仓102内。

动力单元5包含液压动力站51、高压电配电中心52和电池组53。液压动力站51用于供应海底自行式作业平台和所搭载作业设备中液压部件的动力供应。高压配电中心51用于海底自行式作业平台和所搭载作业设备的电力供应。电池组53用作应急电源和当海底自行式作业平台与科考船无动力连接时对声信标71进行供电。通过动力单元5提供动力，可持续的作业时间长，保证有充足的时间进行具体的勘探和取样。

通讯单元(图中未示出)用于海底自行式作业平台与科考船的视频传输和控制指令传输。

定位导航系统包括声信标71、惯性导航组件72、图像声呐73和平台轨迹控制器(图中未示出)。声信标71用于定位海底自行式作业平台的位置，惯性导航组件72用于测量海底自行式作业平台的航向。图像声呐73用于采集海底图像数据，按照图像声呐73反馈的数据和预定作业轨迹，从科考船发出指令，经过通讯单元发送指令给平台轨迹控制器，对平台运动系统2进行控制，使推进器组23和履带行走机构21做出相应动作，从而控制海底自行式作业平台按照计划运动。海底自行式作业平台轨迹控制器安装于海底自行式作业平台的电子控制仓9内。

监控系统包括传感器、数据采集板、灯83和摄像头84。传感器安装于海底自行式作业平台和搭载在海底自行式作业平台上的作业设备上，传感器数据通过数据采集板采集。灯83和摄像头84安装在海底自行式作业平台和作业设备上，用于观测海底自行式作业平台和作业设备。特别地，海底自行式作业平台在主体架1的前端和尾部安装观测用云台85，用于观测海底自行式作业平台整体运行状态和海底自行式作业平台周围环境。

海底自行式作业平台使用方法为：通过光电复合缆将海底自行式作业平台与科考船相连，在海底自行式作业平台上安装好作业设备后，利用船用绞车将海底自行式作业平台下放至海底，按照作业设备的作业需求进行定点作业。

所述海底自行式作业平台的平台运动系统2包括履带行走机构21和推进器组23，可以通过履带行走机构21和推进器组23单独或协作完成海底自行式作业平台运动，运动方式灵活，有效适应海底复杂环境。

履带行走机构21采用液压行走马达213驱动并配备有履带高度调节机构22，保证好的牵引效果和地形适应能力。

通过设置平台调平装置3，平台调平装置3包括调平机构31和固定机构32，不但可以通过调平机构31对海底自行式作业平台进行调平，并且可以通过固定机构32的钻杆322钻入海底表层地层，保证定点作业时有很好的稳定性。

海底自行式作业平台上设置有机器人4，提高了海底自行式作业平台的通用性和使海底自行式作业平台具有比较好的故障排除和修复能力。

多种科学考察作业设备通过共享动力单元5和通讯单元，降低单一作业设备的复杂程度，节省了单个作业设备的开发和生产成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种海底自行式作业平台，其特征在于，所述海底自行式作业平台包括主体架、平台运动系统、平台调平装置、平台机器人、动力单元、通讯单元、定位导航系统和监控系统，其中：

所述主体架构成海底自行式作业平台本体，所述平台运动系统、平台调平装置、平台机器人、动力单元、通讯单元、定位导航系统和监控系统均安装在主体架上，所述主体架上设有用于安装作业设备的作业设备安装区域，并于作业设备安装区域的周边设有用于固定作业设备的多个作业设备固定座；

所述平台运动系统包括履带行走机构和推进器组，所述履带行走机构用于驱动海底自行式作业平台进行着地行走，所述推进器组用于驱动海底自行式作业平台在水中悬浮运动，所述推进器组还用于与履带行走机构协作驱动海底自行式作业平台进行着地行走；

所述平台调平装置用于海底自行式作业平台在定点作业时将主体架调平并固定；

所述平台机器人用于完成海底自行式作业平台上各作业辅助操作；

所述动力单元用于向海底自行式作业平台及其所搭载的作业设备提供动力；

所述通讯单元用于海底自行式作业平台与科考船之间进行通讯，以进行视频传输和控制指令传输；

所述定位导航系统用于海底自行式作业平台的定位和导航；

所述监控系统用于海底自行式作业平台作业时的数据采集；

所述作业设备安装固定座包括第一油缸、摆杆和基座，所述基座固定在主体架上，所述摆杆可转动地安装在基座上，所述第一油缸连接在摆杆与主体架之间，用于驱动摆杆转动以进行张开或闭合，以进行作业设备的安装或拆卸；

所述主体架上还设置有用于海底自行式作业平台吊装沉重支架和用于安装浮力材料的安装架。

2.根据权利要求1所述海底自行式作业平台，其特征在于，所述履带行走机构的数量为两个，分别安装在主体架的两侧，每一个履带行走机构包括履带架及安装在履带架上的履带，所述履带架设有用于驱动履带行走的履带轮，并配备有两个液压行走马达。

3.根据权利要求2所述海底自行式作业平台，其特征在于，所述两个履带行走机构均配备有实现履带升降的履带高度调节机构，所述履带高度调节机构包括履带连接杆、升降油缸和固定座，所述升降油缸的缸筒一端通过滑动轴承与主体架相连，所述升降油缸的油缸杆通过滑动轴承与履带连接杆相连，所述履带行走机构与履带连接杆的外端连接，所述履带连接杆的内端通过滑动轴承与固定座相连，所述固定座固定在主体架上，所述升降油缸通过伸缩可带动履带连接杆运动，以实现履带的高度升降。

4.根据权利要求1所述海底自行式作业平台，其特征在于，所述推进器组包括四个对底推进器和四个水平推进器，其中：

四个对底推进器为竖直安装并呈矩形阵列分布，用来控制海底自行式作业平台的整体升降运动；

四个水平推进器为水平安装并呈矩形阵列分布，用于推动海底自行式作业平台水平移动，所述四个水平推进器中相邻两个水平推进器的推进轴呈夹角设置。

5.根据权利要求1所述海底自行式作业平台，其特征在于，所述平台调平装置的数量为四个，分别设在主体架的四周，每一个平台调平装置包括调平机构和固定机构，其中：

所述调平机构包括调平圆筒、调平油缸、调平滑轨和支架，所述调平圆筒通过调平滑轨可滑动地安装在支架上，所述调平油缸连接在调平圆筒和支架之间，通过所述调平油缸使调平圆筒与海底相互作用，能改变主体架与海底之间的距离；

所述固定机构设于调平圆筒内，包括导杆、钻杆、动力头和推进油缸，所述推进油缸连接在调平圆筒和动力头之间，所述钻杆与动力头连接并通过动力头驱动旋转，所述导杆连接于动力头和调平圆筒之间，用于对动力头和钻杆的伸出和缩进运动进行导引。

6.根据权利要求1所述海底自行式作业平台，其特征在于，所述平台机器人包括对称布置在海底自行式作业平台两侧的两只机械臂，所述机械臂通过滑块可滑动地安装在主体架上的导轨上，每一只机械臂配备有牵引装置以牵引机械臂前后来回移动，所述牵引装置包括液压马达、钢丝绳、钢丝绳滚筒和定滑轮，所述钢丝绳卷在钢丝绳滚筒上且钢丝绳通过定滑轮后与滑块连接，所述液压马达驱动钢丝绳滚筒正反转带动滑块前后来回移动。

7.根据权利要求1所述海底自行式作业平台，其特征在于，所述动力单元包含液压动力站、高压电配电中心和电池组，所述液压动力站用于供应海底自行式作业平台和所搭载作业设备中液压部件的动力供应，所述高压电配电中心用于海底自行式作业平台和所搭载作业设备的电力供应，所述电池组用作应急电源和当海底自行式作业平台与科考船无动力连接时对声信标进行供电。

8.根据权利要求1所述海底自行式作业平台，其特征在于，所述定位导航系统包括声信标、惯性导航组件、图像声呐和平台轨迹控制器，所述声信标用于定位海底自行式作业平台的位置，所述惯性导航组件用于测量海底自行式作业平台的航向，所述图像声呐用于采集海底图像数据，所述平台轨迹控制器用于对平台运动系统进行控制，使推进器组和履带行走机构做出相应动作；

所述监控系统包括传感器、数据采集板、灯和摄像头，所述传感器安装于海底自行式作业平台和搭载在海底自行式作业平台上的作业设备上，所述数据采集板用于采集传感器数据，所述灯和摄像头安装在海底自行式作业平台和作业设备上，用于观测海底自行式作业平台和作业设备；

所述主体架的前端和尾部安装观测用云台，用于观测海底自行式作业平台整体运行状态和海底自行式作业平台周围环境；

所述主体架上设有电子控制仓，所述电子控制仓内设有姿态传感器。