CN109291743B - 适应于极稀软地质的可悬浮履带式特种水下作业机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适应于极稀软地质的可悬浮履带式特种水下作业机器人，包括行走机构；所述行走机构是履带泥橇复合式结构，履带两侧固定设有泥橇板结构，泥橇板结构底部高于履带底部并具有拱形板头；所述拱形板头设有板水射流装置，所述板水射流装置向前喷射水，行走机构行进过程中，拱形板头将水向下压入，被压入的水与喷射水共同在泥橇板结构底部形成“水膜”，减小行进阻力，可实现在极稀软地质中的稳定行进。本发明还设计有推进机构、浮力调整装置、作业模块等部分，可实现水下机器人在海底自主行进和水中悬浮、故障自修复、精细化作业等多种功能。

Description

适应于极稀软地质的可悬浮履带式特种水下作业机器人

技术领域

本发明涉及一种履带行走机构，具体涉及一种适应于极稀软水下地面环境的履带行走结构及机器人装置。

背景技术

现有技术有在履带上设置履刺进而增加推力的设计，其履刺主要起到增加摩擦力的作用，但是履刺的高度普遍较低，效果往往不佳，因为履刺的长度较短，无拨泥的效果，究其原因，主要是履刺之间容易嵌入污泥，履刺加长会导致污泥更加难以去除，现有技术也有通过设置履刺角度来达到重力脱泥的目的，但是，脱泥的效果始终不如人意；水下行走机构对于接地比压的平衡的要求也比较高，难度比较大，一般通过增大履带的横向宽度来增大接触面、稳定性，或通过外加构建增加接地面积，但是未能解决摩擦阻力增大的问题。

此外，现有的海底集矿设备存在以下缺点：

1)不具备悬浮、漂浮能力，工作时需要额外配置母船进行投放与回收，成本较高，效率低下。

2)只能进行贴底作业，由于只配有履带机构而没有浮力设备，在工作时只能依靠履带等设备在海底进行三自由度运动。遇到陡坡等海底地形时需要强大的功率才能行进，容易烧坏主机，降低系统的可靠性。遇到复杂多变的海底地形时不能自由地调整姿态，易触碰障碍物，对集矿设备造成一定的损坏。

3)水下拍摄困难。由于现有的海底集矿设备结构笨重，若要对海底环境进行详细的、全方位多角度的拍摄，需要安装多个水下摄像头，对海底集矿设备结构布局有着很高的要求，也加大了设备设计时的难度，提高了人力物力的投入。

4)由于没有配备机械手臂，因此无法清理障碍物，只能吸取平坦海底的矿石，当有石块或者其他杂物压在待吸取物上时必须选择放弃作业，强行作业易损伤集矿头。

发明内容

本发明的目的是：提供一种适应于极稀软地质的可悬浮履带式特种水下作业机器人，通过设置履带水射流装置清楚履刺之间的污泥，从而可以提高履刺的高度，提升履刺的拨泥效果；同时设置泥橇板结构进行分压，在泥橇板结构上设置板水射流装置，通过泥橇板下部形成的水膜，来减小行走时泥橇板结构与地面的摩擦阻力；同时提供一种无需配置母船进行投放和回收，能够在水下实现六自由度运动，有效地避开障碍物；实现水下大角度拍摄，探测海底地形，寻找合适的矿区；具备在矿区作业时清理石块等障碍物的能力，提高吸矿的效率和质量，并采用上述履带行走结构的多功能水下机器人装置。

本发明采取以下技术方案：

一种适应于极稀软地质的可悬浮履带式特种水下作业机器人，包括行走机构；所述行走机构是履带泥橇复合式结构，履带两侧固定设有泥橇板结构，泥橇板结构底部高于履带底部并具有拱形板头；所述拱形板头设有板水射流装置，所述板水射流装置向前喷射水，行走机构行进过程中，拱形板头将水向下压入，被压入的水与喷射水共同在泥橇板结构底部形成“水膜”，减小淤泥阻力。

进一步的，所述履带上设有加长的履刺，所述履带行走结构上固定设置对准相邻履刺之间部位的履带水射流装置，用于冲去相邻履刺之间的污泥。

进一步的，还包括支撑横梁、动力机构；支撑横梁两侧设置所述行走机构；支撑横梁连接于履带行走结构内侧面板上。

更进一步的，泥橇板结构分别与履带行走结构内侧面板固定连接。

进一步的，所述动力机构由电机水密封箱和电气箱构成。

进一步的，履带结构包括橡胶履带、履刺、支重轮、驱动齿轮、导向轮总成、履带行走结构侧面板、履带水射流装置；橡胶履带与履刺连接；支重轮具有多个，且均匀分布，支撑横梁后方电机水密封箱上，水平焊接两个履带水射流装置。

进一步的，泥橇板结构具有拱形板头、拱形板尾，泥橇板结构侧面具有挡板，板水射流装置集成安装在拱形板头上。

进一步的，还包括集物箱、浮力机构和控制机构，所述履带行走结构的底部设有行走机构，所述集物箱设置在所述履带行走结构上，且所述集物箱的前部和尾部分别设有作业模块和推进机构，所述作业模块用于采集矿物并输送至所述集物箱中，所述浮力机构包括多个浮力调整气囊，多个所述浮力调整气囊沿所述集物箱的顶部横向对称分布，以及所述控制机构分别与所述行走机构、作业模块、推进机构和浮力调整气囊相连接。

进一步的，所述浮力调整气囊包括气囊本体和隔膜，所述隔膜设置在所述气囊本体的内部中间位置处，且将所述气囊本体的内腔分割成第一腔体和第二腔体，所述第一腔体和第二腔体上均设有双向气阀，所述双向气阀与所述控制机构相连接。

更进一步的，所述气囊本体采用尼龙材料制作而成。

再进一步的，所述作业模块包括海底适应性集矿器、吸水管和多个进矿口，多个所述进矿口设置在所述集物箱的前部，且与所述集物箱相连通，所述海底适应性集矿器经所述吸水管与所述进矿口相连接。

进一步的，所述进矿口上还设有伸缩调节机构，所述伸缩调节机构与所述吸水管相连接，且用于调节所述吸水管的伸缩长度。

进一步的，所述推进机构包括对称设置在所述集物箱尾部两侧的螺旋桨，两个所述螺旋桨还分别与两个所述驱动电机相连接，所述集物箱的内部还设有滤网。

进一步的，所述集物箱的前部还设有水平平台，所述水平平台上设有机械手臂，所述机械手臂具有六个自由度，且所述机械手臂的悬臂端连接有机械爪和/或照相机。

进一步的，所述集物箱上装有定位仪以及姿态传感器，所述姿态传感器包括三轴陀螺仪和三轴加速度计。

进一步的，所述机器人底盘中心为下大上小的喇叭口形状，集物箱2呈环状结构，环状结构内有柱状空间，柱状空间的上端为进水口，下端为出水口，进水口处设置螺旋桨8，螺旋桨可将水流打入柱状空间内；柱状空间的下方固定设置略微翘起的挡板1018，在挡板1018的阻挡作用下，出水口出水方向会紧贴着小曲率的底盘流出，从而在底盘和海泥之间形成一层水膜。

更进一步的，呈环状的集物箱2内侧壁为滤网21，集物口26设于外侧壁上，集物时，自内侧壁流出的水，在挡板1018的阻挡作用下，水流会紧贴着小曲率的底盘流出，从而在底盘和海泥之间进一步加强所述水膜。

更进一步的，挡板1018可自由拉伸，从而不同程度遮挡出水口和调节出水方向。

更进一步的，集物口26设有距离传感器、图像识别传感器、与集物口26连接的集物管内安置有流量计，控制系统通过图像识别后读取被抽吸物体的几何特征，可以识别出其物体属性和类别，从而获知被吸取物的大小、体积，根据识别得到的物体类别，计算出其重量和浮力，根据重量和浮力的差值，获知最小抽吸力；控制系统再通过调节集物管与被抽吸物体的距离以及集物管内部水流流速，进而动态调整不同工况下集物管对被抽吸物的抽吸力，使抽吸力接近物体所需的所述最小抽吸力。

一种上述机器人装置的工作方法，包括以下步骤：

S1、将所有浮力调整气囊的双向气阀打开进气，使机器人装置的浮力略小于重力；

S2、调整机器人装置的下潜速度和姿态；

S3、启动螺旋桨，通过控制螺旋桨71的正转、反转或是差速转动，实现机器人装置的前进、后退以及转向，直到到达指定海底矿区；

S4、到达海底后，驱动电机关闭，螺旋桨停止转动，启动行走机构，利用履带轮装置使机器人在海床能够连续、稳定地前进；

S5、启动机械手臂，控制机械爪把覆盖在矿石上的石块等杂物夹起放于指定位置；

S6、矿区杂物清理完毕后，将吸水管与海底适应性集矿器投放到指定位置，启动驱动电机，使泵高速旋转形成强大的抽吸力，将矿物吸入集物箱内；布置在集物箱内的螺旋桨高速转动时，可以源源不断地将集物箱内的水向外排出，箱内压强降低，外部的水便会从集物管流入集物箱内。而此时，集物箱内螺旋桨转动的效果可以看做是一个具有储物功能的水泵。

S7、矿浆泵将矿物输送至中继仓，完成一个工作循环或关闭作业系统上潜。

进一步的，所述步骤S2具体包括：打开双向气阀进气，使得气囊本体的体积能够保持一个定值，确保机器人装置能够持续下潜，下潜的速度由定位仪来确定，以及根据姿态传感器反应的纵倾与横倾角度适当加大部分浮力调整气囊的进气量，让机器人装置重回正浮状态。

本发明的有益效果在于：

关于履带行走机构方面:

1)泥橇板结构中，设置水射流装置，向板底喷射水流。根据附壁效应，形成一层“水膜”，可大大减小行进阻力。

2)采用履带-泥橇板复合结构，极好适应海底环境；

3)履带结构中可以设置长履刺，大深度插入底层沉积物中，产生更大的驱动力、减小压陷、防止打滑，提高运输能力，其前提是配合履带水射流装置的冲刷，不会造成相邻履刺之间的污泥积垢；

4)履带结构中，尾部安装水射流装置，冲洗掉吸附在齿板上的泥土及其他附着物，防止因附着物堆积产生的履带的驱动力减小和重量增大。

5)使用泥橇板结构，增大了接地面积，降低接地比压，提升平衡性能，提高行走中稳定性；

6)泥翘板结构两侧设置挡板，履带装置中的侧面板。防止泥土及附着物卷入履带传动装置中，提高了装置可靠性。

关于机器人装置方面：

1)采用了浮力调整气囊构成了浮力机构，可以通过控制双向气阀的开启关闭改变浮力机构的进气量，从而获得不同的浮力，使得机器人能够在水中漂浮或是悬浮作业；与传统的海底集矿设备相比，本发明在工作前后无需配饰母船进行投放与回收，缩短了作业时间与任务周期，大大降低了人力物力成本。

2)浮力调整气囊的数量有多个，且沿集物箱的顶部横向对称分布，而且浮力调整气囊的内部中间设有隔膜，将浮力调整气囊平均分为第一腔体和第二腔体，通过横向或者纵向进气量的差异，浮力调整气囊在横向以及纵向获得大小不同的浮力，从而实现水下机器人的横摇与纵摇运动，从而使本发明能够实现水下六自由度的运动，能够更加灵活有效地避开障碍物，减小碰撞与磨损。

3)通过两个驱动电机分别控制两个螺旋桨的转速，在悬浮或是漂浮状态下，螺旋桨通过正转、反转或是差速转动实现前进以及转向功能，在水下工作时能够更加灵活地应对海底地形、环境载荷。

4)利用螺旋桨高速转动形成强大的抽吸力将矿物通过海底适应性集矿器吸出，且抽吸力可以通过调整螺旋桨转速来控制，该设计将动力装置与工作装置结合为一体，无需额外的工作泵吸取矿物，大大地减小了本发明的重量，也使得该海底集矿机器人较传统集矿设备能够存储运输更多的矿石。

5)安装了具有六个自由度的机械手臂，能够在水下在任意位置以任意姿态进行工作。机械手臂前段安装有机械爪/或照相机，其能根据实际作业需求实时更换，实现水下全方位、大角度拍摄，也可以清理障碍物，以便海底适应性集矿器高效的吸取矿石，在海底作业时碰到故障也能自行维修。

附图说明

图1是实施例一的水下作业机器人的底盘的立体图。

图2是实施例一的水下作业机器人的底盘的俯视图。

图3是实施例一的水下作业机器人的底盘的另一视角下的立体图。

图4是实施例一的水下作业机器人的示意图；

图5是实施例一的水下作业机器人的另一视角的示意图；

图6是实施例一的水下作业机器人的浮力机构的结构示意图。

图7是实施例二水下作业机器人的俯视图。

图8是实施例二水下作业机器人的立体图。

图9是实施例二水下作业机器人的前视图。

图10是实施例二水下作业机器人的仰视图。

图11是实施例二水下作业机器人的集物箱的结构示意图。

图12是实施例二水下作业机器人左视视角下的剖视图。

图中，101.支撑横梁，102.动力机构，103.行走机构，104.履带装置，105.泥橇板结构，106.橡胶履带，107.履刺，108.支重轮，109.驱动齿轮，1010.导向轮总成，1011.履带行走结构侧面板，1012.履带水射流装置，1013.拱形板头，1014.挡板，1015.板水射流装置，1016.电机水密封箱，1017.电器箱，1018.挡板，1019.喇叭状水射流喷口；2.水箱，9.水密配电盒，10.摄像头，21.滤网，26.集物口，27.进水口，28.出水口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

实施例一：

本实施例中，参见图1-3，适应于极稀软水下地面环境的履带应用在海底及其他稀软地质的状态下行进。履带为雪橇式履带，包括以下几部分：橡胶履带106，履刺107，支重轮108，驱动齿轮109，导向轮总成1010，履带行走结构侧面板1011，,履带水射流装置1012等结构。

所述橡胶履带106由履带板和履带销等组成。履带销将各履带板连接起来构成履带链环。履带板的两端有孔，与主动轮啮合，中部有诱导齿，用来规正履带，并防止装置转向或侧倾行驶时履带脱落，提高了装置行进的稳定性。

所述履刺107固定于橡胶履带下方，较普通履刺其长度有较大加长，其结构强度等性能均有所加强。从而使履带行进装置更加适应海底松软的地质条件，增加其进入底泥的深度，能提供更大的驱动力和更高的驱动效率。

所述水射流装置1012焊接于电机水密封箱1016尾部两侧，共两个，其产生的高速水射流恰好流经履刺根部，对吸附在履刺表面的底泥有较好的冲刷效果，由于水射流装置的冲刷，进而履带结构中可以设置长履刺，大深度插入底层沉积物中，产生更大的驱动力、减小压陷、防止打滑，提高运输能力。

所述支重轮108位于橡胶履带上方，并与橡胶履带内表面啮合，用来承受坦克的重量和规正履带。它由轮毂、轮盘、胶带、滚珠轴承、轮轴盖、固定螺母等组成。该装置通过设置较多的支重轮，使每个负重轮上分担的重力较小，履带上压力分布更加均匀，提高装置的通过能力和机动性能。

所述驱动齿轮109位于履带前端上部，它由轮毂、齿圈、带齿垫圈、锥齿杯、固定螺帽和止动螺栓组成。它通过齿轮和履带啮合,将侧减速器传来的动力传给履带而使装置运动。

所述导向轮总成1010位于履带尾部外侧，用来诱导和支撑履带,并与履带调整器一起调整履带的松紧程度。它由轮毂、轮盘、滚珠轴承、轮轴盖、固定螺帽、双排滚珠轴承、支撑杯等组成。

所述履带行走结构侧面板1011位于履带两侧，上有支撑横梁连接于底部泥翘板结构105。侧面板可以防止外部物体进入履带结构内部，侧面板同时用于固定履带内的多个支重轮，使他们之间的相对位置保持不变，提高行进稳定性。

具有拱形板头板1013、拱形尾板的泥橇板结构105，与同类平底泥橇板和无泥橇板的装置相比，使得本装置在软泥环境中有相同下陷程度时，与软泥的接触面积更大，从而增加了软泥环境对泥橇板向上的托举力，可以承受更大的荷重。泥橇板结构105两侧和前部设置挡板1014，防止稀泥溅入。

拱形板头1013设有板水射流装置1015，可沿着拱形板头1013底部喷射高压水流。整个装置在行进过程中，由于附壁效应，水流沿着拱形板头1013底部流入泥橇板结构105底部，在泥橇板底部形成一层“水膜”，隔离了泥橇板与淤泥地面，从而减小淤泥与泥橇板之间的摩擦阻力，且水射流流量可随履带行走结构前进速度动态调整。

机器人装置的基本构思在于：根据海底集矿作业的特点，通过将浮力机构、作业模块、海底适应性集矿器以及机械手臂等系统的多功能化集成以及协同作业，提高海底采矿的效率，并且提高应对复杂的海底地形、洋流载荷与作业工况的能力。

参阅图4-6所示，本发明的多功能水下机器人装置，其包括履带行走机构1、集物箱2、浮力机构3和控制机构4，履带行走机构1的底部设有行走机构5，集物箱2设置在履带行走机构1上，且集物箱2的前部和尾部分别设有作业模块6和推进机构7，作业模块6用于采集矿物并输送至集物箱2中，浮力机构3包括多个浮力调整气囊，多个浮力调整气囊沿集物箱2的顶部横向对称分布，以及控制机构4分别与行走机构5、作业模块6、推进机构7和浮力调整气囊相连接。本发明中的行走机构5可以为履带轮装置，履带轮装置能够稳定运动，抵抗洋流等环境载荷的干扰，改变两个履带驱动电机的转速和旋转方向还可以实现机器人的前进，后退以及转向功能。

具体地，浮力调整气囊包括气囊本体31和隔膜32，隔膜32设置在气囊本体31的内部中间位置处，且将气囊本体31的内腔分割成第一腔体33和第二腔体34，第一腔体33和第二腔体34上均设有双向气阀35，双向气阀35与控制机构4相连接。本实施例中，气囊本体31采用尼龙材料制作而成，其具有变形性能好、抗拉强度高的特点，在工作时能够有较大的形变从而产生浮力，在深海高压的环境下产生形变也难以破裂。

本发明中，浮力调整气囊作用如下：1)、为海底集矿机器人提供悬浮、漂浮功能。2)、保障机器人姿态调整以及水下六自由度运动。具体地，工作时，通过控制机构4控制双向气阀35的开闭来控制气囊本体31中压缩空气的量，从而获得不同浮力，使得机器人获得悬浮能力；同时，改变左右气囊本体31的进气量，或改变同一气囊本体31中第一腔体33和第二腔体34中的进气量，也可实现水下姿态调整以及六自由度的运动。

具体地，作业模块6包括海底适应性集矿器(图中未示出)、吸水管61和多个进矿口62，多个进矿口62设置在集物箱2的前部，且与集物箱2相连通，海底适应性集矿器经吸水管61与进矿口62相连接。进矿口62上还设有伸缩调节机构，伸缩调节机构与吸水管61相连接，且用于调节吸水管61的伸缩长度。本发明中的伸缩调节机构能将适应性集矿器精确投送到指定位置，防止吸水管61的缠绕。本实施例中，伸缩调节机构可以为复位弹簧等现有技术中常规控制伸缩长度的机构。推进机构7包括对称设置在集物箱2尾部两侧的螺旋桨71，两个螺旋桨71还分别与两个驱动电机72相连接。

本发明的作业模块6和推进机构7的作用如下：1)、推进机构7为机器人的运动提供动力，以及为作业模块6的矿石采集与吸取提供抽吸力。2)、作业模块6用于储存来自海底适应性集矿器采集的矿石。3)、吸水管61可根据实际作业需求进行拆卸，直接将所需矿石吸入集物箱2或是将螺旋桨71反转排出污水。

优选地，集物箱2的内部还设有滤网21。滤网21可以防止矿石进入集物箱2尾部损坏螺旋桨71；通过改变滤网2材料的种类和目数，能够实现不同种类的矿石或是其他海底资源的采集。

具体地，集物箱2的前部还设有水平平台22，水平平台22上设有机械手臂23，机械手臂23具有六个自由度，且机械手臂23的悬臂端连接有机械爪和/或照相机。

本发明中，机械手臂23的作用如下：1)、夹持照相机，进行全方位、大角度水下摄影。2)、通过机械爪清理障碍物。

优选地，集物箱2上装有定位仪24以及姿态传感器25，定位仪24可以实时向控制机构4反应机器人所处的位置以及运动速度；姿态传感器25内置三轴陀螺仪和三轴加速度计，可以及时反映机器人的运动姿态，加速度以及角加速度。

本发明的采用上述多功能水下机器人装置的工作方法，其包括以下步骤：

S1、将所有浮力调整气囊的双向气阀35打开进气，使机器人装置的浮力略小于重力；机器人能够以较小的速度下潜。

S2、调整机器人装置的下潜速度和姿态；

S3、启动螺旋桨，通过控制螺旋桨71的正转、反转或是差速转动，实现机器人装置的前进、后退以及转向，直到到达指定海底矿区；

S4、到达海底后，驱动电机关闭，螺旋桨停止转动，启动行走机构，利用履带轮装置使机器人在海床能够连续、稳定地前进；

S5、启动机械手臂23，控制机械爪把覆盖在矿石上的石块等杂物夹起放于指定位置；

S6、矿区杂物清理完毕后，将吸水管61与海底适应性集矿器投放到指定位置，启动驱动电机72，使螺旋桨71高速旋转形成强大的抽吸力，将矿物吸入集物箱2内；对于颗粒较大，用海底适应性集矿器难以吸取的矿物，工作前可将吸水管61拆卸，工作时直接用机械手夹持待采集物，放于进矿口62附近，再松开机械爪，使得矿物被吸入集物箱2。

S7、矿浆泵将矿物输送至中继仓，完成一个工作循环或关闭作业系统上潜。

下潜过程中，由于海水的压力不断增大，需要适当打开双向气阀35进气，使得气囊本体31的体积能够保持一个定值，确保机器人装置能够持续下潜，下潜的速度由定位仪24来确定，以及根据姿态传感器25反应的纵倾与横倾角度适当加大部分浮力调整气囊的进气量，让机器人装置重回正浮状态。

实施例二：

本实施例中的行走机构与实施例一的不同之处在于：机器人左右两侧的履带各自分为前后两个单元。

本实施例具有与实施例一同样的设计思路和结构，并且能够实现实施例一的所有功能。在此基础之上，本实施例还具有附加的设计，具体阐述如下：

参见图7、10、12，所述机器人底盘中心为下大上小的喇叭口形状，集物箱2呈环状结构，环状结构内有柱状空间，柱状空间的上端为进水口，下端为出水口，进水口处设置螺旋桨8，螺旋桨可将水流打入柱状空间内；柱状空间的下方固定设置略微翘起的挡板1018，在挡板1018的阻挡作用下，出水口出水方向会紧贴着小曲率的底盘流出，从而在底盘和海泥之间形成一层水膜。这样底盘既可以承受压力，减小压陷，又大大降低行进阻力。相比于实施例一以及本实施例均采用的“在履带两侧增加泥橇板结构”，这样进一步利用了水流的附壁作用，所谓“附壁作用”是指：流体(水流或气流)有离开本来的流动方向，改为随着凸出的物体表面流动的倾向。当流体与它流过的物体表面之间存在表面摩擦时，只要曲率不大，流体会顺着物体表面流动。如此，具有进一步的优点：简化机器人结构、减小机器人宽度使其结构强度和更容易通过狭窄区域。同时，集物箱排出的水用于在喇叭口泥橇板表面形成稳定水膜，上述设计是一种巧妙设计优化了系统能源消耗。

螺旋桨8具有“一桨多用”的多项作用和设计考虑：

1)为机器人的浮游提供动力；

2)机器人在海底行进时，一旦发生压陷，螺旋桨可以为机器人提供多方向的推力，使之从软泥中松动而出；

3)布置在机器人中心的螺旋桨不仅可以提供垂向升力，同时因为它被布置在集物箱中心，可以充当集物箱内水泵的作用，通过水流产生的负压，可源源不断地将集物箱内的水向箱外排出，从而为集物管进水端提供辅助抽吸力，来协助抽吸水下的海参、矿粒、各类标本等。可简化机器人结构和制造成本。同时集物箱内设置有滤网将被抽吸物与导管螺旋桨推进器隔离开。保护桨叶的同时也保护被采集物。

在此实施例中，参见图11、12，呈环状的集物箱2内侧壁为滤网21，集物口26设于外侧壁上，集物时，自内侧壁流出的水，在挡板1018的阻挡作用下，水流会紧贴着小曲率的底盘流出，从而在底盘和海泥之间进一步加强所述水膜。

在此实施例中，参见图10、12，挡板1018可自由开合，从而不同程度遮挡出水口和调节出水方向，使得即便在不同的集物箱排水工况下，用于在机器人底盘和海泥之间进行水射流的水流量保持稳定，从而使水膜的形成质量稳定。

在此实施例中，集物口26设有距离传感器、图像识别传感器、与集物口26连接的集物管内安置有流量计，控制系统通过图像识别后读取被抽吸物体的几何特征，可以识别出其物体属性和类别，从而获知被吸取物的大小、体积，根据识别得到的物体类别，计算出其重量和浮力，根据重量和浮力的差值，获知最小抽吸力；控制系统再通过调节集物管与被抽吸物体的距离以及集物管内部水流流速，进而动态调整不同工况下集物管对被抽吸物的抽吸力，使抽吸力接近物体所需的所述最小抽吸力(重力与浮力差值)，则被抽吸物体刚好可以被吸进集物箱内，从而实现精准抽吸。这样的优化控制方法不仅可以极大降低能耗和对水下环境的扰动，还能保证对被吸取物的采集率，为水下复杂环境中实现抽吸力预测和精准环保作业提供先进技术支撑。附图未对此功能进行展示。

在海底环保是目前需要解决的重要问题，如何实现对海底样本的精准采集，即既保证采集率又减小能源消耗和对海底的扰动是关键技术问题，申请人按照上述方法进行实验，实现了对不同工况下抽吸力的精准预报。具体方法是：采用圆球来模拟被采集物，圆球下端有力传感器，不断改变圆球的直径、集物管的直径、集物管与圆球之间的相对几何位置，建立抽吸力与这些几何参数之间的映射关系，从而获得可以用于实时预报抽吸力大小的抽吸力预报公式。该公式可以为机器人的海底智能精准作业提供支撑，用作机器人优化调节集物管内流速、集物管与圆球之间的相对位置的重要调控依据。

以上两项实施例，实施例二是更为优选的实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护的范围之内。

Claims (19)

1.一种适应于极稀软地质的可悬浮履带式特种水下作业机器人，其特征在于：

包括行走机构(103)；所述行走机构(103)是履带泥橇复合式结构，履带两侧固定设有泥橇板结构(105)，泥橇板结构(105)底部高于履带底部并具有拱形板头(1013)；

所述拱形板头(1013)设有板水射流装置(1015)，所述板水射流装置(1015)向前喷射水，行走机构(103)行进过程中，拱形板头(1013)将水向下压入，被压入的水与喷射水共同在泥橇板结构(105)底部形成“水膜”，减小淤泥阻力；

还包括集物箱、浮力机构和控制机构，履带行走结构的底部设有行走机构，所述集物箱设置在所述履带行走结构上，且所述集物箱的前部和尾部分别设有作业模块和推进机构，所述作业模块用于采集矿物并输送至所述集物箱中，所述浮力机构包括多个浮力调整气囊，多个所述浮力调整气囊沿所述集物箱的顶部横向对称分布，以及所述控制机构分别与所述行走机构、作业模块、推进机构和浮力调整气囊相连接；

所述机器人底盘中心为下大上小的喇叭口结构，集物箱(2)呈环状结构，环状结构内有柱状空间，柱状空间的上端为进水口，下端为出水口，进水口处设置螺旋桨(8)，螺旋桨可将水流打入柱状空间内；柱状空间的下方固定设置略微翘起的挡板(1018)，在挡板(1018)的阻挡作用下，出水口出水方向会紧贴着小曲率的底盘流出，从而在底盘和海泥之间形成一层水膜。

2.如权利要求1所述的可悬浮履带式特种水下作业机器人，其特征在于：所述履带上设有加长的履刺，所述履带行走结构上固定设置对准相邻履刺之间部位的履带水射流装置(1012)，用于冲去相邻履刺之间的污泥。

3.如权利要求1所述的可悬浮履带式特种水下作业机器人，其特征在于：还包括支撑横梁(101)、动力机构(102)；支撑横梁(101)两侧设置所述行走机构(3)；支撑横梁连接于履带行走结构内侧面板(1011)上。

4.如权利要求3所述的可悬浮履带式特种水下作业机器人，其特征在于：泥橇板结构(105)分别与履带行走结构内侧面板(1011)固定连接。

5.如权利要求3所述的可悬浮履带式特种水下作业机器人，其特征在于：所述动力机构(102)由电机水密封箱(1016)和电气箱(1017)构成。

6.如权利要求2所述的可悬浮履带式特种水下作业机器人，其特征在于：履带结构包括橡胶履带(106)、履刺(107)、支重轮(108)、驱动齿轮(109)、导向轮总成(1010)、履带行走结构内侧面板(1011)、履带水射流装置(1012)；橡胶履带与履刺(107)连接；支重轮具有多个，且均匀分布，支撑横梁后方的电机水密封箱(1016)上水平焊接两个履带水射流装置(1012)。

7.如权利要求2所述的可悬浮履带式特种水下作业机器人，其特征在于：泥橇板结构(105)具有拱形板头、拱形板尾，泥橇板结构(105)侧面具有挡板(1014)，板水射流装置(1015)集成安装在拱形板头上。

8.如权利要求1所述的可悬浮履带式特种水下作业机器人，其特征在于：所述浮力调整气囊包括气囊本体和隔膜，所述隔膜设置在所述气囊本体的内部中间位置处，且将所述气囊本体的内腔分割成第一腔体和第二腔体，所述第一腔体和第二腔体上均设有双向气阀，所述双向气阀与所述控制机构相连接。

9.如权利要求8所述的可悬浮履带式特种水下作业机器人，其特征在于：所述气囊本体采用尼龙材料制作而成。

10.如权利要求7-9任意一项所述的可悬浮履带式特种水下作业机器人，其特征在于：所述作业模块包括海底适应性集矿器、吸水管和多个进矿口，多个所述进矿口设置在所述集物箱的前部，且与所述集物箱相连通，所述海底适应性集矿器经所述吸水管与所述进矿口相连接。

11.如权利要求10所述的可悬浮履带式特种水下作业机器人，其特征在于：所述进矿口上还设有伸缩调节机构，所述伸缩调节机构与所述吸水管相连接，且用于调节所述吸水管的伸缩长度。

12.如权利要求11所述的可悬浮履带式特种水下作业机器人，其特征在于：所述推进机构包括对称设置在所述集物箱尾部两侧的螺旋桨，两个所述螺旋桨还分别与两个驱动电机相连接，所述集物箱的内部还设有滤网。

13.如权利要求1所述的可悬浮履带式特种水下作业机器人，其特征在于：所述集物箱的前部还设有水平平台，所述水平平台上设有机械手臂，所述机械手臂具有六个自由度，且所述机械手臂的悬臂端连接有机械爪和/或照相机。

14.如权利要求13所述的可悬浮履带式特种水下作业机器人，其特征在于：所述集物箱上装有定位仪以及姿态传感器，所述姿态传感器包括三轴陀螺仪和三轴加速度计。

15.如权利要求1所述的可悬浮履带式特种水下作业机器人，其特征在于：呈环状的集物箱(2)内侧壁为滤网(21)，集物口(26)设于外侧壁上，集物时，自内侧壁流出的水，在挡板(1018)的阻挡作用下，水流会紧贴着小曲率的底盘流出，从而在底盘和海泥之间进一步加强所述水膜。

16.如权利要求1所述的可悬浮履带式特种水下作业机器人，其特征在于：挡板(1018)可自由拉伸，从而不同程度遮挡出水口和调节出水方向。

17.如权利要求16所述的可悬浮履带式特种水下作业机器人，其特征在于：集物口(26)附近设有距离传感器、图像识别传感器、与集物口(26)连接的集物管内安置有流量计，控制系统通过图像识别后读取被抽吸物体的几何特征，可以识别出其物体属性和类别，获知被吸取物的大小、体积，根据识别得到的物体类别和体积，计算出其重量和浮力，根据重量和浮力的差值，获知最小抽吸力；控制系统再通过调节集物管与被抽吸物体的距离以及集物管内部水流流速，进而动态调整不同工况下集物管对被抽吸物的抽吸力，使抽吸力接近物体所需的所述最小抽吸力。

18.一种如权利要求1-17中任意一项所述可悬浮履带式特种水下作业机器人的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将所有浮力调整气囊的双向气阀打开进气，使机器人装置的浮力略小于重力；

S2、调整机器人装置的下潜速度和姿态；

S3、启动螺旋桨，通过控制螺旋桨(71)的正转、反转或是差速转动，实现机器人装置的前进、后退以及转向，直到到达指定海底矿区；

S4、到达海底后，驱动电机关闭，螺旋桨停止转动，启动行走机构，利用履带轮装置使机器人在海床能够连续、稳定地前进；

S5、启动机械手臂，控制机械爪把覆盖在矿石上的石块杂物夹起放于指定位置；

S6、矿区杂物清理完毕后，将吸水管与海底适应性集矿器投放到指定位置，启动驱动电机，使泵高速旋转形成强大的抽吸力，将矿物吸入集物箱内；布置在集物箱内的螺旋桨高速转动时，可以源源不断地将集物箱内的水向外排出，箱内压强降低，外部的水便会从集物管流入集物箱内；而此时，集物箱内螺旋桨转动的效果可以看做是一个具有储物功能的水泵；

S7、矿浆泵将矿物输送至中继仓，完成一个工作循环或关闭作业系统上潜。

19.如权利要求18所述的可悬浮履带式特种水下作业机器人的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：所述步骤S2具体包括：打开双向气阀进气，使得气囊本体的体积能够保持一个定值，确保机器人装置能够持续下潜，下潜的速度由定位仪来确定，以及根据姿态传感器反应的纵倾与横倾角度适当加大部分浮力调整气囊的进气量，让机器人装置重回正浮状态。

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