CN109403979B - 一种用于深海多金属结核采集的机器人及采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于深海多金属结核采集的机器人及采集方法，包括水下移动载体和采集模块，采集模块固定安装在水下移动载体上，采集模块包括采集框、采集泵、机架和采集管，所述采集框安装在机架底部，所述采集泵为活塞泵，其包括活塞和下端开放式的缸体，所述缸体上部为采集区，下部为活塞行程区，采集管连接在采集区的缸体上，且采集管与缸体内活塞行程区之间设有第一单向阀，所述活塞中部设有第二单向阀，通过水下移动载体实现机器人水下移动功能，通过采集泵内活塞上下移动对深海多金属结核进行持续采集，采集后的的深海多金属结核进入采集框被收集起来，本发明实现了深海多金属结核的无损采集，效率高。

Description

一种用于深海多金属结核采集的机器人及采集方法

技术领域

本发明属于深海作业设备领域，涉及一种深海采集作业设备，具体涉及一种用于深海多金属结核采集的机器人及采集方法。

背景技术

随着全球陆地金属资源的逐渐短缺和世界人口的不断增长，金属供需矛盾日渐突出，储量丰富的深海多金属结核成为解决人类金属资源问题的重要希望。因此，发展深海多金属结核采集技术，对深海多金属结核进行商业化开采，能在一定程度上解决金属资源短缺问题，缓解人类资源危机。

但深海多金属结核采集环境恶劣，技术壁垒难以破除。目前，对于深海多金属结核的采集国内外仍没有较为成熟的技术。一些少量的采集方式仍旧局限于科考性质，存在成本高、效率低、污染大，且无法适应复杂多变的深海地形和环境，因而难以作为商业化开采方式。

发明内容

本发明针对上述深海多金属结核采集的技术问题，提供一种深海多金属结核采集机器人设计方案。本发明借鉴采集泵技术原理，开发一种深海多金属结核采集机器人技术。此技术采用悬浮的行走方式，更适应深海的复杂地形，具有污染小、效率高、成本低等优点。

同时本发明采用镂空式采集框，利用高速水流，在一定程度上分离多金属结核和泥沙，提高了采集效率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于深海多金属结核采集的机器人，包括水下移动载体和采集模块，其特征在于：所述采集模块固定安装在水下移动载体上，通过水下移动载体实现水下移动，采集模块包括采集框、采集泵、机架和采集管，所述采集框安装在机架底部，所述采集泵为活塞泵，其包括活塞和下端开放式的缸体，所述缸体上部为采集区，下部为活塞行程区，活塞安装在活塞行程区内，采集管连接在采集区的缸体上，且采集管与缸体内活塞行程区之间设有第一单向阀，所述活塞中部设有单向向下开启的第二单向阀，所述采集泵安装在机架上，且缸体下端出口与采集框顶部入口相连，所述采集管另一端延伸到采集模块四周的地面上。

作为改进，所述缸体为圆形缸体，缸体的采集区中部设有中部隔板，所述中部隔板上表面为中部低四周高的斜坡形，所述第一单向阀设于中部隔板中间的低点处。

作为改进，所述活塞通过驱动装置驱动上下运动，所述驱动装置包括偏心轮、连杆和电机，所述偏心轮安装在缸体下部，偏心轮通过连杆与活塞相连，电机与偏心轮动力传动相连，电机安装在机架内。

作为改进，所述采集泵有多个，每个采集泵均设有对应的采集管，多个采集泵均布在机架两侧，所述采集管的管口设有加厚的保护圈。

作为改进，所述采集管采用刚性材料制成，采集管入口为缩径口。

作为改进，所述采集框采用多空网制成，为分为底部储存段和顶部分离段，顶部分离段为斜坡形滤网，用于分离多金属结核与泥沙。

作为改进，所述水下移动载体包括翼型浮舱、压缩气舱和水下推进器，所述翼型浮舱为密封型的中空舱，通过固定装置安装在机架上方，其上设有进气口、排气口、进水口以及出水口四个带控制阀门的进出口，其中进气口通过连接管道与压缩气舱相连，排气口、进水口和出水口均与外部环境相连通，两个压缩气舱对称的固定安装在机架两侧，所述压缩气舱用于充填高压气体，并通过高压气体调节翼型浮舱内水量多少，实现上升和下潜功能，所述水下推进器用于推进水下移动载体的水下移动。

作为改进，所述水下推进器为两个螺旋桨，两个螺旋桨对称的安装在机架下方的采集框两侧，两个螺旋桨通过两个电机独立控制转速，完成前进、后退和差速转向。

作为改进，所述水下移动载体上安装有图像采集模块。

一种利用机器人进行深海多金属结核采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将机器人的翼型浮舱内满载水进行下潜至深海作业区，然后通过压缩气舱内高压气体排水，使得整个机器人受力平衡处于悬浮状态；

步骤2、利用图像采集模块的摄像头识别多金属结核分布区域，通过水下推进器将机器人移动到该区域，使得采集管的入口对准多金属结核分布区域；

步骤3、启动采集泵，采集泵的活塞向下运动，在采集泵的缸体采集区形成负压，在负压作用下，采集管入口孔处的多金属结核泥水沙混合物被吸入；

步骤4、采集泵活塞向上运动，此时由于活塞上设有单向阀，因此多金属结核泥水沙混合物通过活塞上的单向阀进入采集框内；

步骤5、随着采集进行，采集框加重，机器人下沉，通过排出翼型浮舱内水量使得机器人再次悬浮平衡；

步骤6、重复步骤2至步骤5进行采集作业，当采集框收满时，通过水下移动载体使得将机器人移动到中转站释放采集框或者上浮完成深海多金属结核采集作业。

相比现有技术，本发明有益效果是：

本发明利用驱动装置、翼型浮舱、压缩气舱、螺旋桨使得机器人在采集、行走过程中始终保持悬浮状态，避免了海底复杂的地形地物的影响和阻碍，同时也避免了对深海环境的严重破坏，为多金属结核的再生保留了环境条件，有利于深海资源的可持续发展。本发明将采集框设计为镂空的形式，一方面减轻机器的自重，另一方面镂空加斜坡式的采集框设计可以滤出一部分无用泥浆，清洗多金属结核，提高采集效率。本发明利用采集泵的压差收集多金属结核，避免了对海底环境的大面积破坏。本设计应用仿生学的理念，采集管模仿章鱼触手，翼型浮舱模仿“鸟翼”的设计，利用深海复杂洋流对其产生升力提供一部分浮力，与深海环境相契合，体现了绿色环保的设计理念。

附图说明

图1是本发明用于深海多金属结核采集的机器人整体示意图；

图2是本发明机器人前面示意图；

图3是翼型浮舱与压缩气舱的联合示意图；

图4是采集泵结构示意图；

图5是采集管入口结构示意图；

图6是采集框结构示意图；

图7是采集框底部示意图。

图中，I-翼型浮舱，II-采集泵，III-压缩气舱，IV-采集管， V-螺旋桨，VI-采集框，1-连通管，2-机架，3-出水口，4-排气口，5、19-固定装置；6-上部顶板，7-中部隔板，8-活塞，9-第一单向阀，10-第二单向阀，11-采集管接口处，12-偏心轮，13-保护圈，14-采集框斜坡，15-采集框底部活页，16-连杆，17-底部储存段，18-缸体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行举例说明。

如图所示，一种用于深海多金属结核采集的机器人，包括机架2、翼型浮舱I、压缩气舱III、采集管IV、采集泵II、采集框VI和螺旋桨V。

所述翼型浮舱I模仿机翼的形状和结构并布置在机器人顶部。所述翼型浮舱I包括装置尾部下侧出水口3，装置尾部上侧排气口4，下部接有与翼型浮舱I连接的连通管1，前后两个下侧固定装置5。连通管1位于翼型浮舱I两侧，分别与两侧的压缩气舱III连接；固定装置5位于翼型浮舱I前后两端，分别与采集泵II的上部顶板6连接，图1可见。连通管1和固定装置5共同保证结构连接强度。

所述压缩气舱III有两个，左右对称布置在机器人两侧，且在翼型浮舱I下侧。所述压缩气舱III包括上部连通管1，两端固定装置19。所述压缩气舱III通过固定装置19固定在机架2上，压缩气舱III通过上部的连通管1与机器人上部的翼型浮舱I相连通，连通管1中间部分设有气体阀门。

连通管1的气体阀门打开，翼型浮舱I的出水口阀门打开，压缩气舱III内压缩气体在压强差作用下进入翼型浮舱I，压缩气舱III内压强减小（但仍大于深海中水的压强），翼型浮舱I内海水在气压作用下排出，装置总质量减小，浮力大于/等于重力，机器人上浮/保持平衡。连通管1气体阀门关闭，翼型浮舱I的排气口4和出水口3阀门打开，翼型浮舱I内气体在外部海水压力产生的压强差作用下排出，海水进入，装置总质量增大，浮力小于/等于重力，机器人下沉/保持平衡。

所述采集泵II应包括缸体18、上部顶板6、中部隔板7、活塞8、驱动装置。所述采集泵II有两个，缸体18为圆柱体，布置在机架2前后两端、采集框斜坡14上方，与机架2直接连接。所述缸体18上部为采集区，下部为活塞8行程区，活塞8安装在活塞8行程区内，所述中部隔板7固定于缸体18采集区内中部，中部隔板7四周高、中间低，且中间铰接有只能向下打开的第一单向阀9。所述活塞8设有向下打开的第二单向阀10。活塞8的往复运动由驱动装置控制。所述驱动装置，由两组偏心轮-连杆机构和电机组成，分别位于缸体18两侧夹层中，偏心轮12通过轴承安装在缸体18下部侧壁上，偏心轮12通过连杆16与活塞8铰接相连，偏心轮12与电机轴连接。

所述采集管IV有四个，每个采集泵II上设有两个采集管IV，两个采集管IV分别对称布置在采集泵II中间偏上，即缸体18采集区侧壁上。所述采集管IV的入口处采用缩口设计，增大采集口处的水流速度，以增加采集管IV内外压强差，并进行加固处理，以提高其承载强度。所述采集管IV采用刚性材料，以维持其工作形态，保持采集范围，加固方式为：在采集管的入口处设置加厚的保护圈，保护器可以有效防止采集管上应力集中导致的结构破坏，同时保护圈增大的采集管的管口处截面积，可以有效减少采集管意外触底时的压强，防止采集管因意外触底而损伤；同时，若机器人因海底乱流等原因突然下坠，刚性采集管IV也会起到一定的支撑保护作用。泵体上部分与两根采集管IV相接。

工作时，多金属结核将从采集管IV进入采集泵II内。活塞8向下运动，缸体18内体积增大，压强迅速减小，第二单向阀10由于受到向上的压力处于关闭状态；第一单向阀9受到向下的压力作用处于打开状态。在泵内外压强差的作用下采集口与采集管IV内产生向上的水流，并带动多金属结核向上运动，此时多金属结核与海水泥沙一同被吸进采集泵II的缸体18内。活塞8向上运动，采集泵II内体积变小，压强增大，第一单向阀9受到向上的作用力，处于关闭状态，第二单向阀10受到向下的作用力，处于打开状态，缸体18内海水和多金属结核泥沙混合物从第二单向阀10排出，多金属结核随之在重力作用进入下方的采集框VI中。随着活塞8向上运动，泵内的水和多金属结核都排出后，采集泵II又回到了最初的状态，一轮采集结束，进入采集框VI内海水和多金属结核泥沙混合物首先流经过采集框VI的斜坡段，泥沙从采集框VI的网孔中掉下，还是落入海水中，多金属结核由于比采集框VI的网孔大，滚落至底部储存段17。

所述采集框VI布置在机器人底部，固定安装在机架2上。所述采集框VI采用多孔金属网制成，包括斜坡段和底部储存段17，采集框VI底部还设有闸板阀门或者能打开的活页结构，便于卸料。所述斜坡为倾斜角120度的斜坡。所述网格为略小于多金属结核直径的网状设计，于采集框VI均匀分布。所述活页结构布置在采集框VI底部。

机器人工作时，所采集的多金属结核先落在斜坡上而后利用其自身重力落入采集框VI。避免多金属结核在下落处的堆积。采集泵II在运转过程中会在下方排出高速水流，采集框VI能够起到分离多金属结核与泥沙的作用，大大提高采集的效率。采集框VI满载时，机器人移动到中转站，底部活页结构打开，多金属结核进入中转站的矿舱中。

所述螺旋桨V有两个，作为水下推进器，推动机器人在水下移动，两个螺旋桨V对称布置于采集框VI的背部，左右两侧各布置一个。所述螺旋桨V与压缩气舱III同时工作，使机器人完成悬浮行进和方向改变的一系列运动，实现实时协同，采集流程灵活、高效。

当机器人前进时，两侧螺旋桨V按照相同转速转动产生推力，以使机器人向前运动。当机器人转向时，一侧的螺旋桨V转速降低（直至停转甚至倒转），另一侧转速增加完成转向操作。（例如：机器人左转时，左侧螺旋桨V减速运动或停止运转，右侧螺旋桨V转速保持不变，转向结束后，再使转速相同，继续直行）。

一种利用机器人进行深海多金属结核采集方法，包括以下步骤：

机器人在翼型浮舱I满载水的情况下潜入深海作业区后，翼型浮舱I中的水排出，机器人达到受力平衡而保持悬浮状态。

第一阶段：机器人上的摄像头识别多金属结核分布区域，在螺旋桨V的推动下移动到该位置，采集管IV的采集口精准捕捉多金属结核，准备采集。

第二阶段：采集口锁定多金属结核后，采集泵II的活塞8向下运动，此时活塞8与中部隔板7之间会形成一段真空（或者压强很小）的空间，在内外压差的作用下，采集泵II下部的第二单向阀10关闭，上部的第一单向阀9打开，由于采集管IV收集口外的压强远大于采集泵II内的压强，在外界压强的作用下采集口与采集管IV内产生向上的水流，并带动多金属结核向上运动，多金属结核与海水一同被吸进采集泵II。当大量的多金属结核被吸入采集泵II后，内外压强趋于平衡。

第三阶段：压强趋于平衡后，已无法再将多金属结核采集到机器人。此时，采集泵II的活塞8向上运动，采集泵II内活塞8与中部隔板7之间体积变小，压强增大，上部的第一单向阀9关闭，下部的第二单向阀10打开，采集泵II内的水从下方第二单向阀10排出，多金属结核随之排出，并沿斜坡滚落进入采集框VI中。同时，一部分泥沙在采集泵II产生的高速水流的作用下自采集框VI孔隙分离出去。随着活塞8向上运动，泵内的水和多金属结核都排出后，采集泵II又回到了最初的状态。此时，采集器自重增加，受力平衡被打破，翼型浮舱I排出相同质量的水，采集装置再次达到平衡，保持悬浮状态。至此，一轮采集结束。

第四阶段：重复上述操作，进行新一轮的采集作业，当采集框VI收满时，通过水下移动载体使得将机器人移动到中转站释放采集框VI或者上浮完成深海多金属结核采集作业。

该采集方式与原始的方式相比，明显的优点是提供的吸力更大，同时能够精准地采集多金属结核，且对海底环境产生的破坏很小。利用压差产生吸力，将多金属结核采集到机器人中，整个采集过程对多金属结核没有造成破坏，从而保证了多金属结核的完整性，方便后续分离、运输工作。

Claims (10)

1.一种用于深海多金属结核采集的机器人，包括水下移动载体和采集模块，其特征在于：所述采集模块固定安装在水下移动载体上，通过水下移动载体实现水下移动，采集模块包括采集框、采集泵、机架和采集管，所述采集框安装在机架底部，所述采集泵为活塞泵，其包括活塞和下端开放式的缸体，所述缸体上部为采集区，下部为活塞行程区，活塞安装在活塞行程区内，采集管连接在采集区的缸体上，且采集管与缸体内活塞行程区之间设有第一单向阀，所述活塞中部设有单向向下开启的第二单向阀，所述采集泵安装在机架上，且缸体下端出口与采集框顶部入口相连，所述采集管另一端延伸到采集模块四周的地面上。

2.如权利要求1所述的机器人，其特征在于：所述缸体为圆形缸体，缸体的采集区中部设有中部隔板，所述中部隔板上表面为中部低四周高的斜坡形，所述第一单向阀设于中部隔板中间的低点处。

3.如权利要求2所述的机器人，其特征在于：所述活塞通过驱动装置驱动上下运动，所述驱动装置包括偏心轮、连杆和电机，所述偏心轮安装在缸体下部，偏心轮通过连杆与活塞相连，电机与偏心轮动力传动相连，电机安装在机架内。

4.如权利要求2所述的机器人，其特征在于：所述采集泵有多个，每个采集泵均设有对应的采集管，多个采集泵均布在机架两侧，所述采集管的管口设有加厚的保护圈。

5.如权利要求2所述的机器人，其特征在于：所述采集管采用刚性材料制成，采集管入口为缩径口。

6.如权利要求2所述的机器人，其特征在于：所述采集框采用多空网制成，为分为底部储存段和顶部分离段，顶部分离段为斜坡形滤网，用于分离多金属结核与泥沙。

7.如权利要求2所述的机器人，其特征在于：所述水下移动载体包括翼型浮舱、压缩气舱和水下推进器，所述翼型浮舱为密封型的中空舱，通过固定装置安装在机架上方，其上设有进气口、排气口、进水口以及出水口四个带控制阀门的进出口，其中进气口通过连接管道与压缩气舱相连，排气口、进水口和出水口均与外部环境相连通，两个压缩气舱对称的固定安装在机架两侧，所述压缩气舱用于充填高压气体，并通过高压气体调节翼型浮舱内水量多少，实现上升和下潜功能，所述水下推进器用于推进水下移动载体的水下移动。

8.如权利要求7所述的机器人，其特征在于：所述水下推进器为两个螺旋桨，两个螺旋桨对称的安装在机架下方的采集框两侧，两个螺旋桨通过两个电机独立控制转速，完成前进、后退和差速转向。

9.如权利要求1至8任意一项所述的机器人，其特征在于：所述水下移动载体上安装有图像采集模块。

10.一种利用机器人进行深海多金属结核采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将机器人的翼型浮舱内满载水进行下潜至深海作业区，然后通过压缩气舱内高压气体排水，使得整个机器人受力平衡处于悬浮状态；

步骤2、利用图像采集模块的摄像头识别多金属结核分布区域，通过水下推进器将机器人移动到该区域，使得采集管的入口对准多金属结核分布区域；

步骤3、启动采集泵，采集泵的活塞向下运动，在采集泵的缸体采集区形成负压，在负压作用下，采集管入口孔处的多金属结核泥水沙混合物被吸入；

步骤4、采集泵活塞向上运动，此时由于活塞上设有单向阀，因此多金属结核泥水沙混合物通过活塞上的单向阀进入采集框内；

步骤5、随着采集进行，采集框加重，机器人下沉，通过排出翼型浮舱内水量使得机器人再次悬浮平衡；

步骤6、重复步骤2至步骤5进行采集作业，当采集框收满时，通过水下移动载体使得将机器人移动到中转站释放采集框或者上浮完成深海多金属结核采集作业。

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