CN109973096B - 一种深海多金属结核矿采矿作业系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深海多金属结核矿采矿作业系统，提矿立管系统包括提矿立管和泥浆泵；提矿立管的顶端和采矿平台连接，提矿立管的底端通过万向节和坐底式矿物接驳处理中心相连；坐底式矿物接驳处理中心内部设置有多自由度平台，多自由度平台自上而下依次设置有废料库和新料库，废料库出口和新料库入口处的上输送带和下输送带的端部通过采矿机器人相衔接；多自由度平台的正下方相对应设置有多个扇形采矿区域，采矿机器人在扇形采矿区域内运行作业。接驳和提升矿物，DSAMV卸矿的同时提供压载，提供电力补给和双向数据通信；平衡DSAMV的重力与浮力关系；多台DSAMV并行工作互不干扰，省略掉掉脐带缆和输矿软管，可以实时适应采矿立管的动态变化和接驳时适应DSAMV的实时状态。

Description

一种深海多金属结核矿采矿作业系统

技术领域

本发明属于采矿设备技术领域，具体涉及一种深海多金属结核矿采矿作业系统。

背景技术

随着世界经济的不断发展，对矿产资源的需求也越来越大，大量的资源开发造成地球陆地矿产资源日益枯竭。在陆地矿产资源枯竭之前，尽早开辟新的资源供给渠道已是当今各国共同的抉择。经勘探查明，大洋是丰富的矿产资源基地，为了满足人类生存和发展对矿产资源的需要，世界各国将目光投向了海洋。在海洋不同深处，蕴藏着大量的海底矿产，其储备量和含量，都是大陆无法比拟的，把矿物从海底运输到陆地上的方式具有很大的不同。一方面，其输送方式完全不同，输送难度较大；另一方面，生产效率和经济性也是一个重要的考虑因素，同时，由于在深海开采，技术难度和复杂性都非常高，这就对技术要求方案提出了很大的挑战。

虽然，管道提升式采矿模式被认为是效率较高、最具商业化前景的深海采矿作业模式，但是，却存在以下问题：(1)脐带缆和输矿软管对海底采矿机器人稳健控制存在强非线性耦合影响，且随着作业半径变化，脐带缆和输矿软管在水中的形状发生改变，增加了其动态行为的描述难度，它们对海底采矿机器人的动力扰动又会引发具有流变特性的稀软底质压剪承载力呈现复杂的动态变化，这些因素的耦合作用，使海底采矿机器人动态行为响应机制极为复杂；脐带缆和输矿软管的存在，已成为制约海底采矿机器人动力学建模和稳健控制的瓶颈问题。(2)海底存在无线信号屏蔽、电磁信号衰减严重、作业现场浑浊、光穿透性能差等不利因素，导致依赖传统感知原理的传感器无法获得采矿机器人精确的姿态和位置信息，或存在较大测量偏差，依赖由此提供的反馈信息，无法实现采矿机器人的稳健控制。由于存在上述问题，采矿机器人稳健控制面临诸多挑战。因此，进行基于自治式深海采矿机器人的新型深海采矿作业模式，可消除脐带缆和输矿软管对采矿机器人稳健控制的影响，海底采矿机器人背负载荷随动调节的重力控制方法、姿态和位置感知技术等系统。

发明内容

针对现有技术中脐带缆和输矿软管的存在制约海底采矿机器人动力学建模和稳健控制的瓶颈问题，本发明的目的在于提供一种深海多金属结核矿采矿作业系统。

本发明采取的技术方案为：

一种深海多金属结核矿采矿作业系统，具体包括采矿平台、提矿立管系统、采矿机器人、坐底式矿物接驳处理中心，所述提矿立管系统包括提矿立管和泥浆泵，提矿立管内分别设置有新料上升管道和废料下沉管道；所述提矿立管的顶端和采矿平台连接，提矿立管的底端通过万向节和坐底式矿物接驳处理中心相连；坐底式矿物接驳处理中心内部设置有多自由度平台，多自由度平台自上而下依次设置有废料库和新料库，废料库出口和新料库入口处分别设置有上输送带和下输送带，上输送带和下输送带的端部通过采矿机器人相衔接；多自由度平台的正下方相对应设置有多个扇形采矿区域，采矿机器人在扇形采矿区域内运行作业。

进一步的，所述坐底式矿物接驳处理中心设置为圆柱体结构，接驳和提升由采矿机器人采集的矿物，其内部的多自由度平台设置为数块等分的横截面呈扇形的柱体结构，每个自由度平台上设置有接驳中心出入口。

进一步的，所述坐底式矿物接驳处理中心的内部设置有海底无线充电桩，为采矿机器人补充电能。

进一步的，所述采矿机器人设置为履带式采矿机器人，采矿机器人的上方设置料舱，料舱内部通过推料板间隔形成新料舱和废料舱，推料板前后移动控制新料舱和废料舱的体积相对变化。

更进一步的，所述采矿机器人的料舱的底部铺设收料履带，收料履带展开新料舱打开，收料履带闭合新料舱关闭。

更进一步的，所述采矿机器人的废料舱的舱口处和收料履带相互对应设置有废料板，废料板顶端通过转轴活动安装在废料舱上。

更进一步的，所述采矿机器人的料舱和推料板相互对应的位置设置有滑轨，推料板活动嵌设在滑轨内，推料板通过电机驱动沿滑轨前后移动。

进一步的，所述采矿机器人上设置有浮力调节装置，浮力调节装置包括相互连通的双向油缸和油囊，通过电磁阀控制双向油缸和油囊之间的油路通断，通过双向油缸与油囊之间的油量转移，调节浮力大小。

进一步的，所述采矿机器人上还设置推进器，推进器沿着采矿机器人的两侧对称排布设置为两对螺旋桨，螺旋桨旋转辅助控制采矿机器人的姿态和重量。

进一步的，所述采矿机器人上安装无线受电模块和无线耦合电力载波双向通信模块，通过电力载波方式，实现采矿机器人与外界的双向高速数据传输及通信。

本发明的有益效果为：

本发明中一种深海多金属结核矿采矿作业系统，多台DSAMV在各自指定的区域内并行工作，互不干扰，采集的矿物都在坐底式矿物接驳处理中心进行接驳，只需一套提矿系统即可将矿物提升至采矿作业平台上进行处理，坐底式矿物接驳处理中心是海底集矿、提矿、能源供给和通信的核心单元，去掉脐带缆和输矿软管，可以实时适应采矿立管的动态变化和接驳时适应DSAMV的实时状态。该部分的主要功能包括：接驳和提升由DSAMV采集回来的矿物，在DSAMV卸矿的同时，将废矿同步等重量灌入坐底式矿物接驳处理中心的废料舱为DSAMV提供压载，并通过海底无线充电桩为DSAMV补充电能，DSAMV上安装无线受电模块和无线耦合电力载波双向通信模块，通过电力载波方式，实现DSAMV与外界的双向高速数据传输及通信；通过浮力调节装置平衡DSAMV的重力与浮力关系，通过推进器进行姿态和重量的辅助控制，而且还能解决因沉陷无法回收的问题。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明中坐底式矿物接驳处理中心的整体结构示意图。

图3为本发明中坐底式矿物接驳处理中心的局部结构示意图。

图4为本发明中自治式采矿机器人(DSAMV)的收料履带闭合的结构示意图。

图5为本发明中自治式采矿机器人(DSAMV)的收料履带开启的结构示意图。

通过图3体现提矿、卸矿、压载、充电和通信过程。

其中，1、采矿平台；2、提矿立管系统；3、采矿机器人；4、扇形采矿区域；5、坐底式矿物接驳处理中心；6、提矿立管；7、新料上升管道；8、废料下沉管道；9、废料库；10、上输送带；11、下输送带；12、新料库；13、泥浆泵；14、接驳中心出入口；15、收料履带；16、新料舱；17、推料板；18、废料舱；19、废料板；20、人工测线传感器；21、推进器；22、浮力调节装置；23、驱动履带；24、电池舱；25、控制中心。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

实施例1

如图1、图2和图3所示，一种深海多金属结核矿采矿作业系统，具体包括采矿平台1、提矿立管系统2、采矿机器人3(DSAMV)、坐底式矿物接驳处理中心5，所述提矿立管系统2包括提矿立管6和泥浆泵13，提矿立管6内分别设置有新料上升管道7和废料下沉管道8，新料上升管道7和废料下沉管道8均沿着竖直方向排布设置，泥浆泵13设置在坐底式矿物接驳处理中心5的底部中心位置(及新料库12内)，其和新料上升管道7连接，将DSAMV采集到的矿产提升至采矿平台1进行加工处理；所述提矿立管6的顶端和采矿平台1连接，提矿立管6的底端通过万向节和坐底式矿物接驳处理中心5相连；

所述坐底式矿物接驳处理中心5设置为圆柱体结构，接驳和提升由采矿机器人3采集的矿物，坐底式矿物接驳处理中心5内部设置有六自由度平台，其内部的六自由度平台设置为6块等分的横截面呈扇形的柱体结构，每个自由度平台上设置有接驳中心出入口14，六自由度平台的正下方相对应设置有六个扇形采矿区域4，采矿机器人3在扇形采矿区域4内运行作业，DSAMV沿着接驳中心出入口14进出。

六自由度平台自上而下依次设置有废料库9和新料库12，废料库9出口和新料库12入口处分别对应设置有上输送带10和下输送带11，上输送带10和下输送带11呈水平平行排布设置，上输送带10的前端正对废料库9的出口设置，下输送带11的末端正对新料库12的入口设置，上输送带10的末端和下输送带11的前端通过采矿机器人3相衔接；坐底式矿物接驳处理中心5在DSAMV卸矿的同时，将废矿同步等重量灌入压载舱内，在采矿过程中，根据矿物量的变化，采用传送带输送方式，将废料播撒到海底，进行回填。这种压载调节方式压载舱无需密封，可进行大范围浮力调节，可不限次数反复利用，且将废矿均匀回填，有利于海底环境保护。

坐底式矿物接驳处理中心5的内部设置有海底无线充电桩，为采矿机器人3补充电能。

采矿机器人3设置为履带式采矿机器人3，DSAMV是新型深海采矿系统的核心装备，承担海底多金属结核矿的采集和运输任务，其采用履带驱动方式和自治式作业模式，去掉脐带缆和输矿软管，采矿机器人3DSAMV的底部设置有电池舱24和控制中心25，作业时电池舱24内携带电池，通过料舱背负采集到的矿物。采矿机器人3的上方设置料舱，料舱内部通过推料板17间隔形成新料舱16和废料舱18，采矿机器人3的料舱和推料板17相互对应的位置设置有滑轨，推料板17活动嵌设在滑轨内，推料板17通过电机驱动沿滑轨前后移动，推料板17前后移动控制新料舱16和废料舱18的体积相对变化。

采矿机器人3的料舱的底部铺设收料履带15，收料履带15展开新料舱16打开，收料履带15闭合新料舱16关闭。

采矿机器人3的废料舱18的舱口处和收料履带15相互对应设置有废料板19，废料板19顶端通过转轴活动安装在废料舱18上。

采矿机器人3上设置有浮力调节装置22，浮力调节装置22包括相互连通的双向油缸和油囊，通过电磁阀控制双向油缸和油囊之间的油路通断，通过双向油缸与油囊之间的油量转移，调节浮力大小。通过人工测线传感器20获取DSAMV的姿态信息、上部载荷信息，根据人工测线传感器20信息和稀软底质压剪承载力模型，进行浮力和重心及浮心位置调节，本项目拟采用滑模控制算法和调整策略，确保DSAMV姿态控制的稳定性。

由于采矿过程中背负式矿物量不断变化，并且存在冲击，所以保持DSAMV整体重量不变或在小范围内波动，减小对稀软底质承载能力的扰动，对于避免发生车体倾斜和沉陷至关重要。采矿机器人3上还设置推进器21，推进器21沿着采矿机器人3的两侧对称排布设置为两对螺旋桨，依靠DSAMV上部四角增加的四个螺旋桨推进器21，不但可以进行姿态和重量的辅助控制，而且还能解决因沉陷无法回收的问题。

采矿机器人3上安装无线受电模块和无线耦合电力载波双向通信模块，通过电力载波方式，实现采矿机器人3与外界的双向高速数据传输及通信。

如图4和图5所示，具体运行过程为：

坐底式矿物接驳处理中心5出入口打开，自治式采矿机器人3DSAMV沿着接驳中心出入口14进入到扇形采矿区域4，此时，采矿机器人3DSAMV的推料板17在料舱的最前端，DSAMV的废料舱18满载废料；DSAMV的料舱的收料履带15打开，新料舱16处于开启状态，DSAMV在扇形采矿区域4内进行采矿作业，采集到的新矿沿着收料履带15向新料舱16内输送，随着新料舱16的物料增加，料舱内的推料板17在电机的驱动下沿着滑轨向后移动，进而推动废料舱18内的废料沿着废料板19底部开启的开口处排出舱外，实现一边收料一边放料；人工测线传感器20实时检测新料舱16和废料舱18舱底的受力情况，并将信息传给DSAMV控制中心25，控制推料板17的推料速度，以保证收料和放料的动态平衡。

采矿过程中，当采矿机器人3DSAMV的重力与浮力关系发生变化时，对称布置于机器人两侧的浮力调节装置22开始工作，通过调节油囊大小调控浮力；当需要增大浮力时，电磁阀处于中位(各油口处于关闭状态)，驱动电机驱动泵工作，当压力传感器检测的压力值达到要求时，电磁阀发生位移，油路导通，泵将油从双向油缸的储油腔泵至油囊，油囊体积增大，浮力调节装置22体积增大，浮力增加，位移传感器实时检测活塞的位置，精确控制油量变化，当满足要求时，电磁阀发生位移，油路关闭，驱动电机停机。

当需要减小浮力时，电磁阀处于中位，驱动电机驱动泵工作，当压力传感器检测的压力值达到要求时，电磁阀发生位移，油路导通，双向油缸的储油腔的低压油就可以推动活塞腔的高压海水，从而不需要泵工作，仅通过单向节流阀控制流速即可实现油液从油囊到储油腔的输送。

浮力调节装置22体积减小，浮力减小，位移传感器实时检测活塞的位置，精确控制油量变化，当满足要求时，电磁阀发生位移，油路关闭，电磁阀移至中位，驱动电机停机。其中，压力传感器与压力传感器可对油囊和双向油缸的储油腔的油压做实时监测。

采矿过程中，当采矿机器人3DSAMV陷入海底驱动履带23不能正常工作时，推进器21的螺旋桨开始工作，将DSAMV推出陷阱。当采矿机器人3DSAMV的驱动履带23从海底抽出后，驱动履带23可以正常工作时，推进器21的螺旋桨停止工作。

采矿结束时，采矿机器人3DSAMV的新料舱16已满，废料舱18已被排空，废料板19关闭，收料履带15收起闭合。此时，机器人将从坐底式矿物接驳处理中心5出入口进入坐底式矿物接驳处理中心5，进行提矿、卸矿、压载、充电和通信过程。即采矿机器人3DSAMV进入坐底式矿物接驳处理中心5指定位置后，将被卡盘固定住，对应的新料库12入口和废料库9出口开启，一边充电、通信，通过海底无线充电桩，为采矿机器人3补充电能；一边卸矿和压载。即DSAMV停靠在上输送带10的右端和下输送带11的右端，DSAMV的新料舱16的收料履带15打开，新料舱16处于开启状态，DSAMV将采集到的新矿下放至下输送带11上，沿着下输送带11输送至新料库12内，通过粉碎、搅拌，泥浆泵13运行将采集到的新矿沿着新料上升管道7提升至海上采矿平台1上；于此同时，海上采矿平台1上产生的等量废料运至机器人废料舱18，即：采矿平台1上的采矿船选矿处理后的废矿通过废料下沉管道8下料至坐底式矿物接驳处理中心5的废料库9内，沿着上输送带10水平输送至DSAMV的废料舱18内，即实现了在DSAMV卸矿的同时，将废矿同步等重量灌入废料舱18内进行压载，在采矿过程中，根据矿物量的变化，采用传送带输送方式，将废料播撒到海底，进行回填，此时机器人中推料板17移至最左端，新料舱16被排空，新料舱16体积为零，机器人装满废料。这种压载调节方式压载舱(废料舱18)无需密封，可进行大范围浮力调节，可不限次数反复利用，且将废矿均匀回填，有利于海底环境保护。

以上所述并非是对本发明的限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实质范围的前提下，还可以做出若干变化、改型、添加或替换，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种深海多金属结核矿采矿作业系统，其特征在于，具体包括采矿平台、提矿立管系统、采矿机器人、坐底式矿物接驳处理中心，所述提矿立管系统包括提矿立管和泥浆泵，提矿立管内分别设置有新料上升管道和废料下沉管道；所述提矿立管的顶端和采矿平台连接，提矿立管的底端通过万向节和坐底式矿物接驳处理中心相连；坐底式矿物接驳处理中心内部设置有多自由度平台，多自由度平台自上而下依次设置有废料库和新料库，废料库出口和新料库入口处分别设置有上输送带和下输送带，上输送带和下输送带的端部通过采矿机器人相衔接；多自由度平台的正下方相对应设置有多个扇形采矿区域，采矿机器人在扇形采矿区域内运行作业；

所述坐底式矿物接驳处理中心设置为圆柱体结构，接驳和提升由采矿机器人采集的矿物，其内部的多自由度平台设置为数块等分的横截面呈扇形的柱体结构，每个自由度平台上设置有接驳中心出入口；

所述采矿机器人设置为履带式采矿机器人，采矿机器人的上方设置料舱，料舱内部通过推料板间隔形成新料舱和废料舱，推料板前后移动控制新料舱和废料舱的体积相对变化；

所述采矿机器人的料舱的底部铺设收料履带，收料履带展开新料舱打开，收料履带闭合新料舱关闭；

所述采矿机器人的废料舱的舱口处和收料履带相互对应设置有废料板，废料板顶端通过转轴活动安装在废料舱上；

所述采矿机器人的料舱和推料板相互对应的位置设置有滑轨，推料板活动嵌设在滑轨内，推料板通过电机驱动沿滑轨前后移动；

所述采矿机器人上设置有浮力调节装置，浮力调节装置包括相互连通的双向油缸和油囊，通过电磁阀控制双向油缸和油囊之间的油路通断，通过双向油缸与油囊之间的油量转移，调节浮力大小；

所述采矿机器人上安装无线受电模块和无线耦合电力载波双向通信模块，通过电力载波方式，实现采矿机器人与外界的双向高速数据传输及通信。

2.根据权利要求1所述一种深海多金属结核矿采矿作业系统，其特征在于，所述坐底式矿物接驳处理中心的内部设置有海底无线充电桩，为采矿机器人补充电能。

3.根据权利要求1所述一种深海多金属结核矿采矿作业系统，其特征在于，所述采矿机器人上还设置推进器，推进器沿着采矿机器人的两侧对称排布设置为两对螺旋桨，螺旋桨旋转辅助控制采矿机器人的姿态和重量。