CN110107300A - 深海采矿坐底式接驳处理中心 - Google Patents

Abstract

本发明公开了深海采矿坐底式接驳处理中心，接驳处理中心顶端通过万向节和提矿立管连接；接驳处理中心内部设置有多自由度平台和采矿机器人，多自由度平台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；所述采矿机器人包括进料机构、压载机构、出料机构，进料机构将矿料输送至压载舱，压杆、推杆结合传动机构相互传动，推动密封板作用于密封介质使其推动二阶推板，从而推动卸料舱中矿料排出。本发明实现了采矿机器人送料和出料达到稳定平衡的状态，消除了脐带缆和输矿软管带来的强非线性动态干扰影响，使自主式水下采矿机器人稳健控制变为可能，革命性地改变了海底采矿作业模式。

Description

深海采矿坐底式接驳处理中心

技术领域

本发明属于深海采矿设备技术领域，具体涉及深海采矿坐底式接驳处理中心。

背景技术

1873年，英格兰环球科考船队，在南太平洋西南海底深处，发现了多金属结核矿物，使海底金属矿物第一次展现在人类的视野中。在20世纪60年代以前，人类对深海多金属结核的调查研究多为科学探索驱动，直到1978年，美国、比利时、意大利、德国等国的多家公司一起，在太平洋海底两次试采成功后，才激发人们开始关注深海采矿系统研究。至今，进行过深海采矿试验的装备共有拖斗式、连续链斗式、穿梭艇式和管道提升式四种类型。

拖斗式采矿系统(Submarine Drag Bucket Mining System)。于20世纪60年代，由美国提出，该系统包括采矿船、拖缆、铲斗三个部分，铲斗沉于海底，采矿船通过拖缆拖动铲斗在海底横向移动，进行集矿作业，集满后提升至船上卸载。这种采矿系统的采矿效率偏低，操作性较差，难以应用于大规模商业化开采。连续链斗式采矿系统(Continuous LineBucket Mining System)。于20世纪60年代，由日本提出，其工作原理是在提升系统(缆索)上每隔一段距离安装一个链斗，在缆绳带动下，链斗上下循环运转，将海底矿物提升至采矿船上。该采矿系统结构简单，设备制造和维护成本较低。海试表明，这种采矿系统作业效率虽有所提高，但只适用于平坦海底，且对缆索循环运转的稳定性要求较高。

穿梭艇式采矿系统(Shuttle Vessel Mining System)。于1972年，由法国提出，这种系统依靠穿梭艇进行海底矿物的采集与运输。穿梭艇下潜至海底进行矿物收集，并储存在舱室内，等舱室装满后，穿梭艇上浮到海面，在卸矿平台上完成卸载，之后再次下潜作业。该模式虽然具有操作灵活、子系统相互独立等优点，但是效率偏低，需要配备高性能蓄电池维持长时间作业，且设备的制造工艺、成本和操作难度均较高，不适宜大规模商业化开采。

管道提升式采矿系统(Pipeline Lift Mining System)。于20世纪七八十年代，由OMI、OMA、OMCO、KENNECOTT四个国际机构研制。该系统包含水面采矿船、提升系统、海底采矿机器人、测控动力系统四个主要部分，提升方式分为水力和气力两类，水力提升是由泥浆泵提供动力，气力提升则是由压缩空气提供动力。该采矿系统作业连续，效率较高，比较适用于现代化商业开采。但是由于海底环境极端恶劣，海底采矿机器人稳健控制仍存在许多尚未解决的问题，这种深海采矿系统至今也没实现规模化应用。

发明内容

本发明采用深海采矿坐底式接驳处理中心与自主式深海采矿机器人相结合的技术思路，通过自主式深海采矿机器人解决常见的缆控水下机器人在海底稳健控制不可控的问题。本发明的目的在于提供深海采矿坐底式接驳处理中心。同时，深海采矿坐底式接驳处理中心与机器人进行配合，来代替深海采矿机器人能源供给问题，通信易受干扰等问题。

本发明采取的技术方案为：

深海采矿坐底式接驳处理中心，接驳处理中心顶端通过万向节和提矿立管连接，提矿立管内分别设置有新料上升管道和废料下沉管道；接驳处理中心内部设置有多自由度平台和采矿机器人，所述多自由度平台自上而下依次设置有废料库和新料库，新料库、废料库分别和新料上升管道、废料下沉管道相连；多自由度平台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；

所述采矿机器人包括包括进料机构、压载机构、出料机构，所述进料机构依次包括送料螺杆、上料输送带和下料输送带，上料输送带和下料输送带套设在传输辊上且连续传动；所述压载机构包括压载舱、压杆、传动机构、推杆和密封腔，压载舱的底部和压杆连接，压杆底部通过传动机构和推杆连接，推杆的末端和密封腔内嵌设的密封板连接；所述出料机构包括卸料舱和卸料螺杆，卸料舱内部设置有二阶推板，密封腔通过连通管和卸料舱连接，密封腔和连通管相互连通且填充密封介质，连通管内通过嵌设活塞，活塞通过活塞杆和卸料舱内的二阶推板连接，通过密封板作用于密封介质控制活塞及二阶推板左右移动。

进一步的，所述接驳处理中心设置为圆柱体结构，其底部中心位置设置有泥浆泵，接驳处理中心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处理中心出入口。

进一步的，所述废料库的出口端和新料库的入口端分别设置有废料装载输送带和新料卸载输送带，废料装载输送带和新料卸载输送带的端部通过采矿机器人相衔接。

进一步的，所述采矿机器人上设置有无线充电模块和通信模块，通过无线充电模块补充电能；通过通信模块与外界进行双向高速数据传输及通信。

进一步的，所述传动机构包括竖向齿条、横向齿条以及同轴排布的大齿轮、小齿轮，竖向齿条、横向齿条分别设置在压杆、推杆上，小齿轮、大齿轮分别与竖向齿条、横向齿条相互啮合传动。

进一步的，所述传动机构设置为凸轮结构，凸轮沿着压杆的底端向外凸出延伸设置为一体式结构，所述推杆和压杆相互对应的端部设置为倾斜的坡面，其与水平面的夹角为30-60°。

进一步的，所述压载舱设置为顶端敞口式的舱体结构，压载舱的外侧设置有与其相适配的压载舱支撑架。

更进一步的，所述压杆的外侧套设弹簧，弹簧的上端、下端分别抵靠在压载舱底部和压载舱支撑架上。

进一步的，所述送料螺杆和卸料螺杆的外侧壁均沿轴向排布设置有数排集料爪，送料螺杆设置在上料输送带的进料端，上料输送带的出料端和下料输送带的进料端相连且连续传动，下料输送带的下料端悬设在压载舱的上方。

进一步的，所述卸料舱的末端设置有敞开式结构的卸料口，卸料螺杆安装在卸料口处，卸料口处向下呈倾斜式排布设置有软性材质的卸料板。

进一步的，所述进料机构将矿料输送至压载舱，压杆、推杆相互传动，推动密封板作用于密封介质，密封介质传递给活塞及活塞杆一定的推力，推动卸料舱内的二阶推板，从而推动卸料舱中矿料排出。

本发明的有益效果为：

本发明提出一种基于自治式深海采矿机器人的新型深海采矿作业模式，消除了脐带缆和输矿软管带来的强非线性动态干扰影响，使自主式水下采矿机器人稳健控制变为可能，革命性地改变了海底采矿作业模式。

在深海采矿坐底式接驳处理中心设置有无线充电模块，克服了自主式采矿机器人能源供给不足的问题；采矿机器人上安装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DSAMV与外界的双向高速数据传输及通信；在深海采矿坐底式接驳处理中心存在多个扇形工作区域，极大地提高了采矿机器人的工作效率，增加了采矿量，同时还解决了多采矿机器人作业场景混乱的现象。

本发明中的采矿机器人通过进料机构、出料机构可精确地分度定量每一次进料量和卸料量，使送料和出料达到稳定平衡的状态，满足深海采矿要求的标准，能够保证复合式重力控制系统的稳定性，准确性；通过压载机构可有效的控制压载，使深海采矿机器人能够达到随动的平衡调节状态。

附图说明

图1为本发明中深海采矿坐底式接驳处理中心的整体结构示意图。

图2为本发明中采矿机器人的整体结构示意图。

图3为图2中传动机构的结构示意图。

图4为凸轮结构的传动机构的结构示意图。

其中，1、提矿立管；2、新料上升管道；3、废料下沉管道；4、废料库；5、接驳处理中心；6、多自由度平台；7、废料装载输送带；8、采矿机器人；9、无线充电模块；10、通信模块；11、新料卸载输送带；12、新料库；13、泥浆泵；14、接驳处理中心出入口；15、送料螺杆；16、传输辊；17、上料输送带；18、下料输送带；19、压载舱；20、压载舱支撑架；21、矿料；22、竖向齿条；23、大齿轮；24、小齿轮；25、横向齿条；26、推杆；27、密封板；28、密封介质；29、活塞；30、连通管；31、二阶推板；32、卸料舱；33、卸料螺杆；34、卸料板；35、弹簧；36、压杆；37、密封腔；38、凸轮。

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2和图3所示，深海采矿机器人，包括进料机构、压载机构、出料机构，所述进料机构依次包括送料螺杆15、上料输送带17和下料输送带18，上料输送带17呈自下而上的倾斜式排布设置，下料输送带18呈自上而下的倾斜式排布设置，上料输送带17和下料输送带18套设在传输辊16上且连续传动，送料螺杆15设置在上料输送带17的进料端，上料输送带17的出料端和下料输送带18的进料端相连且连续传动，下料输送带18的下料端悬设在压载舱19的上方。

送料螺杆15和卸料螺杆33的外侧壁均沿轴向排布设置有数排集料爪，通过集料爪。通过送料螺杆15进行送料，通过卸料螺杆33进行卸料，送料螺杆15和卸料螺杆33在电机驱动下旋转，送料螺杆15或卸料螺杆33每旋转一次，送料螺杆15或卸料螺杆33上沿轴向排布的集料爪集矿一次，将矿料21进行传输。保证了进料和卸料的平衡稳定性。

压载机构包括压载舱19、压杆36、传动机构、推杆26和密封腔37，压载舱19的底部和压杆36连接，压杆36底部通过传动机构和推杆26连接，推杆26的末端和密封腔37内嵌设的密封板27连接；所述出料机构包括卸料舱32和卸料螺杆33，卸料舱32内部设置有二阶推板31，密封腔37通过连通管30和卸料舱32连接，密封腔37和连通管30相互连通且填充密封介质28，连通管30内通过嵌设活塞29，活塞29通过活塞杆和卸料舱32内的二阶推板31连接，通过密封板27作用于密封介质28控制活塞29及二阶推板31左右移动。

传动机构包括竖向齿条22、横向齿条25以及同轴排布的大齿轮23、小齿轮24，竖向齿条22、横向齿条25分别设置在压杆36、推杆26上，小齿轮24、大齿轮23分别与竖向齿条22、横向齿条25相互啮合传动。

卸料舱32的末端设置有敞开式结构的卸料口，卸料螺杆33安装在卸料口处，所述卸料舱32的卸料口处向下呈倾斜式排布设置有卸料板34，卸料板34采用软性材质制备而成。软性卸料板34是为了防止对海底泥沙出现较大的搅动，从而保护环境。

压载舱19设置为顶端敞口式的舱体结构，压载舱19的外侧设置有与其相适配的压载舱支撑架20。压杆36的外侧套设弹簧35，弹簧35的上端、下端分别抵靠在压载舱19底部和压载舱支撑架20上。

具体运行过程为：

深海采矿机器人8整机尺寸为长5m宽3.5m高2.5m，其排水量设定在5t，最大行走速度为0.5m/s，采矿产量为2t/h(由于采矿采用多采矿机器人8协同进行，所以单一采矿机器人8采矿量设定值偏低)。在最深6000m海底处确定好主要的采矿区域后，通过安装在前端的送料螺杆15将矿料21沿着上料输送带17和下料输送带18进行收集，最后传输到压载舱19内。

单一压载舱19的储矿量为1t左右。随着矿料21对压载舱19的填充，压载舱19承受的压力逐渐增大，压载舱19将压力传递给压杆36外侧套设的弹簧35，压载舱19在支撑架上弹簧35方向下沉，同时弹簧35下方的压杆36上的竖向齿条22与小齿轮24相互啮合传动，从而带动同轴的大齿轮23转动，同时大齿轮23与推杆26上的横向齿条25啮合传动，使推杆26向右运动，该传动机构增大了传动的量程，从而提高了负载的调节能力。通过传统的齿轮齿条啮合传动，实现大量程负载压力与浮力的双向调节。

压杆36、推杆26相互传动，推杆26向右驱动且推杆26同步挤压密封板27，密封介质28传递给活塞29及活塞杆一定的推力，推动卸料舱32内的二阶推板31，从而推动卸料舱32中矿料21排出。

向卸料舱32的卸料口处推送矿料21，于此同时，卸料螺杆33上沿轴向排布的集料爪集矿一次，将矿料21沿着卸料口进入卸料板34上，进而从卸料舱32中的矿料21排出，保证进料与卸料的稳态变化。整个稳态变化改变了机身的浮力状态，从而使整机的浮力状态发生变化，尽量使其在压载进去的情况下，而不影响整机的重浮心姿态以及稳心高等关键姿态，从而达到整机的一个稳态平衡。通过进出料皆由分度定量进卸料机构把控，真正做到进多少出多少，实时的实现机器人的一个动态平衡状态。

实施例2

在实施例1的基础上，不同于实施例1，如图2和图4所示，深海采矿机器人的压载机构包括压载舱19、压杆36、推杆26和密封腔37，所述压载舱19设置为顶端敞口式的舱体结构，压载舱19的外侧设置有与其相适配的压载舱支撑架20，压载舱19的底部通过弹簧35和压杆36连接，弹簧35套设在压杆36的外侧，弹簧35的上端、下端分别抵靠在压载舱19底部和压载舱支撑架20上，压杆36底部通过凸轮38和推杆26连接，推杆26的末端和密封腔37内嵌设的密封板27连接；所述出料机构包括卸料舱32和卸料螺杆33，卸料舱32内部设置有二阶推板31，密封腔37通过连通管30和卸料舱32连接，密封腔37和连通管30相互连通且填充密封介质28，连通管30内通过嵌设活塞29，活塞29通过活塞杆和卸料舱32内的二阶推板31连接，通过密封板27作用于密封介质28控制活塞29及二阶推板31左右移动。

所述压杆36和凸轮38设置为一体式结构，凸轮38沿着压杆36的底端向外凸出延伸设置，推杆26和压杆36相互对应的端部设置为倾斜的坡面，其与水平面的夹角为0-0°。凸轮型压杆36的特殊结构，可实现压杆36下压时沿竖直方向的压力转化为推杆26水平方向的推力，保证了推杆26推力的稳定输出。

卸料舱32的末端设置有敞开式结构的卸料口，卸料螺杆33安装在卸料口处，所述卸料舱32的卸料口处向下呈倾斜式排布设置有卸料板34，卸料板34采用软性材质制备而成。软性卸料板34是为了防止对海底泥沙出现较大的搅动，从而保护环境。

具体运行过程为：

单一压载舱19的储矿量为1t左右。随着矿料21对压载舱19的填充，压载舱19承受的压力逐渐增大，压载舱19将压力传递给压杆36外侧套设的弹簧35，压载舱19在支撑架上弹簧35方向下沉，同时弹簧35下方的凸轮型压杆36将压载传递到推杆26，即压杆36底部的凸轮38沿着推板的倾斜的坡面向下滑动，压杆36、推杆26相互传动，推杆26向右驱动且推杆26同步挤压密封板27，密封介质28传递给活塞29及活塞杆一定的推力，推动卸料舱32内的二阶推板31，从而推动卸料舱32中矿料21排出。

向卸料舱32的卸料口处推送矿料21，于此同时，卸料螺杆33上沿轴向排布的集料爪集矿一次，将矿料21沿着卸料口进入卸料板34上，进而从卸料舱32中的矿料21排出，保证进料与卸料的稳态变化。整个稳态变化改变了机身的浮力状态，从而使整机的浮力状态发生变化，尽量使其在压载进去的情况下，而不影响整机的重浮心姿态以及稳心高等关键姿态，从而达到整机的一个稳态平衡。通过进出料皆由分度定量进卸料机构把控，真正做到进多少出多少，实时的实现机器人的一个动态平衡状态。

实施例3

在实施例1的基础上，不同于实施例1，如图1和图2所示，深海采矿坐底式接驳处理中心5，接驳处理中心5顶端通过万向节和提矿立管1连接，提矿立管1内分别设置有新料上升管道2和废料下沉管道3；接驳处理中心5内部设置有多自由度平台6和采矿机器人8，所述多自由度平台6自上而下依次设置有废料库4和新料库12，新料库12、废料库4分别和新料上升管道2、废料下沉管道3相连；多自由度平台6相对应设置有多个扇形采矿区域，采矿机器人8在扇形采矿区域内运行作业。

采矿机器人8上设置有无线充电模块9和通信模块10，通过无线充电模9块补充电能；通过通信模块10与外界进行双向高速数据传输及通信。

采矿作业时：初始位置，自治式采矿机器人8的卸料舱32内填充有废料，坐底式矿物接驳处理中心出入口14打开，自治式采矿机器人8沿着接驳中心出入口进入到扇形采矿区域，此时，采矿机器人8通过进料机构的送料螺杆15进行采矿，输送至压载舱19内，随着压载舱19的物料增加，压杆36、推杆26相互传动，推动密封板27作用于密封介质28，密封介质28传递给活塞29及活塞杆一定的推力，推动卸料舱32内的二阶推板31，从而推动卸料舱32中矿料21排出。实现一边收料一边放料，以保证收料和放料的动态平衡。

采矿机器人在相应的采矿工作区域完成采矿作业后，采矿机器人8的压载舱19已满，卸料舱32已被排空，通过接驳处理中心出入口14进去接驳处理中心5，同时接驳处理中心5内各单元进行有序工作：进行提矿、卸矿、压载、充电和通信过程。机器人进入接驳处理中心5指定位置后，将被卡盘固定住，一边充电、通信，一边卸矿和压载。先是由采矿机器人8的新料卸载输送带11将采矿机器人8采集的新料卸载到新料库12，同时通过粉碎、搅拌和泥浆泵13将采集到的新矿通过新料上升管道2运送到作业平台。另一方面，作业平台上的废料沿着废料下沉管道3输送至废料库4。通过废料装载输送带7，将废料库4中的将废料同步的运到采矿机器人8的卸料舱32中。直至压载舱19被排空，压载舱19体积为零，采矿机器人8卸料舱32装满废料。从而实现卸载多少新料装载多少废料，实现机器人的一个动态平衡。

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 (10)

1.深海采矿坐底式接驳处理中心，其特征在于，接驳处理中心顶端通过万向节和提矿立管连接，提矿立管内分别设置有新料上升管道和废料下沉管道；接驳处理中心内部设置有多自由度平台和采矿机器人，所述多自由度平台自上而下依次设置有废料库和新料库，新料库、废料库分别和新料上升管道、废料下沉管道相连；多自由度平台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；

所述采矿机器人包括包括进料机构、压载机构、出料机构，所述进料机构依次包括送料螺杆、上料输送带和下料输送带，上料输送带和下料输送带套设在传输辊上且连续传动；所述压载机构包括压载舱、压杆、传动机构、推杆和密封腔，压载舱的底部和压杆连接，压杆底部通过传动机构和推杆连接，推杆的末端和密封腔内嵌设的密封板连接；所述出料机构包括卸料舱和卸料螺杆，卸料舱内部设置有二阶推板，密封腔通过连通管和卸料舱连接，密封腔和连通管相互连通且填充密封介质，连通管内通过嵌设活塞，活塞通过活塞杆和卸料舱内的二阶推板连接，通过密封板作用于密封介质控制活塞及二阶推板左右移动。

2.根据权利要求1所述深海采矿坐底式接驳处理中心，其特征在于，所述接驳处理中心设置为圆柱体结构，其底部中心位置设置有泥浆泵，接驳处理中心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处理中心出入口。

3.根据权利要求1所述深海采矿坐底式接驳处理中心，其特征在于，所述废料库的出口端和新料库的入口端分别设置有废料装载输送带和新料卸载输送带，废料装载输送带和新料卸载输送带的端部通过采矿机器人相衔接。

4.根据权利要求1所述深海采矿坐底式接驳处理中心，其特征在于，所述采矿机器人上设置有无线充电模块和通信模块，通过无线充电模块补充电能；通过通信模块与外界进行双向高速数据传输及通信。

5.根据权利要求1所述深海采矿坐底式接驳处理中心，其特征在于，所述传动机构包括竖向齿条、横向齿条以及同轴排布的大齿轮、小齿轮，竖向齿条、横向齿条分别设置在压杆、推杆上，小齿轮、大齿轮分别与竖向齿条、横向齿条相互啮合传动。

6.根据权利要求1所述深海采矿坐底式接驳处理中心，其特征在于，所述传动机构设置为凸轮结构，凸轮沿着压杆的底端向外凸出延伸设置为一体式结构，所述推杆和压杆相互对应的端部设置为倾斜的坡面，其与水平面的夹角为30-60°。

7.根据权利要求1所述深海采矿坐底式接驳处理中心，其特征在于，所述压载舱设置为顶端敞口式的舱体结构，压载舱的外侧设置有与其相适配的压载舱支撑架。

8.根据权利要求7所述深海采矿坐底式接驳处理中心，其特征在于，所述压杆的外侧套设弹簧，弹簧的上端、下端分别抵靠在压载舱底部和压载舱支撑架上。

9.根据权利要求1所述深海采矿坐底式接驳处理中心，其特征在于，所述送料螺杆和卸料螺杆的外侧壁均沿轴向排布设置有数排集料爪，送料螺杆设置在上料输送带的进料端，上料输送带的出料端和下料输送带的进料端相连且连续传动，下料输送带的下料端悬设在压载舱的上方。

10.根据权利要求1所述深海采矿坐底式接驳处理中心，其特征在于，所述卸料舱的末端设置有敞开式结构的卸料口，卸料螺杆安装在卸料口处，卸料口处向下呈倾斜式排布设置有软性材质的卸料板。