CN110206545A - 深海采矿机器人浮力随动调节系统 - Google Patents

深海采矿机器人浮力随动调节系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了深海采矿机器人浮力随动调节系统，包括螺杆式集矿装置和随动浮力调节机构，螺杆式集矿装置的上料输送带和下料输送带套设在传输辊上且连续传动；随动浮力调节机构的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，密封腔和油囊相互连通且填充密封介质，通过控制密封介质进出油囊随动调节浮力。螺杆式集矿装置能够有效的控制压载，通过随动浮力调节机构使浮力调节能够达到随动的无极调节的状态。能够很好地将电动控制与液压控制协调配合，从而达到精确控制浮力平衡。

Description

深海采矿机器人浮力随动调节系统
技术领域
本发明属于深海采矿设备技术领域，具体涉及深海采矿机器人浮力随动调节系统。
背景技术
现有技术中的深海采矿所采用的压载系统包含：油囊式浮力调节系统、海水泵式浮力调节系统、抛载式浮力调节系统；分别存在以下缺陷：
油囊式浮力调节系统利用可调压载袋的体积变化来改变水下机器人在水中的排水体积，从而改变机器人在水中的净浮力，达到浮力调节的目的。油囊式浮力调节系统应用的油压元件具有较高的可靠性，油压系统控制较水介质系统更容易实现，但油囊式浮力调节系统还存在一些问题，如体积和质量较大，需要较大空间要求；自备庞大的油箱，其耐压性直接影响到系统自身的可靠性；油囊在高压环境下伸缩，促进了油囊的老化，降低了系统的使用寿命。
海水泵式浮力调节系统通过海水泵的动力使海水在外界和压载水舱之间流动。液压源可直接从外界海水获得，不必自备液压源，降低了海水泵式浮力调节系统的重量和体积。很大程度上满足了水下机器人对被搭载设备的重量和体积要求。提高了载体的装载能力，但排水压力高且排水流量大的海水泵体积过大。
抛载式浮力调节系统是通过挂载和释放压载重物实现水下机器人净浮力改变。抛载式浮力调节系统大多不能实现精确调节，调节精度取决于单个压载物的质量，抛载式浮力调节系统对于水下机器人净浮力的调节是一次性不可逆的过程。载人潜器所搭载的抛载自救系统均有人为控制，且抛载装置结构复杂、庞大。
综上所述，如何研发一种全新的深海采矿机器人浮力随动调节系统，克服现有技术中的深海采矿所采用的压载系统所存在的弊端，具有重要的现实意义。
发明内容
针对现有技术中深海采矿所采用的压载系统所存在的弊端，本发明的目的在于提供深海采矿机器人浮力随动调节系统。
本发明采取的技术方案为：
深海采矿机器人浮力随动调节系统，包括螺杆式集矿装置和随动浮力调节机构，所述螺杆式集矿装置依次包括螺杆、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；所述随动浮力调节机构包括压载舱、压杆、传动机构、推杆、密封腔和油囊，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，密封腔和油囊相互连通且填充密封介质，通过控制密封介质进出油囊随动调节浮力。
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。
通过压载使小齿轮与竖向齿条相互啮合传动，从而带动同轴的大齿轮转动，同时大齿轮与横向齿条啮合传动，使推杆向右运动，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。
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°。
凸轮型压杆的特殊结构，可实现压杆下压时沿竖直方向的压力转化为推杆水平方向的推力，保证了推杆推力的稳定输出。
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有弹簧，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，所述螺杆的外侧壁沿轴向排布设置有数排集料爪。
进一步的，所述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，所述螺杆式集矿装置将矿物输送至压载舱，压杆、推杆相互传动，推动密封板作用于密封介质控制其进出油囊。
本发明的有益效果为：
本发明前端的螺杆式集矿装置能够将矿料输送到压载舱，从而有效的控制压载，通过随动浮力调节机构使浮力调节能够达到随动的无极调节的状态。能够很好地将电动控制与液压控制协调配合，从而达到精确控制浮力平衡。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为图1中传动机构的结构示意图。
图3为本发明中凸轮结构的传动机构的结构示意图。
其中，其中，1、螺杆；2、传输辊；3、上料输送带；4、矿料；5、压载舱支撑架；6、压载舱；7、弹簧；8、压杆；9、推杆；10、小齿轮；11、横向齿条；12、密封板；13、密封介质；14、油囊；15、下料输送带；16、竖向齿条；17、大齿轮；18、密封腔；19、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1和图2所示，深海采矿机器人浮力随动调节系统，包括螺杆式集矿装置和随动浮力调节机构，所述螺杆式集矿装置依次包括螺杆1、上料输送带3和下料输送带15，螺杆1的外侧壁沿轴向排布设置有数排集料爪，上料输送带3呈自下而上的倾斜式排布设置，下料输送带15呈自上而下的倾斜式排布设置，上料输送带3和下料输送带15套设在传输辊2上且连续传动，螺杆1设置在上料输送带3的进料端，上料输送带3的出料端和下料输送带15的进料端相连且连续传动，下料输送带15的下料端悬设在随动浮力调节机构的压载舱6的上方。
所述随动浮力调节机构包括压载舱6、压杆8、传动机构、推杆9、密封腔18和油囊14，压载舱6的底部和压杆8连接，压杆8底部通过传动机构和推杆9连接，推杆9的末端和密封腔18内嵌设的密封板12连接，密封腔18和油囊14相互连通且填充密封介质13，通过控制密封介质13进出油囊14随动调节浮力。
传动机构包括竖向齿条16、横向齿条11以及同轴排布的大齿轮17、小齿轮10，竖向齿条16、横向齿条11分别设置在压杆8、推杆9上，小齿轮10、大齿轮17分别与竖向齿条16、横向齿条11相互啮合传动。
所述压载舱6设置为顶端敞口式的舱体结构，压载舱6的外侧设置有与其相适配的压载舱支撑架5，所述压杆8的外侧套设有弹簧7，弹簧7的上端、下端分别抵靠在压载舱6底部和压载舱支撑架5上。
具体运行过程为：
如图所示，深海采矿机器人整机尺寸为长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协同进行，所以单一采矿机器人采矿量设定值偏低)。在最深6000m海底处确定好主要的采矿区域后，通过安装在前端的螺杆式集矿装置将矿料4进行收集，螺杆1在电机驱动下旋转，螺杆1每旋转一次，螺杆1上沿轴向排布的集料爪集矿一次，将矿料4传输至上料输送带3上，沿着上料输送带3自下而上传输至下料输送带15处，沿着下料输送带15传输送料至压载舱6内。
单一压载舱6的储矿量为1t左右。螺杆式集矿装置将矿物输送至压载舱6，随着矿料4对压载舱6的填充，压载舱6承受的压力逐渐增大，压载舱6将压力传递给压杆8外侧套设的弹簧7，压载舱6在支撑架上弹簧7方向下沉，通过压载使小齿轮10与压杆8上的竖向齿条16相互啮合传动，从而带动同轴的大齿轮17转动，同时大齿轮17与推杆9上的横向齿条11啮合传动，使推杆9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。
推杆9向右驱动，推动密封板12作用于密封介质13控制密封介质13进入油囊14，油囊14体积增大，油囊14的状态变化改变了自身的浮力状态，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。
实施例2
在实施例1的基础上，不同于实施例1，如图1和图3所示，随动浮力调节机构包括压载舱6、压杆8、推杆9、密封腔18和油囊14，压载舱6设置为顶端敞口式的舱体结构，压载舱6的外侧设置有与其相适配的压载舱支撑架5，压载舱6的底部通过弹簧7和压杆8连接，弹簧7套设在压杆8的外侧，弹簧7的上端、下端分别抵靠在压载舱6和压载舱支撑架5上；压杆8底部通过凸轮19和推杆9连接，推杆9的末端和密封腔18内嵌设的密封板12连接，密封腔18和油囊14相互连通且填充密封介质13，通过控制密封介质13进出油囊14随动调节浮力。
所述压杆8和凸轮19设置为一体式结构，凸轮19沿着压杆8的底端向外凸出延伸设置，即凸轮型压杆8；所述推杆9和压杆8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°。
凸轮型压杆8的特殊结构，可实现压杆8下压时沿竖直方向的压力转化为推杆9水平方向的推力，保证了推杆9推力的稳定输出。
具体运行过程为：
单一压载舱6的储矿量为1t左右。螺杆式集矿装置将矿物输送至压载舱6，随着矿料4对压载舱6的填充，压载舱6内承受的压力逐渐增大，压载舱6将压力传递给压杆8外侧套设的弹簧7，压载舱6在支撑架上弹簧7方向下沉，同时弹簧7下方的凸轮型压杆8将压载传递到推杆9，即压杆8底部的凸轮19沿着推板的倾斜的坡面向下滑动，压杆8、推杆9相互传动，推杆9向右驱动，推动密封板12作用于密封介质13控制密封介质13进入油囊14，油囊14体积增大，油囊14的状态变化改变了自身的浮力状态，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。
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 (8)

1.深海采矿机器人浮力随动调节系统，其特征在于，包括螺杆式集矿装置和随动浮力调节机构，所述螺杆式集矿装置依次包括螺杆、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；所述随动浮力调节机构包括压载舱、压杆、传动机构、推杆、密封腔和油囊，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，密封腔和油囊相互连通且填充密封介质，通过控制密封介质进出油囊随动调节浮力。
2.根据权利要求1所述深海采矿机器人浮力随动调节系统，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。
3.根据权利要求1所述深海采矿机器人浮力随动调节系统，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°。
4.根据权利要求1所述深海采矿机器人浮力随动调节系统，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。
5.根据权利要求4所述深海采矿机器人浮力随动调节系统，其特征在于，所述压杆的外侧套设有弹簧，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。
6.根据权利要求1所述深海采矿机器人浮力随动调节系统，其特征在于，所述螺杆的外侧壁沿轴向排布设置有数排集料爪。
7.根据权利要求1所述深海采矿机器人浮力随动调节系统，其特征在于，所述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。
8.根据权利要求1所述深海采矿机器人浮力随动调节系统，其特征在于，所述螺杆式集矿装置将矿物输送至压载舱，压杆、推杆相互传动，推动密封板作用于密封介质控制其进出油囊。
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