桩腿步行式高效环保深海锰结核采矿机器人

摘要

本发明公开了一种桩腿步行式高效环保深海锰结核采矿机器人，包括机体、桩柱行走机构、矢量推进机构、负压抽吸机构和锰结核绞吸机构。本发明能够在复杂的锰结核所在地质层上稳定高效地完成开采任务，并且有效地保护了开采区域的底栖生物的生命和生存环境，锰结核的生长环境也得到了保护，开采后不影响海底的生物或其他资源的再生长环境，极大的化解了资源开采和环境保护这一尖锐矛盾。

说明书

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，更具体的说是涉及一种桩腿步行式高效环保深海锰结核采矿机器人。

背景技术

全球经济迅猛发展，资源的消耗加剧，陆地矿产资源渐渐不能满足人们的巨大需求，人们开始从海洋获取所需矿产资源。水下机器人作为一种开采水下或海底矿物资源的工具，已经得到了长足的发展，但依然面临许多问题。

目前现有的深海锰结核采矿机器人在锰结核所在地质层上行走困难，由于锰结核所在地质层较软，直接承载采矿机器人会面临沉陷这一问题，机器人沉陷则会导致行走困难，这将直接影响到采矿机器人的工作效率。另一方面，现有的深海锰结核采矿机器人在开采过程中，没有考虑到对底栖生物的保护，这将导致其开采时，造成深海底栖生物的大量死亡，甚至致使灭绝。锰结核还会不断生长，但经过行走履带碾压之后，会改变锰结核所在地质层的结构等，这就会影响锰结核的生长，这就严重破坏了海底的环境，不利于海洋未来的发展。现有的深海锰结核采矿机器人对海洋环境的破坏性巨大，无法实现资源开采与生态环境保护的合理平衡。

因此，如何提供一种用于开采深海锰结核，并且开采过程中，对底栖生物基本无害，对海洋环境有效保护，工作能耗小，开采效率较高的水下机器人，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种桩腿步行式高效环保深海锰结核采矿机器人，旨在解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种桩腿步行式高效环保深海锰结核采矿机器人，包括：

机体；

桩柱行走机构；所述桩柱行走机构的数量为三个，所述桩柱行走机构包括驱动组件和升降桩柱；三个所述驱动组件分别安装在所述机体中部的两侧壁，以及所述机体的尾部中央；所述升降桩柱分别与所述驱动组件连接，且能够在所述驱动组件的驱动下实现水平或竖直方向的布置；当所述升降桩柱竖直布置时，所述驱动组件能够带动所述升降桩柱产生竖向和水平方向的往复位移；

矢量推进机构；所述矢量推进机构包括均匀安装在所述机体四周的多个竖向矢量推进器和横向矢量推进器；

负压抽吸机构；所述负压抽吸机构安装在所述机体头部，且用于对底栖生物进行抽吸转移；

锰结核绞吸机构；所述锰结核绞吸机构安装在所述机体头部，且位于所述机体头部和所述负压抽吸机构之间，并用于吸取锰结核。

通过上述技术方案，本发明采用驱动组件带动升降桩柱实现行走功能，能够在复杂的锰结核所在地质层上稳定高效地完成开采任务，并且通过负压抽吸机构对底栖生物进行抽吸转移，有效地保护了开采区域的底栖生物的生命和生存环境，锰结核的生长环境也得到了保护，开采后不影响海底的生物或其他资源的再生长环境，极大的化解了资源开采和环境保护这一尖锐矛盾。

优选的，在上述一种桩腿步行式高效环保深海锰结核采矿机器人中，所述驱动组件包括转动部件、进给液压缸和升降部件；所述转动部件与所述机体连接；所述进给液压缸的缸体侧壁与所述转动部件的连接端固定连接，且能够在所述转动部件的转动带动下实现水平或竖直方向的布置；所述升降部件与所述进给液压缸的活塞杆端头固定连接，所述升降部件能够带动所述升降桩柱产生竖向和水平方向的往复位移。本发明提供的转动部件为常规的电机带动转轴转动的机械结构，能够通过转动部件的转动实现对升降桩柱进行收放的操作，当转动部件将升降桩柱转动至与机体平行时，即为收回状态，使用时将升降桩柱转动至竖直状态即可，收放简单方便，稳定可靠，且节省空间。

优选的，在上述一种桩腿步行式高效环保深海锰结核采矿机器人中，所述升降部件内置有通过动力驱动转动的螺母；所述升降桩柱外侧具有螺纹，且与所述螺母螺纹连接。本发明提供的升降部件和升降桩柱的配合为常规的滚珠丝杠结构，升降部件中包含限制升降桩柱转动的结构，在螺母的转动下能够带动升降桩柱上下运动，此处为现有技术中的常规结构，在此不再赘述。

优选的，在上述一种桩腿步行式高效环保深海锰结核采矿机器人中，所述升降桩柱竖直布置时的底端端头为尖头结构。能够提高行走时的稳定性。

优选的，在上述一种桩腿步行式高效环保深海锰结核采矿机器人中，所述竖向矢量推进器的数量为四个，且均匀布置在所述机体的四周侧壁，所述竖向矢量推进器的叶片水平布置；所述横向矢量推进器的数量为四个，且均匀布置在所述机体的四周底壁，所述横向矢量推进器的叶片竖向布置。每一个矢量推进器都可以在竖直或水平的一定角度范围内做旋转运动，调节矢量推进器推进方向和推力大小，通过控制这8个矢量推进器，可以改变采矿机器人的位姿和运动形式，从而使采矿机器人完成不同方式的运动。

优选的，在上述一种桩腿步行式高效环保深海锰结核采矿机器人中，所述负压抽吸机构包括负压转台、负压支撑臂、负压支架、生物转移输送软管、流速可调水泵、水泵主管道和负压管道；所述负压转台安装在所述机体的头部底壁上；所述负压支撑臂由多根杆体铰接连接组成，且一端与所述负压转台的转动头铰接；所述负压支架与所述负压支撑臂的另一端铰接；所述生物转移输送软管连接在所述负压支撑臂上，且一端开口朝向所述负压支架，另一端开口朝向所述机体尾部；所述流速可调水泵安装在所述机体上；所述水泵主管道一端与所述流速可调水泵连通，另一端与所述生物转移输送软管朝向所述负压支架的开口端连通；所述负压管道一端开口固定在所述负压支架上，另一端与所述水泵主管道的侧壁连通。

当流速可调水泵向水泵主管道泵水时，由于流速大，压强小，负压管道的水就会被吸入水泵主管道，从而使物体在负压管道流动过程中不会受到机械性的损伤，利用此原理，将负压管道一端连接一个吸头，用于吸取底栖生物，对其进行安全转移。负压转台可以控制负压支撑臂水平面的旋转，使其做弧形扫掠，以实现扫掠一次可以转移一个弧形片区的生物，转移速度快，效率高。负压支撑臂的旋转关节可以调整负压支架的离地高度位置，以适应矿床高低起伏的复杂地形。本发明提供的负压抽吸机构具有多自由度，并且所使用的流速可调水泵能够改变流速大小，最大限度的保证底栖生物在转移过程中不受伤害，该机构能够完成复杂地形上的底栖生物安全、高效转移工作。

优选的，在上述一种桩腿步行式高效环保深海锰结核采矿机器人中，所述锰结核绞吸机构包括绞吸臂转台、绞吸臂、绞吸头、绞吸臂旋转舵机、绞吸头驱动电机、矿物输送软管、锰结核过渡处理舱；所述绞吸臂转台安装在所述机体的头部底壁上；所述绞吸臂一端与所述绞吸臂转台的转动头铰接；所述绞吸头转动连接在所述绞吸臂的另一端；所述绞吸臂旋转舵机安装在所述绞吸臂转台的侧壁，且用于带动所述绞吸臂在竖直方向内转动；所述绞吸头驱动电机安装在所述绞吸臂上，且其动力输出端与所述绞吸头固定连接；所述矿物输送软管连接在所述绞吸臂上，且一端开口位于所述绞吸头下方；所述锰结核过渡处理舱安装在所述机体顶面，且与所述矿物输送软管的另一端开口连通。

绞吸头驱动电机驱动绞吸头，将有一定硬度和粘度的锰结核所在地质层疏松，使其由硬块变为散状，使矿物输送泵能够吸取，以便泵送。绞吸臂旋转舵机能够使绞吸臂做竖直方向的旋转，使绞吸头做上下运动，以适应地形的高低起伏。绞吸臂转台使绞吸臂做水平方向的旋转，使绞吸头做横向运动，形成一个弧形，以此按弧形片区吸取锰结核。

优选的，在上述一种桩腿步行式高效环保深海锰结核采矿机器人中，还包括浮力调节机构；所述浮力调节机构包括安装在所述机体内部的压载舱和安装在所述机体顶面的多个浮力调节油囊。压载舱通过进排水调节浮力；浮力调节油囊通过高压泵，将压力油泵出和泵入耐压舱体的形式进行浮力调节。

优选的，在上述一种桩腿步行式高效环保深海锰结核采矿机器人中，还包括环境探测感知机构；所述环境探测感知机构包括安装在所述机体头部顶面的高清水下摄像机、声呐和超高流明水下灯。超高流明水下灯为高清水下摄像机提供较好的光源，使采矿机器人采集视觉信息。声呐可用来探测该矿区锰结核的赋存量以及提供远距离的环境信息，为采矿机器人的开采作业提前做好规划准备。

优选的，在上述一种桩腿步行式高效环保深海锰结核采矿机器人中，所述机体尾部连接有用于集成线路并输送矿物的脐带缆和输矿软管集成管。能够满足管路和线路的统一整理规划。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种桩腿步行式高效环保深海锰结核采矿机器人，具有以下有益效果：

1、本发明采用驱动组件带动升降桩柱实现行走功能，能够在复杂的锰结核所在地质层上稳定高效地完成开采任务，并且通过负压抽吸机构对底栖生物进行抽吸转移，有效地保护了开采区域的底栖生物的生命和生存环境，锰结核的生长环境也得到了保护，开采后不影响海底的生物或其他资源的再生长环境，极大的化解了资源开采和环境保护这一尖锐矛盾。

2、本发明的每一个矢量推进器都可以在竖直或水平的一定角度范围内做旋转运动，调节矢量推进器推进方向和推力大小，通过控制这8个矢量推进器，可以改变采矿机器人的位姿和运动形式，从而使采矿机器人完成不同方式的运动。

3、本发明提供的负压抽吸机构具有多自由度，并且所使用的流速可调水泵能够改变流速大小，最大限度的保证底栖生物在转移过程中不受伤害，该机构能够完成复杂地形上的底栖生物安全、高效转移工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的机器人的整体结构示意图；

图2附图为本发明提供的机器人展开状态的侧视图；

图3附图为本发明提供的机器人展开状态的俯视图；

图4附图为本发明提供的机器人收回状态的侧视图；

图5附图为本发明提供的机器人的负压抽吸机构和锰结核绞吸机构的侧视放大图；

图6附图为本发明提供的机器人的负压抽吸机构的原理图；

图7附图为本发明提供的机器人的环境探测感知机构的放大图；

图8附图为本发明提供的机器人的工作状态与水下各地层接触的剖视图。

其中：

1-机体；

2-桩柱行走机构；

21-驱动组件；211-转动部件；212-进给液压缸；213-升降部件；22-升降桩柱；

3-矢量推进机构；

31-竖向矢量推进器；32-横向矢量推进器；

4-负压抽吸机构；

41-负压转台；42-负压支撑臂；43-负压支架；44-生物转移输送软管；

45-流速可调水泵；46-水泵主管道；47-负压管道；

5-锰结核绞吸机构；

51-绞吸臂转台；52-绞吸臂；53-绞吸头；54-绞吸臂旋转舵机；55-绞吸头驱动电机；56-矿物输送软管；57-锰结核过渡处理舱；

6-浮力调节机构；

61-压载舱；62-浮力调节油囊；

7-环境探测感知机构；

71-高清水下摄像机；72-声呐；73-超高流明水下灯；

8-脐带缆和输矿软管集成管；

91-底栖生物所在层；92-锰结核所在地质层；93-稀软淤泥地质层；94-硬质土壤地质层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1至附图8，本发明实施例公开了一种桩腿步行式高效环保深海锰结核采矿机器人，包括：

机体1；

桩柱行走机构2；桩柱行走机构2的数量为三个，桩柱行走机构2包括驱动组件21和升降桩柱22；三个驱动组件21分别安装在机体1中部的两侧壁，以及机体1的尾部中央；升降桩柱22分别与驱动组件21连接，且能够在驱动组件21的驱动下实现水平或竖直方向的布置；当升降桩柱22竖直布置时，驱动组件21能够带动升降桩柱22产生竖向和水平方向的往复位移；

矢量推进机构3；矢量推进机构3包括均匀安装在机体1四周的多个竖向矢量推进器31和横向矢量推进器32；

负压抽吸机构4；负压抽吸机构4安装在机体1头部，且用于对底栖生物进行抽吸转移；

锰结核绞吸机构5；锰结核绞吸机构5安装在机体1头部，且位于机体1头部和负压抽吸机构4之间，并用于吸取锰结核。

为了进一步优化上述技术方案，驱动组件21包括转动部件211、进给液压缸212和升降部件213；转动部件211与机体1连接；进给液压缸212的缸体侧壁与转动部件211的连接端固定连接，且能够在转动部件211的转动带动下实现水平或竖直方向的布置；升降部件213与进给液压缸212的活塞杆端头固定连接，升降部件213能够带动升降桩柱22产生竖向和水平方向的往复位移。

为了进一步优化上述技术方案，升降部件213内置有通过动力驱动转动的螺母；升降桩柱22外侧具有螺纹，且与螺母螺纹连接。

为了进一步优化上述技术方案，升降桩柱22竖直布置时的底端端头为尖头结构。

为了进一步优化上述技术方案，竖向矢量推进器31的数量为四个，且均匀布置在机体1的四周侧壁，竖向矢量推进器31的叶片水平布置；横向矢量推进器32的数量为四个，且均匀布置在机体1的四周底壁，横向矢量推进器32的叶片竖向布置。

为了进一步优化上述技术方案，负压抽吸机构4包括负压转台41、负压支撑臂42、负压支架43、生物转移输送软管44、流速可调水泵45、水泵主管道46和负压管道47；负压转台41安装在机体1的头部底壁上；负压支撑臂42由多根杆体铰接连接组成，且一端与负压转台41的转动头铰接；负压支架43与负压支撑臂42的另一端铰接；生物转移输送软管44连接在负压支撑臂42上，且一端开口朝向负压支架43，另一端开口朝向机体1尾部；流速可调水泵45安装在机体1上；水泵主管道46一端与流速可调水泵45连通，另一端与生物转移输送软管44朝向负压支架43的开口端连通；负压管道47一端开口固定在负压支架43上，另一端与水泵主管道46的侧壁连通。

为了进一步优化上述技术方案，锰结核绞吸机构5包括绞吸臂转台51、绞吸臂52、绞吸头53、绞吸臂旋转舵机54、绞吸头驱动电机55、矿物输送软管56、锰结核过渡处理舱57；绞吸臂转台51安装在机体1的头部底壁上；绞吸臂52一端与绞吸臂转台51的转动头铰接；绞吸头53转动连接在绞吸臂52的另一端；绞吸臂旋转舵机54安装在绞吸臂转台51的侧壁，且用于带动绞吸臂52在竖直方向内转动；绞吸头驱动电机55安装在绞吸臂52上，且其动力输出端与绞吸头53固定连接；矿物输送软管56连接在绞吸臂52上，且一端开口位于绞吸头53下方；锰结核过渡处理舱57安装在机体1顶面，且与矿物输送软管56的另一端开口连通。

为了进一步优化上述技术方案，还包括浮力调节机构6；浮力调节机构6包括安装在机体1内部的压载舱61和安装在机体1顶面的多个浮力调节油囊62。

为了进一步优化上述技术方案，还包括环境探测感知机构7；环境探测感知机构7包括安装在机体1头部顶面的高清水下摄像机71、声呐72和超高流明水下灯73。

为了进一步优化上述技术方案，机体1尾部连接有用于集成线路并输送矿物的脐带缆和输矿软管集成管8。

本发明的工作原理为：

采矿机器人到达矿区前和撤离矿区可由自身的浮力调节机构6和矢量推进机构3协同工作船的吊缆完成，在这个过程中，采矿机器人的负压抽吸机构4、锰结核绞吸机构5和桩柱行走机构2都可以收起，使其尽量紧凑，减小阻力，如图4所示。当工作时，参与工作的这几个机构相应展开。

采矿机器人工作时，负压支架43始终在绞吸头53前边一段距离工作，预先将底栖生物安全转移。绞吸头53和负压管道47的吸头都在采矿机器人头部做弧形运动，通过桩柱行走机构2前进，这个弧形运动所扫掠过的地方就成为一个区域，以这样的方式进行采矿。绞吸头53能够扫掠到的范围宽度方向超过采矿机器人自身的宽度，如图3所示，故自身行走不会影响到未开采的矿区。脐带缆和输矿软管集成管8负责信息交互和物料运输。锰结核过渡处理舱57则将锰结核筛选出来，然后将锰结核放入脐带缆和输矿软管集成管8的输矿软管内，使锰结核被抽送上工作船，再将其交与运输船运往海岸等地。锰结核过渡处理舱57内经过筛选的无用物质则直接排放，使其直接回归矿区，减少了二次回归的能源消耗。三条升降桩柱22的设定既满足了该采矿机器人的作业稳定性，又可以减少其他辅助稳定装置的能量消耗。

采矿机器人采矿时做进给运动的桩柱行走机构2通过升降桩柱22代替履带，以点支撑可以极好的保护作业环境，其对锰结核生长环境的保护远远优于履带式。进给液压缸212可以绕采矿机器人的机体1做竖向的旋转，当进给液压缸212处于横向时，如图2所示，升降桩柱22则竖直立在海床上，升降部件213可以调节升降桩柱22做竖直方向的运动，以此调整采矿机器人机体的高度，采矿机器人采矿时做进给运动时也是升降部件213使升降桩柱22有步骤地上下运动来配合以完成移动。

具体的：机器人有三根桩柱，类似三条腿，升降部件213控制升降桩柱22抬起和下落，进给液压缸212控制升降桩柱22相对采矿机器人的机体1做前进和后退的动作。升降桩柱22先在升降部件213的控制下上升悬空，然后进给液压缸213将活塞杆收回，则升降桩柱22相对采矿机器人的机体1前进一段距离停下，然后升降部件213控制升降桩柱22下降插入硬质土壤地质层94，到这里，这跟升降桩柱22相对于采矿机器人被提前了一步，相当于向前迈一步，当三根升降桩柱22都向前迈出这一步后，三个进给液压缸212同时将活塞杆伸出，升降桩柱22在硬质土壤地质层94被限制了前后的运动，故机器人的机体1相对于升降桩柱22向前运动，也即是相对地面向前运动，以此完成行走的过程。

该系统一共配有三套桩柱行走机构2，在进给液压缸212的控制下做水平方向的运动，三根升降桩柱22的相互配合，交替升降、进退就可以完成采矿机器人的进给运动，使其朝前方前进。在前进途中都是以升降桩柱22为支撑，碾压面积极小，三根升降桩柱22能够使其牢牢站立在矿床上，精确地对矿区进行采矿。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。