本發(fā)明涉及海洋特種裝備，尤其涉及一種多金屬結(jié)核采礦車、采集機(jī)械臂及礦物采集系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、眾所周知，海洋中，存在儲量豐富的重要礦產(chǎn)資源，例如，多金屬結(jié)核是海洋中重要的礦產(chǎn)資源，富含多種陸地稀缺金屬，廣泛分布于海底盆地表面，海底多金屬結(jié)核的開發(fā)已成為海洋資源勘探的重要方向，為了在資源利用和環(huán)境保護(hù)之間達(dá)成科學(xué)的平衡，如何在復(fù)雜的海洋環(huán)境中實(shí)現(xiàn)安全、高效、環(huán)保、可持續(xù)的礦產(chǎn)勘探和采集已經(jīng)成為越來越重要的研究課題。

2、目前，隨著裝備技術(shù)的不斷發(fā)展，雖然在復(fù)雜的海洋環(huán)境中勘探和采集礦產(chǎn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全機(jī)械化作業(yè)，然而，海底礦產(chǎn)勘探和采集進(jìn)程面臨著諸多棘手的技術(shù)難題，例如，海洋環(huán)境壓力和阻力大，對行進(jìn)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動機(jī)構(gòu)的要求很高，另外，機(jī)械設(shè)備行進(jìn)路徑環(huán)境復(fù)雜，軟質(zhì)路面行進(jìn)容易造成大幅度的環(huán)境擾動造成環(huán)境破壞，并且容易陷進(jìn)路面造成機(jī)械設(shè)備癱瘓。也就是說，一方面，深海環(huán)境呈現(xiàn)出極為復(fù)雜的特性，水壓極高、溫度偏低且地質(zhì)條件變化多端，這對采礦裝備的設(shè)計(jì)及性能標(biāo)準(zhǔn)提出了近乎嚴(yán)苛的要求，另一方面，海底多金屬結(jié)核位于深海底，對其進(jìn)行開采勢必影響到海底的生態(tài)環(huán)境，現(xiàn)有的海底履帶式多金屬結(jié)核采礦車在復(fù)雜海底環(huán)境中，容易出現(xiàn)沉陷、打滑等問題。

3、因此，如何設(shè)計(jì)出在海洋環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、可靠并具備多種海底底質(zhì)適應(yīng)能力的環(huán)境友好型采礦裝備，已經(jīng)成為一個(gè)亟需解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于以上原因，有必要提供一種多金屬結(jié)核采礦車、采集機(jī)械臂及礦物采集系統(tǒng)，以在海洋環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、可靠、環(huán)保并具備多種海底底質(zhì)適應(yīng)能力的礦物探測與采集。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種多金屬結(jié)核采礦車，包括電控驅(qū)動箱、物料收集倉、礦物輸送泵、光電盒、礦物采集系統(tǒng)、壓力補(bǔ)償器和連接提升系統(tǒng)的輸送軟管。所述多金屬結(jié)核采礦車還包括履帶系統(tǒng)和行進(jìn)控制系統(tǒng)，其中：

3、所述履帶系統(tǒng)包括底盤架，和設(shè)置在底盤架上的多個(gè)履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)，所述行進(jìn)控制系統(tǒng)包括存儲單元、處理單元、超聲波距離傳感器和設(shè)置在物料收集倉上方的浮力組件，所述浮力組件包括組件本體和設(shè)置在組件本體上的多個(gè)垂直推進(jìn)螺旋槳，所述垂直推進(jìn)螺旋槳、存儲單元和超聲波距離傳感器分別與所述處理單元通信連接，所述垂直推進(jìn)螺旋槳與所述履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)一一對應(yīng)，所述超聲波距離傳感器與所述履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)一一對應(yīng)，所述垂直推進(jìn)螺旋槳安裝在對應(yīng)的履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)的上方位置，所述超聲波距離傳感器設(shè)置在對應(yīng)的履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)的履帶架上；

4、所述履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)包括履帶、履帶架、驅(qū)動輪、第一支撐輪、第二支撐輪、驅(qū)動輪伺服電機(jī)和減速箱，其中：履帶安裝于履帶架上，由驅(qū)動輪驅(qū)動運(yùn)行；驅(qū)動輪伺服電機(jī)，用于通過減速箱調(diào)節(jié)驅(qū)動輪的輸出轉(zhuǎn)速以控制履帶的行走速度；第一支撐輪和第二支撐輪設(shè)于驅(qū)動輪的一側(cè)，用于提供輔助支撐力以增強(qiáng)車體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并延展履帶與地面的應(yīng)力接觸面以提升路面反饋的支撐力；第一支撐輪的上端面高于驅(qū)動輪上端面，第一支撐輪與驅(qū)動輪之間的間隔距離，大于第二支撐輪與驅(qū)動輪之間的間隔距離；

5、所述存儲單元，用于存儲行進(jìn)控制程序；

6、所述處理單元，用于調(diào)用并執(zhí)行所述行進(jìn)控制程序，執(zhí)行如下步驟：

7、實(shí)時(shí)或者定時(shí)接收所述超聲波距離傳感器發(fā)送的反映離地距離的電信號，并將接收的電信號對應(yīng)的離地距離、信號接收時(shí)間和發(fā)出信號的超聲波距離傳感器的傳感器標(biāo)識的映射關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲；

8、每隔第一預(yù)設(shè)時(shí)間，對第一預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)新存儲的離地距離、信號接收時(shí)間和傳感器標(biāo)識之間的映射關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算出各個(gè)所述履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)陷入地面的陷入?yún)?shù)，和多金屬結(jié)核采礦車的整體傾斜角度；

9、根據(jù)計(jì)算出的陷入?yún)?shù)和整體傾斜角度，分析出需要開始往下輸出功率或者需要加大輸出功率的垂直推進(jìn)螺旋槳，并控制分析出的垂直推進(jìn)螺旋槳開始往下輸出功率或者加大輸出功率。

10、優(yōu)選地，所述陷入?yún)?shù)的計(jì)算步驟包括：

11、根據(jù)預(yù)先確定的履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)離地距離的映射關(guān)系數(shù)據(jù)，確定出各個(gè)所述履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)離地距離；

12、從第一預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)新存儲的各個(gè)所述傳感器標(biāo)識對應(yīng)的離地距離中，剔除大于標(biāo)準(zhǔn)離地距離的離地距離，得到各個(gè)所述傳感器標(biāo)識對應(yīng)的可分析離地距離；

13、分別計(jì)算出第一預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)新存儲的各個(gè)所述傳感器標(biāo)識對應(yīng)的可分析離地距離的平均值，作為對應(yīng)的履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)的參考離地距離；

14、若有履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)的參考離地距離小于對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)離地距離，則計(jì)算出該履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)離地距離減去對應(yīng)的參考離地距離的差值，作為該履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)對應(yīng)的陷入?yún)?shù)。

15、優(yōu)選地，所述整體傾斜角度的計(jì)算步驟包括：

16、根據(jù)計(jì)算出的各個(gè)所述履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)對應(yīng)的陷入?yún)?shù)，為所述多金屬結(jié)核采礦車構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)參考平面和傾角分析平面；

17、分析出所述標(biāo)準(zhǔn)參考平面和所述傾角分析平面的平面夾角，并將所述平面夾角作為所述整體傾斜角度。

18、優(yōu)選地，所述標(biāo)準(zhǔn)參考平面和傾角分析平面的構(gòu)建步驟包括：

19、為所述多金屬結(jié)核采礦車構(gòu)建水平面；

20、基于構(gòu)建的水平面和各個(gè)所述履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)離地距離，確定出各個(gè)所述履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)對應(yīng)的離地點(diǎn)，并基于確定的各個(gè)所述履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)離地點(diǎn)，構(gòu)建出所述多金屬結(jié)核采礦車的標(biāo)準(zhǔn)參考平面；

21、根據(jù)計(jì)算出的各個(gè)所述履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)對應(yīng)的陷入?yún)?shù)，確定出各個(gè)所述履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)對應(yīng)的陷入點(diǎn)，并基于確定的各個(gè)所述履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)陷入點(diǎn)，構(gòu)建出所述多金屬結(jié)核采礦車的傾角分析平面。

22、優(yōu)選地，所述根據(jù)計(jì)算出的陷入?yún)?shù)和整體傾斜角度，分析出需要開始往下輸出功率或者需要加大輸出功率的垂直推進(jìn)螺旋槳的步驟包括：

23、若有履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)對應(yīng)的陷入?yún)?shù)大于第一距離閾值，則確定該履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)對應(yīng)的垂直推進(jìn)螺旋槳，為需要開始往下輸出功率或者需要加大輸出功率的垂直推進(jìn)螺旋槳；

24、若所述整體傾斜角度大于第一角度閾值，則在各個(gè)所述履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)對應(yīng)的陷入?yún)?shù)中確定最小的陷入?yún)?shù)作為標(biāo)準(zhǔn)比較參數(shù)；

25、若所述最小的陷入?yún)?shù)大于第一距離閾值，則將所有履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)對應(yīng)的垂直推進(jìn)螺旋槳，確定為需要開始往下輸出功率或者需要加大輸出功率的垂直推進(jìn)螺旋槳；

26、若所述最小的陷入?yún)?shù)小于或者等于第一距離閾值，則分別計(jì)算出各個(gè)其他陷入?yún)?shù)與該標(biāo)準(zhǔn)比較參數(shù)的差值；

27、若有計(jì)算出的差值大于第二距離閾值，則將該差值對應(yīng)的其他陷入?yún)?shù)作為待傾角修正參數(shù)，將所述待傾角修正參數(shù)對應(yīng)的履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)對應(yīng)的垂直推進(jìn)螺旋槳，確定為需要開始往下輸出功率或者需要加大輸出功率的垂直推進(jìn)螺旋槳。

28、優(yōu)選地，所述控制分析出的垂直推進(jìn)螺旋槳開始往下輸出功率或者加大輸出功率的步驟包括：

29、若有分析出的垂直推進(jìn)螺旋槳處于功率輸出停止?fàn)顟B(tài)，則控制該垂直推進(jìn)螺旋槳根據(jù)預(yù)先確定的第一功率輸出曲線輸出功率，以為對應(yīng)的履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)施加從小到大的漸進(jìn)式上浮力，或者，若有分析出的垂直推進(jìn)螺旋槳處于功率輸出狀態(tài)，則控制該垂直推進(jìn)螺旋槳根據(jù)預(yù)先確定的第一功率輸出曲線加大輸出功率，以為對應(yīng)的履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)施加更大的漸進(jìn)式上浮力；

30、在控制垂直推進(jìn)螺旋槳根據(jù)預(yù)先確定的第一功率輸出曲線輸出功率過程中，每隔第二預(yù)設(shè)時(shí)間，對第二預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)新存儲的離地距離、信號接收時(shí)間和傳感器標(biāo)識之間的映射關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算出各個(gè)所述履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)陷入地面的當(dāng)前陷入?yún)?shù)，和多金屬結(jié)核采礦車的當(dāng)前整體傾斜角度；

31、根據(jù)計(jì)算出的當(dāng)前陷入?yún)?shù)和當(dāng)前整體傾斜角度，分析出需要加大輸出功率和/或需要保持當(dāng)前輸出功率的垂直推進(jìn)螺旋槳，控制需要加大輸出功率的垂直推進(jìn)螺旋槳根據(jù)預(yù)先確定的第一功率輸出曲線加大輸出功率，和/或，控制需要保持當(dāng)前輸出功率的垂直推進(jìn)螺旋槳按照當(dāng)前功率輸出。

32、優(yōu)選地，所述礦物采集系統(tǒng)包括采集本體，及設(shè)置在采集本體上的多個(gè)智能采集組件，每個(gè)智能采集組件包括采集機(jī)械臂和影像獲取單元，所述采集本體包括至少2個(gè)支撐架，每個(gè)支撐架上設(shè)置至少1個(gè)智能采集組件，不同支撐架上設(shè)置的智能采集組件相互錯(cuò)位布設(shè)，所述智能采集組件與處理單元通信連接，所述處理單元調(diào)用并執(zhí)行行進(jìn)控制程序時(shí)，執(zhí)行如下步驟：

33、在收到采集指令后，控制采集機(jī)械臂抓取當(dāng)前區(qū)域的礦物，并通過礦物輸送泵將抓取的礦物經(jīng)由采集機(jī)械臂的礦物輸送管道輸送至物料收集倉暫存；或者，

34、實(shí)時(shí)或者定時(shí)對影像獲取單元獲取的影像進(jìn)行目標(biāo)礦物識別，在識別到有目標(biāo)礦物處于一個(gè)或多個(gè)采集機(jī)械臂的工作區(qū)域時(shí)，控制該一個(gè)或多個(gè)采集機(jī)械臂或者控制所有采集機(jī)械臂進(jìn)行礦物抓取作業(yè)，并通過礦物輸送泵將抓取的礦物經(jīng)由采集機(jī)械臂的礦物輸送管道輸送至物料收集倉暫存。

35、優(yōu)選地，所述影像獲取單元可旋轉(zhuǎn)安裝在支撐架上，所述實(shí)時(shí)或者定時(shí)對影像獲取單元獲取的影像進(jìn)行目標(biāo)礦物識別，在識別到有目標(biāo)礦物處于一個(gè)或多個(gè)采集機(jī)械臂的工作區(qū)域時(shí)，控制該一個(gè)或多個(gè)采集機(jī)械臂或者控制所有采集機(jī)械臂進(jìn)行礦物抓取作業(yè)的步驟包括：

36、實(shí)時(shí)或者定時(shí)對影像獲取單元獲取的影像進(jìn)行目標(biāo)礦物識別；

37、在識別到有影像獲取單元獲取的影像中出現(xiàn)目標(biāo)礦物時(shí)，控制該影像獲取單元對出現(xiàn)的目標(biāo)礦物進(jìn)行影像追蹤鎖定；

38、若有采集機(jī)械臂的工作區(qū)域覆蓋被鎖定的目標(biāo)礦物，則控制該采集機(jī)械臂或者控制所有采集機(jī)械臂進(jìn)行礦物抓取作業(yè)。

39、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種采集機(jī)械臂，適用于上述的多金屬結(jié)核采礦車，所述采集機(jī)械臂包括后組件，中部密封艙，前組件，及貫穿設(shè)置于后組件、中部密封艙和前組件內(nèi)部的礦物輸送管道，其中：

40、所述后組件包括上部套筒和上部滑軌，上部套筒的前端和中部設(shè)有多組滑軌穩(wěn)定套，上部套筒的后端固定安裝在支撐架上，前端基于上部滑軌滑動連接所述中部密封艙，使得中部密封艙可沿上部滑軌移動；

41、所述前組件包括抓取滑套、下部滑軌和機(jī)械爪，抓取滑套的一端設(shè)置機(jī)械爪，另一端基于下部滑軌滑動連接所述中部密封艙，使得抓取滑套可沿下部滑軌移動；

42、所述中部密封艙內(nèi)設(shè)置有第一組伺服電機(jī)和第二組伺服電機(jī)，第一組伺服電機(jī)設(shè)置在靠近所述后組件的一端，用于基于上部滑軌驅(qū)動滑軌伸縮連桿機(jī)構(gòu)控制中部密封艙和前組件整體升降，第二組伺服電機(jī)設(shè)置在靠近前組件的一端，用于基于下部滑軌驅(qū)動滑軌伸縮連桿機(jī)構(gòu)控制抓取滑套移動。

43、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種礦物采集系統(tǒng)，適用于上述的多金屬結(jié)核采礦車，所述礦物采集系統(tǒng)包括采集本體，及設(shè)置在采集本體上的多個(gè)智能采集組件，每個(gè)智能采集組件包括采集機(jī)械臂和影像獲取單元，所述采集本體包括至少2個(gè)支撐架，每個(gè)支撐架上設(shè)置至少1個(gè)智能采集組件，不同支撐架上設(shè)置的智能采集組件相互錯(cuò)位布設(shè)。

44、本技術(shù)提供的多金屬結(jié)核采礦車包括多個(gè)特殊結(jié)構(gòu)的履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了礦車接地比壓的有效分散，提高牽引力并減少對松軟海底底質(zhì)的擾動，保證履帶系統(tǒng)盡可能適配海底頻繁起伏的地形，提升地形適應(yīng)能力、越障能力；基于垂直推進(jìn)螺旋槳、超聲波距離傳感器、處理器和存儲器構(gòu)建的履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)的浮力控制硬件架構(gòu)，為各個(gè)特殊結(jié)構(gòu)的履帶式行進(jìn)子系統(tǒng)進(jìn)行局部浮力智能控制創(chuàng)造了有效、可實(shí)施的硬件環(huán)境和軟件環(huán)境。

45、本技術(shù)達(dá)成的有益效果是：可有效分散接地比壓，提高牽引力并減少對松軟海底底質(zhì)的擾動，且能保證履帶系統(tǒng)盡可能適配海底頻繁起伏的地形，提升地形適應(yīng)能力、越障能力，使得采礦車具備了在海洋環(huán)境中，達(dá)成節(jié)能、可靠、環(huán)保并具備多種海底底質(zhì)適應(yīng)能力的礦物探測與采集能力。