一种海底地层自主锚定机器人

1.本发明涉及锚定装置技术领域，特别是涉及一种海底地层自主锚定机器人。


背景技术：

2.人类在广袤的深海中已经发掘出了许多重要的战略资源，这些资源对人类社会发展具有重要的意义。近年来，对于这些资源的探测与开发，许多研究团队都研制出大量的多功能海工装备，向深海布放，如海底移动平台、海底机器人基站等。这些设备由于功能多、应用场景广，大多时候会在深海执行长期的监测任务，这些设备的悬停功能显得尤其重要，单一依赖设备自身的悬停功能是不能满足作业技术要求的。因此，需要在这些设备上集成布放一种海底地层自主锚定机器人。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种海底地层自主锚定机器人，以解决上述现有技术存在的问题，在设备悬停时机器人布放插入地层，在设备移动时收回机器人；锚定机器人可减少海底水流对设备的冲击移动，辅助设备实现海底长期悬停。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种海底地层自主锚定机器人，包括
5.钻进机构，所述钻进机构包括自推进钻头，所述自推进钻头的尾部与弧形支撑壳的前端外侧相连；
6.驱动机构，所述驱动机构包括电机固定支架、电机及谐波减速器，所述电机固定支架的顶部与所述弧形支撑壳的顶端内壁相连，所述电机固定支架的下部与所述电机相连；所述电机与谐波减速器同轴相连；所述驱动机构用于带动所述弧形支撑壳旋转进而带动所述自推进钻头旋转；
7.浮力机构，所述浮力机构包括浮力块，所述浮力块的下端与弧形支撑壳的顶端外部相连；
8.传动机构，所述传动机构包括滑块外筒和电机蜗杆，所述电机蜗杆与电机及谐波减速器传动连接，所述滑块外筒的下部为内螺纹结构，所述滑块外筒的内螺纹结构与所述电机蜗杆相配合连接，所述滑块外筒与楔形块的内斜面相连；
9.电磁控制机构，所述电磁控制机构包括电磁锁紧装置，所述电磁锁紧装置通过控制滑块卡入或弹出所述滑块外筒来实现所述滑块外筒向上运动或空转；
10.楔形支撑机构，所述楔形支撑机构包括若干个楔形块，所述楔形块和弧形支撑壳沿周向间隔布置，所述楔形块的上端滑动安装在所述弧形支撑壳的尾端法兰滑槽内，所述楔形块的下端滑动安装在所述弧形支撑壳的前端法兰滑槽内，所述楔形块的内斜面与所述滑块外筒的顶部通过齿槽滑动连接，所述楔形块伸出或收回于所述弧形支撑壳的外壁。
11.在其中一个实施例中，所述自推进钻头的表面具有等距螺旋叶片。
12.在其中一个实施例中，所述浮力块采用圆柱形浮力块。
13.在其中一个实施例中，所述滑块为中空的圆环形滑块，所述电机的连接轴穿过所述滑块的中空圆环处。
14.在其中一个实施例中，所述弧形支撑壳为锚定机器人外筒，所述楔形块和弧形支撑壳之间相互挤压密封配合。
15.在其中一个实施例中，锚定机器人初始状态为行进模式，所述电磁锁紧装置处于断电状态，所述驱动机构的电机正转驱动所述电机蜗杆旋转，所述滑块外筒空转，所述电机蜗杆的旋转带动自推进钻头旋转。
16.在其中一个实施例中，锚定机器人从行进模式转化为支撑模式时，所述电磁锁紧装置通电，所述电磁锁紧装置的滑块卡入所述滑块外筒顶部的配合槽中，所述驱动机构的电机反转并带动所述电机蜗杆转动，所述电机蜗杆带动所述滑块外筒向上运动，与所述滑块外筒顶部顶开所述楔形块，所述楔形块水平滑动并向侧面撑开所述弧形支撑壳。
17.在其中一个实施例中，锚定机器人从支撑模式转化为行进模式时，所述电磁锁紧装置处于断电状态，所述驱动机构的电机正转驱动所述电机蜗杆旋转，在所述电机蜗杆与滑块外筒下部螺纹配合的共同作用下，所述滑块外筒向下运动，所述楔形块和弧形支撑壳收回于所述弧形支撑壳内。
18.本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
19.本发明中的海底地层自主锚定机器人，包括钻进机构、驱动机构、浮力机构、楔形支撑机构、电磁控制机构以及传动机构，在这些机构的组合作用下，锚定机器人可以实现布放、钻进、锚定及收回等功能为一体。该锚定机器人体积小，质量轻，内设驱动机构，无需靠外部推动或距离海底地面较高距离抛载进入海底地层，其浮力机构可在抛出后确保海底锚垂直落底，自推进钻头可钻进进入海底地层，并在完成动作后反向钻出实现回收和重复使用；依靠电磁控制机构，可以实现对锚定机器人“钻进态”和“支撑态”的灵活切换，通过一个驱动机构与一个电磁控制机构实现对两种作业形态的切换控制，进而实现钻进、锚定、收锚、钻出回收四种功能；楔形支撑机构有助于锚定机器人在海底地层的固定稳固。本发明所提出的海底地层自主锚定机器人，具有很强的可移植性，可以装载在各类水下机器人中，在海洋工程、海洋技术、海洋科学等多个领域具有广泛的应用场景。
附图说明
20.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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明实施例中海底地层自主锚定机器人的整体结构示意图；
22.图2为本发明实施例中海底地层自主锚定机器人的行进模式俯视图；
23.图3为本发明实施例中海底地层自主锚定机器人的支撑模式俯视图；
24.图4为本发明实施例中海底地层自主锚定机器人的辅助布放支架示意图；
25.其中，1-浮力块；2-楔形块；3-电机固定支架；4-弧形支撑壳；5-电磁锁紧装置；6-电机及谐波减速器；7-滑块外筒；8-电机蜗杆；9-自推进钻头；10-尾端法兰；11前端法兰。
具体实施方式
26.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。
27.本发明的目的是提供一种海底地层自主锚定机器人，以解决上述现有技术存在的问题，在设备悬停时机器人布放插入地层，在设备移动时收回机器人；锚定机器人可减少海底水流对设备的冲击移动，辅助设备实现海底长期悬停。
28.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
29.如图1-图4所示，本发明提供一种海底地层自主锚定机器人，包括
30.钻进机构，钻进机构包括自推进钻头9，自推进钻头9的尾部与弧形支撑壳4的穿过前端法兰11的电机蜗杆8相连；
31.驱动机构，驱动机构包括电机固定支架3、电机及谐波减速器6，电机固定支架3的顶部与弧形支撑壳4的顶端内壁相连，电机固定支架3的下部与电机相连；电机与谐波减速器同轴相连；驱动机构用于带动弧形支撑壳4旋转进而带动自推进钻头9旋转，以实现了锚定机器人通过钻进进入海地地层；其中，电机及谐波减速器6封装在耐压密封舱内，耐压密封舱的尾部靠水密插头进行供电，耐压密封舱的前端为电机的输出轴。
32.浮力机构，浮力机构包括浮力块1，浮力块1的下端与尾端法兰10相连；
33.传动机构，传动机构包括滑块外筒7和电机蜗杆8，电机蜗杆8与电机及谐波减速器6传动连接，滑块外筒7的下部为内螺纹结构，滑块外筒7的内螺纹结构与电机蜗杆8相配合连接，滑块外筒7与楔形块2的内斜面相连；
34.电磁控制机构，电磁控制机构包括电磁锁紧装置5，电磁锁紧装置5通过控制滑块卡入或弹出滑块外筒7来实现滑块外筒7向上运动或空转；
35.楔形支撑机构，楔形支撑机构包括若干个楔形块2和弧形支撑壳4，楔形块2和弧形支撑壳4沿周向间隔布置，上端安装在尾端法兰10滑槽内可相对滑动，下端安装在前端法兰11滑槽内可相对滑动，楔形块2的内斜面与滑块外筒7顶部通过齿槽连接，可以产生相对滑动，楔形块2伸出或收回于将带动弧形支撑壳4的撑开或收回。
36.在其中一个实施例中，自推进钻头9的表面具有等距螺旋叶片，等距螺旋叶片可以进行排泥，减小在地层钻进过程中的前端阻力并提供钻进动力。
37.在其中一个实施例中，浮力块1采用圆柱形浮力块，在锚定机器人被auv抛出后通过浮力块1自动调整其垂直落底姿态。
38.在其中一个实施例中，滑块为中空的圆环形滑块，电机的连接轴穿过滑块的中空圆环处。当电磁锁紧装置5通电后，圆环形滑块将会卡入滑块外筒7，当电磁锁紧装置5断电后，圆环形滑块将会从滑块外筒7中弹出，恢复原状。
39.在其中一个实施例中，弧形支撑壳4为锚定机器人外筒，楔形块2和弧形支撑壳4之间相互挤压密封配合。
40.在又一个实施例中，楔形支撑机构具体由三个楔形块2构成。当三个楔形块2收回时，锚定机器人处于“行进模式”，如图2；当三个楔形块展开时，锚定机器人处于“支撑模
式”，如图3。
41.锚定机器人行进模式、支撑模式以及模式间的转换是通过锚定机器人多个机构进行配合工作实现的，具体如下：
42.锚定机器人初始状态为行进模式，电磁控制机构处于断电状态，驱动机构电机正转，驱动电机蜗杆8旋转，滑块外筒7空转，电机蜗杆8的旋转带动自推进钻头9旋转，以实现在海底地层中钻进行进的任务目标。
43.当锚定机器人从行进模式转化为支撑模式时，电磁控制机构通电，此时电磁锁紧装置5卡入滑块外筒7，驱动机构电机反转，带动电机蜗杆8转动，在电机蜗杆8与滑块外筒7下部螺纹配合的共同作用下，滑块外筒7向上运动，顶开楔形块2，楔形块2水平滑动撑开弧形支撑壳4，即完成了“支撑模式”的转换。
44.当锚定机器人从支撑模式转化为行进模式时，电机正转，带动电机蜗杆8转动，在电机蜗杆8与滑块外筒7下部螺纹配合的共同作用下，滑块外筒7向下运动，收回楔形块2与弧形支撑壳4。然后电磁控制机构断电，电磁锁紧装置5从滑块外筒7中弹出，即完成了“行进模式”的转换。
45.本发明中海底地层自主锚定机器人的布放流程如下：
46.步骤一，水下机器人悬停，开始布放海底地层自主锚定机器人，如图4所示，在布放锚定机器人前，首先向目标锚定点释放辅助布放支架，锚定机器人借助辅助布放支架以及自身自重及浮力块校正，垂直插入海底地层中。
47.步骤二，初始状态下电磁控制机构断电，锚定机器人处于“行进模式”，在电机的正转的驱动下，锚定机器人向海底地层进行钻进运动；
48.步骤三，当锚定装置钻进至设定深度时，电磁控制机构通电，锁紧滑块外筒7，锚定机器人转换为“支撑模式”。在电机反转的驱动下，锚定机器人楔形块2完全打开，撑开弧形支撑壳4，同时，锚定机器人向上回退，帮助楔形块2及支撑外筒4更好的插入土层，锚定机器人即可实现在海底地层的固定作用；
49.本发明中的海底地层自主锚定机器人的回收流程如下：
50.步骤一，水下机器人结束悬停，开始对锚定机器人进行回收；驱动机构电机进行正转，带动滑块外筒7下降，收回锚定机器人楔形块2及支撑外筒4，同时，锚定装置继续向下运动，帮助楔形块2及支撑外筒4更好收回贴紧机身。电磁锁紧装置5断电，锚定机器人恢复至“行进模式”，消除锚定机器人楔形支撑机构在海底地层的支撑作用。
51.步骤二，托载锚定机器人的水下机器人设备对锚定机器人进行回收，在水下机器人设备托载装置拉力及锚定机器人浮力块浮力的共同作用下，实现对锚定机器人的回收。
52.需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
53.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依
据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。