一种深海可视采样器的分离式执行机构制造技术

本发明专利技术提出的一种深海可视采样器的分离式执行机构，属于深海热液区调查探测和采样设备技术领域，包括外围非承力框架，以及位于该框架内的承力结构、抓斗和抓斗液压缸；抓斗顶部通过所述承力结构与所述外围非承力框架的上部固定，该抓斗的两个斗状颚板分别由一个所述抓斗液压缸驱动，该抓斗液压缸的活塞杆顶端与所述承力结构的底端中部转动连接；承力结构的顶部通过沿垂直于所述抓斗液压缸轴向布设的两个分离式吊点连接机构与该执行机构的控制系统进行可分离连接，该承力结构内部安装有摄像机和照明灯。本发明专利技术使得深海可视采样器在执行作业任务时能够根据目标对象灵活地改变作业工具，拓展功能，作业效率高。

A separate actuator for deep sea visual sampler

The invention provides a separate actuator of a deep-sea visible sampler, which belongs to the technical field of deep-sea hydrothermal investigation, detection and sampling equipment, including a peripheral non-load-bearing frame, a load-bearing structure, a grab and a grab hydraulic cylinder located within the frame, and a grab top passing through the load-bearing structure and the peripheral non-load-bearing frame. The upper part of the frame is fixed, and the two bucket jaw plates of the grab are driven by the grab hydraulic cylinder respectively, and the top of the piston rod of the grab hydraulic cylinder is rotated and connected with the middle part of the bottom end of the load-bearing structure; the top of the load-bearing structure is connected with the grab hydraulic cylinder by two separate lifting point connecting mechanisms arranged along the axial direction of the grab hydraulic cylinder. The control system of the actuator is separately connected, and the force bearing structure is equipped with a camera and a lighting lamp. The invention enables the deep-sea visual sampler to flexibly change the operation tool according to the target object in performing the operation task, expand the function and have high operation efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种深海可视采样器的分离式执行机构
本专利技术属于深海热液区调查探测和采样设备
，特别涉及一种深海可视采样器(DCVS)的分离式执行机构。
技术介绍
近年来，深海热液区勘查是国际上大洋调查的一个热点领域，且高度依赖勘查装备的性能。目前深海热液区调查采用的主要探测与采样装备包括：潜水器、深海拖曳系统(简称为“深拖系统”)、电视抓斗等。其中，潜水器是一种可在水下移动、具有视觉和感知系统、通过遥控或自主操作方式使用机械手等工具代替或辅助人去完成某些水下作业的装置。潜水器的种类很多，其中载人潜水器、无人遥控潜水器(RemotelyOperatedVehicle,ROV)、自治式无人潜水器(AutonomousUnderwaterVehicle,AUV)是三类最重要的潜水器。深海拖曳系统在海洋学研究、海底资源开发、海洋打捞救助以及水下目标探测等方面具有广泛的应用。深海拖曳系统安装在拖船上，由拖体、拖缆和收放拖曳装置组成。有些深海拖曳系统采用一级拖曳装置，并在缆绳上使用导流装置以减少缆绳受海流的影响；有些深海拖曳系统则采用二级拖曳装置，使用“拖船-重缆-一级拖体-轻缆-二级拖体”的组合方式来进一步提升深拖系统的稳定性与安全性；拖缆将动力送至拖体内部的水下设备，并将需要的信息通过拖缆传回到水面拖船上。在常规的深海作业中ROV和AUV这两种潜水器的使用较为普遍，而ROV和AUV在深海热液区勘查作业任务中均存在各自的优势和局限性。ROV通过与水面相连的电缆向ROV提供能源，作业时间不受能源的限制，操作者在船上通过人机交互方式控制和操作ROV实现复杂环境的水下作业，ROV主体及脐带缆均采用了浮体材料，使得其在水中处于悬浮状态，进而能在水中自由移动。然而ROV也存在着一定的局限性：ROV操作复杂，需要由经过专门培训的人员进行操作、维护，通常一个完整的ROV操作维护团队至少需要4～8人；ROV的下潜和回收均需要专门的设备配合，时间周期长，效率低；ROV的设计采用了浮体材料以达到在海底自由行动的目的，ROV不能随意更换或加载其他模块，否则会出现浮力与重力不匹配的情况，ROV不具备大重量运载能力，对采集样本的体积、重量有一定限制；ROV的工作环境极为复杂多变，容易被深海一些探测不到的障碍物所阻挡、碰撞甚至卡住，进而发生损坏、遗失，造成重大损失。AUV虽然不受脐带缆的限制，机动灵活，但是持续工作时间受携带电池的限制，作业能力相对薄弱。热液拖曳系统是目前大洋调查中应用最为广泛的设备，与ROV等设备相比，具有价格低廉、操作简便的优点，但功能单一且不具备小范围精细化智能搜索能力。电视抓斗的突出特点是既可直接进行海底观察和记录，同时又可在船载控制中心遥控下针对目标准确地进行取样，且单次取样容量大(有时可达1吨以上)。电视抓斗是一套海底摄像连续观察与抓斗取样器相结合的可视地质取样器，抓斗上装有海底电视摄像头、光源及电源装置，通过铠装电缆与船上的操控板及显示器相连接；工作时，用绞车将抓斗下放到离海底5～10米的高度，以1～2节慢速航行并通过船上的显示器寻找采样目标，一旦找到目标立即下放抓斗，并通过操控板控制抓斗，完成一次取样。电视抓斗在深海及大洋洋中脊资源调查，特别是在深海底块状硫化物、多金属结核、锰结壳调查等勘测中发挥了重要的作用。目前国际上最著名且使用较为广泛的是德国Preussag公司生产的电视抓斗。不少世界先进的考察船(如德国的POLARSTERN和SONNE科考船以及日本的科考船)都装备了此抓斗。抓斗重量约2.5吨，采用甲板供电与水下供电结合以及液压驱动方式，咬合力可达1吨以上。我国的第一代电视抓斗由中国海洋大学等单位研制，于2003年6月通过海试验收。现装备在“大洋一号”调查船上的电视抓斗由北京先驱高技术开发公司研制，经过三代发展，已经成为目前大洋调查的主要调查设备之一，由液压动力驱动系统、通讯控制系统、甲板控制系统、主框架、斗体、摄像机、照明灯、高度计等组成。其外型尺寸2.0×1.5×1.8米，重量2.4吨，可在水深6000米的海底进行热液硫化物、岩石及各类地质样品的取样，最大可抓取1吨以上的样品。传统的电视抓斗不具有底部支架支撑作用，采样过程中易倾倒；无法根据不同的作业需求更换作业工具，执行效率低；遇到意外情况时需抛弃整个采样器。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种深海可视采样器的分离式执行机构，本专利技术可保证深海可视采样器的通用性和功能可拓展性。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提出的一种深海可视采样器的分离式执行机构，包括外围非承力框架，以及位于该框架内的承力结构、抓斗和抓斗液压缸；其中，所述抓斗顶部通过所述承力结构与所述外围非承力框架的上部固定，该抓斗的两个斗状颚板分别由一个所述抓斗液压缸驱动，该抓斗液压缸的底盖与相应的一个斗状颚板转动连接，该抓斗液压缸的活塞杆顶端与所述承力结构的底端中部转动连接；所述承力结构的顶部通过沿垂直于所述抓斗液压缸轴向布设的两个分离式吊点连接机构与该执行机构的控制系统进行可分离连接，所述承力结构内部安装有摄像机和照明灯；各所述分离式吊点连接机构均包括液压缸和吊点结构，所述液压缸的缸体与所述控制系统固连，所述液压缸的活塞杆端部与所述吊点结构可插拔连接，该吊点结构的上部和下部分别与所述控制系统和承力结构固连；所述吊点结构的定位满足：执行机构重心与其上端控制系统的重心位于同一直线上。优选地，所述分离式吊点连接机构中，液压缸的活塞杆端部设有吊耳，该吊耳通过T型销轴与开口销相连，该开口销通过圆柱销与所述吊点结构连接；所述吊点结构由用于连接所述控制系统的上端吊板和位于该吊板中部空腔内用于连接所述承力结构的下端吊耳组成，所述圆柱销水平穿过上端吊板和下端吊耳，且所述圆柱销与上端吊板之间设有防滑隔套。优选地，所述外围非承力框架采用上下两层结构，整体呈方形，且上层结构与下层结构可拆卸连接；其中，所述上层结构用于确保抓斗在深海作业时不发生倾斜，当抓斗进行深海作业时所述上层结构与下层结构分离；所述下层结构的底面低于所述抓斗处于闭合状态时的最低点，用于确保本执行机构抓斗在工作船上的平稳放置。优选地，所述抓斗的结构以及抓斗液压缸的最小安装距离按照以下步骤确定：1)设定抓斗结构的优化目标为抓斗液压驱动力传输效率最优，即抓斗液压缸提供的驱动力方向与竖直面夹角90-α尽可能小；2)施加约束条件为：a)设定抓斗的各项技术指标，包括下挖深度、抓挖面积、咬合力，b)外围非承力框架最大长度，c)外围非承力框架最大高度，d)预留出抓斗液压缸不包括抓斗液压缸行程的固定部分尺寸，e)设定抓斗斗状颚板的初始尺寸，包括抓斗咬合面半径R和抓斗非咬合面半径L；3)按照如下公式确定抓斗液压缸驱动效率-抓斗开合角度曲线：F咬Lsinα+G0r0＝FcxRcosγ-FcyRsinγ＝F咬RF咬＝Fcxcosγ-Fcysinγ其中，R为设定的抓斗咬合面半径，L为设定的抓斗非咬合面半径，γ为抓斗的咬合面偏离竖直方向角度即抓斗开合角度，r0为抓斗重力臂，α为抓斗液压缸提供的驱动力与非咬合面夹角，F驱为抓斗液压缸提供的驱动力，F咬为抓斗咬合力即咬合时物料对抓斗产生的反作用力，Fcx、Fcy分别为F咬在水平和竖本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种深海可视采样器的分离式执行机构，其特征在于，包括外围非承力框架，以及位于该框架内的承力结构、抓斗和抓斗液压缸；其中，所述抓斗顶部通过所述承力结构与所述外围非承力框架的上部固定，该抓斗的两个斗状颚板分别由一个所述抓斗液压缸驱动，该抓斗液压缸的底盖与相应的一个斗状颚板转动连接，该抓斗液压缸的活塞杆顶端与所述承力结构的底端中部转动连接；所述承力结构的顶部通过沿垂直于所述抓斗液压缸轴向布设的两个分离式吊点连接机构与该执行机构的控制系统进行可分离连接，所述承力结构内部安装有摄像机和照明灯；各所述分离式吊点连接机构均包括液压缸和吊点结构，所述液压缸的缸体与所述控制系统固连，所述液压缸的活塞杆端部与所述吊点结构可插拔连接，该吊点结构的上部和下部分别与所述控制系统和承力结构固连；所述吊点结构的定位满足：执行机构重心与其上端控制系统的重心位于同一直线上。

【技术特征摘要】
1.一种深海可视采样器的分离式执行机构，其特征在于，包括外围非承力框架，以及位于该框架内的承力结构、抓斗和抓斗液压缸；其中，所述抓斗顶部通过所述承力结构与所述外围非承力框架的上部固定，该抓斗的两个斗状颚板分别由一个所述抓斗液压缸驱动，该抓斗液压缸的底盖与相应的一个斗状颚板转动连接，该抓斗液压缸的活塞杆顶端与所述承力结构的底端中部转动连接；所述承力结构的顶部通过沿垂直于所述抓斗液压缸轴向布设的两个分离式吊点连接机构与该执行机构的控制系统进行可分离连接，所述承力结构内部安装有摄像机和照明灯；各所述分离式吊点连接机构均包括液压缸和吊点结构，所述液压缸的缸体与所述控制系统固连，所述液压缸的活塞杆端部与所述吊点结构可插拔连接，该吊点结构的上部和下部分别与所述控制系统和承力结构固连；所述吊点结构的定位满足：执行机构重心与其上端控制系统的重心位于同一直线上。2.如权利要求1所述的深海可视采样器的分离式执行机构，其特征在于，所述分离式吊点连接机构中，液压缸的活塞杆端部设有吊耳，该吊耳通过T型销轴与开口销相连，该开口销通过圆柱销与所述吊点结构连接；所述吊点结构由用于连接所述控制系统的上端吊板和位于该吊板中部空腔内用于连接所述承力结构的下端吊耳组成，所述圆柱销水平穿过上端吊板和下端吊耳，且所述圆柱销与上端吊板之间设有防滑隔套。3.如权利要求1所述的深海可视采样器的分离式执行机构，其特征在于，所述外围非承力框架采用上下两层结构，整体呈方形，且上层结构与下层结构可拆卸连接；其中，所述上层结构用于确保抓斗在深海作业时不发生倾斜，当抓斗进行深海作业时所述上层结构与下层结构分离；所述下层结构的底面低于所述抓斗处于闭合状态时的最低点，用于确保本执行机构抓斗在工作船上的平稳放置。4.如权利要求2所述的深海可视采样器的分离式执行机构，其特征在于，所述承力结构包括顶部箱型梁，该箱型梁由前后侧板、左右侧板和上下侧板固定连接构成，所述前后侧板与外围非承力框架的上层结构顶部固定连接，所述前后侧板凸出于上侧板的部分与所述分离式吊点结构的...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋士吉，葛彤，胡航恺，张琼芳，倪凯，王晓浩，顾临怡，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11