本发明涉及海底集矿技术领域，尤其涉及一种多功能水下机器人装置及工作方法。
背景技术：
随着人类社会经济和工业的飞速发展，对矿产资源的需求也逐渐增加，为了解决陆地资源日益枯竭的问题，人们开始把视线投向了海洋。海洋面积占地球表面积的71％，除了海洋石油气资源和海滨矿砂之外，海底还蕴藏着储量巨大、极具商业开采价值的多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等金属矿产资源。这些矿物中富含镍、钴、铜、锰及金、银金属等，总储量分别高出陆上相应储量的几十倍到几千倍。除此之外，海底还有海参等珍贵水产品、琥珀等矿产资源。2013年我国又正式获得一块太平洋富钴结壳矿区。显然，深海矿产资源的开发必须依赖深海采矿装备进行。2015年5月19日公布的《中国制造2025》为“制造强国”战略指明了方向，把“海洋工程装备及高科技船舶”归为重点突破的十大战略领域之一，着重进行先进海洋工程装备的研发和国有化。
随着现代计算机技术的发展和自动化控制在制造业的普及，产品的智能化，多功能化也成为了必然的趋势。海洋工程作业具有作业环境复杂、作业精度要求高的特点，因此，实现作业装备的智能化、自动化与多动能化能够有效应对复杂的作业环境、提高作业生产率，从而降低人力成本，对海洋资源的的合理开发有着重要的意义。
现有的海底集矿设备存在以下缺点：
1)、不具备悬浮、漂浮能力，工作时需要额外配置母船进行投放与回收，成本较高，效率低下。
2)、只能进行贴底作业，由于只配有履带机构而没有浮力设备，在工作时只能依靠履带等设备在海底进行三自由度运动。遇到陡坡等海底地形时需要强大的功率才能行进，容易烧坏主机，降低系统的可靠性。遇到复杂多变的海底地形时不能自由地调整姿态，易触碰障碍物，对集矿设备造成一定的损坏。
3)、水下拍摄困难。由于现有的海底集矿设备结构笨重，若要对海底环境进行详细的、全方位多角度的拍摄，需要安装多个水下摄像头，对海底集矿设备结构布局有着很高的要求，也加大了设备设计时的难度，提高了人力物力的投入。
4)、由于没有配备机械手臂，因此无法清理障碍物，只能吸取平坦海底的矿石，当有石块或者其他杂物压在待吸取物上时必须选择放弃作业，强行作业易损伤集矿头。
技术实现要素：
本发明主要是解决现有技术中所存在的技术问题，从而提供一种无需配置母船进行投放和回收，能够在水下实现六自由度运动，有效地避开障碍物；实现水下大角度拍摄，探测海底地形，寻找合适的矿区；具备在矿区作业时清理石块等障碍物的能力，提高吸矿的效率和质量的多功能水下机器人装置及工作方法。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
本发明提供的多功能水下机器人装置，其包括底盘、集物箱、浮力机构和控制机构，所述底盘的底部设有行走机构，所述集物箱设置在所述底盘上，且所述集物箱的前部和尾部分别设有作业模块和推进机构，所述作业模块用于采集矿物并输送至所述集物箱中，所述浮力机构包括多个浮力调整气囊，多个所述浮力调整气囊沿所述集物箱的顶部横向对称分布，以及所述控制机构分别与所述行走机构、作业模块、推进机构和浮力调整气囊相连接。
进一步地，所述浮力调整气囊包括气囊本体和隔膜，所述隔膜设置在所述气囊本体的内部中间位置处，且将所述气囊本体的内腔分割成第一腔体和第二腔体，所述第一腔体和第二腔体上均设有双向气阀，所述双向气阀与所述控制机构相连接。
进一步地，所述气囊本体采用尼龙材料制作而成。
进一步地，所述作业模块包括海底适应性集矿器、吸水管和多个进矿口，多个所述进矿口设置在所述集物箱的前部，且与所述集物箱相连通，所述海底适应性集矿器经所述吸水管与所述进矿口相连接。
进一步地，所述进矿口上还设有伸缩调节机构，所述伸缩调节机构与所述吸水管相连接，且用于调节所述吸水管的伸缩长度。
进一步地，所述推进机构包括对称设置在所述集物箱尾部两侧的螺旋桨，两个所述螺旋桨还分别与两个所述驱动电机相连接，所述集物箱的内部还设有滤网。
进一步地，所述集物箱的前部还设有水平平台，所述水平平台上设有机械手臂，所述机械手臂具有六个自由度，且所述机械手臂的悬臂端连接有机械爪和/或照相机。
进一步地，所述集物箱上装有定位仪以及姿态传感器，所述姿态传感器包括三轴陀螺仪和三轴加速度计。
一种采用上述多功能水下机器人装置的工作方法，其包括以下步骤：
s1、将所有浮力调整气囊的双向气阀打开进气，使机器人装置的浮力略小于重力；
s2、调整机器人装置的下潜速度和姿态；
s3、启动螺旋桨，通过控制螺旋桨71的正转、反转或是差速转动，实现机器人装置的前进、后退以及转向，直到到达指定海底矿区；
s4、到达海底后，驱动电机关闭，螺旋桨停止转动，启动行走机构，利用履带轮装置使机器人在海床能够连续、稳定地前进；
s5、启动机械手臂，控制机械爪把覆盖在矿石上的石块等杂物夹起放于指定位置；
s6、矿区杂物清理完毕后，将吸水管与海底适应性集矿投放到指定位置，启动驱动电机，使螺旋桨高速旋转形成强大的抽吸力，将矿物吸入集物箱内；
s7、矿浆泵将矿物输送至中继仓，完成一个工作循环或关闭作业系统上潜。
进一步地，所述步骤s2具体包括：打开双向气阀进气，使得气囊本体的体积能够保持一个定值，确保机器人装置能够持续下潜，下潜的速度由定位仪来确定，以及根据姿态传感器反应的纵倾与横倾角度适当加大部分浮力调整气囊的进气量，让机器人装置重回正浮状态。
本发明的有益效果在于：
(1)、采用了浮力调整气囊构成了浮力机构，可以通过控制双向气阀的开启关闭改变浮力机构的进气量，从而获得不同的浮力，使得机器人能够在水中漂浮或是悬浮作业；与传统的海底集矿设备相比，本发明在工作前后无需配饰母船进行投放与回收，缩短了作业时间与任务周期，大大降低了人力物力成本。
(2)、浮力调整气囊的数量有多个，且沿集物箱的顶部横向对称分布，而且浮力调整气囊的内部中间设有隔膜，将浮力调整气囊平均分为第一腔体和第二腔体，通过横向或者纵向进气量的差异，浮力调整气囊在横向以及纵向获得大小不同的浮力，从而实现水下机器人的横摇与纵摇运动，从而使本发明能够实现水下六自由度的运动，能够更加灵活有效地避开障碍物，减小碰撞与磨损。
(3)、通过两个驱动电机分别控制两个螺旋桨的转速，在悬浮或是漂浮状态下，螺旋桨通过正转、反转或是差速转动实现前进以及转向功能，在水下工作时能够更加灵活地应对海底地形、环境载荷。
(4)、利用螺旋桨高速转动形成强大的抽吸力将矿物通过海底适应性集矿器吸出，且抽吸力可以通过调整螺旋桨转速来控制，该设计将动力装置与工作装置结合为一体，无需额外的工作泵吸取矿物，大大地减小了本发明的重量，也使得该海底集矿机器人较传统集矿设备能够存储运输更多的矿石。
(5)、安装了具有六个自由度的机械手臂，能够在水下在任意位置以任意姿态进行工作。机械手臂前段安装有机械爪/或照相机，其能根据实际作业需求实时更换，实现水下全方位、大角度拍摄，也可以清理障碍物，以便海底适应性集矿器高效的吸取矿石，在海底作业时碰到故障也能自行维修。
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。
图1是本发明的多功能水下机器人装置的结构示意图；
图2是本发明的多功能水下机器人装置的另一角度的结构示意图；
图3是本发明的多功能水下机器人装置的浮力机构的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本发明的基本构思在于：根据海底集矿作业的特点，通过将浮力机构、作业模块、海底适应性集矿器以及机械手臂等系统的多功能化集成以及协同作业，提高海底采矿的效率，并且提高应对复杂的海底地形、洋流载荷与作业工况的能力。
参阅图1-3所示，本发明的多功能水下机器人装置，其包括底盘1、集物箱2、浮力机构3和控制机构4，底盘1的底部设有行走机构5，集物箱2设置在底盘1上，且集物箱2的前部和尾部分别设有作业模块6和推进机构7，作业模块6用于采集矿物并输送至集物箱2中，浮力机构3包括多个浮力调整气囊，多个浮力调整气囊沿集物箱2的顶部横向对称分布，以及控制机构4分别与行走机构5、作业模块6、推进机构7和浮力调整气囊相连接。本发明中的行走机构5可以为履带轮装置，履带轮装置能够稳定运动，抵抗洋流等环境载荷的干扰，改变两个履带驱动电机的转速和旋转方向还可以实现机器人的前进，后退以及转向功能。
具体地，浮力调整气囊包括气囊本体31和隔膜32，隔膜32设置在气囊本体31的内部中间位置处，且将气囊本体31的内腔分割成第一腔体33和第二腔体34，第一腔体33和第二腔体34上均设有双向气阀35，双向气阀35与控制机构4相连接。本实施例中，气囊本体31采用尼龙材料制作而成，其具有变形性能好、抗拉强度高的特点，在工作时能够有较大的形变从而产生浮力，在深海高压的环境下产生形变也难以破裂。
本发明中，浮力调整气囊作用如下：1)、为海底集矿机器人提供悬浮、漂浮功能。2)、保障机器人姿态调整以及水下六自由度运动。具体地，工作时，通过控制机构4控制双向气阀35的开闭来控制气囊本体31中压缩空气的量，从而获得不同浮力，使得机器人获得悬浮能力；同时，改变左右气囊本体31的进气量，或改变同一气囊本体31中第一腔体33和第二腔体34中的进气量，也可实现水下姿态调整以及六自由度的运动。
具体地，作业模块6包括海底适应性集矿器(图中未示出)、吸水管61和多个进矿口62，多个进矿口62设置在集物箱2的前部，且与集物箱2相连通，海底适应性集矿器经吸水管61与进矿口62相连接。进矿口62上还设有伸缩调节机构，伸缩调节机构与吸水管61相连接，且用于调节吸水管61的伸缩长度。本发明中的伸缩调节机构能将适应性集矿器精确投送到指定位置，防止吸水管61的缠绕。本实施例中，伸缩调节机构可以为复位弹簧等现有技术中常规控制伸缩长度的机构。推进机构7包括对称设置在集物箱2尾部两侧的螺旋桨71，两个螺旋桨71还分别与两个驱动电机72相连接。
本发明的作业模块6和推进机构7的作用如下：1)、推进机构7为机器人的运动提供动力，以及为作业模块6的矿石采集与吸取提供抽吸力。2)、作业模块6用于储存来自海底适应性集矿器采集的矿石。3)、吸水管61可根据实际作业需求进行拆卸，直接将所需矿石吸入集物箱2或是将螺旋桨71反转排出污水。
优选地，集物箱2的内部还设有滤网21。滤网21可以防止矿石进入集物箱2尾部损坏螺旋桨71；通过改变滤网2材料的种类和目数，能够实现不同种类的矿石或是其他海底资源的采集。
具体地，集物箱2的前部还设有水平平台22，水平平台22上设有机械手臂23，机械手臂23具有六个自由度，且机械手臂23的悬臂端连接有机械爪和/或照相机。
本发明中，机械手臂23的作用如下：1)、夹持照相机，进行全方位、大角度水下摄影。2)、通过机械爪清理障碍物。
优选地，集物箱2上装有定位仪24以及姿态传感器25，定位仪24可以实时向控制机构4反应机器人所处的位置以及运动速度；姿态传感器25内置三轴陀螺仪和三轴加速度计，可以及时反映机器人的运动姿态，加速度以及角加速度。
本发明的采用上述多功能水下机器人装置的工作方法，其包括以下步骤：
s1、将所有浮力调整气囊的双向气阀35打开进气，使机器人装置的浮力略小于重力；机器人能够以较小的速度下潜。
s2、调整机器人装置的下潜速度和姿态；
s3、启动螺旋桨，通过控制螺旋桨71的正转、反转或是差速转动，实现机器人装置的前进、后退以及转向，直到到达指定海底矿区；
s4、到达海底后，驱动电机关闭，螺旋桨停止转动，启动行走机构，利用履带轮装置使机器人在海床能够连续、稳定地前进；
s5、启动机械手臂23，控制机械爪把覆盖在矿石上的石块等杂物夹起放于指定位置；
s6、矿区杂物清理完毕后，将吸水管61与海底适应性集矿投放到指定位置，启动驱动电机72，使螺旋桨71高速旋转形成强大的抽吸力，将矿物吸入集物箱2内；对于颗粒较大，用海底适应性集矿器难以吸取的矿物，工作前可将吸水管61拆卸，工作时直接用机械手夹持待采集物，放于进矿口62附近，再松开机械爪，使得矿物被吸入集物箱2。
s7、矿浆泵将矿物输送至中继仓，完成一个工作循环或关闭作业系统上潜。
进一步地，下潜过程中，由于海水的压力不断增大，需要适当打开双向气阀35进气，使得气囊本体31的体积能够保持一个定值，确保机器人装置能够持续下潜，下潜的速度由定位仪24来确定，以及根据姿态传感器25反应的纵倾与横倾角度适当加大部分浮力调整气囊的进气量，让机器人装置重回正浮状态。
综上所述，本发明的优点在于：
(1)、采用了浮力调整气囊构成了浮力机构，可以通过控制双向气阀的开启关闭改变浮力机构的进气量，从而获得不同的浮力，使得机器人能够在水中漂浮或是悬浮作业；与传统的海底集矿设备相比，本发明在工作前后无需配饰母船进行投放与回收，缩短了作业时间与任务周期，大大降低了人力物力成本。
(2)、浮力调整气囊的数量有多个，且沿集物箱的顶部横向对称分布，而且浮力调整气囊的内部中间设有隔膜，将浮力调整气囊平均分为第一腔体和第二腔体，通过横向或者纵向进气量的差异，浮力调整气囊在横向以及纵向获得大小不同的浮力，从而实现水下机器人的横摇与纵摇运动，从而使本发明能够实现水下六自由度的运动，能够更加灵活有效地避开障碍物，减小碰撞与磨损。
(3)、通过两个驱动电机分别控制两个螺旋桨的转速，在悬浮或是漂浮状态下，螺旋桨通过正转、反转或是差速转动实现前进以及转向功能，在水下工作时能够更加灵活地应对海底地形、环境载荷。
(4)、利用螺旋桨高速转动形成强大的抽吸力将矿物通过海底适应性集矿器吸出，且抽吸力可以通过调整螺旋桨转速来控制，该设计将动力装置与工作装置结合为一体，无需额外的工作泵吸取矿物，大大地减小了本发明的重量，也使得该海底集矿机器人较传统集矿设备能够存储运输更多的矿石。
(5)、安装了具有六个自由度的机械手臂，能够在水下在任意位置以任意姿态进行工作。机械手臂前段安装有机械爪/或照相机，其能根据实际作业需求实时更换，实现水下全方位、大角度拍摄，也可以清理障碍物，以便海底适应性集矿器高效的吸取矿石，在海底作业时碰到故障也能自行维修。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。