一种海底深部地层自主钻进机器人的制作方法

本发明涉及的是机器人领域，具体涉及一种海底深部地层自主钻进机器人。

背景技术：

随着陆地上不可再生资源的逐渐枯竭，勘探和开发海底储量丰富的天然气水合物及锰结核、深海油气、热液矿床等资源成为焦点。目前我国海底资源勘查进入详查和试采阶段，亟需借助自主钻进设备在海底深部地层进行直接作业，例如在各海域海底开展广泛的地质调查和资源勘探；在可燃冰试采区的海底深部地层埋入不回收的传感器搭载装置长期开展海底环境变化监测；在近海海岸或大陆架范围开展海底地震等自然灾害的监测和预警等。

目前针对海底深部地层可以自主钻进进行勘探或监测的设备与技术手段还未形成。现有用于海底钻探的设备多为大型钻井船或船载海底钻机，针对特定的海底矿区开展多站位取样或大规模开采，其作业周期长、设备体积大、钻具破坏力强，无法满足海底深部地层的即时勘探与监测任务。另有用于近海或内河沉船打捞的攻泥机器人，由控制单元、电机或液压驱动和攻泥装置组成，根据设定信号在水下指定位置按照指定路线进行攻泥作业。但是攻泥机器人作业环境局限于近海或内河，驱动装置以电机为主，电机在水下需要加装密封壳体，如果在深海壳体厚度较大会大幅度增加机器人的体积及重量。且现有攻泥机器人多使用液压冲击头，对地层破坏较大，同时不具备自主钻进能力。

因此，研制一种可用于海底深部地层的自主钻进机器人，将填补我国海底地质勘探、地形及环境监测等领域设备的空白，可广泛应用于我国海域天然气水合物等试采目标区的地质研究及环境监测。该设备具有良好的可移动性和扩展性，可在海洋工程、深海生态、深海地质科学研究等领域中广泛的推广应用。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是，填补现有海底深部地层自主钻进设备领域的空白，提供一种海底深部地层自主钻进机器人。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种海底深部地层自主钻进机器人，整体为多节式结构，由上至下依次包括头部钻进机构、前支撑体节、推进体节、后支撑体节及尾部控制舱；

头部钻进机构包括钻头，钻头尾端通过输出轴连接液压马达，液压马达安装于动力舱内；

前支撑体节与后支撑体节均包括支撑外筒，支撑外筒上沿轴向对称等间距开有多个直槽口；直槽口对应的支撑外筒内设有液压缸，空心液压缸通过连接法兰定位、固定；每个直槽口外沿竖向设有两块支撑挡板，两块支撑挡板一端相连，形成合页转动机构；下端的支撑挡板底端通过矩形固定片定位、固定在支撑外筒外壁尾部，上端的支撑挡板顶端通过矩形固定片定位、固定在空心液压缸活塞杆前端；

前支撑体节的支撑外筒通过连接法兰与动力舱相连；

推进体节包括推进外筒，推进外筒通过法兰与后支撑体节的支撑外筒连接固定，推进外筒内设有液压缸；液压缸活塞杆前端与推进外筒及前支撑体节支撑外筒同时连接固定；

后支撑体节内还设有内支撑筒，内支撑筒通过连接法兰设于后支撑体节的支撑外筒内，内支撑筒前端通过连接法兰与推进液压缸尾部连接固定；

尾部控制舱与后支撑体节的支撑外筒相连，控制系统固设于尾部控制舱内部。

作为一种改进，钻头主体为圆锥结构，外部设有等螺距螺旋导屑槽，钻头前端带有一定切削角。

作为一种改进，钻头与动力舱间设有密封圈。

作为一种改进，前支撑体节、后支撑体节与推进体节内的液压缸均为空心液压缸。

作为一种改进，前支撑体节与后支撑体节的支撑外筒上开有四道直线槽口。

作为一种改进，推进外筒、推进液压缸活塞杆及前支撑体节支撑外筒通过螺栓连接，实现推进体节到头部的轴向传动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)机器人设计为多节式结构，各体节功能独立，有效避免了装配及作业时的干涉问题；

(2)钻头使用新型的拱土螺旋钻头，钻头主体为圆锥结构，外布等螺距螺旋导屑槽，钻头前端带有一定切削角，在钻进的同时向后导屑并向周围土壤压实，有效降低钻屑堆积引起的钻进阻力；

(3)支撑及推进体节均使用空心液压缸，在满足功能的同时极大的增加了可使用的空间；

(4)前后支撑体节对称布置的四组类合页式挡板机构，在液压缸活塞杆的带动下同步轴向滑动、径向拱起，拱起的挡板可稳定机身，在土壤中抵消钻进阻力，同时在各体节前进时提供足够的支撑力与摩擦力；

(5)支撑体节的外筒对称开有直槽口，使支撑挡板机构可对称布设于机器人外表，同时对内部的空心液压缸起到保护作用；

(6)液压马达取代电机驱动，有效避免了电机密封问题，再加上液压马达可以转速范围较广、功率较大，可以不使用减速器而直接驱动主传动轴转动。

附图说明

图1是本发明的轴剖图；

图2是钻进机器人整体效果图；

图3是机器人支撑挡板滑动端连接的局部示意图。

图中：1-钻头；2-动力舱法兰；3-密封圈；4-动力舱；5-前支撑节前端法兰；6、12-固定片；7、18-支撑外筒；8、19-支撑挡板；9、20-直槽口；10、15、21-液压缸；11-前支撑节后端法兰；13-推进体节前端法兰；14-推进外筒；16-推进体节后端法兰；17-后支撑节前端法兰；22-后支撑节后端法兰；23-支撑内筒；24-控制舱；25-复合缆。

具体实施方式

以下的实施例可以使本专业技术领域的技术人员更全面的了解本发明，但不以任何方式限制本发明。

如图1，本发明整体为多节式结构，由上至下依次包括头部钻进机构、前支撑体节、推进体节、后支撑体节及尾部控制舱。

头部钻进机构包括螺旋钻头1，钻头1尾端通过输出轴连接液压马达，液压马达安装于动力舱4内，钻头1主体为圆锥结构，外部设有等螺距螺旋导屑槽。钻头1与动力舱4之间有密封圈3，动力舱4前端有动力舱法兰2。

前支撑体节与后支撑体节均包括支撑外筒7(18)，支撑外筒7(18)上沿轴向对称等间距开有4个直槽口9(20)；直槽口9(20)对应的支撑外筒7(18)内设有空心液压缸10(21)，空心液压缸10(21)通过连接法兰5(17)定位、固定；支撑挡板8(19)有8块，每两块为一组，设于同一个直槽口9(20)外。每组内的两块支撑挡板8(19)一端相连，形成合页转动机构；下端的支撑挡板8(19)底端通过矩形固定片12定位、固定在支撑外筒7(18)外壁尾部，上端的支撑挡板7(18)顶端通过矩形固定片6定位、固定在空心液压缸10(21)活塞杆前端；支撑挡板8(19)滑动端随后支撑液压缸10(21)活塞杆在直槽口9(20)内同步运动，实现轴向滑动、径向拱起；

前支撑体节的支撑外筒7通过连接法兰5与动力舱4相连；

推进体节包括推进外筒14，推进外筒14通过法兰16与后支撑体节的支撑外筒18连接固定，推进外筒14内设有液压缸15；液压缸15活塞杆前端与推进外筒14及前支撑体节支撑外筒18同时连接固定；

后支撑体节内还设有内支撑筒23，内支撑筒23通过连接法兰17设于后支撑体节的支撑外筒18内，内支撑筒23前端通过连接法兰16与推进液压缸15尾部连接固定；

尾部控制舱24与后支撑体节的支撑外筒18相连，控制系统固设于尾部控制舱内部，,用于控制头部钻头的转速以及前后支撑体节和推进体节之间的周期配合运动，实现机器人的灵活钻进。整个机器人的供能通过复合缆25实现。

下面结合附图介绍本实施例的工作步骤：

(1)利用释放器将钻进机器人整体于海底地层内释放；

(2)液压缸21轴向收缩，支撑挡板19径向拱起，插入周围土壤；

(3)头部螺旋钻头1开始钻进，推进液压缸15径向伸出，推动前支撑节与头部钻进机构向下钻进，直至推进液压缸15的最大行程；

(4)到推进液压缸15最大行程时，液压缸10活塞杆轴向收缩，支撑挡板8径向拱起，插入周围土壤稳定机身；

(5)支撑挡板8拱起后，液压缸21活塞杆轴向伸出，支撑挡板19轴向滑动、径向回复至机身表面；

(6)推进液压缸15活塞杆轴向收缩至初始状态，带动后支撑节向下运动，完成一个周期的钻进；

(7)重复上面的过程，开始下一周期钻进运动。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。