结合仿生增力履带和稀软底质低扰动滑板的行走装置及方法

1.本发明涉及一种深海履带式集矿机，尤其涉及一种结合仿生增力履带和稀软底质低扰动滑板的行走装置，属于深海集矿技术领域。


背景技术：

2.作为深海采矿系统的重要组成部分，集矿机直接与稀软底质土作用，是决定集矿过程稳定性和沉积物扰动的关键因素。由于深海沉积物具有较低的剪切强度和明显的流变性，很容易使履带打滑，从而导致履带的牵引力降低，危及集矿机的工作效率。且不同地区的深海沉积物物理力学性能差异巨大，研究一款能够稳定行走在不同稀软底质土上的集矿机是亟需解决的深海集矿工程需求。
3.中国专利文献cn217151936u(公开日2022-08-09)公开了一种多金属结核的水力机械复合的集矿机，包括移动底盘、碎矿机构、集矿装置、转动机构、机械臂及集矿舱等部件。该装置虽然结构紧凑，但机械式的集矿头对环境扰动极大。
4.中国专利文献cn114620209b(公开日2022-12-23)公开了一种能够适应多地形工作和改善行走条件的集矿装置及方法，由履带式集矿机、外履带板、多个伸缩装置和驱动装置组成。该装置虽然能够利用水流清理履带夹缝中粘附的沉积物，但附加的液压、伸缩装置给集矿机带来了更大的自重，最终结果可能会入不敷出，导致行走缓慢甚至停止的现象。
5.中国专利文献cn112127893a(公开日2020-12-25)公开了一种深海自航悬浮式采集矿机，主要由浮体、采集装置和导航与控制系统组成。该装置采用了悬浮式箱体结构，虽减少了集矿过程中对土体的扰动，但随着矿粒不断被采集进入浮体，浮力无法平衡负重，导致采集能力不足。


技术实现要素：

6.本发明旨在提供一种结合仿生增力履带和稀软底质低扰动滑板的行走装置，解决现有技术方案中存在的自重大、行走不稳定、地形适应能力弱、经济效率差、环境扰动大等工程实际问题，提出了能够适应复杂地形行走、减小扰动、高效行走的集矿装置。
7.本发明采取以下技术方案：
8.一种结合仿生增力履带和稀软底质低扰动滑板的行走装置，包括：一滑板装置2；设于其两侧的两组履带装置1；所述履带装置1为包括一由杆件构成的轻型机架7，两组链轮装置固定在所述轻型机架7的两侧；所述链轮装置包括前后各一个双头链轮，所述前后各一个双头链轮上固定两条平行的链条5，所述两条平行的链条5之间间隔固定多个仿生履齿4；使得：整个所述履带装置1内部为中空的轻型结构；所述滑板装置2包括泥橇板9、无极升降装置3；所述无极升降装置3的本体与两侧的所述轻型机架7固定为一体，其顶杆向下连接所述泥橇板9，可通过将泥橇板9向下顶，使得所述履带装置1向上抬起。
9.优选的，所述滑板装置2还包括上底板15、下底板11、滑动丝杆10，所述下底板11下端与泥橇板9固定连接，上端通过所述滑动丝杆10与所述上底板15固定连接，所述上底板15
与其两侧的轻型机架7固定连接。
10.优选的，所述前后各一个双头链轮其中之一为驱动轮8。
11.优选的，所述轻型机架7的下部还固定设有一组平行的支重轮6。
12.优选的，所述无极升降装置3包括防水电机ⅰ12；所述无极升降装置3由防水电机i12供电，带动八根滑动丝杆10伸缩，进而控制上底板11与下底板15的距离，实现泥橇板9的升降功能。
13.优选的，滑板装置2的前端应与机架7底部的前端持平。
14.优选的，仿生履齿4与链条之间为可拆卸式结构。
15.优选的，仿生履齿4由根部直板部分及端部圆弧部分组成，其中圆弧部分向后弯曲。
16.一种结合仿生增力履带和稀软底质低扰动滑板的行走方法，采用上述的结合仿生增力履带和稀软底质低扰动滑板的行走装置；
17.当集矿机行驶在下坡或平底工况时，泥橇板9通过无极升降装置3下放，下降高度满足使履带装置1离地；此时全部动力由集矿机自身重力及推进器提供；
18.当集矿机行驶在上坡或易打滑路段时，泥橇板9通过无极升降装置3上升，上升高度满足使泥橇板9与地面贴合接触，此时全部动力由仿生履齿4推土和推进器提供；
19.当集矿机已经处于打滑甚至沉陷的工况时，泥橇板9通过无极升降装置3下压，抬高履带装置1的高度，通过履齿推土和推进器的作用，实现脱困自救的效果。
20.本发明的有益效果在于：
21.1)【保持集矿机行走稳定性及低扰动性】：一方面，基于仿生学原理，设计了一种仿生增力履齿，理论、实验和仿真结果显示该结构能给履带提供更大的牵引力，防止集矿机打滑沉陷；另一方面，轻量化的镂空履带设计，能够在减轻履带车自重的同时，有效防止沉积物粘附在履带上，进一步改善牵引力不足的现象，并能有效减少对沉积物的扰动。
22.2)【提高集矿机全地形适应性】：充分考虑了不同区域、不同地形的底部边界对集矿机的影响，提出了一种滑板-履带自由切换的行走模式，在平地或下坡时采用低阻力滑板与推进器动力组合，在上坡或易沉陷地区采用仿生增力履齿推土产生的牵引力前进，当集矿机已经处于沉陷状态时，可利用滑板的升降功能，将集矿机整体抬高，实现脱困自救的功能。本发明能够帮助集矿机适应集矿工作时海底的复杂地形环境。
附图说明
23.图1是本发明结合仿生增力履带和稀软底质低扰动滑板的行走装置的立体图。
24.图2是图1中的履带装置的示意图。
25.图3是图1中的滑板装置和无极升降装置的示意图。
26.图中，1.履带装置，2.滑板装置，3.无极升降装置，4.仿生履齿，5.链条，6.支重轮，7.轻型机架，8.驱动轮，9.泥橇板，10.滑动丝杆，11.下底板，12.防水电机ⅰ，13.防水电机ⅱ，14.涡轮蜗杆减速机，15.上底板。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
28.参见图1-图3，本发明基于仿生设计，提取水牛蹄表面的几何形貌，对履带进行了优化设计，理论和仿真结果表明，仿生履带相比直板履带具有更高的牵引力，能够有效提高集矿机的牵引力，防止其打滑、沉陷。
29.本发明基于上述仿生设计履带，利用滑板与泥的低摩擦力特性，加装了一种升降装置，可以根据地形随意切换行走模式。下坡时，滑行板下降，将履带抬离地面，利用滑板滑行前进；上坡或在平地时，结合轻量化仿生履带及推进器提供的更大的牵引力，稳步前进，提供了深海集矿中适应复杂地形行走的解决方案。
30.本发明基于轻量化的思想，设计了一款空心履带板，通过挖空履带之间的大量金属结构，不但减轻了负重，减小了对沉积物的扰动，同时也大大降低了履带缝隙容易粘附沉积物的风险。
31.一、整体介绍：
32.如图1-3所示，一种结合仿生增力履带和稀软底质低扰动滑板的行走方法，主要由履带装置1、滑板装置2和无极升降装置3三部分组成。
33.其中履带装置1由仿生履齿4、链条5、支重轮6、机架7和驱动轮8等组成。
34.滑板装置2由泥橇板9、滑动丝杆10、下底板11、上底板15等组成。
35.无极升降装置3由防水电机i12、防水电机ⅱ13、涡轮蜗杆减速机14等组成。
36.二、履带部分介绍：
37.履带装置1由防水电机ⅱ13供电，涡轮蜗杆减速机14转动驱动轮8实现链条5的周期性运动，进而带动固定在链条5上以一定间隔排列的仿生履齿4前行，实现集矿机整体的行走效果。
38.同一侧履带装置1的两根链条5之间采用镂空设计，大大降低集矿机自重。
39.仿生履齿4与链条之间采用可拆卸式设计，方便集矿作业完成后的损耗更换。
40.仿生履齿4由直线为长度为l的直板部分以及半径为r的圆弧部分组成，圆弧的方向向后弯曲。根据理论、实验和仿真结果显示，这样的结构能给集矿机带来更大的牵引力。
41.支重轮6和驱动轮8采用高强度低重量机架7连接，保持整体强度、刚度和稳定性。
42.三、升降装置部分介绍:
43.无极升降装置3由防水电机i12供电，带动八根滑动丝杆10伸缩，进而控制上底板11与下底板15的距离，实现泥橇板9的升降功能。
44.为防止当泥橇板9滑行与履带行走时，不同的接地重心导致偏心距不同，滑板装置2的前端应与机架7底部的前端持平。
45.当集矿机行驶在下坡或平底工况时，泥橇板9通过无极升降装置3下放，下降高度应满足使履带装置1离地，全部动力由集矿机自身重力及推进器提供。
46.当集矿机行驶在上坡或易打滑路段时，泥橇板9通过无极升降装置3上升，上升高度应满足使泥橇板9与地面贴合接触，尽可能增加集矿机的接地面积，减少打滑沉陷，此时全部动力由仿生履齿4推土和推进器提供。
47.当集矿机已经处于打滑甚至沉陷的工况时，泥橇板9通过无极升降装置3下压，抬高机身的高度，通过履齿推土和推进器的作用，实现脱困自救的效果。
48.总上可见，本发明具有以下两大创新的设计要点：
49.1)保持集矿机行走稳定性及低扰动性：
50.集矿机在以往的海试作业过程中出现了打滑甚至沉陷等现象，严重影响了采矿效率，土体对集矿机的粘滞力甚至导致集矿机回收困难的现象。为解决这一难题，一方面，本发明基于仿生学原理，设计了一种仿生增力履齿，理论、实验和仿真结果显示该结构能给履带提供更大的牵引力，防止集矿机打滑沉陷。另一方面，轻量化的镂空履带设计，能够在减轻履带车自重的同时，有效防止沉积物粘附在履带上，进一步改善牵引力不足的现象，并能有效减少对沉积物的扰动。
51.2)提高集矿机全地形适应性：
52.据以往研究表明，不同区域深海沉积物的物理参数和力学性能差距显著，且矿区海底存在一定的坡度，这些因素导致了集矿机研发的难度陡增。为解决这一问题，本发明充分考虑了不同区域、不同地形的底部边界对集矿机的影响，提出了一种滑板-履带切换的行走模式，在平地或下坡时采用低阻力滑板与推进器动力组合，在上坡或易沉陷地区采用仿生增力履齿推土产生的牵引力前进，当集矿机已经处于沉陷状态时，可利用滑板的升降功能，将集矿机整体抬高，实现脱困自救的功能。本发明能够帮助集矿机适应集矿工作时的海底复杂地形环境。
53.以上是本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护的范围之内。

技术特征：
1.一种结合仿生增力履带和稀软底质低扰动滑板的行走装置，其特征在于：包括：一滑板装置(2)；设于其两侧的两组履带装置(1)；所述履带装置(1)为包括一由杆件构成的轻型机架(7)，两组链轮装置固定在所述轻型机架(7)的两侧；所述链轮装置包括前后各一个双头链轮，所述前后各一个双头链轮上固定两条平行的链条(5)，所述两条平行的链条(5)之间间隔固定多个仿生履齿(4)；使得：整个所述履带装置(1)内部为中空的轻型结构；所述滑板装置(2)包括泥橇板(9)、无极升降装置(3)；所述无极升降装置(3)的本体与两侧的所述轻型机架(7)固定为一体，其顶杆向下连接所述泥橇板(9)，可通过将泥橇板(9)向下顶，使得所述履带装置(1)向上抬起。2.如权利要求1所述的结合仿生增力履带和稀软底质低扰动滑板的行走装置，其特征在于：所述滑板装置(2)还包括上底板(15)、下底板(11)、滑动丝杆(10)，所述下底板(11)下端与泥橇板(9)固定连接，上端通过所述滑动丝杆(10)与所述上底板(15)固定连接，所述上底板(15)与其两侧的轻型机架(7)固定连接。3.如权利要求1所述的结合仿生增力履带和稀软底质低扰动滑板的行走装置，其特征在于：所述前后各一个双头链轮其中之一为驱动轮(8)。4.如权利要求1所述的结合仿生增力履带和稀软底质低扰动滑板的行走装置，其特征在于：所述轻型机架(7)的下部还固定设有一组平行的支重轮(6)。5.如权利要求1所述的结合仿生增力履带和稀软底质低扰动滑板的行走装置，其特征在于：所述无极升降装置(3)包括防水电机ⅰ(12)；所述无极升降装置(3)由防水电机i(12)供电，带动八根滑动丝杆(10)伸缩，进而控制上底板(11)与下底板(15)的距离，实现泥橇板(9)的升降功能。6.如权利要求1所述的结合仿生增力履带和稀软底质低扰动滑板的行走装置，其特征在于：滑板装置(2)的前端应与机架7底部的前端持平。7.如权利要求1所述的结合仿生增力履带和稀软底质低扰动滑板的行走装置，其特征在于：仿生履齿(4)与链条之间为可拆卸式结构。8.如权利要求1所述的结合仿生增力履带和稀软底质低扰动滑板的行走装置，其特征在于：仿生履齿(4)由根部直板部分及端部圆弧部分组成，其中圆弧部分向后弯曲。9.一种结合仿生增力履带和稀软底质低扰动滑板的行走方法，其特征在于：采用权利要求1-8中任意一项所述的结合仿生增力履带和稀软底质低扰动滑板的行走装置；当集矿机行驶在下坡或平底工况时，泥橇板(9)通过无极升降装置(3)下放，下降高度满足使履带装置(1)离地；此时全部动力由集矿机自身重力及推进器提供；当集矿机行驶在上坡或易打滑路段时，泥橇板(9)通过无极升降装置(3)上升，上升高度满足使泥橇板(9)与地面贴合接触，此时全部动力由仿生履齿(4)推土和推进器提供；当集矿机已经处于打滑甚至沉陷的工况时，泥橇板(9)通过无极升降装置(3)下压，抬高履带装置(1)的高度，通过履齿推土和推进器的作用，实现脱困自救的效果。

技术总结
本发明涉及一种结合仿生增力履带和稀软底质低扰动滑板的行走装置，包括：一滑板装置；设于其两侧的两组履带装置；所述履带装置为包括一由杆件构成的轻型机架，两组链轮装置固定在所述轻型机架的两侧；所述链轮装置包括前后各一个双头链轮，所述前后各一个双头链轮上固定两条平行的链条，所述两条平行的链条之间间隔固定多个仿生履齿；使得：整个所述履带装置内部为中空的轻型结构；所述滑板装置包括泥橇板、无极升降装置；所述无极升降装置的本体与两侧的所述轻型机架固定为一体，其顶杆向下连接所述泥橇板，可通过将泥橇板向下顶，使得所述履带装置向上抬起。述履带装置向上抬起。述履带装置向上抬起。


技术研发人员：靳奉园 肖龙飞 徐立新 赵国成 洪智超 陈衍力 张栢源 李雨瑶 周子欣 袁林
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/7/12