【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及海洋工程深海采矿装备，具体涉及一种多金属结核采集姿态控制机构及其控制方法。
技术介绍
1、深海蕴藏着大量的战略性矿产资源，对其合理开发是未来人类社会推进民生、资源、科技、经济可持续发展的必然选择。深海矿产资源主要包括多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等，其富含的钴、锰、镍等稀有金属资源储量远远高于陆地，为新兴的新能源产业对稀有金属日益增加的需求提供了保障。相较于其他矿石的复杂赋存形式，多金属结核以球状半埋在海底软土表层，更易于采集，针对商业化开采的装备研发正如火如荼地开展中。
2、采集装置是深海采矿系统的关键核心部件，直接关系到采矿系统的作业能力和工作效率。水力采集利用射流原理将多金属结核从海底沉积物中剥离并向上输送，具有结构简单、采集效率高等优点，是最有商业化潜力的采集方式。但由于海底地形地质条件的变化，采矿系统在行进作业的过程中容易发生姿态俯仰及整体下陷等问题，从而导致采集装置的姿态偏移，经过一系列实验与模拟研究表明，水力采集受到采集装置的姿态(尤其是射流离底高度)的制约，一旦偏离理论姿态范围，将大大降低采集效率。
技术实现思路
1、本专利技术旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种多金属结核采集姿态控制机构及其控制方法，以解决海底地形地质条件的变化引起的采集装置姿态偏移问题，从而提高采集系统作业的可靠性与稳定性。
2、本专利技术的技术方案如下：
3、一种多金属结核采集姿态控制机构及其控制方法，姿态控制机构由姿态测量机构和四
4、所述姿态测量机构以悬臂形式固定在采矿系统的主框架上，所述四连杆控制机构分别与水力采集装置和采矿系统的主框架进行铰接。
5、所述姿态测量机构由支撑横梁、高度计、悬臂梁、旋转编码器与角度测量探杆组成。
6、进一步的，所述支撑横梁固定在采矿系统的主框架上，并在其前端固定一高度计，用于探测某一时刻前侧固定端的离底高度。所述悬臂梁固定在支撑横梁前端下缘，用于连接旋转编码器并使其固定。所述角度测量探杆铰接在旋转编码器上，其自由端为一圆环结构，该圆环在重力作用下垂落在海床表面，旋转编码器可读取角度测量探杆在此状态下的角位移，该角位移与角度测量探杆水平向内状态下的角位移之差即为探杆与水平面的夹角。
7、所述四连杆控制机构由角度调节液压缸、高度调节液压缸、导向连杆、角度调节液压缸位移传感器、高度调节液压缸位移传感器、铰支座a、铰支座b、铰支座c以及铰支座d组成。进一步的，所述角度调节液压缸下端通过铰支座a固定在采矿系统的主框架上，上端通过铰支座b固定在水力采集装置的支撑框架下侧，角度调节液压缸上固定有位移传感器，可实时监测角度调节液压缸活塞杆的伸出长度；导向连杆下端通过铰支座c固定在采矿系统的主框架上，上端通过铰支座d固定在水力采集装置的支撑框架上，可绕铰支座c的支点做半径不变的圆周运动；角度调节液压缸与导向连杆在处于同一平面，高度调节液压缸不在该平面内，高度调节液压缸的上下端固定形式与角度调节液压缸相同，其下端铰接支座固定在采矿系统的主框架上且与铰支座a支点同轴心，上端铰接支座固定在水力采集装置的支撑框架上侧且与铰支座d支点同轴心；高度调节液压缸上固定有位移传感器，可实时监测高度调节液压缸活塞杆的伸出长度。
8、所述多金属结核采集姿态控制方法的具体步骤包括：
9、步骤1：所述姿态测量机构中的高度计与旋转编码器分别测得初始标准工况下的前侧固定端的离底高度h0及探杆与水平面的夹角β0，以及当前状态下的离底高度h及夹角β。
10、步骤2：将当前状态下的前侧固定端的离底高度h与标准工况(采集装置最佳姿态)下的离底高度h0进行对比，判断离底高度是否发生变化。若h＝h0，表示前端测量处高度无变化，则执行步骤3；若h≠h0，表示前端测量处高度有变化，则执行步骤4。
11、步骤3：将当前状态下的探杆与水平面的夹角β与标准工况(采集装置最佳姿态)下的夹角β0进行对比，判断夹角是否发生变化。若β＝β0，表示采集装置角度无变化，整体姿态保持不变，角度调节液压缸、高度调节液压缸与导向连杆均不动；若β≠β0，表示采集装置角度有变化，需要进行整体平动与转动调节，角度调节液压缸与高度调节液压缸转动且伸缩，导向连杆绕铰支座c的支点转动，执行计算(ⅰ)，分别得到液压缸、的活塞杆伸缩变化长度δa、δb。进一步地，执行步骤5。
12、步骤4：将当前状态下的探杆与水平面的夹角β与由高度变化引起的探杆角度偏转后的理论夹角进行对比，判断采集装置是否发生俯仰姿态变化。若表示角度变化与高度变化一致，采集装置未发生俯仰姿态变化，仅需要通过平动调节离底高度，高度调节液压缸转动且伸缩，导向连杆绕铰支座c的支点转动，角度调节液压缸绕铰支座a的支点转动且不伸缩，执行计算(ⅱ)，得到液压缸的活塞杆伸缩变化长度δb；若表示角度变化与高度变化不一致，采集装置发生俯仰姿态变化，需要进行整体平动与转动调节，角度调节液压缸与高度调节液压缸转动且伸缩，导向连杆绕铰支座c的支点转动，执行计算(ⅲ)，分别得到液压缸的活塞杆伸缩变化长度δa、δb。进一步地，执行步骤5。
13、步骤5：将步骤3或步骤4中得到的液压缸活塞杆伸缩量计算值通过电信号输入到液压控制比例阀中，比例阀据此调节各液压缸活塞杆伸缩所需油量，从而实现采集装置姿态的实时控制。
14、所述多金属结核采集姿态控制中的液压缸活塞杆伸缩量计算方法如下：
15、1)当角度变化与高度变化一致，采集装置平动时，执行计算(ⅱ)，如下：
16、假设导向连杆绕铰支座c的支点为坐标原点(0,0)，作平面直角坐标系，图中虚线图形表示装置初始位置，令铰支座a的支点坐标为(m,n)，由于主框架4结构固定不变，所以该坐标相对原点不变，令铰支座d支点初始坐标为(x0,y0)，运动坐标为(x,y)。根据几何关系，x、y满足下列公式：
17、x2+y2＝c2,x<0 (1)
18、(x-m)2+(y-n)2＝b2 (2)
19、y-y0＝h0-h (3)
20、由于m、n、c为固定值，初始值b0可由位移传感器读取，根据公式(1)、(2)可确定(x0,y0)坐标值；运动前后的离底高度h0和h可由高度计测得，与y0值一起代入公式(3)可确定y值，进一步将y值代入公式(1)可确定x值；最后，将x、y值代入公式(2)可确定b值，b与b0的差值即为液压缸的活塞杆伸缩变化长度δb(正值伸长，负值缩短)。
21、2)当高度无变化而角度有变化时，执行计算(ⅰ)，如下：
22、建立与1)中相同的平面直角坐标系，令悬臂梁轴线与地面的交点为旋转中心，固定坐标为(s,t)，铰支座b支点的运动坐标为(i,j)，铰支座d支点的辅助坐标为(x1,y1)。根据几何关系，各参数值满足下列公式：
23、(i-m)2+(j-n)2＝a2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种多金属结核采集的姿态控制机构，其特征在于，所述姿态控制机构由姿态测量机构和四连杆控制机构组成。
2.根据权利要求1所述的姿态控制机构，其特征在于，所述姿态测量机构以悬臂形式固定在采矿系统的主框架上，所述四连杆控制机构分别与水力采集装置和采矿系统的主框架进行铰接。
3.根据权利要求1所述的姿态控制机构，其特征在于，所述姿态测量机构由支撑横梁、高度计、悬臂梁、旋转编码器与角度测量探杆组成。
4.根据权利要求3所述的姿态控制机构，其特征在于，所述支撑横梁固定在采矿系统的主框架上，并在其前端固定一高度计，用于探测某一时刻前侧固定端的离底高度；所述悬臂梁固定在支撑横梁前端下缘，用于连接旋转编码器并使其固定；所述角度测量探杆铰接在旋转编码器上，其自由端为一圆环结构，所述圆环在重力作用下垂落在海床表面，旋转编码器可读取角度测量探杆在此状态下的角位移，该角位移与角度测量探杆水平向内状态下的角位移之差即为探杆与水平面的夹角。
5.根据权利要求1所述的姿态控制机构，其特征在于，所述四连杆控制机构由角度调节液压缸、高度调节液压缸、导向连杆、角度调
6.根据权利要求5所述的姿态控制机构，其特征在于，所述角度调节液压缸下端通过铰支座A固定在采矿系统的主框架上，上端通过铰支座B固定在水力采集装置的支撑框架下侧，所述角度调节液压缸上固定有角度调节液压缸位移传感器，可实时监测角度调节液压缸活塞杆的伸出长度；所述导向连杆的下端通过铰支座C固定在采矿系统的主框架上，上端通过铰支座D固定在水力采集装置的支撑框架上，可绕铰支座C的支点做半径不变的圆周运动；所述角度调节液压缸与导向连杆在处于同一平面，高度调节液压缸不在该平面内，高度调节液压缸的下端铰接支座固定在采矿系统的主框架上且与铰支座A支点同轴心，上端铰接支座固定在水力采集装置的支撑框架上侧且与铰支座D支点同轴心；高度调节液压缸上固定有高度调节液压缸位移传感器，可实时监测高度调节液压缸活塞杆的伸出长度。
7.一种多金属结核采集的姿态控制方法，其特征在于，包括权利要求1～6任一项所述的姿态控制机构，所述姿态控制方法包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的一种多金属结核采集的姿态控制方法，其特征在于，所述多金属结核采集姿态控制中的液压缸活塞杆伸缩量计算方法如下：
...【技术特征摘要】
1.一种多金属结核采集的姿态控制机构，其特征在于，所述姿态控制机构由姿态测量机构和四连杆控制机构组成。
2.根据权利要求1所述的姿态控制机构，其特征在于，所述姿态测量机构以悬臂形式固定在采矿系统的主框架上，所述四连杆控制机构分别与水力采集装置和采矿系统的主框架进行铰接。
3.根据权利要求1所述的姿态控制机构，其特征在于，所述姿态测量机构由支撑横梁、高度计、悬臂梁、旋转编码器与角度测量探杆组成。
4.根据权利要求3所述的姿态控制机构，其特征在于，所述支撑横梁固定在采矿系统的主框架上，并在其前端固定一高度计，用于探测某一时刻前侧固定端的离底高度；所述悬臂梁固定在支撑横梁前端下缘，用于连接旋转编码器并使其固定；所述角度测量探杆铰接在旋转编码器上，其自由端为一圆环结构，所述圆环在重力作用下垂落在海床表面，旋转编码器可读取角度测量探杆在此状态下的角位移，该角位移与角度测量探杆水平向内状态下的角位移之差即为探杆与水平面的夹角。
5.根据权利要求1所述的姿态控制机构，其特征在于，所述四连杆控制机构由角度调节液压缸、高度调节液压缸、导向连杆、角度调节液压缸位移传感器、高度调节液压缸位移传感器、铰支...
【专利技术属性】
技术研发人员：魏佳康，张修占，刘建成，李磊，陈峰落，李浩，卢宇，邱何伟，谢宇，李琴，
申请(专利权)人：招商局海洋装备研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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