[發(fā)明專利]一種環(huán)境友好型集群懸浮式海底集礦機(jī)器人及集礦方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110599823.0
• 申請(qǐng)日: 2021-05-31
• 公開（公告）號(hào): CN113338939B
• 公開（公告）日: 2023-03-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 肖龍飛;楊建民;趙國(guó)成;呂海寧;張亦嘉;張栢源;劉明月;張念凡;王婷;周吉慧;寇雨豐;魏漢迪;盧昌宇;倪未希;張登堯
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): E21C50/00
• 分類號(hào): E21C50/00;E21C50/02;G06N3/0464;G06N3/08
• 代理公司: 上海伯瑞杰知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31227
• 代理人: 王一琦

1.一種環(huán)境友好型集群懸浮式海底集礦機(jī)器人，其特征在于：

包括集礦盒(4)、識(shí)別單元、決策單元、移動(dòng)單元、采集單元；

所述識(shí)別單元用于對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行掃描，提取環(huán)境數(shù)據(jù)信息，并上傳給決策單元；

所述決策單元對(duì)所述環(huán)境數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，得出并發(fā)送指令給移動(dòng)單元和采集單元；決策單元作為機(jī)器人的控制中心；

所述移動(dòng)單元控制采礦機(jī)器人在空間上的位置，其包括蝶形游動(dòng)翼(8)，所述蝶形游動(dòng)翼(8)包括骨架和柔性翼身，所述骨架設(shè)于所述集礦盒(4)兩側(cè)、間隔設(shè)置的可上下擺動(dòng)的擺桿，所述柔性翼身固定在各所述擺桿上，各擺桿具有獨(dú)立的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，并受所述控制中心控制；

所述采集單元是機(jī)器人進(jìn)行采礦作業(yè)的執(zhí)行模塊，包括與集礦盒(4)側(cè)壁轉(zhuǎn)動(dòng)連接的柔性的集礦管(6)，所述集礦管(6)端部設(shè)有集礦頭(7)，集礦盒(4)側(cè)壁還伸出多個(gè)具有至少一活動(dòng)關(guān)節(jié)的機(jī)械臂(5)，所述機(jī)械臂(5)端部與一所述集礦頭(7)固定連接，各機(jī)械臂(5)具有獨(dú)立的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)；

機(jī)械臂(5)自由端通過旋轉(zhuǎn)部件與集礦頭連接，以調(diào)節(jié)集礦頭管口朝向；

每個(gè)所述集礦管(6)的集礦動(dòng)力相對(duì)獨(dú)立，且都能夠同時(shí)用流速均勻的水流和脈沖水流集礦，當(dāng)?shù)V粒較密集時(shí)，選擇勻速水流集礦，而當(dāng)?shù)V粒較稀疏時(shí)，則選用脈沖水流集礦。

2.如權(quán)利要求1所述的環(huán)境友好型集群懸浮式海底集礦機(jī)器人，其特征在于：所述識(shí)別單元包括設(shè)于所述集礦盒(4)頭部的攝像頭(2)。

3.如權(quán)利要求2所述的環(huán)境友好型集群懸浮式海底集礦機(jī)器人，其特征在于：所述集礦盒(4)呈長(zhǎng)條形，其尾部與輸?shù)V管(3)連接。

4.一種集礦方法，采用權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的環(huán)境友好型集群懸浮式海底集礦機(jī)器人，其特征在于：

包括多個(gè)權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的機(jī)器人，海面集礦船與水下的中繼倉(cāng)(13)相連，每一臺(tái)中繼倉(cāng)(13)連接多架機(jī)器人，作為礦粒的中繼站；

識(shí)別單元具備由微光攝像機(jī)和紅外熱成像儀組成水下探測(cè)單元，通過有線方式與決策單元的機(jī)載電腦連接，具有視覺探測(cè)功能；作業(yè)時(shí)，利用CNN卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取被攝像區(qū)域的礦石分布、礦粒大小情況信息并傳輸至決策單元，通過路徑規(guī)劃算法得出采礦機(jī)器人移動(dòng)參數(shù)、機(jī)械臂移動(dòng)參數(shù)，由設(shè)定算法得出抽吸力大小，并將其轉(zhuǎn)為指令傳輸給機(jī)器人采集單元和移動(dòng)單元，機(jī)器人根據(jù)指令移動(dòng)，并調(diào)控機(jī)械手臂和集礦管，調(diào)節(jié)抽吸力；

決策單元根據(jù)識(shí)別單元獲取的信息，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，自動(dòng)求解最優(yōu)采礦路徑，并將指令傳輸給機(jī)器人移動(dòng)單元，將機(jī)器人驅(qū)動(dòng)至指定位置進(jìn)行集礦作業(yè)；

所述設(shè)定算法為：

當(dāng)集礦管正對(duì)礦粒(θ＝0)時(shí)，垂向受力系數(shù)C_vs預(yù)測(cè)公式：

從而可計(jì)算需要提供的抽吸力：

其中D為集礦管直徑，d為礦粒直徑，h為集礦管自由端距水底的豎直距離，θ為礦粒相對(duì)集礦管口偏移角度，v_f為集礦管內(nèi)流體流速；

機(jī)器人收集起來的礦粒，由其尾部的輸?shù)V管(3)運(yùn)送至中繼倉(cāng)(13)內(nèi)暫時(shí)儲(chǔ)存，當(dāng)?shù)V粒累積到一定程度時(shí)，一并由中繼倉(cāng)(13)運(yùn)送到海上；每個(gè)所述集礦管(6)的集礦動(dòng)力相對(duì)獨(dú)立，且都能夠同時(shí)用流速均勻的水流和脈沖水流集礦，當(dāng)?shù)V粒較密集時(shí)，選擇勻速水流集礦，而當(dāng)?shù)V粒較稀疏時(shí)，則選用脈沖水流集礦；

集礦方法包括以下步驟：

信息捕獲與決策：由攝像頭對(duì)機(jī)器人周圍環(huán)境進(jìn)行拍攝，將圖像信息導(dǎo)入機(jī)器人內(nèi)部的機(jī)載電腦，機(jī)器人移動(dòng)參數(shù)、機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)由AI算法得出；抽吸力由抽吸力公式得出；機(jī)器人移動(dòng)參數(shù)傳輸至移動(dòng)單元；機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)、集礦管流量參數(shù)傳輸至集礦單元；

移動(dòng)：水平方向：工作時(shí)，同一側(cè)骨架相位互相交錯(cuò)，產(chǎn)生水平方向的力；移動(dòng)單元兩側(cè)的蝶形游動(dòng)翼以同一頻率工作，機(jī)器人沿直線前進(jìn)或后退；頻率不同時(shí)，機(jī)器人還會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；

豎直方向：所有骨架工作相位相同，使得兩翼同時(shí)上下扇動(dòng)，產(chǎn)生豎直方向的力，進(jìn)而使機(jī)器人保持懸浮或產(chǎn)生豎直位移；

采礦：根據(jù)計(jì)算機(jī)得出的機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)，調(diào)節(jié)機(jī)械集礦管支撐臂固定件、機(jī)械集礦管支撐臂關(guān)節(jié)活動(dòng)件的角度改變兩個(gè)機(jī)械臂的相對(duì)位置，使得集礦頭到達(dá)目標(biāo)抽吸點(diǎn)，通過集礦管轉(zhuǎn)接件的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)集礦頭的朝向；根據(jù)所得的抽吸管流量參數(shù)調(diào)節(jié)集礦管的流量，進(jìn)而改變抽吸力大小，礦粒經(jīng)由集礦頭、集礦管進(jìn)入集礦盒；當(dāng)?shù)V粒較密集時(shí)，選擇勻速水流集礦，而當(dāng)?shù)V粒較稀疏時(shí)，則選用脈沖水流集礦；

輸?shù)V：礦石經(jīng)由集礦盒向上通過輸?shù)V管到達(dá)中繼倉(cāng)內(nèi)暫時(shí)儲(chǔ)存，當(dāng)中繼倉(cāng)內(nèi)的礦粒到達(dá)一定量時(shí)，自動(dòng)向上通過大深度水力輸?shù)V管道運(yùn)輸至集礦船中，以完成整個(gè)收集過程。