[0001] 本发明涉及海底金属结核采集技术领域，尤其是涉及一种富钴结壳采集车。

[0002] 在深海矿物开采中，矿物采集技术是核心功能模块。深海富钴结壳大多生长在离海平面500～3000m的海山山坡上，富含锰、铜、镍、钴等多种元素，尤其钴含量在海底三种矿物中含量最大，具有巨大的经济价值和重要的战略意义。由于钴结壳通常紧密的附着在坚硬的岩石上，厚度为2～6cm，开采过程中需要利用截割头先将结壳破碎，然后再通过采集装置拾起。深海富钴结壳采集车通常包括截割头、采集头、地形探测设备、行驶系统和辅助装备等，作业时先通过局部地形探测设备，如超声探测，探明采矿车所在区域地形，由控制系统决策后，通过截割头将基岩上的结壳进行破碎剥离，然后利用采集头将散落的矿物颗粒通过水力或机械方式拾起，最后通过管道输送到海面母船。

[0003] 现有方案存在以下问题：

[0004] 1)地形适应能力差

[0005] 现有方案中高度依赖探测设备对地形的精确感知能力，由于采集过程中无论是截割或者拾取过程都会对海底附着物产生扰动，因扰动而产生的羽流会提高作业环境的浊度，现有研究表明无论是光学或者声学仪器都很难在这种环境中获得实时性好精度较高的局部地貌图；不精确的地形对采矿的效率影响很大。其次，现有方案中的截割头大多为圆筒形状，这种形状不能很好的贴近凹凸变化的地形，漏切区域多(如局部凹陷区域)。

[0006] 2)采集效率低

[0007] 目前的深海矿物采集装置可以分为机械式和水力式，机械式对海底底质扰动小，但需要单独的动力装置；水力式比如纯抽吸式或附壁射流式，纯抽吸式需要大流量水流，能耗高，效率低，而附壁射流式由于喷头水射流不可避免的对底质产生直接冲涮而产生局部羽流，对环境影响较大，另外由于结壳分布特点，破碎后散落不均，采集作业过程将存在大量空转的无效功率。

[0029] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0030] 参照附图1和附图3，本实施例提供了一种富钴结壳采集车，包括能够移动的车体1，车体1上转动设置有转盘2，转盘2上铰接有第一悬臂3，第一悬臂3和转盘2之间设有第一液压缸4和弹簧组件5，第一液压缸4与弹簧组件5连接，第一悬臂3上铰接有第一摆臂6，第一摆臂6的前侧和第一悬臂3之间以及第一摆臂6的后侧和第一悬臂3之间均设有第一弹簧7和第一位置传感器8，第一摆臂6的下端铰接有第二摆臂9，第二摆臂9的左侧和第一摆臂6之间以及第二摆臂9的右侧和第一摆臂6之间均设有第二弹簧10，第二摆臂9的下端设有截割头
100，截割头100的后方设有与车体1连接的采集头200。截割头100通过转盘2实现左右摆动，从而扩大作业面积。第一悬臂3绕铰接点(与转盘2铰接的位置)旋转带动截割头100上下移动，通过第一液压缸4主动实现截割头100上下移动，通过弹簧组件5被动实现截割头100上下移动，当地形变化时弹簧组件5能够快速进行反应调整，使截割头100适应地形高度变化。
第一液压缸4能够扩大第一悬臂3的上下摆动幅度，从而提高截割头100的上下移动范围。第一摆臂6绕铰接点(与第一悬臂3铰接的位置)旋转带动截割头100前后摆动，此时第一摆臂6一侧的第一弹簧7被压缩，另一侧的第一弹簧7被拉伸。例如当遇到上坡时，截割头100被地形挡住会促使第一摆臂6向后摆动，压缩后侧的第一弹簧7，前侧的第一弹簧7被拉伸，同时，截割头100随地形抬起会带动第一悬臂3上升(在弹簧组件5的作用下自动完成)。如果坡度大于预设角度，第一位置传感器8检测到第一弹簧7被压缩到某个位置时，第一液压缸4启动带动截割头100向上抬起。当地形恢复平整时，在两侧第一弹簧7的作用下截割头100回到中间位置，第一液压缸4恢复原位。在此过程中，相对于第一液压缸4主动控制，弹簧组件5具有反映更灵敏，响应更迅速特点；其次，液压控制能够弥补弹簧控制行程小的问题，两者结合既实现反应迅速，又能实现大行程调节。第二摆臂9绕铰接点(与第一摆臂6铰接的位置)旋转带动截割头100左右摆动，此时第二摆臂9一侧的第二弹簧10被压缩，另一侧的第二弹簧
10被拉伸。例如当遇到左侧地形凹陷下去时(地形宽度方向上有坡度)，截割头100向左侧倾斜会带动第二摆臂9向左摆动，压缩左侧的第二弹簧10，右侧的第二弹簧10被拉伸，同时，截割头100下沉会带动第一悬臂3下降(在弹簧组件5的作用下自动完成)。如果下沉的高度大于预设值，第一液压缸4启动带动截割头100向下移动。当地形恢复平整时，在两侧第二弹簧
10的作用下截割头100回到中间位置，第一液压缸4恢复原位。在此过程中，相对于第一液压缸4主动控制，弹簧组件5具有反映更灵敏，响应更迅速特点；液压控制能够弥补弹簧控制行程小的问题，两者结合既实现反应迅速，又能实现大行程调节。本发明中实现截割头100前后左右调节时又能相应实现高度方向的快速反应。

[0031] 转盘2、第一悬臂3、第一液压缸4、弹簧组件5、第一摆臂6、第一弹簧7、第一位置传感器8、第二摆臂9和第二弹簧10构成调节机构。相对传统的与车身相对固定式的截割头100，本发明通过转盘2能够实现截割头100左右摆动作业，能够提高行经过程中作业面积；
弹簧组件5配合第一弹簧7和第二弹簧10能够实现截割头100随左右侧坡度、前后侧坡度变化而变化，对地形具有一定的自适应能力。其次，通过位置传感器和第一液压缸4，弥补弹簧调节截割头100高度范围小的问题。本发明通过调节机构能够较好的适应局部地形的变化。

[0032] 作为本发明的另一种实施方式：转盘2上铰接有第二悬臂11，第二悬臂11与第一悬臂3铰接，第二悬臂11和转盘2之间设有第二液压缸12，具体的，第二液压缸12的两端分别与第二悬臂11和转盘2铰接。第二液压缸12驱动第二悬臂11绕铰接点(与转盘2铰接的位置)上下摆动，从而带动截割头100上下移动。在第一悬臂3和转盘2之间增加第二悬臂11和第二液压缸12，利于进一步提高截割头100的高度调节范围。

[0033] 具体的，第二液压缸12为两个，两个第二液压缸12分布在第二悬臂11的左侧和右侧。该设置能够使第二悬臂11上下摆动的更平稳。

[0034] 具体的，第一液压缸4的一端与第二悬臂11铰接，另一端与弹簧组件5滑动连接，弹簧组件5远离第一液压缸4的一端与第一悬臂3铰接。

[0035] 作为本发明的另一种实施方式：第一摆臂6的左右两侧均固定有支板13，第二弹簧10设置在支板13与第二摆臂9之间，第二弹簧10的两端分别与第二摆臂9和支板13连接。

[0036] 作为本发明的另一种实施方式：第一悬臂3上固定有弧形杆14，第一弹簧7和第一位置传感器8均设于弧形杆14和支板13之间，弧形杆14与支板13滑动连接。第一液压缸4启动的一种实施方式：弧形杆14与支板13相向滑动，压缩第一弹簧7，当第一位置传感器8感应到弧形杆14与支板13相向滑动到预设位置时，触发第一液压缸4启动。

[0037] 作为本发明的另一种实施方式：支板13的前侧和后侧均设有与第一位置传感器8配合的第一支座15，第一支座15上固定有第一滑杆16，第一滑杆16与弧形杆14滑动连接，第一弹簧7设于第一滑杆16上，第一位置传感器8设于弧形杆14上。第一滑杆16朝弧形杆14滑动，从而压缩第一弹簧7，当第一位置传感器8感应到第一支座15时，触发第一液压缸4启动。

[0038] 作为本发明的另一种实施方式：弧形杆14为四个，四个弧形杆14分为两组，两组弧形杆14分别位于第一摆臂6的前方和后方，每组弧形杆14的两个弧形杆14分别设于第一悬臂3的左侧和右侧。该设置能够使截割头100前后摆动的更顺畅。

[0039] 作为本发明的另一种实施方式：参照附图2，支板13上设有第二位置传感器17，第二摆臂9的左侧和右侧均设有与第二位置传感器17配合的第二支座18，第二支座18上固定有第二滑杆19，第二滑杆19与支板13滑动连接，第二弹簧10设于第二滑杆19上。第一液压缸4启动的一种实施方式：第二滑杆19与支板13相向滑动，压缩第二弹簧10，当第二位置传感器17感应到第二支座18时，触发第一液压缸4启动。

[0040] 作为本发明的另一种实施方式：参照附图4，采集头200包括输送软管20以及与输送软管20连通的吸盘21，吸盘21的下端转动设置有两个滚筒22，两个滚筒22分别设于吸盘21的前侧和后侧，滚筒22上固定有多个集矿梳23，集矿梳23上设有多个梳齿231，吸盘21的盘壁上设有与梳齿231相适配的避让孔300，两个滚筒22上的集矿梳23在吸盘21内交错分布，一个滚筒22上的集矿梳23上的梳齿231会卡入另一个滚筒22上的集矿梳23的空隙内。抽吸泵工作时，集矿梳23会随着水流的运动而转动起来，两个滚筒22上的集矿梳23会聚拢地面上的矿物并向上抬起，该设计会使矿物离吸盘21口越来越近，直至被吸入输送软管20内。
当没有矿物时，抽吸水流将带动集矿梳23快速旋转，此时水流的动能将转化成集矿梳23的动能，起到蓄能的作用，为后面的聚矿和抬矿提供动力。相对于现有的机械式采集方案而言，本发明不需要机械动力装置，结构更简单；相对于附壁射流等方法而言，没有直接与底质作用的水射流存在，能够减小扰动，减低羽流，更环保；整体结构简单。

[0041] 作为本发明的另一种实施方式：参照附图6，梳齿231呈弧形状，梳齿231在吸盘21内时朝上拱起。通过该结构设计，集矿梳23在聚拢矿物时，梳齿231的端部(远离滚筒22的一端)与行进方向是相反的，避免梳齿231被地面上的矿物或其它的凸起卡住。两个集矿梳23向上抬起矿物时能够有效避免夹住矿物的情况发生。

[0042] 具体的，每个滚筒22上均固定有四个集矿梳23。

[0043] 作为本发明的另一种实施方式：吸盘21的左侧的盘壁和右侧的盘壁均固定有支撑板28，滚筒22转动设置在两个支撑板28之间，滚筒22位于吸盘21的外面，不影响吸盘21吸取矿物。

[0044] 作为本发明的另一种实施方式：参照附图5，截割头100包括：液压马达24、齿轮传动箱25和切割头26，液压马达24通过轮传动箱驱动切割头26旋转，切割头26上设有镐齿27，切割头26的两端小中间大呈椭圆形。传统的截割头100采用圆柱形刀头，镐齿27顶端布置在同一个圆柱面上，当截割头100与地面接触时，属于圆柱面与地面接触即线面接触，对微地形高度起伏变化适应性不佳，容易发生漏切；本发明采用圆锥形刀头，镐齿27顶端布置在同一个圆锥面上，当截割头100与地面接触时，属于圆锥面与地面接触即曲面与曲面接触，两者的局部吻合度更好。

[0045] 作为本发明的另一种实施方式：第二摆臂9的下端固定有防护罩29，切割头26转动设置在防护罩29内，液压马达24和齿轮传动箱25设于防护罩29上。椭球形切割头26外侧布置有防护罩29，可以减小作业过程中羽流扩散；防护罩29顶部设置两台液压马达24，两侧布置有传动箱；液压马达24通过齿轮箱带动橄榄球状切割头26转动，两套动力系统互为备份。

[0046] 作为本发明的另一种实施方式：第车体1的两侧转动设置有履带30。车体1采用双履带30结构，对山地地形具有良好的适应性。

[0047] 本发明中截割头100启动、采集头200启动、截割头100工作位置调整，转盘2转动驱使截割头100左右摆动；车辆开始运动进入开采状态，此时，截割头100与地面之间的轨迹为“Z”形轨迹，能够扩大作业面积。

[0048] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。