具有主动控制功能的系泊系统的制作方法

专利名称：具有主动控制功能的系泊系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有主动控制功能的船只系泊系统，特别是涉及用于监视施加到船只上的系泊负载以及船只移动的系统。具体地讲，但不局限于此，本发明涉及采用了系泊机器人的系泊系统的控制，系泊机器人具有吸引附着元件，以便与一个用于系紧船只的表面接合。
背景技术：
在站点例如码头利用系泊机器人系泊船只是公知的。自动系统，例如WO 0162585中所描述的那些，相对于使用系泊缆绳的传统系泊方法具有多项优点。
当船只靠近站点时，系泊机器人能够抓紧船只，并在短时间内向其施加很大的力，以应对相当大的动态力，从而减小船的运动并因此而将其以精确控制的方式带到相对于站点的预期位置。然而，所有系泊系统都会遇到的问题是水流和风的作用，这种作用趋向于将船只向着视图从其与系泊机器人的接触中脱开的方向向船只施加力。在设计采用吸引附着元件例如真空杯的机器人系统时，这一点需要着重考虑。考虑到环境方面，希望在提供高级别安全性的同时避免过度设计和过分冗余。
利用真空杯型系泊机器人系泊船只的一个缺点是，会出现沿着趋向于使船脱离真空杯的方向施加的力大于真空杯对船只的吸力的情况。真空杯的这一保持力随着气动吸附系统施加的吸力的级别而变化。因此，保持力的大小以及系泊机器人对船只的保持能力也会变化。在一种更为传统的系泊缆绳的系泊方式中，系泊缆绳提供的保持能力取决于系泊缆绳的断裂强度或用于将系泊缆绳保持在船只与海岸之间的夹具的强度。
在采用系泊缆绳的传统系泊方式中，多种方法被提出以便监视系泊负载和控制系泊系统，以避免灾难性故障。例如，在以前的方法中，系泊缆绳中的拉伸载荷的量级被监视，以控制自动系泊绞车。例如，US 4055137中描述了使用张力检测器，以确定连接在码头与船只之间的系泊缆绳中的张力。这种信息用于控制绞车，以根据要求调节系泊缆绳的张力。然而，US 4055137中的系统仅仅基于确保系泊缆绳中的力不超过某些特定极限。根据系泊缆绳或相关夹具的抗拉强度，这些极限是固定的。由于抗拉强度极限不随时间而变化，也不可能随时间而变化，因此从系泊缆绳中的力获取的信息只涉及确定系泊系统的最终的最大断裂强度。另外，由于不测量船只与系泊缆绳之间的力的角度，因此不能利用US 4055137中的系统来确定沿例如横向和纵向施加在船只上的总力。另外，由于US 4055137中描述的系统不提供角度和位移测量，因此US 4055137中的发明不能提供作为系统控制功能一部分的精确位置信息。US 4055137中的系统也不能在船只相对于站点移动时提供系泊负载数据，因为该系统没有被设计成有意移动船只。
US 4532879中描述了一种系泊机器人，其直接连接到船只。类似于US 4055137，没有提供真空连接。US 4532879中仅利用系泊机器人沿一个方向测量系泊力，其目的是恢复船只相对于系泊机器人的位置。所述力被测量，以控制一个液压系统，从而提供恢复力。由于系泊机器人的最终的保持能力取决于物理结构的强度，因此不需要根据船舶与系泊机器人之间的连接元件的最终保持强度的任何变化来控制系泊力，因为根本不存在这种变化。另外，US 4532879中的系泊机器人只能够测量一个方向的力，因为机器人可绕一个枢转点自由转动。由于系泊机器人不向传播提供侧向约束，因此该系统类似于系泊缆绳中的力的测量结构，例如，US 4055137中所示的。
我们自己的在先文献WO 02/090173中描述了一种系泊机器人，然而，该文献没有涉及可变真空杯保持力与系泊机器人至少在横向和纵向上测量的力之间的关系。
与系泊缆绳型系泊系统中的力和位移的监视有关另一个问题在于，这种系泊缆绳通常在本质上是弹性的。因此，在这种弹性连接元件中不可能测量到力和位置的绝对值。虽然可以对系泊缆绳进行测量以提供有关的绝对信息，但该信息并非船只负载和位置的瞬时反映。
因此，前面描述的一些现有技术系统利用力测量装置来确保将系泊系统维持在其自身破毁的极限之内。这是因为这些系统利用系泊机器人将船只直接机械式连接到码头。
此外，系泊缆绳型现有技术系统所能获得的精度受到系泊缆绳性能的限制，而缆绳可能彼此之间或与系船柱相干涉，从而产生难以测量到的不规则效果。
因此，本发明的目的是提供一种具有主动控制功能的系泊系统，其能解决前述要求和问题，或者至少部分地向公众提供一种有用的选择。
通过下面仅以示例的方式所作描述，本发明的其它方面和优点可以清楚地展现出来。

发明内容
根据本发明的第一个方面，提供了一种船只系泊系统控制方法，所述系统包括至少一个系泊机器人，用于将浮动在水体表面上的船只可释放地系紧在站点，所述系泊机器人包括吸力附着元件，吸力附着元件可移动地结合在所述系泊机器人的基础结构上，所述基础结构固定在所述站点；所述吸力附着元件可释放地接合船只表面，以将船只系紧在所述站点，系泊机器人使吸力附着元件相对于基础结构作主动平移运动，以使船只沿着从下述两个方向中选择的任何一个或两个方向移动(i)横向；和(ii)纵向；在通过使船只表面被吸力附着元件接合并且在所述船只与所述系泊机器人之间建立起吸力而使船只与系泊系统连接之后，所述方法包括(a)测量船只表面与吸力附着元件之间的吸力，以确定在至少一个下述方向上的保持能力(i)与吸力方向平行的方向；(ii)与吸力方向和水平方向垂直的方向；和(iii)与吸力方向和竖直方向垂直的方向；(b)至少在选自下述方向中的一个或多个方向上测量吸力附着元件与系泊机器人的基础结构之间的力(i)与吸力方向平行的方向；(ii)与吸力方向和水平方向垂直的方向；和
(iii)与吸力方向和竖直方向垂直的方向；(c)监视吸力与步骤(b)中测量的力之间的关系，如果步骤(b)中测量到的在趋向于允许吸力附着元件与所述船只之间相对运动的方向上的一个或多个力接近于在趋向于允许吸力附着元件与所述船只相对运动的方向上的基于吸力的保持能力时，则触发警报。
优选地，所述吸力附着元件是可变吸力附着元件，并且所述方法还包括当步骤(b)中测量的任何一个或多个力达到一个趋向于允许可变吸力附着元件与所述船只之间沿着平行于所述被测量的力的方向相对运动的预定极限时实施控制，以便响应于步骤(b)中测量的力来增大船只表面与可变吸力附着元件之间的吸力。
优选地，所述吸力附着元件是可变吸力附着元件，并且所述方法还包括当步骤(b)中测量的任何一个或多个力达到一个趋向于允许可变吸力附着元件与所述船只之间沿着平行于所述被测量的力的方向相对运动的预定极限时实施控制，以与步骤(b)中测量的力成正比的方式增大船只表面与可变吸力附着元件之间的吸力。
优选地，所述吸力附着元件是可变吸力附着元件，并且所述方法还包括当步骤(b)中测量的任何一个或多个力达到一个趋向于允许可变吸力附着元件与所述船只之间沿着平行于所述被测量的力的方向相对运动的预定极限时实施控制，以便在步骤(b)中测量的力达到预定范围的最大极限时增大船只表面与可变吸力附着元件之间的吸力。
优选地，利用由传感器产生的信号来连续监视和确定在步骤(b)中测量的吸力附着元件与基础结构之间的力，所述由传感器产生的信号被可视地显示于船只上，以指示船只与所述系泊机器人的固定结构之间的力。
优选地，所述系统包括多个彼此相隔的系泊机器人，每个系泊机器人分别设有用于与船只表面接合的吸力附着元件，并且利用由传感器产生的信号来连续监视和确定在步骤(b)中测量的吸力附着元件与每个系泊机器人的基础结构之间的力，所述由传感器产生的信号被可视地显示于船只上，以指示船只与所述系泊机器人的固定结构之间的力。
优选地，所述系统包括多个彼此相隔的系泊机器人，每个系泊机器人分别设有用于与船只表面接合的吸力附着元件，所述方法还包括当步骤(b)中测量的一个所述系泊机器人的任何一个或多个力，也就是趋向于允许吸力附着元件与所述船只之间沿着平行于所述力的方向相对运动的力，接近于可变吸力附着元件在任何所述被测量的力的方向上的保持能力时，至少一个其它系泊机器人被控制以将其吸力附着元件相对于所述固定基础结构沿一个方向移动，以改变其吸力附着元件与基础结构之间的在与该方向相反的方向上的力，从而减小前述一个系泊机器人的吸力附着元件与基础结构之间的沿该方向的力。
优选地，所述系统包括多个彼此相隔的系泊机器人，每个系泊机器人分别设有用于与船只表面接合的可变吸力附着元件，所述方法还包括当步骤(b)中测量的一个所述系泊机器人的任何一个或多个力，也就是趋向于允许吸力附着元件与所述船只之间沿着平行于所述力的方向相对运动的力，接近于可变吸力附着元件在任何所述被测量的力的方向上的保持能力时，至少一个其它系泊机器人被控制以增大其吸力。
优选地，每个吸力附着元件与船只表面之间的吸力被测量，并且与被测量的吸力相对应的信号被发送，以便显示于船只上。
优选地，所述吸力附着元件与船只表面之间的吸力并且与被测量的吸力相对应的信号被发送，以便与步骤(b)中测量的力进行比较，当步骤(b)中测量的任何一个或多个力达到致使所述吸力附着元件与所述船只之间相对运动所需的力的一定比例时，将触发警报，其中所述保持力取决于被测量的吸力。
优选地，所述吸力附着元件与船只表面之间的吸力并且与被测量的吸力相对应的信号被发送，以便与步骤(b)中测量的力进行比较，当步骤(b)中测量的任何一个或多个力达到与致使所述吸力附着元件与所述船只之间相对运动所需的力(保持力)相对应的一个极限时，将增大吸力，其中所述保持力取决于被测量的吸力。
优选地，所述吸力附着元件的类型为用于与所述船只的平表面相接合，且其吸力只沿法向作用于所述平表面上，其中每个吸力附着元件与平表面之间的吸力被测量，并且与被测量的吸力相对应的信号被发送，以便与步骤(b)(ii)中测量的力进行比较，当由被测量的吸力确定出的在一个方向上的力，也就是趋向于导致所述吸力附着元件与所述船只沿着平行于步骤(b)(ii)中测量的力的方向相对运动的力，接近于所述吸力附着元件与所述船只的保持能力时，触发警报。
优选地，所述吸力附着元件的类型为用于与所述船只的平表面相接合，且其吸力只沿法向作用于所述平表面上，并且所述吸力附着元件是可变吸力附着元件，其中，每个吸力附着元件与平表面之间的吸力被测量，并且与被测量的吸力相对应的信号被发送，以便与步骤(b)(ii)中测量的力进行比较，当一个方向上的达到一个预定极限的力，也就是趋向于导致所述吸力附着元件与所述船只沿着平行于步骤(b)(ii)中测量的力的方向相对运动的力，接近于所述吸力附着元件与所述船只的保持能力时，增加吸力。
优选地，当系泊机器人与船只之间的位于与步骤(b)(ii)中测量的力相平行的方向上的力，也就是趋向于导致所述吸力附着元件与所述船只分离的力，超过第一阈值时，系泊机器人采取安全模式，其中船只表面与吸力附着元件之间的吸力变为最大吸力。
根据本发明的第二个方面，提供了一种船只系泊系统，包括固定在站点的至少两个系泊机器人，所述站点由一个固定或浮动结构构成，每个系泊机器人包括吸力附着元件，吸力附着元件可移动地结合在所述系泊机器人的基础结构上，所述基础结构相对于站点固定，所述吸力附着元件用于可释放地接合布置在左舷或右舷侧的基本竖直延伸的船只表面，以将船只系紧在所述站点，所述吸力附着元件可沿其附着的所述船只表面的法向施加吸力；以及用于在所述船只与所述吸力附着元件之间建立吸力的吸力建立装置；其中，每个系泊机器人包括用于驱动吸力附着元件至少沿着从横向和纵向二者中选择的任何一个或两个方向相对于基础结构移动的吸力附着元件驱动装置；对于每个系泊机器人，所述系统还包括(a)用于测量吸力附着元件与船只之间在平行于所述法向的方向上的吸力以提供吸力能力读取值的吸力测量装置；和(b)用于测量所述吸力附着元件与所述系泊机器人的基础结构之间在下述方向中的至少一个或多个上的力的力测量装置i.与所述法向平行的方向，以提供法向力读取值；ii.水平且与所述法向垂直的方向，以提供水平剪力读取值；和iii.竖直且与所述法向垂直的方向，以提供竖直剪力读取值；(c)用于监视所述吸力能力读取值与所述法向力读取值、水平剪力读取值、竖直剪力读取值中的一个或多个之间的关系以提供一个或多个系泊状态读取值的监视装置；(d)用于根据所述系泊状态读取值控制每个系泊机器人的控制装置，当法向力读取值、水平剪力读取值、竖直剪力读取值中的任何一个或多个在趋向于允许在所述船只与所述系泊机器人的所述吸力附着元件之间相对运动的方向上达到所述吸力附着元件在该方向的保持能力的预定极限时，所述控制装置实时控制以启动选自下述程序的至少任何一个或多个i.控制所述吸力建立装置增加所述吸力；ii.发出警报；和iii.使至少一个其它系泊机器人的吸力附着元件相对于所述固定基础结构沿一个方向移动，该方向与趋向于允许所述船只与所述系泊机器人的所述吸力附着元件之间相对运动的方向相反，以增大所述至少一个其它系泊机器人的负载力，并且减小前述系泊机器人在所述趋向于允许所述船只与所述系泊机器人的所述吸力附着元件之间对运动的方向上的负载力。
优选地，所述吸力附着元件是真空垫或真空杯；所述用于在所述船只与所述吸力附着元件之间建立吸力的吸力建立装置是与所述真空杯流体连通的真空系统，并且包括真空发生器(优选为真空泵)。
优选地，设有用于接合在所述船只的船头附近的至少两个系泊机器人(船头组)和用于接合在所述船只的船尾附近的至少两个系泊机器人(船尾组)，其中，所述控制装置可以以下述方式控制每个吸力附着元件的吸力，即在每个所述组中的至少一个所述系泊机器人施加在船只表面上的吸力达到第一阈值时，所述控制装置操作，以使每个所述组中的每个系泊机器人的吸力正常化。
根据本发明的另一个方面，提供了一种船只系泊系统，包括固定在站点的至少两个系泊机器人，所述站点由一个固定或浮动码头(或第二船只)构成，每个系泊机器人包括吸力附着元件，吸力附着元件结合在所述系泊机器人的基础结构上，所述基础结构相对于站点固定，所述吸力附着元件用于可释放地接合布置在左舷或右舷侧的竖直延伸的船只表面，以将船只系紧在所述站点，所述吸力附着元件可沿其附着的所述船只表面的法向施加吸力；以及用于在所述船只与所述吸力附着元件之间建立吸力的吸力建立装置；其中，对于每个系泊机器人，所述系统还包括(a)用于测量吸力附着元件与船只之间的吸力以提供吸力能力读取值的吸力测量装置；(b)用于测量所述吸力附着元件与所述系泊机器人的固定基础结构之间至少在与所述法向平行的方向上的力以提供法向力读取值的力测量装置；(c)用于监视所述吸力能力读取值与所述法向力读取值之间的关系以提供系泊状态读取值的监视装置；(d)用于根据所述系泊状态读取值控制每个系泊机器人的控制装置，当法向力读取值在趋向于使所述吸力附着元件与所述船只分离的方向上达到吸力能力读取值的阈值时，所述控制装置实时控制以启动选自下述程序的至少任何一个或两个i.控制所述吸力建立装置增加所述吸力；和ii.发出警报。
优选地，每个系泊机器人包括用于驱动吸力附着元件相对于基础结构至少在横向平移运动的装置，所述控制装置可以附加启动所述系统的另一系泊机器人的吸力附着元件沿横向朝着所述固定结构移动，以增加所述另一系泊机器人的负载力，另一系泊机器人的保持能力取决于所述吸力能力读取值。
优选地，所述系统还包括a.用于根据所述吸力能力读取值来确定所述吸力附着元件与所述船只之间在水平并且垂直于所述法向的方向上的剪力保持能力以提供剪力保持能力读取值的装置；b.用于测量所述吸力附着元件与所述系泊机器人的固定结构之间的剪切方向力以提供剪力读取值的装置，所述剪切方向力是平行于所述剪力保持能力的力；c.用于监视所述剪力保持能力读取值与所述剪力读取值之间的关系以提供第二系泊状态读取值的装置；其中，系泊机器人的控制装置还以下述方式响应于所述第二系泊状态读取值，即当剪力读取值在一个趋向于允许所述船只与所述吸力附着元件相对运动的方向上达到一个预定极限时，所述控制装置实时控制以启动选自下述程序的至少任何一个或两个i.控制所述吸力建立装置增加所述吸力；和ii.发出警报。
优选地，所述用于驱动吸力附着元件平移运动的装置是具有沿横向的操作轴的线性致动器。
优选地，所述用于驱动吸力附着元件平移运动的装置是具有沿横向的操作轴的液压线性致动器，并且利用一个检测所述液压线性致动器中的液压力的装置来实施所述法向力测量。
根据本发明的另一个方面，提供了一种船只系泊系统，其用于控制将船只系泊在码头设施上，所述系统包括至少一个系泊机器人，其用于可释放地系紧在所述船只上，所述系泊机器人包含i.紧固在所述码头设施上的固定结构；ii.用于可释放地接合船只平坦竖直表面的吸力附着元件，所述吸力附着元件可移动地布置在所述固定结构上，并且可以相对于所述码头设施在三个正交方向移动，所述三个正交方向是竖直方向、平行于竖直表面法向的第一水平方向、平行于平坦竖直表面的第二水平方向；和iii用于驱动吸力附着元件沿至少所述第一和第二水平方向移动的驱动装置；用于产生代表固定结构与所述吸力附着元件之间在与所述第一水平方向平行的方向上的力的力信号的第一力信号产生装置；用于产生代表固定结构与所述吸力附着元件之间在与所述第二水平方向平行的方向上的力的力信号的第二力信号产生装置；用于产生代表所述吸力附着元件与所述船只之间在所述第一水平方向上的保持张力的力信号的第三力信号产生装置；用于确定所述吸力附着元件与所述船只之间在所述第二水平方向上的剪力保持能力的装置；用于对所述第一和第二和第三力信号产生装置作出响应的响应装置，其中，当出现下述情况中的一个或多个时(a)被所述第一力信号产生装置测量的力达到一个接近于保持张力的预定值；和(b)被第二力信号产生装置测量的力达到一个接近于剪力保持能力的预定值，所述响应装置启动选自下述程序的一个或多个(a)发出警报；(b)增加所述吸力附着元件与所述船只之间的吸力；(c)所述驱动装置改变所述吸力附着元件相对于所述码头设施在一个方向上的加速度/减速度，以降低超出预定值的力，所述力是下述力中的一个或两个i.固定结构与所述吸引附着元件之间在与所述第二水平方向平行的方向上的力；和/或ii.固定结构与所述吸引附着元件之间在与所述第一水平方向平行的方向上的力。
根据本发明的另一个方面，提供了一种系泊系统，其用于将浮动在水体表面上的船只可释放地固定在站点，所述站点紧固在所述水体底部，所述船只承受因风、潮汐、水流、波浪、船只载荷级别、被所述系统驱动着移动等因素中的一项或多项所引起的负载力，所述系统包括至少一个系泊机器人，其包含a)固定在所述站点和所述船只二者中的一个上的基础结构；b)结合在所述基础结构上的吸力附着元件，所述吸力附着元件适于附着在所述站点和所述船只二者中的另一个的表面上并形成连接，所述连接是吸附连接，以形成沿所附着表面的法向的吸附保持力；用于在吸力附着元件与所述表面保持连接关系的状态下确定吸力附着元件的吸附保持力的装置；用于在吸力附着元件与所述表面保持连接关系的状态下确定吸力附着元件与所述表面之间的剪切方向保持力的装置，所述剪切方向保持力(以下称作水平剪切方向保持力)位于水平并且垂直于所述法向的方向上；用于确定选自下面一组的至少一个或多个力的装置a.所述表面沿着平行于所述法向的方向施加在所述吸力附着元件上的力(以下称作张力)；和b.所述表面沿着水平并且垂直于所述法向的方向施加在所述吸力附着元件上的力(以下称作水平剪力)；用于进行下述比较的比较装置
i)所述吸附保持力与所述张力之间比较；ii)所述水平剪切方向保持力与所述水平剪力之间比较。
优选地，当出现下述情况中的一种或两种时i.所述张力达到一个预定极限，该预定极限低于吸附保持力但接近于在趋向于使所述吸力附着元件与所述表面分离的方向上的吸附保持力；和ii.所述水平剪力达到一个预定极限，该预定极限低于水平剪切方向保持力但接近于在倾向于使所述表面与所述吸力附着元件之间沿水平方向相对运动的方向上的水平剪切方向保持力；所述比较装置启动选自下面一组程序中的至少任何一个或多个i.启动一个用于建立并改变所述吸力的装置，以增加所述吸附保持力；和ii.发出警报。
优选地，所述用于在吸力附着元件与所述表面保持连接关系的状态下确定吸力附着元件的吸附保持力的装置包括响应于所述吸力附着元件与所述表面之间在所述表面的法向上的力的传感器，以及响应于来自所述传感器的信号以确定有效吸附保持力的装置。
优选地，所述吸力附着元件借助于连杆机构而可移动地接合所述基础结构，并且系统中设有用于主动驱动所述可变吸力附着元件相对于所述基础结构在平行于所述水平剪力的方向和平行于所述张力的方向上移动的主动驱动装置。
优选地，所述吸力附着元件借助于连杆机构而可移动地接合所述基础结构，并且系统中设有用于主动驱动所述可变吸力附着元件相对于所述基础结构在平行于所述水平剪力的方向上移动的主动驱动装置以及用于用于主动驱动在平行于所述张力的方向上移动的主动驱动装置，当出现下述情况中的一种或两种时i.所述张力达到一个预定极限，该预定极限低于吸附保持力但接近于在趋向于使所述吸力附着元件与所述表面分离的方向上的吸附保持力；和ii.所述水平剪力达到一个预定极限，该预定极限低于水平剪切方向保持力但接近于在倾向于使所述表面与所述吸力附着元件之间沿水平方向相对运动的方向上的水平剪切方向保持力；所述比较装置还启动下述程序通过一个或两个所述主动驱动装置改变所述吸力附着元的速度(加速度或减速度)，以使所述张力和/或水平剪力维持在它们各自的极限下。
优选地，所述吸力附着元件是可变吸力附着元件，其吸力可以通过一个吸力控制装置来改变。
优选地，所述吸力附着元件是真空杯，所述真空杯在与所述表面结合时限定出压力可控内腔；所述吸力控制装置包括真空形成装置，所述真空形成装置与所述内腔流体连通，以控制所述内腔中的压力。
优选地，所述用于在吸力附着元件与所述表面保持连接关系的状态下确定吸力附着元件与所述表面之间的剪切方向保持力的装置可确定出在竖直且与所述法向垂直的方向上的剪切方向保持力(以下称作竖直剪切方向保持力)，并且系统中设有用于测量所述表面沿竖直且与所述法向垂直的方向施加在所述吸力附着元件上的力(以下称作竖直剪力)的装置，用于实现所述竖直剪切方向保持力与所述竖直剪力之间的比较。
优选地，当所述竖直剪力达到一个预定极限时，该预定极限低于竖直剪切方向保持力但接近于在倾向于使所述表面与所述吸力附着元件之间沿竖直方向相对运动的方向上的竖直剪切方向保持力，所述比较装置启动选自下面一组程序中的至少任何一个或多个i.启动一个用于建立并改变所述吸力的装置，以增加所述吸附保持力；和ii.发出警报。
优选地，所述用于确定水平剪力和/或张力的装置包括用于测量对上述力作出的响应的测量装置，以及用于读取所述测量装置以提供信号的读取装置，该信号可被所述比较装置使用。
优选地，所述用于确定吸附保持力的装置包括用于测量对上述力作出的响应的测量装置，以及用于读取所述测量装置以提供信号的读取装置，该信号可被所述比较装置使用。
优选地，所述吸力附着元件是真空杯，所述真空杯在与所述表面结合时限定出压力可控内腔；所述吸力控制装置包括真空形成装置，所述真空形成装置与所述内腔流体连通，以控制所述内腔中的压力；所述用于测量对上述力作出的响应的测量装置是压力传感器，所述压力传感器与所述系泊机器人接合，以测量所述真空杯的内腔与外界大气压之间的压差。
优选地，所述用于测量水平剪切方向保持力的装置是由测量的吸附保持力来计算水平剪切方向保持力的计算装置。
优选地，所述计算装置包括一个表，该表包含依经验收集的吸附保持力变化及相关水平剪切方向保持力，其中所述水平剪切方向保持力可基于表中的数值确定出来。
优选地，所述主动驱动装置包括至少一个液压缸。
优选地，设有用于测量所述吸力附着元件相对于所述基础结构的位移的装置。
优选地，当达到所述吸力附着元件相对于所述基础结构运动的一个或多个极限时，发出警报声音。
优选地，所述吸力附着元件相对于所述基础结构的位移被可视地表示出来。
优选地，所述吸力可通过人工输入来控制。
优选地，所述位移可通过人工输入来控制。
优选地，真空杯可以类似地相对于基础结构在水平且与所述法向垂直的方向上移动；并且利用一个用于主动驱动真空杯沿水平方向移动的装置使真空杯在水平方向上加速/减速，可以实现对水平剪力的控制。
所述用于主动驱动真空杯相对于所述基础结构沿水平方向移动的装置优选为液压缸，其中所述真空杯这样安装在所述固定的基础结构上，即可通过平移运动实现连接。
优选地，所述用于测量张力和/或剪力的装置包括压力传感器，其直接响应于相应的液压缸的操作，以便在被与液压缸的液压力相连的所述压力传感器测量的方向上控制真空杯的位置。
优选地，前面最后提到的液压缸的运动操作轴线是水平的并且与所述法向横贯。
优选地，所述用于测量剪力的装置包括压力传感器，其直接响应于所述液压缸的液压力。
利用本发明的方法对系泊系统进行操作，可以使其性能最大化，降低能量消耗，并且提高安全性。通过在接近能力极限时发出警报，并且将能力以及所承受负载的大小和方向进行反馈，可以使船长采取最适宜的行动，以确保船只在极端情况下的安全。
这里在描述与将要导致相对运动或分离的方向相平行的“方向”时，可以理解为，在相平行的方向所作的移动或测量既可以是指相同方向上的，也可以是相反方向上的。


通过下面参照附图而仅以示例的方式所作详细描述，本发明的其它方面可以清楚地展现出来。
图1是一个俯视图，示出了多个系泊机器人将船只以接合状态保持在码头中；图2是与码头接合的系泊机器人的透视图，示出了真空垫处在准备用于被接收在船身上的状态，并且为了在后文中被引用，真空垫相对于码头的运动轴线被示出；图3是用于本发明的系统并且实施本发明方法的系泊机器人优选实施例的局部图；图4是图3中的系泊机器人的侧视图；图5是图3中的系泊机器人的分解图；图6从一个转动了的角度示出了图5中的系泊机器人；图7以透视图的形式示出了图2所示类型的系泊机器人被施加且可测量的力的受力图；图8是图7的端视图；图9是图7的侧视图；图10是图7的俯视图；图11以透视图的形式示出了受力图，显示了可以对图2所示作为示例的系泊机器人进行力测量的三个正交轴；图12是图11的端视图；图13是图11的侧视图；图14是图11的俯视图；图15是一个透视图，示出了图2中所示类型的系泊机器人的受力图，并且示出了作为示例不直接测量预期轴上的力的结构的几何形状；图16是图15的端视图；图17是图15的侧视图；图18是图15的俯视图；图19是与码头或是与塔架型或柱型系船桩相接合的系泊机器人的替代性结构；图20是图19的侧视图；图21是图19的俯视图；图22示出了图19-21中的系泊机器人配备有附加护板时的情形；图23是图22的前视图；图24是图22的侧视图；
图25是系统元件与船只和系泊机器人之间关系的示意图；图26是可由本发明的系泊机器人提供的力和位移测量的示意图；图27是靠近码头的船只的俯视图，示出了可由系泊机器人测量以确定船只相对于码头的位置的坐标；图28是系泊机器人的透视图，示出了真空垫运动轴线相对于码头的方向；图29是示出了控制中的各个方面的流程图；图30是示出了系统的控制中的各个方面的流程图；图31是更靠近码头的船只的俯视图，其中多个系泊机器人与船身相接合，并且还示出了船只与系泊机器人之间的每个系泊机器人所施加的力的分布；图32-34示出了作为系统一部分的屏幕截取图像；图35是彼此相邻安置的两条船的俯视图，其中船只A具有两个附着的系泊机器人，它们可以与船只B接合；图36是系泊系统的俯视图，其中在系泊机器人处测量的力可以不平行于船只施加在系泊机器人的真空垫上的力；图37是示出了剪力/张力之间关系的受力图，所述关系的数学表达将在后面描述；图38是两条相邻船只的端视图，示出了利用本发明的一个系泊机器人系泊两条船时的替代性结构；图39是一个透视图，所示出了的系泊机器人可以被用于例如图38所示情况中；
图40是本发明的系泊机器人的侧视图，示出了真空垫相对于系泊机器人的固定结构绕Z轴方向的运动自由度；图41是本发明的系泊机器人的侧视图，示出了真空垫相对于系泊机器人的固定结构绕Y轴方向的运动自由度；图42是本发明的系泊机器人的侧视图，示出了真空垫相对于系泊机器人的固定结构绕X轴方向的运动自由度。
具体实施例方式
参看附图的图1、2和3，本发明涉及一种系泊系统，其包括至少一个、更优选为多个系泊机器人100，所述系泊机器人可以是我们的PCT国际申请No.PCT/NZ02/00062中描述的那一种。PCT/NZ02/00062对系泊机器人所作描述被结合在此作为参考。用于本发明的系统中的系泊机器人的其它优选实施例也可以采用，并且在后文中参照图19至21描述一种替代性的形式。或者，系泊系统可以包括固定在船只上的系泊机器人100，以使船只容易系紧在一个固定于船坞110上的支承板或者系紧在另一船只上。虽然这里本发明的最优选实施方式描述的是系泊机器人被固定在码头时的型态，但可以理解，这种系泊机器人也可以接合在固定塔架上，或者用于实现船只对船只系泊。
参看图1，多个系泊机器人100安装在码头或船坞110。码头或船坞位于船只理想系泊的站点或基地，通常被用于装载或卸载货物。
机器人可以例如被固定在船坞的前系泊面112和/或甲板11。图3中的系泊机器人100优选包括至少一个或一对真空杯或垫1、1’，其被维持在基本上平行于前系泊面112所在平面，以与船身接合。在最便利的形式中，真空杯与船只的竖直延伸平面例如左舷或右舷侧船身表面接合。真空杯可以选择性地在机器人的固定结构与将要接合的表面(例如船身)之间提供吸力。
系泊机器人100能够对真空杯1、1’进行三维定位，所述三维在这里称作“竖直方向”、“纵向”和“横向”，也被分别称作Y、Z、X轴。“纵向”指的是与被系泊的船只或船坞前系泊面112的竖直轴相垂直但与其纵轴相平行的方向。
本发明人也知晓与相互垂直的X、Y、Z轴不同的改型三维描述方式，因此，如果需要测量非垂直方向上的分量(尽管不太希望如此)，本发明也可以被调整以适应于这样的改型。
虽然用于系泊系统的系泊机器人可以将真空杯永久性保持在固定位置，但在优选形式中，真空杯可以相对于固定结构移动，从而在真空杯处在接合状态时允许船只移动。为此，图3中的系泊机器人包括用于沿横向移动真空杯1、1’的平行臂连杆机构。该机构包括平行的上下臂2、2’，它们连接在构架113的一对立柱114与一个竖直导向部10之间。臂2、2’固定在构架113上，以允许绕相应的纵向和水平延伸轴线作枢转运动，其中每个臂2、2’被固定在紧固于立柱114上的轴承3上。类似地，枢转连接结构设置在臂2、2’与组件形式的导向部10之间。一个或多个液压缸4用来驱动真空杯沿横向运动，所述液压缸也是可枢转地连接在构架113与导向部10之间。
一个支架11用来与竖直导向部10接合，以控制竖直运动。导向部10是一个组件，其包括一对平行的细长导向元件5、5’，二者由横粱元件6、7和8连接。顶部的横粱元件6上固定着两个液压马达9、9’，二者分别连接着一圈链条20，每圈链条分别平行于相应的一个导向元件5、5’延伸，并且连接着支架11移向其提供升降所需的动力。
作为液压马达的一种替代，可以使用液压缸。液压缸分别连接着相应的一圈链条，以带动链条作适宜的移动。
一个连接着真空杯1、1’的副支架12可滑动地接合着支架11，以使真空杯1、1’纵向移动。支架11包括与导向元件5、5’接合的竖直构槽21、21’和可滑动地容纳着副支架11的纵向延伸轨道22。固定在轨道22中的液压缸23用于使真空杯1、1’纵向移动，液压缸23是双动型液压缸，一个连续活塞杆24从液压缸23的两端伸出。
每个系泊机器人100还包括一个优选安装在构架113内侧的液压动力源以及相关的控制装置。
一个真空泵提供了用于在真空杯1、1’中抽真空的装置。虽然这里参照真空和真空泵进行描述，但下述状态也被认为是可能的，即不是提供完全真空，而只是在常规大气压状态与位于限定在船身和真空杯之间的封腔中的压力之间存在压差，该压差可在真空杯和船身之间建立保持力。因此，不必严格地认为需要提供真空，只要能够提供压差以便通过真空杯向船只施加吸力而建立足够的保持力即可。
下面描述液压和气动真空系统及其相关控制装置的细节。
图3中的系泊机器人允许在竖直方向、纵向和横向上控制真空杯的定位。通过液压缸(或其它致动装置)的动作而沿这些方向实现定位，能够将真空垫定位在预期位置。
参看图1，为了系紧船只，真空杯1、1’在船只200接近时从前系泊面112伸出。真空杯被预定位，以接合船只的平面部分。在最优选形式中，平面部分是船身的一部分。然而，可以设想，真空杯也可以适合于接合船身的非平面部分。另外，虽然在最优选形式中真空杯附着在船身部分上，但可以想象，其它位置的点也可以用于使真空杯附着在船只上。上层建筑的某个部位也可以用于被系泊机器人的真空杯接合。
虽然在最优选形式中本发明描述了系泊机器人固定在海岸上且真空垫吸附在船只上，但也可以采用相反的构造，即系泊机器人构成船只的一部分且真空垫接合一个固定在码头上的表面。作为本发明范围内的另一种替代形式，系泊机器人可以设在一个船只上并且用于接合相邻船只，以建立船只对船只系泊关系。作为示例，可参看图38和39所示的情况。图38和39示出了系泊机器人的一种替代性结构，其可以特别用于只实现将两个船只系泊在一起的目的。系泊机器人280可以从其相对于船只A保持固定的固定结构侧282提供一个真空杯281。液压缸283可以提供用于横向力测量的力源。这种结构/液压装置和几何形状使得船只能够在任何方向上合在系统范围内彼此相对移动/旋转。参看图39，沿方向Z的纵向移动也可实现。
一旦真空杯接触到船，真空杯1、1’即被抽真空以实现向船上的紧固。设有一个包括真空泵的气动系统，真空泵被启动，直至真空杯中达到与外界大气压之间的压差的阈值(例如80％)。在启动系泊机器人100以将船只200向预期系泊位置移动之前，达到适宜的真空级别。虽然真空泵是用于在真空杯中建立真空的最优选形式，其它形式的用于建立真空的方式也可以使用，例如，文丘里系统。
在预期系泊位置到达之前或之后，真空泵可以停止，且一个未示出的真空贮气筒(蓄能器)可以被切换到包含真空杯1、1’的系统中，以维持真空。一旦真空杯与船只200的船身接合，真空垫的竖直控制即被关闭，以使系泊机器人在真空杯的竖直定位中处在被动地位，至少是在真空杯保持固定在船只上时。在因潮汐和船只装载而发生变化时，允许真空杯沿竖直方向相对于码头和相对于系泊机器人的固定结构自由移动。因装载和潮汐状态而导致的船只受力是如此之大，乃至不能期望本发明的系泊机器人不能沿竖直方向对其作出反应。因此，一旦真空杯被接合在船身上，真空杯沿竖直方向的自由浮动状态即被建立。
还可以在平行于X、Y和Z方向的旋转轴上提供真空垫相对于系泊机器人固定结构的一定程度的被动移动。船只左舷和右舷侧之间的载荷差异可能导致船身表面绕Z轴转动。类似地，装在前后的力的差异会导致船身绕X轴转动。因此，可以提供真空垫与系泊机器人的固定结构之间的轭状连接结构。
图40示出的是真空垫可以相对于系泊机器人的固定结构安装成允许真空垫绕Z轴转动。这使得船的侧倾和横倾可以改变。
图41示出的是真空垫可以相对于系泊机器人的固定结构安装成允许真空垫绕Y轴转动。这使得船的平摆和偏转可以改变。
图42示出的是真空垫可以相对于系泊机器人的固定结构安装成允许真空垫绕X轴转动。这使得船的吃水差可以改变。
通过在每个真空杯的背部使用作为万向节的普通球轴承540，可以实现单个真空垫的转动。一对真空垫541和542分别连接着摆动梁543，该摆动梁通过摆动梁销544连接着系泊机器人的支架结构545。
一旦接合到船上，就要对机器人进行控制。在一个方面，所述控制包括真空杯沿纵向和横向相对于系泊机器人的固定结构定位的控制，所述定位优选通过液压缸得以维持，从而控制船只在这些方向上的位置。
系统优选以下述方式操作，即每个系泊机器人100根据因为风、潮汐流、和/或巨浪而造成的负载状态变化将船只在特定的位移极限内维持系泊状态。在到达预期系泊位置后，为液压缸供应动力的液压泵可以停止，一个蓄能器可以被切换到通向液压缸4和23的液压管线中，从而提供出液压缸操作的阻尼弹性被动模式。如果因纵向或横向外力导致离开理想预定系泊位置，则蓄能器会被动增压，以提高液压力，并因此而向液压缸4、23提供趋向于使船只恢复到预期系泊位置的阻力。定位可以由位置指示装置确定出来，作为机器人一部分的位置指示装置将在后面进一步描述。
控制液压缸的主动增压也是优选的，以实现重新定位和/或负载分布。这一点将在后文中描述。
虽然在一个优选形式中在蓄能器被接入之后真空泵或液压泵将被从系统切换出去，但可以设想，在系统接入蓄能器之后，泵仍可以同时保持与系统连接。然而，将泵切换出去的原因之一是降低泄漏率。
船只所受到的最严重的力是水流或风引起的力，这种力是沿横向施加的分力，其作用是使船只200从机器人100分离或相对滑动。
由于沿横向作用在船只上的水流和/或风所引起的船只受力趋向于使真空杯与船只分离，从而可能导致船只离开码头。船只和码头之间的这种拉伸载荷可以被系泊机器人吸纳。这种拉伸载荷的作用是使船只沿着最终导致船只从真空杯突然离开的方向崩脱。类似地，纵向移动可以导致真空杯沿着船身滑动。因此，维持真空杯和船只之间在纵向上的固定关系也是非常重要的。特别地讲，重要的是，需要知道因平行于吸力方向施加在真空杯上的力(出于崩脱的原因)和垂直于吸力方向施加在真空杯上的力(出于滑动的原因)。在最优选形式中，真空杯接合在船只的竖直表面上。这会导致垂直于纵向和竖直方向的水平吸力。下面将探讨纵向保持力(与张力相反的剪力)。首先参看船只可能施加在系泊机器人上的横向负载，特别是在趋向于使船只与系泊机器人分离的拉伸方向上的负载。
横向力包括真空杯与船只之间的张力。为了利用真空杯施加适宜级别的真空以将船只紧固在系泊机器人上，重要的是知道船只向系泊机器人施加的负载。
首先，参看示出了靠近码头的船只的俯视图的图36，重要的是需要认识到系泊机器人600可以设有真空杯601，真空杯601能够提供垂直于被真空杯601接合的船只表面的方向(法向)上的吸力，该吸力并不平行于横向，因此而不平行于真空杯601与系泊机器人的固定结构602之间的被测量的力。然而，由于重要的是需要知道系泊机器人与船只之间在平行于法向的方向上的力，以便确定是否达到在该方向上的保持能力，因此，必须进行进一步的计算以将被测量的力Fm转化为真空杯601受到船只的实际牵引力Fp。为了将被测量的力Fm转化为牵引力Fp，需要测量角度θ。图36在俯视图中示出了牵引力Fp与被测量的力之间的非对正关系，然而，作为以向替代性或附加性特征，不仅仅是绕Y轴，而是作为替代或附加，绕Z轴的角度变化也需要被考虑。对于被真空被接合的船只表面不是基本竖直和/或平行于码头纵向边缘时的情况，这一点特别重要。
真空杯可以以大范围的真空状态操作，以便维持与船只的连接。事实上，当风力或潮汐力沿着将船只推向真空杯的方向施加在船上时，理论上讲，不需要提供真空。然而在拉伸载荷(与压缩载荷相反)作用下，真空需要被施加在真空杯上，以确保在船只与系泊机器人之间维持连接。然而，这种真空不需要以最大可行真空度的形式提供以便在真空杯与船只之间提供最大保持力。通过监视船只施加在系泊机器人上的力，系统在其一方面可以对真空杯的真空实施控制，以将真空维持在足以维持系泊连接的适宜级别。在船只向系泊机器人施加的拉伸载荷超过了一个特定阈值后，真空系统可以操作以增加提供给真空杯的真空度，从而提高真空杯与船只的保持强度。例如，在常规操作条件下，真空可以维持在大约60至80％之间。作为在真空杯与系泊机器人的固定结构之间测量的船只向真空杯施加的拉伸载荷的结果，一旦这种力达到预定极限，真空泵即可启动以提高真空度，并且因此提高张力保持能力。相反，在船只施加到系泊机器人的拉伸载荷下降到低于一个特定阈值(不论是与真空泵的启动阈值相同的阈值或其它阈值)时，真空度可以降低，或者真空泵可以停止。真空度极限可以不同，以便在气动系统的系泊系统结构中提供滞后效果。
在这一阶段，需要单独但适宜地指出的是，真空系统可以不是完全防泄漏的。由于泄漏，真空度可以下降到低于特定的最小阈值(例如，60％)。作为真空压力系统实施监视(在真空杯与船只限定的封腔中)的结果，真空泵可以启动以将真空度提高到预定操作条件(例如，在60％至80％真空度之间)。这样，除了根据船只施加到系泊机器人的拉伸载荷来控制真空度以外，真空压力本身也可以被本发明的系统监视和控制。
在船只发生或需要重新定位的任何情况下，维持真空杯与船只之间的连接也是重要的。系泊机器人优选能够将船只重新定位在新的位置(通过纵向和/或横向位移)。系泊机器人的用于横向和/或纵向定位真空杯的液压缸可以被启动，以便在真空杯与船只接合的情况下移动真空杯。这种移动将导致船只相对于码头的运动。可以理解，具有很大尺寸和很大重量的船只会具有很大的惯性质量，这一点需要在船只被系泊机器人移动时需要考虑。系泊机器人向船只施加的用于移动船只的力需要计入这种惯性，特别是考虑到需要在移动中保持真空杯在这样的状态，即具有足够的真空度以维持在船只上的附着。例如，液压缸4沿着将船只移向码头的方向施加的大的力将导致船只与系泊机器人之间的张力增大，特别是直到这样的状态，即船只沿着指向码头的方向移动的速度增加。船只的加速或减速并因此而造成的负载力增加可能要求真空杯的真空增加，以确保真空杯维持在与船只连接的状态。作为替代或附加特征，加速或减速可以变化，以确保保持能力的极限不被突破。
虽然这里首先描述的是环境施加的或船只运动中产生的横向力，但船只与真空杯之间的纵向力也需要以类似的方式或为类似的目的考虑。因此，虽然下面将对横向力进行描述，但可以理解，这种力也可以是潮汐或风负载而施加在船只上的，或者是船只沿纵向被机器人移动而产生的。
为了确定船只与真空杯之间的拉伸载荷是否超过了可能导致连接故障的最大值，对至少横向上的负载进行监视是重要的。对这种力进行监视以确定是否达到预定极限还能够实现在达到极限之前发出声音警报，以便采取紧急行动，例如，确保实施附加的紧固措施，以保持将船只系紧在码头上和/或增加或再分布真空和负载力。
如前所述，这里首先介绍如何确定可被本发明的系统监视的横向力(或者，参看图36，该横向力平行于在与被真空杯接合的表面相垂直的方向上施加的吸力或压力)。在最优选形式中，并且参看图3，船只与系泊机器人之间的横向力是这样监视的，例如，通过检测液压缸4中的液压力。参看图25，压力传感器60连接着用于控制真空杯横向定位的液压缸4的压力管线。通过用液压缸4中的压力传感器60测量液压力，可以确定施加在液压缸4上的力。在液压缸沿大致水平方向和垂直于纵向启动时，通向液压缸4的液压管线中的压力与船只施加到系泊机器人的横向力成正比。参看图7至图10，可以看到，沿横向延伸的液压缸4的驱动力平行于横向X施加，因此，液压缸4中的液压力可以只加添加到船只向系泊机器人施加的力Fx。对于液压缸4相对于横向X的位置可以变化的情况，例如图3和4或图36中的系泊机器人的情况，液压缸4的操作轴线相对于横向X的角位移信息同样需要确定，以便将传感器60测量到的液压力转换成沿横向X的力。参看图15至17，可以看到，液压缸4可以设置在相对于X方向具有角位移A的方位。通过简单的勾股定理计算，有关液压缸4的液压力以及由此计算得出的力的信息可以被求出，以确定力船只沿横向作用在系泊机器人上的力Fx。参看图4，通过真空杯1沿横向X的位移，可以导致液压缸4的操作轴线与横向X之间的角度的变化。真空杯从码头伸出的越多，角位移越大。然而，由于系泊机器人的固定结构113与移动结构10之间的枢转点是已知的，因此液压缸伸出距离的测量值可以用于计算液压缸4的操作方向与横向X之间的角度。通过简单的计算，可以利用传感器60测出的液压缸4的液压力来求出横向力X。类似地，绕枢轴例如轴承3从固定结构开始摆动的元件102的重量也可以作为一项系数加入方程中，以将液压缸4的压力在横向力的方向上分解。液压缸4伸出得越远，元件102的重量对液压缸4的影响越大。或者，也可以提供角度测量装置。
在图19至23所示的系泊机器人的结构中，用于沿横向移动真空垫的液压缸保持平行于横向，液压缸没有角位移，因而不需要上述附加的计算步骤。
除了要确定系泊机器人与船只之间的横向力以外，还希望知道系泊机器人与船只之间沿方向Z的纵向力。这种力趋向于在真空杯1与船只200之间产生剪力。重要的是，通过在真空杯与船只之间维持强真空以防止船只沿纵向相对于真空杯移动，可以确保抵抗剪切方向上的力。如果上述移动发生，则真空杯相对于船只的滑动将容易最终导致船只与真空杯之间脱离。
类似于船只被系泊机器人带动着沿横向的任何运动，同样重要的是知道在船只被系泊机器人沿纵向移动时船只与系泊机器人之间的力。重要的是确保上述力不超过一个极限，超过该极限已知会引起真空杯与船只之间的连接发生剪切故障。
在图3所示的系泊机器人中，并请参看图5所示的它的分解图，真空杯沿纵向的定位控制是由液压缸23实现的。液压缸的一部分结合在系泊机器人的固定结构上，另一部分结合在可与真空杯一起沿纵向移动的结构上。液压缸23的启动将导致真空杯沿纵向移动。
以类似于沿横向的力的测量方式，对沿纵向的力的测量可以通过确定液压缸23的液压力来实现。参看图26，压力传感器62可以用于确定施加在液压缸23上的压力，以便确定沿纵向Z的力。在图3所示的系泊机器人的结构中，液压缸23在所有情况下均保持沿着平行于纵向的方向作用。因此，压力传感器62确定出的压力保持与船只施加到系泊机器人的纵向力呈正比。在这种优选结构中，没有液压缸相对于纵向Z的不对正因素需要被考虑。
压力传感器62检测到的压力优选被发送到处理单元，以便用于计算和评估，以及用于监视和补偿。下面将对这种监视和控制进行描述。
用于驱动液压缸23移动的液压系统(对于液压缸4而言也是如此)可以在需要和/或适宜的情况下切换到系统的蓄能器回路中，以使液压缸23以被动模式操作。在这种被动模式，液压缸针对真空杯沿纵向Z的任何移动而以类似于弹簧的方式操作。优选设置一个线性传感器63，以确定真空杯沿纵向相对于系泊机器人的固定结构的位移。线性传感器项处理单元反馈位移信息，该处理单元被构造为可控制液压缸23的启动，例如在真空杯的位移接近规定极限时。在这种情况下，连接着液压缸23的液压系统可以从蓄能器回路切换出来，并且切换到一个泵回路中，以适宜地增加供应给液压缸23的液压力，从而确保将真空杯沿纵向的位移维持在预期极限内。
参看图26可以看到，可以对用于将真空杯沿竖直方向移动的液压缸64进行类似的液压力测量，然而，这种测量的作用较小，这是因为，如前所述，在操作中系泊机器人将被允许作这种竖直运动，从而基本上不受液压缸64的液压控制。还优选在系泊机器人的固定元件与沿竖直方向移动以确定真空杯竖直移动位置的元件之间设置一个线性传感器65，以确定真空杯相对于系泊机器人的固定结构的定位。沿竖直方向的剪切方向力因此而也可以被测量。
参看图7至10，可以看到由液压缸4和23中的液压力测量出的力Fx和Fz是如何被用于确定系泊机器人的总力Fxz的。同样，如果除了测量液压缸44和23中的液压力，还需要通过确定压力来计算液压缸64施加的力，那么可以确定出作为力Fx、Fy和Fz的矢量和的力Fxyz，例如，图11至14中所示的情况。然而，较为重要的是确定总力的分力Fx、Fz(以及优选但重要性较低的Fy)，以确保真空杯在每个分力方向上的已知极限不被超过。真空杯在方向X和Z上的保持力容易确定出来(基于数学计算或经验)，而且沿所述分力方向作用的力需要被得知，以确保不会达到所述保持力的最终极限。
真空杯的真空压力优选通过压力传感器66确定，例如，图26所示的压力传感器，而且压力信息被反馈到处理单元以进行适宜的处理。
参看图37，图中的受力图剪力与真空连接力之间的关系。真空垫380接合在船身381上。图37中所用的术语具有下述定义Fp＝船只与系泊机器人的固定结构之间的牵引力；Fv＝真空连接力；Pa＝大气压；Pv＝真空压力；Fs＝可用剪力保持能力。
参看图37，真空连接力Fv＝(Pa-Pv)×(真空杯的有效横截面积)。
牵引力Fp＝被测量出的与进出液压力相关的力(或由应变仪等确定出的力)。
因此，剪力保持能力Fs是剩余的连接/法向力Fn以及真空垫与船身之间摩擦系数m的函数。因此，可以表达为Fn＝Fv-Fp
Fs＝mFn。
摩擦系数m可以通过实验确定，并且通常是在委托制作系泊系统的过程中确定的。对于Fv的一定范围内的剪力保持能力，可以建立一个数据表。基于被真空垫接合的表面的特性，可能会出现一些变化。
除了监视船只沿横向X施加到系泊机器人的力以外，船只相对于系泊机器人的固定结构和/或码头的位置也要被确定。当船只相对于系泊机器人的固定结构移动超过特定极限后，蓄能器可以从液压缸4的液压系统切换出来，并且泵可以适宜地启动，以将真空垫以及船只沿横向移动和维持在一定范围的位移极限内。这种位移可以例如通过测量液压缸4的伸出距离而测量出来，同样，纵向位置控制也可以被实施公知的位移测量装置可以用于此目的。其中包括光学或激光测量元件或线性传感器。目前还有一种可用系统能够读取液压缸轴上的“标记”，它的工作方式与电子游标相同。沿横向的位移测量值(例如通过线性传感器61)，正如压力传感器60的液压力的测量值哪样，被发送到中央处理单元。借助于船只沿横向相对于系泊机器人的固定结构的位移信息，并且借助于系泊机器人的固定结构与船只之间的力的信息，可以利用本发明的系泊机器人实现对船只状态的显著高级别的控制和监视。
另外，参看图26，设有船身接近传感器67，它们可以在系泊机器人与船只之间系泊接触的初步阶段中被使用，以避免在真空垫向船只施加时出现突然或大的冲击力。船身接近传感器67提供的接近信息可被发送到中央处理单元，以便通过液压缸4和/或23和/或64的适宜启动来控制真空杯的定位，以使真空杯与船只之间建立轻缓的接触。虽然在图26中液压泵/液压蓄能器和阀68被大致地示出，但液压领域的技术人员可以以适宜的形式设置它们。类似地，真空泵/液压蓄能器和阀69也在图26中被大致地示出。
参看图19至21，图中示出了系泊机器人100的一种替代性结构。本例中的系泊机器人包括四个真空杯1，它们被结合在码头上的结构例如码头的前表面112和码头的甲板113支撑着。一个竖直移动支架81用于将真空杯1安装在竖直延伸轨道82上，以使真空杯可沿竖直方向运行。一个副支架83设置在支架81上，以使副支架以及真空杯1沿纵向在轨道82之间运行。液压缸和一个支承结构84优选被设置成允许真空杯1沿横向从支架81和副支架83移动。如图19至21所示的真空杯1沿横向相对于系泊机器人的固定结构100的移动优选由液压缸提供。类似地，沿纵向的移动也是由液压缸提供的。在这种结构中，沿竖直方向的移动并不是必须由液压缸提供，而是还可以由齿条和齿轮或类似结构提供，以实现真空杯沿竖直方向的移动。用于驱动横向和纵向移动的液压缸优旋接合在压力传感器上(与参照图3描述的系泊机器人具有类似的目的和类似的结构)，以便能够确定船只沿纵向和横向施加到系泊机器人的力。图22至24通过附图标记180表示的阴影区域示出了本结构中系泊机器人为安置真空杯而在包络面180中运动的自由度。
图35示出了以永久方式接合在船只A上的两个系泊机器人，其中真空杯251布置在船只A的侧面，以便呈现出来而与船只B接合。在最优选形式中，真空垫以下述状态延伸，即吸力N是基本水平的并且垂直于船只B的将要被真空杯251接合的表面252。在最优选形式中，真空杯接合船只B的一个基本竖直延伸表面。
参看图31，在某些情况下，多个系泊机器人之间的负载分布可能不相等。实际上，可能会有系泊机器人处在或接近最大张力保持能力。在这种情况下，系统可被操作或者可自动操作，以使多个系泊机器人中的各个机器人的负载再分布。参看图31，可以看到，靠近船头的机器人的横向力量级大于靠近船尾的机器人。这可以是不同的风或潮汐流的结果，并且对于给定的系泊设施而言，是很容易想到的。其成因可能是海面风被码头上的大型建筑阻挡，并且船头受到大的风负载，以迫使船头离开码头。通过对所有系泊机器人的受力进行监视，可以建立与距码头的距离相关的负载分布图。参看图31，对各个机器人进行负载再分布可以这样实现，例如，利用系泊机器人2和3增加指向码头的横向力从而降低沿横向背离系泊机器人1的负载。通过单个系泊机器人沿横向移动例如移向码头而进行力的再分布也可以通过增加系泊机器人真空杯的真空力而实现。在图1所示的例子中，系泊系统包括至少两个系泊机器人用以接合靠近船头的部位，以及两个系泊机器人用以接合靠近船尾的部位；如果施加在后一组系泊机器人中的一个系泊机器人上的横向力超过一个阈值，而且后一组系泊机器人中的两个系泊机器人具有相同的保持能力，则通过启动后一组系泊机器人中的另一个系泊机器人来增加其施加的横向力，以均匀地分布由每个机器人施加的相应横向力。
类似地，每个系泊机器人沿纵向的负载分布图可被确定。可以使一个系泊机器人读取船只与系泊机器人之间的接近机器人真空杯的剪力保持能力的纵向力。系泊系统的相邻机器人在它们各自的真空杯剪力方向保持能力极限内操作，以使其它机器人能够沿着使接近剪力方向保持能力的系泊机器人纵向负载减小的方向移动。这种运动可以与增加真空压力相组合，以进一步提高剪力保持能力。
在得到了所有来自系统收集数据的输入后，一个PLC能够控制和/或分布每个单元的剪力/纵向能力。由于每个单元之间的Fp可能会不同(参看例如图31)，因此系统可以使液压缸纵向(Z方向)的压力最优化，以提供所有单元在Z方向上的最佳保持力。在Fn的能力允许的前提下，上述情况也可以与将船只保持在护板50上相组合。
如图1所示，图中所示系泊系统的实施例包括两对系泊机器人100，每个机器人分别具有独立的液压和真空供应源，机器人100安装在相隔布置在船坞12前表面上的能量吸收护板50之间。系统可被操作或者可自动操作，即当施加在机器人100上的力的纵向分力超过了Z方向保持能力的极限时，机器人100被控制着推压船只200的船身与护板50接合。换言之，由于剪力开始接近其能力极限，而此时有足够的横向保持能力，因此各单元可使船只向护板后退，以提供更大的纵向摩擦保持能力，并因此而增强系统的剪切保持能力。由于这样做具有降低横向能力的作用，因此这种程序的使用具有很大的局限性。
一些系泊设施可能只需要使用一个系泊机器人，其位于或朝向船头或船尾，而船只的另一端通过其它措施相对于码头或设施限定。例如，滚装滚卸船可能常常在船尾相对于设施系泊在码头的槽形区域中，该船尾通常设有滚装/滚卸桥。由于船只的这一部分被俘获在槽形区域中，因此本发明的系泊机器人可以设置成位于或朝向船头。这种情况也显示于例如图36。
关于系统的监视和控制，每个系泊机器人100通过通讯装置(例如无线方式)连接着船只200上的遥控单元。遥控单元向每个系泊机器人100发送信号，以控制其位置和操作，并且接收反馈的实际位置上的力和真空压力信息，包括至少横向上的系泊负载的大小和方向。通过在船只的驾驶室显示该信息，船长可以采取措施以减小或再分布负载，并且接收通过采取这些措施而获得效果的及时反馈。
在大多数情况下，系泊机器人100的操作是协调的，例如，在船只系泊和解缆时，或是在进行竖直或水平步进运动时，如结合在此作为参考的WO 0162584中所描述。通过液压缸4、23中的液压力和真空杯1、1’中的真空度的监视，可以调节系统的性能，以实现最佳使用每个系泊机器人100。
在常规条件下，如果系泊机器人100接近其竖直运行极限，则系统启动一个步进顺序，以便以步进的方式交替移动每个系泊机器人100；然而，在高度加载状态，需要避免步进以确保船只安全。参看图29，显示了一个基本控制回路，描述的是当系统需要移出Y方向范围时一个单元在竖直方向上的重新定位过程(即竖直步进)。可以看到，如果负载太大而不能使一个系泊机器人脱开，则不会实施脱开。相反，警报会发送给船只/岸上人员，以使其采取适宜的行动。
在船身相对于护板50自由时由每个系泊机器人100施加在船只200上的总系泊力是由固定在液压缸4和23上的传感器分别测量到的横向和纵向分力的合力。在得知了总系泊力的量级和方向后，船长能够确定任何情况下的最佳反应。
优选地，真空杯中的真空度以及由液压缸4和23的压力测量值确定出的系泊负载和方向随时间变化的特性被监视和记录。其它数据，包括真空杯的位置，也被监视和记录。作为一种选择，风以及水流速度和方向等的环境测量值也同时被监视和记录，以便积累船只的特定数据而用于负载预测。
本发明的系统可以实现系泊过程的完全自动化，而不需要涉及人工输入的手工调节。系统可以在船只与一个或多个系泊机器人接合的状态下测量船只的位移，以确定离开预编程基准位置的距离，并因此而可将该距离与使用者设定的许用值作比较。系统通过液压致动器而提供了对抗纵向和横向力的途径，液压致动器可响应于线性传感器提供的信息而被启动，以使船只恢复到其原始位置或位于预定的位移包络线内。系统还提供了主动引导船只到达预编程位置或将船只重新定位到不同位置的途径。在位于港口中时，船只可能经常要求沿着码头相对于岸上坡道、散料装载/排放装置或集装箱岸吊等移动。本发明允许这种移动发生，并且能够通过系泊机器人来确定和维持船只的位置和紧固程度，以实现完全控制。为了保持船身离开护板和其它码头结构，并因此而减小可能导致油漆磨蚀和机械磨损的接触损失，利用本发明的系统对船只进行横向控制也是重要的。
系统能够直接对由潮汐流和风负载在多个平面上引起的施加在船身上的力进行不间断测量。此外，系统能够确定竖直力，以及确定竖直行程。通过将可被本发明的系统测量的所有值中的一些相组合，使得总体力和位移能够被连续且及时地计算和监视。当系统接近其保持能力时，可因接近其相应真空杯保持能力极限的每个机器人中的拉伸载荷确定出来，从而发出警报，以使船长能够采取紧集行动。作为一种选择，船长可以在警报级别以下的一定级别处设置“提醒”信号。
为了确保码头与船只之间的整体连接得以维持，这种信息还可以被用于统计学分析，并且可以被联系起来确定环境状态，例如风和巨浪状态，所述环境状态可以在将来被用于构造特定的系泊设施或是本发明的用于特定船只的其它系泊设施。通过知晓气候条件并且收集特定船只在特定港口中的系泊性能的统计学信息，本发明的系泊系统可以被构造成适合于将来在特定的环境条件下系泊特定的船只。可以理解，某些船只因具有较高的风阻特性而会承受较高的负载力。特定的系泊系统可以在接收已被收集了先前数据的船只之前被构造成这样的状态，即其将来能够根据开始系泊时的环境条件而维持与船只之间的整体系泊关系。系统因此而能够产生有关历史环境情况及其对特定船只的所产生结果的数据库，这可以在将来被用于在船只的初始系泊阶段适宜地初始构造系泊系统。作为示例，公知的是，在速度为20节的海绵风的情况下，船只施加在系泊机器人上的拉伸载荷要求真空杯以90％的真空状态操作，这可能超出了真空杯的初始标准操作条件。在知道了风速后，在随后在系泊设施处对船只进行系泊操作时，真空杯可以被立即购造成以90％的真空状态操作。系统可以被构造成使得船只上的人员对系统具有完全的自主权。每个系泊机器人的位移和力的信息以及总负载和位移状态可以被本发明的系统监视和以图表的形式显示。警报系统以及连续监视的数据通过条形图或其它图表的形式显示在计算机屏幕上，以显示整个系泊设施以及单个机器人上的力和位移的大小。
虽然这里在很大程度上参照系泊机器人进行了描述，但可以理解，船只在所有可能的状况下均可通过至少两个系泊机器人而被紧固在码头中，其中在船只的每端或朝向每端分别优选设有至少一个系泊机器人。从船只与每个系泊机器人之间的关系获取的数据可被收集和组合，并在需要时提供总体系泊状态。
收集的数据优选以图表的形式展现出来。图32至34示出了屏幕截取图像，它们作为本发明的一部分用于表示可被显示的各种信息。
图32示出了承载单元状态的屏幕截取图像，其提供了单元性能和细节。用于每个单元的摘要屏幕(summary screen)显示沿X、Y和Z方向的负载、负载能力、t在X、Y和Z方向的位置，船身距离检测数据和真空级别。屏幕截取图像中的区域300显示的是系泊机器人的每个真空垫的真空级别的条形图，区域301显示的是每个真空垫的真空级别的数字值，区域302显示的是单元的剩余保持能力的条形图，相邻的是相应的数字值。区域303示出了真空垫的接近传感器状态，其中每个真空垫配备有两个接近传感器。区域304示出了系泊机器人对船只施加力的单元。区域305示出了系泊机器人在沿横向定位真空垫时的伸出长度，区域306示出了真空杯的上下位移。显示位移和力的图形条可以被彩色编码，并且随着接近该特定参数的预定极限，颜色从绿色变为橙色，再变为红色。系统可以对这些极限预编程和/或可以将其作为变量来调节。在图32中，QS1、QS2、QS3和QS4指的是四个系泊机器人，它们沿着码头布置，以便将船只系泊在码头中。通过按下相应单元的按钮，该特定单元的数据将被显示。
图33是用于显示整个系泊系统中的一个系泊机器人的在一段时间内的记录数据的屏幕截取图像。一个或多个系泊机器人或整个船只相对于码头的力和压力变化可以被显示。除了显示来自各个单独单元的数据以外，可以设置摘要屏幕，例如图34所示，以显示所有单元的总体系泊能力，从而使得操作人员仅仅扫视一下就能够作出基于信息的决定。另外，图34中的屏幕截取图像在区域310中示出了用于执行一系列作业的按钮。
区域901示出了单元1和2沿横向施加在船只上的力，区域902可以显示单元1和2的横向位置，区域903可以显示单元1和2的横向负载(单位为公制吨)。
区域904可以显示单元1和2被使用的横向保持能力的比例，区域905可以显示与区域901至904相同的信息，但显示的是单元3和4。区域906是泊位图，区域907示出了单元3和4被使用的纵向保持能力的比例，区域908示出了单元3和4的纵向负载(单位为公制吨)。
区域909示出了单元3和4沿纵向施加在船只上的力，区域910示出了单元3和4的纵向位置。区域911示出了有关单元1和2的那些与区域907至910所示类似的信息。
参看图25，图中示出了本发明系统的组成部件的优选布置的示意图，可以看到，从系泊机器人收集的数据被一个岸基PLC处理。该PLC可以连接到一个工业PC，以便借助于该PLC进一步处理数据和/或控制系统。本发明系统的岸基部件可以提供用于与船只联系的无线电通讯装置，当然，作为一种替代，这种通讯装置也可以是硬连线通讯装置。岸基PLC收集的数据可以被传送到船只，在此可以显示被岸基系统处理后的信息，和/或可以对来自岸基系统的数据进行进一步处理。船基PLC和/或PC可以提供任何附加的处理，以及能够显示相关信息。来自岸基或船基PC的任何输入可以被传送到岸基PLC，以主动控制每一单个系泊机器人提供的定位和力和真空杯的真空度，以确保系泊机器人与船只之间维持理想的连接。在最优选形式中，来自系泊单元的所有反馈均被传输到岸基PLC，然后，适宜的数据被发送以便显示于岸基和船基PC上。所述PLC对反馈作出评估，并且指令每个单元根据需要作出响应。反馈包括来自线性传感器或类似装置的X、Y和Z方向的线性位置和/或来自每个液压缸上的压力传感器的X、Y和Z方向的力。作为一种替代，可以使用应变仪，应变仪可以在适当的位置安置在各单元中，以确定力。例如，图30示出了显示了一个基本控制回路的流程图，该基本控制回路用于将船只保持在X-Z平面内的预定系泊范围内。如果船只在范围之外持续一段时间，并且系泊单元达到保持能力和/或移动范围的极限，则警报会被发送给船只/岸上人员。横向力、真空吸力和警报信号可被发送(例如发送至中心监视站或港口主管机关)，以提供对系泊机器人性能的远程监视。
PLC将信息转换成代表力的数值，并将其显示在PC上。每个真空垫中的真空级别以及接近程度信息也可以被处理和以图表的形式显示。船基PC或岸基PC均可以被用于控制系泊单元，以使每个系泊单元具有适宜的安全性。宏控制指令可被提供保且可以包括a)在船只到达时执行启动程序，b)系泊船只，c)将船只解缆，d)解缆并且推动船只，以使船只启航时具有离开泊位的初始动量，e)将船只向前移动一段特定的距离，f)释放各个单元并将它们且停放在关闭模式。
系统也可以提供可使系统发生动力耗损的操作步骤。在这种情况下，系统通过真空杯保持附着在船只上，直至真空杯内的压力接近大气压，在此过程中保持能力会下降，例如，由于系统的泄漏。然后，回路中的气动和真空阀可以回到它们的关闭状态，所述关闭状态可以使得真空在真空杯中维持最长时间。在它们的关闭状态，阀将可能导致系统泄漏的元件特别是气动和真空泵从回路中移除。在动力耗损模式，液压蓄能器被切入回路中，以使系统在X-Y平面中保持其柔性和弹性。在这种模式下，恢复力只与位移成正比，而与时间无关。
由于本发明使用了不可压缩流体，并且可以由该流体实施力测量，因此有关与船基计算机之间传送信息的反应时间可以加快。本发明的系统可以提供力和位移的实时绝对值。
虽然系统的操作可以以连续主动的模式控制系泊机器人的位置，但有的时候对于系泊机器人来说，将致动器控制的反应平均化可能更为适宜。在这种方式下，不需要对系泊机器人提供连续主动控制，而是只在下述阶段进行控制，即真空杯从预定正常位置的离开已经经过了任何特定时段，该特定时段位于对真空杯进行主动控制以将其恢复到位移范围极限内之前。
权利要求
1.一种船只系泊系统控制方法，所述系统包括至少一个系泊机器人，用于将浮动在水体表面上的船只可释放地系紧在站点，所述系泊机器人包括吸力附着元件，吸力附着元件可移动地结合在所述系泊机器人的基础结构上，所述基础结构固定在所述站点；所述吸力附着元件可释放地接合船只表面，以将船只系紧在所述站点，系泊机器人使吸力附着元件相对于基础结构作主动平移运动，以使船只沿着从下述两个方向中选择的任何一个或两个方向移动(i)横向；和(ii)纵向；在通过使船只表面被吸力附着元件接合并且在所述船只与所述系泊机器人之间建立起吸力而使船只与系泊系统连接之后，所述方法包括(a)测量船只表面与吸力附着元件之间的吸力，以确定在至少一个下述方向上的保持能力(i)与吸力方向平行的方向；(ii)与吸力方向和水平方向垂直的方向；和(iii)与吸力方向和竖直方向垂直的方向；(b)至少在选自下述方向中的一个或多个方向上测量吸力附着元件与系泊机器人的基础结构之间的力(i)与吸力方向平行的方向；(ii)与吸力方向和水平方向垂直的方向；和(iii)与吸力方向和竖直方向垂直的方向；(c)监视吸力与步骤(b)中测量的力之间的关系，如果步骤(b)中测量到的在趋向于允许吸力附着元件与所述船只之间相对运动的方向上的一个或多个力接近于在趋向于允许吸力附着元件与所述船只相对运动的方向上的基于吸力的保持能力时，则触发警报。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述吸力附着元件是可变吸力附着元件，并且所述方法还包括当步骤(b)中测量的任何一个或多个力达到一个趋向于允许可变吸力附着元件与所述船只之间沿着平行于所述被测量的力的方向相对运动的预定极限时实施控制，以便响应于步骤(b)中测量的力来增大船只表面与可变吸力附着元件之间的吸力。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述吸力附着元件是可变吸力附着元件，并且所述方法还包括当步骤(b)中测量的任何一个或多个力达到一个趋向于允许可变吸力附着元件与所述船只之间沿着平行于所述被测量的力的方向相对运动的预定极限时实施控制，以与步骤(b)中测量的力成正比的方式增大船只表面与可变吸力附着元件之间的吸力。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述吸力附着元件是可变吸力附着元件，并且所述方法还包括当步骤(b)中测量的任何一个或多个力达到一个趋向于允许可变吸力附着元件与所述船只之间沿着平行于所述被测量的力的方向相对运动的预定极限时实施控制，以便在步骤(b)中测量的力达到预定范围的最大极限时增大船只表面与可变吸力附着元件之间的吸力。
5.如权利要求1至4中任一所述的方法，其特征在于，利用由传感器产生的信号来连续监视和确定在步骤(b)中测量的吸力附着元件与基础结构之间的力，所述由传感器产生的信号被可视地显示于船只上，以指示船只与所述系泊机器人的固定结构之间的力。
6.如权利要求1至5中任一所述的方法，其特征在于，所述系统包括多个彼此相隔的系泊机器人，每个系泊机器人分别设有用于与船只表面接合的吸力附着元件，并且利用由传感器产生的信号来连续监视和确定在步骤(b)中测量的吸力附着元件与每个系泊机器人的基础结构之间的力，所述由传感器产生的信号被可视地显示于船只上，以指示船只与所述系泊机器人的固定结构之间的力。
7.如权利要求1至6中任一所述的方法，其特征在于，所述系统包括多个彼此相隔的系泊机器人，每个系泊机器人分别设有用于与船只表面接合的吸力附着元件，所述方法还包括当步骤(b)中测量的一个所述系泊机器人的任何一个或多个力，也就是趋向于允许吸力附着元件与所述船只之间沿着平行于所述力的方向相对运动的力，接近于可变吸力附着元件在任何所述被测量的力的方向上的保持能力时，至少一个其它系泊机器人被控制以将其吸力附着元件相对于所述固定基础结构沿一个方向移动，以改变其吸力附着元件与基础结构之间的在与该方向相反的方向上的力，从而减小前述一个系泊机器人的吸力附着元件与基础结构之间的沿该方向的力。
8.如权利要求1至7中任一所述的方法，其特征在于，所述系统包括多个彼此相隔的系泊机器人，每个系泊机器人分别设有用于与船只表面接合的可变吸力附着元件，所述方法还包括当步骤(b)中测量的一个所述系泊机器人的任何一个或多个力，也就是趋向于允许吸力附着元件与所述船只之间沿着平行于所述力的方向相对运动的力，接近于可变吸力附着元件在任何所述被测量的力的方向上的保持能力时，至少一个其它系泊机器人被控制以增大其吸力。
9.如权利要求1至7中任一所述的方法，其特征在于，每个吸力附着元件与船只表面之间的吸力被测量，并且与被测量的吸力相对应的信号被发送，以便显示于船只上。
10.如权利要求1至9中任一所述的方法，其特征在于，所述吸力附着元件与船只表面之间的吸力并且与被测量的吸力相对应的信号被发送，以便与步骤(b)中测量的力进行比较，当步骤(b)中测量的任何一个或多个力达到致使所述吸力附着元件与所述船只之间相对运动所需的力的一定比例时，将触发警报，其中所述保持力取决于被测量的吸力。
11.如权利要求1至10中任一所述的方法，其特征在于，所述吸力附着元件与船只表面之间的吸力并且与被测量的吸力相对应的信号被发送，以便与步骤(b)中测量的力进行比较，当步骤(b)中测量的任何一个或多个力达到与致使所述吸力附着元件与所述船只之间相对运动所需的力(保持力)相对应的一个极限时，将增大吸力，其中所述保持力取决于被测量的吸力。
12.如权利要求1至11中任一所述的方法，其特征在于，所述吸力附着元件的类型为用于与所述船只的平表面相接合，且其吸力只沿法向作用于所述平表面上，其中每个吸力附着元件与平表面之间的吸力被测量，并且与被测量的吸力相对应的信号被发送，以便与步骤(b)(ii)中测量的力进行比较，当由被测量的吸力确定出的在一个方向上的力，也就是趋向于导致所述吸力附着元件与所述船只沿着平行于步骤(b)(ii)中测量的力的方向相对运动的力，接近于所述吸力附着元件与所述船只的保持能力时，触发警报。
13.如权利要求1至12中任一所述的方法，其特征在于，所述吸力附着元件的类型为用于与所述船只的平表面相接合，且其吸力只沿法向作用于所述平表面上，并且所述吸力附着元件是可变吸力附着元件，其中，每个吸力附着元件与平表面之间的吸力被测量，并且与被测量的吸力相对应的信号被发送，以便与步骤(b)(ii)中测量的力进行比较，当一个方向上的达到一个预定极限的力，也就是趋向于导致所述吸力附着元件与所述船只沿着平行于步骤(b)(ii)中测量的力的方向相对运动的力，接近于所述吸力附着元件与所述船只的保持能力时，增加吸力。
14.如权利要求1至13中任一所述的方法，其特征在于，当系泊机器人与船只之间的位于与步骤(b)(ii)中测量的力相平行的方向上的力，也就是趋向于导致所述吸力附着元件与所述船只分离的力，超过第一阈值时，系泊机器人采取安全模式，其中船只表面与吸力附着元件之间的吸力变为最大吸力。
15.一种船只系泊系统，包括固定在站点的至少两个系泊机器人，所述站点由一个固定或浮动结构构成，每个系泊机器人包括吸力附着元件，吸力附着元件可移动地结合在所述系泊机器人的基础结构上，所述基础结构相对于站点固定，所述吸力附着元件用于可释放地接合布置在左舷或右舷侧的基本竖直延伸的船只表面，以将船只系紧在所述站点，所述吸力附着元件可沿其附着的所述船只表面的法向施加吸力；以及用于在所述船只与所述吸力附着元件之间建立吸力的吸力建立装置；其中，每个系泊机器人包括用于驱动吸力附着元件至少沿着从横向和纵向二者中选择的任何一个或两个方向相对于基础结构移动的吸力附着元件驱动装置；对于每个系泊机器人，所述系统还包括(a)用于测量吸力附着元件与船只之间在平行于所述法向的方向上的吸力以提供吸力能力读取值的吸力测量装置；和(b)用于测量所述吸力附着元件与所述系泊机器人的基础结构之间在下述方向中的至少一个或多个上的力的力测量装置i.与所述法向平行的方向，以提供法向力读取值；ii.水平且与所述法向垂直的方向，以提供水平剪力读取值；和iii.竖直且与所述法向垂直的方向，以提供竖直剪力读取值；(c)用于监视所述吸力能力读取值与所述法向力读取值、水平剪力读取值、竖直剪力读取值中的一个或多个之间的关系以提供一个或多个系泊状态读取值的监视装置；(d)用于根据所述系泊状态读取值控制每个系泊机器人的控制装置，当法向力读取值、水平剪力读取值、竖直剪力读取值中的任何一个或多个在趋向于允许在所述船只与所述系泊机器人的所述吸力附着元件之间相对运动的方向上达到所述吸力附着元件在该方向的保持能力的预定极限时，所述控制装置实时控制以启动选自下述程序的至少任何一个或多个i.控制所述吸力建立装置增加所述吸力；ii.发出警报；和iii.使至少一个其它系泊机器人的吸力附着元件相对于所述固定基础结构沿一个方向移动，该方向与趋向于允许所述船只与所述系泊机器人的所述吸力附着元件之间相对运动的方向相反，以增大所述至少一个其它系泊机器人的负载力，并且减小前述系泊机器人在所述趋向于允许所述船只与所述系泊机器人的所述吸力附着元件之间对运动的方向上的负载力。
16.如权利要求15所述的船只系泊系统，其特征在于，所述吸力附着元件是真空垫或真空杯；所述用于在所述船只与所述吸力附着元件之间建立吸力的吸力建立装置是与所述真空杯流体连通的真空系统，并且包括真空发生器(优选为真空泵)。
17.如权利要求15或16所述的船只系泊系统，其特征在于，设有用于接合在所述船只的船头附近的至少两个系泊机器人(船头组)和用于接合在所述船只的船尾附近的至少两个系泊机器人(船尾组)，其中，所述控制装置可以以下述方式控制每个吸力附着元件的吸力，即在每个所述组中的至少一个所述系泊机器人施加在船只表面上的吸力达到第一阈值时，所述控制装置操作，以使每个所述组中的每个系泊机器人的吸力正常化。
18.一种船只系泊系统，包括固定在站点的至少两个系泊机器人，所述站点由一个固定或浮动码头(或第二船只)构成，每个系泊机器人包括吸力附着元件，吸力附着元件结合在所述系泊机器人的基础结构上，所述基础结构相对于站点固定，所述吸力附着元件用于可释放地接合布置在左舷或右舷侧的竖直延伸的船只表面，以将船只系紧在所述站点，所述吸力附着元件可沿其附着的所述船只表面的法向施加吸力；以及用于在所述船只与所述吸力附着元件之间建立吸力的吸力建立装置；其中，对于每个系泊机器人，所述系统还包括(a)用于测量吸力附着元件与船只之间的吸力以提供吸力能力读取值的吸力测量装置；(b)用于测量所述吸力附着元件与所述系泊机器人的固定基础结构之间至少在与所述法向平行的方向上的力以提供法向力读取值的力测量装置；(c)用于监视所述吸力能力读取值与所述法向力读取值之间的关系以提供系泊状态读取值的监视装置；(d)用于根据所述系泊状态读取值控制每个系泊机器人的控制装置，当法向力读取值在趋向于使所述吸力附着元件与所述船只分离的方向上达到吸力能力读取值的阈值时，所述控制装置实时控制以启动选自下述程序的至少任何一个或两个i.控制所述吸力建立装置增加所述吸力；和ii.发出警报。
19.如权利要求18所述的船只系泊系统，其特征在于，每个系泊机器人包括用于驱动吸力附着元件相对于基础结构至少在横向平移运动的装置，所述控制装置可以附加启动所述系统的另一系泊机器人的吸力附着元件沿横向朝着所述固定结构移动，以增加所述另一系泊机器人的负载力，另一系泊机器人的保持能力取决于所述吸力能力读取值。
20.如权利要求18或19所述的船只系泊系统，其特征在于，所述系统还包括a.用于根据所述吸力能力读取值来确定所述吸力附着元件与所述船只之间在水平并且垂直于所述法向的方向上的剪力保持能力以提供剪力保持能力读取值的装置；b.用于测量所述吸力附着元件与所述系泊机器人的固定结构之间的剪切方向力以提供剪力读取值的装置，所述剪切方向力是平行于所述剪力保持能力的力；c.用于监视所述剪力保持能力读取值与所述剪力读取值之间的关系以提供第二系泊状态读取值的装置；其中，系泊机器人的控制装置还以下述方式响应于所述第二系泊状态读取值，即当剪力读取值在一个趋向于允许所述船只与所述吸力附着元件相对运动的方向上达到一个预定极限时，所述控制装置实时控制以启动选自下述程序的至少任何一个或两个i.控制所述吸力建立装置增加所述吸力；和ii.发出警报。
21.如权利要求19或20所述的船只系泊系统，其特征在于，所述用于驱动吸力附着元件平移运动的装置是具有沿横向的操作轴的线性致动器。
22.如权利要求19至21中任一所述的船只系泊系统，其特征在于，所述用于驱动吸力附着元件平移运动的装置是具有沿横向的操作轴的液压线性致动器，并且利用一个检测所述液压线性致动器中的液压力的装置来实施所述法向力测量。
23.一种船只系泊系统，其用于控制将船只系泊在码头设施上，所述系统包括至少一个系泊机器人，其用于可释放地系紧在所述船只上，所述系泊机器人包含i.紧固在所述码头设施上的固定结构；ii.用于可释放地接合船只平坦竖直表面的吸力附着元件，所述吸力附着元件可移动地布置在所述固定结构上，并且可以相对于所述码头设施在三个正交方向移动，所述三个正交方向是竖直方向、平行于竖直表面法向的第一水平方向、平行于平坦竖直表面的第二水平方向；和iii用于驱动吸力附着元件沿至少所述第一和第二水平方向移动的驱动装置；用于产生代表固定结构与所述吸力附着元件之间在与所述第一水平方向平行的方向上的力的力信号的第一力信号产生装置；用于产生代表固定结构与所述吸力附着元件之间在与所述第二水平方向平行的方向上的力的力信号的第二力信号产生装置；用于产生代表所述吸力附着元件与所述船只之间在所述第一水平方向上的保持张力的力信号的第三力信号产生装置；用于确定所述吸力附着元件与所述船只之间在所述第二水平方向上的剪力保持能力的装置；用于对所述第一和第二和第三力信号产生装置作出响应的响应装置，其中，当出现下述情况中的一个或多个时(a)被所述第一力信号产生装置测量的力达到一个接近于保持张力的预定值；和(b)被第二力信号产生装置测量的力达到一个接近于剪力保持能力的预定值，所述响应装置启动选自下述程序的一个或多个(a)发出警报；(b)增加所述吸力附着元件与所述船只之间的吸力；(c)所述驱动装置改变所述吸力附着元件相对于所述码头设施在一个方向上的加速度/减速度，以降低超出预定值的力，所述力是下述力中的一个或两个i.固定结构与所述吸引附着元件之间在与所述第二水平方向平行的方向上的力；和/或ii.固定结构与所述吸引附着元件之间在与所述第一水平方向平行的方向上的力。
24.一种系泊系统，其用于将浮动在水体表面上的船只可释放地固定在站点，所述站点紧固在所述水体底部，所述船只承受因风、潮汐、水流、波浪、船只载荷级别、被所述系统驱动着移动等因素中的一项或多项所引起的负载力，所述系统包括至少一个系泊机器人，其包含a)固定在所述站点和所述船只二者中的一个上的基础结构；b)结合在所述基础结构上的吸力附着元件，所述吸力附着元件适于附着在所述站点和所述船只二者中的另一个的表面上并形成连接，所述连接是吸附连接，以形成沿所附着表面的法向的吸附保持力；用于在吸力附着元件与所述表面保持连接关系的状态下确定吸力附着元件的吸附保持力的装置；用于在吸力附着元件与所述表面保持连接关系的状态下确定吸力附着元件与所述表面之间的剪切方向保持力的装置，所述剪切方向保持力(以下称作水平剪切方向保持力)位于水平并且垂直于所述法向的方向上；用于确定选自下面一组的至少一个或多个力的装置a.所述表面沿着平行于所述法向的方向施加在所述吸力附着元件上的力(以下称作张力)；和b.所述表面沿着水平并且垂直于所述法向的方向施加在所述吸力附着元件上的力(以下称作水平剪力)；用于进行下述比较的比较装置i)所述吸附保持力与所述张力之间比较；ii)所述水平剪切方向保持力与所述水平剪力之间比较。
25.如权利要求24所述的系泊系统，其特征在于，当出现下述情况中的一种或两种时i.所述张力达到一个预定极限，该预定极限低于吸附保持力但接近于在趋向于使所述吸力附着元件与所述表面分离的方向上的吸附保持力；和ii.所述水平剪力达到一个预定极限，该预定极限低于水平剪切方向保持力但接近于在倾向于使所述表面与所述吸力附着元件之间沿水平方向相对运动的方向上的水平剪切方向保持力；所述比较装置启动选自下面一组程序中的至少任何一个或多个i.启动一个用于建立并改变所述吸力的装置，以增加所述吸附保持力；和ii.发出警报。
26.如权利要求24或25所述的系泊系统，其特征在于，所述用于在吸力附着元件与所述表面保持连接关系的状态下确定吸力附着元件的吸附保持力的装置包括响应于所述吸力附着元件与所述表面之间在所述表面的法向上的力的传感器，以及响应于来自所述传感器的信号以确定有效吸附保持力的装置。
27.如权利要求24至26中任一所述的系泊系统，其特征在于，所述吸力附着元件借助于连杆机构而可移动地接合所述基础结构，并且系统中设有用于主动驱动所述可变吸力附着元件相对于所述基础结构在平行于所述水平剪力的方向和平行于所述张力的方向上移动的主动驱动装置。
28.如权利要求24至27中任一所述的系泊系统，其特征在于，所述吸力附着元件借助于连杆机构而可移动地接合所述基础结构，并且系统中设有用于主动驱动所述可变吸力附着元件相对于所述基础结构在平行于所述水平剪力的方向上移动的主动驱动装置以及用于用于主动驱动在平行于所述张力的方向上移动的主动驱动装置，当出现下述情况中的一种或两种时i.所述张力达到一个预定极限，该预定极限低于吸附保持力但接近于在趋向于使所述吸力附着元件与所述表面分离的方向上的吸附保持力；和ii.所述水平剪力达到一个预定极限，该预定极限低于水平剪切方向保持力但接近于在倾向于使所述表面与所述吸力附着元件之间沿水平方向相对运动的方向上的水平剪切方向保持力；所述比较装置还启动下述程序通过一个或两个所述主动驱动装置改变所述吸力附着元的速度(加速度或减速度)，以使所述张力和/或水平剪力维持在它们各自的极限下。
29.如权利要求24至28中任一所述的系泊系统，其特征在于，所述吸力附着元件是可变吸力附着元件，其吸力可以通过一个吸力控制装置来改变。
30.如权利要求29所述的系泊系统，其特征在于，所述吸力附着元件是真空杯，所述真空杯在与所述表面结合时限定出压力可控内腔；所述吸力控制装置包括真空形成装置，所述真空形成装置与所述内腔流体连通，以控制所述内腔中的压力。
31.如权利要求24至30中任一所述的系泊系统，其特征在于，所述用于在吸力附着元件与所述表面保持连接关系的状态下确定吸力附着元件与所述表面之间的剪切方向保持力的装置可确定出在竖直且与所述法向垂直的方向上的剪切方向保持力(以下称作竖直剪切方向保持力)，并且系统中设有用于测量所述表面沿竖直且与所述法向垂直的方向施加在所述吸力附着元件上的力(以下称作竖直剪力)的装置，用于实现所述竖直剪切方向保持力与所述竖直剪力之间的比较。
32.如权利要求31所述的系泊系统，其特征在于，当所述竖直剪力达到一个预定极限时，该预定极限低于竖直剪切方向保持力但接近于在倾向于使所述表面与所述吸力附着元件之间沿竖直方向相对运动的方向上的竖直剪切方向保持力，所述比较装置启动选自下面一组程序中的至少任何一个或多个i.启动一个用于建立并改变所述吸力的装置，以增加所述吸附保持力；和ii.发出警报。
33.如权利要求24至32中任一所述的系泊系统，其特征在于，所述用于确定水平剪力和/或张力的装置包括用于测量对上述力作出的响应的测量装置，以及用于读取所述测量装置以提供信号的读取装置，该信号可被所述比较装置使用。
34.如权利要求24至33中任一所述的系泊系统，其特征在于，所述用于确定吸附保持力的装置包括用于测量对上述力作出的响应的测量装置，以及用于读取所述测量装置以提供信号的读取装置，该信号可被所述比较装置使用。
35.如权利要求34所述的系泊系统，其特征在于，所述吸力附着元件是真空杯，所述真空杯在与所述表面结合时限定出压力可控内腔；所述吸力控制装置包括真空形成装置，所述真空形成装置与所述内腔流体连通，以控制所述内腔中的压力；所述用于测量对上述力作出的响应的测量装置是压力传感器，所述压力传感器与所述系泊机器人接合，以测量所述真空杯的内腔与外界大气压之间的压差。
36.如权利要求24至35中任一所述的系泊系统，其特征在于，所述用于测量水平剪切方向保持力的装置是由测量的吸附保持力来计算水平剪切方向保持力的计算装置。
37.如权利要求36所述的系泊系统，其特征在于，所述计算装置包括一个表，该表包含依经验收集的吸附保持力变化及相关水平剪切方向保持力，其中所述水平剪切方向保持力可基于表中的数值确定出来。
38.如权利要求29至37中任一所述的系泊系统，其特征在于，所述主动驱动装置包括至少一个液压缸。
39.如权利要求29至38中任一所述的系泊系统，其特征在于，设有用于测量所述吸力附着元件相对于所述基础结构的位移的装置。
40.如权利要求29至39中任一所述的系泊系统，其特征在于，当达到所述吸力附着元件相对于所述基础结构运动的一个或多个极限时，发出警报声音。
41.如权利要求29至40中任一所述的系泊系统，其特征在于，所述吸力附着元件相对于所述基础结构的位移被可视地表示出来。
42.如权利要求24至41中任一所述的系泊系统，其特征在于，所述吸力可通过人工输入来控制。
43.如权利要求29至41中任一所述的系泊系统，其特征在于，所述位移可通过人工输入来控制。
全文摘要
一种船只系泊系统包括固定在站点的至少两个系泊机器人，每个系泊机器人包括吸力附着元件，例如真空杯，以及相对于站点固定的基础结构。吸力附着元件可接合船只的竖直延伸侧表面，并且在其附着位置向船只表面的法向施加吸力。每个机器人包括用于测量附着元件与船只之间的吸力以提供吸力能力读取值的装置。还包括用于测量附着元件与系泊机器人的固定结构之间的力以提供法向力读取值的装置。通过监视吸力能力读取值与法向力之间的关系，可对系泊机器人进行控制，从而在附着元件与所述船只有分离的趋势时，可增加吸力和/或发出报警声音。
文档编号E02B3/20GK1671592SQ03818332
公开日2005年9月21日 申请日期2003年7月30日 优先权日2002年7月30日
发明者布赖恩·约翰·罗西特, 彼得·詹姆斯·蒙哥马利 申请人:系泊系统公司