专利名称：分散自组织水下作业平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种水下作业平台，特别是一种具有多态性和强环境适应性的分散自组织水下作业平台，属于海洋工程领域。
背景技术：
现有的水下作业平台都具有固定的构形和集中式结构。通用水下作业平台主要包括无人遥控潜水器(ROV)、自治水下机器人(AUV)、水下拖体(DEEP TOWER)等，这些平台由大量不同的专用部件集合而成，通常包括以下全部或部分结构框架、浮力材料、配电系统、液压系统、推进系统、传感器系统、控制系统、电池等。其中推进系统又包括多个推进器及其配套设备、传感系统则包括大量用于自身状态测量的传感器，如纵横倾、深度、高度等。各部件各负其责，形成统一的水下运动和搭载平台，对搭载设备提供通讯与能源支持。除了通用平台以外，还存在种类繁多的专用水下工具和特种平台，如各种水下工程专用的水下检测工具，爬壁潜水器、管道机器人等。这些专用平台具有独特的构形、运动方式，并配备专用的仪器设备，它们不具备通用性，而是为某种环境和任务特殊设计的。然而海洋水下作业面临恶劣与不可预见的水下环境，并且远距离信息获取和干预能力也远远不及陆上，要求水下平台必须具有强的环境适应能力和抗风险能力，固定构形水下平台在这方面能力显然十分有限。为解决上述问题，模块化成为目前海洋水下平台发展的一个重要趋势。
经文献检索发现，美国USPTO专利号为5995882，名称为模块化自治潜水器系统，该专利技术自述为一个模块化的自治潜水器系统，该发明的特征之一是有一个耐压壳，包含了一个可移动的锥形前端，可以方便地安装多种标准的和定制的海洋传感设备，并在瞬间完成传感功能转换，该发明的另一方面是具有一个可以连接脐带电缆的高速串行通讯端口，提供数据获取和潜水器控制的有缆模式，具备在有缆和无缆模式之间切换的柔性。与常规的水下平台相比，该专利提供了更大的系统柔性和环境适应性，操作人员可以根据具体任务情况和对水下环境的估计与分析，选择合适的部件在水面拼装出合适的构形后，下水作业。但是，模块化水下平台下水后其构形仍是不可变的，也即仍然是一种固定构形系统。此外，模块化水下平台系统中各部件具有专门的功能，不可互换，也即仍然具有集中式结构。因此，在环境适应性和抗风险性方面，模块化水下系统的进步也是有限的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种分散自组织水下作业平台，使其借鉴在网络、集成电路、陆上机器人等领域中的分散自组织概念，改变了常规水下平台的集中式结构和固定构形，具有强的环境适应性和高耐故障能力。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明由多个运动模块连接而成，或者由多个运动模块与搭载模块连接而成，运动模块有一个转轴，搭载模块有一个几何对称轴，两个运动模块有两种连接模式即转轴平行，或者转轴垂直，两个搭载模块之间有两种连接模式即几何对称轴平行，或者几何对称轴垂直，一个搭载模块与一个运动模块之间也有两种连接模式即几何对称轴与转轴平行，或者几何对称轴与转轴垂直，多个运动模块和多个搭载模块连接形成多种结构形式的平台。
运动模块由内框和外框组成，内框、外框通过转轴相连。通过转轴驱动，外框可以绕内框在-90度至90度范围内旋转。在内、外框相对的两个端面上分别安装有水下主动连接面和水下被动连接面。主动连接面内有主动机械连接器和主动电连接器，被动连接面内有被动机械连接器和被动电连接器。此外，在主动和被动连接面内还分别安装有接触传感器。内框具有水密的内舱。舱内安装有浮力调节装置、关节驱动装置、以及以微控制器为核心的中央控制处理单元、中央处理单元预留若干外部接口。在内框的侧面安装有深度传感器，转轴上安装有角度传感器。运动模块可以实现升沉和1自由度变形。
搭载模块只有一个框，与其几何对称轴平行的两对端面上相对地安装了两对主动连接面和被动连接面。搭载模块与运动模块上的主动和被动连接面相同。框内是水密内舱，舱内安装有以微控制器为核心的中央控制处理单元，中央处理单元预留若干外部接口。搭载模块提供作业设备安装空间。
一个模块的主动连接面和另一个模块的被动连接面可以在水下实现机械与电路的结合与分离。这种连接既包括运动模块与运动模块之间的、也包括搭载模块与搭载模块之间的、以及运动模块与搭载模块之间的。两个模块有两种连接模式，即两个模块转轴(对于搭载模块为几何对称轴)平行或者垂直。
多个运动模块或/和搭载模块通过其上的主、被动连接面相互连接，可以拼接成多种结构形式的平台，典型的平台结构形式包括(1)鳗鱼形结构运动模块通过串联形成链式结构，链式结构中或者连接入一些搭载模块，链式结构中部的模块利用一对相对的主动连接面和被动连接面连接两个相邻模块，链式结构两端的两个模块分别利用一个主动连接面和一个被动连接面连接一个相邻模块。(2)环形结构运动模块串联形成环形结构，环形结构中或者连接入一些搭载模块，环形结构中的每个模块利用一对相对的主动连接面和被动连接面连接两个相邻模块。(3)章鱼形结构三个以上鳗鱼形结构子链的一端连接到公共的搭载模块。水下作业时，平台可以在没有人员现场干预的情况下，通过对连接面结合与分离以及关节角度的控制，重组形成不同结构形式和运动方式，以适应作业要求和环境。
本发明具有实质性特点和显著进步，本发明平台具有分散式结构，并可以在水下作业期间根据任务和环境要求自己改变结构形式和运动方式，因此具有多态性。多态性使平台具有强的环境适应性。由于组成平台的模块具有相同的软硬件，部分模块的损失不会引起整个平台功能的丧失，因此具有强的耐故障能力。本发明目前的状态尤其适合于复杂和未知水下环境中进行探测作业。在国内外水下平台中未见到有同类报道。
图1本发明运动模块转轴平行连接示意2本发明运动模块转轴垂直连接示意3本发明运动模块结构示意4本发明搭载模块结构示意5本发明鳗鱼形平台结构示意6本发明环形平台结构示意7本发明章鱼形平台结构示意图具体实施方式
如图1、图2、所示，本发明由多个运动模块A连接而成，或者由多个运动模块A与搭载模块B连接而成，两个运动模块A之间有两种连接模式即转轴平行，或者转轴垂直，两个搭载模块B之间、或者一个运动模块A与一个搭载模块B之间也是转轴(对于搭载模块为几何对称轴)平行或者垂直，多个运动模块A和多个搭载模块B连接形成多种结构形式的平台。
如图3所示，运动模块A由外框2和内框1组成，内框1、外框2通过转轴3相连。外框2与转轴3连接，内框1通过轴套5支撑在转轴3上，通过对转轴3的驱动，外框1可以绕内框2在-90度至90度范围内旋转。在内框1、外框2相对的两个端面上分别安装有水下主动连接面和水下被动连接面，主动连接面内有主动机械连接器6和主动电连接器9，被动连接面内有被动机械连接器7和被动电连接器10，内框1上的主动机械连接器6与另一运动模块A的被动机械连接器7相接合，并由锁紧机构8锁紧，此外，在主动和被动连接面内还分别安装有接触传感器15。内框1具有水密的内舱。舱内安装有浮力调节装置11、关节驱动装置4、以及以微控制器为核心的中央控制处理单元12、中央处理单元预留若干外部接口。在内框1的侧面安装有深度传感器13，转轴3上安装有角度传感器14。
内框1水密，上面设置了浮力调节机构11，作用是调节运动模块正负浮力的大小，实现在水中的悬停与升沉。当关节驱动装置4驱动转轴3做旋转运动时，内框1与外框2之间即可产生相对角位移。运动模块内框上的主动机械连接器6与另一运动模块的被动机械连接器7相接合，并由锁紧机构8锁紧，实现运动模块之间的接合。脱开时需首先解脱锁紧机构8，然后实现运动模块之间的分离。运动模块结合后，内框的主动电连接器9与另一运动模块外框的被动电连接器10相连，同时主、被动电连接器与各自运动模块的中央控制单元12接通，实现运动模块之间电源及信号的连通。脱开时需首先断开主被动电连接器与各自运动模块的中央控制单元的连接，再解脱锁紧机构8。所有这些动作都由中央控制单元12根据指令控制完成。运动模块在水中的状态由深度传感器13、位置传感器14和接触传感器15测量并送中央控制单元12。
如图4所示，搭载模块B只有一个水密的框16，与其几何对称轴平行的两对端面上相对地安装了两对主动连接面和被动连接面，搭载模块B设有两套主动机械连接器6和锁紧机构8、两套被动机械连接器7、两套主动电连接器9、两套被动电连接器10、中央控制单元12和接触传感器15，这些部件连接与运动模块中相同，与其它搭载模块B或运动模块A的分离与接合操作由其中央控制单元控制，实现方式与运动模块类似。
如图5、图6和图7所示，多个运动模块A或/和搭载模块B通过其上的主被动连接面相互连接，可以拼接成多种结构形式的平台，典型的平台结构形式包括(1)鳗鱼形结构运动模块A通过串联形成链式结构，链式结构中或者连接入一些搭载模块B，链式结构中部的模块利用一对相对的主动连接面和被动连接面连接两个相邻模块，链式结构两端的两个模块分别利用一个主动连接面和一个被动连接面连接一个相邻模块。(2)环形结构运动模块A串联形成环形结构，环形结构中或者连接入一些搭载模块B，环形结构中的每个模块利用一对相对的主动连接面和被动连接面连接两个相邻模块。(3)章鱼形结构三个以上鳗鱼形结构子链的一端连接到公共的搭载模块B。
本发明平台为鳗鱼形结构时可以实现水中的游动和海底的蠕动，平台为章鱼形结构形式时可以实现水中游动和海底爬行，平台为环形结构形式时可以实现海底履带式运动。
权利要求
1.一种分散自组织水下作业平台，其特征在于，由多个运动模块A连接而成，或者由多个运动模块A与搭载模块B连接而成，两个运动模块A有两种连接模式即转轴平行，或者转轴垂直，两个搭载模块B之间有两种连接模式即几何对称轴平行，或者几何对称轴垂直，一个搭载模块B与一个运动模块A之间也有两种连接模式即几何对称轴与转轴平行，或者几何对称轴与转轴垂直，多个运动模块A或/和多个搭载模块B连接形成多种结构形式的平台。
2.根据权利要求1所述的分散自组织水下作业平台，其特征是，运动模块A由外框(2)和内框(1)组成，内框(1)、外框(2)通过转轴(3)相连，外框(2)与转轴(3)连接，内框(1)通过轴套(5)支撑在转轴(3)上，通过对转轴(3)的驱动，外框(1)可绕内框(2)在-90度至90度范围内旋转。
3.根据权利要求2所述的分散自组织水下作业平台，其特征是，在内框(1)、外框(2)相对的两个端面上分别设有水下主动连接面和水下被动连接面，主动连接面内有主动机械连接器(6)和主动电连接器(9)，被动连接面内有被动机械连接器(7)和被动电连接器(10)，内框(1)上的主动机械连接器(6)与另一运动模块A的被动机械连接器(7)相接合，并由锁紧机构(8)锁紧，在主动和被动连接面内还分别设有接触传感器(15)。
4.根据权利要求2所述的分散自组织水下作业平台，其特征是，内框(1)设有水密的内舱，舱内设有浮力调节装置(11)、关节驱动装置(4)、以及以微控制器为核心的中央控制处理单元(12)、中央处理单元预留若干外部接口，在内框(1)的侧面设有深度传感器(13)，转轴(3)上设有角度传感器(14)。
5.根据权利要求1所述的分散自组织水下作业平台，其特征是，搭载模块B只有一个水密的框(16)，与其几何对称轴平行的两对端面上相对地设置了两对主动连接面和被动连接面，搭载模块B设有两套主动机械连接器(6)和锁紧机构(8)、两套被动机械连接器(7)、两套主动电连接器(9)、两套被动电连接器(10)、中央控制单元(12)和接触传感器(15)，这些部件连接方式与运动模块A中相同，与其它搭载或运动模块的分离与接合也由其中央控制单元(12)控制。
6.根据权利要求1所述的分散自组织水下作业平台，其特征是，多个运动模块A或/和搭载模块B通过其上的主、被动连接面相互连接，拼接成多种结构形式的平台，典型的平台结构形式包括鳗鱼形结构，环形结构，章鱼形结构。
7.根据权利要求6所述的分散自组织水下作业平台，其特征是，鳗鱼形结构是，运动模块A通过串联形成链式结构，链式结构中或者连接入一些搭载模块B，链式结构中部的模块利用一对相对的主动连接面和被动连接面连接两个相邻模块，链式结构两端的两个模块分别利用一个主动连接面和一个被动连接面连接一个相邻模块。
8.根据权利要求6或7所述的分散自组织水下作业平台，其特征是，章鱼形结构是三个以上鳗鱼形结构子链的一端连接到公共的搭载模块B。
9.根据权利要求6所述的分散自组织水下作业平台，其特征是，环形结构是运动模块A串联形成环形结构，环形结构中或者连接入一些搭载模块B，环形结构中的每个模块利用一对相对的主动连接面和被动连接面连接两个相邻模块。
全文摘要
一种分散自组织水下作业平台，属于海洋工程领域。本发明由多个运动模块A连接而成，或者由多个运动模块A与搭载模块B连接而成，两个运动模块A有两种连接模式即转轴平行，或者转轴垂直，两个搭载模块B之间几何对称轴平行，或者几何对称轴垂直，一个运动模块A与一个搭载模块B之间几何对称轴与转轴平行，或者几何对称轴与转轴垂直，多个运动模块A或/和多个搭载模块B连接形成多种结构形式的平台。本发明平台具有分散式结构，且具有多态性。多态性使平台具有强的环境适应性。本发明目前的状态尤其适合于复杂和未知水下环境中进行探测作业。在国内外水下平台中未见到有同类报道。
文档编号B63C11/00GK1482044SQ0312962
公开日2004年3月17日 申请日期2003年7月3日 优先权日2003年7月3日
发明者葛彤, 黄秀章, 连琏, 曹智裕, 刘建民, 唐荣庆, 葛 彤 申请人:上海交通大学