本发明涉及智能水下机器人技术领域，尤其是涉及一种智能水下机器人对接装置。
背景技术：
智能水下机器人(auv)是一种能够自主运行的水下机器人，可以根据设定好的程序自动执行跟踪、探测、巡逻等任务，并具有自主决策的能力，能够自主规划路径，进行避障和跟踪。航程较大，并具有导航功能，配备的多型传感器后，可以在大面积海域持续执行任务。但由于auv能源来自内部电池，观测数据存贮在内部存储器上，机器人也需要对出现的故障进行检测，因此需要周期性地进行充电、上传数据、接收指令和故障检测。一般是通过回收后，为其充电、传输数据、检修后再次投放使用，但这种方式工作量大、效率低，在水面回收机器人的作业也十分复杂。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种智能水下机器人对接装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种智能水下机器人对接装置，包括对接单元、支架、引导机构、磁力触发机构、锁定与复位机构以及控制机构，所述的对接单元安装在智能水下机器人背部，所述的引导机构设置在支架上，所述的锁定与复位机构设置在引导机构顶部中间位置，所述的锁定与复位机构底部设有与所述的引导机构连通的对接单元通道，所述的锁定与复位机构上设有用于锁定或松开对接单元的活动锁舌，所述的磁力触发机构设置多个并对称分布在对接单元通道外侧，所述的对接单元上对应设有与所述的磁力触发机构对应的磁力区域以及与所述的活动锁舌对应的锁孔，所述的对接单元、引导机构、磁力触发机构和锁定与复位机构均连接至控制机构；
智能水下机器人进行对接时，对接单元在引导机构的引导下进入对接单元通道，在对接单元磁力区域的磁力作用下磁力触发机构动作，磁力触发机构末端穿过对接单元通道侧壁与对接单元磁力区域接触，进而控制机构控制锁定与复位机构的活动锁舌动作，活动锁舌末端穿过对接单元通道侧壁插入至对接单元上的锁孔中实现锁定，完成对接；
智能水下机器人脱离对接装置时，控制机构控制锁定与复位机构的活动锁舌动作，活动锁舌从对接单元上的锁孔中脱离完成复位，智能水下机器人航行离开对接单元通道，磁力触发机构失去磁力作用而复位至初始位置。
所述的引导机构包括喇叭状引导壳，所述的喇叭状引导壳水平安装在支架上，所述的喇叭状引导壳前后端均不封口，所述的喇叭状引导壳内部顶端设有引导槽，所述的对接单元通道与所述的引导槽连通。
所述的对接单元包括长条形对接外壳，其上设有2个第一电磁铁，所述的2个第一电磁铁前后分布在对接外壳首末端，左右两侧侧面形成4个磁力区域，所述的对接外壳中间区域对称设有2个贯穿对接外壳左右两侧侧面的锁孔，所述的对接外壳正中央区域设有充电及数据传输预留接口。
所述的磁力触发机构设置4个并对称分布在对接单元通道两侧外部，每一侧的2个磁力触发机构之间的间距与对应的第一电磁铁之间的间距一致，所述的锁定与复位机构上的活动锁舌对应设置2个，2个活动锁舌之间的间距与2个锁孔之间的间距匹配。
所述的磁力触发机构包括磁力触发外壳、轨道、第一限位开关、第一弹簧和永磁体，所述的磁力触发外壳相对于对接单元通道侧壁安装在引导机构中，所述的第一限位开关安装在磁力触发外壳第一侧面上，所述的第一侧面为磁力触发外壳靠近对接单元通道侧壁的侧面，所述的第一弹簧套设在第一限位开关外侧，所述的永磁体通过轨道固定在磁力触发外壳第一侧面上且永磁体连接所述的第一弹簧，第一弹簧无外力作用时，所述的永磁体压紧在第一限位开关上，所述的第一限位开关连接所述的控制机构。
所述的对接单元通道的为矩形槽状，其底部为开口端与所述的引导机构连通，对接单元通道侧壁对应位置分别设有用于磁力触发机构和活动锁舌往复运动的活动窗口。
所述的锁定与复位机构包括中心轴、环形滑道、磁力锁定组件和复位组件，所述的中心轴水平固定在所述的支架上方，所述的环形滑道对称设置在对接单元通道两侧侧壁上并向上扬起，所述的活动锁舌包括2个在锁定时头部能紧密契合的锁舌舌体，所述的锁舌舌体对称安装在所述的环形滑道中，所述的磁力锁定组件设置在环形滑道中并连接所述的锁舌舌体，所述的复位组件固定在所述的轴心轴上并连接所述的锁舌舌体，所述的磁力锁定组件用于控制环形滑道中的2个锁舌舌体头部紧密契合完成锁定，所述的复位组件用于控制环形滑道中的2个锁舌舌体头部分离完成复位解锁。
所述的磁力锁定组件包括连杆、第二弹簧、第二限位开关和第二电磁铁，
所述的第二电磁铁设置两个并分别安装在所述的环形滑道扬起端，所述的第二限位开关也设置两个并分别安装在两个第二电磁铁末端，所述的第二电磁铁和第二限位开关均连接至所述的控制机构，
所述的锁舌舌体对称安装在环形滑道中并位于所述的第二电磁铁下方，所述的锁舌舌体尾部通过所述的第二弹簧固定在环形滑道顶部，所述的锁舌舌体还通过连杆固定在所述的中心轴上，所述的连杆通过轴承连接所述的中心轴，
当所述的第二电磁铁通电时，所述的第二电磁铁吸附所述的锁舌舌体，所述的第二弹簧处于压缩状态，所述的锁舌舌体尾部压紧在第二限位开关上，当所述的第二电磁铁断电后，在第二弹簧的弹力作用下，2个锁舌舌体弹出并穿过对接单元通道侧壁插入至对接单元上的锁孔中，锁舌舌体头部紧密契合完成锁定。
所述的复位组件包括驱动电机、绞盘、定滑轮和柔性缆，所述的驱动电机和绞盘均安装在中心轴上，所述的驱动电机连接所述的绞盘，所述的定滑轮对称安装在环形滑道顶部，每个锁舌舌体分别配置一根柔性缆，所述的柔性缆一端连接锁舌舌体，另一端绕过定滑轮固定在所述的绞盘上，所述的驱动电机连接所述的控制机构，所述的驱动电机正转时，柔性缆拉动锁舌舌体头部分离并运动至初始位置完成复位。
所述的控制机构包括球形耐压壳以及安装其中的处理器，所述的处理器通信连接所述的对接单元、引导机构、磁力触发机构和锁定与复位机构。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明对接装置随时处于等待对接状态，auv可以通过给背部对接单元上的第一电磁铁通电，使自身进入可对接状态，当auv背部的对接单元进入对接单元通道即可被限位、锁定，对接成功，充电、数据传输等工作完成后，auv可以通过给对接单元上的第一电磁铁断电，活动锁舌即可收回，释放auv，整个对接和释放过程中不需要auv与对接装置之间进行水下通讯和下达指令。
(2)auv的背部对接单元通过磁力触发消息，第二电磁铁断电后，锁舌舌体会在第二弹簧的作用下迅速弹出将auv限位、锁定，响应速度快，成功率高。
(3)锁舌舌体头部宽度逐渐收紧，契合锁舌插孔，对auv产生纠偏引导作用。
(4)控制机构可通过各限位开关感知、监控当前工作状态，并对auv的对接、释放请求做出响应。整个对接、充电、数据传输和释放过程自动化程度高，无需人工参与。
(5)引导槽将进入的auv的背部对接单元导引至磁力触发机构和锁定与复位机构所在位置，大大提高了限位锁定的成功率。
(6)auv释放过程中即对活动锁舌进行复位，auv释放后对接装置即处于可以再次对接状态。
(7)装置结构可靠，操作简单，维护性好，所有安装了对接单元接口的相同外径auv，都可以使用本装置进行对接。
附图说明
图1为本发明智能水下机器人对接装置的整体结构示意图；
图2为本发明对接单元的结构示意图；
图3为本发明磁力触发机构的结构示意图；
图4为本发明锁定与复位机构的外部组成结构示例图；
图5为本发明锁定与复位机构的内部组成结构示例图；
图6为本发明活动锁舌的结构示意图。
图中，1为对接单元，2为智能水下机器人，3为喇叭状引导壳，4为引导槽，5为支架，6为锁定与复位机构，7为设备平台，8为对接外壳，9为第一电磁铁，10为锁孔，11为充电及数据传输预留接口，12为对接单元通道，13为磁力触发机构，14为环形滑道，15为电机支架，16为中心轴，17为中心轴支架，18为滑轮，19为柔性缆，20为绞盘，21为驱动电机，22为连杆，23为第二电磁铁，24为第二弹簧，25为第二限位开关，26为锁舌舌体，27为磁力触发外壳，28为轨道，29为第一限位开关，30为第一弹簧，31为永磁体，32为球形耐压壳。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
如图1所示，一种智能水下机器人对接装置，包括对接单元1、支架5、引导机构、磁力触发机构13、锁定与复位机构6以及控制机构，对接单元1安装在智能水下机器人2背部，引导机构设置在支架5上，锁定与复位机构6设置在引导机构顶部中间位置，锁定与复位机构6底部设有与引导机构连通的对接单元通道12，锁定与复位机构6上设有用于锁定或松开对接单元1的活动锁舌，磁力触发机构13设置多个并对称分布在对接单元通道12外侧，对接单元1上对应设有与磁力触发机构13对应的磁力区域以及与活动锁舌对应的锁孔10，对接单元1、引导机构、磁力触发机构13和锁定与复位机构6均连接至控制机构；
智能水下机器人2进行对接时，对接单元1在引导机构的引导下进入对接单元通道12，在对接单元1磁力区域的磁力作用下磁力触发机构13动作，磁力触发机构13末端穿过对接单元通道12侧壁与对接单元1磁力区域接触，进而控制机构控制锁定与复位机构6的活动锁舌动作，活动锁舌末端穿过对接单元通道12侧壁插入至对接单元1上的锁孔10中实现锁定，完成对接；
智能水下机器人2脱离对接装置时，控制机构控制锁定与复位机构6的活动锁舌动作，活动锁舌从对接单元1上的锁孔10中脱离完成复位，智能水下机器人2航行离开对接单元通道12，磁力触发机构13失去磁力作用而复位至初始位置。
具体地，引导机构包括喇叭状引导壳3，喇叭状引导壳3水平安装在支架5上，喇叭状引导壳3开口直径远大于智能水下机器人2外径，然后收缩，最后一段直径略大于智能水下机器人2外径，内部表面光滑平顺，喇叭状引导壳3前后端均不封口，喇叭状引导壳3内部顶端设有引导槽4，对接单元通道12与引导槽4连通。支架5包含6个圆桩，固定在海底，上部通过螺钉与喇叭状引导壳3固连，喇叭状引导壳3下焊接有设备平台7，用来放置各类设备。喇叭状引导壳3可引导auv进入，具有纠偏作用，喇叭状引导壳3前后端均不封口，使海水自由通过，auv在脱离对接装置时从两个方向都可以离开。导引槽与喇叭状引导壳3平滑的融合在一起，可以将机器人背部的对接单元1引导至磁力触发机构13和锁定与复位机构6的位置处。
如图2所示，对接单元1包括长条形对接外壳8，其上设有2个第一电磁铁9，2个第一电磁铁9前后分布在对接外壳8首末端，左右两侧侧面形成4个磁力区域，对接外壳8中间区域对称设有2个贯穿对接外壳8左右两侧侧面的锁孔10，对接外壳8正中央区域设有充电及数据传输预留接口11。对接外壳8主体为长方体，前后采用圆角设计，减小阻力的同时更有利于对智能水下机器人2(auv)的引导。第一电磁铁9电磁铁共两组，呈前后布置，通电时，一端为s极，一端为n极，对应两侧磁力触发机构13两个永磁体31中的n极和s极。锁孔10与活动锁舌端部形状契合，提高限位的精度和稳定性。
对应的，磁力触发机构13设置4个并对称分布在对接单元通道12两侧外部，每一侧的2个磁力触发机构13之间的间距与对应的第一电磁铁9之间的间距一致，锁定与复位机构6上的活动锁舌对应设置2个，2个活动锁舌之间的间距与2个锁孔10之间的间距匹配。
如图3所示，磁力触发机构13包括磁力触发外壳27、轨道28、第一限位开关29、第一弹簧30和永磁体31，磁力触发外壳27相对于对接单元通道12侧壁安装在引导机构中，第一限位开关29安装在磁力触发外壳27第一侧面上，第一侧面为磁力触发外壳27靠近对接单元通道12侧壁的侧面，第一弹簧30套设在第一限位开关29外侧，永磁体31通过轨道28固定在磁力触发外壳27第一侧面上且永磁体31连接第一弹簧30，第一弹簧30无外力作用时，永磁体31压紧在第一限位开关29上，第一限位开关29连接控制机构。永磁体31安装于磁力触发外壳27的轨道28上，在没有auv进行对接时，对接限位装置处于等待对接状态，第一弹簧30产生的拉力将永磁体31压在第一限位开关29上。当auv背部的对接单元1通过导引槽进入对接区域后，对接单元1上的第一电磁铁9会吸引永磁体31滑动，触发第一限位开关29，第一限位开关29即给控制单元一个信号，表明auv已到达指定位置，控制机构则立即发出限位指令。当auv准备脱离时，其背部对接单元1上的第一电磁铁9断电，永磁体31可以在第一弹簧30的拉力作用下将永磁体31拉回初始位置，并触发第一限位开关29，控制机构收到信号，开始驱动锁定与复位机构6，释放auv。
如图4～6所示，对接单元通道12的为矩形槽状，其底部为开口端与引导机构连通，对接单元通道12侧壁对应位置分别设有用于磁力触发机构13和活动锁舌往复运动的活动窗口。
锁定与复位机构6包括中心轴16、环形滑道14、磁力锁定组件和复位组件，中心轴16通过中心轴支架17水平固定在支架5上方，由于设置了2个活动锁舌，因此在中心轴16上分布2组环形滑道14，共4分环形滑道14，环形滑道14对称设置在对接单元通道12两侧侧壁上并向上扬起，每个活动锁舌包括2个在锁定时头部能紧密契合的锁舌舌体26，锁舌舌体26头部逐渐缩窄，四周为斜面，对应的两个锁舌舌体26分别为2齿和1齿，锁舌舌体26弹出后可以契合在一起。锁舌舌体26对称安装在环形滑道14中，磁力锁定组件设置在环形滑道14中并连接锁舌舌体26，复位组件固定在轴心轴上并连接锁舌舌体26，磁力锁定组件用于控制环形滑道14中的2个锁舌舌体26头部紧密契合完成锁定，复位组件用于控制环形滑道14中的2个锁舌舌体26头部分离完成复位解锁。
磁力锁定组件包括连杆22、第二弹簧24、第二限位开关25和第二电磁铁23，第二电磁铁23设置两个并分别安装在环形滑道14扬起端，第二限位开关25也设置两个并分别安装在两个第二电磁铁23末端，第二电磁铁23和第二限位开关25均连接至控制机构，锁舌舌体26对称安装在环形滑道14中并位于第二电磁铁23下方，锁舌舌体26尾部通过第二弹簧24固定在环形滑道14顶部，锁舌舌体26还通过连杆22固定在中心轴16上，连杆22通过轴承连接中心轴16，当第二电磁铁23通电时，第二电磁铁23吸附锁舌舌体26，第二弹簧24处于压缩状态，锁舌舌体26尾部压紧在第二限位开关25上，当第二电磁铁23断电后，在第二弹簧24的弹力作用下，2个锁舌舌体26弹出并穿过对接单元通道12侧壁插入至对接单元1上的锁孔10中，锁舌舌体26头部紧密契合完成锁定。磁力锁定组件的具体工作原理为：第二电磁铁23在等待对接时处于通电状态，吸紧锁舌舌体26，第二弹簧24处于压缩状态，由于锁舌舌体26安装在环形滑道14中，处于连杆22的末端，而连杆22与转轴通过轴承连接，使锁舌舌体26能够以转轴为中心，在环形滑道14内快速滑动。当控制机构发出限位指令，给第二电磁铁23断电后，失去第二电磁铁23吸引的锁舌舌体26可以在第二弹簧24作用力下快速弹出，对auv进行限位和锁紧。锁舌舌体26周围一圈与对接单元1锁孔10的接触面为斜面，能够对auv进行快速纠偏，锁舌舌体26齿前端倒角避免锁舌由于结构偏移无法锁定。同时锁舌舌体26的头部与对接单元1锁孔10的接触面均垂直于auv轴向或径向，有效固定auv，同时在弹簧的作用下，使auv轴向上和径向上的力不会影响限位装置的锁紧状态。
复位组件包括驱动电机21、绞盘20、定滑轮18和柔性缆19，驱动电机21和绞盘20均安装在中心轴16上，驱动电机21通过电机支架15支撑固定，驱动电机21连接绞盘20，定滑轮18对称安装在环形滑道14顶部，每个锁舌舌体26分别配置一根柔性缆19，柔性缆19一端连接锁舌舌体26，另一端绕过定滑轮18固定在绞盘20上，驱动电机21连接控制机构。具体地，驱动电机21由控制机构驱动，可正转和反转，驱动电机21输出轴直接连接减速器，减速器输出轴连接绞盘20。绞盘20分为两层，每层容纳一根柔性缆19，柔性缆19的另一端通过滑轮18连接锁舌舌体26。驱动电机21的正转将拉动锁舌舌体26复位，反转可以放松柔性缆19。驱动电机21反转当auv准备脱离时，控制机构驱动电机21正转，柔性缆19被缠绕在绞盘20上，锁舌舌体26被柔性缆19牵引，滑动至初始位置，并触发第二限位开关25，控制机构给电磁铁通电，锁舌舌体26即被吸附在初始位置。锁舌舌体26复位后，驱动电机21能够反转，放松柔性缆19，以便在下次对接中不影响锁舌舌体26弹出。
控制机构包括球形耐压壳32以及安装其中的处理器，处理器通信连接对接单元1、引导机构、磁力触发机构13和锁定与复位机构6，处理器通过水密线缆与8个限位开关(4个第一限位开关29和4个第二限位开关25)、6个电磁铁(2个第一电磁铁9和4个第二电磁铁23)、2个驱动电机21分别相连。
本发明智能水下机器人2对接装置的具体工作方式为：
1、锁定与复位机构6始终处于可接收对接状态，水下机器人完成自主周期性作业任务后，自主航行至喇叭状引导壳3入口附近，智能水下机器人2(auv)给通过给背部的对接单元1上的第一电磁铁9通电进入可对接状态，然后缓慢航行进入喇叭状引导壳3。
2、在auv缓慢进入喇叭状引导壳3过程中，背部对接单元1通过引导壳和导引槽的导引作用逐渐纠正自身位置。
3、当背部对接单元1上的第一电磁铁9正对磁力触发机构13时，磁力触发机构13中的永磁体31在磁力作用下向内侧对接单元1方向移动，第一限位开关29松开，控制机构迅速响应，给对应的第二电磁铁23断电，对应锁舌舌体26弹出，插入auv的对接单元1上的锁孔10中，auv在锁舌舌体26的作用下纠偏、限位和锁定。
4、auv对接成功后，auv通过充电及数据传输预留接口11进行充电和数据传输。由于auv已经被精确限位，所以插入的成功率很高。auv开始进行充电、数据传输、故障检测等工作。
5、充电、数据传输、故障检测等工作完成后，auv给背部的对接单元1上的第一电磁铁9断电，磁力触发机构13做出响应，内部永磁体31受第一弹簧30拉力回弹，触发第一限位开关29，控制机构收到信号，得知auv准备进行脱离作业。
6、控制机构开始驱动锁定与复位机构6收回锁舌舌体26，同时给环形滑道14顶部的第二电磁铁23供电，锁舌舌体26收回到初始位置时，触发第二限位开关25，锁舌舌体26被第二电磁铁23吸牢，控制机构判断锁舌舌体26已回到初始位置，即停止驱动复位组件中的驱动电机21转动，至此完成了对auv的释放作业。
7、此时auv可以脱离对接限位装置继续执行任务，锁定与复位机构6也重置回初始状态，准备进行下一次的对接。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。