CN109715490B - 用于水下载具的浮力控制的可重复使用浮力模块 - Google Patents

用于水下载具的浮力控制的可重复使用浮力模块 Download PDF

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Abstract

一种水环境机器人系统(10)和方法具有能够选择性地改变的浮力配置。所述系统包括水下机器人载具(110)和浮力模块(116)，所述浮力模块被配置成选择性地与所述水下机器人载具以浮力方式接合以及以浮力方式脱离接合。拴系件(118)连接到所述浮力模块，并且电机(120)可操作地连接到所述拴系件并且被配置来使所述拴系件和所述浮力模块伸展和回缩。所述拴系件能够伸展和回缩以使所述浮力模块伸展和回缩。根据所述系统的布置，使所述浮力模块伸展和回缩能够使所述浮力模块与所述水下机器人载具以浮力方式接合或以浮力方式脱离接合。通过使所述浮力模块接合和脱离接合，能够选择性地改变所述水下机器人的所述浮力。

Description

用于水下载具的浮力控制的可重复使用浮力模块
技术领域
一种用于执行水下任务的系统、方法和装置，所述系统包括水下机器人和一个或多个可重复使用浮力模块。
背景技术
水下载具的移动性受各种因素的制约。载具的密度和重力在水下移动性中起着重要作用。水下载具必须具有用于抵抗其重力和/或浮力影响的装置，以便平稳地游动通过水柱并有效地执行任务。具有中性浮力状态的水下载具是游动和输送通过水柱的最佳条件。在诸如水下结构的肉眼检查或水下目标的视频拍摄的一些应用中，需要具有中性浮力的自由游动。在另一方面，需要具有负浮力状态的水下机器人用于在海床上爬行或锚固。诸如污垢清洗、机械臂操纵和维护的一些应用需要水下载具在地下河床(subsurface floor)上是稳定且沉重的，以克服操作的反作用(即，相等且相反的反作用力)。
浮力控制的概念最早是在潜水艇的基础上演变发展而来的。潜水艇通常通过使用泵和气瓶(即，以液压方式)改变其在水下的体积来改变其内部浮力。然而，液压浮力控制系统通常体积庞大、复杂且需要对大型、深水下载具进行优化。
因此，存在对水下载具提供一种控制浮力的装置的需要，所述装置具有易于制造、操作和维护、成本有效且紧凑的系统，所述系统可应用于特定的应用和条件。通过利用水面浮力极限和海床重力极限，可根据本文所公开的本发明来实现离散浮力控制。
发明内容
在本发明的一个方面，提供了一种水环境机器人系统，其包括水下机器人载具，其中所述水下机器人载具是所述水环境机器人系统的至少一个载具。浮力模块被配置成选择性地与所述水下机器人载具以浮力方式接合以及以浮力方式脱离接合。拴系件连接到所述浮力模块。电机可操作地连接到所述拴系件并且被配置来使所述拴系件和所述浮力模块伸展和回缩。在第一状况下，所述拴系件和所述浮力模块处于回缩位置，并且所述水下机器人载具具有第一浮力。在第二状况下，所述拴系件和所述浮力模块处于伸展位置，并且所述水下机器人载具具有第二浮力。在所述第一状况下，所述浮力模块处于与所述水下机器人以浮力方式接合或以浮力方式脱离接合的状态中的一者，而在所述第二状况下，所述浮力模块处于与所述水下机器人以浮力方式接合或以浮力方式脱离接合的状态中的另一者。
根据另一方面，所述浮力模块具有正浮力，并且在所述第一状况下，所述浮力模块处于所述回缩位置并且与所述水下机器人以浮力方式接合，从而使得所述水下机器人的所述第一浮力高于所述第二状况下的所述第二浮力，在所述第二状况下，所述浮力模块处于所述伸展位置并且与所述水下机器人以浮力方式脱离接合。
根据再一方面，所述浮力模块具有负浮力，并且在所述第一状况下，所述浮力模块处于所述回缩位置并且与所述水下机器人以浮力方式脱离接合，从而使得所述水下机器人的所述第一浮力高于所述第二状况下的所述第二浮力，在所述第二状况下，所述浮力模块处于所述伸展位置并且与所述水下机器人以浮力方式接合。
根据另一个方面，所述浮力模块具有中性浮力，并且在所述第一状况下，所述浮力模块处于所述回缩位置并且与所述水下机器人以浮力方式接合，从而使得所述水下机器人的所述第一浮力与所述第二状况下的所述第二浮力相等，在所述第二状况下，所述浮力模块处于所述伸展位置并且与所述水下机器人以浮力方式脱离接合。
根据可组合在根据前述方面中的一个或多个构造的实施方案中的又一方面，所述浮力模块并入在水面船中。
根据可组合在根据前述方面中的一个或多个构造的实施方案中的另一方面，所述浮力模块是水面船。
根据可组合在根据前述方面中的一个或多个构造的实施方案中的另一方面，所述水面船被配置来在所述水面船处于所述脱离接合状况时在水面上执行功能。
根据另一方面，其中所述拴系件处于松弛状况，所述浮力模块处于所述与所述水下机器人以浮力方式脱离接合的状态。
根据另一个方面，提供了一种用于在水环境中使用的具有能够选择性地接合的浮力的机器人系统，其包括水下机器人载具。浮力模块被配置成选择性地与所述水下机器人载具接合以及脱离接合。拴系件连接到所述浮力模块。绞盘可操作地连接到所述拴系件并且被配置来使所述拴系件和所述浮力模块伸展和回缩。状态控制器连接到所述绞盘并且可操作以使所述机器人系统在以下浮力状态中的至少两者之间转变：(1)第一状态，其中所述拴系件和所述浮力模块处于回缩位置，并且所述水下机器人载具具有第一浮力，以及(2)第二状态，其中所述拴系件和所述浮力模块处于伸展位置，并且所述水下机器人载具具有第二浮力。所述浮力模块在所述第一状态下与所述水下机器人接合或脱离接合，并且所述浮力模块在所述第二状况下处于与所述水下机器人接合或脱离接合中的另一者中。
根据又一方面，提供了一种用于操作水环境机器人系统的方法。所述方法包括以下步骤：将所述水环境机器人系统展开到水环境中。所述水环境机器人系统包括水下机器人载具，其中所述水下机器人载具是所述水环境机器人系统的至少一个载具。所述系统包括浮力模块，所述浮力模块被配置成选择性地与所述水下机器人载具以浮力方式接合以及以浮力方式脱离接合。拴系件连接到所述浮力模块。电机可操作地连接到所述拴系件并且被配置来使所述拴系件和所述浮力模块伸展和回缩。所述方法包括以下步骤：选择性地改变所述水环境机器人系统的浮力配置。选择性地改变所述浮力包括以下步骤：使所述拴系件和所述浮力模块伸展；以浮力方式使所述浮力模块脱离接合，使得所述水下机器人载具具有一种浮力；使所述拴系件和所述浮力模块回缩；以及以浮力方式使所述浮力模块接合，使得所述水下机器人载具具有不同的浮力。
根据另一方面，所述浮力模块具有正浮力，并且在第一状况下，所述浮力模块处于回缩位置并且与所述水下机器人以浮力方式接合，从而使得所述水下机器人的所述浮力比在第二状况下高，在所述第二状况下，所述浮力模块处于伸展位置并且与所述水下机器人以浮力方式脱离接合。
根据又一方面，所述浮力模块具有负浮力，并且在第一状况下，所述浮力模块处于回缩位置并且与所述水下机器人以浮力方式脱离接合，从而使得所述水下机器人的所述浮力比在第二状况下高，在所述第二状况下，所述浮力模块处于伸展位置并且与所述水下机器人以浮力方式接合。
根据另一些方面，所述浮力模块具有中性浮力，并且在第一状况下，所述浮力模块处于回缩位置并且与所述水下机器人以浮力方式接合，从而使得所述水下机器人的所述浮力与在第二状况下的所述浮力相等，在所述第二状况下，所述浮力模块处于所述伸展位置并且与所述水下机器人以浮力方式脱离接合。
根据可组合在根据前述方面中的一个或多个构造的实施方案中的又一方面，所述浮力模块并入在水面船中。
根据可组合在根据前述方面中的一个或多个构造的实施方案中的另一方面，所述浮力模块是水面船。
根据可组合在根据前述方面中的一个或多个构造的实施方案中的另一方面，所述水面船被配置来在所述水面船处于所述脱离接合状况时在水面上执行功能。
根据另一方面，其中所述拴系件处于松弛状况，使得所述浮力模块处于所述与所述水下机器人以浮力方式脱离接合的状态。
附图说明
图1A至图1C示出根据本发明的一个实施方案的系统的细节；
图2A至图2C示出根据本发明的另一实施方案的系统的细节；
图3A至图3B示出根据本发明的另一实施方案的系统的细节；
图4A至图4B示出根据本发明的另一实施方案的系统的细节；并且
图5A至图5C示出根据本发明的另一实施方案的系统的细节。
具体实施方式
参考图1A至图1C，其示出水生环境机器人系统10的实施方案，所述水生环境机器人系统10包括水下机器人110。水下机器人110可包括下部主体部分112。水下机器人110的主船体可容纳各种电子器件、电机、推进器、传感器和电源，如根据机器人的特定操作所必需的那样确定的。下部主体部分112可包括轨道114，如图1所示，轨道114可用于遍历地下河床。
浮力模块116通过拴系件118和机动滑轮(motorized pulley)或绞盘系统120连接到水下机器人110。浮力模块116可通过一个或多个拴系件118连接到水下机器人110。如图1所示，浮力模块116通过两个拴系件118连接，这两个拴系件一个位于前方，一个位于后方。这两个拴系件的使用增加了稳定性并降低了水下机器人110和浮力模块116可能变得不对准(例如，机器人相对于浮力模块116翻转)的可能性。此外，多个拴系件的使用将浮力模块116的浮力分布在水下机器人110的船体上。拴系件118被示出为连接到单个绞盘系统120。可选地，可对每个拴系件使用单独的绞盘系统。
绞盘系统120包括被配置来使拴系件118伸展和回缩的电机和滑轮或滚筒(drum)。绞盘系统120包括用于缠绕和解开拴系件118的电机和滚筒或滑轮。例如，当绞盘系统120的电机沿第一方向旋转时，拴系件118从水下机器人解开并伸展。当电机使滚筒沿相反方向旋转时，拴系件118缠绕到滚筒上并回缩到水下机器人中。通过操作模式，绞盘系统120可在接收到输入控制命令时使拴系件118伸展和回缩。状态控制装置(除其他部件之外包括由其执行或以其他方式实现的代码配置的处理器和接收并提供命令的非易失性存储器、或电子或机械用户输入装置)可连接到绞盘以控制绞盘的操作，绞盘进而操作以使机器人系统在至少两种浮力状态之间转变，如下面更详细讨论的。
当拴系件118通过绞盘120的操作而伸展和/或回缩时，连接到拴系件118的浮力模块116也相应地伸展和回缩。如下面更详细讨论的，此系统可用于使浮力模块116与水下机器人110接合和脱离接合。
图1A至图1C示出处于与水下机器人110接合和脱离接合的各种状态下的浮力模块116，这导致水下机器人110的浮力由于浮力模块116的接合/脱离接合状况而改变。在图1A至图1C所示的特定实施方案中，浮力模块116具有正浮力。正浮力意味着浮力模块116的密度小于机器人正在其中操作的水的密度。浮力模块的正浮力导致向上的力(即，朝向水柱顶部的力)施加在水下机器人上。
在图1A中，拴系件118处于回缩位置。换句话讲，拴系件118围绕绞盘系统120的滚筒缠绕，并且浮力模块116与水下机器人110接合。浮力模块116与水下机器人110接合，使得浮力通过拴系件118传递到水下机器人。因此，拴系件118处于张力下并且将该浮力传输到水下机器人。在其他实施方案中，当浮力模块116处于完全回缩位置且抵靠机器人110接合时可使用可释放的保持夹(未示出)。可选地，保持夹可正向接合浮力模块116，使得拴系件118在完全回缩位置中不处于恒定的满张力下。
在图1B中，示出在通过伸展拴系件118使得浮力模块远离水下机器人110伸展来展开浮力模块116的过程中的绞盘系统120。由于浮力模块116的正浮力，浮力模块116通过水柱朝向水面上升。然而，拴系件118仍然处于张力下，并因此浮力仍然通过拴系件118以图1B所示的配置传递到水下机器人110。如此，浮力模块116在这种配置中仍然与水下机器人110接合，因为拴系件118处于张力下并且在水下机器人110上施加力。
在图1C中，绞盘系统120已经解开并且已经使拴系件118伸展到足够长度，使得浮力模块116已经通过水柱上升到水面并且水下机器人已经通过水柱下降以使得与水下表面接触。在这种状况下，拴系件118已经伸展到使得浮力不再通过拴系件118传递的程度。如图1C所示，浮力模块116自由地浮动在水面上，并且水下机器人停留在海底表面上。拴系件118在该位置中已经伸展了大于水柱(即，大于的水的深度)的长度，使得拴系件118相对于浮力模块116和水下机器人110变得松弛。在这种配置中，浮力模块116与机器人110脱离接合，因为浮力模块不再在机器人110上施加浮力。
在图1C所示的松弛状况下，拴系件118不再将浮力传递到机器人110。由于拴系件118不再将浮力传递到水下机器人110，水下机器人110的净浮力增加。如此，水下机器人110经受更大的重力，所述重力将其保持在海底表面上。水下机器人110所经受的增加的净向下力使水下机器人110与水下表面之间的牵引力增加。增加的牵引力允许机器人以更稳定的方式沿着海底表面精确地行进，因为保持了更好的牵引力。此外，这种增加的牵引力允许水下机器人110更有效地执行任务，因为水下机器人具有更好的稳定性。例如，如果操作水下机器人110将污垢从管道表面去除，那么由污垢去除工具施加在管道上的力将导致对水下机器人110的相等且相反的力。如此，当水下机器人110在管道上施加力时，存在将水下机器人110推离管道的趋势。由于浮力模块116的脱离接合导致的浮力减小引起的水下机器人110的增加的牵引力抵抗这种力并且允许机器人在清洗操作期间保持在期望的位置。
移动机器人系统10可被重新配置以在某些操作期间调整水下机器人110的浮力特性并且在其他操作期间根据需要再次调整。在图1A中，浮力模块116的正浮力抵消了水下机器人110的负浮力。在这种状况下，浮力模块116与水下机器人110之间的接合导致中性浮力配置。中性浮力配置对于水下机器人的游动操作特别有用，因为系统10不具有在水柱中上下移动的趋势。
例如，当首先将机器人系统10展开到水中时，可能期望使浮力模块116与水下机器人110接合，如图1A所示。通过浮力模块116与水下机器人100的接合实现的中性浮力改善游动通过水柱的效率，并允许使用推进器122来使机器人移动通过水柱。推进器122可用于使机器人移动到期望的位置。一旦处于期望位置，就可启动绞盘120以便将拴系件118伸展到足够程度，以使得浮力模块116漂浮在水面上并且水下机器人110在拴系件118足够松弛的情况下停靠在海底表面上，如图1C所示。一旦浮力模块116已经与水下机器人110脱离接合(即，浮力模块不在水下机器人上施加力)，水下机器人110具有适用于在海底表面上遍历(即，使用踏板114或其他装置)和操作(执行检查、清洗、维护操作等)的负浮力状况。在海面上进行的爬行或其他操作完成之后，绞盘120可卷起拴系件并使其回缩，从而将浮力模块116和水下机器人110重新接合(即，浮力模块在水下机器人上施加力)。以此方式，在海底海床(subsea floor)操作完成之后，水下机器人现在再次具有中性浮力并且可以有效的方式移动通过水柱。一旦操作完成，水下机器人110就可游动到水面以便从水中收回。
因此，在第一状况下，结合图1A至图1C示出和描述的水下机器人可具有第一浮力，而在第二状况下，水下机器人可具有第二浮力，并且在第三状况下，水下机器人可具有第三浮力。关于图1所示的布置，在第一状况下，水下机器人具有中性浮力特性，在第二状况下，水下机器人具有负浮力特性，并且在第三状况下，水下机器人具有中性浮力特性。如本领域技术人员所理解的，可构造其他布置，其中各种状况与不同于上面概述的浮力特性相关联。
如此，可使用诸如绞盘和拴系件的机械装置来改变水下机器人的浮力。相较于需要更换液压压载物的其他系统，绞盘和拴系件系统的使用提供了控制载具浮力的成本有效且高效的手段。此外，由于浮力模块通过拴系件保持与水下载具连接，所以浮力模块可在从水下机器人脱离接合之后被回收并重新使用。这提供了优于典型的投放压载物系统(drop-ballast system)的显著优点，其中压载材料被简单地释放和丢弃且不能重复使用。另外，接合、脱离接合和重新接合浮力模块的能力允许在整个操作过程中多次调整机器人的浮力。这允许通过机器人的单次启动实现更好的灵活性和操作复杂性。例如，机器人可游到第一位置、在海床上着陆以执行操作，与浮力模块重新接合以使其能够游动到另一个位置，然后再次着陆以执行第二操作。在机器人最终重新浮出水面以便从水中收回之前，这一过程可重复多次。补充
通过操纵压载模块的浮力调整可通过使用多个传感器来控制，所述传感器可用于调节过程以提供系统的受控、有效的操作。水下机器人载具可包括水下深度传感器(包括常规设计之一)，所述水下深度传感器用于确定载具在水面下的深度(例如，当前位置与水面之间的距离)。可包括拴系件传感器以用于监测拴系件的状况。例如，拴系件传感器可测量拴系件的张力/力(例如，可包括常规的应变仪)。拴系件传感器可测量拴系件是处于张力下还是处于松弛状况下。拴系件传感器可设置在绞盘的下游(即，在绞盘的拴系件展开侧)。还可提供绞盘编码器来测量绞盘的旋转数，并且使用此测量数据，可确定解开(展开)的拴系件的长度。例如，这三个传感器(“浮力控制传感器”)可以一起使用，以向机器人处理单元提供关于浮力模块状态的反馈(“浮力模块反馈”)。例如，通过比较深度、编码器和力传感器数据信号，处理器执行软件可确定浮力控制过程所处的状态。例如，如果深度范围高于拴系件编码器长度并且拴系件处于张力下，那么需要更多的拴系件松弛并且可相应地控制绞盘。如果拴系件编码器长度远大于深度等级并且拴系件张力传感器在一段时间内没有检测到拴系件中的张力，那么这意味着拴系件已经松弛了一段时间并且收回其中的一些可防止潜在的缠结。可在浮力控制系统上应用闭环自动控制，以使阻力和表面波对水下机器人浮力状态的影响最小化。
如上所述，图1中所示的布置并入正浮力浮力模块116。另外，在其他布置中也可使用负浮力浮力模块和/或中性浮力浮力模块，如下面更详细地讨论的。可通过调整浮力模块的材料密度和/或调整浮力模块的体积来调整浮力模块的浮力。例如，浮力模块可以是空气填充的囊状物、或填充有泡沫油或密度低于水的其他材料的囊状物。掺入较低密度材料的浮力模块将产生正浮力浮力模块。类似地，掺入密度较大的材料(诸如铅块、砂岩或比水密度更大的其他材料)的浮力模块将产生负浮力浮力模块。
图2至图5示出与图1所示实施方案类似的实施方案，类似之处在于浮力模块可接合、脱离接合和重新接合以改变水下机器人的浮力。然而，在各种实施方案中，浮力模块的伸展/回缩和浮力模块的浮力特性的组合是变化的，如下面更详细地讨论的。
现在参考图2，水下机器人200包括上部部分210和下部部分212。上部部分210包括用于使拴系件218伸展和回缩的绞盘系统220。下部部分212包括可用于遍历海床的轨道214。下部部分212还并入浮力模块216。浮力模块216可以是并入到下部部分212中的附加重量/压载物的形式。浮力模块216还可与下部部分212成一体，使得下部部分212的自然重量也用作浮力模块216的重量/压载物。浮力模块216是负浮力的。
在图2A中，水下机器人200的上部部分210与下部部分212接合，所述下部部分212包括浮力模块216。在此实施方案中，浮力模块216具有负浮力状况。因此，水下机器人200被配置用于与海床正向接合并且可使用轨道214沿着海床行进和/或执行各种操作。在图2B中，绞盘系统220已经使拴系件218伸展出一段，从而导致水下机器人的下部主体212远离水下机器人的上部主体210伸展。上部主体210是中性浮力的，而包括负浮力浮力模块216的下部主体212是负浮力的。因此，当绞盘220使拴系件218伸展时，拴系件118变得松弛并且不在下部主体212中的上部主体210之间施加力，如图2C所示。在这种状况下，浮力模块216与水下机器人的上部部分210脱离接合。上部部分210可以是水下机器人的主要部分，并且可包括推进器222、检查和维护工具，并且/或者容纳机器人的主控制电子器件。当浮力模块216与水下机器人的主要部分脱离接合时，轨道214保留在海床上。在浮力模块216的压载物没有正向接合的情况下，上部部分210是中性浮力的并且能够有效地游动通过水柱以执行各种操作。绞盘系统220能够使拴系件218的另外长度伸展，使得上部主体210可移动到距下部主体212一段距离处。在上部主体210与下部主体212之间伸展的拴系件可以是传输功率和/或其他信号的通信拴系件，诸如适于在上部主体与下部主体之间(例如，在水下游动的机器人部分与轨道214之间)传递数据。例如，通信拴系件可包括绝缘电导体。通信拴系件可包括光学导线。通信拴系件任选地可包括加强件，所述加强件使长度延伸以防止周围夹套的张开、折断、剪断或其他切断。在一个实施方案中，通信拴系件可包括结构化线缆，所述结构化线缆包括绝缘电导体、光学导线、加强件或这些元件的组合。在图2C所示的其中上部主体是中性浮力并且能够游动通过水的配置期间，下部部分212上的轨道214可通过在与上部主体210的行进方向相对应的方向上沿着海床爬行，在上部主体游动穿过水柱时跟随上部主体210的移动，以便保持在上部主体与下部主体之间的最大间隔距离内。以此方式，上部主体的行进范围不受拴系件的长度限制，因为下部主体可跟随上部主体移动，使得上部主体与下部主体之间的距离不超过拴系件的长度。因此，通过提供移动平台可扩展机器人的操作区域。可将关于上部主体移动的数据信号(例如，通过拴系件)传输到下部主体以便确定适当的对应移动，并且/或者上部主体可将驱动命令信号直接传输到下部主体以控制下部主体的移动，从而使下部主体以互补的方式移动。
在图2A中，水下机器人具有爬行配置，并且由于其负浮力特性而适于在海底表面上爬行。在图2C中，上部主体210与下部主体212脱离接合，并且上部主体由于其中性浮力特性而能够自由地游动通过水柱，而下部主体由于其负浮力特性而保持停留在海床上。在执行游动操作之后，绞盘可使拴系件回缩以重新接合上部部分和下部部分(包括浮力模块)，使得机器人可遍历海床并移动到下一个位置。图2A至图2C所示的机器人系统可包括类似如上所讨论的浮力控制传感器和浮力模块反馈处理。浮力控制传感器可包括高度计传感器、拴系件力传感器和绞盘编码器。上部主体可包括高度计传感器，以便确定上部主体与海床之间的距离。来自三个传感器的数据可用于向机器人处理单元提供信号，所述信号包括关于浮力模块的状态的反馈。例如，通过比较高度、编码器读数和力传感器读数，处理器可确定浮力控制过程的目前状态(例如，负浮力、转变或中性浮力)。作为一个操作实例，如果高度测量的结果高于存储在存储器中的当前拴系件编码器长度并且拴系件如从拴系件传感器知晓的那样处于张力下，那么需要更多的拴系件松弛并且可相应地控制绞盘以绞出拴系件的另外长度。如果存储在存储器中的当前拴系件编码器长度远大于高度读数并且拴系件张力传感器长时间未检测到拴系件中的张力，那么这种情况可能表明拴系件已经松弛很长一段时间并且收回一些拴系件(例如，通过控制绞盘卷上来)可降低拴系件缠结的可能性。可在浮力控制系统上进一步应用闭环自动控制，以使阻力和表面波对机器人浮力状态的影响最小化。
现在参考图3，水下机器人系统300包括水下机器人310和水面载具324。水面载具324和水下机器人310可通过载具拴系件326连接。载具拴系件326可以是通信拴系件，所述通信拴系件可传输功率和/或电信号(例如，来自电子器件盒336)，以用于在水面载具324与水下机器人310之间传递数据和其他信息。水面载具324可以是用于水下机器人310的辅助船(support boat)。水面载具324可保持在水柱顶部处的水面上，并且水下机器人310可游动通过水柱和/或着陆在地下河床上以执行各种任务。水下机器人310可包括用于推进通过水柱的推进器322和包括用于遍历地下河床的轨道314的下部部分312。
水面载具324包括绞盘系统320，绞盘系统320可用于缠绕和解开连接到浮力模块316的拴系件318。参考图3A，拴系件118和浮力模块316处于回缩状况，并且浮力模块316与水下机器人310脱离接合。可以看出，当拴系件318回缩时，浮力模块316与水面载具324相邻。在其中浮力模块316与水下机器人310脱离接合的这种状况下，水下机器人310是中性浮力的。因此，水下机器人310可使用推进器322来有效地游动通过水柱。
在图3B中，已经命令和操作绞盘系统320以解开拴系件318并使其伸展。当拴系件318和浮力模块316伸展时，浮力模块316与水下机器人310接合。浮力模块316具有负浮力特性。因此，当浮力模块316从水面船324下降以便与水下机器人310接合时，水下机器人的浮力减少与浮力模块的负浮力相等的量，并且水下机器人变为负浮力。水下机器人310可包括凹槽328，用于在处于伸展和接合状况时接收浮力模块316。类似地，水面船324可包括凹槽330，用于在处于回缩和脱离接合状况时接收浮力模块316。浮力模块316和/或水下机器人310可包括闩锁机构(例如，磁体332)，所述闩锁机构将浮力模块316牢固地接合到水下机器人310。例如，当水下机器人越过海床上的凸起或不平坦表面时，由磁体提供的牢固接合可防止浮力模块316与水下机器人310之间的无意脱离。浮力模块316可以是具有中心孔334的环形形状，中心孔334的大小和形状被设定成接收载具拴系件326。浮力模块316可包括多个离散单元，所述单元可单独地和/或成组地展开，使得可通过对每个浮力模块的独立控制以递增方式控制浮力。闩锁机构通过使浮力模块与水下机器人310接合和脱离接合而便于单个和/或多个浮力模块的释放/接合。中心孔334可具有平滑的圆锥形轮廓，当浮力模块沿着载具拴系件326滑动时，所述轮廓减少潜在的磨损。中心孔334还可包括滚轮，以便于沿着载具拴系件326移动并减少磨损或其他潜在的损坏。类似地，如上所讨论，机器人系统可包括浮力控制传感器和浮力模块反馈处理，其中深度/高度计传感器、绞盘编码器和拴系件张力传感器可用于有效且平稳地控制浮力调整操作。
参考图4，水下机器人系统包括通过载具拴系件426连接的水面载具424和水下机器人410。图4所示的系统类似于图3所示的系统，主要区别在于浮力模块416具有正浮力，并且绞盘系统420由水下机器人410支撑以使浮力模块416伸展和回缩。因此，类似的部分共享类似的编号惯例，除了使用前缀“4”而不是前缀“3”。
如图4A所示，拴系件418围绕绞盘420的滚筒缠绕。浮力模块416处于回缩位置并且与水下机器人410接合。在此配置中，浮力模块416在水下机器人410上施加正浮力，从而使得水下机器人具有中性浮力。
在图4B中，已经操作绞盘以使拴系件418伸展，从而使得浮力模块416远离水下机器人410伸展并与其脱离接合。如图所示，浮力模块416已被水面载具424接收。拴系件418是松弛的并且浮力模块416不在水下机器人410上施加力。正浮力浮力模块416与水下机器人410的脱离接合减小了水下机器人410的净浮力。因此，水下机器人410变为负浮力的并且更适用于遍历海床。
在图3和图4所示的布置中，载具拴系件足够长以使得载具拴系件由于水面载具和/或浮力模块的浮力而不在水下机器人上施加浮力。因此，当浮力模块处于伸展位置时，水面载具的浮力不会在无意中影响水下机器人的浮力。如此，在伸展位置中，连接到浮力模块的拴系件不再处于张力下且不传递浮力。如上所讨论，以类似的方式，机器人系统可包括浮力控制传感器和浮力模块反馈处理，其中深度/高度计传感器、绞盘编码器和拴系件张力传感器可用于有效且平稳地控制浮力调整操作。
参考图5，水下机器人系统500包括水下机器人510和水面载具524。图5所示的系统类似于图3和图4所示的系统，主要区别在于水面载具524是既可在水下行进又可在水面上行进的混合动力载具，并且浮力模块516可并入到水面载具524中。因此，类似的部分共享类似的编号惯例，除了使用前缀“5”而不是前缀“3”或“4”。
参考图5A，水面载具524和水下机器人510接合，并且这两个载具具有中性净浮力。如图5B所示，已经操作绞盘系统520以使拴系件518伸展，使得水面载具524和水下机器人部分地彼此远离地伸展。然而，在图5B所示的配置中，水面载具仍然在水柱中并且尚未到达水面。如此，拴系件518仍然处于张力下，并因此并入到水面载具524中的浮力模块516在水下机器人510上施加浮力。浮力模块516可以是并入到水面载具524中的附加正浮力材料的形式。浮力模块516还可与水面载具524成一体，使得下部部分水面载具524的自然浮力也对浮力模块516提供正浮力。
在图5C中，绞盘520已经使拴系件518伸展足够长度，使得水面载具524已经到达水柱顶部处的水面并且拴系件518是松弛的。在伸展、松弛状况下，拴系件518不将力从浮力模块516传输到水下机器人510，并因此浮力模块516和水下机器人510脱离接合。在这种状况下，水下机器人510是负浮力的并且着陆在地下河床上，在那里水下机器人适用于遍历河床并执行各种任务。
水面载具524还可包括通信中继装置536，通信中继装置536可通过空中从远程控制站接收通信，然后通过水无线地或通过通信拴系件(未示出)将这些信号中继到水下机器人510。水面载具524还可包括位置传感器538，用于跟踪水下机器人510与水面载具524的相对位置。水面载具524还可包括用于计算这两个载具的相对位置的处理器，并且还可包括推进系统540，推进系统540可被命令以使水面载具524移动，使得当水下机器人执行其各种操作时，在水下机器人510与水面载具524之间保持相对定位。同样，类似地，机器人系统可包括浮力控制传感器和浮力模块反馈处理，其中深度/高度计传感器、绞盘编码器和拴系件张力传感器可用于有效且平稳地控制浮力调整操作，如上所讨论的。此外，类似如上所讨论的，可控制水面载具以对应的方式移动以跟随水下机器人的移动。
如上所讨论，本发明的各种实施方案通过提供一种机器人系统对在水环境中操作方面提供显著优点，所述机器人系统可通过使用相同的载具来执行需要不同浮力特性的各种任务，而无需在耗时、昂贵的操作中离线地改装或修改载具。在机器人被展开到水中之后，可在机器人操作期间使用诸如绞盘和拴系件的机械装置改变水下机器人的浮力。相较于需要更换液压压载物的其他系统，绞盘和拴系件系统的使用提供了控制载具浮力的成本有效且高效的手段。此外，由于浮力模块通过拴系件保持与水下载具连接，所以浮力模块可在从水下机器人脱离接合之后被回收并重新使用。这提供了优于典型的投放压载物系统(drop-ballast system)的显著优点，其中压载材料被简单地释放和丢弃且不能重复使用。另外，接合、脱离接合和重新接合浮力模块的能力允许在整个操作过程中多次调整机器人的浮力，从而增加机器人的多功能性，同时减少对具有用于执行不同任务的单独机器人和/或检索机器人中间操作以手动改变其浮力特性的需要。
应当理解，相同的附图标记在各个附图中指代相同的元件，并且并非所有实施方案或布置都需要参考附图描述和示出的所有部件和/或步骤。还应当理解，本文所公开的系统和方法的实施方案、实现方式和/或布置可结合作为驻留在硬件、固件和/或计算机可用介质(包括软件模块和浏览器插件)中的软件算法、应用程序、程序、模块或代码，可在计算机系统或计算装置的处理器中执行这些软件算法、应用程序、程序、模块或代码以将处理器和/或其他元件配置为执行本文所描述的功能和/或操作。应当理解，根据至少一个实施方案，当被执行时完成本公开的方法的一个或多个计算机程序、模块和/或应用程序不需要驻留在单个计算机或处理器上，而是可以模块化方式分布在多个不同的计算机或处理器之间来实现本文所公开系统和方法的各个方面。
本文所使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，并且不意图为对实施方案的限制。除非上下文另外明确地指出，否则如本文所用的单数形式“一个”、“一种”和“所述”还意图包括复数形式。还应理解，术语“包括”和/或“包含”在本说明书中使用时指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是并不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件部件和/或其群组的存在或添加。
应当注意，在权利要求中限定权利要求元素的序数词诸如“第一”、“第二”、“第三”等的使用本身不暗示一个权利要求元素优于另一个权利要求元素的任何优先次序、优先级或顺序或执行方法步骤的时间顺序，而仅仅用作将具有确定名称的一个权利要求元素与具有相同名称的另一个元素区分的标志(只针对序数词的使用)以便区分权利要求元素。
此外，本文使用的措辞和术语是出于描述的目的并且不应被视为限制。使用“包括”、“包含”或“具有”、“含有”、“涉及”以及本文的其变化形式意指涵盖下文所列出的条目及其等效物以及另外条目。
上述主题仅通过说明的方式提供，而不应被解释为限制性的。可在不遵循所示和所述示例性实施方案和应用的情况下、并且在不背离以下权利要求书中阐述的本发明的真实精神和范围的情况下对本文所描述的主题作各种修改和改变。
值得注意的是，附图和上文的实例不意图将本申请的范围限于单个实现方式，因为通过互换所描述或所示出的元件中的一些或全部，其他实现方式也是可能的。此外，在可使用已知部件部分地或完全实现本申请的某些元素的情况下，仅描述对于本发明的理解是必需的此类已知部件的那些部分，而对这些已知部件的其他部分的详细描述被省略，以避免使发明不清楚。在本说明书中，除非本文另有明确说明，否则示出单个部件的实现方式不必局限于包括多个同一部件的其他实现方式，反之亦然。另外，除非像这样地明确说明，否则本申请人并不打算将说明书或权利要求中的任何术语赋予不平常或特殊的含义。此外，本申请涵盖在这里作为说明被提及的已知部件的当前和未来公知的等同物。
上述对具体实现方式的描述充分揭示了本申请的总体性质，因而，其他人可通过应用其在本领域的相关知识(包括本文中作为参考被引用和并入的文献的内容)容易地修改这些具体实现方式和/或使之适用于多种应用程序，而无需过分实验或背离本申请的总体概念。因此，基于这里给出的教义和指导，这些调整和修改旨在在所公开的实现方式的等同物的含义和范围内。应当理解，本文中的措辞或术语是出于描述而非限制的目的，这样本说明书的术语或措辞应根据此处给出的教义和指导并结合本领域普通技术人员的知识，由技术人员来解释。应当理解，在附图中讨论或示出的尺寸是相对于一个实例示出的，并且可在不背离本发明的情况下使用其他尺寸。
虽然上面已经描述了本申请的各种实施方式，但是应该理解，它们是通过举例的方式而非限制的方式呈现的。相关领域的技术人员将明白，可在不背离本申请的精神和范围的情况下在本申请中进行形式和细节上的各种改变。因此，本申请不应受任何上述示例性实现方式的限制。

Claims (11)

1.一种水环境机器人系统，包括：
水下机器人载具，其中所述水下机器人载具是所述水环境机器人系统的至少一个载具；
拴系件；以及
电机，所述电机定位在水下机器人载具上并联接到拴系件，该电机可操作以回缩和伸展拴系件，从而增加或减少其上的张力；
浮力模块，该浮力模块具有联接至拴系件的正浮力或负浮力；
状态控制器，该状态控制器连接到电机并且可操作以控制将浮力模块与水下机器人载具连接的拴系件上的张力量，以使水下机器人载具与浮力模块以浮力方式接合或以浮力方式脱离接合；
其中，根据浮力模块是与水下机器人载具以浮力方式接合还是以浮力方式脱离接合，水下机器人载具在水柱中的深度位置是重复地可调节的。
2.如权利要求1所述的水环境机器人系统，其中所述浮力模块具有正浮力，使得所述拴系件通过电机的回缩使浮力模块与水下机器人载具以浮力方式接合，并使水下机器人载具在水柱中移动得更高。
3.如权利要求1所述的水环境机器人系统，还包括：
水面载具，该水面载具具有连接到所述拴系件的绞盘；
其中所述浮力模块具有负浮力，使得拴系件通过水面载具的绞盘的回缩使浮力模块与水面载具以浮力方式接合并且还使水面载具和浮力模块之间的浮力联接脱离接合，导致水下机器人载具在水柱中移动得更高。
4.如权利要求1所述的水环境机器人系统，其中所述浮力模块具有负浮力，使得所述拴系件通过电机的回缩使浮力模块与水下机器人载具接合，并使水下机器人载具在水柱中移动得更低，并且拴系件的充分伸展使浮力模块与水下机器人载具之间的浮力联接脱离接合，导致水下机器人载具在水柱中移动得更高。
5.一种用于操作水环境机器人系统的方法，包括以下步骤：
将所述水环境机器人系统展开到水环境中，所述水环境机器人系统包括：
水下机器人载具，其中所述水下机器人载具是所述水环境机器人系统的至少一个载具；
拴系件；以及
电机，所述电机定位在水下机器人载具上并联接到拴系件，该电机可操作以回缩和伸展拴系件，从而增加或减少其上的张力；和
浮力模块，该浮力模块具有联接到拴系件的正浮力或负浮力；
通过操作所述电机以调节在浮力模块与水下机器人载具之间的拴系件上的张力以便使浮力模块与水下机器人载具接合或脱离接合，来控制所述水环境机器人系统的浮力配置；
其中，根据所述浮力模块是与所述水下机器人载具接合还是与所述水下机器人载具脱离接合来重复地确定所述水下机器人载具的深度位置。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述水环境机器人系统配置有具有正浮力的浮力模块，使得所述拴系件通过电机的回缩使浮力模块与水下机器人载具以浮力方式接合，并使水下机器人载具在水柱中移动得更高。
7.如权利要求5所述的方法，其中所述水环境机器人系统还包括具有连接到拴系件的绞盘的水面载具，并且其中所述拴系件通过水面载具的绞盘的缩回使浮力模块与水面载具以浮力方式接合，并且还使水下机器人载具与浮力模块之间的浮力联接脱离接合，导致水下机器人载具在水柱中移动得更高。
8.如权利要求5所述的方法，其中所述水环境机器人系统配置有具有负浮力的浮力模块，使得所述拴系件通过电机的回缩使浮力模块与水下机器人载具接合，并使水下机器人载具在水柱中移动得更低，并且拴系件的充分伸展使浮力模块与水下机器人载具之间的浮力联接脱离接合，导致水下机器人载具在水柱中移动得更高。
9.如权利要求5所述的方法，其还包括以下步骤：在展开所述水环境机器人系统的步骤之前将所述浮力模块包括在水面载具中。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述水面载具被配置来在所述水面船处于所述脱离接合状况时在水面上执行功能。
11.如权利要求5所述的方法，其中所述拴系件处于松弛状况致使所述浮力模块处于与所述水下机器人载具以浮力方式脱离接合的状态。
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CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
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