CN106061825B - 铰接车辆底盘 - Google Patents

Abstract

提供了一种机器人车辆底盘。机器人车辆底盘包括第一底盘部分、第二底盘部分、以及连接第一和第二底盘部分的铰链接头，使得第一和第二底盘部分能够在至少第一方向上相对于彼此旋转。车辆包括安装至第一和第二底盘部分中的一个的驱动轮，以及安装至第一和第二底盘部分中的另一个的全向轮。全向轮以相对于驱动轮正交的角度安装。铰链接头响应车辆正在横过的表面的曲率而旋转。

Description

铰接车辆底盘

相关申请的交叉引用

本申请基于2013年11月30日递交的美国临时专利申请No.61/910,323,并且要求该申请的优先权，该申请通过引用方式全部并入本文。

技术领域

本发明涉及车辆，且特别地涉及机器人检查车辆。

背景技术

过去，已经存在不同的检查车辆设计，它们用于检查各种结构，诸如工厂设备、船舶、水下平台、管线和存储箱体。如果没有可用于检查结构的适合的检查车辆，一种替换方案是构建脚手架，其将允许人们进入以检查这些结构，但是具有较高的成本以及较高的检查人员人身安全的危险。过去的检查车辆缺乏对于有效检查这样的表面的必要的控制。但是，存在控制车辆和将平移力提供给车辆的不同方式，许多这样的系统被设计用于依赖重力的运输，而不管目标是克服重力还是简单地利用重力。

本发明提供了一种在非依赖重力的操作中提供车辆运动的方案，其中，重力对车辆运动的影响可被最小化，同时仍允许多方面控制。并且，本发明能够行驶于各种弯曲表面，诸如管道和容器，这是本发明的一个可能的应用。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了一种机器人车辆底盘。车辆底盘包括第一底盘部分、第二底盘部分、以及连接第一和第二底盘部分的铰链接头，从而第一和第二底盘部分能够沿至少第一方向相对于彼此旋转。车辆包括安装到第一和第二底盘部分中的一个的驱动轮、以及安装到第一和第二底盘部分中的另一个的全向轮。全向轮以相对于驱动轮正交的角度安装。车辆包括至少第一磁体和至少第二磁体，该第一磁体连接到至少驱动轮、或安装该驱动轮的底盘部分，该第二磁体连接到至少全向轮、或安装该全向轮的底盘部分。所述至少第一和第二磁体分别保持第一底盘部分和表面之间、以及第二底盘部分和表面之间的吸引力，其中，表面是铁磁性的。车辆的铰链接头响应车辆正在横过的表面的曲率而旋转。

根据另一方面，机器人车辆底盘还包括在第一和第二底盘部分之间延伸的弹簧元件，弹簧元件提供促使第一和第二底盘部分进入常态位置中的力，在该常态位置中，第一和第二底盘部分之间存在零度旋转。

根据另一方面，第一和第二底盘部分包括单独的电源和用于单独地驱动驱动轮和全向轮的电机。

根据另一方面，全向轮包括第一和第二组滚子，其中，所述滚子保持与表面接触的至少两个接触点。

根据另一方面，第一和第二组滚子分别被第一和第二轮毂支撑，其中，第一和第二轮毂被构造为相对于彼此自由旋转。

根据另一方面，驱动轮包括第一和第二驱动轮毂，其中，第一和第二驱动轮毂被构造为选择性地相对于彼此自由旋转。

根据另一方面，驱动轮毂的接触表面是弯曲的，以使得驱动轮的每侧在单一点处接触所述表面。

根据另一方面，驱动轮毂的接触点具有纹路。

根据另一方面，驱动轮毂的接触点是滚花的。

根据另一方面，驱动轮毂的接触点是被涂覆的。

根据另一方面，驱动轮毂的接触点具有橡胶涂层。

根据另一方面，驱动轮毂的接触点具有聚氨酯涂层。

根据另一方面，单个电源为第一和第二底盘部分、以及用于驱动驱动轮和全向轮的电机提供电力。

附图说明

图1A示出具有铰接底盘的车辆；

图2示出车辆的附加特征；

图3示出在弯曲表面上的具有铰接底盘的车辆；

图4A示出在弯曲表面上的具有铰接底盘的示意车辆；以及

图4B示出在平坦表面上的具有铰接底盘的示意车辆。

具体实施方式

参考图1，示出根据本发明的实施例的机器人车辆810。机器人车辆810包括第一底盘部分812和第二底盘部分814。驱动轮816连接至第一底盘部分812，全向轮(omni-wheel)818连接至第二底盘部分814。每个底盘部分可包括控制模块813、815。每个控制模块可包括电机、用于将机械功率从电机传递到轮子的驱动组件、电源(例如电池)和控制器，该控制器可通过处理被传感的数据、处理被存储的指令、和/或处理接收自远程计算机/操作者的控制指令/信号而控制车辆的操作。控制模块813、815还可以通过挠性缆线连接，从而可以在两个模块之间共享功率和控制指令。

第一和第二底盘部分经由诸如铰链820的连接件连接在一起，该连接件在所述两个底盘部分之间提供自由度。铰链820可以具有多种不同的类型，例如包括关节/销铰链、或者球和棘爪铰链。可使用其他类型的结构在所述两个底盘部分之间提供自由度。例如，挠性材料(例如挠性塑料)可用于将所述两个底盘部分连接在一起，同时在所述两个底盘部分之间提供自由度。铰链820在第一和第二底盘部分之间提供运动自由度。特别地，底盘部分812、814可相对于彼此旋转通过一定的角度范围，如绕铰链820的箭头“A”所示。如下文更详细讨论的，第一和第二底盘部分812、814之间的旋转角度范围提供了用于车辆810运动的灵活度以横过弯曲表面，同时驱动轮816和全向轮818保持与弯曲表面接触、并且垂直于该弯曲表面。铰链还可以在连接件中具有一定的游隙，其允许限制程度的侧向运动。所述游隙可以是所使用的材料(例如，允许一定扭转的塑料)或铰链的接头之间的松动配合的结果。所述游隙可允许底盘部分略微侧向运动和/或扭转。该游隙可改善机器人沿特定轨迹运动时的功能，所述特定轨迹包括两个底盘部分之间的扭转运动，例如当车辆绕管道以螺旋形式行进时。

现在参考图2，简化的示意图示出驱动轮816和全向轮818的取向，而没有示出铰接的底盘。沿机器人车辆的优选行进方向(由箭头“D”指示)，机器人车辆810的驱动轮816响应于推动车辆向前的电机而绕其轴线沿箭头“R1”指示的方向旋转。全向轮818的旋转轴线名义上垂直于驱动轮816(且轮子沿正交平面)取向，如图2所示。全向轮818包括多个滚子822，它们围绕全向轮818的外周定位。滚子822安装在全向轮818上(例如经由销或轴)，用于沿与驱动轮816相同的方向旋转，如箭头“R2”所指示(即，R1是与R2相同的方向)。相应地，当驱动轮816被驱动时，全向轮818可用作未被驱动的从动轮。随着驱动轮816被驱动，滚子822被动地旋转，由此允许车辆沿由箭头“D”指示的驱动方向行进，滚子用作减小被动全向轮818的摩擦力的目的，所述摩擦力至少是车辆810沿水平表面运动时的结果。

驱动轮816可具有单个轮毂或轮轭，或可具有两个轮毂或轮轭(“驱动轮毂”)。两个驱动轮毂可被布置为一起旋转，或它们可被布置为可相对于彼此旋转。当就位地枢转时，允许驱动轮的驱动轮毂中的一个自由旋转是有用的。这样的布置允许实际上绕单一点旋转而不是绕驱动轮的中心旋转。该布置还可以防止驱动轮在旋转过程中随其滑动而损伤表面。驱动轮还可以具有弯曲(和/或有纹路的、或带涂层的)的接触点(每个轮毂的边缘)，从而无论曲率如何，驱动轮的每侧仅接触表面于一点。作为一个示例，所述边缘可被滚花以具有纹路。作为另一示例，所述边缘可采用橡胶或聚氨酯涂覆。这样的布置可以改善拉力和摩擦力的一致性，并且还可以改善底盘的性能、并减少枢转时转向轮上的功率消耗。当需要附着到铁磁性表面时，驱动轮可包括磁体。

全向轮可包括两组滚子822，其围绕全向轮的圆周设置且位于全向轮的每一侧，如图2所示。全向轮818可具有两个轮毂或轮轭，其中，每个轮毂上设置有一组滚子822。两个轮毂可一起旋转，或者，两个轮毂可相对于彼此旋转。包括两组滚子的全向轮允许全向轮在车辆操作时保持垂直于表面。该结构布置允许车辆是具有增加稳定性的完全限定的结构，且其随着轮子转向增加拉力和牵引力。使用两组滚子致使全向轮具有与表面接触的至少两个接触点。因为全向轮正交于驱动轮安装，每个接触点和驱动轮之间的距离是不同的。转向轮还可以包括平底波辘(ball caster)以保持垂直于表面的转向。当需要附着到铁磁性表面时，全向轮可包括磁体。

全向轮818提供转向或旋转，以控制机器人车辆810。通过使用全向轮和电机之间的传统链接系统，车辆810可利用上述电机或第二电机(均未单独示出)通过驱动全向轮818而被转向。全向轮沿箭头“R3”指示的方向旋转。全向轮的旋转导致车辆沿箭头“S”指示的方向转动或转向。控制全向轮818的旋转允许车辆810转向。铰链820被构造为在全向轮沿“S”方向被驱动时具有最小的屈服至无屈服，从而车辆可沿方向“S”旋转，而车辆没有折叠在其自身上，并且全向轮818的沿“S”方向的运动可与驱动轮816的重新取向相关联，这是通过铰链820传递到驱动轮的运动的结果。

相应地，驱动轮816可被控制，以提供车辆的向前和向后运动，同时全向轮818是被动的、低阻力的从动轮或者用作主动的车辆转向机构。轮子816、818可被单独或同时启动和驱动，以实现车辆810的不同类型的转向。

车辆的轮子的构造提供优异的运动性和稳定性，同时保持相对较小的占地面积。这允许机器人适用于较小的区域，并且允许机器人具有利用传统布置(例如四轮车辆)难以实现(如果可能)的可操作性。例如，具有所述布置的车辆可被构造为使得该车辆可在直径8英寸至完全平坦表面的范围的表面上是有效的。驱动轮816给车辆提供稳定性。特别地，驱动轮可包括强磁体，其形成轮子和铁磁性表面之间的拉力，车辆810可在该表面上运动，且该结构布置有助于阻止车辆的翻倒。另外，驱动轮可具有相对宽且平坦的构造，其进一步为车辆提供稳定性。

参考图3，车辆810显示为横过弯曲的铁磁性表面1，其仅作为示例可以是钢管。驱动轮816和全向轮818每个可以包括磁体。例如，磁体可包括在这些轮子的每个的轮毂中，或在双全向轮的情况下(如图3所示)，磁体可包含在两个辊轮毂之间。通过将驱动轮和全向轮连接至相应的底盘部分，每个底盘部分(经由轮子中的磁体)被吸引至铁磁性/磁诱导材料表面(例如，在磁场存在时产生吸引力的材料，诸如钢管)。替换地，或附加地，底盘部分本身可包括在每个底盘部分和铁磁性表面之间提供吸引力的磁体。这样，当车辆横过弯曲的或不平坦的表面时，每个底盘部分可磁性地吸附到该表面。同时，铰链820允许底盘部分相对于彼此旋转。通过该布置，驱动轮816和全向轮818保持与车辆810行进所沿的表面接触、并与该表面垂直。弹簧824还可以在两个底盘部分812、814之间延伸，且被连接以提供推进力来辅助所述底盘部分回到两个轮子位于相同平坦表面上、且两个底盘部分之间的旋转角度几乎为零度的位置。

现参考图4A和4B，其分别示出机器人车辆在弯曲表面上和在平坦的平表面上的示意图。如图4A所示，底盘部分绕铰链820旋转，从而轮子保持接触车辆行进在其上的弯曲表面2。相应地，铰链被定位为使得铰链允许转向轮按照曲率调整，且同时防止底盘的其余部分接触。如果没有铰链820，则底盘保持直线构造，且其中一个轮子不能保持接触弯曲表面，或仅与弯曲表面局部接触(例如，仅轮子的边缘可保持接触)。轮子的一个或两个不能保持与行进表面接触可具有明显的结果。第一，诸如周边边缘的轮子的部分可与表面接触，随着车辆沿表面继续，这可导致该部分上的磨损的拖曳。第二，这种不能可导致底盘的磁体和表面之间的吸引力明显下降。这会产生灾难性结果，诸如当车辆横过垂直的或倒置的表面时，其中，车辆不能保持与表面的磁性抓握，且实际上与该表面解耦。车辆的解耦会导致作为坠落的结果的车辆所遭受的损坏，这会给区域中的工人带来危险，和/或会导致车辆卡住，这会带来其他问题。另外，铰链和底盘可以被布置以保持车辆的较低的质心。

如图4B所示，车辆810设置在平表面3上。铰链820可包括旋转止动件826和828。这些可例如是在第一和第二底盘部分的每个上的匹配表面。旋转止动件可被定位以防止围绕铰链820不期望的旋转，或将旋转限制在设定的度数范围内，例如当车辆在平表面上时。例如，铰链可防止车辆在平表面上时折叠到其自身上，从而铰链接头在该表面上被拖曳。止动件还可以被间隔以允许沿上、下两个方向的受限的旋转量。相应地，车辆可绕铰链旋转，以适于凹表面和凸表面二者。这样，车辆可被用在管道外侧(凸表面)上，以及用在箱体内侧(凹表面)上，而不改变车辆的结构。所述自由度可允许沿上、下两个方向的运动，其可增加车辆横过凸表面(例如管道外侧)和凹表面(例如箱体表面)二者的能力。全向轮的宽度以及在轮子和表面之间提供吸引力的磁体有助于防止沿上、下方向的不期望运动。通过其宽度和其磁体(其可提供与表面接触的两个接触点)，全向轮被偏置以垂直于行进表面。相应地，全向轮本身提供对车辆绕铰链过度旋转的阻力。

另外，铰链可具有其他受限的自由度，其可通过在铰链设计中并入一些游隙而实现。该游隙可改善机器人在沿特定轨迹运动时的功能，所述轨迹包括两个底盘部分之间的扭转运动，例如当车辆绕管道以螺旋形式行进时。

机器人车辆810(包括其磁性轮和铰接底盘的取向)提供了显著提升的运动性。可以在横过半圆(例如钢管)时实现完整的180°的转动，该半圆具有仅比驱动轮的直径略大的直径。车辆可被用于运动，并且携带检查设备。具有上述底盘设计的这样的车辆的其他用途可被用于在磁诱导表面上运动并且运输物品/人员，所述表面诸如正在被建造的摩天大楼的钢材框架(或在建造之后通过提供对钢结构的磁性抓握而用于检查/维护)或大容器的侧部。

通过沿任何方向、向任何方位运动的能力，上文所述的车辆可横过直径小至6”甚至更小的钢表面。车辆的运动可包括纵向运动、圆周运动、螺旋运动、绕固定点的360度枢转。车辆可克服诸如直至至少半英寸的焊道或斑块的障碍物。车辆能够在钢表面的下侧执行这些操作，包括在管道内部以及在多种结构的外部。车辆还可以在凸、凹表面二者上越过管道中的弯头或其他转弯部。另外，作为其枢转运动的结果，车辆可克服正常的轮子不容易驾驶越过的特定类型的障碍物。相应地，车辆可临时地使用全向轮作为主要运动部件(同时，“驱动轮”主要保持就位)。由于内嵌(in line)式构造，车辆的设计还允许车辆横过非常窄的表面，例如梁的侧部、非常小的管道等。这样的表面的最小宽度仅受到磁性驱动轮的两个轮轭之间的内部距离的约束。

应理解为，本发明的各种组合、替换和改变均可被本领域的技术人员设想到。本发明意图涵盖落入所附权利要求范围内的所有的这种替换、改变和变动。

虽然本发明已经参考其优选实施例被具体示出和描述，本领域的技术人员应理解，可在其中做出形式上的和细节上的各种改变，而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (12)

1.一种用于沿着铁磁性磁诱导表面运动的机器人车辆底盘，包括：

第一底盘部分；

第二底盘部分；

驱动轮，其安装到第一底盘部分和第二底盘部分中的一个，其中，所述驱动轮包括第一驱动轮毂和第二驱动轮毂，每一个驱动轮毂分别定位在所述驱动轮的相反侧，所述第一驱动轮毂和所述第二驱动轮毂被构造为一起转动或相对于彼此转动，并且其中，所述驱动轮具有曲率使得所述驱动轮的每一侧在位于所述曲率的相应的相反侧的单一点处接触所述表面；

全向轮，其安装到第一底盘部分和第二底盘部分中的另一个，该全向轮以相对于驱动轮正交的角度安装；

铰接接头，其提供第一底盘部分和第二底盘部分之间的自由度，以使得第一底盘部分和第二底盘部分能够沿第一方向相对于彼此旋转；其中，铰链接头响应于车辆正在横过的表面的曲率而旋转；

至少第一磁体，其包括在驱动轮中；和

至少第二磁体，其包括在全向轮中；其中，所述至少第一磁体和第二磁体分别保持驱动轮和表面之间、以及全向轮和表面之间的吸引力。

2.根据权利要求1所述的机器人车辆底盘，其中，第一和第二底盘部分包括单独的电源、以及用于单独地驱动驱动轮和全向轮的电机。

3.根据权利要求1所述的机器人车辆底盘，其中，全向轮包括位于全向轮的圆周的第一组滚子和第二组滚子，以保持与表面接触的至少两个接触点。

4.根据权利要求3所述的机器人车辆底盘，其中，第一组滚子和第二组滚子分别被第一驱动轮毂和第二驱动轮毂支撑，其中，全向轮的第一驱动轮毂和第二驱动轮毂包括至少第一磁体。

5.根据权利要求1所述的机器人车辆底盘，其中，第一驱动轮毂和第二驱动轮毂包括至少第二磁体。

6.根据权利要求1所述的机器人车辆底盘，其中，驱动轮毂的接触点具有纹路。

7.根据权利要求6所述的机器人车辆底盘，其中，驱动轮毂的接触点是滚花的。

8.根据权利要求1所述的机器人车辆底盘，其中，驱动轮毂的接触点是被涂覆的。

9.根据权利要求8所述的机器人车辆底盘，其中，驱动轮毂的接触点具有橡胶涂层。

10.根据权利要求8所述的机器人车辆底盘，其中，驱动轮毂的接触点具有聚氨酯涂层。

11.根据权利要求1所述的机器人车辆底盘，其中，单个电源为第一和二底盘部分、以及用于驱动驱动轮和全向轮的电机提供电力。

12.根据权利要求1所述的机器人车辆底盘，其中，所述铰接接头包括至少一个旋转止动件。