CN106170371A - 模块化移动式检查车辆 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有至少第一运动模块和第二运动模块的模块化检查车辆。所述第一运动模块和第二运动模块连接到底架。第一运动模块包括安装到底架的第一轮子。第二运动模块包括安装到底架的第二轮子，第二轮子相对第一轮子成一定角度。所述车辆还包括被构造为收集与车辆的位置相关的位置数据的导航模块，被构造为收集与车辆的环境相关的检查数据的检查模块，以及被构造为发射和接收数据的通信模块。所述车辆还可以包括控制模块，该控制模块被构造为接收检查数据、并且将检查数据与所接收的位置数据关联，用于经由通信模块传输，其中所述所接收的位置数据与在相应位置处收集的检查数据对应。

Description

模块化移动式检查车辆

相关申请的交叉引用

本申请基于2013年11月30日提交的美国临时专利申请序列号61/910,328，并且要求该美国临时专利申请的优先权，该美国临时专利申请的全文通过引用方式合并于此。

技术领域

本发明涉及用于结构物检查的系统和方法，并且特别地，涉及检查车辆。

背景技术

检查难于达到并且不易接近的结构物是昂贵的、费时的，并且可能具有危险。特别地，检查包括升高管道、横梁、储罐、容器、以及其他金属表面或者结构物的钢表面的缺陷(例如磨蚀和/或焊缝失效)具有挑战。这些结构物通常已经长时间未经检查，或者需要捆扎脚手架才能到达期望检查的区域。搭建和使用脚手架引入了潜在的坠落安全性危险，消耗许多时间和劳动来准备，并且也是明显昂贵的。

虽然可以使用一些机器人检查车辆，但是这些车辆具有许多缺点。例如，典型的机器人检查车辆是高度专门化的，每种应用必需购买不同的车辆。虽然一个车辆能够检查储箱壁，但是同一车辆不能适用于检查管道。此外，对于诸如视觉检查、超声波检查和气体感测的不同的功能，需要不同的机器人和系统。另外，常规的检查车辆是受限的，因为它们通常需要拴系的连接部，这限制了它们在不被卡塞、且它们的(拴系)操纵缆不被纠缠的状态下出入带有近距离障碍物(例如，接头)的区域的能力。

本发明解决了这些及其他问题。

发明内容

根据本发明方面，提供了一种模块化检查车辆，其具有底架和第一和第二运动模块。第一运动模块包括第一轮子，第一轮子安装到底架用于绕第一轴线旋转。第二运动模块包括安装到底架的第二轮子，第二轮子布置成绕相对于第一轮子成一定角度的第二轴线旋转，用于相对于第一轮子的旋转方向正交旋转。车辆另外包括：检查模块，其被构造为收集与车辆的环境相关的检查数据；通信模块，其被构造为发射和接收数据；和至少一个电力模块，其被构造为给车辆及其模块提供电力。车辆还可以包括控制模块，所述控制模块被构造为接收检查数据，并且其中，所述控制模块被构造为准备检查数据，用于经由通信模块传输。

根据另外的方面，连接到底架的导航模块被构造为收集与车辆的位置相关的位置数据。

根据又一方面，所述控制模块被构造为将检查数据与在相应的位置处收集的、与检查数据相对应的位置数据关联，并且其中所述控制模块被构造为准备关联数据，用于经由通信模块传输。

根据另外方面，底架包括第一和第二底架部段，所述第一和第二底架部段的每一个联接到第一和第二轮子中的相应一个轮子，这些部段经由联动装置连接，所述联动装置允许在第一和第二底架部段之间的运动自由度。

根据又一方面，所述联动装置是铰链。

根据另一可选方面，第一轮子是磁性驱动轮，并且第二轮子是允许车辆改变方向的磁性全向轮。

根据另外方面，磁性驱动轮和磁性全向轮包括高温磁体。

根据另外方面，所述第一和第二轮子中的至少一个包括磁体。

根据另外方面，所述磁体是高温磁体。

根据另外方面，检查模块包括用以检测材料厚度、故障和异常中的至少一种的传感器。

根据再一方面，所述检查模块包括超声换能器。

根据另外方面，所述超声换能器是干态耦合的探头。

根据另外方面，所述超声换能器是湿态耦合的探头。

根据再一方面，所述车辆包括流体分配模块。

根据另一方面，所述超声换能器是高温探头。

根据再一方面，所述超声换能器由安装部支撑，所述安装部被偏压以保持超声换能器与待检查表面接触并垂直于所述待检查表面。

根据另一方面，所述车辆包括用于将标记材料分配在期望位置处的标记模块。

根据再一方面，所述车辆包括多个安装部位，所述多个安装部位被定尺寸且成形为接收多个模块。

根据另外方面，所述车辆包括机器人臂模块、气体感测模块和温度感测模块中的至少一个模块。

根据另外方面，所述电力模块接收来自车载电池的电力。

根据另外方面，所述电力模块通过系缆接收电力。

根据另外方面，单个电力模块将电力提供到需要电力的其它模块中的每一个。

根据另外方面，提供多个电力模块，其中每一个电力模块关联于需要电力的其它模块中的一个，用以调节用于每个相应模块的电力。

根据又一方面，这些电力模块分别整合到需要电力的其它模块中的每个模块中。

根据又一方面，这些电力模块是分别与所述需要电力的其它模块中的每个模块关联的单独模块。

根据又一方面，所述电力由车载电池供给。

根据又一方面，所述电力由系缆供给。

根据另外方面，所述通信模块被构造为以无线方式发射和接收数据。

根据另外方面，所述通信模块被构造为经由系缆发射和接收数据。

附图说明

图1A示出了一种模块化检查车辆；

图1B示出了模块化检查车辆的附加特征部；

图2A示出了在表面上的模块化检查车辆的示意图；

图2B示出了在表面上的模块化检查车辆的示意图；

图3示出了在曲面上的模块化检查车辆的侧视图；

图4示出了模块化检查车辆的子系统的示意图；

图5A是具有检查模块和臂模块的模块化检查车辆的顶部侧视图；

图5B是具有检查模块的模块化检查车辆的底侧；

图6是用于模块化检查车辆的检查探头的安装部的侧视图；

图7A-7D示出了可与模块化检查车辆结合使用的全向轮；以及

图8是模块化检查车辆和各种子系统的示意图。

具体实施方式

本发明涉及用于检查结构物的系统和方法。根据本发明的一些实施方式，检查车辆被用以完成对这些结构物的检查。检查车辆能够使用独特的机动性设计来攀登钢(或其它可磁诱导的材料)表面。机器人车辆可包括根据其所行进表面的几何结构进行调节的自动自调节底架。机器人车辆还可包括一个磁性驱动轮和(相对于驱动轮)正交安装的、用于转向的磁性全向轮。这种机器人车辆可包括多个检查模块，诸如视觉检查模块、UT检查模块、气体感测模块、和机器人臂操作模块。机器人车辆还可以是无线和整装式的，而无需系缆或者其它有线连接器来传输数据和/或接收操作命令。系缆的消除进一步提高了车辆的机动性，并且增加了可使用该车辆进行检查的应用的种类。另外，车辆的底架设计和轮子布置允许车辆在具有不同直径的曲面上使用，而不必改变车辆的结构。例如，由于车辆的多用途和适应性设计，同一车辆可用于检查8英寸直径的管道和大容量存储罐的表面，而不必调节车辆的结构。

参考图1A和3，车辆10利用了包括两个模块的新型机械底架，即驱动模块11a和转向模块11b。驱动模块11a包括第一底架部段12、以及能够正向和反向驱动车辆10的磁性驱动轮16。转向模块11b包括第二底架部段14、以及正交安装的磁性全向轮18。全向轮18在行驶期间提供了主动转向和被动滑动(通过小辊子)。在其它实施方式中，提供了安装转向模块和驱动模块的常规底架。这些实施方式的共同点在于，车辆能够支撑允许车辆执行检查操作的各种模块。

轮子16、18和/或底架部段可包括磁体，用以提供车辆和铁磁性/可磁诱导材料(例如，在存在磁场情况下产生吸引力的材料，诸如钢管)之间的吸引力。磁体可以被选择以便提供足够的吸引力，以当车辆沿着铁磁性/可磁诱导的表面行进时，允许车辆以竖向位置和/或翻转位置行进。另外，磁体可以被选择以抵抗极端温度，并且还可以提供绝热缓冲部以辅助车辆本身与极端温度状态隔离开。磁性全向轮18可具有如图7A-7D所示的构造，例如下文更详细所讨论的。但是，可使用磁体被整合到全向轮中的其它结构布置。

参考图7A-7D，显示了包括安装楔形块76的全向轮70。全向轮70包括两个轮毂72、布置在两个轮毂之间的间隔环73，其中，间隔环73限定用于接收磁体74的空腔。如上所述，间隔环73和这些轮毂可包括用于轮子对准的转位凹槽(indexing notches)，以便将一个轮毂的一个辊子取向成位于在另一轮毂上的两个辊子之间的间隙之间。所使用的与轮毂的直径和轮毂的转位相关的辊子数目降低每个轮子的颠簸，并且允许更平滑地行进。另外，分隔件73由非含铁材料制成，这样的材料不传递磁体磁力，以便防止两个轮毂72之间的磁性短路。每个轮毂72包括经由安装楔形块76附接到轮毂的多个辊子75。轮毂72包括多个安装孔77a，所述多个安装孔77a与每个楔形块76上的安装孔77b对应，以便能够将楔形块连接到轮毂(例如，经由紧固件，诸如螺钉、螺栓、铆钉、销等)。每个楔形块包括定尺寸且成形为接收轴79的轴安装孔78。如可观察到的，辊子75安装在轴79上，轴79被支撑在楔形块76的轴安装孔78中。楔形块76经由安装孔77a、77b附接到轮毂72。在这一布置中，轮子可易于组装和拆卸。如上文所述，轮毂72和楔形块76可采用作用为磁通集中器的含铁材料制成。磁体74取向成使得它的磁极指向轮毂和楔形块，轮毂和楔形块汇集磁通量并将磁通量引向行进表面。楔形块的尺寸和形状可改变，以便楔形块边缘和行进表面之间的距离D减少，这导致轮子和表面之间的磁性吸引力增大。轮毂、楔形块和辊子定尺寸和成形，以使得在轮子沿着行进表面行进时，轮毂和楔形块的材料与表面紧密接触。使轮毂和楔形块的材料与行进表面紧密接触是理想的，这是因为轮毂和楔形块的磁通量集中材料与行进表面越紧密地接近，则轮子和行进表面之间的磁性吸引力越大。但是，轮毂或者楔形块实际地接触到表面并不是理想的，因为这会增大轮子沿着表面行进时的拖曳力，特别是在轮子垂直于轮毂(即，辊子在行进方向上滚动)移动时。楔形块76的外缘76a可具有与轮毂72的周缘轮廓匹配的凸形轮廓。以这种方法，楔形块76能够距离行进表面更近。例如，楔形块的凸形轮廓进一步有助于保持平坦的边缘楔形块上的吸引力的一致性。这是因为楔形块的凸形轮廓确保行进表面和楔形块之间的距离是常量，并且该距离不随着轮子的旋转而改变(而如果楔形块具有笔直边缘，则会发生这样的改变)。通过这种方法，可以显著提高轮子和行进表面之间的磁性吸引力，而无需改变磁体尺寸。对于用在铰接的机器人车辆10中，磁性全向轮的这种构造是特别有用的。该全向轮结构能够有效引导磁体的力，以使得用以将车辆保持在与铁磁性行进表面的磁性支点上的磁力最大化，特别是在竖向状态和翻转状态下。由此，可使用更小的磁体，从而减小了车辆的尺寸和重量，这进而改进了车辆的机动性和功耗。

再次参考图1A和3，车辆10的第一和第二底架部段12、14经由铰链20连接在一起。铰链20可以具有多种不同的类型，包括例如肘节/销铰链、球和棘爪铰链。其它类型的结构可以被使用，以提供两个底架部段之间的自由度，例如，可使用柔性材料(例如，软质塑料)将两个底架部段连接在一起，同时仍提供两个底架部段之间的自由度。铰链20提供了第一和第二底架部段之间的运动自由度，以使得它们能够相对于彼此旋转，如以箭头“A”所表示的。允许第一和第二底架部段12、14之间旋转的运动自由度提供了车辆的运动的灵活性，即在车辆横越曲面的同时，驱动轮16和全向轮18仍保持与曲面1(例如，钢管)接触、并取向成与之垂直。所述自由度可以允许在车辆在上下方向上的运动，这可以提高车辆横越凸面(例如，管外侧)和凹面(诸如，储箱的内表面)的能力。全向轮的宽度和提供轮子和表面之间的吸引力的磁体有助于在阻止在上下方向上的不需要的运动。全向轮通过其宽度和磁体偏置为与行进表面垂直。因此，全向轮本身提供了抵抗车辆围绕铰链旋转的阻力。另外，铰链可具有其它的受限的自由度，这可通过将一些游隙整合在铰链设计中来实现。这一游隙可提高机器人沿着引起两个底架部段之间的扭转运动的特定轨迹运动时的功能，诸如当车辆围绕管道以螺旋型式行进时。

现在参考图1B，其以简化的略图示出了驱动轮16和全向轮18的取向，但未示出铰接的底架。在具有以箭头“D”指示的优选进行方向的机器人车辆的实施例中，响应于向前推进车辆的电机，机器人车辆10的驱动轮16绕它的轴线在箭头“R1”指示的方向上旋转。全向轮18的旋转轴线名义上取向成垂直于驱动轮16(并且轮子处于正交平面中)，如图1B所示。全向轮18包括围绕全向轮18的周界布置的多个辊子22。辊子22(例如经由销或者轴)安装在全向轮18上，用于以沿与驱动轮16相同的方向旋转，如箭头“R2”所示(即R1是与R2相同的方向)。因此，当驱动驱动轮16时，全向轮18可以充当不被驱动的从动轮。随着驱动轮16被驱动，辊子22被动旋转，由此允许车辆在通过辊子降低被动全向轮18的摩擦的状态下沿着如箭头“D”所示的驱动方向上行进，至少当车辆10沿着水平面移动时情况如此。

全向轮18提供了转向或者旋转，以控制机器人车辆10。通过使用上述的电机，或者使用借助于全向轮和上述电机之间的常规传动装置使用第二电机(未单独示出)来驱动全向轮18，以使车辆10转向。全向轮在箭头“R3”指示的方向上旋转。全向轮的旋转导致车辆在箭头“S”指示的方向上转动或者转向。对全向轮18的旋转的控制允许车辆10转向。铰链20被构造为当全向轮在“S”方向上被驱动时，所述铰链具有最小的屈服、甚至没有屈服，以使得车辆可以在不弯折到其本身上的状态下沿方向“S”旋转，并且使得由于全向轮18的沿“S”方向的运动通过铰链20传递到驱动轮，全向轮18的该运动可以与驱动轮16的重新取向相关联。

因此，驱动轮16可以被控制，以便在全向轮18是被动、低阻力从动轮或者作用为车辆的主动转向机构的情况下，提供车辆的向前和向后的运动。可以分别地或者同时地致动和驱动轮子16、18，以实现车辆10的不同类型的转向。

车辆的轮子的构造允许在保持相对较小的占用面积的状态下实现最佳的机动性和稳定性。这允许将机器人进入小的区域中并且具有机动性，而这些对于传统布置(诸如四轮式车辆)而言是实现是困难的(如果并非不可能的话)。例如，具有所述布置的车辆可被构造为使其对于直径8英寸的表面至完全平坦的表面均是有效的。驱动轮16为车辆提供了稳定性。特别地，驱动轮包括强磁体，该磁体在驱动轮和车辆10可在其上运动的铁磁性表面之间形成拉力，并且这一结构布置有助于抵抗车辆倾倒。另外，驱动轮可具有相对宽且平坦的构造，这进一步为车辆提供了稳定性。

参考图3，车辆10显示为正在横越弯曲的铁磁性表面1，仅作为示例，该铁磁性表面1可以是钢管。驱动轮16和全向轮18均可以包括磁体。例如，磁体可以包括在这些轮子中每个轮子的轮毂中，或者在双全向轮的情况下(如在图3中所示)，被包括在两个轮毂之间。通过将驱动轮和全向轮连接到各自的底架部段，每个底架部段(经由轮子中的磁体)被吸引到铁磁性/可磁诱导材料(例如在存在磁场情况下可以产生吸引力的材料，诸如钢管)的表面。替代地或者作为补充，底架部段本身可包括磁体，以提供每个底架部段和铁磁性表面之间的吸引力。因而，当车辆通过弯曲的或者不平坦的表面时，每一底架部段可被磁性地吸引到表面。同时，铰链20允许这些底架部段相对于彼此旋转。以这种布置，驱动轮16和全向轮18保持接触车辆10所行进的表面，并且垂直于该表面。弹簧24也可以在两个底架部段12、14之间延伸，并且连接以便提供回复力，用以协助这些部段回到两个轮子位于相同平面表面上、且两个底架部段之间为近似零度旋转的位置。

现在参考图2A和2B，分别示意性示出了机器人车辆在曲面上以及在诸如在管的表面的纵向边缘上。如图2A所示，底架部段绕铰链20旋转，以便轮子保持接触车辆在其上行进的曲面2。在无铰链20的情况下，底架将保持直线构造，并且一个轮子将不能保持与曲面接触，或者可能仅与曲面部分接触(例如，仅车轮的边缘可保持接触)。一个或两个轮子无法保持与行进表面接触会具有明显后果。首先，轮子的部分(诸如周边边缘)会接触表面，这会在车辆沿着表面持续行进时在这些部分引起刮铲(drag)和磨损。其次，该故障会导致底架磁体和表面之间的吸引力的显著下降。这会具有灾难性后果，诸如当车辆在竖向或者倒置表面上行进时，车辆无法与表面保持磁性支点，并且实际上脱离表面。车辆的脱离会导致车辆坠落受损，给区域中的工人带来危险，和/或导致车辆卡塞，这会带来进一步的问题。如在图2B中所示，车辆10布置在管道2的纵向边缘上。铰链20可包括旋转止动件26、28。例如，这些旋转止动件可以是第一和第二底架部段的每个上的匹配面。这些旋转止动件可以设置成阻止围绕铰链20的不希望的旋转，或者设置成将旋转限定在设定的角度范围，诸如，当车辆在平坦表面上或者两个轮子以其他方式处于相同平面上时。例如，铰链可阻止车辆在位于平坦表面上时弯折到其本身上，以使得铰链接头在表面上被拖曳。这些止动件还可以分离开，以允许在上下方向上的受限的旋转量。因此，车辆可以绕铰链旋转，以适应凹形表面和凸形表面。因而，车辆可用在管的外侧上(凸形表面)，以及罐的内侧中(凹形表面)，而不使车辆结构改变。这一自由度可允许在上下方向上的移动，这可提高车辆通过凸形表面(例如，管外侧)和凹形表面(诸如，罐表面)的能力。全向轮的宽度和在轮子及表面之间提供吸引力的磁体有助于抵抗在上下方向上的不需要移动。全向轮以其宽度和磁体被偏置为与行进表面垂直。因此，全向轮本身提供了用以阻止车辆绕铰链旋转的阻力。

另外，铰链可具有其它受限的自由度，这可通过将一些游隙整合到铰链设计中来完成。在机器人沿着导致两个底架部段之间的扭转运动的特定轨迹移动时，这一游隙可增强机器人的功能，诸如当车辆围绕管以螺旋型式行进时的情形。

另外参考图2A和2B所示，随着车辆改变相对于曲面的取向，两个底架部段绕铰链20的角度也改变。当车辆垂直于曲面的轴线时，铰链之间的角度处于其最大值。当车辆10布置在同一曲面上，但车辆平行于曲面的轴线(例如，平行于管的流体方向)取向时，该角度改变。由于车辆位于曲面的隆起部上，前轮和后轮位于相同的平面表面上。因而，绕铰链的旋转角度为零。在这一取向下，围绕铰链的角度处于其最小值，即为零。随着车辆从车辆垂直于表面轴线的取向向车辆平行于表面轴线的取向过渡，绕铰链的角度从它的最大值减小到它的最小值。通过测量绕铰链的角度的值，可以确定车辆相对于曲面的取向，稍后将更详细地论述。

这一角度的角度值是车辆的几何结构、车辆所处曲面(例如，管)的直径以及车辆相对于曲面的取向的函数。车辆的几何结构可以包括轮子的直径以及轮子和铰链之间的距离，该几何结构是可测量的且已知的因素，并且在机器人执行检查期间保持恒定。另外，将要部署车辆进行检查的表面(例如，弯管)的直径是可检测的且已知的因素，并且在机器人执行检查期间保持恒定。另外，绕铰链的角度的程度可经由传感器测量(例如，使用电位计、编码器、应变片、2个惯性测量单元(一个安装在驱动模块上，另一个安装在转向模块上)之间在一个短时间内的相对差值，或者其它合适的传感器等)。使用关联于车辆和表面的、已知且恒定的因素并结合所测量的绕铰链的角度，可以计算车辆的取向。这对于车辆的导航特别有用，并且可用作与其它导航系统结合的补充，诸如惯性传感器和/或编码器。底架部段之间的角度提供了关于车辆的真实取向的指示，因为该角度是车辆相对于曲面的实际取向的函数。由此，通过测量角度来确定取向可以用来校正在其它推论性导航传感器中可能发生的偏离。因此，如果惯性系统指示X度的取向，而角度传感器指示X+1度的取向，则角度传感器可用于校正另一传感器系统中的误差，以确保更精确地测量并防止误差复合。

车辆10能够通过各种模块选项执行多个检查工作。参考图5A和5B，车辆显示为通过车辆支撑各种检查模块。例如，视觉检查模块50可安装在车辆10上，并且可包括安装在可控吊杆臂52上的摄像机51。检查模块可包括检测被检查的表面(诸如金属管)中的腐蚀的传感器。检查模块可检测材料的表面特性变化、化学变化和/或厚度变化。在一个示例中，腐蚀传感器检查模块可包括超声波传感器。超声波检查模块53还可以安装在车辆10上。超声波检查模块包括干态耦合的超声探头54。与要求水源的湿态耦合的探头相反，使用干态耦合的探头避免了对于给探头供水的系缆的需要，由此提高了车辆的机动性。超声波检查(或者超声波测试(UT))模块53可包括可适用的安装部55—稍后更详细论述—用以在车辆沿着复杂轨迹(例如，螺旋延伸路径)行进时将超声探头保持在垂直于行进表面的位置，由于车辆的设计能够实现该复杂轨迹。干态耦合的探头54提供了钢表面的腐蚀映射图/壁厚。探头能够检测材料厚度、故障和材料异常，包括但不局限于腐蚀和破裂。气体感测模块(未示出)还可以安装在车辆上。气体感测模块能够测量不同气体的浓度。由于它的模块化构思，易于添加更多模块以实现额外的功能。与车辆的通信可通过无线通信联接实现，而无需操纵缆或者系缆，这因避免缠结而有助于提高机动性。对操作者可用的两种控制模式稍后更详细地论述。起初，操作者对车辆完全手动控制，以将驱动车辆直到待检查的区域。然后，车辆可以围绕所述管沿螺旋状路径自动驱动，以通过使用UT探头提供该区域的完整腐蚀映射图。

参考图6，显示了超声波检查模块53的可适用安装部55。可适用安装部55包括弹簧加载的线性致动器56，线性致动器56对探头54施加力，以使探头保持接触待检查表面。四连杆机构系统58允许探头54根据正在被检查的表面移动和调节，以使得探头可以保持垂直于检查表面，以获得探头的最佳性能(四连杆机构的虚线和实线表示两个可能的调节位置)。两个关键特征将市售干态耦合探头与常规UT探头区分开：它是干式和/或半干式的，因为除了需要对轮子轻微润滑以防止轮子因检查表面上的任何粗糙度而磨损外，它不需要使用水或其它耦合剂。另外，这些轮子探头提供了优于常规探头的更大优点，即可以将它们安装在活动的平台上，以使得检查任务更准确且对于操作者更容易。这些轮子探头通常由轮轴组成，换能器在所述轮轴内对中，并且所述轮轴随后由合成橡胶制成的轮胎包围，所述合成橡胶的声阻抗类似于凝胶或者水。可选地，探头还可以填充有液体耦合剂，所述液体耦合剂将信号传输到包围橡胶。另外，可使用各种其它探头，包括常规探头和高温探头。在选择的探头需要与检查材料的“湿”界面的情形中，可提供用于施加耦合剂或者穿透流体(例如凝胶或者油)的机构。流体施加机构可整合在车辆设计中，并由车辆控制器远程控制以用于耦合剂的分配。流体施加模块可例如具有储存器、致动器和分配端口。响应于控制信号，致动器可使得耦合剂从储存器运动并通过分配端口分配到正在被检查的表面。

通过使用伺服电机57控制UT探头中的晶体的取向，并且控制弹簧加载的线性致动器56在检查期间对探头施加适当力、并且在不使用时将探头从表面提起，可以将干态耦合的探头54保持在垂直于检查表面的位置。这一安装机构不在探头周围使用任何支撑轮以最小化占用面积、尺寸和重量，但需要时可以增加它们。伺服电机57通过四杆联动装置58连接到探头轴，用以控制探头轴相对于组件的角位移。应注意到，探头的橡胶轮在它的轴上自由滚动，由此在常规位置伺服电机足以执行角度调整以实现在曲面上的正则化(normalization)。线性致动器56至少提供一些功能。它在不执行检查时将探头提离表面，以减小橡胶磨损并保护橡胶免受侧向拖曳影响。其次，在检查期间，压缩弹簧，弹簧转而对探头施加适当的压力以取得期望的UT信号。这一机构能够在不同管径上调节，并且还能够在同一管上在从纵向扫描、转到螺旋扫描、转到径向扫描期间进行调节。例如，从平坦表面到管道(径向扫描)的移动将需要线性致动器延伸以使探头下降接触表面以补偿弹簧压紧。这同样适用于在同一管道上的纵向扫描、螺旋扫描和径向扫描之间的差异，因为这些改变是探头所面对的路径的曲率的基本变化。

计算机可以执行用于确定车辆取向的方法，其中所述计算机具有带有存储器并用于执行代码的处理器。如图4所示，例示了信息处理器102的功能性元件，这些功能性元件优选地包括用以执行软件代码以控制信息处理器102的操作的一个或者多个中央处理单元(CPU)202、只读存储器(ROM)204、随机存取存储器(RAM)206、通过通信网络与其它计算设备发送和接收数据的一个或者多个网络接口208、用于存储程序代码、数据库和应用代码的存储设备210(诸如，硬盘驱动器、闪存、CD-ROM或者DVD驱动器)、一个或者多个输入装置212(诸如，键盘、鼠标、控制球等)，以及显示器214。信息处理器102的各种部件不必在物理上容纳在同一底架中，或者甚至位于单个部位上。例如，如以上关于可保存在存储装置210中的数据库所述的，存储装置210可以位于远离信息处理器102的其余元件的位置，并且甚至可以通过通信网络106经由网络接口208连接到CPU 202。例如，通过使用机器人机载处理器执行数据处理，并将处理的数据传输到远程计算机终端。

图4所示的功能性元件(以附图标记202-214标明)优选地是相同种类的功能性元件，优选地存在于用户计算设备104中。但是，不是所有元件必须存在，例如在PDAs情形中的存储装置，并且，各种元件的容量被布置以适应所预期的用户需求。例如，用户计算设备104中的CPU 202可具有比存在于信息处理器102中的CPU 202小的容量。类似地，信息处理器102很可能将包括具有比存在于工作站104中的存储装置210高得多的容量的存储装置210。当然，本领域技术人员将理解，功能元件的容量可以根据需要调节。

例如，测量铰链角度的传感器能够对处理器提供电子输入信号。这些信号在输入到处理器202之前可经历模拟或者数字信号处理，诸如通过作为在处理器202中或者在单独的模数转换器(ADC)中执行的计算机代码所实现的前处理模块。这种模块可以接收来自模数转换器的输出，而模数转换器又接收来自传感器的信号，例如应变片。位于机器人车辆上的车载处理器可以执行确定车辆取向的计算。替代地或者另外地，感测数据可以传输(例如，通过无线通信)到远程处理器(例如，现场笔记本电脑、智能收集、平板电脑等)，以执行所述数据处理来确定车辆的取向和位置。

图8提供了车辆10的示例性控制系统的框图。存储软件代码的微控制器80被设置，用于控制车辆的操作并且发送指令到各种检查模块。车辆包括导航系统81。导航系统81可以包括惯性系统82，该惯性系统可以包括作为确定车辆位置器件的加速计和陀螺仪。另外，导航系统可以包括编码器83，用于感测驱动轮和/或转向轮的转数。导航系统还可以包括用于测量机器人的两个底架部段之间的角度的传感器，以确定车辆相对于曲面的取向，如上文所述。

从导航系统81收集的数据可以由微控制器80分析，以便生成控制运动系统85的指令。运动系统85可包括从微控制器80接收指令的运动控制器模块86，运动控制器模块86又控制驱动电机87和转向电机88的操作，以控制车辆的轨迹。

车辆10可包括具有电池90的电力系统89。低压转换器91可对系统的电子设备(例如，微控制器、无线通信系统、传感器模块等)提供电力(例如，5V DC)。第二转换器92可用于对车辆的其它系统(例如，电机)提供高电压(例如，12V DC)。如此，车辆电力模块可以包括可再充电电池或非可再充电电池。替代地，在包括系缆的构造中，电力模块可以从系缆的外部源接收电力。可以设置单个电力模块，以适用车辆上需要电力的所有其他模块的电力。也可设置多个电力模块，以便需要电力的每个模块可具有与之关联的电力模块，以使得每个电力模块可以适用并将电力传送到其相应模块。例如，电力模块还可以整合在需要电力的各种模块中。

车辆10可包括多个检查模块，例如超声波检查模块93、气体检测模块94、视觉检查摄像机95、机器人臂模块52、以及其它模块。每个模块可包括全部必要的电子设备、控制器和机电元件以操作模块。检查模块可以与控制器80通过有线连接或者通过无线路由器96直接通信。检查模块可以具有集成的无线通信能力。替代地，检查模块可以使用致使所收集的检查数据适于无线传输的传送模块97。

远程用户界面98可被构造为相对车辆发送和接收无线信号。例如，用户界面98可包括在台式计算机、笔记本电脑、个人数据助理、智能手机、平板电脑、或其它合适装置上运行的应用，或者可以实施为常规浏览器应用(诸如，可从Google Inc.获得的Chrome浏览器)中的页面。因此，用户界面可以接收由机器人收集的检查数据和位置数据，并将信息显示在显示器99上。用户界面还可以包括控制界面100(例如，触屏控制界面，或者使用按钮和操纵杆的更传统的物理控制界面等)，以允许用户以无线方式发送指令至车辆，以控制车辆的运动和/或车辆的检查模块。

例如，微控制器可以接收来自用户界面的命令指令以推进到一定位置，并且一旦处于该位置时，就立即执行检查操作。因此，微控制器可以控制运动系统85以将车辆推进到目标位置，并从导航系统81接收信息以确认车辆的位置、并调节对电机的控制以相应地到达目标位置。一旦处于目标位置，微控制器就可以控制电机使车辆以检查扫描型式移动，这可以例如是围绕曲面(例如，管的外部)的螺旋型式。当车辆以扫描型式移动时，微控制器可以与多个检查模块相互作用并控制所述多个检查模块，以执行它们各自的检查数据收集操作。微控制器由此可收集从相应检查模块所接收的数据，并将检查数据与从导航系统81收集的数据关联。通过这种方法，微控制器可以将收集的检查数据与数据收集处的具体位置关联。由此，微控制器可以形成可包括检查数据和相应的位置数据的多模态数据点。这些多模态数据点可以以无线方式传输到用户界面98，并显示给用户。这些数据点可以以示出检查数据的位置和结果的映射图的形式显示。来自多个检查模块的检查数据可关联位置数据。例如，映射图可包括针对车辆通过的每个位置点所收集的UT数据、气体检测数据和视觉图像数据。

上述的车辆允许针对凹形曲率和凸形曲率进行自动调节。引入底架内的、在驱动模块和转向模块之间的自由度允许车辆在紧密曲率上自调节，因此覆盖钢表面，例如从平坦表面降至8"直径的管道。相反，常规的检查履带式车在特定曲率面上工作，或者在开始检查之前已经必需手动调节，这意味着它们固定成沿一个维度(纵向或者周向)工作。具有自调节系统允许车辆在管道上沿着任意方向自由漫游，因为从纵向驱动向周缘驱动的转换涉及车辆面对的曲率的改变。通过驱动磁性驱动轮，车辆可正向和反向移动，同时全向轮的辊子允许全向轮平滑非约束地滑动。通过在操作全向轮在围绕驱动轮枢转的情况下转向，车辆可以在管表面上执行完整的360度原位旋转。通过致动两个轮子，可以在行进时左右转向。所有这些驱动模式的组合允许车辆执行各种复杂的动作，以避开障碍物(例如，接头)并且遵循螺旋状路径，以实现检查期间的完全覆盖管道。两个轮子的直列式布置允许车辆在窄表面上的巡航，诸如窄的横梁和圆柱和小直径管道。常规的检查履带式车具有3个或更多个轮子(它们不具备这一直列式构造)，使得它们较宽。

车辆10是整装式的，并且是远程控制的。车辆利用无线通信协议(例如WiFi、RF、Zigbee)从操作者接收指令，并且发回实时影像结果和检查数据(例如厚度测量、气体浓度等)。可充电电池组以及可选的太阳能电池板对机器人提供电力。常规的UT检查履带式车需要操纵缆来提供电力和通信，因为脉冲器(为UT探头提供高压脉冲的UT电路)质量较重并且布置在地面上，这需要系缆以连接到履带式车。车辆10的特征在于车载微型脉冲器，该微型脉冲器结合无线通信摆脱了对于操纵缆的需求。消除系缆通过避免了缆线的缠结和超重量而确保了机器人的提高的机动性，这允许接近难以到达的表面和升高的管子，这区别于常规履带式车。在其中预期通信功能的一些实施方式中，对于电力有较大的需求，或者需要外部的流体供应，例如，车辆可包括系缆。在一些需要系缆的应用中，系缆可以允许通信信号、电力和车辆可能需要的其它元件的传输，诸如附加的输入数据和例如耦合剂流体。例如，车辆可包括连接模块。连接模块构造有合适连接器，以便系缆能够连接到车辆。因此，在车辆在检查期间到处移动时，系缆保持为牢固地连接到车辆，并随之移动。系缆可以是专用的(例如，电力系缆)，或者可以用于多种目的、并且包括多个部件(例如，电力系缆、通信线缆/光纤、流体管线等)。因此，通过连接到车辆的系缆，可以将其它模块直接或者间接地连接到系缆的适当部件。

在车辆10中采用模块化方案改进了车辆10经由多个可拆除模块执行各种不同任务的能力。这些模块可包括使用例如照相机的视觉检查模块、使用脉冲器和干态耦合探头(或者其它类型的UT探头，诸如常规探头或者高温探头)的UT检查模块、气体感测模块、机器人臂模块。这一系统扩展了车辆的所提供的功能，而不用不必要地同时携带全部这些设备。其它潜在应用可以如下方式完成，例如开发单独模块以完成表面准备、根据检查目的以物理方式标记缺陷所处位置(例如，经由诸如涂料的可见标记，或者诸如磁性标记口按钮的物理标记)、涂覆/上色、日常维护/检修、计算机辅助的机构损伤检测和安全/监测。例如，标记模块可包括标记材料(例如，涂料、染料、或者其它可探测材料)的储存器，并且可以接收使标记模块将标记材料分配在期望位置处的信号。标记模块可以标示已经检查的、损坏的或者需要关键检修的位置。另外，标记模块可以包括具有不同标记材料的多个单独储存器，这些不同标记材料用以指示不同的状态(例如，一种颜色指示已在特定位置进行了检查，另一颜色指示已经检测到缺陷)。

车辆模块具有多个安装部位，以允许将不同模块连接到车辆模块。因此，可使用标准化的接口，以使得为这些模块提供物理安装和电力联接，所述电力联接用于提供电力、控制、以及在模块与车辆中的其它部件之间的数据传送。这些模块可以直接连接到底架，或者例如通过由其它模块支撑连接或者通过附加的联动装置支撑连接而间接地连接到底架。优选地，包含磁性全向轮的转向模块附接到驱动模块的背部，以产生如上所述的全向轮车辆。然而，通过使用2个铰链将两个驱动模块并排附接可以形成差速转向车辆，所述差速转向车辆通过改变两个驱动轮的速度或者方向来转向，这也可实现不同构造。其它的构造包括蛇形构造/环形构造，这可通过将多个驱动模块和转向模块以单线方式附接以形成蛇形构造，或者以环形方式附接以形成环形构造。

但应理解，本领域技术人员能够设想到本发明的各种组合、替换和修改。本发明旨在涵盖落在所附权利要求的范围内的所有这些替换、修改和变化。

虽然已经参考本发明优选实施方式特别地示出和说明了本发明，但本领域技术人员将理解，可在型式和细节上进行各种改变，而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (29)

1.一种模块化检查车辆，包括：

底架；

第一运动模块，所述第一运动模块包括：

第一轮子，其安装到所述底架，用于绕第一轴线旋转；

第二运动模块，所述第二运动模块包括：

第二轮子，其安装到所述底架，并且被布置成围绕相对于第一轮子成一定角度的第二轴线旋转，用于相对于所述第一轮子的旋转方向正交旋转；

检查模块，其连接到所述底架，并且被构造为收集与车辆的环境相关的检查数据；

通信模块，其连接到所述底架，并且被构造为发送和接收数据；

至少一个电力模块，其连接到所述底架，并且被构造为给所述车辆和它的模块提供电力；以及

控制模块，其连接到所述底架，并且被构造为接收所述检查数据，并且其中，所述控制模块被构造为准备用于经由所述通信模块传输的所述检查数据。

2.根据权利要求1所述的模块化检查车辆，进一步包括导航模块，该导航模块连接到所述底架，并且被构造为收集与所述车辆的位置相关的位置数据。

3.根据权利要求2所述的模块化检查车辆，其中，所述控制模块被构造为将所述检查数据与在相应的位置处所收集的、与所述检查数据相对应的所接收的位置数据关联，并且其中，所述控制模块被构造为准备经关联的数据，用以经由所述通信模块传输。

4.根据权利要求1所述的模块化检查车辆，其中，所述底架包括第一底架部段和第二底架部段，所述第一底架部段和第二底架部段中的每一个联接到所述第一轮子和第二轮子中的相应一个轮子，所述部段经由联动装置连接，该联动装置允许在第一底架部段和第二底架部段之间的运动自由度。

5.根据权利要求3所述的模块化检查车辆，其中，所述联动装置是铰链。

6.根据权利要求1所述的模块化检查车辆，其中，第一轮子是磁性驱动轮，第二轮子是允许所述车辆改变方向的磁性全向轮。

7.根据权利要求6所述的模块化检查车辆，其中，所述磁性驱动轮和所述磁性全向轮包括高温磁体。

8.根据权利要求1所述的模块化检查车辆，其中，所述第一轮子和第二轮子中的至少一个包括磁体。

9.根据权利要求8所述的模块化检查车辆，其中，所述磁体是高温磁体。

10.根据权利要求1所述的模块化检查车辆，其中，所述检查模块包括传感器，用以检测材料厚度、故障和异常中的至少一种。

11.根据权利要求1所述的模块化检查车辆，其中，所述检查模块包括超声换能器。

12.根据权利要求11所述的模块化检查车辆，其中，所述超声换能器是干态耦合的探头。

13.根据权利要求11所述的模块化检查车辆，其中，所述超声换能器是湿态耦合的探头。

14.根据权利要求13所述的模块化检查车辆，进一步包括流体分配模块。

15.根据权利要求11所述的模块化检查车辆，其中，所述超声换能器是高温探头。

16.根据权利要求11所述的模块化检查车辆，其中，所述超声换能器由安装部支撑，所述安装部被偏压以保持所述超声换能器与待检查表面接触、并垂直于待检查表面。

17.根据权利要求1所述的模块化检查车辆，进一步包括在期望位置处分配标记材料的标记模块。

18.根据权利要求1所述的模块化检查车辆，其中，所述车辆包括多个安装部位，所述多个安装部位的尺寸和形状被确定为接收多个模块。

19.根据权利要求1所述的模块化检查车辆，其中，所述车辆包括机器人臂模块、气体感测模块、和温度感测模块中的至少一个。

20.根据权利要求1所述的模块化检查车辆，其中，所述电力模块接收来自车载电池的电力。

21.根据权利要求1所述的模块化检查车辆，其中，所述电力模块通过系缆接收电力。

22.根据权利要求1所述的模块化检查车辆，其中，单个电力模块为需要电力的其它模块中的每一个提供电力。

23.根据权利要求1所述的模块化检查车辆，进一步包括多个电力模块，其中电力模块与需要电力的其它模块中的每一个关联，用以调节用于每个相应模块的电力。

24.根据权利要求23所述的模块化检查车辆，其中，所述电力模块被分别整合到所述需要电力的其它模块中的每个模块中。

25.根据权利要求23所述的模块化检查车辆，其中，所述电力模块是分别与所述需要电力的其它模块中的每个模块关联的单独模块。

26.根据权利要求23所述的模块化检查车辆，其中，所述电力由车载电池供应。

27.根据权利要求23所述的模块化检查车辆，其中，所述电力由系缆供应。

28.根据权利要求1所述的模块化检查车辆，其中，所述通信模块被构造为以无线方式发送和接收数据。

29.根据权利要求1所述的模块化检查车辆，其中，所述通信模块被构造为经由系缆发送和接收数据。