CN113056412A - 具有自动探测器归一化的履带车 - Google Patents

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CN113056412A
CN113056412A CN201980075987.4A CN201980075987A CN113056412A CN 113056412 A CN113056412 A CN 113056412A CN 201980075987 A CN201980075987 A CN 201980075987A CN 113056412 A CN113056412 A CN 113056412A
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CN
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probe
chassis
wheel
vehicle
magnetic
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Application number
CN201980075987.4A
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F.阿布德拉蒂夫
A.阿尔汉娜比
S.帕特尔
M.阿布德尔卡德
J.S.尚马
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Saudi Arabian Oil Co
King Abdullah University of Science and Technology KAUST
Original Assignee
Saudi Arabian Oil Co
King Abdullah University of Science and Technology KAUST
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Abstract

一种用于横越表面的机器人车辆(100)包括底盘，所述底盘具有安装在其上的多个车轮(117，118，128)。两个磁性驱动轮(117，118)在横向方向上间隔开并且围绕旋转轴线(154)旋转，同时稳定轮(128)设置在所述两个驱动轮前方或后方。所述驱动轮被配置成被独立地驱动，从而沿所述表面驱动所述车辆和使所述车辆转向。所述车辆还包含传感器探测器组件(130)，所述传感器探测器组件由所述底盘支撑并且被配置成对正被横越的所述表面进行测量。根据显著方面，所述车辆包含探测器归一化机构(170)，所述探测器归一化机构被配置成确定表面曲率并且根据所述表面的所述曲率来调节探测器换能器的定向，从而将探测器保持在优选的检查角度，而与所述表面曲率随车辆移动的变化无关。

Description

具有自动探测器归一化的履带车
相关申请的交叉引用
本申请根据35 U.S.C.119(e)要求于2018年11月29日提交的名称为“具有可释放履带的栖息UAV”的美国临时申请第62/772,700号以及根据35 U.S.C.120要求于2019年11月20日提交的名称为“具有自动探测器归一化的履带车”的美国临时申请第16/689,797号的权益，在此通过引用将其全文并入。
技术领域
本发明涉及机器人车辆，并且尤其涉及具有磁性驱动轮和用于检查车辆所横越表面的检查探测器的机器人检查车辆。
背景技术
在大多数行业中，对设备进行例行检查至关重要，以确保安全并优化性能。例如，在石油工业和相关领域中，液体和气体及其混合物通过管道运输，并且这些材料也存储在大罐中。
在该行业中众所周知，为了保持管道、储罐等的完整性，可以采用传感器装置检查这种表面。特别地，检查车辆可以用于越过目标物体(例如，管道或罐)的表面并记录关于管壁质量的信息。这些检查车辆中的大多数使用超声或磁传感器执行检查。基于记录的信息，可以检测并记录被检查表面(例如管壁)中的任何裂缝或其他缺陷，以允许采取后续补救措施。
过去，存在用于检查各种结构例如工厂设备、船舶、水下平台、管道和储罐的不同检查车辆设计。如果没有合适的检查工具检查结构，则可以选择建造脚手架，以使人们能够检查这些结构，但成本高昂，并且对检查员的人身安全构成威胁。过去的检查工具缺乏有效地检查此类表面所需的控制、可操纵性和紧凑包装(即尺寸)。
另外，尽管在这种检查车辆中可以使用许多不同的传感器，但是超声传感器的一种优选类型是干耦合探测器(DCP)，其被配置为对表面进行超声检查以测量壁厚并检测腐蚀。干耦合探测器通常以轮子的形式构建，其中轴(车轴)应固定在其中，因为在外胎绕着轴旋转的同时，该轴具有牢固地嵌入其中的换能器组件。因此优选地将探测器的轴保持和定位成使得换能器始终指向表面，这意味着车轮在其滚动和俯仰方向上不倾斜。
正是关于这些和其它考虑因素而呈现了本文所公开的内容。
发明内容
根据本发明的一个方面，公开了一种用于横越表面的磁性机器人履带车。所述车辆包括底盘和安装到底盘的多个车轮，所述车轮在横越表面时支撑底盘。特别地，所述多个车轮包含两个间隔开的磁性驱动轮，所述磁性驱动轮在横向方向上间隔开并且绕旋转轴线旋转。所述驱动轮被配置成被独立地驱动，从而沿所述表面驱动所述车辆和使所述车辆转向。(作为参考，车辆具有纵向轴线，所述纵向轴线在前后方向上垂直于旋转轴线延伸并且穿过两个车轮之间的中点。)还包含稳定轮，所述稳定轮在纵向方向上与两个磁性驱动轮间隔开并且被配置成沿着表面滚动。所述车辆还包含由底盘支撑的传感器探测器组件和联接到至少传感器探测器组件的探测器归一化机构。探测器归一化机构被配置成在车辆的正常运行期间根据表面的曲率将传感器探测器组件的至少探测器换能器保持在相对于表面的规定角度。
可根据本发明的某些实施例的附随描述和附图以及权利要求理解这些和其它方面、特征和优点。
附图说明
图1A是根据一个或多个公开的实施例的磁性机器人履带车的仰视图；
图1B是根据一个或多个公开的实施例的图1A的磁性机器人履带车的侧视图；
图1C是根据一个或多个公开的实施例的图1A至1B的磁性机器人履带车的侧视图；
图2A是根据一个或多个公开的实施例的图1A至1C的磁性机器人履带车的示范性传感器探测器组件的简化仰视图；
图2B是根据一个或多个公开的实施例的图1A至1C的磁性机器人履带车的示范性传感器探测器和探测器载体组件的简化侧视图；
图2C是图1A至1C的磁性机器人履带车的示范性传感器探测器组件的简化侧视图，并示出了根据一个或多个公开的实施例的可替代探测器安装构造，并示出了适当的归一化探测器角度(左图像)和不适当的归一化(右图像)；
图3A是根据一个或多个公开的实施例的磁性机器人履带车的侧视图；
图3B是根据一个或多个公开的实施例的图3A的磁性机器人履带车的侧视图；
图4A是根据一个或多个公开的实施例的磁性机器人履带车的侧视图；
图4B是根据一个或多个公开的实施例的图4A的磁性机器人履带车的侧视图；
图5A是根据一个或多个公开的实施例的磁性机器人履带车的侧视图；
图5B是根据一个或多个公开的实施例的图5A的磁性机器人履带车的侧视图；
图6A是根据一个或多个公开的实施例的磁性机器人履带车的侧视图；
图6B是根据一个或多个公开的实施例的图6A的磁性机器人履带车的侧视图；
图6C是根据一个或多个公开的实施例的图6A至6B的磁性机器人履带车的侧视图；以及
图7是根据一个或多个公开的实施例的示范性电机辅助探测器归一化机构的侧视图。
具体实施方式
通过概述和介绍，公开了一种具有自动探测器归一化机构的小型磁性机器人履带车。所述车辆配置成能够以高灵巧性和机动性横越几乎任何曲率的铁磁表面，而与表面几何形状和方向无关，并且使用检查传感器来执行对被横越的表面的检查。
虽然在这种检查车辆中可以使用许多不同的传感器，但是一种优选类型的超声传感器是干耦合探测器(DCP)，其被配置成执行表面的超声检查，以测量所横越结构的特性(例如壁厚)并检测腐蚀。干耦合探测器通常以轮子的形式构建，其中轴(车轴)应固定在其中，因为在外胎绕着轴旋转的同时，该轴具有牢固地嵌入其中的换能器组件。因此优选地将探测器的轴保持和定位成使得换能器始终指向表面，这意味着车轮在其滚动和俯仰方向上不倾斜。
实际上，不同的表面曲率需要车轮的轴的旋转调节，以确保其换能器直接指向待检查的表面，从而确保正确的测量。这种校准探测器角度的过程被称为归一化。归一化探测器通常是手动过程。例如，当检查管道时，必须对每个不同的管道直径执行归一化。此外，沿圆周检查管施加一定的曲率，但沿纵向检查实际上等同于检查平坦表面。因此，不能无缝地进行两者之间的转换，并且必须在完成转换之前进行手动归一化。
因此，使用DCP的挑战之一是探测器优选地保持与被检查的表面垂直(正交于)，并且当检查车辆移动并导航表面时这可能是一项挑战。另一个挑战是使探测器保持紧密接近或与被检查表面接触。这是特别困难的，因为检查车辆可以在管道或罐表面上沿圆周、纵向和螺旋方向行驶，这意味着必须重新对准DCP以确保DCP垂直于被检查表面，而与检查车辆的位置无关。
所公开的实施例提供了一种用于在不依赖重力的运行中提供车辆运动的解决方案，其中可以将重力对车辆运动的影响最小化，同时仍然能够进行通用控制。同样，所公开的实施例还涉及一种机构(装置/设备)，其在执行检查时以及在检查车辆被转向和/或沿表面以各种不同轨迹移动时使传感器稳定、保持传感器的合适高度以及相对于被检查表面使传感器(例如DCP)归一化，尽管表面的曲率的程度范围不同。在一些示范性实施例中，通过控制探测器相对于车辆底盘的定向来归一化探测器角度。另外或可替代地，探测器可以具有相对于底盘的固定定向，并且探测器归一化涉及调节车辆相对于表面的姿态。履带车的前述方面以及如本文进一步描述的解决了在检查履带车的开发中常见的多个主要挑战，同时减小了检验车辆的整体尺寸和重量。
参考图1A至1C，示出了根据本发明实施例的示范性机器人履带车100。图1A提供了省略了某些部件的车辆100的简化仰视图。图1B和1C分别提供了在平坦表面111和弯曲表面111上横越的车辆100的简化侧视图。如图所示，车辆100可以是可以可控地驾驶越过表面111的三轮磁履带检查车辆的形式。例如，车辆100可以是使用一个或多个车载传感器探测器检查表面111的一个或多个区域的机器人装置，其中车辆可以由用户控制，用户可以向车辆发送命令以控制车辆的运行。以这种方式，用户可以有效地驾驶车辆越过地面并且也可以使车辆停止和转向。车辆也可以配置为也自动驾驶。
机器人车辆100包括第一底盘部分112。两个磁性驱动轮117和118由第一底盘部分支撑。稳定车辆的稳定轮128也安装到第一底盘部分。稳定轮128可以是脚轮、脚轮球或全向轮。在图1A和1B中，使用脚轮128作为实例示出了履带构造。
如上所述，每个驱动轮可被磁化，以允许机器人检查车辆100磁性地附着到诸如金属管或金属存储罐的铁磁金属表面111，并可在其上移动。为了保持脚轮128与表面11接触，脚轮球也可以被磁化。应该理解，根据车辆行驶的特定构造或方向，后稳定轮128可位于驱动轮前方，并因此引导驱动轮而不是跟随驱动轮。还应该理解，本文描述的示范性底盘、驱动轮和稳定轮布置不旨在是限制性的。在不脱离所公开的实施例的范围的情况下，可以实施可替代车辆、驱动轮和稳定轮构造。
在由箭头“D”指示的机器人车辆的向前行进方向上，机器人车辆的驱动轮117和118响应于向前和向后推进车辆的电机而围绕轴线154在任一方向上旋转。驱动轮的旋转轴线154也称为横向轴线154，横向轴线154在宽度方向上穿过第一底盘部分112。纵向轴线150垂直于横向轴线并纵向延伸穿过第一底盘部分的中间(例如，平行于履带车在其上并将车辆分成左右两侧/两半的平坦表面)。图1B中还示出了垂直轴线152，其垂直于纵向轴线和横向轴线两者延伸并且垂直于表面111(当履带搁置在平坦表面上时)。
还可以理解，每个驱动轮可以被独立地致动并且被配置成在向前和向后方向上推进车辆以及使车辆转向，如本文中进一步描述的。间隔开的驱动轮为车辆100提供稳定性。另外，驱动轮可包含强磁体，所述强磁体在车轮和车辆可在其上移动的铁磁表面111之间产生拉力，并且这种结构布置有助于防止车辆倾翻。
尽管在附图中没有整体示出，但是车辆可以包含控制模块。控制模块可以包含电机、用于将机械动力从电机传递到驱动轮117和118的驱动组件、动力源(例如电池)。如图1B所示，控制模块还可以包含控制器190。控制器包含处理器192，其是通过执行存储在计算机可读非暂时性存储介质194上的代码形式的指令被配置。控制器尤其可以通过处理来自传感器的感测数据，处理存储的指令以及为机器人车辆上常见的任何数量的不同电子控制部件(例如电机、致动器等)生成控制指令/信号来电子地控制车辆的运行。
自动探测器归一化机构
在左车轮118与右车轮117之间设置有传感器支撑组件或“探测器载体”170，用于将检查探测器组件130安装到车辆100的第一底盘部分112。在本文描述的示范性实施例中，传感器探测器组件130是辊传感器探测器(例如，如先前描述的DCP)，其被配置成沿着被检查的表面滚动并捕获传感器测量结果。
简要地参考图2A和2B，它们分别是探测器组件130的特写简化俯视图和侧视图。探测器130是包含探测器轮134的组件，探测器轮134围绕固定探测器换能器轴132旋转。探测器换能器轴通常沿着外探测器轮的旋转轴线定向，其也通常平行于驱动轮117和118(未示出)的旋转轴线。
优选地，探测器轮134沿横向方向(例如，沿纵向轴线)设置在车辆的中点处。
根据所公开的实施例中的一个或多个的显著方面，探测器载体170支撑探测器组件130，并被配置成在运行期间保持探测器轮134与表面接触或靠近表面，并且可以在至少上下方向上移动探测器组件130，以补偿由于当在管道上螺旋或纵向行驶时弯曲表面在间隔开的车轮之间蠕动(例如，更靠近车辆的弯曲或隆起)引起的不同的表面曲率。
图2A是图示探测器载体170安装系统的示范性构造的底部平面图。在该构造中，探测器载体170包括安装有探测器轮组件的平台状载体结构171。更具体地，探测器轮的旋转轴的每一端由平台171支撑。探测器载体平台171可移动地安装到底盘，从而利用垂直滑动轴174在上/下方向上相对于表面111提供探测器轮位置的自调节，滑动轴174由弹簧172弹簧辅助。更具体地，探测器轮的旋转轴132的相对端可以例如使用滚柱轴承(未示出)安装到探测器载体平台171。图2B是探测器载体170组件的特写侧视图，并且示出了安装有探测器轮轴132的平台状载体结构171，并且还示出了以下进一步描述的自动归一化机构160。
此外，图2A至2B和图1A至1C绘示了在底盘和浮动探测器载体组件平台171之间延伸的两个压缩弹簧172。施加在底盘和探测器载体之间的弹簧扩张力用于调节探测器组件130的高度，从而保持探测器轮134与表面111接触，所述弹簧扩张力可以由从探测器载体170延伸到底盘的一个或多个轴174引导。如图所示，弹簧172中的一个设置在旋转轴的前面，而另一个弹簧设置在旋转轴后方，然而，弹簧的确切数量和弹簧的布置并不重要，只要载体170被弹簧偏压并被向下推动以保持轮134与表面接触。
虽然由探测器载体170提供的探测器轮的上下运动通常是被动的，但是可以使用弹簧等来偏置或辅助该运动。例如但没有限制，图2A绘示了压缩弹簧172，每个压缩弹簧172围绕相应的轴(未示出)的长度设置并抵靠底盘112(未示出)压缩。推靠在底盘和浮动平台上的弹簧力用于通过在运行期间有效地将探测器组件推向表面并自调节探测器轮的高度以适应曲率的变化来保持探测器轮134与表面接触。另外或可替代地，保持探测器轮134抵靠表面的力可以使用磁体提供，例如设置在轮134的左侧和右侧上的滚轮磁体。探测器组件130和自调节探测器载体170的示范性构造被提供作为非限制性实例，并且可替代的安装系统可用于支撑不同类型的检查探测器并提供探测器在一个或多个自由度上的移动。
在图2C所示的另一示范性构造中，探测器轮的旋转轴可在每一端由两个垂直定向的轴138支撑。虽然没有示出特定的安装构造，但是垂直定向的轴138可以可滑动地安装到底盘112或探测器载体170上。例如，可以使用相应的线性轴承(未示出)将轴138安装到探测器载体或底盘，所述线性轴承使得轴能够通过其在上/下方向上移动，从而允许探测器轮在上下方向上移动。
关于探测器的检查角度的归一化，应当注意，将车轮探测器放置在履带的中间(即，沿着纵向轴线150)和两个驱动轮之间显着地简化了与探测器相对于管道的对准相关的问题。探测器的这种放置基本上将归一化问题从三自由度挑战减少到特定的一个DoF挑战，其中要克服的唯一挑战是探测器换能器的前/后检查角度p，这由本文描述的自动探测器归一化机构解决。此外，将车轮探测器放置在履带的中心可以消除与探测器轮134侧向拖动相关的问题，因为这可能发生在其它履带中(除非在转向之前将探测器从管道提起)。因此，本文公开的示范性履带车能够在执行操纵的同时连续地获取探测器读数，而不需要将探测器提升离开管道(即，当转向时通过简单地绕探测器枢转)。
如上所述，因为例如DCP通常要求其内部换能器部件垂直于受检表面以便获得净测量值，所以在所横越表面111与滚动传感器探测器轮134之间优选地保持归一化接触。例如，图2C图示了与表面111(在左边示出)正确地归一化的探测器换能器，以及探测器角度p没有正确地归一化(例如不垂直于表面)的探测器换能器(在右边示出)。因此，根据所公开的实施例，车辆100包含自动归一化机构160，其提供探测器相对于表面111的被动归一化。
在图1A至1C所示的示范性实施例中，归一化机构160可以包含表面曲率“感测”装置或机构。特别地，车辆100包含安装在履带中心某处的被动浮动轮，即脚轮球162。如图所示，脚轮球162优选地沿着纵向轴线150并且优选地在后支撑脚轮128与驱动轮117和118之间的中点处提供。脚轮球162由线性滑动支撑组件164支撑，所述线性滑动支撑组件164被配置成保持脚轮球162抵靠表面111。例如，线性滑动支撑组件164可以包含轴，脚轮球162安装到所述轴的一端，并且所述轴被配置成在安装到底盘112的外轴壳体内线性滑动。因此，线性滑动支撑组件164可以被配置成允许脚轮球根据表面111的曲率相对于底盘在上/下方向上线性地移动。例如，在图1B所示的实施例中，当车辆横越平坦表面111时，脚轮球相对于底盘处于“低”位置。如图1C所示，脚轮球在横越弯曲表面111时移动得更靠近底盘112。因此，可以理解，管道直径越小(即，表面曲率越大)，脚轮球越靠近底盘。
为了保持脚轮球162与表面11接触，脚轮球可以被磁化。另外或可替代地，线性滑动支撑件164可以例如用弹簧(未示出)偏置，以在滑动轴与底盘之间提供足够的推力，以确保脚轮球162保持与表面接触。
虽然结合图1A至1C示出并描述了被动滚动的脚轮球162，但是可以使用适于接触表面111并沿表面111移动的任何装置，例如绕平行于驱动轮117和118的旋转轴线154的固定旋转轴线旋转的轮。
如上所述，线性浮动脚轮球162优选地可相对于第一底盘部分112沿至少上/下方向移动。应理解，根据车辆的构造，支撑组件164可以被配置成以更大的自由度可移动地支撑脚轮球162。还应理解，可以使用用于支撑这种浮动轮并允许其根据表面曲率在一个或多个方向上移动的其它机构。
现在返回到图1A至1C并继续参考图2A和2B，如上所述，自动探测器归一化机构160被配置成根据表面曲率来调节探测器130相对于表面111的角度p，从而便于探测器换能器轴132的正确定向以捕获测量值。在图1B至1C所示的示范性构造中，归一化机构160可以包含机械连杆机构165，机械连杆机构165被配置成将浮动脚轮球162(其根据表面曲率上下移动)的机械运动转换为探测器换能器轴的旋转，以便调节探测器角度p，即，使探测器换能器132更直接地指向表面111，从而提供被动和自动归一化。
机械连杆机构165的一个示范性构造可以包含滑块-曲柄连杆机构，其将脚轮球的平移运动与探测器换能器元件的角度相联系，如图1B所示。滑块-曲柄连杆机构的元件包含连杆机构臂166，所述连杆机构臂166在一端处可枢转地安装到脚轮球162，例如在脚轮球的轴处，使得其相对于脚轮球自由枢转。连杆机构臂166在另一端处也可枢转地安装到第二连杆机构臂167上。第二连杆机构臂167固定安装到探测器换能器轴132，使得旋转第二连杆机构臂改变探测器定向，并且如图所示，其定向与探测器换能器的检查方向相同。
滑块-曲柄连杆机构的几何形状，包含连杆机构臂166和167的长度以及它们各自的安装点的相对位置，被设计成确保探测器与表面的正确对准，以实现针对管道直径范围的归一化探测器角度p，并且优选地，在其运动范围内具有最小偏差。由于连杆机构被设计在两个极端之间，在脚轮球的平移位置和探测器的相应校正角度之间可能存在小的偏差。因此，滑块-曲柄连杆机构运动的特性允许车轮探测器130的检查方向在运行期间保持大致垂直于所横越表面(即，在相对于表面111的一个或多个方向上“归一化”或“法线定向”)。
提供以上描述的示范性自动探测器归一化机构作为非限制性实例。在不脱离所公开的实施例的范围的情况下，可以使用探测器归一化机构的其它构造。例如，图3A和3B图示了包含探测器归一化机构360的另一示范性布置的车辆300，所述探测器归一化机构360包括横越图3A中的平坦表面和图3B中的弯曲表面的滑块-曲柄连杆机构365。示范性滑块-曲柄连杆机构365可以在脚轮球362的运动范围和表面311的曲率内提供对相对于表面法线352的检查角度偏差p的改进控制。更具体地，如图所示，第一滑块-曲柄连杆机构臂366被示出为在一端处可枢转地附接到线性滑动轴363。另外，与图1A至1C所示的实施例相比，第二滑块-曲柄连杆机构臂367是细长的，并且与图1A至1C的实施例类似，第二滑块-曲柄连杆机构臂367在靠近表面311的端处可枢转地联接到第一连杆机构臂366，并且另外固定地联接到换能器轴332。
图4A和4B还图示了具有被动探测器归一化机构460的另一示范性构造的车辆400。车辆400示出为正横越图4A中的平坦表面和图4B中的弯曲表面。车辆400具有与结合图1A至1C示出和描述的车辆100相同的基本构造，即，两个间隔开的磁性驱动轮(仅示出一个车轮417)、稳定脚轮428和定位在两个驱动轮之间并安装到探测器载体组件470的传感器探测器组件430，探测器载体组件470是允许探测器轮的被动高度调节以保持与表面511接触的弹簧偏置装置。
车辆400还包含用于提供探测器角度的被动归一化的简化连杆机构系统。归一化机构460包括连杆机构臂466，其中曲率调节脚轮球462安装在所述臂的一端处，并且所述臂在另一端处安装到探测器轮轴432。连杆机构臂466和归一化机构460的几何形状更一般地可以被配置成使得当表面是平坦的时，表面411与后脚轮428、驱动轮417和脚轮球462之间的接触点是共面的，并且探测器轮被归一化成使得其换能器以优选的检查角度(例如，垂直于表面)指向表面411。当曲率增加(例如，管道直径减小)时，脚轮球462朝向底盘412移动，如图4B所示，结果，由于弯曲表面有效地相对于其它车轮提升脚轮球，固定安装在探测器轮上的连杆机构臂466将开始转动探测器换能器轴432。这在探测器轴432中产生角旋转，从而使探测器换能器与表面411对准以实现正确的归一化。可能出现一些残余归一化误差，但是通过为车辆配置适当的连杆尺寸和铰链位置，可以将误差最小化到可接受的范围。
图5A和5B是包括探测器归一化机构560的另一示范性构造的履带车500的侧视图。示出的车辆500正横越图5A中的平坦表面511和图5B中的弯曲表面511。车辆500具有与结合图1A至1C示出和描述的车辆100相同的基本构造，即，两个间隔开的磁性驱动轮(仅示出一个轮517)、稳定脚轮528和定位在两个驱动轮之间并安装到探测器载体组件570的传感器车轮探测器530，探测器载体组件570是允许探测器轮的被动高度调节以保持与表面511接触的弹簧偏置装置。
自动探测器归一化机构560被配置成调整探测器相对于底盘的定向，以便相对于表面归一化探测器换能器轴532。在图5A至5B所示的示范性构造中，探测器归一化机构560可以包含磁性环566，所述磁性环566联接到探测器轮534的换能器轴532并被设计为旋转探测器换能器。特别地，磁性环直径被设计成在磁体和含铁表面511之间留下小的气隙590，从而允许磁体自身与受含铁表面影响的磁场对准。如图5B所示，保持与含铁表面511磁性对准的磁体的旋转用于旋转换能器轴，从而提供探测器换能器与表面511的被动归一化。另外，探测器轴或磁环可以装配有机械止动件，用于防止磁体过度旋转，例如防止磁体旋转180度。
图6A至6C是包括探测器归一化机构660的另一示范性布置的履带车600的侧视图。示出的车辆600正横越图6A中的平坦表面611和图6B至6C中的弯曲表面611。车辆600具有与结合图1A至1C示出和描述的车辆100相同的基本构造，即，两个间隔开的磁性驱动轮(仅示出一个轮617)、稳定脚轮628和定位在两个驱动轮之间并安装到探测器载体670的传感器车轮探测器630，探测器载体670是允许探测器轮674的被动高度调节以保持与表面611接触的弹簧偏置装置。
然而，虽然先前描述的实施例包含被动地调节探测器相对于底盘和所横越表面的定向的探测器归一化机构，但是车辆600被配置成使得探测器630被保持在相对于底盘612的总体上固定的定向，并且探测器归一化机构660被配置成调节底盘的姿态以便在表面曲率的范围内调整探测器630相对于表面611的定向，从而保持探测器换能器轴632的正确检查角度p以捕获测量值。
在图6A至6B所示的示范性构造中，探测器归一化机构660可以包含一个或多个距离测量传感器694，其安装到底盘612的下侧并被配置成测量从传感器到表面611的距离。如图所示，传感器可以放置在车辆支撑轮(例如驱动轮617与脚轮628)之间的中间。此外，使用处理器692的车辆控制计算机690(或与机器人通信的外部计算装置)可以被配置成使用所测量的距离，车辆的已知几何形状(例如，车轮的大小和相对位置以及它们相对于探测器的相对位置)来确定表面曲率，并且因此，为了使探测器检查角度p与期望的检查角度相同(例如，垂直于被检查表面611)，需要将探测器的定向调节多少。
车辆600还包含致动器663，所述致动器663被配置成对准定向探测器630以实现期望的检查角度。可以使用许多类型的致动器来执行这种对准。例如，在图6A所示的实施例中，后脚轮628可安装到线性致动器663的轴的端，线性致动器663安装到底盘612。基于所计算的表面曲率，控制计算机690可以被配置成使线性致动器663延伸轴，从而在后端提升履带的底盘612。结果，底盘612绕驱动轮的轴线枢转，从而改变探测器的角度，所述角度保持在相对于底盘的固定定向，使得探测器垂直于所关注表面611。另外，来自距离传感器的反馈测量值可以由控制计算机690进行关联，以反映管道的直径和对准探测器所需的线性致动器调节。图6B图示了在探测器角度p归一化之前在弯曲表面上的示范性车辆600。图6C图示了通过使底盘绕驱动轮轴线枢转而使探测器角度p归一化之后的同一弯曲表面上的示范性车辆600。
除了用于被动地和自动地使探测器相对于受检表面归一化的前述示范性实施例之外或作为其替代，可以使用任何类型的动力致动器或电机来执行或以其他方式辅助探测器相对于表面的角度的致动和调节。例如，归一化机构可以包含直接或使用适当的机械连杆机构连接到车轮探测器的轴的致动器或电机，可以用于根据测得的表面曲率可控地调节检查角度。
例如，如图7所示，图7是用于调节探测器的检查角度的示范性电机辅助和受控探测器归一化机构760的特写视图。类似于结合图1A至1C描述的示范性车辆100，探测器包括探测器轮734，探测器轮734绕探测器换能器轴732旋转并由探测器载体770支撑，探测器载体770被联接到底盘并配置成使用弹簧安装系统被动地控制探测器的高度。如图所示，归一化机构760包含安装到探测器载体770并通过滑块-曲柄连杆机构系统765连接到探测器换能器轴732的电机750。电机被配置成基于从控制计算机690接收的适当配置的控制信号来旋转输出驱动轴。联接到驱动轴的机械连杆机构系统765将电机的旋转转换成探测器换能器轴732的旋转，以便调节探测器角度并提供探测器的主动自动归一化。
从以上公开的示范性实施例可以理解，自动探测器归一化机构机械地连接到探测器组件，并被配置成基于被动地感测或主动地测量的表面曲率，将探测器相对于表面保持在规定的检查角度。自动探测器归一化机构的几何形状(包含连杆机构臂的布置，它们各自的长度、枢轴点和其它此类参数)可以根据车辆构造(例如，车辆的支撑轮的尺寸、形状和相对位置)和应用相关要求(例如，表面曲率的预期范围)定义，以根据需要提供适当响应的自动探测器归一化机构，所述机构能够被动地和/或主动地调节探测器的角度并保持相对于表面的正确归一化的探测器。
应当理解，本领域技术人员可以设计出本发明的各种组合、替代和修改。本发明旨在涵盖落入所附权利要求的范围内的所有这样的替代、修改和变化。
应当理解，附图中的类似数字贯穿若干附图表示类似要素，并且并非所有实施例或布置都需要参考附图描述和展示的所有组件和/或步骤。
本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的并且不旨在限制本公开。如本文所使用的，除非上下文另外清楚地指明，否则单数形式“一个/种(a/an)”和“所述(the)”旨在也包含复数形式。应进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括(comprises和/或comprising)”指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、要素和/或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、要素、组件和/或其组。
而且，本文使用的措辞和术语是出于说明的目的并且不应该被认为具有限制性。本文中对“包含”、“包括”或“具有”、“含有”、“涉及”及其变体的使用意在涵盖其后列出的项及其等同物以及另外的项。
上面描述的主题仅以说明方式提供，并且不应被理解为具有限制性。在不遵循所示出和描述的示范性实施例和应用且在不脱离本公开所涵盖的本发明的真实精神和范围的情况下，可以对本文所描述的主题做出各种修改和改变，本公开由所附权利要求中的一组陈述以及由与这些陈述等效的结构和功能或步骤来限定。

Claims (18)

1.一种用于横越表面的磁性机器人履带车，其包括：
底盘；
多个车轮，其安装到所述底盘并且被配置成在所述车辆的正常运行期间横越所述表面，所述多个车轮包含：
两个磁性驱动轮，其中所述驱动轮在横向方向上间隔开并且围绕旋转轴线旋转，并且其中所述驱动轮被配置成被独立地驱动，从而沿着所述表面驱动所述车辆和使所述车辆转向，并且其中所述车辆的纵向轴线在前后方向上垂直于所述横向旋转轴线延伸并且穿过所述两个驱动轮之间的中点，以及
稳定轮，其中所述稳定轮在纵向方向上与所述两个磁性驱动轮间隔开并且被配置成沿着所述表面滚动；
传感器探测器组件，其由所述底盘支撑；以及
探测器归一化机构，其联接到至少所述传感器探测器组件，所述探测器归一化机构被配置成在所述车辆的正常运行期间根据所述表面的曲率将所述传感器探测器组件的至少探测器换能器保持在相对于所述表面的规定角度。
2.根据权利要求1所述的磁性机器人履带车，其中所述传感器探测器组件包括：
干耦合车轮探测器，其具有绕固定探测器换能器轴旋转的探测器轮，其中所述探测器轮被配置成大体上在所述车辆沿所述表面的行进方向上被动地滚动，并且其中所述探测器换能器轴内的探测器换能器被配置成以所述规定角度测量所述表面的特性。
3.根据权利要求2所述的磁性机器人履带车，其中所述传感器探测器组件安装到所述底盘，使得探测器换能器定位在所述两个驱动轮之间的所述中点处。
4.根据权利要求2所述的磁性机器人履带车，其进一步包括：
传感器支撑件，其将所述传感器探测器组件可移动地联接到所述底盘，其中传感器支撑组件被配置成响应于所述表面的所述曲率而使所述探测器组件相对于壳体在至少上下方向上被动地移动，从而保持所述探测器组件与所述表面接触。
5.根据权利要求4所述的磁性机器人履带车，其中所述传感器支撑件包括：
支撑所述探测器换能器轴的一个或多个轴，所述一个或多个轴通过至少一个安装件联接到所述底盘，其中所述至少一个安装件被配置成允许所述一个或多个轴相对于所述底盘在至少所述上下方向上移动；以及
一个或多个弹簧元件，其被配置成在至少所述传感器探测器组件与所述底盘之间施加迫使所述探测器轮向下并与所述表面接触的力。
6.根据权利要求2所述的磁性机器人履带车，其中所述探测器归一化机构包括：
浮动轮组件，其包含浮动轮，所述浮动轮被配置成在所述车辆的正常运行期间接触所述表面并且沿所述表面移动，其中所述浮动轮可移动地联接到所述底盘并且能够响应于所述表面的所述曲率而相对于所述底盘在至少上下方向上移动，其中所述上下方向总体上垂直于所述纵向轴线和所述旋转轴线两者；以及
机械连杆机构，其机械地连接所述浮动轮组件和所述探测器组件，其中所述探测器归一化机构本质上是被动的，并且其中所述机械连杆机构被配置成将所述浮动轮在至少所述上下方向上的所述移动转换成所述换能器轴围绕其中心轴线以一定速率的旋转，所述速率在所述车辆的正常运行期间根据所述表面的所述曲率将所述传感器探测器组件保持在相对于所述表面的所述规定角度。
7.根据权利要求6所述的磁性机器人履带车，其中所述机械连杆机构包括多连杆机构系统，所述多连杆机构系统包含：
第一连杆机构臂，其固定地附接到所述探测器换能器轴，以及
第二连杆机构臂，其中所述第二连杆机构臂在一端处可枢转地联接到第一连杆并且在另一端处可枢转地联接到所述浮动轮组件。
8.根据权利要求7所述的磁性机器人履带车，其中所述第一连杆机构臂和所述第二连杆机构臂以固定关系接合在一起。
9.根据权利要求7所述的磁性机器人履带车，其中所述浮动轮组件将所述浮动轮可移动地联接到所述底盘，并且进一步包括：
车轮支撑轴，所述浮动轮在其一端处安装到所述车轮支撑轴，并且所述车轮支撑轴在其第二端处通过安装件联接到所述底盘，所述安装件被配置成允许所述车轮支撑轴相对于所述底盘在至少所述上下方向上线性地移动，并且其中所述第二连杆机构臂可枢转地联接到所述车轮支撑轴。
10.根据权利要求9所述的磁性机器人履带车，其中车轮支撑组件进一步包括：一个或多个弹簧元件，所述弹簧元件被配置成在所述浮动轮组件与所述底盘之间施加迫使所述浮动轮向下并与所述表面接触的力。
11.根据权利要求9所述的磁性机器人履带车，其中所述连杆机构系统被配置成根据所述浮动轮在所述上下方向上的所述移动而使所述换能器轴围绕其中心轴线旋转。
12.根据权利要求6所述的磁性机器人履带车，其中所述浮动轮通过所述机械连杆机构可移动地联接到所述底盘。
13.根据权利要求1所述的磁性机器人履带车，其中所述浮动轮组件和所述传感器探测器轮成一直线布置。
14.根据权利要求1所述的磁性机器人履带车，其中支撑轮和所述传感器探测器定位在所述车辆的所述纵向轴线处。
15.根据权利要求1所述的磁性机器人履带车，其中所述稳定轮是当所述车辆正横越所述表面时位于所述驱动轮后方的脚轮。
16.根据权利要求1所述的磁性机器人履带车，其中所述探测器归一化机构包括：
距离传感器，其附接到所述底盘并且被配置成测量从所述底盘到所述表面的距离；以及
通信地联接到所述距离传感器的计算装置，所述计算装置包含处理器，所述处理器是通过执行指令来基于测量的距离计算所述表面的曲率被配置；以及
包括致动器或电机的机械驱动机构，所述机械驱动机构被配置成基于由所述计算装置处理器根据计算的表面曲率而生成的控制信号来机械地调节所述探测器组件相对于所述表面的定向。
17.根据权利要求16所述的磁性机器人履带车，其中所述驱动机构是电机，并且其中所述探测器归一化机构进一步包括：
机械连杆机构，其机械地连接所述电机的输出和所述探测器组件，其中所述机械连杆机构被配置成将所述电机输出的旋转转换成所述探测器组件的换能器轴绕其中心轴线相对于所述底盘的旋转。
18.根据权利要求16所述的磁性机器人履带车，其中所述驱动机构是线性致动器，其中所述致动器安装到所述底盘，并且其中所述稳定轮安装到致动器轴的端，其中所述致动器被配置成相对于所述稳定轮升高或降低所述底盘，从而改变所述探测器组件相对于所述表面的检查角度。
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