CN114075936A - 自主井下机器人运输平台 - Google Patents
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Abstract
一种模块化移动平台具有可伸出和可缩回的牵引器触面，用于接合井下环境的壁。可伸出和可缩回的牵引器触面允许平台成功地纵向导航穿过井下环境。该平台由纵向可移除地互连在一起的多个不同模块构成。每个模块具有至少一个特定功能，比如感测、导航、移动、控制、通信、电力或其组合。该平台具有纵向指向的检测器，用于检测平台将要行进通过的向前或向后方向。在其向前端部具有传感器的平台前端铰接，以通过井下环境中的裂口横向导航移动平台。一种系统和一种方法使用该模块化移动平台。
Description
技术领域
本公开总体涉及地质钻探和井下过程，更具体地，涉及配置成行进通过和导航不同井下环境的模块化移动平台，并且涉及使用这种模块化移动平台的系统和方法。
背景技术
在地质环境中的过程中，比如在井或管道的井下，使用机器人或具有基于电子的仪器的移动平台来探测环境和检查井壁是有利的。然而，机器人在井下纵向行进，这种井下环境对已知的机器人提出了挑战，因为这种环境内的横向宽度可以有很大不同。因此，机器人的侧面可能会擦到或碰撞到壁，潜在地损坏机器人及其仪器。
现有技术中的许多机器人也具有固定结构，比如用于保持用于行进的一组固定马达的外壳，以及用于监测和检查井下环境的一组固定仪器。然而，一旦构建了这样的机器人，如果可能的话，不拆卸机器人就不能修改机器人。因此，现有技术中的机器人受限于其在构建期间包括的马达和仪器。
现有技术中的一些机器人配置成固定细长形式，以在通常纵向延伸的井下环境中向上或向下行进。然而，一些井下环境可能具有分支和转弯，从而阻止机器人的固定细长配置导航这些分支和转弯。
已经在井下环境中使用的已知机器人还有其他限制。本公开正是针对这些限制。
发明内容
根据与本公开一致的实施例，一种模块化移动平台具有可伸出和可缩回的牵引器触面，用于接合井下环境的壁。这种牵引器触面允许平台成功地纵向导航穿过井下环境。此外，该平台可以由纵向可移除地互连在一起的多个不同模块构成。每个模块可以具有特定功能，比如感测、导航、移动、控制、通信和电力。该平台可以具有大致纵向指向的检测器，用于检测平台将要行进通过的向前或向后方向。本公开还包括使用这种模块化移动平台的系统和方法。平台也可以是细长的，能够相对于平台的纵向轴线在横向方向上铰接，以便平台横向移动。
在与本公开一致的实施例中，一种能够在井下环境中行进的移动平台包括：多个互连模块，包括位于模块前端的导航模块，其中，导航模块由执行在其中的代码的处理器配置成检测井下环境的特征并将包括移动平台的多个互连模块引向井下环境内的特征，所述导航模块包括：铰接臂；传感器，其设置在铰接臂的前端，配置成检测井下环境的特征；以及致动器，其被连接以在选择的横向方向上弯曲铰接臂；多个互连模块中的计算模块，该计算模块由执行在其中的代码的处理器配置成根据所述特征确定井下环境的即将到来部分的第一宽度；以及多个互连模块中的驱动模块，该驱动模块具有可伸出和可缩回的牵引器触面；其中，计算模块还配置成：控制驱动模块以伸出或缩回牵引器触面，以使驱动模块具有小于第一宽度的第二宽度，从而在选择的方向上将移动平台装配在即将到来的部分中，并且控制驱动模块以驱动牵引器触面，从而在选择的方向上在即将到来的部分中移动移动平台。导航模块、计算模块和驱动模块线性互连。
在与本公开一致的某些实施例中，导航模块、计算模块和驱动模块可移除地互连。在某些实施例中，导航模块、计算模块和驱动模块中的每个具有外壳，所述外壳是具有相应模块纵向轴线的基本圆柱形的。在相同或不同的实施例中，导航模块、计算模块和驱动模块与相应的模块纵向轴线互连，所述模块纵向轴线基本对齐以形成移动平台并沿着移动平台纵向轴线限定基本圆柱形形状。
在与本公开一致的某些实施例中，传感器沿向前方向发射检测信号，用于检测井下环境中的特征，比如沿选择的横向方向。检测信号包括超声波。计算模块使用无线信号控制驱动模块。
在与本公开一致的另一实施例中，一种能够在井下环境中行进的移动平台包括：多个互连模块，包括位于模块前端的导航模块，其中，导航模块由执行在其中的代码的处理器配置成检测井下环境的特征并将包括移动平台的多个互连模块引向井下环境内的特征，所述导航模块包括：铰接臂；传感器，其设置在铰接臂的前端，配置成检测所述特征；以及致动器，其被连接以在选择的横向方向上弯曲铰接臂；多个互连模块中的计算模块，该计算模块由执行在其中的代码的处理器配置成确定在选择的方向上即将到来的部分的第一宽度；以及多个互连模块中的驱动模块，该驱动模块具有可伸出和可缩回的牵引器触面；其中，计算模块还配置成：控制致动器以在选择的横向方向上弯曲铰接臂，以将铰接臂引向井下环境的即将到来的部分，控制驱动模块以伸出或缩回牵引器触面，以使驱动模块具有小于第一宽度的第二宽度，从而在选择的方向上将移动平台装配在即将到来的部分中，并且控制驱动模块以驱动牵引器触面，从而在选择的方向上在即将到来的部分中移动移动平台。传感器在横向方向上发射检测信号，用于检测所述特征。检测信号包括超声波。导航模块、计算模块和驱动模块相互连接。导航模块、计算模块和驱动模块可以可移除地互连。
在与本公开一致的某些实施例中，导航模块、计算模块和驱动模块中的每个具有外壳，所述外壳是具有相应模块纵向轴线的基本圆柱形的。在相同或不同的实施例中，导航模块、计算模块和驱动模块与相应的模块纵向轴线互连，所述模块纵向轴线基本对齐以形成移动平台并沿着移动平台纵向轴线限定基本圆柱形形状。牵引器触面相对于移动平台纵向轴线横向伸出或缩回。计算模块使用无线信号控制驱动模块。
在与本公开一致的另一实施例中，一种方法包括：互连多个模块，所述多个模块包括计算模块、驱动模块以及在模块的前端的导航模块，其中，导航模块由执行在其中的代码的处理器配置成检测井下环境的特征并将包括移动平台的多个互连模块引向井下环境内的特征，所述导航模块包括：铰接臂；传感器，其设置在铰接臂的前端，配置成检测所述特征；以及致动器，其被连接以在选择的横向方向上弯曲铰接臂；其中，计算模块由执行在其中的代码的处理器配置成确定在选择的方向上即将到来的部分的第一宽度，其中，驱动模块具有可伸出和可缩回的牵引器触面；其中，计算模块还配置成：控制驱动模块以伸出或缩回牵引器触面，以使驱动模块具有小于第一宽度的第二宽度，从而在选择的方向上将移动平台装配在即将到来的部分中，并且控制驱动模块以驱动牵引器触面，从而在选择的方向上在即将到来的部分中移动移动平台；将移动平台部署到井下环境中；检测井下环境的特征；确定井下环境的即将到来的部分的第一宽度；移动驱动模块的牵引器触面，以将移动平台装配到即将到来的部分中；以及将移动平台推进到井下环境的即将到来的部分中。移动牵引器触面包括在将移动平台推进到井下环境的即将到来的部分中之前，从驱动模块伸出牵引器触面或者朝向驱动模块缩回牵引器触面。
根据本公开，在此公开的各种实施例和实施方式的任何组合可以用在进一步的实施例中。根据本公开以及附图和权利要求，这些及其他方面和特征可以从本文呈现的某些实施例的以下描述中理解。
附图说明
图1是根据一实施例的具有处于伸出构造的牵引器触面的移动平台的顶部前侧透视图。
图2是图1的移动平台的侧视图，其中一组牵引器触面处于完全伸出构造，而另一组牵引器触面处于部分伸出构造。
图3是处于图1的完全伸出构造的移动平台的前视图。
图4是牵引器触面伸出的驱动模块的顶部前侧透视图。
图5是后传感器模块的侧剖视图。
图6是图5的后传感器模块的一端的侧视图。
图7是表示前传感器模块的检测范围的侧视图。
图8是具有铰接臂的前传感器模块的顶部前侧透视图。
图8A是铰接臂的致动器的顶部前侧透视图。
图8B是铰接臂的另一致动器的顶部前侧透视图。
图9是图8的铰接臂在井下环境中的裂口中横向移动的侧视图。
图10是用于操作移动平台的方法的流程图。
注意，附图是说明性的，不一定按比例绘制。
具体实施方式
与本公开中包括的教导一致的示例实施例涉及一种模块化移动平台，其能够行进通过不同的井下环境，包括具有位于主钻孔侧面的分支和转向通道的环境，以及使用这种模块化移动平台的系统和方法。
如图1-9所示，移动平台10包括多个互连的模块12-32，用于行进通过具有不同几何形状的井下环境。模块12-32每个具有各自的外壳，外壳的尺寸通常使得移动平台10的整体形状适于移动通过钻孔。更具体地，移动平台10限定大致圆柱形机器人，如图所示，其中各个模块的离散外壳可以各自是圆柱形的并且沿着移动平台10的纵向轴线伸长。当与模块的一端至另一模块的一端互连时，模块12-32构成移动平台10。模块12-32可以可移除地连接，使得模块12-32彼此固定以形成平台10。平台10及其模块12-32的这种圆柱形细长配置具有共同的纵向轴线，以及例如约2.585英寸(约6.566cm)的最小横向宽度。这种最小横向宽度允许平台10穿过井下环境，前提是井下环境的当前部分的宽度大于移动平台10的宽度。
移动平台10携带适合于导航和检查井下环境的仪器。参考图1，模块可以包括前传感器模块12、第一驱动模块14、第一计算模块16、第二驱动模块18、第一电源模块20、第三驱动模块22、第二电源模块24、第四驱动模块26、第二计算模块28、第五驱动模块30和后传感器模块32，该后传感器模块32从地球表面上的地面上的钻机附接到系绳34。前传感器模块12位于平台10的前端，后传感器模块32位于平台10的后端。通过系绳34，后传感器模块32可以从钻机向至少第五驱动模块30提供电力。在不同的配置中，实施例可以布置有附加或更少的模块；然而，根据本公开的显著方面，至少前传感器模块12包括在所有实施例中，并且与至少一个其他模块(如果不是多个附加模块的话)铰接连接，以构成移动平台10的给定实施例。
前传感器模块12和后传感器模块32可以包括具有孔的外壳，通过这些孔，相应的传感器可以分别检测平台10的前端或后端的井下环境36和局部地质几何形状，如图2所示。如同本文描述的其他模块一样，每个与硬件处理器和包含代码的存储器单元相关。代码从存储器加载到处理器中，并配置处理器以实现相应模块的功能，比如前传感器模块12和后传感器模块32。
下面参考图6-9更详细地描述前传感器模块12，下面参考图5-7更详细地描述后传感器模块32。使用传感器，比如传感器38，平台10可以在一个或多个处理器中执行的代码的控制下以自主模式操作，以向前和向后移动，并且导航通过井下环境36，具有如图2和9所示的布置。此外，传感器可以检测井下环境36内的收缩40或扩张42，如图2所示，并且可以缩回牵引器触面，比如驱动模块14上的牵引器触面，或者可以伸出牵引器触面，比如驱动模块18上的牵引器触面。这种缩回或伸出的牵引器触面分别接合收缩40或扩张42的壁，以确保牵引器触面和壁之间的摩擦。驱动牵引器触面然后至少移动驱动模块14、18通过收缩40或扩张42，并因此移动移动平台10通过井下环境36。
可替代地，来自前传感器模块12和后传感器模块32上的传感器的数据可被中继给井下外部的操作者，比如地球表面上的位置。因此，平台10可以半自主模式操作，通过该模式，操作者处理传感器数据，并通过通过系绳34传输的通信指示平台10在井下环境内向前或向后移动。这样，在该替代布置中，平台10在一个或多个处理器中执行的代码的控制下操作，并且进一步遵从可能已经从用户接收到的任何命令。在由在平台10上本地执行的至少一个处理器构成的另一替代实施例中，操作者使用提供给计算模块16、28的信号指示平台10本地控制平台10的移动。这种信号可以是无线电波。
再次参考图1，驱动模块14、18、22、26、30中的每个比如驱动模块14可以包括牵引器触面44，如图3-4所示，其可以相对于纵向轴线横向缩回或伸出。在图1-2的示例实施例中，牵引器触面44的缩回和伸出以及牵引器触面44的动力操作由计算模块16、28控制。计算模块16、28与硬件处理器和包含代码的存储器单元相关，并且这可以是由其他模块使用的相同处理器和存储器，或者是不同的处理器和存储器。计算模块实现从存储器加载的代码，该代码配置处理器以实现计算模块16、28的功能，包括一个或多个驱动模块的控制。在替代实施例中，由于平台10是模块化的，平台10可以容纳任意数量的驱动模块，比如平台10在井下环境中的特定应用所需的驱动模块14、18、22、26、30。例如，模块可以与每两个驱动模块的一个计算模块连接在一起，比如与驱动模块14、18相关的第一计算模块16，以及与驱动模块26、30相关的第二计算模块28。计算模块控制与该计算模块相邻的相关驱动模块。可替代地，计算模块可以与不与该特定计算模块相邻的驱动模块相关，并且可以控制该驱动模块。例如，如图1所示，驱动模块22与最近的计算模块比如计算模块16相关并由其控制。
在一实施例中，每个驱动模块可以由相邻的电源模块供电，比如向相邻的驱动模块18、22提供电力的电源模块20，以及向相邻的驱动模块26提供电力的电源模块24。可替代地，驱动模块22可以从电源模块24接收电力。电源模块20、24具有向相关驱动模块供电的电池。任何不与电源模块相邻的驱动模块都可以在各自的驱动模块内包括电池。这种电池可以是可再充电的。可替代地，对于附接到后传感器模块32的任何驱动模块，比如图1中的驱动模块30，可以由从系绳34通过后传感器模块32的电连接直接向驱动模块30供电。在另一替代实施例中，从系绳34通过后传感器模块32供应的电力可以对驱动模块30内部的可再充电电池充电。电力可以通过与模块的任何特定布置的互连相关的电连接被传送到各个模块中的每个。
如上所述，根据所部署的移动平台10的特定应用，具有特定功能的各种模块可以可移除地互连。具体应用可以包括相机和其他类型的检测器，它们在计算模块上横向定向，用于检查井或管道的壁。可替代地，横向相机和检测器可以包括在与计算模块不同配置的检测模块中。替代应用可以包括具有横向可缩回和可伸出臂的修复模块，该修复模块具有在其处理器中执行的代码，该代码使得与修复模块相关的工具能够接合和修复井或管道的壁，比如通过焊接、密封或支撑钻孔壁或管道的材料。
在图3-4所示的实施例中，每个驱动模块比如驱动模块14具有安装在可缩回和可伸出臂46上的三个牵引器触面44。如图3-4所示，特定驱动模块的三个牵引器触面围绕纵向轴线间隔开例如约120°。当包括相应驱动模块的触面的臂延伸并预加载到井下壁上时，特定驱动模块的触面之间的这种角度差异提供了相应驱动模块的更大稳定性。在替代实施例中，驱动模块可具有围绕纵向轴线间隔约180°的两个牵引器触面。在另一替代实施例中，驱动模块可以具有围绕纵向轴线间隔约90°的四个牵引器触面。在另外的替代实施例中，具有至少两个牵引器触面的驱动模块可以具有以不同角度间隔开的这种牵引器触面。在这种不同角度配置的示例中，可替代地，图3-4中的第一驱动模块14的三个牵引器触面44可以具有围绕纵向轴线间隔约180°的两个牵引器触面，并且第三牵引器触面围绕纵向轴线与其他两个牵引器触面间隔约90°，形成牵引器触面的“T”形配置。
在如图1所示的实施例中，至少一个驱动模块18配置成使牵引器触面相对于纵向轴线和相对于第一驱动模块14的牵引器触面旋转一个角度，比如以约60°的角度旋转。当包括触面的臂延伸并预加载到井下壁上时，不同驱动模块的触面之间的这种角度差异为整个平台10提供更大的稳定性。
每个驱动模块14、18、22、26、30具有两个子系统：预加载系统和驱动系统。驱动系统使用蜗轮驱动分别致动每个模块14、18、22、26、30上的触面，允许平台10纵向向前和向后移动。驱动模块与硬件处理器和包含代码的存储器单元相关。代码从存储器加载到处理器中，并且配置处理器以实现驱动模块14、18、22、26、30的功能，或者可以与其他模块相关，这取决于特定的实现方法。
在执行以实现每个相应驱动模块的代码的控制下，驱动模块14、18、22、26、30的臂上的每个触面可以分别独立地缩回和伸出，尽管特定驱动模块的触面通过蜗轮驱动连接在一起以实现径向对称。同样在执行以实现每个相应驱动模块的代码的控制下，预加载系统通过伸出和缩回每个驱动模块的臂来控制平台10与井下壁的横向距离。在图示的实施例中，预加载系统和驱动系统使用一个马达来致动每个子系统。在执行每个相应驱动模块的代码的控制下，预加载马达转动丝杠，并通过径向移动臂向井下壁施加触面的预加载。此外，在执行每个相应模块的代码的控制下，驱动马达通过移动触面驱动移动平台10在平行于移动平台纵向轴线的方向上向前或向后移动。
预加载子系统允许具有触面的臂延伸以适应平台10预期能够穿过的各种直径，以及在穿过狭窄管道比如XN接头期间缩回以收起。预加载子系统将三个触面径向移向/移离纵向轴线。在每个驱动模块上，所有三个触面都联接在一起并一起移动。触面不能单独伸出或缩回。然而，用于每个驱动模块的预加载子系统可以使所有三个牵引器触面独立于平台10的其他驱动模块而伸出或缩回。
穿过XN接头需要至少两个驱动模块，因为其中一个驱动模块需要伸出并预加载在管壁上以支撑平台10，而另一个驱动模块缩回以穿过XN接头的收缩。无论平台10的不同配置中包含多少驱动模块，通过收缩的过程都保持相同。每个驱动模块缩回并穿过XN接头，同时由其他驱动模块支撑。可以对每个驱动模块执行臂和触面的这种缩回和伸出，直到平台10的端部清除狭窄的井下环境比如XN接头的收缩。为了在不同横向宽度的井下环境之间转换，如图2所示，移动平台10在行进通过井下环境比如管道或XN接头时在与其相关的处理器中执行的程序的控制下可选地遵照可能已经接收到的来自用户的任何命令来利用连续驱动机构。当从一井下尺寸移动到另一井下尺寸时，平台10使用适当配置的模块比如传感器模块12、30中的一个或多个传感器检测转变，并向计算模块16、28发出控制信号，以根据转变类型缩回或伸出相应驱动模块的臂上的触面。在一示例中，触面缩回以穿过XN接头，并且伸出以预加载在裸井或冲蚀环境上。
参考图1，计算模块16、28位于平台10的各种模块12-32之间的中间位置。计算模块16、28包括用于保持马达控制器和核心处理单元(“处理器”，如前所述)的外壳，以及用于存储代码、设置和在井下行进期间收集的数据的存储器，所有这些都连接到马达控制器。这用于控制与相应计算模块相关的附近驱动模块。外壳可以由铝制成。计算模块16、28还可以包括热连接到铝外壳的独立散热器，用于在平台10的操作期间散热。在替代实施例中，散热器图案被铣削到计算模块16、28的铝基座中，以确保在平台10的操作期间良好的热接触和散热。在一实施例中，计算模块16、28没有外部传感器或效应器，因此专用于与平台10中的其他模块通信并控制它们。在替代实施例中，计算模块16、28可以包括外部传感器或效应器，用于分别在井下环境中相对于平台10的总长度的中间位置检测和执行动作。
计算模块16、28的每一端分别连接到相邻驱动模块。马达控制器可以直接连接到相邻驱动模块的驱动马达。因此，来自马达控制器的信号被传送到驱动马达，以控制从驱动模块的电池到驱动马达的电力施加。在替代实施例中，马达控制器和驱动马达可以连接到各自的无线通信单元。使用无线通信单元，马达控制器可以无线控制驱动模块的驱动马达。可以使用WiFi、蓝牙TM或其他已知的通信协议进行无线控制。使用马达控制器和核心处理单元，计算模块16、28可以借助于由在处理器中执行的代码实现的逻辑来执行局部闭环运动和预加载控制。结合从传感器模块12、32收集的数据，平台10响应于从远程用户接收的命令来实现平台10的自主位置估计、井下特征检测和井下特征导航，或者在某些实施方式中实现半自主井下特征导航。
使用从前传感器模块12收集的数据，在每个计算模块16、28的处理器中执行的代码确定井下环境的即将到来的部分中的特征。该代码根据特征确定井下环境的即将到来的部分的宽度。每个计算模块16、28使用由在处理器中执行的代码实现的第一预定逻辑。通过使用第一预定逻辑，计算模块16、28产生传输到驱动模块的第一信号，以伸出或缩回相应驱动模块的臂和触面，从而将触面预加载到井下环境的壁上，以将移动平台10装配到即将到来的部分中。每个计算模块16、28使用由在处理器中执行的代码实现的第二预定逻辑。通过使用第二预定逻辑，计算模块16、28产生传输到驱动模块的第二信号，以旋转触面。触面预加载到井下环境的壁上。因此，移动平台10前进到井下环境的即将到来的部分中。
参考图5-8，传感器模块12、32包括具有孔50的外壳48，至少一个传感器52设置在孔50中。在一实施例中，传感器模块12、32具有间隔开的多个传感器52，这些传感器连接到处理器。处理器实现配置为与传感器52交互以收集距离数据的代码。处理器具有无线通信设备，用于将距离数据从传感器52无线传输到相应的计算模块16、28。此外，无线通信设备从相应的计算模块16、28接收控制信号，用于控制相应的传感器模块12、32内的部件。无线通信设备具有使用WiFi、蓝牙TM或其他已知通信协议发送和接收信号的天线。
每个传感器52作为范围传感器工作，并在图7所示的范围54内通过孔50发射信号。发射的信号以相对于平台10的纵向轴线成0°以及锐角向前的方向传输。发射的信号可以是光、无线电波、微波或超声波，它们被井下环境中位于前方的特征反射。在一特定实施例中，至少一个传感器包括超声发射器和检测器的组合。在另一实施例中，发射器和检测器是分立部件，并且都配置成分别发射和接收超声波信号。反射信号(例如超声波信号)由传感器52检测，并以常规方式转换为传输到相应计算模块16、28的距离数据。每个传感器52允许平台10估计平台10前面的井下环境比如壁55的宽度，这提高了预加载系统的保真度，并允许具有不同宽度的井下环境比如XN接头的自主穿过。
参考图5-6，设置在平台10后端的后传感器模块32还可以包括至少一个传感器52，当平台10向后移动时，例如在钻机从井下环境提取平台10的过程中，该传感器52允许平台10检测向后的井下特征。使用从后传感器模块30收集的数据，在每个计算模块16、28的处理器中执行的代码确定移动平台10后部的井下环境的即将到来的后部中的特征。该代码根据特征确定井下环境的即将到来的后部的宽度。每个计算模块16、28使用由在处理器中执行的代码实现的第一预定逻辑。通过使用第一预定逻辑，计算模块16、28产生传输到驱动模块的第一信号，以伸出或缩回相应驱动模块的臂和触面，从而将触面预加载到井下环境的壁上，以将移动平台10装配到即将到来的后部中。每个计算模块16、28使用由在处理器中执行的代码实现的第二预定逻辑。通过使用第二预定逻辑，计算模块16、28产生传输到驱动模块的第二信号，以旋转触面。触面被预加载到井下环境的壁上。因此，移动平台10可以退回到井下环境的即将到来的后部中。例如，当移动平台10从井下环境中取出时，可以执行移动平台10的后退。
在一实施例中，如图5-6所示，后传感器模块32不需要包括与前传感器模块12一样多的传感器52。在图示的实施例中，鱼颈钢丝绳接口53延伸穿过系绳34，并且当平台10分别部署到井下井或管道中或从井下井或管道中抽出时，提供与部署和收回钻井设备的接口。接口53提供与钻井设备的原位配合和脱开鱼颈接口。此外，后传感器模块32包括无线通信设备，以从外部控制台向平台10上行传输数据。可替代地，计算模块16、28中的至少一个包括无线通信设备，以将数据从外部控制台上行传输到平台10。
参考图8-9，前传感器模块12的前端56包括铰接臂58。在图示的实施例中，铰接臂58可旋转地安装到前端56。例如，用于臂旋转的接头可以包括球窝构件60。在这种结构中，球窝构件60具有位于构件60的承窝开口中的臂58的基本球形端部62。不管铰接臂58的具体安装如何，它都连接到弯曲铰接臂58的致动器59。在一个或多个实施例中，与前传感器模块12相关的处理器执行代码，该代码使得臂在远离主钻孔的方向上并朝向井下实施例的分支或转向部分铰接。当移动平台处于自主操作模式时，来自传感器52的信号由算法处理，以选择移动平台前进的方向。选择的方向可以考虑井下环境内的路径的检测特征，包括在移动平台10运输期间遇到的主钻孔或横向路径。除其他事项外，这些特征可以包括检测到的主钻孔的尺寸和在井下环境内遇到的横向通道、任何气体及其各自的浓度以及钻孔壁的其他取样、水分、湿度、温度或其他参数。这样，作为对检测到的信号和信息的车载分析的结果，移动平台10可以继续沿着主钻孔行进，或者可以替代地将臂58朝向由算法选择的特定横向方向铰接。因此，传感器模块12可以在选择的方向上操纵移动平台10。致动器59包括内部马达，用于使臂58以最大角度范围64内的角度弯曲。例如，马达可以是螺线管或蜗轮的一部分，其使得臂远离移动平台10的纵向轴线铰接。
图8A-8B示出了致动器59的替代实施例。如图8A所示，在一实施例中，致动器159可以是使用推/拉缆索和滑轮的一个自由度(1-DOF)腱致动关节。在另一实施例中，致动器159利用铰接齿轮装置。参考图8A，致动器159包括臂58，其可以相对于图8中的球窝构件60中的基座161弯曲至少角度q。充当第一关节的第一内部马达163转动以将臂58弯曲成选择的角度q。第二内部马达165选择性地拉动腱167，以控制和稳定臂58围绕第一内部马达163的轴线的弯曲。
如图8B所示，在另一实施例中，致动器259可以具有多个内部马达作为关节，以提供至少两个自由度(2-DOF)腱致动关节。作为第一关节的第一马达263相对于基座261铰接臂58角度q3。用作第二关节的另一马达可以位于臂58的端部265，以相对于臂58铰接角度q4。致动器259具有绕主轴线旋转的一个旋转轴线，随后是垂直于主旋转轴线致动转向头的第二自由度。腱267、269控制并稳定臂58围绕关节比如关节263的轴线的弯曲。
参考图8A-8B，致动器159、259的内部马达163、165、263由来自附近计算模块比如计算模块16的无线信号控制。返回参考图8，铰接臂58的这种角度弯曲导致臂58的前端与传感器52一起在选择的横向方向上横向移动。参考图9，臂58的横向移动允许带有传感器52的外壳48导航通过井下环境中的裂口66，这使得移动平台10能够进入一个路径68，而不是另一个路径70。因此，前传感器模块12充当移动平台10的导航模块，允许驱动模块在井下环境的即将到来的部分中沿选择方向移动移动平台10。
本公开还包括至少具有移动平台10和诸如外部控制台的控制设备的系统。平台10例如通过来自至少一个计算模块16、28的无线通信与控制设备通信。控制设备可以包括安装在外壳中的显示器、无线天线、控制面板和手持控制器。外壳可以适于作为用于将控制设备运送到平台10要操作的地点的手提箱。在替代实施例中，该系统不包括控制设备，并且也不包括在移动平台10和地球表面上的钻机之间的系绳。因此，移动平台10可以在井下环境内完全自主。
如图10所示，本公开还包括用于操作移动平台10的方法200。方法200包括在步骤210中互连多个模块以形成移动平台10的步骤，包括传感器模块、驱动模块和计算模块。互连的步骤可以包括用刚性联接器或接头物理地连接离散的模块，该刚性联接器或接头允许在穿过井下环境期间从一个模块到下一个模块实现相对角度。模块的物理连接可以是可移除联接。可移除联接可以使用可移除紧固件来建立。这种紧固件可以是螺钉。螺钉可以可移除地接合物理上邻近模块的相对表面上的螺钉孔，以将模块固定在一起。可替代地，可移除联接可以使用相邻模块的相对部分上的互补表面来建立。互补表面可以使用摩擦配合将相邻模块固定在一起。
该方法包括在步骤220中将如此连接的模块作为统一移动平台10部署到井下环境中。部署可以由地球表面上的钻机的操作者来执行。钻机可以包括附接到移动平台10的后传感器模块32的系绳34。操作者可以手动引导平台10进入井下。井下可以是井。操作者可以指示钻机机构将平台10下降到井下中。
一旦移动平台10定位在井下环境中，该方法包括在步骤230中使用前传感器模块12检测井下环境的特征。前传感器模块12从执行代码的处理器向传感器52发送命令。响应于该命令，传感器52从前传感器模块12向外发射传感器信号。传感器信号可以是超声波。可替代地，传感器信号可以是无线电波。在另一替代实施例中，传感器信号可以是微波。传感器信号由井下环境的特征反射。传感器信号的反射然后被传感器52检测到。响应于检测到的反射，传感器52产生特征检测信号。前传感器模块12的处理器通过向计算模块16发送特征检测信号来响应特征检测信号。
该方法然后在步骤240中继续确定井下环境的即将到来的部分的宽度。宽度的确定由在计算模块16中执行代码的处理器来执行。响应于特征检测信号，处理器使用代码执行预定算法来确定即将到来的部分的宽度。预定算法将特征检测信号映射到给定的传感器52，以生成具有该宽度的即将到来的部分的映射。
然后，该方法在步骤250中执行从驱动模块伸出或缩回牵引器触面的步骤，以便将移动平台10装配在井下环境的即将到来的部分内。如上所述，臂46上的牵引器触面44相对于移动平台10的纵向轴线选择性地伸出或缩回。使用确定的宽度和在步骤240中生成的地图，计算模块16选择哪个牵引器触面44将被伸出或缩回。牵引器触面44的选择由执行计算模块16中的代码的处理器来执行。处理器产生牵引器触面伸出命令。牵引器触面伸出命令从计算模块16传输到一个或多个驱动模块。响应于牵引器触面伸出命令，给定的驱动模块伸出或缩回牵引器触面44。这些步骤中的每个都可以使用上述模块来实现。
在步骤260中，该方法继续推进移动平台10进入井下环境的即将到来的部分。如上所述，臂46上的牵引器触面44被选择性地预加载到井下环境的壁上。牵引器触面44也被选择性地驱动，以抵靠壁向前或向后移动。牵引器触面44的选择性驱动由执行计算模块16的代码的处理器执行。处理器产生牵引器触面驱动命令。牵引器触面驱动命令从计算模块16传输到一个或多个驱动模块。响应于牵引器触面驱动命令，给定的驱动模块驱动牵引器触面44。被驱动的牵引器触面44沿着井下环境的壁移动相关的驱动模块。随着相关驱动模块靠着壁移动，整个移动平台10靠着壁移动。因此，平台10推进到井下环境的即将到来的部分中。
本文描述的方法的部分可以由有形(例如非暂时性)存储介质上的机器可读形式的软件或固件来执行。例如，软件或固件可以是包括计算机程序代码的计算机程序的形式，当该程序在计算机或合适的硬件设备上运行时，该计算机程序代码适于使模块化移动平台执行本文描述的各种动作，并且其中该计算机程序可以包含在计算机可读介质上。有形存储介质的示例包括具有诸如磁盘、拇指驱动器、闪存等计算机可读介质的计算机存储设备，并且不包括传播信号。传播信号可以存在于有形存储介质中。软件可以适合于在并行处理器或串行处理器上执行，使得本文描述的各种动作可以以任何合适的顺序或同时执行。
还应当理解，附图中相同或相似的数字表示多幅图中相同或相似的元件，并且不是所有实施例或布置都需要参考附图描述和说明的所有部件或步骤。
本文使用的术语仅仅是为了描述特定的实施例，而不是为了限制本发明。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指出。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包含”、“包括”和/或“具有”及其变体指定存在所述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组。
本文使用的方位术语仅仅是为了约定和参考的目的，而不应被解释为是限制。然而，应该认识到，这些术语可以用于指操作者或用户。因此，没有暗示或推断任何限制。此外，序数的使用(例如第一、第二、第三)是为了区分而不是计数。例如，使用“第三”并不意味着存在相应的“第一”或“第二”此外，本文使用的措辞和术语是为了描述的目的，不应被视为限制。本文中“包括”、“包含”、“具有”、“含有”及其变体的使用意味着包含其后列出的项目及其等同物以及附加项目。
虽然本公开已经描述了多个示例性实施例，但本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变，并且等同物可以替代其元件。此外，本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的基本范围的情况下，可以对本公开的实施例进行许多修改，以使特定的工具、情况或材料适应本公开的实施例。因此，本发明不局限于所公开的特定实施例，也不局限于实施本发明的最佳模式，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。
上面描述的主题仅通过说明的方式提供，并且不应被解释为限制。可以对本文描述的主题进行各种修改和改变，而不遵循所示和所述的示例性实施例和应用，并且不脱离本公开所包含的本发明的真实精神和范围，本公开由以下权利要求中的一组叙述以及等同于这些叙述的结构和功能或步骤来限定。
Claims (20)
1.一种能够在井下环境中行进的移动平台，包括：
多个互连模块，包括位于模块前端的导航模块，其中，导航模块由执行在其中的代码的处理器配置成检测井下环境的特征并将包括移动平台的多个互连模块引向井下环境内的特征，所述导航模块包括：
铰接臂；
传感器，其设置在铰接臂的前端，配置成检测井下环境的特征；以及
致动器，其被连接以在选择的横向方向上弯曲铰接臂；
多个互连模块中的计算模块，该计算模块由执行在其中的代码的处理器配置成根据所述特征确定井下环境的即将到来部分的第一宽度；以及
多个互连模块中的驱动模块，该驱动模块具有可伸出和可缩回的牵引器触面；
其中，计算模块还配置成：
控制驱动模块以伸出或缩回牵引器触面，以使驱动模块具有小于第一宽度的第二宽度，从而在选择的横向方向上将移动平台装配在即将到来的部分中，并且
控制驱动模块以驱动牵引器触面，从而在选择的横向方向上在即将到来的部分中移动移动平台。
2.根据权利要求1所述的移动平台，其中，所述导航模块、计算模块和驱动模块线性互连。
3.根据权利要求2所述的移动平台，其中，所述导航模块、计算模块和驱动模块可移除地互连。
4.根据权利要求1所述的移动平台，其中，所述导航模块、计算模块和驱动模块中的每个具有外壳，所述外壳是具有相应模块纵向轴线的基本圆柱形的。
5.根据权利要求4所述的移动平台，其中，所述导航模块、计算模块和驱动模块与相应的模块纵向轴线互连，所述模块纵向轴线基本对齐以形成所述移动平台并沿着移动平台纵向轴线限定基本圆柱形形状。
6.根据权利要求5所述的移动平台，其中，所述牵引器触面相对于所述移动平台纵向轴线横向伸出或缩回。
7.根据权利要求1所述的移动平台，其中，所述传感器沿向前方向发射检测信号，用于检测所述特征。
8.根据权利要求7所述的移动平台，其中，所述检测信号包括超声波。
9.根据权利要求1所述的移动平台，其中，所述计算模块使用无线信号控制所述驱动模块。
10.一种能够在井下环境中行进的移动平台，包括：
多个互连模块，包括位于模块前端的导航模块，其中，导航模块由执行在其中的代码的处理器配置成检测井下环境的特征并将包括移动平台的多个互连模块引向井下环境内的特征，所述导航模块包括：
铰接臂；
传感器，其设置在铰接臂的前端，配置成检测所述特征；以及
致动器，其被连接以在选择的横向方向上弯曲铰接臂；
多个互连模块中的计算模块，该计算模块由执行在其中的代码的处理器配置成确定在选择的方向上即将到来的部分的第一宽度；以及
多个互连模块中的驱动模块，该驱动模块具有可伸出和可缩回的牵引器触面；
其中，计算模块还配置成：
控制致动器以在选择的横向方向上弯曲铰接臂，以将铰接臂引向井下环境的即将到来的部分，
控制驱动模块以伸出或缩回牵引器触面，以使驱动模块具有小于第一宽度的第二宽度，从而在选择的方向上将移动平台装配在即将到来的部分中，并且
控制驱动模块以驱动牵引器触面，从而在选择的方向上在即将到来的部分中移动移动平台。
11.根据权利要求10所述的移动平台，其中，所述传感器在横向方向上发射检测信号，用于检测所述特征。
12.根据权利要求11所述的移动平台，其中，所述检测信号包括超声波。
13.根据权利要求10所述的移动平台，其中，所述导航模块、计算模块和驱动模块线性互连。
14.根据权利要求13所述的移动平台，其中，所述导航模块、计算模块和驱动模块可移除地互连。
15.根据权利要求10所述的移动平台，其中，所述导航模块、计算模块和驱动模块中的每个具有外壳，所述外壳是具有相应模块纵向轴线的基本圆柱形的。
16.根据权利要求15所述的移动平台，其中，所述导航模块、计算模块和驱动模块与相应的模块纵向轴线互连，所述模块纵向轴线基本对齐以形成所述移动平台并沿着移动平台纵向轴线限定基本圆柱形形状。
17.根据权利要求16所述的移动平台，其中，所述牵引器触面相对于所述移动平台纵向轴线横向伸出或缩回。
18.根据权利要求10所述的移动平台，其中，所述计算模块使用无线信号控制所述驱动模块。
19.一种方法，包括：
互连多个模块，所述多个模块包括计算模块、驱动模块以及在模块的前端的导航模块，其中，导航模块由执行在其中的代码的处理器配置成检测井下环境的特征并将包括移动平台的多个互连模块引向井下环境内的特征，所述导航模块包括：铰接臂；传感器，其设置在铰接臂的前端，配置成检测所述特征；以及致动器，其被连接以在选择的横向方向上弯曲铰接臂；其中，计算模块由执行在其中的代码的处理器配置成确定在选择的方向上即将到来的部分的第一宽度，其中，驱动模块具有可伸出和可缩回的牵引器触面；其中，计算模块还配置成：控制驱动模块以伸出或缩回牵引器触面，以使驱动模块具有小于第一宽度的第二宽度，从而在选择的方向上将移动平台装配在即将到来的部分中，并且控制驱动模块以驱动牵引器触面，从而在选择的方向上在即将到来的部分中移动移动平台；
将移动平台部署到井下环境中；
检测井下环境的特征；
确定井下环境的即将到来的部分的第一宽度；
移动驱动模块的牵引器触面，以将移动平台装配到即将到来的部分中；以及
将移动平台推进到井下环境的即将到来的部分中。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，移动牵引器触面包括在将移动平台推进到井下环境的即将到来的部分中之前，从驱动模块伸出牵引器触面或者朝向驱动模块缩回牵引器触面。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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Effective date of registration: 20220907 Address after: Saudi Aramco Applicant after: SAUDI ARABIAN OIL Co. Applicant after: Honeycomb Holdings LLC Address before: Saudi Aramco Applicant before: SAUDI ARABIAN OIL Co. Applicant before: Bee robot Co.,Ltd. Effective date of registration: 20220907 Address after: Saudi Aramco Applicant after: SAUDI ARABIAN OIL Co. Address before: Saudi Aramco Applicant before: SAUDI ARABIAN OIL Co. Applicant before: Bee Robotics LLC |
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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