CN115087520A - 机器人设备 - Google Patents

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H.索普
J.沃森
G-A.拉尔森
V.斯特朗
S.怀特
P.斯托克韦尔
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Abstract

描述了一种用于调查受限区域的机器人设备(10)，包括：用于插入受限区域的关节型机器人(20)，该机器人设备还包括用于控制关节型机器人的机器人控制系统(30)。此外，该机器人控制系统包括控制单元(50)、机器人驱动装置、用于将该受限区域与外部环境隔离的密封件(70)以及至少一个传动构件(80)，其中该控制单元被配置为向该机器人驱动装置发送控制信号，并且该至少一个传动构件从该机器人驱动装置延伸以连接到该关节型机器人，该至少一个传动构件延伸穿过该密封件。

Description

机器人设备
技术领域
本发明涉及一种机器人设备，更具体地涉及一种用于调查受限制区域的机器人设备。
背景技术
越来越多的工业应用需要调查受限区域，例如管道、管路和容器。这样的受限区域通常处于压力或真空下，并且通常包含对外部人员和环境有害的物质，因此通常需要隔离这些受限区域，因为它们具有毒性、放射性或腐蚀性。因此，工程和技术人员需要安全的手段来定期调查、检查和/或维护这些受限区域。
特别地，这种受限区域在天然气、精炼和石油化学工业中是常见的，例如在油/气传输和分配管道内。这种管道和管线输送各种物质，腐蚀、一般磨损、泄漏和堵塞以及冲击造成的损坏导致潜在的灾难性问题。如果不管理对这些受限区域的定期调查和随后的维护，则可能发生严重的经济损失、降低的操作性能、环境污染甚至重大的人员伤亡。
考虑到这种受限区域的化学、环境和物理危险性质，机器人设备提供了最安全和最现实的调查工具。当前的解决方案集中于通过环境自驱动的机器人设备。这种装置存在许多缺点。驱动装置(means)必须安装到机器人设备上，从而增加了设备的尺寸和重量。因此，这些设备在诸如管道的受限区域中具有有限的实际使用。另外，确保驱动装置和机器人设备都适合在这些受限区域内使用是具有挑战性的。
本发明的实施例寻求至少解决与检查和/或维护这些恶劣环境相关联的问题。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于调查受限区域的机器人设备，该机器人设备包括：一种用于插入受限区域的关节型(articulated)机器人，该机器人设备还包括用于控制该关节型机器人的机器人控制系统，该机器人控制系统包括控制单元、机器人驱动装置、用于将该受限区域与外部环境隔离的密封件以及至少一个传动构件，其中该控制单元被配置为向该机器人驱动装置发送控制信号，其中该至少一个传动构件从该机器人驱动装置延伸以连接到该关节型机器人，该至少一个传动构件延伸穿过所述密封件。
以这种方式，在使用中，该关节型机器人驱动装置在该关节型机器人和该受限区域两者的外部。这样，关节型机器人的尺寸和重量不受驱动装置的限制。此外，该驱动装置可以提供该关节型机器人的更大或更复杂的关节连接，因为该驱动装置不再必须被定尺寸为容纳在该限定区域内。另外，驱动装置不必适合于在可能含有危险或腐蚀性物质的加压或真空区域内使用。
优选地，机器人设备包括多个传动构件。
优选地，至少一个传动构件延伸穿过密封件中的至少一个孔。更优选地，在设备包括多个传动构件的情况下，每个传动构件延伸穿过密封件中的单独的孔。
优选地，密封件包括内部密封件和外部密封件，内部密封件用于将受限区域与密封件中的孔周围的外部环境隔离，外部密封件用于将受限区域与外部环境隔离，使得整个设备可以移入和移出受限区域。以这种方式，至少一个传动构件中的每个单独的传动构件以及整个设备的移动可以独立地发生，同时确保限制区域的持续隔离。优选地，密封件包括多个密封构件。更优选地，多个密封构件串联和/或堆叠布置。还更优选地，三个密封构件串联和/或堆叠布置。
优选地，密封件包括吹扫腔。以这种方式，通过分析吹扫腔的内容物，可以通知机器人设备的用户一个或多个密封构件是否受损。更优选地，密封件包括多于一个吹扫腔。
优选地，该关节型机器人包括通过关节(joint)连接的多个构件。更优选地，该关节型机器人包括具有变化构件长度的多个构件。还更优选地，该关节型机器人包括具有变化构件长度的多个构件，使得该多个构件中靠近该机器人控制系统的构件的长度大于该多个构件中从该机器人控制系统移除的构件的长度。这样，可以在从机器人控制系统移除的关节型机器人的端部处实现更精细的移动。优选地，构件长度以黄金比率变化。
优选地，该关节型机器人的关节中的一个或多个包括可充气气囊或密封件。以这种方式，关节型机器人可以在使用期间隔离受限区域的部分。
优选地，关节型机器人没有诸如密封隔室或加压腔的空隙空间。以这种方式，关节型机器人的内部压力与受限区域内的压力相同，使得在使用中不会对关节连接主体发生损坏。更优选地，该关节型机器人具有开放式框架设计。
优选地，每个关节与传动构件相关联，使得关节可以与传动构件关节连接。替代地，每个关节可以由多于一个的传动构件关节连接，或者多个关节可以由相同的传动构件关节连接。优选地，一个或多个关节被配置为顺应地或被动地关节连接。
优选地，该驱动装置被配置为作用在该至少一个传动构件上以关节连接该关节型机器人。更优选地，该驱动装置被配置为作用在该至少一个传动构件上以关节连接该关节型机器人，使得该关节型机器人的每个关节可以独立于该关节型机器人的每个其他关节来关节连接。
优选地，该关节型机器人的每个关节的最大角度弯曲在60度和5度之间。更优选地，该关节型机器人的每个关节的最大角度弯曲在45度和20度之间。最优选地，该关节型机器人的每个关节的最大角度弯曲是30度。
优选地，该驱动装置包括推杆，该推杆被配置成将该关节型机器人插入该受限区域中和从该受限区域中移除。更优选地，该驱动装置包括推杆，该推杆被配置成沿着线性路径插入和移除该关节型机器人，该线性路径在使用中平行于该受限区域的纵向轴线。
优选地，该驱动装置包括马达，该马达为该关节型机器人插入和离开该受限区域提供动力。优选地，该驱动装置包括为该关节型机器人的关节连接提供动力的至少一个马达。更优选地，该驱动装置包括为该关节型机器人的关节连接提供动力的多个马达。可替代地，该驱动装置包括至少一个线性致动器，以便为该关节型机器人插入和离开该受限区域以及该关节型机器人的关节连接(articulation)提供动力。
优选地，推杆延伸到密封件内的凹部或孔中。
优选地，至少一个传动构件延伸穿过推杆。
优选地，每个传动构件包括可旋转部分和线性驱动部分。优选地，可旋转部分经由传动联接器连接到线性驱动部分。
优选地，每个传动构件的可旋转部分连接到马达。
替代地，每个传动构件连接到线性致动器。优选地，每个传动构件包括至少一个线性驱动部分。更优选地，每个关节包括多于一个的传动构件。优选地，线性驱动部分经由传动联接器连接。
优选地，传动联接器可围绕机器人设备的纵向轴线旋转。以这种方式，可以发生关节型机器人围绕机器人设备的纵向轴线的旋转。
优选地，传动联接器位于密封件内。替代地，密封件位于传动联接器内。
优选地，每个传动构件的线性驱动部分包括线缆。优选地，每个传动构件的线性驱动部分包括液压管线。优选地，每个传动构件的线性驱动部分包括气动管线。
优选地，该密封件位于该关节型机器人附近。
优选地，该关节型机器人包括用于可移除地保持工具尖端的固定部分。以这种方式，用户可以在使用关节型机器人之前自由地选择期望的工具尖端。优选地，该关节型机器人包括工具尖端。更优选地，工具尖端包括一个或多个工具、传感器、分析器和/或设备。更优选地，该工具尖端包括以下工具、传感器、分析器和/或设备中的一个或多个的组合，包括但不限于：压力、温度、光谱、声学、超声波、电阻、阻抗、电容、涡电流需要电线、光纤、无线设备、相机、照明系统、定位系统、电磁波传感器、电磁波发生器和激光烧蚀或其他物理手段来去除结垢和沉积物。
优选地，信号传输装置将电力、光和信号从工具尖端传送到传输联接器。优选地，该工具尖端以这样的方式可移除地保持在该关节型机器人的该固定部分中，使得电力、光和信号可以经由信号传输装置从该工具尖端传送到该传输联接器。优选地，信号传输装置延伸穿过密封件。
优选地，该关节型机器人包括从所述工具尖端延伸穿过所述关节型机器人的抽取管线。更优选地，抽取管线延伸穿过密封件。还更优选地，抽取管线终止于储存器。
优选地，机器人设备包括用于分析所述抽取管线内或从所述抽取管线离开的流体的测量或分析装置。以这种方式，可以分析和/或测量通过抽取管线抽取的任何材料或流体是否存在特定的目标物质。
优选地，密封件包括多个孔。更优选地，密封件包括多个孔，使得在使用中，推杆、至少一个传动构件和/或材料抽取管线和/或信号传输装置穿过密封件进入受限区域。
附图说明
现在将仅通过示例并参考附图来描述本发明的实施例，其中：
图1描绘了根据本发明的用于调查受限区域的机器人设备；
图2描绘了图1的机器人设备的驱动装置的推杆内的多个传动构件的侧视图；
图3描绘了图1的机器人设备的驱动装置的推杆内的多个传动构件的透视图；以及
图4描绘了图1的机器人设备的密封件的侧视图。
具体实施方式
参考图1，示出了机器人设备10，其包括关节型机器人20和机器人控制系统30。图1示出了在使用中并与管道40接合的机器人设备。
在使用中，机器人控制系统30保持在管道40的外部，而关节型机器人20位于管道40内。另外，在使用中，机器人控制系统30的纵向轴线基本上平行于关节型机器人20的纵向轴线。此外，在使用中，机器人设备10的纵向轴线与管道40的纵向轴线基本上同轴。
如图1所示，机器人控制系统30包括控制单元50、机器人驱动装置60、密封件70和多个传动构件80。在替代实施例中，多个传动构件80可以是单个传动构件。
控制单元50包括驱动器控制板。在操作期间，控制板向机器人驱动装置60发送控制信号。控制单元50具有用户界面，使得用户输入命令控制单元50。用户界面可以是虚拟现实(VR)系统、手动控制的操纵杆或本领域技术人员设想的替代方案。
机器人驱动装置60允许关节型机器人20的关节连接以及关节型机器人20进出管道40的传动。为了实现这些功能，机器人驱动装置60包括驱动单元(未示出)和推杆90。
在使用中，驱动单元控制关节型机器人20在管道40内的操作，而推杆用于操纵关节型机器人20进入管道40。这里，推杆90向关节型机器人20施加线性力以将其引入管道40中。通过推杆90在关节型机器人20上施加类似但相反的“拉动”线性运动，以将关节型机器人20从管道移除。
驱动单元包括至少一个马达，其特性由控制单元50控制。在替代实施例中，驱动单元包括线性致动器而不是马达。驱动单元向推杆90提供线性力以将关节型机器人20插入到管道中和从管道中移除关节型机器人20。推杆90平行于机器人控制系统30的纵向轴线延伸。另外，推杆90可以沿着与管道40基本上同轴延伸的路径连续地和/或递增地移动，使得关节型机器人20可以根据需要插入管道40和/或从管道40移除。
参考图2，多个传动构件80从驱动单元延伸通过推杆90和密封件70，使得它们连接到关节型机器人20。这样，多个传动构件80将驱动单元连接到关节型机器人20，允许关节型机器人20由用户经由控制系统30控制。
在该实施例中，多个传动构件80中的每一个包括可旋转部分100和线性驱动部分110。每个传动构件的可旋转部分100连接到驱动单元，并且每个传动构件的线性驱动部分110连接到关节型机器人20。每个传动构件的可旋转部分100经由传动联接器120连接到其相应和/或互补的线性驱动部分110。这样，传动联接器120将每个可旋转部分100的旋转运动转换成相应线性驱动部分110中的线性运动。
在替代实施例中，其中驱动单元提供线性运动而不是旋转运动，可旋转部分100替代地是第二线性驱动部分。
多个传动构件80的纵向轴线基本上彼此平行，并且进一步基本上平行于机器人控制系统30的纵向轴线。以这种方式，关节型机器人20可以以确保其保持减小的直径的方式被控制，使得其能够在窄管道内操作。
参考图3，驱动装置60具有基本上圆形的横截面。基本上圆形的横截面是优选的，因为这使得在任何给定管道内可用于驱动装置60的横截面面积最大化。如从图3中可以看出的，多个传动构件80的可旋转部分100围绕两个圆形路径(内部路径130和外部路径140)均匀地间隔开。内部路径130和外部路径140的中心点位于驱动装置60的圆形横截面的中心点处。
多个传动构件80在内部路径130和外部路径140之间等分。因此，多个传动构件80之间的间隔在内部路径130周围比在外部路径140周围更小。在另一个实施例中，内部路径130和外部路径140安装在偏移的纵向平面上，以减小驱动单元的直径。
多个传动构件80内的每个传动构件的线性驱动部分110包括连接到关节型机器人20的关节的线缆。线缆一起将运动从驱动单元传递到关节型机器人20的关节。关节型机器人20的每个关节可以独立于关节型机器人20的每个其他关节进行关节连接。以这种方式，可以精确地控制关节型机器人20的移动。
密封件70限定管道40的内部与外部环境之间的边界。密封件70延伸穿过管道40的入口。传动联接器120位于密封件70内。申请人设想了传动联接器120部分地或完全地位于密封件70内的实施例。在使用中，密封件70位于驱动装置60的端部附近，使得控制单元50和驱动装置60在管道40的外部。密封件70在传动联接器120周围形成屏障，使得管40内的环境被容纳并与一般环境分离。
如图4所示，密封件70包括一系列密封件，其具有主密封件150、辅助密封件160和三级密封件170。主密封件150定位成使得它是管道40与外部环境之间的主密封件，并且三级密封件170是离管道40最远移除的密封件。使用多个密封件有助于增加密封件70作为整体的安全性，并且用作冗余或故障安全机构。
吹扫密封腔180存在于主密封件150和辅助密封件160之间。可以检查吹扫密封腔180是否有来自管道内的污染物，以确定主密封件150是否已受损。另外，吹扫密封腔180可以填充有已知的气体混合物。在这种情况下，可以分析吹扫密封腔180内的气体混合物的成分，以确定主密封件150是否已经受损，或者辅助密封件160和三级密封件170二者是否已经受损，并且来自外部环境的空气是否已经进入吹扫密封腔180。
还可以设想，密封件可以包含多个吹扫密封腔，每个吹扫密封腔可能填充有不同的已知气体混合物，使得可以隔离地识别主密封件150、辅助密封件160或三级密封件180中的任何一个的故障。
关节型机器人20被构建成使得其能够承受管道40的受限区域的状况。关节型机器人20适用于高压和低压环境以及真空，并且可以承受管道40中存在的危险和无害物质。关节型机器人20具有开放式框架结构，使得在关节型机器人20中没有空隙，并且在关节型机器人20和管道40之间的压力是均衡的。
在机器人控制系统30内的是至少一个安全设备，其确保即使在电力故障下，关节型机器人20也不会由于受限区域和外部环境之间的压力差而被推出或拉入受限区域。
关节型机器人20可以通过标准分接点插入管道40中。由于驱动装置60位于管道40的外部，所以关节型机器人20的尺寸使得它可以进入管道40的8英寸(20cm)直径的分接点。关节型机器人20包括连接多个构件的多个关节。多个构件端对端地附接，使得每个构件的纵向轴线基本上平行于关节型机器人20的纵向轴线。各个构件的长度随着距驱动装置60的距离的增加而减小，其中位于关节型机器人20的端部处的最长构件系到或连接到驱动装置60。这样，假定构件在驱动装置60远端的长度上最短，则可以在远离机器人控制系统30和驱动装置60的关节型机器人20的端部处以更高的精度控制关节型机器人20的运动。
关节型机器人20还包括用于可移除地保持工具尖端200的固定部分190。在本发明的所述实施例中，工具尖端200包括相机和两个LED灯。在使用中，来自相机的图像和其他信息可以通过关节型机器人20和机器人控制系统30传送到控制单元50，使得用户可以相应地响应并操作机器人设备10。例如，用户可以使用虚拟现实(VR)头戴式设备来控制关节型机器人20。另外，用户能够通过监视显示在屏幕上的来自摄像机的图像来控制和操作关节型机器人20。在所描述的实施例中，来自相机的信号经由线缆通过关节型机器人通信，尽管也设想了信号的无线传输。
工具尖端200还包括材料抽取管线210。材料抽取管线210被配置为使得在机器人设备10的操作期间可以从管道40移除不需要的材料，例如流体或引起堵塞的材料。关节型机器人20包括从工具尖端200延伸穿过关节型机器人20的抽取管线210。抽取管线210是柔性的，使得它在使用期间不会抑制关节型机器人20的关节连接。为了帮助抽取材料，抽取管线210可以连接到真空源泵，该真空源泵使抽取管线210减压，使得材料通过抽吸从管道40移除。抽取管线210继续穿过密封件70并终止于管道40外部的储存器220处。或者，抽取管线210可以直接馈入外部排放口。从工具尖端200移除的流体经由在线分析仪离开，该在线分析仪确定材料的成分或感兴趣的特定参数。
工具尖端200包括至少一个工具以辅助检查和维护任务，包括但不限于定位系统、光谱、涡流、超声分析仪和激光烧蚀或其他物理装置以去除结垢和沉积物。

Claims (27)

1.一种用于调查受限区域的机器人设备，
所述机器人设备包括：
用于插入受限区域的关节型机器人，
所述机器人设备还包括用于控制所述关节型机器人的机器人控制系统，
所述机器人控制系统包括控制单元、机器人驱动装置、用于将受限区域与外部环境隔离的密封件、以及至少一个传动构件，
其中所述控制单元被配置为向所述机器人驱动装置发送控制信号，
其中至少一个传动构件从所述机器人驱动装置延伸以连接到所述关节型机器人，所述至少一个传动构件延伸穿过所述密封件。
2.根据权利要求1所述的机器人设备，其中，所述至少一个传动构件延伸穿过所述密封件中的至少一个孔。
3.根据权利要求2所述的机器人设备，其中，所述机器人控制系统包括多个传动构件，并且所述多个传动构件内的每个传动构件延伸穿过所述密封件中的单独的孔。
4.根据前述权利要求中任一项所述的机器人设备，其中，所述密封件包括多个密封构件。
5.根据权利要求4所述的机器人设备，其中，所述多个密封构件串联布置。
6.根据前述权利要求中任一项所述的机器人设备，其中，所述密封件包括至少一个吹扫腔。
7.根据前述权利要求中任一项所述的机器人设备，其中，所述关节型机器人包括通过关节连接的多个构件。
8.根据权利要求7所述的机器人设备，其中，每个关节与传动构件相关联，使得所述关节能够与所述传动构件关节连接。
9.根据权利要求7所述的机器人设备，其中，一个或多个关节被配置为顺应地或被动地关节连接。
10.根据前述权利要求中任一项所述的机器人设备，其中，所述驱动装置配置为作用在所述至少一个传动构件上以关节连接所述关节型机器人。
11.根据前述权利要求中任一项所述的机器人设备，其中，所述驱动装置包括推杆，该推杆被配置为将所述关节型机器人插入所述受限区域和从所述受限区域移除。
12.根据权利要求11所述的机器人设备，其中，所述推杆延伸到所述密封件内的凹部或孔中。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的机器人设备，其中，所述至少一个传动构件延伸穿过所述推杆。
14.根据前述权利要求中任一项所述的机器人设备，其中，每个传动构件包括至少一个线性驱动部分。
15.根据权利要求14所述的机器人设备，其中，每个传动构件包括可旋转部分，该可旋转部分经由传动联接器连接到所述线性驱动部分。
16.根据权利要求15所述的机器人设备，其中，所述至少一个传动构件的可旋转部分连接到马达。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的机器人设备，其中，所述传动联接器位于所述密封件内。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的机器人设备，其中，每个传动构件的至少一个线性驱动部分包括线缆。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的机器人设备，其中，每个传动构件的至少一个线性驱动部分包括液压驱动器。
20.根据权利要求14至19中任一项所述的机器人设备，其中，每个传动构件的至少一个线性驱动部分包括气动驱动器。
21.根据前述权利要求中任一项所述的机器人设备，其中，所述密封件位于所述关节型机器人附近。
22.根据前述权利要求中任一项所述的机器人设备，其中，所述关节型机器人包括用于可移除地保持工具尖端的固定部分。
23.根据权利要求22所述的机器人设备，其中，所述关节型机器人包括从所述固定部分延伸穿过所述关节型机器人的抽取管线。
24.根据权利要求23所述的机器人设备，其中，所述抽取管线延伸穿过所述密封件。
25.根据权利要求22或权利要求23所述的机器人设备，其中，所述抽取管线终止于储存器。
26.根据权利要求22至25中任一项所述的机器人设备，其中，所述机器人设备包括用于分析所述抽取管线内的流体的测量或分析装置。
27.根据前述权利要求中任一项所述的机器人设备，其中，所述关节型机器人包括开放式框架结构。
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