JP2020526448A - 受動的後面機器を備える磁気クローラ車両 - Google Patents
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Abstract
Description
車両100を推進する、および操縦することができる駆動輪に関して、いくつかの実装では、駆動輪116は、離間したヨークまたはハブを含む磁気車輪を含むことができる。より具体的には、車両100の平面図である図3Aに示すように、磁気駆動輪116は、磁束集線装置として作動できる2つの離れたスチールヨーク117および118の間に位置する軸方向で磁化された円筒形磁石(図示せず)から構成され得る。さらに、必ずしも必要ではないが、ヨークは、好ましくは、2つのヨークを個別に回転させることができ、したがって車両100の完全な操縦性を実現できるように、独立して駆動されるように構成されている。例えば、いくつかの実装では、磁石と、ヨークのうち少なくとも1つとの間に位置するアンギュラコンタクトベアリング(図示せず)は、独立した回転を実現する1つの例示的な方法である。ニードルスラストベアリングと通常のボールベアリングの組み合わせなど(図示せず)、他の可能な構成も想定される。好ましくは、ベアリングシートは、スチールヨークと磁石の側面との間に最小限のエアギャップを生成し、また、磁石の側面とそこからエアギャップを挟んで位置するスチールヨークの部分との重複を最大化するように構成されるべきであり、これは、結果として生じる磁気車輪の引張力を最大化するためである。
図1にはまた、第1のシャーシ部112の前端付近に設けられた前方支持体140が示されている。いくつかの実装では、前方支持体は、例えば、前方シャーシ部の中央を貫通する長手方向軸150に合わせて、中心に配置されている。前方支持体は、第1のシャーシ部が駆動輪116の軸117’を中心に前方に傾斜できる量を制限するように構成され、それにより、第1のシャーシ部の前端が表面111に沿って引きずることを防止することができる。いくつかの実施態様では、前方支持体140は、受動的に転動するボールキャスターを含むことができるが、代替的な前方支持体構成を実装することができる。例えば、前方支持体は、表面に沿って摺動するように構成された滑らかな硬質プラスチック片を含むことができる。かかる場合、好ましくは、摩擦係数の低い材料を使用して、前方支持体の摺動を促進し、表面の傷を防ぐのに役立つことができる。いくつかの実装では、磁石を、前方支持体に、またはそれの付近に、例えば前方支持体の後ろまたは周囲に埋め込むこともでき、それによって、前方支持体を表面と接触した状態を維持すること、したがって、本明細書でさらに記載するように、前方支持体を表面と接触した状態を維持するために、後面機構によって実行される作業の量を削減することを助ける。
顕著な態様によれば、第1のシャーシ部112および第2のシャーシ部114は、各々、2つのシャーシ部間に1つ以上の自由度の移動を提供する複数の接続要素またはジョイントを介して互いに接続されている。特に、図1に示すように、第1の接続要素は、ヒンジ120、すなわち「スイベルジョイント」を含むことができる。ヒンジ120は、例えば、ナックル/ピンヒンジ、またはボールおよび戻り止めヒンジを含むいくつかの異なるタイプであり得る。ヒンジ120は、第1のシャーシ部と第2のシャーシ部との間の移動、すなわち左右方向の移動の第1の自由度(DoF)を提供する。特に、シャーシ部112および114は、矢印Hで示されるように、ヒンジ120の軸HAを中心に互いに対してある程度の範囲で回転可能である。したがって、ヒンジは、例えば、操縦目的のため、および操縦中の車両100の安定性を維持するために、第2のシャーシ部の追跡部を第1のシャーシ部の側方に折り畳むことを可能にする。本明細書で考察されるように、この自由度は、受動的であり得る。
車両100は、好ましくは、車両100の第1のシャーシ部112と第2のシャーシ部114との間にさらなる自由度を提供する追加のジョイントを含む。例えば、図1に示すように、車両100は、少なくとも間接的に、第1および第2のシャーシ部112および114を共に接続し、2つのシャーシ部間の移動の第2の自由度を提供する四節リンク機構122を含むことができる。第2の自由度は、上下移動であり得(例えば、従動輪138、より一般的に、第2のシャーシ部は、矢印「P」で示されるように、第1のシャーシ部に対して上下方向であるが、わずかに湾曲した経路に沿って移動することができる)(それは、一般にピッチ方向と考えられ得る)、従動輪138の下降と上昇を容易にする。したがって、第2の自由度は、直線方向の移動だけに限定されず、湾曲した経路を含むことができる。
本発明のさらなる態様によれば、任意選択で、従動輪138を支持するアセンブリは、第3の自由度、すなわちロール方向の従動輪の移動を提供する「回転継手」124によって第2のシャーシ部114に接合され得る。特に、従動輪アセンブリは、矢印「R」で示されるように、回転継手の回動点を貫通するロール軸「RA」を中心に第2のシャーシ部114に対してある程度の範囲で転動または回動するように構成できる。したがって、回転継手124は、第1および第2のシャーシ部に対する従動輪の移動のもう1つの自由度を提供する。
図5Aに示すように、
●P0は、磁気駆動輪116(駆動輪の周囲のみが示されている)と横断面311との間の接点を表す。
●P1は、磁気駆動輪116の回転軸を表す。
●P2は、前面支持体(図示せず)と表面311との間の接点を表す。
●L1は、P1とP2との間の距離を表し、L2は、P1とP3との間の距離を表す。図のように、L1およびL2は、P2に対して一定の角度に維持される。
●P3、P4、P5、およびP8は、四節リンク機構の4つのジョイント/回動点を表す。
●L3、L4、L6、およびL7は、四節リンク機構を形成するリンクの長さを表す。
●P6およびP7は、それぞれ、後方従動輪138(後方従動輪の周囲のみが示されている)の中心軸および表面311とのその接点を表す。
●L5は、P5とP6との間の第2のシャーシ部の長さを表す。
本発明の1つ以上の実施形態においては、四節リンク機構122の幾何学的構成は、様々な可能な方向および表面曲率でパイプを横断する間に、従動輪138への垂直化効果を最適化するように形成することができる。
●ステップ605、対象となるパイプサイズを選択する。対象となるパイプサイズが入力として好ましいが、開示された実施形態に従って設計された四節リンク機構を有する例示的な車両は、四節リンク機構の形状を形成するために使用されるのとは異なるパイプサイズで車両が使用される場合でさえも、依然としてほぼ完全な垂直化を実現することができることに留意に値する。上述のように、好ましくは、P8の特定の場所を除いて、ロボット構成要素の幾何学的パラメータは、事前に形成されていることが好ましい。
●ステップ610、パイプ上のクローラの構成は、ケース1:パイプに沿って長手方向(すなわち、縦方向)に駆動するクローラ、言い換えると、θsteer=90°、ケース2:螺旋状に駆動するクローラ、言い換えると、θsteer=45°(代替的に、0°または90°を除く他の螺旋角を使用し得る)、およびケース3:周方向に駆動するクローラ、言い換えると、θsteer=0°、の3つの異なるケースでモデル化される。図6Bは、3つのケースの各々におけるパイプの表面の有効曲率を例解する。
●ステップ615、各ケースにおけるパイプ上のクローラの構成を完全に形成するために、前述のケースに、1)楕円の長軸に接点が生じる、磁気駆動輪とパイプとの間の接点、2)前方支持点と楕円との間に生じる接触、および3)完全に垂直化された、従動輪とパイプとの間の接点(例えば、パイプと、P5からP7まで延びている線との間の直角)の制約を課する。図6Bにさらに例解するように、ステップ715で形成された制約を課すことは、シャーシに対する点P5の3つの異なる位置を生成する。特に、図6Bは、車両(例えば、車両100)の簡略化された幾何学的モデル、およびケース1、2および3にそれぞれ適用された制約を考慮した結果生じる回動点P5の場所、すなわちP5−1、P5−2、P5−3を例解する。
●ステップ620、P8の場所を決定する。特に、P8の場所は、ステップ715で3つのケースについて決定されたP5の3つの位置(例えば、P5−1、P5−2、およびP5−3)に従って形成された円Cの中心であると決定することできる。さらに、P8からP5までのリンクの長さは、それに応じて、当該円の半径であると決定され得る。この円Cは、図6Bに点線で示されている。
上述のように、車両100の従動輪138は、1つ以上の車輪を含むアセンブリを含むことができる。図7Aは、車両100に取り付けることができる従動輪アセンブリ738の例示的な構成を例解する斜視図である。いくつかの実装では、従動輪アセンブリは、受動的に転動する1つ以上の従動輪を保持するためのハウジング700を含む。ハウジング700は、底部が開いたU字型構造の形態であり得る。ハウジング700は、したがって、一対の対向する側壁(左および右の壁)702、およびそれらの間に延在する上部壁704によって形成される。壁702、704の間には、中空の内部空間が形成されている。
本発明の1つ以上の実施形態においては、1つ以上のセンサは、ロボット100に配置され、操作中にロボット100の配向および他の関連する特性を測定するように構成され得る。装置の配向を計算するための例示的なシステムおよび方法は、本明細書、および2014年11月25日に提出された、同時継続中および同一出願人による米国特許第9,360,311号「System and Method for Calculating the Orientation of a Device」Gonzalezら、にさらに記載され、それは、その全体が本明細書に記載されているかのように、参照により本明細書に援用する。より具体的には、エンコーダまたはポテンショメータなどの角度位置センサを、後面機構130および/または第1のシャーシ部112の1つ以上の構成要素に取り付けることができる。かかるセンサを使用して捕捉された測定値を分析して、後面機構の正確な構成を継続的に監視できる。その際に、および横断面の形状が既知であると仮定すると、後方機構の構成を使用して、対象面に対するクローラ車両の配向を判定することができる。いくつかの実装では、装置の配向の判定は、クローラに載置されたマイクロコントローラ、例えば、図1に関連して記載された車両制御モジュールプロセッサによって、オンラインで判定することができる。例えば、パイプを検査するクローラの場合、パイプの直径が既知である場合、後方機構の幾何学的構成(例えば、位置センサを使用してリアルタイムで測定される1つ以上の構成要素の相対位置)を使用して、クローラがパイプ上を長手方向、周方向、または螺旋状に(および、特定の螺旋角度でも)駆動しているかどうかを判定することができる。さらに、同様に、パイプを検査する車両の場合、パイプの直径が既知でない場合、車両は、事前に形成された軌道(例えば、所定の場所での360回転など)を実行すること、および後方機構の運動プロファイルを、特定のパイプ直径にそれぞれ関連付けられているあらかじめ記録された運動プロファイルに一致させることにより、パイプの直径を自律的に決定するように構成され得る。
●開示された実施形態は、車両100の特定の主要要素の安定性および概して直立性(すなわち、表面に対して概して垂直な配向)を促進する受動的後面機器を提供する。特に、開示された車両は、広範な表面曲率にわたって強磁性表面上で重力に依存しない方法で、速度に依存しない安定性および直立性を提供するように設計されている。任意の時点で表面との接点が2点のみである既存の車両設計は、低速では特有の不安定性を有するが、開示された車両は一般に、最低でも3つの主要構成要素、すなわち、従動輪、駆動輪、前方支持点を、横断される表面と同時に接触した状態に維持し、広範囲の表面曲率でそうするように構成されている。加えて、回転継手、従動輪の側方に対称的に配置された2つの接点を含む従動輪、および独立して駆動される対向する2つのヨークを含む磁気駆動輪を含む構成では、車両は、通常の操作中、最大6つの接点、すなわち、前方支持体、主駆動輪の2つの接点、従動輪、および従動輪の側方の2つの支持車輪を維持するように構成されている。クローラの開示された実施形態は、好ましくは、少なくとも、後面アセンブリが通常の操作中に第1のシャーシ部を追跡している間(例えば、後面アセンブリが前方シャーシ部と概して一直線上にある間)、従輪アセンブリの垂直化を実現できるように構成されているが、特定の状況では、従輪アセンブリは、表面に対する垂直配向から外れて移動する場合があることをさらに、理解されるべきである。例えば、ハードステアリングおよび回動などの特定の車両操縦により、後方アセンブリが前方シャーシの側方に旋回し、一時的に好ましい垂直配向から外れて移動する場合がある。
●顕著な態様によれば、開示された実施形態は、一般に、第1のシャーシ部に設けられた駆動輪を使用して操縦および駆動するように構成されている。車両の後面アセンブリは、駆動輪によって受動的に引っ張られるが、後面アセンブリは、旋回して回転できるように設計されているため、したがって、車両のステアリングおよび操縦性を促進する。したがって、かかる設計は、独立して操縦される後面機構を有しないため、既存のクローラ設計よりもかなり軽量、および結果としてより小型であり得る。その結果、軽量であるとの観点から小型のアクチュエータを使用することができ、それは、クライミングクローラを考察する際の重要な態様である。ディファレンシャルステアリングおよび操縦性により、さらに、車両は、高度な操縦性を実現し、クローラが表面に残す可能性のあるいかなる傷またはマーキングも最小限に抑えることができる。
●車両100の設計はまた、その一直線の構成により、車両が非常に狭い表面(梁、非常に小さなパイプなどの側面など)を横断することを可能にする。かかる表面の最小幅は、磁気駆動輪の2つのヨークの間の内部距離によってのみ制限される。
●磁気駆動輪および従動輪によって提供される磁気牽引力により、さらに、車両は、重力および強磁性表面の配向に関係なく、比較的重い荷重を担うことができる。
111 表面
112 第1のシャーシ部
114 第2のシャーシ部
116 駆動輪
117 スチールヨーク
118 スチールヨーク
120 ヒンジ
122 四節リンク機構
124 回転継手
130 後面アセンブリ
138 従動輪
140 前方支持体
150 長手方向軸
152 垂直軸
154 横軸
Claims (18)
- 表面を横断するためのロボット車両シャーシであって、
第1のシャーシ部と、
前記第1のシャーシ部に載置されている駆動輪であって、前記表面に沿って駆動するように構成されている前記駆動輪と、
前記第1のシャーシ部の前端付近の底面に載置されている前方支持点と、
第2のシャーシ部と、
前記第2のシャーシ部に載置された従動輪アセンブリであって、実質的に車両の走行方向において前記表面に沿って受動的に転動するように構成されている従動輪を含んでいる前記従動輪アセンブリと、
前記第2のシャーシ部が少なくとも第1の方向において第1の経路に沿って前記第1のシャーシ部に対して回転可能であるように、前記第1のシャーシ部と前記第2のシャーシ部とを接続しているヒンジ継手であって、前記ヒンジ継手が、本質的に受動的であり、従輪アセンブリの少なくとも一部分と接触すると、前記表面の曲率に応じて回転する、前記ヒンジ継手と、
前記第1のシャーシ部と前記第2のシャーシ部とを接続している四節リンク機構であって、前記四節リンク機構が、少なくとも第2の方向において第2の経路に沿って前記第2のシャーシ部を前記第1のシャーシ部に対して移動させるように構成されており、前記四節リンク機構が、本質的に受動的であり、前記第2のシャーシ部を前記第2の経路に沿って自動的に移動させ、前記第1の方向および前記第2の方向の移動の組み合わせにより、従輪が前記表面と接触した状態のままである、前記四節リンク機構と、を含む、ロボット車両シャーシ。 - 前記第1の方向の移動が、前記第1のシャーシ部に対する前記第2のシャーシ部の、前記第1の経路に沿った横方向の移動を含んでおり、
少なくとも前記第2の方向の移動が、前記第1のシャーシ部に対する前記第2のシャーシ部の、前記第2の経路に沿った上昇、前記第1のシャーシ部に対する前記第2のシャーシ部の、前記第2の経路に沿った下降、または前記上昇と前記下降との両方を含んでいる、請求項1に記載のロボット車両シャーシ。 - 前記四節リンク機構は、前記従輪アセンブリが前記表面と接触すると、前記従輪アセンブリが湾曲した経路(前記第2の経路)に沿って移動するように構成されている、請求項2に記載のロボット車両シャーシ。
- 前記四節リンク機構を形成する少なくとも2つのリンクの間に張力を付与するように構成されている張力要素であって、前記表面の前記曲率が変化すると、前記第2のシャーシ部を少なくとも前記第2の方向に付勢すると共に、前記第2のシャーシ部の位置を前記第1のシャーシ部に対して且つ前記第2の経路に沿って自動的に調整する力を提供するように構成されている、前記張力要素を備えている、請求項1に記載のロボット車両シャーシ。
- 少なくとも2つの前記リンクの間に付与される前記張力が、前側支持体を前記表面と強制的に接触させ、前記表面に対して前記第1のシャーシ部を安定させる力を提供する、請求項4に記載のロボット車両シャーシ。
- 前記四節リンク機構は、
前記第1のシャーシ部の前記底面に対する略垂直方向に配向された第1のリンク板と、
前記第1のリンク板から離間され、前記略垂直方向に配向された第2のリンク板と、
前記第1のリンク板および前記第2のリンク板に回動可能に接続された第1のコネクタアームと、
前記第1のリンク板および前記第2のリンク板に回動可能に接続されている、第2のコネクタアームと、
を備えており、
前記第1のコネクタアームは、前記略垂直方向において、前記第2のコネクタアームの上方に位置する、請求項1に記載のロボット車両シャーシ。 - 前記第2のシャーシ部の少なくとも一部分は、第2のリンク板を形成しており、
前記ヒンジ継手の少なくとも一部分は、第1のリンク板を形成しており、
張力要素は、前記四節リンク機構を形成する少なくとも2つのリンクの間に延在しており、前記表面の前記曲率が変化すると、少なくともピッチ方向において前記第2のシャーシ部を前記表面に対して付勢すると共に、前記第2のシャーシ部の位置を前記第1のシャーシ部に対して且つ前記第2の経路に沿って自動的に調整する力を提供する、請求項1に記載のロボット車両シャーシ。 - 前記ロボット車両シャーシが、前記第2のシャーシ部を前記従輪アセンブリに接続する回転継手を備えており、
前記従輪アセンブリは、前記回転継手を中心として前記第2のシャーシ部に対して回転可能であり、
前記回転継手は、本質的に受動的であり、前記従輪アセンブリが前記表面と接触すると、前記表面に関するロール方向において前記従輪を自動的に且つ少なくとも実質的に直立させるように構成されている、請求項1に記載のロボット車両シャーシ。 - 前記ヒンジ継手は、前記第1のシャーシ部に連結されており、
前記四節リンク機構は、前記ヒンジ継手および前記第2のシャーシ部に回動可能に連結されている、請求項1に記載のロボット車両シャーシ。 - 前記四節リンク機構は、前記第1のシャーシ部に回動可能に連結されており、
前記ヒンジ継手は、前記ヒンジ継手に回動可能に連結されており、且つ、前記第2のシャーシ部に連結されている、請求項1に記載のロボット車両シャーシ。 - 前記表面は、強磁性体であり、
前記ロボット車両シャーシが、少なくとも前記駆動輪に接続された少なくとも第1の磁石を備えており、
少なくとも前記第1の磁石が、前記駆動輪と前記表面との間において引力を維持する、請求項1に記載のロボット車両シャーシ。 - 前記ロボット車両シャーシが、前記従輪に接続された少なくとも第2の磁石を備えており、
前記第2の磁石が、前記従輪と前記表面との間において引力を維持する、請求項11に記載のロボット車両シャーシ。 - 前記駆動輪は、磁気駆動輪であり、同軸上で離隔配置された第1のヨークおよび第2のヨークを含んでおり、
前記第1のヨークと前記第2のヨークとが、前記駆動輪と前記表面との間の少なくとも2つの接点を維持しており、
前記第1のヨークと前記第2のヨークとが、互いから独立して駆動されるように構成されている、請求項1に記載のロボット車両シャーシ。 - 前記従動輪アセンブリは、ハウジングの内部に載置されている回転可能なセンサ車輪であって、前記ハウジングの内部において回転可能である一対の磁気支持車輪の間に、且つ、一対の前記磁気支持車輪と同軸に配置されている前記センサ車輪を備えており、
前記磁気支持車輪が、前記従動輪アセンブリと前記表面との間の少なくとも2つの接点を維持している、請求項1に記載のロボット車両シャーシ。 - 前記第1のシャーシ部および第2のシャーシ部のうち1つ以上のシャーシ部に取り付けられた1つ以上の角度位置センサと、
車両の操作中に1つ以上の前記角度位置センサによって捕捉された位置測定値を使用することにより、前記第1のシャーシ部と第2のシャーシ部との相対位置を監視するように構成されているプロセッサであって、a)既知の形状の表面に基づく前記表面に対する前記車両の配向の計算、および、b)前記表面での所定の車両の操縦の実行中に1つ以上の前記角度位置センサによって捕捉された前記位置測定値に基づく前記表面の形状の測定、のうち1つ以上を実行するように構成されている前記プロセッサと、
を備えている、請求項1に記載のロボット車両シャーシ。 - 前記ロボット車両シャーシが、前記第2のシャーシ部を前記従輪アセンブリに接続する回転継手を備えており、
前記従輪アセンブリは、前記回転継手を中心として前記第2のシャーシ部に対して回転可能であり、
前記回転継手は、本質的に受動的であり、前記従輪アセンブリが前記表面と接触すると、前記表面に関するロール方向において前記従輪を自動的に且つ少なくとも実質的に直立させるように構成されており、
前記第2のコネクタアームと前記第1のリンク板との間において回動可能な接続部の位置が、前記車両が所与の直径を有するパイプの表面を前記パイプの前記表面に沿って複数の走行方向それぞれに横断する際に、前記車両が所定の制約条件に合致するように規定される、請求項6に記載のロボット車両シャーシ。 - 複数の前記走行方向が、前記パイプの長さに沿った長手方向、前記パイプを中心とする周方向、および前記パイプを中心とする螺旋状方向を含んでいる、請求項16に記載のロボット車両シャーシ。
- 前記制約条件は、前記駆動輪と前記パイプとの間における接点の維持と、前記前方支持点と前記パイプの前記表面との間における接触の維持と、前記従動輪と前記パイプとの間における接点の維持とを含んでいる、請求項17に記載のロボット車両シャーシ。
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