TWI389820B - 具有可旋轉轉台的船身機器人 - Google Patents

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TWI389820B
TWI389820B TW099127479A TW99127479A TWI389820B TW I389820 B TWI389820 B TW I389820B TW 099127479 A TW099127479 A TW 099127479A TW 99127479 A TW99127479 A TW 99127479A TW I389820 B TWI389820 B TW I389820B
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Jonathan T Longley
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Description

具有可旋轉轉台的船身機器人
本發明係關於一種通常經組態以清潔及/或檢查一船身之船身機器人。
本申請案係基於且主張在35 U.S.C. §§119,120,363,365及37 C.F.R. §1.55及§1.78下於2009年8月19日申請之美國專利申請案12/583,346號之優先權，該案係2008年11月21日申請之美國專利申請案12/313,643號之部分接續申請案。
2008年11月21日申請之共同待審中的美國專利申請案12/313,643號揭示包含當該船係航行時可藉由流過該船身的水驅動之渦輪之一新自主式船身機器人。該等渦輪操作(例如供電)該機器人之該清潔子系統及該驅動子系統。
經過一船身之水流可隨該船身之長度變化方向。此外，可能存在該船身機器人必須繞過該船身上的障礙物操縱之時候。亦可能需求以不同角度橫越該船身，用於最佳化清潔及/或檢查操作。
相應地，可存在該船身機器人之渦輪進口係未與經過該船身之該水流方向直接對準的若干實例。在此等情況中，該等渦輪可能未以其等最大能力操作。
在一較佳實施例中，一新船身機器人係經設計以保持該等渦輪輸入與流過該船身之該水流方向對準。在一態樣中，最大化該渦輪輸出。在一實施例中，本發明部分起因於若該機器人之該驅動履帶係安裝於一可旋轉轉台上，則該等機器人渦輪可連續定向進入該水流而不論該機器人之行進方向以用於更有效率操作的該認知。
在一實例中，本發明特徵為，一船身機器人包括可藉由移動經過該船身的流體致動之一渦輪子系統、用於繞該船身操縱該機器人的一驅動子系統及用於該渦輪子系統或該驅動子系統之一調整子系統。一控制器係經組態以操作該調整子系統以調整該渦輪子系統相對於該驅動子系統之位置直到流過該船身之流體導致流體相對於該渦輪子系統之一最佳流動。
在一型式中，該調整子系統包含一可旋轉轉台且該驅動子系統係安裝於該轉台上。該調整子系統可進一步包含用於旋轉該轉台之一馬達。該馬達係通常藉由該控制器而控制。在一特定實施例中，該轉台包含一周邊齒輪且該馬達係連接至驅動該周邊齒輪的蝸輪。
一感測器子系統可經組態以監測該渦輪子系統之輸出。通常，該控制器係回應於該感測器子系統且係經組態以回應於該感測器子系統之該監測輸出而控制該調整子系統。在一設計中，該感測器子系統包含用於監測該渦輪子系統之輸出之構件。在一較佳實施例中，該渦輪子系統包含兩個隔開渦輪，各者驅動一發電機，且用於監測該渦輪子系統之輸出之該構件包含監測各發電機之電壓輸出之感測器及回應於該等感測器之一比較器。
可進一步包含一可旋轉輪葉及回應於該輪葉之運動的一感測器。該控制器係亦回應於該感測器。
在一實施例中，該船身機器人驅動子系統包含繞隔開滾輪之一環磁帶。該船身機器人可進一步包含至少一清潔裝置，例如至少一清潔刷。在一些設計中，一發電機係可藉由該渦輪子系統而驅動。進一步包含的係用於該驅動子系統之一馬達及可藉由該發電機充電的用於該馬達之一電源。可存在至少一清潔裝置及可藉由該發電機充電的用於該馬達之一電源。
根據本發明之一船身清潔機器人包含一機器人主體、可相對於該機器人主體旋轉之至少一清潔刷、附接至該機器人主體用於操作該至少一清潔刷之至少一渦輪、可相對於該機器人主體旋轉之一轉台及安裝至該轉台用於繞該船身操縱該機器人之一驅動履帶。一致動器調整該轉台相對於該機器人主體之位置。一感測器子系統測量該渦輪之一輸出且一控制器(回應於該感測器子系統)係經組態以控制該致動器直到該渦輪之輸出係最佳化。
該感測器子系統可經組態以測量該渦輪之每分鐘轉數。若該渦輪驅動一發電機，則該感測器子系統可經組態以測量該發電機之輸出(例如電壓)。一致動器包含該轉台上之一周邊齒輪及驅動與該周邊齒輪嚙合之一蝸輪的一馬達。該馬達可藉由該發電機充電的一電池供電。在一實例中，存在兩個隔開渦輪，各者驅動一發電機且該感測器子系統包含監測各發電機之電壓輸出之感測器及回應於該等感測器之一比較器。
在一實例中，一船身機器人包含用於繞該船身操縱該機器人之一驅動子系統，及回應於流過該船身之流體且操作該驅動子系統之一渦輪子系統。該驅動子系統及該渦輪子系統係可互相相對移動以保持該渦輪子系統與流過該船身之該流體對準。在一型式中，該驅動子系統，例如一環磁帶，係與一可移動轉台關聯(例如附接至轉台)。
然而，在其他實施例中，本發明不需要實現所有此等目的且本發明之該等技術方案不應限於能夠實現此等目的之結構或方法。
其他目的、特徵及優勢將透過一較佳實施例及隨附圖式之下文描述顯現予熟習此項技術者。
除了下文揭示之較佳實施例之外，本發明可有其他實施例且可以各種方式實作或實施。因此，應瞭解本發明在其應用方面不限於在該下文描述中闡述或在該等圖式中繪示的構造之細節及組件之配置。若本文僅描述一實施例，本發明之該等請求項不受限於此實施例。此外，不應限制性閱讀本發明之該等請求項，除非有表明一特定排除、限制或放棄之清楚且令人信服證據。
圖1至圖2顯示包含機器人主體12之機器人10，該機器人主體12具有渦輪進口孔14a及14b及在外流孔18後面的清潔刷16a、16b、16c。本發明之一態樣包含用於保持該等進口孔14a及14b之定向與如在圖1中之20所示之流過該船身之水方向對準而不論該機器人驅動子系統(諸如驅動帶22，圖2)之磁性定向的構件。一磁性驅動帶係通常繞如所示之滾輪21a及21b安置。
因此，在一實施例中，驅動帶22係安裝於可相對於主體12旋轉之轉台24上。在經顯示之實例中，渦輪26a及26b分別驅動發電機28a及28b，各者包含一rpm感測器或電壓感測器。藉由監測各感測器之輸出，渦輪26a及26b之該等輸出之間的任何差值可藉由轉動轉台24而偵測且最小化。另外，轉台24可轉動直到渦輪26a及26b之該等輸出係都最大化。然而，此調整子系統係不限於該驅動履帶係安裝至轉台24之該顯示實施例。在又其他實施例中，一感測器或類似物可用於決定流體相對於該機器人主體之流動方向。
圖1亦顯示可相對於機器人主體12旋轉之水輪葉30。輪葉30係經組態具有一壓力中心32，該壓力中心32保持輪葉30與流過該船身之水之方向對準。感測輪葉32相對於渦輪進口14a及14b之位置致使輪葉32能夠用作用於調整轉台24之位置之一感測器(圖2)。
圖3說明其中渦輪子系統32(包含可藉由流過該船身之流體致動的一或多個器件)包含將電源38再充電之發電機70之本發明之一實施例。一或多個馬達(例如馬達72a及馬達72b)係藉由電源38而供電。馬達72a經由驅動系74a驅動履帶子系統81。該機器人之行進方向可經由電子控制子系統46反轉，該電子控制子系統46係經組態以基於諸如來自導航子系統78及/或通信子系統80之輸入反轉馬達72a之方向。電子控制器46係亦藉由電源38而供電。相似地，馬達72b經由驅動系74b驅動清潔子系統82(例如一或多個刷)。馬達72b係亦藉由電源38而供電。在其他實施例中，該一或多個馬達可基於一電源而非電力操作。舉例而言，馬達係已知為流體驅動。接著，該渦輪子系統可在壓力下泵送流體至該等馬達。若該清潔子系統係被動，例如一墊及/或一刮板，馬達72b及驅動系74b將不需要。電子子系統46通常包含一或多個微處理器、電力電路及類似物。美國專利申請案12/313,643中號揭示可與該機器人關聯之該機器人之轉向、導航子系統及通信子系統。此參考中亦描述關注該等清潔刷及該履帶子系統之額外細節。
圖3亦顯示驅動轉台24之馬達72c。馬達72c係藉由電源38而供電且係藉由電子子系統或控制器46而控制，該電子子系統或控制器46回應於發電機70而接收感測器子系統90之輸出及(視需要)輪葉32感測器92之輸出。
控制器46(圖4)經由比較器100決定渦輪26a及26b之輸出之間的任何差值以相應地控制轉台24之馬達72c。藉由該感測器子系統所估計之渦輪26a及26b之輸出可為RPM感測器102a及102b及/或與如以上討論之該等渦輪關聯之任何發電機之電壓輸出。若未使用該等發電機，則該等渦輪之輸出可以其他方式監測。輪葉子系統32之輸出係亦藉由如所顯示之控制器46而監測以便控制馬達72c。在該情況中，當該等渦輪之輸出係極低(舉例而言，若該等渦輪進口係相對於該水流方向成90°定向)時，則方向輪葉32之輸出可為至用於控制轉台24馬達72c之控制器46的主要輸出。方向輪葉32之輸出亦可用於決定轉台馬達72c之操作方向。在其他實施例中，僅存在一渦輪及控制器46控制馬達72c以旋轉該轉台24直到該渦輪之輸出係在一最大值。
圖5顯示驅動與轉台24上之周邊齒輪122接合之蝸輪120的馬達72c。轉台24經由一軸或類似物而相對於船身12旋轉。可能有用於調整轉台24之位置的其他致動器系統。通常，其他子系統係包含作為該機器人之組件，諸如，一清潔子系統、一導航子系統、一通信子系統及類似物。較佳地，機器人主體12不需要繫栓至任何種類的一機載電力或控制子系統。一渦輪子系統可直接地或經由將一電力子系統(例如一電池組)充電的一發電機操作該驅動子系統(且在一實例中，一清潔子系統)，該電力子系統供應電力至驅動該驅動子系統及/或該清潔子系統之一或多個馬達。該電池組亦可用於供電予與該機器人關聯之其他電子及/或機電子系統。一發電機亦可能直接驅動一或多個馬達。
圖6顯示其中輪葉32經由耦合至電位計感測器92之支柱130而相對於主體12旋轉之一實例。電位計92之輸出係與該機器人主體12相對於沿該船身的水流方向之未對準成比例。
圖7顯示其中機器人10之行進方向係垂直於通過渦輪入口14a及14b之水流方向之一情況，然而，由於轉台24已經相應地旋轉，故該等入口係與該水流方向對準以最大化發電機28a及28b之電力輸出。
以此方式，機器人10(圖8)可繞船身特徵150操縱且如所示亦對角地橫跨該船身，且在所有情況中，該等渦輪可經定向進入該流動方向以保持該電池組適當地充電用於該機器人在長時段內的自主式操作。
除了一磁性履帶的驅動子系統係在本發明之範疇內作為用於互相相對移動該驅動子系統及渦輪子系統之其他構件以保持該渦輪子系統與流過該船身之該流體對準。
圖9顯示容置渦輪/發電機單元132a及132b之機器人主體12之一型式，當採用該等渦輪/發電機單元132a及132b時，經由控制電子器件140將電池138充電。電池138提供電力(經由控制電子器件140)至驅動馬達172a，該驅動馬達172a轉動驅動驅動帶滾輪21a之齒輪135之齒輪133。電池138亦提供電力(經由控制電子器件140)至刷馬達172b，該刷馬達172b轉動與自身驅動清潔刷齒輪142a及142c之齒輪142b協作之齒輪137。控制電子器件140(通常使用一微處理器、電力電路及類似物)係亦藉由電池138而供電。
圖10至圖11顯示包含馬達190(由一電池組而供電)及藉由馬達190旋轉之致動器194之一轉向子系統之一實例。在此特殊實例中，滾輪21b係經由致動器194與滾輪軸196之間的連桿192相對於該機器人底盤傾斜以使軸196成角度(見圖11中之角度α)。致動器194旋轉以在由箭頭198顯示的該等方向中往復驅動連桿192。因此，滾輪21b係成角度以將該機器人轉向。可能具有其他轉向子系統。見(諸如)以此引用方式併入本文之美國專利第3,934,664號、第4,046,429號及第4,119,356號。若使用二個驅動履帶，則轉向可經由有區別地操作該等履帶而作用。
可能具有各種通信子系統及導航子系統。在一特殊實施例中，轉換器200(圖12)包含由螺線管204驅動以敲擊該船身結構212之敲擊桿202。所得聲響訊跡可藉由在該船身外側上之該機器人10偵測。舉例而言，一簡單訊息可指示該機器人反轉方向或操縱至高於水位線之一規定拾取位置。或者(或此外)，該機器人可例如裝配有此一轉換器以實現穿過該船身之雙向通信。
圖13顯示裝配有接收器210之機器人10，接收器210係依拾取頭212及回應於該拾取頭212及用於偵測由於敲擊桿202(圖12)之船身212中之振動之位置感測器214(例如一電位計/編碼器)的形式。使用穿過該船身之聲響通信，可由一機載電腦指示該機器人。舉例而言，一音調可發一反轉方向命令信號，二音調可引動一轉向左命令及類似物。藉由使用不同音調系列及/或頻率，可發送更複雜訊息至該機器人(且視所需自該機器人接收)。然而，可能具有其他通信系統。
藉由使用多個敲擊桿202a至202c(圖14)，導航亦為可能。敲擊桿202a係經驅動以依如在203a處所示之一第一頻率發送一聲響信號，敲擊桿202b係經驅動以依一第二頻率203b提供穿過該船身之一信號，且敲擊桿202c係經驅動以依一頻率203c提供穿過該船身之一第三聲響信號。在該機器人處，該等信號係經偵測(舉例而言，使用圖13中所示之該接收器210)、濾波且經由一類比至數位轉換器轉換成一數位信號。分離該等音調信號且信號之間的時間延遲係藉由與該機器人相關聯的一電子子系統決定以便三角測量該機器人在該船身上之位置。因此，舉例而言，一電子控制模組通常包含用於通信、導航及機器人操縱/控制之軟體及/或電路。
在另一實例中，該船身之特徵係藉由該機器人而繪圖且偵測以決定該機器人在該船身上之位置。圖15A顯示與該機器人相關聯之探測器230，其包含滾輪232、臂234及回應於臂234之感測器或開關236。當滾輪232由於一構造熔接或藉由設計界標熔接238(圖15B)而上升時，感測器236偵測此事件且該機器人控制子系統係經組態以參考具有此等特徵之一儲存地圖以建立該機器人在該船身上之位置。在一簡單設計中，當該機器人沿著該船身長度前進時，該機器人僅追蹤其已遇到之熔接線數量，且當超過一預設定數目熔接線之後，該機器人稍稍轉向、反轉其方向且沿著該船身長度向後前進用於清潔及/或檢查操作。
因此，儘管在若干圖式中顯示本發明之特定特徵而在其他圖式中沒有顯示，但此僅為了便利，因為每一特徵可與任何或所有根據本發明之其他特徵組合。如此處所使用的用語「包含」、「包括」、「具有」及「有」係經廣義及全面解譯且不限於任何實體互連。此外，在本發明中揭示的任何實施例不作為僅可能實施例。
此外，此專利之專利申請案的申請期間出現的任何修改並非如申請的該申請案中呈現之任何請求項要素之放棄：不可合理預期熟習此項技術者設計將會在字面上涵蓋所有可能均等物之一請求項，許多均等在修改時將為不可預知且超出待放棄者(若有任何時)之一正面解譯，權利範圍的修正原則與許多系爭均等物僅略微相關(tangential relation)，及/或存在無法預期申請者載明經修改的任何請求項要素之某些無實質替代項之許多其他理由。
其他實施例將顯現予熟習此項技術者且在下列請求項內。
10．．．機器人
12．．．機器人主體
14a．．．渦輪進口孔
14b．．．渦輪進口孔
16a．．．清潔刷
16b．．．清潔刷
16c．．．清潔刷
18．．．外流孔
20．．．水流
21a．．．滾輪
21b．．．滾輪
22．．．驅動帶
24．．．轉台
26a．．．渦輪
26b．．．渦輪
28a．．．發電機
28b．．．發電機
30．．．水輪葉
32．．．壓力中心
38．．．電源
46．．．電子控制器
70．．．感測器
72a．．．馬達
72b．．．馬達
72c．．．馬達
74a．．．驅動系
74b．．．驅動系
78．．．導航子系統
80．．．通信子系統
81．．．驅動履帶子系統
82．．．清潔子系統
90．．．感測器子系統
92．．．輪葉感測器
100．．．比較器
102a．．．RPM感測器
102b．．．RPM感測器
120．．．蝸輪
122．．．周邊齒輪
130．．．支柱
132a．．．渦輪/發電機單元
132b．．．渦輪/發電機單元
133．．．齒輪
135．．．齒輪
137．．．齒輪
138．．．電池
140'．．．控制電子器件
142a．．．清潔刷齒輪
142b．．．齒輪
142c．．．清潔刷齒輪
150．．．船身特徵
172a．．．驅動馬達
172b．．．驅動馬達
190．．．馬達
192．．．連桿
194．．．致動器
196．．．滾輪軸
198．．．箭頭
200．．．轉換器
202．．．敲擊桿
202a．．．敲擊桿
202b．．．敲擊桿
202c．．．敲擊桿
203a．．．第一頻率
203b．．．第二頻率
203c．．．第三頻率
204．．．螺線管
210．．．接收器
212．．．船身結構
214．．．位置感測器
230．．．探測器
232．．．滾輪
234．．．臂
236．．．感測器或開關
238．．．界標熔接
圖1係顯示根據本發明之一船身機器人之一實例之一示意性三維後視圖；
圖2係圖1中所示之該機器人之一示意性三維仰視圖；
圖3係顯示與根據本發明之一船身潔機器人關聯之該等主要組件之一方塊圖；
圖4係描繪用於保持該等機器人渦輪輸入與流過一船身之該水流方向對準的藉由圖3之該電子子系統或控制器執行的該等主要操作之一流程圖；
圖5係顯示當該機器人驅動子系統係安裝至一可旋轉轉台之一實例之根據本發明之一船身機器人之一示意性三維仰視圖；
圖6係圖5中所示之該機器人之一示意性截面側視圖；
圖7係該驅動子系統相對於該機器人主體成90°定向之圖5中所示之該機器人之一示意性三維仰視圖；
圖8係顯示可根據本發明實現之不同清潔模式之一高度示意性視圖；
圖9係根據本發明之一船身清潔機器人之一示意性仰視圖；
圖10係根據本發明之一機器人轉向機構之一實例之一示意性部分視圖；
圖11係更詳細顯示圖10中所示的該轉向機構之另一高度示意性視圖；
圖12係可用於根據本發明之通信及導航之一音調源之一高度示意性視圖；
圖13係顯示用於連接根據本發明之一船身用機器人且用於通信及導航兩者之一音調接收器之一實例之一高度示意性側視圖；
圖14係顯示說明用於本發明中之一聲響定位系統之一實例之若干不同聲響信號之一示意性視圖；及
圖15A至圖15B係在本發明之另一實施例中有用之一導航探測器之高度示意性側視圖。
10．．．機器人
12．．．機器人主體
14b．．．渦輪進口孔
16a．．．清潔刷
16b．．．清潔刷
18．．．外流孔
20．．．水流
30．．．水輪葉
32．．．壓力中心

Claims (26)

  1. 一種船身機器人，其包括：一渦輪子系統，其可藉由流過該船身之流體致動；一驅動子系統，其用於繞該船身操縱該機器人；一調整子系統，其用於該渦輪子系統或該驅動子系統；及一控制器，其係經組態以操作該調整子系統以調整該渦輪子系統相對於該驅動子系統之位置直到流過該船身之流體導致流體相對於該渦輪子系統之一最佳流動，其中當一船在運行中該機器人係被採用於該船上之水下用途。
  2. 如請求項1之船身機器人，其中該調整子系統包含一可旋轉轉台且該驅動子系統係安裝於該轉台上。
  3. 如請求項2之船身機器人，其中該調整子系統進一步包含用於旋轉該轉台之一馬達。
  4. 如請求項3之船身機器人，其中該馬達係藉由該控制器而控制。
  5. 如請求項3之船身機器人，其中該轉台包含一周邊齒輪且該馬達係連接至驅動該周邊齒輪之一蝸輪。
  6. 如請求項1之船身機器人，其進一步包含經組態以監測該渦輪子系統之輸出的一感測器子系統。
  7. 如請求項6之船身機器人，其中該控制器係回應於該感測器子系統且係經組態以回應於該感測器子系統之該監測輸出而控制該調整子系統。
  8. 如請求項7之船身機器人，其中該感測器子系統包含用於監測該渦輪子系統之輸出之構件。
  9. 如請求項8之船身機器人，其中該渦輪子系統包含兩個隔開渦輪，各者驅動一發電機；且用於監測該渦輪子系統之輸出之構件包含監測各發電機之電壓輸出之感測器及回應於該等感測器之一比較器。
  10. 如請求項7之船身機器人，其進一步包含一可旋轉輪葉及回應於該輪葉之運動的一感測器，且其中該控制器係回應於該感測器。
  11. 如請求項1之船身機器人，其中該驅動子系統包含繞隔開滾輪之至少一環磁帶。
  12. 如請求項1之船身機器人，其進一步包含至少一清潔裝置。
  13. 如請求項12之船身機器人，其中該清潔裝置包含至少一清潔刷。
  14. 如請求項12之船身機器人，其進一步包含可藉由該渦輪子系統驅動之一發電機。
  15. 如請求項14之船身機器人，其進一步包含用於該驅動子系統之一馬達及用於可藉由該發電機充電的該馬達之一電源。
  16. 如請求項14之船身機器人，其進一步包含用於該至少一清潔裝置之一馬達及用於可藉由該發電機充電的該馬達之一電源。
  17. 一種船身清潔機器人，其包括： 一機器人主體；至少一清潔刷，其可相對於該機器人主體旋轉；至少一渦輪，其附接至該機器人主體用於操作該至少一清潔刷；一轉台，其相對於該機器人主體旋轉；一驅動履帶，其安裝至該轉台用於繞該船身操縱該機器人；一致動器，其用於調整該轉台相對於該機器人主體之位置；一感測器子系統，其用於測量該至少一渦輪之一輸出；及一回應於該感測器子系統之控制器，其經組態以控制該致動器以調整該轉台之位置直到該渦輪之輸出係最佳化。
  18. 如請求項17之船身清潔機器人，其中該感測器子系統係經組態以測量該渦輪之每分鐘轉數。
  19. 如請求項17之船身清潔機器人，其中該至少一渦輪包含一發電機且該感測器子系統係經組態以測量該發電機之輸出。
  20. 如請求項17之船身清潔機器人，其中該致動器包含該轉台上之一周邊齒輪及驅動與該周邊齒輪嚙合之一蝸輪的一馬達。
  21. 如請求項17之船身清潔機器人，其中存在兩個隔開渦輪，各者驅動一發電機，且該感測器子系統包含監測各 發電機之電壓輸出之感測器及回應於該等感測器之一比較器。
  22. 如請求項21之船身清潔機器人，其進一步包含一可旋轉輪葉及回應於該輪葉之運動的一感測器，其中該控制器係回應於該感測器。
  23. 一種船身機器人，其包括：一驅動子系統，其用於繞該船身操縱該機器人；一渦輪子系統，其回應於流過該船身之流體且操作該驅動子系統；且該驅動子系統及該渦輪子系統係可互相相對移動以保持該渦輪子系統與流過該船身之該流體對準，其中當一船在運行中該機器人係被採用於該船上之水下用途。
  24. 如請求項23之船身機器人，其中該驅動子系統係與一可移動轉台關聯。
  25. 如請求項23之船身機器人，其進一步包含經組態以偵測該流動流體相對於該機器人之方向的一感測器。
  26. 如請求項25之船身機器人，其中該感測器包含一輪葉，其可相對於該機器人旋轉且具有經組態以對準該輪葉與該流動流體之方向的一壓力中心。
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