ヒンジ付ビークルシャーシ

関連出願の相互参照 本願は、参照によってその全体が本明細書に記載されているかのように組み込まれる2013年11月30日出願の米国仮特許出願番号第61/910,323号に基づくとともにその優先権を主張するものである。

技術分野 本発明は、ビークル、特にロボット検査ビークルに関するものである。

従来、工場設備、船、水中プラットフォーム、パイプライン、および貯蔵タンクなどの様々な構造の検査に使用される、異なる検査ビークル設計がある。構造の検査に適切な検査ビークルが利用できない場合、代替として、人がこれらの構造を検査するためにアクセスできるような足場が建設されたが、費用がかかり、検査員の物理的な安全性において危険が伴う。従来の検査ビークルは、このような表面を効果的に検査するために必要な制御が欠如していた。ビークルへの伝達力の制御および提供のための異なる方法があるが、多くのこれらシステムは、重力依存移送として設計されており、目標は、重力を克服するか、または簡単に利用することである。

本発明は、多方面への制御を可能にしながらビークル移動への重力の影響を最小化することができる、非重力依存動作でのビークルの移動を提供する解決策を提供するものである。同時に、本発明は、パイプ、および船などの多様な曲面を効果的に案内することができるが、これは、本発明の1つの考えられる使用方法である。

本発明の態様によると、ロボットビークルシャーシが設けられる。ビークルシャーシは、第1シャーシ部分と、第2シャーシ部分と、第1および第2シャーシ部分が互いに対して少なくとも第1方向に回転可能となるように第1および第2シャーシ部分を接続するヒンジ接合部とを含む。ビークルは、第1および第2シャーシ部分の一方に取り付けられた駆動車輪と、第1および第2シャーシ部分の他方に取り付けられた全方向車輪とを含む。全方向車輪は、駆動車輪に対して直交する角度で取り付けられる。ビークルは、少なくとも駆動車輪または駆動車輪が取り付けられたシャーシ部分に接続される少なくとも第1磁石と、少なくとも全方向車輪または全方向車輪が取り付けられたシャーシ部分に接続される少なくとも第2磁石とを含む。少なくとも第1および第2磁石は、第1シャーシ部分および表面ならびに第2シャーシ部分および表面それぞれの間に引力を維持し、この表面は、強磁性である。ビークルのヒンジ接合部は、ビークルが横切る表面の曲率に応じて回転する。

さらなる態様によると、ロボットビークルシャーシは、第1および第2シャーシ部分の間に延在するバネ部材をさらに備え、バネ部材は、第1および第2シャーシ部分の間の回転が0度である通常位置に第1および第2シャーシ部分を付勢する力を提供する。

さらなる態様によると、第1および第2シャーシ部分は、駆動車輪および全方向車輪を個別に駆動するための個別の電源およびモーターを含む。

さらなる態様によると、全方向車輪は、第1および第2組のローラーを含み、ローラーは、表面との少なくとも2つの接触点を維持する。

さらなる態様によると、第1および第2組のローラーは、第1および第2ハブによってそれぞれ支持され、第1および第2ハブは、互いに対して自由に回転するよう構成される。

さらなる態様によると、駆動車輪は、第1および第2駆動ハブを含み、第1および第2駆動ハブは、互いに対して自由に選択的に回転するよう構成される。

さらなる態様によると、駆動車輪の両側が1つの点で表面に接触するように、駆動ハブの接触面が湾曲している。

さらなる態様によると、駆動ハブの接点は、荒い質感を有する。

さらなる態様によると、駆動ハブの接点は、ギザギザである。

さらなる態様によると、駆動ハブの接点は、コーティングされている。

さらなる態様によると、駆動ハブの接点は、ゴムコーティングされている。

さらなる態様によると、駆動ハブの接点は、ポリウレタンコーティングされている。

さらなる態様によると、1つの電源が第1および第2シャーシ部分および駆動車輪および全方向車輪を駆動するモーターに電力を提供する。

ヒンジで連結されたシャーシを有するビークルを示す。

ビークルの追加的な機構を示す。

曲面上のヒンジで連結されたシャーシを有するビークルを示す。

曲面上のヒンジで連結されたシャーシを有するビークルの概略を示す。

平面上のヒンジで連結されたシャーシを有するビークルの概略を示す。

図1を参照すると、本発明の実施形態によるロボットビークル810が示されている。ロボットビークル810は、第1シャーシ部分812および第2シャーシ部分814を含む。駆動車輪816が第1シャーシ部分812に接続され、かつ全方向車輪818が第2シャーシ部分814に接続されている。各シャーシ部分は、制御モジュール813,815を含むことができる。各制御モジュールは、モーターと、機械的な力をモーターから車輪へ伝える駆動アセンブリと、電源(例えばバッテリー)と、感知されたデータの処理、記憶された命令の処理、および/または遠隔のコンピュータ/作業者から受信した制御命令/信号の処理によってビークルの動作を制御することができるコントローラとを含むことができる。制御モジュール813,815はまた、柔軟なケーブルによって接続することができ、その結果電力および制御命令は、2つのモジュール間で共有することができる。

第1および第2シャーシ部分は、2つのシャーシ部分間に自由度を与えるヒンジ820などの接続部を介して共に接続される。ヒンジ820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が可能である。2つのシャーシ部分間に自由度を与える他のタイプの構造を使用することができる。例えば、柔軟な材料(例えば柔軟なプラスチック)を2つのシャーシ部分の間に自由度を与えながら2つのシャーシ部分を共に接続するために使用することができる。ヒンジ820は、第1および第2シャーシ部分の間の動きに自由度を与える。特に、シャーシ部分812,814は、ヒンジ820回りに矢印Aによって示されるように互いに対してある程度回転可能である。以下に詳細に述べるように、第1および第2シャーシ部分812,814の間のある程度の回転は、駆動車輪816および全方向車輪818が曲面に垂直に接触したまま、ビークル810が曲面を通過するような動きの柔軟性を提供する。ヒンジはまた、接続部におけるいくらかのあそびを有することができ、限られた程度の左右の動きが可能となる。あそびは、ヒンジの接合部間の遊嵌、または使用される材料(例えばいくらかのねじれを許容するプラスチック)によるものとすることができる。あそびにより、シャーシ部分がわずかに左右に移動する、および/またはねじることができる。このあそびにより、ビークルがパイプの周囲のらせんパターンを進む場合など、2つのシャーシ部分の間にねじり運動を引き起こすような特定の軌跡に沿って移動する場合にロボットの機能を改善することができる。

図2を参照すると、ヒンジで連結されたシャーシを図示しない簡略化した図が駆動車輪816および全方向車輪818の向きを示している。矢印Dで示されるロボットのビークルの好ましい進行方向において、ビークルを前方に進めるモーターに応じて矢印R1によって示される方向にロボットのビークル810の駆動車輪816がその軸回りに回転する。図2に示すように、全方向車輪818の回転軸は、名目上駆動車輪816と垂直に(車輪が直交平面にある)配向される。全方向車輪818は、全方向車輪818の周辺に配置される複数のローラー822を含む。ローラー822は、矢印R2によって示されるように駆動車輪816と同じ方向に回転するよう(すなわちR1は、R2と同じ方向である)、(例えばピンまたは車軸を介して)全方向車輪818に取り付けられる。したがって、駆動車輪816が駆動される場合、全方向車輪818は、駆動されないフォロア車輪として働くことができる。駆動車輪816が駆動される場合に、ローラー822は受動的に回転し、それにより、矢印Dによって示される駆動される方向にビークルが進むことができ、少なくともビークル810が水準面に沿って移動する場合に、ローラーは、受動全方向車輪818の摩擦を低減する目的を果たす。

駆動車輪816は、1つのハブまたはヨークを有することができるか、または2つのハブまたはヨーク(「駆動ハブ」)を有することができる。2つの駆動ハブは、共に回転するように構成することができか、または互いに対して回転するように構成することができる。駆動車輪の駆動ハブの1つを自由に回転させることは、所定の場所で枢動する場合に有用である。このような構成により、駆動車輪の中心ではない1つの点回りに回転することが可能となる。この構成はまた、駆動車輪が回転により摺動する際に表面を損傷することを防止することができる。駆動車輪はまた、曲率に関わらず駆動車輪の両側が1つの点で表面に接触するように、湾曲した(および/または荒い、またはコーティングされた)接点(各ハブの縁)を有する。一例として、縁は、荒い質感を提供するためにギザギザにすることができる。別の例として、縁は、ゴムまたはポリウレタンでコーティングすることができる。このような構成は、引張力および摩擦の一貫性を改善することができるとともに、シャーシの性能も改善することができ、枢動する場合のステアリング車輪の電力消費を低減することができる。駆動車輪は、強磁性の表面への付着に必要な磁石を含むことができる。

全方向車輪は、図2に示すように、車輪の外周に設けられ、全方向車輪の両側に配置された2組のローラー822を含むことができる。全方向車輪818は、2つのハブまたはヨークを有することができ、1組のローラー822が各ハブに設けられる。2つのハブは、共に回転することができるか、または2つのハブは、互いに対して回転することができる。2組のローラーを含む全方向車輪により、ビークルが操縦される際に、全方向車輪が表面と垂直のままになることができる。この構造配置により、ビークルを安定性が向上した完全に定義された構造とすることができ、車輪が進む際に引張力およびけん引力を増加させる。2組のローラーを使用することにより、全方向車輪は、表面との少なくとも2つの接点を有する。全方向車輪が駆動車輪に直交して取り付けられるため、各接点および駆動車輪の間の距離が異なる。ステアリング車輪はまた表面に対して垂直なステアリングを維持するためにボールキャスターを含むことができる。強磁性の表面への付着が必要な場合に、全方向車輪は、磁石を含むことができる。

全方向車輪818は、ロボットビークル810を制御するためにステアリング、または回転を提供する。ビークル810は、全方向車輪およびモーターの間の従来のリンク機構を用いることにより、上述のモーターまたは第2モーター(どちらも個別に示されていない)を用いて全方向車輪818を駆動して操舵することができる。全方向車輪は、矢印R3によって示される方向に回転する。全方向車輪の回転により、矢印Sによって示される方向にビークルを旋回、または操舵する。全方向車輪818の回転を制御することにより、ビークル810の操舵が可能となる。ヒンジ820が、全方向車輪がS方向に駆動される場合に最低限の量を有するように構成されることにより、ビークルが自身を折り畳むことなくビークルは方向Sに回転することができ、かつヒンジ820を介した駆動車輪へ伝えられる動きの結果として、全方向車輪818のS方向の移動が駆動車輪816の再配向に関連付けることができる。

したがって、全方向車輪818が受動的な、小さい抵抗のフォロア車輪、またはビークルのための能動的なステアリング機構のいずれかとして機能しながら、ビークルの前方および後方への移動を提供するように駆動車輪816を制御することができる。ビークル810の異なるタイプの操舵をもたらすために、車輪816,818は、個別に、または同時に作動、および駆動される。

ビークルの車輪のこの構成は、比較的小さい占有面積を維持しながら優れた可動性および安定性を提供するものである。これにより、小さい領域にロボットが適合することができ、かつ4つの車輪付きビークルなどの従来の装置では不可能ではないが達成することが難しい操縦性を有することができる。例えば、記載された構成を有するビークルは、直径が8インチから完全に平らな表面の範囲の表面において有効となるように構成される。駆動車輪816は、ビークルに対して安定性を提供する。特に、駆動車輪は、車輪およびビークル810が移動することができる強磁性の表面の間に引張力を作る強い磁石を含むことができ、この構造的な配置は、ビークルを転倒しにくくする。さらに、駆動車輪は、比較的幅広く、平らな構成を有することができ、これは、さらにビークルに対して安定性を提供する。

図3を参照すると、一例として鋼鉄パイプとすることができる湾曲した強磁性の表面1を横切るビークル810が示されている。駆動車輪816および全方向車輪818は、それぞれ磁石を含むことができる。例えば、磁石は、これら各車輪のハブに含まれることができ、または二重全方向車輪(図3に示すような)である場合には、2つのハブの間に含まれることができる。駆動車輪および全方向車輪をそれぞれのシャーシ部分に連結することにより、各シャーシ部分は、(車輪の磁石を介して)強磁性の誘導性材料面(例えば鋼鉄パイプなどの磁場の存在下で引力を発生する材料)に引きつけられる。あるいは、または追加的に、シャーシ部分自体が、各シャーシ部分および強磁性の表面の間に引力を提供する磁石を含むことが可能である。このように、ビークルが湾曲した、または平らではない表面を横断する場合、各部分は、表面に磁気的に引きつけられる。その間、ヒンジ820は、シャーシ部分が互いに対して回転することを可能にする。この構成によって、駆動車輪816および全方向車輪18は、ビークル810が進む表面との接触および直交性を維持する。バネ824がまた2つのシャーシ部分812,814に延在するよう接続され、2つのシャーシ部分の回転が約0°の状態で同じ平面に2つの車輪が位置するような位置に部分を戻すよう補助をする付勢力を提供する。

図4Aおよび図4Bを参照すると、曲面上および平らな平面上のロボットビークルの概略図がそれぞれ示されている。図4Aに示すように、シャーシ部分は、ヒンジ820回りに回転し、それにより、車輪は、ビークルが進む曲面2との接触を維持する。したがって、シャーシの残り部分が接触することを防ぎながらステアリング車輪が曲率に対して調整することができるように、ヒンジが配置されている。ヒンジ820無しでは、シャーシは、直線形状のままであり、車輪の1つが曲面との接触を維持することができないか、曲面との部分的な接触のみとなる(例えば、車輪の縁のみが接触を維持するなど)。1つまたは2つの車輪が進行表面との接触を維持することができないことは、重大な結果をもたらす場合がある。第1に、周辺縁などの車輪の部品が表面に接触し、それにより、ビークルが表面を進み続けると部品に対する抗力および磨耗を生じさせる場合がある。第2に、接触不良は、シャーシの磁石および表面の間の引力を著しく低下させる場合がある。これは、ビークルが垂直または逆さの表面を進む場合に、表面との磁気作用を維持することができず、実際に表面から離れてしまうという危機的状況を引き起こしかねない。ビークルが離れてしまうと、落下によりビークルの損傷をもたらし、エリア内の作業者に危険を及ぼし、および/またはビークルがスタックするというさらなる課題を提示する。さらに、ヒンジおよびシャーシは、ビークルの質量中心を低く維持するよう構成することができる。

図4Bに示すように、ビークル810は、平らな表面3に配置される。ヒンジ820は、回転停止部826および828を含むことができる。これらは、例えば各第1および第2シャーシ部分上の嵌合面とすることができる。回転停止部は、ビークルが平らな表面にある場合などにヒンジ820回りの不所望の回転を防ぐように、または設定範囲に回転を制限するように配置することができる。例えば、ヒンジは、平らな表面にある場合に、ヒンジ接合部が表面に引っ張られるようにビークルが折り畳まれることを防ぐことができる。停止部はまた、上下両方の方向における限られた量の回転を許容するよう離間させることができる。したがって、ビークルは、凹状および凸状表面の両方に適合するようにヒンジ回りに回転することができる。このように、ビークルは、ビークルの構造を変更することなく、パイプの外側(凸状表面)、タンクの内側(凹状表面)で使用することができる。自由度は、上下両方の方向の動きを許容することができ、両方の凸状表面(例えばパイプの外側)および凹状表面(タンク表面など)を横断するビークルの能力を増加させることができる。全方向車輪の幅および車輪および表面の間に引力を提供する磁石は、上下方向の不所望の動きを妨げるのに役立つ。その幅および磁石により(表面との2つの接点を提供することができる)全方向車輪は、進む表面に対して垂直になるように付勢される。したがって、全方向車輪自体は、ヒンジ回りのビークルの過剰回転に対する抵抗力を提供する。

さらに、ヒンジは、他の限られた自由度を有することができ、これは、いくらかのあそびをヒンジ設計に組み込むことによって達成することができる。このあそびは、ビークルがパイプの周囲のらせんパターンを進む場合など、2つのシャーシ部分の間にねじれ運動を引き起こすような特定の軌跡に沿って移動する場合に、ロボットの機能を向上させることができる。

その磁気車輪およびヒンジで連結されたシャーシの向きを含むロボットビークル810は、可動性の点で著しい進歩を提供する。駆動車輪の直径よりわずかに大きい直径を有する半円(例えば鋼鉄パイプ)を進む際に完全な180°回転を達成することが可能である。ビークルは、検査機器の移動および実行に使用することができる。上記のシャーシ設計を有するビークルを建設中の高層ビルの鉄骨工事(または鋼鉄構造への磁気作用を提供することによる建設後の検査/整備)または大きい船の側面などの磁気誘導性材上で物/人を移動および輸送することに使用することができるという他の使用方法がある。

上述のように、ビークルは、任意の方向、任意の向きで移動する能力を有しながら、わずか6インチ、潜在的にはそれより小さい直径の鋼鉄面を横切ることができる。ビークルの動きは、縦方向移動、円周移動、らせん移動、固定点回りの360°枢動を含むことができる。ビークルは、少なくとも1/2インチまでの溶接またはパッチなどの障害物を乗り越えることができる。ビークルは、パイプ内側および多数構造の外側両方を含む鋼鉄面の下面でのこれらの操縦を実行することが可能である。ビークルはまた、凸状および凹状面両方でパイプにおけるL字または他の転回をそのうえ、枢動運動の結果として、ビークルは、通常の車輪には駆動が難しいタイプの障害物を乗り越えることができる。したがって、ビークルは、全方向車輪を主要な推進力付属品として一時的に使用することができる(「駆動車輪」は、主に所定の場所に残りながら)。直列構成によるビークルの設計により、ビークルは、非常に狭い表面(ビーム、非常に小さいパイプ等の側面など)を横切ることができる。このような表面の最小の幅は、磁気駆動車輪の2つのヨークの間の内側距離によって制限される。

本発明の様々な組み合わせ、代替及び修正が当業者によって考案され得ることが理解されるべきである。本発明は、添付の特許請求の範囲内に入るそのような全ての代替、修正および変形を包含することが意図される。

本発明は、特にその好ましい実施形態を参照して説明したが、形態および詳細における様々な変更が本発明の精神及び範囲から逸脱することなくなされ得ることは、当業者によって理解されるであろう。

810 ロボットビークル 812 第1シャーシ部分 813 制御モジュール 814 第2シャーシ部分 815 制御モジュール 816 駆動車輪 818 全方向車輪 820 ヒンジ 822 ローラー 824 バネ 826 回転停止部