(57)【要約】【課題】磁気接着力監視システム、磁気車輪付きロボットおよび関連する方法を提供する。【解決手段】磁気接着力監視システム（１３０）、磁気車輪付きロボット（１００）および関連する方法が開示される。システムは、強磁性構造（１０２）に磁気的に接着する磁気車輪（１１０）によって放出された全磁場（１４０）の漂遊磁場部分（１４４）を測定する磁場センサ（１５０）を含み、漂遊磁場部分（１４４）は、強磁性構造（１０２）によって方向を変えられた全磁場（１４０）の一部を含む。コントローラは、全磁場（１４０）の測定された漂遊磁場部分（１４４）の変化に基づいて、強磁性構造（１０２）に対する磁気車輪（１１０）の磁気接着力の変化を決定する。実施形態はまた、強磁性構造（１０２）と車輪（１１０）の接触点（１８２）の決定を行う。【選択図】図２
2020076758.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性構造（１０２）に磁気的に接着する磁気車輪（１１０）によって放出された全磁場（１４０）の漂遊磁場部分（１４４）を測定する磁場センサ（１５０、１５０Ａ、１５０Ｂ）であって、前記漂遊磁場部分（１４４）は、前記強磁性構造（１０２）によって方向を変えられた前記全磁場（１４０）の一部を含む磁場センサ（１５０、１５０Ａ、１５０Ｂ）と、
前記全磁場（１４０）の前記測定された漂遊磁場部分（１４４）の変化に基づいて、前記強磁性構造（１０２）に対する前記磁気車輪（１１０）の磁気接着力（Ｆ）の変化を決定するコントローラ（１７０）と
を備える、磁気接着力監視システム（１３０）。
【請求項２】
前記漂遊磁場部分（１４４）の増加は、前記磁気接着力（Ｆ）の減少を示す、請求項１に記載のシステム（１３０）。
【請求項３】
前記磁場センサ（１５０、１５０Ａ、１５０Ｂ）に向かう前記漂遊磁場部分（１４４）を減少させるために、前記磁場センサ（１５０、１５０Ａ、１５０Ｂ）の場所に近接するバイアス磁石（１６０）をさらに備える、請求項１に記載のシステム（１３０）。
【請求項４】
前記磁気車輪（１１０）は、磁気クローラロボット（１００）にある、請求項１に記載のシステム（１３０）。
【請求項５】
前記磁場センサ（１５０、１５０Ａ、１５０Ｂ）は、前記磁気車輪（１１０）の周りに位置決めされた複数の磁場センサ（１５０、１５０Ａ、１５０Ｂ）を含み、各磁場センサ（１５０、１５０Ａ、１５０Ｂ）は、前記強磁性構造（１０２）によって方向を変えられる前記磁気車輪（１１０）の周りの前記全磁場（１４０）の前記漂遊磁場部分（１４４）を測定する、請求項４に記載のシステム（１３０）。
【請求項６】
前記磁気クローラロボット（１００）は、複数の磁気車輪（１１０）を含み、各磁気車輪（１１０）は、その周囲に位置決めされた少なくとも１つの磁場センサ（１５０、１５０Ａ、１５０Ｂ）を含み、前記強磁性構造（１０２）によって方向を変えられる前記それぞれの磁気車輪（１１０）の周りの前記全磁場（１４０）の前記漂遊磁場部分（１４４）を測定する、請求項４に記載のシステム（１３０）。
【請求項７】
前記コントローラ（１７０）は、前記測定された漂遊磁場部分（１４４）に基づいて、前記磁気車輪（１１０）の経路の障害物を検出するようにさらに構成される、請求項４に記載のシステム（１３０）。
【請求項８】
前記コントローラ（１７０）は、前記磁気接着力（Ｆ）に基づいて、前記磁気車輪（１１０）上の汚染を検出するようにさらに構成される、請求項４に記載のシステム（１３０）。
【請求項９】
前記コントローラ（１７０）は、
前記磁気接着力（Ｆ）が前記磁気クローラロボット（１００）の安全動作レベル外にあるかどうかを決定し、
前記磁気接着力（Ｆ）が前記安全動作レベル外にあることに応じて、前記磁気クローラロボット（１００）のモータコントローラ（１１４）に対して危険信号を生成する
ようにさらに構成される、請求項４に記載のシステム（１３０）。
【請求項１０】
前記磁場センサ（１５０、１５０Ａ、１５０Ｂ）は、前記磁気車輪（１１０）の円周（１５４）の半径方向外向きにある、請求項４に記載のシステム（１３０）。
【請求項１１】
前記コントローラ（１７０）は、前記磁気接着力（Ｆ）に対する前記漂遊磁場部分（１４４）を表す経験的モデルに基づいて、前記強磁性構造（１０２）に対する前記磁気車輪（１１０）の前記磁気接着力（Ｆ）をさらに決定する、請求項４に記載のシステム（１３０）。
【請求項１２】
前記強磁性構造（１０２）は、強磁性体（１０６）と、その上のコーティング（１０８）とを含み、前記経験的モデルは、所与の強磁性体（１０６）の厚さに対するコーティング（１０８）の厚さの範囲にわたって、前記磁気接着力（Ｆ）に対する前記漂遊磁場部分（１４４）を測定することによって生成される、請求項１１に記載のシステム（１３０）。
【請求項１３】
前記磁場センサ（１５０、１５０Ａ、１５０Ｂ）は、前記磁気車輪（１１０）の軸線（Ａ）に対して第１の所定の角度（αＡ）の第１の磁場センサ（１５０Ａ）と、前記磁気車輪（１１０）の前記軸線（Ａ）に対して第２の所定の角度（αＢ）の第２の磁場センサ（１５０Ｂ）とを含み、前記第１の所定の角度（αＡ）は、前記第２の所定の角度（αＢ）とは異なり、
前記コントローラ（１７０）は、運動中の前記磁気車輪（１１０）の前記軸線（Ａ）に対する前記強磁性構造（１０２）と前記磁気車輪（１１０）の角度接触点（１８２）を、前記磁気車輪（１１０）と前記強磁性構造（１０２）の既知の接触点（１８０）と、運動中の前記第１および第２の磁場センサ（１５０Ａ、１５０Ｂ）によるそれぞれの第１および第２の漂遊磁場部分（１４４）の測定との関係を表す経験的モデルに基づいてさらに決定する、
請求項４に記載のシステム（１３０）。
【請求項１４】
複数の磁気車輪（１１０）を有するシャーシ（１０４）であって、各磁気車輪（１１０）は、前記シャーシ（１０４）を強磁性構造（１０２）に磁気的に接着するように構成されるシャーシ（１０４）と、
少なくとも１つの選択された磁気車輪（１１０）によって放出された全磁場（１４０）の漂遊磁場部分（１４４）を測定する磁場センサ（１５０、１５０Ａ、１５０Ｂ）であって、前記漂遊磁場部分（１４４）は、前記強磁性構造（１０２）によって方向を変えられた前記全磁場（１４０）の一部を含む磁場センサ（１５０、１５０Ａ、１５０Ｂ）と、
前記全磁場（１４０）の前記測定された漂遊磁場部分（１４４）の変化に基づいて、前記強磁性構造（１０２）に対する前記磁気車輪（１１０）の磁気接着力（Ｆ）の変化を決定するコントローラ（１７０）と
を備える、磁気クローラロボット（１００）。
【請求項１５】
前記複数の磁気車輪（１１０）の少なくとも１つを駆動するように構成される前記シャーシ（１０４）の少なくとも１つのモータ（１１２）を制御するモータコントローラ（１１４）をさらに備える、請求項１４に記載の磁気クローラロボット（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、磁気車輪付きロボットに関し、より具体的には、そのようなロボットの磁気接着力監視、および関連する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気車輪付きロボットは、強磁性構造の検査のために様々な産業設定で使用されている。これらのロボットは、強磁性構造への表面接着に磁気車輪を使用する。ロボットの移動中、目視検査、超音波検査、または誘導電流試験などの検査プロセスが実行される。磁気力の変動は、ロボットが強磁性構造との接触を失う可能性を高める場合がある。磁気力の変動は、非磁気コーティング、例えば、強磁性構造の厚さの変化；溶接または角部のような障害物；非強磁性材料、例えば、オーステナイト溶接もしくはガラス／エポキシ修復パッチの存在；および／または下にある強磁性材料、例えば、内部のより薄い領域の変化など、多数の要因によって引き起こされる可能性がある。
【０００３】
典型的には、磁気車輪付きロボットには、いかなる形式の接着力測定も提供されていない。しかしながら、磁気車輪付きロボットの利点の１つは、非水平構成、例えば、垂直に配向した構造で、逆さまに用いることができることである。この設定で使用するリスクの１つは、ロボットが下にある強磁性構造との磁気接着を失うと落下する可能性があることである。現在のロボットでこの状況に対処する１つのアプローチは、ロボットが落下した場合にロボットをキャッチするための安全ラインを常に用いることである。しかしながら、このアプローチでは、ロボットを使用する前に安全ラインを設置するための多大な労力と時間が必要となる。
【０００４】
別のアプローチは、非常に強力な磁石を常に使用して、大きな安全マージンを確保することである。しかしながら、強力な磁石は、典型的には、実際に必要とされるよりも多くの重量、サイズおよび複雑さを意味し、追加の安全性はほとんどないがコストがかかる。複雑さの観点から、より強力な磁石は、車輪の内部表面から間隔を空けた配置で構成する必要があり、これにより磁石と強磁性構造からの間隔が広がり、磁気力が本質的に減少する。
【０００５】
磁気力センサを使用して、磁気接着が減少または失われる可能性があるかどうかを決定する場合、それらは車輪の内側に位置して強磁性構造に入る磁場の測定を可能にする。このアプローチは、センサが車輪の内側に取り付けるのに十分なスペースを必要とするため、大型の車輪付きロボット（例えば、３０センチの車輪径）でのみ使用することができる。加えて、車輪の内側の複雑な電源と信号の接続により、小さな車輪での使用が禁止されている。また、車輪の内側の磁気力センサは、磁気接着を妨げるおよび／または減少させる可能性があるため、磁気車輪の性能が低下する。より大きな車輪が必要なため、そのようなロボットを用いることができる用途の範囲は限定されている。
【０００６】
別のアプローチは、ロボットの誘導電流測定システムを用いて、磁気接着力が減少する状況のために、強磁性構造のコーティング厚さおよび材料特性を測定する。測定システムは、表面上で密着してガイドする必要がある。そのようなシステムとロボットの統合は困難であり、通常、誘導電流測定システムが強磁性構造の検査システムの一部としても使用されている場合にのみ経済的である。
【発明の概要】
【０００７】
本開示の第１の態様は、強磁性構造に磁気的に接着する磁気車輪によって放出された全磁場の漂遊磁場部分を測定する磁場センサであって、漂遊磁場部分は、強磁性構造によって方向を変えられた全磁場の一部を含む磁場センサと、全磁場の測定された漂遊磁場部分の変化に基づいて、強磁性構造に対する磁気車輪の磁気接着力の変化を決定するコントローラとを備える、磁気接着力監視システムを提供する。
【０００８】
本開示の第２の態様は、複数の磁気車輪を有するシャーシであって、各磁気車輪は、シャーシを強磁性構造に磁気的に接着するように構成されるシャーシと、少なくとも１つの選択された磁気車輪によって放出された全磁場の漂遊磁場部分を測定する磁場センサであって、漂遊磁場部分は、強磁性構造によって方向を変えられた全磁場の一部を含む磁場センサと、全磁場の測定された漂遊磁場部分の変化に基づいて、強磁性構造に対する磁気車輪の磁気接着力の変化を決定するコントローラとを備える、磁気クローラロボットを提供する。
【０００９】
本開示の第３の態様は、磁気車輪が強磁性構造に磁気的に接着している間に磁気車輪によって放出された全磁場の漂遊磁場部分を測定することであって、漂遊磁場部分は、強磁性構造によって方向を変えられた全磁場の一部を含むことと、全磁場の測定された漂遊磁場部分の変化に基づいて、強磁性構造に対する磁気車輪の磁気接着力の変化を識別することとを含む、方法を提供する。
【００１０】
本開示の例示的な態様は、本明細書で説明される問題および／または検討されていない他の問題を解決するように設計される。
【００１１】
本開示のこれらおよび他の特徴は、本開示の様々な実施形態を示す添付の図面と併せて、本開示の様々な態様の以下の詳細な説明からより容易に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本開示の実施形態による、磁気力監視システムを含む例示的な磁気車輪付きロボットの側面図である。
【図２】本開示の実施形態による、監視システムの磁場センサを有する磁気車輪の正面断面図である。
【図３】本開示の実施形態による、監視システムの磁場センサを有する磁気車輪の斜視図である。
【図４】本開示の実施形態による、監視システムの磁場センサを有する磁気車輪の側面図である。
【図５】本開示の実施形態による、監視システムの２つの磁場センサを有する磁気車輪の概略側面図である。
【図６】本開示の実施形態による、磁気接着力に対する漂遊磁場部分の漂遊磁場部分測定の経験的モデルを示すグラフである。
【図７】本開示の実施形態による、強磁性体からのスタンドオフ距離に対する全磁場の漂遊磁場部分測定の変動を示すグラフである。
【図８】本開示の実施形態による、強磁性構造に対する車輪の既知の接触点における、磁気車輪の軸線上の固定基準半径への磁場センサの角度に対する漂遊磁場部分測定の経験的モデルを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本開示の図面は、原寸に比例していないことに留意されたい。図面は、本開示の典型的な態様だけを示すことを目的としており、したがって、本開示の範囲を限定するものとみなすべきではない。図面では、図面間で類似する符号は、類似する要素を表す。
【００１４】
最初の問題として、現在の開示を明確に説明するために、磁気車輪付きロボット内の関連する機械構成要素を参照して説明するときにある特定の専門用語を選択することが必要になる。これを行う場合、可能な限り、一般的な工業専門用語が、その受け入れられた意味と同じ意味で使用および利用される。別途記載のない限り、このような専門用語は、本出願の文脈および添付の特許請求の範囲と一致する広義の解釈を与えられるべきである。当業者であれば、多くの場合、特定の構成要素がいくつかの異なるまたは重複する用語を使用して参照されることがあることを理解するであろう。単一の部品であるとして本明細書に記載され得るものは、複数の構成要素からなるものとして別の文脈を含み、かつ別の文脈で参照されてもよい。あるいは、複数の構成要素を含むものとして本明細書に記載され得るものは、単一の部品として他の場所で参照されてもよい。
【００１５】
加えて、本明細書ではいくつかの記述上の用語を定常的に使用する場合があり、この点についてこれらの用語を定義することが有用であることが証明されるはずである。これらの用語およびその定義は、別途記載のない限り、以下の通りである。「前方」および「後方」という用語は、別途指定のない限り、方向を指し、「前方」はロボットの前方端部を指し、「後方」はロボットの後方端部を指す。多くの場合、例えば、磁気車輪の中心軸線に関して異なる半径方向位置にある部品を記述することが要求される。「半径方向」という用語は、軸線に垂直な移動または位置を指す。このような場合、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線に近接して位置する場合には、本明細書では、第１の構成要素は第２の構成要素の「半径方向内向き」または「内方」にあると述べることになる。一方、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線から遠くに位置する場合には、本明細書では、第１の構成要素は第２の構成要素の「半径方向外向き」または「外方」にあると述べることができる。「軸方向」という用語は、軸線に平行な移動または位置を指す。最後に、「円周方向」という用語は、軸線周りの移動または位置を指す。このような用語は、磁気車輪の中心軸線に関連して適用することができることが理解されよう。
【００１６】
ある要素または層が別の要素または層に対して「上に」、「係合される」、「係合解除される」、「接続される」、または「結合される」と言及される場合には、他の要素または層に対して直接上に、係合され、接続され、または結合されてもよいし、あるいは介在する要素または層が存在してもよい。逆に、ある要素が別の要素または層に対して「直接上に」、「直接係合される」、「直接接続される」、または「直接結合される」と言及される場合には、介在する要素または層は存在しなくてもよい。要素間の関係について説明するために使用される他の語も、同様に解釈されるべきである（例えば、「〜の間に」に対して「直接〜の間に」、「〜に隣接して」に対して「直接〜に隣接して」など）。本明細書で使用する場合、「および／または」という用語は、関連する列挙された項目のいずれかおよび１つまたは複数のすべての組合せを含む。
【００１７】
上述のように、本開示は、磁気接着力監視システム、磁気車輪付きロボットおよび関連する方法を提供する。システムは、強磁性構造に磁気的に接着する磁気車輪などの磁気車輪によって放出された全磁場の漂遊磁場部分を測定する磁場センサを含む。漂遊磁場部分は、強磁性構造によって引き付けられない、すなわち、車輪を強磁性構造に接着するために使用されない全磁場の一部を含む。コントローラは、全磁場の測定された漂遊磁場部分の変化に基づいて、強磁性構造に対する磁気車輪の磁気接着力の変化を決定する。２つの磁場センサを使用すると、車輪と強磁性構造の接触点を決定することが可能である。追加の特徴および利点について、本明細書で説明する。
【００１８】
図１は、磁気クローラロボットとも呼ばれる、例示的な磁気車輪付きロボット１００の側面図を示す。磁気車輪付きロボット１００（以下、「ロボット１００」）は、その上を移動する強磁性構造１０２への磁気接着を用いる任意の現在知られている、または今後開発されるロボットシステムを含むことができる。教示は磁気車輪に関連して説明されているが、本開示は他の動力構成、例えば、トラックに適用することができることが理解される。強磁性構造１０２は、限定はしないが、鉄（例えば、鋼）の純粋もしくは合金バージョン、またはニッケルもしくはコバルト（例えば、一部の超合金）、または一部の希土類金属などの強磁性材料で作られた任意の現在知られている、または今後開発される強磁性体１０６を含むことができる。加えて、例えば図１および図５に示されるいくつかの場合では、強磁性構造１０２はまた、コーティング１０８、すなわち、限定はしないが、塗料、ポリマー、遮熱コーティング、ステンレス鋼コーティングのような金属コーティング、ガラスコーティング、エポキシ、および／またはガラスファイバなどのような保護コーティングまたはシーリングコーティングなどの任意の非強磁性材料のコーティングを含んでもよい。コーティング１０８は、強磁性体１０６の表面１０９から、例えば、０．１〜８．０ミリメートル（ｍｍ）のスタンドオフ距離Ｄを形成する。図４に示される他の場合では、強磁性体１０６はコーティングを含まなくてもよく、すなわち、スタンドオフ距離Ｄはゼロである。いずれにしても、強磁性体１０６は、例えば、０．５ミリメートル（ｍｍ）〜１５０ｍｍの任意の厚さを有してもよい。
【００１９】
図１を続けると、ロボット１００は、他の構造が取り付けられるシャーシ１０４を含むことができる。単一体として示されているが、シャーシ１０４は、あるいは回転接合部を介して結合される多数の部品を含むことができることが理解される。磁気車輪１１０は、シャーシ１０４に回転可能に結合されてもよい。すなわち、シャーシ１０４は、複数の磁気車輪１１０を有することができ、各磁気車輪１１０は、シャーシを強磁性構造１０２に磁気的に接着するように構成される。ロボット１００は、支持のために必要な任意の数の磁気車輪１１０を含むことができ、非磁気車輪（図示せず）も含むことができる。ロボット１００は、磁気車輪１１０の少なくとも１つを駆動するように構成された少なくとも１つのモータ１１２（図２も参照）を含む。モータ１１２は、例えば、その車軸１１３（図２、図３および図８）への直接接続によって、またはギア、ベルト、チェーンなどのような任意の形態の動力伝達機構を使用することによって、任意の現在知られている、または今後開発される方法で磁気車輪１１０を駆動し得る。モータ１１２の動作、例えば、方向、速度、加速、停止、動力などを制御するために、モータコントローラ１１４を設けることができる。モータコントローラ１１４は、例えば、組み込みコンピュータ、マイクロコントローラ、Ａｒｄｕｉｎｏコントローラ、または任意の他の形態のコンピュータ制御など、磁気車輪１１０を駆動するように事前にプログラムおよび／または遠隔制御されるモータ１１２用の任意の現在知られている、または今後開発される制御システムを含むことができる。ロボット１００は、モータコントローラがなくてもよく（図３のように）、例えば、使い捨て空気動力、プッシュロッド、ケーブル／ロープなどを介してロボット１００に手動の動力を付与する。ロボット１００はまた、限定はしないが、誘導電流検査システム、超音波検査システム、表面プロファイリングシステム、ビデオ検査システム、Ｘ線システム、および／または磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システムなどの任意の現在知られている、または今後開発される検査システム１１６を含むことができる。各磁気車輪１１０は、車輪上に車輪ウェルを形成する保護フェンダ１２０を含み得る。
【００２０】
ロボット１００はまた、本開示の実施形態による磁気接着監視システム１３０を含むことができる。図２〜図４は、磁気接着監視システム１３０（以下、「監視システム１３０」）および磁気車輪１１０の様々な図を示している。図２は、磁気車輪１１０の正面断面図を示し、図３は、保護フェンダ１２０（図１）および他の構造が取り外された斜視図を示し、図４は、保護フェンダ１２０（図１）および他の構造が取り外された側面図を示す。
【００２１】
図２および図３に示すように、磁気車輪１１０は、車輪を集合的に形成する多数の円形ディスク１３２、１３４、１３６を含むことができる。外側ディスク１３２、１３４は、外側ディスク１３２、１３４の間に位置決めされた内部磁気ディスク１３６から（全）磁場１４０を放出し得る金属または金属合金を含むことができる。内部磁気ディスク１３６は、そこから磁場１４０を生成することが可能な、すなわち、示されているようにＮ極およびＳ極があるいは配置される任意の磁性材料を含んでもよい。理想的には、内部磁気ディスク１３６は、単独で、または他の内部磁気ディスクと組み合わせて強磁性構造１０２と磁気車輪１１０の磁気接着を維持するために、十分な磁束密度強度、すなわち、テスラまたはガウス（１Ｔ＝１０，００００Ｇ）を有するように構成される。特定の強磁性構造１０２の磁気接着力Ｆの強度は、用いられる磁石の強度、磁気車輪１１０の寸法、および強磁性構造１０２の表面１０９または磁気車輪１１０のコーティング１０８（後者は図示せず）によって形成されたスタンドオフ距離Ｄを含む多数の要因に応じて変化し得る。コーティング１０８によって形成されるスタンドオフ距離Ｄと、磁気車輪１１０によって生成された結果として生じる磁気接着力Ｆとの間には関係が存在する。スタンドオフ距離Ｄがわかっている場合、磁場センサ１５０による漂遊磁場部分１４４の測定された磁束に対する磁気接着力Ｆのモデルは、磁気接着力Ｆを決定するために使用され得る各スタンドオフ距離Ｄに対して定式化することができる。ロボット１００を強磁性構造１０２に保持するのに必要な全接着力は、例えば、強磁性構造１０２のタイプおよび厚さ、ロボット１００の重量、ロボット１００の予想される垂直配向、環境条件（例えば、降水、風、温度など）、ならびに／または強磁性構造１０２の表面状態に依存し得る。
【００２２】
磁気車輪１１０は、磁場１４０を放出して車輪、したがってロボット１００の残りの部分を強磁性構造１０２に磁気的に接着する。典型的には、強磁性構造１０２の近くにないとき、磁場１４０は、磁気車輪１１０の円周から断面対称に延びる。対照的に、図２に示すように、強磁性構造１０２に近接または接触するとき、全磁場１４０の接着磁場部分１４２は、強磁性構造１０２と相互作用して車輪を接着し、他方の、全磁場１４０の漂遊磁場部分１４４は、強磁性構造１０２によって引き付けられない。（図２では、明確にするために、磁気車輪１１０の上側断面から延びる磁場１４０は示されていない）。本明細書で使用する場合、「漂遊磁場部分」１４４は、強磁性構造１０２によって引き付けられない全磁場１４０の任意の部分を含むことができる。漂遊磁場部分は、近くの他の磁石からの他の磁場部分を含む場合もあり、そのような磁場部分は、実際の測定での外乱、バイアスまたはノイズの原因として扱われ、すなわち、それらは無視または除去され、磁場センサ１５０が取り付けられる磁気車輪１１０によって生成されたより支配的な磁場の測定を可能にする。漂遊磁場部分１４４は、典型的には、接着磁場部分１４２よりも強力さが著しく低い。
【００２３】
監視システム１３０は、例えば、（ガウスまたはテスラで測定される）磁束密度に関連する電気信号（電圧、電流または他のデジタル信号）を提示することによって、漂遊磁場部分１４４の磁束密度を測定するための１つまたは複数の磁場センサ１５０を含む。各磁場センサ１５０は、限定はしないが、ホール効果素子または導電コイルなどの磁束密度を測定するための任意の現在知られている、または今後開発されるセンサを含むことができる。上述のように、漂遊磁場部分１４４は、強磁性構造１０２によって引き付けられない全磁場１４０の一部を含む。ロボット１００が複数の磁気車輪１１０を含む場合、各磁気車輪１１０は、その周囲に位置決めされた少なくとも１つの磁場センサ１５０を含み（図１参照）、強磁性構造１０２によって方向を変えられるそれぞれの磁気車輪の周りの全磁場１４０の漂遊磁場部分１４４（図２）を測定することができる。このようにして、説明されるように、磁場センサ１５０を有する各磁気車輪１１０の磁気接着力Ｆ（例えば、ニュートンで）を監視することができる。
【００２４】
磁場センサ１５０は、例えば、損傷から保護するために、任意の現在知られている、または今後開発される様式でそれぞれの磁気車輪１１０に対して取り付けられてもよい。図１では、磁場センサ１５０は、保護フェンダ１２０の内側から磁気車輪１１０上に取り付けられ、図２〜図４では、磁場センサ１５０は、それぞれの車輪のシャーシ１０４の車軸支持部１５２に取り付けられ、図５では、磁場センサ１５０は、例えば、ブラケット（図示せず）などの何らかの他の様式でシャーシ１０４に取り付けられる。いずれにしても、各磁場センサ１５０は、磁気車輪１１０の円周１５４の半径方向外向きに位置決めされ、典型的には、例えば、距離（ｄ）で軸方向の中心にあり、均一な磁場測定を達成する。
【００２５】
監視システム１３０はまた、磁場センサ１５０による漂遊磁場部分１４４の測定に基づいて様々な機能を実行することができる監視コントローラ１７０を含むことができる。監視コントローラ１７０は、車輪１１０の非接触部分（図２の上側断面）から放出される磁場１４０とは別に漂遊磁場部分１４４を区別することができるように、すなわち、測定から全磁場１４０を除去して漂遊磁場部分１４４のみを識別することができるように、全磁場１４０に基づいて較正することが可能である。理想的には、磁場センサ１５０は、磁気車輪１１０に可能な限り近づいて精度を確保する。しかしながら、明確にするために図４にのみ示されるいくつかの場合では、磁場センサ１５０による漂遊磁場部分１４４の測定は、ある特定の磁場センサ１５０を圧倒または飽和し得る磁気車輪１１０からの全磁場１４０の強度を相殺するために、磁場センサ１５０の場所に近接するバイアス磁石１６０を必要とし得る。すなわち、バイアス磁石１６０は、相殺磁場を生成することにより漂遊磁場部分１４４を減少させることによって、全磁場１４０のバイアスを補償し得る。バイアス磁石１６０は、任意の現在知られている、または今後開発される永久磁石、または選択的に動作可能な電磁石を含むことができる。
【００２６】
一実施形態では、監視コントローラ１７０は、全磁場１４０の測定された漂遊磁場部分１４４の変化に基づいて、強磁性構造１０２に対する磁気車輪１１０の磁気接着力Ｆの変化を識別（または決定）する。磁気車輪１１０によって生成される全磁場１４０は、理想的には、大きさが実質的に一定である。しかしながら、接着磁場部分１４２と漂遊磁場部分１４４との間の全磁場１４０の分布は、接着磁場部分１４２と強磁性構造１０２の相互作用に応じて変化し得る。結果として、漂遊磁場部分１４４の変化は、接着磁場部分１４２の変化を示し、これはまた磁気接着力Ｆの変化を示す。漂遊磁場部分１４４の変化は、多種多様な方法で生成され得る。上述のように、漂遊磁場部分１４４および磁気接着力Ｆは、ロボット１００が進行している強磁性構造１０２が変化すると変化する可能性がある。例えば、強磁性構造１０２は、本体１０６の厚さ、コーティング１０８の厚さ、表面の滑らかさ、表面の汚染または材料の緩み、またはその任意の部分の亀裂の点で一貫性がない場合がある。さらに、強磁性構造１０２は、磁場部分１４２、１４４に影響を及ぼす接合部（例えば、溶接）または縁部または角部を有し得る。漂遊磁場部分１４４はまた、磁気車輪１１０の円周１５４の一部（すなわち、外側表面）に汚染物質が存在するときにも変化する可能性がある。
【００２７】
監視コントローラ１７０は、例えば、磁気接着力Ｆに対する漂遊磁場部分１４４を表す経験的モデルに基づいて、強磁性構造１０２に対する磁気車輪１１０の実際の磁気接着力Ｆを決定するように構成することができる。図６は、特定の強磁性体１０６の磁気接着力Ｆに対して、例えば、磁場センサ１５０によって測定されるボルト単位の漂遊磁場部分１４４のレベルを含む例示的な経験的モデルを示す。理解されるように、磁気車輪１１０が強磁性体１０６に近いほど、より多くの磁気接着力Ｆが存在し得る。経験的モデルは、コーティングなしの状況（図４）を含む、異なるスタンドオフ距離Ｄを形成する異なるコーティング１０８の厚さに対して形成することができる。いずれにしても、経験的モデル（図６参照）は、磁気接着力Ｆに対して、例えば、磁場センサ１５０によって測定されるボルト単位の漂遊磁場部分１４４のレベルを表す。図２および図５に最もよく示すように、コーティング１０８が強磁性構造１０２に存在する場合、経験的モデルは、異なるスタンドオフ距離Ｄ、例えば、１ｍｍ、３ｍｍ、６ｍｍなどを形成する異なるコーティング１０８の厚さに対して形成することができる。図７は、磁気接着力Ｆの強度（ニュートン）に対するスタンドオフ距離Ｄ（ミリメートル）の影響を示す例示的なグラフを示す。示すように、より薄いコーティング１０８を有する強磁性構造１０２により多くの全磁場１４０が引き付けられるため、磁気接着力Ｆは、厚さが薄くなるにつれて増加する。再度、図６は、所与の強磁性体１０６の厚さについて、磁気接着力Ｆに対する漂遊磁場部分１４４を測定することによって生成され得る経験的モデルを示す。経験的モデルを使用して、漂遊磁場部分１４４の測定に基づいて、実際の磁気接着力Ｆを決定することができる。本開示は経験的モデルを用いるものとして説明されてきたが、アルゴリズムモデルはまた、任意の現在知られている、または今後開発される数学的技法、例えば、機械学習、人工知能などを使用して用いられてもよいことが理解される。
【００２８】
平坦な強磁性構造１０２上でのロボット１００の移動中、強磁性構造１０２が本体１０６の厚さ、コーティング１０８の厚さなどで一貫していることを他の要因の中で仮定すると、各磁場部分１４２、１４４は、大きさが一定のままでなければならず、強磁性構造１０２との磁気車輪１１０の一定の磁気接着力Ｆを示している。対照的に、磁場センサ１５０によって測定されるような漂遊磁場部分１４４の変化は、接着磁場部分１４２の大きさの変化、したがって１つまたは複数の磁気車輪１１０の磁気接着力Ｆの変化を示す。最も注目すべきは、漂遊磁場部分１４４の増加は、磁気接着力Ｆの減少を示し、これはすなわち、より多くの全磁場１４０が接着磁場部分１４２として使用されず、漂遊磁場部分１４４として強磁性構造１０２によって引き付けられないためである。したがって、漂遊磁場部分１４４の増加は、磁気車輪１１０が十分な磁気接着力Ｆを失い、ロボット１００を強磁性構造１０２に接着した状態に維持することができない危険な状態を示し得る。この設定では、監視コントローラ１７０は、例えば、安全レベルを超える漂遊磁場部分１４４のレベルによって、または安全レベルを満たしていない磁気接着力Ｆ（経験的モデルから導出）によって示されるように、磁気接着力Ｆがロボット１００の安全動作レベル外にあるかどうかを決定することができる。磁気接着力Ｆが安全動作レベル外にあることに応じて、監視コントローラ１７０は、例えば、ロボット１００のモータコントローラ１１４に対して危険信号を生成することができる。一実施形態では、監視コントローラ１７０および／またはモータコントローラ１１４は、限定はしないが、ユーザが行動を起こすために警報を鳴らす、ロボット１００の移動を停止する、および／またはロボット１００の方向を自動的に逆転させるなど、ロボット１００と強磁性構造１０２の切断を回避するための様々な予防措置のいずれかを取ることができる。理解されるように、ロボット１００は、使用される場合、ロボット１００または従来の遠隔制御装置１７２（図１）で警報を伝達することができる。
【００２９】
監視コントローラ１７０はまた、例えば、特定の強磁性構造１０２について、磁気車輪１１０の経路の障害物を検出するように構成することができる。例えば、監視コントローラ１７０は、強磁性構造１０２の典型的な状態、例えば、汚染物質、接合部、角部などのない典型的な面積に対して較正することができる。較正に基づいて、危険な状態にならない漂遊磁場部分１４４の変化のレベルは、ある特定の状態に一致させることができる。例えば、漂遊磁場部分１４４の「通常の」動作条件は１８ミリテスラ（ｍＴ）を測定する場合があり、危険レベルは２１ｍＴである場合がある。これらの磁気の大きさの間で、漂遊磁場部分１４４の１〜２ｍＴの大きさ増加は、溶接のような接合部の存在を示し得、一方２〜３．５ｍＴの大きさの増加は、ロボット１００が強磁性構造１０２の縁部または他の障害物にあるか、またはそれに接近していることを示し得る。本明細書で使用する場合、「障害物」は、限定はしないが、非磁気コーティング１０８、例えば、強磁性構造の厚さの変化；溶接、縁部または角部のような構造変化；非強磁性材料、例えば、オーステナイト溶接もしくはガラス／エポキシ修復パッチの存在；および／または下にある強磁性体１０６の材料、例えば、内部のより薄い領域の変化など、強磁性構造１０２の公称条件からの任意の変化を含んでもよい。監視コントローラ１７０はまた、漂遊磁場部分１４４に基づいて、磁気車輪１１０の汚染を検出するように構成することができる。例えば、ロボット１００の動作中、０．２〜１ｍＴの大きさの増加は、磁気接着力を減少させる汚染、例えば、磁気車輪１１０上、すなわち、その円周１５４上の粒子、破片、緩んだ部品、塵、コーティング１０８の部分などの蓄積を示し得る。監視コントローラ１７０はまた、例えば、強磁性構造１０２が車輪上の汚染を示す予想される値を満たしていないこととは別に、漂遊磁場部分１４４の測定に基づいて、使用前または使用後にこの決定を行ってもよい。
【００３０】
図５を参照すると、磁場センサ１５０は、それぞれの磁気車輪１１０の周りに位置決めされた複数の磁場センサ１５０Ａ、１５０Ｂを含むことができ、各磁場センサ１５０Ａ、１５０Ｂは、強磁性構造１０２によって方向を変えられる磁気車輪１１０の周りの全磁場１４０の漂遊磁場部分１４４を測定する。監視システム１３０は、磁気車輪１１０の軸線Ａの固定基準半径に対して、すなわち、固定基準半径ＲＲから測定される第１の所定の角度αＡで第１の磁場センサ１５０Ａを含むことができる。固定基準半径ＲＲは、磁気車輪１１０の軸線Ａ上の固定円周方向点に、すなわち、軸線Ａの事前に設定された断面を通して設定される。一方、固定基準半径ＲＲは、軸線Ａから垂直に配向されて示されており、すなわち、磁気車輪１１０の既知の接触点１８０と正反対にあり、所望に応じてシフトすることができる。さらに、監視システム１３０は、磁気車輪１１０の軸線Ａの固定基準半径ＲＲに対して、すなわち、同じ固定基準半径ＲＲから測定される第２の所定の角度αＢで第２の磁場センサ１５０Ｂを含むことができる。図示されるように、第１および第２の磁場センサ１５０Ａ、１５０Ｂは、図８に示す経験的モデルの生成中と同じように、磁気車輪１１０の軸線Ａから同じ半径方向距離（ＲＤ）、すなわち、車輪の円周１５４から同じ距離（ｄ）を有する。しかしながら、較正が異なる半径方向距離の補償を可能にする場合、これは必要なくてもよい。第１の所定の角度αＡは、第２の所定の角度αＢとは異なり、漂遊磁場部分１４４を測定するときに各磁場センサ１５０Ａ、１５０Ｂに異なる遠近感を与える。図５では、磁場センサ１５０Ａは約＋４５°であり、磁場センサ１５０Ｂは約−３０°である。磁場センサ１５０Ａ、１５０Ｂは、任意の異なる角度位置に位置決めすることができる。図５に示す一例では、一方のセンサ１５０Ａは、磁気車輪１１０の円周方向前方部分（すなわち、水平表面上で磁気車輪の上部の片側）の上にあり、他方のセンサ１５０Ｂは、磁気車輪１１０の円周方向後方部分（すなわち、水平表面上で磁気車輪の上部の反対側）の上にある。２つの磁場センサ１５０が示されているが、各車輪に任意の数を用いることができる。
【００３１】
別の実施形態では、監視コントローラ１７０（図２〜図５）は、経験的モデルに基づいて、磁気車輪１１０の軸線Ａに対する強磁性構造１０２と磁気車輪１１０の角度接触点をさらに決定することができる。図４および図８を参照して、経験的モデルを生成する方法を説明する。図４に示すように、強磁性構造１０２と磁気車輪１１０の既知の接触点１８０を有する静止位置で強磁性構造１０２に磁気的に接着した磁気車輪１１０により、漂遊磁場部分１４４は、磁気車輪１１０の軸線Ａの周りの磁場センサ１５０の角度（α）の範囲にわたって磁場センサ１５０によって測定され得る。例えば、図４の半円弧によって示すように、磁場センサ１５０は、磁気車輪１１０の軸線Ａの周りで、漂遊磁場部分１４４（図１）が測定されるいくつかの角度場所α（例えば、１８０°を超える固定基準半径ＲＲに対して）まで移動することができる。磁場センサ１５０は、磁気車輪１１０の軸線Ａから一定の半径方向距離（ＲＤ）、すなわち、漂遊磁場部分の測定中に車輪の円周１５４から同じ距離（ｄ）を有してもよいし、または異なる半径方向距離を補償するために較正が行われてもよい。測定が行われる角度位置の数は、ユーザが選択可能である。図８は、漂遊磁場部分１４４の測定と磁気車輪１１０の軸線Ａに対する磁場センサ１５０の角度位置αとの関係を示す測定により生成された経験的モデルを示す。各漂遊磁場部分１４４の測定は、磁場センサ１５０の角度位置αに対して、例えば、−９０°から＋９０°までプロットされている。強磁性構造１０２からの磁気車輪１１０の各スタンドオフ距離Ｄについての様々なモデルが同様の様式で生成することができることが認識されるであろう。一例では、図８の経験的モデルは、図４の既知の接触点１８０の漂遊磁場部分１４４の測定を表し、接触点は、図８で角度０°として示される磁気車輪１１０の直径方向底部にある。既知の接触点場所１８０は、曲線のピークに示されており、接触点が固定基準半径ＲＲから１８０°にあることを示す。（角度基準αは、軸線Ａから垂直に延びる固定基準半径ＲＲと共に図に示されており、角度基準値は、異なる固定基準半径ＲＲに対して変化する可能性があることに留意されたい。）
【００３２】
再び図５および図８を参照すると、磁気的に接着している強磁性構造１０２上の磁気車輪１１０の移動中、監視コントローラ１７０は、磁気車輪１１０の軸線Ａ上の固定基準半径ＲＲに対して第１の所定の角度αＡで第１の磁場センサ１５０Ａにより全磁場１４０の漂遊磁場部分１４４を最初に測定し、次に磁気車輪１１０の軸線Ａ上の固定基準半径ＲＲに対して第２の所定の角度αＢで第２の磁場センサ１５０Ｂにより全磁場１４０の漂遊磁場部分１４４を測定することによって、磁気車輪１１０の（現在の）接触点１８２を決定することができる。図８は、図５の例の既知の接触点１８０と直径方向に整列している固定基準半径ＲＲからの角度に対してプロットされた磁場センサ１５０Ａおよび１５０Ｂによる例示的な漂遊磁場部分１４４の測定を示す。監視コントローラ１７０は、経験的モデルを使用して、第１および第２の漂遊磁場部分の測定を使用することによって強磁性構造１０２と磁気車輪１１０の現在の接触点１８２（図５の仮想線）を計算することができる。例えば、図８の曲線上にあるとき、１．０７Ｖのピーク値は、磁場センサ（モデルの作成に使用）が図４の既知の接触点１８０に直径方向に（例えば、垂直に真上に）整列し、固定基準半径ＲＲがグラフの０°点に整列するときの既知の接触点１８０を読み取る磁場センサ１５０を表す。この曲線から、現在の接触点１８２は、固定基準半径ＲＲに対する角度位置が既知の２つの磁場センサ１５０Ａ、１５０Ｂを使用して計算することができる。例えば、第１の磁場センサ１５０Ａが固定基準半径ＲＲ（図５）から＋４５°の角度であり、第２の磁場センサ１５０Ｂが固定基準半径ＲＲ（図５）から−３０°の角度であると仮定する。この場合、図８に示すように、センサ１５０Ｂは約１．０５Ｖを測定し、センサ１５０Ａは経験的モデル上の角度場所に応じて約１．０３Ｖを測定する必要がある。磁気車輪１１０が曲面に沿って新しい接触点１８２に移動する場合、一方の磁場センサ１５０Ａは約０．９３Ｖを測定し得、他方の磁場センサ１５０Ｂは再度１．０５Ｖを測定し、接触点１８２が第１の磁場センサ１５０Ａに非常に近くなっていることを示す。磁場測定に基づいて、監視コントローラ１７０は、固定基準半径ＲＲに対する角度シフトの範囲、および接触点１８２の新しい場所を決定することができる。傾斜した強磁性構造表面（仮想線）として図５に構造的に、かつ図８に経験的に示される例では、現在の接触点１８２は、固定基準半径ＲＲから約＋１３５°にある。代替の実施形態では、監視コントローラ１７０は、精度を向上させるために、例えば、３つの磁場センサ１５０からの３つ以上の漂遊磁場部分の測定を使用することができる。例えば、３つ以上の磁気センサの測定を使用すると、例えば、測定の不規則性を除去することによって、磁束密度変化の他の理由から接触点１８２の移動を区別することができるため、精度が向上する。
【００３３】
本開示の実施形態はまた、ロボット１００、すなわち、監視システム１３０を含む磁気クローラロボットを含むことができる。監視コントローラ１７０は、例えば、ハードウェアおよび／またはソフトウェアで、本明細書に記載の機能を実行することが可能な任意の現在知られている、または今後開発されるコンピュータ化された産業コントローラを含むことができる。モータコントローラ１１４および／または監視コントローラ１７０は、例えば、シャーシ１０４のロボット１００と結合する必要はないが、任意の遠隔地にあり、例えば、有線または無線を使用してロボット１００に動作可能に結合することができることが理解される。ロボット１００の任意の部分からのユーザ情報は、任意の現在知られている、または今後開発される様式、例えば、ディスプレイのような遠隔制御インターフェースでユーザに通信することができる。
【００３４】
監視コントローラ１７０とモータコントローラ１１４は別々の構成要素として示されているが、本開示の教示は、単一のコントローラで実施することができること、例えば、本開示を実施するためのソフトウェアを現在使用されているモータコントローラに組み込むことができることを強調する。
【００３５】
本開示の実施形態は、磁気接着力に基づいて、システム／車両のより良好な信頼性における技術的効果を提供し、偶発的な離脱の減少、および他の障害の回避をもたらす。
【００３６】
本明細書で使用される専門用語は、単に特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本開示を限定するものではない。本明細書で使用する場合、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」および「この（ｔｈｅ）」は、特に明示しない限り、複数形も含むことが意図される。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」および／または「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、本明細書で使用する場合、記載した特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素が存在することを明示するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらの組が存在することまたは追加することを除外しないことがさらに理解されよう。「任意の（ｏｐｔｉｏｎａｌ）」または「任意に（ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）」は、後で述べられる事象または状況が、起こる場合も起こらない場合もあることを意味し、この記述は、その事象が起こる事例と、起こらない事例とを含むことを意味する。
【００３７】
本明細書および特許請求の範囲を通してここで使用される、近似を表す文言は、関連する基本的機能に変化をもたらすことなく、差し支えない程度に変動できる任意の量的表現を修飾するために適用することができる。したがって、「およそ」、「約」および「実質的に」などの用語で修飾された値は、明記された厳密な値に限定されるものではない。少なくともいくつかの例では、近似を表す文言は、値を測定するための機器の精度に対応することができる。ここで、ならびに本明細書および特許請求の範囲を通して、範囲の限定は組合せおよび／または置き換えが可能であり、文脈および文言が特に指示しない限り、このような範囲は識別され、それに包含されるすべての部分範囲を含む。範囲の特定の値に適用される「約」は、両方の値に適用され、値を測定する機器の精度に特に依存しない限り、記載された値の＋／−１０％を示すことができる。
【００３８】
下記の特許請求の範囲におけるミーンズプラスファンクションまたはステッププラスファンクションの要素すべての、対応する構造、材料、動作および均等物は、具体的に請求された他の請求要素と組み合わせてその機能を遂行するための、一切の構造、材料または動作を包含することが意図されている。本開示の記述は、例示および説明の目的で提示されたもので、網羅的であることも、または本開示を開示した形態に限定することも意図していない。多くの修正および変形は、本開示の範囲および趣旨から逸脱することなく、当業者には明らかであろう。本開示の原理および実際の応用を最もよく説明し、想定される特定の使用に適するように様々な修正を伴う様々な実施形態の開示を他の当業者が理解できるようにするために、実施形態を選択し説明した。
【符号の説明】
【００３９】
１００  磁気車輪付きロボット、磁気クローラロボット
１０２  強磁性構造
１０４  シャーシ
１０６  強磁性体
１０８  非磁気コーティング
１０９  表面
１１０  磁気車輪
１１２  モータ
１１３  車軸
１１４  モータコントローラ
１１６  検査システム
１２０  保護フェンダ
１３０  磁気接着監視システム
１３２  円形ディスク、外側ディスク
１３４  円形ディスク、外側ディスク
１３６  円形ディスク、内部磁気ディスク
１４０  全磁場
１４２  接着磁場部分
１４４  漂遊磁場部分
１５０  磁場センサ
１５０Ａ  第１の磁場センサ
１５０Ｂ  第２の磁場センサ
１５２  車軸支持部
１５４  円周
１６０  バイアス磁石
１７０  監視コントローラ
１７２  遠隔制御装置
１８０  既知の接触点、既知の接触点場所
１８２  現在の接触点、新しい接触点
Ａ  軸線
Ｄ  スタンドオフ距離
ｄ  距離
Ｆ  磁気接着力
ＲＤ  半径方向距離
ＲＲ  固定基準半径
α  角度場所、角度位置
αＡ  第１の所定の角度
αＢ  第２の所定の角度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【外国語明細書】
2020076758000001.pdf
2020076758000002.pdf
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