(57)【要約】  この明細書は、流体で駆動されるねじ駆動の推進システムを用いて、導管又はダクトなどの細径の囲まれたスペースの中を実質的に無制限な距離にわたって走行するように作られた検査用のロボットについて述べている。このロボットは、パイプの長手軸に対して0°より大きく90°より小さい角度で傾斜した複数の車輪を有するドライブモジュールと、パイプの長手軸に平行に揃えられた複数の車輪を有するドライバーモジュールと、パワーモジュールとを有している。ドライバーモジュールはドライブモジュールへ連結されていて、ドライブモジュール及びドライバーモジュールがロボットの移行運動を提供できることが好ましい。パワーモジュールはドライブモジュール及びドライバーモジュールに動力を提供することが好ましい。
2005514213.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導管を横移動するための自律ロボットであって、
傾斜した複数の車輪を有するドライブモジュールと、
前記ドライブモジュールへ連結されたドライバーモジュールと、
パワーモジュールと、
を有し、前記傾斜した車輪はそれらの軸の各々が導管の長手軸に対して0°より大きく90°より小さい傾斜角度を形成するように配向されており、
前記ドライバーモジュールは導管の長手軸と平行に揃えられた複数の車輪を有し、
前記ドライブモジュール及びドライバーモジュールはロボットの移行運動を提供し、前記パワーモジュールは前記ドライブモジュール及びドライバーモジュールへ動力を提供するようになっているロボット。
【請求項２】
前記ドライブモジュールはフレキシブルカップリングを介して前記ドライバーモジュールへ連結されている請求項１記載のロボット。
【請求項３】
前記ドライブモジュールが
第１の端部セクションと、
第２の端部セクションと、
モータと、
を有し、前記モータは前記端部セクションの間に配置されている請求項１記載のロボット。
【請求項４】
前記第１の端部セクションを前記モータへ連結する回転シャフトがさらに設けられている請求項３記載のロボット。
【請求項５】
前記モータが前記パワーモジュールから動力を受け取るようになっている請求項４記載のロボット。
【請求項６】
前記モータは前記シャフトを回転させ、前記第１の端部セクションを前記第２の端部セクションに対して回転させるようになっている請求項５記載のロボット。
【請求項７】
前記傾斜した車輪は前記第１及び第２の端部セクションの少なくとも一方に配置されている請求項３記載のロボット。
【請求項８】
前記車輪の傾斜は可変である請求項７記載のロボット。
【請求項９】
前記端部セクションの各々は前記端部セクションの周囲で120°離間されて配置された三つの車輪を支えている請求項７記載のロボット。
【請求項１０】
前記車輪の少なくとも一つをそのそれぞれの前記端部セクションで支持するためのサスペンションシステムをさらに有している請求項１記載のロボット。
【請求項１１】
前記サスペンションシステムの少なくとも一つは、同じセクション上のすべての前記車輪が前記導管と接触する第１の位置と、前記車輪の少なくとも一つが後退している第２の位置との間で駆動可能である請求項１０記載のロボット。
【請求項１２】
前記サスペンションシステムはスプリング式カートリッジを有している請求項１１記載のロボット。
【請求項１３】
前記サスペンションシステムはカム駆動カートリッジを有している請求項１１記載のロボット。
【請求項１４】
前記車輪はボールベアリングハブを有するポリマのタイヤを有している請求項１記載のロボット。
【請求項１５】
ロボットを通り過ぎる流体の流れから駆動力を引き出すパドル又はセールを有している請求項１記載のロボット。
【請求項１６】
前記パドル又はセールによって発生される駆動力は使用前にはバッテリに蓄積される請求項１５記載のロボット。
【請求項１７】
前記車輪の一つに配置された少なくとも一つの光学式エンコーダをさらに有している請求項１記載のロボット。
【請求項１８】
前記光学式エンコーダが走行した距離を辿るようになっている請求項１７記載のロボット。
【請求項１９】
前記ドライバーモジュールが、
第１及び第２の端部セクションを有する本体と、
前記本体に支持された集積回路と、
前記本体に支持されたバッテリと、
を有している請求項１記載のロボット。
【請求項２０】
前記ドライバーモジュールの最大直径は前記ドライブモジュールの最大直径以下である請求項１９記載のロボット。
【請求項２１】
前記第２の端部セクションは傾斜していない複数の車輪を有している請求項１９記載のロボット。
【請求項２２】
前記集積回路が、
マスターコントロールユニットと、
メモリと、
通信インターフェースと、
複数の入力／出力コントロールと、
を有している請求項１９記載のロボット。
【請求項２３】
前記マスターコントロールユニットはオペレーティングシステムを実行するマイクロプロセッサである請求項２２記載のロボット。
【請求項２４】
前記メモリは長期間コンポーネント及び揮発性コンポーネントを有している請求項２３記載のロボット。
【請求項２５】
前記メモリがソフトウェア及びデータベースを有している請求項２４記載のロボット。
【請求項２６】
前記メモリは少なくとも一つのソフトウェアモジュールを有し、そのソフトウェアモジュールは、データベースマネージャと、マスターコントロールプログラムと、不具合検出及び解決モジュールと、ナビゲーションモジュールと、センサマネージメントモジュールと、駆動モータ制御モジュールと、ツール制御モジュールとを含むグループから選択されるものであり、前記オペレーティングシステムは前記ソフトウェアモジュールの少なくとも一つと通信する請求項２３記載のロボット。
【請求項２７】
前記メモリは移行の不具合を試験して前記ドライブセグメントの上に設けられた前記車輪を伸ばしたり引っ込めたりできる不具合検出及び解決モジュールを有している請求項２６記載のロボット。
【請求項２８】
ロボットは光学式エンコーダをさらに有し、前記ナビゲーションモジュールが前記光学式エンコーダによって提供されるデータを記録する請求項２６記載のロボット。
【請求項２９】
前記ナビゲーションモジュールは光学式エンコーダの情報に時間タグを付ける請求項２８記載のロボット。
【請求項３０】
前記センサマネージメントモジュールはリアルタイム検出情報処理を行う請求項２９記載のロボット。
【請求項３１】
前記センサマネージメントモジュールは検出情報を換算し、時間タグを付ける請求項３０記載のロボット。
【請求項３２】
前記通信インターフェースは遠隔地から情報を受信するとともに遠隔地へ情報を送信するようになっている請求項２２記載のロボット。
【請求項３３】
前記通信インターフェースは、光、リモートコントロール、空気パルス、流体パルス、音波、高周波又はそれらの組み合わせによって情報を送受信するようになっている請求項３２記載のロボット。
【請求項３４】
前記通信インターフェースはアンテナである請求項３２記載のロボット。
【請求項３５】
前記入力／出力コントロールは複数のセンサ、ツール、アクチュエータ又はそれらの組み合わせを有している請求項２２記載のロボット。
【請求項３６】
前記センサは、ホール効果センサ、超音波センサ、音響センサ、視覚及び光学式検査センサ、Ｘ線センサ、磁粒センサ、磁界センサ、電気及び渦電流センサ、ペネトラントセンサ、圧力センサ、化学センサ、漏れセンサ、マイクロ波センサ、圧力及び流量センサ、及び温度センサから成るグループから選択される請求項３５記載のロボット。
【請求項３７】
前記ツールは、修理ツール、サービス用ツール、硬度試験用ツール、サンプル採集ツールから成るグループから選択される請求項３５記載のロボット。
【請求項３８】
前記アクチュエータは、モータ制御アクチュエータ及びナビゲーションアクチュエータから成るグループから選択される請求項３５記載のロボット。
【請求項３９】
前記パワーモジュールは前記バッテリを充電する請求項１９記載のロボット。
【請求項４０】
前記パワーモジュールはパワーロープを有している請求項１記載のロボット。
【請求項４１】
前記パワーモジュールはバッテリを有している請求項１記載のロボット。
【請求項４２】
前記パワーモジュールはタービンシステムを有している請求項１記載のロボット。
【請求項４３】
前記タービンシステムが、
ファンと、
発電機と、
ファンから発電機へトルクを伝えるために、前記発電機とシャフトとの間に配置されたシャフトと、
を有している請求項４２記載のロボット。
【請求項４４】
前記タービンシステムは導管内の流体の流れによって駆動される請求項４２記載のロボット。
【請求項４５】
前記タービンシステムは圧縮空気又は不活性ガスによって駆動される請求項４２記載のロボット。
【請求項４６】
前記タービンシステムは導管の中を流れる流体の方向に関係なく動力を発生することができる請求項４２記載のロボット。
【請求項４７】
少なくとも一つの追加モジュールをさらに有している請求項１記載のロボット。
【請求項４８】
前記追加モジュールは、ペイロードモジュール、センサモジュール、パワー装置モジュール及びメモリモジュールから成るグループから選択される請求項４７記載のロボット。
【請求項４９】
ロボットは直径が6インチ以下である請求項１記載のロボット。
【請求項５０】
導管のパイプ内検査を行うためのロボットであって、
傾斜した複数の車輪を有するドライブモジュールと、
前記ドライブモジュールへ連結されたドライバーモジュールと、
パワーモジュールと、
パイプを検査するためのセンサと、
を有し、前記傾斜した車輪はそれらの軸の各々が導管の長手軸に対して0°より大きく90°より小さい傾斜角度を形成するように配向されており、
前記ドライバーモジュールは導管の長手軸と平行に揃えられた複数の車輪を有し、
前記ドライブモジュール及びドライバーモジュールはロボットの移行運動を提供し、前記パワーモジュールは前記ドライブモジュール及びドライバーモジュールへ動力を提供するようになっているロボット。
【請求項５１】
導管を横移動するための自律ロボットであって、
本体と、
前記導管中の流体の流れからエネルギを引き出し、そのエネルギを使用して本体を導管の内側に沿って前進させることができる駆動システムと、
前記本体に取り付けられた少なくとも一つのセンサと、
を有するロボット。
【請求項５２】
前記駆動システムは少なくとも一組の傾斜した車輪と、少なくとも一組の傾斜していない車輪とを有している請求項５１記載のロボット。
【請求項５３】
前記駆動システムが、ファンと、発電機と、前記発電機と前記ファンの間に配置されたシャフトとを有するパワーモジュールを有している請求項５１記載のロボット。
【請求項５４】
導管中で使用されるロボット装置であって、
少なくとも一つの移行モジュールと、
前記移行モジュールへ動力を提供して装置を推進するパワーモジュールと、
前記モジュールの一つに配置された集積回路と、
を有し、前記移行モジュールはその上に配置された車輪を有し、前記車輪の少なくとも一つは、前記集積回路によって前記移行モジュールへ送られる命令に応じて、伸ばされたり引っ込められたりされ、それによって、ロボット装置が活動モード及び受動モードで動作可能になっており、活動モードでは、前記少なくとも一つの車輪が導管と係合して前記パワーモジュールからの動力によって駆動されて装置を推進させ、受動モードでは、前記少なくとも一つの車輪が装置を推進させないようになっているロボット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般に、ロボット装置に関する。さらに詳しくは、この発明は、機械的に可能にされた螺旋状の動きを用いて、導管又はダクトなどの囲まれたスペースの中を走行するように作られたロボット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パイプクローラ(pipe crawlers)、パイプ検査ピッグ(pipe inspection pigs)及びそれと類似のビークルは、パイプシステム、貯蔵タンク及び処理容器の内側表面における損傷やひび割れの構造的特徴を検査するために広く使用されている。一般的に、そうした装置は、検査されるパイプシステムの中を走行する支持構造体によって支持されたテスト用プローブ、センサ又はカメラを有している。
【０００３】
遠隔検査装置の多くは6インチ又はそれ以上の内径を有するパイプ用に設計されてきた。しかし、コイル状スチールチューブなどのように、もっと小さい直径のパイプを検査するニーズは残っている。特に、非常に長い距離を走行することのできる細径検査装置に対するニーズがある。例えば、コイル状スチールチューブは32mm(1.25インチ)の直径で7,620m(25,000フィート)の長さ、又は90mm(3.5インチ)の直径で1,800m(6,000フィート)の長さで製造されることがしばしばある。所定長さのコイル状チューブは2フィート(0.6m)から20フィート(6m)の直径を有するリールに巻かれて貯蔵される。
【０００４】
小型化技術における今日の進歩によって、カメラやセンサは細径パイプの中に取り付けるのに十分に小さくなったけれども、長いパイプシステムの中で細径検査装置を活動させるのに適切な駆動力を有するようなクロール装置の設計にはほとんど進歩がみられない。例えば、小型電気モータはクローラの後ろの長いロープ(tether)を引っ張るのに十分な駆動力を提供することができない。同様に、小型空気圧シリンダは、尺取り虫の動きに必要とされるような押力をパイプ内壁(inner-walled pipe)に対して直接加える性能は有していない。また、必要とされる１マイル以上の距離(mile-plus distances)にわたって検査装置を推進することができる技術もない。
【０００５】
従来技術にはもっと広径のパイプ用の様々な検査装置がある。そうした装置の一つが、スリン(Sullins)外の米国特許第4,006,359号に開示されている。スリンらのクローラはパイプラインの中を走行するように作られた完全に自給式で、自己推進式で、自己駆動式のビークルであり、隣接するパイプセクションの間の周溶接など特定の箇所で停止し、例えば、Ｘ線を照射することによってその溶接を検査し、その後、次の検査箇所へと進む。スリンらのクローラは、広径のパイプラインの中で使用して短い距離を走行するには適しているが、以下の理由から、コイル状チューブの中での使用には相応しくない。まず、スリンらのクローラは、細径のパイプの中に入れるようには作られていないＸ線装置（例えば、Ｘ線管）を有している。第二に、Ｘ線装置は駆動に大きい動力を必要とするため、パワー源の寸法はＸ線装置に依存し、従って、非常に大きくなる。従って、Ｘ線装置に加えて、パワー源の寸法のために、クローラは細径のスペースの中を長い距離にわたって走行することができない。
【０００６】
別のそうした装置がペルリン(Pelrine)の米国特許第5,392,715号に開示されている。ペルリンはパイプの内側周囲をまわって走行するときでも容易には転覆しないパイプ内走行ロボットについて述べている。さらに別の装置がヘッジコックス(Hedgcoxe)外の米国特許第4,862,808号に開示されている。ヘッジコックス外は、モジュール旋回柔軟性(module pivot flexibility)を有しているロボット式パイプクローラ装置について述べている。この旋回柔軟性により、装置は完全に自律的にコーナをうまくこなすことができる。しかし、寸法や上述したようなこれらの従来の装置が及ぼすことのできる駆動力には限界がある。
【０００７】
特に、細径のパイプに対して必要な駆動力を提供することのできるパイプ検査装置に対するニーズがある。こうした装置は種々の大きさのパイプの中を通過する寸法を有している必要があり、パイプ中の曲がりに容易に対応できなければならない。それに加えて、パイプクローラは完全に自律的であって、検査装置を推進することのできる十分な駆動力を発生できなければならない。また、パイプクローラは前方及び後方に走行でき、加速、減速及び停止ができなければならない。
【０００８】
このように、求められているのは、今日利用することのできる技術の欠点を克服するロボット装置である。
【特許文献１】米国特許第4006359号明細書
【特許文献２】米国特許第5392715号明細書
【特許文献３】米国特許第4862808号明細書
【特許文献４】米国特許第5565633号明細書
【特許文献５】米国特許第4170902号明細書
【特許文献６】米国特許第4677865号明細書
【特許文献７】米国特許第6035786号明細書
【特許文献８】米国特許第6087830号明細書
【特許文献９】米国特許第5172639号明細書
【特許文献１０】米国特許第5551349号明細書
【特許文献１１】米国特許第5749397号明細書
【特許文献１２】米国特許第6019048号明細書
【特許文献１３】米国特許第6107795号明細書
【特許文献１４】米国特許第6243657号明細書
【発明の開示】
【０００９】
この発明は、機械的な推進システムを使用して導管又はダクトなどの囲まれたスペースの中を走行するように作られたロボット装置を提供することによって、従来の技術の欠点を克服している。
【００１０】
この発明の好ましい実施の形態においては、パイプ内検査用のロボットは、パイプの長手軸に対して0°より大きく90°より小さい角度で傾斜した複数の車輪を有するドライブモジュールと、パイプの長手軸に対して平行に揃えられた複数の車輪を有するドライバーモジュールと、パワーモジュールとを有している。ドライバーモジュールはドライブモジュールへ連結されており、ドライブモジュール及びドライバーモジュールがロボットの移行運動を提供できるようになっていることが好ましい。パワーモジュールはドライブモジュール及びドライバーモジュールに動力を提供することが好ましい。この発明の装置では、様々な動力源を使用することができる。特に好ましい動力源は、空気などの流体の流れによって装置に動力を付与して、パイプ又は導管の中を駆動させることのできるタービンシステムである。
【００１１】
この発明の装置は、自律モード及び受動モードで動作可能である。自律モードでは、導管の中の流体の流れから動力を引き出し、流体の流れと同一又は反対の方向へ流体の速度とは違う速度でそれ自身を推進することができる。また、受動モードでは、駆動機構が停止され、装置が流体の流れ自身によって運ばれる。
【００１２】
この発明の実施の形態をさらに詳しく説明するために、ここで添付図面を参照する。
【好ましい実施形態の詳細な説明】
【００１３】
この発明の実施の形態を十分に説明するために、ここでは全体を通じて長手軸を参照して説明する。長手軸はロボットが走行する導管又はパイプの対称軸と平行である。この発明の範囲は、この説明によってではなく、特許請求の範囲によってのみ制限されることを理解すべきである。
【００１４】
まず、図１及び図２を参照する。この発明はパイプを這うロボット(pipe-crawling robot)１０を提供している。ロボット１０は、一般に、少なくとも二つの独立したモジュール式の関節連結されたセグメント、すなわち、第１のセグメント２０及び第２のセグメント５０から構成されている。第１のセグメント２０はドライブモジュールとして特徴付けることができ、第２のセグメント５０はドライバーモジュールとして特徴付けることができる。第１のセグメント２０は第２のセグメント５０へフレキシブルカップリング７５によって連結されていることが好ましい。フレキシブルカップリング７５はロボット１０の長手軸のまわりに自由に曲がるが、長手軸のまわりに相対回転しないようになっている。以下で詳しく説明するように、第１のセグメント２０及び第２のセグメント５０を組み合わせることによって、ロボット１０の移行運動(locomotive motion)が提供される。
【００１５】
ここで図３を参照する。図には第１のセグメント２０がさらに詳しく描かれている。第１のセグメント２０は二つの端部セクション２２、２４と、端部セクション２２、２４の間に配置されたモータ５６とを有していることが好ましい。端部セクション２２、２４はセンサやツールなどのコンポーネント（図示されていない）を収容していてもよい。好ましい実施の形態においては、シャフト２６がモータ５６を端部セクション２４へ連結している。モータ５６はＤＣサーボモータなどの電気モータであることが好ましい。好ましい実施の形態においては、シャフト２６は端部セクション２２に係合しており、モータ５６へ動力が供給されると、モータ５６は端部セクション２２、２４を相対的に回転させる。
【００１６】
コンポーネントを収容することに加えて、端部セクション２２、２４の少なくとも一方は、複数の傾斜した車輪(pitched wheels)３０に対するプラットフォームとして機能する。車輪３０はそれぞれサスペンションシステム（図示されていない）によって支えられている。車輪３０はポリマ製のタイヤ３２を有していて、ボールベアリングハブ（図示されていない）を有していることが好ましい。傾斜した車輪３０は長手軸に対して0°より大きく90°より小さい角度で傾斜していて、第１のセグメント２０のまわりに少なくとも一つの螺旋状の列を形成している。車輪３０の傾斜は、ロボット１０が走行している導管の環境に応じて、それが許容可能な速度で走行するように調節される。例えば、導管内部の滑らかな領域では車輪３０の傾斜を減少させてロボット１０が速い速度で走行するようにすることが好ましい。また、導管内の荒れた領域では、車輪３０の傾斜を増大させてロボット１０がゆっくりとした速度で走行するようにされる。
【００１７】
傾斜に加えて、車輪３０の配置及び数も変えられる。好ましい実施の形態においては、端部セクション２２、２４の各々は相互に120°離間して配置された三つの車輪３０を有している。図３の実施の形態に示されているように、端部セクション２４の車輪３３は傾斜していない。
【００１８】
さらに図３を参照する。サスペンションシステムは、端部セクション２２、２４のリセス２３の中に取り付けられたスプリング式カートリッジ３８であることが好ましい。別の実施の形態においては、サスペンションシステムはカム駆動カートリッジ（図示されていない）である。カムは両面カム(double-sided cams)であることが好ましく、各車輪サポートへ取り付けられたフォロワへ作用する。カム駆動カートリッジを使用する利点は、カム駆動カートリッジによれば、スプリング式カートリッジに比べて、長い走行及び小さい摩擦力変動が可能になることである。
【００１９】
別の実施の形態においては、駆動車輪３０と組み合わせて、又はその代わりに、パドル又はセール（図示されていない）が使用される。パドル又はセールを用いるときには、ロボット１０を推進するのに空気又は液体が使用される。
【００２０】
ここで図４を参照する。図には、第２のセグメント５０のさらに詳しい説明が示されている。第２のセグメント５０は端部セクション５２、５４と、集積回路５８と、バッテリ５９とを有していることが好ましい。ロボット１０のコンポーネント間で情報及び／又は動力を送るためのワイヤ／ケーブルは内部にあることが好ましい。例えば、バッテリ５９はモータ５６へ電力を供給する（図１）。
【００２１】
端部セクション５２、５４は、センサ、ツールなど、他の様々なコンポーネントを収容していることが好ましい。端部セクション５４は傾斜していない複数の車輪３３及びそれらと協働するサスペンションシステムに対するプラットフォームとしても機能する。第１のセグメント２０上の車輪構造と違って、第２のセグメント５０上の車輪３３は長手軸と平行に揃えられていることが好ましい。また、ドライブセグメント２０以外の少なくとも一つのセグメント上の車輪３３は少なくとも一つの光学式エンコーダ３１を有していることが好ましい。光学式エンコーダ３１によって、ナビゲーションソフトウェアは車輪の回転と走行方向を辿って、ロボット１０が走行した距離を計算することができる。
【００２２】
好ましい実施の形態においては、傾斜した車輪３０の少なくとも一つを動的に係合及び解放することができる。解放は、ツールの外側からの信号に応じて、又は検出に応じて起きる。ドライブセグメント２０上の車輪３０が解放されると、導管内で装置を前進させることなく、端部セクション２２は自在に回転する。この配置においては、ロボット１０は導管内のガス又は液体の流れによって導管の中を推進される受動装置(passive device)になる。また、傾斜した車輪３３は解放することができるけれども、各セクションが導管内で自在に動けるようにするには、各車輪セクション上の少なくとも一つの車輪を解放する必要がある。
【００２３】
集積回路５８はマスターコントロールユニット６４と、メモリ６６と、通信インターフェース６８と、入力／出力（Ｉ／Ｏ）コントロール７０とを有していることが好ましい。好ましい実施の形態においては、マスターコントロールユニット６４はマイクロプロセッサ（図示されていない）である。メモリ６６は長期間メモリ(long-term memory)コンポーネント及び揮発性メモリ(volatile memory)コンポーネントを有している。さらに、メモリ６６にはソフトウェアとデータベースが配置されている。通信インターフェース６８は、光、リモートコントロール、空気パルス、音波又は高周波などを介して、遠隔地と情報の受信及び／又は送信を行うことが好ましい。好ましい実施の形態においては、通信インターフェース６８はアンテナ（図示されていない）である。
【００２４】
Ｉ／Ｏコントロール７０は、好ましくは、ホール効果センサ、超音波センサ、音響センサ、視覚及び光学式検査装置、Ｘ線センサ、磁粉センサ(magnetic particle sensors)、磁界センサ、電気及び渦電流センサ、ペネトラントセンサ(penetrant sensors)、圧力センサ、化学センサ、漏れセンサ、マイクロ波センサ、圧力及び流量センサ、温度センサなどのセンサ（図示されていない）を含む。Ｉ／Ｏコントロール７０は、修理及びサービス用のツール、硬度試験用ツール(hardness testing tools)、サンプル採集ツールなどのツール（図示されていない）も含んでいる。さらに、Ｉ／Ｏコントロール７０は、モータ制御及びナビゲーションのためのアクチュエータを含んでいることが好ましい。
【００２５】
集積回路５８においては、マスターコントロールユニット６４はメモリ６６と通信して、Ｉ／Ｏコントロール７０から情報にアクセスし、その情報をメモリ６６の中に蓄積する。いくつかの実施の形態においては、マスターコントロールユニット６４は通信インターフェース６８と通信して、Ｉ／Ｏコントロール７０から情報にアクセスし、その情報をメモリ６６の中に蓄積する。マスターコントロールユニット６４はＩ／Ｏコントロール７０へ情報の送信もできる。
【００２６】
ここで図５を参照する。図には、この発明の一つの実施の形態におけるソフトウェアアーキテクチャのブロック図１００が示されている。ブロック図１００は、リアルタイムオペレーティングシステム１１０と、データベースマネージャモジュール１２０と、マスターコントロールプログラムモジュール１３０と、不具合検出及び解決モジュール１４０と、ナビゲーションモジュール１５０と、センサマネージメントモジュール１６０と、駆動モータ制御モジュール１７０と、ツール制御モジュール１８０とを有している。リアルタイムオペレーティングシステム１１０は残りのモジュールが動作する環境を生成する。
【００２７】
データベースマネージャモジュール１２０は、データベースの情報又はデータを維持して整理する。データベースマネージャモジュール１２０は、ナビゲーションモジュール１５０、センサマネージメントモジュール１６０、マスターコントロールプログラムモジュール１３０及び不具合検出及び解決モジュール１４０と通信する。好ましい実施の形態においては、データベースマネージャモジュール１２０は、ナビゲーションモジュール１５０及びセンサマネージメントモジュール１６０からの時間タグの付いた情報(time-tagged information)を受信して蓄積する。データベースマネージャモジュール１２０は重要な事象を記録することもできる。
【００２８】
マスターコントロールプログラムモジュール１３０はロボット１０の知能である。マスターコントロールプログラムモジュール１３０は、データベースマネージャモジュール１２０、センサマネージメントモジュール１６０、駆動モータ制御モジュール１７０、ツール制御モジュール１８０及び不具合検出及び解決モジュール１４０と通信する。好ましい実施の形態においては、マスターコントロールプログラムモジュール１３０は、センサマネージメントモジュール１６０及びツール制御モジュール１８０でそれぞれ行われるセンサ及びツール命令をスケジューリングする。マスターコントロールプログラム１３０は、データベースから場所及びセンサ情報も取得する。
【００２９】
不具合検出及び解決モジュール１４０は、不具合が起きると、その不具合がソフトウェアに関係するものかハードウェアに関するものかを検出するとともに、どうやってその不具合を訂正するかを検出する。不具合検出及び解決モジュール１４０はマスターコントロールプログラムモジュール１３０及びデータベースマネージャモジュール１２０と通信する。好ましい実施の形態においては、不具合検出及び解決モジュール１４０は移行の不具合を試験し、必要に応じて車輪３０及び／又は車輪３３を解放する。上述したように、ドライブセグメント２０上の車輪３０が解放されると、ロボット１０はガス又は液体の流れによって導管の中を推進される受動装置に戻る。不具合検出及び解決モジュール１４０は、また、センサ、ナビゲーション及びツールの不具合を試験して訂正する。
【００３０】
ナビゲーションモジュール１５０は車輪に取り付けられた光学式エンコーダ３１の軌道上位置を記録し、情報に時間タグを付け、それをデータベースに蓄積する。ナビゲーションモジュール１５０はデータベースマネージャモジュール１２０と通信する。
【００３１】
センサマネージメントモジュール１６０は、種々のセンサから情報を収集し、制御する。センサマネージメントモジュール１６０はデータベースマネージャモジュール１２０及びマスターコントロールプログラムモジュール１３０と通信する。好ましい実施の形態においては、センサマネージメントモジュール１６０は、リアルタイム情報処理を行い、換算されて時間タグを付けられた情報をデータベースへ蓄積する。
【００３２】
駆動モータ制御モジュール１７０は電気モータ６２を制御する。駆動モータ制御モジュール１７０はマスターコントロールプログラムモジュール１３０と通信する。駆動モータ制御モジュール１７０は、マスターコントロールプログラムモジュール１３０から命令を受け取って応答することが好ましい。好ましい実施の形態においては、駆動モータ制御モジュール１７０はパルス幅変調された信号の形の情報を電気モータ６２へ送る。
【００３３】
ツール制御モジュール１８０は種々のツールを制御する。ツール制御モジュール１８０はマスターコントロールプログラムモジュール１３０と通信する。ツール制御モジュール１８０はマスターコントロールプログラムモジュール１３０から命令を受け取って応答することが好ましい。好ましい実施の形態においては、ツール制御モジュール１８０はツール特有の命令信号を発生する。
【００３４】
パイプを這うロボット１０はパワーシステムも有していることが好ましい。ここで図６を参照する。別の実施の形態のロボットは第３のセグメント８０を有する。セグメント８０はパワー源を有する。パワー源は電源モジュールであることが好ましい。好ましい実施の形態においては、セグメント８０によって提供される動力はセグメント５０上のバッテリ５９に連続的又は間欠的に充電する。第２のセグメント５０は、第２のフレキシブルカップリング７５によって、第３のセグメント８０へ連結されていることが好ましい。
【００３５】
フレキシブルカップリング７５と同様に、フレキシブルカップリング１０５はロボット１０の長手軸のまわりに自由に曲がるけれども、長手軸のまわりに回転はしないようになっている。フレキシブルカップリング７５、１０５はセグメント２０、５０、８０から取り外し可能である。また、追加のフレキシブルカップリング（図示されていない）をセグメント２０、５０、８０へ取り付けることができる。フレキシブルカップリングを使用することによって、ロボット１０はそのセグメントの数を減らしたり増やしたりできる。このことは、導管の中でペイロードを降ろしたりペイロードを受け取ったりするのに有用であることを証明するものである。
【００３６】
ここで図７を参照する。図には、第３のセグメント８０のより詳細が示されている。好ましい実施の形態においては、第３のセグメント８０はタービンをベースにしたパワー源システム８２を有している。タービンシステム８２はタービン又はファン８４（破線で示されている）、モータ／発電機８６、及びファン８４とモータ／発電機８６との間に配置されたシャフト８８（破線で示されている）を有していることが好ましい。この発明の目的のためには、機械的エネルギを流体の流れから引き出すことができる様々な機械装置をタービンシステム８２の中で使用することができる。この機械装置には、一つ又は複数のタービン、ファン、パドルなどが含まれる。説明を容易にするために、そうした装置すべてについて述べるのに「ファン８４」という用語を使用する。タービンシステム８２は導管（図示されていない）の中を流れる空気によって駆動されることが好ましいが、それ以外に、流体の流れによって駆動されてもよい。タービンを回転させるときに流体の流れから引き出される機械的な動力は発電機８６によって電力に変換される。この電力はモータ５６（図１）へ直接に伝送されてロボットを推進することもできるし、バッテリ５９の中に蓄積することもできるし、それらを任意に組み合わせることも可能である。例えば、制御システムは、バッテリ電力が低いときには、それを検出し、バッテリへ電力を供給してそれを再充電する。タービンシステム８２の利点は、ロボット１０が導管の中を走行する距離に対して実際的な限界なく、実質的に無制限の電力の供給が可能なことである。
【００３７】
別の実施の形態においては、第３のセグメント８０はバッテリシステム（図示されていない）を有している。さらに別の実施の形態においては、第３のセグメント８０はパワーロープ（図示されていない）を有している。バッテリシステム及びパワーロープは短い距離における比較的まっすぐな導管での用途における使用が望ましい。
【００３８】
＜パワーシステムの動作＞
圧縮空気又は不活性ガスが導管の中に流される。これは、エアーコンプレッサ又はボトルに入れた圧縮ガスを使用することによって実現できる。流れるガスがファン８４のブレードを回し、それがタービンシャフト８８を回転させる。タービンシャフト８８は発電機８６へ連結されており、これが電気（電流）を発生する。上述したように、電流は駆動車輪３０へ電力を提供するオンボードバッテリ５９を再充電するために使用されることが好ましい。発電機８６は、また、集積回路５８、センサ（図示されていない）及び電気モータ６２へ電力を提供することが好ましい。
【００３９】
＜ドライブセグメント及びドライバセグメントの動作＞
スイッチオンの指示が与えられると、電気モータ６２のシャフト６１によって、第１のセグメント２０の端部セクション２２は長手軸のまわりに回転させられる。これが起こるのは、第２のセグメント５０内で長手方向に揃えられた車輪が第２のセグメント５０が回転しようとする傾向に抵抗し、従って、モータ６２のトルクによって第１のセグメント２０の端部セクション２２が回転するためである。
【００４０】
例えば、シャフト６１及び端部セクション２２が時計方向に（装置から見て）回転すると、ロボット１０は前方へ引っ張られる。これは、第１のセグメント２０上の傾斜した車輪３０がねじの効果を有していて、第１のセグメント２０の回転運動がロボット１０の長手方向の動きに変換されるからである。
【００４１】
走行方向を反転させるためには、モータ６２のシャフト６１が、反対方向、すなわち、反時計方向に回転するように指示される。これによって、端部セクション２２が反時計方向に回転し、その結果、ロボット１０を後方へ押す。
【００４２】
いくつかの実施の形態においては、シャフト６１が回転する速度がモータ６２によって調節され、ロボット１０が加速又は減速させられる。ロボット１０を停止させたいときは、モータ６２がシャフト６１の動きを止める。
【００４３】
上述したように、好ましい実施の形態においては、各車輪を支えるサスペンションシステムはスプリング式カートリッジであることが好ましい。スプリング式カートリッジの各々は、車輪３０が取り付けられたスプリング式ピストンを有している。スプリング式ピストン３７は車輪３０を外側へ付勢していて、それによって、車輪が導管の壁（図示されていない）へ係合しており、これが滑りを防止するのに十分な摩擦を誘起する。サスペンションシステムがカム駆動カートリッジであるときは、カムの回転が車輪３０と導管の壁（図示されていない）との間の垂直力(normal force)を誘起する。これも、滑りを防止するのに十分な摩擦を誘起する。
【００４４】
この発明は種々の修正や別の形態が可能であるが、その特定の形態が例として図面に示されるとともに、詳しく説明されている。しかしながら、図面や詳細な説明は、この発明を記載されている特定の形態に制限するものではなく、この発明は添付の特許請求の範囲で定義されるこの発明の精神及び範囲に含まれるすべての修正、等価物、変形をカバーしていることを理解すべきである。
【００４５】
例えば、この発明は二つ又は三つの別々のモジュール又はセグメントを有するものとして説明してきたが、任意の数又はモジュールを使用することができることは理解できよう。同様に、装置中におけるセグメントの順番及び配置は変更可能である。連結されるコンポーネントは直接に連結しても間接に連結してもよい。追加モジュールを使用して、センサ又はパワー装置を収容したり、種々のペイロードを搭載してもよい。いくつかの実施の形態においては、追加モジュールは特定のセンサに特化される。さらに、蓄積するデータの量が過度に多い場合には、複数のメモリモジュールを設けることが望ましい。同様に、傾斜した車輪及び傾斜していない車輪の位置、数及び配置は、装置の基本動作を変えることなく変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】この発明の実施の形態によるパイプを這うロボットの側面図である。
【図２】図１に示された装置の端面図である。
【図３】図１に示されているロボットの第１のセグメントの側面図である。
【図４】図１に示されているロボットの第２のセグメントの側面図である。
【図５】この発明の実施の形態によるソフトウェアアーキテクチャのブロック図である。
【図６】この発明の別の実施の形態によるパイプを這うロボットの側面図である。
【図７】図６に示されているロボットの第３のセグメントの一部を示す斜視図である。
【図１】
2005514213.tif 000003
【図２】
2005514213.tif 000004
【図３】
2005514213.tif 000005
【図４】
2005514213.tif 000006
【図５】
2005514213.tif 000007
【図６】
2005514213.tif 000008
【図７】
2005514213.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成15年12月3日(2003.12.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
導管を横移動するための自律ロボットであって、
傾斜した複数の車輪を有するドライブモジュールと、
前記ドライブモジュールへ連結されたドライバーモジュールと、
パワーモジュールと、
を有し、前記傾斜した車輪はそれらの軸の各々が導管の長手軸に対して0°より大きく90°より小さい傾斜角度を形成するように配向されており、また、前記傾斜した車輪は少なくとも一つの螺旋状の列を成しており、
前記ドライバーモジュールは導管の長手軸と平行に揃えられた複数の車輪を有し、
前記ドライブモジュール及びドライバーモジュールは協働してロボットの移行運動を提供し、前記パワーモジュールは前記移行運動のための動力を提供するようになっているロボット。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３】
前記ロボットが
第１の端部セクションと、
第２の端部セクションと、
モータと、
を有し、前記モータは前記端部セクションの間に配置されている請求項１記載のロボット。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項４】
前記ドライブモジュール及びドライバーモジュールの少なくとも一方を前記モータへ連結する回転シャフトがさらに設けられている請求項３記載のロボット。
【手続補正４】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１０】
前記車輪の少なくとも一つを支持するためのサスペンションシステムをさらに有している請求項１記載のロボット。
【手続補正５】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１１】
前記サスペンションシステムの少なくとも一つはすべての前記傾斜した車輪が前記導管と接触する第１の位置と、前記傾斜した車輪の少なくとも一つが後退している第２の位置との間で駆動可能である請求項１０記載のロボット。
【手続補正６】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１３】
導管を横移動するための自律ロボットであって、
傾斜した複数の車輪を有するドライブモジュールと、
前記ドライブモジュールへ回転可能に連結されたドライバーモジュールと、
動力を提供して前記ドライブモジュールを前記ドライバーモジュールに対して回転させるためのパワーモジュールと、
前記車輪の少なくとも一つを支持するサスペンションシステムと、
を有し、前記傾斜した車輪はそれらの軸の各々が導管の長手軸に対して0°より大きく90°より小さい傾斜角度を形成するように配向されており、
前記ドライバーモジュールは導管の長手軸と平行に揃えられた複数の車輪を有し、
前記サスペンションシステムは少なくとも一つのカム駆動カートリッジを有し、
前記サスペンションシステムは少なくとも一つのカム駆動カートリッジを有しているロボット。
【手続補正７】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２６】
前記メモリは少なくとも一つのソフトウェアモジュールを有し、そのソフトウェアモジュールは、データベースマネージャと、マスターコントロールプログラムと、不具合検出及び解決モジュールと、ナビゲーションモジュールと、センサマネージメントモジュールと、駆動モータ制御モジュールと、ツール制御モジュールとから成るグループから選択されるものであり、前記オペレーティングシステムは前記ソフトウェアモジュールの少なくとも一つと通信する請求項２３記載のロボット。
【手続補正８】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項４６】
導管を横移動するための自律ロボットであって、
傾斜した複数の車輪を有するドライブモジュールと、
前記ドライブモジュールへ連結されたドライバーモジュールと、
パワーモジュールと、
を有し、前記傾斜した車輪はそれらの軸の各々が導管の長手軸に対して0°より大きく90°より小さい傾斜角度を形成するように配向されており、
前記ドライバーモジュールは導管の長手軸と平行に揃えられた複数の車輪を有し、
前記パワーモジュールがタービンシステムを有し、
前記ドライブモジュール及びドライバーモジュールはロボットの移行運動を提供し、前記パワーモジュールは前記移行運動に対する動力を提供し、
前記タービンシステムは導管の中を流れる流体の方向に関係なく動力を発生することができるようになっているロボット。
【手続補正９】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項５０】
導管のパイプ内検査を行うためのロボットであって、
傾斜した複数の車輪を有するドライブモジュールと、
前記ドライブモジュールへ連結されたドライバーモジュールと、
パワーモジュールと、
パイプを検査するためのセンサと、
を有し、前記傾斜した車輪はそれらの軸の各々が導管の長手軸に対して0°より大きく90°より小さい傾斜角度を形成するように配向されており、また、前記傾斜した車輪は少なくとも一つの螺旋状の列を成しており、
前記ドライバーモジュールは導管の長手軸と平行に揃えられた複数の車輪を有し、
前記ドライブモジュール及びドライバーモジュールはロボットの移行運動を提供し、前記パワーモジュールは前記移行運動のための動力を提供するようになっているロボット。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項５１】
（削除）
【手続補正１１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項５２】
導管を横移行するための自律ロボットであって、
本体と、
前記導管中の流体の流れからエネルギを引き出し、そのエネルギを使用して本体を導管の内側に沿って前進させることができる駆動システムと、
前記本体に取り付けられた少なくとも一つのセンサと、
を有し、前記駆動システムは少なくとも一組の傾斜した車輪と、少なくとも一組の傾斜していない車輪とを有しているロボット。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項５３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項５３】
前記駆動システムは、ファンと、発電機と、前記発電機と前記ファンとの間に配置されたシャフトとを有するパワーモジュールを有している請求項５２記載のロボット。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項５４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項５４】
少なくとも一つの移行モジュールと、
前記移行モジュールへ動力を提供して装置を推進するパワーモジュールと、
前記モジュールの一つに配置された集積回路と、
をさらに有し、前記移行モジュールはその上に配置された車輪を有し、前記車輪の少なくとも一つは、前記集積回路によって前記移行モジュールへ送られる命令に応じて、伸ばされたり引っ込められたりされ、それによって、ロボット装置が活動モード及び受動モードで動作可能になっており、活動モードでは、前記少なくとも一つの車輪が導管と係合して前記パワーモジュールからの動力によって駆動されて装置を推進させ、受動モードでは、前記少なくとも一つの車輪が装置を推進させないようになっている請求項５２記載のロボット。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
まず、図１及び図２を参照する。この発明はパイプを這うロボット(pipe-crawling robot)１０を提供している。ロボット１０は、一般に、少なくとも二つの独立したモジュール式の関節連結されたセグメント、すなわち、第１のセグメント２０及び第２のセグメント５０から構成されている。第１のセグメント２０は第２のセグメント５０へフレキシブルカップリング７５によって連結されていることが好ましい。フレキシブルカップリング７５はロボット１０の長手軸のまわりに自由に曲がるが、長手軸のまわりに相対回転しないようになっている。以下で詳しく説明するように、第１のセグメント２０及び第２のセグメント５０を組み合わせることによって、ロボット１０の移行運動(locomotive motion)が提供される。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
ここで図３を参照する。図には第１のセグメント２０がさらに詳しく描かれている。第１のセグメント２０は二つの端部セクション２２、２４と、端部セクション２２、２４の間に配置されたモータ５６とを有していることが好ましい。端部セグメント２２はドライブモジュールとして特徴付けることができ、端部セグメント２４はドライバーモジュールとして特徴付けることができる。端部セクション２２、２４はセンサやツールなどのコンポーネント（図示されていない）を収容していてもよい。好ましい実施の形態においては、シャフト２６がモータ５６を端部セクション２４へ連結している。モータ５６はＤＣサーボモータなどの電気モータであることが好ましい。好ましい実施の形態においては、シャフト２６は端部セクション２２に係合しており、モータ５６へ動力が供給されると、モータ５６は端部セクション２２、２４を相対的に回転させる。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
好ましい実施の形態においては、傾斜した車輪３０の少なくとも一つを動的に係合及び解放することができる。解放は、ツールの外側からの信号に応じて、又は検出に応じて起きる。ドライブセグメント２０上の車輪３０が解放されると、導管内で装置を前進させることなく、端部セクション２２は自在に回転する。この配置においては、ロボット１０は導管内のガス又は液体の流れによって導管の中を推進される受動装置(passive device)になる。また、傾斜されていない車輪３３は解放することができるけれども、各セクションが導管内で自在に動けるようにするには、各車輪セクション上の少なくとも一つの車輪を解放する必要がある。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
＜ドライブセグメント及びドライバセグメントの動作＞
スイッチオンの指示が与えられると、電気モータ５６のシャフト２６によって、第１のセグメント２０の端部セクション２２は長手軸のまわりに回転させられる。これが起こるのは、端部セクション２４及び第２のセグメント５０内で長手方向に揃えられた車輪が端部セクション２４及び第２のセグメント５０が回転しようとする傾向に抵抗し、従って、モータ５６のトルクによって第１のセグメント２０の端部セクション２２が回転するためである。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
例えば、シャフト２６及び端部セクション２２が時計方向に（装置から見て）回転すると、ロボット１０は前方へ引っ張られる。これは、第１のセグメント２０上の傾斜した車輪３０がねじの効果を有していて、第１のセグメント２０の回転運動がロボット１０の長手方向の動きに変換されるからである。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
走行方向を反転させるためには、モータ５６のシャフト２６が、反対方向、すなわち、反時計方向に回転するように指示される。これによって、端部セクション２２が反時計方向に回転し、その結果、ロボット１０を後方へ押す。
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
いくつかの実施の形態においては、シャフト２６が回転する速度がモータ５６によって調節され、ロボット１０が加速又は減速させられる。ロボット１０を停止させたいときは、モータ５６がシャフト２６の動きを止める。
【国際調査報告】
2005514213.tif 000010
2005514213.tif 000011