(57)【要約】  表面（１１１）を横断するためのロボット車両（１００）が提供される。車両（１００）は、車両（１００）を駆動および操縦するための磁気駆動輪（１１６）を含む前方シャーシ部（１１２）と、表面（１１１）と接触するように構成された前方支持点（１４０）と、から構成される。車両（１００）はまた、従動輪（１３８）を支持する後方シャーシ部（１１４）を含む。前方および後方シャーシ部（１１２、１１４）は、ヒンジ継手（１２０）および四節リンク機構（１２２）を含むジョイントによって接続されている。ヒンジ（１２０）は、追跡アセンブリ（１１４）が左右に移動することができるように構成されており、一方、四節リンク機構（１２２）により、追跡アセンブリ（１１４）が前方シャーシ（１１２）に対して上下に移動することができる。まとめると、後面機構は、従動輪（１３８）を表面（１１１）と接触した状態に、かつそれに垂直に維持するように構成されており、また、前方支持体（１４０）を表面（１１１）と接触した状態に維持し、表面曲率および車両配向に関係なく、表面を横断する間に、車両（１００）に安定性および操縦性を提供する。
2020526448.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
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。
【請求項１４】
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。
【請求項１５】
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。
【請求項１６】
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。
【請求項１７】
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。
【請求項１８】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボット車両に関し、特に、一直線の車輪構成を有するロボット検査車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
ほとんどの業界では、安全性を確保し、性能を最適化するために、設備の定期検査が重要である。例えば、石油産業および関連分野では、液体および気体、ならびにそれらの混合物は、パイプラインを介して輸送され、これらの材料はまた、大きなタンクに貯蔵される。
【０００３】
この業界では、パイプライン、貯蔵タンクなどの完全性を維持するために、センサ装置を採用して、かかる表面を検査することができることが知られている。特に、対象物（例えば、パイプまたはタンク）の表面を横切って走行し、パイプ壁の品質に関する情報を記録するために、検査車両を使用することができる。これらの検査車両の大多数は、超音波または磁気センサを使用して、検査を実行する。記録された情報に基づいて、検査される表面（例えば、パイプ壁）の亀裂または他の欠陥を検出および記録して、その後の是正措置を講じることができる。
【０００４】
これまでに、工場設備、船舶、水中プラットホーム、パイプライン、貯蔵タンクなどの様々な構造物を検査するために使用される様々な検査車両設計が存在している。構造物を検査するのに適切な検査車両が利用できない場合、代替手段は、人がこれらの構造物を検査するためのアクセスを可能にする、足場を構築することであるが、検査官の物理的安全性への多大なコストおよび危険性がある。過去の検査車両は、かかる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。
【０００５】
加えて、かかる検査車両で使用することができる様々なセンサが存在するが、超音波センサの１つの好ましいタイプは、表面の超音波検査を実行して、壁厚を測定、および腐食を検出するように構成されている、ドライカップリングプローブ（ＤＣＰ）である。ドライカップリングプローブは通常、車輪の形状に構築されており、シャフト（車軸）は、外側のタイヤがシャフトの周りを回転する間、それにしっかりと埋め込まれたトランスデューサ構成要素を有するため、固定されたままであることが意図されている。したがって、プローブのシャフトは、トランスデューサが常に表面を指すように、保持され、および配置されなければならず、これは、車輪が、そのロールおよびピッチ方向で傾斜していないことを意味する。
【０００６】
したがって、ＤＣＰを使用する際の課題の１つは、プローブが、検査される表面に対して常に直角（垂直）である必要があることであり、これは、検査車両が移動しており、表面をナビゲートしている間は困難である場合がある。検査車両はパイプまたはタンクの表面を周方向、長手方向、および螺旋状に駆動する場合があり、これは、ＤＣＰが、検査車両の場所に関係なく、検査される表面に対して垂直になることを確実にするためにＤＣＰを再調整しなければならないことを意味するため、特に困難である。
【０００７】
本発明は、重力に依存しない操作で車両の移動を提供するための解決策を提供し、車両移動に対する重力の影響を最小限に抑えながら、さらに、多目的な制御を可能にする。その上、本発明は、パイプおよび容器などの様々な曲面を効果的にナビゲートすることができ、これは、本発明の可能な用途の１つである。本発明はまた、様々な範囲の表面曲率にもかかわらず、表面に沿って様々な軌道に、検査が実行されているとき、および検査車両が操縦および／または移動されている間、両方において、検査される表面に対してセンサ（例えば、ＤＣＰ）を垂直化する機構（装置／機器）に関する。
【０００８】
本明細書でなされた開示が提示するのは、これらおよび他の考察に関するものである。
【発明の概要】
【０００９】
本発明の一態様によれば、ロボット車両シャーシが提供される。車両シャーシは、第１のシャーシ部を含む。第１のシャーシ部は、第１のシャーシ部に載置され、表面に沿って駆動するように構成された駆動輪と、第１のシャーシ部の前端付近の底面に取り付けられた前方支持点とを含む。車両はまた、第２のシャーシ部と、第２のシャーシ部に載置された従動輪アセンブリを含む。特に、従動輪アセンブリは、表面に沿って、概して車両の走行方向に、受動的に転動するように構成された従動輪を含む。
【００１０】
車両はまた、第２のシャーシ部が、第１の経路に沿って少なくとも第１の方向で第１のシャーシ部に対して回転可能であるように、第１および第２のシャーシ部を接続するヒンジ継手を含む。ヒンジ継手は、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と接触すると、表面の曲率に応じて回転する。車両はまた、第１のシャーシ部と第２のシャーシ部を接続する四節リンク機構を含む。四節リンク機構は、第２のシャーシ部を、第２の経路に沿って少なくとも第２の方向で第１のシャーシ部に対して移動させるように構成されている。加えて、四節リンク機構は、本質的に受動的であり、第２のシャーシ部を第２の経路に沿って自動的に移動させる。さらに、第１の方向および第２の方向の移動の組み合わせにより、従輪が表面と接触した状態のままである。
【００１１】
さらなる態様によれば、車両は、第２のシャーシ部を従輪アセンブリに接続する回転継手をさらに含む。特に、従輪アセンブリは、回転継手を中心に第２のシャーシ部に対して回転可能である。加えて、回転継手は、本質的に受動的であり、従輪アセンブリが表面と接触すると、自動的に従輪を表面に対するロール方向に少なくとも実質的に垂直化するように構成されている。
【００１２】
これらおよび他の態様、特徴、ならびに利点は、本発明の特定の実施形態の付随する説明、ならびに添付の図面および特許請求の範囲から理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】１つ以上の開示された実施形態による、受動的後面機器を有する車両の側面図である。
【図２Ａ】１つ以上の開示された実施形態による、図１の車両の追加の特徴を例解する側面図である。
【図２Ｂ】１つ以上の開示された実施形態による、図１の車両の追加の特徴を例解する背面図である。
【図２Ｃ】１つ以上の開示された実施形態による、図１の車両の追加の特徴を例解する背面図である。
【図３Ａ】１つ以上の開示された実施形態による、図１の車両の追加の特徴を例解する平面図である。
【図３Ｂ】１つ以上の開示された実施形態による、図１の車両の追加の特徴を例解する背面図である。
【図４Ａ】１つ以上の開示された実施形態による、図１の車両の追加の特徴を例解する側面図である。
【図４Ｂ】１つ以上の開示された実施形態による、図１の車両の追加の特徴を例解する背面図である。
【図４Ｃ】１つ以上の開示された実施形態による、図１の車両の追加の特徴を例解する側面図である。
【図５Ａ】１つ以上の開示された実施形態による、図１の車両の追加の特徴を例解する簡略化された側面の概念図である。
【図５Ｂ】１つ以上の開示された実施形態による、図１の車両の追加の特徴を例解する簡略化された側面の概念図である。
【図６Ａ】１つ以上の開示された実施形態による、図１の車両の追加の特徴を例解する簡略化された側面の概念図である。
【図６Ｂ】１つ以上の開示された実施形態による、図１の車両の追加の特徴を例解する簡略化された側面の概念図である。
【図７Ａ】１つ以上の開示された実施形態による、例示的な従動輪アセンブリの斜視図である。
【図７Ｂ】１つ以上の開示された実施形態による、図７Ａの従動輪アセンブリの追加の特徴を例解する斜視図である。
【図７Ｃ】１つ以上の開示された実施形態による、図１の車両および図７Ａの従動輪アセンブリの追加の特徴を例解する背面斜視図である。
【図８Ａ】１つ以上の開示された実施形態による、図１の車両および図７Ａの従動輪アセンブリの追加の特徴を例解する背面斜視図である。
【図８Ｂ】１つ以上の開示された実施形態による、図１の車両および図７Ａの従動輪アセンブリの追加の特徴を例解する背面斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
概観および導入として、小型なロボットクローラ車両が開示されている。車両は、表面の形状および配向に関係なく、高い機敏性と操縦性でほとんどいかなる曲率の表面も横断することができるように構成されている。
【００１５】
本発明の一態様によれば、車両は、車両を表面に沿って駆動し、車両を操縦するように構成された磁気駆動輪を含む前方シャーシ部から構成される。前端シャーシはまた、好ましくは、表面との接触を維持する、および、より一般的に前方シャーシおよび車両に安定性を提供するように構成された前端支持点を含む。車両はまた、従動輪を支持する受動的な後面、すなわち「追跡」機器を含む。後面機器は、具体的に、従動輪を表面と接触した状態に、およびそれに垂直に配向させて維持し、より一般的に車両を表面に対して直立状態に維持するように設計されている。
【００１６】
本明細書に開示される例示的な車両は、概して一直線の車輪構成を有し、これは、前方シャーシによって支持される主駆動輪、および後方シャーシによって支持される従輪が、車両を縦方向に貫通する車両の長手方向軸に沿って概して一直線になるように構成されていることを意味し、それにより、駆動軸および従輪が概して同じ方向で回転する。しかし、本明細書でさらに記載するように、表面曲率および第１のシャーシ部のステアリングの結果として、車両が表面を横断しているときに、従動輪は、前方駆動輪との整列から外れて移動する自由を有する。また、前方支持点、駆動輪、および従動輪が、表面と接触している３つの主要な構成要素であることも留意に値する。好ましくは、支持シャーシ部および接続構造は、操作中、表面と接触しない。さらに、前述の構成要素の各々が、それぞれ表面との１つ以上の接点を提供することができることに留意すべきである。例えば、本明細書でさらに記載するように、駆動輪は、表面との接点を各々提供する２つの離間したヨークを含む磁気車輪であり得る。さらなる例として、従動輪アセンブリは、表面とのそれぞれの接点を提供する２つの離間した受動的に転動する車輪から構成され得る。
【００１７】
顕著な態様によれば、後面アセンブリは、それぞれの移動の自由度を提供する四節リンク機構およびスイベルジョイントを含むがこれらに限定されるものではない、前方シャーシを後方シャーシに結合する多数のジョイントを含む。例えば、スイベルジョイントは、後方シャーシを前方シャーシの側方に折り畳むことを可能にし、車両が駆動輪を使用して駆動および操縦される間、車両の直立性および安定性を維持することができる。例えば、四節リンク機構は、後方シャーシ、したがって従動輪を前方シャーシに対して上下に移動させることを可能するように構成されている。加えて、好ましくは、四節リンク機構は、従動輪を横断面に常に押し付ける、したがって、前方支持点が横断面との接触を維持するように車両の前方シャーシを強制的に前方に傾けることにより、操作中に車両を安定させるように構成されている。
【００１８】
任意選択的に、従動輪の回転軸に直角に、概して従動輪の走行方向に延在する回転継手軸を中心に、従動輪が回動または「転動」することを可能にする回転継手によって、従動輪を、後方シャーシに結合することができる。その結果、旋回運動、四節リンク機構運動、および任意選択的に、従動輪の「転動」運動の特性により、従動輪は、操作中、横断面に概して直角（すなわち、表面に対する１つ以上の方向に「直立された」または「垂直配向」）のままであることが可能になる。以下で考察する例示的な実施形態は、ヒンジ継手が前方シャーシ部に接続され、四節リンク機構がスイベルジョイントから後方に延在する実装を記載しているが。代替的に、開示された実施形態の範囲から逸脱することなく、前方シャーシ部は、四節リンク機構に取り付けられ、スイベルジョイントは、四節リンク機構の反対側の端部を、従動輪を支持する後方シャーシ部に接合することができる。
【００１９】
図１を参照すると、本発明の実施形態による例示的なロボット車両１００が示されている。図のように、車両は、例えば、１つ以上の車載センサプローブ（図示せず）を使用して、表面１１１の１つ以上の領域を検査するために、表面１１１を横切って制御可能に駆動することができる磁気クローラ検査車両（本明細書に示されるロボットなど）の形状であり得る。例えば、車両１００は、制御コマンドを車両に送信して車両の動作を制御することができるユーザによって制御され得る、ロボット装置であり得る。このようにして、ユーザは、車両を表面を横切って効果的に駆動することができ、車両を停止および操縦することもできる。
【００２０】
ロボット車両１００は、第１のシャーシ部１１２および第２のシャーシ部１１４を含む。駆動輪１１６は、第１のシャーシ部１１２に接続されており、従動輪１３８は、第２のシャーシ部１１４に接続されている。したがって、第１のシャーシ部１１２は、車両１００を表面１１１を横切って移動させるための手段を提供し、一方、従動輪は、第１のシャーシ部を受動的に追跡する。いくつかの例示的な構成では、車輪のうちの１つ以上は、磁性材料から形成することができ、それにより、ロボット検査車両１００が、金属パイプまたは金属貯蔵タンクなどの金属表面１１１に磁気的に取り付けられ、およびそれを横切って移動可能であることを可能にする。本明細書でさらに記載するように、従動輪１３８は、複数の車輪、例えば磁気車輪およびセンサプローブ車輪を含む従動輪アセンブリを含むことができることを理解するべきである。
【００２１】
矢印「Ｄ」で示されている、ロボット車両の好ましい走行方向では、ロボット車両の駆動輪１１６は、車両を前進させる１つ以上のモータに応答して、矢印「Ｒ１」で示されている方向でその軸１１７’を中心に回転する。駆動輪の回転軸は、横軸１５４（図示せず）に沿って延在し、それは、第１のシャーシ部を横方向に貫通する。長手方向軸１５０は、横軸に対して直角であり、かつ第１のシャーシ部を縦方向に（例えば、平坦な表面１１１に平行に）貫通している。図１にはまた、長手方向軸および横軸の両方に直角に延在し、表面１１１に垂直な（すなわち、駆動輪の接点と駆動輪の回転軸との間に延在する１１７’）垂直軸１５２が示されている。
【００２２】
本明細書でさらに記載するように、駆動輪はまた、車両を反対方向に推進するだけでなく、車両を操縦するように構成することができることも理解することができる。駆動輪は、車両１００に安定性を提供することをさらに理解することができる。特に、駆動輪は、車輪と、車両を動かすことができる強磁性面との間に引張力を生み出す、強力な磁石を含むことができ、この構造的配置は、車両の傾斜に抵抗するのを助ける。加えて、駆動輪は、比較的広いスタンスを有することができ、これによりさらに、車両に安定性が提供される。
【００２３】
図示されていないが、第１のシャーシ部は、制御モジュールを含むことができる。制御モジュールは、モータ、モータから駆動輪１１６に機械的動力を伝達するための駆動アセンブリ、電源（例えば、バッテリ）、ならびにプロセッサを使用して、検知されたデータを処理すること、記憶された命令を処理すること、および／またはリモートコンピュータ／オペレータ（図示せず）から受信した制御命令／信号を処理することにより、車両の動作を制御することができるコントローラを含むことができる。第１のシャーシ部１１２はまた、ステアリング機構を含む、他の操作部品をさらに含むことができる。
【００２４】
［駆動輪］
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。
【００２５】
駆動輪の駆動ヨークのうちの１つが自由に回転できるようにする構成は、所定の位置で回動するときに有益である。かかる配置により、駆動輪の中心（すなわち、軸１５０と１５４との交点）ではなく、真に単一の点（例えば、ヨークのうちの１つと表面との接点）を中心とした回転が可能になる。この配置はまた、駆動輪が回転により摺動する際に、表面を損傷することを防ぐことができる。駆動輪はまた、曲率に関係なく、駆動輪の各側が１点だけで表面と接触するように、湾曲した（および／またはテクスチャ加工されたまたはコーティング加工された）接点（すなわち、各ヨークのリム）を有することができる。一例として、テクスチャを提供するために、リムにローレット加工を施すことができる。別の例として、リムは、ゴムまたはポリウレタンでコーティング加工を施すことができる。かかる配置は、引張力と摩擦力との整合性を改善することができ、また、駆動機構の性能を改善し、かつ回動するときの駆動輪の電力消費を削減することができる。
【００２６】
したがって、駆動輪１１６、したがってロボット車両１００は、例えば、周方向、長手方向、螺旋状経路などを含むが限定されるものではない、表面１１１に沿ったあらゆる方向で制御可能に操縦され得る。
【００２７】
［前方支持点］
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。
【００２８】
［ヒンジ継手］
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。
【００２９】
簡単に図２Ｂを参照すると、ヒンジ１２０の軸ＨＡは、好ましくは、長手方向軸１５０（図示せず）および垂直軸１５２（図示せず）に沿って延在する平面（図示せず）、言い換えると、第１のシャーシ部１１２を左半分および右半分に２等分する平面（「長手方向平面」と称する）に配向している。加えて、図１に示すように、ヒンジ１２０は、軸ＨＡが長手方向軸１５０に対して角度αを形成するように配向され得る。したがって、αが９０度ではない実装では、軸ＨＡを中心とする第２のシャーシ部１１４の移動は、第１のシャーシ部に対する第２のシャーシ部の上昇または下降をもたらし得る（例えば、従動輪１３８は、軸ＨＡを中心に回動しながら、上下方向であるが円弧状の経路に沿って、移動することができる）。したがって、第１の自由度だけでなく、本明細書で記載する他の自由度は、必ずしも単一平面内の移動に限定されないことを理解することができる。本明細書でさらに記載するように、ヒンジαの角度を形成して、後面アセンブリの有益な安定化および垂直化効果を実現する特定の左右および上下移動特性を得ることもできる。
【００３０】
上述のように、ヒンジ継手１２０は、操縦時、後方機構を車両１００の一方の側に折り畳むことを可能にする。これにより、車両は、高度な操縦性を実現し、クローラが対象表面に残す可能性のある傷またはマーキングを最小限に抑えることができる。例えば、図３Ｂは、パイプを横断する車両１００の背面図であり、追跡アセンブリが第１のシャーシ部１１２の長手方向軸にほぼ直角に延在するように、例えば、あたかも車両が、先にパイプの周りを周方向で横断しており、次いで、第１のシャーシ部１１２がパイプの長さに沿って長手方向で横断し続けるために９０度操縦されたように、ヒンジ１２０を中心に回動された追跡アセンブリを示す。また、スイベルジョイントおよび四節リンク機構がシャーシに接続されている順序に関係なく（すなわち、四節リンク機構は、第１のシャーシ部１１２に結合され、回動軸は、四節リンク機構の反対側の端に接続されている、代替的な構成において）、従動輪の同じ回動機能を実現できることに留意すべきである。
【００３１】
［四節リンク機構］
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。
【００３２】
より具体的には、四節リンク機構を規定する４つのリンクおよび回動点の特定の形状の結果として、第２のシャーシ部１１４は、横断された表面の曲率が変化しても、従動輪１３８を表面１１１と接触した状態を維持するために、円弧Ｐに沿って第１のシャーシ部１１２に対して移動可能である。例えば、図１は、あたかも車両１００がパイプの長さに沿って長手方向で横断しているように、略平坦である表面１１１と接触した状態の従輪１３８を例解する。図２Ａはまた、あたかも車両１００がパイプの周りを周方向で横断しているように、湾曲している表面２１１と接触した状態の従輪１３８を描写する。図２Ａは、従動輪１３８を表面２１１と接触した状態に維持するように、円弧Ｐに沿った四節リンク機構の関節運動をさらに例解する。本明細書でさらに記載するように、四節リンク機構の上下移動は、一般に受動的であるが、操作中、従輪を横断面と接触した状態に維持するために、引張ばねなどを使用して移動を付勢または助けることができる。
【００３３】
［回転継手］
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。
【００３４】
図２Ｂおよび２Ｃは、車両１００の背面図であり、任意選択の回転継手１２４によって提供される第３のＤｏＦ、すなわち、矢印Ｒで示すような、軸ＲＡを中心とするロール運動をさらに例解する。矢印Ｈで示されるように、ヒンジ１２０の軸ＨＡを中心とする第２のシャーシ部１１４の第１の自由度（すなわち、回動移動）も示されている。図２Ｂおよび２Ｃは、第１のシャーシ部１１２に対する第２のシャーシ部１１４の上下移動を容易にする四節リンク機構１２０の関節運動をさらに例解する。また、図２Ｂおよび２Ｃには、独立して駆動可能な２つのヨーク、すなわち左ヨーク１１７および右ヨーク１１８を含む駆動輪１１６の例示的な構成が示されている。
【００３５】
従動輪１３８を支持する第２のシャーシ部１１４、第２のシャーシ部を第１のシャーシ部１１２に接続するリンク（すなわち、ヒンジ１２０および四節リンク機構１２２）、および任意選択の回転継手１２４は、集合的に後面機器１３０と称する。したがって、後面アセンブリ１３０は、互いに結合して後面アセンブリを形成する異なるサブアセンブリであると考えられ得る、多数の構成要素を含むことを理解することができる。
【００３６】
以下により詳細に考察するように、第１のシャーシ１１２に対する後面アセンブリ１３０の１つ以上の構成要素の移動、すなわち、ヒンジ１２０を中心とする回転、四節リンク機構１２２によって提供されるピッチング運動、および任意選択的に、回転継手１２４により提供されるロール運動の範囲は、従動輪１３８が、広範囲の表面曲率／形状を有する構造体を様々な走行方向に横断する間に、垂直化されたままであることを可能にする。加えて、様々な自由度における第１および第２のシャーシ部１１２および１１４との間の運動の程度の範囲は、駆動輪１１６および従動輪１３８が表面と接触した状態、および表面に垂直のままの状態でありながら、車両１００が曲面を横断する移動の柔軟性を提供する。加えて、本明細書でさらに記載するように、後面機器の垂直化特性は、後面機構の特定の形状を形成することにより、特定の曲面に対して最適化することができる。
【００３７】
例示的な車両１００の詳細、より具体的には、後面機器１３０を形成する構成要素の特定の構成は、図３Ａ〜７を参照してさらに理解することができ、図１〜２Ｃを引き続き参照して以下でさらに考察する。
【００３８】
図５Ａは、例示的なロボット車両１００の簡略化された概略モデルであり、円筒面３１１上で螺旋状に動作するときの四節リンク機構１２２の例示的な幾何学的構成を例解する。したがって、簡略化するために、概略図は、いくつかの実装では、四節リンク機構の点Ｐ３およびＰ８で第１のシャーシ部（図示せず）を結合できるヒンジ継手を例解せず、さらに、点Ｐ５とＰ６の間に設けられ得る任意選択の「ロール」ジョイントを例解していない。
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。
【００３９】
図４Ａ〜４Ｂは、車両１００の例示的な後面アセンブリ１３０の拡大側面図および後面斜視図であり、さらに、四節リンク機構１２２の例示的な構成を例解する。四節リンク機構は、（平坦面４１１に対して）ほぼ垂直方向に配向された２つのリンク、すなわち、第１のリンク板１６０、および第１のリンク板から離間した第２のリンク板１８０を含む。図のように、いくつかの実装では、第２のリンク板１８０は、第２のシャーシ部１１４の一部分であり得る。さらに、いくつかの実装では、第１のリンク板１６０は、四節リンク機構１２２を第１のシャーシ部１１２に結び付けるヒンジ１２０の一部分に連結される、またはその他の方法でそれを形成することができる。他の実装では、第１のリンク板をシャーシ１１２に直接連結することができる。
【００４０】
四節リンク機構はまた、概して、第１および第２のリンク板の間に垂直方向に間隔を空けて配置される第１のコネクタアーム１９０および第２のコネクタアーム２００の方向に延在する、２つのリンクを含む。一実施形態では、第１および第２のコネクタアーム１９０、２００は、異なる長さを有することができる。より具体的には、第１のコネクタアーム１９０および第２のコネクタアーム２００は、各々第１および第２のリンク板１６０、１８０に回動可能に接続される構造体の形態である。図に示すように、第１のコネクタアーム１９０は、第２のコネクタアーム２００の上方に配置されている。第１および第２のコネクタアーム１９０および２００は、それぞれ回動点Ｐ３およびＰ８で第１のリンク板１６０に回動可能に取り付けられるように構成されている。
【００４１】
より具体的には、いくつかの実装では、図４Ｂに示すように、各コネクタアーム１９０および２００の基端は、その間に開放端スロット（例えば、コネクタアーム１９０のスロット１９２）を形成する２つの対向するフランジを含むように成形され、スロット内にリンク板１８０の一部を受け入れることができる。したがって、コネクタアーム１９０および２００は、それぞれ回動点Ｐ３およびＰ８でリンク板１８０に回動可能に取り付けることができる。取り付け手段は、各回動点を中心とするコネクタアームの回転を可能にする、ピンまたは他の適切な留め具を含むことができる。
【００４２】
第１および第２のコネクタアーム１８０および２００は、それぞれ回動点場所Ｐ４およびＰ５で第２のリンク板１８０に同様に取り付けることができる。図４Ｂに示すように、いくつかの実装では、第２のコネクタアーム２００の先端は、開放端スロット２０２を形成するフランジを含み、その間に第２のリンク板１８０の一部分を受け入れることができる。加えて、第１のコネクタアーム１９０は、アームを貫通し、かつ閉鎖端を有する垂直スロット１９４を含むことができる。加えて、図示のように、第１のコネクタアーム１９０は、スロット１９４から自由端１９６に向かって後方に延在することができる。
【００４３】
図５Ａに示されるように、回動点Ｐ３とＰ４との間に延在する第１のコネクタアーム１９０の一部分は、長さＬ２を有することができ、回動点Ｐ８とＰ５との間に延在する第２のコネクタアーム２００の一部分は、長さＬ６を有することができ、回動点Ｐ３とＰ８との間に延在する第１のリンク板１６０の一部分は、長さＬ７を有することができ、回動点Ｐ４とＰ５との間に延在する第２のリンク板１８０の部分は長さＬ４を有することができる。
【００４４】
いくつかの実装では、四節リンク機構を形成するリンク（例えば、リンク板１６０および１８０と接続アーム１９０および２００）は、回動点Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ８を中心に所定の運動範囲を移動する際に、それらの間の干渉を回避するように成形され得る。例えば、図４Ａは、回動点Ｐ３およびＰ８の付近にそれぞれ相補的な切り欠きを含む第１のコネクタアーム１９０および第２のコネクタアーム２００を示し、これらは、アームが回動点を中心に所定量回転できるように成形されている。さらなる例として、コネクタアーム２００の底面は、第２のシャーシ部１１４と干渉しない所定の運動範囲を可能にするために、回動点Ｐ５の付近に同様の切り欠きを含むことができる。さらなる例として、図４Ｂに示すように、スロット１９４は、四節リンク機構が操作中に関節運動するときに、第２のシャーシ部１１４がスロット内でアーム１９０に対して回動および移動できる長さを有し得る。
【００４５】
前述のように、好ましくは、車両１００は、従動輪１３８を横断面に対して押して、または押し付けて、従動輪を表面と接触した状態に維持するように構成される。いくつかの実装では、これは、４つの四節リンク機構のうち少なくとも２つのリンクの間（例えば、第１および第２のリンク板１６０および１８０のうちの１つと、第１および第２のコネクタアーム１９０および２００のうちの１つとの間）に張力を付与することによって達成することができる。
【００４６】
四節リンク機構リンクうちの２つの間に張力を付与することは、バネ、ゴムバンドを使用して、またはそれらの間に他のかかる弾性物品を延出させることにより、実現することができる。加えて、いくつかの実装では、バンドまたはバネは、１つ以上のリンクから延出する構造部材、すなわち「延出部」に取り付けられることができ、それによって、てこの力が増加し、バンドによって車両１００の様々な構成要素に付与される正味の力は、増加する。例えば、図４Ａ〜図４Ｃに例解するように、第２のシャーシ部分１１４は、リンク板１８０に対して概して直角におよび後方に（すなわち、車両の反対側の前端から離れて）延在する延出部材１８５を含むことができる。加えて、第１の接続アーム１９０は、回動点Ｐ４から自由端１９６に向かって後方かつ上方に延在する延出部を含むことができる。図４Ｃは、例示的なロボット１００の側面斜視図であり、いくつかの実装では、それぞれ、第１のコネクタアーム１９０および延出部材１８５の１つ以上の側面から延在し得る水平ピン１９８および１８８を描写する。図４Ｃはまた、第１のコネクタアーム１９０および延出部材１８５の左側および右側の両方から延在する水平ピンの周りに配置され、それらの間に張力を付与する引張ゴムバンド２０２を描写する。
【００４７】
ピン１９８と１８８との間に付与されたゴムバンド２０２からの張力は、四節リンク機構１２２を形成するリンクおよび回動点を介して移動され、後方シャーシ部１１４、したがって従輪１３８を第１のシャーシ部１１２に対して下方に（すなわち、円弧Ｐに沿って表面４１１に向かって）押す正味の力をもたらす。前述のように、従輪を横断面に押し付けることはまた、第１のシャーシ部１１２を駆動輪１１６の回転軸を中心に前に傾け、前方支持体１４０を面に対して押す働きもする。例えば、図５Ｂは、パイプの表面に沿って横断する図５Ａの簡略化されたロボット車両の、張力をかけた四節リンク機構によって付与される静的な力のコンピューターモデルを描写し、Ｐ２（前方支持点と表面との間の接点）、Ｐ０（駆動輪と表面の間の接点）およびＰ７（従動輪と表面との間の接点）における方向性のある力を例解する。Ｐ２およびＰ７の方向矢印は、それぞれ、前方支持点および従動輪が受ける反力を表す。駆動輪の側方にある方向矢印５０５Ｂは重力の方向を表し、方向矢印５０５Ａはその重心に付与された車両の質量に対応する力を表す。
【００４８】
張力をかけた四節リンク機構１２２によって付与される力は、規定の張力を提供する張力要素を使用して、張力要素の数を増加または減少させること、および張力が付与される後面アセンブリ１３０の場所を調整すること（例えば、より長い延出部を使用して、てこの力を増加すること、延出部上のピン１８８と１９８の相対場所を変更すること、ならびにその他、四節リンク機構および／またはそこから延在する延出部の形状を調整すること）により、調整することができる。例えば、本明細書でさらに記載される実装では、従動輪１３８は、すべて軸Ｐ６を中心に回転する、２つの離間した磁気車輪の間に配置されているドライカップリング超音波ホイールプローブを含むアセンブリであり、正確なセンサ読み取り値を取得するため、およびゴムプローブ車輪よりも小さい直径を有しうる磁気車輪のうちの１つ以上が、横断される表面と確実に接触するようにするために、従動輪にかかる下向きの力は、センサプローブのゴム車輪を所定量圧縮するように形成される。
【００４９】
前述の例示的な実装は、四節リンク機構のうちの２つのリンクの間に延在するゴムバンドまたはバネを含むことができるが、下向きの力を提供する他の方法は、例えば、四節リンク機構１２２のうちの任意の２つのリンクの間に作用するねじりバネ、スイベルジョイント１２０の下端から従動輪１３８のキャリア（例えば、後方シャーシ部１１４）までの引張バネ、四節リンク機構の１つ以上のリンクと、第１のシャーシ部１１２あるいはスイベルジョイント１２０の上端との間の圧縮バネ、または、四節リンク機構と、第１のシャーシ部１１２またはスイベルジョイント１２０との間に作用する定荷重ばね（例えば、テープバネ）を含むが、限定されるものではない。加えて、上述のバネ状要素の代わりに、またはそれに加えて作用するリニアアクチュエータおよびモータなどのアクチュエータを利用して、横断される表面に対して第２のシャーシ部１１４を強制的に押し付けることができる。
【００５０】
従動輪が横断面に沿って滑らないようにするために、第２のシャーシ部１１４に加えられる力が従動輪１３８によって提供される牽引力に打ち勝たないように、引張アセンブリを構成することが好ましい場合がある。例えば、表面に対して従動輪を押す過度の張力は、従動輪が曲面上に存在することと相まって、後面機構が第１のシャーシ部１１２の片側に旋回し、したがって、従動輪を横方向に引きずる場合がある。特定の曲面上の従動輪によって提供される牽引力を考慮して張力を形成することに加えて、従動輪の牽引力（すなわち、摩擦係数）を増加させることにより、従動輪の横方向の滑りも防止することができる。例えば、従動輪のうちの１つ以上のリムにローレット加工を施してテクスチャを提供することができる。別の例として、リムは、ゴムまたはポリウレタンでコーティング加工を施すことができる。
【００５１】
従動輪の横方向の滑りはまた、後面機構１３０を第１のシャーシ部１１２の中心線との整列に向けて引っ張る、または言い換えると、ヒンジ継手１２０を中央に配置した状態に保持するように機能する、力を及ぼすように構成された１つ以上の張力要素を組み込むことで抑制することもできる。例えば、かかる構成は、回動軸が中心に置かれるときに中立位置を有するように構成されたばね鋼のシートを含むことができる。加えてまたは代替的に、後面アセンブリ１３０の一部を第１のシャーシ部の両側に接続するバネ要素は、操作中に後面機構１３０がヒンジを中心に回転することを可能にしながら、かかるセンタリング力を提供することができる。
【００５２】
いくつかの実装では、張力アセンブリによって第２のシャーシ部１１４に加えられる下向きの力が、駆動輪を横断面と接触した状態に維持する磁力に打ち勝たないように、適切に強い磁石を有する駆動輪１１６を利用することが好ましい場合もある。さらに、張力アセンブリによって従動輪１３８に付与される下向きの力は、車両１００を安定に保つために表面に対して前方支持体１４０を維持するのを助けるが、場合によっては、この下向きの力に打ち勝ち、それによって、前方支持点は、表面との接触を断つ場合があることを理解することができる。例えば、前方支持点が表面上の障害物を横断する場合、障害物と接触する場合があり、それは、後方機構の下向きの力が打ち消されるまで初期抵抗を与え、それにより、前方支持体が一時的に表面から外れ、第１のシャーシ部が磁気車輪の軸を中心に後ろに揺らされ、したがって、前方支持体が障害物を乗り越えることができる。
【００５３】
［四節リンク機構形状を形成するための例示的な方法］
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。
【００５４】
図６Ａは、図５Ａに示されたロボット車両モデルの簡略化された概略側面図を描写し、さらに、パイプの有効断面６００の近似を例解し、断面は、ロボットがパイプの表面上で螺旋状に横断するときのロボットの中央平面に沿っている。図６Ａに示されるように、パイプの有効断面は、楕円に対応する。さらに、半径「ｒ」のパイプの場合、前述の楕円の短軸は、「ｒ」に等しく、長軸は、ｒ／Ｓｉｎ（θｓｔｅｅｒ）に等しく、ここで、θｓｔｅｅｒは、断面の平面とパイプの中心線との間の角度（または、パイプ上のロボットの螺旋経路のピッチを形成する角度）を形成する。θｓｔｅｅｒ＝０の場合、これは、パイプの周りの円周軌道用に構成されたロボットを表す（言い換えると、楕円は、半径ｒの円になる）。同様に、θｓｔｅｅｒ＝９０度は、パイプに沿って長手方向に駆動するロボットに対応する無限大の長軸が生成される。
【００５５】
図６Ａに示すように、磁気駆動輪と楕円との間の接点は、楕円の長軸に沿って常に生じると想定される。すなわち、車両は、パイプ上の一定ピッチの螺旋状の経路をたどるとき、楕円の周囲に沿って移動せず、むしろ、クローラが移動すると、あらゆる点で同一の楕円形の断面が常に発生する。これは、駆動輪が、磁気を帯びており、表面に対して２つの対称的に離れた接点を有するように設計されているという事実のため、自然に発生する現象であり、それは、駆動輪を表面に対してロール方向に効果的に垂直化する。
【００５６】
したがって、いくつかの実装では、四節リンク機構形状を最適化する方法は、回動点Ｐ８の場所を形成することを含むことができる。例えば、図４Ａを参照すると、ヒンジ２００の概して垂直なプレート上のＰ８の場所を、Ｐ３に対して１つ以上の方向（例えば、下、前方、後方など）に移動させることができる。したがって、Ｐ８の場所を変更することは、回動点Ｐ８とＰ５との間に延在するリンクの長さ、および回動点Ｐ８とＰ３との間に延在するリンクＬ７（図５Ａに示す）の有効な長さおよび配向を形成する。この例示的なアプローチは、他のすべての設計寸法が既知である、またはすでに形成されていることを前提としている。しかし、いくつかの実装では、必要に応じてさらに最適化を繰り返すために、他の寸法のうちの１つ以上（例えば、第１のシャーシ部に対する、および相互の回動点Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５の場所）も変更することができる。それでもなお、点Ｐ８の場所の調整（例えば、図４Ａに示すようにヒンジプレート２００上のＰ８の場所を変更することによる）は、効果的な設計調整であり得る。特に、実際の用途は、垂直化特性を最適化するための点Ｐ８の最終調整は、優れた設計フローを促進することを示しており、これは、他の寸法は、一般に、例えば、所望の磁力、クローラ全体のサイズ、対象とするパイプサイズの範囲などであるが限定されない基準を使用して、設計プロセスの初期に形成することができるためである。
【００５７】
より具体的には、いくつかの実装では、最適化された垂直化特性を有する四節リンク機構を形成するための例示的なプロセスは、以下のステップを含むことができる。
●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。
【００５８】
上記の例示的な方法および車両モデルは、表面を横断する間の車両の動作の簡略化された近似であることを理解すべきである。例えば、モデルは、ロボットの駆動輪が楕円に接したままであると想定するが、実際には、駆動輪は、この想定された方法で必ずしも動くとは限らない。より具体的には、磁気駆動輪は、両方とも車両の長手方向平面のオフセットである２点（例えば、各離間したヨークに対し１つの接点）でパイプと接触するように構成することができるため、駆動輪は、パイプの凸形状が車輪のヨークの間に侵入したとき、螺旋状に走行しながら、パイプの中心線により近づいてたどることができる。代替モデルを使用して、これらの螺旋状の場合の楕円と重複する駆動輪を示すことができるが、それでもなお、簡略化されたモデルは、そのままで適切に正確な結果をもたらし得る。上記の四節リンク機構を最適化するためのモデルおよび方法は、例として提供され、限定されるものではなく、開示された実施形態の範囲から逸脱することなく、代替の方法およびモデルを実装することができることをさらに理解されるべきである。
【００５９】
［従動輪アセンブリおよび回転継手］
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。
【００６０】
本発明の一非限定的実装において、横断される表面の検査を実行するために（例えば、パイプ壁の厚さを超音波で測定するため）、従動輪アセンブリは、ドライカップリングホイールプローブ（ＤＣＰ）の形態である車輪付きセンサプローブ７１０を含むことができる。しかし、他の用途では、異なるタイプの車輪付きセンサおよび非車輪付きセンサを、従動輪アセンブリに組み込むことができることを理解されるべきである。加えてまたは代替的に、従動輪アセンブリ７３８は、ローリングセンサを組み込む必要は全くなく、１つ以上の受動的に転動する車輪を単に含むことができる。かかる実装では、光学および音響センサなどの検査装置を車両１００の他の部分に載置することができる。
【００６１】
例示的なＤＣＰプローブの実装に関して、ドライカップリングプローブは一般に、正確な測定値を取得するために、その内部のトランスデューサ構成要素が、検査される表面に対して垂直であることを必要とするため、横断面と、かかるセンサプローブ７１０の転動車輪との間の垂直な接触が維持されることが好ましい。したがって、本発明においては、後面アセンブリ１３０および従輪アセンブリ自体を含むジョイントは、横断される表面に対するプローブの受動的な垂直化を促進するように構成され得る。
【００６２】
センサ車輪７１０は、ハウジング７００の中空内部空間内に回転可能に配置されており、センサ７１０は、側壁７０２の間に延在し得る車軸７０１を中心に回転する車輪の形態である。センサプローブ（車輪）７１０が車軸７０１に回転可能に結合されると、センサプローブ７１０の一部分が側壁７０２の下端の下方に延在するように、センサ７１０は、直径を有し、側壁７０２は、高さを有する。軸７０１はまた、さらに後面機構１３０が表面１１１を横切って転動してその検査を可能にする１つ以上、および好ましくは２つの車輪（ローラー）７２０を支持することができる。例解された実施形態では、センサプローブ（車輪）７１０は、一対の車輪７２０の間に配置されている。磁気駆動輪１１６と同様に、車輪７２０は、後面アセンブリ１３０が金属表面１１１に取り付けられ、駆動輪１１６の駆動に応答してそれを横切って移動可能であるように、磁性材料で形成されることが好ましい。図７Ｂは、車軸７０１に配置された車輪付きセンサプローブ７１０およびローラー車輪７２０の斜視図であり、ハウジング７００は描写されていない。
【００６３】
上述のように、いくつかの実装では、従動輪アセンブリ７３８が第２のシャーシ部１１４に対して移動しないように、従動輪アセンブリ７３８のハウジング７００を第２のシャーシ部１１４にしっかりと取り付けることができる。代替的に、上述のように、従動輪アセンブリは、回転継手１２４によって第２のシャーシ部１１４に接続することができる。例えば、図７Ｃに示す例示的な実装では、ハウジング７００および車輪７１０、７２０が、ヒンジの軸ＲＡを中心に第２のシャーシ部１１４に対して転動することができるように構成されたヒンジ７２４により、車輪アセンブリのハウジング７００は、第２のシャーシ部１１４に取り付けられ得る。ヒンジは、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など、いくつかの異なるタイプであり得る。
【００６４】
ロールＤｏＦが垂直化目的のために従動輪アセンブリに追加される、かかる実施形態では、垂直化線に関して対称に配置されている、対象面との少なくとも２つの離れた接点を提供する従動輪アセンブリを提供することが好ましい場合がある。例えば、図７Ａ〜７Ｃに示されるように、２つのローラーベアリング車輪７２０は、垂直化線７５０と位置合わせされている中央車輪プローブ７１０に関して対称的に配置することができる。実際には、従動輪アセンブリがパイプに対して下げられると、サイド車輪７２０の一方が他方の前に表面と接触する場合、反対側のサイド車輪が表面と接触して、その間にあるプローブ車輪を効果的に垂直化するまで、アセンブリは、回転継手１２４を中心に回動することができる。図８Ａは、平坦面７１１に沿って操縦する例示的なロボット１００の背面斜視図であり、回転継手１２４によって提供されるロールＤｏＦを例解する。図示のように、サイド車輪７２０は、表面７１１との２つの接点７５５を形成し、中央プローブ車輪７１０は、第３の接点を提供し、法線７５０に沿って表面に垂直に配向されている。図８Ｂは、湾曲したパイプ７５０に沿って横断する例示的なロボット１００の背面斜視図である。図のように、後面アセンブリ１３０は、例えば、あたかも車両１００が、先にパイプを中心に周方向で横断しており、その後、第１のシャーシ部１１２がパイプの長さに沿って長手方向で横断し続けるように操縦されたように、ヒンジ１２０を中心にシャーシの側方に回動される。図８Ｂはさらに、回動軸１２０、四節リンク機構１２２、および回転継手１２４の組み合わせによる、パイプ上の従動輪アセンブリの垂直化を例解する。
【００６５】
［配向を監視するためのセンサ構成］
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。
【００６６】
本発明の車両１００は、従来の製品には見られない多数の利点を提供し、従来技術に関連する欠陥を克服する。より具体的には、本発明の機器により以下の利点が得られる。
●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。
【００６７】
当業者によって、本発明の様々な組み合わせ、代替、および修正を考案することができることを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ある、かかるすべての代替、修正、および変形を包含することを意図している。
【００６８】
本明細書で使用される用語は、特定の実施形態のみを説明する目的のためであり、本開示を限定することを意図していない。本明細書で使用するとき、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈で別に明示していない限り、複数形も含むことを意図している。「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（含む）」および／または「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含む）」という用語は、本明細書で使用する際、述べた特徴、整数、ステップ、作業、要素、および／または構成要素の存在を明示するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、作業、要素、構成要素、および／またはそれらの群の存在または追加を排除しないことがさらに理解されるであろう。
【００６９】
また、本明細書に使用されている表現および専門用語は、説明目的のものであり、限定するものと見なされるべきではない。本明細書における「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含む）」、または「ｈａｖｉｎｇ（有する）」、「ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ（含む）」、「ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ（伴う）」、およびそれらの異形の使用は、それ以降に挙げられた項目、およびその均等物、ならびに追加項目を包含することを目的としている。
【００７０】
本発明は、その好ましい実施形態を参照して特に示され、記載されているが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形態および詳細の様々な変更を行うことができることを、当業者は理解するであろう。したがって、本発明の範囲は、前述の記載ではなく、添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲と同等の意味および範囲内に入るすべての変更は、その範囲内に包含されるものとする。
【符号の説明】
【００７１】
１００  ロボット車両
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
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【国際調査報告】
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