相关申请的交叉引用
本申请要求2017年9月19日提交的美国临时申请第62/560,265号、2018年1月11日提交的美国临时申请第62/616,147号、2018年6月20日提交的美国临时申请第62/687,753号和2018年9月19日提交的美国实用申请第16/135,413号的权益和优先权，出于所有目的通过引用其全部内容合并于此。
背景技术：
许多现有的管道爬行设备被设计成要么在管道内部行进，要么没有装备成绕过在管道外部可能遇到的障碍物。鉴于当前技术的局限性，仍然需要有效绕过和/或越过潜在障碍物导航通过的管道爬行设备，例如，展现管道有效直径变化、管道有效曲率变化的障碍物和/或沿着一个或多个径向方向从管道突出的障碍物。更特别地，需要这样的管道爬行设备，所述管道爬行设备有效地绕过和/或越过凸缘、阀、三通、弯曲部、支撑件等导航通过。另外，仍然需要这样的管道爬行设备，所述管道爬行设备在没有磁体力、真空力或空气动力的情况下相对于管道有效行进。另外，仍然需要有效执行相对于管道本身的期望功能(例如，腐蚀检测、壁厚测量)或基于沿着路径的行进但是与管道本身独立的期望功能(例如，成像和/或感测可以通过沿着管道行进到达的位置)的管道爬行设备和相关系统。通过本文公开的设备和系统有利地满足了这些和其他需求。
技术实现要素：
本公开涉及一种用于行经管道或类似结构的外表面的机器人设备。在各种实施例中，机器人设备可以包括：第一轮组件，所述第一轮组件包括轮和对准机构，并且构造成用于定位在管道的第一侧上；第二轮组件和第三轮组件，所述第二轮组件和所述第三轮组件中的每个包括轮和对准机构，并且构造成用于定位在管道的相对的第二侧上；以及夹持机构，所述夹持机构构造成施加力，以用于促使第二轮和第三轮沿着相反方向朝向第一轮的平面枢转，以将第一轮、第二轮和第三轮固定到管道，其中，对准机构构造成用于可选择地调整轮的取向，以允许机器人设备在管道上沿着笔直路径或螺旋路径移动。
在各种实施例中，轮中的至少一个可以具有用于接合管道的凹形表面。在各种实施例中，轮组件中的至少一个可以包括用于使对应组件的轮旋转的马达。在一实施例中，马达可以位于对应组件的轮的内部。
在各种实施例中，夹持机构可以包括用于产生拉力的一个或多个偏压构件。在一些实施例中，所述一个或多个偏压构件可以构造成被动地产生拉力，并且在一实施例中，所述一个或多个偏压构件可以包括张力弹簧、压缩弹簧和扭力弹簧中的至少一者。在一些实施例中，所述一个或多个偏压构件可以构造成主动地产生拉力。
在各种实施例中，夹持机构可以包括：第一臂构件，所述第一臂构件将第一轮组件与第二轮组件相连；第二臂构件，所述第二臂构件将第一轮组件与第三轮组件相连；以及一个或多个偏压构件，用于施加拉力以使轮接合在管道的相对侧上，所述一个或多个偏压构件或者将第一臂构件连接到第二臂构件，或者将第一轮组件连接到第一臂构件和第二臂构件。在一实施例中，夹持机构还可以包括第三臂构件和第四臂构件，所述第三臂构件和所述第四臂构件布置成分别平行于并且邻近于第一臂构件和第二臂构件，从而在第一轮组件和第二轮组件之间以及第一轮组件和第三轮组件之间分别形成第一平行四边形连杆机构和第二平行四边形连杆机构，其中，平行四边形连杆机构保持轮组件彼此平行对准，而无论轮组件彼此之间的相对位置。
在各种实施例中，夹持机构可以偏离并且平行于由轮共享的平面。在各种实施例中，机器人装置可以包括与夹持机构相对的开放侧，从管道延伸的障碍物可不受阻碍地通过所述开放侧。在各种实施例中，机器人设备还可以包括一个或多个构件，所述一个或多个构件构造成跨机器人设备的开放侧延伸以防止机器人设备从管道上掉落。在一些实施例中，所述一个或多个构件可以构造成沿着开放侧的平面枢转以适应障碍物通过机器人设备的开放侧。
在各种实施例中，对准机构可以构造成在相对于垂直于管道的轴线的旋转方向上调整对应轮的取向。在一实施例中，调整轮的取向可以导致机器人设备沿着管道沿着螺旋路径移动。在各种实施例中，对准机构可以包括：轮框架，轮围绕第一轴线可旋转地联接到所述轮框架；基板，轮框架围绕正交于第一轴线的第二轴线可旋转地联接到所述基板；马达，所述马达构造成使轮框架围绕第二轴线旋转，从而调整轮相对于基板的取向。
在各种实施例中，机器人设备还可以包括用于检查管道或管道的周围环境的传感器组件。在一些实施例中，传感器组件可以包括传感器、将传感器可旋转地联接到机器人设备的臂构件以及构造成使臂构件围绕可旋转联接件旋转以使传感器朝向或远离管道移动的致动器。
在另一方面中，本公开涉及一种用于利用机器人设备导航通过(navigating)管道上的障碍物的方法。在各种实施例中，方法可以包括以下步骤：提供机器人设备，所述机器人设备包括：(i)第一轮，所述第一轮构造成用于定位在管道的第一侧上；(ii)第二轮和第三轮，所述第二轮和所述第三轮构造成用于定位在管道的相对的第二侧上；以及(iii)夹持机构，所述夹持机构将第一轮连接到第二轮和第三轮，并且定位成偏离并且平行于由轮共享的平面，以便限定与夹持机构相对的开放侧；使机器人设备在管道上沿着螺旋路径前进，以将机器人设备的开放侧定位成与管道上的障碍物纵向对准；以及使机器人设备在管道上沿着笔直路径前进，使得障碍物无障碍地通过机器人设备的开放侧。
在各种实施例中，使机器人设备沿着螺旋路径前进可以包括相对于垂直于管道的轴线旋转地调整轮中的至少一个的取向。在各种实施例中，使机器人设备在管道上沿着笔直路径前进可以包括将轮的取向调整为与管道的纵向轴线对准。
在各种实施例中，机器人设备可以包括一个或多个构件，所述一个或多个构件构造成跨机器人设备的开放侧延伸以防止机器人设备从管道上掉落，其中，使机器人设备在管道上沿着笔直路径前进使得障碍物不受阻碍地通过机器人设备的开放侧包括：允许所述一个或多个构件沿着开放侧的平面枢转，以适应障碍物通过机器人设备的开放侧。在各种实施例中，方法还可以包括在相反方向上调整轮中的两个或更多个的取向，以使机器人设备相对于管道的纵向轴线侧向地前进，从而将机器人设备重新定位在管道上以解决轮滑移。
附图说明
从结合附图进行的以下详细描述中将更清楚地理解示例性的非限制性示例实施例。
图1a、图1b、图1c、图1d和图1e示出了沿着管道系统可能发现的各种障碍物；
图2是根据本公开的实施例的机器人设备的透视图；
图3a、图3b、图3c和图3d描绘了根据本公开的实施例的机器人设备的各种视图；
图4a是根据本公开的实施例的位于轮内的内部马达的剖视图；
图4b是根据本公开的实施例的轮组件的透视图；
图5a、图5b和图5c描绘了根据本公开的实施例的附接到管道的机器人设备的各种视图；
图6a和图6b示出了根据本公开的实施例的在更小直径的管道和更大直径的管道上的机器人设备；
图7示出了根据本公开的实施例的机器人设备，其中，轮对准调整成用于沿着管道螺旋行进；
图8a、图8b、图8c、图8d、图8e和图8f示出了根据本公开实施例的机器人设备，其遵循螺旋路径以经过障碍物；
图9a、图9b、图9c、图9d、图9e、图9f、图9g、图9h示出了根据本公开的实施例的机器人设备，其经过障碍物；
图10a、图10b和图10c描绘了根据本公开的实施例的故障保护机构；
图11a、图11b、图11c和图11d示出了根据本公开的实施例的故障保护机构，其允许障碍物通过；
图12a、图12b、图12c和图12d示出了根据本公开的实施例的机器人设备，其导航通过管道中的弯曲部；
图13a和图13b描绘了根据本公开的实施例的传感器组件，其处于降低位置和升高位置；
图14a、图14b、图14c和图14d描绘了根据本公开的实施例的另一传感器组件；
图15a、图15b、图15c和图15d描绘了根据本公开的实施例的机器人设备，其平移以解决轮滑移；
图16是根据本公开的实施例的夹持机构的齿轮的剖视图；
图17是根据本公开的实施例的夹持机构的透视图；
图18是根据本公开的另一实施例的夹持机构的侧视图；
图19a描绘了根据本公开的实施例的机器人设备，其导航通过从管道突出的小突出物；
图19b描绘了根据本公开的实施例的机器人设备，其导航通过管道中的弯曲部；
图20和图21描绘了根据本公开的实施例的机器人设备100的原型的侧视图，其中，轮100对准成用于沿着管道10笔直行进；
图22描绘了根据本公开的实施例的机器人设备100的原型的仰视图，其中，轮110的取向调整成用于沿着管道10螺旋行进；
图23描绘了根据本公开的实施例的机器人设备100的原型的侧视图，其导航通过管道10中的弯曲部；以及
图24描绘了根据本公开的实施例的机器人设备100的原型的侧视图，其中，开放侧102定位成用于使从管道10突出的障碍物通过。
具体实施方式
本公开的实施例涉及一种用于行经管道系统的外部的机器人设备，所述管道系统诸如是在化工厂、发电厂、制造工厂和基础设施中常见的管道系统。管道系统可以是复杂的并且存在各种障碍物，这些障碍物能够导致难以高效且有效地行经各根管道。例如，如图1a、图1b、图1c、图1d和图1e所示，代表性障碍物可以包括支撑件11(图1a)、接头12(图1b和图1c)、凸缘13(图1c)、阀14(图1c)，通风口或泄放口(类似于更小的阀)、直径变化部15(图1d)和弯曲部16(图1e)等。机器人设备的各种实施例可以构造成行经管道10并通过独特的架构和方法导航通过遇到的这种障碍物，如稍后更详细描述那样。
本公开的实施例涉及一种机器人设备，所述机器人设备也可以行经具有类似形状的其他结构的外部，例如结构缆索(例如，吊桥上)、结构梁、电力线、水下线缆和水下管道系统。
本公开的实施例可以在许多应用中有用，所述应用包括但不限于：
·使用摄像机、无损检测(ndt或ndi)或其他传感器的管道检查；
·检查管道系统附近的设备；
·对管道系统进行维护(例如，清洁外表面，去除隔绝材料，使用堵漏件/夹钳阻止泄漏)；
·沿着管道系统运输工具或设备(例如，便于在管道上安装传感器)。
机器人设备的各种实施例能够行经以任何取向(包括水平和竖直)布置的管道以及由任何材料(例如，钢、铝)制成的管道，乃至围绕管道外部具有隔绝材料的管道。隔绝材料通常是半刚性材料(例如，矿棉或硅酸钙)并由薄金属套(例如，铝或不锈钢)保护。
一般而言，本公开的机器人设备的实施例可以通过在管道的相对侧上施加夹持力而附接到管道。各种实施例能够在管道上保持静止位置并且可以以任何取向(例如，水平或竖直)在一定范围的管道尺寸上支撑其自身的重量。在各种实施例中，机器人设备可以构造成在尺寸和取向变化的管道上沿着在管道的纵向方向上的路径以及沿着螺旋路径(即，周向和纵向)驱动。这种操纵与围绕管道扩张或收缩夹持机构的能力以及开放侧架构相结合可以允许机器人设备导航通过沿着管道长度遇到的各种弯曲部和障碍物。机器人设备的低外形可使其能够沿着与其他管道非常接近的管道或位于附近的障碍物驱动，并且可以包括可选故障保护机构，以防止机器人设备在其轮与管道脱离的情况下掉落到地面。机器人设备还能够主动地感测和控制其施加在管道上的夹持力的大小，从而将其轮沿着管道滑移的风险最小化，与此同时确保机器人设备不会损坏管道或隔绝材料。此外，机器人设备能够主动地感测轮是否在管道表面上滑移并且主动控制各个轮以操纵机器人设备返回到管道的中心线。
在各个实施例中，机器人设备可以构造成沿着管道携带和部署有效载荷，例如摄像机(例如，可见光谱和ir摄像机)、如ndt传感器的各种传感器(例如，超声测试探头、脉冲涡流探头、数字射线照相设备、声学传感器)和爆炸下限(lel)传感器，以用于检查其附近的管道系统或设备，和/或其他有效载荷(如工具和设备)。在各种实施例中，机器人设备可以包括板载电源(例如，电池)并通过与操作员无线通信进行操作，从而无需电源线或系缆。
高层次架构
现在参照图2，本公开的机器人设备100可以大体包括：两个或更多个轮组件101，其构造成用于定位在管道10的相对侧上；以及夹持机构150，其用于调整两个或更多个轮组件之间的距离，以将机器人设备100固定到管道10。两个或更多个轮组件101中的一个或多个轮可以具有动力，使得机器人设备可以在纵向方向上沿着管道10行经。在各种实施例中，轮可以被重新定向以允许机器人设备100在管道10上沿着螺旋路径移动并且从而定位机器人设备100以越过管道10的特定部分和/或避开从管道10的表面延伸的障碍物，如稍后更详细描述的那样。
图3a、图3b、图3c和图3d描绘了机器人设备100的代表性实施例的若干视图。所示的代表性实施例包括三个轮组件101a、101b、101c，其以三角形构造布置在公共平面(“轮接合平面”104)中，使得轮组件101a定位成用于接合管道10的第一侧，轮组件101b、101c定位成用于接合管道10的相对的第二侧。夹持机构150从轮接合平面104偏移并且联接轮组件101a、101b、101c。如所构造的那样，轮组件101a、101b、101c可沿着管道10的外部行经，而夹持机构150的偏移定位允许夹持机构150在管道10旁边行进通过空气或水。本构造提供了这样的机器人设备100，所述机器人设备具有与夹持机构150相对的开放侧102(如图5c最佳所示)，从管道10的外表面延伸的障碍物可以不受阻碍地通过所述开放侧，从而允许机器人设备行经管道10上的这种障碍物，如稍后更详细描述的那样。
轮组件101
仍然参照图3a、图3b、图3c和图3d，每个轮组件101可以大体包括轮110和对准机构120。一般而言，轮110可以构造成沿着管道10的外表面接合和旋转，并且对准机构120可以构造成调整轮110的取向并且由此限定机器人设备在其行经管道10时要遵循的路径。
在各种实施例中，轮110可以包括适合于沿着管道10的外表面接合和旋转的任何可旋转体。为此，轮110通常可以包括具有接触表面112的旋转体，并且可以可旋转地与轮框架114联接。
轮110可以具有适合于上述目的的任何形状和构造，例如但不限于盘形或圆柱形。尽管可以使用标准轮，但是在各种实施例中，轮110有利地具有专门设计用于适应并因此更有效地接合管道10的外表面的圆形的形状。为此，在各种实施例中，接触表面112可以基本上倒置(例如，v形，沙漏形)，其中，接触表面112具有凹曲率，所述凹曲率的尺寸设计成符合管道10的圆形形状。如图5c最佳所示，与具有平坦或凸形接触表面的标准圆柱形轮相比，接触表面112的沙漏形状可以用于最大化轮110和管道10之间的接触面积，这是因为本公开的沙漏形状接触表面112基本上包绕(wraparound)管道10的曲率，从而提供不仅与管道的中心接触，还与顶部四分之一的接触。通过增加轮110和管道10之间的总接触面积，有更多的摩擦力可用来将机器人设备100牢固地联接到管道10。通过将轮110和管道10之间的接触面积围绕管道的圆周分布，轮110具有良好的杠杆臂以支撑离轴力，例如来自夹持机构的典型力。因此，轮的形状允许机器人设备100在管道10上保持给定的周向取向(例如，直立，对角倾斜)，而同时又不会在管道10上滑倒。
此外，在各种实施例中，接触表面112的沙漏形状可以用于使轮110沿着管道10的纵向中心线自动居中，如图5c所示。如所构造的那样，由于向内倾斜的接触表面112与管道10的圆形表面之间的接触可偏压轮110以使其自身在管道10的纵向中心线上居中，因此轮110不太可能完全从管道10脱离。如图所示，在轮组件101被布置在公共的接合平面104内的实施例中，这尤为有益，这是因为这样的构造大体从两个径向方向而不是假如在轮组件101将围绕管道10定位在多于两个的周向位置的情况中从三个或更多个径向方向夹持在管道10上。此外，接触表面112的形状和尺寸可以设置成使其在一定范围的管道尺寸上有效地起作用。从垂直于轮的同心轴线的方向看的轮轮廓的直边可以有目的地选择，使得接触点之间相对于管道中心的角距离对于任何管道尺寸都是恒定的。但是，接触点之间的线性距离随着管道尺寸的增加而增加，使得轮110在其上有效的管道尺寸范围受到轮110的总宽度的限制。
接触表面112的形状尤为适合围绕管道的螺旋运动，所述螺旋运动包括机器人设备100可能表现出的螺旋运动。考虑包括轮的中心轴线和垂直于管道表面的向量的平面。当轮定向成沿着管道的纵向轴线笔直地驱动时，管道在前述平面中的截面为圆形。当轮定向成相对于管道的纵向轴线成一定角度驱动时，管道在上述平面中的截面为椭圆形。这有效地改变了轮在其上驱动的管道区段的曲率，这类似于管道尺寸的变化如何改变管道的曲率。类似于轮如何可以适应一定范围的管道尺寸，其还可以适应一定范围的转动角度，所述转动角度有效地改变了轮下方的管道曲率。通常，轮和管道之间的接触面积随着曲率的减小而增加。因此，接触面积随着管道尺寸的增加以及轮行进方向和管道纵向轴线之间的夹角的增加而增加。
在各个实施例中，对准机构120可以包括适合于调整轮110的取向的任何机构，并且由此限定机器人设备在其行经管道10时要遵循的路径。特别地，在各个实施例中，对准机构120可以构造成相对于垂直于管道10的轴线旋转地调整相关轮110的取向，以沿着管道10操纵机器人设备。也就是说，对准机构120在各个实施例中可以调整相关轮110围绕机器人设备100的偏航轴103的取向(图3c、图5c、图8a、图8b、图8c、图8d、图8e和图8f所示)，使得轮110围绕垂直于下面的管道10表面延伸的轴线顺时针或逆时针重新定向。如所构造的那样，对准机构120可调整轮110的取向以沿着笔直路径(即，轮110取向与机器人设备100的偏航轴103以及管道10的纵向轴线对准)或沿着螺旋路径(即，偏航的轮110取向，相对于垂直于下面的管道10表面延伸的轴线顺时针或逆时针调整)行经管道10。
参照图4b，在一实施例中，对准机构120可以包括马达122和基板124，轮框架114可旋转地联接到所述基板。马达122可以接合轮框架114以使轮框架相对于基板124旋转，从而调整轮110相对于基板124的取向。在所示的实施例中，基板124可以固定地联接到夹持机构150，并且轮110整体上可以相对于机器人设备重新定向。为了促进马达122和轮框架114之间的接合，所述马达和轮框架可分别设置有齿轮齿123、116，所述齿轮齿可彼此啮合，使得通过马达122的旋转引起轮框架114围绕垂直于基板124的轴线旋转。当然，这仅是用于调整机器人设备100的轮110的取向的适当机构的说明性实施例，并且本领域的普通技术人员将认识到在本公开的范围内的其他适当的对准机构。
在某些情况下，一个或多个对准机构120可以构造成以不同的量和/或沿着不同的方向单独地调整轮110的各自取向。当所有轮110沿着相同的顺时针或逆时针方向转动相同的量时，机器人设备100可以沿着螺旋路径行进。相反，当轮110沿着相反方向定向时，使得管道10一侧上的轮110沿着一个方向(例如，顺时针)转动，而管道10的相对侧上的轮沿着相反方向(例如，逆时针)转动，机器人设备100可以沿着不同的路径行进。在后一种情况下，轮110可以行进，使得机器人设备100沿着管道10的纵向轴线移动并且相对于同一轴线侧向地平移。如果例如由于机器人设备100的重量而轮110滑移离开管道10的中心线，则这可以是有益的。这种用于自调整机器人设备100在管道上的位置的方法稍后在图15a、图15b、图15c、15d中示出。
根据本公开的示例实施例，一旦开始机器人设备100在管道10上轴向运动，则轮的角度取向就可以“锁定”。以此方式，随着机器人设备100沿着管道10移动可以保持期望的行进模式，例如，在轮110的5°偏轴对准的情况下的螺旋行进。可以采用各种锁定特征将轮框架114(并且因此轮100)可解除地固定在所需的角度取向，如对本领域技术人员显而易见的那样。
在各种实施例中，轮组件101还可以包括用于驱动轮110旋转的马达130。马达130可以包括适合于驱动轮组件101的相关轮110旋转的任何马达，例如但不限于有刷dc马达等。
如图3a、图3b、图3c所示，在各个实施例中，马达130可以定位在轮110的外部并且通过传统传动系连接到轮110以用于旋转轮110。在其他实施例中，马达130可以替代地封装在轮110内，如图4a和图4b所示。特别地，如图所示，马达130可以放置在轮110内，其中，其输出轴132与轮110的旋转轴线131同心。马达130可以被刚性地安装到圆柱形壳体134，所述圆柱形壳体被设计成附接到轮框架114。如所构造的那样，圆柱形壳体134可以用作轴，所述轴通过成组轴承(例如，锥形滚柱轴承)136支撑轮110而同时允许轮110相对于圆柱形壳体134旋转。如图所示，马达130的输出轴132可以联接到轮110，使得马达130可以控制轮110的旋转。在各种实施例中，马达130的输出轴132还可以通过附加轴承(例如，滚柱轴承)138有利地由轮框架114支撑。
轮组件101还可以包括一个或多个控制器(未示出)，用于控制马达130的操作，例如转速、扭矩等。控制器可以从各个位置接收命令。例如，关于机器人设备100安装的控制器中的一个可以充当“主”控制器，而其他控制器可以充当“从”控制器，使得从控制器响应于从主控制器接收的命令。替代地，每个控制器可以独立地操作并且可以接收独立的命令。如本领域中已知的那样，可以例如通过无线(或有线)通信远程传输命令。也可以全部或部分地在控制器中预先编程命令，例如，基于时间的命令，用以根据基于时钟的标准进行操作。
尽管示例性机器人设备100被描绘为具有三个马达130，但是所公开的设备可以被实现为使得为少于与该设备相关联的全部轮的轮提供马达。例如，可以设置与单个轮110相关联的单个驱动马达130，并且其他轮110可以响应由单个马达130(以及相关联的轮110)发起的运动而旋转。类似地，可以为包括三个轮110的设备提供一对马达130，使得两个轮110可以从相关联的马达130接收驱动力，而第三轮110响应于设备相对于管道10的运动而旋转。
在本公开的示例实施例中，可以控制各个轮110的相对速度，以增强设备的操作。例如，当导航通过管道10中的转弯部或弯曲部时，可能希望驱动中心轮(例如，轮组件101a的轮)快于任何一个外轮(例如，轮组件101b、101c的轮)。在这种情况下，可以对控制器进行编程，以增加对中心轮110的驱动力和/或减小对外轮110的驱动力。替代地，当导航通过管道10中的转弯部或弯曲部时，可能希望驱动外轮110快于中心轮110。在这种情况下，可以对控制器进行编程，以增加对外轮110的驱动力和/或减小对中心轮110的驱动力。所提到的调整可以例如由操作员手动发起或者可以例如基于与识别管道10中的转弯部/弯曲部的组件相关联的感测机构(例如，基于设备的一个或多个方面的角度取向的感测)自动发起。
夹持机构150
参照图5a、图5b和图5c，在各种实施例中，机器人设备100的夹持机构150可以大体包括一个或多个臂构件152和一个或多个偏压构件154。在各种实施例中，臂构件152可连接管道的相对侧上的轮组件101，偏压构件154可在臂构件152上施加拉力或推力，使得轮组件接合管道10的相对侧，从而将机器人设备100固定至管道10，如稍后更详细描述的那样。
在各种实施例中，臂构件152可以成对布置，其中，给定对的构件彼此平行布置并且由间隙分开，如图5a所示。给定对中的每个构件152的端部可以与相关的轮组件101可旋转地联接，使得给定对在对应的轮组件101之间形成平行四边形连杆机构。在一实施例中，不管连接的轮组件101的相对位置如何(如稍后所述，其可以随管道的直径而变化)，平行四边形连杆机构可以用于将连接的轮组件101保持成在管道10的任一侧上彼此平行对准。通过保持连接的轮组件101在管道10的相对侧上彼此平行对准，相关联的轮110可以更有效地接合管道10的表面并将机器人设备100牢固地联接到其上。另外，保持连接的轮组件101彼此平行对准对于对准机构120正确发挥作用是重要的。即，对准机构120使轮110绕其转动的偏航轴103应垂直于管道10的表面。
例如，在图5a中，臂构件152a、152b以上述布置方式形成一对，并且将轮组件101a与轮组件101b相连。如所构造的那样，轮组件101b可以相对于轮组件101a顺时针枢转(例如，向上和向左)，以接合狭窄直径的管道10，或者可以相对于轮组件101a逆时针旋转(例如，向下和向右)，以接合较大直径的管道，反之亦然。随着轮组件101a、101b相对于彼此枢转，由臂构件152a、152b形成的平行四边形连杆机构使得连接的轮组件101a、101b在管道10的任一侧上保持彼此平行对准，从而确保每个轮组件的轮110保持与管道10齐平并接合。类似地，臂构件152c、152d以上述布置方式形成一对，并且将轮组件101a与轮组件101c相连。如所构造的那样，轮组件101c可以相对于轮组件101a逆时针枢转(例如，向上和向右)，以接合狭窄直径的管道10，或者可以相对于轮组件101a顺时针旋转(例如，向下和向左)，以接合较大直径的管道，反之亦然。随着轮组件101a、101c相对于彼此枢转，由臂构件152b、152c形成的平行四边形连杆机构使得连接的轮组件101a、101c在管道10的任一侧上保持彼此平行对准，从而确保每个轮组件的轮110保持与管道10齐平并接合。
当然，在各个实施例中，可以使用单个臂构件152(与前述的一对相对)连接两个轮组件101。在这样的实施例(未示出)中，根据需要可以采用替代方式保持连接的轮组件101平行对准。例如，单个臂构件152可与处于与上述对的相同平面中与一对丝线(wire)一起使用。丝线可以在臂构件152的每一侧上直接附接到轮组件101。虽然臂构件152将提供必要的结构完整性，但是当臂构件152枢转时，丝线将接合并且(基于与平行四边形连杆机构相同的运动学)保持连接的轮组件101彼此平行对准。应当认识到的是，丝线通常仅承受拉伸载荷而不是压缩载荷，因此可能需要两条丝线。
在各种实施例中，偏压构件154可构造成施加力，以用于将相对的轮组件101拉向管道10的相对侧，以将机器人设备100固定到管道10。偏压构件154可以包括适合于此目的的任何机构，例如但不限于气体张力弹簧(如图5a、图5b和图5c所示)、张力弹簧(如图17所示)、压缩弹簧、扭力弹簧或其任意组合。附加地或替代地，偏压机构154可以包括一个或多个主动偏压构件(与紧接在前面提到的被动偏压构件相对)，诸如机动滑轮系统、机动导螺杆或气动/液压致动器等。
如所构造的夹持机构150可以自动调整轮组件101相对于彼此的位置，以适应直径不同的管道。例如，机器人设备100可以显著压缩以适应小直径的管道，从而导致产生这样的构造，在所述构造中，轮组件101b、101c沿着管道10的纵向轴线与轮组件101a几乎共面(即，被管道10的小直径隔开)，但是沿着管道10的纵向轴线位于远离轮组件101a的位置处，如图6a所示。相反，机器人设备100可以显著扩张以适应大直径的管道，从而导致产生这样的构造，在所述构造中，轮组件101a、101b、101c沿着管道10的纵向轴线彼此靠近，但是轮组件101a位于远离轮组件101b、101c的位置处(即，被管道10的大直径隔开)，如图6b所示。如所构造的偏压构件154a、154b、154c、154d可以在轮组件101a与每个轮组件101b、101c之间持续施加拉力，从而将机器人设备100牢固地联接(或“夹持”)到管道10，而无论其围绕管道10的圆周的取向和无论管道10是水平还是竖直定向。
返回参照图5a、图5b和图5c，在代表性实施例中，偏压机构154可以包括气体张力弹簧。如图所示，气体张力弹簧可以将从轮组件101b、101c延伸的一个或多个臂152联接到轮组件101a。当气体张力弹簧在臂构件152上施加拉力时，其产生围绕臂构件152附接到轮组件101a的枢轴点的扭矩。该扭矩将用于相对于轮组件101a向外以及向上拉动轮组件101b、101c，从而将机器人设备100压缩到管道10上。
参照图16，在一实施例中，夹持机构150可以包括成组齿轮，这些齿轮附接到将臂构件152b、152d连接到轮组件101a的轴。包括这些齿轮以确保臂构件152a、152b、152c、152d枢转相同的角位移并且夹持机构150相对于轮组件101a保持对称。臂构件152需要枢转相同的角位移，使得连接的轮组件101不仅相对于彼此平行对准，而且相对于管道10平行对准。在图17的替代实施例中(稍后描述)，不需要特定的机构来确保构件臂等同地枢转。即，如果等同的偏压构件154将101a轮组件连接到每组臂构件152(与将臂构件152直接连接到彼此的一个偏压构件形成对比，如图5a、图5b和图5c所示)，他们便使臂构件152转动相同的角位移，这是因为这是能量上最有利的位置。
在替代实施例中，偏压构件是主动控制的致动器，例如线性致动器(导螺杆/滚珠螺杆/滚柱丝杠)、齿条与小齿轮、蜗杆传动或液压/气动致动器。主动控制的偏压构件的优点包括施加太小或太大的力的可能性更低。如果夹持力太小，则轮将开始在管道上滑移。如果夹持力太大，则会在夹持机构上施加不必要的应力并增加变形和/或损坏管道、管道隔绝材料或其他设备的风险。使用主动控制的偏压元件，可以基于传感器值(例如，轮滑移传感器)、基于环境条件(例如，如果下雨使管道湿滑，则需要更高的夹持力)和/或来自操作员的视觉观察(例如，如果观察到隔绝材料变形，则建议较低的夹持力)实时调整所施加的力。主动控制的偏压构件还可以促进将机器人设备附接到管道以及从管道拆卸的过程，而被动偏压构件需要使用夹具或类似的装置将设备附接到管道和从管道拆卸。主动控制的偏压构件也可以设计成在宽范围的管道尺寸上施加适当的力，而被动偏压件通常具有在其上施加适当量的力的更有限范围的管道尺寸。主动控制的偏压构件的两个主要缺点如下。首先，主动控制的致动器通常不会像被动偏压构件那样快速运动。当机器人设备围绕弯曲部行进时，特别重要的是能够快速闭合夹持机构，以保持轮和管道之间的接触。其次，主动控制的设备在机械和电子方面更加复杂，因此更容易发生故障。
向前参照图17，在另一替代实施例中，一个或多个偏压构件154可以将位于管道10的第一侧上的轮组件101与延伸至位于管道10的相对的第二侧上的轮组件101的臂构件152相连，如图所示。当然，在各种实施例中，偏压构件154可以附加地或替代地直接连接相对的轮组件(或甚至关联的结构)以达到类似的效果。例如，在图17的实施例中，偏压构件154a、154b(在此示出为张力弹簧)可以将轮组件101a连接到延伸至轮组件101b的臂构件152a、152b，并且偏压构件154c、154d可以将轮组件101a连接到延伸至轮组件101c的臂构件152c、152d。更具体地，偏压构件154a、154b、154c、154d的第一端连接到从轮组件101a纵向延伸的支柱156，并且偏压构件154a、154b、154c、154d的第二端各自分别连接到臂构件152a、152b、152c、152d的中间或远侧部分。这样的布置确保了由偏压构件154a、154b和偏压构件154c、154d产生的相关联拉力的矢量将作用以将轮组件101b、101c分别相对于轮组件101a向外且向上拉动(而同时向下拉动组件101a)，从而使机器人设备100压缩到管道10上，如图17所示。
图18示出了夹持机构150的又一替代实施例。虽然在四轮机器人设备100上示出了夹持机构150的该实施例，但是本领域的普通技术人员将认识到在不背离本公开的范围的前提下本实施例可以适用于具有三个轮或大于四个轮的机器人设备100。
在该实施例中，夹持机构150可以大体包括用于驱动导螺杆181的马达180，所述导螺杆进而使多个线性臂对182a、182b、182c运动以使夹持机构150扩张或压缩。更具体地，轮组件101a和101b可以联接到第一框架183a，从而限定第一框架组件184a，而轮组件101c、101d可以联接到第二框架183b，从而限定第二框架组件184b。如图所示，线性臂182中的每一个可具有可旋转地联接到第一框架183a或第二框架183b的第一端185和可旋转且可滑动地联接到线性引导件187的第二端186。多个线性臂182中的至少一些的第二端186可以可操作地联接到导螺杆181，使得导螺杆181的旋转引起可操作地联接的第二端186从线性引导件187上的第一位置移动到线性引导件187上的第二位置，从而改变每对中的每个线性臂182相对于彼此的角度。随着每对中的线性臂182之间的角度改变，调整第一框架组件184a和第二框架组件184b之间的距离。例如，沿着第一方向驱动导螺杆181可以导致可操作地联接的第二端186沿着线性引导件187向内移动，从而导致每对中的线性臂182之间的角度随着每个臂182变得更垂直于线性引导件187而增大。这可以导致第一框架组件184a和第二框架组件184b移动更远离线性引导件187，从而使机器人设备100扩张。相反，沿着相反的第二方向驱动导螺杆181可以导致可操作地联接的第二端186沿着线性引导件187向外移动，从而导致每对中的线性臂182之间的角度随着每个臂182变得更平行于线性引导件187而减小。这可以导致第一框架组件184a和第二框架组件184b移动更靠近线性引导件187，由此压缩机器人设备100。通过调整第一框架组件184a和第二框架组件184b之间的距离，夹持机构150可以适应各种直径的管道10并且导航通过弯曲部，如图19b所示并在整个本公开中描述。
现在参照图19a，另外地或替代地，在一实施例中，少于所有第二端186的第二端可以操作地连接到导螺杆181。如所构造的那样，那些没有操作地连接到导螺杆181的第二端182可沿着线性引导件187自由平移，从而允许第一组件184a和第二组件184b中的至少一个相对于彼此枢转。进而，这可以允许机器人设备行经从管道突出的小的障碍物，与此同时保持除一个轮110之外的所有轮始终与管道10的表面接触。例如，仍然参照图19a，轮组件101c可以爬上小的突出障碍物，从而引起第二框架组件184b枢转。第二框架组件184b的这种枢转允许轮组件101d保持与管道10的底侧接触。此外，第二框架组件184b相对于第一框架组件184a的枢转还允许轮组件101a、101b保持与管道10的上侧接触，而同时轮组件101c行经障碍物。类似地，随着轮组件101d随后行经障碍物，框架组件184a、184b将相对于彼此枢转，并且因此轮组件101a、101b和101c将保持与管道10接触。
行经管道并避开障碍物
在操作中，机器人设备100可以安装在管道10的外表面并且行经管道10，以传递、执行和/或支持各种功能，例如针对结构缺陷或腐蚀检查管道10以及针对可能已从管道10泄漏出的流体的痕迹对周围环境采样。在这样做时，机器人设备100有时需要将其自身沿着周向方向重新定位在管道10上，以便例如导航通过从管道10延伸的一个或多个障碍物或检查管道10的特定侧。类似地，有时，当尝试检查管道10外部或周围环境的大部分时，对于机器人设备而言可能有利的是围绕管道10的外部螺旋形行进或以其他方式遵循螺旋图案。因此，本公开的机器人设备100可以构造成沿着直线和螺旋路径行经管道10。一般而言，沿着这些路径的行进可以通过使用马达130驱动轮110中的一个或多个以及使用对准机构120操纵轮110来完成，如下文进一步详细描述的那样。
如图5a、图5b和图5c所示，为了遵循沿着管道10的笔直路径，对准机构120可以将轮110定向成与管道的纵向轴线对准。如所构造的那样，沙漏形状(如果配备)可以使轮110在管道10的相对侧上居中并且沿着笔直路径操纵机器人设备，使得轮110继续遵循那些特定的相对侧(例如，管道10的顶部和底部，如图所示)。
现在参照图7、图8a、图8b、图8c、图8d、图8e和图8f，为了遵循螺旋路径，无论是为了遵循螺旋检查图案，还是仅仅是为了围绕管道10的圆周重新定位机器人设备，对准机构120可以相对于机器人设备100的偏航轴103旋转地调整轮110的取向，在本实施例中，所述偏航轴与接合平面104重合。对准机构120在各种实施例中可以旋转地(即，顺时针或逆时针)调整轮110的取向。例如，在一实施例中，对准机构120可以向左调整轮110的取向，以沿着螺旋路径引导机器人设备100，其中，线圈围绕管道10的圆周沿着逆时针方向移动。同样，对准机构120可以向右调整轮110的取向，以沿着螺旋路径引导机器人设备100，其中，线圈围绕管道10的圆周沿着顺时针方向移动。
在各种实施例中，对准机构120还可将轮110的取向调整至任何合适的度数，以控制所得的螺旋路径的螺距。例如，将轮110的取向向左或向右调整小的量(例如，5度)可以导致所得的螺旋路径具有大的螺距(即，相邻线圈之间的距离较大)，而将轮110的取向向左或向右调整大的量(例如，30度)可以导致所得的螺旋路径具有小的螺距(即，相邻线圈之间的距离较小)。在各种实施例中，对准机构120可以构造成相对于管道10的纵向轴线将轮110的取向调整多达89度，并且仍然遵循螺旋图案；然而，对准机构120可以更优选地构造成从中心将轮110的取向调整大约1度和大约60度之间。轮110转动的角度越大，则接触区域在轮表面112上移动的越开。换句话说，如果轮110在轮110的总长度上保持与管道10接触(并且不仅沿着轮110的外边沿着接触)，则管道10的直径对轮110可以转动的角度设定了上限。
现在参照图9a、图9b、图9c、图9d、图9e、图9f、图9g、图9h、图10a、图10b、图10c、图11a、图11b、图11c、图11d、图12a、图12b、图12c和图12d，在各种实施例中，机器人设备100可以围绕管道10的圆周重新定位以导航通过各种障碍物，如下文更详细描述的那样。
图9a、图9b、图9c、图9d、图9e、图9f、图9g和图9h示出了代表性的方式，所述方式用于使用机器人设备100导航通过从管道10突出的大的单向突出物，例如管道接头和管道支撑件。在图9a中，机器人设备100接近大的突出障碍物。所述机器人设备的取向不适合经过障碍物并且其将经历用以旋转到合适的取向以用于经过障碍物的程序。在图9b中，机器人已经使用在本公开中先前描述的对准机构将其轮转动就位(至约45度)。所述机器人转动轮，使其可以开始改变其相对于管道的取向所需的螺旋运动。在图9c中，机器人开始以螺旋路径沿着管道行进，其中，轮保持与图9b中的相同角度。图9d示出在其保持以螺旋路径驱动时的机器人。机器人沿着纵向轴线并同时围绕管道的圆周驱动。在图9e中，机器人已经达到了相对于障碍物的优选取向。机器人的开放侧与障碍物位于管道的同一侧。图9f示出了机器人如何利用对准机构将轮转回到默认位置，在该默认位置中行进方向与管道的纵向轴线平行。一旦机器人处于优选取向，机器人就会继续直线驱动以经过障碍物。图9g示出了在其开始经过障碍物并且障碍物突出穿过机器人的开放侧时的机器人。图9h示出了机器人如何已经经过障碍物并且其恢复成其正常操作。
图10a、图10b、图10c描绘了用于在机器人设备100与管道10脱离的情况下防止机器人设备100从管道10上脱落的机构160的各种视图。在本文中也称为“故障保护机构”的机构160可以从轮组件101中的一个或多个延伸并且跨机器人设备100的开放侧102，使得机器人设备100在所有侧上有效地围绕管道10，如图11a、图11b、图11c和图11d所示。如所构造的那样，如果轮110滑移或以其他方式与管道10脱离，则机器人设备100将以防止其掉落到地面并被损坏或破坏的方式保持连接到管道10。
首先参照图10a，机构160可以大体包括臂构件162和旋转接头164。在各种实施例中，旋转接头164形成故障保护机构160的近侧部分，并且联接到轮组件101或形成轮组件的一部分。臂构件162可以联接到旋转接头164或一体地形成为旋转接头的一部分，并且在中性状态中可以跨机器人设备100的开放侧102延伸。为了允许大的突出物或其他障碍物经过机器人设备100的开放侧102，旋转接头164可以构造成响应于在机器人设备行经管道10的对应区段时由障碍物施加到臂构件162的力在开放侧102的平面内旋转。换句话说，一旦与障碍物接触，臂构件162可围绕由旋转接头164所限定的枢轴点被动地向后扫掠，直到障碍物已经超出臂构件162的范围为止，如图10b所示。在避开障碍物之后，臂构件162可自动向前扫掠以返回中性状态，其中，臂构件再次跨开放侧102延伸以防止机器人设备100在轮110从管道10脱离时掉落。
为此，在各种实施例中，旋转接头164可以包括偏压机构166，例如扭力弹簧或其他机构/组件，所述偏压机构构造成施加回复力以在经过障碍物后使臂构件162返回到中性状态。在图10c所示的实施例中，偏压机构166包括连接到滑轮组件168的线性弹簧167a、167b的组件。特别地，弹簧167a、167b可以彼此相同或基本相似，并且可以并排布置而且从故障保护机构160的近端向滑轮组件168延伸。滑轮组件168可以包括滑轮，所述滑轮通过线缆、丝线、绳或其他这样的连接器(以下统称为“线缆”)连接到弹簧167a、167b。线缆的第一端168a可轴向延伸穿过弹簧167a并且连接到定位在弹簧167a的近端处的帽169a，同样线缆的第二端168b可轴向延伸穿过弹簧167b并且连接到定位在弹簧167a的近端处的帽169b。如所构造的那样，当在该图中臂构件162(并且通过延伸滑轮169)顺时针扫掠时，滑轮组件168可以向下拉动线缆端168b(和附接的帽169b)，从而逐渐压缩弹簧167b。这进而在弹簧167b中积聚回复力，使得产生逆时针力矩，用于当障碍物已经避开臂构件162时使在该图中臂构件162逆时针扫掠回到中性状态。同样，当在该图中臂构件162(并且通过延伸滑轮组件168)逆时针扫掠时，滑轮组件168可以向下拉动线缆端168a(和附接的帽169a)，从而逐渐压缩弹簧167a。这进而在弹簧167a中积聚了回复力，使得产生顺时针力矩，用于在障碍物已经避开臂构件162时使在该图中臂构件162顺时针方向扫掠回到中性状态。
值得注意的是，在各种实施例中，旋转接头164可被约束成仅在开放侧102的平面内旋转并且因此不允许横向于(例如，远离或朝向管道10)所述平面旋转，使得如果机器人设备100与管道10脱离，则故障保护机构160不允许管道10经过开放侧102。
图11a、图11b、图11c和图11d示出了当机器人设备100配备有故障保护机构160时用于导航通过从管道10突出的大单向突出物(例如，管道接头和管道支撑件)的代表性方法。图11a示出了当其接近从管道10突出的障碍物时的机器人设备100。在该图中，机器人设备100已经处于用于使突出的障碍物通过的优选取向，即，开放侧102与突出的障碍物对准。机器人设备平行于管道的纵向轴线向前直线驱动。在图11b中，机器人设备100开始经过障碍物并且附接到第一轮组件的故障保护机构160a已经撞击突出物。由于臂构件162在该平面中自由旋转，因此当其被突出的障碍物推动时，所述臂构件开始枢转。在图11c中，第一故障保护机构160已经完全经过障碍物，并且偏压构件166已经使臂构件162返回到其中性状态。中间故障保护机构160b现在正在经过突出的障碍物。图11d示出了中间故障保护机构160b如何已经避开障碍物并返回到其中性位置。现在，最后的故障保护机构160c正在接触突出的障碍物。一旦最后的轮组件经过障碍物，则最后的故障保护机构160c将摆动回到中性安全位置，并且机器人设备100可以自由地恢复其正常操作。
图12a、图12b、图12c和图12d示出了用于使用机器人设备100导航通过管道10中的弯曲部或曲线部的代表性方法。图12a示出了当其接近弯曲部时的机器人设备100的理想取向。机器人设备100的所描绘的实施例被设计成行经弯曲部，其中，单个轮组件101a沿着弯曲部的外部中心线驱动，而相对侧上的两个轮组件101b、101c沿着弯曲部的内部中心线驱动。已经设计了替代实施例，使得单轮组件101a可以沿着弯曲部的内部驱动，而两个轮组件101b、101c可以沿着弯曲部的外部驱动。然而，这两种不同的方法对夹持机构150的运动范围施加不同的约束，并且通常将单个实施例设计成采用两种方法之一。图12b示出了机器人设备100如何进入弯曲部。如图所示，机器人设备100在其朝向弯曲部的顶点驱动时必须显著扩张。轮组件101a中的外侧轮在其进入弯曲部时将加速，以用于补偿与其他轮相比更长的路径长度。在图12c中，机器人设备100已经经过弯曲部的顶点。在该阶段，夹持机构150逐渐收缩以使轮110保持与管道10的表面接触，并且随着路径长度差减小，外侧轮110a逐渐恢复成与其他轮110b、110c相同的速度。在图12d中，机器人设备100已经完全经过弯曲部并且其恢复到其正常操作。
管道检查和其他有效载荷
图13a和图13b示出了包括用于执行管道10的结构检查的传感器组件170的机器人设备100的实施例。在各种实施例中，传感器组件170可以大体包括一个或多个臂172和致动器174，以用于相对于管道10定位传感器176。
在各个实施例中，传感器176可以包括适合于检查管道10和/或周围环境或以其他方式收集关于管道和/或周围环境的信息的各种传感器之一。例如，在一实施例中，传感器176可以包括超声波传感器或适合于管道10的结构方面的非破坏性检查(ndi)的其他传感器，例如测量壁厚或检测裂缝/腐蚀。在另一个实施例中，传感器176可以包括这样的传感器，所述传感器构造成针对可能已经从管道10泄漏出的流体(例如，天然气，油)的痕迹对管道10附近的空气采样。这种痕迹可以指示管道10中的裂缝或腐蚀，并且因此可以用于结构检查目的。尽管本公开的传感器组件170可以在出于管道检查目的而定位传感器176的背景下进行描述，但是应当认识到的是任何传感器170可以出于任何合适的目的与传感器组件170结合使用。
在各种实施例中，一个或多个臂172可以将传感器176联接到机器人设备100并且可以相对于管道10移动以定位传感器176。特别地，一个或多个臂172的第一端可以可旋转地联接到机器人设备100，例如如图所示联接在支柱156上。如所构造的那样，一个或多个臂172可以在支柱156上上下枢转，从而分别将传感器176定位成远离或靠近管道10。在一实施例中(图示)，一个或多个臂172的第二端也可以可旋转地联接到传感器176，从而允许传感器176相对于一个或多个臂172枢转，因此根据期望或传感器176最佳运行的需要保持平行于管道10的表面。图13a示出了处于升高位置的传感器组件170，图13b示出了处于降低位置的传感器组件。在一实施例中，一个或多个臂172可以用于在不需要测量时和/或为了防止传感器176沿着与管道10的障碍物碰撞将传感器176升高到远离管道10的位置。相反，在一实施例中，一个或多个臂172可以用于将传感器176降低到靠近或抵靠管道10的位置以进行测量。
在各个实施例中，致动器174可以用于在定位传感器176时使一个或多个臂172移动。致动器174可以包括任何致动器、马达和相关组件(例如，滑轮、齿轮系)。在所示的示例实施例中，致动器174包括线性致动器，所述线性致动器具有可旋转地联接到机器人设备100的轮组件101a的近端，并且具有联接到一个或多个臂172的远端，并且具体地在此处远端联接到在臂172之间延伸的横杆构件，如图所示，所述横杆构件自由旋转，以保持与线性致动器172对准，而无论线性致动器172处于伸展还是缩回位置。当然，本领域的普通技术人员将认识到在本公开的范围内可适合于所描述的目的的替代致动器。例如，在另一个实施例(未示出)中，致动器174可以包括马达，所述马达构造成卷绕/解绕线缆或滑轮组件，从而定位一个或多个臂172和联接到其上的传感器176。
图14a、图14b、图14c和图14d描绘了传感器组件170的另一实施例，所述传感器组件大体包括传感器176以及包括第一臂段192和第二臂段194的铰接臂190。第一臂段192的近端可以通过第一旋转接头193可旋转地联接到机器人设备100，使得铰接臂190可以相对于机器人设备100旋转。第二臂段194的近端可以通过第二旋转接头195可旋转地联接到第一臂段192的远端，使得第二臂段194可相对于第一臂段192旋转。在各种实施例中，每个旋转接头193、195可以被机动化并且构造成用于彼此独立地旋转。如所构造的那样，第一旋转接头193可以相对于管道10升高或降低铰接臂190，第二旋转接头195可以独立地调整传感器176相对于管道10表面的取向，如图14a和图14c所示。
此外，如图14b和14d所示，第一旋转接头193可以更大程度地旋转，以用于将铰接臂190定位在机器人设备100的任一端的前方。如所构造的那样，传感器176可以定位成在机器人设备100的前方进行测量，而无论其在管道10上的行进方向如何。在一方面中，这种构造可以提供更精确的测量，这是因为机器人设备100还没有接触由传感器176检查的管道10部分，否则的话可能会产生振动，引起阻尼效果或以其他方式影响被检查的管道10部分的结构特性。在另一方面中，通过将传感器组件向外定位在机器人设备100的前方(同样，不受行进方向的影响)，可以一直检查管道10的部分直至即将到来的障碍物为止。与之形成对比的是，由于传感器组件170定位在机器人设备100的后面，因此仅能够检查远离即将到来的障碍物的超过机器人设备长度的管道10的仅那些部分。
图20、图21、图22、图23和图24是出于进一步说明性目的的机器人设备100的代表性实施例的原型的照片。图20和21描绘了机器人设备100的原型的侧视图，其中，轮110对准成用于沿着管道10笔直行进。图22描绘了机器人设备100的原型的仰视图，其中，轮110的取向被调整为用于沿着管道10螺旋行进。图23描绘了导航通过管道10中的弯曲部的机器人设备100的原型的侧视图。图24描绘了机器人设备100的原型的侧视图，其中，开放侧102定位成用于经过从管道10突出的障碍物。
尽管已经详细描述了本公开及其优点，但是应当理解的是在不脱离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。而且，本申请的范围不旨在限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。如本领域的普通技术人员将从公开内容中容易理解的是，可以根据本公开利用目前存在或将要开发的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤，所述过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤与在此描述的对应实施例执行基本相同的功能或实现基本相同的结果。因此，所附权利要求旨在将这种过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包括在其范围内。
1.一种机器人设备，其包括：
第一轮组件，所述第一轮组件包括轮和对准机构，并且构造成用于定位在管道的第一侧上；
第二轮组件和第三轮组件，所述第二轮组件和所述第三轮组件中的每个包括轮和对准机构，并且构造成用于定位在所述管道的相对的第二侧上；以及
夹持机构，所述夹持机构构造成施加力，以用于促使第二轮和第三轮沿着相反方向朝向第一轮的平面枢转，以将所述第一轮、所述第二轮和所述第三轮固定到所述管道，
其中，所述对准机构构造成用于可选择地调整所述轮的取向，以允许所述机器人设备在所述管道上沿着笔直路径或螺旋路径移动。
2.根据权利要求1所述的机器人设备，其中，所述轮中的至少一个具有用于接合所述管道的凹形表面。
3.根据权利要求1所述的机器人设备，其中，所述轮组件中的至少一个包括用于使对应组件的轮旋转的马达。
4.根据权利要求3所述的机器人设备，其中，所述马达位于对应组件的轮的内部。
5.根据权利要求1所述的机器人设备，其中，所述夹持机构包括用于产生拉力的一个或多个偏压构件。
6.根据权利要求5所述的机器人设备，其中，所述一个或多个偏压构件构造成被动地产生拉力。
7.根据权利要求5所述的机器人设备，其中，所述一个或多个偏压构件包括张力弹簧、压缩弹簧和扭力弹簧中的至少一者。
8.根据权利要求1所述的机器人设备，其中，所述一个或多个偏压构件构造成主动地产生拉力。
9.根据权利要求1所述的机器人设备，其中，所述夹持机构包括：
第一臂构件，所述第一臂构件将所述第一轮组件与所述第二轮组件连接；
第二臂构件，所述第二臂构件将所述第一轮组件与所述第三轮组件连接；以及
一个或多个偏压构件，用于施加拉力以使所述轮接合在所述管道的相对侧上，所述一个或多个偏压构件或者将所述第一臂构件连接到所述第二臂构件，或者将所述第一轮组件连接到所述第一臂构件和所述第二臂构件。
10.根据权利要求9所述的机器人设备，
其还包括第三臂构件和第四臂构件，所述第三臂构件和所述第四臂构件布置成分别与所述第一臂构件和所述第二臂构件平行且相邻，从而在所述第一轮组件和所述第二轮组件之间以及在所述第一轮组件和所述第三轮组件之间分别形成第一平行四边形连杆机构和第二平行四边形连杆机构，
其中，所述平行四边形连杆机构保持所述轮组件彼此平行对准，而无论所述轮组件彼此之间的相对位置。
11.根据权利要求1所述的机器人设备，其中，所述夹持机构偏离并且平行于由所述轮共享的平面。
12.根据权利要求12所述的机器人设备，其包括与所述夹持机构相对的开放侧，从所述管道延伸的障碍物能够不受阻碍地通过所述开放侧。
13.根据权利要求1所述的机器人设备，其中，所述对准机构构造成在相对于垂直于所述管道的轴线的旋转方向上调整对应轮的取向。
14.根据权利要求14所述的机器人设备，其中，旋转地调整轮的取向导致所述机器人设备沿着所述管道沿着螺旋路径移动。
15.根据权利要求1所述的机器人设备，所述对准机构包括：
轮框架，所述轮围绕第一轴线可旋转地连接到所述轮框架；
基板，所述轮框架围绕正交于所述第一轴线的第二轴线可旋转地联接到所述基板；以及
马达，所述马达构造成使所述轮框架围绕所述第二轴线旋转，从而调整所述轮相对于所述基板的取向。
16.根据权利要求13所述的机器人设备，其还包括一个或多个构件，所述一个或多个构件构造成跨所述机器人设备的所述开放侧延伸以防止所述机器人设备从所述管道上掉落。
17.根据权利要求17所述的机器人设备，其中，所述一个或多个构件构造成沿着所述开放侧的平面枢转，以适应障碍物通过所述机器人设备的所述开放侧。
18.根据权利要求1所述的机器人设备，其还包括用于检查所述管道或所述管道的周围环境的传感器组件。
19.根据权利要求19所述的机器人设备，其中，所述传感器组件包括：
传感器；
臂构件，所述臂构件可旋转地将所述传感器联接到所述机器人设备；以及
致动器，所述致动器构造成使所述臂构件围绕可旋转联接件旋转，以使所述传感器朝向或远离所述管道移动。
20.一种用于利用机器人设备导航通过管道上的障碍物的方法，其包括：
提供机器人设备，所述机器人设备包括：(i)第一轮，所述第一轮构造成用于定位在所述管道的第一侧上；(ii)第二轮和第三轮，所述第二轮和所述第三轮构造成用于定位在所述管道的相对的第二侧上；以及(iii)夹持机构，所述夹持机构将所述第一轮连接到所述第二轮和所述第三轮，并且定位成偏离并且平行于由所述轮共享的平面，以便限定与所述夹持机构相对的开放侧；
使所述机器人设备在所述管道上沿着螺旋路径前进，以使所述机器人设备的所述开放侧定位成与所述管道上的所述障碍物纵向对准；以及
使所述机器人设备在所述管道上沿着笔直路径前进，使得所述障碍物无障碍地通过所述机器人设备的所述开放侧。
21.根据权利要求21所述的方法，其中，使所述机器人设备沿着螺旋路径前进包括相对于垂直于所述管道的轴线旋转地调整所述轮中的至少一个的取向。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，使所述机器人设备在所述管道上沿着笔直路径前进包括将所述轮的取向调整成与所述管道的纵向轴线对准。
23.根据权利要求21所述的方法，
其中，所述机器人设备包括一个或多个构件，所述一个或多个构件构造成跨所述机器人设备的所述开放侧延伸以防止所述机器人设备从所述管道上掉落，并且
其中，使所述机器人设备在所述管道上沿着笔直路径前进使得所述障碍物无障碍地通过所述机器人设备的所述开放侧包括：允许所述一个或多个构件沿着所述开放侧的平面枢转，以适应障碍物通过所述机器人设备的所述开放侧。
24.根据权利要求21所述的方法，其还包括在相反方向上调整所述轮中的两个或更多个的取向，以使所述机器人设备相对于所述管道的纵向轴线侧向地前进，从而将所述机器人设备重新定位在所述管道上以解决轮滑移。
技术总结