专利名称：船体机器人驱动系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及典型地构造成清洁和/或检查船舶的船体的船体机器人，并且具体地涉及用于这种船体机器人的驱动模块。
背景技术：
机器人已经被提议用于清洁和检查船舶和水下结构。这种机器人典型地包括驱动子系统，该驱动子系统用于使机器人在船舶或船体结构附近操纵。一些驱动子系统包括磁性的轮或辊。见美国专利号5，628，271,3, 088，429和2，104，062。专利号5，628，271的磁性轮被规定成提供超过2000磅的保持动力。驱动这些轮的电动机和驱动系提供充分的扭矩以克服强的磁性牵引力。例如，电动机被规定成提供400RPM的M伏直流电动机。其它驱动子系统包括辊和通过吸力将机器人附着到船体的一些装置。见美国专利号 4，809，383,6, 102，145 和 6，053，267。一些使用辊或轮和与船体间隔开的磁体。见美国专利号6，564，815、3，922，991和 3，777，834。专利号4，697，537公开一种由电动机驱动的推进器，该推进器将机器人推在船体上。也已经提出磁轨和具有磁瓦的轨。见美国专利号3，960，229、2，132,661、 4，690，092和4，890，567，这些专利都公开电磁体，该电磁体可以被选择性地施加能量以控制磁体施加的拖拽力。通过这个引用并入这里的专利号5，285, 601公开一种具有两个支撑面的鼓风式清洁装置，每一个支撑面包括连续施加牵引力的永久磁体。
发明内容
一些提出的船体清洁机器人通过绳索或电缆被提供动力，该绳索或电缆连接在机器人和船舶上的动力源之间。然而，可能有利的是，船体机器人更加自主地操作，在这种情况中，用于驱动子系统、清洁刷和类似物的动力源将典型地以电池或电池组的形式在机器人上。包括电磁体的驱动子系统不是有利的，这是因为电磁体可能需要太多动力来操作。当使用电池动力时，用于驱动子系统的高电压大功率电动机也是不利的。同时，如果使用永久磁体并且它们提供相当强的牵引力，则可能难以设计合适的驱动子系统。2008年11月21日由其受让人提交的共同待决的美国专利申请号12/313，643提出一种具有电池组的机器人，该电池组通过涡轮/发电机子系统被充电，该涡轮/发电机子系统由当船舶航行时流过船体的水驱动。这样，船体机器人可以连续地清洁且/或检查船舶船体。在这种船体机器人中，希望永久磁体式驱动轨。但是，如上所述，由于驱动子系统是电池提供动力的，因此需要用于控制永久磁体提供的牵引力的机构。一个实施例在一个方面的特征在于船体清洁和/或检查机器人，该机器人通过当船舶航行时经过船体的流体被提供动力。优选驱动模块可以包括多个永久磁体元件，该多个永久磁体元件由隧道式本体约束并且可以在分流状态和不分流状态之间切换。这样，磁体在它们沿隧道式本体达到它们的行程的端部时被分流并且保持被分流的直到它们再次接合船体以保留电池动力。在它们的不分流状态中，磁体提供充分的牵引力以将船体机器人保持在船舶的船体上。在其它实施例中，其驱动模块可以结合不同于船体清洁和/或检查机器人的系统使用。船体机器人的例子包括机器人本体、用于使机器人在船体附近机动的至少一个驱动模块、机载动力源和由机载动力源提供动力的用于驱动模块的发动子系统。多个永久磁体元件与驱动模块相关联并且每一个永久磁体元件可以在当邻近船体时的不分流状态和当不邻近船体时的分流状态之间切换。发动子系统可以包括由经过船体的流体提供动力的至少一个涡轮、用于对机载动力源充电的由涡轮驱动的发电机以及驱动驱动模块的由机载动力源提供动力的电动机。典型的机载动力源包括至少一个电池。在一种形式中，每一个磁体元件包括以可旋转的方式布置在外壳中的沿直径极化的圆柱形磁体。优选外壳包括夹在铁磁材料之间的非磁性材料。每一个磁体元件还可包括连接到所述圆柱形磁体的开关，所述开关用于使所述圆柱形磁体在所述外壳中在所述分流状态和所述不分流状态之间旋转。在一个例子中，驱动模块也可包括隧道式本体并且每一个磁体元件可包括托架， 所述托架相对于所述隧道式本体操纵。所述隧道式本体可包括相对的侧轨并且所述托架则包括安放在所述隧道式本体的侧轨中的间隔开的轴承。典型的隧道式本体可支撑驱动系并且每一个托架连接到驱动系。在一个例子中，驱动系可包括链，所述链在接合所述链的间隔开的链轮周围。每一个托架典型地包括延伸到所述链中的至少一个连接件。也可以存在支撑隧道式本体的间隔开的面板。多个弯曲部分典型地可以在每一个支撑面板和隧道式本体之间延伸。在一个例子中，隧道式本体是分段的并且每段存在至少一个弯曲部分。一个或两个面板可以在其中包括诸如闭环凹槽的开关部件。磁体开关组件安放在凹槽中并且凹槽构造成在闭环的相对端部启动开关组件以使磁体旋转。每一个磁体元件还可包括保护性覆盖件。另外的特征是驱动模块，该驱动模块包括多个磁体元件，每一个磁体元件具有外壳，该外壳具有夹在铁磁材料之间的非磁性材料和延伸到所述外壳中的孔；以可旋转的方式布置在所述孔中的磁体，和用于使所述磁体旋转的开关组件。用于每一个磁体的托架包括至少一个轴承和连接件。隧道式本体包括用于所述托架的轴承的至少一个轨。用于隧道式本体的驱动系附接到托架的连接件。至少一个面板支撑隧道式本体。该面板典型地包括用于致动开关组件的装置，诸如致动开关组件的面板中的部件。该部件构造成在隧道式件的相对的端部使磁体旋转。一个驱动模块的特征在于多个永久磁体元件，每一个永久磁体元件可以在不分流状态和分流状态之间切换；用于每一个磁体元件的开关组件，所述开关组件使每一个永久磁体元件旋转以改变其状态；约束所述永久磁体元件的隧道式本体；和用于相对于所述永久磁体元件驱动所述隧道式本体的驱动系。在一个例子中，装置驱动系包括以可旋转的方式由所述隧道式组件支撑的间隔开的轮和连接到所述永久磁体元件的、位于所述轮周围的柔性构件。因此，本发明在一些实施例中不需要实现所有上述目标并且其权利要求不应当限于能够实现这些目标的结构或方法。
根据优选实施例的以下描述和附图，本领域技术人员将想到其它目标、特征和优图1是船体机器人的例子的底部的示意性三维视图；图2是示出与图1的船体机器人相关的主要子系统的示意图；图3是示出与典型的船体清洁机器人相关的多个子系统的方块图；图4是示出与驱动模块的例子相关的多个部件的示意性三维部分前视图；图5是示出与驱动模块相关的可切换永久磁性元件的一个例子的示意性三维前视图；图6是示出处于其分流状态的图5的永久磁体元件的示意性剖视侧视图；图7是示出处于其不分流状态的图5的永久磁体元件的示意性剖视侧视图；图8是约束单个永久磁体元件的隧道式本体的例子的示意性三维侧视图；图9是示出相对于永久磁体元件驱动隧道式本体的机构的一部分的例子的示意性三维侧视图；图10是分段的隧道式本体的示意性三维侧视图；图11是示出柔性地支撑图10中示出的分段的隧道式本体的间隔开的侧板构件的示意性三维前视图；图12是更详细地示出图11的弯曲构件的示意性三维前视图；图13是图11的面板的一个的内侧的示意性三维前视图；图14是图13中示出的面板的示意性三维前视图，描绘面板中的部件如何用作开关致动器；并且图15是示意性三维仰视图，示出在船体机器人上的位置中包括多个驱动模块的例子。
具体实施例方式除了下面公开的优选实施例之外，本发明可以具有其它实施例并且能够以各种方式被实施或执行。因此，应当理解，本发明在其应用中不限于以下描述中阐明的或附图中示出的部件的构造和布置的细节。如果这里仅仅描述一个实施例，则其权利要求将不限于那个实施例。此外，其权利要求不应当被限制性地理解，除非存在表明某些排除，限制或放弃的清楚的且令人信服的证据。图1-2示出船体机器人10的一个例子，机器人本体16支撑组合的涡轮/发电机单元3 和32b。涡轮响应于当船舶航行时经过船舶船体的流体，例如，涡轮进口在滤网30后面并且响应于经过船舶船体的流体。涡轮驱动发电机，而发电机对电池组38充电。与机器人10上的电动机和其它动力装置一样，电子控制模块40由电池组38提供动力。典型地，一个电动机驱动例如齿轮42b，而齿轮42b驱动齿轮4 和42c。这样，操作清洁刷36a_36c。 另一电动机典型地与驱动模块18关联，该驱动模块将机器人保持在船体上并且使机器人在船舶船体附近操纵。用于驱动模块18的电动机系统可以在设计中改变。例如，涡轮可以直接驱动模块18(和/或刷36a-36c)。而且，刷36a_36c可以以不同方式被驱动。也可以存在多于一个驱动模块。图3示出包括涡轮子系统32 (包括可以由流过船体的流体致动的一个或更多个装置)和对动力源40再充电的发电机70的例子。诸如电动机7 和72b的一个或更多个电动机由动力源40提供动力。电动机7 通过驱动系7 驱动驱动模块18。机器人的行进方向可以通过电子控制子系统41被逆转，该电子控制子系统构造成基于例如来自导航子系统78和/或通信子系统80的输入逆转电动机72a的方向。电子控制器41也由动力源 40提供动力。类似地，电动机72b通过驱动系74b驱动清洁子系统82 (例如，如上面描述的一个或更多个刷)。电动机72b也由动力源40提供能量。在其它实施例中，一个或更多个电动机可以在除了电之外的动力源的基础上操作。例如流体驱动的电动机是已知的。然后，涡轮子系统可以在压力下将流体泵送到电动机。如果清洁子系统是无源的，例如衬垫和 /或橡胶刮板，则将不需要电动机72b和驱动系74b。在其它例子中，涡轮的驱动轴机械地连接到清洁刷和/或驱动模块。因此，用于驱动模块的发动子系统的设计可以变化。图4示意性地描述一种形式的优选驱动模块的某些部件。典型地存在诸如元件 100的多个永久磁体元件。开关组件102在分流和不分流状态之间切换元件100。致动器 104典型地在当元件100不邻近船舶船体时的分流状态和当元件100邻近船舶船体时的不分流状态之间致动开关102。隧道式本体106构造成约束典型地包括一些类型的托架108 的元件100的运动。还存在如箭头110所示相对于永久磁体元件100驱动隧道式本体106 的一些装置。图5示出一种设计，其中永久磁体元件100包括以可旋转的方式布置在外壳122 的孔中的沿直径极化的圆柱形磁体120。外壳122包括夹在铁磁材料126a和126b (例如， 钢)之间的非磁性材料124(例如，铝、塑料或类似物)。如图6-7中所示，开关102附接到圆柱形磁体120并且使其旋转。在图6中，由于磁场从北极向外流过铁磁材料126a和126b 并且到南极，磁体120被分流。因此最小化磁体120到船舶船体130的吸引力。如图7中所示，启动开关102使磁体120旋转，因此每一个极接近铁磁材料126a或126b。如图中示出的，南极与铁磁材料126a接触并且北极与铁磁材料126b接触。磁场从磁体的北极流到体126b中，到船的船体130，到体126a，并且随后回到磁体的南极。在这种不分流状态中， 最大化磁体120到船体130的吸引力。典型地，在永久磁体元件100达到在船体上的其行程的端部时启动开关102以分流磁体120，并且在永久磁体元件100再与船体接触时再启动开关102以致动磁体120。这样，动力使用被最小化，并且仍然存在被提供用于将机器人保持在船体上的很强牵引力。因为不把动力浪费在从船体去除单个永久磁体元件中，动力使用被最小化。而且，由于永久磁体元件不被切换到它们的非短路状态直到它们实际上与船体接触，对船体的损害被最小化。每一个永久磁体元件可包括保护性覆盖件，从而进一步减小对船舶船体的损害。意图是控制磁体施加的保持力，但同时使用永久磁体，与电磁体不同，该永久磁体不消耗动力。图5还示出托架108’，该托架具有间隔开的旋转轴承140a和140b和连接件 142a-142d0轴承140a和140b安放在隧道式本体106，中的侧轨中(图8)。在图8中，示出卵形侧轨152。图9示出隧道式本体106’如何支撑驱动系，该驱动系诸如包括轮160的间隔开的链轮(它可以被电动机7 和驱动系7 驱动，图3)。链162在间隔开的链轮周围延伸。 永久磁体元件IOOa的托架108，的轴承140b被约束在隧道式本体106，的轨152中并且连接件142c和142d延伸到链162中。由于隧道式本体106’固定到机器人本体10 (图1-2)并且由于处于不分流状态的永久磁体元件IOOb-IOOe被强烈地吸引到船舶船体130，因此链162实际上向前(和向后) 驱动隧道式本体106’并且因此机器人本体通过链162绕链轮160的旋转相对于船舶船体被驱动。图9还示出永久磁体元件IOOa通过开关102的位置被分流。取决于机器人行进方向，永久磁体元件IOOx是首先进入要被吸引到船体130的位置的元件或者它离开船体130。 如果永久磁体元件IOOx正好进入要被吸引到船体130的位置，则一旦永久磁体元件IOOx 占据永久磁体元件IOOb的位置它就从示出的分流位置切换到其不分流位置。如果永久磁体元件IOOx正好离开船体130，或者将要离开船体，则正好在它占据永久磁体元件IOOb的位置之后它就切换到分流状态中。图10示出用于隧道式本体106”的分段设计，该分段设计允许隧道式本体和轨系统的铰接以在船体130上存在不均勻性170a和170b的情况下最大化用于每一个永久磁体元件的接触面积。在图11中，间隔开的面板180a和180b通过弯曲部分182a、182b或类似物支撑隧道式本体106” (图11-12)。典型地，对于每一个隧道式本体段，存在至少一个弯曲部分，如图12中所示。侧面板180a和180b固定到机器人本体或固定到以可旋转的方式附接到机器人本体的转动架。图11还示出诸如面板180b的内侧上的闭环凹槽18 的致动部件。如图13中所示，侧面板中的这些凹槽用于致动永久磁体元件的开关。在凹槽端部186a和186b处存在凹凸部分。如果船体机器人的行进方向如箭头188所示并且船舶船体处于图的底部，则凹凸部分186b致动永久磁体元件开关以分流永久磁体元件，并且在凹凸部分186a处，该开关再次被致动以使永久磁体元件返回到它们的不分流构造。图14示出更完整的开关组件 102a-102d,并且描绘开关10 如何处于其分流位置但开关102b通过凹槽凹凸部分186a 已经被致动到其不分流位置。类似地，凹凸部分186b使开关102c转向分流位置，用于对应于隧道式本体106’的前部和顶部的面板180a的前部和顶部附近的其行程的其余行程(图 9)。图15示出安装到转动架200的两个完整的驱动模块18a和18b，该转动架可以是相对于机器人本体可旋转的。这样，可以使转动架200旋转以保持涡轮/发电机组件3 和 32b的进口与流过船舶船体的水的方向对齐而不考虑船舶船体附近的机器人的行进方向。 见2009年8月19日提交的美国专利申请号12/583,346。在一个优选设计中，隧道式本体执行两个功能它约束永久磁体元件的运动并且还用于容纳连接到永久磁体元件的托架的驱动机构(例如，两个链轮周围的链)。这种设计还提供对抗驱动组件中的松弛的结构支撑。侧板也提供两个功能它们柔性地支撑隧道式本体并且它们包括用于致动永久磁体元件的开关的装置。在优选设计中，磁性元件在它们的最小牵引状态和它们的最大牵引状态之间切换而与机器人的行进方向无关。然而，由于其它设计是可能的，因此这些不构成本发明的限制。与典型的船体机器人相关的其它特征在其背景技术部分中列举的并且通过这个引用并入这里的专利中被公开。而且，其受让人在2008年11月21日提交的美国专利申请号12/313，643公开可能与船体机器人相关的另外特征。然而，这里公开的驱动模块不限于结合这种船舶船体机器人使用。例如，驱动模块可以用在任何铁磁体上，该任何铁磁体包括但不限于船舶船体、水下结构和类似物。此外，如这里使用的“船体”概括地意指要往返移动的结构。因此，虽然本发明的具体特征在一些图中被示出并且在其它图中没有被示出，但这仅仅是为了方便，这是由于根据本发明，每一个特征可以与任何或所有其它特征组合。如这里使用的词“包含”、“包括”、“具有”和“带有”要被概括地且理解性地被解释并且不限于任何物理关联。此外，本申请中公开的任何实施例将不被看作仅有的可能实施例。此外，用于这个专利的专利申请的执行期间给出的任何修改不是如提交的申请中给出的任何权利要求要素的放弃不能合理地预期本领域技术人员起草将字面上包含所有可能等同物的权利要求，许多等同物在修改时将是不可预见的并且超出要被包围的内容 (如果有的话)的正当解释，修改的基本原理可以仅具有许多等同物的稍微相关的关系，且 /或存在不能预期本申请人描述修改的任何权利要求要素的某些无实质的替代物的许多其它原因。其它实施例将被本领域技术人员想到并且在以下权利要求的范围内。
权利要求
1.一种船体机器人，所述船体机器人包括机器人本体；至少一个驱动模块，所述至少一个驱动模块用于使所述机器人在船体附近操纵；机载动力源；由所述机载动力源提供动力的用于所述驱动模块的发动子系统；和与所述驱动模块相关联的多个永久磁体元件，每一个永久磁体元件能够在当邻近所述船体时的不分流状态和当不邻近所述船体时的分流状态之间切换。
2.根据权利要求1所述的船体机器人，其中，所述发动子系统包括由经过所述船体的流体提供动力的至少一个涡轮；由所述涡轮驱动的发电机，所述发电机用于对所述机载动力源充电；和由驱动所述驱动模块的所述机载动力源提供动力的电动机。
3.根据权利要求1所述的船体机器人，其中，所述机载动力源包括至少一个电池。
4.根据权利要求1所述的船体机器人，其中，每一个磁体元件包括以可旋转的方式布置在外壳中的沿直径极化的圆柱形磁体。
5.根据权利要求4所述的船体机器人，其中，所述外壳包括夹在铁磁材料之间的非磁性材料。
6.根据权利要求4所述的船体机器人，其中，每一个磁体元件还包括附接到所述圆柱形磁体的开关，所述开关用于使所述圆柱形磁体在所述外壳中在所述分流状态和所述不分流状态之间旋转。
7.根据权利要求1所述的船体机器人，其中，所述驱动模块包括隧道式本体并且每一个磁体元件包括托架，所述托架相对于所述隧道式本体操纵。
8.根据权利要求7所述的船体机器人，其中，所述隧道式本体包括相对的侧轨，并且所述托架包括安放在所述隧道式本体的侧轨中的间隔开的轴承。
9.根据权利要求7所述的船体机器人，其中，所述隧道式本体支撑驱动系。
10.根据权利要求9所述的船体机器人，其中，每一个托架连接到所述驱动系。
11.根据权利要求10所述的船体机器人，其中，所述驱动系包括链，所述链在接合所述链的间隔开的链轮周围。
12.根据权利要求11所述的船体机器人，其中，每一个托架包括延伸到所述链中的至少一个连接件。
13.根据权利要求7所述的船体机器人，还包括支撑所述隧道式本体的间隔开的面板。
14.根据权利要求13所述的船体机器人，还包括在每一个支撑面板和所述隧道式本体之间延伸的多个弯曲部分。
15.根据权利要求14所述的船体机器人，其中，所述隧道式本体是分段的并且每段存在至少一个弯曲部分。
16.根据权利要求13所述的船体机器人，其中，每一个磁体元件包括可旋转的磁体和附接到所述可旋转的磁体上的开关组件。
17.根据权利要求16所述的船体机器人，其中，在至少一个所述面板中包括闭环凹槽， 所述开关组件安放在所述凹槽中，并且所述凹槽构造成在所述闭环的相对端部启动所述开关组件以使所述磁体旋转。
18.根据权利要求1所述的船体机器人，其中，每一个磁体元件包括保护性覆盖件。
19.一种驱动模块，所述驱动模块包括 多个磁体元件，每一个磁体元件包括外壳，所述外壳具有夹在铁磁材料之间的非磁性材料和延伸到所述外壳中的孔， 以可旋转的方式布置在所述孔中的磁体，和用于使所述磁体旋转的开关组件；用于每一个磁体的托架，所述托架包括至少一个轴承和连接件； 隧道式本体，所述隧道式本体包括用于所述托架的轴承的至少一个轨； 用于所述隧道式本体的驱动系，所述驱动系附接到所述托架的连接件；和用于所述隧道式本体的至少一个支撑件。
20.根据权利要求19所述的驱动模块，其中，所述支撑件包括用于致动所述开关组件的致动装置。
21.根据权利要求20所述的驱动模块，其中，所述致动装置在所述支撑件中包括致动所述开关组件的部件，所述部件构造成在所述隧道的相对端部使所述磁体旋转。
22.—种驱动模块，所述驱动模块包括多个永久磁体元件，每一个永久磁体元件能够在不分流状态和分流状态之间切换； 用于每一个磁体元件的开关组件，所述开关组件使每一个永久磁体元件旋转以改变所述永久磁体的状态；约束所述永久磁体元件的隧道式本体；和用于相对于所述永久磁体元件驱动所述隧道式本体的驱动系。
23.根据权利要求22所述的驱动模块，其中，每一个永久磁体元件包括以可旋转的方式布置在外壳中的沿直径极化的圆柱形磁体，所述外壳包括夹在铁磁材料之间的非磁性材料。
24.根据权利要求23所述的驱动模块，其中，每一个所述开关组件使所述沿直径极化的圆柱形磁体在分流状态和不分流状态之间旋转。
25.根据权利要求22所述的驱动模块，其中，所述驱动系包括以可旋转的方式由所述隧道式组件支撑的间隔开的轮；和连接到所述永久磁体元件的、位于所述轮周围的柔性构件。
全文摘要
一种船体机器人包括机器人本体，用于使机器人在船体附近操纵的至少一个驱动模块、机载动力源和由机载动力源提供动力的用于驱动模块的发动子系统。多个永久磁体元件与驱动模块相关联并且每一个永久磁体元件能够在当邻近船体时的不分流状态和当不邻近船体时的分流状态之间切换。
文档编号E01H1/08GK102575443SQ201080046112
公开日2012年7月11日 申请日期2010年10月6日 优先权日2009年10月14日
发明者H·R·科恩斯坦, J·C·赫尔曼, J·H·罗尼, J·N·哈里斯, J·T·隆利, W-T·吴 申请人:雷斯昂公司