(57)【要約】      （修正有）【課題】自動化された、伸長リーチの、ツールを装備したアセンブリのアームの遠位端（およびそれに取り付けられたエンドエフェクタ）を安定させるために使用することができる装置および方法を提供する。【解決手段】安定化は、それぞれが静止部および可動部を備える３つ以上のスタビライザ３４ａ〜３４ｄによって提供される。各静止部は、エンドエフェクタ２２４に対して固定されたロケーションを有する。各可動部は、それぞれの静止部に並進可能に結合され、可動部の遠位端に配置されたコンタクタを備える。スタビライザが作動されると、コンタクタは、ワークピースの表面に向かって並進移動して接触し、次いで、アームの遠位端およびエンドエフェクタを安定させるために、所定の位置にロックされる。ツールの動作中、スタビライザは、エンドエフェクタ（およびそれに固定的に結合されたすべての構造）の振動を低減する。【選択図】図１８
2019048369.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠位端を有するアームと、
前記アームの遠位端に結合されたエンドエフェクタ（２１２）と、
前記エンドエフェクタ（２１２）に結合された第１のツール（２１４）と、
静止部（５２）と可動部（５６）を備えるスタビライザ（５０）であって、前記静止部（５２）が、前記エンドエフェクタ（２１２）に対して固定されたロケーションを有し、前記可動部（５６）が、前記静止部（５２）に並進可能に結合され、かつ前記可動部（５６）の遠位端に配置されたコンタクタ（８８）を備える、スタビライザ（５０）と
を備える自動装置。
【請求項２】
前記スタビライザ（５０）が、バネを備える、請求項１に記載の自動装置。
【請求項３】
前記静止部（５２）が、外側チューブ（８２）を備え、前記可動部（５６）が、前記外側チューブの内部にスライド可能に配置された内側シャフト（８６）をさらに備え、前記コンタクタが、前記内側シャフトの遠位端に取り付けられており、前記バネが、前記コンタクタ（８８）が前記エンドエフェクタ（２１２）からさらに遠ざかる方向に、前記内側シャフトを並進移動させる、請求項２に記載の自動装置。
【請求項４】
前記静止部（５２）が、ベースシリンダ（１５８）を備え、前記可動部が、前記ベースシリンダ（１５８）の内部でスライド可能なピストン（１５６）と、前記ピストン（１５６）に接続されたピストンロッド（１５７）とをさらに備え、前記コンタクタ（８８）が、前記ピストンロッド（１５７）の遠位端に取り付けられている、請求項１から３のいずれか一項に記載の自動装置。
【請求項５】
前記静止部（５２）が、前記ベースシリンダ（１５８）に取り付けられ、前記ピストンロッド（１５７）をロックして、動かないようにするように構成されたロッドロック（１６０）をさらに備える、請求項４に記載の自動装置。
【請求項６】
前記第１のツールに可動的に結合された第２のツールをさらに備え、前記第１のツールが、前記エンドエフェクタに固定的に結合され、前記スタビライザ（５０）の前記静止部（５２）が、前記第１のツールに固定的に結合されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の自動装置。
【請求項７】
メンテナンス作業を実行するための方法であって、
（ａ）ロボット式可動プラットフォームを、アームの遠位端のツール（２１４）が目標物の表面上の第１の関心領域に届くことができる第１のロケーションに移動させることと、
（ｂ）エンドエフェクタ（２１２）が前記第１の関心領域に対して適切なロケーションにあるように、前記ロボット式可動プラットフォームを構成することと、
（ｃ）前記アームに結合されている複数のスタビライザのコンタクタ（８８）を、前記目標物の前記表面と接触するように伸長させることと、
（ｄ）前記スタビライザの前記コンタクタ（８８）を所定の位置にロックして、前記エンドエフェクタ（２１２）を前記第１の関心領域に対して前記適切なロケーションに維持することと、
（ｅ）前記エンドエフェクタ（２１２）が前記第１の関心領域に対して前記適切なロケーションに維持されている間に、前記ツール（２１４）を使用して第１のメンテナンス作業を実行することと
を含む方法。
【請求項８】
（ｆ）前記メンテナンス作業の完了時に、前記スタビライザの前記コンタクタ（８８）をロック解除することと、
（ｇ）前記スタビライザの前記コンタクタ（８８）を格納することと、
（ｈ）前記ロボット式可動プラットフォームを、前記ツール（２１４）が前記目標物の前記表面上の第２の関心領域に届くことができる第２のロケーションに移動させることと、
（ｉ）前記エンドエフェクタ（２１２）が前記第２の関心領域に対して適切なロケーションにあるように、前記ロボット式可動プラットフォームを構成することと、
（ｊ）複数のスタビライザのコンタクタ（８８）を、前記目標物の前記表面と接触するように伸長させることと、
（ｋ）前記スタビライザの前記コンタクタ（８８）を所定の位置にロックして、前記エンドエフェクタ（２１２）を前記第２の関心領域に対して前記適切なロケーションに維持することと、
（ｌ）前記エンドエフェクタ（２１２）が前記第２の関心領域に対して前記適切なロケーションに維持されている間に、前記ツール（２１４）を使用して第２のメンテナンス作業を実行することと
をさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
メンテナンス作業を実行するための方法であって、
（ａ）自動装置のアームの遠位端に結合されているエンドエフェクタ（２１２）に、ツール（２１４）を結合することと、
（ｂ）前記自動装置を作動させて、目標物の表面上の関心領域に対してあるロケーションに前記ツール（２１４）を配置するアラインメント作業を実行することと、
（ｃ）前記ツール（２１４）が前記ロケーションにある間に、前記アームの前記遠位端に結合された複数のスタビライザのコンタクタ（８８）を、前記目標物の前記表面と接触するように伸長させることと、
（ｄ）前記ツール（２１４）を作動させて、前記コンタクタ（８８）が前記目標物の前記表面と接触している間にメンテナンス作業を実行することと
を含む方法。
【請求項１０】
車輪を備えるベースプラットフォーム（２０４）と、
前記ベースプラットフォーム（２０４）に可動的に結合され、かつ遠位端を有するアームと、
前記アームの前記遠位端に旋回可能に結合されたエンドエフェクタ（２１２）と、
前記エンドエフェクタ（２１２）に結合されたツール（２１４）と、
前記ツール（２１４）または前記エンドエフェクタ（２１２）に結合され、ロッド（１５７）と、前記ロッド（１５７）の遠位端に配置されたコンタクタ（８８）とを備えるスタビライザ（５０）であって、前記ロッド（１５７）が、選択的に伸長可能または格納可能であり、前記コンタクタ（８８）が、エラストマー材料で作られている、スタビライザ（５０）と
を備える自動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、自動装置のアームの端部に取り付けられたツールを使用する大型構造物（航空機など）の製造、修理および保守のためのシステムおよび方法に関する。
【発明の概要】
【０００２】
本明細書に開示された主題は、航空機などの大型構造物の次元マッピング、非破壊検査（ＮＤＩ）および／または修理を可能にする自動化された、伸長リーチの、ツールを装備したアセンブリのアームの遠位端（およびそれに取り付けられたエンドエフェクタ）を安定させるために使用することができる装置および方法に関する。（本明細書では、「エンドエフェクタ」という用語は、アームを含む自動装置の最後のリンクを意味し、その末端にメンテナンスツールが取り付けられる。）エンドエフェクタは、プローブもしくはセンサ（例えば、ＮＤＩセンサユニット、レーザスキャナ、カメラなど）または他のツール（例えば、ドリル、サンダー、真空、「グラバー」、コーティングスプレーなど）を保持および配向することができる。本明細書に開示された安定化技術は、目標物に対するエンドエフェクタ（およびそこに取り付けられたツール）の振動を低減する一方、迅速に展開可能な地面上ロボット式可動プラットフォームを依然として可能にする。本明細書に開示される安定化デバイスは、ロボットアームモータの負荷を低減するために使用することもでき、これらのモータの電力使用効率および寿命を改善する。
【０００３】
様々な実施形態によれば、安定化は、それぞれが静止部および可動部を備える３つ以上のスタビライザによって提供される。各静止部は、エンドエフェクタに対して固定されたロケーションを有する。各可動部は、それぞれの静止部に並進可能に結合され、可動部の遠位端に配置されたコンタクタを備える。スタビライザが作動されると、コンタクタは、ワークピースの表面の方に並進移動して接触し、次いで、アームの遠位端およびそれに結合されたエンドエフェクタを安定させるために、所定の位置にロックされる。ツールの動作中、スタビライザは、スタビライザの軸（相互に平行であってもよい）に実質的に平行でかつワークピース表面に向かう方向へのエンドエフェクタ（およびそれに固定的に結合されたすべての構造）の動きに抵抗する。
【０００４】
いくつかの実施形態によれば、各スタビライザは、入れ子式チューブと、コンタクタ（例えば、接触パッドまたはバンパ）をワークピースの表面に押し付けるバネとを備える。他の実施形態によれば、各スタビライザは、コンタクタをワークピースの表面に押し付ける空気圧シリンダを備える。スタビライザは、表面に対するモーションに抵抗する、スタビライザに対して実質的に垂直な力を、接触ロケーションにおいて生成する。安定化のための別のアプローチは、引力、接着または把持によってワークピースの表面に付着するデバイスを提供することである。例えば、様々な実施形態によれば、安定化デバイスは、吸引力、静電引力、剥離可能な接着剤（取り外し可能なフックを壁に取り付けるために使用されるストリップのような）、またはワークピース上の突起を物理的につかむ「グリッパ」を使用することができる。
【０００５】
本明細書で開示される技術は、伸長リーチの自動装置のアームの遠位端で安定化を提供することによって、航空機および他の大型構造物の用途のためのモジュール式、迅速、低コストのロボット使用を可能にする。開示された技術は、過度の重量、複雑さおよびコストならびにモジュール性の欠如を含む、位置精度を維持しながら、ロボットアームを作業ロケーションに伸ばすためのいくつかの技術に伴う欠点のうちの１つ以上を克服する。
【０００６】
１つのＮＤＩアプリケーションによれば、地面を這う自動装置が、赤外線サーモグラフィスキャナや超音波トランスデューサアレイスキャナなどの交換可能なＮＤＩデバイスを受け入れるように構成されたエンドエフェクタを有する。別のＮＤＩアプリケーションによれば、自動装置は、超音波トランスデューサアレイスキャナが可動的に結合された赤外線サーモグラフィスキャナを受け入れるように構成されたエンドエフェクタを有する。第１のアプリケーションでは、どちらかのスキャナを、第２のアプリケーションでは、組み合わされたスキャナを、本明細書に開示された装置を使用して安定させることができる。伸長リーチアームの遠位端を安定させる能力は、航空機の製造、修理および保守のための低コストの伸長リーチロボットの使用を可能にする。
【０００７】
自動装置の伸長リーチアームの遠位端に結合されたエンドエフェクタを安定させるための装置および方法の様々な実施形態が、以下にいくらか詳細に説明されるが、それらの実施形態の１つ以上が、以下の態様のうちの１つ以上によって特徴付けられ得る。
【０００８】
以下に詳細に開示される主題の１つの態様は、遠位端を有するアームと、アームの遠位端に結合されたエンドエフェクタと、エンドエフェクタに結合された第１のツールと、各々が静止部と可動部とを備える複数のスタビライザと、を備える自動装置であり、各静止部は、エンドエフェクタに対して固定されたロケーションを有し、各可動部は、それぞれの静止部に並進可能に結合され、可動部の遠位端に配置されたコンタクタを備える。各コンタクタは、固定バンパまたは旋回可能な接触パッドを含んでもよい。いずれの場合でも、コンタクタは、好ましくはエラストマー材料で作られている。
【０００９】
前パラグラフに記載された自動装置の一実施形態によれば、複数のスタビライザの各スタビライザは、バネをさらに備え、複数のスタビライザの各スタビライザに対して、静止部は外側チューブを含み、可動部は、外側チューブの内部にスライド可能に配置された内側シャフトをさらに含み、コンタクタは、内側シャフトの遠位端に取り付けられ、バネは、コンタクタがエンドエフェクタからさらに遠ざかる方向に、内側シャフトを並進移動させる。
【００１０】
別の実施形態によれば、複数のスタビライザの各スタビライザに対して、静止部はベースシリンダを含み、可動部は、ベースシリンダの内部でスライド可能なピストンと、ピストンに接続されたピストンロッドとをさらに含み、コンタクタはピストンロッドの遠位端に取り付けられ、静止部は、ベースシリンダに取り付けられ、ピストンロッドをロックして、動かないようにするように構成されたロッドロックをさらに含む。
【００１１】
以下に詳細に開示される主題の別の態様は、メンテナンス作業を実行するための方法であって、（ａ）ロボット式可動プラットフォームを、アームの遠位端のツールが目標物の表面上の第１の関心領域に届くことができる第１のロケーションに移動させることと、（ｂ）エンドエフェクタが第１の関心領域に対して適切なロケーションにあるように、ロボット式可動プラットフォームを構成することと、（ｃ）アームに結合されている複数のスタビライザのコンタクタを、目標物の表面と接触するように伸長させることと、（ｄ）スタビライザのコンタクタを所定の位置にロックして、エンドエフェクタを第１の関心領域に対して適切なロケーションに維持することと、（ｅ）エンドエフェクタが第１の関心領域に対して適切なロケーションに維持されている間に、ツールを使用して第１のメンテナンス作業を実行することと、を含む方法である。本方法は、さらに、（ｆ）メンテナンス作業の完了時に、スタビライザのコンタクタをロック解除することと、（ｇ）スタビライザのコンタクタを格納することと、（ｈ）ロボット式可動プラットフォームを、ツールが目標物の表面上の第２の関心領域に届くことができる第２のロケーションに移動させることと、（ｉ）エンドエフェクタが第２の関心領域に対して適切なロケーションにあるように、ロボット式可動プラットフォームを構成することと、（ｊ）複数のスタビライザのコンタクタを、目標物の表面と接触するように伸長させることと、（ｋ）スタビライザのコンタクタを所定の位置にロックして、エンドエフェクタを第２の関心領域に対して適切なロケーションに維持することと、（ｌ）エンドエフェクタが第２の関心領域に対して適切なロケーションに維持されている間に、ツールを使用して第２のメンテナンス作業を実行することと、を含んでもよい。
【００１２】
以下に詳細に開示される主題の別の態様は、メンテナンス作業を実行するための方法であって、（ａ）自動装置のアームの遠位端に結合されているエンドエフェクタに、ツールを結合することと、（ｂ）自動装置を作動させて、目標物の表面上の関心領域に対してあるロケーションにツールを配置するアラインメント作業を実行することと、（ｃ）ツールがそのロケーションにある間、アームの遠位端に結合された複数のスタビライザのコンタクタを、目標物の表面と接触するように伸長させることと、（ｄ）ツールを作動させて、コンタクタが目標物の表面と接触している間にメンテナンス作業を実行することと、を含む方法である。この方法は、ツールを作動させる前に、スタビライザのコンタクタが目標物の表面と接触している間に、スタビライザのコンタクタを所定の位置にロックすることを、さらに含む。
【００１３】
さらに別の態様は、車輪を備えるベースプラットフォームと、ベースプラットフォームに可動的に結合され、遠位端を有するアームと、アームの遠位端に結合されたエンドエフェクタと、エンドエフェクタに結合されたツールと、ツールまたはエンドエフェクタに結合された複数のスタビライザであって、各スタビライザは、ロッドと、ロッドの遠位端に配置されたコンタクタとを備え、ロッドは選択的に伸長可能または格納可能であり、コンタクタはエラストマー材料で作られている、複数のスタビライザと、を備える自動装置である。いくつかの実施形態によれば、各スタビライザは、ロッドを伸長または格納させるように動作可能な空気圧シリンダと、空気圧シリンダに取り付けられ、ロッドをロックして、動かないようにするように構成されたロッドロックとを備える。
【００１４】
伸長リーチの自動装置のアームの遠位端に結合されたエンドエフェクタを安定させるためのシステムと方法の他の様態が、以下に開示される。
【００１５】
前のセクションで論じた特徴、機能および利点は、様々な実施形態において独立に達成することができ、またはさらに他の実施形態において組み合わせることもできる。以下、上記および他の態様を説明する目的で、図面を参照して様々な実施形態を以下に説明する。このセクションで簡単に説明した図は、どれも縮尺通りに描かれていない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】胴体部のサーモグラフィ撮像のためのシステムのいくつかの構成要素を示すブロック図である。
【図２】一実施形態による地面上型のロボット式ＮＤＩ可動プラットフォームの側面図を表す図である。
【図３】別の実施形態による地面上型のロボット式ＮＤＩ可動プラットフォームの側面図を表す図である。
【図４】図３に示されるロボット式ＮＤＩ可動プラットフォームのいくつかの構成要素の分解図を表す図である。
【図５】複合材料で作られた湾曲したワークピースをスキャンするプロセスにおける地面上型のロボット式ＮＤＩ可動プラットフォームの斜視図を表す図である。（ロボットエンドエフェクタに取り付けられたレーザ距離計は、図５には示されていないが、図６に示されている。）
【図６】図５に示されるロボット式ＮＤＩ可動プラットフォームの一部分の側面図を表す図であり、この部分は、エンドエフェクタと、エンドエフェクタに取り付けられた３つのレーザ距離計とを含む。
【図７】図５に示すロボット式ＮＤＩ可動プラットフォームのエンドエフェクタに取り付けられた赤外線サーモグラフィスキャナの斜視図を示す図である。
【図８】図７に示す赤外線サーモグラフィスキャナの正面図を示す図である。
【図９】いくつかの実施形態によるアラインメントシステムのいくつかの構成要素を示すブロック図である。
【図１０】大型のワークピースの赤外線サーモグラフィ検査のためのスキャンパターン（３×２）を表す図である。
【図１１】一実施形態による、エンドエフェクタアラインメントプロセスを使用する非破壊検査方法のいくつかのステップを示すフローチャートである。
【図１１Ａ】図１１に高いレベルで示された方法で使用されるアラインメントプロセス有限状態機械によって実行されるいくつかのステップを示すフローチャートを（図１１Ｂと一緒に）形成する。
【図１１Ｂ】図１１に高いレベルで示された方法で使用されるアラインメントプロセス有限状態機械によって実行されるいくつかのステップを示すフローチャートを（図１１Ａと一緒に）形成する。
【図１２】局所測位システム（ＬＰＳ）を用いたスキャン領域境界の測定を表す図である。
【図１３】ＬＰＳを用いたロボットシステムの初期ロケーションアラインメントを表す図である。
【図１４】一実施形態による、ロボット対部品の位置特定プロセスを実行するＬＰＳの斜視図を表す図である。
【図１５Ａ】共通の平面に三角形のパターンで配置され、目標物の表面上のそれぞれのスポットに向けられた３つのレーザ距離計の、正面図を示す図であり、レーザ距離計とスポットは、それぞれの距離だけ離れている。
【図１５Ｂ】共通の平面に三角形のパターンで配置され、目標物の表面上のそれぞれのスポットに向けられた３つのレーザ距離計の、側面図を示す図であり、レーザ距離計とスポットは、それぞれの距離だけ離れている。
【図１５Ｃ】共通の平面に三角形のパターンで配置され、目標物の表面上のそれぞれのスポットに向けられた３つのレーザ距離計の、上面図を示す図であり、レーザ距離計とスポットは、それぞれの距離だけ離れている。
【図１６】４つのメカナムホイールを有するホロノミックモーションベースプラットフォームの上面図を表す図であり、様々な寸法が両矢印によって示されている。
【図１７】いくつかの実施形態による、大型複合構造体の赤外線サーモグラフィ検査のためのシステムのいくつかの構成要素を示すブロック図である。
【図１８】一実施形態による、空気圧で安定化されたスキャナを使用して湾曲したワークピースをスキャンするプロセスにおける地面上型のロボット式ＮＤＩ可動プラットフォームの斜視図を示す図である。
【図１９】メンテナンスツールと複数のスタビライザとを備えたロボット式可動プラットフォームを使用してメンテナンス作業を実行する方法のステップを示すフローチャートである。
【図２０】代替的実施形態による、エンドエフェクタに取り付けられた安定化されたハイブリッドツールアセンブリを示す図である。
【図２０Ａ】図２０に示される破線の矩形２０Ａ内のハイブリッドツールアセンブリの部分の拡大図を表す図である。
【図２０Ｂ】図２０に示される破線の矩形２０Ｂ内のハイブリッドツールアセンブリの部分の拡大図を表す図である。
【図２１】図２０に示すハイブリッドツールアセンブリの正面図を示す図である。
【図２２】図２０に示すハイブリッドツールアセンブリの側面図を示す図である。
【図２３】ロッドロック機構を有する空気圧シリンダを使用して伸長リーチアームの遠位端を安定させるためのシステムのいくつかの構成要素を示す図である。
【図２４】一実施形態による、自動装置のアームの遠位端に超音波トランスデューサアレイおよびスタビライザを結合するために使用される機械的カップリングを示すブロック図である。
【図２５】図２０に示すタイプのＮＤＩセンサユニットの相対ロケーション（例えば、局所測位システムを使用して取得された初期ロケーションに対して）を追跡するためにロータリエンコーダを使用する制御システムの構成要素を示すブロック図である。
【図２６】エンドエフェクタに固定的に結合されたスタビライザのいくつかの構成要素を示すブロック図であり、スタビライザは、入れ子式チューブと、バネと、コンタクタとを備える。
【図２７】別の実施形態による、空気圧で安定化されたアームの遠位端を有する地面上型のロボット式ＮＤＩ可動プラットフォームの側面図を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下では、図面が参照されるが、異なる図面における類似の要素には同じ参照番号が付されている。
【００１８】
航空機を含む多くの大型構造物は、一般的に、様々な構成要素の検査および／または修理を含む定期的な保守を受ける。大型構造物の製造、修理、および保守において、自動化された、ツールを装備した装置（例えば、ロボット式可動プラットフォーム）を使用することが知られている。典型的には、ツールは、エンドエフェクタに結合され、エンドエフェクタは、自動装置のアームの遠位端に結合される。アームは、単一の剛性リンク、または回転可能にジョイントによって順に結合された、もしくは伸長／格納するように並進可能に結合された複数の剛性リンクから構成されてもよい。
【００１９】
エンドエフェクタとアームの近位端との間の距離が、指定された閾値を超える場合、アームの遠位端における位置および向きの制御の喪失のために、自動化されたメンテナンス作業の有効性は、減少する可能性がある。より具体的には、複合航空機構造の自動化された製造、修理、検査のために開発されているロボットは、現在の多軸ペデスタル据え付けロボットを超えてリーチを伸ばさなければならない。同時に、精密な活動（スカーフ修理箇所の作成や非破壊検査中のスキャンなど）では、位置的に安定した遠位作業端が必要である。
【００２０】
自動装置のアームを安定させるための少なくともいくつかの現在の解決法は、重量、サイズ、および費用を設計に追加し、装置の有用性、可搬性および適用性を制限する。他の既知の解決法は、真空トラックスキャンシステム（例えば、真空付着デバイスを使用してワークピースの表面に付着されたトラックに沿って移動するブリッジにスキャナが取り付けられているスキャンシステム）または表面に上がるもしくは付着するクロールロボット（例えば、複数の独立して制御される吸引デバイスを有するロボットクローラ）を使用することである。これらは、エンドエフェクタの安定性を提供するが、安全性、人間工学的な潜在的損傷およびセットアップ時間の欠点を有し得る直接取り付け／取り外し作業が必要である。
【００２１】
以下に詳細に開示される安定化デバイスは、関節式アームまたは非関節式アームの遠位端に取り付けられたエンドエフェクタを有する任意のロボット装置に取り付けられてもよい。以下に説明する実施例において、エンドエフェクタは、剛性の伸長アームに旋回可能に結合されており、アームは関節式ではない。しかし、代替の実施形態では、伸長アームは、追加の作動される並進または回転自由度を有してもよい。どのツールが、予定されたメンテナンス作業を実施するのに最適であるかに応じて、異なるタイプの多数の交換可能なメンテナンスツールのうちのいずれか１つを、エンドエフェクタに取り付け、その後、エンドエフェクタから取り外すことができる。
【００２２】
本明細書で使用される「ツール」という用語は、ロボット装置のアームの遠位端におけるエンドエフェクタに取り付けられ、自動化された製造、修理または保守手順を実行する過程で使用することができる任意のデバイスを意味する。各メンテナンスツールは、意図された機能を果たす要素を組み込んでいる。適切なメンテナンスツールのいくつかの例には、以下が含まれるが、これらに限定されない：（ａ）アクセスが限定された空間内での損傷の目視検査を可能にするためのビデオカメラおよび光源、（ｂ）ＮＤＩセンサユニット（例えば、超音波トランスデューサのアレイ、渦電流プローブ、マイクロ波センサ、赤外線サーモグラフィユニットなど）、（ｃ）寸法測定またはあるロケーションでの損傷のマッピングのためのレーザラインスキャナまたは三次元マッピングヘッド、（ｄ）他のセンサまたはセンサアレイ、（ｅ）修理中に材料を除去するためのミニサンダーまたはグラインダー、（ｆ）異物の破片または修理破片を拾うための真空、（ｇ）修理された領域を塗装またはコーティングするためのスプレーヘッド、（ｈ）コーティングを塗布するためのアプリケータ、（ｉ）スカーファー、（ｊ）ドリル、（ｋ）保守または修理のための他のツール。
【００２３】
説明の目的で、複合材料（例えば、繊維強化プラスチックから作られた複合積層体）から作られた胴体部の非破壊検査のためのシステムおよび方法を以下に詳細に説明する。より具体的には、まず、エンドエフェクタに取り付けられた赤外線サーモグラフィサブアセンブリを有するロボット装置について説明する。そのロボット装置は、超音波検査アセンブリを赤外線サーモグラフィデバイスのハウジングに取り付けることによって超音波検査も行うように改造することができる。さらなる実施形態によれば、超音波検査アセンブリは、赤外線サーモグラフィデバイスを有しないロボット装置のエンドエフェクタに取り付けることができる。
【００２４】
赤外線サーモグラフィ方法およびデバイスは、材料の非破壊検査を行って、欠陥、材料の特性の変動、または材料のコーティングまたは層の厚さの差異を検出することを可能にする。赤外線撮像は、材料の表面またはその下の熱拡散率または熱伝導率の局所的変動を検出することができる。赤外線サーモグラフィは、鋼鉄を含む鉄系材料などの金属、またはプラスチック、セラミック、複合材料などの非金属材料に使用することができる。
【００２５】
アクティブサーモグラフィは、表面下の欠陥についてサンプルを非破壊的に評価するために使用される。それは、サンプルの目視検査では検出できない、内部の結合の不連続性、層間剥離、空隙、含有物および他の構造的欠陥を明らかにするために有効である。一般に、アクティブサーモグラフィは、サンプルを加熱または冷却して、サンプル温度と周囲温度との間に差を作り、次いで、その温度が周囲温度に戻るときにサンプルから発する赤外線サーマルシグネチャーを観察することを含む。赤外線カメラは、サンプル表面からサンプルの内部への熱の拡散を阻止する表面下の欠陥によって引き起こされる冷却挙動の異常を検出することができるので、使用される。より詳細には、これらの欠陥は、欠陥の直上の表面を、周囲の欠陥のない領域とは異なる速度で冷却させる。サンプルが冷却している時に、赤外線カメラは、表面温度を示す画像の時間シーケンスを監視して記録し、それによって時間の経過にともなう表面温度の変化の記録を作成する。
【００２６】
典型的には、材料の表面は、フラッシュランプを用いて加熱され、一定時間後、加熱された材料の表面の熱画像が取得される。サーモグラフィ加熱用のシステムは、典型的には、サンプル励起のためにキセノンフラッシュチューブおよび既製の写真用電源を使用する。赤外線カメラは、材料の表面の温度を表す材料の表面からの赤外線スペクトル放射輝度を撮像する。材料の表面の温度の差は、材料の異なる熱特性を示す。材料の熱特性におけるこれらの変動は、材料欠陥の可能性または異物の含有を示す。
【００２７】
赤外線シグネチャー処理に必要な構造的な厚さと積み重ね配置は、胴体部の表面上の赤外線カメラの視野の正確なロケーションを知ることによって得られる。
【００２８】
図１は、胴体部２のサーモグラフィ撮像のためのシステムのいくつかの構成要素を示すブロック図である。この赤外線サーモグラフィ検査システムは、検査されている表面に隣接して囲いを形成するように設計されたフード１２内のカメラレンズ開口部５を通る方向に向けられたレンズを有するデジタル赤外線カメラ４を備える。１対のフラッシュランプ６ａ、６ｂが、フード１２の内部に、フード１２に対する固定された空間関係で配置されている。フラッシュランプ６ａ、６ｂは、赤外線カメラ４の動作も制御する赤外線サーモグラフィ処理制御コンピュータ（以下、「赤外線サーモグラフィコンピュータ８」という）からのトリガ信号に応答して、フラッシュ光を発する。本明細書で開示される実施形態の少なくともいくつかにおける使用に適したタイプの赤外線カメラ４の一例は、分光放射計として機能するように構成された焦点面アレイ（ＦＰＡ）デバイスを含む。赤外線カメラ、１対のフラッシュランプおよびフードを備えるタイプのフラッシュランプアセンブリに含まれ得る他の構成要素に関するさらなる詳細は、例えば、米国特許第７，１８６，９８１号に見出すことができる。
【００２９】
サーモグラフィ検査の１つの方法によれば、最初に、フラッシュランプ６ａおよび６ｂがトリガされて、胴体部２の複合材料に熱を伝達する。好ましくは、複合材料の冷却中、赤外線カメラ４は、胴体部２の加熱された部分の変化するスペクトル放射輝度の連続的なデジタル画像を取得するために、周期的にトリガされる。好ましくは、検査されている複合材料の熱的に励起された（加熱された）領域は、サンプルがその周囲と熱平衡に達するまで、励起源が除去された後に単調に冷却する。赤外線カメラ４によって取得されたデジタル赤外線画像データは、赤外線サーモグラフィコンピュータ８で受信されて処理される。赤外線サーモグラフィコンピュータ８は、赤外線画像データを処理して、材料の縁部、材料の表面下の異物、または層間剥離および許容範囲外の気孔率などの他の材料異常を検出および位置特定するようにプログラムされる。赤外線画像データは、赤外線サーモグラフィコンピュータ８と一体化されていてもよいし、別であってもよいディスプレイモニタ（図１には図示せず）上に表示されてもよい。
【００３０】
図１に示す実施形態によれば、赤外線サーモグラフィコンピュータ８は、赤外線カメラ４からの赤外線画像データを、赤外線サーモグラフィコンピュータ８が分析および数学的に操作できるフォーマットに変換するデジタル画像取得性能を有することができる。任意選択のデータ取得モジュール１０が、赤外線サーモグラフィコンピュータ８に組み込まれてもよいし、別であってもよい（図１に示されるように）。データ取得モジュール１０は、複合構造体の表面の完全な画像が単一の画像フレームに収まるには大き過ぎるときに、複合構造体の表面の完全なモザイク画像を生成するために、赤外線カメラ４が、複数の空間的に異なる画像を取得する場合に、使用することができる。赤外線サーモグラフィコンピュータ８は、赤外線カメラ４によって取得された赤外線画像データを分析するように、さらにプログラムされてもよい。詳細には、胴体部２が室温に戻るときの胴体部２の表面温度応答の時間履歴を分析して、複合材料内の欠陥の存在を検出することができる。
【００３１】
胴体部を検査する特定の用途に関連して、非破壊検査システムは、胴体部の外部の見晴らしの利く位置から胴体部のスキンをスキャンするための手段を含むことができる。以下に開示される実施形態において、外部スキャン手段は、赤外線カメラを備えたロボットを含む。ロボットは、可動ロボットベースと、ロボットベースに結合された近位端を有するロボットアームとを備える。ロボットベースは、可動ホロノミッククローラ車両であってもよい。赤外線サーモグラフィスキャナが、ロボットアームの遠位端に結合される。赤外線サーモグラフィスキャナは、赤外線カメラと、フード内に取り付けられた２つ以上のフラッシュランプとを含む。フードは、胴体部の外面上の矩形領域を覆うようなサイズにすることができる。隣接する矩形領域から取得された赤外線画像データは、局所測位システムを用いたロボットベースのそれぞれのロケーションの測定値に基づいてスティッチングすることができる。スティッチングプロセスは、リアルタイムに実行されてもよいし、後で実行されてもよい。
【００３２】
本明細書に開示されるロケーションアラインメントフィードバックのコンセプトを使用するように構成されたＮＤＩシステムの様々な実施形態を、ここで、いくらか詳細に説明する。いくつかの実施形態によれば、ＮＤＩシステムは、飛行機のいずれの側からも胴体の上部および下部の中心線に届くことができるエンドエフェクタを備えた自動化されたプラットフォームである。このＮＤＩシステムは、メカナムホイールホロノミックモーションベースプラットフォームと、ベースプラットフォームによって運ばれる垂直な伸長マストと、旋回エンドエフェクタと、近接センサと、エンドエフェクタに取り付けられた複数のタイプのＮＤＩデバイスの支持体とを備える。伸長アームに旋回エンドエフェクタを備えた垂直な支持マストは、飛行機胴体部の全高の検査を可能にする。ホロノミックモーションベースプラットフォームにより、ロボットは、胴体の長さに沿ってＮＤＩスキャナユニットを迅速かつ効率的に再配置することができる。距離センサのフィードバックを伴うモーション制御ソフトウェアにより、グリッドパターンスキャンをオーバラップさせる自動取得が可能になる。ＮＤＩスキャンを適切な飛行機座標系とアラインメントさせるために、基準位置データも取得される。このシステムは、自動または手動の制御モードのいずれにおいても、セットアップおよび使用するのが比較的容易である。渦電流、超音波、赤外線サーモグラフィ（ＩＲＴ）ＮＤＩセンサを含む、エンドエフェクタに取り付けられた様々なタイプのＮＤＩユニットを受け入れるように、このシステムは構成できる。
【００３３】
図２は、一実施形態による地面上型のロボット式ＮＤＩ可動プラットフォーム２００の側面図を表す図である。このプラットフォームは、ホロノミックモーションベースプラットフォーム２０４、赤外線サーモグラフィ（ＩＲＴ）スキャナ２１４、およびロボットコントローラ（図示せず）の制御下にある（ホロノミックモーションベースプラットフォーム２０４によって運ばれる）自動スキャナ支持装置を備える。自動スキャナ支持装置は、ＩＲＴスキャナ２１４の高さを変更するために必要に応じて伸長および格納させることができる垂直な伸長可能マスト２０６を含む。垂直な伸長可能マスト２０６は、直線軸とホロノミックモーションベースプラットフォーム２０４に固定的に結合された１つの端部とを有する第１のマスト部２０６ａと、直線軸を有し、第１のマスト部２０６ａの軸に平行な線に沿ってスライドするように、第１のマスト部２０６ａにスライド可能に結合された第２のマスト部２０６ｂと、直線軸を有し、第２のマスト部２０６ｂの軸に平行な線に沿ってスライドするように、第２のマスト部２０６ｂにスライド可能に結合された第３のマスト部２０６ｃとを備えている。１つの実施態様によれば、マストの垂直伸長部は、単一のモータとケーブルプーリーシステムによって制御される。
【００３４】
図２に示す地面上型のロボット式ＮＤＩ可動プラットフォーム２００は、４バー連結機構の遠位端に旋回可能に結合されたエンドエフェクタ２１２の位置および向きを制御するための４バー連結アーム機構２０８を、さらに備える。４バー連結機構２０８のドライバリンクは、モータ駆動のリードスクリューまたは油圧シリンダ２１０によって第３のマスト部２０６ｃに対して回転するように駆動される。ＩＲＴスキャナ２１４は、エンドエフェクタ２１２に取り付けられ、エンドエフェクタ２１２と共に回転する。ＩＲＴシュラウド２１６は、ＩＲＴスキャナ２１４を取り囲み、ＩＲＴスキャナ２１４と湾曲したワークピース２０２（例えば、胴体部）との間の空間の容積を周囲環境から隔離する。
【００３５】
図３は、別の実施形態による地面上型のロボット式ＮＤＩ可動プラットフォーム２２０の側面図を表す図である。この実施形態は、垂直な伸長可能マスト２０６と、第３のマスト部２０６ｃに固定的に結合された剛性の伸長アーム２２２と、剛性の伸長アーム２２２の２つの側面の遠位端に旋回可能に結合されたエンドエフェクタ２２４とを備える。図４は、図３に示すロボット式ＮＤＩ可動プラットフォーム２２０のいくつかの構成要素の分解図を表す図である。この実施形態は、伸長高さ、およびエンドエフェクタのピッチに対して独立したプログラム可能な制御を有する。エンドエフェクタ２２４のピッチ回転は、非バック駆動可能ギヤボックス（図示せず）を備えた位置制御モータ２４６（図４参照）によって駆動することができる。
【００３６】
図５は、複合材料で作られた湾曲したワークピース２０２をスキャンするプロセスにおける地面上型のロボット式ＮＤＩ可動プラットフォーム２３０のプロトタイプの斜視図を表す図である。ＩＲＴスキャナ２１４が、エンドエフェクタ２２４に取り付けられ、エンドエフェクタ２２４は、ロボットコントローラ８０の制御下で、ピッチ軸の周りに旋回可能である。エンドエフェクタ２２４は、垂直な伸長可能マスト２０６の最上マスト部に固定的に結合されている剛性の伸長アーム２３２に旋回可能に結合されている。ＩＲＴスキャナ２１４は、取得したデータを電気ケーブル２４２を介して赤外線サーモグラフィコンピュータ（図５には図示せず）に送信する。ロボット式ＮＤＩ可動プラットフォーム２３０はまた、システムが作動されたときにオンとオフとを切り替える警告灯２４４を備えている。
【００３７】
１つの提案された実施態様によれば、ホロノミックモーションベースプラットフォーム２０４は、一方の対角線にタイプＡの対を、他方にタイプＢの対を配置した４つのメカナムホイールを使用する。タイプＡのメカナムホイールは、タイプＢのメカナムホイールとは、前者のテーパーローラが後者のテーパーローラとは異なる角度で配向されている点で異なる。各メカナムホイールは、それぞれの独立して制御されるステッピングモータによって駆動され回転することができる。メカナムホイール車両は、各車輪の回転速度と回転方向を制御することによって、任意の方向に移動させ、回転させることができる。例えば、４つの車輪をすべて同じ速度で同じ方向に回転させると、前方または後方への動きが引き起こされる。一方の側の車輪を同じ速度で回転させるが、他方の側の車輪による回転の反対方向に回転させると、車両が回転する。タイプＡの車輪を同じ速度で回転させるが、タイプＢの車輪の回転の反対方向に回転させると、横方向への動きが引き起こされる。ホロノミックモーションベースプラットフォーム２０４は、車載制御コンピュータ（すなわちロボットコントローラ）の制御下で移動する。適切なメカナムホイールホロノミックモーションベースプラットフォームの構造および機能が、米国特許第９，４１０，６５９号に記載されており、その開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【００３８】
一実施形態によれば、多数のセンサ（図５には図示せず）が、車両の特定の領域に障害物が存在することを示すために、ホロノミックモーションベースプラットフォーム２０４の周囲に取り付けられる。モーションコントローラは、そのセンサデータを使用して、その特定のセンサに関連付けられた方向に追加のモーションが発生するのをブロックするが、他の方向のモーションは、引き続き許可される。潜在的なセンサには、接触センサ、スルービームセンサ、および近接センサが含まれる。この衝突回避システムは、米国特許第７，１９４，３５８号に記載されているものと同様の方法で動作する。
【００３９】
前述したように、本明細書に開示されているロケーションアラインメントフィードバックプロセスは、距離センサを使用して、目標物（例えば、ワークピース２０２）に対するＩＲＴスキャナ２１４の位置および向き（すなわち、ロケーション）を決定する。相対ロケーションをリアルタイムで計算するために、少なくとも３つの非共線距離測定デバイスを使用することができる。目標物の表面を傷つける可能性を軽減するために、距離センサとして使用するために、接触プローブの代わりにレーザ距離計が選択された。近距離の距離および角度の案内に加えて、レーザ距離計は、一般的なナビゲーション目的のために、プラットフォームモーションコントローラへの長距離の距離フィードバックの利点も提供する。
【００４０】
一実施態様によれば、３つのレーザ距離計（図５には図示せず）が、エンドエフェクタ２２４に取り付けられている。図６は、図５に示されるロボット式ＮＤＩ可動プラットフォームの一部分の側面図を表す図であり、この部分は、エンドエフェクタ２２４と、エンドエフェクタ２２４に取り付けられた３つのレーザ距離計とを含む。３つのレーザ距離計のうち２つのみ（すなわち、レーザ距離計２３６および２３８）が、図６に見える。第３のレーザ距離計（すなわち、レーザ距離計２４０）は、図７に見える。図６に示すように、第１のレーザ距離計２３６は、エンドエフェクタ２２４に取り付けられたＬ字形の取付板２１８ａに取り付けられている。同様に、第２のレーザ距離計２３８は、エンドエフェクタ２２４に取り付けられたＬ字形の取付板２１８ｂ（図６および図７に示す）に取り付けられており、第３のレーザ距離計２４０は、エンドエフェクタ２２４に取り付けられたＬ字形の取付板２１８ｃ（図７に示す）に取り付けられている。
【００４１】
図７は、剛性の伸長アーム２３２に旋回可能に結合されているエンドエフェクタ２２４に取り付けられたＩＲＴスキャナ２１４（シュラウド２１６が取り外されている）の斜視図を表す図である。前述のように、レーザ距離計２３６，２３８および２４０が、エンドエフェクタ２２４に取り付けられている。図８の正面図に最もよく示されているように、レーザ距離計２３６は、ＩＲＴスキャナ２１４のフード１２の最も高い点の高さよりも高い高さに取り付けられ、一方、レーザ距離計２３８および２４０は、ＩＲＴスキャナ２１４のフード１２の最も低い点の高さよりも低い高さに取り付けられ、ある距離だけ離れている。好ましくは、レーザ距離計２３６，２３８および２４０は、二等辺三角形の頂点に配置される。図１５Ａは、レーザ距離計２３８と２４０を隔てる距離（すなわち、二等辺三角形の底辺）がａであり、レーザ距離計２３６と、レーザ距離計２３８と２４０との間の中間点とを隔てる距離（すなわち、二等辺三角形の高さ）がｂである、配置を示す。
【００４２】
図５〜図７に示すシステムは、オンボードアラインメントシステムを使用して、目標物に対するエンドエフェクタ２２４の相対ロケーション（位置および向き）オフセットを決定する。このプロセスは、レーザ距離計２３６，２３８および２４０からの距離情報を使用して、リアルタイムで相対ロケーションを計算する。次いで、システムは、そのデータをロボットコントローラに提供して、所望のフィードバックに基づくエンドエフェクタ２２４のモーションを生成する（ロボットの他の部分のモーション制御を含んでもよい）。
【００４３】
このプロセスが可能にする制御の１つの形態は、エンドエフェクタ２２４の向きが目標物の表面に対して常に垂直であるようにする、または常に表面から特定の距離であるようにするエンドエフェクタ２２４の向きなどのアラインメントのある態様において、オペレータを補助するための半自動制御である。
【００４４】
図９は、いくつかの実施形態によるアラインメントシステムのいくつかの構成要素を示すブロック図である。距離センサ１４（例えば、レーザ距離計２３６，２３８，２４０）が、距離情報をコンピュータ１６（例えば、ロボットコントローラ）に提供する。コンピュータ１６は、距離センサ１４から受信した距離情報に基づいてエンドエフェクタ２２４を目標物の表面とアラインメントさせる動作を決定するように構成されている（例えば、プログラムされている）。これらの動作は、ホロノミックモーションベースプラットフォーム２０４を新しいロケーションに移動させることと、垂直な伸長可能マスト２０６を伸長または格納させることと、エンドエフェクタ２２４をピッチ軸の周りに旋回させることと、のうちの１つ以上を含み得る。ロボット式ＮＤＩ可動プラットフォームは、それぞれのモータコントローラ１８によって制御される多数のモータ２０を備える。コンピュータ１６は、選択されたモータコントローラ１８にコマンド信号を送り、エンドエフェクタ２２４を目標物の表面とアラインメントさせるようにロボットの動作を作動させる。
【００４５】
このプロセスによって可能になる制御の別の形態は、オペレータがｍ  ｘ  ｎグリッドパターンなどの高いレベルの目標を指定し、次に自動コントローラが高いレベルの目標とアラインメントシステムからのフィードバックに基づいてモーション計画を行なう完全自動化されたモーション制御である。例えば、図１０は、大型のワークピースのＩＲＴ検査のための３×２スキャンパターン２２を表す図である。まず、ＩＲＴスキャナは、スキャン領域２６ａのＩＲＴデータを取得する。その後、ＩＲＴスキャナは、上方に移動し、スキャン領域２６ｂのＩＲＴデータを取得するロケーションで停止する。好ましくは、スキャン領域２６ｂは、スキャン領域２６ａとわずかにオーバラップして、スキャンをスティッチングすることを容易にし、カバー範囲に隙間がないことを保証する。次に、ＩＲＴスキャナは、右に移動し、スキャン領域２６ｃのＩＲＴデータを取得するロケーションで停止する。次に、ＩＲＴスキャナは、下方に移動し、スキャン領域２６ｄのＩＲＴデータを取得するロケーションで停止し、続いてスキャン領域２６ｅのＩＲＴデータを取得するために右に移動し、次いでスキャン領域２６ｆのＩＲＴデータを取得するために上方に移動する。このプロセス中のＩＲＴスキャナのスキャン経路２８が、図１０に矢印で示されている。
【００４６】
アライメントプロセスは、ロボットの個々のモーションを直接プログラミングすることに対する代替手段を提供する。また、システムが予期せぬ環境の変化に適応することも可能になり、エンドエフェクタが目標表面に接触しないで目標表面に対する所望の位置および向きを達成するための衝突回避能力も提供する。
【００４７】
ここで使用される自動化されたプロセスは、外部入力に基づいてある状態から別の状態への遷移を管理する有限状態機械制御アプリケーションに基づいている。このフレームワークにより、システムは、複数のタイプの入力とシステムの現在の状態に基づいて応答を生成することができる。自動的に生成されたモーション経路計画およびスキャナ制御信号を生成するために使用されるシステムの様々な動作は、ある作業モードと別の作業モードとの間の遷移の基準を満たすことに基づいている。一実施形態によれば、有限状態機械は、センサフィードバックを使用して、システム状態の別々のセット間の遷移をトリガする。
【００４８】
次に、そのプロセスが、遠位端にＮＤＩセンサ（例えば、ＩＲＴスキャナ）を有するロボットアームを運ぶベースプラットフォーム（例えば、ホロノミックモーションベースプラットフォーム）を備え、ベースプラットフォームおよびロボットアームの動きが、デバイスコントローラ（例えば、ロボットコントローラ）によって制御される、ロボット式ＮＤＩ可動プラットフォームを参照して説明される。図１１は、システムの作業全体の高いレベルのプロセスを示し、図１１Ａおよび図１１Ｂは、プロセスのアラインメントベースの態様に関連する詳細を示す。ロボットコントローラとＮＤＩセンサ制御コンピュータ（例えば、図１に示す赤外線サーモグラフィコンピュータ８）との間で送られるデジタル信号が、別個のロボットシステムとＮＤＩセンサシステムとの間の同期を可能にする。
【００４９】
図１１は、一実施形態によるエンドエフェクタアラインメントプロセスを使用する非破壊検査の方法１００のいくつかのステップを示す。プロセスを開始するために、システムオペレータが、目標物に対するＮＤＩセンサの第１のロケーションを特定する（ステップ１０２）。このステップは、視覚的方法（オペレータによる）によって、または自動的に（ＬＰＳのようなポインティングシステムを用いて）行うことができる。次に、システムオペレータは、ベースプラットフォームおよびロボットアームを操作して、ＮＤＩセンサをおおよそ第１のロケーションに移動させることができる（ステップ１０４）。システムオペレータは、ステップ１０６において、パターンにおける所望のスキャン数をデバイスコントローラに提供する。この数は、グリッドロケーションカウンタに格納されたカウントと比較され、このカウンタは、パターンにおけるスキャンが取得されるたびに、インクリメントされる。ステップ１０８において、デバイスコントローラは、予備的経路パラメータを計算し、自動スキャン取得を開始する。システムオペレータはさらに、近接／衝突検出を作動させる（ステップ１１０）。次に、システムオペレータは、外部追跡システム（例えば、ＬＰＳ）を使用して、第１のロケーションの３次元座標を取得する（ステップ１１２）。（外部追跡システムは、目標物の座標系に対するそれ自身の３次元座標が既知であるように、予め較正されており、これにより、ＬＰＳコンピュータは、目標物の座標系に対する第１のロケーションの３次元座標を計算することができる。）その後、アラインメントプロセス中およびスキャンプロセス中にＮＤＩセンサのモーションを制御するための有限状態機械が、イネーブルされる（ステップ１１４）（すなわち、図１１ＡのＡに進む）。（有限状態機械については、図１１Ａおよび図１１Ｂを参照して、次のパラグラフで説明する。）ＮＤＩセンサがアラインメントされ、スキャンパターンが完了した後、システムオペレータは、外部追跡システムを使用してＮＤＩセンサの終了ロケーションの３次元座標を取得する（ステップ１１６）。次いで、隣接するスキャンからのスキャンデータをスティッチングすることにより、組み合わされた画像を組み立てることができる（ステップ１１８）。
【００５０】
図１１Ａおよび図１１Ｂは（一緒に）、図１１の高いレベルで示された方法で使用される有限状態機械によって実行されるいくつかのステップを特定するフローチャートを形成する。有限状態機械は、任意の与えられた時点に有限個の状態のうちの１つの状態しかとれないプロセスの数学的モデルである。
【００５１】
１つの提案された実施態様によれば、ロボットコントローラは、有限状態機械（ＦＳＭ）がＧＲＩＤ＿ＭＯＶＥ状態にセットされているか否かを、最初にチェックする（すなわち判定する）（ステップ１２０）。ＧＲＩＤ＿ＭＯＶＥは、ロボットが、高いレベルで定義されたグリッドロケーション間を移動している状態である。例えば、システムオペレータが、システムに、３×２パターンでデータを取得することを望む場合、ロボットは、連続したグリッドを作るために、図１０に示すスキャン経路２８に沿って移動する。ステップ１２０において、ロボットコントローラが、ＦＳＭがＧＲＩＤ＿ＭＯＶＥ状態にないと判定した場合、ロボットコントローラは、ステップ１２８に直接進む。ステップ１２０において、ロボットコントローラが、ＦＳＭがＧＲＩＤ−ＭＯＶＥ状態にあると判定した場合、ロボットコントローラは、シーケンス内に追加のグリッドロケーションがあるかどうかを判定する（ステップ１２２）。これは、グリッドロケーションカウンタの現在のカウントを、予めセットされた取得すべきスキャン数と比較することによって達成される。ステップ１２２において、ロボットコントローラが、シーケンス内に追加のグリッドロケーションがない（すなわち、カウントが、予めセットされた数に等しい）と判定した場合、プロセスは、図１１のステップ１１６に戻る。ステップ１２２において、ロボットコントローラが、シーケンス内に追加のグリッドロケーションがある（すなわち、カウントが、予めセットされた数より小さい）と判定した場合、ロボットは、アラインメントされていないＮＤＩセンサの次のロケーションに移動し（ステップ１２４）、その後、有限状態機械の状態が、ＡＬＩＧＮにセットされる（ステップ１２６）。次のステップで、ロボットコントローラは、有限状態機械がＡＬＩＧＮ状態にセットされているか否かを判定する（ステップ１２８）。
【００５２】
ＡＬＩＧＮ状態は、ロボットが３つの距離センサを使用して、エンドエフェクタのピッチおよびヨーが、ＮＤＩスキャナの目的軸が目標物の表面に対して垂直になるようになっていることを保証しているときである。ステップ１２８において、有限状態機械がＡＬＩＧＮ状態にないとロボットコントローラが判定した場合、ロボットコントローラは、図１１Ｂのステップ１４４に直接進む。ステップ１２８において、有限状態機械がＡＬＩＧＮ状態にあるとロボットコントローラが判定した場合、ロボットコントローラは、ＮＤＩセンサのロケーションを精緻化する必要があるか否かを判定する（ステップ１３０）。ステップ１３０において、ロボットコントローラが、ＮＤＩセンサのロケーションを精緻化する必要がない（すなわち、ＮＤＩスキャナの目的軸が、目標物の表面に対して垂直である）と判定した場合、ロボットコントローラは、有限状態機械の状態をＳＣＡＮにセットし（ステップ１３２）、図１１Ｂのステップ１４４に直接進む。ステップ１３０において、ロボットコントローラが、ＮＤＩセンサのロケーションを精緻化する必要がある（すなわち、ＮＤＩスキャナの目的軸が、目標物の表面に対して垂直でない）と判定した場合、ロボットコントローラは、以下のステップを順番に実行する：（Ａ）距離センサから距離データを取得する（ステップ１３４）。（ｂ）所望のアラインメントされたロケーションからの向きオフセットおよび並進オフセットを計算する（ステップ１３６）。（ｃ）距離を所望のオフセットにアラインメントさせる（ステップ１３８）。（ｄ）エンドエフェクタのヨー角をアラインメントさせて、目標物の表面に対する垂直を達成し、横方向位置を調整する（ステップ１４０）。（ｅ）エンドエフェクタのピッチ角をアラインメントさせて、目標物の表面に対する垂直を達成し、高さを調整する（ステップ１４２）。（ｆ）ステップ１３０に戻る。
【００５３】
前述したように、ロボットコントローラが、ステップ１３０において、ＮＤＩセンサのロケーションを精緻化する必要がないと判定した場合、ロボットコントローラは、有限状態機械の状態をＳＣＡＮにセットし（ステップ１３２）、図１１Ｂのステップ１４４に直接進む。ステップ１４４において、ロボットコントローラは、有限状態機械がＡＬＩＧＮ状態にセットされているか否かを判定する。ステップ１４４において、有限状態機械がＳＣＡＮ状態にないとロボットコントローラが判定した場合、ロボットコントローラは、図１１Ａのステップ１２０に戻る。ステップ１４４において、有限状態機械がＳＣＡＮ状態であるとロボットコントローラが判定した場合、ロボットコントローラは、スキャナ制御コマンドをＮＤＩスキャナ制御コンピュータ（例えば、図１に示された赤外線サーモグラフィコンピュータ８）に送信する（ステップ１４６）。次いで、ロボットコントローラは、スキャナ応答をチェックし（ステップ１４８）、スキャンパターンが完了したか否かを判定する（ステップ１５０）。ステップ１５０で、スキャンパターンが完了していないとロボットコントローラが判定した場合、ロボットコントローラは、ステップ１４８に戻る。ステップ１５０において、ロボットコントローラが、スキャンパターンが完了したと判定した場合、ロボットコントローラは、以下のステップを順番に実行する：（ａ）ＮＤＩスキャナをそのロケーションに戻す（ステップ１５２）。（ｂ）有限状態機械の状態をＧＲＩＤ＿ＭＯＶＥにセットする。（ｃ）グリッドロケーションカウンタをインクリメントする。（ｄ）図１１のステップ１１４に戻る。
【００５４】
自動スキャンシーケンスが完了した後に、各ＩＲＴスキャンからの個々の画像をスティッチングして、検査領域の単一の表現を作成することができる。
【００５５】
上述のシステムは、ロボットマニピュレータまたは他のデバイスの一般的なアラインメントタスクのための多くの潜在的な使用事例を有し得る。これらの使用事例の１つは、飛行機胴体のグリッドベースのスキャンなどの、航空宇宙製造および保守環境におけるグリッドベースのＮＤＩスキャン取得に対するものである。
【００５６】
典型的な動作中、このシステムは、ユーザによっておおよそ第１のロケーションに駆動（遠隔操作）されることができ、その後、図１０に示すように、飛行機胴体の両側に沿ってオペレータ定義の垂直および水平のパターンで配置されたグリッドスキャンを自動的に取得するように設定される。
【００５７】
モーション制御アルゴリズムの自動グリッドスキャンの特徴は、３つのレーザ距離計２３６，２３８および２４０からの距離データをモーション制御アルゴリズムにフィードバックし、それぞれプラットフォーム２０４およびエンドエフェクタ２２４の水平および垂直配置、ならびにヨーおよびピッチの向きを設定することを含む。このアプローチにより、システムのための個別の事前定義されたモーション経路が不要になり、使用が簡単になり、セットアップ時間が短縮される。
【００５８】
システムは、オペレータが手動でデータを取得することができるように、遠隔操作モードで十分に制御することもできる。半自動モードも可能であり、このモードでは、システムオペレータが、プラットフォームのロケーションとマストの高さを制御し、システムは、エンドエフェクタのピッチの向きを自動的に調整して、その前の表面との垂直なアラインメントを維持する。
【００５９】
飛行機の座標系においてスキャンを正しく位置特定するために、スキャンの境界領域の３次元座標位置測定が行われる。この境界参照は、組み合わされたスキャン画像を、目標物およびそれに関連するＣＡＤモデルと同じ座標系に配置することを可能にする。これにより、取得されたスキャンと目標物のそれぞれの３次元モデルとの関連付けが可能になり、将来の参照のためのロケーションデータが提供される。このシステムでは、目標物５４の座標系における３次元座標位置データを取得するために、局所測位システム（ＬＰＳ）２４（図１２に示す）が使用される。例えば、図１２は、測定される境界位置６０にレーザビーム３０を向けるＬＰＳ２４を示す。ＬＰＳ２４が、目標物５４の座標系に対してすでに較正されていると仮定すると、ＬＰＳ２４によって取得された境界位置データ点を使用して、目標物５４の座標系における各境界位置の座標を決定することができる。
【００６０】
一実施形態によれば、ＩＲＴスキャナ２１４（図５および図８参照）が、特定のロケーションのスキャンデータを取得しているときに、ＩＲＴシュラウド２１６のコーナーをターゲットにすることによって、スキャンの境界の取得を達成することができる。これらのＬＰＳ境界測定は、最初のスキャンの前と最後のスキャンの後、またはグリッドシーケンスの任意の中間ロケーションで実行される。１つの提案された実施態様によれば、ＩＲＴシュラウド２１６のコーナー（またはいくつかの既知のロケーション）は、アクティブ（例えば、ＬＥＤ）もしくはパッシブ光学ターゲットのいずれか、または他の可視的特徴を有することができる。パッシブアプローチでは、システムオペレータは、これらの点をターゲットにするために、ＬＰＳ２４を使用する必要がある。アクティブＬＥＤターゲットを使用すると、ＬＰＳカメラを使用してＬＥＤを検出する自動アプローチが可能になる。理想的には、スキャン領域の４つのコーナーをすべて取得することが最も好ましいが、ＩＲＴシュラウド２１６が、光学ターゲットを遮断することがあり、それによって、ターゲットにすることが難しくなる。プロセスのこの部分に必要な光学ターゲットの最小数は、２であるが、これは、例えば、目標物の３次元ＣＡＤモデルからの表面法線を使用して、Ｘ×Ｙスキャン領域の形状について仮定を行うことができるからである。
【００６１】
ＬＰＳ２４の電動パンチルト制御の態様は、ＬＰＳ２４が、スキャンのための所望の第１のロケーションを示すための初期ロケーション参照および案内機能を提供することも可能にする。ＬＰＳ２４を目標物上の既知のロケーションに対して最初に較正した後、オペレータは、ＬＰＳ２４に、そのレーザポインタを目標表面上の指定された３次元座標に向けるように指示することができ、そのレーザスポット３８が、図１３に示されている。次いで、オペレータは、ロボットを駆動して、図１３に示すように、それぞれレーザ距離計２３６，２３８および２４０のレーザスポット３２ａ、３２ｂおよび３２ｃを、ＬＰＳレーザスポット３８の周りにアラインメントさせる。
【００６２】
ＬＰＳ２４を使用して、目標物５４（例えば、飛行機）の座標系における測定値を取得するために、システムオペレータは、目標物上の３つの既知の点を使用する。これらの３つの点は、スキャン登録プロセスのために測定されたＩＲＴシュラウド２１６上の点とは別個の較正点である。つまり、スキャンデータを飛行機座標とアラインメントさせたい場合、ＬＰＳ測定の最小総数は５であり、最初のＬＰＳ較正のために３つ、スキャンが行われた矩形領域を画定するために２つである。
【００６３】
図１４は、一実施形態による、ロボット対ターゲットの位置特定プロセスを実行することができるシステムの斜視図である。ロボット対ターゲットの位置特定プロセスは、制御可能なパンチルトユニット４２上の単一のカメラ４０およびレーザ距離計（図示せず）を備えるＬＰＳ２４を使用して実行される。ＬＰＳの動作および較正プロセスは、米国特許第７，８５９，６５５号に開示されており、その開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【００６４】
より具体的には、図１４に示す局所測位システムは、自動（遠隔制御）ズーム機能を有することができるビデオカメラ４０を備える。ビデオカメラ４０は、パンチルト機構４２に支持されている。ビデオカメラ４０およびパンチルト機構４２は、ＬＰＳ制御コンピュータ４８によって動作させることができる。ＬＰＳ制御コンピュータ４８は、ビデオ／制御ケーブル４６を介してビデオカメラ４０およびパンチルト機構４２と通信する。あるいは、ＬＰＳ制御コンピュータ４８は、無線通信経路（図示せず）を介してビデオカメラ４０およびパンチルト機構４２と通信してもよい。ＬＰＳ制御コンピュータ４８は、レーザ距離計（図示せず）、ビデオカメラ４０およびパンチルト機構４２を含むＬＰＳハードウェアの動作を制御するように構成されている。例えば、パンチルト機構４２のパンおよびチルト角、従ってビデオカメラ４０の向きは、コンピュータ４８のキーボードまたは他のユーザインターフェースハードウェア３６（例えば、ゲームパッド）を用いて制御することができる。ビデオカメラ４０によって見られる光学画像視野を、ＬＰＳ制御コンピュータ４８のモニタ３３に表示することができる。
【００６５】
パンチルト機構４２は、レーザ距離計（図示せず）およびビデオカメラ４０を、垂直の方位角（パン）軸および水平の仰角（チルト）軸の周りの選択された角度に回転調整するように、制御される。三脚４４の固定座標系（またはパンチルトユニットが取り付けられている他のプラットフォーム）に対するレーザ距離計（図示せず）およびビデオカメラ４０の向きを表す方向ベクトル６６（図１４に破線で示す）は、カメラが目標点に向けられるときのパン角およびチルト角から決定される。図１４において、方向ベクトル６６は、レーザ距離計（図示せず）およびビデオカメラ４０から延び、シュラウド２１６の１つのコーナー上の点９４ａと交わる。
【００６６】
レーザ距離計は、方向ベクトル６６に沿ってレーザビームを送るように、カメラ４０のハウジングの内部に組み込まれてもよく、またはカメラ４０の外側に取り付けられてもよい。レーザ距離計は、シュラウド２１６上の任意の可視的特徴部（例えば、コーナー９４ａ〜９４ｃの１つ）までの距離、または湾曲したワークピース２０２上の任意の較正点（例えば、点９２ａ〜９２ｃ）までの距離を測定するように構成される。（各較正点は、湾曲したワークピース２０２上の可視的特徴部であってもよいし、または湾曲したワークピース２０２に取り付けられた光学ターゲットであってもよい。）レーザ距離計は、レーザと、衝突点から反射されたレーザビームに応答して検出されたレーザ光に基づいて距離を計算するように構成されたユニットとを有することができる。
【００６７】
図１４に示す局所測位システムは、ＬＰＳ制御コンピュータ４８にロードされる３次元位置特定ソフトウェアをさらに含む。例えば、３次元位置特定ソフトウェアは、湾曲したワークピース２０２上の複数の較正点９２ａ〜９２ｃを使用して、湾曲したワークピース２０２に対するビデオカメラ４０のロケーション（位置および向き）を定めるタイプであってもよい。較正点９２ａ〜９２ｃは、特徴位置の３次元データベース（例えば、ＣＡＤモデル）または他の測定技術から決定されるような、湾曲したワークピース２０２の局所座標系における既知の位置の可視的特徴部であってもよい。ＬＰＳ較正プロセス中に、少なくとも３つの非共線点に関するＸ、Ｙ、Ｚデータが、ＣＡＤモデルから抽出される。典型的には、目標物上で容易に位置特定することができる特徴に対応する較正点が、選択される。３次元位置特定ソフトウェアは、較正点９２ａ〜９２ｃのＸ、Ｙ、Ｚデータ、ならびにパンチルト機構４２からのパンおよびチルトデータを利用して、湾曲したワークピース２０２の局所座標系に関するビデオカメラ４０の相対位置および向きを定める。較正点９２ａ〜９２ｃまでの測定された距離が、湾曲したワークピース２０２に対するカメラの位置および向きを求めるために、パンチルト機構４２からのパンおよびチルト角と連携して使用されてもよい。器具対ターゲットの較正変換行列（カメラ姿勢と呼ばれることもある）を生成する方法が、米国特許第７，８５９，６５５号に開示されている。既知のデータおよび測定データを用いて、較正プロセスは、湾曲したワークピース２０２に対するビデオカメラ４０の位置および向きを定める４×４の同次変換行列を計算する。
【００６８】
湾曲したワークピース２０２に対するビデオカメラ４０の位置および向きが決定され、カメラ姿勢変換行列が生成されると、カメラパンデータ（方位角軸の周りのビデオカメラ４０の回転角度）およびチルトデータ（仰角軸の周りのビデオカメラ４０の回転角度）が、ビデオカメラ４０の計算された位置および向きと共に使用されて、湾曲したワークピース２０２の座標系におけるシュラウド２１６上の任意の目標点のＸ、ＹおよびＺ座標を決定することができる。スキャンパターンの始めと終わりにシュラウド２１６を位置特定することによって、湾曲したワークピース２０２の座標系におけるスキャンパターンのロケーションを決定することができる。
【００６９】
より具体的には、相対位置特定プロセスを使用して、スキャンパターンの始めと終わりに湾曲したワークピース２０２の座標系におけるシュラウド２１６の可視的特徴部（例えば、図１４に示すコーナー９４ａ〜９４ｃのいずれか１つ）のロケーションを決定することができる。シュラウド２１６に適用される基本的なプロセスシーケンスは、以下の通りである。（１）局所測位システムが、目標物上の３つの既知の点９２ａ〜９２ｃを測定することによって、検査されている目標物（例えば、湾曲したワークピース２０２）の座標系に対して較正される。（２）ロボットが、スキャンパターンの始め（例えば、図１２に見られるスキャン領域２６ａに対して）にあるときに、局所測位システムが、シュラウド２１６上の可視的特徴部（例えば、コーナー９４ａ）のロケーションを測定する。（３）その後、ロボットが、スキャンパターンの終わり（例えば、図１２に見られるスキャン領域２６ｆに対して）にあるときに、局所測位システムが使用されて、シュラウド２１６上の同じ可視的特徴部または異なる可視的特徴部（例えば、コーナー９４ｂまたは９４ｃ）のロケーションを測定する。（４）これにより、オペレータは、モザイクパターンを構成するスキャンの境界を決定することができる。
【００７０】
コンピュータ４８内で動作するＬＰＳ制御ソフトウェアが、湾曲したワークピース２０２の座標系に対するシュラウド２１６上の各可視的特徴部のロケーションを計算する。ＬＰＳ制御コンピュータ４８（図１４参照）が、将来の参照のためにロケーション座標を記録するように構成されている、図１７に示すエキスパートワークステーション７４に、ロケーションデータを送信する。このロケーションデータを使用して、スキャンデータを目標物のＣＡＤモデルとアラインメントさせることもできる。
【００７１】
コンピュータ４８上のＬＰＳ制御ソフトウェアは、Ｘ、ＹおよびＺ値として点データを出力するが、制御アプリケーションは、湾曲したワークピース２０２の位置および向きを提供するために、単なるＸ、ＹおよびＺデータ点ではなく、それ以上を使用する。位置および向きの問題を解くために、３つの測定点９２ａ〜９２ｃからのＸ、ＹおよびＺデータならびにこれらの点の既知の寸法を使用して、まるまる６自由度の位置および向きの表現を計算する。これを、前述の位置特定ソフトウェアが行う。位置特定ソフトウェアが使用する位置および向きのフォーマットは、４ｘ４変換行列であるが、データを表す他の方法もある。
【００７２】
システムオペレータが、（米国特許出願公開第２０１５／０２６８０３３号に記載されているような）相対的なＬＰＳスキャンを実行したい場合、オペレータは、目標物上の任意の３つの非共線点を使用することができるが、それらの点の３次元座標を事前に知る（標準的なＬＰＳ法の場合に行うような）必要はない。システムオペレータは、相対的なモードを使用して目標物座標において結果を取得することはないであろうが、一部のアプリケーションでは、それは必要とされない。相対的なＬＰＳ位置特定プロセスは、ＮＤＩセンサが以前の状況と同じ領域にアラインメントされていることを保証するために、使用することができる。また、いくつかの別々のスキャンをつなぎ合わせる場合や、ＬＰＳを移動する必要がある場合に、便利である。
【００７３】
先に開示したように、このシステムは、レーザ、ストリングエンコーダ、超音波センサなどの距離測定デバイスを使用し、少なくとも３つの非共線距離測定デバイスが、基本的な要件である。１つの距離センサ配置（上述）は、三角形構成に配置された３つの距離測定レーザを使用する。代替の実施形態では、４つの距離測定レーザが、矩形構成に配置されている。どのセンサ配置が使用されているかに関わらず、距離データが、エンドエフェクタの向きデータとともに、ロボットコントローラ８０に供給される。フィードバック制御方法を使用して、現在の角度と所望の角度との間の誤差をゼロにすることができる。
【００７４】
次に、レーザ距離計を用いて角度を決定する方法を、図１５Ａ〜図１５Ｃを参照して説明する。図１５Ａ〜図１５Ｃは、共通の平面に三角形のパターンで配置され、目標物５４の表面上のそれぞれのスポットに向けられた３つのレーザ距離計２３６，２３８，２４０の、それぞれ正面図、側面図、上面図であり、レーザ距離計およびスポットは、それぞれの距離だけ離されている。
【００７５】
ターゲットまでの距離を決定するために３つのレーザを使用することに加えて、それらはまた、ヨー角およびピッチ角を決定するためにも使用される。図１５Ａは、目標物５４の表面までの測定距離ｄ１、ｄ２、ｄ３とともに、横寸法ａと縦寸法ｂを用いて、互いに対するレーザ距離計２３６，２３８，２４０の位置を示している。ピッチ角およびヨー角を計算するために、式（１）および式（２）を使用することができる。
PitchAngle = atan2(d1 - (d2 + d3)/2, b)      (1)
YawAngle = atan2(d2 - d3, a)                 (2)
ここで、ＰｉｔｃｈＡｎｇｌｅおよびＹａｗＡｎｇｌｅは、目標物５４の表面に対する、図１５Ａ〜図１５Ｃに示すアラインメント装置の現在の計算された角度である。現在のロケーションでの表面法線に対して測定されるこれらの角度の目標は、ゼロに等しくなることである。目標角度を達成するプロセスを以下に説明する。
【００７６】
現在のヨー角およびピッチ角を計算すると、システムモーションコントローラは、制御されたモーション、すなわちパン、チルト、および距離のために速度制御方法を使用することができる。比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラなどのフィードバックコントローラを使用して、現在の角度と所望の角度との間の誤差をゼロにすることができる。ピッチおよびヨーモーション制御を計算するために、式（３）および（４）を使用することができる。
PitchRate = Kppitch * (PitchAngle - PitchAnglegoal)     (3)
YawRate = Kpyaw * (YawAngle - YawAnglegoal)             (4)
ここで、ＰｉｔｃｈＲａｔｅおよびＹａｗＲａｔｅは、それぞれ、アラインメント装置のピッチ軸の周りおよびベースのヨー軸の周りの角回転速度を表す。ＫｐｐｉｔｃｈおよびＫｐｙａｗは、それぞれ、ピッチ軸およびヨー軸に関連する比例フィードバックゲインである。ＰｉｔｃｈＡｎｇｌｅとＹａｗＡｎｇｌｅは、それぞれ、式（１）および式（２）から計算された角度である。ＰｉｔｃｈＡｎｇｌｅｇｏａｌとＹａｗＡｎｇｌｅｇｏａｌは、それに向かってコントローラがシステムを駆動しているところの所望の目標角度である（前述のとおり、この例では両方ともゼロである）。積分および微分フィードバックも使用できるが、ここには示されていない。
【００７７】
ベース速度の式は、次のとおりである。
Velx = Kpx * (MinDistx - offsetx)             (5)
Vely = Kpy * (MinDisty - offsety)             (6)
ここで、ＶｅｌｘとＶｅｌｙは、ベースの横方向速度である。ＫｐｘおよびＫｐｙは、それぞれ、ベースのＸ方向およびＹ方向の比例フィードバックゲインである。ＭｉｎＤｉｓｔｘおよびＭｉｎＤｉｓｔｙは、それぞれ、Ｘ方向およびＹ方向にレーザによって測定された最小値である。ｏｆｆｓｅｔｘとｏｆｆｓｅｔｙは、目標オフセット距離である。一部のアプリケーションでは、レーザは、Ｘ方向とＹ方向の両方で測定するようには構成されていない。そのような場合には、アラインメントプロセスに関連するＸまたはＹ速度制御式が、使用されない。
【００７８】
ベースフレーム６２と、一方の対角線に沿った１対のタイプＡメカナムホイールＷ１およびＷ３と、他方の対角線に沿った１対のタイプＢメカナムホイールＷ２およびＷ４とを備えるホロノミックモーションベースプラットフォームに対して、運動学を用いて、４つの個々の車輪速度を計算することができる。車両の寸法（ＬおよびＤ）および所望の回転点（距離ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２によって記述される）が、図１６に示されている。車輪Ｗ１〜Ｗ４の個々の車輪速度は、式（７）〜（１０）に示される。
VW1 = Vely  -  Velx + YawRate * (a1 + b1)        (7)
VW2 = Vely  +  Velx - YawRate * (a1 + b2)        (8)
VW3 = Vely  -  Velx - YawRate * (a2 + b2)        (9)
VW4 = Vely  +  Velx + YawRate * (a2 + b1)        (10)
ここで、ＶＷｉ（ｉ＝１，２，３，４）は、個々の車輪速度である。ＶｅｌｘとＶｅｌｙは、式（５）および式（６）からの横方向速度である。ＹａｗＲａｔｅは、式（４）からのヨー回転速度である。ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２は、図１６に示す回転点距離である。
【００７９】
エンドエフェクタの主なピボット構成は、次のとおりである。（ａ）１軸ピボット：１つのモータ、１つの角度センサ、（ｂ）２軸ジンバル：２つのモータ、２つの角度センサ。
【００８０】
上述のアラインメントプロセスは、離散的および連続的なセンサ更新の両方の使用事例に対処し、このコンセプトは、スタンドアロンシステムとしてまたは既存システムの一部として詰め込むこともできる。
【００８１】
本明細書に開示されたコンセプトは、ホロノミックモーションベースプラットフォームに適用されるが、変形例が、他のシステムにも適用可能である。潜在的な使用事例には、ホロノミックおよび非ホロノミックプラットフォーム、関節式ロボットアーム、ガントリーアーム、ハイブリッドモーションベース／アームシステム、ヘリコプターとＵＡＶ、カメラ、ライト、ツールが含まれる。
【００８２】
本明細書に開示されているレーザベースのアラインメントプロセスは、ロボットをオンラインで教える必要も、オフラインで事前にプログラムする必要もなしに、システムを動作させることを可能にし、このアプローチをより使いやすくする。これは、環境における予期せぬ変化に適応しながら、エンドエフェクタを所定の場所に導く。リストまたは事前にプログラムされたモーションステップを実行する代わりに、システムは、センサからのフィードバックを使用して、アラインメント、グリッドベースのモーション、およびスキャンプロセスのさまざまなステップ間を遷移する有限状態機械として動作する。
【００８３】
アラインメントセンサは、エンドエフェクタの衝突回避能力も提供する。システムのこの構成により、地面上型のホロノミックプラットフォームからクラウン（頂上部）まで胴体のすべての領域に届くことができる。この解決法は、外部測定システム（ＬＰＳ）を使用してロケーション基準データを収集する任意選択のプロセスを提供する。
【００８４】
目標物（例えば、飛行機）の座標系において定められたロケーションデータを収集する能力は、保守／修理のためのＣＡＤデータを伴うスキャンデータの正確な登録と、保管目的のためにロケーション情報を記録する方法とを可能にする。
【００８５】
アラインメントセンサ要素に加えて、回転する手首およびモジュール式ツールマウントを備えた垂直な伸長アームを使用するシステムの構成は、最小限の地表面積で胴体の周りの必要な領域に届くことができるコンパクトで比較的低コストのプラットフォームを提供する。
【００８６】
本明細書に開示されたシステムは、渦電流センサ、超音波センサ、赤外線サーモグラフィ（ＩＲＴ）センサを含む、エンドエフェクタに取り付けられた様々なタイプのＮＤＩデバイスを受け入れるように構成できる。伸長アームに旋回エンドエフェクタを備えた垂直な支持マストは、飛行機胴体部の全高の検査を可能にする。ホロノミックモーションベースは、胴体の長さに沿ったセンサユニットの効率的な再配置を可能にする。モーション制御ソフトウェアは、グリッドパターンスキャンをオーバラップさせる自動取得を可能にする。基準位置データが、飛行機座標とのスキャンアラインメントのために取得される。
【００８７】
動作中、このシステムは、開始領域の一般的なロケーションに移動するように、オペレータによって駆動される（遠隔操作される）ことができ、次いで、飛行機胴体の両側に沿ってオペレータ定義の垂直および水平パターンで配置されたグリッドスキャンを自動的に取得するように構成される。ここで使用されるモーション制御アルゴリズムの特徴の１つは、システムのための個別の事前定義されたモーション経路を必要とするのではなく、距離センサのフィードバックを伴うことであり、これにより、使用が簡単になり、セットアップ時間が短縮される。飛行機の座標系においてスキャンを正しく位置特定するために、スキャンの境界領域の３次元座標位置測定が行われる。局所測位システムを使用して、飛行機の座標系における３次元座標位置データを取得する。次いで、この基準位置データが使用されて、ＮＤＩスキャンを適切な飛行機座標系とアラインメントさせる。
【００８８】
図１７は、１つのコンピュータアーキテクチャによる、大規模複合構造体の赤外線サーモグラフィ検査用システムのいくつかの構成要素を示すブロック図である。ロボット６４の動きは、有限状態機械と、少なくとも距離センサ（例えば、３つのレーザ距離計）からのフィードバックとに基づいて、ロボットコントローラ８０によって制御される。ＬＰＳ２４の動きおよび発射は、ＬＰＳ制御コンピュータ４８によって制御され、ＬＰＳ制御コンピュータ４８は、ＬＰＳ２４からレーザ追跡データを受信する。赤外線カメラ４およびフラッシュランプ６の作動は、赤外線サーモグラフィコンピュータ８によって制御され、赤外線サーモグラフィコンピュータ８は、赤外線カメラ４から赤外線画像データを受信する。これらのコンピュータの全てが、エキスパートワークステーション７４におけるマスタコンピュータと有線または無線通信することができる。エキスパートワークステーション７４のマスタコンピュータは、レーザ追跡データを赤外線画像データと相互関連させるようにプログラムすることができる。マスタコンピュータは、３次元モデルデータベースサーバ９６に３次元モデルデータを要求するように、さらにプログラムされてもよい。サーモグラフィ気孔率測定の場合、エキスパートワークステーション７４のマスタコンピュータは、基準サーマルシグネチャーデータベースサーバ９８に基準サーマルシグネチャーデータを要求するように、プログラムすることもできる。
【００８９】
ＬＰＳ制御コンピュータ４８は、複合構造体の３次元座標系における赤外線カメラ４のロケーションデータを取得する。バレル形の胴体部の場合、赤外線画像データを胴体部の３次元モデルに直接マッピングすることができる。赤外線画像データと３次元モデルデータとのオーバーレイにより、改善されたデータ解析および潜在的な自動データ解析も可能になる。例えば、３次元モデル上に赤外線画像データを直接オーバーレイすることによって、特徴部／欠陥表示を胴体構造に直接相互関連させることができる。さらに、モデル上への直接的なデータオーバーレイを使用して、気孔率の定量化に必要な局所領域または空間点の厚さを決定することができる。一実施形態において、このプロセスは、１つ以上のコンピュータグラフィックステクスチャマップとしての赤外線画像データストリップの適用を含み、赤外線画像データストリップが、エキスパートワークステーション７４のモニタまたはコンピュータ画面上に表示される仮想環境内の３次元モデル表面上に投影される。
【００９０】
一部の用途では、ＩＲＴスキャナ２１４は、ＩＲＴシュラウド２１６を取り外した状態で使用することができる。シュラウドが必要でない場合、接触ベースのＮＤＩ用の追加の装置（例えば、超音波トランスデューサアレイまたは渦電流プローブ）をＩＲＴスキャナ２１４に取り付けることができる。このような実施形態は、自動装置のアームの遠位端を安定させるための手段を設けることによって、強化することができる。様々な実施形態によれば、安定化は、それぞれが静止部および可動部を備える３つ以上のスタビライザによって提供される。各静止部は、エンドエフェクタに対して固定されたロケーションを有する。各可動部は、それぞれの静止部に並進可能に結合され、可動部の遠位端に配置されたコンタクタを備える。スタビライザが作動されると、コンタクタは、ワークピースの表面の方に並進移動して接触し、次いで、アームの遠位端およびそれに結合されたエンドエフェクタを安定させるために、所定の位置にロックされる。ツールの動作中、スタビライザは、エンドエフェクタ２２４（およびそれに固定的に結合されたすべての構造）の振動を低減する。
【００９１】
図１８は、ＩＲＴシュラウドが使用されないさらなる実施形態による、空気圧で安定化されたＩＲＴスキャナ２１４を使用して湾曲したワークピースをスキャンするプロセスにおける、地面上型のロボット式ＮＤＩ可動プラットフォームの斜視図を表す図である。スキャン動作中、エンドエフェクタ２２４およびそこに取り付けられたＩＲＴスキャナ２１４は、ＩＲＴスキャナ２１４によってスキャンされる領域の外側の領域で湾曲したワークピース２０２の表面に接触する４つの空気圧スタビライザ３４ａ〜３４ｄによって安定化される。しかしながら、スタビライザの数は、４つではなく３つであってもよいし、４よりも大きい数であってもよい。（３つのスタビライザしか使用されていない場合、それらは、同一直線上にあるべきではなく、近似的に同一直線上にあるべきでもなく、関心領域の範囲を定める三角形の頂点に配置されるべきである。）図１８に示す実施形態において、空気圧スタビライザ３４ａ〜３４ｄの各々は、ＩＲＴスキャナ２１４のハウジングに取り付けられた静止部を備える。空気圧スタビライザ３４ａ〜３４ｄの構造および動作については、図２０および図２３を参照して後に詳述する。
【００９２】
図１９は、メンテナンスツールと複数のスタビライザとを備えたロボット式可動プラットフォームを使用してメンテナンス作業を実行する方法２５０のステップを示すフローチャートである。方法２５０は、以下のステップを含む。（ａ）ロボット式可動プラットフォームを、アームの遠位端のツールが目標物の表面上の第１の関心領域に届くことができる第１のロケーションに移動させる（ステップ２５２）。（ｂ）アームの遠位端に結合されたエンドエフェクタが第１の関心領域に対して適切なロケーションにあるように、ロボット式可動プラットフォームを構成する（ステップ２５４）。（ｃ）アームに結合されている複数のスタビライザのコンタクタを、目標物の表面と接触するように伸長させる（ステップ２５６）。（ｄ）スタビライザのコンタクタを所定の位置にロックして、エンドエフェクタを第１の関心領域に対して適切なロケーションに維持する（ステップ２５８）。（ｅ）エンドエフェクタが第１の関心領域に対して適切なロケーションに維持されている間に、ツールを使用して第１のメンテナンス作業を実行する（ステップ２６０）。（ｆ）メンテナンス作業の完了時に、スタビライザのコンタクタをロック解除する（ステップ２６２）。（ｇ）スタビライザのコンタクタを格納する（ステップ２６４）。
【００９３】
図１９には示されていないが、メンテナンス作業を実行する方法は、（ｈ）ロボット式可動プラットフォームを、ツールが目標物の表面上の第２の関心領域に届くことができる第２のロケーションに移動させることと、（ｉ）エンドエフェクタが第２の関心領域に対して適切なロケーションにあるように、ロボット式可動プラットフォームを構成することと、（ｊ）複数のスタビライザのコンタクタを、目標物の表面と接触するように伸長させることと、（ｋ）スタビライザのコンタクタを所定の位置にロックして、エンドエフェクタを第２の関心領域に対して適切なロケーションに維持することと、（ｌ）エンドエフェクタが第２の関心領域に対して適切なロケーションに維持されている間に、ツールを使用して第２のメンテナンス作業を実行することと、をさらに含んでもよい。第２のメンテナンス作業が完了すると、コンタクタは、再びロック解除され、格納させることができ、ロボット式可動プラットフォームは、次の第２のロケーションに移動することができる。
【００９４】
１つの提案された実施態様によれば、方法２５０の構成するステップは、以下の動作の一方または両方を含む。（ａ）エンドエフェクタの軸が関心領域で目標物の表面に対して垂直になるように、エンドエフェクタを回転させること。（ｂ）エンドエフェクタが目標オフセット距離だけ目標物の表面から離されるように、エンドエフェクタを変位させること。後に詳述するように、コンピュータシステムが、レーザ距離計２３６，２３８および２４０からのフィードバックに応じて、自動装置上の様々なモータを制御して、湾曲したワークピース２０２の対向する表面に対するエンドエフェクタの目標向きと、湾曲したワークピース２０２の対向する表面からエンドエフェクタを隔てる目標オフセット距離とを達成するように構成される。
【００９５】
図２０は、代替の実施形態による、エンドエフェクタ２２４に取り付けられた安定化されたハイブリッドツールアセンブリを示す図である。図２１および図２２は、それぞれ、図２０に示すハイブリッドツールアセンブリの正面図および側面図を示す図である。この実施形態において、（レーザ距離計２３６，２３８，２４０が取り付けられる）Ｌ字形の取付板２１８ａ〜２１８ｃは、エンドエフェクタ２２４のそれぞれのリンクである。エンドエフェクタは、それぞれのシャフトカップリング１７２（そのうちの１つのみが、図２０に見える）を支持する１対のＤ字形のシャフト取付板１７０（そのうちの１つのみが、図２０に見える）をさらに備え、それぞれのシャフトカップリング１７２は、伸長アーム２３２の端部に回転可能に結合されたシャフト（図示せず）にエンドエフェクタ２２４を結合する。
【００９６】
前述したように、ＩＲＴスキャナ２１４をエンドエフェクタ２２４に取り付けることができ、故に、このスキャナは、前述のシャフトの軸の周りに旋回可能である。ＩＲＴスキャナ２１４のハウジングは、ウィンドウ３３２を形成する、スプラッシュカバーが取り付けられたウィンドウフレーム７６を含み、ロボット式ＮＤＩ可動プラットフォーム２００がＩＲＴ検査を実行するために使用されているときに、ウィンドウ３３２を通して、赤外線カメラ４が、関心領域を見ることができる。
【００９７】
図２２に示されたハイブリッドツールアセンブリは、アレイ支持アセンブリによってＩＲＴスキャナ２１４に可動的に結合された超音波トランスデューサアレイ７２をさらに備える。ＩＲＴシュラウド２１６（図４および図５参照）は、ベースＩＲＴシステムの拡張部品であり、遠距離の画像を取得することを可能にするが、ＩＲＴスキャナ２１４は、シュラウドなしで近距離の画像を取得するために、使用することができる。以下に詳細に説明するように、ＩＲＴスキャナ内部の赤外線カメラの視界を遮る可能性のあるアレイ支持アセンブリの要素は、ＩＲＴスキャナ２１４が使用されているときに、邪魔にならないように片側に移動させることができる。
【００９８】
図２０に示すように、アレイ支持アセンブリは、ウィンドウフレーム７６の前面に取り付けられた１対の互いに平行な水平直線レール３１２および３１４に乗っている移動ブリッジ３００を備える。移動ブリッジは、ブロックコネクタ３１０および３１６に埋め込まれたそれぞれのスライダによって、水平直線レール３１２および３１４にスライド可能に結合される。移動ブリッジ３００は、水平直線レール３１２および３１４に垂直に配置された１対の互いに平行な垂直直線レール３２０および３２２を備える。垂直直線レール３２０および３２２は、ブロックコネクタ３１０および３１６に取り付けられている。さらに、キャリッジ７０が、スライダ３１８（キャリッジが取り外された状態で、図２０の垂直直線レール３２０，３２２に沿った中間位置に示されている）によって、垂直直線レール３２０および３２２にスライド可能に結合されている。１つの提案された実施態様によれば、スライダ／直線レールアセンブリは、ＴＨＫ  Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎから市販されているタイプのケージドボールリニアモーションガイド（ｃａｇｅｄ−ｂａｌｌ  ｌｉｎｅａｒ  ｍｏｔｉｏｎ  ｇｕｉｄｅ）である。
【００９９】
図２０Ａおよび図２０Ｂは、図２０に示されるそれぞれの破線の矩形２０Ａおよび２０Ｂ内のハイブリッドツールアセンブリのそれぞれの部分の拡大図を表す図である。図２０Ａに示すように、移動ブリッジ３００は、ブロックコネクタ３１０に埋め込まれたスライダ３２８によって、水平直線レール３１２にスライド可能に結合される。図２０Ｂに示すように、移動ブリッジ３００は、ブロックコネクタ３１６に埋め込まれたスライダ３３０によって、水平直線レール３１４にスライド可能に結合される。
【０１００】
この開示のために、Ｘ方向が水平直線レール３１２および３１４に平行であり、Ｙ方向が垂直直線レール３２０および３２２に平行であり、Ｚ方向がＸ、Ｙ方向に垂直であるＸ−Ｙ−Ｚ座標系が採用される。超音波トランスデューサアレイ７２が、Ｚ方向の並進運動のために、キャリッジ７０にスライド可能に結合される。キャリッジ７０は、Ｙ方向の並進運動のために、垂直直線レール３２０，３２２にスライド可能に結合される。移動ブリッジ３００は、Ｘ方向の並進運動のために、水平直線レール３１２，３１４にスライド可能に結合される。
【０１０１】
図２０に示すアレイ支持アセンブリは、１対のリードスクリュー３０２および３０４をさらに備える。リードスクリュー３０２は、ブロックコネクタ３１６内に組み込まれたリードスクリューナット（図示せず）にねじ結合される（図２０Ａ参照）。リードスクリュー３０４は、キャリッジ７０に固定的に結合されたリードスクリューナット３３８にねじ結合される（図２０Ｂ参照）。リードスクリュー３０２の一端が、ベアリング３０８の内部に回転可能に装着され、他端が、Ｘ軸運動モータ３０６の出力シャフトに接続される。ベアリング３０８とＸ軸運動モータ３０６の両方が、ウィンドウフレーム７６に取り付けられている。代替の実施形態において、水平直線レール３１２，３１４、ベアリング３０８およびＸ軸運動モータ３０６は、エンドエフェクタ２２４に直接取り付けられたフレームに取り付けられてもよい（この場合、ＩＲＴスキャナ２１４は取り外される）。加えて、リードスクリュー３０４の一端が、ベアリング３２６の内部に回転可能に装着され、他端が、Ｙ軸運動モータ３２４の出力シャフトに接続される。ベアリング３２６およびＹ軸運動モータ３２４の両方が、移動ブリッジ３００の構成要素である。移動ブリッジ３００は、リードスクリュー３０２が回転する度に、水平直線レール３１２，３１４に沿ってスライドする。キャリッジ７０は、リードスクリュー３０４が回転する度に、垂直直線レール３２０，３２２に沿ってスライドする。並進運動の方向は、リードスクリューの回転方向に依存する。このように、超音波トランスデューサアレイ７２は、超音波検査手順の間、湾曲したワークピース２０２の表面にわたってＸおよびＹ方向にスキャンされ得る。
【０１０２】
アレイ支持アセンブリは、１対のドラッグチェーンケーブルキャリア１７４および１７６をさらに備える。ドラッグチェーンケーブルキャリア１７４は、Ｙ軸運動モータ３２４に接続する電気ケーブル（図示せず）を担持し、ケーブルキャリア１７６は、超音波トランスデューサアレイ７２に接続する電気ケーブル（図示せず）を担持する。図２０Ｂに最もよく示されているように、ケーブルキャリア１７６の一端が、キャリッジ７０に旋回可能に結合され、キャリッジ７０と直列になって垂直に並進運動する。ケーブルキャリア１７６の他端が、図２０Ａには示されていないデバイスに旋回可能に結合され、移動ブリッジ３００と直列になって水平に並進運動する。同様に、ケーブルキャリア１７４の一端が、図２０Ａには示されていない同じデバイスに旋回可能に結合され、移動ブリッジ３００と直列になって水平に並進運動する。ケーブルキャリア１７４の他端は、並進運動しない。
【０１０３】
図２０Ｂに最もよく示されているように、アレイ支持アセンブリは、キャリッジ７０に並進可能かつ回転可能に結合された受動２軸ジンバル７１を、さらに備える。超音波トランスデューサアレイ７２は、受動２軸ジンバル７１に取り付けられており、これにより超音波トランスデューサアレイ７２は、Ｘ軸およびＹ軸の周りの角度位置を調整することができる。アレイ支持アセンブリは、Ｚ方向と平行に配置された第５の直線レール３３４と、受動２軸ジンバル７１がＺ方向に並進運動することを可能にするスライダ３３６とを、さらに備える。スライダ３３６は、キャリッジ７０に取り付けられている。直線レール３３４は、受動２軸ジンバル７１と共に移動する。これらの特徴は、超音波トランスデューサアレイ７２が、Ｚ軸に沿ったその位置、ならびにＸ軸およびＹ軸の周りのそのピッチ角およびヨー角を調整することによって、曲面との接触中にそのロケーションを自己修正することを、可能にする。受動２軸ジンバル７１は、Ｚ方向の追従性を提供するために、バネで留められている。ジンバルに取り付けられた超音波トランスデューサアレイ７２のＺ軸運動を駆動するモータはない。
【０１０４】
前述したように、本明細書に開示されたロボット式ＮＤＩ可動プラットフォームおよび伸長リーチアームを有する他のロボット装置の動作は、エンドエフェクタ２２４をワークピースに対して安定させる手段を設けることによって向上させることができる。図２１の正面図を参照すると、図２０に示す実施形態で使用される安定化手段は、４つの空気圧スタビライザ３４ａ〜３４ｄを含む。各スタビライザは、空気圧スタビライザ３４ａ〜３４ｄが伸長されて接触したときに、静止摩擦を提供し、湾曲したワークピース２０２の表面を傷つけないようにするために、好ましくはエラストマー材料から作られているコンタクタ１５４を備える。
【０１０５】
図２０および図２２に部分的に示すように、各空気圧スタビライザ３４ａ〜３４ｄは、それぞれのソレノイドバルブ１６４および可撓性ホース（図示せず）を介して圧力調整器１６２に動作的に結合された空気圧シリンダ１５５を備える。圧力調整器１６２は、配管１６６、主空気供給源１６８、および図示しないアンビリカルケーブルを介して供給される圧縮空気の圧力を調整（すなわち低減）する。空気圧シリンダ１５５は、好ましくは、複動式であり、伸長ストロークまたは格納ストロークのいずれかを生成するためにピストンを互いに反対の方向のうちのいずれか一方の方向に移動させることができることを意味する。
【０１０６】
具体的には、各空気圧シリンダ１５５は、ベースシリンダ１５８と、ベースシリンダ１５８の内部でスライド可能なピストン（図２２では図示せず）と、ピストンに接続されてベースシリンダ１５８の外側に延びるピストンロッド１５７とを備えている。コンタクタ１５４は、ピストンロッド１５７の遠位端に取り付けられている。ソレノイドバルブ１６４の状態は、安定化モードにおいて、ソレノイドバルブ１６４を開くことによってピストンロッド１５７の伸長を作動させ、それにより、コンタクタ１５４が、図２２に示す格納された位置から、コンタクタ１５４が全てワークピース表面に接触する伸長した位置に移動するように構成されたコンピュータによって制御される。
【０１０７】
空気圧スタビライザ３４ａ〜３４ｄは、４つ全てが特定の圧力で表面に接触するように、プロセスの開始時に協調的であり、超音波トランスデューサアレイ７２が表面上を移動している間、アセンブリが跳ね返るのを防ぐために、所定の位置にロックする。したがって、各空気圧スタビライザ３４ａ〜３４ｄは、ベースシリンダ１５８に取り付けられ、ピストンロッド１５７をロックして、動かないようにするように構成されたロッドロック１６０を、さらに備える。１つの提案された実施態様によれば、ロッドロック１６０は、蓄積エネルギーの解放時にピストンロッドが動かないようにする（すなわち、ロッドロック１６０は、動力損失または圧力損失の間、負荷を保持する）。ロッドロック１６０は、両方向にクランプするための複動式ロック機能を有する。
【０１０８】
図２３は、ロッドロック機構１６０を有する空気圧シリンダ１５５を用いて伸長リーチアームの遠位端を安定させるシステムのいくつかの構成要素を示す図である。ロボット制御コンピュータ８０は、レーザ距離計２３６，２３８および２４０から距離測定データを受信し、次に自動装置の様々なモータを制御して、エンドエフェクタ２２４をワークピース上の関心領域に対して所望のロケーションに配置するように構成されている。ロボット制御コンピュータ８０はまた、所望のロケーションに達したときに、空気圧スタビライザ３４ａ〜３４ｄを、システムオペレータからの安定化コマンドに応答して、または自己生成安定化制御信号に応答して、一致して伸長させるように構成される。ロボット制御コンピュータ８０は、コンタクタがすべてワークピース表面に接触したときに、システムオペレータからのロックコマンドに応答して、または自己生成ロック制御信号に応答して、ロッドロック１６０にピストンロッド１５７を所定の位置にロックさせるように、さらに構成される。
【０１０９】
ロボット制御コンピュータ８０は、すべての空気圧スタビライザ３４ａ〜３４ｄの状態を制御するが、図２３は、簡略化のために１つの空気圧スタビライザの構成要素のみを示している。複動式空気圧シリンダ１５８は、圧縮空気をピストン１５６の後方の内部容積１８６（ピストンロッド１５７の伸長ストロークのための）またはピストン１５６の前方の内部容積１８８（ピストンロッド１５７の格納ストロークのための）のいずれかに入れることを可能にする２つのポートを有する。どちらの内部容積が、主空気供給源１６８からの圧縮空気で満たされるかは、シリンダバルブ１７８の状態に依存し、その状態は、ロボット制御コンピュータ８０によって制御される。シリンダバルブ１７８は、ピストンロッド１５７の伸長および格納中、作動していなければならない。また、方向変化が必要になるまで各ストロークの終わりに作動する必要がある。空気圧システムは、ピストン運動中に作動されなければならないロックバルブ１６９をさらに備える。ロックバルブ１６９が作動されていないとき、ロッドロック１６０が係合される。
【０１１０】
超音波トランスデューサアレイ７２がＩＲＴスキャナ２１４に可動的に結合されている図２２に示す装置と対照的に、超音波トランスデューサアレイ７２は、ＩＲＴスキャナ２１４が取り外された後でエンドエフェクタ２２４に直接的に結合させることができる。図２４は、超音波トランスデューサアレイ７２およびスタビライザ５０をエンドエフェクタ２２４に結合するために使用される機械的カップリングを示すブロック図である。説明のために、エンドエフェクタ２２４は、旋回可能なカップリング３６によって自動装置のアームの遠位端２３４に結合されていると仮定されるが、これは、エンドエフェクタは遠位端２３４に対して旋回可能であることを意味する。代替の実施形態において、エンドエフェクタ２２４は、遠位端２３４に固定的に結合されることができる。この例示的な実施形態において、超音波トランスデューサアレイ７２は、ジンバル７１に取り付けられ、このジンバル７１は、キャリッジ７０に取り付けられ、キャリッジ７０は、変位可能なカップリング６９によってエンドエフェクタ２２４に結合されており、つまり、キャリッジ７０は、エンドエフェクタに対して（例えば、ＸＹ平面内で）変位可能である。さらに、スタビライザ５０は、固定されたカップリング６８によってエンドエフェクタ２２４に結合される。これらの実施形態によれば、スタビライザ５０は、エンドエフェクタ２２４に固定的に結合された静止部５２と、並進可能なカップリング５８によって静止部５２に結合されている可動部５６とを備え、つまり、可動部５６は、静止部５２に対して並進可能である。図２０に示す例示的な実施形態において、ベースシリンダ１５８とロッドロック１６０は、スタビライザの静止部５２を形成するように固定的に結合され、ピストンロッド１５７は、スタビライザの可動部５６である。
【０１１１】
図２５は、図２０Ｂに示す超音波トランスデューサアレイ７２の相対ロケーション（例えば、局所測位システムを使用して取得された初期ロケーションに対する）を追跡するためにロータリエンコーダを使用する制御システムの構成要素を示すブロック図である。制御システムは、モーション制御アプリケーションソフトウェア３５２およびＮＤＩスキャンアプリケーションソフトウェア３５４でプログラムされた地面上型の制御コンピュータ３５０を備える。制御コンピュータ３５０は、（水平直線レール３１２，３１４に沿って移動ブリッジ３００の並進運動を駆動する）Ｘ軸運動モータ３６０と、（移動ブリッジ３００の垂直直線レール３２０，３２２に沿ってキャリッジ７０の並進運動を駆動する）Ｙ軸運動モータ３６４とに接続されている。１つの提案された実施態様によれば、Ｘ軸運動モータ３６０およびＹ軸運動モータ３６４は、モーション制御のために外部エンコーダからのフィードバックを必要としないステッピングモータである。制御コンピュータ３５０は、モータを制御するためのそれぞれのソフトウェアモジュールを含むモーション制御アプリケーションソフトウェア３５２でプログラムされた汎用コンピュータを含むことができる。モーション制御アプリケーション３５２は、それぞれのロータリエンコーダ、すなわちＸ軸ロータリエンコーダ３６２およびＹ軸ロータリエンコーダ３６６からの回転フィードバックに基づいて、モータの動作を制御する。エンコーダからの回転カウントが、線形測定値に変換される。
【０１１２】
制御コンピュータ３５０は、電子機器ボックス（図２５には図示せず）を介してモータおよびエンコーダに接続されている。電子機器ボックスは、システム電源を含み、すべてのスキャナ制御接続部を統合し、制御コンピュータ３５０と、モータに接続するそれぞれの可撓性電気ケーブルとの間のインターフェースを提供する。Ｘ軸ロータリエンコーダ３６２およびＹ軸ロータリエンコーダ３６６からの符号化データは、超音波パルサ／レシーバ３５６に供給される。
【０１１３】
パルサ／レシーバ３５６は、エンコーダパルスをＮＤＩスキャンアプリケーション３５４に送る。ＮＤＩスキャンアプリケーション３５４は、エンコーダ値を使用して、スキャンデータを適切なロケーションに配置する。
【０１１４】
制御コンピュータ３５０は、超音波パルサ／レシーバ３５６を制御する超音波データ取得および表示ソフトウェアをホストする。超音波パルサ／レシーバ３５６は、超音波トランスデューサアレイ７２にパルスを送信し、超音波トランスデューサアレイ７２からのリターン信号を受信する。ＮＤＩスキャンアプリケーションソフトウェア３５４が、スキャンデータおよびデータの表示のすべての詳細を制御する。
【０１１５】
図２６は、代替の実施形態による、固定されたカップリング７８によってエンドエフェクタ２２４に結合されたスタビライザのいくつかの構成要素を示すブロック図である。この実施例では、スタビライザは、エンドエフェクタ２２４に固定的に結合された外側チューブ８２と、外側チューブ８２の内側に入れ子にされた内側シャフト８６と、内側シャフト８６の遠位端に取り付けられたコンタクタ８８と、コンタクタ８８がワークピースの表面に接触するまで内側シャフト８６を伸長させるバネ力を働かせるバネ８４とを備える。このタイプのバネ式スタビライザは、制御システムによる作動を必要としない。いくつかの実施形態では、ロック機構を有することが有用であり得る。
【０１１６】
図２７は、さらなる実施形態による、アーム２３２の遠位端に旋回可能に結合された空気圧で安定化されたエンドエフェクタ２２４を有する地面上型のロボット式ＮＤＩ可動プラットフォームの側面図を表す図である。この例では、フレーム７６が、エンドエフェクタ２２４に取り付けられている。超音波トランスデューサアレイ７２が、図２０Ｂを参照して前述したのと同じ方法で、キャリッジ７０に可動的に結合される。キャリッジ７０は、図２０、図２０Ａおよび図２１を参照して前述したのと同じ方法で、フレーム７６に変位可能に結合される（乱雑さを避けるために、リードスクリュー３０４のみが、図２７に示されている）。図２７に示す実施形態と、図２０に示す実施形態との間の１つの差異は、４つの空気圧スタビライザ（図２７には、２つの空気圧スタビライザ１８０ａおよび１８０ｂのみが、示されている）が各々、ピストンロッド１５７の遠位端に旋回可能に結合された旋回可能な接触パッド１８２を備えることである。各旋回可能な接触パッド１８２は、４つの空気圧スタビライザ（空気圧スタビライザ１８０ａおよび１８０ｂならびに図２７には示されていない２つの追加の空気圧スタビライザを含む）が、表面に接触しているとき、静止摩擦を提供し、湾曲したワークピース２０２の表面を傷つけないようにするために、好ましくはエラストマー材料から作られている。この実施形態は、接触摩擦を使用して、横方向の運動の抵抗を提供するが、吸引および静電パッドを代わりに使用することができる（または、表面が強磁性である場合には、磁気でさえも）。
【０１１７】
伸長リーチロボット装置のエンドエフェクタに取り付けられたツールを安定させるためのシステムおよび方法が、様々な実施形態を参照して説明されてきたが、当業者であれば、本明細書の教示の範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能であり、その要素の代わりに等価物を使用することができることが、理解されるであろう。さらに、本明細書の教示を、その範囲から逸脱することなく、特定の状況に適合させるために、多くの修正がなされてもよい。したがって、特許請求の範囲は、本明細書に開示される特定の実施形態に限定されない、ということが意図される。
【０１１８】
特許請求の範囲で使用される場合、用語「ロケーション」は、３次元座標系における位置およびその座標系に関する向きを含む。特許請求の範囲で使用される場合、用語「に結合される」は、２つの構成要素を互いに直接に結合すること、および介在する構成要素によって２つの構成要素を結合することを含むと、広く解釈されるべきである（例えば、第１のツールは、エンドエフェクタへの取り付けによって、またはエンドエフェクタに取り付けられた第２のツールもしくは他の介在する構成要素への結合によって、エンドエフェクタに結合させることができる）。特許請求の範囲で使用される場合、用語「複数」は、３つ以上を意味する。
【０１１９】
本明細書に記載の方法は、記憶デバイスおよび／またはメモリデバイスを含むが、これに限定されない非一過性の有形のコンピュータ可読記憶媒体に具体化された実行可能な命令として符号化することができる。このような命令は、処理システムまたは計算システムによって実行されると、システムデバイスに、本明細書に記載された方法の少なくとも一部を実行させる。
【０１２０】
さらに、本開示は、以下の条項による実施形態を含む。
【０１２１】
条項１．
遠位端を有するアームと、
アームの遠位端に結合されたエンドエフェクタと、
エンドエフェクタに結合された第１のツールと、
静止部と可動部を備えるスタビライザであって、静止部は、エンドエフェクタに対して固定されたロケーションを有し、可動部は、静止部に並進可能に結合され、可動部の遠位端に配置されたコンタクタを備える、スタビライザと、
を備える自動装置。
【０１２２】
条項２．
スタビライザが、バネを備える、条項１に記載の自動装置。
【０１２３】
条項３．
静止部が、外側チューブを含み、可動部が、外側チューブの内部にスライド可能に配置された内側シャフトをさらに含み、コンタクタが、内側シャフトの遠位端に取り付けられており、バネが、コンタクタがエンドエフェクタからさらに遠ざかる方向に、内側シャフトを並進移動させる、条項２に記載の自動装置。
【０１２４】
条項４．
静止部が、ベースシリンダを含み、可動部が、ベースシリンダの内部でスライド可能なピストンと、ピストンに接続されたピストンロッドとをさらに含み、コンタクタが、ピストンロッドの遠位端に取り付けられている、条項１から３のいずれかに記載の自動装置。
【０１２５】
条項５．
静止部が、ベースシリンダに取り付けられ、ピストンロッドをロックして、動かないようにするように構成されたロッドロックをさらに含む、条項４に記載の自動装置。
【０１２６】
条項６．
第１のツールに可動的に結合された第２のツールをさらに備え、第１のツールが、エンドエフェクタに固定的に結合され、スタビライザの静止部が、第１のツールに固定的に結合されている、条項１から５のいずれかに記載の自動装置。
【０１２７】
条項７．
第１のツールが、赤外線サーモグラフィスキャナであり、第２のツールが、超音波トランスデューサアレイである、条項６に記載の自動装置。
【０１２８】
条項８．
第１のツールが、エンドエフェクタに可動的に結合され、スタビライザの静止部が、エンドエフェクタに固定的に結合されている、条項１から７のいずれかに記載の自動装置。
【０１２９】
条項９．
第１のツールが、超音波トランスデューサアレイである、条項８に記載の自動装置。
【０１３０】
条項１０．
エンドエフェクタに対してそれぞれの固定されたロケーションに、第１の方向と平行に配置された第１および第２のレールと、
第１の方向に垂直な第２の方向と平行に配置され、第１の方向に移動するように第１および第２のレールに並進可能に結合された第３および第４のレールと、
第２の方向に移動するように第３および第４のレールに並進可能に結合されたキャリッジと、
キャリッジに取り付けられ、第１および第２の方向に垂直に配置された第５のレールと、
第３の方向に移動するように第５のレールに並進可能に結合されたジンバルと、
をさらに備え、
超音波トランスデューサアレイが、ジンバルに取り付けられている、条項９に記載の自動装置。
【０１３１】
条項１１．
コンタクタが、旋回可能な接触パッドを含む、条項１から１０のいずれかに記載の自動装置。
【０１３２】
条項１２．
コンタクタが、エラストマー材料で作られている、条項１から１１のいずれかに記載の自動装置。
【０１３３】
条項１３．
条項１から１２のいずれかに記載の構造を有するタイプの複数のスタビライザをさらに備える、条項１から１２のいずれかに記載の自動装置。
【０１３４】
条項１４．
メンテナンス作業を実行するための方法であって、
（ａ）ロボット式可動プラットフォームを、アームの遠位端のツールが目標物の表面上の第１の関心領域に届くことができる第１のロケーションに移動させることと、
（ｂ）エンドエフェクタが第１の関心領域に対して適切なロケーションにあるように、ロボット式可動プラットフォームを構成することと、
（ｃ）アームに結合されている複数のスタビライザのコンタクタを、目標物の表面と接触するように伸長させることと、
（ｄ）スタビライザのコンタクタを所定の位置にロックして、エンドエフェクタを第１の関心領域に対して適切なロケーションに維持することと、
（ｅ）エンドエフェクタが第１の関心領域に対して適切なロケーションに維持されている間に、ツールを使用して第１のメンテナンス作業を実行することと、
を含む方法。
【０１３５】
条項１５．
（ｆ）メンテナンス作業の完了時に、スタビライザのコンタクタをロック解除することと、
（ｇ）スタビライザのコンタクタを格納することと、
（ｈ）ロボット式可動プラットフォームを、ツールが目標物の表面上の第２の関心領域に届くことができる第２のロケーションに移動させることと、
（ｉ）エンドエフェクタが第２の関心領域に対して適切なロケーションにあるように、ロボット式可動プラットフォームを構成することと、
（ｊ）複数のスタビライザのコンタクタを、目標物の表面と接触するように伸長させることと、
（ｋ）スタビライザのコンタクタを所定の位置にロックして、エンドエフェクタを第２の関心領域に対して適切なロケーションに維持することと、
（ｌ）エンドエフェクタが第２の関心領域に対して適切なロケーションに維持されている間に、ツールを使用して第２のメンテナンス作業を実行することと、
をさらに含む、条項１４に記載の方法。
【０１３６】
条項１６．
構成することが、エンドエフェクタの軸が関心領域において目標物の表面に垂直になるように、エンドエフェクタを回転させることを含む、条項１４または１５に記載の方法。
【０１３７】
条項１７．
構成することが、エンドエフェクタが目標オフセット距離だけ目標物の表面から離されるように、エンドエフェクタを変位させることを含む、条項１４から１６のいずれかに記載の方法。
【０１３８】
条項１８．
メンテナンス作業を実行するための方法であって、
（ａ）自動装置のアームの遠位端に結合されているエンドエフェクタに、ツールを結合することと、
（ｂ）自動装置を作動させて、目標物の表面上の関心領域に対してあるロケーションにツールを配置するアラインメント作業を実行することと、
（ｃ）ツールがそのロケーションにある間に、アームの遠位端に結合された複数のスタビライザのコンタクタを、目標物の表面と接触するように伸長させることと、
（ｄ）ツールを作動させて、コンタクタが目標物の表面と接触している間にメンテナンス作業を実行することと、
を含む方法。
【０１３９】
条項１９．
メンテナンス作業が、目標物の一部の非破壊検査である、条項１８に記載の方法。
【０１４０】
条項２０．
ツールを作動させる前に、スタビライザのコンタクタが目標物の表面と接触している間に、スタビライザのコンタクタを所定の位置にロックすることを、さらに含む、条項１８または１９に記載の方法。
【０１４１】
条項２１．
車輪を備えるベースプラットフォームと、
ベースプラットフォームに可動的に結合され、遠位端を有するアームと、
アームの遠位端に旋回可能に結合されたエンドエフェクタと、
エンドエフェクタに結合されたツールと、
ツールまたはエンドエフェクタに結合され、ロッドと、ロッドの遠位端に配置されたコンタクタとを備えるスタビライザであって、ロッドは選択的に伸長可能または格納可能であり、コンタクタはエラストマー材料で作られている、スタビライザと、
を備える自動装置。
【０１４２】
条項２２．
スタビライザが、ロッドを伸長または格納させるように動作可能な空気圧シリンダを備える、条項２１に記載の自動装置。
【０１４３】
条項２３．
スタビライザが、空気圧シリンダに取り付けられ、ロッドをロックして、動かないようにするように構成されたロッドロックをさらに備える、条項２２に記載の自動装置。
【０１４４】
条項２４．
エンドエフェクタに対してそれぞれの固定されたロケーションに、第１の方向と平行に配置された第１および第２のレールと、
第１の方向に垂直な第２の方向と平行に配置され、第１の方向に移動するように第１および第２のレールに並進可能に結合された第３および第４のレールと、
第２の方向に移動するように第３および第４のレールに並進可能に結合されたキャリッジと、
キャリッジに取り付けられ、第１および第２の方向に垂直に配置された第５のレールと、
第３の方向に移動するように第５のレールに並進可能に結合されたジンバルと、
をさらに備える、条項８に記載の自動装置。
【０１４５】
以下に記載される方法の請求項は、請求項の言葉が、それらのステップの一部または全部が実行される特定の順序を示す条件を明示的に指定または記載している場合を除いて、そこに列挙されたステップが、アルファベット順に（請求項における任意のアルファベットの順序は、前に列挙されたステップを参照する目的のためにのみ使用される）またはそれらが列挙される順序で実行されることを必要とすると、解釈されるべきではない。また、方法の請求項は、請求項の言葉が、そのような解釈を排除する条件を明示的に述べていない限り、２つ以上のステップの任意の部分が同時にまたは交互に実行されることを除外すると解釈されるべきでもない。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【外国語明細書】
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