BR102014000712B1

BR102014000712B1 - Ferramenta de múltiplos eixos e método para inspecionar um interior de um recinto

Info

Publication number: BR102014000712B1
Application number: BR102014000712-1A
Authority: BR
Inventors: Nathan R. Smith; James J. Troy; Jeffrey R. Kollgaard; Gary E. Georgeson; Paul S. Rutherford
Original assignee: The Boeing Company
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2014-01-13
Publication date: 2020-09-24
Also published as: CN103969264A; US20140210986A1; CA2829439A1; EP2759830A1; JP5739028B2; BR102014000712A2; CN103969264B; JP2014145764A; CA2829439C; EP2759830B1; US9513231B2

Abstract

ferramenta de múltiplos eixos de rastreamento habilitado para inspeção de acesso limitado. a presente invenção refere-se a uma ferramenta de múltiplos eixos pode incluir, em algumas modalidades, uma suspensão cardan adaptada de modo a ficar posicionada adjacente a uma abertura em uma parede; um dispositivo de alcance estendido com uma primeira e segunda extremidades e um efetor de extremidade adjacente à primeira extremidade, o dispositivo de alcance estendido encaixando-se na suspensão cardan para um movimento rotacional relativo e um movimento deslizante relativo através da abertura de tal modo que o efetor de extremidade fique posicionado sobre um lado da parede oposta à segunda extremidade; um sistema sensor configurado de modo a medir uma posição linear do dispositivo de alcance estendido com relação à suspensão cardan, e uma posição e orientação espacial do efetor de extremidade com relação à abertura; e um controle de computador conectado de modo a receber sinais do sistema sensor a fim de determinar pelo menos um dentre uma posição e uma orientação do efetor de extremidade com relação à abertura.

Description

FERRAMENTA DE MÚLTIPLOS EIXOS E MÉTODO PARA INSPECIONAR UM INTERIOR DE UM RECINTO

CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção refere-se a sistemas e métodos para uma inspeção não destrutiva operada além da linha de visão e em áreas de acesso limitado, e mais particularmente, a sistemas e métodos para uma inspeção não destrutiva utilizando um braço instrumentado equipado com um efetor de extremidade.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[0002] A inspeção de áreas de acesso limitado dentro de recintos, tais como em estruturas de aeronave, pode requerer a desmontagem e a remontagem da estrutura, o que é oneroso e demorado. Como uma alternativa, tais áreas encerradas podem incluir uma abertura de acesso dimensionada de modo a receber um sensor ou outro instrumento que possibilite uma inspeção visual. Quando o interior a ser inspecionado é relativamente aberto, o uso de tal sensor poderá ser eficaz. No entanto, em muitas aplicações, tal recinto pode incluir um interior obstruído que pode incluir ferragem ou outra estrutura que dificulta o acesso e a inspeção.

[0003] Por exemplo, certas estruturas de aeronave podem requerer uma inspeção em serviço, porém tais estruturas podem ser obstruídas por tubos, suportes e atuadores que devem ser antes removidos. Em alguns casos, as inspeções iniciais podem levar mais de 1000 horas, e as inspeções seguintes podem demorar mais de 500 horas. Outros componentes internos da aeronave podem ser obstruídos por outros elementos estruturais. Em função dos problemas de remoção estrutural, uma inspeção inicial de aeronave pode levar mais de 2000 horas, e as inspeções recorrentes uma média de 1100 horas.

[0004] Atualmente, tais inspeções podem ser realizadas utilizando boroscópios e câmeras remotas moldadas de modo a serem inseridas em áreas de acesso limitado. Tais dispositivos podem ser capazes de ver falhas ou danos de superfície, mas não um dano na subsuperfície. Em muitos casos, os aspectos observados ao se usar esses dispositivos e métodos podem ser mal diagnosticados como dano, e determinados apenas para beneficiar as marcações após uma onerosa desmontagem. As inspeções de fadiga dos acessórios de fixação de titânio de uma aeronave podem ser programadas como inspeções boroscópicas visuais, porem, quando são encontradas indicações do tipo rachadura, não existe nenhum método corrente de confirmação das mesmas a não ser por meio da simples desmontagem da empenagem.

[0005] Além disso, com o aumento do uso de estruturas compósitas ligadas e curadas em conjunto nas aeronaves, o acesso ao interior para uma produção e inspeção em serviço poderá se tornar muito difícil, caro, e demorado. Tal inspeção pode ser tão cara que certos desenhos de estrutura de custo mais baixo não poderão ser utilizados em função do alto custo de execução das inspeções em serviço.

[0006] Por conseguinte, existe a necessidade de um sistema e método para uma inspeção não destrutiva em áreas encerradas limitadas. Existe também a necessidade de um sistema e método para um teste não destrutivo que rastreie a posição e a orientação de um dispositivo de inspeção em um espaço confinado.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0007] Em uma modalidade, uma ferramenta de múltiplos eixos que pode incluir uma suspensão cardan adaptada de modo a ficar posicionada adjacente a uma abertura em uma parede; um dispositivo de alcance estendido com uma primeira e segunda extremidades e um efetor de extremidade adjacente à primeira extremidade, o dispositivo de alcance estendido encaixando-se na suspensão cardan para um movimento rotacional relativo e um movimento deslizante relativo através da abertura de tal modo que o efetor de extremidade fique posicionado sobre um lado da parede oposta à segunda extremidade; um sistema sensor configurado de modo a medir uma posição linear do dispositivo de alcance estendido com relação à suspensão cardan e uma posição e orientação espacial do efetor de extremidade com relação à abertura; e um controle de computador conectado de modo a receber sinais do sistema sensor a fim de determinar pelo menos um dentre a posição e a orientação do efetor de extremidade com relação à abertura.

[0008] Em outra modalidade, um método para inspecionar um interior de um recinto, o recinto sendo dotado de uma parede com uma abertura de acesso. O método pode incluir a provisão de um dispositivo de alcance estendido com uma primeira e segunda extremidades e um efetor de extremidade adjacente à primeira extremidade; a inserção do dispositivo de alcance estendido através da abertura de tal modo que o efetor de extremidade fique posicionado sobre o lado da parede oposta à segunda extremidade; a detecção com um sistema sensor uma posição e orientação espacial do efetor de extremidade com relação à abertura; e a determinação de uma posição e uma orientação do efetor de extremidade com relação à abertura.

[0009] De acordo com um aspecto da presente invenção, é provida uma ferramenta de múltiplos eixos compreendendo: uma suspensão cardan adaptada de modo a ficar posicionada adjacente a uma abertura em uma parede; um dispositivo de alcance estendido com uma primeira e segunda extremidades e um efetor de extremidade adjacente à primeira extremidade, o dispositivo de alcance estendido encaixando-se na suspensão cardan para um movimento rotacional relativo e um movimento deslizante relativo através da abertura de tal modo que o efetor de extremidade fique posicionado sobre um lado da parede oposta à segunda extremidade; um sistema sensor configurado de modo a medir uma posição linear do dispositivo de alcance estendido com relação à suspensão cardan, e uma posição e orientação espacial do efetor de extremidade com relação à abertura; e um controle de computador conectado de modo a receber sinais do sistema sensor a fim de determinar pelo menos um dentre uma posição e uma orientação do efetor de extremidade com relação à abertura.

[0010] Com vantagem, o sistema sensor inclui uma unidade de medição inercial montada sobre o dispositivo de alcance estendido; e pelo menos um dentre um dispositivo de medição a laser, um codificador de cadeia e um codificador de roda a fim de rastrear a inserção do dispositivo de alcance estendido dentro da dita abertura.

[0011] Com vantagem, a ferramenta de múltiplos eixos compreende ainda: uma corrediça adaptada de modo a ficar posicionada adjacente a uma abertura em uma parede; a suspensão cardan inclui um trilho fixado à corrediça e é capaz de um movimento deslizante e rotacional com relação à corrediça, e um anel de fixação deslizante que é fixado ao trilho para um movimento pivotante e translacional com relação ao mesmo; e o sistema sensor sendo configurado de modo a detectar uma posição longitudinal do trilho ao longo da corrediça, uma posição rotacional do trilho com relação à corrediça, uma posição do anel de fixação deslizante ao longo do trilho, uma posição em pivô do anel de fixação deslizante com relação ao trilho, e uma posição rotacional do dispositivo de alcance estendido com relação à suspensão cardan. De preferência, o sistema sensor inclui um ou mais dentre um primeiro codificador configurado de modo a medir a posição longitudinal do trilho ao longo da corrediça, um segundo codificador configurado de modo a medir a posição rotacional do trilho com relação à corrediça, um terceiro codificador configurado de modo a medir a posição do anel de fixação deslizante ao longo do trilho, um quarto codificador configurado de modo a medir a posição da posição em pivô do anel de fixação deslizante com relação ao trilho, um quinto codificador configurado de modo a medir a posição linear do dispositivo de alcance estendido com relação ao anel de fixação deslizante, e um sexto codificador configurado de modo a medir a posição rotacional do dispositivo de alcance estendido com relação ao anel de fixação deslizante.

[0012] Com vantagem, o efetor de extremidade se comunica com e é controlado por meio do controle de computador.

[0013] Com vantagem, o efetor de extremidade inclui uma câmera, e os sinais recebidos por meio do controle de computador são usados pelo controle de computador a fim de determinar uma posição e uma orientação da câmera. De preferência, o controle de computador inclui um aparelho de vídeo conectado à câmera a fim de mostrar uma imagem transmitida pela câmera. De preferência, o controle de computador inclui um banco de dados contendo as imagens armazenadas dos objetos visualizados pela câmera; e o aparelho de vídeo é configurado de modo a mostrar uma imagem armazenada de um dentre os objetos adjacentes a uma imagem corrente do um dentre os objetos visualizados pela câmera. De preferência, o controle de computador inclui um aparelho de vídeo portátil dotado de uma unidade de medição inercial; e um banco de dados contendo informações armazenadas pertencentes a um interior de um recinto a ser visualizado pela câmera; o controle de computador sendo configurado de modo a exibir uma imagem virtual no aparelho de vídeo portátil do interior que se desloca à medida que o aparelho de vídeo portátil é orientado por um usuário.

[0014] Com vantagem, o dispositivo de alcance estendido é um tubo. De preferência, uma dentre as extremidades inclui uma alça adaptada de modo a ser segurada por um usuário.

[0015] Com vantagem, o sistema sensor inclui um codificador de cadeia fixado ao dispositivo de alcance estendido a fim de transmitir a posição linear do dispositivo de alcance estendido com relação ao anel de fixação deslizante. De preferência, o codificador de cadeia inclui um primeiro ímã dentro de pelo menos um dentre o anel de fixação deslizante e o dispositivo de alcance estendido; e um dentre um segundo ímã e um elemento ferromagnético dentro do outro dentre o anel de fixação deslizante e o dispositivo de alcance estendido; o primeiro codificador incluindo um cabo fixado ao um dentre o segundo ímã e o elemento ferromagnético. De preferência, o cabo se estende através de um dentre um interior do dispositivo de alcance estendido e um conduto oco que se estende longitudinalmente através de um interior do dispositivo de alcance estendido, o conduto oco sendo formado de modo a prover um espaço livre dentro do dispositivo de alcance estendido suficiente para permitir fios se estendam através do mesmo; e o um dentre o segundo ímã e o elemento ferromagnético se localiza dentro de um dentre o interior do dispositivo de alcance estendido e o conduto oco.

[0016] De acordo com um outro aspecto da presente invenção, é provido um método para inspecionar através de um interior de um recinto, o recinto sendo dotado de uma parede com uma abertura de acesso, o método compreendendo as etapas de: prover um dispositivo de alcance estendido com uma primeira e segunda extremidades e um efetor de extremidade adjacente à primeira extremidade; inserir o dispositivo de alcance estendido através da abertura de tal modo que o efetor de extremidade fique posicionado sobre um lado da parede oposta à segunda extremidade; detectar com um sistema sensor uma posição e orientação espacial do efetor de extremidade com relação à abertura; e determinar uma posição do efetor de extremidade com relação à abertura.

[0017] Com vantagem, a etapa de detectar com um sistema sensor inclui a provisão de uma suspensão cardan adaptada de modo a ficar posicionada adjacente a uma abertura em uma parede; o dispositivo de alcance estendido encaixando-se na suspensão cardan para um movimento rotacional relativo, um movimento pivotante relativo e um movimento deslizante relativo através da abertura. De preferência, a etapa de detectar com um sistema sensor inclui a provisão de uma corrediça adaptada de modo a ficar posicionada adjacente a uma abertura em uma parede; e a suspensão cardan que é fixada à corrediça para um movimento linear com relação ao mesmo. De preferência, a suspensão cardan inclui um anel de fixação deslizante que recebe o dispositivo de alcance estendido; e a etapa de detectar com um sistema sensor inclui a detecção de uma posição linear do dispositivo de alcance estendido com relação ao anel de fixação deslizante. De preferência, a suspensão cardan inclui um trilho fixado de maneira pivotável e deslizável à corrediça, e fixado de maneira pivotável e deslizável ao anel de fixação deslizante; e a etapa de detectar com um sistema sensor inclui a detecção de um ou mais dentre uma posição do trilho ao longo da corrediça, uma posição rotacional do trilho com relação à corrediça, uma posição do anel de fixação deslizante ao longo do trilho, uma posição em pivô do anel de fixação deslizante com relação ao trilho, uma posição linear do dispositivo de alcance estendido com relação ao anel de fixação deslizante, e uma posição rotacional do dispositivo de alcance estendido com relação ao anel de fixação deslizante. De preferência, o método compreende ainda o acesso a um banco de dados contendo dados pertencentes aos objetos visualizados por uma câmera incluída no efetor de extremidade; e a exibição de uma imagem armazenada de um dentre os objetos adjacentes a uma imagem corrente do um dentre os objetos visualizados pela câmera.

[0018] Outros objetos e vantagens da presente invenção tornar-se-ão aparentes a partir da descrição a seguir, dos desenhos em anexo e das reivindicações em apenso.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0019] A Figura 1 é uma representação esquemática de uma modalidade da ferramenta de múltiplos eixos de rastreamento habilitado da presente invenção;

[0020] A Figura 2 é um diagrama mostrando os vetores de posição da câmera e da unidade de medição inercial da ferramenta de múltiplos eixos da Figura 1:

[0021] A Figura 3 é uma outra modalidade da ferramenta de múltiplos eixos de rastreamento habilitado da presente invenção;

[0022] As Figuras 4A e 4B são detalhes de uma terceira modalidade da ferramenta de múltiplos eixos de rastreamento habilitado da presente invenção;

[0023] As Figuras 5A, 5B e 5C são representações esquemáticas de diferentes modalidades do dispositivo de alcance estendido da ferramenta de múltiplos eixos de rastreamento habilitado da presente invenção; e

[0024] A Figura 6 é ainda uma outra modalidade da ferramenta de múltiplos eixos de rastreamento habilitado da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0025] Tal como mostrado na Figura 1, a ferramenta de múltiplos eixos de rastreamento habilitado da presente invenção, de modo geral designada com a referência numérica 10, pode incluir um dispositivo de alcance estendido 12 dotado de uma primeira extremidade 14, e uma segunda extremidade 16. A primeira extremidade 14 pode incluir um efetor de extremidade, de modo geral designado com a referência numérica 18. A segunda extremidade 16 pode incluir uma alça 20 moldada de modo a ser segurada e manipulada por um usuário (não mostrado). O dispositivo de alcance estendido 12 pode incluir um sistema sensor, que, na modalidade da Figura 1, pode incluir uma unidade de medição inercial (IMU) 22 que pode ser conectada a um controle de computador, de modo geral designado com a referência numérica 24, que pode incluir um dispositivo de leitura codificador 25.

[0026] O sistema sensor pode incluir ainda um codificador de cadeia 26. O codificador de cadeia 26 pode se comunicar com o dispositivo de leitura codificador 25 e tem um cabo 28 fixado a uma suspensão cardan, que, na modalidade da Figura 1, pode ser uma esfera corrediça 30 montada sobre o dispositivo de alcance estendido 12. Desta forma, o codificador de cadeia 26 pode medir a posição linear do dispositivo de alcance estendido 12 com relação à esfera corrediça 30. Opcionalmente, ou em adição ao codificador de cadeia 26, um dispositivo de medição a laser (LMD) 27 pode ser montado sobre a alça 20 do dispositivo de alcance estendido 12. Tal como será descrito em detalhe, tanto o codificador de cadeia 26 como o dispositivo LMD 27 podem ser usados pelo controle de computador 24 a fim de determinar o comprimento do dispositivo de alcance estendido 12 que fica além da esfera corrediça 30, a fim de localizar a extremidade do dispositivo de alcance estendido.

[0027] O dispositivo de alcance estendido 12 pode incluir ainda uma câmera 32 montada adjacente à primeira extremidade 14, e um segundo dispositivo de medição a laser (LMD) 34. A câmera 32 pode ser conectada ao controle de computador 24, ou por meio de fios ou sem fio, de modo que um objeto 36 visualizado pela câmera possa aparecer em um aparelho de vídeo 38.

[0028] O dispositivo de alcance estendido 12 de modo geral pode ter um formato alongado e dimensionado de tal modo que a primeira extremidade 14 possa ser inserida através de uma abertura de acesso 40 em uma parede 42 e de modo que a primeira extremidade 14 possa ser colocada em um espaço de inspeção encerrado 44 (vide também Figura 3) sobre um lado da parede 42 oposta à segunda extremidade 16 e à alça 20.

[0029] A esfera corrediça 30 pode ser posicionada adjacente à abertura de acesso 40, e fixada à ou de outra forma fixada com relação à parede 42. Uma vez que a unidade IMU 22 é montada sobre o dispositivo de alcance estendido 12, a mesma rastreia a orientação do dispositivo de alcance estendido da ferramenta 10, o que pode ser equivalente ao rastreamento de uma orientação para qualquer peça da ferramenta que possa estar rigidamente fixada ao eixo 46 do dispositivo de alcance estendido. Os sinais gerados pela unidade IMU 22 indicativos da orientação do eixo 46 podem ser recebidos por meio do controle de computador 24.

[0030] Com a modalidade da Figura 1, os dados da unidade IMU 22 podem ser usados para medir a orientação do eixo 46. A medição de distância do eixo com relação à abertura de acesso 40 pode ser obtida a partir de uma variedade de fontes, tais como pelo codificador de cadeia 26. De maneira alternativa, ou em adição, o efetor de extremidade 14 pode utilizar o dispositivo LMD 34 a fim de rastrear a inserção do dispositivo efetor de extremidade 12 com relação a uma posição de inspeção conhecida 48.

[0031] Tal como mostrado nas Figuras 1 e 2, com essa ferramenta de múltiplos eixos 10, o resultado dos dados enviados pela unidade IMU 22, e pelo codificador de cadeia 26 e/ou pelo dispositivo LMD 34 pode ser uma matriz de transformação homogênea 4 χ 4 que codifica a posição e a orientação da primeira extremidade 14 do eixo 46 do efetor de extremidade 12 com relação a um sistema de coordenadas de referência, designado como RIMU, mostrado na Figura 2. O sistema de coordenadas de câmera 32 é designado como RCAMERA na Figura 2. O quadro de referência da câmera 32, RCAMERA, permanecerá fixo com relação ao quadro de referência da unidade IMU 22, RIMU, uma vez que tanto a unidade IMU como também a câmera são montadas sobre o eixo 46. Consequentemente, a orientação da unidade IMU 22, que pode ser comunicada para o controle de computador 24, indicará a orientação da câmera 32.

[0032] A distância L da unidade IMU 22 até a câmera 32 (que é uma distância conhecida) é expressada como a soma da distância L1 a partir da unidade IMU para a esfera corrediça 30, que é indicativa da distância da unidade IMU até a parede 42, e a distância L2 da esfera corrediça 30 até a câmera 32. Por conseguinte, a distância da abertura de inspeção 40 até o objeto 36 visualizado pela câmera 32 pode ser expressada como a diferença entre o comprimento total L e o comprimento L1 a partir da unidade IMU 22 até a abertura de inspeção 40. Essa distância pode ainda ser calculada ou determinada por meio da medição da distância a partir do dispositivo LMD 34 até um objeto de referência conhecido 48 dentro do interior 44. Essas medições podem ser atualizadas continuamente em tempo real à medida que o dispositivo de alcance estendido 12 é manipulado por um operador (não mostrado).

[0033] Em uma modalidade, um aplicativo de visualização 3D pode ser usado a fim de mostrar no aparelho de vídeo 38 uma imagem baseada em CAD do ambiente no campo de visão da câmera 32. O ambiente 3D pode ser usado para ajudar a orientar o usuário e manter o rastreamento da sequência de inspeção. Por exemplo, os locais das áreas específicas de interesse podem ser destacadas em uma cor, enquanto que as áreas que foram inspecionadas, ou que ainda precisam ser inspecionadas, podem ser mostradas em outras cores. Além disso, uma representação da ferramenta 10 pode também ser mostrada operando em um ambiente virtual (vide, por exemplo, a Figura 3), uma vez que a posição e a orientação da ferramenta são mostradas a partir da instrumentação de rastreamento (a unidade IMU 22, o codificador de cadeia 26, e o dispositivo LMD 34). Por conseguinte, tal como mostrado na Figura 1, à medida que a câmera 32 visualiza o objeto 36, o aparelho de vídeo 38 poderá mostrar uma representação virtual do objeto 36’ que é gerada pelo aplicativo de visualização 3D. Quando o dispositivo LMD 34 é utilizado, os dados de distância que o mesmo provê podem ser usados com a orientação relativa do efetor de extremidade 18 de modo a criar uma matriz de transformação a fim de pós-multiplicar a transformação do eixo 46. Isto provê a posição do ponto de interseção de laser com o objeto alvo 48, e é computado da mesma maneira que a transformação relativa de visualização de câmera acima descrita.

[0034] O aplicativo de visualização 3D tem uma arquitetura que permite que aplicativos externos modifiquem a informação de posição e orientação para a câmera virtual ou outros objetos no ambiente 3D. Em algumas aplicações, isto pode ser realizado usando uma estrutura plugin que tem uma interface de programação de aplicativos (API) a fim de permitir o controle do ambiente de visualização a partir de um aplicativo separado.

[0035] Em uma modalidade, a ferramenta 10 pode incluir um aparelho de vídeo 50, que pode ser usado em adição to no lugar do aparelho de vídeo 38. Este aparelho de vídeo 50 pode mostrar uma imagem virtual 52 do objeto 36’ juntamente com uma imagem corrente de câmera 54 do objeto 36. Esta imagem lado a lado pode permitir ao usuário comparar o objeto real 36 com o objeto virtual 36’, o que poderá permitir ao operador detectar um defeito 56 ou outro problema com o objeto visualizado. Os dados e as imagens dos objetos 36, 48, bem como os contornos e outros objetos no espaço de inspeção 44 que podem permitir ao aplicativo de visualização 3D exibir imagens virtuais 36’ que se movimentam à medida que a câmera 32 se desloca com o movimento do dispositivo de alcance estendido 12, podem ser armazenados em um banco de dados que pode fazer parte do controle de computador 24, ou pode ser acessado por meio do controle de computador a partir de um local remoto (não mostrado).

[0036] Tal como mostrado na Figura 3, em uma outra modalidade, que pode ou não ser usada em combinação com a modalidade mostrada na Figura 1, um dispositivo de vídeo portátil 24A, tal como um PC do tipo tablet (mostrado), um smartfone, um monitor DisplayLink, um dispositivo portátil que se pode vestir, ou um instrumento de visualização frontal (o heads-up display), podem ser equipados com uma unidade IMU separada 56 e usados de modo a prover um controle de orientação de ponto de vista virtual. A posição de ponto de vista virtual pode ser ligada ao local fixo da porta de acesso 40, ou em qualquer posição associada à ferramenta 10A, por exemplo, na primeira extremidade 14 da ferramenta. Consequentemente, qualquer rotação, movimento em pivô ou angulação do dispositivo de vídeo 24A e da unidade IMU 56 resultará em uma rotação, pivô ou angulação correspondentes da imagem virtual 38A. Essa capacidade poderá permitir uma interface mais intuitiva e prover uma melhor consciência situacional para o usuário. Quando o dispositivo de vídeo 24A é equipado com uma tela de vídeo sensível ao toque 38A, os objetos poderão ser selecionados na tela e as posições poderão ser registradas para uma análise mais detalhada.

[0037] Uma outra modalidade da ferramenta de múltiplos eixos 10B é mostrada nas Figuras 4A e 4B. De acordo com esta modalidade, o sistema sensor, que na modalidade da Figura 1 incluía a unidade IMU 22 e a esfera corrediça 30, pode ser substituído ou ampliado por meio de um sistema de codificadores lineares e rotacionais usados para rastrear os movimentos do dispositivo de alcance estendido 12. A ferramenta de múltiplos eixos 10B pode incluir uma suspensão cardan que inclui corrediças paralelas 56, 58, blocos 64, 66, o trilho 68, e o anel de fixação deslizante 70 posicionado adjacente à abertura 40 na parede 42.

[0038] As corrediças paralelas 56, 58 podem se estender em comprimento e podem ser fixadas à parede 42 por meio de recursos, tais como grampos, ventosas, parafusos ou coisa do gênero (não mostrado) sobre ambos os lados da abertura de inspeção 40. As corrediças 56, 58 podem incluir fendas longitudinais 60, 62, respectivamente, que recebem os blocos 64, 66 para um movimento deslizante relativo na direção da seta A. O trilho 68 pode ser fixado aos blocos 64, 66 para um movimento rotacional relativo na direção da seta B. O trilho 68 pode se estender entre as corrediças 56, 58 através da abertura de inspeção 40. O anel de fixação deslizante 70 pode ser montado sobre o trilho 68 para um movimento deslizante ou translacional relativo na direção da seta C, e ser montado para um movimento pivotante na direção da seta D (ou seja, em torno de um eixo perpendicular ao trilho 68) sobre o trilho. Além disso, o eixo 46 do dispositivo de alcance estendido 12 pode se encaixar no anel de fixação deslizante 70 para um movimento deslizante relativo na direção da seta E, e um movimento rotacional relativo na direção da seta F.

[0039] Tal como mostrado na Figura 4B, o trilho 56 pode incluir um codificador linear localizado na referência numérica 72 a fim de transmitir um sinal indicativo da posição do bloco 64 com relação ao trilho 56 na direção da seta A (Figura 4A), e o bloco 64 pode incluir um codificador rotacional localizado na referência numérica 74 que pode transmitir um sinal indicativo do ângulo de rotação relativo da corrediça 68 para o bloco 64 na direção da seta B (Figura 4A). A corrediça 68 pode incluir um codificador linear localizado na referência numérica 76 que pode transmitir um sinal indicativo da posição do anel de fixação deslizante 70 com relação ao trilho 68 na direção da seta C (Figura 4A), e o anel de fixação deslizante 70 pode incluir codificadores rotacionais localizados nas referências numéricas 78, 80 para a transmissão de sinais indicativos de uma orientação pivotante do anel de fixação deslizante 70 na direção da seta D (Figura 4A) e a posição rotacional do eixo 46 na direção da seta F (Figura 4A), respectivamente. Os sinais dos codificadores 72, 74, 76, 78, 80 podem ser totalmente transmitidos para o controle de computador 24 (Figura 1) a fim de dar uma indicação da orientação da ferramenta de efeito de extremidade 18 com relação à abertura 40. Esses sinais podem ser processados por meio do controle de computador 24 de modo a gerar uma imagem virtual e/ou real 52, 54, respectivamente, do objeto 36 que é visualizado. A modalidade das Figuras 4A e 4B pode eliminar a necessidade de uma unidade IMU 22. No entanto, o codificador de cadeia 26 ou o dispositivo LMD 34 poderão ainda ser necessários para a detecção do movimento "para dentro e para fora" do eixo 46 do dispositivo de alcance estendido 12 com relação à abertura de inspeção 40 na direção da seta E (Figura 4A).

[0040] As Figuras 5A, 5B e 5C mostram diferentes modalidades do codificador de cadeia 26A, 26B, 26C, e o anel de fixação deslizante 70A e 70C que pode ser usado, por exemplo, na modalidade das Figuras 4A e 4B no sentido de detectar o movimento do eixo do dispositivo de alcance estendido 12 na direção da seta E (Figura 4A). Tal como mostrado na Figura 5A, o codificador de cadeia 26A pode incluir um cabo 28 que é fixado a um disco 84 que pode ser de um material ferromagnético, tal como aço. O disco 84 pode ser moldado de modo a ficar posicionado dentro do interior oco do eixo 46A para um movimento deslizante relativo. O anel de fixação deslizante 78 pode incluir um anel magnético 86. O anel magnético pode atuar de modo a manter o disco de metal 84 na posição mostrada na Figura 5A, ou seja, no ou próximo do centro do anel de fixação deslizante 70A. À medida que o eixo 46A do dispositivo de alcance estendido 12A se movimenta no sentido longitudinal (ou seja, na direção da seta E na Figura 5A) com relação ao anel de fixação deslizante 70A, o disco de metal 84 permanecerá fixo, alinhado com o ímã 86 dentro do anel de fixação deslizante, fazendo com que o cabo 28 seja arrastado dentro do codificador de cadeia 26A ou estendido para fora do mesmo, desta forma permitindo que o codificador de cadeia 26A gere um sinal indicativo da posição longitudinal relativa do eixo 46A para o anel de fixação deslizante 70A. Em uma modalidade alternativa da Figura 5A, o anel de fixação deslizante 70A pode incluir um anel de metal 86, e o disco 84 pode ser feito de um material ferromagnético. Em ambas as modalidades, a atração magnética entre o disco 84 e o anel 86 pode manter o disco na posição mostrada na Figura 5A.

[0041] Tal como mostrado na Figura 5B, o eixo 46B do dispositivo de alcance estendido 12A pode incluir um interior oco que recebe um tubo 88 que é também oco, e recebe um anel magnético ou disco ferromagnético 84A dentro do mesmo. O tubo 88 pode ser fixado a uma parede interior 87 do eixo 46B por meio de um adesivo, ligação ou outro recurso. O anel de fixação deslizante 70A pode incluir um disco magnético ou de metal (quando o disco 84A é feito de um material magnético) 86. A atração magnética entre o anel ou disco magnético 84A e o anel 86 poderá manter o ímã ou o disco 84A na posição mostrada na Figura 5B à medida que o eixo 46B se movimenta no sentido longitudinal na direção da seta E mostrada na Figura 5B com relação ao anel de fixação deslizante 70A. Mais uma vez, esse movimento relativo pode fazer com que o cabo 28 seja arrastado para o codificador de cadeia 26B ou estendido a partir do mesmo, deste modo gerando um sinal indicativo da posição longitudinal relativa do eixo 46B para o anel de fixação deslizante 70A. Uma vantagem de se incluir o tubo oco 88 no interior do eixo 46B é que o espaço livre poderá ser provido para outros fios e o cabo 90 se estenderem ao longo do interior. Esses fios e cabos 90 podem incluir conexões para o dispositivo LMD 34 e/ou para a câmera 22 (Figura 1).

[0042] Tal como mostrado na Figura 5C, o eixo 46C tem um interior oco que provê um conduto para outros fios e cabos, de modo geral designado com a referência numérica 90, se estenderem através do mesmo. O anel de fixação deslizante 70C por si só pode ser conectado pelo cabo 28 no codificador de cadeia 26C. O movimento longitudinal relativo do eixo 46C do dispositivo de alcance estendido 12C na direção da seta E pode fazer com que o cabo 28 seja arrastado para dentro ou estendido para fora do codificador de cadeia 26C, em função do que indicando a posição relativa do eixo 46C para o anel de fixação deslizante 70C.

[0043] Em ainda uma outra modalidade, mostrada na Figura 6, a ferramenta de múltiplos eixos de rastreamento habilitado, de modo geral designada com a referência numérica 10’, pode incluir uma suspensão cardan sob a forma de um sistema de suporte com ajuste de inclinação 92 no lugar de, por exemplo, a unidade IMU 22, os componentes de codificador 26 e de esfera corrediça 30 da modalidade da Figura 1. O ajuste de inclinação 92 pode incluir um suporte 94 que pode incluir um cavalete (não mostrado) ou uma fixação (não mostrada) na parede 42 (Figura 1). Um eixo 96 é montado de maneira pivotável sobre o suporte 94 e inclui um suporte em forma de U 98 de modo que o eixo e o braço em forma de U oscilem com relação ao suporte 94 em torno de um eixo vertical tal como mostrado na Figura 6. Um bloco 100 é formado de modo a se encaixar entre os e poder se fixar de maneira pivotável nos braços 102, 104 do suporte em forma de U 98. O braço 102 pode incluir uma fenda arqueada 106 que recebe um rebite roscado 108 sobre o qual um botão de trava 110 é montado de modo a prover uma resistência de fricção ajustável ao movimento pivotante do bloco 100 com relação ao suporte 98.

[0044] O bloco 100 pode incluir um furo 112 feito de modo a receber de maneira deslizável e rotativamente o eixo 46 do dispositivo de alcance estendido 12’. Um codificador de roda 114 pode ser montado sobre o suporte 94 e incluir uma roda 116 que se encaixa no eixo 96. A roda 116 pode ser orientada de modo a girar em resposta à rotação do eixo 96, e, desta maneira, o codificador 114 poderá detectar o movimento oscilante do suporte em forma de U 98, e, por conseguinte, o movimento oscilante do eixo 46. Um codificador de roda 118 pode ser montado sobre o braço 112 e incluir a roda 120 posicionada de modo a se encaixar no bloco 100. A roda 120 é orientada de modo a girar em resposta ao movimento pivotante do bloco, e, por conseguinte, o movimento de elevação do eixo 46, à medida que o mesmo pivota com relação ao suporte 98.

[0045] Um codificador de roda 122 pode ser montado sobre o bloco 100 e incluir uma roda 124 que se estende através de uma fenda 126 no bloco a fim de contatar o eixo 46. A roda 124 é orientada de tal modo que a mesma gire em resposta ao movimento longitudinal do eixo 46 com relação ao bloco 100, e, portanto, ao sistema 92. Um codificador de roda 128 pode ser montado sobre o bloco 100 e incluir uma roda 130 que se estende através da fenda 132 no bloco 100 de modo a se encaixar no eixo 46. A roda 130 é orientada de tal modo que a mesma gire em resposta ao movimento rotacional do eixo 46 com relação ao bloco 100, de modo que o codificador 128 possa detectar o movimento rotacional do eixo com relação ao sistema 92.

[0046] Uma vez que as rodas 124 e 130 são montadas de modo que as mesmas possam medir diferentes movimentos (translação e rotação, respectivamente) do eixo 46, as rodas 124 e 130 podem ser omni rodas que permitem a superfície sobre a qual as mesmas rolam de modo a deslizar livremente na direção perpendicular às suas respectivas direções de rotação.

[0047] Os codificadores 114, 118, 122, e 128 podem ser conectados de modo a enviar um sinal para o controle de computador 24 (Figura 1). Consequentemente, o controle de computador 24 pode receber sinais indicativos de uma posição de extremidade distal 14 do eixo 46 ao calcular os movimentos longitudinal, rotacional, de inclinação e de oscilação do eixo tal como medidos pelos codificadores 114, 118, 122, e 128.

[0048] Em operação, um usuário pode enviar para o controle de computador 24 as informações de identificação pertencentes à aeronave ou outro recinto a ser inspecionado, e pode receber marcações de identificação da abertura de inspeção 40. Essas informações podem permitir ao controle de computador acessar a apropriada biblioteca de dados para o recinto a ser inspecionado. De acordo com a modalidade da Figura 1, o usuário pode fixar a esfera corrediça em posição na ou próxima à abertura de inspeção 40. De acordo com a modalidade das Figuras 4A e 4B, o usuário pode fixar as corrediças 56, 58 adjacentes à abertura de inspeção 40. Neste ponto, o usuário pode estar posicionado do lado de fora da parede 42 e não será capaz de ver através da abertura de inspeção 40.

[0049] O usuário (ou um assistente), nesse caso, poderá manipular o dispositivo de alcance estendido 12 ao segurar a alça 20, de tal modo que a extremidade distal 14 do eixo 46 passe através da abertura de inspeção 40 e entre no espaço de inspeção 44. O usuário poderá visualizar uma imagem real ou virtual no aparelho de vídeo 38 ou 50 do espaço de inspeção 44. O usuário poderá manipular o dispositivo de alcance estendido 12 de modo que a câmera 32 seja orientada de modo a visualizar um objeto desejado 36. De acordo com a modalidade da Figura 1, os sinais da unidade IMU 22 e um ou ambos o codificador de cadeia 26 e o dispositivo LMD 34 podem ser utilizados pelo controle de computador 24 a fim de determinar a posição e a orientação do efetor de extremidade 18 com relação à abertura de inspeção 40. De acordo com a modalidade das Figuras 4A e 4B, o controle de computador pode receber os sinais dos codificadores 72, 74, 76, 78, 80 e do codificador de cadeia 26 a fim de determinar a posição e a orientação do efetor de extremidade 18 com relação à abertura de inspeção 40. Desta maneira, o controle de computador 24 pode exibir a imagem virtual apropriada 36’ na orientação apropriada com relação ao dispositivo de alcance estendido 12.

[0050] Quando o objeto 36 inclui um defeito 56, o defeito pode aparecer na imagem 54. O usuário pode atuar o controle de computador 24 (que pode ser por meio do toque de uma tela de vídeo sensível ao toque) a fim de fazer uma nota sobre a posição do defeito 56, e pode atuar o controle de computador no sentido de registrar a imagem 54 mostrando o objeto 36 e o defeito 56. Assim que a inspeção é completada, o controle de computador pode gerar um relatório da imagem e/ou da posição do objeto 36 e do defeito 56. A inspeção pode ser facilitada por meio do uso de um dispositivo portátil 24A. O dispositivo portátil pode receber informações relativas à aeronave em questão e à posição da abertura de inspeção 40, e acessar as informações armazenadas (ou localmente no dispositivo 24A ou remotamente), e exibir uma imagem 38A dos objetos que são inspecionados (Figura 3). Essa imagem pode ser manipulada por meio da manipulação da orientação espacial do dispositivo 24A de modo a permitir a um usuário visualizar o espaço de inspeção 44 e a posição do dispositivo de alcance estendido 12 dentro do mesmo.

[0051] As modalidades acima provêem, cada uma das mesmas, uma ferramenta de múltiplos eixos que tem a capacidade de rastrear a posição e a orientação do efetor de extremidade sobre um braço de extensão que opera em um espaço confinado. Além disso, as modalidades permitem a um usuário visualizar uma representação virtual do ambiente que é inspecionado a partir da perspectiva do efetor de extremidade. Isto pode permitir a um operador da ferramenta ter uma melhor consciência situacional do volume de inspeção. Nesse ambiente, um usuário poderá visualizar, em certas modalidades, modelos 3D de todos os componentes de uma aeronave (ou outros componentes a serem inspecionados) na região de inspeção, bem como visualizar a ferramenta de inspeção e até mesmo uma representação da região de visualização (troncos) da câmera de vídeo no efetor de extremidade.

[0052] Esse tipo de interação com o ambiente fisico dos objetos que são visualizados com representações virtuais dos mesmos objetos físicos pode ser facilitado em função da capacidade de se rastrear a posição e a orientação do efetor de extremidade quando em registro com o sistema de coordenadas do objeto de interesse. Os objetos, em algumas modalidades, podem ser destacados em uma cor a fim de mostrar a um usuário quais itens precisam ser digitalizados, e em outra cor a fim de mostrar os itens que já foram digitalizados. Em outras modalidades, informações adicionais sobre os objetos e o ambiente podem ser exibidas em um contexto 3D apropriadamente registrado. Em ainda outras modalidades, o controle de computador 24 pode gerar relatórios sobre a seção que é digitalizada na qual os pontos de dados 3D são registrados pelo controle como uma forma de se confirmar que as áreas requeridas foram digitalizadas.

[0053] As formas do aparelho e os métodos descritos no presente documento não são exclusivos das modalidades cobertas pela presente invenção, e variações podem ser feitas às mesmas sem se afastar do âmbito de aplicação da presente invenção.

Claims

Ferramenta de múltiplos eixos que compreende: um dispositivo de alcance estendido (12) com uma primeira (14) e segunda (16) extremidades e um efetor (18) de extremidade adjacente à primeira extremidade (14), em que o efetor (18) inclui uma câmera (32); e
um sistema sensor configurado para medir uma posição do dispositivo de alcance estendido (12);
caracterizado pelo fato de que a ferramenta de múltiplos eixos compreende:
uma corrediça (58) adaptada de modo a ficar posicionada adjacente a uma abertura (40) em uma parede (42);
uma suspensão cardan (30) adaptada de modo a ficar posicionada adjacente a uma abertura (40) em uma parede (42), em que o dispositivo de alcance estendido (12) é disposto para encaixar na suspensão cardan (30) para um movimento rotacional relativo e um movimento deslizante relativo através da abertura (40) de tal modo que o efetor de extremidade (18) fique posicionado sobre um lado da parede (42) oposta à segunda extremidade (16) e em que a suspensão cardan (30) inclui:
um trilho (68) fixado à corrediça (58) e capaz de um movimento deslizante e rotacional com relação à corrediça, e
um anel de fixação deslizante (70) que é fixado ao trilho (68) para um movimento pivotante e translacional com relação ao mesmo; e em que
o sistema sensor é configurado para medir uma posição linear do dispositivo de alcance estendido (12) com relação à suspensão cardan, e uma posição e orientação espacial do efetor de extremidade (18) com relação à abertura, e o sistema sensor sendo configurado para detectar uma posição longitudinal do trilho (68) ao longo da corrediça (58), uma posição rotacional do trilho (68) com relação à corrediça, uma posição do anel de fixação deslizante (70) ao longo do trilho, uma posição em pivô do anel de fixação deslizante (70) com relação ao trilho (68), e uma posição rotacional do dispositivo de alcance estendido (12) com relação à suspensão cardan;
um controle de computador (24) conectado de modo a receber sinais do sistema sensor a fim de determinar pelo menos um dentre uma posição e uma orientação do efetor de extremidade (18) com relação à abertura (40).
Ferramenta de múltiplos eixos, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o sistema sensor inclui um ou mais dentre um primeiro codificador configurado de modo a medir a posição longitudinal do trilho (68) ao longo da corrediça (58), um segundo codificador configurado de modo a medir a posição rotacional do trilho com relação à corrediça, um terceiro codificador configurado de modo a medir a posição do anel de fixação deslizante (70) ao longo do trilho (68), um quarto codificador configurado de modo a medir a posição da posição em pivô do anel de fixação deslizante (70) com relação ao trilho, um quinto codificador configurado de modo a medir a posição linear do dispositivo de alcance estendido com relação ao anel de fixação deslizante (70), e um sexto codificador configurado de modo a medir a posição rotacional do dispositivo de alcance estendido com relação ao anel de fixação deslizante (70).
Ferramenta de múltiplos eixos, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o sistema sensor inclui uma unidade de medição inercial (22) montada sobre o dispositivo de alcance estendido (12); e pelo menos um dentre um dispositivo de medição a laser (27), um codificador de cadeia (26) e um codificador de roda a fim de rastrear a inserção do dispositivo de alcance estendido (12) dentro da dita abertura (40).
Ferramenta de múltiplos eixos, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que o efetor de extremidade (18) se comunica com e é controlado por meio do controle de computador (24).
Ferramenta de múltiplos eixos, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que os sinais recebidos por meio do controle de computador (24) são usados pelo controle de computador (24) a fim de determinar uma posição e uma orientação da câmera (32).
Ferramenta de múltiplos eixos, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que o controle de computador inclui um aparelho de vídeo (50) conectado à câmera (32) a fim de mostrar uma imagem transmitida pela câmera (32).
Ferramenta de múltiplos eixos, de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizada pelo fato de que o controle de computador inclui um aparelho de vídeo portátil (24A) dotado de uma unidade de medição inercial (56); e um banco de dados contendo informações armazenadas pertencentes a um interior (44) de um recinto a ser visualizado pela câmera (32); o controle de computador (24) sendo configurado de modo a exibir uma imagem virtual no aparelho de vídeo portátil (24A) do interior que se desloca à medida que o aparelho de vídeo portátil (24A) é orientado por um usuário.
Ferramenta de múltiplos eixos, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que o dispositivo de alcance estendido (12) é um tubo (46).
Ferramenta de múltiplos eixos, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que uma segunda dentre as extremidades inclui uma alça (20) adaptada de modo a ser segurada por um usuário.
Ferramenta de múltiplos eixos, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que o sistema sensor inclui um codificador de cadeia (26) fixado ao dispositivo de alcance estendido (12) a fim de transmitir a posição linear do dispositivo de alcance estendido (12) com relação ao anel de fixação deslizante (70).
Ferramenta de múltiplos eixos, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que o codificador de cadeia (26) inclui um primeiro ímã (86) dentro de pelo menos um dentre o anel de fixação deslizante (70) e o dispositivo de alcance estendido (12); e um dentre um segundo ímã (86) e um elemento ferromagnético (84) dentro do outro dentre o anel de fixação deslizante (70) e o dispositivo de alcance estendido (12); o primeiro codificador (26) incluindo um cabo (28) fixado ao um dentre o segundo ímã (86) e o elemento ferromagnético (84).
Método para inspecionar um interior (44) de um recinto, o recinto sendo dotado de uma parede (42) com uma abertura (40) de acesso, o método caracterizado pelo fato de compreender as etapas de:
prover um dispositivo de alcance estendido (12) com uma primeira (14) e segunda (16) extremidades e um efetor de extremidade (18) adjacente à primeira extremidade (14), o efetor de extremidade (18) incluindo uma câmera (32);
inserir o dispositivo de alcance estendido (12) através da abertura (40) de tal modo que o efetor de extremidade (18) fique posicionado sobre um lado da parede oposta à segunda extremidade (16);
prover uma corrediça (58) adaptada de modo a ficar posicionada adjacente a uma abertura (40) em uma parede;
prover uma suspensão cardan (30), a suspensão cardan (30) sendo fixada à corrediça (38) para um movimento linear com relação ao mesmo,
em que o dispositivo de alcance estendido (12) é disposto para encaixar na suspensão cardan (30) para um movimento rotacional relativo, um movimento pivotante relativo e um movimento deslizante relativo através da abertura;
detectar com um sistema sensor uma posição e orientação espacial do efetor de extremidade (18) com relação à abertura (40);
determinar uma posição do efetor de extremidade (18) com relação à abertura (40).