JP5739028B2 - 進入が制限された検査のための追跡可能な多軸ツール - Google Patents

Description

本開示は、視線が及ばず、進入が制限された領域の中で操作される非破壊検査のためのシステムおよび方法、より詳細には、エンドエフェクタを装備した装着アームを利用する非破壊検査のためのシステムおよび方法に関する。

航空機の構造体など筐体の中の進入が制限された領域の検査には、構造体の分解および再組み立てが必要になることがあるが、それには費用と時間がかかる。別法として、そうした囲繞された領域が、視覚による検査を可能にするセンサまたは他の計器を受け入れるように寸法設定された進入開口を含むようにすることが可能である。検査する内部に比較的障害物がない場合には、そうしたセンサの使用が有効になり得る。しかしながら、多くの用途において、そうした筐体は、進入および検査を困難にするハードウエアまたは他の構造体を含むことがある、遮られた内部を含む可能性がある。

例えば、ある特定の航空機の内部構造体では、供用期間中検査が求められる場合があるが、そうした構造体は、管、ブラケットおよびアクチュエータによって遮られている可能性があり、最初にそれらを取り外さなければならない。場合によっては、初期検査に１０００時間超を要することがあり、またその後の検査に５００時間超を要することがある。他の航空機の内部構成要素は、他の構造上の要素によって遮られている可能性がある。構造上の取り外しの問題のために、航空機の初期検査に２０００時間超、繰り返しの検査に１１００時間も要することがある。

現在、そうした検査は、進入が制限された領域に挿入するように形状設定されたボアスコープおよびリモートカメラを用いて実施することができる。そうしたデバイスによって、表面の傷または損傷を調べることができる場合もあるが、表面下の損傷を調べることはできない。多くの場合、こうしたデバイスおよび方法を用いて見出された特徴は、損傷として誤診されたものである可能性があり、害のないマーキングであることは、費用のかかる解体の後でしか判定することができない。航空機のチタンの取付け部品の疲労検査は、視覚によるボアスコープ検査としてプログラムすることができるが、亀裂のような徴候が見出された場合、現在のところ、単純に尾部を解体する以外にその徴候を確かめる方法はない。

さらに、結合され、共に硬化させた航空機の複合構造体の使用が増えるにつれて、製造および供用期間中検査のための内部への進入は、きわめて難しく、費用と時間がかかるものになる可能性がある。そうした検査はきわめて高価な場合があるので、供用期間中検査を実施する高い費用のために、ある特定のより低コストの構造設計を利用することができない。

したがって、制限され囲繞された領域における非破壊検査のためのシステムおよび方法が求められている。また、封じ込められた空間で検査デバイスの位置および向きを追跡する非破壊試験のためのシステムおよび方法も求められている。

一実施形態において、多軸ツールは、壁の中の開口に隣接して位置決めするように適合されたジンバルと、第１の端部および第２の端部、ならびに第１の端部に隣接するエンドエフェクタを有し、エンドエフェクタを壁の第２の端部と反対の側に位置決めするような、開口を通る相対的な回転移動および相対的な摺動移動のためにジンバルと係合する延伸デバイス（ｅｘｔｅｎｄｅｄ−ｒｅａｃｈ ｄｅｖｉｃｅ）と、延伸デバイスのジンバルに対する線形位置、ならびにエンドエフェクタの開口に対する位置および空間的な向きを測定するように構成されたセンサシステムと、エンドエフェクタの開口に対する位置および向きの少なくとも１つを決定するために、センサシステムから信号を受け取るように接続されたコンピュータ制御装置とを含むことができる。

別の実施形態において、進入開口を備えた壁を有する筐体の内部を検査するための方法は、第１の端部および第２の端部、ならびに第１の端部に隣接するエンドエフェクタを有する延伸デバイスを提供すること、エンドエフェクタを壁の第２の端部と反対の側に位置決めするように、延伸デバイスを開口を通して挿入すること、センサシステムを用いて、エンドエフェクタの開口に対する位置および空間的な向きを検出すること、ならびにエンドエフェクタの開口に対する位置および向きを決定することを含むことができる。

本開示の一態様によれば、壁の中の開口に隣接して位置決めするように適合されたジンバルと、第１の端部および第２の端部、ならびに第１の端部に隣接するエンドエフェクタを有し、エンドエフェクタを壁の第２の端部と反対の側に位置決めするような、開口を通る相対的な回転移動および相対的な摺動移動のためにジンバルと係合する延伸デバイスと、延伸デバイスのジンバルに対する線形位置、ならびにエンドエフェクタの開口に対する位置および空間的な向きを測定するように構成されたセンサシステムと、エンドエフェクタの開口に対する位置および向きの少なくとも１つを決定するために、センサシステムから信号を受け取るように接続されたコンピュータ制御装置とを備える多軸ツールが提供される。

有利には、センサシステムは、延伸デバイスに据え付けられた慣性測定ユニットと、延伸デバイスの前記開口への挿入を追跡するための、レーザ測定デバイス、ストリングエンコーダおよびホイール付きエンコーダの少なくとも１つとを含む。

有利には、多軸ツールは、壁の中の開口に隣接して位置決めするように適合された摺動部と、摺動部に取り付けられ、摺動部に対する摺動移動および回転移動が可能なレール、ならびにレールに対する枢動移動および並進移動のためにレールに取り付けられた摺動取付けリングを含むジンバルと、レールの摺動部に沿った長手方向の位置、レールの摺動部に対する回転位置、摺動取付けリングのレールに沿った位置、摺動取付けリングのレールに対する枢動位置、および延伸デバイスのジンバルに対する回転位置を検出するように構成されたセンサシステムとをさらに備える。好ましくは、センサシステムは、レールの摺動部に沿った長手方向の位置を測定するように構成された第１のエンコーダ、レールの摺動部に対する回転位置を測定するように構成された第２のエンコーダ、摺動取付けリングのレールに沿った位置を測定するように構成された第３のエンコーダ、摺動取付けリングのレールに対する枢動位置の位置を測定するように構成された第４のエンコーダ、延伸デバイスの摺動取付けリングに対する線形位置を測定するように構成された第５のエンコーダ、および延伸デバイスの摺動取付けリングに対する回転位置を測定するように構成された第６のエンコーダの１つまたは複数を含む。

有利には、エンドエフェクタはコンピュータ制御装置と通信し、コンピュータ制御装置によって制御される。

有利には、エンドエフェクタはカメラを含み、コンピュータ制御装置が受け取った信号は、カメラの場所および向きを決定するためにコンピュータ制御装置によって用いられる。好ましくは、コンピュータ制御装置は、カメラによって送られる画像を示すために、カメラに接続されたディスプレイを含む。好ましくは、コンピュータ制御装置は、カメラによって観察される対象物に関する格納された画像を収容するデータベースを含み、ディスプレイは、対象物の１つの格納された画像を、カメラによって観察された対象物の１つの実画像の隣に示すように構成される。好ましくは、コンピュータ制御装置は、慣性測定ユニットを有する手持ち式ディスプレイと、カメラによって観察される筐体の内部に関連する格納された情報を収容するデータベースとを含み、コンピュータ制御装置は、手持ち式ディスプレイがユーザによって向きを定められると移動する内部の仮想画像を、手持ち式ディスプレイに表示するように構成される。

有利には、延伸デバイスは管である。好ましくは、端部の一方は、ユーザが把持するように適合されたハンドルを含む。

有利には、センサシステムは、延伸デバイスの摺動取付けリングに対する線形位置を伝えるために、延伸デバイスに取り付けられたストリングエンコーダを含む。好ましくは、ストリングエンコーダは、摺動取付けリングおよび延伸デバイスの少なくとも一方の内部の第１の磁石と、摺動取付けリングおよび延伸デバイスの他方の内部の第２の磁石および強磁性要素の１つとを含み、第１のエンコーダは、第２の磁石および強磁性要素の１つに取り付けられたケーブルを含む。好ましくは、ケーブルは、延伸デバイスの内部、および延伸デバイスの内部を通って長手方向に延びる中空導管の一方を通って延び、中空導管は、延伸デバイスの中に、ワイヤがそれを通って延びることが可能な十分なクリアランスを形成するように形状設定され、第２の磁石および強磁性要素の一方は、延伸デバイスの内部および中空導管の一方の中に配置される。

本開示のさらなる態様によれば、進入開口を備えた壁を有する筐体の内部を検査するための方法が提供され、その方法は、第１の端部および第２の端部、ならびに第１の端部に隣接するエンドエフェクタを有する延伸デバイスを提供すること、エンドエフェクタを壁の第２の端部と反対の側に位置決めするように、延伸デバイスを開口を通して挿入すること、センサシステムを用いて、エンドエフェクタの開口に対する位置および空間的な向きを検出すること、ならびにエンドエフェクタの開口に対する位置を決定することを含む。

有利には、センサシステムを用いて検出することは、壁の中の開口に隣接して位置決めするように適合されたジンバルを提供することを含み、延伸デバイスは、開口を通る相対的な回転移動、相対的な枢動移動および相対的な摺動移動のためにジンバルと係合する。好ましくは、センサシステムを用いて検出することは、壁の中の開口に隣接して位置決めするように適合された摺動部を提供することを含み、ジンバルは、摺動部に対する線形移動のために摺動部に取り付けられる。好ましくは、ジンバルは、延伸デバイスを受け入れる摺動取付けリングを含み、センサシステムを用いて検出することは、延伸デバイスの摺動取付けリングに対する線形位置を検出することを含む。好ましくは、ジンバルは、摺動部に枢動可能かつ摺動可能に取り付けられ、摺動取付けリングに枢動可能かつ摺動可能に取り付けられたレールを含み、センサシステムを用いて検出することは、レールの摺動部に沿った位置、レールの摺動部に対する回転位置、摺動取付けリングのレールに沿った位置、摺動取付けリングのレールに対する枢動位置、延伸デバイスの摺動取付けリングに対する線形位置、および延伸デバイスの摺動取付けリングに対する回転位置の１つまたは複数を検出することを含む。好ましくは、方法は、エンドエフェクタに含まれるカメラによって観察される対象物に関連するデータを収容するデータベースにアクセスすること、ならびに対象物の１つの格納された画像を、カメラによって観察された対象物の１つの実画像の隣に表示することをさらに含む。

本開示の他の目的および利点は、以下の記述、添付図面および添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。

開示される追跡可能な多軸ツールの一実施形態の概略図である。 図１の多軸ツールのカメラおよび慣性測定ユニットの位置ベクトルを示す図である。 開示される追跡可能な多軸ツールの別の実施形態を示す図である。 開示される追跡可能な多軸ツールの第３の実施形態の細部を示す図である。 開示される追跡可能な多軸ツールの第３の実施形態の細部を示す図である。 開示される追跡可能な多軸ツールの延伸デバイスの異なる実施形態の概略図である。 開示される追跡可能な多軸ツールの延伸デバイスの異なる実施形態の概略図である。 開示される追跡可能な多軸ツールの延伸デバイスの異なる実施形態の概略図である。 開示される追跡可能な多軸ツールのさらに別の実施形態を示す図である。

図１に示すように、全体を１０で表す、開示される追跡可能な多軸ツールは、第１の端部１４および第２の端部１６を有する延伸デバイス１２を含むことができる。第１の端部１４は、全体を１８で表すエンドエフェクタを含むことができる。第２の端部１６は、ユーザ（図示せず）が把持および操作するように形状設定されたハンドル２０を含むことができる。延伸デバイス１２は、センサシステムを含むことが可能であり、図１の実施形態では、センサシステムは、エンコーダ読み取りデバイス２５を含むことが可能で全体を２４で表すコンピュータ制御装置に接続することができる、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）２２を含むことが可能である。

センサシステムは、ストリングエンコーダ２６を含むこともできる。ストリングエンコーダ２６は、エンコーダ読み取りデバイス２５と通信し、図１の実施形態では、延伸デバイス１２に据え付けられたスライダボール３０とすることが可能なジンバルに取り付けられたケーブル２８を有することができる。したがって、ストリングエンコーダ２６は、延伸デバイス１２のスライダボール３０に対する線形位置を測定することができる。場合により、またはストリングエンコーダ２６に加えて、延伸デバイス１２のハンドル２０に、レーザ測定デバイス（ＬＭＤ）２７を据え付けることができる。詳述するように、延伸デバイスの端部の位置を特定するために、コンピュータ制御装置２４は、ストリングエンコーダ２６とＬＭＤ２７の両方を用いて、スライダボール３０の向こう側にある延伸デバイス１２の長さを決定することができる。

延伸デバイス１２は、第１の端部１４に隣接して据え付けられたカメラ３２、および第２のレーザ測定デバイス（ＬＭＤ）３４を含むこともできる。カメラ３２は、カメラによって観察された対象物３６がディスプレイ３８上に現れるように、有線または無線でコンピュータ制御装置２４に接続することができる。

延伸デバイス１２は、全体的に細長い形にすること、また第１の端部１４を壁４２の中の進入開口４０を通して挿入し、第１の端部１４を、壁４２の第２の端部１６およびハンドル２０と反対側の囲繞された検査空間４４（図３も参照）の中に位置付けることができるように寸法設定することが可能である。

スライダボール３０を進入開口４０に隣接して位置決めし、壁４２に対して取り付ける、または別の方法で固定することができる。ＩＭＵ２２は、延伸デバイス１２に据え付けられるため、ツール１０の延伸デバイスの向きを追跡するが、それは、延伸デバイスのシャフト４６に堅固に取り付けることが可能なツールの任意の部分について向きを追跡することと等価になり得る。コンピュータ制御装置２４は、シャフト４６の向きを示す、ＩＭＵ２２によって生成された信号を受け取ることができる。

図１の実施形態では、ＩＭＵ２２からのデータを用いて、シャフト４６の向きを測定することができる。シャフトの進入開口４０に対する距離の測定は、ストリングエンコーダ２６など様々な情報源から得ることができる。別法としてまたは追加として、エンドエフェクタ１８はＬＭＤ３４を利用して、エンドエフェクタデバイス１２の既知の検査場所４８への挿入を追跡することができる。

図１および２に示すように、この多軸ツール１０の場合、ＩＭＵ２２、ストリングエンコーダ２６および／またはＬＭＤ３４から入力されたデータの結果は、延伸デバイス１２のシャフト４６の第１の端部１４の、図２に示すＲ_ＩＭＵで表される基準座標系に対する位置および向きを符号化する、４×４の同次変換行列とすることができる。図２では、カメラ３２の座標系はＲ_{ＣＡＭＥＲＡ}で表される。ＩＭＵとカメラの両方がシャフト４６に据え付けられているため、カメラ３２の基準系Ｒ_{ＣＡＭＥＲＡ}は、ＩＭＵ２２の基準系Ｒ_ＩＭＵに対して固定されたままになる。その結果、コンピュータ制御装置２４に伝達することが可能なＩＭＵ２２の向きは、カメラ３２の向きを示すことになる。

（既知の距離である）ＩＭＵ２２からカメラ３２までの距離Ｌは、ＩＭＵから壁４２までの距離を示すＩＭＵからスライダボール３０までの距離Ｌ_１と、スライダボール３０からカメラ３２までの距離Ｌ_２との合計として表現される。それに応じて、検査開口４０からカメラ３２によって観察される対象物３６までの距離は、全長ＬとＩＭＵ２２から検査開口４０までの長さＬ_１との差として表現することができる。この距離は、ＬＭＤ３４から内部４４の既知の基準対象物４８までの距離を測定することによって、計算または決定することもできる。こうした測定値は、延伸デバイス１２がオペレータ（図示せず）によって操作されたとき、連続的にリアルタイムで更新することができる。

一実施形態では、３Ｄ視覚化アプリケーションを用いて、ディスプレイ３８に、カメラ３２の視野内の環境のＣＡＤベースの表示を示すことができる。３Ｄ環境を用いてユーザを手引きするのを助け、検査の順序の経過を追うことができる。例えば、関心のある特定の領域の場所をある色で強調し、検査が行われた領域、またはまだ検査を要する可能性のある領域を他の色で示すことができる。さらに、追跡用の器具（ＩＭＵ２２、ストリングエンコーダ２６およびＬＭＤ３４）からツールの位置および向きが分かるため、ツール１０の表現は、仮想環境（例えば図３参照）における動作も示すことができる。それに応じて、図１に示すように、カメラ３２が対象物３６をとらえると、ディスプレイ３８は、３Ｄ視覚化アプリケーションによって生成された対象物の仮想表現３６’を示すことができる。ＬＭＤ３４を利用する場合、ＬＭＤ３４が提供する距離データをエンドエフェクタ１８の相対的な向きと共に用いて変換行列を生成し、シャフト４６の変換式に右から掛けることができる。これは、レーザの目的の対象物４８との交点の場所が与え、前述の相対的なカメラの視野変換と同じ方法で計算される。

３Ｄ視覚化アプリケーションは、外部のアプリケーションが、３Ｄ環境における仮想カメラまたは他の対象物に関する位置および向きの情報を修正することを可能にするアーキテクチャを有する。いくつかのアプリケーションでは、これは、別個のアプリケーションからの視覚化環境の制御を可能にする、アプリケーションプログラミングインターフェイス（ＡＰＩ）を有するプラグインフレームワークを用いて達成することができる。

一実施形態において、ツール１０は、ディスプレイ３８に加えて、またはディスプレイ３８に代えて用いることが可能なディスプレイ５０を含むことができる。このディスプレイ５０は、対象物３６のカメラの実画像５４の横に対象物３６’の仮想画像５２を示すことができる。この並んだ表示によって、ユーザが実際の対象物３６を仮想の対象物３６’と比較することを可能にすることができ、それによって、オペレータが、観察される対象物について欠陥５６または他の問題を検出することを可能にすることができる。検査空間４４内の対象物３６、４８、ならびに外形および他の対象物のデータおよび画像によって、３Ｄ視覚化アプリケーションが、カメラ３２が延伸デバイス１２の移動に伴って移動すると移動する仮想画像３６’を表示することを可能にすることができるが、そうしたデータおよび画像は、コンピュータ制御装置２４の一部とすることができるデータベースに格納すること、またはコンピュータ制御装置によって遠隔地（図示せず）からアクセスすることが可能である。

図３に示すように、図１に示す実施形態と組み合わせて用いる場合も用いない場合もある別の実施形態では、（示される）タブレットＰＣ、スマートホン、ＤｉｓｐｌａｙＬｉｎｋモニタ、ウエアラブル、手持ち式デバイスまたはヘッドアップディスプレイなどの持ち運び可能な表示デバイス２４Ａが、別個のＩＭＵ５６を装備し、表示デバイス２４Ａを用いて仮想の視点の向きの制御を行うことができる。仮想の視点の位置は、進入ポート４０の決まった場所、またはツール１０Ａに関連付けられた任意の場所、例えばツールの第１の端部１４に関連させることができる。その結果、表示デバイス２４ＡおよびＩＭＵ５６の任意の回転、枢動または角度付けによって、仮想画像３８Ａの対応する回転、枢動または角度付けが生じるようになる。これが可能であることによって、より直感的なインターフェイスを可能にし、ユーザの状況に応じた認識を改善することができる。表示デバイス２４Ａがタッチスクリーンディスプレイ３８Ａを装備している場合、対象物をスクリーン上で選択すること、および次の解析のために位置を記録することが可能である。

多軸ツール１０Ｂの別の実施形態を、図４Ａおよび４Ｂに示す。この実施形態の場合、図１の実施形態ではＩＭＵ２２およびスライダボール３０を含んでいたセンサシステムは、延伸デバイス１２の移動を追跡するために用いられるリニアエンコーダおよび回転エンコーダのシステムに置き換えること、またはそのシステムによって増強することが可能である。多軸ツール１０Ｂは、平行な摺動部５６、５８、ブロック６４、６６、レール６８、および壁４２の中の開口４０に隣接して位置決めされた摺動取付けリング７０を含む、ジンバルを含むことができる。

平行な摺動部５６、５８は長さ方向に延びることができ、また検査開口４０の両側に、クランプ、吸着カップ、ねじなど（図示せず）によって壁４２に取り付けることができる。矢印Ａの方向における相対的な摺動移動のために、摺動部５６、５８はそれぞれ、ブロック６４、６６を受け入れる長手方向の溝６０、６２を含むことができる。矢印Ｂの方向における相対的な回転移動のために、レール６８をブロック６４、６６に取り付けることができる。レール６８は、摺動部５６、５８の間を検査開口４０を横断して延びることができる。摺動取付けリング７０は、矢印Ｃ方向における相対的な摺動移動または並進移動のためにレール６８に据え付け、かつ矢印Ｄの方向（すなわち、レール６８に垂直な軸のまわり）における枢動移動のためにレールに据え付けることができる。さらに、矢印Ｅの方向における相対的な摺動移動および矢印Ｆの方向における相対的な回転移動のために、延伸デバイス１２のシャフト４６は、摺動取付けリング７０と係合することができる。

図４Ｂに示すように、摺動部５６は、矢印Ａ（図４Ａ）の方向におけるブロック６４の摺動部５６に対する位置を示す信号を送るために、７２に配置されたリニアエンコーダを含むことができ、ブロック６４は、矢印Ｂ（図４Ａ）の方向におけるレール６８のブロック６４までの相対的な回転角度を示す信号を送ることが可能な、７４に配置された回転エンコーダを含むことができる。レール６８は、矢印Ｃ（図４Ａ）の方向における摺動取付けリング７０のレール６８に対する位置を示す信号を送ることが可能な、７６に配置されたリニアエンコーダを含むことができ、摺動取付けリング７０は、それぞれ矢印Ｄ（図４Ａ）の方向における摺動取付けリング７０の枢動の向き、および矢印Ｆ（図４Ａ）の方向におけるシャフト４６の回転位置を示す信号を送るために、７８、８０に配置された回転エンコーダを含むことができる。エンドエフェクトツール１８の開口４０に対する向きの示度を与えるために、エンコーダ７２、７４、７６、７８、８０からの信号はすべて、コンピュータ制御装置２４（図１）に送ることができる。これらの信号は、コンピュータ制御装置２４によって処理され、それぞれ観察される対象物３６の仮想画像５２および／または実画像５４を生成することができる。図４Ａおよび４Ｂの実施形態では、ＩＭＵ２２を不要にすることができる。しかしながら、矢印Ｅ（図４Ａ）の方向における延伸デバイス１２のシャフト４６の検査開口４０に対する「出入り」の動きを検出するために、ストリングエンコーダ２６またはＬＭＤ３４が依然として必要になる場合がある。

図５Ａ、５Ｂおよび５Ｃは、例えば図４Ａおよび４Ｂの実施形態では、矢印Ｅ（図４Ａ）の方向における延伸デバイス１２のシャフトの動きを検出するために使用することができる、ストリングエンコーダ２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、ならびに摺動取付けリング７０Ａおよび７０Ｃの異なる実施形態を示す。図５Ａに示すように、ストリングエンコーダ２６Ａは、鋼などの強磁性材料からなることが可能なディスク８４に取り付けられたケーブル２８を含むことができる。ディスク８４は、相対的な摺動移動のために、シャフト４６Ａの中空内部の中に位置決めするように形状設定することができる。摺動取付けリング７０Ａは、リング磁石８６を含むことができる。リング磁石は、金属ディスク８４を、図５Ａに示す位置、すなわち摺動取付けリング７０Ａの中央またはその近くに維持するように働くことができる。延伸デバイス１２Ａのシャフト４６Ａを、摺動取付けリング７０Ａに対して長手方向（すなわち、図５Ａの矢印Ｅの方向）に移動させたとき、金属ディスク８４は摺動取付けリングの中で固定され、磁石８６と整列した状態にとどまり、ケーブル２８はストリングエンコーダ２６Ａの中に引き込まれるか、またはストリングエンコーダ２６Ａから外側に伸ばされ、したがって、ストリングエンコーダ２６Ａが、シャフト４６Ａの摺動取付けリング７０Ａに対する相対的な長手方向の位置を示す信号を生成することが可能になる。図５Ａの代替的実施形態では、摺動取付けリング７０Ａは金属リング８６を含むことができ、ディスク８４は強磁性材料で作製することができる。どちらの実施形態でも、ディスク８４とリング８６の間の磁気的吸引力によって、ディスクを図５Ａに示す位置に維持することができる。

図５Ｂに示すように、延伸デバイス１２Ｂのシャフト４６Ｂは、管８８を受け入れる中空内部を含むことができ、管８８はやはり中空であり、内部にリング磁石または強磁性ディスク８４Ａを受け入れる。管８８は、接着剤、結合または他の手段によってシャフト４６Ｂの内壁８７に取り付けることができる。摺動取付けリング７０Ａは、磁石または金属ディスク（ディスク８４Ａが磁性材料からなる場合）８６を含むことができる。リング磁石またはディスク８４Ａとリング８６との間の磁気的吸引力によって、シャフト４６Ｂを長手方向に、摺動取付けリング７０Ａに対して図５Ｂに示す矢印Ｅの方向に移動させたとき、磁石またはディスク８４Ａを図５Ｂに示す位置に維持することができる。やはり、この相対移動によって、ケーブル２８をストリングエンコーダ２６Ｂに引き込む、またはストリングエンコーダ２６Ｂから伸ばすことができ、したがって、シャフト４６Ｂの摺動取付けリング７０Ａに対する相対的な長手方向の位置を示す信号が生成される。シャフト４６Ｂの内部に中空の管８８を含む利点は、他のワイヤおよびケーブル９０が内部に沿って延びるためのクリアランスを設けることが可能になることである。そうしたワイヤおよびケーブル９０は、ＬＭＤ３４および／またはカメラ３２（図１）への接続部を含むことができる。

図５Ｃに示すように、シャフト４６Ｃは、全体を９０で表す他のワイヤおよびケーブルがそれを通って延びる導管を形成する、中空内部を有する。摺動取付けリング７０Ｃ自体は、ケーブル２８によってストリングエンコーダ２６Ｃに接続することができる。矢印Ｅの方向における延伸デバイス１２Ｃのシャフト４６Ｃの相対的な長手方向の移動によって、ケーブル２８をストリングエンコーダ２６Ｃに引き込むこと、またはストリングエンコーダ２６Ｃから外側に伸ばすことができ、それにより、シャフト４６Ｃの摺動取付けリング７０Ｃに対する相対位置を示す。

図６に示すさらに別の実施形態では、全体を１０’ で表す追跡可能な多軸ツールは、例えば図１の実施形態のＩＭＵ２２、エンコーダ２６およびスライダボール３０の構成要素の代わりに、チルト−スイベル式の支持システム９２の形のジンバルを含むことができる。チルト−スイベル９２は、台（図示せず）または壁４２（図１）への取付け部（図示せず）を含むことが可能な支持体９４を含むことができる。シャフト９６は、支持体９４に枢動可能に据え付けられ、Ｕ字形ブラケット９８を含み、したがって、シャフトおよびＵ字形ブラケットは、図６に示すように、垂直軸のまわりを支持体９４に対して旋回する。ブロック１００は、Ｕ字形ブラケット９８のアーム１０２、１０４の間に収まるように形状設定され、アーム１０２、１０４に枢動可能に取り付けることができる。アーム１０２は、ブロック１００のブラケット９８に対する枢動移動に調節可能な摩擦抵抗を与えるように、係止ノブ１１０が据え付けられたねじ付きスタッド１０８を受け入れる、弓形の溝１０６を含むことができる。

ブロック１００は、延伸デバイス１２’のシャフト４６を摺動可能かつ回転可能に受け入れるように形状設定された、穴１１２を含むことができる。支持体９４には、ホイールエンコーダ１１４が据え付けられ、ホイールエンコーダ１１４は、シャフト９６と係合するホイール１１６を含むことができる。ホイール１１６は、シャフト９６の回転に応答して回転するように方向付けることが可能であり、したがって、エンコーダ１１４は、Ｕ字形ブラケット９８の旋回移動、したがってシャフト４６の旋回移動を検出することができる。ホイールエンコーダ１１８がアーム１１２に据え付けられ、ホイールエンコーダ１１８は、ブロック１００と係合するように位置決めされたホイール１２０を含むことができる。ホイール１２０は、シャフト４６がブラケット９８に対して枢動するとき、ブロックの旋回移動、したがってシャフト４６の高さの移動に応答して回転するように方向付けられる。

ホイールエンコーダ１２２がブロック１００に据え付けられ、ホイールエンコーダ１２２は、シャフト４６と接触するようにブロック内の溝１２６を通って延びるホイール１２４を含むことができる。ホイール１２４は、ブロック１００、したがってシステム９２に対するシャフト４６の長手方向の移動に応答して回転させられるように方向付けられる。ホイールエンコーダ１２８がブロック１００に据え付けられ、ホイールエンコーダ１２８は、シャフト４６と係合するようにブロック１００内の溝１３２を通って延びるホイール１３０を含むことができる。ホイール１３０は、エンコーダ１２８がシャフトのシステム９２に対する回転移動を検出することができるように、シャフト４６のブロック１００に対する回転移動に応答して回転されるように方向付けられる。

ホイール１２４および１３０は、シャフト４６の異なる動き（それぞれ並進および回転）を測定するように据え付けられるため、ホイール１２４および１３０は、それらがその上を回転する面が、ホイールのそれぞれの回転方向に垂直な方向に自由に摺動することを可能にする、オムニホイールとすることができる。

エンコーダ１１４、１１８、１２２および１２８はそれぞれ、コンピュータ制御装置２４（図１）に信号を送信するように接続することができる。結果として、コンピュータ制御装置２４は、エンコーダ１１４、１１８、１２２および１２８によって測定されたシャフトの長手方向、回転、傾斜および旋回の移動を計算することにより、シャフト４６の遠位端１４の場所を示す信号を受け取ることができる。

動作時に、ユーザは、コンピュータ制御装置２４に対して、検査する航空機または他の筐体に関連する識別情報を入力すること、および検査開口４０の識別指示を入力することが可能である。この情報により、コンピュータ制御装置が検査する筐体に関する適切なデータライブラリにアクセスすることを可能にすることができる。図１の実施形態の場合、ユーザは、スライダボールを検査開口４０の位置または検査開口４０の近くの位置に取り付けることができる。図４Ａおよび４Ｂの実施形態の場合、ユーザは、検査開口４０に隣接する摺動部５６、５８を取り付けることができる。この時点でユーザは、壁４２の外側に位置決めすることはできるが、検査開口４０を通して調べることはできない。

次いで、ユーザ（またはアシスタント）は、シャフト４６の遠位端１４が検査開口４０を通過して検査空間４４に入るように、ハンドル２０を把持することによって延伸デバイス１２を操作することができる。ユーザは、検査空間４４に関するディスプレイ３８または５０で、実画像または仮想画像を観察することができる。ユーザは、カメラ３２を方向付けて所望の対象物３６を観察するように、延伸デバイス１２を操作することができる。図１の実施形態の場合、コンピュータ制御装置２４が、ＩＭＵ２２、およびストリングエンコーダ２６とＬＭＤ３４の一方または両方からの信号を利用し、エンドエフェクタ１８の検査開口４０に対する場所および向きを決定することができる。図４Ａおよび４Ｂの実施形態の場合、コンピュータ制御装置は、エンコーダ７２、７４、７６、７８、８０およびストリングエンコーダ２６から信号を受け取り、エンドエフェクタ１８の検査開口４０に対する場所および向きを決定することができる。したがって、コンピュータ制御装置２４は、適切な仮想画像３６’を延伸デバイス１２に対する適切な向きで表示することができる。

対象物３６が欠陥５６を含む場合、その欠陥が画像５４に現れる可能性がある。ユーザはコンピュータ制御装置２４を、欠陥５６の場所を記憶するように作動させること（タッチスクリーンディスプレイをタッチすることによってでもよい）、ならびにコンピュータ制御装置を、対象物３６および欠陥５６を示す画像５４を記録するように作動させることが可能である。検査が完了すると、コンピュータ制御装置は、対象物３６ならびに欠陥５６の画像および／または場所に関するレポートを生成することができる。検査は、持ち運び可能なデバイス２４Ａの使用によって簡易化することができる。持ち運び可能なデバイスは、該当する航空機および検査開口４０の場所に関係する情報を受け取り、（デバイス２４Ａでローカルに、またはリモートで）格納された情報にアクセスし、検査されている対象物の画像３８Ａを表示することができる（図３）。この画像は、デバイス２４Ａの空間的な向きを操作して、ユーザが検査空間４４および検査空間４４内の延伸デバイス１２の位置を視覚化できるようにすることによって操作可能である。

前述の実施形態はそれぞれ、封じ込められた空間の中で動作する延長アーム上のエンドエフェクタの位置および向きを追跡する能力を有する多軸ツールを提供する。さらに、そうした実施形態によって、ユーザが、エンドエフェクタの視点から検査される環境の仮想表現を視覚化することが可能になる。これにより、ツールのオペレータが検査ボリュームについて、より適切な状況に応じた認識を持つことを可能にすることができる。そうした環境では、ユーザは、ある特定の実施形態において、検査範囲内の航空機の構成要素（または検査される他の構成要素）のすべての３Ｄモデルを観察すること、ならびに検査ツール、およびエンドエフェクタ上のビデオカメラの観察範囲（錐台形）の表現さえも視覚化することができる。

目的の対象物の座標系を用いて位置合わせをすると、エンドエフェクタの位置および向きを追跡することが可能になることにより、このタイプの観察されている対象物の物理環境とその物理的な対象物の仮想表現との相互作用を促すことができる。いくつかの実施形態において、対象物は、どの品目をスキャンする必要があるかをユーザに示すためにある色で強調し、また既にスキャンされた品目を示すために他の色で強調することが可能である。他の実施形態では、対象物および環境に関する追加の情報を、正確に位置合わせされた３Ｄコンテキストとして表示することができる。さらに他の実施形態において、コンピュータ制御装置２４は、必要な領域がスキャンされたことを確かめる１つのやり方として、制御装置によって３Ｄデータポイントが記録されたスキャンセッションのレポートを生成することができる。

本明細書に記載される装置および方法の形は、本開示に包含される発明を除外するものではなく、また本発明の範囲から逸脱することなく、そうした装置および方法の形に変更を加えることが可能である。

１０ 多軸ツール、ツール
１０Ａ ツール
１０Ｂ、１０’ 多軸ツール
１２ 延伸デバイス、エンドエフェクタデバイス
１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２’ 延伸デバイス
１４ 第１の端部、遠位端
１６ 第２の端部
１８ エンドエフェクタ
２０ ハンドル
２２ 慣性測定ユニット、ＩＭＵ
２４ コンピュータ制御装置
２４Ａ 持ち運び可能な表示デバイス、表示デバイス、持ち運び可能なデバイス、デバイス
２５ エンコーダ読み取りデバイス
２６、２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ ストリングエンコーダ
２７ レーザ測定デバイス、ＬＭＤ
２８ ケーブル
３０ スライダボール
３２ カメラ
３４ 第２のレーザ測定デバイス、ＬＭＤ
３６ 対象物、実際の対象物
３６’ 対象物の仮想表現、仮想の対象物、仮想画像
３８ ディスプレイ
３８Ａ 仮想画像、タッチスクリーンディスプレイ、画像
４０ 進入開口、検査開口、進入ポート、開口
４２ 壁
４４ 検査空間、内部
４６、４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃ シャフト
４８ 既知の検査場所、既知の基準対象物、対象物
５０ ディスプレイ
５２ 仮想画像
５４ 実画像、画像
５６ 欠陥
５６、５８ 摺動部
６０、６２ 溝
６４、６６ ブロック
６８ レール
７０、７０Ａ、７０Ｃ 摺動取付けリング
７２、７４、７６、７８、８０ エンコーダ
８４ ディスク、金属ディスク
８４Ａ 強磁性ディスク、ディスク、磁石、リング磁石
８６ リング磁石、磁石、金属リング、リング、金属ディスク
８７ 内壁
８８ 管
９０ ワイヤおよびケーブル
９２ チルト−スイベル式の支持システム、チルト−スイベル、システム
９４ 支持体
９６ シャフト
９８ Ｕ字形ブラケット、ブラケット
１００ ブロック
１０２、１０４ アーム
１０６ 溝
１０８ ねじ付きスタッド
１１０ 係止ノブ
１１２ 穴
１１４、１１８、１２２、１２８ ホイールエンコーダ、エンコーダ
１１６、１２０、１２４、１３０ ホイール
１２６ 溝
１３２ 溝
Ｌ ＩＭＵからカメラまでの距離、全長
Ｌ_１ ＩＭＵからスライダボールまでの距離
Ｌ_２ スライダボールからカメラまでの距離

Claims (11)

1. 第１の端部および第２の端部、ならびに前記第１の端部に隣接するエンドエフェクタを有する延伸デバイスと、
   壁の中の開口に隣接して位置決めするように適合された摺動部と、
   壁の中の開口に隣接して位置決めするように適合されたジンバルであって、前記延伸デバイスは、前記エンドエフェクタを前記壁の前記第２の端部と反対の側に位置決めするような、前記開口を通る相対的な回転移動および相対的な摺動移動のために前記ジンバルと係合するように配置され、
   前記摺動部に取り付けられ、前記摺動部に対する摺動移動および回転移動が可能なレールと、
   前記レールに対する枢動移動および並進移動のために前記レールに取り付けられた摺動取付けリングとを含む、ジンバルと、
   前記延伸デバイスの前記ジンバルに対する線形位置、ならびに前記エンドエフェクタの前記開口に対する位置および空間的な向きを測定するように構成されたセンサシステムであって、前記延伸デバイスの前記摺動取付けリングに対する線形位置を伝えるために、前記延伸デバイスに取り付けられたストリングエンコーダを含み、前記レールの前記摺動部に沿った長手方向の位置、前記レールの前記摺動部に対する回転位置、前記摺動取付けリングの前記レールに沿った位置、前記摺動取付けリングの前記レールに対する枢動位置、および前記延伸デバイスの前記ジンバルに対する回転位置を検出するように構成されたセンサシステムと、
   前記エンドエフェクタの前記開口に対する位置および向きの少なくとも１つを決定するために、前記センサシステムから信号を受け取るように接続されたコンピュータ制御装置と
   を備える多軸ツール。
2. 前記センサシステムが、前記延伸デバイスに据え付けられた慣性測定ユニットと、前記延伸デバイスの前記開口への挿入を追跡するための、レーザ測定デバイス、ストリングエンコーダおよびホイール付きエンコーダの少なくとも１つとを含む請求項１に記載の多軸ツール。
3. 前記センサシステムが、前記レールの前記摺動部に沿った前記長手方向の位置を測定するように構成された第１のエンコーダ、前記レールの前記摺動部に対する前記回転位置を測定するように構成された第２のエンコーダ、前記摺動取付けリングの前記レールに沿った前記位置を測定するように構成された第３のエンコーダ、前記摺動取付けリングの前記レールに対する前記枢動位置の位置を測定するように構成された第４のエンコーダ、前記延伸デバイスの前記摺動取付けリングに対する線形位置を測定するように構成された第５のエンコーダ、および前記延伸デバイスの前記摺動取付けリングに対する回転位置を測定するように構成された第６のエンコーダの１つまたは複数を含む請求項１に記載の多軸ツール。
4. 前記エンドエフェクタが前記コンピュータ制御装置と通信し、前記コンピュータ制御装置によって制御される請求項１に記載の多軸ツール。
5. 前記エンドエフェクタがカメラを含み、前記コンピュータ制御装置が受け取る前記信号が、前記カメラの場所および向きを決定するために前記コンピュータ制御装置によって用いられる請求項１に記載の多軸ツール。
6. 前記コンピュータ制御装置が、前記カメラによって送られる画像を示すために、前記カメラに接続されたディスプレイを含む請求項５に記載の多軸ツール。
7. 前記コンピュータ制御装置が、慣性測定ユニットを有する手持ち式ディスプレイと、前記カメラによって観察される筐体の内部に関連する格納された情報を収容するデータベースとを含み、前記コンピュータ制御装置が、前記手持ち式ディスプレイがユーザによって向きを定められると移動する前記内部の仮想画像を、前記手持ち式ディスプレイに表示するように構成される請求項５に記載の多軸ツール。
8. 前記延伸デバイスが管である請求項１に記載の多軸ツール。
9. 前記第２の端部が、ユーザが把持するように適合されたハンドルを含む請求項８に記載の多軸ツール。
10. 前記ストリングエンコーダが、前記摺動取付けリングおよび前記延伸デバイスの少なくとも一方の内部の第１の磁石と、前記摺動取付けリングおよび前記延伸デバイスの他方の内部の第２の磁石および強磁性要素の１つとを含み、前記ストリングエンコーダが、前記第２の磁石および前記強磁性要素の前記１つに取り付けられたケーブルを含む請求項１に記載の多軸ツール。
11. 進入開口を備えた壁を有する筐体の内部を検査するための方法であって、
    第１の端部および第２の端部、ならびに前記第１の端部に隣接するエンドエフェクタを有する延伸デバイスを提供すること、
    前記エンドエフェクタを前記壁の前記第２の端部と反対の側に位置決めするように、前記延伸デバイスを前記開口を通して挿入すること、
    前記延伸デバイスの線形位置を伝えるために、前記延伸デバイスに取り付けられたストリングエンコーダを含むセンサシステムを用いて、前記エンドエフェクタの前記開口に対する位置および空間的な向きを検出すること、
    前記センサシステムを用いて検出することが、
    壁の中の開口に隣接して位置決めするように適合された摺動部を提供することと、
    壁の中の開口に隣接して位置決めするように適合されたジンバルを提供することであって、前記ジンバルが、前記摺動部に対する線形移動のために前記摺動部に取り付けられ、前記延伸デバイスが、前記開口を通る相対的な回転移動、相対的な枢動移動および相対的な摺動移動のために前記ジンバルと係合するように配置されることと、を含み、ならびに
    前記エンドエフェクタの前記開口に対する位置を決定すること
    を含む方法。

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