KR102022750B1 - 비파괴 검사를 위한 자립식 홀로노믹 추적 방법 및 장치 - Google Patents

비파괴 검사를 위한 자립식 홀로노믹 추적 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

구조체의 표면에 관한 검사 정보 획득을 보충하기 위한, 자체의 홀로노믹 추적 솔루션에 의해, 비파괴 검사(NDI) 센서 유닛(예를 들어, NDI 프로부들)의 홀로노믹-모션에 의한 핸드-헬드 및 자동 스캐닝으로부터 이차원 이미지의 실시간 생산이 가능하다. 본 시스템들 및 방법들에 의해, 홀로노믹-모션 NDI 센서 유닛(핸드-헬드 또는 자동)의 포지션과 지향의 정확한 추적 및 NDI 스캐닝 시스템의 의한 프로세싱을 위해 추적 데이터를 인코더 펄스 신호들(encoder pulse signals)로의 변환이 가능하다.

Description

비파괴 검사를 위한 자립식 홀로노믹 추적 방법 및 장치{SELF-CONTAINED HOLONOMIC TRACKING METHOD AND APPARATUS FOR NON-DESTRUCTIVE INSPECTION}
본 발명은 일반적으로 (예를 들어 비파괴 검사 유닛과 같은) 자동화된 장비가 타겟 영역으로 이동함에 따른 홀로노믹 모션을 추적하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
핸드-헬드(hand-held) 센서를 이용하는 포터블 비파괴 검사(non-destructive inspection, NDI) 기기는 합성 구조체의 선택된 영역들의 제조 및 서비스 중인 검사(in-service inspection)를 안내하는 데에 보편적이다. 항공기 구조체의 대부분의 현장(in-service) 검사는 핸드-헬드 센서를 사용하여 이행된다. 또한, 작은 부품들 또는 영역들도 때때로 이러한 방법으로 제조 과정에서 검사된다.
핸드-헬드 센서들(hand-held sensors)은, 자동화된 스캐닝 시스템들(automated scanning systems)과 비교해서, 더 낮은 가격 때문에 널리 사용되는 반면에, 전문가는 결과 신호(result signal)를 해석할 필요가 있다. 또한, 신호 변화를 기다리는 동안에, 손으로 대미지(damage), 결점(defect)을 탐색하는 일은 많은 시간이 소모되고 오퍼레이터 에러 또는 피로를 야기하는 경향이 있다. 또한, 하나씩 특정되기 때문에 대미지를 수량화하는 데는 많은 시간이 걸린다. 많은 핸드-헬드 NDI 센서 유닛들이, 대미지를 포함하는 영역의 이미지를 생성할 수 있는 스캐닝(scanning)을 이용하여 감지될 수 있는 더 작은 대미지/흠들을 감지하지 않는다고 잘 알려져 있다. 이러한 이미지에 기반하는 스캐닝은, 센서 데이터 자체에 관한 센서 포지션 정보(sensor positional information)의 상관관계에 의존한다. 핸드-헬드 센서에 의해 획득되는 싱글-포인트(single-point) NDI 데이터와 포지션과의 상관관계는 난해하다. 또한, 일반적인 핸드-헬드 센서 유닛들의 높은 대미지 감지력 한계(damage detectability limits)는, 그들이 가능한 것보다 더 짧은 검사 주기(inspection cycles)를 의미한다.
현재 가능한, 핸드-헬드 스캐닝 디바이스들의 추적을 위한 솔루션은, 주로 이동 방향으로 단 하나의 축(즉, 일차원 모션)만을 추적할 수 있다. 이러한 일차원 추적은, 전형적으로 바퀴 달린 회전 인코더(wheeled rotational encorder)를 사용하여 이행된다. 그러나 스캐닝 디바이스에 모션을 제공하는 오퍼레이터 손의 자유 형식의 움직임 때문에, 센서(예를 들어, 선형 탐촉자 배열)가 직선으로 움직이도록 보장하는 가이드가 없다. 이에 대한 결과로 휠이 달린 인코더가 오퍼레이터 손의 실제 움직임을 제대로 추적하지 못할 수 있다. 숙련된 오퍼레이터는 직선의 모션을 만들어 내는 것에 집중함으로써 이러한 점을 부분적으로 보상할 수 있다. 그러나 인간은, 특히 장거리인 경우에 직선 모션을 만드는데 그다지 숙련되지 못하다. 이러한 일차원 스캔의 출력이, 직선으로 보이는 것에 의해, 오해의 소지가 있기 때문에, 이러한 웨이브 모양은(waviness), 스캐닝 과정 중에, 오퍼레이터에게 명백하지 않음에도 불구하고, 웨이브 스캔(wavy scans)은 종종 결과가 된다.
핸드-스캔 NDI 데이터의 실시간 이미징은, 몇몇 상이한 타입의 포지션 추적 방법을 사용하여 현재 수행되고 있다: 싱글 축 회전 인코더들, X-Y 브릿지들, 스캔 암들(scan arms), 트랙볼들(trackballs), 그리고 초음파 또는 광학 삼각측량을 포함하는 것이 가장 보편적인 것 중의 일부이다. 싱글 프로부의 핸드 스캐닝에 과한 가장 큰 문제는 데이터 포지셔닝(positioning)(프로부 모션(probe movement)의 방향 또는 프로부의 정지 위치에 따라 시프트들(shifts)이 발생한다)과 영역을 커버하기 위해 충분히 지나가야 한다는 것이다. 드리프트(drift)도 또한 문제이다. 프리-핸드 모션을 이용하여 얻어지는 이차원 이미지들은 보통, 선택되는 실제 패스를 그다지 정확하게 표현하지 못한다. 초음파와 와류 전류와 같은 몇몇 방법을 위한 선형 배열(linear array)은, 각각의 밴드 내에서의 데이터의 상대 포지션을 정확하게 표현하는 데이터의 밴드들을 생성함으로써 이미지를 개선시킬 것이다. 그러나 선형 배열을 이용하는 핸드 스캐닝의 가장 큰 문제는, 지향을 유지하거나 결정하는 것이다(속박되어 있지 않다면).
핸드-헬드 디바이스들을 이용하는 NDI 표면 스캐닝 실행 중에, 스캔 영역의 정확한 표현을 캡처하기 위해 오퍼레이터에게는 스캐닝 디바이스를 이동 방향에 대해 일관된 지향(orientation)으로 유지하는 것이 요구된다. 또한, 오퍼레이터는, 데이터 손실을 피하기 위해 최고 속도 이하의 속도를 유지할 필요가 있다. 피드백을 제공할 수 있는 측정 시스템 없이 이러한 요건들을 지키는 것은 오퍼레이터에게 쉬운 것이 아니다.
포지션 측정에서의 이러한 부정확은, 지향 및 속도 피드백의 부족과 함께 퍼포먼스에 부정적인 영향을 갖는다. 핸드-헬드 스캐너의 오퍼레이터들은 병진 또는 회전에서의 이러한 부정확 및 속도 피드백의 부족을 더욱 천천히 움직임으로써 보상할 수 있는데, 이로 인해 유용한 스캔 이미징 데이터를 얻는데 상당히 많은 시간이 필요하게 된다. 이는 때때로 스캔 중에 누락된 영역을 다루기 위한 재작업을 야기할 수 있다.
자유 형식의 모션(free-form motion) 중에 얻어지는 데이터로부터 정확하게 정렬된 NDI 이미지들을 얻기 위한, 센서 포지션 및 지향(orientation)을 결정하는 방법에 대한 수요가 존재한다.
본 발명이 해결하려는 과제는 자유 형식의 모션 중에 얻어진 이미지로부터 정확하게 정렬된 NDI 이미지를 획득하기 위한 센서 포지션 및 지향(orientation)을 결정하는 방법, 장치 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은, 자립의(self-contained) 디바이스를 사용하는 표면 스캐닝 어플리케이션에서의 실시간의, 홀로노믹 모션 추적을 위한 방법에 관한 것이다. 홀로노믹 모션은 모션 제한을 받지 않는 움직임이다, 그리고 때때로 자유 형식(free-form)의 모션으로 불려진다. 본 발명에서 사용되었듯이, 만약 제어 가능한 자유도(degrees of freedom)가 전체 자유도와 동일하면, 비클(vehicle) 또는 디바이스(device)는 홀로노믹한 것으로 여겨질 수 있다. 홀로노믹 모션 추적은, 추적되는 디바이스(예를 들어, 스캐닝 센서 또는 센서 배열)가 임의의 방향으로 움직이거나 동시에 회전할 수 있는 표면에서의 포지션 및 지향(orientation) 측정에 관한 것이다. 표면 위로 스캐너에 관한 인간의 움직임에 의해 생성되는 자유 형식의 모션(free-form motion) 타입의 추적을 가능하게 하는 자립의 디바이스를 보유함으로써, 2차원 스캔 이미지 생성을 위한 스캔 이미징 데이터의 정확한 등록이 가능하다. 추적되는 디바이스의 모션이 추적 시스템에 의해 제한 받지 않기 때문에, 이러한 컨셉은 또한 예를 들어 표면-크롤링 로봇(surface-crawling robots)과 같은 자동화된 디바이스들과의 통합에 적용될 수 있다. 아래에 상세하게 개시된 상기 시스템 및 방법은, 홀로노믹-모션 NDI 센서 유닛의 포지션 및 지향의 정확한 추적과 프로세싱을 위해 NDI 스캐닝 시스템에 의해 획득된 추적 데이터를 인코더 펄스 신호들로 변환하는 것을 가능하게 한다.
여기에 개시된 본 발명의 하나의 태양은, (a) 각 옴니 휠의 회전을 각각의 인코더 데이터(encoder data)로 변환하는 단계; (b) 상기 인코더 데이터에 부분적으로 기초하여, 표면(surface)의 좌표 시스템(coordinate system)에 따라 디바이스의 방향을 나타내는 절대 각도(absolute angle)를 연산하는 단계; (c) 상기 인코더 데이터에 부분적으로 기초하여, 표면의 좌표 시스템에 따라 디바이스의 X 및 Y 포지션에서의 상대적인 변화(relative changes)를 연산하는 단계; 및 (d) 연산된 상기 절대 각도 및 연산된 상기 X 및 Y 포지션에서의 변화에 부분적으로 기초하여, 상기 좌표 시스템에 따라 디바이스의 절대 포지션(absolute position)을 연산하는 단계를 포함하는, 복수의 옴니 휠들(omni wheels)에 연결된 디바이스를 추적하는 방법이다.
여기에 개시된 본 발명의 추가적인 태양은, 프레임(frame); 상기 프레임의 주위에 연결된 복수의 옴니 휠들; 복수의 상기 옴니 휠들(omni wheels) 각각에 연결된 회전 인코더들(rotational encoders); 및 상기 프레임에 연결된 검사 유닛을 포함하는, 장치이다. 제1 실시예에 따라, 복수의 옴니 휠들은 4-옴니 휠, 수직(perpendicular), 이중- 미분(double-differential) 구성으로 정렬될 수 있다.
제2 실시예에 따라, 복수의 옴니 휠들은, 각각이 축의 주위로 120도 간격으로 공통 중심 포인트로부터 동일한 거리에 있는 3 옴니 휠들을 포함한다. 제3 실시예에 따라, 복수의 옴니 휠들은, 4-옴니 휠, 보기식 구성(bogie configuration)으로 정렬된다.
추가적인 태양은, 스캐닝 디바이스, 디스플레이 디바이스 및 컴퓨터 시스템을 포함하고, 상기 스캐닝 디바이스와 상기 디스플레이는 상기 컴퓨터 시스템과 통신을 위해 연결되는 검사 시스템이다. 상기 스캐닝 디바이스는, 프레임(frame); 상기 프레임에 주위에 연결된 복수의 옴니 휠들; 각 옴니 휠들의 회전을 각각의 인코더 데이터로 변화하기 위해, 복수의 상기 옴니 휠들(omni wheels) 각각에 연결된 회전 인코더들(rotational encoders); 및 상기 프레임에 연결된 검사 유닛을 포함한다. 상기 컴퓨터 시스템은 다음의 단계: (a) 상기 인코더 데이터에 부분적으로 기초하여, 표면의 좌표 시스템(coordinate system of the surface)에 따라 디바이스의 방향을 나타내는 절대 각도(absolute angle)를 연산하는 단계; (b) 상기 인코더 데이터에 부분적으로 기초하여, 표면의 좌표 시스템에 따라 디바이스의 X 및 Y 포지션에서의 상대적인 변화(relative changes)를 연산하는 단계; (c) 연산된 상기 절대 각도 및 연산된 상기 X 및 Y 포지션에서의 변화에 부분적으로 기초하여, 상기 좌표 시스템에 따라 디바이스의 절대 포지션(absolute position)을 연산하는 단계; (d) 검사 데이터를 얻기 위해 상기 검사 유닛을 제어하는 단계; 및 (e) 각각의 검사 데이터가 획득되는 때에, 상기 디바이스의 각각의 절대 각도 및 절대 포지션에 기초하여 검사 데이터가 정렬되는 이미지를 디스플레이하는 디스플레이 장치를 제어하는 단계를 실행하도록 프로그램된다.
또 다른 태양은 가동(可動)의 디바이스 및 컴퓨터 시스템을 포함하고, 상기 가동의 디바이스가 상기 컴퓨터 시스템에 통화 가능하게 연결되는 추적 시스템이다. 상기 가동의 디바이스는, 프레임(frame); 상기 프레임에 주위에 연결된 복수의 옴니 휠들; 각 옴니 휠의 회전을 각각의 인코더 데이터로 변화하기 위해, 복수의 상기 옴니 휠들(omni wheels) 각각에 연결된 회전 인코더들(rotational encoders); 및 상기 프레임에 연결된 검사 유닛을 포함한다.
상기 컴퓨터 시스템은 다음의 단계: (a) 상기 인코더 데이터에 부분적으로 기초하여, 표면의 좌표 시스템(coordinate system of the surface)에 따라 디바이스의 방향을 나타내는 절대 각도(absolute angle)를 연산하는 단계; (b) 상기 인코더 데이터에 부분적으로 기초하여, 표면의 좌표 시스템에 따라 디바이스의 X 및 Y 포지션에서의 상대적인 변화(relative changes)를 연산하는 단계; 및 (c) 연산된 상기 절대 각도 및 연산된 상기 X 및 Y 포지션에서의 변화에 부분적으로 기초하여, 상기 좌표 시스템에 따라 디바이스의 절대 포지션(absolute position)을 연산하는 단계를 실행하도록 프로그램된다. 몇몇 실시예들에서 상기 컴퓨터는 모션 구동(motion actuation)을 제어하기 위해 또한 사용될 수 있다.
자립적인 홀로노믹 모션 추적 방법들 및 장치의 다른 태양들은 아래와 같이 개시된다.
옴니 휠이 저항없이 메인 휠 축으로 전진 방향으로 회전하고 표면과 접촉하는 작은 롤러들이 회전함으로써 옆으로 또한 상당히 쉽게 미끄러질 수 있다.
도 1은 하나의 실시예에 따른 인코더가 구비된 홀로노믹-모션 디바이스의 몇몇 구성 요소들에 관한 평면도이다. 상기 디바이스는 NDI 센서 유닛(미도시)과 연결될 수 있다.
도 2a 및 도 2b 각각은 도 1에 그래픽적으로 도시된 타입의 인코더가 구비된 홀로노믹-모션 디바이스에 연결된 NDI 센서 유닛을 포함하는 핸드-헬드 스캐닝 디바이스를 나타내는 평면도와 정면도이다.
도 3 및 도 4는 선택적인 실시예에 따라 3 옴니 휠들을 갖는 각각의 핸드-헬드 스캐닝 디바이스들을 나타내는 평면도이다.
도 5a 및 도 5b는 다른 실시예에 따른, 인코더가 구비된 홀로노믹-모션 디바이스에 연결된 NDI 센서 유닛을 포함하는, 핸드-헬드 추적 장치의 평면도 및 정면도이다. 본 선택적인 실시예에서, 홀로노믹-모션 디바이스는 보기식 구성(bogie configuration)으로 정렬된 4 옴니 휠을 가지고 있다.
도 6은 프레임에 대해 옴니 휠의 수직 변위만을 허락하는 스프링이 로드된 선형 모션 가이드에 의해, 프레임에 마운트된 옴니 휠을 나타내는 블록도이다.
도 7은 하나의 실시예에 따라, 실시간의 홀로노믹-모션 NDI 센서를 추적하기 위한 시스템의 주요 구성 요소들을 나타내는 블록도이다.
도 8은 하나의 실시예에 따라 홀로노믹-모션 NDI 센서 유닛을 실시간으로 추적하기 위한 프로세스를 나타내는 흐름도이다.
도 9는 작은 스캐닝 센서 배열(sensor array)을 이용하여, 넓은 검사 영역에 대한 정확하고 인접한 표현(representation)을 생성하기 위해 서로 간에 약간의 오프셋된, 다중 패스(multiple passes)로부터의 스캔 데이터의 스트립의 결합(merger of strips)을 보여주는 블록도이다.
서로 다른 도면에서의 유사한 구성 요소들이 동일한 부호(reference numerals)를 갖는 도면에 대한 참조가 이루어질 것이다.
하기 자세하게 개시된 시스템은, 핸드-헬드 또는 자동화 홀로노믹 추적 장치의 프레임의 둘레에 마운트된 옴니 휠의 여러 방향 중의 하나를 이용하여, 진정한 홀로노믹 표면 추적(즉, 동시 다차원 포지션 및 지향 추적)을 가능하게 하는 다차원 미분 주행거리 측정 기반(multi-dimensional differential odometry-based) 솔루션이다.
옴니 휠들은 원주 둘레에 작은 롤러들을 갖는 휠들인데, 상기 롤러들은, 구르는 동안 메인 휠이 회전하는 축(axis)(또한 메인 휠 액슬(axle)로도 알려진)에 대해 수직이고 그리고 메인 휠의 바깥쪽 에지(outer edge)에 대하 접하는(tangential) 축선들(axes) 둘레로 회전한다. (이러한 롤러들은 원통형이 아니다. 대신에, 이들은 휠의 전체 반지름에 해당하는 모양으로 중앙 부분이 더 크다. 롤러들의 곡률 반경은 보다 큰 메인 휠의 중심에 존재한다.) 본 발명에 따른 실시예들에서, 홀로노믹 추적 장치는 NDI 센서 배열(sensor array) 또는 다른 지지 툴(maintenance tool)에 연결되어 있다. 각각의 인코더는 홀로노믹 모션 중에 각 옴니 휠의 회전을 측정한다. 컴퓨터 시스템은, 상대적인 휠 포지션들을 센서 포지션 및 지향으로 변환하는 루틴을 포함하도록 프로그램된다. 본 발명의 추적 방법은, 핸드-헬드 및 자동화 NDI 스캐닝 모두에 적용될 수 있다. 본 발명에 따른 홀로노믹 추적 장치는 NDI 센서 유닛 이외에, 예를 들어 마킹 장비(페인팅), 드릴들, 바코드 스캐너들, 청소 장비, 조명, 비주얼 및 IR 카메라 및 오디오 스피커에 연결되어 사용될 수 있다.
표준 2-휠 미분 주행거리 측정은, 잘 알려진 평면 포지션 추적을 위한 방법이다. 그러나, 이것은 비-홀로노믹이고, 이는 하나 이상의 방향에서의 움직임을 제한하는 모션 구속(motion constraints)의 대상임을 의미한다. 이는 핸드-헬드 타입의 어플리케이션에 사용될 수 있는 자유 형식의 움직임을 한정한다.
반대로, 본 발명에 따른 시스템은, 옴니 휠 기반의 미분 주행거리 측정을 이용하여 표면 위의 디바이스의 홀로노믹 움직임을 추적할 수 있는 능력을 가지고 있다. 하나의 실시예에 따라, 데이터 획득 디바이스(data acquisition device)는 각각의 옴니 휠에 대응하는 복수의 인코더들로부터 인코더 카운트들(encoder counts)를 수신한다. 다음으로 데이터 획득 디바이스는, NDI 소프트웨어에 의한 프로세싱에 적합한, 시뮬레이트된 인코더 펄스들을 이용하여 인코더 입력들을 유도하기 위해, 인코더 카운트들을 처리한다.
몇몇 실시예들에 따라, 데이터 획득 디바이스는 모션 제어 소프트웨어의 지시를 받아 디바이스의 X 및 Y 모션의 변화에 해당하는 쿼드라처 펄스들(quadrature pulses)을 생성한다. 예를 들어, 초음파 검사의 경우, 이러한 시뮬레이트된 인코더 펄스들은, 데이터 획득 디바이스에 의해 초음파 펄서(ultrasonic pulser)/리시버(receiver)로 송신된다. 상기 펄서/리시버는 인코더 펄스들을 NDI 스캔 소프트웨어로 송신한다. NDI 스캐닝 소프트웨어 어플리케이션은 시뮬레이트된 인코더 펄스들을 현재의 X-Y 좌표 포지션으로 변환하고, 이것은 적당한 위치에서 스캔 이미징 데이터의 포지션에 사용된다.
도 1은 4-옴니 휠(four-omni wheel), 수직의(perpendicular), 이중- 미분 구성에 따른, 인코더가 구비된 홀로노믹-모션 핸드-헬드 추적 장치의 몇몇 구성 요소들을 나타낸다. 상기 추적 디바이스는 NDI 센서 유닛(미도시)에 연결될 수 있다. 도 1에 나타낸 상기 디바이스는, 직사각형의 프레임(4)과 프레임(4) 둘레에 각각의 축(6a-6d) 및 축 베어링(미도시)에 의해 마운트된 4 개의 2 열(double-row) 옴니 휠들(4a-4d)을 포함한다. 이러한 특정 구현에 있어서, 축(6a)과 축(6c)은 동축이다; 축(6b)과 축(6d)은 동축이다; 그리고 축들(6a, 6c)은 축들(6b, 6d)에 수직이다. 각각의 인코더들(8a-8d)은 옴니 휠(4a-4d)의 회전을 측정한다. 옴니 휠들이 표면에서 회전하는 경우, 각 옴니 휠의 회전이 각각 증가 후에, 인코더들(8a-8d)은 각 인코더 카운트들을 나타내는 인코더 펄스들을 오퍼레이션 제어 센터에 인코더 케이블(도 1에 미도시, 그러나 도 6에서 36 항목 참조)을 통해 송신한다. 이러한 인코더 펄스들은, 디바이스의 X 및 Y 좌표를 유도하는 컴퓨터 시스템(도 1에는 미도시)에 의해 수신될 것이다. 이러한 실시예는 (몇몇 조건에서 회전 평활도(rolling smoothness)를 개선할 수 있는) 2 열 옴니 휠들을 나타내는데, 그러나 1 열 옴니 휠들이 사용될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는, 도 1에 그래픽적으로 도시된 타입의, 인코더가 구비된 홀로노믹-모션 디바이스에 견고하게 연결된 NDI 센서 유닛(10)을 포함하는 핸드-헬드 스캐닝 디바이스의 평면도 및 정면도를 각각 나타낸다. 홀로노믹 모션 디바이스는 NDI 센서 유닛에 의해 이끌린다. NDI 센서 유닛(10)은 여기에 부착된 핸들(12)을 갖는데, 이 핸들을 수단으로 하여 오퍼레이터는 회전의 유무에 무관하게 스캐닝 디바이스를 어떠한 방향으로든 수동으로 움직일 수 있다. 하나 이상의 옴니 휠들/인코더 조립체들은, 지지 프레임과 휠-인코더 어셈블리 사이에 컴플라이언스(compliance)를 제공하는 방법으로 마운트된다(예를 들어, 선형 가이드 및 스프링을 이용하여). 이는, 표면이 완벽하게 평평하지 않을 경우에 휠들이 표면에 접촉하여 머물 수 있도록 한다. 수동 스캐닝 중에, 인코더(8a)는 옴니 휠(4a)의 회전 각에 비례하는 인코더 카운트(e0)를 출력할 것이다; 인코더(8b)는 옴니 휠(4b)의 회전 각에 비례하는 인코더 카운트(e1)를 출력할 것이다; 인코더(8c)는 옴니 휠(4c)의 회전 각에 비례하는 인코더 카운트(e2)를 출력할 것이다; 그리고 인코더(8d)는 옴니 휠(4d)의 회전 각에 비례하는 인코더 카운트(e3)를 출력할 것이다.
도 1에 나타낸 4-휠, 수직 이중 미분(perpendicular double-differential) 구성의 지향 및 포지션을 정의하는 모션의 운동 방정식은, 현재 도 1에 나타낸 차원을 참고하여 설명될 것이다. 이 과정은, 아래와 같이, 각 업데이트 단계에서 절대 각도, θ, 상대 포지션에서의 변화, ΔPx 및 ΔPy을 연산하는 단계, 그리고 다음으로 절대 각도 및 상대 포지션에서의 변화를 이용하여, 디바이스 상의 한 점의 절대 포지션, Px 및 Py(예를 들어, 공통 중심 점)를 연산하는 단계에 관한 것이다.
Figure 112015085402504-pct00001
여기서, R은 옴니 휠의 반지름이고, e1은 시작 위치에 관한 각 인코더의 카운트(i=0 내지 3)이고, c는 회전당 인코더 카운트 수이고, W는 폭(즉, 한 셋의 옴니-휠들 간의 거리)이고, L은 길이(다른 셋의 옴니-휠들 간의 거리)이다.
Figure 112015085402504-pct00002
Figure 112015085402504-pct00003
여기서,
Figure 112015085402504-pct00004
이다. 수학식 2 및 수학식 3은 매 업데이트 사이클마다 연산된다. 그리고 θ, ΔPx 및 ΔPy을 이용하고, 다음의 회전 행렬(rotation matrix) 공식을 이용하여 절대 포지션(absolute position)이 연산될 수 있다.
Figure 112015085402504-pct00005
도 3 및 도 4는, 추가적인 실시예에 따라 3 개의 2-열 옴니휠들(4a-4c)을 갖는 각각의 핸드-헬드 스캐닝 디바이스의 평면도를 나타낸다. 도 3에 도시된 디바이스는 6-면의 프레임(14)을 포함하고, 반면에 도 4에 나타낸 상기 디바이스는 다중-면의 프레임(16)을 포함한다. 양 실시예들에서, 3 개의 2-열 옴니 휠들(4a-4c)은 각 차축들(axles)(6a-6c) 및 차축 베어링들(미도시)에 의해 프레임의 둘레에 마운트될 수 있다. 각 구현에서, 차축들(6a-6c)의 축선들(axes)은 서로 간에 120도로 배치된다. 각 인코더들(8a-8c)은, 각 옴니 휠들(4a-4c)의 증가하는 회전을 인코드한다. 양 실시예들에서, 프레임은, 회전에 무관하게 어느 방향으로든 스캐닝 디바이스를 수동으로 움직일 수 있는 오퍼레이터가 잡을 수 있는, 핸들(12)을 갖는 NDI 센서 유닛(10)에 연결된다. 4 휠 디자인과 함께, 필요하다면 1-열 옴니 휠들도 2-열 휠들을 대신하여 사용될 수 있다. 옴니 휠/인코더 하위 부품과 프레임 사이의 컴플라이언스를 가능하게 하는 메카니즘이 포함될 수 있으나, 시스템이 뚜렷한 윤곽의 표면에서 사용되지 않는다면, 이는 3-휠 구성에서 그리 필요한 존재는 아니다.
4-옴니 휠, 수직의, 이중 미분 구성을 갖는 디바이스 적용된 것과 유사한 방법으로, 도 3 및 도 4에 나타낸 원주-접선(circular-tangent) 구성으로 정렬된, 3 개의 동일 스페이스의 옴니 휠들을 갖는 플렛폼에 관한 운동 방정식이 유도될 수 있다:
Figure 112015085402504-pct00006
여기서, 변수 d는 각 휠에서 공통 중심 점 간의 거리이다(도 3 참조).
Figure 112015085402504-pct00007
Figure 112015085402504-pct00008
3-휠 시스템에 관한 절대 각도는 수학식 4를 이용하여 연산된다.
예를 들어 다른 많은 유사 구성과 함께 도 5a 및 도 5b에 나타낸 보기식 구성(bogie configuration)과 같이 다른 휠 구성이 가능하다. 지향(orientation) 및 상대적인 병진 운동(relative translation)의 수학식들은 상이할 수 있으나, 절대 포지션 연산은, 상대 포지션들과 절대 각도의 초기 연산, 및 수학식 4를 이용하여 절대 포지션을 연산하는 것과 관련된 상기 나타낸 2 개의 구성과 동일한 과정을 따른다.
2-열 옴니 휠들을 사용하는 도 2a, 도 3 및 도 4에 도시된 실시예와는 다르게, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 실시예는 1-열 옴니 휠들(22a-22d)을 사용한다. 2-열 휠들은 상대적으로 평평한 표면에 대한 부드러운 롤링이 장점이다. 그러나 추가된 폭(width)은, 타이트한 공간 또는 급커브의 표면(highly curved surfaces)과 같은 상황에서는 단점일 수 있다.
도 5a 및 도 5b에 나타낸 실시예는, 그 양단에 한 쌍의 차축 만운팅 브래킷(axle mounting brackets, 20a, 20b)을 갖는 직사각형의 프레임(2)을 포함한다. 이러한 각각의 마운팅 브래킷들(20a, 20b)은, 각 보기(bogie)의 피봇 차축들(24a, 24b)을 NDI 센서 유닛(10)이 붙어 있는 프레임(2)에 붙인다. 각각의 캐리지들(carriages)(18a, 18b)은 피봇 차축들(24a, 24b)의 일단에 고정되는데, 이는 (캐리지로도 알려진) 부기들(18a, 18b)이 프레임(2)에 대해 회전하는 것을 허용한다. 한 쌍의 옴니 휠들은 하나의 캐리지에 마운트된다; 다른 쌍의 옴니 휠들은 다른 캐리지에 마운트된다. 옴니 휠(22a)은 회전 인코더(8a)의 샤프트에 붙어 있고, 회전 인코더(8a)는 캐리지(18a)의 한 쪽 암에 마운트되어 있다. 반면에, 옴니 휠(22b)은 회전 인코더(8b)의 샤프트에 붙어있고, 회전 인코더(8b)는 캐리지(18a)의 다른 쪽 암에 마운트되어 있다. 옴니 휠들(22a, 22b)이 평평하지 않은 표면을 구르는 경우, 캐리지(18a)는 필요시 자유롭게 회전하여 옴니 휠들(22a, 22b)이 평평하지 않은 표면과 접촉하는 것을 유지시킨다. 동일한 것이 회전 가능한 캐리지(18b)에도 적용되고, 이의 하나의 암은 회전 인코더(8c) 및 옴니 휠(22c)을 지지하고, 반면 다른 암은 회전 인코더(8d) 및 옴니 휠(22d)을 지지한다. 바람직하게는 옴니 휠들(22a, 22b)의 회전 축들은 서로 수직이다, 반면에 옴니 휠들(22c, 22d)의 회전 축들은 옴니 휠들(22a, 22b)의 회전 축들과 각각 평행하다.
인코더 출력들을 데이터 획득 디바이스에 송신하고, 센서 출력들을 NDI 프로세서에 송신하기 위한 전기적인 연결들은 도 1, 도 2a, 도 2b, 도 3, 도 4, 도 5a 및 도 5b 어디에도 나타내지 않았다. 선택적으로, 인코더 데이터는 무선으로 송신될 수 있다.
선택적인 실시예에 따라, 각 옴니 휠은, 프레임에 대해 수직으로 미끄러질 수 있는 브래킷에, 회전할 수 있도록(pivotably) 마운트될 수 있다. 도 6은 슬라이더(30)와 레일(32)을 포함하는, 스프링이 로드된 왕복-볼-베어링 선형 모션 가이드(recirculating-ball-bearing linear motion guide)라는 수단에 의해 프레임(28)에 대해 수직으로 미끄러질 수 있는 마운팅 브래킷(26)에 회전축이 마운트된 옴니 휠(22b)을 나타낸다. 이러한 구현에서, 마운팅 브래킷(26)은 슬라이더(30)에 부착되어 있고, 반면 레일(32) 위를 미끄러지는 슬라이더(30)에서 레일(32)은 프레임(28)에 부착되어 있다. 이는 인코더/옴니 휠 조립체(8b/22b)가 프레임(28)에 대해 수직으로 변위하는 것을 허용한다. 스프링(34)은 마운팅 브래킷(26)과 프레임(28) 사이에 부착되어 있으므로 해서 옴니 휠(22b)을 아래 방향으로 재촉하여, 평평하지 않을 수 있는, 스캔되는 대상의 위 표면과 접촉하도록 한다. 인코더(8b)는 인코더 카운트들을 데이터 획득 디바이스(도 6에 미도시)에 전기 케이블(36)을 통해 출력한다.
도 7은 복수의 옴니 휠들(4)에 연결된 프레임(2)을 포함하는 홀로노믹-모션 디바이스의 실시간 추적을 위한 시스템의 주요 구성 요소들이다. 도 7에 도시된 실시예에 따라, 프레임(2)은 NDI 센서 유닛(10)에 연결된다. 상기 설명한 바와 같이, 각 옴니 휠(4)의 회전은 각각의 인코더(8)에 의해 측정된다. 인코더 데이터(즉, 카운트들)는 인코더(8)에서부터 데이터 획득 디바이스(38)로 전기 신호 케이블(도 7에 미도시)을 통해 출력된다. 데이터 획득 디바이스(38)는 전기적으로 모션 프로세서(40)에 연결되어 있다. 모션 프로세서(40)는 인코더 데이터를 데이터 획득 디바이스(38)로부터 받아, 상기 제시된 운동 방정식들을 이용하고, 그로 인해 NDI 센서 유닛(10)의 절대 포지션을 유도하여, 절대 포지션 데이터 X와 Y(이는 스캔되는 부분의 좌표 시스템에서 정의된다)를 연산한다. 그런 후에 모션 프로세서(40)는, 절대 포지션 데이터 X와 Y만을 (두 개의 위상-변이된(phase-shifted) 일련의 하이(1) 또는 로우(0) 값을 포함하는) 쿼드라처 펄스 폼(quadrature pulse form)으로 변환한다. 선택적으로 모션 프로세서(40)는 디스플레이 스크린(42)으로 포지션과 지향 정보를 나타낼 수 있다. 선택적인 실시예들에서, 모션 프로세서는 데이터 획득 디바이스와 함께 집적될 수 있다.
데이터 획득 디바이스(38)는 모션 프로세서(40) 기원의 쿼드라처 펄스 명령을, 인코더 펄스들을 시뮬레이트하는 전기 신호로 변환할 수 있다. 시뮬레이트된 인코더 펄스들은 신호 와이어를 통해 NDI 프로세서(44)로 송신될 수 있다. 시뮬레이트된 인코더 펄스들은 NDI 프로세서(44)에 의해 수신되는데, NDI 프로세서(44)는 시뮬레이트된 인코더 펄스들을, 스캔되는 부분의 좌표 시스템에 따른, NDI 센서 유닛의 포지션을 표현하는 포지션 데이터로 디코드한다. NDI 프로세서(44)는 또한 NDI 센서(10)로부터 NDI 스캔 이미징 데이터(scan imaging data)를 수신한다. 이 NDI 스캔 이미징 데이터는, 시뮬레이트된 인코더 펄스들로서 수신되는 X-Y 포지션 데이터를 사용하여 공통 좌표 시스템으로 정렬된다. NDI 프로세서(44)는 또한 스캔 이미지를 디스플레이 스크린(46)에 디스플레이 및/또는 데이터 스토리지 디바이스(48)에 정렬된 NDI 스캔 이미징 데이터 결과를 저장할 수 있다.
도 8은 하나의 실시예에 따라 실시간의 홀로노믹-모션 NDI 센서 유닛 추적을 위한 과정의 단계를 나타내는 흐름도이다. 이 과정은 핸드-헬드 디바이스 또는 모터 구동의 크롤러 비클(motorized crawler vehicle)과 같은 자동화 디바이스에 의해 생성되는 자유 형식의 모션에 응용될 수 있다. 단계들의 시퀀스는 연속된 루프에 관한 것이다. 첫째로, NDI 센서 유닛은 오퍼레이터 또는 자동화된 프로세스에 의해 이동된다(단계 50). NDI 센서 유닛이 움직이면, 데이터 획득 디바이스(data acquisition device)에 의해 인코더 데이터가 수신된다(단계 52). 다음으로 모션 프로세서는 상기 인코더 데이터를 이용하여 NDI 센서 유닛의 포지션 및 지향을 연산한다(단계 54). NDI 센서 유닛의 포지션 및 지향은 디스플레이 스크린을 통해 디스플레이될 수 있다(단계 56). 다음으로 모션 프로세서는 단계 54에서 연산된 절대 포지션 데이터(absolute position data)에 부합하는 X 및 Y 포지션 인코더 펄스들(position encoder pulses)을 연산한다(단계 58). 데이터 획득 디바이스는 다음으로 상기 X-Y 포지션 데이터를, NDI 프로세서가 수신가능한 시뮬레이트된 인코더 펄스들로 변환한다(단계 60). 그러는 동안에, NDI 프로세서는, NDI 센서 유닛(이것이 이동하는 동안)으로부터 스캔 이미지 데이터를 수집한다(단계 64). NDI 프로세서는, 시뮬레이트된 인코더 펄스들을 데이터 획득 디바이스 및 스캔 이미징 데이터 시스템으로부터 수신하고(단계 62), 시뮬레이트된 인코더 펄스들에 의해 운반된 X-Y 포지션 정보를 이용하여 스캔 이미징 데이터를 조정하는(단계 64) NDI 어플리케이션을 구동시킨다. 선택적인 디스플레이 스크린이 센서 플랫폼 또는 오퍼레이터가 접근 가능한 다른 위치에 부착되어서, NDI 스캔 이미지를 디스플레이함으로써 시스템 가동 중에 포지션(position) 및 지향 피드백(orientation feedback)을 제공한다(단계 68).
도 8을 참조하여 일반적으로 설명된 프로세서는, 이제 도 7을 참조하여 더욱 상세하게 설명될 것이다. 하나의 실시예에서, 데이터 획득 디바이스(38)는 인코더 데이터를 모션 프로세서(40)로 API 함수 호출들(API function calls)을 통해 송신한다. 하나의 실시예에 따르면, 데이터 획득 디바이스는, US 디지털, 밴쿠버, 워싱턴으로부터 상업적으로 구할 수 있는 USB4 인코더 데이터 획득 USB 디바이스일 수 있다. 본 실시예에서, 데이터 획득 디바이스(38)는 USB 인터페이스를 통해(USB 케이블을 통해) 데이터를 송신한다, 그러나 다른 데이터 획득 디바이스들이 다른 통신 인터페이스들(예를 들어, 컴퓨터 내의 PCI 슬롯, 직렬 통신 인터페이스, 익스프레스 카드, PCMCIA, 또는 이더넷 인터페이스)을 사용할 수 있다. 데이터 획득 디바이스(38)가, 모션 프로세서에서 구동되는 어플리케이션에 송신하는 신호는, 변환된 형태의 인코더 데이터이다. 전형적으로, 이는 통신 인터페이스를 통해 모션 프로세서(40)로 송신되고, 그리고 API에 의해 정수 또는 부동소수점 수로 변환되는, 데이터 패킷으로의 변환을 의미한다.
모션 프로세서(40)에서 구동되는 어플리케이션은 데이터 획득 디바이스(38)로부터 데이터를 요구하고, 소수 또는 부동소수점 수들을 돌려 받는다(예를 들어, 인코더에 대해, 어플리케이션은 특정 인코더에 대한 카운트들의 현재 수를 요구하고, 그리고 상기 인코더와 관련된 데이터 획득 디바이스(38) 내의 메모리 레지스터에 있는 카운트들의 수를 나타내는 정수를 돌려 받는다).
모션 프로세서(40)는 또한 데이터 획득 디바이스(38)가 볼티지 형태로 전기적인 신호들을 생성하는 것을 요구할 수 있다. 다음으로 이러한 전기적인 신호들은 데이터 획득 디바이스(38)에 의해 NDI 프로세서(44)로 송신된다. NDI 프로세서가 인코더로부터 펄스들을 기대할 수 있는 타입이기 때문에, 모션 프로세서(40)에서 구동되는 어플리케이션은 필요한 펄스들의 개수 및 주파수를 연산하도록 프로그램되고, 그리고 나서 데이터 획득 디바이스(38)는 하이 또는 로우 전기적인 볼티지 면에서의 시뮬레이트된 인코더 펄스들을 외부로 송신 한다.
NDI 프로세서(44)는, 다음 수식에 따라 시뮬레이트된 인코더 펄스들을 현재 X, Y 포지션으로 변환한다:
X_pos = num_of_x_pulses_received * x_scale_factor
Y_pos = num_of_y_pulses_received * y_scale_factor
여기서, 각 스캐일 인자는 작은 숫자이다(예를 들어, 펄스 당 대략 0.01 인치). 이러한 X, Y 포지션은 초당 여러 번 업데이트 된다.
동시에 NDI 센서 유닛(10)은 검사 데이터(예를 들어, 스캔 이미징 데이터)를 챕처한다. 초음파 감지가 실행되는 경우, 초음파 요소들의 선형 배열의 각 요소로부터 데이터가 획득될 수 있다. 이러한 요소들은, 컴퓨터 모니터(여기서 각 열은 처음 픽셀의 시작 X, Y 포지션을 정의함으로써 다음과 옵셋을 이룬다. 그리고 모든 열들이 적당한 순서로 디스플레이되면, 전체 이미지가 디스플레이 될 수 있다) 위의 픽셀과 열과 유사한 배열을 구성한다. 초음파 요소들의 선형 배열이 미리 정의된 거리(얼마만큼 먼가는 오퍼레이터가 요구하는 해상도에 달려 있다)를 움직일 때마다, NDI 프로세서(44)는, (도 7에서 NDI 센서(10)에서 NDI 프로세서(44)까지 화살표 있는 라인으로 표현된) 전기 케이블을 통해 (픽셀 데이터의 "열"을 나타내는) NDI 센서 유닛(10)으로부터 데이터의 새로운 스캔 스트립을 수신한다. 스캔 스트립 데이터는 메모리(예를 들어, 데이터 스토리지 디바이스(48))에 저장된다. NDI 프로세서는, 데이터 획득 디바이스(38)로부터 수신된 펄스 데이터로부터 유도된 현재의 X_pos 및 Y_pos 데이터를 사용하는 프로그램을 실행시켜, 픽셀들의 열(row)을 배치하기 위한 이미지에서의 시작점을 알아낸다. NDI 프로세서(44)는 포지션 데이터와 스캔 이미징 데이터를 관련시키고, 다음으로 상기 관련된 데이터를 사용하여, 디스플레이 스크린(46)에 디스플레이하기 위해 스캔되는 대상의 2차원 이미지를 조합한다.
X 및 Y 차원이 추적되는 경우, 스캔 중 오퍼레이터가 만든 모션의 더욱 정확한 표현이 획득될 수 있다. 도 9에 도시한 바와 같이, 이는 또한 작은 스캐닝 센서 배열을 이용하여 대규모 검사 영역에 대한 정확하고 근접한 표현을 생성하기 위해, 스캐닝 어플리케이션으로 하여금, 다중 패스들로부터의 스캔 데이터의 스트립(72)을 병합하여 서로가 조금씩 오프셋 되도록 하는 것을 허용한다.
NDI 센서 유닛(10)가 초음파 탐촉자들의 배열을 포함하는 경우, NDI 센서(44)는 엑티베이션 펄스들(activation pulses)을 초음파 탐촉자들에 제공하는데, 이 경우 도 7의 블록 10과 블록 44 사이의 화살표는 두 개의 헤드가 되어 한쪽으로는 펄스들의 흐름을 다른 한쪽으로는 획득된 스캔 이미징 데이터를 나타낸다. NDI 프로세서(44)는 전기적 펄스들을 탐촉자들로 송신하고, 탐촉자들은 이들을 초음파 펄스들로 변환한다. 귀환하는 초음파 펄스들은, 다시 측정 목적의 NDI 프로세서(44)로 송신되는 전기적인 펄스들로 배열에서 변화된다.
상기 기술된 시뮬레이트된 인코더 펄스 방법은, X-Y 모션 데이터가, NDI 스캔 어플리케이션에 대한 변경 없이 인코더 입력들을 받아들이는 그 어떤 NDI 스캐닝 어플리케이션에도 입력되는 것을 허용한다. 사용자 또는 자동화 시스템이 NDI 센서 유닛을 스캔되는 대상 위로 움직이는 경우, 포지션 업데이트 과정은 계속해서 발생한다.
다음을 주목하자. 도 1에 도시된 쿼드(4)-휠, 이중- 미분 구성에서, 시스템이 방향에 있어서 발생에서 변하는 것을 방지하는 물리적인 제한을 가지고 있다면, 데이터 획득 디바이스 없이, 두 개의 인접한 인코더들을 이용하여 대략적인 X 및 Y 모션을 얻는 것이 가능하다. 만약 비클 방향이 변한다면, 이 방법은, 방향이 변함에 따라 생겨난 에러의 결과를 낳을 것이다.
(주행거리 측정에 기반하는 솔루션(odometry-based solutions)과 같은) 임의의 추측에 의한 솔루션(dead-reckoning solutions)은 시간에 따라 생성되는 작은 에러들 때문에 측정 오류(measurment inaccuracies)를 갖게 될 것이다. 이들은 시스템적인 에러들(예를 들어, 하나의 옴니 휠이 완벽하게 정렬되지 않아서)에 의하거나, 또는 예상 밖의 환경에서의 변화들로 인한 중단이 원인이 될 수 있다. 루프-결합(loop-closure) 캘리브레이션(calibration) 과정이 시스템적인 에러를 줄이기 위해 이 시스템에 사용될 수 있다. 이것은 또한 오퍼레이터가 에러를 추측할 수 있게 작동 중에 사용될 수 있다. 예를 들어, 추적 디바이스는 출발 지점에 놓여지고 그리고 멀리 움직이고 그리고 다시 출발 지점으로 돌아온다. 만약 시스템이, 최종 지점이 출발 위치와 다르다는 것을 연산한다면, 이러한 차이는 추적 데이터에서의 에러를 보상하는데 사용될 수 있다. 절대 포지션 추적을 향상시키기 위해 외부 레퍼런스 측정(external reference measurements)을 이용하는 추가적인 교정이 사용될 수 있다.
NDI 센서 유닛은, 구조의 지점 또는 영역으로부터 검사 데이터를 수집하는 그 어떤 센서일 수 있다. 이것은 구조와 접촉(touching)하거나 거의 접촉 할 수 있다(초음파, 와류, 마그네틱, 마이크로웨이브, 엑스레이 후방산란, 등). 이것은 단일 탐촉자 또는 배열일 수 있다(선형 또는 다차원(linear or multiple dimension)).
상기 개시된 홀로노믹 추적 디바이스는, 예를 들어 마킹 장비(페인팅), 드릴, 바코드 스캐너, 청소 장비, 조명, 비주얼 및 IR 카메라 그리고 오디오 스피커와 같은, NDI 센서 유닛들 이외의 장치들의 홀로노믹 모션을 추적하는데 사용될 수 있다.
상기 상세히 설명된 홀로노믹 모션 추적 방법론은, 자동화된 홀로노믹 또는 비홀로노믹 모션 크롤러 비클에 관한 동일한 어플리케이션을 갖는다. 하나의 보편적인 타입의 홀로노믹 비클 구성은, 비클을 구동하기 위해 메카넘(mecanum) 휠이라고 불리는 타입의 휠을 사용한다. 메카넘 휠은, 쌍으로 사용되는 경우, 임의의 방향으로의 비클의 모션(즉, 홀로노믹 모션)을 허용하는, 복수의 개인 롤러(multiple individual rollers)를 갖는 타입의 휠이다. 알려진 하나의 실시예에서, 크롤러 비클(crawler vehicle)은, 메카넘 휠의 전륜 쌍 및 후륜 쌍으로 되어 있는 4 개의 메카넘 휠들을 갖는 프레임을 포함하고, 메카넘 휠의 각 쌍의 각 축선들(axes)은 서로 평행하다. 다른 실시예들에서, 프레임에 대한 휠 방향은, 평평하지 않은 표면을 어드레스하기 위한 챔버를 갖도록 구성될 수 있다(이 경우 반대 휠들(opposing wheels)의 차축은 평행하지 않을 것이다). 본 기술에 따라, 크롤러 비클의 프레임은 비클의 모션을 추적하기 위한 한 벌의 4 개 휠들과 그리고 컴퓨터로 제어되는 비클을 구동하기 위한 한 벌의 4 개 메카넘 휠들을 보유할 수 있다.
메카넘 휠이 달린 비클은 동시에 회전하면서 임의의 방향으로 움직일 수 있다. 이는 휠들의 모양 때문에 가능한 것이다. 메카넘 휠이 달린 비클에 관한 표준 구성은 4 개의 메카넘 휠들(A 타입과 B타입의 2가지 구성)을 갖는다. 메카넘 휠들은, 비클의 중심을 통하도록 하는 대각선 방향에 한 쪽 방향으로는 A 쌍이 정렬되고, 다른 쪽 방향으로 B 쌍이 정렬된다. A 타입의 메카넘 휠들에서의 롤러들의 차축들은, B 타입의 메카넘 휠들에서의 롤러들의 차축에 대해 우측 각도 상에 있다.
이러한 메카넘 휠이 달린 비클은, 임의의 방향으로 이동이 가능하고 그리고 각 휠의 속도 및 회전 방향을 변화시킴으로써 방향 전환이 가능하다. 예를 들어, 전체 네 개 휠을 동일한 방향 및 동일한 비율로 회전하면 전진 또는 후진이 가능하다; 한쪽 사이드의 휠을 동일 비율로 회전시키고, 다른 쪽 사이드의 휠을 반대 방향으로 회전시키면 비클이 회전하게 되고; 그리고 A 타입의 휠들을 동일한 비율로 회전 시키고, B 타입의 휠들을 반대 방향으로 회전시키면 비클이 옆길(sideways)로 움직이게 된다.
메카넘 휠이 달린 비클이 스캔될 표면 위로 구동되어 움직이는 동안, 옴니 휠들에 연결된 회전 인코더들(rotational encoders)은, 상기 기술된 방법에 따라 비클 모션을 추적하는데 사용될 인코더 데이터를 제공한다.
다른 타입의 비클들의 포지션 및 지향도 또한 홀로노믹 옴니-휠 기반의 시스템을 사용하여 추적될 수 있다. 이들은 스키드 스티어 비클(skid steer vehicles)(탱크) 및 애커먼 스티어링 비클(ackermann steering vehicles)(자동차)과 같은 비홀로노믹 디바이스들을 포함한다. 바이페드들(bipeds), 쿼드루페드들(quadrupeds), 헥사팟들(hexapods), 등의 다리가 달린 시스템 또한 이러 타입의 시스템에 의해 추적될 수 있다 - 적어도 큰 장애물이 없는 표면 위에서.
상기 본 발명에 따른 시스템은 홀로노믹 옴니-휠 추적과 NDI을 접목한다. 이러한 시스템들은 자립적이고(즉, 추가적인 하드웨어를 구축할 필요가 없다) 그리고 실시간 작동된다. 상기 시스템은, 루프-결합(loop-closure) 테크닉을 사용하여 자체-캘리브레트(self-calibrated) 될 수 있다.
옴니 휠들에 연결된 회전 인코더들은, 다른 분석 시스템들 및 오퍼레이터에 제공될 수 있는, 홀로노믹 모션 디바이스(holonomic motion device)의 포지션, 지향, 및 속도를 유도하는데 사용될 수 있는, 각도 측정 데이터(angular measurement data)를 제공한다.
상술된 상기 방법론의 장점은 여러 가지이다.
포지션과 지향의 동시 추적은, 스캔 유닛이 위치하는 곳의 정확한 표현을 제공하는데, 이는 (1) X 및 Y 데이터를 수신하는 하드웨어의 입력, (2) 스캔되는 표면에서 한 지점을 놓친 경우에 사용자들에게 이를 알려주는 어플리케이션; 및 (3) 사용자들이 적당한 방향을 향하지 않는 경우 이를 알려주는 어플리케이션을 가능하게 한다. 추가적으로, 일반 좌표 시스템에 스캔 데이터 등록은, (1) 스캔 스트립 정렬; 및 (2) 2차원 또는 3차원 모델 시각화의 디스플레이의 사용을 제공한다.
X 및 Y 디멘존이 추적되는 경우, 스캔 중에 오퍼레이터가 만드는 모션의 더욱 정확한 표현이 획득된다. 이는 또한 스캐닝 어플리케이션이, 작은 스캐닝 센서 배열(sensor array)을 이용하여, 넓은 검사 영역에 대한 정확하고 인접한 표현(representation)을 생성하기 위해 서로 간에 약간의 오프셋된, 다중 패스(multiple passes)로부터의 스캔 데이터의 스트립들이 결합하는 것을 허용한다.
다양한 실시예들을 참조하여 홀로노믹 모션 추적 방법론이 기술되었지만, 본 기술이 속하는 분야의 당업자에 있어서, 이 문서의 지침의 범위를 벗어남이 없이 다양한 변화가 만들어 질 수 있고, 등가물들이 해당 요소들을 대체할 수 있음이 이해될 수 있을 것이다. 또한, 이 문서의 지침의 범위를 벗어남이 없이, 지침들이 하나의 특수한 상황에 적합하도록 하는 많은 응용들이 만들어 질 수 있다. 따라서 청구항들이 이 문서에서 공개된 특수한 실시예에 한정되지 않는다는 것을 의도하는 바이다.
청구항들에서 사용되었듯이, "컴퓨터 시스템" 용어는, 적어도 하나의 컴퓨터 또는 프로세서를 포괄하도록 넓게 이해되어야 하고, 이는 네트워크 또는 버스를 통해 통신하는 복수의 컴퓨터들 또는 프로세서들을 포함할 수 있다. 앞서 문장에서 사용되었듯이, "컴퓨터" 및 "프로세서" 용어는 모두, 프로세싱 유닛(예를 들어, 중앙 처리 장치) 및 프로세싱 유닛에 의해 판독되는 프로그램을 저장하기 위한 몇몇 형태의 메모리(즉, 컴퓨터 판독가능 매체)를 포함하는 디바이스들에 관한 것이다.
청구항들에서 사용되었듯이, "지점(location)" 용어는 고정된 2차원 좌표 시스템에서의 포지션과 좌표 시스템에 대한 지향을 포함한다.
지금까지 제시된 방법 청구항들은, 여기서 인용된 단계들이 알파벳 순서(청구항들에서 알파벳 순서는 이전에 인용된 단계들을 참조하기 위한 목적으로만 사용된다) 또는 이들이 인용되는 순서대로 수행되어야 함을 요구하는 것으로 해석되어서는 안된다. 또한, 이들은 둘 이상의 단계가 동시 또는 선택적으로 수행될 수 있는 여지가 배제되도록 해석되서는 안된다.
주의: 다음 문단들은 본 발명의 추가적인 태양을 기술한다:
A1. 스캐닝 디바이스, 디스플레이 디바이스 및 컴퓨터 시스템을 포함하고, 상기 스캐닝 디바이스와 상기 디스플레이는 상기 컴퓨터 시스템과 통신을 위해 연결되고,
상기 스캐닝 디바이스는,
프레임(frame);
상기 프레임에 주위에 연결된 복수의 옴니 휠들;
각 옴니 휠들의 회전을 각각의 인코더 데이터로 변화하기 위해, 복수의 상기 옴니 휠들(omni wheels) 각각에 연결된 회전 인코더들(rotational encoders); 및
상기 프레임에 연결된 검사 유닛을 포함하고,
상기 컴퓨터 시스템은 다음의 단계:
(a) 상기 인코더 데이터에 부분적으로 기초하여, 표면의 좌표 시스템(coordinate system of the surface)에 따라 디바이스의 지향을 나타내는 절대 각도(absolute angle)를 연산하는 단계;
(b) 상기 인코더 데이터에 부분적으로 기초하여, 표면의 좌표 시스템에 따라 디바이스의 X 및 Y 포지션에서의 상대적인 변화(relative changes)를 연산하는 단계;
(c) 연산된 상기 절대 각도 및 연산된 상기 X 및 Y 포지션에서의 변화에 부분적으로 기초하여, 상기 좌표 시스템에 따라 디바이스의 절대 포지션(absolute position)을 연산하는 단계;
(d) 검사 데이터를 얻기 위해 상기 검사 유닛을 제어하는 단계; 및
(e) 각각의 검사 데이터가 획득되는 때에, 상기 디바이스의 각각의 절대 각도 및 절대 포지션에 기초하여 검사 데이터가 정렬되는 이미지를 디스플레이하는 디스플레이 장치를 제어하는 단계를 실행하도록 프로그램되는, 검사 시스템.
A2. 문단 A1에 있어서,
상기 컴퓨터 시스템은,
다음의 단계들:
연산된 절대 각도들 및 절대 포지션들을 시뮬레이트된 인코더 펄스들로 변환하는 단계; 및
검사 데이터를 시뮬레이트된 인코더 펄스들과 연관시키는 단계를 더 포함하고,
상기 디스플레이하는 단계는,
상기 연관시키는 단계의 결과에 따라 검사 데이터를 정렬하는, 검사 시스템.
A3. 문단 A1에 있어서,
상기 컴퓨터 시스템은,
(a) 단계 내지 (c) 단계를 절대 각도들 및 절대 포지션들을 시간의 기간 동안(over a period of time) 제공하기 위해 일정한 시간 간격으로 반복되도록 프로그램되는, 검사 시스템.
A4. 문단 A1에 있어서,
상기 검사 유닛은,
센서 배열을 포함하는, 검사 시스템.
A5. 문단 A4에 있어서,
상기 센서 배열은,
다수의 초음파 탐촉자들을 포함하는, 검사 시스템.
A6. 움직이는 디바이스 및 컴퓨터 시스템을 포함하되,
상기 움직이는 디바이스는,
프레임(frame);
상기 프레임에 주위에 연결된 복수의 옴니 휠들;
각 옴니 휠의 회전을 각각의 인코더 데이터로 변화하기 위해, 복수의 상기 옴니 휠들(omni wheels) 각각에 연결된 회전 인코더들(rotational encoders); 및
상기 프레임에 연결된 검사 유닛을 포함하고,
상기 컴퓨터 시스템은 다음의 단계:
(a) 상기 인코더 데이터에 부분적으로 기초하여, 표면의 좌표 시스템(coordinate system of the surface)에 따라 디바이스의 지향을 나타내는 절대 각도(absolute angle)를 연산하는 단계;
(b) 상기 인코더 데이터에 부분적으로 기초하여, 표면의 좌표 시스템에 따라 디바이스의 X 및 Y 포지션에서의 상대적인 변화(relative changes)를 연산하는 단계; 및
(c) 연산된 상기 절대 각도 및 연산된 상기 X 및 Y 포지션에서의 변화에 부분적으로 기초하여, 상기 좌표 시스템에 따라 디바이스의 절대 포지션(absolute position)을 연산하는 단계를 포함하는, 추적 시스템.
A7. 문단 A6에 있어서,
상기 복수의 옴니 휠들은,
4-옴니 휠(four-omni wheel), 수직(perpendicular)의, 이중-미분(double-differential)의 구성(configuration)으로 정렬되는, 추적 시스템.
A8. 문단 A6에 있어서,
상기 복수의 옴니 휠들은,
각각이 축의 주위로 120도 간격으로 공통 중심 포인트로부터 동일한 거리에 있는 3 옴니 휠들을 포함하는, 추적 시스템.
A9. 문단 A6에 있어서,
상기 복수의 옴니 휠들은,
4-옴니 휠, 보기식 구성(bogie configuration)으로 정렬되는. 추적 시스템.

Claims (22)

  1. 검사 시스템으로서,
    상기 검사 시스템은 스캐닝 디바이스, 디스플레이 디바이스 및 컴퓨터 시스템을 포함하고, 상기 스캐닝 디바이스와 상기 디스플레이 디바이스는 상기 컴퓨터 시스템과 통신하기 위해 결합되고,
    상기 스캐닝 디바이스는,
    프레임;
    상기 프레임에 회전 가능하게 결합되고, 4-옴니 휠(four-omni wheel), 수직(perpendicular), 이중-미분(double-differential) 구성으로 정렬된 복수의 옴니 휠들(omni wheels);
    각 옴니 휠의 회전을 각각의 인코더 데이터로 변환하기 위해, 상기 복수의 옴니 휠들에 각각 결합된 복수의 회전 인코더들(rotational encoders); 및
    상기 프레임에 연결된 검사 유닛;을 포함하고,
    상기 컴퓨터 시스템은, 다음의 오퍼레이션들:
    (a) 상기 인코더 데이터에 부분적으로 기초하여 좌표 시스템에 관한 상기 스캐닝 디바이스의 지향(orientation)을 나타내는 절대 각도(absolute angle)(θ)를 연산하는 것;
    (b) 상기 인코더 데이터에 부분적으로 기초하여 상기 좌표 시스템에 관한 상기 스캐닝 디바이스 상의 포인트의 X 및 Y 포지션에서의 상대적인 변화(relative changes)(ΔPx 및 ΔPy)를 연산하는 것;
    (c) 연산된 상기 절대 각도 및 연산된 상기 X 및 Y 포지션에서의 변화에 부분적으로 기초하여 상기 좌표 시스템에 관한 상기 스캐닝 디바이스 상의 포인트의 절대 포지션(absolute position)을 연산하는 것;
    (d) 검사 데이터를 획득하기 위해 상기 검사 유닛을 제어하는 것; 및
    (e) 각각의 검사 데이터가 획득되는 때에 상기 스캐닝 디바이스 상의 포인트의 각각의 절대 각도 및 절대 포지션에 기초하여 검사 데이터가 정렬되는 이미지를 디스플레이하도록 상기 디스플레이 디바이스를 제어하는 것;을 실행하도록 프로그램되는, 검사 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컴퓨터 시스템은, 다음의 오퍼레이션들:
    연산된 상기 절대 각도들 및 절대 포지션들을 시뮬레이트된 인코더 펄스들로 변환하는 것; 및
    검사 데이터를 상기 시뮬레이트된 인코더 펄스들과 연관시키는(correlating) 것;을 실행하도록 더 프로그램되고,
    상기 디스플레이하는 오퍼레이션은 상기 연관시키는 오퍼레이션의 결과에 따라 상기 검사 데이터를 정렬하는, 검사 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 시뮬레이트된 인코더 펄스들은 검사 스캔 소프트웨어에 의한 처리를 위한 쿼드라처 펄스들(quadrature pulses)인, 검사 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 컴퓨터 시스템은 상기 시뮬레이트된 인코더 펄스들을 X-Y 좌표 포지션으로 변환하도록 더 프로그램되고,
    상기 연관시키는 오퍼레이션은 상기 검사 데이터를 상기 X-Y 좌표 포지션과 연관시키는 것을 더 포함하는, 검사 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 검사 유닛 상의 상기 포인트의 상기 절대 포지션은 다음의 회전 행렬(rotation matrix) 공식을 이용하여 연산되고,
    Figure 112018127656381-pct00020

    여기서 Px_last 및 Py_last는 상기 검사 유닛 상의 상기 포인트의 마지막 절대 포지션을 나타내는, 검사 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 절대 각도(θ)는 다음의 관계식을 이용하여 연산되는, 검사 시스템.
    Figure 112018127656381-pct00021

    여기서, R은 옴니 휠 각각의 반지름이고, ei은 시작 위치에 관한 각 인코더의 카운트(i=0 내지 3)이고, c는 회전당 인코더 카운트 수이고, W는 상기 옴니 휠들의 한 쌍 간의 거리이고, L은 상기 옴니 휠들의 다른 한 쌍 간의 거리이다.
  7. 제6항에 있어서,
    각 업데이트 단계에서 상대적인 포지션에서의 변화(ΔPx 및 ΔPy)는 다음의 함수들을 이용하여 연산되는, 검사 시스템.
    Figure 112018127656381-pct00022

    Figure 112018127656381-pct00023

    여기서,
    Figure 112018127656381-pct00024
    이고, ei_last 는 마지막 인코더 카운트이다.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 검사 유닛은 센서 배열을 포함하는, 검사 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 배열은 다수의 초음파 탐촉자들(ultrasonic transducers)을 포함하는, 검사 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 컴퓨터 시스템은 시간의 기간 동안(over a period of time) 상기 디바이스의 절대 각도들 및 절대 포지션들을 제공하기 위해 일정한 시간 간격으로 (a) 내지 (c) 오퍼레이션들을 반복하도록 프로그램되는, 검사 시스템.
  11. 수직(perpendicular), 이중-미분(double-differential) 구성으로 정렬된 네 개의 옴니 휠들(omni wheel)에 결합된 검사 유닛을 추적하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    (a) 상기 옴니 휠들이 검사될 부분의 표면과 접촉하는 동안 상기 검사 유닛을 이동시키는 단계;
    (b) 상기 검사 유닛이 이동하는 동안 각 옴니 휠의 회전을 각각의 인코더 데이터로 변환하는 단계;
    (c) 상기 검사 유닛을 사용하여 검사 데이터를 획득하는 단계;
    (d) 상기 인코더 데이터에 부분적으로 기초하여, 상기 표면의 좌표 시스템에 관한 상기 검사 유닛의 지향을 나타내는 절대 각도(absolute angle)(θ)를 연산하는 단계;
    (e) 상기 인코더 데이터에 부분적으로 기초하여, 상기 표면의 좌표 시스템에 관한 상기 검사 유닛 상의 포인트의 X 및 Y 포지션에서의 상대적인 변화(relative changes)(ΔPx 및 ΔPy)를 연산하는 단계;
    (f) 연산된 상기 절대 각도 및 연산된 상기 X 및 Y 포지션에서의 변화에 부분적으로 기초하여, 상기 표면의 좌표 시스템에 관한 상기 검사 유닛 상의 상기 포인트의 절대 포지션(absolute position)을 연산하는 단계; 및
    (g) 각 검사 데이터가 획득되었을 때, 상기 검사 유닛 상의 상기 포인트의 각각의 절대 각도 및 절대 포지션에 기초하여 상기 검사 데이터가 정렬된 이미지를 디스플레이하는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 방법은,
    연산된 절대 각도들 및 절대 포지션들을 시뮬레이트된 인코더 펄스들로 변환하는 단계; 및
    검사 데이터를 시뮬레이트된 인코더 펄스들과 연관시키는(correlating) 단계를 더 포함하고,
    상기 디스플레이하는 단계는, 상기 연관시키는 단계의 결과에 따라 검사 데이터를 정렬하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 시뮬레이트된 인코더 펄스들은 검사 스캔 소프트웨어에 의한 처리를 위한 쿼드라처 펄스들(quadrature pulses)인, 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 방법은,
    상기 시뮬레이트된 인코더 펄스들을 X-Y 좌표 포지션으로 변환하는 단계를 더 포함하고,
    상기 연관시키는 단계는, 상기 검사 데이터를 상기 X-Y 좌표 포지션과 연관시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 검사 유닛 상의 상기 포인트의 상기 절대 포지션은 다음의 회전 행렬(rotation matrix) 공식을 이용하여 연산되는, 방법.
    Figure 112018127656381-pct00025

    여기서, Px_last 및 Py_last는 상기 검사 유닛 상의 상기 포인트의 마지막 절대 포지션을 나타낸다.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 절대 각도(θ)는 다음의 관계식을 이용하여 연산되는, 방법.
    Figure 112018127656381-pct00026

    여기서, R은 옴니 휠 각각의 반지름이고, ei은 시작 위치에 관한 각 인코더의 카운트(i=0 내지 3)이고, c는 회전당 인코더 카운트 수이고, W는 상기 옴니 휠들의 한 쌍 간의 거리이고, L은 상기 옴니 휠들의 다른 한 쌍 간의 거리이다.
  17. 제16항에 있어서,
    각 업데이트 단계에서 상대적인 포지션에서의 변화(ΔPx 및 ΔPy)는 다음의 함수들을 이용하여 연산되는, 방법.
    Figure 112018127656381-pct00027

    Figure 112018127656381-pct00028

    여기서,
    Figure 112018127656381-pct00029
    이고, ei_last 는 마지막 인코더 카운트이다.
  18. 제11항에 있어서,
    (a), (b), 및 (d) 내지 (f) 단계들은, 시간의 기간 동안(over a period of time) 디바이스의 절대 각도들 및 절대 포지션들을 제공하도록 일정한 시간 간격으로 반복되는, 방법.
  19. 제11항에 있어서,
    연산된 상기 절대 각도 및 절대 포지션을 이용하여 가상 공간에서의 상기 검사 유닛의 3차원 모델을 포지셔닝하고 지향시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  20. 장치로서,
    프레임;
    4-옴니 휠(four-omni wheel), 수직(perpendicular), 이중-미분(double-differential) 구성으로 정렬되고 상기 프레임에 회전 가능하게 결합된 복수의 옴니 휠들(omni wheels);
    상기 옴니 휠들의 회전의 각도들을 나타내는 인코더 카운트들을 생성하기 위해 복수의 상기 옴니 휠들에 각각 결합된 회전 인코더들(rotational encoders);
    상기 프레임에 연결된 검사 유닛; 및
    상기 회전 인코더들로부터 인코더 카운트들을 수신하도록 연결된 데이터 획득 디바이스를 포함하고,
    검사 스캔 소프트웨어에 의한 사용을 위한 상기 데이터 획득 디바이스는 상기 인코더 카운트들을 시뮬레이트된 인코더 펄스들로 변환하도록 구성되는, 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 검사 유닛은 센서 배열을 포함하는, 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 센서 배열은 다수의 초음파 탐촉자들을 포함하는, 장치.
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