知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
特許7353021位置アライメントフィードバックを用いた、ロボットのエンドエフェクタの位置制御方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-09-21
(45)【発行日】2023-09-29
(54)【発明の名称】位置アライメントフィードバックを用いた、ロボットのエンドエフェクタの位置制御方法
(51)【国際特許分類】
B25J 13/08 20060101AFI20230922BHJP
B25J 9/10 20060101ALI20230922BHJP
【ＦＩ】
B25J13/08 Z
B25J9/10 A
【請求項の数】
9
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2018110992
(22)【出願日】2018-06-11
(65)【公開番号】P2019051585
(43)【公開日】2019-04-04
【審査請求日】2021-06-04
(31)【優先権主張番号】15/623,304
(32)【優先日】2017-06-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】500520743
【氏名又は名称】ザ・ボーイング・カンパニー
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ
(74)【代理人】
【識別番号】110002077
【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】トロイ， ジェームズ ジェー．
(72)【発明者】
【氏名】ジョージソン， ゲアリー イー．
(72)【発明者】
【氏名】レア， スコット ダブリュ．
(72)【発明者】
【氏名】ライト， ダニエル ジェームズ
【審査官】松浦 陽
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１７／００５２０７０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２００３／００８９１８３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１４－１４７９９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１６／０６６６１５（ＷＯ，Ａ２）
【文献】Tian Wei, et al.，Auto-normalization algorithm for robotic precision drilling system in aircraft component assembly，Chinese Journal of Aeronautics，vol.26，中国，2013年03月07日，495-500
【文献】Maozhen Gong, et al.，A novel method of surface-normal measurement in robotic drilling for aircraft fuselage using three laser range sensors，proc. of International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics，IEEE，2012年07月11日，450-455
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２５Ｊ １／００ － ２１／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
対象物体（５４）に対するロボット移動プラットフォーム（２００）のエンドエフェクタ（２２４）の位置を制御する方法であって、前記対象物体（５４）の座標系における外部追跡システムの位置の座標を計算することと、
前記外部追跡システムによって作り出されたレーザビームを、前記対象物体の表面上の特定の座標位置に照準し、それによってレーザスポット（３８）を形成することと、
非破壊検査ツールが装着された前記エンドエフェクタ（２２４）を第１の位置に動かすことと、
有限状態機械制御アプリケーションによって特定された動作をロボットコントローラ（１６）が実行できるようにすることとを含み、前記動作は、
前記エンドエフェクタ（２２４）が前記第１の位置にある間に、前記エンドエフェクタに装着された第１、第２、及び第３の距離センサ（２３６、２３８、２４０）から距離データを取得することであって、取得された前記距離データは、前記第１、第２、及び第３の距離センサ（２３６、２３８、２４０）が前記対象物体（５４）の表面上のそれぞれのエリアから離れているそれぞれの距離を表す、取得することと、
前記距離データを使って前記エンドエフェクタ（２２４）を前記対象物体（５４）に対してアライメントすることによって、前記エンドエフェクタ（２２４）を前記第１の位置から第１のグリッド位置へと動かすことと、
を含み、
前記エンドエフェクタ（２２４）を前記第１の位置に動かすことは、前記ロボット移動プラットフォーム（２００）を駆動して、前記第１、第２、及び第３の距離センサ（２３６、２３８、２４０）によって作り出されたレーザスポット（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ）を前記外部追跡システムによって作り出された前記レーザスポット（３８）の周囲にアライメントすることを含む、方法。
【請求項2】
前記エンドエフェクタ（２２４）をアライメントすることは、前記エンドエフェクタ（２２４）の軸が前記対象物体（５４）の前記表面に対して垂直になるように前記エンドエフェクタを回転させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記エンドエフェクタ（２２４）を前記回転させることは、前記エンドエフェクタをピッチ軸について回転させることを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項4】
前記ロボット移動プラットフォーム（２００）のベースをヨー軸について回転させることをさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項5】
前記エンドエフェクタ（２２４）をアライメントすることは、前記エンドエフェクタ（２２４）が前記対象物体（５４）の表面から目標オフセット距離で離れるように前記エンドエフェクタ（２２４）を移動させることをさらに含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項6】
前記エンドエフェクタ（２２４）が前記第１のグリッド位置にある間に、前記外部追跡システムを用いて、前記対象物体（５４）の前記座標系における、前記エンドエフェクタ（２２４）に装着された前記非破壊検査ツール上の視認可能な特徴の座標を計算することをさらに含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項7】
前記有限状態機械制御アプリケーションによって特定される動作が、前記エンドエフェクタ（２２４）が前記第１のグリッド位置にある間に、前記エンドエフェクタ（２２４）に装着された前記非破壊検査ツールを起動して、前記対象物体上の第１のスキャンエリアについて第１のスキャンデータを取得することと、
前記有限状態機械制御アプリケーションを使って前記エンドエフェクタ（２２４）を前記第１のグリッド位置から第２の位置に動かすことと、
有限状態機械制御アプリケーションを使って前記エンドエフェクタ（２２４）を前記対象物体（５４）とアライメントすることによって、前記エンドエフェクタ（２２４）を前記第２の位置から第２のグリッド位置に動かすことと、
前記エンドエフェクタ（２２４）が前記第２のグリッド位置にある間に、前記非破壊検査ツールを起動して、前記対象物体上の第２のスキャンエリアについて第２のスキャンデータを取得することとをさらに含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項8】
前記取得された距離データを用いて、前記非破壊検査ツールが前記対象物体の表面から目標オフセット距離で離れ且つ前記非破壊検査ツールの照準軸が前記対象物体の表面に対して垂直である前記第１のグリッド位置からの並進オフセット及び配向を計算すること、を更に含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項9】
前記エンドエフェクタ（２２４）を動かすことは、前記対象物体の表面からの前記非破壊検査ツールの距離を、前記目標オフセット距離にアライメントすることと、
前記非破壊検査ツールの照準軸が前記対象物体の表面に対して垂直となるように、前記エンドエフェクタのヨー角をアライメントすることと、
前記エンドエフェクタの水平位置を調整することと、
前記非破壊検査ツールの照準軸が前記対象物体の表面に対して垂直となるように、前記エンドエフェクタのピッチ角をアライメントすることと、
前記エンドエフェクタの高さを調整することと、
を含む、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、概して、非破壊検査（ＮＤＩ）及び他の整備作業といった自動手順の実施中の、対象物体に対するロボットのエンドエフェクタの位置を制御するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【0002】
現存するロボットプログラミング技法は、動作制御プロセス（例えば動作スクリプト）に対して、典型的にはオンラインのティーチング法またはオフラインのプログラミング法を用いて、個別のロボットの動作シーケンスを入力することを必要とする。しかし、これらは通常、ロボットプログラマーに対して高いレベルの専門技術と労力とを要求する。
【0003】
ロボットと対象物体との間のアライメントが損なわれる場合には、標準的な開ループのプログラミング技法もまた、問題を有し得る。これは、地表を渡って移動する地上ロボットに関して、地表が不均一であり得るか、または亀裂、孔もしくは他の不連続部を有し得る場合に該当し得る。現存する開ループのロボットプログラミング技法は、アライメントのずれには適応できない（例えば、デッドレコニングオドメトリ単体では十分ではない。なぜなら、時間の経過と共に誤差が蓄積していくからである）。この状況に対処するため、いくつかの手法では、スキャナの位置に関する連続的な閉ループフィードバックを提供する、外部ハードウエアが使用される。この一例がモーションキャプチャ（米国特許第７，６４３，８９３号及び第８，８９２，２５２号を参照）であり、これらにおいては、移動中の物体と対象物体に取り付けられた逆反射の光学対象物を追跡するための複数のカメラが使用される。これらのタイプの解決方法では、使用に先立って外部ハードウエアをセットアップする必要があるが、このことは、あるユースケースでは問題となり得る。他の解決方法では、エンドエフェクタをワークピースに対してアライメントするのを補助するため、接触アライメントプロセスが使用される。
【発明の概要】
【0004】
以下で詳細に開示される主題は、自動作業の実施中に、対象物体に対する地上ロボット移動プラットフォームのエンドエフェクタの位置を制御するための、システム及び方法を対象とする。ある地上ロボット移動プラットフォームでは、ロボットは、遠位端にリストを有するロボットアームを備える。リストには、エンドエフェクタが取り付けられる。エンドエフェクタには、ツール（例えばＮＤＩセンサ）が取り付けられる。典型的には、ロボットコントローラは、ロボットの様々なモータを制御し、それによってエンドエフェクタをある位置まで動かして、その位置で、エンドエフェクタ及びエンドエフェクタに取り付けられたツールが、対象物体のスキャンされる部分と適正にアライメントされるように、構成されている（即ち、本書で使用する場合、「位置」という用語は配置及び配向のどちらをも含む）。
【0005】
具体的には、本書で開示される主題は、相対的な並進運動及び回転運動を制御するための複数の距離センサからのリアルタイムのデータを用いて、ロボットのエンドエフェクタのアライメントを自動化するシステム及び方法に関する。一実施形態では、アライメントのプロセスは、ロボットのエンドエフェクタを対象物体に対する所望の位置に誘導するための、オフセット距離と回転角度の計算を含む。（本書で使用する場合、「目標オフセット距離」とは、エンドエフェクタに装着されたツールの遠位端と対象面との間の、所望の（即ち目標の）距離である。例えば、非接触式ＮＤＩプロセスの場合、システムオペレータは、自分が実現したいと思うＮＤＩセンサと対象物体との間の目標オフセット距離を特定する必要がある。）この相対的アライメントプロセスによって、オンライン及びオフラインの動作経路スクリプトの作成を最小限にするロボット動作経路計画アプリケーションの開発が可能になり、その結果、ロボット向け用途がより使用しやすいものになる。以下で同様に開示されているのは、この相対的アライメントプロセスと、対象物体の座標系のレジストレーションのための独立した（オフボードの）方法との統合である。ＮＤＩ用のグリッドベースのスキャン結果取得に使用される回転式エンドエフェクタを有するホロノミック運動のロボットプラットフォームを制御する有限状態機械の構成を用いて、例示的な一実施形態が提供される。有限状態機械の制御アプリケーションは、上位レベルの目標と、センサからのフィードバックと、制約（ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ）と、ロボットのモーションコントローラに送信される命令をリアルタイムで生成するトリガ条件とを必要とするプロセスである。
【0006】
以下で記載されるプロセスは、典型的なロボット経路の作成に含まれる開ループのステップの多くを削減することによって、ロボットの動作経路のプログラミングを簡便化し、対象物体に対するエンドエフェクタの配置及び配向に関連する実測データをリアルタイムでフィードバックすることによって、システム全体の頑健性を向上させる。開示されるプロセスは、複数の距離センサを用いて対象物体に対するエンドエフェクタの配置及び配向をアライメントすることによって、ロボット経路の計画プロセスを顕著に迅速化し、簡便化する。開示されるプロセスはまた、プロセスの頑健性を向上させるための環境変化に適応する機能も提供する。オプションで、整備／修理の用途向けに、ＮＤＩのスキャンデータを対象物体の座標系でレジスタするためと、位置情報をアーカイブ目的で記録するために、位置同定プロセスが使用され得る。提案されるシステムはまた、オンラインまたはオフラインの動作プログラミングを必要とすることなしに、ロボットの動作計画のためにセンサフィードバックを使うことも可能にする。これによって、経路計画の作成時間と、専門的トレーニングを受けたオペレータの必要性とが削減される。
【0007】
説明のため、アクティブ赤外線サーモグラフィを用いて複合材料製（例えば、繊維強化プラスチック製の複合材積層板）の胴体部を点検するシステム及び方法を、詳細に記載する。アクティブ（即ちパルス状）赤外線サーモグラフィは、航空業界及び発電業界で使用されている、表面下の欠陥に関して構造構成要素を非破壊的に評価する一方法である。しかし、本書で開示されるエンドエフェクタのアライメントの概念は、赤外線サーモグラフィ用スキャナがエンドエフェクタに装着された環境における用途に限定されない。本書で開示されるアライメントのプロセスは、（超音波トランスデューサアレイまたは渦電流センサといった）他のタイプのＮＤＩ用センサまたは非ＮＤＩ用ツールのアライメントにも、使用されてよい。
【0008】
赤外線サーモグラフィ（ＩＲＴ）スキャナを用いるある実施形態によると、このシステムは、回転式リスト及びモジュラーツール用マウントの付いた垂直延長アームと、アライメント用センサ要素とを備え、最小限の地上接触面積（ｇｒｏｕｎｄ ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ）で胴体周りの必要なエリアに到達できる、コンパクトで比較的低コストのプラットフォームを提供する。好適な一実施形態によると、垂直延長アームはホロノミック運動のベースプラットフォームと、赤外線カメラを含むＩＲＴスキャナとに堅固に連結されており、エンドエフェクタには少なくとも１つのフラッシュランプが取り付けられている。
【0009】
対象物体に対するロボットのエンドエフェクタの位置を制御するシステム及び方法の、様々な実施形態が以下で詳細に記載されているが、これらの実施形態のうちの１つ以上は、以下の態様のうちの１つ以上によって特徴づけられていてよい。
【0010】
以下で詳細に開示される主題の一態様は、対象物体に対するロボット移動プラットフォームのエンドエフェクタの位置を制御する方法であり、この方法は、エンドエフェクタを第１の位置（例えば開始位置）に動かすことと、有限状態機械制御アプリケーションによって特定された動作をロボットコントローラが実行できるようにすることとを含み、この動作は、エンドエフェクタが第１の位置にある間に、エンドエフェクタに装着された第１、第２、及び第３の距離センサから距離データを取得することであって、取得された距離データは、第１、第２、及び第３の距離センサが対象物体の表面上のそれぞれのエリアから離れているそれぞれの距離を表す、取得することと、この距離データを使ってエンドエフェクタを対象物体に対してアライメントすることによって、エンドエフェクタを第１の位置から第１のグリッド位置へと動かすこととを含む。ある実施形態によると、アライメントすることは、エンドエフェクタの軸が対象物体の表面と垂直になるように、エンドエフェクタを回転させることと、エンドエフェクタが対象物体の表面から目標オフセット距離で離れるように、エンドエフェクタを移動させることとを含む。
【0011】
上の段落で記載された方法は、対象物体の座標系における、外部追跡システムの位置の座標を計算することと、続いて、外部追跡システムによって作り出されたレーザビームを、対象面上の特定の座標位置に照準し、それによってレーザスポットを形成することをさらに含んでいてよい。この例では、エンドエフェクタを第１の位置に動かすことは、第１、第２、及び第３の距離計によって作り出されたレーザスポットを、外部追跡システムによって作り出されたレーザスポットの周囲にアライメントするために、ロボット移動プラットフォームを駆動することを含む。方法は、エンドエフェクタが第１のグリッド位置にある間に、外部追跡システムを用いて、対象物体の座標系における、エンドエフェクタに装着されたツールの座標を計算することをさらに含み得る。
【0012】
以下で詳細に開示される主題の別の態様は、複数の回転要素及び、前記複数の回転要素にそれぞれ連結された複数のモータを備える自走可能な移動ベースプラットフォームと、ベースプラットフォームに支持された垂直に延長可能なマストと、垂直に延長可能なマストに固定して連結された近位端を有するアームと、アームの遠位端に枢動可能に連結されたエンドエフェクタと、有限状態機械の制御アプリケーションが保存されている非一過性の有形コンピュータ可読記憶媒体と、第１、第２、及び第３の距離センサであって、エンドエフェクタに装着され、第１、第２、及び第３の距離センサが対象物体の表面上のそれぞれのエリアから離れているそれぞれの距離を表す距離データを取得するように構成された第１、第２、及び第３の距離センサと、第１、第２、及び第３の距離センサの動作を制御し、且つ有限状態機械の制御アプリケーションによって生成されたコマンドに従ってエンドエフェクタを地面に対して動かすように構成されたコントローラと、を備えるロボット移動プラットフォームであって、有限状態機械の制御アプリケーションが、第１、第２、及び第３の距離センサが取得した距離データを使ってエンドエフェクタを動かすためにコントローラによって実行可能な命令を生成する方法を含む、ロボット移動プラットフォームである。
【0013】
以下で詳細に開示される主題のさらなる態様は、対象物体に対するロボット移動プラットフォームのエンドエフェクタの位置を制御する方法であって、この方法は、有限状態機械制御アプリケーションによって特定された動作をロボットコントローラが実行できるようにすることとを含み、この動作は、（ａ）グリッドパターンを表す予め保存されたグリッドパターンデータに従って、対象物体の表面と接していない基準位置（ｎｏｍｉｎａｌ ｌｏｃａｔｉｏｎ）にエンドエフェクタを動かすことと、（ｂ）エンドエフェクタがアライメントされていない位置にある間に、エンドエフェクタに装着された第１、第２、及び第３の距離センサから距離データを取得することであって、取得された距離データは、第１、第２、及び第３の距離センサが対象物体の表面上のそれぞれのエリアから離れているそれぞれの距離を表す、取得することと、（ｃ）この距離データを使ってエンドエフェクタを対象物体とアライメントすることによって、エンドエフェクタを、アライメントされていない位置からアライメントされた位置へ動かすことと、（ｄ）エンドエフェクタがアライメントされた位置にある間に、エンドエフェクタに取り付けられたツールを起動することと、（ｅ）グリッドパターンの複数のアライメントされる位置の１つずつに関して、ステップ（ａ）から（ｄ）を繰り返すこととを含む、方法である。ある実施形態によると、アライメントすることは、エンドエフェクタの軸が対象物体の表面と垂直になるように、エンドエフェクタを回転させることと、エンドエフェクタが対象物体の表面から目標オフセット距離で離れるように、エンドエフェクタを移動させることとを含む。
【0014】
ロボットのエンドエフェクタの位置を制御するシステム及び方法の他の態様が、以下で開示される。
【0015】
前節で検討された特徴、機能、及び利点は、様々な実施形態において個別に実現することが可能であるか、またはさらに別の実施形態において組み合わせられてよい。上記の態様及び他の諸態様を例示する目的で、以下で、図面を参照しながら様々な実施形態が説明される。本節で簡潔に記載されている図面はいずれも、縮尺どおりに描かれていない。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】胴体部のサーモグラフィ撮像用システムの、いくつかの構成要素を特定するブロック図である。
【図2】一実施形態による、地上ロボットＮＤＩ移動プラットフォームの側面図である。
【図3】別の実施形態による、地上ロボットＮＤＩ移動プラットフォームの側面図である。
【図5】複合材料製の湾曲したワークピースをスキャンしている途中の、地上ロボットＮＤＩ移動プラットフォームの斜視図である（ロボットのエンドエフェクタに装着されたレーザ距離計は、図５には示されていないが、図６には示されている）。
【図9】ある実施形態による、アライメントシステムのいくつかの構成要素を特定するためのブロック図である。
【図10】大型ワークピースのＩＲＴ検査用のスキャンパターン（３×２）を表す図である。
【図11】一実施形態によるエンドエフェクタのアライメントプロセスを用いた、非破壊検査の一方法のいくつかのステップを特定するフロー図である。
【図12】ローカル・ポジショニング・システム（ＬＰＳ）を用いた、スキャン領域の境界の測定を表す。
【図13】ＬＰＳを用いた、ロボットシステムの初期位置アライメントを表す図である。
【図14】一実施形態による、ロボット対部品の位置同定プロセスを実行中のＬＰＳの斜視図である。
【図15-1】図１５Ａ～図１５Ｃは、共通平面上で三角形のパターンに配設され、対象物体の表面上のそれぞれのスポットに向けられた３つのレーザ距離計であって、これらのレーザ距離計とこれらのスポットは、それぞれの距離で離れている、レーザ距離計の、それぞれ前面図、側面図、及び上面図である。
【図15-2】図１５Ａ～図１５Ｃは、共通平面上で三角形のパターンに配設され、対象物体の表面上のそれぞれのスポットに向けられた３つのレーザ距離計であって、これらのレーザ距離計とこれらのスポットは、それぞれの距離で離れている、レーザ距離計の、それぞれ前面図、側面図、及び上面図である。
【図16】両矢印で表される様々な寸法が付いた、４個のメカナムホイールを有するホロノミック運動のベースプラットフォームの上面図である。
【図17】ある実施形態による、大型の複合材構造体の赤外線サーモグラフィ検査用システムの、いくつかの構成要素を特定するブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下で図面を参照する。種々の図面中、類似の要素には同一の参照番号が付されている。
【0018】
以下で詳細に記載されるプロセスは、航空機の胴体といった大型の表面に対するＮＤＩスキャンのようなタスクを自動化する方法を提供する。このプロセスはまた、最小限の命令によってスキャンシーケンスの定義を可能にし、それによってカスタマイズされた経路のプログラミングの必要性をなくす、使いやすい高レベルのインターフェースを提供する。以下に記載のシステムは、外部センサからの継続的なフィードバックを必要としない、対象物体に対する相対的なアライメントのための搭載型フィードバックセンサを有する。この解決方法は、距離測定データを取得する技術、距離と角度のアライメントを計算する技術、及び有限状態機械の制御アプリケーションでアライメントプロセスを制御する技術を含む。
【0019】
加えて、対象物体の局所座標系内で規定されたスキャン領域の三次元（３Ｄ）位置データを提供するための、独立した位置同定プロセスもまた含まれる。これによって、３Ｄコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルといった他の参照情報に対してアライメントされたスキャンデータの後処理が可能になる。スキャンシステムの対象物体との当初のアライメントも、位置同定プロセスを使って実施することができる。
【0020】
説明のため、アクティブサーモグラフィを用いて複合材料製（例えば、繊維強化プラスチック製の複合材積層板）の胴体部を非破壊検査するシステム及び方法を、ここで詳細に記載する。しかしながら、実際の実装のすべての特徴が本明細書に記載されているわけではない。当業者であれば、こうした実施形態の開発において、実装によって異なるシステム関連や業種関連の制約に適合するといった、開発者の具体的な目標を達成するためには、実装固有の判断を多数行う必要があることを、理解するであろう。さらに、こうした開発のための取り組みは煩雑で時間がかかるものであるかもしれないが、本開示から受益する当業者にとっては所定の日常業務であることは、理解されるであろう。
【0021】
赤外線サーモグラフィの方法及び装置によって、欠陥、材料特性のばらつき、または材料の被覆もしくは層の厚さの相違を検出するための、材料の非破壊試験の実施が可能になる。赤外線撮像は、材料の表面における、または材料の表面下における熱拡散率または熱伝導率の局所的なばらつきを検出することができる。赤外線サーモグラフィは、鋼を含む鉄系材料といった金属、またはプラスチック、セラミック、もしくは複合材料といった非金属材料に対して使用することができる。
【0022】
アクティブサーモグラフィは、表面下の欠陥に関して試料を非破壊的に評価するために使用される。アクティブサーモグラフィは、試料の目視点検によって検出できない内部接合不連続、層間剥離、空隙、介在物、及び他の構造的欠陥を発見するのに有効である。一般的に、アクティブサーモグラフィは、試料の温度と周囲温度との間に差異を作り出すために試料を加熱または冷却し、次にその温度が周囲温度に戻る際に試料から発せられる赤外線熱痕跡を観察することを含む。赤外線カメラは、試料の表面から試料の内部への熱の拡散をブロックする表面下の欠陥によって生じたであろう、冷却挙動中のあらゆる異常を検出することができるので、赤外線カメラが使用される。具体的には、これらの欠陥は、欠陥のすぐ上にある表面が、周囲の欠陥のないエリアとは異なる速度で冷却する原因となる。試料が冷却する際に、表面温度を表す画像の時系列が赤外線カメラによってモニタリングされ、記録される。それによって、経時的な表面温度の変化の記録が作られる。
【0023】
典型的には、材料の表面がフラッシュランプを用いて加熱され、一定期間の後、加熱された材料の表面の熱画像が撮影される。サーモグラフィ用の加熱システムは、典型的には、試料を励起するためのキセノンの閃光電球及び、既製の写真用電源を用いる。赤外線カメラが、材料の表面温度を表す、材料の表面からの赤外線分光放射輝度を撮影する。材料の表面温度の差異は、材料の熱特性が異なっていることを表す。材料の熱特性にこうしたばらつきがあることは、材料に欠陥があるか、または異物が介在している可能性を表す。
【0024】
赤外線痕跡の処理に必要な構造の厚さ及び積層の配列は、胴体部の表面上における赤外線カメラの視野の正確な位置を知ることによって得られる。
【0025】
図１は、胴体部２のサーモグラフィ撮像用システムの、いくつかの構成要素を特定するブロック図である。この赤外線サーモグラフィ検査システムは、フード１２内のカメラレンズ開口５を通して向けられているレンズを有するデジタル赤外線カメラ４を備える。フード１２は、検査中の表面付近に覆われた筐体を形成するように設計されている。一対のフラッシュランプ６ａ及び６ｂが、フード１２の内部に、且つフード１２に対して固定した空間関係で、配置されている。フラッシュランプ６ａ及び６ｂは、赤外線サーモグラフィ用コンピュータ８からのトリガ信号に応答して、閃光を作り出す。赤外線サーモグラフィ用コンピュータ８は、赤外線カメラ４の動作もまた制御する。本書で開示される実施形態のうちの少なくともいくつかで使用するのに適切なタイプの赤外線カメラ４の一例は、分光放射計として機能するように構成された、焦点面アレイ（ＦＰＡ）装置を含む。赤外線カメラ、一対のフラッシュランプ、及びフードを備えたタイプのフラッシュランプアセンブリに含まれていてよい他の構成要素に関するさらなる詳細は、例えば、米国特許第７，１８６，９８１号で見ることができる。
【0026】
サーモグラフィ検査の一方法によると、まず、胴体部２の複合材料に熱を伝達するため、フラッシュランプ６ａ及び６ｃがトリガされる。好ましくは、複合材料の冷却中、胴体部２の被加熱部の様々な分光放射輝度の連続したデジタル画像をキャプチャするため、赤外線カメラ４が定期的にトリガされる。好ましくは、検査されている複合材料の熱的に励起された（加熱された）領域は、励起源が取り外された後、試料がその周囲との熱平衡に到達するまで、単調に冷却される。赤外線カメラ４によってキャプチャされたデジタル赤外線撮像データは、処理のため、赤外線サーモグラフィ用コンピュータ８によって受信される。赤外線サーモグラフィ用コンピュータ８は、材料の境界、材料の表面下の異物、または層間剥離や許容範囲を超える空隙率といったこの他の材料の異常を検出して位置を突き止めるために、赤外線撮像データを処理するようにプログラムされている。赤外線撮像データは、赤外線サーモグラフィ用コンピュータ８と一体化されていてよいかまたは分離されていてよい、表示モニタ（図１には図示せず）上に表示されてよい。
【0027】
図１に示す実施形態によると、赤外線サーモグラフィ用コンピュータ８は、赤外線カメラ４から得た赤外線撮像データを、赤外線サーモグラフィ用コンピュータ８によって分析し数学的に操作することができるフォーマットに変換する、デジタル画像取得機能を有する。オプションのデータ取得モジュール１０が、赤外線サーモグラフィ用コンピュータ８と一体化されていてよいか、または（図１に示すように）分離されていてよい。データ取得モジュール１０は、複合材構造体の表面が単一の画像フレームに収まるのには大きすぎて、赤外線カメラ４が複数の空間的に異なる画像をキャプチャし、複合材構造体の表面の完結した組み合わせ画像を生成する場合に、使用され得る。赤外線サーモグラフィ用コンピュータ８は、さらに、赤外線カメラ４によってキャプチャされた赤外線撮像データを分析するようにプログラムされていてよい。具体的には、胴体部２が室温に戻る際の胴体部２の表面温度応答の時間履歴が、複合材料中の欠陥の存在を検出するために分析され得る。
【0028】
胴体部の検査という特定の用途の文脈では、非破壊検査システムは、胴体部の外部の有利な地点から胴体部の外板をスキャンする方法を含んでいてよい。以下で開示される実施形態では、外部のスキャン手段は、赤外線カメラを装備したロボットを備える。ロボットは、移動可能なロボットベースと、ロボットベースに連結された近位端を有するロボットアームとを有する。ロボットベースは、移動式のホロノミックのクローラビークルであってよい。ロボットアームの遠位端には、赤外線サーモグラフィ用スキャナが連結されている。赤外線サーモグラフィ用スキャナは、赤外線カメラと、フード内部に取り付けられた２つ以上のフラッシュランプとを含む。フードは、胴体部の外表面上の正方形のエリアをカバーするようにサイズ決めされていてよい。隣接する正方形のエリア同士から取得された赤外線撮像データは、局所座標系を用いたロボットベースのそれぞれの位置の測定値に基づいて、つなぎ合わせることができる。つなぎ合わせ処理は、リアルタイムで実施されてよいか、または後刻に実施されてよい。
【0029】
ここで、本書で開示される位置アライメントフィードバックの概念を使用するように構成されたＮＤＩシステムの様々な実施形態について、詳細に説明する。ある実施形態によると、ＮＤＩシステムは、胴体の頂部及び底部の中心線に、航空機のどちらの側からも到達することができるエンドエフェクタを有する、自動化されたプラットフォームである。このＮＤＩシステムは、メカナムホイール付きのホロノミック運動のベースプラットフォームと、ベースプラットフォームに支持された垂直延長マストと、枢動式エンドエフェクタと、近接センサと、エンドエフェクタに装着された複数のタイプのＮＤＩ装置用の支持体とを備える。延長アームに枢動式エンドエフェクタが付いた垂直支持マストによって、航空機の胴体部の高さ全体の検査が可能になる。ホロノミック運動のベースプラットフォームによって、ロボットが胴体の長さに沿ってＮＤＩスキャナユニットを迅速かつ効率的に再配置することが可能になる。距離センサフィードバック付きの動作制御ソフトウエアによって、グリッドパターンによるスキャン結果を一部が重なるようにして自動でキャプチャすることが可能になる。ＮＤＩのスキャン結果を適切な航空機の座標系とアライメントするために、基準位置データもまたキャプチャされる。自動制御モードであれ手動制御モードであれ、このシステムはセットアップと使用が比較的容易である。このシステムは、渦電流センサ、超音波センサ、及び赤外線サーモグラフィ（ＩＲＴ）のＮＤＩセンサを含む、エンドエフェクタに装着された様々なタイプのＮＤＩユニットを受容するように構成され得る。
【0030】
図２は、一実施形態による、地上ロボットＮＤＩ移動プラットフォーム２００の側面図である。このプラットフォームは、ホロノミック運動のベースプラットフォーム２０４、赤外線サーモグラフィ（ＩＲＴ）用スキャナ２１４、及び、ロボットコントローラ（図示せず）の制御下にある自動スキャナ支持器具（ホロノミック運動のベースプラットフォーム２０４によって支持されている）を備える。自動スキャナ支持器具は、ＩＲＴスキャナ２１４の高度を変更するために必要に応じて延長及び収縮し得る、垂直に延長可能なマスト２０６を備える。垂直に延長可能なマスト２０６は、直線軸とホロノミック運動のベースプラットフォーム２０４に固定して連結された一端とを有する第１のマスト部２０６ａ、直線軸を有し、且つ第１のマスト部２０６ａに摺動可能に連結されて第１のマスト部２０６ａの軸に平行な線に沿って摺動する第２のマスト部２０６ｂ、及び直線軸を有し、且つ第２のマスト部２０６ｂに摺動可能に連結されて第２のマスト部２０６ｂの軸に平行な線に沿って摺動する第３のマスト部２０６ｃを備える。一実施形態によると、マストの垂直延長は、単一のモータ及びケーブル滑車システムによって制御される。
【0031】
図２に示す地上ロボットＮＤＩ移動プラットフォーム２００は、４バー式の結合アーム機構２０８をさらに備える。４バー式の結合アーム機構２０８は、その遠位端に枢動可能に連結された、エンドエフェクタ２１２の配置及び配向を制御する。４バー式結合機構２０８の駆動用結合部は、モータ駆動される主ネジまたは油圧シリンダ２１０によって、第３のマスト部２０６ｃに対して回転するように駆動される。ＩＲＴスキャナ２１４は、エンドエフェクタ２１２に装着されており、エンドエフェクタ２１２と共に回転する。ＩＲＴスキャナ２１４と湾曲したワークピース２０２（例えば胴体部）との間の間隙の空間を周囲の環境から隔離するため、ＩＲＴシュラウド２１６がＩＲＴスキャナ２１４を囲んでいる。
【0032】
図３は、別の実施形態による、地上ロボットＮＤＩ移動プラットフォーム２２０の側面図である。この実施形態は、垂直に延長可能なマスト２０６と、第３のマスト部２０６ｃに固定して連結された剛性の延長アーム２２２と、剛性の延長アーム２２２の両側の遠位端に枢動可能に連結されたエンドエフェクタ２２４とを含む。図４は、図３に示すロボットＮＤＩ移動プラットフォーム２２０の、いくつかの構成要素の分解図である。この実施形態では、延長する高さと同様にエンドエフェクタのピッチも、独立してプログラム可能に制御される。エンドエフェクタ２２４のピッチ回転は、位置制御モータ２４６（図４参照）によって、後退駆動不能なギアボックス（図示せず）で駆動され得る。
【0033】
図５は、複合材料製の湾曲したワークピース２０２をスキャン中の、地上ロボットＮＤＩ移動プラットフォーム２３０のプロトタイプの斜視図である。ＩＲＴスキャナ２１４がエンドエフェクタ２２４に装着されており、エンドエフェクタ２２４は、ロボットコントローラ８０の制御下でピッチ軸について枢動可能になっている。エンドエフェクタ２２４は、剛性の延長アーム２３２に枢動可能に連結されており、延長アーム２３２は、垂直な延長可能マスト２０６の最上マスト部に固定して連結されている。ＩＲＴスキャナ２１４は、取得したデータを、電気ケーブル２４２を経由して赤外線サーモグラフィ用コンピュータ（図５には図示せず）に送信する。ロボットＮＤＩ移動プラットフォーム２３０は、システムが有効化されているときにスイッチオン・オフする警告灯２４４もまた備えている。
【0034】
提案される一実施形態によると、ホロノミック運動のベースプラットフォーム２０４は、４つのメカナムホイールを用いており、タイプＡの一対が１つの対角線上に配置され、タイプＢの一対がもう１つの対角線上に配置されている。タイプＡのメカナムホイールの先細のローラーがタイプＢのメカナムホイールの先細のローラーとは異なる角度で配向きされているという点で、タイプＡのメカナムホイールとタイプＢのメカナムホイールとは、異なっている。各メカナムホイールは、それぞれの独立して制御可能なステッパーモータによって回転されるように駆動され得る。メカナムホイール付きのビークルは、各ホイールの速度及び回転方向を制御することによって、あらゆる方向に動かすことができ、旋回させることができる。例えば、４つのホイールすべてを同じ速度で同じ方向に回転させることによって前方または後方への移動が生じ、片側のホイールを同じ速度で回転させ、反対側のホイールを反対方向に回転させることによってビークルが旋回し、さらにはタイプＡのホイールを同じ速度で回転させ、種類Ｂのホイールと反対方向に回転させることによって、横方向への移動が生じる。ホロノミック運動のベースプラットフォーム２０４は、機載の制御用コンピュータ（即ちロボットコントローラ）の制御下で動く。適切なメカナムホイール付きのホロノミック運動のベースプラットフォームは、米国特許第９，４１０，６５９号に記載されており、同特許の開示は、全体として参照により本願に援用される。
【0035】
一実施形態によると、ホロノミック運動のベースプラットフォーム２０４の外周に、複数のセンサ（図５には図示せず）が装着されており、ビークルのその特定の領域における障害物の存在を表示するようになっている。モーションコントローラは、そのセンサのデータを使って、その特定のセンサに関連付けられた方向に向けたさらなる動きを阻止する。しかし、他の方向への動きは、引き続き可能である。可能性のあるセンサは、接触センサ、透過型センサ、及び近接センサを含む。この衝突回避システムは、米国特許第７，１９４，３５８号に記載されているものと同様の態様で動作する。
【0036】
上記のように、本書で開示されている位置アライメントフィードバックのプロセスでは、対象物体（例えばワークピース２０２）に対するＩＲＴスキャナ２１４の配置及び配向（即ち位置）を決定するために、距離センサが用いられる。相対的位置をリアルタイムで計算するために、少なくとも、非同一直線上にある３つの距離測定装置を使用することができる。対象物体の表面に擦過傷を付けるあらゆる可能性を軽減するため、距離センサとして使用するのに、接触プローブの代わりにレーザ距離計が選択された。レーザ距離計は、近距離の誘導と角度の誘導に加え、プラットフォームのモーションコントローラに対して、ナビゲーション全般を目的としたより長距離の距離フィードバックという利点も提供する。
【0037】
一実施形態によると、３つのレーザ距離計（図５には図示せず）がエンドエフェクタ２２４に装着されている。図６は、図５に示すロボットＮＤＩ移動プラットフォームの一部分であって、エンドエフェクタ２２４及び、エンドエフェクタ２２４に装着された３つのレーザ距離計を含む、部分の側面図である。図６では３つのレーザ距離計のうち２つだけ（即ちレーザ距離計２３６及び２３８）が、見えている。図７では、第３のレーザ距離計（即ちレーザ距離計２４０）が、見えている。図６から分かるように、第１のレーザ距離計２３６は、Ｌ字形の装着プレート２１８ａに取り付けられており、Ｌ字形の装着プレート２１８ａは、エンドエフェクタ２２４に取り付けられている。同様に、第２のレーザ距離計２３８はＬ字形の装着プレート２１８ｂ（図６及び図７に示す）に取り付けられており、Ｌ字形の装着プレート２１８ｂはエンドエフェクタ２２４に取り付けられている。また、第３のレーザ距離計２４０はＬ字形の装着プレート２１８ｃ（図７に示す）に取り付けられており、同様にＬ字形の装着プレート２１８ｃはエンドエフェクタ２２４に取り付けられている。
【0038】
図７は、剛性の延長アーム２３２に枢動可能に連結されたエンドエフェクタ２２４に装着された、ＩＲＴスキャナ２１４（シュラウド２１６は取り外されている）の斜視図である。上記のとおり、レーザ距離計２３６、２３８、及び２４０が、エンドエフェクタ２２４に装着されている。図８の前面図で最も良く見えるように、レーザ距離計２３６は、ＩＲＴスキャナ２１４のフード１２の最高地点の高度よりも高い高度に装着されている。その一方、レーザ距離計２３８及び２４０は、ＩＲＴスキャナ２１４のフード１２の最低地点の高度よりも低い高度に装着され、ある距離によって離れている。好ましくは、レーザ距離計２３６、２３８、及び２４０は、二等辺三角形の頂点に配置されている。図１５Ａが示す配置では、レーザ距離計２３８と２４０が離れている距離（即ち、二等辺三角形の底辺）はａであり、レーザ距離計２３６と、レーザ距離計２３８と２４０の中点とが離れている距離（即ち、二等辺三角形の高さ）はｂである。
【0039】
図５～図７に示すシステムは、エンドエフェクタ２２４の、対象物体に対する相対的な位置（配置及び配向）オフセットを決定するため、搭載型のアライメントシステムを使用する。このプロセスは、レーザ距離計２３６、２３８、及び２４０からの距離情報を使用して、リアルタイムで相対的な位置を計算する。次にこのシステムは、そのデータをロボットコントローラに提供して、フィードバックに基づくエンドエフェクタ２２４の所望の動きを生じさせる（ロボットの他の部位の動作制御もまた含んでいてよい）。
【0040】
このプロセスが可能にする制御の一形態は、アライメントの一部の態様についてオペレータを補助する、半自動の制御である。これは例えば、エンドエフェクタ２２４が常に対象物体の表面に対して垂直であることを確実にしたり、常に表面から特定の距離にあることを確実にしたりするといった、エンドエフェクタ２２４の配向である。
【0041】
図９は、ある実施形態による、アライメントシステムのいくつかの構成要素を特定するためのブロック図である。距離センサ１４（例えばレーザ距離計２３６、２３８、及び２４０）が、コンピュータ１６（例えばロボットコントローラ）に対して距離情報を提供する。コンピュータ１６は、距離センサ１４から受信した距離情報に基づいて、エンドエフェクタ２２４を対象物体の表面に対してアライメントするために何の動きが必要であるかを決定するように構成されて（例えばプログラムされて）いる。これらの動きは、ホロノミック運動のベースプラットフォーム２０４を新たな位置に移動すること、垂直に延長可能なマスト２０６を延長または収縮すること、及びエンドエフェクタ２２４をピッチ軸について枢動させること、のうちの１つ以上を含んでいてよい。ロボットＮＤＩ移動プラットフォームは、それぞれのモータコントローラ１８によって制御されている複数のモータ２０を備える。コンピュータ１６は、エンドエフェクタ２２４を対象物体の表面とアライメントするのに必要なロボットの動作を起動するため、選択したモータコントローラ１８にコマンド信号を送信する。
【0042】
このプロセスによって可能になる別の形態の制御は、完全自動化された動作制御である。この完全自動化された動作制御では、オペレータがｍ×ｎのグリッドパターンといった上位レベルの目標を特定し、上位レベルの目標とアライメントシステムからのフィードバックとに基づいて、自動コントローラが動作のプランニングを行う。例えば、図１０は大型ワークピースのＩＲＴ検査用の３×２のスキャンパターン２２を表す図である。まず、ＩＲＴスキャナがスキャンエリア２６ａのＩＲＴデータを取得する。次に、ＩＲＴスキャナは上方に移動し、スキャンエリア２６ｂのＩＲＴデータを取得する位置で停止する。スキャン結果同士をつなぎ合わせ易くし、対象範囲内に間隙がないことを確実にするため、スキャンエリア２６ｂは、スキャンエリア２６ａとわずかに重複していることが好ましい。次に、ＩＲＴスキャナは右方に移動し、スキャンエリア２６ｃのＩＲＴデータを取得する位置で停止する。次に、ＩＲＴスキャナは下方に移動し、スキャンエリア２６ｄのＩＲＴデータを取得する位置で停止する。続いて、スキャンエリア２６ｅのＩＲＴデータを取得するため右方に移動し、次にスキャンエリア２６ｆのＩＲＴデータを取得するため上方に移動する。このプロセス中のＩＲＴスキャナのスキャン経路２８は、図１０の矢印によって表されている。
【0043】
このアライメントプロセスは、ロボットの個別の動作を直接プログラミングすることに対する、代替方法を提供する。このプロセスはまた、システムが予期せぬ環境の変化に適応することを可能にする。また、エンドエフェクタが対象面に接触することなく対象面に対する所望の配置及び配向を実現するための、エンドエフェクタの衝突回避機能も提供する。
【0044】
本書で使われている自動プロセスは、外部からの入力に基づいて１つの状態から別の状態への遷移を管理する、有限状態機械制御アプリケーションに基づいている。このフレームワークによって、システムが、複数のタイプの入力とシステムの現在の状態とに基づいて応答を作り出すことが可能になる。自動で生成される動作経路プラン及びスキャナ制御信号を作り出すのに必要なシステムの様々な動きは、動作の１モードと別モードの間の遷移に必要な基準を満たすことに基づいている。一実施形態によると、有限状態機械は、システム状態の別個のセット間の遷移をトリガするために、センサフィードバックを用いる。
【0045】
ここで、本プロセスについて、ＮＤＩセンサ（例えばＩＲＴスキャナ）を遠位端に有するロボットアームを支持するベースプラットフォーム（例えば、ホロノミック運動のベースプラットフォーム）を備え、ベースプラットフォームとロボットアームの動作がデバイスコントローラ（例えばロボットコントローラ）によって制御されている、ロボットＮＤＩ移動プラットフォームに関連して記載しよう。図１１は、このシステムの動作全体に関する上位レベルのプロセスを示し、図１１Ａ及び図１１Ｂは、このプロセスのアライメントベースの態様に関連した詳細を示す。ロボットコントローラとＮＤＩセンサ制御コンピュータ（例えば図１で特定されている赤外線サーモグラフィコンピュータ８）との間で送信されるデジタル信号によって、離れているロボットとＮＤＩセンサシステムとの間の同期が可能になる。
【0046】
図１１は、一実施形態によるエンドエフェクタのアライメントプロセスを用いた、非破壊検査の一方法１００のいくつかのステップを特定している。プロセスを開始するため、システムのオペレータが、対象物体に対するＮＤＩセンサの最初の位置を特定する（ステップ１０２）。このステップは、（オペレータによる）視覚的な方法によって、または自動的に（ＬＰＳのような指向装置で）、達成することができる。次に、システムオペレータは、ベースプラットフォーム及びロボットアームを操作して、ＮＤＩセンサを近接する第１の位置に動かすことができる（ステップ１０４）。ステップ１０６で、システムオペレータは、パターン内における所望の数のスキャンを、デバイスコントローラに提供する。この数は、グリッド位置カウンターに保存されたカウント数と比較される。このカウンターは、パターン内でスキャンが１つ取得される都度、増分される。ステップ１０８では、デバイスコントローラは、予備経路パラメータを計算し、自動スキャンの取得を開始する。システムオペレータは、近接検出／衝突検出もまた可能にする（ステップ１１０）。次にシステムオペレータは、外部追跡システム（例えばＬＰＳ）を用いて第１の位置の３Ｄ座標をキャプチャする（ステップ１１２）。（外部追跡システムは、既に較正済みであり、それによって対象物体の座標系に対する自身の３Ｄ座標は既知となっている。そのため、ＬＰＳコンピュータが対象物体の座標系に対する第１の位置の３Ｄ座標系を計算することが可能になっている。）以降、アライメントプロセス中及びスキャンプロセス中に、ＮＤＩセンサの動作を制御するための有限状態機械が有効化される（ステップ１１４）（即ち、図１１ＡのＡに進む）。（有限状態機械は、図１１Ａ及び図１１Ｂに関連して次の段落で説明する。）ＮＤＩセンサがアライメントされスキャンパターンが完成した後、システムオペレータは、外部追跡システムを使ってＮＤＩセンサの終了位置の３Ｄ座標をキャプチャする（ステップ１１６）。次いで、隣同士のスキャンによって得たスキャンデータをつなぎ合わせることによって、組み合わせ画像が組み立てられ得る。
【0047】
図１１Ａ及び図１１Ｂは、（組み合わせて、）図１１に上位レベルとして記載されている方法で用いられる、有限状態機械によって実施されるいくつかのステップを特定するフローチャートを形成する。有限状態機械は、任意の所与の時点における有限数の状態のうちの１つでのみあり得るプロセスの、数学的モデルである。
【0048】
提案される一実施形態によると、ロボットコントローラは、まず有限状態機械（ＦＳＭ）がＧＲＩＤ－ＭＯＶＥの状態にセットされているか否かをチェック（即ち、判定）する（ステップ１２０）。ＧＲＩＤ－ＭＯＶＥは、ロボットが上位のレベルで規定されたグリッド位置の間で移動する状態である。例えば、システムオペレータがシステムに３×２のパターンでデータをキャプチャすることを望む場合、ロボットは、図１０のスキャン経路２８に沿って移動し、連続したグリッドにするであろう。ステップ１２０で、ＦＳＭがＧＲＩＤ－ＭＯＶＥ状態にないとロボットコントローラが判定した場合、ロボットコントローラは、直接ステップ１２８に進む。ステップ１２０で、ＦＳＭがＧＲＩＤ－ＭＯＶＥ状態にあるとロボットコントローラが判定した場合、ロボットコントローラは、シーケンス内にさらなるグリッド位置があるかどうかを判定する（ステップ１２２）。これは、グリッド位置カウンターの現在のカウント数を、予めセットされた取得すべきスキャン結果の数と比較することによって達成される。ステップ１２２で、シーケンス内にさらなるグリッド位置が存在していない（即ち、カウント数が所定の数と等しい）とロボットコントローラが判定した場合、プロセスは、図１１のステップ１１６に戻る。ステップ１２２で、シーケンス内にさらなるグリッド位置が存在している（即ち、カウント数が所定の数よりも少ない）とロボットコントローラが判定した場合、ロボットはアライメント未了であるＮＤＩセンサの次の位置へと移動し（ステップ１２４）、それに続いて有限状態機械の状態はＡＬＩＧＮにセットされる（ステップ１２６）。次のステップでは、ロボットコントローラは、有限状態機械がＡＬＩＧＮの状態にセットされているか否かを判定する（ステップ１２８）。
【0049】
ＡＬＩＧＮ状態とは、ロボットが３つの距離センサを使用して、エンドエフェクタのピッチ及びヨーが、ＮＤＩスキャナの照準軸を対象物体の表面に対して垂直にすることを確実にする状態である。ステップ１２８で、有限状態機械がＡＬＩＧＮ状態にないとロボットコントローラが判定した場合、ロボットコントローラは、直接、図１１Ｂのステップ１４４に進む。ステップ１２８で、有限状態機械がＡＬＩＧＮ状態にあるとロボットコントローラが判定した場合、ロボットコントローラは、ＮＤＩセンサの位置の精度を上げる必要があるかどうかを判定する（ステップ１３０）。ステップ１３０で、ＮＤＩセンサの位置の精度を上げる必要がないとロボットコントローラが判定した場合（即ち、ＮＤＩスキャナの照準軸が対象物体の表面と垂直である場合）、ロボットコントローラは、有限状態機械の状態をＳＣＡＮにセットし（ステップ１３２）、直接、図１１Ｂのステップ１４４に進む。ステップ１３０で、ＮＤＩセンサの位置の精度を上げる必要があるとロボットコントローラが判定した場合（即ち、ＮＤＩスキャナの照準軸が対象物体の表面と垂直でない場合）、ロボットコントローラは、順に以下のステップを実施する。（ａ）距離センサから距離データを取得する（ステップ１３４）、（ｂ）所望のアライメントされる位置からの配向及び並進のオフセットを計算する（ステップ１３６）、（ｃ）距離を所望のオフセットにアライメントする（ステップ１３８）、（ｄ）エンドエフェクタのヨー角をアライメントして、対象物体の表面に対する垂直を実現し、水平の配置を調整する（ステップ１４０）、（ｅ）エンドエフェクタのピッチ角をアライメントして、対象物体の表面に対する垂直を実現し、高さを調整する（ステップ１４２）、及び（ｆ）ステップ１３０に戻る。
【0050】
上記のとおり、ステップ１３０で、ＮＤＩセンサの位置の精度を上げる必要がないとロボットコントローラが判定した場合、ロボットコントローラは、有限状態機械の状態をＳＣＡＮにセットし（ステップ１３２）、直接、図１１Ｂのステップ１４４に進む。ステップ１４４では、ロボットコントローラは、限界状態機械がＡＬＩＧＮの状態にセットされているか否かを判定する。ステップ１４４で、有限状態機械がＳＣＡＮ状態にないとロボットコントローラが判定した場合、ロボットコントローラは、図１１Ａのステップ１２０に戻る。ステップ１４４で、有限状態機械がＳＣＡＮ状態にあるとロボットコントローラが判定した場合、ロボットコントローラは、ＮＤＩスキャナ制御コンピュータ（例えば、図１で特定されている赤外線サーモグラフィコンピュータ８）に対してスキャナ制御コマンドを送信する（ステップ１４６）。次に、ロボットコントローラは、スキャナの応答をチェックし（ステップ１４８）、スキャンのパターンが完了したか否かを判定する（ステップ１５０）。ステップ１５０で、スキャンのパターンが完了していないとロボットコントローラが判断した場合、ロボットコントローラは、ステップ１４８に戻る。ステップ１５０で、スキャンのパターンが完了したとロボットコントローラが判断した場合、ロボットコントローラは、次に、順に以下のステップを実施する。（ａ）ＮＤＩスキャナを位置に戻す（ステップ１５２）、（ｂ）有限状態機械の状態をＧＲＩＤ＿ＭＯＶＥにセットする、（ｃ）グリッド位置カウンターを増分する、及び（ｄ）図１１Ａのステップ１２０に戻る。
【0051】
自動スキャンシーケンスの完了後、各ＩＲＴスキャンからの個別の画像がつなぎ合わされ、検査領域の単一の描写を作り出すことができる。
【0052】
上記のシステムは、ロボットマニピュレータまたは他の装置の一般的なアライメント作業用に、多数の可能性あるユースケースを有し得る。これらのユースケースのうちの１つは、航空宇宙の製造環境及び整備環境におけるグリッドベースのＮＤＩスキャン取得、例えば、航空機の胴体のグリッドベースのスキャンである。
【0053】
このシステムは、典型的な稼働中、ユーザによっておよその第１の位置に駆動される（遠隔操作される）ことができる。システムはその後、図１０に示すとおり、航空機の胴体のどちらかの側に沿って、オペレータに規定された垂直及び水平のパターンで配列されたグリッドのスキャンを自動的に取得するようにセットされる。
【0054】
動作制御アルゴリズムの自動グリッドスキャン機能は、３つのレーザ距離計２３６、２３８、及び２４０から動作制御アルゴリズムへの距離データのフィードバックを伴っている。動作制御アルゴリズムは、プラットフォーム２０４及びエンドエフェクタ２２４の水平配置及び垂直配置、並びにヨー及びピッチの配向を、それぞれセットする。このアプローチによって、システムのために個別の所定の動作経路がある必要がなくなり、それによって、使用が簡便化されセットアップ時間が短縮される。
【0055】
本システムは、オペレータがデータを手動で取得できるように、遠隔操作モードで完全に制御することもまた可能である。システムオペレータがプラットフォームの位置とマストの高さを制御し、システムが自動的にエンドエフェクタのピッチ配向を適応させてエンドエフェクタの前にある表面との垂直のアライメントを維持する、半自動化モードもまた可能である。
【0056】
スキャン結果を航空機の座標系内で正確に位置同定するために、スキャン結果の境界領域の３Ｄ座標位置測定値が採られる。この境界の基準値によって、組み合わされたスキャン画像を、対象物体及びそれに関連するＣＡＤモデルと同一の座標系内に置くことが可能になる。これによって、取得したスキャン結果と対象物体の各３Ｄモデルの関連付けが可能になり、将来の参照用の位置データを用意することも可能になる。このシステムでは、対象物体５４の座標系における３Ｄ座標位置データを取得するため、ローカル・ポジショニング・システム（ＬＰＳ）２４（図１２に示す）が使用される。例えば、図１２は、測定される境界の位置６０にレーザビーム３０を向けている、ＬＰＳ２４を示している。ＬＰＳ２４が既に対象物体５４の座標系に対して較正済みであると仮定すると、ＬＰＳ２４によって取得された境界の位置データ点は、対象物体５４の座標系における各境界の位置の座標を決定するために使用することができる。
【0057】
一実施形態によると、スキャン結果の境界の取得は、ＩＲＴスキャナ２１４（図５及び図８を参照）が特定の位置のスキャンデータをキャプチャしているときに、ＩＲＴシュラウド２１６の角を対象にすることによって達成され得る。これらのＬＰＳの境界の測定は、最初のスキャンよりも前及び最後のスキャンの後、またはグリッドシーケンス中の任意の中間位置において実施される。提案される一実施形態によると、ＩＲＴシュラウド２１６のコーナー（またはある既知の位置）は、能動的光学対象物（例えばＬＥＤ）もしくは受動的光学対象物、またはその他の視覚可能な特徴を有していることができる。受動的なアプローチは、システムオペレータがＬＰＳ２４を操作して、地点を標的にすることを必要とする。能動的なＬＥＤの対象物は、ＬＰＳカメラを使ってＬＥＤを検出する、自動アプローチを可能にする。理想的には、スキャンする領域の四隅全てを得ることがベストであろうが、ＩＲＴシュラウド２１６が、ときどき光学対象物を遮蔽してしまい、光学対象物を標的にすることが困難になる。プロセスのうちのこの部分で必要な光学対象物の最小数は２である。なぜならば、例えば、対象物体の３ＤＣＡＤモデルからの表面垂線を用いて、Ｘ×Ｙのスキャン領域の形状に関する仮定を作成することが可能だからである。
【0058】
ＬＰＳ２４のモータ付きのパンチルト制御アスペクトによって、ＬＰＳ２４が、当初位置基準値と、スキャンする所望の第１の位置を指し示す誘導機能を提供することも、可能になる。対象物体上の既知の位置に対してＬＰＳ２４の当初の較正を行った後、オペレータは、ＬＰＳ２４に指示して、ＬＰＳ２４のレーザポインターを対象面上の特定の３Ｄ座標に向けて照準することができる。このレーザスポット３８は、図１３に示されている。オペレータは次に、ロボットを駆動して、図１３に示すようにロボットのレーザ距離計２３６、２３８、及び２４０それぞれのレーザスポット３２ａ、３２ｂ、及び３２ｃを、ＬＰＳのレーザスポット３８の周囲にアライメントする。
【0059】
ＬＰＳ２４を使用して対象物体５４（例えば航空機）の座標系における測定値を取得するために、システムオペレータは、対象物体上の３つの既知の地点を必要とする。これらの３つの地点は較正点であり、スキャンのレジストレーションの目的で測定されたＩＲＴシュラウド２１６上の地点とは別である。これが意味するところは、スキャンデータを航空機の座標とアライメントしたい場合に、ＬＰＳの測定値の総数の最小値は、５個、即ちＬＰＳの当初較正用に３個、及びスキャンが行われた長方形領域を規定するために２個だということである。
【0060】
図１４は、一実施形態による、ロボット・対象物間の位置同定プロセスを実施することができるシステムの斜視図である。ロボット・対象物間の位置同定プロセスは、制御可能なパンチルトユニット４２上に単一のカメラ４０とレーザ距離計（図示せず）を備える、ＬＰＳ２４を用いて実施される。ＬＰＳの操作及び較正プロセスは、米国特許第７，８５９，６５５号で開示されており、同特許の開示は、全体として参照により本願に援用される。
【0061】
具体的には、図１４に示すローカル・ポジショニング・システムは、自動（遠隔操作）ズーム機能を有していてよい、ビデオカメラ４０を備える。ビデオカメラ４０は、パンチルト機構４２上で支持されている。ビデオカメラ４０及びパンチルト機構４２は、ＬＰＳ制御コンピュータ４８によって操作されてよい。ＬＰＳ制御コンピュータ４８は、ビデオ／コントロールケーブル４６を通してビデオカメラ４０及びパンチルト機構４２と通信を行う。代わりに、ＬＰＳ制御コンピュータ４８は、無線通信経路（図示せず）を通してビデオカメラ４０及びパンチルト機構４２と通信してもよい。ＬＰＳ制御コンピュータ４８は、レーザ距離計（図示せず）、ビデオカメラ４０、及びパンチルト機構４２を含む、ＬＰＳハードウエアの動作を制御するように構成されている。例えば、パンチルト機構４２のパン角及びチルト角、したがってビデオカメラ４０の配向は、コンピュータ４８のキーボードか、または他のユーザインターフェースハードウエア３６（例えばゲームパッド）を用いて制御され得る。ビデオカメラ４０で観測される光学的画像フィールドは、コンピュータ４８のモニタ３４上に表示され得る。
【0062】
パンチルト機構４２は、レーザ距離計（図示せず）及びビデオカメラ４０を、垂直な方位角（パン）軸及び水平な仰角（チルト）軸を中心に、選択した角度に回転式に調節するように制御される。三脚４４（または、上にパンチルトユニットが取り付けられる他のプラットフォーム）の固定座標系に対する、レーザ距離計（図示せず）及びビデオカメラ４０の配向を示す方向ベクトル６６（図１４に破線で示す）は、カメラが関心の地点を照準するときのパン角及びチルト角によって決定される。図１４では、方向ベクトル６６はレーザ距離計（図示せず）及びビデオカメラ４０から伸びており、シュラウド２１６の１つのコーナー上の地点９４ａと交差する。
【0063】
レーザ距離計は、方向ベクトル６６に沿ってレーザビームを伝送するように、カメラ４０のハウジング内に組み入れられているか、またはカメラ４０の外側に装着されていてよい。レーザ距離計は、シュラウド２１６上の任意の視覚可能な特徴（例えば、コーナー９４ａ－ｃのうちの１つ）までの距離、または湾曲したワークピース２０２上の任意の較正点（例えば地点９２ａ－ｃ）までの距離を、測定するように構成されている。（各較正点は、湾曲したワークピース２０２上の視覚可能な特徴、または湾曲したワークピース２０２に取り付けられた光学対象物であってよい。）レーザ距離計は、レーザと、衝突地点から反射したレーザビームに応答して検出されたレーザ光に基づいて距離を計算するように構成されたユニットとを有していてよい。
【0064】
図１４に示すローカル・ポジショニング・システムは、ＬＰＳ制御コンピュータ４８上にロードされた、３次元の位置同定ソフトウエアをさらに含む。例えば、三次元位置同定ソフトウエアは、湾曲したワークピース２０２に対するビデオカメラ４０の位置（配置及び配向）を規定するため、湾曲したワークピース２０２上の複数の較正点９２ａ－ｃを使うタイプのものであってよい。較正点９２ａ－ｃは、特徴位置の三次元データベース（例えば、ＣＡＤモデル）または他の測定技術によって決定された、湾曲したワークピース２０２の局所座標系内の既知の位置にある、視覚可能な特徴であってよい。ＬＰＳの較正プロセス中、非同一直線上の少なくとも３つの地点のＸ，Ｙ，Ｚデータが、ＣＡＤモデルから抽出される。典型的には、対象物体上で容易に位置を特定され得る特徴に相当する、較正点が選択される。三次元位置同定ソフトウエアは、較正点９２ａ－ｃのＸ，Ｙ，Ｚデータ、及びパンチルト機構４２のパンデータとチルトデータを利用して、湾曲したワークピース２０２の局所座標系に対するビデオカメラ４０の相対的な配置及び配向を規定する。較正点９２ａ－ｃまでの測定された距離は、湾曲したワークピース２０２に対するカメラの配置及び配向を求めるため、パンチルト機構４２から得たパン角及びチルト角と併せて使用され得る。計器・対象物間の較正変換マトリックス（時としてカメラポーズと称される）の生成方法は、米国特許第７，８５９，６５５号で開示されている。較正プロセスは、既知のデータ及び測定されたデータを使用して、湾曲したワークピース２０２に対するビデオカメラ４０の配置及び配向を規定する４×４の同次変換マトリクスを計算する。
【0065】
湾曲したワークピース２０２に対するビデオカメラ４０の配置及び配向が決定され、カメラポーズ変換マトリクスが生成されると、湾曲したワークピース２０２の座標系における、シュラウド２１６上の任意の関心地点のＸ、Ｙ、及びＺ座標を決定するために、ビデオカメラ４０の計算された配置及び配向と併せて、カメラのパンデータ（方位角軸を中心としたビデオカメラ４０の回転角度）及びチルトデータ（仰角軸を中心としたビデオカメラ４０の回転角度）が使用されてよい。スキャンパターンの最初と最後にシュラウド２１６の位置を特定することによって、湾曲したワークピース２０２の座標系におけるスキャンパターンの位置が決定され得る。
【0066】
具体的には、スキャンパターンの最初と最後に、湾曲したワークピース２０２の座標系におけるシュラウド２１６上の視覚可能な特徴（例えば、図１４に示すコーナー９４ａ－ｃのうちの任意の１つ）の位置を決定するために、相対的位置同定プロセスが使用され得る。シュラウド２１６に適用される基本的なプロセスのシーケンスは、以下のとおりである。（１）ローカル・ポジショニング・システムが、対象物体上の３つの既知の地点９２ａ－ｃを測定することによって、検査される対象物体（例えば湾曲したワークピース２０２）の座標系に対する較正を行う。（２）ロボットがスキャンパターンの最初（例えば図１２のスキャンエリア２６ａ）にいるときに、ローカル・ポジショニング・システムが、シュラウド２１６上の視覚可能な特徴（例えばコーナー９４ａ）の位置を測定する。（３）その後、ロボットがスキャンパターンの最後（例えば図１２のスキャンエリア２６ｆ）にいるときに、ローカル・ポジショニング・システムを使って、シュラウド２１６上の同一のまたは別の視覚可能な特徴（例えばコーナー９４ｂまたは９４ｃ）が測定される。（４）これによって、モザイクパターンを構成するスキャン範囲の境界を、オペレータが決定することが可能になる。
【0067】
コンピュータ４８上で実行されているＬＰＳ制御ソフトウエアは、湾曲したワークピース２０２の座標系に対する、シュラウド２１６上の各視覚可能な特徴の位置を計算する。ＬＰＳ制御コンピュータ４８（図１４参照）は、図１７に示す、将来の参照用に位置座標を記録するように構成されたエキスパートワークステーション７４に対して位置データを送信する。この位置データは、スキャンデータを対象物体のＣＡＤモデルとアライメントするためにも、用いられ得る。
【0068】
コンピュータ４８上のＬＰＳ制御ソフトウエアは地点データをＸ値、Ｙ値、及びＺ値として出力するが、部位９０の配置及び配向を与えるために制御アプリケーションが必要とするのは、単にＸ、Ｙ、Ｚのデータ点だけではない。配置と配向の問題を解決するため、３つの測定された地点９２ａ－ｃからのＸ、Ｙ、及びＺのデータ、並びにこれらの点の既知の寸法を使用して、完全な自由度６の配置及び配向の表現が計算される。これが、上記の位置同定ソフトウエアが行っていることである。位置同定ソフトウエアが使用する配置と配向のフォーマットは、４×４の変換マトリクスを使用しているが、データを表す他の方法も存在する。
【0069】
システムオペレータが相対的ＬＰＳスキャン（米国特許出願公開第２０１５／０２６８０３３号に記載）を実施したいと思う場合、オペレータは、対象物体上にある非同一直線上の任意の３点を使用することができるが、（標準的なＬＰＳ法の場合にそうであるように）これらの地点の３Ｄ座標をあらかじめ知っておく必要は、ない。システムオペレータは、関連するモードを使って対象物体の座標系における結果を取得しないであろうが、いくつかのアプリケーションでは、それは必要ないことである。相対的ＬＰＳ位置同定プロセスは、ＮＤＩセンサが以前の状況と同じ領域内でアライメントされるのを確実にするために、使用され得る。同プロセスは、いくつかの複数のスキャン結果をつなぎ合わせるのにもまた有用であるか、または、必要があればＬＰＳを動かすのにも有用である。
【0070】
上記で開示したとおり、このシステムは、レーザ、ストリングエンコーダ、超音波センサといった距離測定装置を、少なくとも３つの距離測定装置が非同一直線上にあるという基本的要件で使用する。距離センサを用いる構成（上記）では、三角形のフォーメーションに並んだ３個の距離測定レーザが使用される。代替的な実施形態では、４個の距離測定レーザが長方形のフォーメーションに配設されている。どちらの構成を使うかに関係なく、距離データは、エンドエフェクタの配向データと共にロボットコントローラ８０にフィードされる。現在の角度と所望の角度の間の誤差をゼロにするために、フィードバック制御方法が使用され得る。
【0071】
ここで、レーザ距離計を用いて角度を測定する方法が、図１５Ａ～図１５Ｃを参照して記載される。図１５Ａ～図１５Ｃは、共通平面上で三角形のパターンに配設され、対象物体５４の表面上のそれぞれの点に向けられた３つのレーザ距離計２３６、２３８、及び２４０であって、これらのレーザ距離計とこれらの点は、それぞれの距離で離れている、レーザ距離計の、それぞれ前面図、側面図、及び上面図である。
【0072】
３つのレーザは、対象物までの距離の測定に使用するのに加えて、ヨー角及びピッチ角の測定にもまた使用される。図１５Ａは、対象物体５４の表面までの測定された距離ｄ１、ｄ２、及びｄ３と共に、水平方向の寸法ａ及び垂直方向の寸法ｂを用いて、レーザ距離計２３６、２３８、及び２４０の互いに対する配置を示している。ピッチ角及びヨー角を計算するため、等式（１）及び（２）が使用され得る。
ＰｉｔｃｈＡｎｇｌｅ＝ａｔａｎ２（ｄ１－（ｄ２＋ｄ３）／２，ｂ） （１）
ＹａｗＡｎｇｌｅ＝ａｔａｎ２（ｄ２－ｄ３，ａ） （２）
式中、ピッチ角及びヨー角は、図１５Ａ－図１５Ｃに示すアライメント機器に関して、現在計算された、対象物体５４の表面に対する角度である。現在の位置に垂直な表面に対して測定されるこれらの角度の目標値はゼロに等しく、この目標角度を達成するためのプロセスが以下に記載される。
ＰｉｔｃｈＡｎｇｌｅ＝ａｔａｎ２（ｄ１－（ｄ２＋ｄ３）／２，ｂ） （１）
ＹａｗＡｎｇｌｅ＝ａｔａｎ２（ｄ２－ｄ３，ａ） （２）
式中、ピッチ角及びヨー角は、図１５Ａ－図１５Ｃに示すアライメント機器に関して、現在計算された、対象物体５４の表面に対する角度である。現在の位置に垂直な表面に対して測定されるこれらの角度の目標値はゼロに等しく、この目標角度を達成するためのプロセスが以下に記載される。
【0073】
現在のヨー角及びピッチ角が計算されることで、システムモーションコントローラは、制御される動作（パン、チルト、及び距離）のための速度制御法を使用することができる。現在の角度と所望の角度の間の誤差をゼロにするために、比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラといったフィードバックコントローラが使用され得る。ピッチ及びヨーの動作制御を計算するため、等式（３）及び（４）が使用され得る。
ＰｉｔｃｈＲａｔｅ＝Ｋｐｐｉｔｃｈ＊（ＰｉｔｃｈＡｎｇｌｅ－ＰｉｔｃｈＡｎｇｌｅｇｏａｌ） （３）
ＹａｗＲａｔｅ＝Ｋｐｙａｗ＊（ＹａｗＡｎｇｌｅ－ＹａｗＡｎｇｌｅｇｏａｌ） （４）
式中、ＰｉｔｃｈＲａｔｅ及びＹａｗＲａｔｅはそれぞれアライメント器具のピッチ軸を中心にした角回転速度と、ベースのヨー軸を中心にした角回転速度を示しており、Ｋｐｐｉｔｃｈ及びＫｐｙａｗはそれぞれピッチ軸とヨー軸に関連する比例フィードバックゲインであり、ＰｉｔｃｈＡｎｇｌｅ及びＹａｗＡｎｇｌｅはそれぞれ等式（１）及び（２）から計算された角度であり、ＰｉｔｃｈＡｎｇｌｅｇｏａｌ及びＹａｗＡｎｇｌｅｇｏａｌはコントローラがシステムを向かわせる所望の目標角度である（上記のとおり、本実施例ではこの角度はどちらもゼロである）。積分及び微分フィードバックもまた使用され得るが、ここでは示さない。
ＰｉｔｃｈＲａｔｅ＝Ｋｐｐｉｔｃｈ＊（ＰｉｔｃｈＡｎｇｌｅ－ＰｉｔｃｈＡｎｇｌｅｇｏａｌ） （３）
ＹａｗＲａｔｅ＝Ｋｐｙａｗ＊（ＹａｗＡｎｇｌｅ－ＹａｗＡｎｇｌｅｇｏａｌ） （４）
式中、ＰｉｔｃｈＲａｔｅ及びＹａｗＲａｔｅはそれぞれアライメント器具のピッチ軸を中心にした角回転速度と、ベースのヨー軸を中心にした角回転速度を示しており、Ｋｐｐｉｔｃｈ及びＫｐｙａｗはそれぞれピッチ軸とヨー軸に関連する比例フィードバックゲインであり、ＰｉｔｃｈＡｎｇｌｅ及びＹａｗＡｎｇｌｅはそれぞれ等式（１）及び（２）から計算された角度であり、ＰｉｔｃｈＡｎｇｌｅｇｏａｌ及びＹａｗＡｎｇｌｅｇｏａｌはコントローラがシステムを向かわせる所望の目標角度である（上記のとおり、本実施例ではこの角度はどちらもゼロである）。積分及び微分フィードバックもまた使用され得るが、ここでは示さない。
【0074】
基本的な速度の等式は以下のとおりである。
Ｖｅｌｘ＝Ｋｐｘ＊（ＭｉｎＤｉｓｔｘ－ｏｆｆｓｅｔｘ） （５）
Ｖｅｌｙ＝Ｋｐｙ＊（ＭｉｎＤｉｓｔｙ－ｏｆｆｓｅｔｙ） （６）
式中、Ｖｅｌｘ及びＶｅｌｙはベースの水平方向の速度であり、Ｋｐｘ及びＫｐｙはそれぞれベースのＸ方向及びＹ方向に関する比例フィードバックゲインであり、ＭｉｎＤｉｓｔｘ及びＭｉｎＤｉｓｔｙはそれぞれＸ方向及びＹ方向にレーザで測定した最小値であり、ｏｆｆｓｅｔｘ及びｏｆｆｓｅｔｙは目標のオフセット距離である。ある用途に関しては、レーザは、Ｘ方向とＹ方向の両方を測定するようには構成されていない。その場合には、このアライメントプロセスに関連づけられたＸまたはＹの速度制御の等式は、使用されないであろう。
Ｖｅｌｘ＝Ｋｐｘ＊（ＭｉｎＤｉｓｔｘ－ｏｆｆｓｅｔｘ） （５）
Ｖｅｌｙ＝Ｋｐｙ＊（ＭｉｎＤｉｓｔｙ－ｏｆｆｓｅｔｙ） （６）
式中、Ｖｅｌｘ及びＶｅｌｙはベースの水平方向の速度であり、Ｋｐｘ及びＫｐｙはそれぞれベースのＸ方向及びＹ方向に関する比例フィードバックゲインであり、ＭｉｎＤｉｓｔｘ及びＭｉｎＤｉｓｔｙはそれぞれＸ方向及びＹ方向にレーザで測定した最小値であり、ｏｆｆｓｅｔｘ及びｏｆｆｓｅｔｙは目標のオフセット距離である。ある用途に関しては、レーザは、Ｘ方向とＹ方向の両方を測定するようには構成されていない。その場合には、このアライメントプロセスに関連づけられたＸまたはＹの速度制御の等式は、使用されないであろう。
【0075】
ベースフレーム６２、１つの対角線上にある一対のタイプＡのメカナムホイールＷ１及びＷ３、並びにもう１つの対角線上にある一対のタイプＢのメカナムホイールＷ２及びＷ４を備えるホロノミック運動のベースプラットフォームに関して、４つの個別の車輪の速度を計算するために、運動学を使用することができる。ビークルの寸法（Ｌ及びＤ）、並びに所望の回転点（距離ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２で示す）が、図１６に示されている。車輪Ｗ１～Ｗ４に関する個別の車輪の速度は、等式（７）～（１０）に示されている。
ＶＷ１＝Ｖｅｌｙ－Ｖｅｌｘ＋ＹａｗＲａｔｅ＊（ａ１＋ｂ１） （７）
ＶＷ２＝Ｖｅｌｙ＋Ｖｅｌｘ－ＹａｗＲａｔｅ＊（ａ１＋ｂ２） （８）
ＶＷ３＝Ｖｅｌｙ－Ｖｅｌｘ－ＹａｗＲａｔｅ＊（ａ２＋ｂ２） （９）
ＶＷ４＝Ｖｅｌｙ＋Ｖｅｌｘ＋ＹａｗＲａｔｅ＊（ａ２＋ｂ１） （１０）
式中、Ｖｗｉ（ｉ＝１，２，３，４）は個別の車輪の速度であり、Ｖｅｌｘ及びＶｅｌｙは等式（５）及び（６）から得られた水平方向の速度であり、ＹａｗＲａｔｅは等式（４）から得られたヨー回転速度であり、ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２は図１６に示す回転点までの距離である。
ＶＷ１＝Ｖｅｌｙ－Ｖｅｌｘ＋ＹａｗＲａｔｅ＊（ａ１＋ｂ１） （７）
ＶＷ２＝Ｖｅｌｙ＋Ｖｅｌｘ－ＹａｗＲａｔｅ＊（ａ１＋ｂ２） （８）
ＶＷ３＝Ｖｅｌｙ－Ｖｅｌｘ－ＹａｗＲａｔｅ＊（ａ２＋ｂ２） （９）
ＶＷ４＝Ｖｅｌｙ＋Ｖｅｌｘ＋ＹａｗＲａｔｅ＊（ａ２＋ｂ１） （１０）
式中、Ｖｗｉ（ｉ＝１，２，３，４）は個別の車輪の速度であり、Ｖｅｌｘ及びＶｅｌｙは等式（５）及び（６）から得られた水平方向の速度であり、ＹａｗＲａｔｅは等式（４）から得られたヨー回転速度であり、ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２は図１６に示す回転点までの距離である。
【0076】
エンドエフェクタの枢動軸に関する基本的な構成は、以下のとおりである。（ａ）一軸式枢動軸の場合：モータ１つ、角度センサ１つ。（ｂ）二軸式のジンバルの場合：モータ２つ、角度センサ２つ。
【0077】
上記のアライメントプロセスは、別個のセンサアップデートと連続したセンサアップデートのどちらのユースケースにも対処するものであり、そのコンセプトは、スタンドアロンシステムとして、または既存のシステムの一部としてパッケージ化することも可能である。
【0078】
本書で開示するコンセプトは、ホロノミック運動のベースプラットフォーム向けに用途を有するものであるが、変形形態は他のシステムにも適用可能である。可能性があるユースケースは、ホロノミック及び非ホロノミックのプラットフォーム、多関節ロボットアーム、ガントリーアーム、ハイブリッド動作のベース／アームシステム、ヘリコプタ及びＵＡＶ、カメラ、ライト、並びにツールを含む。
【0079】
本書で開示されるレーザベースのアライメントプロセスは、ロボットにオンラインでティーチングを行うかまたはオフラインでプログラミングをする必要なしに、システムの稼働を可能にする。それによって、このアプローチがより使いやすいものになる。このプロセスによって、エンドエフェクタが、環境内の予期せぬ変化に適応しながら所定の場所に誘導される。このシステムは、リストまたはあらかじめプログラムされた動作のステップをやり通す代わりに、センサからのフィードバックを使って、アライメント、グリッドベースの動作、及びスキャン処理の中の様々なステップ間の遷移を行う、有限状態機械として動作する。
【0080】
アライメントセンサはまた、エンドエフェクタに衝突回避機能も提供する。このシステムの構成によって、地上のホロノミックプラットフォームからクラウン部（頂部）までずっと、胴体の各エリアに届くことが可能になっている。この解決法は、外部測定システム（ＬＰＳ）を用いた位置基準データの収集に関する、オプションのプロセスを提供する。
【0081】
対象物体（例えば航空機）の座標系において規定された位置データを収集する機能によって、整備／修理用途向けのスキャンデータのＣＡＤデータとの正確なレジストレーション、及び保管目的で位置情報を記録する方法が可能になる。
【0082】
回転リスト及びモジュラーツール用マウントの付いた垂直延長アームと、アライメント用センサ要素とを用いたこのシステムの構成は、最小限の地上接触面積で胴体周りの必要なエリアに到達できる、コンパクトで比較的低コストのプラットフォームを提供する。
【0083】
本書で開示されるシステムは、渦電流センサ、超音波センサ、及び赤外線サーモグラフィ（ＩＲＴ）センサを含む、エンドエフェクタに装着された様々なタイプのＮＤＩ装置を受容するように構成され得る。延長アームに枢動式エンドエフェクタが付いた垂直支持マストによって、航空機の胴体部の高さ全体の検査が可能になる。ホロノミック運動のベースによって、胴体の長さに沿ったセンサユニットの効率的な再配置が可能になる。動作制御ソフトウエアによって、グリッドパターンによるスキャン結果が一部重なるようにして自動でキャプチャすることが可能になる。スキャン結果と航空機の座標とのアライメントのため、基準位置データがキャプチャされる。
【0084】
このシステムは、稼働中、オペレータによって開始領域のおよその位置に駆動（遠隔操作）されることができる。システムはその後、航空機の胴体のどちらかの側に沿って、オペレータに規定された垂直及び水平のパターンで配列されたグリッドのスキャンを自動的に取得するように構成されている。本書で使用されている動作制御アルゴリズムの特徴のうちの１つは、このアルゴリズムが、システム用に個別にあらかじめ規定された動作経路を必要とする代わりに、距離センサフィードバックを伴っていることである。その結果、使用が簡便化され、セットアップ時間が削減される。スキャン結果の位置を航空機の座標系内で正確に特定するために、スキャン結果の境界領域の３Ｄ座標位置が測定される。航空機の座標系における３Ｄ座標の位置データを取得するため、ローカル・ポジショニング・システムが使用される。次に、ＮＤＩのスキャン結果を適切な航空機の座標系とアライメントするために、この基準位置データが使用される。
【0085】
図１７は、１つのコンピュータアーキテクチャによる、大型の複合材構造体の赤外線サーモグラフィ検査用システムの、いくつかの構成要素を特定するブロック図である。ロボット６４の動作は、有限状態機械と、少なくとも距離センサ（例えば３つのレーザ距離計）からのフィードバックとに基づいて、ロボットコントローラ８０によって制御される。ＬＰＳ２４の動作及び発射は、ＬＰＳ制御コンピュータ４８によって制御される。ＬＰＳ制御コンピュータ４８は、ＬＰＳ２４からのレーザ追跡データもまた受信する。赤外線カメラ４及びフラッシュランプ６の起動は、赤外線サーモグラフィコンピュータ８によって制御される。赤外線サーモグラフィコンピュータ８は、赤外線カメラ４から赤外線画像データもまた受信する。これらのコンピュータは全て、エキスパートワークステーション７４のマスターコンピュータと有線通信または無線通信可能であり得る。エキスパートワークステーション７４のマスターコンピュータは、レーザ追跡データと赤外線撮像データとを相関させるようにプログラムされていてよい。マスターコンピュータは、さらに、３Ｄモデルデータベースサーバ９６に３Ｄモデルデータを要求するようにプログラムされていてよい。サーモグラフィによる空隙率の測定の場合には、エキスパートワークステーション７４のマスターコンピュータは、基準熱痕跡データベースサーバ９８に基準熱痕跡データを要求するようにも、プログラムされていてよい。
【0086】
ＬＰＳ制御コンピュータ４８は、複合材構造体の３Ｄ座標系における、赤外線カメラ４に関する位置データを取得する。樽形の胴体部の場合には、赤外線撮像データは、胴体部の３Ｄモデル上に直接マッピングすることができる。赤外線撮像データを３Ｄモデルデータにオーバーレイすることによって、データ分析の向上と潜在的なデータ分析の自動化が可能になる。例えば、赤外線撮像データを３Ｄモデル上に直接オーバーレイすることによって、特徴／欠陥の表示を胴体構造物と直接相関させることができる。加えて、モデル上へのデータの直接のオーバーレイは、空隙率の定量化に必要な局所または空間点の厚さを決定するのに使用され得る。一実施形態では、このプロセスは、エキスパートワークステーション７４でモニタ上またはコンピュータスクリーン上に表示されたバーチャル環境で３Ｄモデルの表面上にプロジェクションされた、１つ以上のコンピュータグラフィックのテクスチャマップとして、赤外線画像データの細長片を貼り付けることを含む。
【0087】
様々な実施形態を参照しながら対象物体に対するロボットエンドエフェクタの位置を制御する方法が説明されてきたが、当業者は、本書の教示の範囲から逸脱することなく、様々な変形例が可能であること、及びその要素を均等物で置換できることを理解するだろう。加えて、その範囲から逸脱することなく、多数の修正を行って本明細書の教示を特定の状況に適合させることができる。したがって、特許請求の範囲は、本書に開示される特定の実施形態に限定されないことが意図されている。
【0088】
特許請求の範囲で使用される場合、「位置」という用語は、３次元座標系における配置及び当該座標系に対する配向を含む。特許請求の範囲で使用される場合、「エンドエフェクタを動かす」という用語は、ベースプラットフォームを地面に対して動かすか、ロボットアームをベースプラットフォームに対して動かすか、エンドエフェクタをロボットアームに対して動かすか、のうちの少なくとも１つ以上を含むように、広範に解釈すべきである。
【0089】
本書に記載の方法は、限定しないが、記憶装置及び／またはメモリ装置を含む、非一過性の有形コンピュータ可読媒体内で実装される実行可能な命令として符号化され得る。こうした命令は、処理システムまたはコンピュータシステムで実行された場合、本書に記載された方法の少なくとも一部をシステム装置に行わせることができる。
【0090】
さらに、本発明は、以下の条項による実施形態を含む。
【0091】
条項１．対象物体に対するロボット移動プラットフォームのエンドエフェクタの位置を制御する方法であって、
エンドエフェクタを第１の位置に動かすことと、
有限状態機械制御アプリケーションによって特定された動作をロボットコントローラが実行できるようにすることとを含み、この動作は、
エンドエフェクタが第１の位置にある間に、エンドエフェクタに装着された第１、第２、及び第３の距離センサから距離データを取得することであって、取得された距離データは、第１、第２、及び第３の距離センサが対象物体の表面上のそれぞれのエリアから離れているそれぞれの距離を表す、取得することと、
この距離データを使ってエンドエフェクタを対象物体に対してアライメントすることによって、エンドエフェクタを第１の位置から第１のグリッド位置へと動かすこととを含む、方法。
エンドエフェクタを第１の位置に動かすことと、
有限状態機械制御アプリケーションによって特定された動作をロボットコントローラが実行できるようにすることとを含み、この動作は、
エンドエフェクタが第１の位置にある間に、エンドエフェクタに装着された第１、第２、及び第３の距離センサから距離データを取得することであって、取得された距離データは、第１、第２、及び第３の距離センサが対象物体の表面上のそれぞれのエリアから離れているそれぞれの距離を表す、取得することと、
この距離データを使ってエンドエフェクタを対象物体に対してアライメントすることによって、エンドエフェクタを第１の位置から第１のグリッド位置へと動かすこととを含む、方法。
【0092】
条項２．アライメントすることは、エンドエフェクタの軸が対象物体の表面に対して垂直になるようにエンドエフェクタを回転させることを含む、条項１に記載の方法。
【0093】
条項３．エンドエフェクタを回転させることは、エンドエフェクタをピッチ軸について回転させることを含む、条項２に記載の方法。
【0094】
条項４．ロボット移動プラットフォームのベースをヨー軸について回転させることをさらに含む、条項３に記載の方法。
【0095】
条項５．アライメントすることは、エンドエフェクタが対象物体の表面から目標オフセット距離で離れるようにエンドエフェクタを移動させることをさらに含む、条項２から４のいずれか一項に記載の方法。
【0096】
条項６．アライメントすることは、エンドエフェクタが対象物体の表面から目標オフセット距離で離れるようにエンドエフェクタを移動させることをさらに含む、条項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【0097】
条項７．対象物体の座標系における外部追跡システムの位置の座標を計算することをさらに含む、条項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【0098】
条項８．外部追跡システムによって作り出されたレーザビームを、対象物の表面上の特定の座標位置に照準し、それによってレーザスポットを形成することをさらに含み、エンドエフェクタを第１の位置に移動することは、ロボット移動プラットフォームを駆動して、第１、第２、及び第３の距離計によって作り出されたレーザスポットを外部追跡システムによって作り出されたレーザスポットの周囲にアライメントすることをさらに含む、条項７に記載の方法。
【0099】
条項９．エンドエフェクタが第１のグリッド位置にある間に、外部追跡システムを用いて、対象物体の座標系における、エンドエフェクタに装着されたツール上の視覚可能な特徴の座標を計算することをさらに含む、条項７または８に記載の方法。
【0100】
条項１０．有限状態機械の制御アプリケーションによって特定される動作が、
エンドエフェクタが第１のグリッド位置にある間に、エンドエフェクタに装着されたツールを起動することと、
有限状態機械の制御アプリケーションを使ってエンドエフェクタを第１のグリッド位置から第２の位置に動かすことと、
有限状態機械の制御アプリケーションを使ってエンドエフェクタを対象物体とアライメントすることによって、エンドエフェクタを第２の位置から第２のグリッド位置に動かすことと、
エンドエフェクタが第２のグリッド位置にある間に、ツールを起動することと
をさらに含む、条項１から９のいずれか一項に記載の方法。
エンドエフェクタが第１のグリッド位置にある間に、エンドエフェクタに装着されたツールを起動することと、
有限状態機械の制御アプリケーションを使ってエンドエフェクタを第１のグリッド位置から第２の位置に動かすことと、
有限状態機械の制御アプリケーションを使ってエンドエフェクタを対象物体とアライメントすることによって、エンドエフェクタを第２の位置から第２のグリッド位置に動かすことと、
エンドエフェクタが第２のグリッド位置にある間に、ツールを起動することと
をさらに含む、条項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【0101】
条項１１．ツールは赤外線サーモグラフィスキャナであり、有限状態機械制御アプリケーションによって特定される動作がさらに、
エンドエフェクタが第１のグリッド位置にある間に、第１の赤外線サーモグラフィスキャン結果を取得することと、
エンドエフェクタが第２のグリッド位置にある間に、第２の赤外線サーモグラフィスキャン結果を取得することとを含む、条項１０に記載の方法。
エンドエフェクタが第１のグリッド位置にある間に、第１の赤外線サーモグラフィスキャン結果を取得することと、
エンドエフェクタが第２のグリッド位置にある間に、第２の赤外線サーモグラフィスキャン結果を取得することとを含む、条項１０に記載の方法。
【0102】
条項１２．第１の赤外線サーモグラフィスキャン結果と第２の赤外線サーモグラフィスキャン結果とをつなぎ合わせることをさらに含む、条項１１に記載の方法。
【0103】
条項１３．複数の回転要素及び、前記複数の回転要素にそれぞれ連結された複数のモータを備える自走可能な移動ベースプラットフォームと、
ベースプラットフォームに支持された垂直に延長可能なマストと、
垂直に延長可能なマストに固定して連結された近位端を有するアームと、
アームの遠位端に枢動可能に連結されたエンドエフェクタと、
有限状態機械の制御アプリケーションが保存されている非一過性の有形コンピュータ可読記憶媒体と、
第１、第２、及び第３の距離センサであって、エンドエフェクタに装着され、第１、第２、及び第３の距離センサが対象物体の表面上のそれぞれのエリアから離れているそれぞれの距離を表す距離データを取得するように構成された第１、第２、及び第３の距離センサと、
第１、第２、及び第３の距離センサの動作を制御し、且つ有限状態機械の制御アプリケーションによって生成されたコマンドに従ってエンドエフェクタを地面に対して動かすように構成されたコントローラと
を備えるロボット移動プラットフォームであって、有限状態機械の制御アプリケーションが、第１、第２、及び第３の距離センサが取得した距離データを使ってエンドエフェクタを動かすためにコントローラによって実行可能な命令を生成する方法を含む、ロボット移動プラットフォーム。
ベースプラットフォームに支持された垂直に延長可能なマストと、
垂直に延長可能なマストに固定して連結された近位端を有するアームと、
アームの遠位端に枢動可能に連結されたエンドエフェクタと、
有限状態機械の制御アプリケーションが保存されている非一過性の有形コンピュータ可読記憶媒体と、
第１、第２、及び第３の距離センサであって、エンドエフェクタに装着され、第１、第２、及び第３の距離センサが対象物体の表面上のそれぞれのエリアから離れているそれぞれの距離を表す距離データを取得するように構成された第１、第２、及び第３の距離センサと、
第１、第２、及び第３の距離センサの動作を制御し、且つ有限状態機械の制御アプリケーションによって生成されたコマンドに従ってエンドエフェクタを地面に対して動かすように構成されたコントローラと
を備えるロボット移動プラットフォームであって、有限状態機械の制御アプリケーションが、第１、第２、及び第３の距離センサが取得した距離データを使ってエンドエフェクタを動かすためにコントローラによって実行可能な命令を生成する方法を含む、ロボット移動プラットフォーム。
【0104】
条項１４．第１、第２、及び第３の距離センサがレーザ距離計である、条項１３に記載のロボット移動プラットフォーム。
【0105】
条項１５．エンドエフェクタに装着されたツールをさらに備える、条項１４に記載のロボット移動プラットフォーム。
【0106】
条項１６．ツールが、赤外線サーモグラフィ用スキャナである、条項１５に記載のロボット移動プラットフォーム。
【0107】
条項１７．赤外線サーモグラフィ用スキャナがシュラウドを備える、条項１６に記載のロボット移動プラットフォーム。
【0108】
条項１８．コントローラは、有限状態機械制御アプリケーションを用いてエンドエフェクタを対象物体とアライメントすることによって、エンドエフェクタを第１の位置から第２の位置に動かすようにさらに構成され、アライメントすることは、エンドエフェクタの軸が対象物体の表面に垂直になるようにエンドエフェクタを回転させることを含む、条項１３から１７のいずれか一項に記載のロボット移動プラットフォーム。
【0109】
条項１９．アライメントすることは、エンドエフェクタが対象物体の表面から目標オフセット距離で離れるようにエンドエフェクタを動かすことをさらに含む、条項１８に記載のロボット移動プラットフォーム。
【0110】
条項２０．ロボット移動プラットフォームのエンドエフェクタの対象物体に対する位置を制御する方法であって、有限状態機械制御アプリケーションによって特定された動作をロボットコントローラが実行できるようにすることとを含み、この動作は、
（ａ）グリッドパターンを表す予め保存されたグリッドパターンデータに従って、対象物体の表面と接していない基準位置にエンドエフェクタを動かすことと、
（ｂ）エンドエフェクタがアライメントされていない位置にある間に、エンドエフェクタに装着された第１、第２、及び第３の距離センサから距離データを取得することであって、取得された距離データは、第１、第２、及び第３の距離センサが対象物体の表面上のそれぞれのエリアから離れているそれぞれの距離を表す、取得することと、
（ｃ）この距離データを使ってエンドエフェクタを対象物体とアライメントすることによって、エンドエフェクタを、基準位置からアライメントされた位置へ移動することと、
（ｄ）エンドエフェクタがアライメントされた位置にある間に、エンドエフェクタに取り付けられたツールを作動させることと、
（ｅ）グリッドパターンの複数のアライメントされる位置の１つずつに関して、ステップ（ａ）から（ｄ）を繰り返すこととを含む、方法。
（ａ）グリッドパターンを表す予め保存されたグリッドパターンデータに従って、対象物体の表面と接していない基準位置にエンドエフェクタを動かすことと、
（ｂ）エンドエフェクタがアライメントされていない位置にある間に、エンドエフェクタに装着された第１、第２、及び第３の距離センサから距離データを取得することであって、取得された距離データは、第１、第２、及び第３の距離センサが対象物体の表面上のそれぞれのエリアから離れているそれぞれの距離を表す、取得することと、
（ｃ）この距離データを使ってエンドエフェクタを対象物体とアライメントすることによって、エンドエフェクタを、基準位置からアライメントされた位置へ移動することと、
（ｄ）エンドエフェクタがアライメントされた位置にある間に、エンドエフェクタに取り付けられたツールを作動させることと、
（ｅ）グリッドパターンの複数のアライメントされる位置の１つずつに関して、ステップ（ａ）から（ｄ）を繰り返すこととを含む、方法。
【0111】
条項２１．アライメントすることは、エンドエフェクタの軸が対象物体の表面と垂直になるように、エンドエフェクタを回転させることと、エンドエフェクタが対象物体の表面から目標オフセット距離で離れるように、エンドエフェクタを移動させることとを含む、条項２０に記載の方法。
【0112】
条項２２．ツールは赤外線サーモグラフィスキャナであり、有限状態機械制御アプリケーションによって特定される動作が、エンドエフェクタがそれぞれのアライメントされた位置にある間に、それぞれの赤外線サーモグラフィスキャン結果を取得することをさらに含み、赤外線サーモグラフィスキャン結果をつなぎ合わせることをさらに含む、条項２０または２１に記載の方法。
【0113】
以下で説明されるプロセスの請求項について、請求項内で列挙されているステップは、請求項の文言が、これらのステップのうちの一部または全部が実施される具体的な順序を示す条件を明示的に特定または記載していない限り、アルファベット順（請求項中のアルファベット順表記は全て、既出のステップを参照する目的でのみ使用されている）またはこれらのステップの記載順に実施される必要があると解釈すべきではない。また、プロセスの請求項は、２つ以上のステップの任意の部分が同時にまたは交互に実施されることを、請求項の文言がそうした解釈を明示的に除外していない限り、排除していると解釈されるべきではない。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図11A】
【図11B】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15-1】
【図15-2】
【図16】
【図17】