非破坏性超声检查设备、系统和方法
【技术领域】
[0001] 本公开一般地涉及检测部件的结构特性，并且更具体地，涉及使用超声检查探头 来检测部件中的畸形或损坏。
【背景技术】
[0002] 经受负载或暴露于各种环境因素的结构对诸如破裂、腐蚀、剥离等的损坏敏感。另 外，一些结构包括在制造过程期间形成的畸形。对结构的损坏和结构中的畸形可能导致审 美缺陷、结构降级、低效、性能差以及甚至灾难性故障。因此，可能期望对结构的损坏的检测 以减轻或防止这样的负面后果的发生。在一些情况下，能够通过损坏的检测和修理来减轻 或防止对结构的损坏的负面后果。
[0003] -些结构包括特别对损坏敏感的特征。例如，裂缝往往形成在特定结构（诸如飞 机）的表面中的紧固件孔处并且发源于特定结构（诸如飞机）的表面中的紧固件孔。
【发明内容】
[0004] 已经响应于目前现有技术水平并且具体地响应于仍然尚未由当前可用的技术完 全地解决的与包括飞机的各种结构中的损坏（诸如裂缝形成）和畸形（诸如剥离或空位） 相关联的问题以及用于检测所述损坏和所述畸形的需要而开发了本申请的主题。因此，本 申请的主题已被开发来提供克服了现有技术的以上讨论的缺点中的至少一些的用于检测 结构中的畸形和损坏的设备、系统和方法。
[0005] 根据一个实施方式，一种用于检查部件的系统包括有部件表面接口的超声检查探 头。所述系统还包括具有连接至所述超声检查探头的末端执行器的机器人装置。所述机器 人装置能够被自动地可控制以跨越所述部件的表面移动所述超声检查探头。另外，所述系 统包括连接在所述超声检查探头与所述末端执行器之间的角度传感器子系统。所述角度传 感器子系统被构造为可操作地检测所述末端执行器相对于所述部件的所述表面的目前检 查的部分的实际定向。所述系统包括控制器，该控制器被构造为：从所述角度传感器子系统 接收定向数据，所述定向数据包括所述末端执行器的所述实际定向；将所述实际定向与期 望的定向相比较；并且控制所述机器人装置以将所述末端执行器的定向调整为在所述期望 的定向上。
[0006] 在所述系统的一个实现中，所述期望的定向与所述末端执行器的与所述部件的所 述表面的所述目前检查的部分垂直的纵轴相关联。
[0007] 根据一个实现，所述系统还包括连接在所述检查探头与所述末端执行器之间的关 节子系统。所述关节子系统被构造为可操作地维持所述部件表面接口与所述部件的所述表 面的所述目前检查的部分适当地啮合。在实现中所述关节子系统包括连接在所述超声检查 探头与所述末端执行器之间的双轴万向节结构。所述双轴万向节结构能够被构造为被动地 吸收所述超声检查探头的俯仰和横滚（roll)移动。在实现中，所述关节子系统还包括连接 在所述双轴万向节结构与所述末端执行器之间的气动致动器。所述气动致动器被构造为沿 着与所述部件的所述表面的所述目前检查的部分基本上垂直的轴经由所述双轴万向节结 构被动地吸收所述超声检查探头的移动。在实现中所述角度传感器子系统包括连接至所述 双轴万向节结构的多个换能器。根据一个实现，所述多个换能器包括连接至所述双轴万向 节结构的各个轴的旋转可变差动变压器（RVDT)。
[0008] 根据又一个实现，所述超声检查探头包括外壳、连接至所述外壳的超声阵列和所 述外壳的部件表面接口。所述部件表面接口包括液体耦合剂端口、可与所述部件的表面啮 合的啮合唇和至少一个真空端口。所述啮合唇周向限定所述液体耦合剂端口并且所述至少 一个真空端口周向限定所述啮合唇。所述至少一个真空端口可与真空源流体地连接。所述 超声检查探头还包括布置在所述超声阵列与所述部件表面接口的所述液体耦合剂端口之 间的液体耦合剂室。所述液体耦合剂室与所述液体耦合剂端口流体连通并且所述液体耦合 剂室可与液体耦合剂供应源流体地连接。另外，所述超声检查探头包括连接至所述外壳并 且构造为可操作地维持所述部件表面接口的所述啮合唇与所述部件的所述表面的所述目 前检查的部分适当地啮合的关节子系统。
[0009] 在又一个实施方式中，一种用于检查部件的设备包括外壳、连接至所述外壳的超 声阵列和所述外壳的部件表面接口。所述部件表面接口包括液体耦合剂端口、可与所述部 件的表面啮合的啮合唇和至少一个真空端口。所述啮合唇周向限定所述液体耦合剂端口并 且所述至少一个真空端口周向限定所述啮合唇。所述至少一个真空端口可与真空源流体地 连接。所述设备还包括布置在所述超声阵列与所述部件表面接口的所述液体耦合剂端口之 间的液体耦合剂室。所述液体耦合剂室与所述液体耦合剂端口流体连通并且所述液体耦合 剂室可与液体耦合剂供应源流体地连接。所述设备还包括连接至所述外壳并且构造为可操 作地维持所述部件表面接口与所述部件的所述表面的目前检查的部分适当地啮合的关节 子系统。
[0010] 在一个实现中，所述设备定义从所述超声阵列延伸并且通过所述液体耦合剂室和 所述液体耦合剂端口的中心轴。所述关节子系统被构造为可操作地维持所述中心轴与所述 部件的所述表面的所述目前检查的部分基本上垂直。根据实现，所述液体耦合剂室包括沿 着所述中心轴并且通过所述液体耦合剂端口的基本上均匀的横截面形状。
[0011] 根据一个实现，所述部件表面接口的所述啮合唇相对于所述至少一个真空端口突 出，以可相对于所述至少一个真空端口被定位为更靠近所述部件的所述表面。
[0012] 在实现中，所述外壳连接至机器人装置的末端执行器。所述机器人装置能够被自 动地可控制以跨越所述部件的所述表面移动所述设备。在一个实现中所述关节子系统包括 连接在所述外壳与所述末端执行器之间的双轴万向节结构。所述双轴万向节结构被构造为 被动地吸收所述外壳的俯仰和横滚移动。所述关节子系统还包括连接在所述双轴万向节结 构与所述末端执行器之间的气动致动器。所述气动致动器被构造为沿着与所述部件的所述 表面的所述目前检查的部分基本上垂直的轴经由所述双轴万向节结构被动地吸收所述外 壳的移动。
[0013] 根据实现，所述设备还包括连接至所述双轴万向节结构的角度传感器子系统。所 述角度传感器子系统被构造为检测所述末端执行器相对于所述部件的所述表面的所述目 前检查的部分的实际定向。所述设备还包括控制器，该控制器被构造为：从所述角度传感器 子系统接收与所述末端执行器的所述实际定向对应的定向数据；将所述实际定向与期望的 定向相比较；并且控制所述机器人装置以将所述末端执行器的所述实际定向调整为在所述 期望的定向上。所述期望的定向包括所述末端执行器的与所述部件的所述表面的所述目前 检查的部分垂直的纵轴。所述角度传感器子系统可以是连接至所述双轴万向节结构的多个 换能器。在一个实现中所述多个换能器包括连接至所述双轴万向节结构的各个轴的RVDT。
[0014] 根据另一实施方式，一种用于检查部件的方法包括以下步骤：跨越所述部件的表 面用机器人移动超声检查探头以检查所述部件的结构特性。移动所述超声检查探头可以包 括利用所述超声检查探头连接至的末端执行器来自动地控制机器人装置。所述方法包括检 测所述末端执行器相对于所述部件的所述表面的目前检查的部分的实际定向。检测所述末 端执行器的所述实际定向包括从连接在所述超声检查探头与所述末端执行器之间的角度 传感器子系统接收定向数据。另外，所述方法包括将所述实际定向与期望的定向相比较，以 及控制所述机器人装置以将所述末端执行器的所述实际定向调整为在所述期望的定向上。
[0015] 在又一个实施方式中，一种用于检查部件的控制器包括移动模块，该移动模块被 构造为通过控制具有所述超声检查探头连接至的末端执行器的机器人装置来实现超声检 查探头跨越所述部件的表面的移动模式。所述控制器包括数据模块，该数据模块被构造为 接收由所述超声检查探头检测到的结构特性数据。另外，所述控制器包括定向模块，该定向 模块被构造为检测所述机器人装置的所述末端执行器相对于所述部件的所述表面的目前 检查的部分的实际定向，将所述实际定向与期望的定向相比较，并且控制所述机器人装置 以将所述末端执行器的所述实际定向调整为在所述期望的定向上。
[0016] 根据实现，所述控制器还包括学习模块，该学习模块被构造为将从先前执行的检 查过程在跨越所述部件的所述表面的预定位置处的所述移动模式的预定定向调整并入所 述移动模式。
[0017] 此外，本公开包括根据以下条款的实施方式：
[0018] 条款1. 一种用于检查部件的系统，该系统包括：
[0019] 超声检查探头，该超声检查探头包括部件表面接口；
[0020] 机器人装置，该机器人装置包括连接至所述超声检查探头的末端执行器，其中，所 述机器人装置能够被自动地可控制以跨越所述部件的表面移动所述超声检查探头；
[0021] 角度传感器子系统，该角度传感器子系统连接在所述超声检查探头与所述末端执 行器之间，其中，所述角度传感器子系统被构造为可操作地检测所述末端执行器相对于所 述部件的所述表面的目前检查的部分的实际定向；以及
[0022] 控制器，该控制器被构造为从所述角度传感器子系统接收基于所述末端执行器的 所述实际定向的定向数据，将所述实际定向与期望的定向相比较，并且控制所述机器人装 置以将所述末端执行器的所述实际定向调整为在所述期望的定向上。
[0023] 条款2.根据条款1所述的系统，其中，所述期望的定向包括所述末端执行器的与 所述部件的所述表面的所述目前检查的部分垂直的纵轴。
[0024] 条款3.根据条款1所述的系统，该系统还包括连接在所述检查探头与所述末端执 行器之间的关节子系统，所述关节子系统被构造为可操作地维持所述部件表面接口与所述 部件的所述表面的所述目前检查的部分适当地啮合。
[0025] 条款4.根据条款3所述的系统，其中，所述关节子系统包括连接在所述超声检查 探头与所述末端执行器之间的双轴万向节结构，其中，所述双轴万向节结构被构造为被动 地吸收所述超声检查探头的俯仰和横滚移动以维持所述部件表面接口与所述部件的所述 表面的所述目前检查的部分基本上平行。
[0026] 条款5.根据条款4所述的系统，其中，所述关节子系统还包括连接在所述双轴万 向节结构与所述末端执行器之间的气动致动器，其中，所述气动致动器被构造为沿着与所 述部件的所述表面的所述目前检查的部分基本上垂直的轴经由所述双轴万向节结构被动 地吸收所述超声检查探头的移动。
[0027] 条款6.根据条款4所述的系统，其中，所述角度传感器子系统包括连接至所述双 轴万向节结构的多个换能器。
[0028] 条款7.根据条款6所述的系统，其中，所述多个换能器包括连接至所述双轴万向 节结构的各个轴的旋转可变差动变压器（RVDT)。
[0029] 条款8.根据条款1所述的系统，其中，所述超声检查探头包括：
[0030] 外壳；
[0031] 超声阵列，该超声阵列连接至所述外壳；
[0032] 所述外壳的部件表面接口，所述部件表面接口包括液体耦合剂端口、可与所述部 件的表面啮合的啮合唇、和至少一个真空端口，其中，所述啮合唇周向限定所述液体耦合剂 端口并且所述至少一个真空端口周向限定所述啮合唇，其中，所述至少一个真空端口可与 真空源流体地连接；
[0033] 液体耦合剂室，该液体耦合剂室被布置在所述超声阵列与所述部件表面接口的所 述液体耦合剂端口之间，其中，所述液体耦合剂室与所述液体耦合剂端口流体连通并