(57)【要約】  ベース端及びプローブ端を有する内部ＣＭＭアームと、複数の伝達手段を介して内部ＣＭＭアームを駆動する外骨格とを備える、外骨格を有するＣＭＭアームの装置が提供される。１つ又は複数の接触プローブ、光学プローブ、及び工具が、プローブ端に取り付けられる。外骨格を有するＣＭＭアームは、手動操作可能な実施形態及び自動実施形態で提供される。外骨格を有するＣＭＭアームは、高精度測定のため、又は高精度動作を行うために動作可能である。外骨格を有するＣＭＭアームの動作の方法が提供される。
2007527323.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース端、反対側のプローブ端、及び前記ベース端と前記プローブ端との間の２つ以上の回転移動軸により分離される３つ以上のセグメントを有し、前記回転移動軸の少なくとも２つは平行ではない、可動部材と、
ベース端、反対側のプローブ端、及び前記ベース端と前記プローブ端との間の２つ以上の回転移動軸により分離される３つ以上のセグメントを有し、前記回転移動軸の少なくとも２つは平行ではない、可動位置報告デバイスと、
前記可動部材及び前記可動位置報告デバイスと接触する伝達手段であって、前記可動部材との該伝達手段の接点が、前記プローブ端と前記ベース端に最も近い前記回転移動軸との間のいずれかにある、伝達手段と
を備え、前記可動部の移動により、前記可動位置報告デバイスが移動される装置。
【請求項２】
前記伝達手段は、前記可動部材の前記プローブ端セグメントと前記可動位置報告デバイスの前記プローブ端セグメントとの間に配設された請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記伝達手段は複数の個別伝達手段である請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記個別伝達手段の全てが硬質である請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記個別伝達手段の全てが硬質ではない請求項３に記載の装置。
【請求項６】
前記個別伝達手段の少なくとも１つは硬質であり、前記個別伝達手段の少なくとも１つは硬質ではない請求項１ないし４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記個別伝達手段はそれぞれ、半径方向又はねじれ方向のいずれかであるか、又は半径方向及びねじれ方向の両方である請求項１、２、３、５、及び６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記硬質ではない個別伝達手段は２つであり、前記硬質ではない個別伝達手段の１つは、前記可動部材の前記プローブ端セグメントと前記可動位置報告デバイスの前記プローブ端セグメントとの間に配設された請求項５に記載の装置。
【請求項９】
前記可動部材と前記可動位置報告デバイスとの間にある前記硬質ではない個別伝達手段は３つである請求項５に記載の装置。
【請求項１０】
前記３つの硬質ではない個別伝達手段は、
肘の前記ベース端側、
手首の前記ベース端側、及び
前記プローブ端の前記ベース端側
に配設された請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記プローブ端の前記ベース端側にある前記硬質ではない個別伝達手段は、ねじれ方向及び半径方向伝達手段であり、
他の前記硬質ではない個別伝達手段は、半径方向伝達手段である請求項９及び１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記硬質の個別伝達手段の数は１つであり、前記硬質の伝達手段は、前記可動部材の前記プローブ端セグメントと前記可動位置報告デバイスの前記プローブ端セグメントとの間に配設された請求項６に記載の装置。
【請求項１３】
自動回転を止める拘束手段をさらに備える請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
前記伝達手段は連続伝達手段である請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記個別伝達手段の少なくとも１つは、少なくとも１つのさらなる制御される移動軸を備え、前記少なくとも１つのさらなる制御される移動軸は、前記少なくとも１つのさらなる制御される移動軸を有する個別伝達手段の第１の端が取り付けられる前記可動部材の前記セグメントと、前記少なくとも１つのさらなる制御される移動軸を有する個別伝達手段の他端が取り付けられる前記可動位置報告デバイスの前記セグメントとの間の相対距離若しくは相対向き、又は相対距離及び相対向きを実質的に変えることができる請求項１ないし３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
前記可動部材の前記ベース端及び前記可動位置報告デバイスの前記ベース端は、互いにしっかりと取り付けられる請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
前記可動部材の前記ベース端及び前記可動位置報告デバイスの前記ベース端は、互いにしっかりと取り付けられない請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１８】
前記可動位置報告デバイスの前記ベース端は、前記可動部材の１つのセグメントにしっかりと取り付けられる請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１９】
前記可動部材の前記ベース端と前記可動位置報告デバイスの前記ベース端との間には、相対移動がある請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
前記相対移動が測定される請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記可動位置報告デバイスの移動軸の数は６つである請求項１ないし２０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２２】
前記ベース端から前記プローブ端まで列挙される前記可動位置報告デバイスの前記移動軸のタイプはＡＯＯＡＯＡであり、Ａは軸方向移動軸であり、Ｏは直交方向移動軸である請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記可動位置報告デバイスの移動軸の数は７つである請求項１ないし２０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２４】
前記ベース端から前記プローブ端まで列挙される前記可動位置報告デバイスの前記移動軸のタイプはＡＯＡＯＡＯＡであり、Ａは軸方向移動軸であり、Ｏは直交方向移動軸である請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
肩、肘、及び手首の順に列挙される前記可動位置報告デバイスの前記移動軸の配分（groupings）は３−２−２である。請求項２３に記載の装置。
【請求項２６】
肩、肘、及び手首の順に列挙される前記可動位置報告デバイスの前記移動軸の配分は２−３−２である請求項２３に記載の装置。
【請求項２７】
肩、肘、及び手首の順に列挙される前記可動位置報告デバイスの前記移動軸の配分は２−２−３である請求項２３に記載の装置。
【請求項２８】
前記可動部材及び前記可動位置報告デバイスが同じ数のセグメント及び移動軸を有する請求項１ないし２７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２９】
前記可動部材は部分的であり、前記可動位置報告デバイスよりも少ないセグメント及び移動軸を有する請求項１ないし２７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３０】
前記肘の前記ベース端側にある１つの個別伝達手段を有する請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記肘の前記ベース端側及び前記手首の前記ベース端側にある２つの個別伝達手段を有する請求項２９に記載の装置。
【請求項３２】
前記可動部材及び前記可動位置報告デバイスが、同様のセグメント長さ、同様の軸向き、及び同様の軸移動の中心（centers of axis movement）を有する請求項２１ないし２８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３３】
前記可動部材及び前記可動位置報告デバイスが略同軸上にある請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記可動位置報告デバイスの各移動軸が、前記可動部材の対応する移動軸と略同軸である請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
前記可動部材が前記可動位置報告デバイスの外部にある請求項１ないし３４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３６】
前記可動部材の構造が開放する請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
前記可動部材の構造が前記可動位置報告デバイスを囲む請求項３５に記載の装置。
【請求項３８】
前記可動部材が前記可動位置報告デバイスから変位可能である請求項１ないし３７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３９】
前記可動部材が前記可動位置報告デバイスから軸方向に取り外すことにより変位する請求項３８に記載の装置。
【請求項４０】
前記可動部材は、開放して前記可動位置報告デバイスから半径方向に取り外すことにより変位する請求項３８に記載の装置。
【請求項４１】
軸方向移動軸及び対応する駆動手段が、前記可動部材の慣性を最小にするために、長い各セグメントの前記ベース端に向けて配設される請求項１ないし４０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４２】
前記可動部材において、前記肩の直交方向移動軸と前記肘の直交方向移動軸との間の距離は、前記肘の直交方向移動軸と前記手首の直交方向移動軸との間の距離よりも少なくとも５％大きい請求項１ないし４１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４３】
前記可動部材上に硬質継手リミット手段をさらに備え、前記硬質継手リミット手段は、前記可動位置報告デバイスが前記可動位置報告デバイスの継手の固有の限界点（inherent limit）と接触することを防止する請求項１ないし４２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４４】
１つ又は複数の直交方向移動軸上の前記硬質継手リミット手段は、前記直交方向移動軸のいずれも直線状にならないように設定され、前記直線状は、前記直交方向移動軸が前記直線状の直交方向移動軸に隣接する２つの移動軸間の直線上に実質的にある場合として定義される請求項４３に記載の装置。
【請求項４５】
柔軟性が高く、１つ又は複数の直交方向移動軸上の前記硬質継手リミット手段は、前記直交方向移動軸のいずれもが直線の両側で実質的に作用するように設定される請求項４３に記載の装置。
【請求項４６】
前記可動位置報告デバイスが前記可動部材の外部に配設された請求項１ないし３４に記載のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４７】
前記可動部材は手動操作可能である請求項１ないし４５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４８】
いずれの空間的向きにおいても、前記可動位置報告デバイスに対する静荷重は、広範囲の通常の把持位置及び前記可動部材に対する通常の把持モーメントにわたって実質的に同じである、請求項４７に記載の装置。
【請求項４９】
前記可動部材はロボットである請求項１ないし４６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５０】
前記ロボットは関節ロボットであり、一連の移動軸を備える請求項４９に記載の装置。
【請求項５１】
前記可動位置報告デバイスはＣＭＭアームである、請求項１ないし５０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５２】
前記可動部材の前記プローブ端を前記可動部材の前記ベース端に対して移動させるコントローラをさらに備える請求項１ないし５１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５３】
単一ユニットであり、且つ可搬式である請求項５２に記載の装置。
【請求項５４】
別個の制御ボックスを備える請求項５２に記載の装置。
【請求項５５】
前記可動位置報告デバイスに角度エンコーダをさらに備える請求項１ないし５４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５６】
前記可動部材に、回転エンコーダを有する駆動モータをさらに備える請求項１ないし５４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５７】
前記回転エンコーダを用いて高速制御ループが提供され、前記角度エンコーダを用いて高精度制御ループが提供される請求項５５及び５６に記載の装置。
【請求項５８】
単一の制御ループが提供され、前記可動位置報告デバイスの前記角度エンコーダは、提供される回転符号化の唯一の形態である請求項１ないし５６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５９】
前記コントローラは１つ又は複数のさらなる移動軸を制御して、
前記ベース端、
前記物体
のいずれかを変位させることができる請求項５２ないし５８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６０】
前記可動位置報告デバイスに配置されてプローブデータを収集する１つ又は複数のプローブをさらに備える請求項１ないし５９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６１】
前記可動部材に配置されてプローブデータを収集する１つ又は複数のプローブをさらに備える請求項１ないし６０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６２】
前記１つ又は複数のプローブのいずれかは非接触プローブである請求項１ないし６１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６３】
前記非接触プローブはストライププローブである請求項６２に記載の装置。
【請求項６４】
前記非接触プローブはエリアプローブである請求項６２に記載の装置。
【請求項６５】
前記１つ又は複数のプローブのいずれかは接触プローブである請求項１ないし６２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６６】
任意の前記接触プローブは硬質プローブである請求項６５記載の装置。
【請求項６７】
任意の前記接触プローブはタッチトリガプローブである請求項６５に記載の装置。
【請求項６８】
任意の前記接触プローブはフォースプローブである請求項６５に記載の装置。
【請求項６９】
前記１つ又は複数のプローブのいずれかは量測定プローブである請求項１ないし６１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７０】
前記可動部材に取り付けられるプローブカバー手段をさらに備える請求項１ないし６９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７１】
前記可動報告デバイスに配置されて動作を行う１つ又は複数の工具をさらに備える請求項１ないし７０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７２】
前記可動部材に配置されて動作を行う１つ又は複数の工具をさらに備える請求項１ないし７１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７３】
前記工具はフライスであり、前記可動位置報告デバイスの前記角度エンコーダは、前記フライスがプログラムされたカッタパスを正確に辿るように、前記制御ループに位置フィードバックを提供する請求項７１及び７２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７４】
前記１つ又は複数のプローブから前記プローブデータを受け取るとともに、前記可動位置報告デバイスから位置を受け取るデータプロセッサをさらに備える請求項１ないし７３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７５】
前記プローブデータ及び前記位置は、時刻同期又はタイムスタンプされる請求項１ないし７４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７６】
同期パルスが、体系的に変化するラベルでラベリングされる請求項１ないし７５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７７】
前記プローブデータは物体から収集される請求項１ないし７６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７８】
前記動作は物体に対して行われる請求項１ないし７６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７９】
１つ又は複数の能動伝達手段をさらに備える請求項１ないし７８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８０】
前記能動伝達手段の１つ又は複数は軸方向能動支持を提供する請求項７９に記載の装置。
【請求項８１】
前記能動伝達手段の１つ又は複数は、軸方向及び半径方向両方の能動支持を提供する請求項７９に記載の装置。
【請求項８２】
能動支持制御ソフトウェアをさらに備える請求項７９ないし８１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８３】
空気軸受をさらに備える請求項７９ないし８２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８４】
前記ベース端は前記物体にしっかりと取り付けられる請求項７７及び７８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８５】
前記物体はパイプである請求項８４に記載の装置。
【請求項８６】
前記ベース端は支持手段に取り付けられ、前記プローブデータを、前記支持手段の下に少なくとも部分的に配置された前記物体に対して行われる前記動作から収集することができるようになっている請求項１ないし８３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８７】
前記支持手段は剛性のブリッジである請求項８６に記載の装置。
【請求項８８】
前記剛性のブリッジは、直線状のレールをさらに備え、該直線状のレールには、前記ベース端が前記直線状のレールに沿って進むことができるように前記ベース端が取り付けられる、請求項８７に記載の装置。
【請求項８９】
前記物体は高精度変位手段上に配設された請求項１ないし８３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９０】
前記ベース端は高精度変位手段上に配設された請求項１ないし８３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９１】
前記物体は高精度変位手段上に配設され、前記ベース端は高精度変位手段上に配設された請求項１ないし８３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９２】
前記変位手段のいずれもが、１つ又は複数の移動軸を備え、前記移動軸はそれぞれ、回転移動軸又は直線移動軸である請求項８９ないし９１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９３】
前記変位手段は手動又は自動で変位される請求項８９又は９２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９４】
前記ベース端は垂直上方ではない方向に向いている請求項１ないし９３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９５】
前記可動部材の前記ベース端が取り付けられる移動車両をさらに備える請求項１ないし８３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９６】
前記移動車両は自動的に昇降させることができる足をさらに備える請求項９５に記載の装置。
【請求項９７】
１つ又は複数の軸方向継手がスリップリングをさらに備え、前記１つ又は複数の軸方向継手は、無制限に回転することができる請求項１ないし９６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９８】
前記可動部材は、インテリジェントドライブ及び高速バス手段により駆動され、スリップリングを用いて前記軸方向継手を無制限に回転させることができる請求項１ないし９７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９９】
取り外し可能な駆動ユニットが自動較正のために前記可動部材に嵌められる請求項４７に記載の装置。
【請求項１００】
第２の可動部材が前記可動部材に取り付けられ、前記第２の可動部材は、自動較正のための駆動手段をさらに備える請求項４７に記載の装置。
【請求項１０１】
自動可動部材をさらに備え、
前記手動操作可能な可動部材又は前記自動可動部材が前記可動位置報告デバイスに取り付けられ、
前記自動可動部材が自動較正のために前記可動位置報告デバイスに取り付けられ、
前記手動操作可能な可動部材が、該手動操作可能な可動部材を設けた１つ又は複数の目的で用いるために前記可動位置報告デバイスに取り付けられる請求項４７に記載の装置。
【請求項１０２】
前記ロボットは、自動較正のために前記可動位置報告デバイスに取り付けられ、
前記ロボットは、前記可動位置報告デバイスから取り外し可能であり、
前記可動位置報告デバイスは、前記ロボットが取り付けられずに用いられる従来の手動ＣＭＭアームである請求項４９に記載の装置。
【請求項１０３】
前記可動位置報告デバイスの１つ又は複数の継手の前記軸受手段は、一対のプレストレスセラミック玉軸受を備える請求項１ないし１０２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０４】
１つ又は複数のドライブは、フェールセーフブレーキ手段をさらに備える請求項１ないし１０３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０５】
前記可動アームと前記可動位置報告デバイスとの間に空気が通る冷却システム手段をさらに備える請求項１ないし１０４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０６】
カウンターバランス手段をさらに備える請求項１ないし１０５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０７】
前記可動位置報告デバイスに沿った少なくとも１つの場所にある温度検知手段と、熱補償手段とをさらに備える請求項１ないし１０６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０８】
前記可動手段は、衝突の場合に保護を提供する少なくとも１つの外部衝撃吸収手段をさらに備える請求項１ないし１０７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０９】
生産制御システム手段へのネットワーク接続手段をさらに備える請求項１ないし１０８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１０】
量測定手段をさらに備える請求項１ないし１０９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１１】
前記可動位置報告デバイスに固定される１つ又は複数の歪みゲージ手段をさらに備える、請求項１ないし１１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１２】
前記可動部材の前記移動軸に作用する１つ又は複数の保持手段をさらに備える請求項１ないし１１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１３】
輸送ケース手段と、
前記可動部材の前記ベース端又は前記可動位置報告デバイスの前記ベース端に取り付けられるスプレッダ手段とをさらに備える請求項１ないし１１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１４】
無線ボタンユニット手段をさらに備える請求項１ないし１１３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１５】
較正アーチファクトと、
前記ベースと前記較正アーチファクトとの間に相対移動を与える１つ又は複数の較正軸とをさらに備える請求項１ないし１１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１６】
可動位置報告デバイスを自動位置決めする方法であって、
コントローラが駆動手段に駆動トルクを発生させるステップと、
前記駆動トルクが可動部材に加えられて、該可動部材を移動させるステップと、
前記可動部材が前記伝達手段を移動させるステップと、
前記伝達手段が前記可動位置報告デバイスの硬質部分に力を加えて、前記可動位置報告デバイスを移動させるステップと
を含み、前記可動部材及び前記可動位置報告デバイスは両方とも、ベース端、反対側のプローブ端、及び前記ベース端と前記プローブ端との間の２つ以上の回転移動軸により分離される３つ以上のセグメントを有し、前記回転移動軸の少なくとも２つは平行ではなく、前記可動部材との前記伝達手段の接触場所は、前記プローブ端と前記ベース端に最も近い前記回転移動軸との間のどこかにある、可動位置報告デバイスを自動位置決めする方法。
【請求項１１７】
可動位置報告デバイスを手動位置決めする方法であって、
作業者が該可動部材を移動させるステップと、
前記可動部材が前記伝達手段を移動させるステップと、
前記伝達手段が前記可動位置報告デバイスの硬質部分に力を加えて、前記可動位置報告デバイスを移動させるステップと
を含み、前記可動部材及び前記可動位置報告デバイスは両方とも、ベース端、反対側のプローブ端、及び前記ベース端と前記プローブ端との間の２つ以上の回転移動軸により分離される３つ以上のセグメントを有し、前記回転移動軸の少なくとも２つは平行ではなく、前記可動部材との前記伝達手段の接触場所は、前記プローブ端と前記ベース端に最も近い前記回転移動軸との間のどこかにある、可動位置報告デバイスを手動位置決めする方法。
【請求項１１８】
物体のデータを求めるために、可動位置報告デバイスに配置されたプローブで前記可動位置報告デバイスを位置決めする方法であって、
コントローラが駆動手段に駆動トルクを発生させるステップと、
前記駆動トルクが可動部材に加えられて、該可動部材を移動させるステップと、
前記可動部材が前記伝達手段を移動させるステップと、
前記伝達手段が前記可動位置報告デバイスの硬質部分に力を加えて、前記可動位置報告デバイスを移動させるステップと、
前記プローブが前記物体のデータを収集するステップと、
データプロセッサが前記可動位置報告デバイスから位置を受け取るステップと、
前記データプロセッサが前記プローブから前記データを受け取るステップと
を含む、物体のデータを求めるために、可動位置報告デバイスに配置されたプローブで前記可動位置報告デバイスを位置決めする方法。
【請求項１１９】
物体のデータを求めるために、可動位置報告デバイスに配置されたプローブで前記可動位置報告デバイスを位置決めする方法であって、
コントローラが駆動手段に駆動トルクを発生させるステップと、
前記駆動トルクが可動部材に加えられて、該可動部材を移動させるステップと、
前記可動部材が伝達手段に力を加えて、該伝達手段を移動させるステップと、
前記伝達手段が前記可動位置報告デバイスの硬質部分に力を加えて、前記可動位置報告デバイスを移動させるステップと、
前記プローブが前記物体の同期された位置を受け取り、且つ同時に前記可能位置報告デバイスに同期信号を送るステップと、
データプロセッサが前記可動位置報告デバイスから同期された位置を受け取るステップと、
前記データプロセッサが前記プローブから前記同期されたデータを受け取るステップと
を含む、物体のデータを求めるために、可動位置報告デバイスに配置されたプローブで前記可動位置報告デバイスを位置決めする方法。
【請求項１２０】
物体のデータを求めるために、可動位置報告デバイスに配置されたプローブで前記可動位置報告デバイスを位置決めする方法であって、
コントローラが駆動手段に駆動トルクを発生させるステップと、
前記駆動トルクが可動部材に加えられて、該可動部材を移動させるステップと、
前記可動部材が伝達手段に力を加えて、該伝達手段を移動させるステップと、
前記伝達手段が前記可動位置報告デバイスの硬質部分に力を加えて、前記可動位置報告デバイスを移動させるステップと、
前記プローブが、該プローブ内の時計によってタイムスタンプされた前記物体のデータを収集するステップと、
データプロセッサが前記可動位置報告デバイスからタイムスタンプされた位置を受け取るステップと、
前記データプロセッサが前記プローブから前記タイムスタンプされたデータを受け取るステップと
を含む、物体のデータを求めるために、可動位置報告デバイスに配置されたプローブで前記可動位置報告デバイスを位置決めする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［発明の分野］
本発明は、高精度な測定及び動作を行うための外骨格を有するＣＭＭアームに関する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
［発明の背景］
既存の自動測定法
中型から大型のサイズの物体を自動測定するには、０．０５ｍｍ（＋／−２シグマ）、通常は０．０２５ｍｍ（＋／−２シグマ）以上の測定機精度が必要である。「シグマ」とは、１標準偏差を意味する。自動測定は現在、主に２つの方法、（ｉ）３つ以上の軸を有する大型で高価な従来のコンピュータ数値制御座標測定機（ＣＮＣ  ＣＭＭ）、（ｉｉ）自動車生産ラインの終端にある専用セルに通常は位置付けられる、静的光学プローブの剛性構造、で行われている。従来のＣＭＭでは、光学プローブが静止物体の周りを極めて制御された方法で移動して、正確なデータを生成する。第２の場合では、光学プローブ及び物体の両方が静止しており、位置決めが較正されることにより正確なデータが可能になる。従来のＣＭＭのほとんどは、移動ブリッジ又は水平アームの構造であり、Zeiss（ドイツ）、Hexagon Brown&Sharpe（スウェーデン）、及びLK（英国）を含む企業がこれらを生産している。従来のＣＭＭに取り付けられる機械式タッチプローブは、Renishaw（英国）を含む企業により供給されている。従来のＣＭＭに取り付けられる光学プローブは、Metris（ベルギー）を含む企業により供給されている。Ｒｅｎｉｓｈａｗ  Ａｕｔｏｊｏｉｎｔ等の自動プローブマウントは、高精度まで再現可能であり、自動プローブ交換のためのプローブラックとともに供給される。静的光学プローブの剛構造は、Perceptron（米国）により供給されている。従来のＣＭＭ及び静的光学プローブの両方が、以下の欠点を有する。すなわち、従来のＣＭＭ及び静的光学プローブは、生産ラインにおいて、通常は測定のためだけに用いられて生産作業には用いられないセル空間を使い切り、通常はラインの終端に設置され、下流のプロセスにデータを供給することができず、高価であり、投資回収を考えても正当化し難い。さらに、光学プローブの剛構造は、生産ラインにおいて急速に変化するモデルに対応する柔軟性がない。既存の高精度測定システムの欠点により、今日では、従来のプロセスよりも高速、高性能、且つ安価であるが高精度位置決めを必要とするロボットを用いる効率的な生産プロセスを、生産ラインで利用することはできない。
【０００３】
ロボット自動測定
１９６０年代以来、各企業により、短いサイクルタイム及び再現性を必要とする用途のために、重いロボットアームが開発されてきた。しかしながら、主に温度、磨耗、及び振動の問題から、これらのロボットアームの精度は低い。ロボットは、自動測定用のプローブを担持するために用いられてきた。ロボットアームは、特に自動車産業において、ほとんどの自動測定の厳しい要件を満たすのに十分な精度を有さない。ロボットアームの高い再現性により、「準静的な」測定は自動車産業が少なからず取り入れる解決手段となった。「準静的な」測定では、プローブは或る位置から次の位置へ移動し、静止しているかゆっくりと移動している場合にのみデータを取る。測定は、接触プローブ又は非接触プローブのいずれでも行うことができる。ロボットアームの測定プローブは、通常は１０ｍｍ／秒〜２００ｍｍ／秒（但し、それよりも速くても遅くてもよい）の速度で移動しながら、物体の表面から３次元データを取るが、精度は低い。ロボットアームを生産する企業には、Fanuc（日本）及びKuka（ドイツ）が含まれる。Perceptron及びLMI-Diffracto（米国）は、ロボットアーム及び光学プローブを用いる解決手段を提供している。3D Scanners及びKukaは、フランクフルトでのユーロモールド（Euromold）２００１見本市において、リアルタイム光学検査による解決手段を示したが、その精度は０．５〜１ｍｍのオーダであった。標準的な産業ロボットの熱成長は、リーチ１メートル当たり１℃の温度上昇につき約１０ミクロンであり、５００ミクロンを超える誤差は、生産ライン状態で記録され得る。LMI-Diffractoは、Kukaにより供給されている、それぞれが光学プローブを担持する標準的な産業ロボットを４つ備える自動生産ライン設備を有し、このロボットは熱成長が補償されるため、生産ライン状態の熱誤差が１００ミクロン未満に減る可能性がある。Perceptronに譲渡されたGreerによる米国特許第６，０７８，８４６号では、ロボットの熱成長の補償は、光学プローブにより固定アーチファクトを測定することにより実行される。光学プローブは、ロボットが移動間で静止している間に測定を行う。誤差マッピングがロボットの精度を高めた。Krypton（オランダ）製又はNorthern Digital（カナダ）製のもの等の写真測量システムを用いて測定を行いながら、計画的な移動のプログラムの間ロボットを揺動させる（dancing）ことを含む、いくつかの手法がある。続いて、測定値を用いて誤差マップが作成される。荷重の誤差補償は、サーボにより用いられる電力を測定して、アームにかかる荷重を自動的に計算することにより、すでに行われている。複数のタイプの誤差補償を用いた場合でも、自動車生産ラインで多く見られるタイプ及びリーチのロボットでは０．２ｍｍ（＋／−２シグマ）の精度しか得られなかった。走査中にプローブと物体との間で相対移動が行われる走査プローブを担持するロボットアームに関する問題は、システムが有用となるのに十分な精度を有さないことである。
【０００４】
追跡
Long他による米国特許第６，１６６，８１１号では、プローブに取り付けられた写真測量標的を写真測量システムによりリアルタイムで追跡する、物体の走査の精度を高めるための写真測量システムが開示されている。この方法には多くの欠点がある。第１に、プローブと写真測量用カメラとの間に、複数の明瞭な視線が維持される必要がある。実際には、写真測量用カメラからプローブ上の写真測量標的までの視線は、プログラムされたロボットの移動及び／又は物体の走査に必要なプローブの向きのプログラムされた変化により、遮られる場合が多い。これにより、システムの適用性は大きな制約を受けるため、システムは多くの用途で役に立たなくなってしまう。第２に、環境照明状態をほぼ理想的な状態に保たなければならず、そうしなければ写真測量システムの精度が低下するか、又はシステムの機能が停止する。実際には、これは設定が困難であり、その場所での他の照明要件と相容れない場合が多い。第３に、写真測量システムは、この用途で十分な精度を提供するのに必要な分解能及び速度の両方を有さない場合が多い。第４に、写真測量用カメラ及びロボットは、互いに対してしっかりと取り付けられなければならない。これには、所望の精度を得るために寸法の大きい剛構造が必要となる場合が多い。写真測定技術をロボット測定システムに組み込むことに関する主な問題は、得られるシステムが有用となるほど十分に小型且つ堅牢ではないことである。
【０００５】
Leica Geosystemsは、６自由度のレーザトラッカＬＴＤ８００を供給している。これは、１秒間に最高１０００回の測定で、１つの視線で３５ｍの範囲にわたって位置及び向きを測定することができる。その精度は、ゆっくりと移動する標的の場合は５０ミクロンのオーダである。その価格は、１３０，０００ＵＳドルを超える。ロボット測定に関するその制限の多くは、写真測量の制限と同様である。レーザトラッカ技術をロボット測定システムに組み込むことに関する主な問題は、高価であり、追跡されるプローブの向きが制限され、得られるシステムが有用となるほど十分に小型且つ堅牢ではないことである。
【０００６】
ロボットコントローラ及びプログラミング
ロボットアームのコントローラは、当業者には十分に理解されている。標準的な参考文献は、Richard P Paulによる「Robot Manipulators, Mathematics Programming and Control」である。Adept Technologies（米国）は、６軸ロボットコントローラを８，５００ＵＳドルの価格から供給している。動きのシーケンスをオフラインで生成し、続いてそれを後で実行するためにロボットコントローラに伝達するロボットのプログラミングに利用可能な製品は数多くあるが、一例はTenomatix（米国）のＥｍＷｏｒｋｐｌａｃｅである。HA Shlatter AG（スイス）に譲渡されたRichterによる特許出願ＧＢ２０３６３７６Ａでは、ロボットに取り付けられたデバイスをユーザが保持してロボットを手動でガイドすることにより、プログラミングが行われ、デバイスはユーザが意図したロボットの方向を検知する歪みゲージを備える。
【０００７】
手動ＣＭＭアーム
１９７０年代以来、各企業は手動操作可能なＣＭＭアームを製造しており、これは、主に手動ＣＭＭアームのリーチに応じて０．０２５ｍｍ（＋／−２シグマ）〜０．００５ｍｍ（＋／−２シグマ）の測定精度を、接触プローブを用いて近年達成している。手動ＣＭＭアームの精度は、さらなる開発によりさらに高まると予測される。これらの手動ＣＭＭアームはすでに、多くの測定要件を満たすのに十分な精度を有しており、測定市場における成長部門である。手動ＣＭＭアームは、アクセスが困難な領域に到達することができる柔軟性を有する。手動ＣＭＭアームは、多くの用途で満足できる精度を有するが、自動化はされず、特に半熟練の作業者が必要であるため操作費用が高く、人間の作業者では人的ミスが起こりやすい。手動ＣＭＭアームを生産する企業としては、Cimcore（米国）、Faro Technologies（米国）、Romer（フランス）、Zett Mess Technik（ドイツ）、及びOGP（英国）が挙げられる。例として、Eatonによる米国特許第３，９９４，７９８号、Faro Technologiesに譲渡されたRaabによる米国特許第５，４０２，５８２号、Eatonによる米国特許第５，８２９，１４８号、及びFaro Technologiesに譲渡されたRaabによる米国特許第６，３６６，８３１号は、手動ＣＭＭアームに関する背景情報を開示している。手動ＣＭＭアームの継手に軸受を設けることは既知であり、Faro Technologiesに譲渡されたRaabによる米国特許出願第２００２／００８７２３３号は、軸受に関する背景情報を開示している。手動ＣＭＭアームの設計は、通常、継手１の中心からプローブ先端までのリーチが約２メートルに制限されるが、これは、それよりも長いとアームを用いるのに２人の作業者が必要だからである。手動ＣＭＭアームは、長くなるほど精度が低下する。概して、モジュール式の手動ＣＭＭアーム設計で、他の全ての要素が同じである場合、精度はやはり長さに反比例する。Raabによる米国特許第６，３６６，８３１号では、現場において、手動ＣＭＭアームは通常、ロボットアームの１０倍以上の絶対位置精度を有すると開示されている。ロボットにおいて継手の位置ずれを含む不正確を引き起こす要因のいくつかが、米国特許第６，３６６，８３１号で言及されている。Faro Technologies及びRomerにより製造されるもの等の手動ＣＭＭアームは、概して、１人の人間が両手で操作する。作業者の手はそれぞれ、手で把持される手動ＣＭＭアームの部分に、異なる６自由度の作用を与える。用途によっては、片手しか必要としない熟練作業者もいる。手動ＣＭＭアームは、作業者がループを完結させる、閉ループ式で制御される機構である。このような制御は熟練を要する作業であり、作業者は、２つの手のみを用いて、重力の影響下で様々な異なる空間レイアウトで６つ又は７つのアーム自由軸を制御する必要がある。作業者が手動ＣＭＭアームの操作を誤り、手動ＣＭＭアームの一部又は全部が、衝突するか又は作業者が押さえるまで重力により加速することはよくある。データの取り込み中に、作業者が手動ＣＭＭアームに可変の、場合によっては過剰な力及びトルクを加えることにより、手動ＣＭＭアームが出力する測定データの精度が低下することもある。
【０００８】
補償デバイス及び保持デバイス
手動ＣＭＭアームは通常、上腕に持ち上げ力を与えて釣り合いを取る傾向があるトルクを上腕に与える、第２の継手に内蔵される補償デバイスを有する。手動ＣＭＭアームの補償デバイスは、Raab他による米国特許第６，２９８，５６９号、Raab他による米国特許第６，２５３，４５８号、及びRaab他による米国特許出願第２００３／０１６７６４７号に開示されており、これらはすべてFaro Technologiesに譲渡されている。これは、アームが軽く作業者にとって持ち上げやすくなっているため、使用時の疲労が少ないことを意味する。これは、手動ＣＭＭアームを介して伝達されるトルクがより大きいことも意味し、要件として、手動ＣＭＭアームは、必要な精度を得るためにこのような補償デバイスを有さない場合よりも重く設計されなければならない。ロボットの消費電力並びにモータのパワー、サイズ、及び重量を減らすために、ロボットを補償することが標準的な慣行である。第２００３／０１６７６４７号では、垂下した向きで用いる場合、加工ばね補償デバイスを取り外し、反転させ、再び配置して、アームを補償することができるが、この手順は、工場内で行われなければならないため、ユーザにとって不都合である。手動ＣＭＭアームの中には、アームの１つ又は複数の軸を任意の空間的向きにロックする保持デバイスを有するものがあり、このような保持デバイスは、測定セットごとにアームを下に置く必要をなくす。Cimcore（米国）製の３０００シリーズ手動ＣＭＭアームでは、軸２（第１の直交ヒンジ軸）にある補償デバイスに摺動ペグ固定具（sliding peg fixing）が取り付けられており、ペグが穴に滑り込むと、軸２が通る補償デバイスがロックされる。複数の軸上の空気ブレーキは、Zett Mess Technik GmbHに譲渡されたNietzによるＰＣＴ／ＥＰ０１／０１５７０に開示されており、Zett MessのＡＭＰＧ−Ｐ手動ＣＭＭアーム製品の軸１〜４に設けられている。空気ブレーキは、無線遠隔制御スイッチにより解除することができ、空気ブレーキはディスクに作用する。空気ブレーキ及びディスクは、手動ＣＭＭアームに直接取り付けられ、手動ＣＭＭアームの重量を増し、手動ＣＭＭアームの軸受にモーメントを伝えることにより、その精度及び有用性を低下させる。
【０００９】
手動ＣＭＭアームの光学プローブ
手動ＣＭＭアームの光学プローブは、本発明の発明者であるCramptonにより、ＷＯ９７０５４４９を含むいくつかの特許出願に開示された。手動ＣＭＭアームの光学プローブは、特に、3D Scanners、Romer、Faro Technologies、Perceptron、Steinbichler（ドイツ）、Pulstec（日本）、及びKreon（フランス）により提供又は開発されている。光学プローブは、概して、手動ＣＭＭアームの側部にずらして取り付けられるか、又は手動ＣＭＭアームのプローブ端に取り付けられる。大別すると３つのタイプの光学プローブ、すなわちポイント光学プローブ、ライン光学プローブ、及びエリア光学プローブがある。今のところ、ポイント光学プローブ、ライン光学プローブ、及びエリア光学プローブに関する精度を測定すべき方法を規定する測定精度標準はない。市場は、実用的な方法で精度を確かめて光学プローブのタイプ間を比較することを可能にする標準試験を行うことができないという状況にある。光学プローブは、主にその測定範囲が短いことから、高精度になってきている。概して、光学プローブは、２０〜４０ｍｍのオーダの測定範囲にわたって測定データを収集する。これは、手動ＣＭＭアームの端から離れている場合が多い。最も優れた手動ＣＭＭアームを最も優れた光学プローブと組み合わせた場合の精度は、すでに０．０５０ｍｍ（＋／−２シグマ）よりも高精度であり、測定範囲が短ければ０．０１０ｍｍ（＋／−２シグマ）よりも、さらには０．００２ｍｍ（＋／−２シグマ）よりも高精度になり得る。
【００１０】
手動ＣＭＭアームの光学プローブの同期化及び補間
手動ＣＭＭアーム及び光学プローブを備えるシステムでは、それぞれからの測定値が合成されて、出力測定データが与えられる。本発明の発明者であるCramptonによるＷＯ９７０５４４９に開示されているように、手動ＣＭＭアーム及び光学プローブを備えるシステムの測定精度は、手動ＣＭＭアームからの測定と光学プローブからの測定のタイミングを同期させることにより高まる。代替的に、ＷＯ９７０５４４９にさらに開示されているように、手動ＣＭＭアーム及び光学プローブを備えるシステムの測定精度は、手動ＣＭＭアームからの各測定値にタイムスタンプし、光学プローブからの各測定値にタイムスタンプし、その後、２つの測定値セットを補間して組み合わせた測定値セットを提供するプロセスを用いることにより高まる。しかしながら、場合によっては、システムに混乱が起こり、いずれかのデバイスからの１つ又は複数の測定値が失われる。この状況では、後半の補間プロセスが複雑になり得る。
【００１１】
ロボット及び手動ＣＭＭアームの較正及び位置合わせ
Shellによる米国特許第５，６８７，２９３号に開示されているように、ロボットは、基準球体と、ロボットに取り付けられている先端が球状のプローブとを用いて、種々のロボット空間レイアウトで先端が球状のプローブを基準球体に複数回接触させることにより、較正することができる。６軸ロボットの実施形態の３９パラメータキネマティックモデルが開示されている。ロボットに対する光学プローブの位置合わせは、De Smetによる米国特許第６，３２１，１３７号（Ｂ１）に開示されている。手動ＣＭＭアームを手動で較正する方法は、Faro Technologiesに譲渡されたRaabによる米国特許第５，４０２，５８２号に開示されている。手動ＣＭＭアームは、出荷前に製造業者により較正される。Faro Technologiesを含むいくつかの供給業者は、手動ＣＭＭアームの較正は同じまま、ユーザがプローブを交換するたびに簡単にプローブ較正を行うことができるようにしている。OGP UKは、極性（Polar）手動ＣＭＭアームを供給し、ユーザが簡単な手順で極性アーム及びプローブを合わせて完全に較正することができるようにしており、この手順は、アームを様々な空間レイアウトで動かしながら、極性アームの球状プローブが置かれる複数の円錐を有する基準アーチファクトを用いて行われる。これらの６軸極性アームには３９パラメータ運動力学（kinematic）モデルが用いられる。手動ＣＭＭアームの完全且つ高精度な手動較正は、通常は５００の別個のポイントが数時間かかるプロセスで記録される、骨の折れるプロセスである。各ポイントで人的ミスが起こりやすい。異なる作業者が異なる場所で手動ＣＭＭアームを保持し、異なるグリップを介して異なるトルクを付与し、異なるパターンの荷重及び曲げモーメントをアームに加えるため、異なる撓み及び端部傾斜が生じる。手動で較正される手動ＣＭＭアームは、各作業者の持ち方及び使用の仕方に応じて異なった機能をすることになる。各空間的向きでどのような持ち方をしても、再現可能なパターンの荷重及び曲げモーメント下にあるような手動ＣＭＭアームが必要である。異なる作業者が用いる場合に生じる荷重及び曲げモーメントが同じパターンであるような、手動ＣＭＭアームを手動で較正する方法が必要である。その較正の再現性及び精度を高め、特に現在の手動プロセスで実用的又は費用効果的であるよりも多くのポイントを記録することを可能にする、手動ＣＭＭアームを自動で較正する方法が必要である。手動ＣＭＭアームに対する光学プローブの位置合わせ（較正又は適格化（qualification）としても知られる）は、本発明の発明者であるCramptonによるＷＯ９７０５４４９号に開示されている。
【００１２】
ロボット及び測定デバイスの取り付け
Tounai他による米国特許第５，３９２，３８４に開示されているように、６軸関節測定デバイスの先端は、ロボットを較正するためにロボットの先端に取り付けられる。Faro Technologiesに譲渡されたRaabによる米国特許第６，５３５，７９４号に開示されているように、６軸関節測定デバイスの先端は、誤差マップを生成するためにロボットの先端に取り付けられる。Bieg他による米国特許第６，５１９，８６０号に開示されているように、３軸関節測定デバイスの先端は、ロボット又は機械の空間性能を測定するためにロボット又は機械の先端に取り付けられる。これらの開示はいずれも、物体を測定するためには用いられていない。WahrburgによるＷＯ９８／２７８８７に開示されているように、外科ロボット及び多継手センサアームがベースに取り付けられる。多継手センサアームを手動で用いて患者の測定が行われ、これらの測定に基づいてロボットプログラムが生成され、ロボットが外科的介入を実行する。この開示では、測定は自動化されていない。従来技術の２つのアイテムが、曲げによる撓み及び／又は熱膨張を受けやすいロボットアームの端点の位置及び／又は向きを測定するデバイスを開示している。Flemmingによる米国特許第４，１１９，２１２号に開示されているように、両端にしっかりと取り付けられた平面ゴニオメータを有する単純な膝継手を用いて、移動セグメントの端の場所が監視される。このデバイスは、平面での動作に制限され、面外の曲げは測定されない。したがって、このデバイスは、３Ｄ空間での位置及び向きを測定することができない。Slocumによる米国特許第４，６０６，６９６号に開示されているように、ロボットアームの端の位置及び向きを測定するデバイスは、回転軸受及びリニア軸受により繋がれる多数の測定リンクと、回転角及び直線移動を測定する測定デバイスとを備える。測定リンクは、ロボットアームの両端点にピン留めされるだけでなく、少なくとも１つの中間ヒンジ継手でロボットアームにしっかりとピン留めされる。この手法には、６軸ロボットに対して１２個の高精度な回転及び直線測定デバイスが必要である。１２個の測定デバイスからの誤差が積み重なるため、この手法を６軸ロボットの高精度な３Ｄ測定デバイスに発展させることが果たしてできるかどうかは疑わしくなる。付加的な回転及び直線測定デバイスが必要なく、それらに関連する誤差が積み重ならない、より単純でより堅牢なシステムが必要である。米国特許第４，１１９，２１２号及び米国特許第４，６０６，６９６号はいずれも、ロボットアームの各端に測定デバイスをしっかりと取り付けることを必要とする。プローブ端へのしっかりとした取り付けは、ロボットアームの端の位置を正確に測定するのに必須である。ロボットアームを用いてＣＭＭアームを位置決めする場合、プローブ端へのしっかりとした取り付けは必要なく、望ましくもない。米国特許第４，１１９，２１２号及び米国特許第４，６０６，６９６号はいずれも、デバイスにおいて較正情報を用いる手段を提供していない。これらはいずれも、デバイスを座標測定機として用いることを提案していない。較正情報を用いなければ、デバイスが現在の用途で必要とされるほど高精度になり得るかどうかは疑わしい。
【００１３】
他の背景
GoochによるＰＣＴ／ＧＢ０１／０１５９０に開示されているように、ロボットのプローブ端に光学プローブ及び工具の両方が取り付けられるロボットが示され、このロボットを用いて、光学プローブでの測定及び工具での作業を選択的に行うことができる。しかしながら、測定精度を得るために、上述の欠点の全てを有する光学追跡システムが用いられる。GoochによるＰＣＴ／ＧＢ０１／０１５９０にさらに開示されているように、ロボットは、移動式であり、例えばレール上に取り付けられて、測定中の大きな物体の周りにアクセスできるようにする。このさらなる開示も、光学追跡の欠点を有する。Faroのアームを利用する手動罫書き（marking out）システム及びKuka製の産業ロボットを利用するロボット罫書きシステムが、GoochによるＰＣＴ／ＧＢ０１／０３８６５に開示されている。これら２つのシステムは、高精度であるか又は自動化されているが、両方を兼ね備えてはいない。手動ＣＭＭアームに取り付けられた非接触センサによる、回転テーブル上の物体の手動走査は、本発明の発明者であるCramptonにより、ＷＯ９７０５４４９に開示されている。大きな物体のフライス削り（milling）は、標準的な５軸又は６軸の産業ロボットにより実行されているが、得られる物体は、標準的な産業ロボットの精度が限られているため高精度ではなく、通常は、種々の向きからの切削が行われる手仕上げが必要である。大きな物体のフライス削りは、Mecof spa（イタリア）により製造されるもの等の大型の５軸マシニングセンターと、Zeiss製及びLK Tool製のもの等の大型の５軸水平アームＣＭＭとで、正確に行われることが普通である。加工され得る物体の種類は、直交座標型機械（Cartesian machine type）により制限され、例えば、水平アームはコーナの周りを曲がることができない。Delcam（英国）は、５軸及び６軸の産業ロボット用のフライス削りプログラムを生成することが可能な、ＰｏｗｅｒＳｈａｐｅと呼ばれるソフトウェアを提供している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
精度の必要性
ユーザは、自身の手動ＣＭＭアームからさらに高い精度を得ることを望んでいる。作業者が手動ＣＭＭアームに過大な応力を加えること、種々のハンドグリップ位置からアームに加わるモーメントにばらつきがあること、及び組み込まれている釣合い重りが軸受にモーメントを与えることから、手動ＣＭＭアームにおいてかなりの誤差が生じる。ＣＭＭアームに対する荷重が持ち方の影響を受けず、かなり精度が高い、より再現性が高い手動ＣＭＭアームが必要である。人的ミスをなくすように自動化された、より精度が高い較正プロセスがさらに必要である。
【００１５】
自動化の必要性
光学プローブを有する手動ＣＭＭアームは、通常は連続で長時間用いられる。この時間の大半の間、作業者は、自身から離れた場所にある、多くの場合は不便な場所にある手動ＣＭＭアームを保持する。離れて支持される重量は、長い手動ＣＭＭアームの場合は数キログラムであり得る。これは重労働であり、多くの作業者を、特に体が小さい人ほど疲労させる。作業者の疲労は一般的な問題であり、これは、病気、機能喪失、又は傷害に至る可能性がある。手動ＣＭＭアームを用いて行われる作業の大半は、一度しか光学検査を必要としない独特な構成部品に対するものである。多くの場合、検査される表面は、直接アクセス可能ではなく、アームを操作できるように作業者が上る一時的なガントリが必要である。走査中にプローブと物体との間で相対移動が行われる、走査プローブを担持する手動ＣＭＭアームに関する問題は、これらが十分な精度を有していても、システムは自動的に動作することができないため、システムの使用に疲労が伴い、作業者のミス又は手動ＣＭＭアームへの過大な応力により、不正確なデータが出力され得ることである。
【００１６】
アクセス性の必要性
測定すべき物体の形状と、可動部材上のプローブへのそのアクセス性は、用途ごとに異なる。物体の形状のより大きな範囲にアクセスするのに十分な柔軟性を有するＣＭＭほど、有用性が高い。実際には、硬質セグメントにより隔てられた一連の好ましくは６つ又は７つの継手を備える関節アームＣＭＭは、直交軸構成のＣＭＭよりも柔軟性が高いことが、一般的に分かっている。技術の現状では、直交軸構成の自動ＣＭＭは、自動関節ロボットアームよりも精度が数オーダ高いことも、一般的に分かっている。直交軸構成の自動ＣＭＭは、自動関節アームロボットよりも組み立てライン等の製造環境への配置に適していないことも、一般的に分かっている。問題は、関節式であり十分な精度を有する自動ＣＭＭ機が利用可能ではないことである。
【００１７】
可搬性の必要性
１９９０年代半ばに十分な精度を有するようになって以来、約５，０００程度の可搬式手動ＣＭＭアームが購入されていることが示すように、可搬式手動ＣＭＭアームに対する需要は大きい。それに対応して、可搬式自動ＣＭＭアームも必要とされているが、現在は存在していない。
【００１８】
堅牢性の必要性
手動ＣＭＭアームは、より高精度になるとともに堅牢性が低下してきている。手動ＣＭＭアームの既存の設計は、使用及び輸送の際に衝撃、モーメント、及び酷使（abuse：手荒な扱い）を受けやすい、精密測定システムを有する。輸送ケースの既存の設計は単純であるため、手動ＣＭＭアームは、特に衝撃により損傷を受ける。堅牢な可搬式手動ＣＭＭアームと、輸送時の衝撃から手動ＣＭＭアームに加わる力及びモーメントを最小限に抑える輸送ケースとが必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
［発明の概要］
従来技術では、Flemmingが、平面内でのみ使用可能であり面外の曲げを考慮に入れていない、測定アームが取り付けられたロボットアームを開示している。Slocumは、３Ｄ空間内で動作するロボットアームのための測定デバイスを開示している。これは、６軸ロボットに対して１２個の回転及び直線測定デバイスを必要とし、複雑であり、製造費用が高く、誤差の積み重ねにより精度が制限される。
【００２０】
したがって、本発明の目的の１つは、３Ｄ空間で動作し、且つ軸ごとに１つの測定デバイスしか必要としない、すなわち、６軸ＣＭＭアームには６つの角度エンコーダ、７軸ＣＭＭアームには７つの角度エンコーダしか必要としない、外骨格及び伝達手段を有するＣＭＭアームを提供することである。これにより、Slocumのデバイスよりも著しく堅牢且つ高精度であり、Flemmingのデバイスでの制限である３Ｄ空間で動作することができる、外骨格を有するＣＭＭアームが得られる。手動動作及び自動の両方の実施形態を有する、外骨格を有するＣＭＭアームを提供することが、本発明のさらなる目的である。別の目的は、データを収集できる外骨格を有するＣＭＭアームを提供することである。さらに別の目的は、作業を行うことができる外骨格を有するＣＭＭアームを提供することである。
【００２１】
本発明の第１の実施形態では、可搬式ロボットＣＭＭアームが、物体の測定を実行することができるように伝達手段を介して内部ＣＭＭアームを支持及び操作する、自動外骨格を備える。ロボットＣＭＭアーム及び内部ＣＭＭアームは、ベースにしっかりと取り付けられる。外骨格及び内部ＣＭＭアームは、同じ数の軸と、ほぼ同じ継手軸の向き及び継手中心とを有する。ロボットＣＭＭアームは、６つ又は７つの軸を有することが好ましい。外骨格が内部ＣＭＭアームの駆動及び支持の両方を行うように、外骨格と内部ＣＭＭアームとの間には伝達手段がある。伝達手段は、非硬質であり、内部ＣＭＭアームのプローブ端は、外骨格のプローブ端に対してわずかに移動することができる。この第１の実施形態は、ロボットアームのプローブ端と測定デバイスのプローブ端とをしっかりと取り付ける必要があるSlocum及びFlemmingのデバイスとは基本的に異なる。内部ＣＭＭアームのプローブ端には、少なくとも１つのプローブが取り付けられる。内部ＣＭＭアームからの位置及びプローブからの測定値が組み合わせられ、その組み合わせの曖昧性による精度不良を回避するために、新規の体系的に変化する同期ラベル及び同期方法が提案される。ロボットＣＭＭアームのベースには、制御ボックスが組み込まれる。スリップリングが、軸方向の軸（axial axes）上での無限回転を可能にする。ロボットＣＭＭアームは通常、２０〜３０ｋｇの重量があり、可搬式であるため、測定される物体の方へ移動させることができる。物体のデータを測定するためにロボットＣＭＭアームを位置決めする方法を提供することが、この第１の実施形態のさらなる目的である。このロボットＣＭＭアームの発明は、新規の構造と、いずれのロボット、手動ＣＭＭアーム、又は従来のＣＭＭも可能ではない新規の能力を有する。
【００２２】
本発明の第２の実施形態では、産業ロボットＣＭＭアームが、内部ＣＭＭアームを囲む外骨格を備える。産業ロボットＣＭＭアームには、フライス削り等の作業を行うための工具を取り付けることができる。外骨格及び内部ＣＭＭアームは、プローブ端でしっかりと取り付けられることにより、内部ＣＭＭアームが工具の位置を測定して、以前のロボットのいずれよりも高精度に空間内で工具をガイドすることができる。
【００２３】
第３の実施形態では、能動支持ロボットＣＭＭアームが、正確な測定のために外骨格から内部ＣＭＭアームを支持し且つ移動させる、能動伝達手段を備える。外骨格は、内部ＣＭＭアームを揺動させて、内部ＣＭＭアームの重量を減らすとともに、内部ＣＭＭアームに対する力及びモーメントを大幅に減らす。伝達手段は非硬質であり、内部ＣＭＭアームのプローブ端は、外骨格のプローブ端に対してわずかに移動することができる。これは、能動支持ロボットＣＭＭアームが、他のタイプのロボットＣＭＭアームよりも高精度であることを意味する。さらなる変更形態では、内部ＣＭＭアームと外骨格との間に空気軸受が設けられる。
【００２４】
第４の実施形態では、量を計測する方法、量をモデリングする方法、量を分析する方法、量を可視化する方法、及び結果を製造プロセスにフィードバックする方法が開示される。量測定プローブが、ロボットＣＭＭアームのプローブ端に取り付けられる。測定された量を測定中の物体のＣＡＤモデルと組み合わせる手段が設けられる。
【００２５】
第５の実施形態では、移動式ロボットＣＭＭアームに関する方法及び装置が開示される。ロボットＣＭＭアームが、電気車両に組み込まれた格納可能な足を有する三脚に取り付けられ、或る測定位置から次の測定位置へ移動させられる。これは、車両又は航空機等の大きな物体を自動的に走査するために通常は用いられ、現在用いられている大型の水平タイプ又はブリッジタイプのＣＭＭよりも低価格で柔軟性が高い代替物となる。
【００２６】
第６の実施形態では、変位可能な外骨格を有するロボットＣＭＭアームの実施形態が開示される。内部ＣＭＭアームは、外骨格から変位し、ロボットプログラムを生成するために手動で用いられる。内部ＣＭＭアームが外骨格に戻されると、ロボットがロボットプログラムを自動的に実行する。ロボットプログラムを生成するための内部ＣＭＭアームの手動操作は、教示ペンダントの使用等の従来の方法よりも高速且つ有用であるという利点を有する。
【００２７】
第７の実施形態では、結合されたＣＭＭアーム及びロボットを備えるロボットＣＭＭアームが開示される。ＣＭＭアームは、少なくとも２つの位置、すなわちプローブ端と中間位置とにおいて、ロボットにより支持される。この実施形態は、ＣＭＭアーム付近からの熱源を移動させるという利点を有する。
【００２８】
第８の実施形態では、外骨格を有する手動ＣＭＭアームが開示される。内部ＣＭＭアームは、外骨格により支持及び駆動され、外骨格はさらに作業者により支持及び移動される。現在の手動ＣＭＭアームは、作業者が同じアームで操作するように、測定機能、自立機能、及び堅牢性機能を組み合わせる。この第８の実施形態は、測定機能を内部ＣＭＭアームに与え、作業者が操作するための支持機能及び堅牢性機能を外骨格に与える。どのような方法で作業者が外骨格を持っても、内部ＣＭＭアームは各空間位置で常に全く同じように支持されるため、内部ＣＭＭアームに対する荷重が再現可能であり、較正プロセス中の荷重と同じである。この荷重パターンの再現性は、外骨格を有する手動ＣＭＭアームが、いかなる既存の手動ＣＭＭアームデバイスよりも高精度なデバイスであることを意味する。作業者が無線送信機を有するボタンユニットを外骨格の好都合な場所に取り付けるように、可撓性ボタン手段が設けられ、無線受信機がシステムに組み込まれる。望ましくない衝撃及び荷重から内部ＣＭＭアームを守るために、バンプストップ手段が外骨格に設けられる。打撃からプローブを保護し、接触プローブに対する荷重の一部を補償するために、プローブカバーが設けられる。外骨格を有する手動ＣＭＭアームと比較して、より小型であり、特に手首及びプローブ領域における操作が改善されているが、依然として著しく高い精度を有する、部分外骨格を有する複数の手動ＣＭＭアームが開示される。外骨格と複数の異なる接触プローブ及び非接触プローブとを有する手動ＣＭＭアームを用いるための、測定方法が提供される。外骨格を有する手動ＣＭＭアームのための自動較正装置及び方法が開示される。輸送中に外骨格を有する手動ＣＭＭアームに加わる衝撃荷重の大きさを最小にするために、荷重分散機構を有する輸送ケースが提供される。
【００２９】
第９の実施形態では、保持外骨格を有する手動ＣＭＭアームが開示される。外骨格における１つ又は複数の継手は、ブレーキによりロックすることができる。これは、作業者が動作の途中で中断する必要がある場合に、アームがどの位置にあってもロックすることができるため、アームを停止位置に戻す必要がなくなることを意味する。以前のブレーキシステムは、ＣＭＭアームに対して作用し、ＣＭＭアームに荷重を加えていたが、この実施形態は、内部ＣＭＭアームにいかなる荷重も加えずに、外骨格に対して作用するという利点を有する。
【００３０】
第１０の実施形態では、本発明の内骨格を有する手動ＣＭＭアームの実施形態が開示される。ＣＭＭアームは、支持内骨格の外部にある。以前のデバイスでは、カウンターバランス機能は、Romer及びCimcoreのデバイスのようにアームと平行でアームの外部にあったか、又はアームに曲げモーメントが加わるようにアームに埋め込まれていた。本発明は、ＣＭＭアームの内側に補償機能を隠すとともに、アームに曲げモーメントを加えずに補償する。
【００３１】
第１１の実施形態では、内骨格を有するロボットＣＭＭアームが開示される。このＣＭＭアームは、支持及び駆動ロボット内骨格の外部にある。第１の利点は、外部ＣＭＭアームが全てのドライブ（drives：駆動機構）を隠すため、アクセスが限られている用途に適したアームが提供されることである。第２の利点は、外部ＣＭＭアームがより大きな断面を有し、且つあまり曲がらないため、より高精度になることである。
【００３２】
次に、本発明の実施形態を、添付図面を参照して例としてのみ説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
［好ましい実施形態の詳細な説明］
［第１の実施形態］
可搬式ロボットＣＭＭアーム
本発明の外骨格を有するＣＭＭアームの第１の実施形態は、可搬式ロボットＣＭＭアームである。この可搬式ロボットＣＭＭアームの実施形態は、外骨格によりガイドされる内部ＣＭＭアームを備える。外骨格は、高精度な測定ができるように、伝達手段を介して内部ＣＭＭアームを支持及び操作する。本発明は、多くのロボットＣＭＭアームの関節アームレイアウトで具現することができる。本発明の第１の実施形態によるロボットＣＭＭアームには、２つの好ましいレイアウト、すなわち、６つの継手を有する６軸型及び７つの継手を有する７軸型がある。
【００３４】
ロボットＣＭＭアームの継手及びセグメントのレイアウト
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の第１の実施形態によるロボットＣＭＭアーム１の好ましい６軸レイアウト及び７軸レイアウトそれぞれを示す図である。関節ロボットＣＭＭアーム１は、ベース端２及びプローブ端３を有し、２端間に一連のセグメント及び回転継手を備える。２つのタイプの継手、軸方向継手及び直交継手がある。軸方向継手（図１Ａ、図１Ｂでは「Ａ」と記す）は、その２つの隣接するセグメントの共通軸を中心に回転する。直交継手（図１Ａ及び図１Ｂでは「Ｏ」と記す）は、その２つの隣接するセグメント間のヒンジとして回転する。図１Ａでは、継手のタイプは、ベース端２からプローブ端３まで順に、ＡＯＯＡＯＡであり、これらはそれぞれ継手中心２１、２２、２４、２５、２６、及び２７を指す。図１Ｂでは、継手のタイプは、ベース端２からプローブ端３まで順に、ＡＯＡＯＡＯＡであり、これらはそれぞれ継手中心２１、２２、２３、２４、２５、２６、及び２７を指す。６軸レイアウトは、７軸レイアウトよりも低費用であるという利点を有する。７軸レイアウトは、６軸レイアウトよりも複雑な物体へのアクセスの柔軟性が高いという利点を有する。
【００３５】
図１Ｂの好ましい７軸ロボットＣＭＭアーム１は、本発明のロボットＣＭＭアーム１のこの第１の実施形態で説明されているが、本発明は、この継手レイアウト又は図１Ａの好ましい６軸レイアウトに限定されず、軸受は７つよりも多くても少なくてもよい。単純な用途では、３つの継手で十分であり得る。本発明は、回転移動軸のみに限定されない。以下で開示されるように、本発明は、ベース端２を取り付けることが好ましい１つ又は複数の直線移動軸を備えていてもよい。
【００３６】
図１ｃは、ケーブル１５２によりラップトップコンピュータ１５１に接続されるロボットＣＭＭアーム１を備える、ロボットＣＭＭアームシステム１５０を示す。ロボットＣＭＭアーム１は、ベース端２及びプローブ端３を有する。ロボットＣＭＭアーム１は表面７に取り付けられる。ロボットＣＭＭアーム１のプローブ端３には、プローブ９０が取り付けられる。ロボットＣＭＭアーム１のプローブ端３付近には、光学プローブ９１も取り付けられる。ロボットＣＭＭアーム１は、ベース４、内部ＣＭＭアーム５、外骨格６、及び伝達手段１０を備える。測定される物体９は、表面７に配置される。
【００３７】
図２は、ロボットＣＭＭアーム１の２つの主要部品、すなわち、内部ＣＭＭアーム５及び外骨格６を示し、これらは、共通のベース４と、共通の継手中心２１、２２、２３、２４、２５、２６、及び２７とを共有する。内部ＣＭＭアーム５は、本明細書中でそれぞれＣＭＭセグメント２〜８と呼ばれる、セグメント３２、３３、３４、３５、３６、３７、及び３８を備える。ＣＭＭセグメント８  ３８は、ロボットＣＭＭアーム１のプローブ端３に達する。共通のベース４は、ＣＭＭセグメント３１とも呼ばれる。内部ＣＭＭアーム５はさらに、本明細書中でそれぞれＣＭＭ継手１〜７と呼ばれる、継手５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７を備える。外骨格６は、本明細書中でそれぞれ外骨格セグメント２〜８と呼ばれる、セグメント４２、４３、４４、４５、４６、４７、及び４８を備える。外骨格セグメント８  ４８は、ロボットＣＭＭアーム１のプローブ端３まで達しない。共通のベース４は、外骨格セグメント４１とも呼ばれる。外骨格６はさらに、本明細書中でそれぞれ外骨格継手１〜７と呼ばれる、継手６１、６２、６３、６４、６５、６６、及び６７を備える。ロボットＣＭＭアーム１はさらに、本明細書中でそれぞれ伝達手段２〜８と呼ばれる、伝達手段７２、７３、７４、７５、７６、７７、及び７８を備え、これらは内部ＣＭＭアーム５を外骨格６に取り付ける。伝達手段２  ７２は、ＣＭＭセグメント２  ３２を外骨格セグメント２  ４２に取り付ける。伝達手段３  ７３は、ＣＭＭセグメント３  ３３を外骨格セグメント３  ４３に取り付け、伝達手段４  ７４、５  ７５、６  ７６、７  ７７、及び８  ７８に関しても同様である。
【００３８】
内部ＣＭＭアームの継手及びセグメントのレイアウト
ロボットＣＭＭアーム１の内部ＣＭＭアーム５のセグメント及び継手は、概して以下のように命名及びレイアウトされる。
【００３９】
2007527323.tif 000003
【００４０】
2007527323.tif 000004
【００４１】
次に図３を参照すると、ロボットＣＭＭアーム１のリーチ８０は、ＣＭＭ継手３〜７がこの距離を最大にするように回転する場合の、継手中心２  ２２からＣＭＭセグメント８  ３８のプローブ端３までであると定義される。ロボットＣＭＭアーム１のリーチ８０の大部分は、ＣＭＭセグメント３  ３３の長さ及びＣＭＭセグメント５  ３５の長さの和から成る。
【００４２】
次に図４を参照すると、光学プローブ９１がＣＭＭセグメント８  ３８に取り付けられている場合、リーチ８０は、ＣＭＭセグメント８  ３８のプローブ端３と測定が行われ得る測定深さの光学測定中点８２との間の距離である仮想リーチ８１だけ増加する。
【００４３】
各ＣＭＭセグメントは高い剛性を有する。内部ＣＭＭアーム５に対して少しでも荷重があると、セグメントの曲げ又はねじれが生じ、内部ＣＭＭアーム５の精度を低下させることになる。重力は持続的な荷重源であり、重力の影響は、ロボットＣＭＭアーム１の空間的向きが異なれば異なる。通常の使用時におけるロボットＣＭＭアームの長いＣＭＭセグメントの典型的な最大角度ねじれ傾斜（maximum angular torsional slope）は０．２５秒角であるが、特にＣＭＭセグメントの長さに応じて、それよりも大きくても小さくてもよい。通常の使用時におけるロボットＣＭＭアームの長いＣＭＭセグメントの典型的な最大角度曲げ傾斜（maximum angular bending slope）は０．５秒角であるが、長いＣＭＭセグメントの材料、長さ、及び直径に応じて、それよりも大きくても小さくてもよい。
【００４４】
各ＣＭＭセグメントは、１つ又は複数の重要なアイテムを備える。
【００４５】
2007527323.tif 000005
【００４６】
次に図５Ａを参照すると、ＣＭＭセグメント３  ３３、５  ３５は、それぞれ１つの継手を収容する２つの端ハウジング１００と１０１との間に、直径１０８及び肉厚１０９を有するリンク部材１０２を備える。次に図５Ｂを参照すると、ＣＭＭセグメント２  ３２、４  ３４、６  ３６、及び７  ３７は、各端に１つずつ２つの継手を収容するダブルハウジング１０３を備える。次に図５Ｃ１を参照すると、ＣＭＭセグメント８  ３８は、一端にＣＭＭ継手７  ５７を収容するプローブ端ハウジング１０５を備え、他端には、プローブ端３で終端するプローブ９０が取り付けられるＣＭＭプローブ取り付け手段３９がある。ＣＭＭ継手２  ５２、４  ５４、６  ５６に直交継手を設ける種々のオプションがあることが理解されるであろう。次に図５Ｃ２を参照すると、カンチレバーオプション及びインラインオプションが、ＣＭＭ継手２  ５２に関して示される。ＣＭＭ継手２  ５２、４  ５４、６  ５６の好ましいオプションはインライン（in-line:直列）である。ロボットＣＭＭアーム１の範囲は、これらの継手オプションのいずれにも限定されず、任意の他の設計の直交継手を含むことができる。
【００４７】
外骨格の継手及びセグメントのレイアウト
ロボットＣＭＭアーム１の外骨格６のセグメント及び継手は、概して以下のように命名及びレイアウトされる。
【００４８】
2007527323.tif 000006
【００４９】
2007527323.tif 000007
【００５０】
各外骨格セグメントは、１つ又は複数の重要なアイテムを備える。
【００５１】
2007527323.tif 000008
【００５２】
ベースのレイアウト
次に図５Ｄを参照すると、ベース４は、標準３．５インチの強力ねじ（heavy duty thread）１１６によって取り付け板８に螺入される、軸受中心２１を有するＣＭＭ継手１  ５１を収容するＣＭＭセグメント１  ３１と、ボルト１０６によってＣＭＭセグメント  ３１にしっかりと取り付けられる、継手中心２１を有する外骨格継手１  ６１を収容する外骨格セグメント１  ４１とを備える。取り付け板８は、取り付けボルト１０７等の取り付け手段１０４によって表面７に取り付けられる。内部ＣＭＭアーム５及び外骨格６の両方が、ベースセグメント３１、４１をそれぞれ有する。この第１の実施形態では、外骨格セグメント１  ４１は、座ぐり穴用ボルト（counter-bored bolts）１０６によりＣＭＭセグメント１  ３１にしっかりと取り付けられる。次に図５Ｅを参照すると、本発明のロボットＣＭＭアーム１の別の実施形態では、ＣＭＭセグメント１  ３１が外骨格セグメント１  ４１に取り付けられないように、ＣＭＭセグメント１  ３１は第１の表面７ａに取り付けることができ、外骨格セグメント１  ４１は第２の表面７ｂに取り付けることができる。次に図５Ｆを参照すると、本発明のロボットＣＭＭアーム１のさらなる実施形態では、ＣＭＭセグメント１  ３１及び外骨格セグメント１  ４１の両方を、同じ表面７に独立して取り付けることができる。表面７とベース２との間にベース延長セクションを設けることにより、ＣＭＭ継手１  ５１を表面７からさらに高い位置に上昇させることができる。このようなベース延長セクションは、通常は０．０７５ｐｐｍ／℃という低い熱膨張率を有する炭素繊維織物から成る軽量管に基づいていることが好ましい。これは、表面７に対するベース延長管を有するロボットＣＭＭアーム１の測定が、温度の変化に大きな影響を受けないことを意味する。次に図５Ｇを参照すると、本発明のロボットＣＭＭアーム１のさらなる実施形態では、ＣＭＭセグメント１  ３１を、表面７に取り付けられた外骨格セグメント１  ４１にしっかりと、又は移動可能に（flexibly）取り付けることができる。次に図５Ｈを参照すると、本発明のロボットＣＭＭアームのさらなる実施形態では、ＣＭＭセグメント１  ３１及び外骨格セグメント１  ４１は、表面７に取り付けられた同じベースアイテム４であってもよく、ＣＭＭセグメント２  ３２及び外骨格セグメント２  ４２の両方が、それぞれＣＭＭ継手１  ５１及び外骨格継手１  ６１を介してこれに取り付けられる。いかなるベース取り付け形態があってもよいことが、本発明のロボットＣＭＭアームの目的である。
【００５３】
ロボットＣＭＭアームのリーチ
本発明のロボットＣＭＭアーム１は、この第１の実施形態では、種々のリーチを有する或る範囲の可搬式ロボットＣＭＭアームとして提供される。可搬式ロボットＣＭＭアームのリーチ８０は、０．６ｍから３ｍまで様々である。本発明の範囲は、この範囲内のリーチに限定されず、リーチ８０は、０．６ｍよりも短くてもよく、又は３ｍよりも長くてもよい。
【００５４】
内部ＣＭＭアームの構造
剛性及び質量
本発明の目的の１つは、内部ＣＭＭアーム５の質量を最小にすることである。これによりさらに、剛性が低くてよく、内部ＣＭＭアーム５を動かす原動力も少なくてよいため、可搬式ロボットＣＭＭアーム１の質量を最小にすることができ、それによりロボットＣＭＭアーム１の可搬性がより高まる。有益な相乗効果があり、内部ＣＭＭアーム５から質量を１００ｇ除去するごとに、ロボットＣＭＭアーム１の設計から約２５０〜４００ｇを除去することができることが、経験により示されている。中程度のリーチを有する内部ＣＭＭアーム５の移動部品の典型的な重量は、２．５〜４ｋｇである。内部ＣＭＭアーム５に対する、特に内部ＣＭＭアームの継手５１〜５７に対する応力を最小にするために、外骨格６が内部ＣＭＭアーム５を支持及び駆動する。使用時には、外骨格６に対する荷重は、重力及び伝達手段１０を介して伝達される荷重だけであるべきである。外骨格６は、内部ＣＭＭアーム５を常に同じ場所で支持するため、同じ空間的向きで再現可能に荷重が与えられる。比較すると、技術水準の手動ＣＭＭアームは、付加的な応力が作業者により加えられるような設計になっており、この応力は、内部ＣＭＭアーム５に対する応力よりも著しく高い上に、作業者が把持する位置及び把持の仕方に応じて、異なる荷重場所及び荷重方向で加えられる。これは、内部ＣＭＭアーム５が、同様のリーチを有する手動ＣＭＭアームほど高い剛性を必要とせず、より軽量であることを意味する。
【００５５】
リンク部材の直径及び厚さ
リンク部材の直径１０８が大きいほど、剛性及び精度が高くなる。材料科学の進歩に伴い、より高剛性且つ軽量の新たな材料が利用可能になるにつれて、アームの剛性対重量比は大きくなっている。内部ＣＭＭアーム５は、上腕及び下腕、すなわちＣＭＭセグメント３  ３３、ＣＭＭセグメント５  ３５に、２つの長いリンク部材１０２を有する。内部ＣＭＭアーム５のリンク部材直径１０８は、４０ｍｍ〜７０ｍｍの範囲である。本発明のロボットＣＭＭアーム１の範囲は、このリンク部材直径に制限されず、７０ｍｍよりも長いか、又は４０ｍｍよりも短いリンク部材直径を用いてもよい。作業者による操作中には、技術水準の手動ＣＭＭアームに対する力及びトルクは、特に、その時点の継手角度と、補償デバイスと、加速度と、作業者により誘発される力及びトルクとの組み合わせに関連する重力から生じる。作業者は、いずれのリンクにも曲げ力を加え得る。この理由から、手動ＣＭＭアームは通常、両方のセグメントで同じリンク直径を有する。外骨格６は、内部ＣＭＭアーム５の全てのセグメント３２〜３８をほぼ等しく支持する。この理由から、この第１の実施形態の内部ＣＭＭアーム５は、セグメント３３及び３５の両方で同じリンク部材直径１０８を有する。本発明のロボットＣＭＭアームの範囲は、均一なリンク部材直径に制限されず、リンク部材直径は異なっていてもよい。リンク部材１０２は、本質的には、継手又は伝達手段によりいずれかの端で支持される単純なビームである。主な撓みモードは、水平である場合の重力下で生じる。リンク部材１０２に対して望ましくないモーメントが何もないと仮定すると、リンク部材１０２の撓みは、リンク部材の厚さ１０９とは主に無関係である。リンク部材の厚さは非常に薄くすることができ、これが内部ＣＭＭアーム５の質量を最小にするという目的と一致していることになる。内部ＣＭＭアームのリンク部材厚さ１０９は、セグメント３３及び３５の両方で１ｍｍ〜１．５ｍｍであることが好ましい。リーチが長いアームほど、リンク部材厚さ１０９及び／又はリンク部材直径１０８は通常、剛性を維持するために増加する。リンク部材の直径及び厚さは、種々の設計仕様及び製造制約のために設計プロセスにおいて最適化されるパラメータである。
【００５６】
形状
外骨格セグメント２  ４２〜８  ４８は、組み立て中に内部ＣＭＭアームセグメントに被さる（pass down over）。内部ＣＭＭアームのＣＭＭセグメント３２〜３８の形状は、できる限り小さい最大半径方向寸法を有するように制約される。最大半径方向寸法を小さくすることにより、外骨格セグメント２  ４２〜８  ４８のサイズを小さくすることができ、これにより、本発明のロボットＣＭＭアームが小さくなり、その用途がより柔軟になる。
【００５７】
外骨格構造
性能
ロボットＣＭＭアーム１が可搬式であり、その重量が最小であることが、この第１の実施形態の目的の１つである。この目的は、サイクルタイムを最小にするとともに、それに対応して継手においてより大きな角加速度を得るという要件と両立できない。最大角速度及び最大角加速度に関する性能は、リーチが長いロボットＣＭＭアーム１よりもリーチが短いロボットＣＭＭアームの方が高い。最大継手角速度は通常、２０°／秒〜４００°／秒の範囲である。外骨格継手１  ６１〜４  ６４は、トルクがより大きいため、外骨格継手５  ６５〜７  ６７よりも小さい最大角速度を有する。リーチ８０が３ｍと長く、ロボットＣＭＭアームの重量が３５ｋｇ未満である場合、継手２は通常、２０°／秒の最大角速度を有し得る。リーチ８０が１ｍ未満と短く、ロボットＣＭＭアームの重量が約２０ｋｇである場合、継手７は、４００°／秒の最大角速度を有し得る。本発明のロボットＣＭＭアームの範囲は、この範囲の最大角速度に制限されず、継手の最大角速度は、４００°／秒よりも大きくてもよく、又は２０°／秒よりも小さくてもよい。
【００５８】
質量及び剛性
支持機能及び駆動機能を果たすには高剛性が必要ないため、外骨格構造は内部ＣＭＭアームよりも剛性が低い。したがって、外骨格構造は軽量であり、ロボットＣＭＭアームの可搬性がより高くなる。所与の性能基準に対して、任意の移動セグメントの質量を減らすと、あまり強力な駆動システムが必要なく、したがって軽量になるという好循環がある。或る範囲の可搬式ロボットＣＭＭアームの通常の質量は、１ｍのリーチの場合１８ｋｇから３ｍのリーチの場合３５ｋｇまで様々である。本発明のロボットＣＭＭアームの範囲は、この範囲の質量に制限されず、最大質量は、３５ｋｇよりも重くてもよく、又は１８ｋｇよりも軽くてもよい。
【００５９】
形状
外骨格構造は小型であり、内部ＣＭＭアームに近接している。これは、ロボットＣＭＭアームが、車内等の測定が困難な領域にアクセスできることを意味する。したがって、ロボットＣＭＭアームは、カーシートを元の位置にあるままで測定することができず、まず車両から取り外さなければならない場合等、物体の大掛かりな準備なしには取り組むことができない用途に適用することができる。外骨格セグメント４２〜４８は、内部ＣＭＭアームセグメント３２〜３８が使用中に有害な固体、液体、又はガスに曝されないよう保護するために、密閉形状を形成する。外骨格セグメント４２〜４８は、内部ＣＭＭアームセグメント３２〜３８の上から嵌まるように中空である。外骨格の形状は、ロボットＣＭＭアームを手動で使用可能にする機能も果たし、衝突の場合に内部ＣＭＭアームの部品を保護する。外骨格構造の部品は、美的理由から非機能的な表面形状を有する。外骨格の形状を決定する最大要因の１つは、モータ及びギヤボックス駆動要素のサイズ及び場所である。
【００６０】
材料
内部ＣＭＭアームの材料
ハウジング１００、１０１、１０３、１０５は、航空機用アルミニウムでできており、アルミニウムは陽極酸化される。リンク部材１０２は、ゼロに近い熱膨張率、高剛性、及び低密度を提供する、Ｔｏｒａｙ  Ｔ７００等の炭素繊維織物−エポキシ複合材料からできている薄肉管から成る。リンク部材１０２は、当業者により十分に理解されるように、精密治具で支持しながら、エポキシ等の接着剤により端ハウジング１００、１０１に取り付けることができる。
【００６１】
外骨格の材料
継手ハウジングアイテムは、航空機用アルミニウムでできている。アルミニウムは陽極酸化される。リンクアイテムは、炭素繊維の精密成形品から成る。リンクアイテムは、精密治具で支持しながら、エポキシ等の接着剤により継手ハウジングアイテムに取り付けられる。
【００６２】
ロボットＣＭＭアームの取り付け
本発明の目的の１つは、使用対象の用途に合うように、複数の異なる取り付け手段を用いて、ロボットＣＭＭアームを複数の異なる構造に種々の向きで取り付けることができることである。
【００６３】
取り付け手段
表面７へのロボットＣＭＭアーム１の取り付けは、ボルト１０７によるボルト締め、磁気的取り付け（magnetic mounting：磁着）、真空取り付け、及びクランピングを含む多くの手段１０４により行うことができる。用いる取り付け手段１０４は、ロボットＣＭＭアーム１の動作中に取り付け板８と表面７との間に移動をもたらすことにより、ロボットＣＭＭアーム１の精度を低下させないように、十分な剛性を有する。
【００６４】
垂直なロボットＣＭＭアームの向きを有する水平表面
図６を参照すると、ロボットＣＭＭアーム１は通常、標準３．５インチ×８ねじ１１６を用いて可搬式スタンド１１０の水平取り付け表面１１２に取り付けられる。スタンド１１０は、ロックすることができる３つの車輪１１１を有する。スタンド１０は格納可能な足１１３を有する。スタンド１１０は、転倒を避けるために大きな設置面積を有する。手動ＣＭＭアームのアーム荷重の一部を作業者の足が受けることにより、スタンド１１０に対するトルクが減るため、その設置面積は対応する手動ＣＭＭアームの設置面積よりも大きい。ロボットＣＭＭアーム１は対応する手動ＣＭＭアームよりも重いため、スタンド１１０の質量は、対応する手動ＣＭＭアームスタンドの質量よりも重い。スタンド１１０は、ロボットＣＭＭアームのベースを昇降させるための伸張可能な垂直部材１１５を有する。スタンド１１０は、剛性の高い床表面上で用いられなければならず、カーペット又は圧縮可能な床仕上げ材の上で用いてはならない。スタンド１１０は、ロボットＣＭＭアームの動力学により揺動されないように、重いことが好ましい。スタンドに取り付けられる可搬式ロボットＣＭＭアームの制御により、スタンド１１０の揺動及び精度の低下を避けるために、角加速度及び角速度が制限される。リーチが短いロボットＣＭＭアームのスタンド１１０の一例は、重量が約１００ｋｇで、Brunson Instrument Company（米国）により製造される、短いリーチ及び中程度のリーチに適したスタンド番号２３１−０である。付加的な重りをスタンド１１０のベースにしっかりと取り付けて、その安定性を高めてもよい。リーチが長いロボットＣＭＭアームには、より大きく頑丈なスタンドが必要である。図７Ａを参照すると、ロボットＣＭＭアーム１は、支持体１２２の上に配置されている防振手段１２１によって床１１９に伝わる振動から隔離することができる、光学台又は花崗岩ブロック等の安定したテーブル１２０に、しっかりと取り付けることができる。図７Ｂを参照すると、ロボットＣＭＭアーム１は、床１１９に直接取り付けてもよい。図７Ｃを参照すると、ロボットＣＭＭアーム１は、床１１９に取り付けられた定盤１２３に取り付けてもよい。図７Ｄの平面図を参照すると、ロボットＣＭＭアーム１は、レール軸１２４に取り付けられ、レール軸１２４上で床１１９を移動する。ロボットＣＭＭアーム１は、レール軸１２４に沿って３つの異なる位置Ａ、Ｂ、Ｃで示される。これは、ロボットＣＭＭアーム１がはるかに大きな体積の大きな物体９を測定できることを意味する。第２のロボットＣＭＭアーム１が第２のレール軸１２４に取り付けられ、２つの異なる位置Ｄ及びＥで示される。２つのレール軸は平行であることが好ましい。これは、２つのロボットＣＭＭアーム１が独立して移動して、自転車、自動車、又は大型車両等の大きな物体９の両側で測定を行うことができることを意味する。レール軸１２４は直線状であることが好ましい。レール軸１２４は、取り外し及び異なる場所に設置し直すことができるように、床１１９の上に取り付けられることが好ましい。代替的に、レール軸１２４は、床１１９に永久的に埋め込まれてもよい。レール軸１２４は、手動式、好ましくはボタンを介した手動の作動に応じたモー��駆動式、又は好ましくはＣＮＣ駆動式であり得る。ロボットＣＭＭアーム１は、レール軸１２４に沿った並進中は静止中ほど安定しない。ロボットＣＭＭアーム１は、レール軸１２４に沿った並進中は測定を行わず、その代わりに、レール軸１２４を用いてロボットＣＭＭアーム１を、ＡからＢを経由してＣへ等、或る測定場所から別の測定場所へ移動させることが好ましい。しかしながら、ロボットＣＭＭアームは、レール軸１２４に沿った並進中に測定を行ってもよいが、精度は通常は低下する。この状況は、レール軸１２４が、ロボットＣＭＭアーム１が取り付けられる大型機械の一部である場合に起こる可能性が最も高い。次に図７Ｅを参照すると、２つのロボットＣＭＭアーム１を、同じレール軸１２４に取り付けて、独立して移動させることができる。レール軸１２４に沿った各ロボットＣＭＭアーム１の移動は、手動式、好ましくはボタンを介した手動の作動に応じたモータ駆動式、又は好ましくはＣＮＣ駆動式であり得る。適した用途は、設計室での自動車プロトタイプの測定である。これは、２つのレール軸１２４それぞれの上を２つずつが独立して移動する４つのロボットＣＭＭアーム１を有する測定設備の生産力が、各レール軸１２４上にロボットＣＭＭアームが１つしかない測定設備の生産力の２倍であり得ることを意味する。次に図７Ｆを参照すると、ロボットＣＭＭアーム１は、ロボットＣＭＭアーム１のベースを垂直方向に上下移動させることができる垂直軸１３３に取り付けられる。垂直軸１３３は、レール軸１２４上で水平方向に移動することができる。垂直軸１３３は、手動式、好ましくはボタンを介した手動の作動に応じたモータ駆動式、又は好ましくはＣＮＣ駆動式であり得る。垂直軸１３３は、図７Ｄに示すツイン対向ロボットＣＭＭアーム構成の一方又は両方のロボットＣＭＭアーム１に対して設けてもよく、又は垂直軸１３３は、図７Ｅに示すロボットＣＭＭアーム構成の一方又は両方のアームに対して設けてもよい。次に図７Ｇを参照すると、２つのロボットＣＭＭアームが、レール軸１２４上を移動する移動多アームベース１３４に取り付けられる。作業範囲（working volume）におけるロボット間の到達不可能なギャップをなくすのに十分な作業重複となるように、２つのロボットＣＭＭアームは、適当な距離Ｓだけ離れている。これは、２つの独立したロボットＣＭＭアーム１の代わりに移動多アームベース１３４を１つだけ必要とする低費用で単純な設備により、高い生産力を得ることができることを意味する。先に開示したように、短いロボットＣＭＭアームの方が、長いＣＭＭアームよりも高精度である。水平レール１２４及び垂直軸１３３それぞれが、又はこれらの組み合わせが、より短いロボットＣＭＭアームを用いることができることを意味することが、この実施形態の目的の１つである。これは、水平レール１２４及び垂直軸１３３がロボットＣＭＭアームよりも長い距離にわたってより高精度であるため、水平レール１２４及び垂直軸１３３を個別に又は組み合わせて用いることにより、測定設備の総合精度が高まることを意味する。当業者は、ロボットＣＭＭアームの長さ、水平軸、及び垂直軸の仕様を最適化して、精度を最大にすることができる。次に図７Ｈを参照すると、ロボットＣＭＭアーム１は、測定すべき物体９に取り付けられる。アダプタ１３６が用いられる。このような物体９の一例は、腐食している表面領域又はその付近を測定されているガスパイプラインのパイプの一部である。この例では、パイプ付近に十分な安定性を有する一時的構造を設けるよりも、ロボットＣＭＭアーム１をパイプに取り付ける方が容易且つ安価である。アダプタ１３６は、ロボットＣＭＭアーム１の取り付け及び取り外しを容易にするために磁気的に取り付けられてもよく、又は任意の他の取り付け手段１０４を用いてもよい。物体９によっては、アダプタ１３６が必要なく、ロボットＣＭＭアーム１を物体９に直接取り付けてもよい。次に図７Ｉを参照すると、ロボットＣＭＭアーム１は、物体９が載置される加工機１３７に隣接して取り付けられる。加工機１３７は、自動引き戸１３９を有する筐体１３８により囲まれる。ロボットＣＭＭアーム１は、加工機１３７における物体９を測定することができる。加工機１３７には筐体１３８及び引き戸１３９が必要であるが、それは、加工中にロボットＣＭＭアームにとって有害であり得る環境汚染物質が筐体内に含まれるからである。加工機１３７によっては、ロボットＣＭＭアーム１にとって有害な環境汚染物質を発生させず、引き戸１３９を有する筐体１３８を必要としないものもある。リーチ８０が短い小型のロボットＣＭＭアーム１は、ロボットＣＭＭアーム１が物体９に近く、物体９に届く範囲内にあるように、加工機１３７に直接取り付けることができる。加工機１３７が有害な環境汚染物質を発生させる場合、加工機１３７に取り付けられたロボットＣＭＭアーム１を保護するために、引き戸が必要である。次に図７Ｊを参照すると、ロボットＣＭＭアーム１が４つの加工機１３７それぞれに載置された物体９を測定できるように、ロボットＣＭＭアーム１は、４つの加工機１３７間に取り付けられる。ロボットＣＭＭアーム１の周りには、いかなる数の加工機１３７を配置してもよい。次に図７Ｋを参照すると、ロボットＣＭＭアーム１は、３つの作業領域間１４２間に取り付けられる。各作業領域は１つの物体９を含み得る。作業領域１４２は常に、物体９なし、測定すべき物体９、測定中の物体９、測定済みの物体９、又は作業領域１４２へ、若しくは作業領域１４２から移送中の物体９、のいずれかを含み得る。ロボットＣＭＭアーム１の周りにはいかなる数の作業領域１４２があってもよい。作業領域１４２にある物体９は、ロボットＣＭＭアーム座標系３６３に対して既知の位置及び向きで治具に正確に位置付けることができる。代替的に、物体９は、人間の目で物体を床上の印と位置合わせすること等、何らかの手段によりおおよその位置付けを行ってもよい。物体９は、当業者に既知の任意の方法により作業領域に位置付けることができる。各作業領域にある各物体９は、異なる部品番号を有する異なる部品であってもよく、又は各物体は同じ部品番号を有する同じ部品であってもよい。ロボットＣＭＭアーム１の周りにいくつかの作業領域１４２があることの１つの利点は、自動測定のために工作物を一晩中載せたままにすることができるため、ロボットＣＭＭアーム１の利用率が高くなることである。第２の利点は、第１の作業領域１４２において測定済みの物体９を未測定の物体９と交換し、その間にロボットＣＭＭアーム１は第１の作業領域１４２において別の物体９を測定していることにより、ロボットＣＭＭアーム１を完全に利用し続けることにある。次に図７Ｌを参照すると、ロボットＣＭＭアーム１は、物体９が配置される作業領域１４２を横断する低く堅牢なブリッジ１１８に取り付けられる。ロボットＣＭＭアーム１及びブリッジ１１８は、ロボットＣＭＭアーム１のプローブ端３に取り付けられたプローブ９０により、物体９の上側全体に対して動作を行うことができるように設計される。物体９は、ブリッジ１１８の下に嵌まっても依然としてその任意の領域に対して動作を行うことができるように、比較的平坦でなければならない。ロボットＣＭＭアーム１が移動する際に大きな撓みがないように、ブリッジ１１８は剛性且つ堅牢であり、床１１９にしっかりと取り付けられる。ロボットＣＭＭアーム１がブリッジに取り付けられるこの実施形態の主な応用分野は、シートメタルの光学検査である。第１のステップにおいて、シートメタルアイテムであり得る物体９は、プレス成形等の上流のプロセスを受ける。第２のステップにおいて、物体９は、作業領域１４２に手動で移送されて配置される。代替的に、自動コンベヤ又はマテハンロボット等の機構が、作業領域１４２にあるシートメタルを自動で配置してもよい。第３のステップにおいて、物体９は、ロボットＣＭＭアーム１に取り付けられている少なくとも１つのプローブ９０により検査される。第４のステップにおいて、検査プロセスからデータが出力される。データは、検査プロセスで取り込まれたデータを理想的な物体９のＣＡＤモデルと自動比較することにより作成することができる。データ出力は、統計的データであっても完全な検査データであってもよい。第５のステップにおいて、物体９は、手動又は自動で作業場から取り除かれる。オプションのステップでは、データ出力を用いて、上流のプロセスを制御するパラメータの変更が、直接又はプロセス統計の収集及び分析を経て行われる。代替的なオプションのステップでは、データ出力を用いて、上流のプロセスで用いられる工具類（tooling）が物理的に変更される。さらなる実施形態では、ロボットＣＭＭアーム１を移動させて大きな物体９を検査するために、直線状のレール１２４がブリッジ１１８の上部
に設けられる。代替的な実施形態では、ロボットＣＭＭアーム１は、ブリッジ１１８に取り付けられる代わりに、作業領域１４２の片側に取り付けられてロボットＣＭＭアーム１を作業領域１４２の中央の上に位置決めする、突出支持体の端に取り付けられる。
【００６５】
変位可能な物体及び移動する物体
ロボットＣＭＭアーム１は、物体変位手段上に配置される物体９に対して動作を行うことができ、物体９は、動作中に少なくとも一度変位させられることが、本発明のさらなる目的である。次に図７Ｍを参照すると、ロボットＣＭＭアーム１は、物体９が軸Ａを中心に回転しながら位置付けられる回転テーブル８２０に隣接して取り付けられる。回転テーブル８２０は、手動で回転させて、クランプ８２２により新たな位置にロックすることができる。代替的に、回転テーブル８２０は、モータ又はサーボドライブ等の電動機構８２１により回転させてもよい。回転テーブル８２０の自動回転は、ロボットＣＭＭアームシステム１５０か、又はボタン又はスレーブ制御手段を介した手動の作動等の任意の他の手段により、制御することができる。回転テーブル８２０の軸Ａには通常、エンコーダ等の角度位置記録デバイス８２３が取り付けられる。通常のプロセスでは、回転テーブルを９０°間隔で４つの位置に移動させることにより、物体９を４回変位させて、ロボットＣＭＭアーム１が物体９の全象限に対して動作を行うようにアクセスできるようにする。この実施形態では、ロボットＣＭＭアーム１は、物体９の移動中は測定等の動作を実行しない。回転テーブル８２０上で物体９を回転させることの利点は、ロボットＣＭＭアーム１のリーチ８０よりも大きな物体９０に対して動作を行うことができることであり、これは、幅広の物体又は背の高い物体に特に適している。回転テーブル８２０上で物体９を回転させることの第２の利点は、各部分にアクセスしにくい複雑な物体９の場合、ロボットＣＭＭアーム１に種々のアクセス向きが与えられることである。次に図７Ｎを参照すると、ロボットＣＭＭアーム１は、物体９が軸Ｂに沿って直線変位して位置付けられる、リニアテーブル８２４に隣接して取り付けられる。リニアテーブル８２４は、回転テーブル８２０と同様の位置測定可能性、制御可能性、及び利点を有する。他の実施形態では、２つ以上の軸を有する多軸テーブルを用いて、物体を変位させることができる。各タイプのテーブル軸又は軸の組み合わせは、異なる種類の物体のサイズ及び形状にとって異なる利点を有することが、当業者には理解されるであろう。さらなる実施形態では、ロボットＣＭＭアーム１は固定されており、物体９を移動させながら非接触測定等の動作又は工具を用いた接触動作を実行する。さらなる実施形態では、非接触測定等の動作又は工具を用いた接触動作が行われている間、ロボットＣＭＭアーム１及び物体９の両方が同時に移動する。ロボットＣＭＭアーム１及び物体９の両方が床に対して移動する場合、座標系を物体座標系等の共通の座標系に変換するために、さらなる制御アルゴリズムが必要である。全ての実施形態において、物体９は、物体９とテーブルとの間の相対移動をなくすために、テーブルに、クランプされるか又は他の方法で載置されてもよく、又は載置されなくてもよい。物体９が動作中に移動する全てのテーブルの実施形態において、テーブルは高精度でなければならず、正確な作業を行うことができるように、物体はテーブルに対して移動してはならない。必要なサイズ及び精度のテーブルは、通常は高価なアイテムである。
【００６６】
他のロボットＣＭＭアームの向き
用途によっては、ロボットＣＭＭアーム１は、水平表面ではなく、且つロボットＣＭＭアーム１がほぼ垂直に直立しない向きに取り付けられる。図８Ａを参照すると、ロボットＣＭＭアーム１は、壁１２５に対して直角に取り付けられる。図８Ｂを参照すると、ロボットＣＭＭアーム１は、ガントリ１２６から支持される。代替的に、ロボットＣＭＭアーム１は、天井から支持されてもよい。図８Ｃを参照すると、ロボットＣＭＭアーム１は、垂直線に対して６０°の表面を有するプラットフォーム１２７に取り付けられる。図８Ｄ及び図８Ｅを参照すると、ロボットＣＭＭアーム１は、自動車企業で用いられるような従来の大型３軸ＣＭＭに取り付けられる。水平アームＣＭＭ１２８及び移動ブリッジＣＭＭ１２９を含む、多くのタイプの従来の３軸ＣＭＭがある。ロボットＣＭＭアーム１はかなりの質量を有し、通常はその精度及びアームのリーチに応じて１８〜３２ｋｇの重量があると予測されるが、それよりも重くても軽くてもよい。従来のＣＭＭに取り付ける場合、本発明に基づいた軽量のロボットＣＭＭアームは、実質的に１２ｋｇ未満の質量を有するように設計することができる。ロボットＣＭＭアーム１が従来のＣＭＭに取り付けられる自動車用途の場合、図８Ｅに示すように、ロボットＣＭＭアームは、移動ブリッジＣＭＭ１２９に取り付けられて、ブリッジ１３１の垂直柱１３０から垂直下方に支持されることが好ましい。このモードでは、移動ブリッジＣＭＭ１２９の移動とロボットＣＭＭアーム１の移動との組み合わせにより、ロボットＣＭＭアーム１は、測定中の物体９の全部品にアクセスすることができる。本発明の範囲は、３つの直線軸を有するブリッジタイプの従来の３軸ＣＭＭ１３１の垂直柱１３０から、又は同様に３つの直線軸を有する水平アームＣＭＭ１２８の水平アーム１３２から、垂直下方に取り付けられるロボットＣＭＭアーム１に限定されない。ロボットＣＭＭアーム１は、任意数の軸を有する任意の向きの、任意の実質的に従来のＣＭＭから取り付けることができる。次に図８Ｆを参照すると、ロボットＣＭＭアーム１は、垂直回転軸Ｂに対して角度Ａで、回転ウェッジベース１３５に取り付けられる。
【００６７】
本発明の範囲は、図７Ａ〜図７Ｇ及び図８Ａ〜図８Ｆに示すロボットＣＭＭアームの設置の実施形態に限定されない。本発明の目的の１つは、ロボットＣＭＭアーム１を任意の向きで自由空間に取り付けることができることである。ロボットＣＭＭアーム１を固定構造又は可動構造から取り付けることができることが、本発明のさらなる目的である。ロボットＣＭＭアーム１を任意の移動構造に取り付けて、ロボットＣＭＭアームを６自由度で並進させるか又は方向付けることができることが、本発明のさらなる目的である。移動構造は、測定中又は測定間のいつでも移動させることができる。ロボットＣＭＭアーム１を、任意の数量及び任意の配置で設備に設けることができることが、本発明のさらなる目的である。
【００６８】
硬質及び非硬質の取り付け台
ロボットＣＭＭアーム１は、測定中の物体９に対して硬質である表面７に取り付けられることが好ましい。場合によっては、ロボットＣＭＭアーム１と測定中の物体９との間には、大型の機械が近くで動作して床に振動を伝えることにより引き起こされるような、連続する相対移動があり得る。又は、ロボットＣＭＭアーム１と測定中の物体９との間には、大型トラックが通り過ぎること、又は測定中の物体が偶発的な打撃を受けることにより引き起こされるような、不定期の相対移動があり得る。又は、ロボットＣＭＭアーム１と測定中の物体９との間には、ロボットＣＭＭアームが取り付けられるとともに物体が載置される構造の熱膨張により引き起こされるような、低速の相対移動があり得る。ロボットＣＭＭアーム１のベース端４とロボットＣＭＭアーム１が測定中の物体９との間の相対移動の事例を示す図９を参照すると、６自由度の相対移動を、独立した測定デバイスにより測定することができる。このような独立した測定デバイスの例は、Leica製のレーザトラッカ及び好ましくはKrypton製の写真測量トラッカ１４０である。ロボットＣＭＭアーム１及び写真測量トラッカ１４０は、定盤１２３に取り付けられる。物体９は、床１１９に載せられ、物体９が定盤１２３に対して大きな相対移動をするように移動させられる。写真測量標的１４１は、最低３つで好ましくは４つ以上の標的が、測定プロセス中のいつでも写真測量トラッカ１４０に見えるように、物体９に取り付けられる。写真測量トラッカ１４０による相対移動の測定は、ロボットＣＭＭアーム１の測定と時間的に同期することが重要である。時間同期は、測定デバイスを同時にトリガすること、後で処理するために共通のクロックにより全測定にタイムスタンプ（time stamping:時刻記録）することを含む、当業者には一般に既知の任意の方法により行うことができる。このような処理は、相対移動測定及びロボットＣＭＭアームの測定が同時に行われない場合の時間的補間を含み得る。ロボットＣＭＭアーム１の測定値に対して写真測量トラッカ１４０の測定値を較正するプロセスは、当業者には既知である。その結果、物体９の測定値は、ロボットＣＭＭアーム１と物体９との間の測定された相対移動に関して補正される。
【００６９】
ロボットＣＭＭアームの範囲
ロボットＣＭＭアーム１のリーチ８０は、用途に応じて異なる。この第１の実施形態のロボットＣＭＭアーム１は、種々のリーチ８０を有する或る範囲の可搬式ロボットＣＭＭアーム１として提供される。例示的な理由のみから、これらのリーチ８０は、０．５ｍ〜５ｍであり得るが、構成部品購入者が要望する可能性が最も高いのは１ｍ〜１．５ｍのリーチ８０であり、自動車関係の購入者が最も要望するのは２ｍ〜３．５ｍのリーチ８０であり、航空宇宙関係の購入者が最も要望するのは２．５ｍ〜５ｍのリーチ８０である。本発明のロボットＣＭＭアーム１のリーチ８０は、この開示に制限されない。ロボットＣＭＭアームのリーチ８０は、上記の範囲より長くても短くてもよい。ロボット外骨格を用いて内部ＣＭＭアームを支持することは、ロボットＣＭＭアームが手動ＣＭＭアームの事実上の限界である２ｍよりも長いリーチを有することができることを意味する。これは、２ｍよりも長いリーチを必要とする用途（このような用途のための手動ＣＭＭアームで実用可能なものは供給されていない）が、ロボットＣＭＭアームにより実行できることを意味する。ロボットＣＭＭアーム１のこの第１の実施形態は、可搬式システムであり、ロボットＣＭＭアーム１の重量を制限するために、大きな角速度及び角加速度用には設計されない。ロボットＣＭＭアーム１の他の実施形態は、はるかに大きな角速度及び角加速度用に設計することができる。この範囲のロボットＣＭＭアーム１全てで同じ駆動系要素を保持するために、この第１の実施形態では、リーチが長いほど受け入れられる最大角速度は小さい。この範囲内での重要な違いは、様々なリンク１０２の長さである。可搬式ロボットＣＭＭアームには、２つ以上の範囲、例えば、０．６〜１．２ｍ及び１．５〜３ｍのリーチ８０があってもよい。
【００７０】
ロボットＣＭＭアームシステムの概説
次に図１０を参照すると、ロボットＣＭＭアームシステム１５０のこの第１の実施形態のアーキテクチャが記載されている。ロボットＣＭＭアーム１のベース４には、制御ボックス１５９が取り付けられる。電源コネクタ１９５に接続された電源ケーブル１５５によって、電力が供給される。電源スイッチ１５６及びパワーＬＥＤ１５７が設けられる。特に、プローブボックスを介してプローブボックス２９５をアームケーブル２９６に接続するために、インタフェースコネクタ１９４が設けられる。ラップトップコンピュータ１５１が、ラップトップ通信ケーブル１５２によってラップトップコネクタ１９７に接続される。ペンダント１５３が、ペンダント通信ケーブル１５４によってペンダントコネクタ１９８に接続される。ネットワーク２００が、ネットワークコネクタ１９９を介して接続される。ペンダント１５３及びラップトップコンピュータ１５１はいずれも、バッテリー１６３、１６４によってしばらくの間動作することができる。ペンダントバッテリー１６３は、電気接点３２８を有する充電ポイント１５８にペンダントを配置することにより充電され、ペンダントが充電ポイントに正しく配置されると、自動的に電源接続が確立される。ラップトップバッテリー１６４は、商用電源から充電される。タッチトリガプローブ９２は、ロボットＣＭＭアーム１に取り付けられている場合、自動電源接続１６０及びトリガ接続を確立する。光学プローブ９１は、ロボットＣＭＭアーム１に取り付けられている場合、自動電源接続１６０、トリガ接続１６１、及び通信接続１６２を確立する。
【００７１】
次に図１１Ａを参照して、ロボットＣＭＭアーム１の内部アーキテクチャを説明する。制御ＰＣＢ１７２が、接地ライン１６５及び＋５ボルトパワーレール１６６に接続される。各外骨格継手１  ６１〜７  ６７をそれぞれが駆動する７つのモータ１７６が、モータケーブル１９６によって７つの増幅器１７５に接続され、制御ＰＣＢ１７２から増幅器１７５へ出力される７つの＋／−１０Ｖ制御信号１６８によって駆動される。制御ＰＣＢ１７２は、シリアルバス１６９によって７つの継手ＰＣＢ１７３に接続される。制御ＰＣＢ１７２は、ラップトップコンピュータ１５１及びペンダント１５３とそれぞれ通信するために、２つのさらなる通信接続１５２及び１５４を有する。＋２４ボルトパワーレール１６７は、増幅器１７５に電力を供給する。電源ユニット１７１が、電源ケーブル１５５、バッテリー１７０、接地１６５、及びパワーレール１６６、１６７に接続される。少なくとも１つの継手ＰＣＢ１７３が、電源１６０、トリガ１６１、及び適用可能な場合は通信１６２によってプローブ９０に接続される。７つのモータ１７６全てが、継手ＰＣＢ１７３からの信号により駆動されるブレーキ１７７を有する。内部ＣＭＭアーム５は、継手ＰＣＢ１７３に取り付けられた７つのＣＭＭエンコーダ１７８を備える。外骨格６を駆動する７つのモータ１７６に取り付けられる７つのエンコーダ１７９が、継手ＰＣＢ１７３に接続される。内部ＣＭＭアーム５に取り付けられる熱電対１８０が、各継手ＰＣＢ１７３に接続される。内部ＣＭＭアーム５に取り付けられる歪みゲージ１８１が、各継手ＰＣＢ１７３に接続される。２つのリミットスイッチ１８２が、各継手ＰＣＢ１８２に接続される。２つの作業者ボタン１８３が、第７の継手の継手ＰＣＢ１７３に接続される。タッチセンサ１８４が、各継手ＰＣＢ１７３に接続される。各継手ＰＣＢ１７３は、接地ライン１６５及び＋５ボルトパワーレール１６６に接続される。トリガバス１７４が、各継手ＰＣＢ１７３及び制御ＰＣＢ１７２に接続され、７つのＣＭＭエンコーダ１７８をラッチするために用いられる。
【００７２】
次に図１１Ｂを参照して、ケーブル配線が少なく、無限に回転する軸方向継手が可能であり、より軽量、安価、且つ堅牢である、ロボットＣＭＭアーム１の内部アーキテクチャの代替的なシステムの実施形態を説明する。制御ＰＣＢ１７２及び４つの継手ＰＣＢ１７３が、各軸方向ＣＭＭ継手１  ５１、３  ５３、５  ５５、７  ５７に位置する４つのスリップリングユニット１８８を通るバス１９３によって、直列に接続される。１つ〜３つの継手が各継手ＰＣＢ１７３により駆動され、制御ＰＣＢ１７２も１つ又は複数の継手を駆動することができる。各スリップリングユニット１８８は、２８本分の配線容量を有するが、線（wires）の数は２８本よりも多くても少なくてもよい。バス１９３も２８本の線を有する。バス１９３のこれら２８本の線は、内部ＣＭＭアーム５、外骨格６、及びプローブ９０において継手中心  ２１の後に位置付けられる構成部品の全機能のための、電圧、接地、シリアルバス、制御バス、及び信号線を保持する。制御バス３９４は、バス１９３に組み込まれ、５本の線を用いる。制御バス３９４は、専用であってもよく、又はＣＡＮバス等標準のものであってもよい。ＣＡＮバスは、高速低レイテンシ制御バスである。ＣＡＮバス及び関連する回路は、７軸を駆動する場合に限界がある。制御をより高速にする解決手段は、２つのＣＡＮバスを用いて、第１のＣＡＮバスで４軸を駆動し、第２のＣＡＮバスで３軸を駆動することである。余分な５本の線を犠牲にして２つのＣＡＮバスを用いることにより、高速の１ミリ秒のサーボループが可能となる。インテリジェント駆動増幅器１７５が、各モータ１７６の隣に位置付けられ、制御バス３９４並びに２４Ｖパワー及び０Ｖ接地によって継手ＰＣＢ１７３又は制御ＰＣＢ１７２に接続される。インテリジェント駆動増幅器１７５の例は、Maxon Motor（米国）により供給されているＥＰＯＳ  ２４／１及び２４／５である。代替的に、インテリジェント駆動増幅器の機能は、継手ＰＣＢ１７３及び制御ＰＣＢ１７２に組み込むことができる。サーボループを閉じることを含む制御機能は、制御部３９５で行われる。制御部３９５は、Trio Motion Technology（英国）により供給されているＰＣＩ２０８である。ＰＣＩ２０８は、高速サーボ制御を可能にする２つの制御バス３９４出力を有する。これらの制御バス３９４出力は、ＣＡＮバス標準である。ＣＡＮバスの５〜１０本の線は、通常はモータ１７６から制御部３９５までの全域にわたって直接配線される７つのモータ／エンコーダそれぞれのための約１０本の線の代わりとなる。スリップリング１８８における線の数は、サイズ及び重量等の実用上の考慮事項により制限されるため、制御バス３９４を用いてアーム内の線の数を約６０本減らすことにより、軸方向ＣＭＭ継手１  ５１、３  ５３、５  ５５、７  ５７に無限回転を与えるスリップリング１８８の使用が可能となる。バス１９３は、接触式又は非接触式であり得る１つ又は複数のプローブ９０に電力、信号、及び通信を提供し、プローブ９０の中では、ストライププローブ９７が最も一般的に用いられる。第三者が独自に開発したプローブ９０をロボットＣＭＭアーム１に取り付ける場合、本発明の目的の１つは、バス１９３を介してインタフェ��スコネクタ１９４から外へスルーチャネルを設けることである。このように、第三者プローブ９０の提供者は、ロボットＣＭＭアームシステム１５０の配線仕様制限内で要求される、電力、接地、信号、及びバスのいかなる組み合わせについても、スルーチャネルを用いることができる。スルーチャネルに設けられる線の典型的な数は９本であるが、９本より少なくても多くてもよい。インタフェースコネクタ１９４もまた、ロボットＣＭＭアーム１とプローブ９０とを同期させるための同期化信号接続を提供することができる。
【００７３】
本発明の範囲は、この第１の実施形態に開示されるロボットＣＭＭアームシステム１５０のアーキテクチャに限定されず、ロボットＣＭＭアームシステム１５０の技術的効果を有する全てのアーキテクチャを含む。例えば、さらなる実施形態では、制御ボックス１５９は、ロボットＣＭＭアーム１から分離されて、ケーブルによってロボットＣＭＭアームのベース４に接続される。ロボットＣＭＭアームが可搬式にされる場合、制御ボックス１５９内のアイテムにより、ベース４に無理なく嵌まらないほど制御ボックス１５９を大きくする必要があるようなロボットＣＭＭアームには、このアーキテクチャが必要であり得る。可搬式ロボットＣＭＭアームは、別個の制御ボックス１５９の製造費用及び設置面積を増やすことのない単一ユニットであるため、第１の実施形態のアーキテクチャは好ましい。さらに別の実施形態では、ラップトップコンピュータ１５１の代わりにフルサイズのパーソナルコンピュータを用い、制御ＰＣＢ１７２は、パーソナルコンピュータのＰＣＩバス等の標準バスに取り付けられる。代替的に、ラック内のいくつかのコンピュータのネットワークが用いられる。さらなる実施形態では、ペンダントは供給されず、ラップトップコンピュータ１５１を用いてロボットＣＭＭアーム１が制御される。さらなる実施形態では、制御部３９５により駆動される１つ又は複数の外部軸をロボットＣＭＭアーム１に接続するためのコネクタが供給される。このような外部軸の例は、直線状レール又はターンテーブルである。
【００７４】
内部ＣＭＭアームのエンコーダ
内部ＣＭＭアーム５は、各ＣＭＭ継手５１〜５７に角度エンコーダ１７８を備える。本発明の範囲は、角度エンコーダ又は任意の特定の設計の角度エンコーダに限定されず、いかなる高精度な形態の角度測定デバイスを利用してもよい。角度エンコーダの分解能及び精度は、エンコーダの直径、印刷可能なエッジの数、エッジの直線性、読み取りヘッドの直線性、補間の量、及びエンコーダの不規則性を含む、いくつかの要因により制限される。ロボットＣＭＭアーム１の精度を最適化するために、内部ＣＭＭアーム５の先端（tip end）３側よりも、ベース端２側により高精度な角度エンコーダを有することが望ましい。これは、２１、２２等のベース端継手がわずかに回転すると、先端３が大きく移動するからである。一方、２５、２６、又は２７等の先端３の継手がわずかに回転すると、先端３はわずかに移動する。他の因子が全て制御されている場合、所与の継手回転に対する先端の移動は、先端３からの継手の距離に比例する。内部ＣＭＭアーム５は、Renishaw又はMicro-E Systems（米国）により製造されているもの等のＣＭＭエンコーダ１７８を用いる。ＣＭＭエンコーダ１７８からプローブ端３までの距離が長いため、内部ＣＭＭアーム５のベース端２側のＣＭＭ継手２１、２２は大径のエンコーダを有する。エンコーダ１７８からプローブ端３までの距離が中程度であるため、内部ＣＭＭアーム５の肘における中間継手２３及び２４は中径のエンコーダを有する。エンコーダ１７８からプローブ端３までの距離が短いため、内部ＣＭＭアーム５の手首における遠位の継手２５〜２７は小径のエンコーダを有する。エンコーダの直径が小さいほど、完全に伸ばした状態で作業者により保持されるアームの重量が減り、小型になり、取り扱いやすくなる。光学プローブ９１により仮想リーチ８１が長くなる場合、アームのプローブ端側の継手２３〜２７に高分解能のエンコーダを有することが重要であり得る。角度エンコーダの背景となる技術が向上し、所与の精度を有する角度エンコーダの直径及び重量が減ることが予測される。次に図１２Ａを参照すると、内部ＣＭＭアームエンコーダ１７８は、２０ミクロンのスケールピッチを有するＲｅｎｉｓｈａｗ  ＲＥＳＲ角度エンコーダ１８５を備え、この角度エンコーダ１８５は、継手ごとに１つ又は複数のＲｅｎｉｓｈａｗ  ＲＧＨ２０読み取りヘッド１８６とともに用いられる。エンコーダ１８５ごとに２つ以上の読み取りヘッド１８６が取り付けられる場合、読み取りヘッド１８６は、図１２に示すように互いに対して９０°で、又は好ましくは互いに対して１８０°で取り付けられるが、読み取りヘッドは互いに対して任意の他の角度であってもよい。ＣＭＭ継手２３〜２７それぞれでは、８１９２カウントの５２ｍｍ直径ＲＥＳＲが用いられ、継手ごとに＋／−５．６秒角の見積もり（quoted）精度を提供する。ＣＭＭ継手２１及び２２それぞれでは、２３，６００カウントの１５０ｍｍ直径ＲＥＳＲが用いられ、継手ごとに＋／−１．９秒角の見積もり精度を提供する。各Ｒｅｎｉｓｈａｗ読み取りヘッド１８６の出力は、Ｒｅｎｉｓｈａｗ  ＲＧＥインタポレータ１８７に送られる。各Ｒｅｎｉｓｈａｗインタポレータ１８７からの出力は、継手ＰＣＢ１７３に供給され��。２つ以上の読み取りヘッドを用いる利点は２つある。第１に、エンコーダの偏心取り付け、読み取りヘッドの位置合わせ不良、エッジ印刷の非直線性、読み取りヘッドの非直線性、不規則性、及び他の機械的／位置合わせ誤差のいずれかによる誤差を、単純な平均化により改善又は補償することができる。第２に、動作時に、同じエンコーダ１８５に対する２つ以上のインタポレータ１８７からの読み取り値の平均化を、継手ＰＣＢ１７３で行うことができ、エンコーダ精度がいくらか改善される。代替的な実施形態では、角度エンコーダシステムを、エンコーダ、１つ又は複数の読み取りヘッド、インタポレータ、平均化、及び誤差マッピングを備える単一ユニットとして設け、角度エンコーダシステムから継手ＰＣＢ１７３までの接続を１つにすることができる。Renishaw等の企業が、０．１秒角の精度を有し約５０ｍｍの直径を有するような角度エンコーダシステムを将来提供することが予測される。
【００７５】
デュアルパターンエンコーダ
本発明のロボットＣＭＭアーム１に設けられるエンコーダの精度は、ロボットＣＭＭアーム１の精度の重要な要因である。本発明の目的の１つは、２つの読み取りヘッドを有するシングルパターンエンコーダよりも高精度な、パターンごとに１つの読み取りヘッドを有する新規のデュアルパターンエンコーダを提供することである。次に図１２Ｂを参照すると、デュアルパターンエンコーダ８６０は、２つの面Ａ、Ｂそれぞれの円周にエッジパターン８６２が印刷されたエンコーダディスク８６１を備え、１つの読み取りヘッド１８６が面Ａのパターン８６２を読み取り、第２の読み取りヘッド１８６が面Ｂのパターン８６２を読み取り、これら２つの読み取りヘッドは、約１８０°離れて配置される。次に図１２Ｃを参照すると、Aerotech Inc（米国）により提供されるＡＢＲ１０００等の高精度回転ステージ８６４と、高精度回転ステージ８６４の回転部分上にディスク８６１をクランプする異形ボルト等の回転クランプ機構８６５と、互いに約１８０°離れて、且つディスク８６１の反対側に配置されることにより、パターン８６２が固定読み取りヘッド１８６に対して移動すると、第１の読み取りヘッド１８６が面Ａのパターン８６２を読み取ることができ、第２の読み取りヘッド１８６が面Ｂのパターン８６２を読み取ることができる、２つの固定読み取りヘッド１８６と、ケーブル８６８によって高精度回転ステージ８６４及び読み取りヘッド１８６に接続されるマッピングシステム８６６とを備える、デュアルパターンエンコーダマッピング装置８６３が提供される。高精度回転ステージ８６４は、デュアルパターンエンコーダ８６０が果たすと予測される精度よりもはるかに高い精度を有する。マッピングシステム８６６は、（ａ）高精度回転ステージ８６４の移動を制御し、（ｂ）読み取りヘッド１８６から信号を読み取り、（ｃ）マップ８６７を出力する。次に図１２Ｄを参照すると、パターンＡの中心８６９、パターンＢの中心８７０、及びデュアルパターンエンコーダ８６０を保持する継手の軸の回転中心８７１が表されるディスク８６１が示されている。マップ８６７は、デジタルファイルであり、（ｉ）２つのパターン８６２の互いに対する位置ずれの大きさＭ、（ｉｉ）位置ずれの向き８７２、（ｉｉｉ）高精度回転ステージ８６４と各パターン８６２の印刷されたエッジとの間の角度誤差をマッピングし、且つ少なくとも各パターン８６２のエッジの印刷の非直線性をカバーする、各パターン８６２に関する誤差マップ、を提供するマッピング情報を含む。２つのパターン８６２は、印刷されて、通常は１０ミクロンの軸方向位置ずれＭと適切に位置合わせされるが、この位置ずれＭは、１０ミクロンよりも大きくても小さくてもよい。位置ずれＭの向き８７２は、ディスク８６１上に手動でマーキングされる。面Ａ及びＢは、ディスク８６１上に手動でマーキングされる。位置ずれの向き８７２は通常、読み取りヘッド１８６により読み取られるパターン８６２の絶対基準マークを基準にして分かる。マップ８６７を生成するプロセスは、当業者には既知である。各パターン８６２の基準マークは、誤差マップを参照するために提供される。
【００７６】
ロボットＣＭＭアーム１には、最大７つのマッピングされるデュアルパターンエンコーダ８６０を設けることができる。マップ８６７は、各デュアルパターンエンコーダ８６０に提供される。エンコーダ較正プロセスにおいて、デュアルパターンエンコーダ８６０があるロボットＣＭＭアーム１の継手が、通常は５°のステップを用いて一方の回転軸限界から他方の回転軸限界へステップするが、ステップは５°よりも大きくても小さくてもよい。各読み取りヘッド１８６からの読み取り値が各ステップで取られて、読み取り値のセットが形成される。読み取り値のセットは、マップ８６７の誤差マップを用いて補正され、補正読み取り値が提供される。当業者には十分に理解されるプロセスにおいて、補正読み取り値は、マップ８６７における位置ずれ及び位置ずれ向き情報を用いて処理され、パターンＡの中心８６９及びパターンＢの中心８７０に対する継手中心８７１の位置が計算される。較正後、ロボットＣＭＭアーム１が使用中である場合、パターンＡの中心８６９及びパターンＢの中心８７０に対する継手中心８７１の補正された位置を用いて、デュアルパターンエンコーダ８６０からの読み取り値を補正し、ロボットＣＭＭアーム１の精度を高める。較正されたデュアルパターンエンコーダ８６０は、２つの読み取りヘッドを有する同等のシングルパターンエンコーダよりも角度の精度を高めるが、それは（ａ）１つではなく事実上２つの独立した誤差マッピングされるエンコーダシステムがあり、これら２つのシステムの結果により、１つのパターンのエンコーダシステムよりも確実な平均が提供され、（ｂ）継手軸に対してディスク８６１が非垂直であることによる誤差が、自動的に平均化されるからである。デュアルパターンエンコーダ８６０は、２つの読み取りヘッドを有する同等のシングルパターンエンコーダと同じ数の構成部品を有し、同じ重量を有し、同じ体積を占める。代替的な実施形態では、デュアルパターンエンコーダ８６０には、両方のパターン８６２が内側放射状パターン及び外側放射状パターンの形態で、ディスク８６１の同じ面に設けられてもよい。より低費用のデュアルパターンエンコーダ８６０に関するさらなる実施形態では、パターン８６２が、ディスク８６１の製造プロセスにおいて十分に小さい位置ずれＭと位置合わせされる場合、デュアルパターンエンコーダ８６０をマッピングする追加プロセスを有する必要がなく、それでもロボットＣＭＭ１の継手に嵌める際のいかなる軸方向位置ずれも自動的に平均化されるという利益が得られる。より高精度なロボットＣＭＭ１の代替的な実施形態では、２つのデュアルパターンエンコーダ８６０が、各継手に設けられ、好ましくは継手中心の両側に位置付けられる。
【００７７】
外骨格駆動システムの構造
環境放出物
本発明の目的の１つは、可搬式ロボットＣＭＭアームは動作が静かであり、オフィス環境で用いることができることである。発生する可聴雑音のレベルは、設計において最小限に抑えることが重要である。本質的に低雑音の、モータを含む駆動システム及び伝動方法が、可聴雑音の発生を最小にするために選択される。基本的に、可聴雑音出力のレベルは、ロボットＣＭＭアームが駆動される速度及び加速度とともに上昇する。多くの用途において、速度及び加速度を小さくしてもサイクルタイムにはほとんど影響を及ぼさない。これは、通常はサイクルタイムの９０％が、遅いプロセスである測定で占められ、速度を上げることによって１０％しか減らすことができないからである。発生する可聴雑音のレベルを最小にすることが重要な使用基準である場合、低速度及び低加速度で静かに走査するように、ユーザが制御システムを設定することができる。ロボットＣＭＭアームは、電磁放射線が少ない駆動システム構成部品を組み込み、且つほとんどの電磁放射線を放出する構成部品の周りに遮蔽を設けることにより、電磁放射線の放出を最小にする。
【００７８】
熱移動
本発明の目的の１つは、外骨格６のモータ１７６及び他の駆動構成部品から内部ＣＭＭアーム５への熱移動を最小にして、比較的安定した均一な温度によって内部ＣＭＭアーム５の精度を高めることである。以下のことが開示される。
−伝導による熱移動をなくすために、外骨格のモータ１７６から内部ＣＭＭアーム５まで有意な直接伝熱リンクはない。伝達手段１０は小さく、その材料の熱伝導率は小さい。制御ボックス１５９内の高温アイテムのいずれも、ロボットＣＭＭアームのベース４に直接取り付けられない。これは、制御ボックス１５９内の高温アイテムとロボットＣＭＭアームのベース４との間に伝導がないことを意味する。
−内部ＣＭＭアームセグメント３２〜３８は、モータ１７６から内部ＣＭＭアーム５への放射による熱移動を最小にするために被覆される。
−モータは、十分な通気が確保され、且つヒートシンクが設けられることにより、対流により熱移動を最大にして動作温度を最小にする。動作中の継手の角速度は、モータ１７６の過熱を避けるようにプログラムされる。
−次に図１３Ａを参照すると、内部ＣＭＭアームセグメント３２〜３８と外骨格セグメント２  ４２〜８  ４８との間には、導管１８９がある。ベース４に配置された大型フィルタ１９１を有する低能力ファン（low-capacity fan）１９０が空気１９２を吸い込み、内部ＣＭＭアーム５と外骨格６との間の導管１８９に沿って吹き出す。空気１９２の大部分は、内部ＣＭＭアームセグメント３８と外骨格セグメント８  ４８との間の先端３から出る。この強制空気循環は、対流により効率的な冷却をもたらす。ファン１９０は、オフィス環境で静かに動作するように選択される。フィルタ１９１は、大型且つfieである。オフィス環境で動作する場合、フィルタ１９１は交換又は洗浄が５年間不要であるべきである。ファン１９０により吸い込まれる空気１９２の一部は、制御ボックスを通過して制御ボックス１５９の通気孔３５３から出る。この空気循環により、制御ＰＣＢ１７２、ＰＳＵ１７１、及び増幅器１７５を含む制御アイテムから熱が除去される。
【００７９】
外骨格駆動システム
ロボットＣＭＭアーム１は、エンコーダを有するブラシＤＣサーボモータである電気モータ１７６により駆動される。本発明の駆動システムは、いかなる種類の電気モータにも限定されず、油圧又は空気圧を含む或る範囲の種々のパワーシステムにより駆動することができる。油圧及び空気圧は、エンコーダを有する電気モータよりもロボットＣＭＭアームに振動を伝えにくい。電気モータ１７６は、ＡＣ又はＤＣサーボモータ、ステッパモータ、又は他の形態のモータであり得る。モータ１７６は、ブラシモータであってもブラシレスモータであってもよい。電気モータ１７６及びエンコーダ１７９がループを閉じる高速制御ループが提供され、この高速ループは、ロボットＣＭＭアーム１内にうまく組まれる。接触測定を行う場合、内部ＣＭＭアーム５の端にある硬質プローブは、接触が行われると動きを止めるが、ロボットＣＭＭアームは動き続ける。接触測定の場合、ＣＭＭエンコーダ１７８を用いて高速制御ループの外部で低レベル又は高レベルのループを閉じる高精度制御ループが提供される。製造費用を削減し、ロボットＣＭＭアームの重量を減らし、且つより小型の構造を生産するために、ＣＭＭエンコーダ１７８を位置フィードバックに用いることができ、その場合、外骨格エンコーダ１７９は必要ない。製造費用をさらに削減するために、制御ループにおいて位置検知を全く用いずに、ステッパモータを開ループ形式で用いることができる。用途によっては、ロボットＣＭＭアームの加速度は小さくてよく、あまり強力な駆動システムを必要としない。大きな加速度を必要とし、より強力な駆動システムを必要とする用途もある。自動車生産ラインの用途では、車体による衝撃に耐える頑丈なロボットＣＭＭアーム１が必要である。内部ＣＭＭアーム５があることにより、ほとんどの用途では、ドライブトレイン要素のバックラッシを少なくすることは必須ではない。ベルトドライブ等、低費用及び低質量のドライブトレイン構成部品を用いることができる。この実施形態では、１つのモータ１７６が各継手６１〜６７の駆動に用いられる。
【００８０】
ロボット動力学
ロボットＣＭＭアームの慣性モーメントをできる限り最小にすることが有益であることは、当業者には理解されるであろう。継手の角加速度及び最大角速度を規定する所与の性能仕様に関して、別のロボットＣＭＭアームよりも慣性モーメントが小さいロボットＭＣＭアームは、プロセスを行うのにより小さいエネルギーを用いる。モータ等の駆動ユニットは、質量の集中により重くなる傾向がある。（ａ）駆動ユニットをできる限りロボットＣＭＭアームのベース端の近くに配置すること、（ｂ）駆動ユニットの質量を減らすこと、（ｃ）ロボットＣＭＭアームのセグメントの質量を減らすこと、が有益である。１つの駆動ユニットをロボットＣＭＭアームのベース端の近くに移動させる際、移動させた駆動ユニットとベースとの間にある駆動ユニットは、ベース端の近くに移動させた駆動ユニットを動かすのにそれほど激しく働く必要がないため、これら前者の駆動ユニットの仕様を減らすことが可能である。仕様を減らした駆動ユニットはそれぞれ、軽量になるため、他のあまり高性能ではない（less performant）駆動ユニットが他の場所で必要となる場合がある。１つの駆動ユニットをベース端の近くに移動させることによる別の利益は、外骨格セグメントに対する応力が減ることで外骨格セグメントをより軽量に設計することができることによってもたらされる。したがって、１つの駆動ユニットのみをベース端の近くに移動させることから複合的な利点が得られることが分かり得る。本発明の目的の１つは、駆動ユニットをできる限りベース端の近くに位置決めすることを含む手段により、規定された仕様に関してロボットＣＭＭアームの重量及びエネルギー消費を最小にするように、ロボットＣＭＭアームを最適化することである。
【００８１】
次に図１３Ｂを参照すると、ロボットＣＭＭアーム１の高慣性実施形態では、継手中心３  ２３、５  ２５、及びそれらのモータ１７６は、継手中心３  ２３、５  ２５及びそれらのモータ１７６がベース端２の近くにあるロボットＣＭＭアーム１の低慣性実施形態と比較して、ベース端２から離れている。モータは、継手中心に隣接している必要はない。代替的な実施形態では、継手中心３  ２３、５  ２５はベース端２から離れており、モータ１７６はベース端２の近くにあり、トルク伝達手段が、外骨格セグメント３  ４３、５  ４５に沿ってモータ１７６から継手中心３  ２３、５  ２５にモータトルクを伝達する。ドライブをベース端の近くに位置決めすることにより通常達成される削減は、ロボットＣＭＭアームの質量では１ｋｇを超え、電力消費では１０％を超える。
【００８２】
伝達手段
この第１の実施形態では、外骨格６のベース４１は、内部ＣＭＭアーム５のベース３１にしっかりと取り付けられることにより、２つのベース４１と３１との間で大きな相対移動がなく、力及びトルクがこのしっかりとした取り付け部分を通して伝達される。各ＣＭＭセグメント３２〜３８ごとにゼロ、１つ、又は２つ以上であり得る、複数の伝達手段７２〜７８が設けられる。伝達手段７２〜７８はそれぞれ、対応する外骨格セグメント４２〜４８及び対応するＣＭＭセグメント３２〜３８と物理的に接触する。動作中、ＣＭＭ継手５１〜５７及び継手６１〜６７の中心及び軸は、実質的に同じ位置にある。これらの継手中心及び軸のわずかな位置ずれを生じさせる要因には、以下のものが含まれる。
−外骨格セグメント２  ４２〜８  ４８とは異なるＣＭＭセグメント２  ３２〜８  ３８の歪み
−伝達手段２  ７２〜８  ７８の弾性変形。この第１の実施形態では、伝達手段２  ７２〜８  ７８の全てが弾性手段を備え、全てが内部ＣＭＭアーム５及び外骨格６にしっかりと取り付けられるわけではない。この第１の実施形態では、内部ＣＭＭアーム５と外骨格６との間でしっかりと取り付けられるのは、ベース端２だけである。特に、プローブ端３における内部ＣＭＭアーム５と外骨格６との間は、しっかりと取り付けられない。
−目下説明されるような、セグメントの自動回転
−製造公差及び組み立て公差の増大による位置ずれ。
【００８３】
伝達手段の好ましい配置
個別の又は連続する伝達手段１０の数、場所、及びタイプの選択及び設計には、考慮に入れるべき要因が数多くあることは、当業者には理解されるであろう。伝達手段１０の配置は、６軸ロボットＣＭＭアーム１と７軸ロボットＣＭＭアーム１とでは異なる。伝達手段１０の配置は、リーチが短いロボットＣＭＭアーム１とリーチが長いロボットＣＭＭアーム１とでは異なる。伝達手段１０の配置は、継手の種々の位置及び順序を含む種々の継手配置ごとに様々である。
【００８４】
伝達手段の数
ロボットＣＭＭアームの長さ全体にわたって、１つの個別の伝達手段から連続する接点（contact）まで、いかなる数の伝達手段を用いてもよい。
【００８５】
１つの伝達手段：プローブ９０の位置決め及び方向付けを行うために、伝達手段が１つしかない場合、それは、ＣＭＭセグメント８  ３８と外骨格セグメント８  ４８との間の伝達手段８  ７８でなければならない。しかしながら、６軸又は７軸のアームは冗長性を有するため、この場合、肘は重力又は慣性加速下で自由に動く。この自由な動きにより、ＣＭＭ継手４  ５４が外骨格継手４  ６４に衝突する第２の「不測（inadvertent）」伝達手段が生じる。
【００８６】
２つの伝達手段：説明したように、第１の伝達手段は伝達手段８  ７８でなければならない。第２の伝達手段は、肘を制御するために、ＣＭＭセグメント３  ３３の継手中心２  ２２端とＣＭＭセグメント６  ３６の継手中心６  ２６端との間に配置されなければならない。第２の伝達手段が継手中心２  ２２側にある場合、外骨格６のドライブは、アームの大部分の重量が支持される第１の伝達手段までの全域にわたって重く強力である必要がある。これにより、必要なロボットＣＭＭアーム１よりもはるかに重量が大きくなる。第２の伝達手段が継手中心４  ２４から離れている場合、肘の重量を持ち上げるために、内部ＣＭＭアーム５には大きな曲げモーメントが必要となる。これにより、ロボットＣＭＭアームの精度が低下するか、又はＣＭＭセグメント３  ３３を補強するかなりの追加重量が必要となる。
【００８７】
３つの伝達手段：硬質ベース接続部に加えた３つの伝達手段が、ロボットＣＭＭアーム１の第１の実施形態の伝達手段の好ましい数である。３つの伝達手段は、継手中心４  ２４の前でこの近くに位置付けられるもの、継手中心６  ２６の前でこの近くに位置付けられるもの、及びプローブ端３の前にある伝達手段８  ７８である。伝達手段のこの配置は、以下の利点を有する。
−長いセグメントであるＣＭＭセグメント３  ３３、５  ３５は、いずれかの端付近で単に支持され、これにより、重力下でのビームの撓みが減る
−モータ及びギヤボックスのパワー及び重量が最小になることにより、ロボットＣＭＭアーム１の重量が最小になる
−伝達手段の数量が最適化され、費用、重量、及び複雑性がそれ以上増さない。
【００８８】
４つ〜７つの伝達手段：４つ〜７つの伝達手段１０を有するロボットＣＭＭアーム１の設計上の複雑性は、伝達手段を追加するごとに増す。伝達手段が互いに不利に作用して、内部ＣＭＭアーム５に望ましくないモーメントを加える可能性が高くなる。
【００８９】
連続伝達手段：内部ＣＭＭアーム５と外骨格６との間に、連続弾性媒体を設けることができる。ＣＭＭアーム５と外骨格６との間の介在体積部分（intermediate volume）には、一定量の小さなゴム球を充填することができ、これらのゴム球は、互いに接着し、種々の空間的向きで介在体積部分から流れ落ちたり流れ回ったりしないように、接着剤で被覆される。介在体積部分には、空気のポケットがプラスチックシートに閉じ込められたバブルラップ等の材料を充填してもよい。媒体は、内部ＣＭＭアーム５に伝達される力及びトルクを最小にするように指定されてもよい。媒体は、内部ＣＭＭアーム５の継手と外骨格６の継手との位置ずれを最小にするように指定されてもよい。媒体は、３つの構成部品方向、すなわち半径方向（radial）、軸方向（axial）、及びねじれ方向（torsional）で所望の弾性を示すように指定されてもよい。媒体は、介在体積部分全体で連続していてもよく、又は個別の伝達手段に似せるように不連続であってもよい。連続媒体は、不連続な特性を示してもよく、例えば、中間堆積部分の種々の領域における半径方向、軸方向、及びねじれ方向の弾性は、おそらく実質的に異なり得る。
【００９０】
非駆動セグメントの自動回転
再び図２を参照すると、７軸ロボットＣＭＭアーム１には、１つ又は複数のセグメントが駆動要素からの原動力を用いずに重力下で自動回転し得る事例が４つある。継手がその後の従動回転に必要な角度に対して９０°の向きにあり得る場合、これによって継手がロックされることにより、ＣＭＭアームが損傷を受けるか、又はＣＭＭアームの較正が失敗するため、このようなＣＭＭセグメントの自動回転は望ましくない。
【００９１】
事例１：直交ヒンジ継手２  ２２が直線状である場合、自動回転が起こり得る。自動回転は、ＣＭＭセグメント２  ３２、３  ３３がＣＭＭ継手１  ５１と３  ５３との間で一緒に回転することを伴う。ロボットＣＭＭアームは通常、垂直の向きに取り付けられ、重力により加速される偏心質量はないため、これが起こる可能性は低い。
【００９２】
事例２：直交ヒンジ継手４  ２４が直線状である場合、自動回転が起こり得る。自動回転は、ＣＭＭセグメント４  ３４、５  ３５がＣＭＭ継手３  ５３と５  ５５との間で一緒に回転することを伴う。ＣＭＭセグメント４  ３４、５  ３５に、重力により加速される軸外重心（off-axis center of gravity）があり、直交ヒンジ継手４  ２４が垂直の向きにない場合、これが起こる可能性が高い。
【００９３】
事例３：直交ヒンジ継手６  ２６が直線状である場合、自動回転が起こり得る。自動回転は、ＣＭＭセグメント６  ３６、７  ３７がＣＭＭセグメント５  ５５と７  ５７との間で一緒に回転することを伴う。ＣＭＭセグメント６  ３６、７  ３７に、重力により加速される軸外重心があり、直交ヒンジ継手６  ２６が垂直の向きにない場合、これが起こる可能性が高い。事例１、２、及び３は、重複した伝動手段に組み込まれた回転抑制要素又は個別の回転抑制手段９４０により、防止することができる。
【００９４】
事例４：ＣＭＭセグメント８が軸外重心を有し、伝達手段により駆動されない場合、自動回転が起こり得る。しかしながら、伝達手段８  ７８は必須であり、ねじれ方向ドライブ（Torsional drive）を与えるため、事例４は無視することができる。
【００９５】
直交ヒンジ継手のロック
直交ヒンジ継手がロックし、重力、位置ずれ、及び酷使による荷重（abuse loads）の影響により、望ましくない力、モーメント、又はトルクが内部ＣＭＭアーム５に加わり得る、ロボットＣＭＭアーム１の空間的向きの事例が複数ある。以下は、３つの例示的なロックの事例である。
【００９６】
ロック事例１：直交ヒンジ継手２  ２２、４  ２４、６  ２６が直線状であり、その軸が水平である。ベース軸が垂直である場合、アームは垂直である。位置ずれがあると、曲げモーメントが伝達手段によって内部ＣＭＭアーム５に加えられ得る。酷使による荷重があると、曲げモーメントが伝達手段によって内部ＣＭＭアーム５に加えられ得る。伝達手段の綿密な設計及び外骨格の剛性により、この影響を最小にするか又はなくすことができる。
【００９７】
ロック事例２：直交ヒンジ継手４  ２４、６  ２６が直線状であり、その軸が垂直である。継手２  ２２の後のロボットＣＭＭアーム１のセグメントが水平である場合、ＣＭＭセグメント３  ３３〜８  ３８が、重力下で水平になっており２つ以上の場所で支持される１つの剛性の「ロックされた」ビームを形成するという状況になる。各端で支持されている場合、「ロックされた」ビームは中央で大きく撓む。３つ以上の場所で支持されている場合、曲げモーメントが生じてさらに悪い撓みが示される可能性が高い。位置ずれがあると、曲げモーメントが伝達手段によって内部ＣＭＭアーム５に加えられ得る。酷使による荷重があると、曲げモーメントが伝達手段によって内部ＣＭＭアーム５に加えられ得る。これは、内部ＣＭＭアーム５に対する望ましくない力及びモーメントに関して考えられる最悪の空間的向きである。伝達手段の綿密な設計及び外骨格の剛性により、この影響を最小にするか又はなくすことができる。代替的に、測定中はロボットＣＭＭアーム１をこのロック事例２の空間的向きに移動させないという処置を取ってもよい。例えば、継手３  ２３、７  ２７が９０°回転すると、アームは同じ空間的向きのままであり、直交ヒンジ継手４  ２４、６  ２６の両方が重力に対してロック解除され、望ましくないモーメントが除去され、アームが測定に適した状態になる。
【００９８】
ロック事例３：直交ヒンジ継手６  ２６は、直線状であり、その軸が垂直である。これは、ロック事例２の副次的事例である。撓みはより小さい。ロック事例３は、ロック事例２と同様な方法で解決することができる。
【００９９】
上記の例示的なロック事例又は任意の他のロック事例におけるＣＭＭ継手２  ３２、４  ３４、６  ３６のいずれのロックも、１．外骨格６に硬質のストップを配置して、継手が１８０°に達するのを防ぐこと、２．ロボットＣＭＭをロックが行われる空間的向きに移動させないこと、によって回避することができる。
【０１００】
伝達手段の好ましい配置
次に図１４を参照して、ロボットＣＭＭアーム１の伝達手段の好ましい配置を説明する。ロボットＣＭＭアーム１は、継手２から先が水平な空間的向きで静止している。３つの伝達手段３  ７３、５  ７５、８  ７８が設けられる。伝達手段３  ７３は、継手中心３  ２３の直前に位置付けられる。伝達手段５  ７５は、継手中心５  ２５の直前に位置付けられる。継手手段８  ７８は、継手中心７  ２７の後に位置付けられる。回転抑制手段９４０が、継手中心２  ２２、４  ２４、６  ２６に隣接して設けられる。
【０１０１】
次に図１５を参照して、伝達手段８  ７８の場所を説明する。ＣＭＭセグメント８  ３８及びＣＭＭセグメント８  ３８にしっかりと取り付けられた標準的なプローブ９０が、重心ＣＧ８において伝達手段８  ７８によって支持されることにより、ＣＭＭ継手７  ５７にその結果加わる力又はトルクは無視できる程度となる。重心ＣＧ８は、ＣＭＭセグメント８  ３８にしっかりと取り付けられた標準的なプローブ９０と組み合わせたＣＭＭセグメント８  ３８の重心である。本発明のロボットＣＭＭアーム１の目的の１つが、内部ＣＭＭアーム５の継手に対する力及びトルクを減らすことにより精度を最大にすることであるため、これは望ましい状態である。実際には、種々の質量、重心位置、及び慣性モーメントを有する光学プローブ９１を含むプローブ９０は、ロボットＣＭＭアーム１のプローブ端２に取り付けられる。理想的な状況では、全てのプローブ９０が、ＣＭＭセグメント３８に取り付けられると、プローブ９０とＣＭＭセグメント８  ３８との組み合わせの重心の位置が伝達手段８  ７８の中心でＣＭＭセグメント３８の軸上に合わせられるように設計される。このように、追加の質量が伝達手段８  ７８を介して外骨格６により完全に支持されるため、重心ＣＧ８を中心に高質量のプローブ９０を取り付けてもロボットＣＭＭアームの精度は低下しない。
【０１０２】
次に図１６を参照して、回転抑制手段９４０を説明する。回転抑制手段９４０は、ピン９４１及び埋め込まれたゴムＯリング９４２を備える。ピン９４１は、内部ＣＭＭアーム５にしっかりと取り付けられ、ＣＭＭ継手２  ５２の軸から突出する。Ｏリング９４２は、外骨格６にしっかりと埋め込まれ、外骨格継手２  ６２の軸と整列する。ピン９４１の外径は、Ｏリング９４２の内径よりもかなり小さいため、ＣＭＭ継手２  ５２及び外骨格継手２  ６２が位置合わせされると、ピン９４１とＯリング９４２との間には均一な半径方向のエアギャップができる。回転抑制手段９４０の目的は、ＣＭＭ継手２  ５２が直線状である場合のＣＭＭセグメント２、３の自動回転Ｒを防止することである。自動回転Ｒが始まっても、ピン９４１が継手中心２  ２２の軸の周りを揺動してＯリング９４２と衝突することにより、すぐに停止される。エアギャップは、ロボットＣＭＭアームの通常の動きで維持され、望ましくない力又はトルクがＯリング９４２及びピン９４１を介して内部ＣＭＭアーム５に加えられるのを防止する。
【０１０３】
次に図１７を参照すると、伝達手段３  ７３の原理が、長手方向断面ＡＡ及び軸方向断面ＢＢで示されている。伝達手段３  ７３の伝動は半径方向である。ＣＭＭセグメント３  ３３は、外骨格セグメント３  ４３からの伝達手段３  ７３を介した半径方向力により移動する。伝達手段３  ７３は、１２０°間隔で外骨格セグメント３  ４３の内側にしっかりと取り付けられる３つの伝達ブロック２０１を備える。伝達ブロック２０１は、アルミニウム等の軽量材料でできている。３つの伝達ブロック２０１の内面には２つの層、すなわち、ネオプレン等の弾性材料層２０３と、ＣＭＭセグメント３  ３３と接触するＰＴＦＥ等の低摩擦材料層２０２とが接着される。低摩擦材料層２０２がＣＭＭセグメント３  ３３と外骨格セグメント３  ４３との間で軸方向に滑ることを可能にするため、伝達手段３  ７３は軸方向力を伝達しない。弾性材料層２０３は、伝達手段３  ７３が所定位置に組み立てられると常に圧縮された状態になる。弾性材料層２０３は、通常の使用中に急速に剛性が増すか、又はかなりの距離を圧縮することなく、設計弾性範囲内に留まることを可能にする、断面積、厚さ、及び剛性の組み合わせを有する。弾性材料層２０３は、その場所での内部ＣＭＭアーム５及び外骨格６の酷使による荷重下での位置ずれよりもはるかに広く、これにより、内部ＣＭＭアームが大きな力又はトルクを受けないよう保護する。弾性材料層２０３の剛性は、最大重量を支持する場合に著しく圧縮するような低さである。断面積、厚さ、及び合成の仕様は、酷使による荷重下での外骨格の位置ずれ公差の増大及び撓みを含む多くの因子を正確にモデリングすることを必要とする既知の手順であることが、当業者には理解されるであろう。低摩擦材料２０２を用いることによる利益は、摩擦により熱が発生しないことである。これは、必要な駆動力が最小になり、摩擦による「ホット」スポットによる熱歪みをなくすことにより、内部ＣＭアーム５の精度が維持されることを意味する。自動回転を防止するために２つのバンプストップ２０９が設けられる。バンプストップは、ＣＭＭセグメント３  ３３に取り付けられる。通常の動作時には、バンプストップ２０９と伝達ブロック２０１との間にエアギャップがある。バンプストップ２０９は、衝撃を低減するためのゴム引き表面を有する。自動回転が始まっても、バンプストップ２０９が伝達ブロック２０１に衝突することにより、すぐに停止される。伝達手段５  ７５は、半径方向伝動のために同様に配置される。
【０１０４】
伝達手段８  ７８の伝動は、ねじれ方向及び半径方向である。伝動手段８  ７は、２つの隣接するユニットであるねじれ方向ドライブ及び半径方向ドライブを備える。半径方向ドライブは、図１７のものと同様である。次に図１８を参照すると、伝達手段８  ７８のねじれ方向ドライブが、長手方向断面ＡＡ及び軸方向断面ＢＢで示されている。ＣＭＭセグメント８  ３８は、外骨格セグメント８  ４８からの伝達手段８  ７８を介したトルクにより移動する。伝達手段８  ７８は、ＣＭＭセグメント８  ３８に接着されるカラー２０４を備える。カラー２０４はさらに、１２０°離れて半径方向外方に延びるとともに長手方向に延びる３つの従動フランジ２０９を備える。１２０°離れた３つのスロット付き伝達ブロック２０５が、従動フランジを駆動する。各スロット付き伝達ブロック２０５は、スロット付き伝達ブロック２０５のスロットの２つの駆動面に接着される弾性材料２０３のパッドを２つ備える。スロット付き伝達ブロック２０５は、座金２０７を用いてボルト２０６で外骨格セグメント８  ４８に取り付けられる。スロット付き伝達ブロック２０５、カラー２０４、及び座金２０７は、アルミニウム等の軽量材料でできている。弾性材料２０３は、従動フランジ２０９と接触するＰＴＦＥ等の外側低摩擦材料層２０２を有する。低摩擦材料層２０２がＣＭＭセグメント８  ３８と外骨格セグメント８  ４８との間で軸方向に滑ることを可能にするため、伝達手段８  ７８は軸方向力を伝達しない。低摩擦材料層２０２はＣＭＭセグメント８  ３８と外骨格セグメント８  ４８との間で半径方向にいくらか滑ることを可能にするが、従動フランジ２０９が１２０°離れて配置され、互いに反応してＣＭＭセグメント８  ３８と外骨格セグメント８  ４８との間で半径方向移動が生じた場合にそれを補正する力を提供するため、伝達手段８  ７８は半径方向力を部分的に伝達する。弾性材料層２０３は、伝達手段８  ７８が所定位置に組み立てられると常に圧縮された状態になる。弾性材料層２０３は、通常の使用中に急速に剛性が増すか、又はかなりの距離を圧縮することなく、設計弾性範囲内に留まることを可能にする、断面積、厚さ、及び剛性の組み合わせを有する。本発明の背景の原理をより分かりやすく開示するために個別に説明した２つの隣接するねじれ方向ドライブ及び半径方向ドライブよりも軽量で小型なユニットとして、統合ねじれ方向・半径方向ドライブを設けてもよいことは、当業者には理解されるであろう。
【０１０５】
概要
外骨格６は、広範囲の伝達手段１０を用いて内部ＣＭＭアーム５に力及びトルクを伝達することができ、伝達手段１０は、全てが内部ＣＭＭアーム５に対する力及びトルクを最小にする目的を達成し、それによりロボットＣＭＭアーム１の精度を最大にすることが、当業者には理解されるであろう。本発明のロボットＣＭＭアーム１の範囲は、開示された好ましい伝達手段１０の配置に限定されず、ロボットＣＭＭアーム１が自動的に駆動され、且つ高精度であるように、外骨格６から内部ＣＭＭアーム５に力及びトルクを伝達する全ての伝達手段１０に対応する。例えば、代替的な実施形態では、個別の伝達手段１０の数は２つ以上であってもよく、連続伝達手段を用いてもよく、個別の手段と連続手段との組み合わせを用いてもよい。本発明のロボットＣＭＭアーム１の範囲は、弾性伝達手段に限定されない。さらなる実施形態では、外骨格６から内部ＣＭＭアーム５に伝達される力及びトルクがロボットＣＭＭアーム１の精度に影響を及ぼさないように、伝達手段１０は、内部ＣＭＭアーム５及び外骨格６の１つ又は複数の場所にしっかりと取り付けられることができる。市場に登場するさらなる装置が、内部ＣＭＭアームと外骨格との組み合わせを有すると思われ、またロボットＣＭＭアームではなく従来型のロボットであると主張され得ることが、当業者にはさらに理解されるであろう。本発明の範囲は、ＣＭＭの軸受及びセグメントに対する力及びトルクを低減するという技術的効果を有する全ての装置を対象とする。
【０１０６】
ロボットＣＭＭアームの比較
内部ＣＭＭアームの比較
補償デバイスが内部ＣＭＭアーム５において用いられる場合、継手において応力が増加し、継手を通して応力が作用して曲げモーメントも誘導する場合があり、応力及び曲げモーメントの両方が、精度を低下させるか、又は重量を増して対抗する必要がある。本発明のロボットＣＭＭアーム１の内部ＣＭＭアーム５の継手は通常、手動ＣＭＭアームよりも長いサイクルで用いられるが、それは、ロボットＣＭＭアームが、保守期間及び運転停止を除いて最大で１日２４時間、一年中用いられ得るからである。継手が高い応力を有し、連続的に用いられる場合、補償デバイスはより多くの熱を発生し、アームのその継手の温度は、使用率が低い場合よりも高くなる。これにより、アームの精度不良を悪化させる可能性がある。内部ＣＭＭアーム５のその継手の軸受は、はるかに長い寿命サイクルにするために剛性に設計する必要がある。軸受の緩みは、内部ＣＭＭアーム５の精度不良の重大な原因であり、補償することができない。外骨格６が、外部補償デバイスとなるように内部ＣＭＭアーム５を保持することが、本発明の目的の１つである。この外部補償は、運動中の内部ＣＭＭアーム５に対する力及びトルクのほとんどを最小にし、内部補償デバイスの欠点をなくす。これは、内部ＣＭＭアーム５が補償デバイスを必要とせず、ロボットＣＭＭアーム１が補償デバイスなしでより軽量に、単純に、且つ製造費用が安くなることを意味する。本発明の範囲は、内部ＣＭＭアーム５に補償デバイスがないロボットＣＭＭアーム１に限定されず、内部ＣＭＭアーム５に補償デバイスがあるロボットＣＭＭアーム１も含む。
【０１０７】
外骨格補償デバイス
ロボットＣＭＭアーム１は、そのベース４にいかなる向きで取り付けられてもよい。垂直方向上方又は下方であるベース向きで、外骨格６は、外骨格６及び内部ＣＭＭアーム５の両方の重量を補償する補償デバイスを外骨格継手２  ６２に有することが好ましい。補償デバイスは、電圧、空気圧、又は油圧等の電源から直接電力を消費しないデバイスである。これは、外骨格継手２  ６２の駆動システムをあまり強力でなく、重量が軽く、且つデューティサイクルの大半でエネルギー消費が少ないものとすることができることを意味する。ロボットＣＭＭアーム１の通常の設計では、補償デバイスがあることにより、電力消費を１０〜２５％減らすことができ、ロボットＣＭＭアームの重量を５〜１２％減らすことができる。
【０１０８】
次に図１９を参照すると、ロボットＣＭＭアーム１のベース４は、垂直上方に取り付けられ、補償デバイス２１０の適用方向（direction of application）Ａは、外骨格６の外骨格セグメント３  ４３を重力に逆らって垂直位置に向けて上方に持ち上げるための方向である。補償デバイス２１０は、外骨格継手２  ６２の軸の一端に配置される。ロボットＣＭＭアーム１のベース４が垂直下方に取り付けられる場合、例えば移動ブリッジ３軸ＣＭＭ１２９の柱から垂下する場合、補償デバイス２１０の適用方向は、外骨格６の外骨格セグメント３  ４３を重力に逆らって水平位置に向けて上方に持ち上げるための方向である。好ましくは、１つの補償デバイス２１０が、外骨格継手２  ６２にトルクを与えるように作用する。補償デバイス２１０は、加工されたコイルばねであることが好ましい。補償デバイス２１０は、外骨格継手２  ６２を外骨格継手２  ６２の任意の向きに回転させるのに必要な最大トルクを最小にするための最適値に設定される。この補償デバイス２１０は、外骨格継手２  ６２を駆動するためにより小型且つ軽量の駆動システムを設けることができることを意味する。理想的な状況では、補償デバイス２１０は、外骨格継手２  ６２に曲げモーメントが加わらないようにするために、外骨格継手２  ６２の中心に直接作用するべきである。本発明のロボットＣＭＭアームでは、内部ＣＭＭアーム５のＣＭＭ継手２は、外骨格継手２  ６２の中央に配置される。したがって、補償デバイス２１０は、偏心して配置され、外骨格継手２  ６２に曲げモーメントを加える。外骨格６、特に外骨格継手２  ６２の周りの構成部品の構造は、補償デバイス２１０からの曲げモーメントに対抗し、且つ外骨格６の曲げを所望の限度内に保つのに十分な剛性を有する。外骨格継手２  ６２のトルク補償の方向は、ロボットＣＭＭアームのベース４の向きが垂直上方である場合と垂直下方である場合とで逆である。設けられた補償デバイス２１０は、ロボットＣＭＭアーム１のベース４の向きが方向転換すると、逆方向にそのトルクを加えるように反転させることができる。本発明のさらなる実施形態では、補償デバイス２１０はさらにダンパ２１１を備える。
【０１０９】
代替的な実施形態では、アームに対して２つの補償デバイス２１０の選択が与えられ、第１の選択は、ロボットＣＭＭアーム１が垂直上方のベース４の向きを有する場合用であり、第２の選択は、ロボットＣＭＭアーム１が垂直下方のベース４の向きを有する場合用である。適当な補償デバイス２１０が、ロボットＣＭＭアーム１のベース４の向きに合わせて嵌められる。さらなる実施形態では、ロボットＣＭＭアーム１の設置中に手動で設定される、２つの異なる向きのための手動設定を有する補償デバイス２１０が設けられる。本発明の代替的な実施形態では、外骨格継手２  ６２の両側に配置され、且つほぼ同じトルクに設定される２つの補償デバイス２１０が設けられることにより、外骨格継手２  ６２にわたる曲げモーメントは無視できる程度となる。
【０１１０】
ロボットＣＭＭアームのベースが水平に取り付けられる場合、例えば壁に取り付けられる場合等、他のベースの向きでは、有用であり得るように用途が制限されない限り、継手２には補償デバイス２１０がないことが好ましい。代替的な実施形態では、本発明のロボットＣＭＭアームは、外骨格６に補償デバイス２１０が全くなくても機能することができる。
【０１１１】
継手リミット
本発明のロボットＣＭＭアーム１のこの第１の実施形態は、軸方向継手は無限回転し、各直交継手の回転に対してはハードリミットがある。継手ハードリミットは、継手が継手ハードリミットの方向に回転しないようにする物理的なストップである。内部ＣＭＭアーム５の電子部品（electronics）及び外骨格６の駆動システムの両方に供給することができる電力及び信号を、スリップリングを介して内部ＣＭＭアーム５に伝えることが、本発明の目的の１つである。６軸ロボットＣＭＭアーム１では、３つの軸方向の軸が無限に回転し、７軸ロボットＣＭＭアーム１では、４つの軸方向の軸が無限に回転する。これは、各軸方向継手の領域において３６０°にわたってケーブルの連続的な巻き付け及び巻取りを行う必要がないため、アームがより堅牢になることを意味する。
【０１１２】
内部ＣＭＭ継手のハードリミット
この第１の実施形態では、内部ＣＭＭアーム５には継手ハードリミットが組み込まれていない。軸方向継手は無限に回転することができる。通常の動作時に外骨格６が内部ＣＭＭアーム５を継手ハードリミットに押し付けることができないように、固有の（inherent）直交継手リミットは全て、外骨格６の継手ハードリミットをわずかに超えている。内部ＣＭＭアーム５が外骨格６により支持されない場合に、組み立て中の損傷を回避するために、単純なゴムストップが位置付けられる。これらのゴムストップは、ロボットＣＭＭアーム１が組み立てられると、動作時には用いられない。
【０１１３】
外骨格継手リミット
この第１の実施形態では、各外骨格継手２  ６２、４  ６４、６  ６６は、第１及び第２の継手ハードリミットを有する。各継手ハードリミットは、いかなる衝撃も和らげるように、少なくとも１つの衝撃側に取り付けられるゴムでできたショックアブソーバ要素を有する、機械的なストップであることが好ましい。直交継手に関与する衝撃が考慮され得る、大きなサイズの本発明のロボットＣＭＭアーム１では、衝撃を吸収するように配置された部分的に予め皺加工した（pre-crumpled）管を軸方向に圧縮することにより、衝撃エネルギー力を散逸させる。予め皺加工することにより、剛体への衝撃による初期の高い衝撃応力をなくすことができる。衝撃後、管は単純に交換される。管は、長さ１００ｍｍで、純アルミニウムでできており、直径７ｍｍ、肉厚１．５ｍｍで、直径９．５ｍｍの治具内で５％予圧縮されることにより、ロボットＣＭＭアーム１の直交継手の１０ｍｍ穴に嵌まるようにすることが好ましい。吸収すべき衝撃エネルギーの量が異なる、種々のサイズのロボットＣＭＭアームに関して、これらの仕様の調整が行われる。材料の皺加工ではなく剪断による等、塑性変形又は他のモードで衝撃エネルギーを吸収する任意の他の適した方法も同様に用いることができることが、理解されるであろう。この第１の実施形態では、各外骨格継手２  ６２、４  ６４、６  ６６は、第１及び第２の継手ソフトリミットを有する。各継手ソフトリミットは、リミットスイッチ１８２であることが好ましい。
【０１１４】
最適なベースの向き方向（orientation direction）
ロボットＣＭＭアーム１のベース４には、最適な向き方向が記されていることが好ましい。ベースの最適な向き方向は、本発明のロボットＣＭＭアームを用いるべき作業領域の中心に向かってベース４が向けられるべき方向である。無限回転しない実施形態の最適な向きでは、外骨格継手１  ６１は、ハードリミットに衝突する前に両側に同じ量だけ回転することができる。
【０１１５】
外骨格継手１のリミット
この第１の実施形態では、外骨格継手１  ６１は軸方向継手である。無限回転しない実施形態の場合、ハードリミットが必要である。図２０を参照すると、第１の物理的継手リミットと第２の物理的継手リミットとの間の外骨格１  ６１の総角回転は、６３０°である。外骨格継手１  ６１の第１の継手ハードリミット対２２２Ａ、２２２Ｂ及び第２の継手ハードリミット対２２３Ａ、２２３Ｂは、ベースの最適な向き方向２２１に対して３１５°の等しい角度に設定される。継手ハードリミット２２２Ａ、２２３Ａは、外骨格セグメント２  ４２とともに回転する。継手ハードリミット２２２Ｂ及び２２３Ｂ外骨格継手１  ４１とともに静止したままである。継手ハードリミット２２２Ｂ及び２２３Ｂはそれぞれ、衝撃面に取り付けられるゴムショックアブソーバ要素２２４を有する。２つの継手ソフトリミットスイッチ１８２が、継手がハードリミットに到達する直前にリミットスイッチに接触するように位置決めされる。さらなる実施形態では、継手回転ハードリミット２２２Ａ及び２２３Ａが外骨格セグメント２  ４２に対して作業者により動かされて、外骨格継手１  ６１の代替的な総角回転を３９０°にするように、措置が取られる。代替的な実施形態では、外骨格継手１  ６１の角回転は、６３０°よりも大きくても小さくてもよい。最大総角回転まで複数の継手リミット設定があり得る。外骨格継手３  ６３、５  ６５、７  ６７に対しても同様の継手ハードリミット手段が設けられる。外骨格継手２  ６２〜７  ６７に対しても同様の継手ソフトリミットスイッチ１８２が設けられる。
【０１１６】
外骨格継手２のリミット
この第１の実施形態では、外骨格継手２  ６２は直交継手である。図２１Ａ、図２１Ｂを参照すると、外骨格継手２  ６２の角回転は１８５°であることが好ましい。図２１Ｂを参照すると、外骨格セグメント３  ４３が垂直上方から５°進んで、第１の継手ハードリミット対２２５Ａ、２２５Ｂがゴムパッド２２４を介して接触することで、外骨格継手２  ６２の回転が始まる。図２１Ａを参照すると、外骨格セグメント３  ４３が垂直下方にきて、第２の継手ハードリミット対２２６Ａ、２２６Ｂがゴムパッド２２４を介して接触することで、外骨格継手２  ６２の回転が終わる。ロボットＣＭＭアームのベース４が垂直上方の向きである場合、外骨格継手２  ６２の補償デバイス２１０は、外骨格セグメント３  ４３を第１の継手ハードリミット対２２５Ａ、２２５Ｂに向かって上方に回転させるように作用する。ロボットＣＭＭアームのベースが垂直下方の向きである場合（図２１Ａ、２２Ｂには示さず）、外骨格セグメント２  ６２の補償デバイス２１０は、外骨格セグメント３  ４３を第２の継手ハードリミット対２２６Ａ、２２６Ｂに向かって回転させるように作用する。外骨格継手４  ６４、６  ６６に対しても同様の継手ハードリミット手段が設けられる。図２１Ｃを参照すると、インライン直交継手を有するロボットＣＭＭアーム１の配置の場合、ロボットＣＭＭアーム１の軸間距離ＳＲが、外骨格７９０を有さない同等であるが従来の手動ＣＭＭアームの軸間距離ＳＭよりも大きい。ロボットＣＭＭアーム１では、ＣＭＭセグメント２  ３２、３  ３３が外骨格セグメント２  ４２、３  ４３の内側に示されている。ＣＭＭセグメント２  ３２、３  ３３が互いに平行な向きである場合のＣＭＭセグメント２  ３２、３  ３３の軸間の軸間距離ＳＲは、外骨格７９０を有さない同等であるが従来の手動ＣＭＭアームの対応するＣＭＭセグメント２  ３２、３  ３３の軸間距離ＳＭよりも大きく、それは、外骨格６の外骨格セグメント２  ４２、３  ４３のための空間が必要だからである。
【０１１７】
継手ブレーキ
本発明のロボットＣＭＭアーム１は、重力に逆らって作業者により支持されない。駆動システムへの電源が切断された場合、ブレーキ１７７がなければ、ロボットＣＭＭアーム１は重力により落下し、損傷を受けるか、１つ又は複数の人又は物体を損傷させる場合がある。この第１の実施形態では、外骨格継手１  ６１〜７  ６７は全て、電源切断の場合に自動的に適用されるフェールセーフブレーキ１７７を有する。このように、外骨格継手１  ６１〜７  ６７は全て、電源切断の場合にロックされ、このロックは、ベース取り付け向きがどの向きであっても、またロボットアームの空間レイアウトがどうであっても機能する。ロボットＣＭＭアーム１のベースが垂直上方又は垂直下方にのみ取り付けられるべきである代替的な実施形態では、外骨格継手１  ６１はブレーキ１７７を有さない。この場合、外骨格継手１  ６１は一定の向きを有し、重力の作用によって外骨格継手１  ６１が加速されることはない。代替的な実施形態では、重力下での手首において可能なモーメント及び移動は非常に小さいため、動外骨格継手５  ６５〜７  ６７にはブレーキが設けられない。これは、手首設計がより小型であり、ロボットＣＭＭアーム１がより軽量であるという利点を有する。
【０１１８】
継手の軸受
ＣＭＭ継手１  ５１  ７  ５７の軸受は、高精度なロボットＣＭＭアーム１を提供するのに重要なアイテムである。ＣＭＭエンコーダ１７８は、各継手の角度を示すことができるが、ＣＭＭエンコーダ１７８は、ＣＭＭ継手１  ５１  ７  ５７の軸受により導入される誤差を測定することができない。ＣＭＭ継手１  ５１  ７  ５７の軸受及びそれらの配置は、重量及び継手サイズを最小にしつつ剛性を最大にし、且つ軸受の振動音（rumble）を最小にするものでなければならない。内部ＣＭＭアーム５のＣＭＭ継手１  ５１  ７  ５７では、低摩擦軸受を用いて、特に高いデューティサイクルの場合、内部ＣＭＭアーム５が暖まる量を最小にする。外骨格がアームの重量のほとんどを補償するため、内部ＣＭＭアーム５の軸受に対する応力は通常、手動ＣＭＭアームの場合よりも小さい。次に図２２を参照すると、Barden Corp（米国）製等のプレストレスセラミック円錐ころ軸受２３０の対が、軸方向継手であるＣＭＭ継手３  ５３及び直交継手であるＣＭＭ継手４  ５４に設けられる。円錐ころ軸受２３０は、高剛性及び小型性を提供する。円錐ころ軸受２３０は、所定のトルクをナット２３１に加えることによりプレストレスをかけられる。軸受２３０は、締まり嵌めを用いてハウジング１００及び１０３に嵌め込まれ、これは、軸受を挿入前にまず−４５℃に冷却して、室温で強力な締まり嵌めを行う、焼嵌め（thermal shrink-fit）プロセスを用いて行われる。同様の配置では、プレストレス円錐ころ軸受２３０は、各ＣＭＭ継手１  ５１〜７  ５７に設けられる。本発明に軸受配置を提供する方法は数多くある。本発明の範囲は、焼嵌めによる締まり嵌め（thermal interference shrink-fit）によるプレストレス円錐ころ軸受の使用に限定されない。少なくとも軽量、低摩擦、及び高剛性という要件を満たす、任意のタイプの軸受及び軸受を嵌めて調整する方法を用いることができる。外骨格継手１  ５１〜７  ５７の軸受は、精度に関してはロボットＣＭＭアーム１の重要なアイテムではないが、ロボットＣＭＭアーム１の設計寿命よりも長い寿命を有することにより、高い交換費用が回避される。
【０１１９】
衝撃保護
ロボットＣＭＭアーム１は可搬式である。ロボットＣＭＭアーム１は、動作中、取り付け中、取り外し中、及び輸送中に衝撃を受けることが予測される。ロボットＣＭＭアーム１の形状の突出した側面（aspects）には、打撃を吸収するためにプラスチックでできたバンプパッドが取り付けられる。動作中、衝撃時に動きを停止させることにより衝撃からの損傷を最小にするために、軸追従誤差が監視される。ロボットＣＭＭアーム１は、まず、制御ＰＣＢ１７２によって、輸送のために特別に指定された空間レイアウトに動かされてから電源が落とされ、その間にブレーキ１７７が作動する。輸送のために特別に指定された空間レイアウトは、アームの寸法をできる限り小型にすることで硬質ケースのサイズを最小にするような空間レイアウトである。再び図２１Ｃを参照すると、直交継手が隣接するセグメントを水平の向きにすることを可能にする空間レイアウトが、硬質ケースのサイズの最小化には有用である。取り扱い中、モータ１７６のブレーキ１７７は作動しており、これによりロボットＣＭＭアーム１は硬質デバイスとなる。これにより、ロボットＣＭＭアーム１の部品が取り扱い中に回転しないため、ロボットＣＭＭアーム１が取り扱いやすくなる。
【０１２０】
組み立てプロセス
ロボットＣＭＭアーム１を組み立てるプロセスを提供することが、本発明の目的の１つである。外骨格６を嵌める前にまず内部ＣＭＭアーム５を組み立て、較正し、試験することから、最小限のステップで最高品質を得ることに基づいた生産力に関する利点が得られる。外骨格６を内部ＣＭＭアーム５から取り外すことが容易且つ迅速にできることから、整備に関する利点も得られる。
【０１２１】
ロボットＣＭＭアーム１の組み立てに好ましい「ソックス」プロセスの第１のステップにおいて、内部ＣＭＭアーム５及び外骨格６それぞれを、互いに分離されている間にかなりの程度まで組み立てる。第２のステップにおいて、外骨格６をプローブ端からベース端まで内部ＣＭＭアーム５の上にソックスのように通す。この組み立てプロセスは、内部ＣＭＭアーム５を円錐のように設計し、外骨格６を内側が中空の円錐として設計することが、事実上必要である。伝達手段１０は、外骨格６を内部ＣＭＭアーム５の上に通す前又は通した後に位置決めされ得る。
【０１２２】
ロボットＣＭＭアーム１の組み立ての「挿入」プロセスの第１のステップにおいて、内部ＣＭＭアーム５及び外骨格６それぞれを、分離されている間にかなりの程度まで組み立てる。第２のステップにおいて、外骨格６を開く。第３のステップにおいて、内部ＣＭＭアーム５を開いた外骨格６に挿入する。第４のステップにおいて、内部ＣＭＭアーム５の上で外骨格６を閉じる。
【０１２３】
ロボットＣＭＭアーム１の組み立ての「被覆」プロセスの第１のステップにおいて、内部ＣＭＭアーム５及び外骨格６それぞれを、分離されている間にかなりの程度まで組み立てる。第２のステップにおいて、外骨格６で内部ＣＭＭアーム５の周りを被覆する。挿入プロセス及び被覆プロセスはいずれも、外骨格継手等のアイテムが開裂することを必要とする。このような設計は、構成部品の数及び複雑性が増すという点でいくつかの欠点を有する。
【０１２４】
ロボットＣＭＭアーム１の組み立ての「組み付け（built around）」プロセスの第１のステップにおいて、内部ＣＭＭアーム５をかなりの程度まで組み立てる。第２のステップにおいて、外骨格６の構成部品又はサブアセンブリを、内部ＣＭＭアーム５の周りに１つずつ組み付ける。「組み上げ（built over）」プロセスの第１のステップにおいて、ロボットＣＭＭアーム１を組み立てるために、内部ＣＭＭアーム５をかなりの程度まで組み立てる。第２のステップにおいて、外骨格６の構成部品又はサブアセンブリを内部ＣＭＭアーム５の上に１つずつ通す。これらの組み付け（built）プロセスは、内部ＣＭＭアーム５へのアクセスを可能にするために外骨格６を分解しなければならないため、ロボットＣＭＭアームの運用性が低下する。
【０１２５】
本発明の範囲は、開示された組み立てプロセスに限定されず、手動又は自動の、ロボットＣＭＭアーム１を組み立てるため又は分解するための任意のプロセスに及ぶ。ロボットＣＭＭアーム１の完全な製造及び組み立てスケジュールには多くの他のステップがあり、これらのプロセスがここで開示されている組み立てプロセスステップの前、間、及び後に行われることが、当業者には理解されるであろう。
【０１２６】
プローブ及び工具
取り付け
ロボットＣＭＭアーム１は、ベース端２及びプローブ端３を有する。ロボットＣＭＭアーム１は、好ましくはＣＭＭ継手７  ５７の後でそのプローブ端３に取り付けられる、１つ又は複数の測定プローブ９０又は工具９８を備えることができる。測定プローブ９０は、手動で取り外すことも自動で取り外すこともできる。自動取り外しは、２つ以上のプローブ９０用の場所を有するラック等のプローブ交換システム、及びプローブ９０を繰り返し可能に解除及びロックする高精度取り付け機構により行われることが好ましい。ロボットＣＭＭアーム１は、１つ又は複数の高精度取り付け機構を有することができる。
【０１２７】
次に図２３を参照すると、この第１の実施形態では、プローブ取り付け手段２４０が、ＣＭＭ継手７  ５７の後で本発明のロボットＣＭＭアーム１のプローブ端３に設けられて、３つのプローブ取り付け手段２４０、すなわち第１のプローブ取り付け手段２４４、第２のプローブ取り付け手段２４７、及び第３のプローブ取り付け手段２５１のうち２つを用いて最大２つのプローブ９０が取り付けられる。第１のプローブ取り付け手段２４４は、第１の取り付け面２４２からのＭ８×１．５雌ねじ２４１と電気接点手段２４３とを備える。第２のプローブ取り付け手段２４７は、第２の取り付け面２４６からのＭ２０雄ねじ２４５を備える。第３のプローブ取り付け手段２５１は、Ｍ３０雌ねじ２４８と、１２０°間隔で３つの精密溝２４９を有する第３の取り付け面２５０とを備え、埋設（recessed）プローブコネクタ２５５が第３の取り付け面２５０に配置される。埋設プローブコネクタ２５５を用いることができない場合にプローブ９０を接続するために、さらに別の埋設プローブコネクタ２５８がＣＭＭセグメント８  ３８に配置される。コネクタ２５５及び２５８は機械的及び電気的に同一である。
【０１２８】
次に図２４を参照すると、Ｒｅｎｉｓｈａｗ  ＴＰ２０プローブ体９３が、第１のプローブ取り付け手段２４４を用いて、第１の取り付け面２４２に接触するまでプローブ体９３をねじ２４１に螺入することにより、ＣＭＭセグメント８  ３８に取り付けられる。Ｒｅｎｉｓｈａｗ  ＴＰ２０プローブ体９３と電気接点手段２４３との間には電気接点が形成される。Ｒｅｎｉｓｈａｗ  ＴＰ２０プローブモジュール９４が、マグネティックキネマティックマウントを用いてＲｅｎｉｓｈａｗ  ＴＰ２０プローブ体９３に取り付けられる。
【０１２９】
次に図２５を参照すると、固体接触プローブ９５が、第２のプローブ取り付け手段２４７を用いて、第２の取り付け面２４６に接触するまで固体接触プローブ９５をねじ２４５に螺合することにより、ＣＭＭセグメント８  ３８に取り付けられる。固体接触プローブ９５を取り付けるためには、Ｒｅｎｉｓｈａｗ  ＴＰ２０プローブ体９３を取り外す必要はないが、まずマグネティックキネマティックマウントにあるＲｅｎｉｓｈａｗ  ＴＰ２０プローブモジュール９４を持ち上げて外す必要がある。これは、固体接触プローブ９５を取り外すたびに、Ｒｅｎｉｓｈａｗ  ＴＰ２０プローブ体９３でロボットＣＭＭアーム１を再較正する必要がないことを意味する。３つのシリンダ２５２が１２０°間隔で位置付けられているブラケット２５３に取り付けられた光学プローブ９１が、固体接触プローブ９５の上に通した後で、第３のプローブ取り付け手段２５１に取り付けられる。ブラケット２５３の内径は固体接触プローブ９５の外径よりも大きいため、固体接触プローブ９５とブラケット２５３との間には隙間がある。これは、最初に固体接触プローブ９５を取り外すことなく光学プローブ９１を取り外すことができることを意味し、光学プローブ９１を取り外すたびに、固体接触プローブ９５でロボットＣＭＭアーム１を再較正する必要がないという利点を有する。同様に、固体接触プローブ９５又はＲｅｎｉｓｈａｗ  ＴＰ２０プローブ体９３は、光学プローブ９１を再位置合わせせずに取り外すことができる。光学プローブ９１は、ＣＭＭセグメント８  ３８から距離「ｄ」だけずれた重心９６を有する。光学プローブ９１の一例は、3D Scanners（英国）製のＭｏｄｅｌＭａｋｅｒ  Ｘ７０である。次に図２６を参照すると、ブラケット２５３は、ブラケットコネクタ２５６を有し、ケーブル２５７がブラケットコネクタ２５６と光学プローブ９１とを接続する。ブラケット２５３の３つのシリンダ２５２は、精密溝２４９内に収まり、ねじ２４８に螺合するナット２５４により所定位置に保持される。ブラケット２５３の３つのシリンダ２５２が精密溝２４９内に収まり、ナット２５４により所定位置に保持されると、ブラケットコネクタ２５６は埋設プローブコネクタ２５５内に収まる。ブラケット２５３の場所、したがって光学プローブ９１の場所は、ＣＭＭセグメント８  ３８に対して、０．０２５〜０．０５ｍｍ（＋／−２シグマ）のオーダの精度まで、位置及び向きを再現可能である。ブラケットは、１２０°間隔で３つの異なる向きに位置決めすることができるが、１つの好ましい位置のみで、埋設プローブコネクタ２５５との自動接続を形成することができる。さらなる実施形態では、２組以上の３つの精密溝２４９が面２５０に設けられる。これは、精密溝２４９が２組あると、ブラケット２５３を６０°間隔で６つの異なる向きに向けることができることを意味する。
【０１３０】
この第１の実施形態では、各プローブ９０の重心がほぼＣＭＭセグメント８  ３８の軸上にあることにより、ＣＭＭ継手７  ５７を回転させる力が最小になるとともに、ＣＭＭ継手７  ５７に対する曲げモーメントが最小になるが、ずらしたプローブが重心に対して最悪の位置を向いていることにより生じる最大許容トルクまでこの第１の実施形態が十分に動作可能であるように、プローブの重心９６をＣＭＭ継手７  ５７の軸からずらすこともできる。
【０１３１】
代替的な実施形態では、プローブ９０を、ベース端セグメント、プローブ端セグメント、及びそれらの間の任意のセグメントを含むロボットＣＭＭアーム１のいずれのセグメントに取り付けてもよい。１つ又は複数のさらなる継手が、ロボットＣＭＭアームのセグメントのマウントとプローブとの間に設けられる。
【０１３２】
さらなる実施形態では、自動プローブ交換のために、Renishaw製のＡｕｔｏｊｏｉｎｔ等の作動式（actuated）キネマティックマウントが設けられる。さらなる実施形態では、プローブ端の軸の側部にずらしてさらなるプローブを取り付けるために、側部取り付け手段が設けられる。プローブ取り付け手段の任意の設計、及び任意の実現可能な位置でのプローブ取り付け手段の任意の組み合わせを、代替的な実施形態で提供することができることは、当業者には理解されるであろう。
【０１３３】
複数のプローブの使用
測定用途では、同時使用又は一度に１つの使用のための２用途（dual use）用の２つのプローブ９０が、ロボットＣＭＭアーム１に取り付けられることが有用であることが多い。本発明は、ロボットＣＭＭアームに１つ又は２つのプローブが取り付けられることに限定ざれず、複数のプローブを含むことができる。
【０１３４】
２用途プローブの一例は、車体座標系における自動車部品の工具の３Ｄ走査を行うために、接触プローブ９５及び光学プローブ９１がロボットＣＭＭアーム１に取り付けられる場合である。接触プローブ９５は、車体座標系に対する既知の位置／向きでツーリングボール又はツーリング円錐（tooling cones）等の基準アーチファクトを用いて、測定すべき物体を参照するのに有用である。光学プローブ９１は、物体９の表面のデータを収集する。
【０１３５】
本発明のロボットＣＭＭアームのこの第１の実施形態では、複数のプローブがロボットＣＭＭアームのプローブ端に取り付けられ、プローブの取り付け又は取り外しを必要とせずにこれらを選択的に用いてその機能を果たすことができる、ロボットＣＭＭアームの多目的プローブ使用のための措置が取られる。これは、自動測定サイクルの時間が節約され、プローブ交換システムの費用及び予測される不都合も手動介入も必要ないことを意味する。さらなる実施形態では、取り付けられた複数のプローブ９０を、それらの機能を果たすために同時に用いてもよい。さらなる実施形態では、取り付けられた複数のプローブのうち少なくとも２つのプローブの組み合わせを、それらの機能を果たすために同時に用いてもよい。
【０１３６】
プローブのタイプ
ロボットＣＭＭアームに取り付けることができる寸法測定用の接触測定プローブのタイプは数多くあり、
−固体タッチ接触（solid touch contact）プローブ９５、
−Ｒｅｎｉｓｈａｗ  ＴＰ６及びＲｅｎｉｓｈａｗ  ＴＰ２０等、物体と接触すると電気信号を発する少なくとも１つのスイッチを有するタッチトリガ接触プローブ、
−Ｒｅｎｉｓｈａｗ  ＴＰ２００等、少なくとも１つの歪みゲージを有する力覚(force sensing)プローブ、
−プローブが導電性の物体と接触すると回路が形成され、物体とロボットＣＭＭアームとがケーブルにより接続される、電気接触プローブ、
なお、上記の固体、タッチ、電気接触、及び力接触測定プローブは、球形、先鋭形、平坦形、又はカスタム形等の種々の形状の先端を有する。カスタム形の一例は、曲管の測定に用いられるＶ字溝を有する接触測定プローブである。カスタム形のさらなる例は、シートメタルの縁の測定用の、２つの直交曲面を有する接触測定プローブである。
−超音波等の肉厚測定プローブ、
−コーティング厚等の他の寸法量を測定するための接触測定プローブ
が含まれるが、これらに限定されない。
【０１３７】
ロボットＣＭＭアームに取り付けることができる寸法測定用の非接触測定プローブのタイプは数多くあり、
−ポイントトリガプローブ
−ポイント距離測定プローブ
−全タイプのストライププローブ
−全タイプのエリアプローブ
−ロボットＣＭＭアームのプローブ端と管の表面との間にある空気層、ガス層、又は液体層を通して信号を送る、超音波等の肉厚プローブ
が含まれるが、これらに限定されない。
【０１３８】
非接触光学プローブは、単色光又は白色光を用いることができる。レーザからの単色光の場合、レーザのパワーは、目に安全であり、作業者がレーザ保護眼鏡かけなくてもよいように低いことが好ましく、又はロボットの作業領域に安全ガードが必要である。
【０１３９】
ロボットＣＭＭアームに取り付けることができる非寸法量測定用の接触及び非接触測定プローブのタイプは数多くあり、
−温度、
−表面粗さ、
−色、
−振動、
−硬度、
−圧力、
−密度、
−溶接部、接着部の傷、含有物の検出
が含まれるが、これらに限定されない。
【０１４０】
工具
ロボットＣＭＭアーム１に取り付けることができる工具９８は数多くあり、
−ペン又はバブルジェットプリンタヘッド等の罫書きデバイスでの罫書き。罫書き中の物体上に置かれる印の場所は、ＣＡＤシステム等の３Ｄソフトウェアを用いて準備プロセスにおいて決定される。場所は、物体を作成する元となった、物体のＣＡＤ設計モデル、又は実際の物体のリバースエンジニアリングモデル、又は別の同様の物体のリバースエンジニアリングモデルのいずれかである、物体のモデルを用いて決定される。３Ｄソフトウェアの作業者は、３Ｄソフトウェアツールを用いて、必要な印の場所をデジタル定義する。代替的に、必要な印の場所は、インタラクティブなデータ取得プロセスにおいて別の同様な物体から測定することができる。航空宇宙産業における嵌め合い部品の組み立てプロセス等の嵌め合い部品の組み立てプロセスでは、ドリル穴の中心等の必要な印の場所は、雄型部品から測定してから雌型部品にマーキングしてもよく、又は雌型部品から測定してから雄型部品にマーキングしてもよい。３Ｄソフトウェアは、罫書きデバイスが取り付けられるロボットＣＭＭアーム１の経路プログラムを生成する。経路プログラムがロボットＣＭＭアーム１に対して自動的に実行されると、罫書きデバイスが物体の所望の場所にマーキングする。ロボットＣＭＭアーム１は、産業ロボットよりも正確に罫書きを行うことができ、従来のＣＭＭよりも柔軟性があるため、罫書きに関する実用性が高い。さらに、ロボットＣＭＭアームを罫書きに用いることにより、罫書き用固定具が必要なくなる。
−エアブラシ、カラーバブルジェットプリンタヘッドアセンブリを含むバブルジェットプリンタヘッドアセンブリ等の塗料塗布デバイスでの塗装
−切削、研削、穿孔、鍛打、接着、溶接、フライス削り
−ステッカーの貼り付け
が含まれるが、これらに限定されない。工具９８は、静止していてもよく、又は並進要素又は回転要素を有し、且つアームに沿って電力を供給される電動工具であってもよい。
【０１４１】
プローブの質量
接触プローブの通常の重量は、５０〜２００ｇである。光学プローブの通常の重量は、１００〜２０００ｇである。プローブの組み合わせの重量は、３ｋｇを超え得る。
【０１４２】
プローブのアーキテクチャ及びアイデンティティ
プローブ９０の複雑性及びパワーは、プローブによって大きく異なる。本発明のロボットＣＭＭアーム１に取り付けられるように設けられる光学プローブ９１のアーキテクチャを説明する。次に図２７Ａを参照すると、光学プローブ９１は、プローブケーブル２５９又はブラケットケーブル２５７のためのプローブコネクタ２６０を有する。プローブＰＣＢ２７０には、プローブスタティックメモリ２６１、プローブプロセッサ２６６、プローブバスコントローラ２６７、プローブ無線ユニット２６８、及びプローブ検知デバイス２６９が設けられる。プローブスタティックメモリ２６１には、プローブプログラム２７２及びプローブアイデンティティ２７１が常駐しており、プローブアイデンティティ２７１は、プローブアイデンティティ番号２６２、プローブ較正データ２６３、プローブ位置合わせデータ２６４、及びプローブ情報２６５を含む。プローブ較正データ２６３は、プローブ９１が取り付けられるものに関係なく測定を行うための、プローブ９１の較正に関するデータである。プローブ位置合わせデータ２６４は、ロボットＣＭＭアーム１とのプローブ９１の位置合わせに関するデータである。プローブ情報２６５は、プローブのタイプ、プローブの重量、取り付け基準点に対するプローブの重心位置及び慣性モーメント、最新較正日、製造日、製造業者、精度、並びに製造番号を含み得るが、これらに限定されない。この第１の実施形態では、いかなるプローブ９０も内部に記憶されたプローブアイデンティティ２７１を有する。プローブアイデンティティ２７１は、プローブ９０がロボットＣＭＭアーム１に取り付けられた後で読み取ることができる。プローブアイデンティティ２７１は、有線接続に沿って読み取ってもよく、又は無線接続により読み取ってもよい。これは、プローブ９０が較正されるたびに、プローブ較正データ２６３がプローブ９０に伴うため、組織のＩＴシステムにおいてプローブ較正データ２６３が紛失したり、古いプローブ構成データ２６３と誤って交換されたりする可能性が減ることを意味する。プローブプログラム２７２は、ラップトップコンピュータ１５１から自動的に、さらにはラップトップコンピュータ１５１又はプローブ無線ユニット２６８を介してインターネット又はイントラネット上で遠隔に更新することができる。この第１の実施形態ではさらに、デジタルアイデンティティが記憶されていない単純なプローブ９０も用いることができる。プローブのデジタルアイデンティティは、プローブスタティックメモリ２６１に記憶されることに限定されない。プローブのデジタルアイデンティティは、電力を用いずにプローブ９０の設計寿命よりも長い寿命を有するいかなる形態のデジタルメモリにも記憶することができる。プローブプロセッサ２６６によってプローブセンサ２６９からの生データの処理が行われ、ラップトップコンピュータ１５１によってさらに処理される。プローブのアーキテクチャによっては、プローブプロセッサ２６６がほとんど又は全ての処理を行う。ほとんど又は全ての処理がラップトップコンピュータ１５１によって行われるプローブのアーキテクチャもある。
【０１４３】
プローブ接続及びプローブケーブル
市場で入手可能なほとんどのプローブ、特に光学プローブ９１は、専用接続を有するが、ローカライザにインタフェースするためにカスタムの光学プローブ９１が開発されることが多い。第１のプローブ取り付け手段２４４は、広範囲のＲｅｎｉｓｈａｗプローブとの自動電気接点を有するＲｅｎｉｓｈａｗ  Ｍ８×１．５ｍｍねじ穴を提供する。第２のプローブ取り付け手段２４７は、標準的なねじを提供するが、電気接点は提供しない。第３のプローブ取り付け手段２５１は、埋設プローブコネクタ２５５を介した専用の機械的取り付け・自動電気接続機構（arrangement）を提供するが、これは、第３のプローブ取り付け手段２５１の設計の知的所有権者に許可された場合のみ用いることができる。プローブの手動接続は、短いプローブケーブル２５９をＣＭＭセグメント８  ３８に配置された付加的な埋設プローブコネクタ２５８に差し込むことにより、行うことができる。好ましくない実施形態では、プローブケーブル２５９を、ロボットＣＭＭアーム１の外部に引き下ろして、ロボットＣＭＭアーム１のベース４のインタフェースポート１９４に接続することができる。配線は常に関節アームロボットの問題であり、継手の周りでの適切な引き回しの措置が取られていないロボットＣＭＭアームのプローブ端からケーブルを引くことは望ましくないことが、当業者には分かるであろう。インタフェースポート１９４のコネクタ及び接続は、埋設プローブコネクタ２５５及びさらなる埋設プローブコネクタ２５８のものと同じであることが好ましい。プローブの電気接続手段２３４、２５５、２５８、及び１９４は、以下の、電源、接地、トリガ、及びデータのうちの１つ又は複数を提供する。次に図２７Ｂを参照すると、さらなる実施形態では、３つのプローブコネクタ２６０がプローブ９０に設けられる。３つのプローブケーブル２５９が、プローブ９０を、プローブの電気接続手段２５８を介してロボットＣＭＭアーム１に、ラップトップコンピュータ１５１に、且つプローブ制御ボックス２９５に接続する。プローブ制御ボックス２９５が必要とされるのは、プローブ９０のサイズ及び重量を最小にする必要があり、プローブ９０からプローブ制御ボックス２９５へアイテムを移動させることが実用的である場合である。次に図２７Ｃを参照すると、さらなる実施形態では、プローブケーブル２５９がプローブ９０のプローブコネクタ２６０に接続し、ロボットＣＭＭアームの外側に沿ってプローブ制御ボックス２９５まで引かれる。プローブボックス・ラップトップコンピュータ間ケーブル２９７が、プローブ制御ボックス２９５をラップトップコンピュータ１５１に接続する。プローブボックス・アーム間ケーブル２９６が、プローブ制御ボックス２９５をロボットＣＭＭアーム１のインタフェースコネクタ１９４に接続する。次に図２７Ｄを参照すると、プローブ制御ボックス２９５をロボットＣＭＭアーム１にインタフェースさせるための好ましい実施形態が示されている。プローブケーブル２５９が、プローブ９０のプローブコネクタ２６０と、ロボットＣＭＭアーム１の埋設プローブコネクタ２５８とに接続する。プローブボックス・アーム間ケーブル２９６が、プローブ制御ボックス２９５をロボットＣＭ���アーム１のインタフェースコネクタ１９４に接続する。本発明の範囲は、開示されたプローブの電気接続及びケーブルに限定されず、全タイプのプローブ有線接続及び無線接続を含む。例えば、プローブ９０は、ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ（ＷｉＦｉ）等の無線接続によってラップトップコンピュータ１５１に直接データを送ることができる。
【０１４４】
プローブの仕様及び性能
プローブ９０の仕様及び性能によって、ロボットＣＭＭアーム１が測定作業においてプローブ９０を運ぶ方法は大きく変わる。先に開示したように、本発明のロボットＣＭＭアームで用いることができるプローブ９０の一般的タイプは数多くあり、一般的タイプごとに広範な設計がある。ロボットＣＭＭアーム１に取り付けられる好ましい光学プローブ９１は、ストライププローブ９７である。次に図２８を参照すると、ストライププローブ９７は、レーザ光源２９８及び平面生成光学系（optic）２９９を含み、平面生成光学系２９９は方向＋Ｚの両側に広がるレーザ光２８０を投射し、このレーザ光２８０は平面の三角形部分で概ね表される。ストライププローブ９７に近い最小ストライプ長さ２８４及びストライププローブ９７から遠い最大ストライプ長さ２８５から構成されるポリゴン部分２８１内で、測定が行われる。最小ストライプ長さ２８４と最大ストライプ長さ２８５との間の距離は、被写界深度２８２である。離隔距離２８３は、ストライププローブ９７からポリゴン部分２８１の中央までの距離である。ストライププローブ９７内の検知デバイス２６９が、レンズ３００を介して或る三角測量角度２８６の視野３０２で、取り込まれるストライプ／秒で表される走査速度２９４で、レーザ光２８０を集める。次に図２９を参照すると、ロボットＣＭＭアーム１に取り付けられたストライププローブ９７は、ｍｍ／秒で表される表面速度２９３で物体９に対して方向Ｘに移動することにより、物体９を走査する。投射されたレーザ光２８０により、物体９の表面にストライプ２８７が形成される。ストライプ２８７がポリゴン部分２８１内にある場合、測定はストライプ２８７に沿って行われる。次に図３０を参照すると、物体９上のストライプ２８７は、プローブによる個々の３Ｄ測定出力に対応する、Ｙ方向の一連のＮ個の小領域２８８に分割される。ストライプ２８７に沿った隣接する小領域２８８間の点間距離２８９は、距離ＤＹである。次に図３１を参照すると、物体９上のＸ方向の一連のストライプ２８７が取り込まれる。平均ストライプ間距離２９０は距離ＤＸである。一連のストライプ２８７は、走査パッチ２９１を形成する。次に図３２を参照すると、公称重複距離２９２を有する一連の重複走査パッチ２９１で、物体９が走査される。次に図３３Ａを参照すると、２視野（two-view）ストライププローブ３０１が、２つの対向する視野３０２、３０３を有する２つの検知デバイス２６９及びレンズ３００を備える。次に図３３Ｂを参照すると、２視野ストライププローブ３０１は、段３０４を有する物体９を見る。第１の視野３０２は、レーザストライプ２８０が物体９を照射する場所であるストライプ２８７までクリアな経路を有する。第２の視野３０３のストライプ２８７までの経路は、物体９の段３０４により遮断され、この場所ではストライプ２８７の像を見ることができない。次に図３４Ａを参照すると、２ストライププローブ３０８が、中央検知デバイス２６９及び視野３０２を有するレンズ３００と、ライン３０７で交わる第１のレーザ光平面３０５及び第２のレーザ光平面３０６を投射する、２つのレーザ光源２９８及び平面生成光学系２９９とを備える。次に図３４Ｂを参照す��と、２ストライププローブ３０８は、ステップ３０４を有する物体９を見る。第１のレーザ光平面３０５は、物体９のステップ３０４の面を照射してストライプ２８７を形成し、視野３０２は、ストライプ２８７までの経路を有する。
【０１４５】
プローブの以下のパラメータは、ロボットＣＭＭアーム１の少なくともプログラムされた移動に影響を及ぼし、より詳細に開示される。
【０１４６】
−ストライプ長さ：ストライププローブ９７は通常、最大ストライプ長さ２８５により指定される。実際には、実際のストライプ長さは、ストライププローブ９７から物体９までの距離に応じて変わる。長さ５００ｍｍの平坦な物体９で、プローブ９７から７５ｍｍの所に最大ストライプ長さがあり、重複が最大２５ｍｍである場合、物体は各パッチ間の間隔が５０ｍｍの１０個のパッチで走査することができる。ストライプ長さが長いほど、必要なパッチの数は減る。ストライプ長さは通常、１０ｍｍから２００ｍｍまで様々であるが、それより長くても短くてもよい。ストライプ長さの重複は通常、主に物体９の形状に応じてストライプ長さの５％から５０％まで様々であるが、それよりも大きくても小さくてもよい。
【０１４７】
−平均点間距離：ストライプは、実際には個別の一連の３Ｄ点としての出力である。ストライプＮにおける点の通常の数は、現在は約７５０個であるが、これは将来増えると予測される。ストライプ長さが７５ｍｍである場合、ストライプに沿った平均点間距離は０．１ｍｍである。細かい特徴を有する物体９には、０．０１〜０．０５ｍｍ以下のより小さい平均点間距離での走査が必要であり得る。特徴が少ない大きな物体９には、０．２５〜１ｍｍ以上のより大きな平均点間距離での走査が必要であり得る。
【０１４８】
−走査速度（ストライプ／秒）：現在の通常の走査速度２９４は、２５〜６０ストライプ／秒であるが、走査速度は将来速くなると予想される。様々な可能な走査速度がある。
一定走査速度：任意の２つのストライプ間の時間は常に同じである。これは、ビデオセンサである検知デバイス２６９で一般的である。
２つの択一的な一定走査速度：これは、インタレースビデオセンサである検知デバイス２６９で一般的である。２５又は５０ストライプ／秒のＣＣＩＲ速度が一般的である。３０又は６０ストライプ／秒のＮＴＳＣ速度が一般的である。走査速度が速いほど、低分解能データが生成される。作業者は、１回ごとに用いる走査速度を選択することができる。
最大走査速度までの任意の一定走査速度：作業者が所望の速度を設定する。
トリガ可変速度：ストライプ間の時間は変わり得る。別の事象によりストライププローブ９７がトリガされ得る。
処理可変速度：ストライプ間の時間は変わり得る。各ストライプの処理時間は変わり得る。前のストライプが処理されるまで、次のストライプは取り込まれない。
【０１４９】
−表面速度：様々な可能な表面速度がある。
一定表面速度：ストライププローブ９７は、一定の表面速度２９３で物体９の上を移動する。ストライププローブ９７は、一定の向きであっても向きが変化してもよい。ストライププローブ９７は、測定が行われている間は物体に対して移動している。
可変表面速度：表面速度２９３は走査中に変わる。表面速度を変える方法は数多くあり得る。例えば、表面の或る部分は特徴を有し、その他の部分は平坦である場合、特徴を有する部分をより遅く走査することが望ましいことが多い。
段階的：ストライププローブ９７は、ロボットＣＭＭアーム１により位置を移動させられる。各位置で、ストライププローブ９７は、測定が行われている間は静止している。段階的走査は、最高精度の測定を行うために用いられる。移動する物体９の場合、ストライププローブ９７は、測定が行われている間は物体９に対して一定の位置にある。
【０１５０】
−平均ストライプ間距離：ロボットＣＭＭアームが３０ｍｍ／秒の表面速度２９３でストライプに対して直交する方向に移動している場合、６０ストライプ／秒の走査速度では、平均ストライプ間距離２９０は０．５ｍｍとなる。細かい特徴を有する物体９には、０．０５ｍｍ以下のより小さい平均ストライプ間隔での走査が必要であり得る。この場合、ロボットＣＭＭアームの速度は３ｍｍ／秒に低下させなければならない。特徴が少ない大きな物体９には、１ｍｍ以上のより大きな平均ストライプ間距離での走査が必要であり得る。
【０１５１】
−ストライプ間距離の均一性：ロボットＣＭＭアームは、一定の表面速度で走査を行うことができる。手動ＣＭＭアームの作業者は、正確で一定の表面速度で走査を行うことができない。これは、ロボットＣＭＭアームが手動ＣＭＭアームよりも一様なストライプ間距離を提供することができることを意味する。
【０１５２】
−均一なＣＭＭ点密度：これはいくつかの用途で望ましい。ロボットＣＭＭアームは、平均ストライプ間距離が平均点間距離と等しいように表面速度を設定することにより、均一な３Ｄ点密度を得ることができる。均一な３Ｄ点密度は、ストライプに沿って点をサンプリングして、平均点間距離を大きくすることにより得ることもできる。
【０１５３】
−被写界深度：３Ｄ点は、通常は５０〜２００ｍｍの深さである被写界深度２８２にわたって測定することができる。概して、被写界深度が大きいほど、ストライププローブ９７からの３Ｄ点の二乗平均（ＲＭＳ）Ｚノイズが悪化する。現在のストライププローブは、被写界深度の約１／１０，０００のＲＭＳを有する。例えば、最大ストライプ長さが７０ｍｍで被写界深度が１００ｍｍのストライププローブ９７は、Ｚ方向に１０ミクロンのＲＭＳを有する。
【０１５４】
−アクセス：ギヤボックスケーシング等のいくつかの物体９では、ロボットＣＭＭアーム１のプローブ９０が物体の内側の特徴を走査するためのアクセスが限られる。アクセスは、プローブ９０をハウジングに細く貫入させることにより行うことができる。この場合、プローブ９０は、できる限り小さくなければならず、ロボットＣＭＭアーム１のプローブ端３からの管等の延長部に取り付けられ得る。さらに、プローブ９０は、延長部の方向から４５°又は９０°等の角度に向けられ得る。プローブ９０を角度の付いた向きで構成できることにより、物体９の表面のより大きな量を走査する能力が与えられる。
【０１５５】
−離隔：離隔距離２８３は通常、７０〜３００ｍｍである。理想的には離隔は、（ａ）ロボットＣＭＭアーム１と物体９との間の衝突の危険性を減らし、且つ（ｂ）スロット等の深い領域への貫入を最大にするために、大きくするべきである。離隔が大きくなると、ロボットＣＭＭアームの仮想リーチ８１も大きくなる。ロボットＣＭＭアームの仮想リーチ８１が大きくなると、ロボットＣＭＭアームの精度及びプローブ９１の精度の両方が低下する。物体９の設計により強制的に決まる表面からのセンサの最大距離が小さい、アクセスが不十分ないくつかの用途では、小さい離隔が望ましい可能性がある。物体９の設計により強制的に決まる表面からのセンサの最小距離が大きい、アクセスが不十分な他の用途では、大きな離隔が望ましい可能性がある。したがって、離隔の選択は精度と用途との妥協である。
【０１５６】
−遮断：ロボットＣＭＭアーム１に取り付けられる２視野ストライププローブ３０１は、１視野のストライププローブ９７よりも、遮断をもたらす段又は同様の特徴を有する物体９上のストライプ２８７からより多くのデータを取り込むという利点を有する。取り込まれた第１のパッチにおいて遮断されていた物体９の表面領域に届くように、或る領域を異なる向きで再走査しなければならない場合が、ストライププローブ９７では２視野ストライププローブ３０１よりも多い。これは、２視野ストライププローブでは総測定時間が減ることを意味する。しかしながら、２視野ストライププローブ３０１は、ストライププローブ９７よりも嵩張り、且つ重い。ロボットＣＭＭアーム１に取り付けられる好ましい２視野ストライプレーザプローブ３０８は、垂直段壁３０４のデータを取り込むことができるという点で、ストライププローブ９７又は２視野プローブ３０１に勝る利点を有する。走査方向に直交しない角度に向いた３つ以上のストライプを用いるストライププローブは、１回の直線走査パスで円筒孔の内壁の全域にわたってデータを取り込むことができることが、当業者には理解されるであろう。このようなストライププローブは、視点を増やすために２つ以上のカメラを有する。複数のストライプ及びカメラを用いるストライププローブは、１回の走査パスで垂直壁のより総合的なデータを収集することができるという利点を有するが、ストライプ及びカメラが１つだけのストライププローブは、ロボットＣＭＭが同じ特徴を２回以上走査して走査を完了することを必要とし得る。
【０１５７】
−自動化：ロボットＣＭＭアームは、自動化され、２４時間以上連続して走査を行うことができる。それに比べて、手動ＣＭＭアームの作業者は疲れる。これは、ロボットＣＭＭアームが、作業者により用いられる手動ＣＭＭアームよりも多く且つ高品質のデータを物体９から走査することができることを意味する。
【０１５８】
レーザ光源２９８は、Toshiba（日本）を含む様々な供給業者から購入することができるような、約６６０ｎｍの波長を有する３０ｍＷ出力のレーザダイオードである。光学系３００は、Rodenstock（ドイツ）製のＬｉｇｈｔ  Ｐｅｎである。センサ２６９は、チップ又はボードカメラのいずれかとして、Sonyを含む様々な供給業者から購入することができるような、ＣＣＤ  ＮＴＳＣビデオセンサチップである。本発明の範囲は、この設計の光学プローブに決して限定されず、任意の適当な設計の光学プローブを組み込むことができる。投射光源は、白色光、可視、赤外線、紫外線、部分可視、又は完全可視のレーザ光線等の任意のタイプの光を含み得る。種々の特定波長と、バンドパスフィルタ及び複数のセンサ２６９により後で微分され得る種々の波長帯とを有する、複数の投射光源を用いることができる。投影光学系２９９及び結像光学系３００は静的であっても動的であってもよい。動的光学系は、特にガルバノミラー及び回転ポリゴンマルチミラー（polygonal multi-mirrors）を含む。投射光源のパワーは一定であってもよく、又は変わってもよい。光投射は定常光であってもストロボ光であってもよい。検知デバイス２６９は、特に、ＣＣＤ及びＣＭＯＳ技術でできたデバイスを含む。検知デバイス２６９は、１Ｄ装置、２Ｄ装置、及びＰＳＤ装置等のアナログデバイスであってもよい。検知デバイス２６９は、１Ｄピクセルライン又は２Ｄピクセルアレイ等のピクセルを有するデジタルデバイスであってもよい。検知デバイス２６９は、種々のフィルファクタを有することができ、マイクロレンズを用いることができる。検知デバイス２６９のシャッタ速度は固定であっても可変であってもよい。ストロボ投光は、シャッタ開放時間の全部又は一部の間、光を点灯することができる。
【０１５９】
電源
この第１の実施形態に開示されているロボットＣＭＭアームの電力消費は通常、１ｋＷ未満であり、ほとんどの場合は２ｋＷ未満である。これは、８０〜２４０Ｖの家庭用／オフィス用の商用電源を用いることができ、高電圧で動作する三相電源が必要ないことを意味する。標準ＩＥＣソケット１９５が、ケーブル１５５を介した商用電源接続のために設けられる。腐食したガスパイプの走査等、現場用途では、例えば車両で用いられるタイプの１つ又は複数の２４Ｖ  ＤＣバッテリーにより供給される２４Ｖ  ＤＣで、ロボットＣＭＭアーム動作に対応する。２４Ｖ  ＤＣソケット１９５及び長さ２０ｍの２４Ｖ  ケーブル１５５が設けられる。充電式バッテリー１７０が、バックアップ電源として設けられて、突然停電した場合にエンコーダ位置のセーブ等のバックアップ活動を行うことを可能にするため、初期化手順を実行する必要なく、商用電源が完全に復旧するとすぐにロボットＣＭＭアームの動作を再開することができる。バッテリー１７０は取り外し可能である。バッテリー１７０用の内蔵充電器が設けられる。
【０１６０】
ロボットＣＭＭアームのケーブル及びＰＣＢの位置
内部ケーブル１６５、１６６、１６７、１６９、１７４、及び１９６は、ロボットＣＭＭアーム１に沿って制御ボックス１５９からプローブ端３まで延び、継手ＰＣＢ１７３とモータ１７６とを接続する。内部ケーブル１６５、１６６、１６７、１６９、１７４、及び１９６は、内部ＣＭＭアーム５と外骨格６との間に延びる。これは、全てのケーブルがロボットＣＭＭアーム１の外面内で保護されることを意味する。継手ＰＣＢ１７３は、内部ＣＭＭアーム５と外骨格６との間に配置される。継手ＰＣＢ１７３に対してローカルなデバイス１７７〜１８４のほとんどが、内部ＣＭＭアーム５又は外骨格６に取り付けられる。各継手ＰＣＢ１７３は、内部ＣＭＭアーム５と外骨格６との間に延びる線、リボンケーブル、又は円形断面ケーブルにより、ローカルデバイス１７７〜１８４の少なくとも１つに接続される。内部ケーブル１６５、１６６、１６７、１７４、及び１９６、並びにデバイス１７７〜１８４を継手ＰＣＢに接続する線は、当該技術分野で一般的に用いられる標準的且つ堅牢な形態のものである。ケーブルのゲージは、重量を減らすために最小限に抑えられる。シリアルケーブル１６９は、ＩＥＥＥ−１３９４ファイアワイヤケーブルである。プローブボックス・アーム間ケーブル２９６は、インタフェースコネクタ１９４を介してロボットＣＭＭアーム１により提供される作業に関する、プローブボックス又は他のインタフェースデバイスの特定の要件を満たすために設けられる特注ケーブルである。ラップトップケーブル１５２は、ファイアワイヤコネクタ１９７からのファイアワイヤＩＥＥＥ−１３９４ケーブルである。ネットワークコネクタ１９９は、１００Ｍｂｐｓイーサネットコネクタであり、標準ＣＡＴ５配線のイーサネットネットワーク２００に接続する。ペンダント通信ケーブル１５４は、ファイアワイヤコネクタ１９８からのファイアワイヤＩＥＥＥ−１３９４ケーブルである。
【０１６１】
本発明の範囲は、開示されている内部配線にも、開示されているＰＣＢ構成にも限定されない。光学プローブは、処理ユニットに転送すべき出力データの帯域幅が拡大している。ＩＥＥＥ−１３９４ｂファイアワイヤＢで指定されているもの等の高帯域幅シリアルケーブルが利用可能であり、これは、光学信号ケーブルを用いると最大３．２ＧＢ／秒の帯域幅を有するが、電気信号ケーブルを用いるとそれよりも小さい帯域幅を有する。光学プローブケーブルは、電気ノイズの影響をほとんど受けず、劣化せずに信号を長距離にわたって搬送することができる。これにより、光学信号プローブは、長い距離及びノイズの多い電気モータの近くに引き回されるケーブルの両方を特徴とするロボットの使用に適したものとなる。代替的に、全てのネットワークは、１００ＢａｓｅＴイーサネットであってもよく、デバイス相互接続のためにハブ又はスイッチが設けられる。当業者には理解されるように、ロボットＣＭＭアームのＰＣＢの数及び機能は、本発明の技術的効果に影響を及ぼすことなく変えることができる。例えば、７つの継手ＰＣＢ１７３の代わりに、ロボットＣＭＭアームの肩、肘、及び手首に位置付けられる３つの継手ＰＣＢ１７３を設け、エンコーダ、熱電対、及び２つ以上の継手に関連するドライブ等のデバイスを、１つの継手ＰＣＢ１７３に接続してもよい。
【０１６２】
ユーザインタフェース
ラップトップＰＣ
次に図３５を参照すると、主要ユーザインタフェースとしてラップトップＰＣ１５１が設けられることが好ましい。ラップトップＰＣ１５１のために、ロボットＣＭＭアーム１のベース４から離れた場所に調整可能なプラットフォーム３１０が設けられる。商用電源接続なしで動作するために、ラップトップコンピュータのバッテリー１６４が設けられる。プラットフォームには、マウス３１１のための空間が設けられる。本発明は、ラップトップユーザインタフェースに限定されない。完全な個別のＰＣキャビネットを設けてもよい。個別のＬＣＤスクリーンをそれに接続してもよい。タブレットＰＣを設けてもよい。１つのロボットＣＭＭアーム１ユニット及びそれに取り付けられた外部ディスプレイに、コンピュータを組み込んでもよい。ディスプレイは、タッチセンス機能を有してもよい。２つ以上のロボットＣＭＭアームが１つのセル内で機能する場合、１つのラップトップＰＣを用いて、セル内のロボットＣＭＭアーム全てを制御することが好ましい。ラップトップコンピュータ１５１に接続される小型プリンタ３１２が設けられることが好ましい。小型プリンタ３１２は、少なくとも測定記録を印刷するために用いられる。プリンタの場所は、ラップトップコンピュータ１５１の下でプラットフォーム３１０に設けられる。
【０１６３】
ペンダント
次に図３６を参照すると、ロボットＣＭＭアーム１のローカル制御のために、ハンドヘルドペンダント１５３が設けられる。ハンドヘルドペンダント１５３には、ロボットＣＭＭアーム１への有線接続１６４及び無線接続３２４の両方が設けられる。商用電源接続なしで動作するために、ペンダント１５３のバッテリー１６３が設けられる。充電ポイント１５８がロボットＣＭＭアーム１に設けられ、そこにペンダント１５３を充電のために通常は一晩中置いておくことができる。充電ポイント１５８の特徴は、接続が自動的に形成され、ペンダント電気接点３２７が充電ポイントの電気接点３２８と接触するように、ペンダントが受け台の正しい位置及び向きに簡単に配置されることである。ペンダント１５３は、８インチＬＣＤディスプレイ３２２を有することが好ましいが、ＬＣＤディスプレイ３２２はそれよりも大きくても小さくてもよい。代替的に、ペンダントにディスプレイを設けなくてもよい。ペンダントには、マイクロプロセッサ３２３、メモリ３２５内のＭｉｃｒｏｓｏｆｔ  Ｗｉｎｄｏｗｓ  ＣＥオペレーティングシステム３２６、メモリ３２５内のペンダントソフトウェア３３０、及び３Ｄグラフィックスチップ３２９が設けられる。ペンダントディスプレイ３２２は、走査されたデータのリアルタイムレンダリング３Ｄカラーグラフィカル表示を含む、ロボットＣＭＭアーム１の使用からの全ての結果を示す。このようなリアルタイムレンダリングは、教示プログラミングに役立つ。ペンダントは、各軸の２つの移動方向を制御するための複数のボタン３２０を有する。ボタンは成膜技術で製造される。３軸ジョイスティック３２１が設けられるが、この軸は３軸よりも多くても少なくてもよく、２つ以上のジョイスティック又はトラックボールがあってもよい。ペンダント１５３は、２つの択一的なモード、すなわち、ペンダント１５３がラップトップＰＣ１５１の端末としての役割を果たす端末モードか、又はペンダント１５３がそれ自体のマイクロプロセッサ３２３を用いてアプリケーションソフトウェアを実行するアクティブモードを有する。代替的な実施形態では、ペンダント１５３は設けられないか、又はオプションである。ペンダントのユーザインタフェース機能を実行するために、ラップトップコンピュータのソフトウェアが設けられる。電源が入っていることを示すために、ロボットＣＭＭアーム１及びペンダント１５３に緑色ＬＥＤ１５７が設けられる。さらなる動作情報は全て、ラップトップコンピュータ１５１又はペンダント１５３の表示スクリーンに示される。
【０１６４】
ヘッドマウント制御
次に図３７を参照すると、ラップトップコンピュータ１５１と有線又は無線で接触する作業者１１のために、ヘッドセット３４０が設けられる。ヘッドセット３４０は、作業者１１が片目で見ることができるように配置された、少なくとも８００×６００ピクセルの解像度を有する単眼ディスプレイ３４１を備える。作業者１１は、依然として両目で周囲環境を見回すことができるが、単眼ディスプレイ３４１を見ることができる方の目は多少遮られる。より高解像度の単眼ディスプレイ３４１が入手可能になりつつあり、ヘッドセット３４０に組み込むことができる。ヘッドセット３４０は、ヘッドフォン３４３及びマイクロフォン３４２も備える。作業者１１は、小さなコマンド辞書を用いて、マイクロフォン３４２に向かって話すことによりロボットＣＭＭアーム１を制御する。各作業者１１は、ロボットＣＭＭアーム１にコマンドを教えることにより、ラップトップコンピュータ１５１の音声認識ソフトウェアがより高い認識率を示すようにすることが好ましい。ラップトップコンピュータ１５１の音声合成ソフトウェアが、ヘッドフォン３４３を介して作業者１１に音声を返す（voice speech）ことで、閉ループ音声駆動ユーザインタフェースを提供する。
【０１６５】
ボタン
次に図３８Ａを参照すると、並行して動作する複数組のボタン１８３が、ロボットＣＭＭアームに固定される。この組は、制御用の一対のボタン１８３であることが好ましい。一対のボタン１８３は、ロボットＣＭＭアームのセグメント８のプローブ端３に配置される。ボタンをＡ及びＢと呼び、Ａはプローブ端に近い方である。Ａは赤色に塗られ、Ｂは緑色に塗られる。ボタン１８３は、中心間が約２５ｍｍであり、直径が１１ｍｍである。ボタン１８３は、偶発的な作動が生じるのを減らすために、凹状にされる。ボタン１８３は、親指又は指紋サイズに合うような大きな直径である。ボタン１８３は、ロボットＣＭＭアーム１の測定の制御及びソフトウェア選択肢の選択に用いられる。外骨格セグメント８  ４８のプローブ端３の第１の対とは反対側、制御箱１５９上、及び外骨格セグメント５  ４５の肘と手首との間に、プローブ端の対と並行して動作する他の対のボタン１８３が設けられる。次に図３８Ｂを参照すると、無線フットスイッチ３５０が設けられる。次に図３８Ｃを参照すると、ボタンを有する無線遠隔制御器３５１が設けられる。無線遠隔制御器３５１は、好ましくはストラップ３５２によって、ロボットＣＭＭアームの作業者１１が選択した場所に装着される。代替的に、作業者１１が遠隔制御器３５１を保持してもよい。本発明は、開示された数のボタン１８３及びそれらの配置（situation）に限定されない。ロボットＣＭＭアームは、いかなるボタンも取り付けられずに、ペンダント１５３又はラップトップコンピュータ１５１等の他の手段を用いて操作されてもよい。制御は、１つのボタン１８３又は各組に３つ以上のボタンで行われてもよい。設けられるボタンは、１組であっても複数組であってもよい。組数及びそれらの場所に影響を及ぼす要因は、ロボットＣＭＭアーム１のリーチ及びロボットＣＭＭアームが用いられる用途を含む。
【０１６６】
環境動作
この第１の実施形態の可搬式ロボットＣＭＭアーム１は、−１０℃〜＋５０℃の温度範囲で動作することができる。ロボットＣＭＭアーム１が凍結から直射日光まで様々な状態の屋外で動作している、アラスカのガスパイプライン及びエジプトの墓等の測定用途が想定される。ロボットＣＭＭアームは、耐候性であり、環境シールレベルはＩＰ６２である。ロボットＣＭＭアームの代替的な実施形態は、ＩＰ６４レベルまで保護されることができ、さらには放射性領域等の過酷な環境の専門用途でも特別に保護される。可搬式ロボットＣＭＭアーム１は通常、最高９０％の湿度で動作することもできる。
【０１６７】
ロボットＣＭＭアームの座標系
次に図３９を参照すると、ロボットＣＭＭアームシステム１５０には多数の座標系３６０がある。これらは、
−物体座標系３６１
−物体特徴座標系３６２
−ロボットＣＭＭアーム座標系３６３
−プローブ（又は工具）座標系３６４
−外骨格座標系３６６
を含むが、これらに限定されない。物体９上のツーリングボール３６８又は物体９が載置される任意の基準板等、物体９に物体座標系３６１を与えるために用いることができるデータム形体（datum features）がなければ、物体座標系３６１を知ることはできない。自動車産業において最も一般的に設けられるのは、自動車ラインの物体座標系３６１である。物体特徴座標系３６２は、特徴３６５のために設けられる。多くの場合、物体は、物体特徴座標系３６５を決定するために用いることができる、物体特徴座標系３６５のための基準マークを有して製造される。この第１の実施形態では、内部ＣＭＭアームベース３１と外骨格ベース４１とがしっかりと接続されているため、内部ＣＭＭアーム座標系としても知られるロボットＣＭＭアーム座標系３６３と外骨格座標系３６６とは同一である。直径２５ｍｍの基準ボール３６７が、ベース４にある再現可能な磁気的マウント３６９に設けられる。基準ボール３６７の中心は、ロボットＣＭＭアーム座標系３６３及び外骨格座標系３６６のゼロとみなされる。外骨格が内部ＣＭＭアームベース３１とは異なる外骨格ベース４１を有する場合、特に外骨格ベース４１と内部ＣＭＭアームベース３１との間に相対移動がある場合、外骨格座標系３６６はロボットＣＭＭアーム座標系３６３とは異なる。この場合、第２の基準ボール３６７が設けられる。ロボット光学の分野では一般的に既知であるように、ロボットＣＭＭアーム１のプローブ端３に装着されるプローブ９０又は工具９８に、異なる座標系が設けられる。これは、ロボットＣＭＭアームプローブ座標系３６４と呼ばれる。
【０１６８】
次に図４０を参照すると、制御ＰＣＢ１７２はロボットＣＭＭアーム１を制御する。外部コネクタ１５６、１５７、１９４、１９５、１９７〜１９９は、制御ＰＣＢ１７２に設けられ、制御ボックス１５９に直接取り付けられる。アームへのインタフェースは、増幅器アナログ出力回路３８３、トリガ回路３８４、ファイアワイヤバスコントローラ３８５、イーサネットバスコントローラ３８６、及びＷｉＦｉ無線ユニット３８７により行われる。ＤＳＰプロセッサ３８０が、メモリ３８１内の制御ソフトウェア３８２を実行する。制御ソフトウェアは、メモリ３８１内の運動学ソフトウェア３９１及び位置平均化ソフトウェア３９２にアクセスすることができる。テキストフォーマットのプログラム３８９が、インタプリタ３９０により解釈される。ロボットＣＭＭアームインターネットプロトコル（ＩＰ）アドレス３８８が、メモリ３８１に記憶されている。プローブ位置合わせファイル２６４が、メモリ３８１に記憶されている。メモリ３８１は、十分なスタティックメモリ及びダイナミックメモリから構成される。
【０１６９】
継手ＰＣＢ
次に図４１Ａ、及び再び図１１を参照すると、継手ＰＣＢ１７３は、
−複数のローカルデバイス１７７〜１８４、９０、バス１６９、１７４、１６１、１６２、及び電力ライン１６５、１６６、１６０の全てを、コネクタ４００を介して相互接続する機能、
−エンコーダ１７８をラッチすることにより、トリガバス１７４上のトリガ信号に応答する機能
−複数のセンサ１７８〜１８４からデータを受け取り、データを前処理し、エンコーダカウント等のデータのステータスを保持し、シリアルバス１６９によって制御ＰＣＢ１７２に前処理済みデータを送る機能
−制御ＰＣＢ１７２からのステータス要求に応答する機能
を有する。継手ＰＣＢ１７３は、ＤＳＰプロセッサ４０１、メモリ４０２、メモリ４０２に常駐する継手ソフトウェア４０５、トリガ回路３８４、ファイアワイヤバスコントローラ３８５、及びＲｅｎｉｓｈａｗインタポレータ１８７の出力に接続するエンコーダインタフェース回路４０３を備える。Ｒｅｎｉｓｈａｗインタポレータからの補間信号のカウント４０４は、メモリ４０２に記憶される。ロボットＣＭＭアーム１の位置を求める簡単な動作モードでは、エンコーダ１７８がラッチされると、１つの角度位置カウント４０２が各継手ＰＣＢ１７３から制御ＰＣＢ１７２に送られ、これらのカウント４０２は、当業者に既知の技法を用いて運動学ソフトウェア３９１により用いられて、ロボットＣＭＭアーム１の位置が計算される。
【０１７０】
位置平均化
次に図４１Ｂを参照すると、ロボットＣＭＭアーム１の位置を求める好ましい動作モードでは、エンコーダクロック４０６が継手ＰＣＢ１７３に設けられる。エンコーダクロック４０６は、各エンコーダカウント４０４が継手ＰＣＢ１７３に到着するとタイムスタンプするために用いられる。好ましくは２０個のエンコーダカウント４０４が、先入れ先出し（ＦＩＦＯ）ベースでメモリ４０２に保持されるが、２０個よりも多いＦＩＦＯカウントを記憶してもよく、又は２０個よりも少ないＦＩＦＯカウントを記憶してもよい。トリガパルスＴＲは、トリガバス１７４を通って継手ＰＣＢ１７３に到着すると、エンコーダクロック４０６を用いてタイムスタンプされる。次に図４１Ｃを参照すると、カウント４０４は、図の時間ｔにわたって示される。各カウントＣｎ−９〜Ｃｎ＋１０が記録され、２０個のタイムスタンプされたカウントがメモリに入る。Ｃｎの直後に、エンコーダの位置を要求するトリガパルスＴＲは、継手ＰＣＢ１７３により受け取られた。トリガパルスは、到着時にエンコーダクロック４０６によりタイムスタンプされた。継手ＰＣＢ１７３は、２０個のタイムスタンプされたカウントＣｎｘとトリガパルスＴＲを受け取った時刻とを、シリアルバス１６９に沿って制御ＰＣＢ１７２に送る。次に、図４１Ｄの位置平均化プロセスを参照する。
−第１のステップ４４０において、制御ＰＣＢ１７２の位置平均化ソフトウェア３９２は、各継手ＰＣＢ１７３から、トリガパルスＴＲから得られる入力として、エンコーダ１７８からの２０個のタイムスタンプされたカウントのセットと、トリガパルスＴＲがそのエンコーダにおいて受け取られた時刻とを受け取る。
−第２のステップ４４１において、位置平均化ソフトウェア３９２は、各エンコーダの２０カウントを通した時間領域に１つのスプラインをフィットし、７つのＣＭＭエンコーダ１７８に対して７つのスプラインができる。
−第３のステップ４４２において、位置平均化ソフトウェア３９２は、各ＣＭＭエンコーダ１７８の時刻ＴＲにおける１カウントを補間する。
−第４のステップ４４３において、７つの補間されたカウントが、運動学ソフトウェア３９１に送られ、そこからロボットＣＭＭアーム１の位置が求められる。
この位置平均化プロセスは、トリガパルスＴＲの時点での正確な位置の周囲から平均化及び補間することによりロボットＣＭＭアームの精度を高める１つの方法の一例である。本発明は、この位置平均化プロセスに限定されず、トリガパルスＴＲの時刻の前後でより多くの生位置データを取得して処理することにより、ロボットＣＭＭアームの位置をより高精度に求めることができる全てのプロセスを含む。処理の場所は重要ではなく、例えば、エンコーダ１７８、継手ＰＣＢ１７３、制御ＰＣＢ１７２、及びラップトップコンピュータ１５１を含む１つ又は複数の処理場所で行うことができる。位置平均化手段を用いることは、ロボットＣＭＭアーム１の位置が単純なエンコーダの動作の使用よりも高精度に求められることを意味する。
【０１７１】
熱補償
本発明の目的の１つは、熱補償され、温度が変化しても再較正を必要としないロボットＣＭＭアームを提供することである。熱電対１８０は、内部ＣＭＭアーム５のハウジング１００、１０１、１０３のそれぞれのアルミニウムに接着される。ＣＭＭセグメント１  ３１〜８  ３８は、有限要素ソフトウェアを用いて、温度に対して直線的に膨張／収縮し、捩れないように設計される。同様に、ＣＭＭセグメント１  ３１〜８  ３８は、温度の変化で歪みを引き起こし得る応力を生じさせない既知のプロセス及び材料を用いて製造される。アルミニウムは、温度とともに既知の速度で膨張する。熱電対１８０は、継手ＰＣＢ１７３により１０秒ごとに読み取られ、温度はシリアルバス１６９に沿って制御ＰＣＢ１７２に送られる。次に、内部ＣＭＭアームの４５パラメータ運動学モデルのパラメータのいくつかが、有限要素熱モデリングにより予測される方法で、各ハウジングの熱電対１８０により測定された温度の変化に比例して調整される。アラスカ又は砂漠等におけるような極端な温度に直面した場合、ロボットＣＭＭアームを用いる前に接触又は非接触プローブの位置合わせを行うことが勧められる。
【０１７２】
力及びトルクの監視
測定中に、内部ＣＭＭアーム５は力及びトルクを受ける。次に図４１Ｅを参照すると、ＣＭＭセグメント１  ３１〜８  ３８に取り付けられた歪みゲージ１８１が、内部ＣＭＭアーム５の歪みを継続的に検知する。各ＣＭＭセグメント１  ３１〜８  ３８に３つの歪みゲージ１８１が直交して取り付けられる。歪みゲージ１８１は、継手ＰＣＢ１７３に接続される。継手ＰＣＢ１７３は、歪みゲージ１８１から読み取った値を１秒間に５回、制御ＰＣＢ１７２に送る。歪み値が送られるのは、１秒間に５回よりも多くても少なくてもよい。各ロボットＣＭＭアームの製造後の設定中に、一連の歪みゲージ試験プログラムが実行され、各歪みゲージから出力される値がプログラムの実行中に監視される。試験プログラムによっては、内部ＣＭＭアーム５に過度歪みを与えるように設計される。用いられる１つの方法は、ＣＭＭセグメント８  ３８に重いダミープローブ９０を取り付けて、アームを高速に動かすことである。このようにして、歪みゲージ１８１は、最大許容圧縮歪み及び引張歪みで較正される。通常の使用時には、全ての歪みゲージ１８１からの歪みが１秒間に５回監視され、最大許容歪みを超えると、措置が講じられる。措置は、作業者に対してエラーメッセージを生成すること、いくつかの測定をより低速で自動的に繰り返して、歪みレベルを低下させること、許容不可能な歪み及びそれらが生じる条件を記録することを含む。代替的な実施形態では、歪みゲージ１８１は、特定の曲げひずみを測定するために位置付けられるＣＭＭ継手１  ５１〜７  ５７の軸受に配置される。これらの軸受歪みゲージ１８１は、ＣＭＭセグメント１  ３１〜８  ３８の歪みゲージ１８１に加えて、又はそれらの代わりに用いることができる。歪み測定の信頼性を高めるために、複数の歪みゲージが各方向に対して設けられ、比較方法及び／又は平均化方法を用いて結果が処理される。本発明の範囲は、特定の場所に配置される特定の数の歪みゲージに限定されない。本発明は、ロボットＣＭＭアーム１における力及びモーメントに関するフィードバックを制御ＰＣＢ１７２に与えることができる任意の歪み測定手段、圧力測定手段、トルク測定手段、又は任意の他の測定手段を、任意の場所に設けることを含む。
【０１７３】
タイミング
測定は、オンザフライで又はロボットＣＭＭアームの静止中に行うことができる。測定がオンザフライで行われている場合に高精度を維持するには、ロボットＣＭＭアーム１の制御ＰＣＢ１７２と光学プローブ９１との間で正確にタイミングをとることが重要である。制御ＰＣＢ１７２と光学プローブ９１との間で正確なタイミングを確保する２つの方法は、同期化及びタイムスタンピングであることが好ましい。本発明の範囲は、これら２つの方法に限定されず、ロボットＣＭＭアーム１の制御ＰＣＢ１７２と光学プローブ９１との間で正確なタイミングを確保する任意の方法を含む。
【０１７４】
同期化
同期方法は、同期測定対を特徴とし、第１の測定はプローブ測定であり、第２の測定は内部ＣＭＭアーム５の位置である。次に図４２のプロセスを参照すると、第１の同期モードで、制御ＰＣＢ１７２及び光学プローブ９１からのデータを同期させる場合、光学プローブ９１がマスターであることが好ましく、制御ＰＣＢ１７２がスレーブである。第１のステップ、ステップ４１０において、光学プローブ９１がトリガバス１７４を介して７つの継手ＰＣＢ１７３に同期信号を送る。同期信号は、１マイクロ秒未満の遅延を有してトリガバス１７４を高速で進む。ステップ４１１において、プローブ測定値及び位置データがラップトップコンピュータ１５１に送られる。継手ＰＣＢ１７３は、エンコーダデータを制御ＰＣＢ１７２に送る。制御ＰＣＢ１７２は、７つのエンコーダ位置を集め、内部ＣＭＭアーム５のプローブ端３の位置を計算し、その位置をラップトップコンピュータ１５１に送る。プローブ９１は、プローブ測定値をラップトップコンピュータ１５１に送る。ステップ４１２において、ラップトップコンピュータ１５１は、プローブ測定値と内部ＣＭＭアーム５の位置とを組み合わせて、測定値を提供する。同期方法及び同期装置が、プローブ測定値及びエンコーダ位置を取り込んで、これらを組み合わせて正確な測定値を生成することができるという技術的効果を有するならば、同期信号が光学プローブ９１から継手ＰＣＢ１７３に進むのに１マイクロ秒よりも長い遅延がある場合に、この方法は有効である。次に図４３Ａ〜図４３Ｃを参照すると、光学プローブ９１がマスターであり、制御ＰＣＢ１７２がスレーブである。次に図４３Ａを参照すると、測定を行うために、動的光学プローブ９１は２つの条件を満たさなければならない。光を投射しなければならず、集光のためにセンサシャッタを開放しなければならない。図４３Ａのモードでは、レーザがオンである場合に測定が行われる。同期信号は、測定期間Ｐの中点である時刻Ｔに、光学プローブ９１から制御ＰＣＢ１７２に送信される。この第１の実施形態では、ロボットＣＭＭアーム１は、時刻Ｔに同期信号を受け取ると、１マイクロ秒未満の再現可能な時間の間、エンコーダをラッチすることができる。次に図４３Ｂを参照すると、測定期間Ｐは、シャッタの開放からレーザのスイッチオフまでである。次に図４３Ｃを参照すると、測定期間Ｐは、シャッタの開放期間である。
【０１７５】
同期化は、制御ＰＣＢ１７２がマスターであり、光学プローブ９１がスレーブである第２の同期モードで行うことができる。このような同期化の一例は、走査モードがアームを規則的な量ずつ移動させて（at regular arm increments）測定することであり、制御ＰＣＢ１７２がマスターである場合である。次に図４４を参照すると、同期信号は、時刻Ｔに制御ＰＣＢ１７２から光学プローブ９１に到着する。Ｔの後の短期間の間に、レーザがオンになるとともにシャッタが開放することが好ましい。図４４の場合、シャッタは、測定期間Ｐを決定し、時刻Ｔの後にｔマイクロ秒だけ遅延する中心を有する。他の場合では、レーザが測定期間Ｐを決定するか、又はシャッタとレーザとの組み合わせが測定期間Ｐを決定する。走査の実行中のロボットＣＭＭアーム１の精度を最高にするために、遅延ｔが既知であり、この第２の同期モードの全ての測定に対して再現可能であることが重要である。光学プローブ９１によっては、光学プローブ９１による測定ごとに遅延ｔが変わるものがある。この場合、光学プローブ９１は、次の同期信号を受け取る前にシリアルバス１６９上で遅延ｔの値の変化を伝達する。次に図４５のプロセスを参照すると、第１のステップ４１３において、光学プローブ９１は、遅延ｔの値の変化を制御ＰＣＢ１７２に送る。このステップ４１３は、遅延ｔが変わった場合にのみ実行される。ステップ４１４において、制御ＰＣＢ１７２は、時刻Ｔにプローブ同期信号を光学プローブ９１に送る。ステップ４１５において、制御ＰＣＢ１７２は、時刻Ｔ＋ｔにエンコーダ同期信号を７つの継手ＰＣＢ１７３に送る。制御ＰＣＢは、内部クロック等の手段を用いて、プローブ同期信号の後でエンコーダ同期信号を送るのに適切な瞬間を決定する。プローブ９０が、２つのストライプ３０５、３０６を用いる２ストライププローブ３０８等、多ストライププローブである場合、全てのストライプを同時に照射して同時に、若しくは一度に１つのストライプを照射して個別に、又は一度に複数群のストライプを照射して、ストライプからの測定を行うことができる。ストライプが異なる時に照射される場合は常に、プローブ９０がロボットＣＭＭアーム上で移動している場合、各ストライプで個別に同期化が行われる。本発明の目的の１つは、第１の使用同期モードでは、制御ＰＣＢ１７２がマスターであり、且つプローブ９０がスレーブであり、第２の使用同期モードでは、プローブ９０がマスターであり、且つ制御ＰＣＢ１７２がスレーブであることである。
【０１７６】
タイムスタンピング及び補間
場合によっては、光学プローブ９１と制御ＰＣＢ１７２とを正確に同期させて一対の測定値を生成することは、可能ではない。例えば、同期信号を送る手段又は受け取る手段が設けられない場合、同期化は可能ではない。タイムスタンピングのシナリオでは、２つの場合、すなわち、（ｉ）光学プローブ９１及び制御ＰＣＢ１７２が同じ測定速度を有する場合、（ｉｉ）光学プローブ９１及び制御ＰＣＢ１７２が異なる、且つ／又は可変の測定速度を有する場合がある。
【０１７７】
（ｉ）の場合、測定は対で行われる。光学プローブ９１の測定速度及び制御ＰＣＢ１７２の測定速度が正確であり、経時的に変動しないことが重要である。光学プローブ９１及び制御ＰＣＢ１７２の２つのクロックは、走査の開始時及び終了時に同じ時刻を示すように、正確に動作する。光学プローブ９１及び制御プローブ１７２の測定は、２つの隣接する光学測定間及び２つの隣接する位置測定間に常に同じ時間間隔Ｉがあるように、同じ速度で行われる。通常の速度は、２５測定／秒から１，０００測定／秒まで様々であるが、１，０００回よりも多くてもよく、又は２５回よりも少なくてもよい。（ｉｉ）の場合、測定は、光学プローブ９１から規則的な間隔又は不規則な間隔で、制御ＰＣＢ１７２から同じか又は異なる規則的な間隔又は不規則な間隔で行われる（stream）。
【０１７８】
次に図４６のプロセスを参照すると、（ｉ）の場合及び（ｉｉ）の場合で同じプロセスが用いられる。
−第１のステップ４１６において、光学プローブ９１及び制御ＰＣＢ１７２の２つのクロックが、走査が開始する直前にできる限り密接に同期される。
−ステップ４１７において、制御ＰＣＢ１７２が光学プローブ９１に走査を開始するよう要求することにより、測定が開始される。
−ステップ４１８において、制御ＰＣＢ１７２により位置データが取り込まれる。各位置は、制御ＰＣＢ１７２のクロックを用いてタイムスタンプされる。測定値は光学プローブ９１に取り込まれる。各位置は、光学プローブ９１のクロックを用いてタイムスタンプされる。
−ステップ４１９において、ロボットＣＭＭアーム走査プログラムが停止し、光学プローブ９１に走査を停止するよう要求する。
−ステップ４２０において、光学プローブ９１及び制御プローブ１７２の２つのクロックが、互いにチェックされる。
−ステップ４２１において、制御ＰＣＢ１７２は、タイムスタンプされた位置のファイルを出力する。光学プローブ９１は、タイムスタンプされた測定値のファイルを出力する。
−ステップ４２２において、組み合わせた測定ファイルが、制御ＰＣＢ１７２の位置を補間することにより計算され、各光学プローブ測定に対して内部ＣＭＭアーム５がある場所に関する最良の推定値が提供される。各内部ＣＭＭアーム５の位置は、プローブ端３のＸ、Ｙ、Ｚの位置と、Ｉ、Ｊ、Ｋの向きベクトルを含む。内部ＣＭＭアーム５の位置の補間は、内部ＣＭＭアーム５の位置にわたってポリラインをフィットし、タイムスタンプのタイミング差に比例して３Ｄポリラインに沿って補間することにより行われる。
【０１７９】
本発明の範囲は、図４６におけるタイムスタンピング及び補間のプロセスに限定されず、同じ技術的効果を達成する、タイムスタンピング及び補間を伴う任意のプロセスを含む。例えば、光学プローブ９１及び制御プローブＰＣＢ１７２の２つのクロックを正確に同期させることが不可能な場合、既知のアーチファクトを最初に走査することを伴う方法が用いられる。次に図４７を参照すると、９０°で合わさる２つの平面を有するリッジアーチファクト３７０が、リッジをレーザストライプ２８７とほぼ並行にして位置決めされる。ロボットＣＭＭアーム１に取り付けられた光学プローブ９１により、リッジアーチファクト３７０にわたって２回の走査パスが行われる。第１のパス３７１は＋Ｘ方向であり、第２のパス３７２は−Ｘ方向である。２つのタイムスタンプされたファイルにおけるプローブ測定値及びアーム位置は、２つのクロック間の同期化の推定値を用いて組み合わせられる。次に図４８を参照すると、２つのパス３７１、３７２が比較されると、Ｘ方向の距離としての誤差Ｅが計算される。誤差Ｅを用いて、２つのクロックの同期化の差が正確に求められる。次に、この差は２つのクロック間の同期化の推定値に対する補正率として用いられて、物体９が次に測定される場合に、２つのクロック間が正確に同期される。
【０１８０】
同期パルスラベリング
ロボットＣＭＭアームシステム１５０の同期化には曖昧性があるが、これはリアルタイム同期パルスラベリングという新規プロセスにより解決することができる。場合によっては、システム動作の乱れにより１つ又は複数のデバイスからの１つ又は複数の測定値が失われ、これにより、複数源からの同期測定値を正確にまとめるプロセスに曖昧性が生じ、システムが望ましくない状況になってさらなるデータが失われるか又は不正確に同期されたデータが提供される可能性がある。他の場合では、同期信号源に関して曖昧性があり得る。同期信号発生デバイスからの各同期パルスに同期ラベルを付加することが、本発明の目的の１つである。同期ラベルは、（ｉ）上記同期信号発生デバイスからの連続同期信号それぞれでインクリメントされる整数、任意選択的に（ｉｉ）上記同期信号発生デバイスの固有のデバイス識別コード、任意選択的に（ｉｉｉ）タイムスタンプを含む。インクリメント整数は、全てのシステムで必要である。インクリメント整数の通常の最小は０であり、通常の最大は２５５である。最大整数に達すると、次のインクリメント整数は最小整数となる。ロボットＣＭＭアームシステム１５０の起動後は、第１の整数出力は０である。同期パルス及び同期ラベルのフォーマットは、当業者により定義されることができる。例えば、同期パルスは、１０マイクロ秒のパルス幅を有する立ち上がりパルスであり、同期ラベルの総ラベル長は１５バイナリビットであり、各ビットは１０マイクロ秒パルスの存非により表される。同期ラベルは、チェックサムビットで符号化される。各同期信号発生デバイスの固有のデバイス識別コードは、複数の同期信号発生デバイスからの同期信号間に曖昧性があり得る場合にのみ必要である。タイムスタンプは、システム開発者がトリガバス（１７４）によってデバイス間のクロック時刻を同期させるのに利用可能なオプションであり、他の目的で用いてもよい。トリガバス（１７４）に接続され、同期ラベルを有する同期信号を発生することができる同期信号発生デバイスはいくつかあり、
光学プローブ（９１）
量測定プローブ（９０）
タッチトリガプローブ（９２）
走査モードの力プローブ（９９）
手動操作されるボタン（１８３）
遠隔制御器（３５１）
制御ＰＣＢ（１７２）
外部制御デバイス
のそれぞれのうち１つ又は複数を含むがこれらに限定されない。トリガバス（１７４）に接続され、同期ラベルを有する同期信号を受け取ることができる１つ又は複数の同期信号受け取りデバイスもあり、
光学プローブ（９１）
量測定プローブ（９０）
継手ＰＣＢ（１７３）
制御ＰＣＢ（１７２）
外部制御デバイス
のそれぞれのうち１つ又は複数を含むがこれらに限定されない。２つ以上のデバイスからの測定データを照合して組み合わせる組み合わせデバイスでもあり得る、少なくとも１つの照合デバイスがある。照合デバイスは、独立デバイスであってもよく、又は同期信号発生デバイス若しくは同期信号受け取りデバイスの一部であってもよい。
【０１８１】
同期パルスにラベリングするための、新規の同期パルスラベリング方法が開示される。第１のステップにおいて、同期信号発生デバイスが、トリガバスに同期パルスと、それに続く同期ラベルとを発生し、同期ラベルは、（ｉ）同期信号発生デバイスによりインクリメントされる整数、任意選択的に（ｉｉ）同期信号発生デバイス識別コード、任意選択的に（ｉｉｉ）同期信号発生デバイスタイムスタンプ、を含む。第２のステップにおいて、同期信号受け取りデバイスが、トリガバス上のトリガパルスと、それに続く同期ラベルとを受け取る。第３のステップにおいて、同期信号発生デバイスは、照合デバイスに対して直接的又は間接的に通信バス上で同期信号発生デバイスデータパケットを発生し、このデータは、少なくとも（ｉ）同期パルスが発生したことを示すコード、（ｉｉ）同期信号発生デバイス内で生成されたデータ、同期信号発生デバイスから発生された同期ラベルのコピー、を含み、同期ラベルは、（ｉｉｉ）同期信号発生デバイスのインクリメント整数、（ｉｖ）同期信号発生デバイス識別コード、及び任意選択的に（ｖｉ）同期信号発生デバイスタイムスタンプ、を含む。第４のステップにおいて、同期信号受け取りデバイスは、照合デバイスに対して直接的又は間接的に通信バス上で同期信号受け取りデバイスデータパケットを発生し、このデータは、少なくとも（ｉ）同期パルスが受け取られたことを示すコード、（ｉｉ）受け取られた同期ラベルのコピー、（ｉｉｉ）トリガパルスに応答して同期信号受け取りデバイス内で生成されたデータ、（ｉｖ）同期信号受け取りデバイスのインクリメント整数、（ｖ）同期信号受け取りデバイス識別コード、及び任意選択的に（ｖｉ）同期信号受け取りデバイスタイムスタンプ、を含む。第５のステップにおいて、照合デバイスは、同期信号発生デバイスデータパケット及び同期信号受け取りデバイスデータパケットを任意の順序で受け取る。第６のステップにおいて、照合デバイスは、同期信号発生デバイスのインクリメント整数が同期信号発生デバイスデータパケット及び同期信号受け取りデバイスデータパケットの両方で同じである場合、同期信号発生デバイスデータパケット及び同期信号受け取りデバイスデータパケットのデータを組み合わせる。
【０１８２】
この新規の同期ラベル及び同期方法は、開示されている実施形態に限定されず、同期の曖昧性をなくすために体系的に変化するラベルを用いる任意の方法を含む。例えば、代替的な実施形態では、整数範囲は、２５６より小さくても大きくてもよい。さらなる実施形態では、ラベルは任意の体系的な方法で変えることができる。同期パルスラベリング方法では、ステップ３はステップ２と同時に若しくはステップ２の前に行われてもよく、又はステップ４と同時に若しくはステップ４の前に行われてもよい。
【０１８３】
測定プログラミング
概して、ロボットをプログラムするには熟練した作業者が必要であり、これが市場においてロボットＣＭＭアーム１を成功させる課題の１つであるため、ロボットＣＭＭアーム１の迅速且つ容易なプログラミングが重要である。ロボットＣＭＭアームプログラム３８９は、インタプリタ３９０によってリアルタイムで解釈され、制御ソフトウェア３８２がプログラム３８９のコマンドを実行する。プログラム３８９は、複数の異なる方法で生成することができる。テキストエディタが作業者１１に与えられ、それにより、ラップトップコンピュータ１５１にロボットＣＭＭアームプログラム３８９を生成し、エディットする。プログラム３８９は、Tecnomatix製のＥＭＷｏｒｋｐｌａｃｅ等のオフラインプログラミングシステムで生成することができる。プログラム３８９には、作業者１１によって、ペンダント１５３又はラップトップコンピュータ１５１を用いたロボットＣＭＭアーム１の遠隔起動を教えることができる。これは、アクセスが困難な場合に、作業者がアクセスしてロボットＣＭＭアームを手動で移動させるためのガントリを設ける必要なく、遠隔で教示を行うことができることを意味する。
【０１８４】
起動チェック
ロボットＣＭＭアーム１は、電源ケーブル１５５に接続し、スイッチ１５６を用いてスイッチを入れることにより、電源が入れられる。制御ＰＣＢ１７２の制御ソフトウェア３８２は、電源投入時に自動起動する。制御ソフトウェア３８２の第１のタスクは、一連の起動チェックを行うことである。制御ソフトウェア３８２は、チェックすることができるロボットＣＭＭアームのハードウェア及びソフトウェアの全側面が正しく動作していることを確認する。継手ＰＣＢ１７３の継手ソフトウェア４０５は、電源投入時に自動起動する。継手ソフトウェア４０５の第１のタスクは、一連の起動チェックを行うことである。継手ソフトウェア４０５は、チェックすることができる継手ＰＣＢ１７３に接続されたハードウェア及びソフトウェアの全側面が正しく動作していることを確認する。ペンダント１５３のペンダントソフトウェア３３０は、ペンダントオペレーティングシステム３２６の制御下で、電源投入時に自動起動する。ペンダントソフトウェア３３０の第１のタスクは、一連の起動チェックを行うことである。ペンダントソフトウェア３３０は、チェックすることができるペンダント１５３のハードウェア及びソフトウェアの全側面が正しく動作していることを確認する。制御ＰＣＢ１７２の直接接続されているハードウェアをチェックした後、制御ソフトウェア３８２は、それぞれからのシリアルバス１６９を介したステータス報告を要求することにより、７つの遠隔継手ＰＣＢ１７３をチェックする。次に、制御ソフトウェア３８２は、ロボットＣＭＭアーム１に取り付けることができる任意のプローブ９０からのシリアルバス１６９を介したステータス報告を要求する。内部起動チェックが完了すると、制御ソフトウェア３８２は、外部バスを介して、フットスイッチ３５０、遠隔制御器３５１、ペンダント１５３、及びラップトップコンピュータ１５１を含む機器への通信を試みる。全起動チェックが完了すると、制御ＰＣＢ１７２の制御ソフトウェア３８２は命令を待つ。起動チェックは、多くの異なる順序で行うことができ、短時間をかけても長時間をかけてもよいが、起動チェックプロセスの進行中に作業者１１が数秒以上待つことは望ましくないことが、当業者には理解されるであろう。
【０１８５】
参照
ロボットＣＭＭアームは、その継手角度を常に知っていることが望ましい。これは、アブソリュートエンコーダを用い、起動時に継手ＰＣＢ１７３を介してアブソリュートエンコーダに問いかける（interrogating）ことにより行うことができる。インクリメンタルエンコーダを用いる場合、バッテリー１７０によって電力を維持することが望ましい。しかしながら、制御ＰＣＢ１７２が継手角度を知らない場合、参照プロセスが必要である。作業者１１は、これを行うことが安全であることをまずチェックした後で、自動参照プロセスを開始する。参照プロセス中、基準位置に達するまで各継手を回転させる。
【０１８６】
較正
自動較成方法及びアーチファクト
当業者に既知であるとともに本発明の背景で言及した、ロボットを較正する方法及び手動ＣＭＭアームを較正する方法は、数多くある。次に図４９及び図５０を参照すると、この第１の実施形態では、既知の較正アーチファクト３７３を自動測定する較正手法が用いられる。７軸ロボットＣＭＭアーム１には、４５パラメータ運動学較正モデルが採用される。ロボットＣＭＭアーム１は、表面７にしっかりと取り付けられ、同様に表面７にしっかりと取り付けられた較正アーチファクト３７３を測定する。較正アーチファクト３７３は、最大直径６ｍｍの４つの９０°円錐３７５を有するブロックから成る。４つの円錐３７５の１つは、ほぼ同一平面上にある他の３つの円錐３７５よりも高い位置にある。較正アーチファクト３７３は、保証付きであり（certified）、４つの円錐３７５間の距離、向きは、正確に分かっている。較正アーチファクト３７３は、剛性であり、低い熱膨張率を有するインバールでできている。アーチファクト３７３は、穴３７４を通して表面７に螺入されるボルト３７６によって、表面７にしっかりと取り付けられる。別の実施形態では、アーチファクト３７３は、クランピングにより表面７にしっかりと取り付けられる。Ｒｅｎｉｓｈａｗタッチトリガプローブであるタッチトリガプローブ９２が、ロボットＣＭＭアーム１に取り付けられる。較正プログラムが作業者１１により起動されて、制御ＰＣＢ１７２により実行される。較正プログラムは、４つの球体３７５それぞれのタッチプローブ測定を９０回行うことから成る。継手は、３６０回のタッチプローブ測定中に可能な限り多く動かされる。これは、測定が、継手角度の幅広い組合せで行われることを意味する。３６０回のタッチプローブ測定のいずれも、同一の継手向きを有さない。測定ごとに７つのエンコーダ位置が記録される。当業者に既知の最小二乗法を用いて、３６０組のエンコーダ位置を用いて運動学モデルの４５個のパラメータが最適化される。この較正手法を、好ましくは迅速化するために測定回数を減らして用いて、任意の接触プローブ９５のプローブ座標系３６４をロボットＣＭＭアーム座標系３６３と位置合わせすることができる。この接触プローブ位置合わせプロセス中には、ロボットＣＭＭアームは再較正されないことが好ましいが、再較正されてもよい。次に図５１Ａを参照すると、さらなる実施形態では、アーチファクト３７３は、ロボットＣＭＭアーム１の測定体積内の立方体の８つの角に近い８つの場所に配置される。各場所において、アーチファクト３７３は、表面７に対して、したがってロボットＣＭＭアーム１に対して、しっかりと取り付けられる。各場所において、３６０回の測定が自動的に行われる。同じ最小二乗法を用いて、８×３６０組のエンコーダ一を用いて運動学モデルの４５個のパラメータが最適化される。これらの較正プロセスは、アーム及び接触プローブを同時に較正する。
【０１８７】
較正軸
ロボットＣＭＭアーム及び較正アーチファクトの座標系を互いに対して移動させる、１つ又は複数の個別の移動軸を設けることができる。これらの軸は、手動で制御されてもよく、又は自動的に作動されてもよい。これらは直線軸又は回転軸である。例えば、次に図５１Ｂを参照すると、ロボットＣＭＭアーム１は、好ましくは継手中心１  ２１の軸と一致したサーボ制御回転軸３７７に取り付けることができ、ロボットＣＭＭアームを任意数の角度に回転させて、アーチファクト３７３のさらなる測定が各角度位置で行われることを可能にする。サーボ制御回転軸３７７は、ロボットＣＭＭアーム１がサーボ制御回転軸３７７上で揺動することによる誤差を生じさせないように、剛性でなければならない。サーボ制御回転軸３７７を設けることにより、較正プロセス全体を自動化することができる。これは、機器が小型になり、測定体積の種々の位置にアーチファクト３７３を取り付けるための剛構造を構成する必要がないという利点を有する。サーボ制御回転軸３７７の代わりに手動回転軸を設けてもよく、その場合、ロボットＣＭＭアーム１のベース向きの定期的な手動再位置決めにより、より単純で可搬性が高い半自動のシステムが得られるという利点がある。
【０１８８】
測定体積内の較正
ロボットＣＭＭアーム１の内部ＣＭＭアーム５は、完全に剛性ではない。重力下では、水平の空間的向きにある長いＣＭＭセグメントは一定の量だけ撓む。この撓みは、内部ＣＭＭアーム５の角度エンコーダにより測定することができないため、誤差原因となる。これらの誤差は、較正プロセスと、ロボットＣＭＭアームの次の動作における重力下での撓み等の再現可能な誤差を補正するのに用いられる較正データとにより、測定することができる。別の誤差原因は、継手軸受の撓みである。優れた較正プロセスでは、ロボットＣＭＭアーム１は、測定体積の多数の点において測定され、測定体積においてこれが後で用いられる。ロボットＣＭＭアーム１は、測定体積の大部分で冗長性を有する。換言すれば、１つの場所を測定するためにロボットＣＭＭアーム１がとり得る空間的向きは、無限にある。優れた較正プロセスでは、ロボットＣＭＭアーム１は、測定体積の点ごとに多数の空間的向きにされる。妥当な範囲内で、測定される点が多く、且つ各点で測定されるロボットＣＭＭアーム１の空間的向きが多いほど、優れた較正プロセスとなる。ロボットＣＭＭアーム及び較正アーチファクトの座標系を互いに対して移動させる自動較正軸を設けることにより、多数の点を測定する自動プロセスが可能となる。これは、より優れた較正プロセスによりロボットＣＭＭアーム１がより高精度になることを意味する。
【０１８９】
本発明の範囲は、開示されている自動較正方法に制限されない。例えば、本発明の範囲は、任意の自動、一部自動、又は手動の構成方法を含む。いかなる接触又は非接触プローブ９０を用いてもよい。この方法は可搬式でなくてもよく、ロボットＣＭＭアームの製造現場又はサービスセンターで実行してもよい。代替的に、この方法は可搬式で、ロボットＣＭＭアームを現場で再較正することを可能にすることが有利であり得る。任意の数、タイプ、場所、又は自動化度の移動軸が、ロボットＣＭＭアーム１と較正アーチファクト３７３との間に相対移動を提供することができる。いかなる数の較正アーチファクト３７３があってもよい。較正アーチファクト３７３は、プローブ９０が接触しても較正アーチファクト３７３が変形しない（stiff）ように、固定高さの、又は高さ、向き、及び位置のいずれかを調整可能な柱に取り付けることができる。１つ又は複数の較正アーチファクト３７３はそれぞれ、接触プローブ９０により接触されてもよく、又は非接触プローブ９０により接触されずに測定されてもよい。アーチファクトを必要としない方法を用いてもよい。本発明の範囲は、ロボットＣＭＭアーム１の高精度且つ自動的な較正の技術的効果を得る任意の方法を含む。
【０１９０】
光学プローブの位置合わせ
当業者に既知であるとともに本発明の背景で言及した、手動ＣＭＭアームの座標系と光学プローブ９１のプローブ座標系３６４とを位置合わせする方法は、数多くある。ロボットＣＭＭアーム１の座標系３６３と光学プローブ９１の光学プローブ座標系３６４とを位置合わせする好ましい方法は、ロボットＣＭＭアーム１に取り付けられた光学プローブ９１で、多数の異なるプローブ方向及び向きから球体を走査することである。球体は、直径２５ｍｍで、保証付きであり、表面仕上げされていることが好ましい。このような球体はＲｅｎｉｓｈａｗにより供給されている。ストライププローブ９７の場合、５つのストライププローブ位置、すなわち、ロボットＣＭＭアーム座標系３６３の＋Ｘ、−Ｘ、＋Ｙ、−Ｙ、−Ｚが用いられる。各方向で、球体はストライププローブ９７により、ストライプ平面２８０の向きを４５°ずつ変えて、結果として各方向から８つの向きで測定される。４０個の方向／向きの組み合わせそれぞれにおいて、＋Ｘ及び−Ｘがプローブ座標系３６４にある場合、順方向の＋Ｘ走査パス及び逆方向の−Ｘ走査パスが実行される。得られる８０組の光学プローブ測定値及びアーム位置は、当業者に既知の最小二乗アルゴリズムを用いて処理され、ロボットＣＭＭアーム座標系３６３と光学プローブ座標系３６４との間の位置合わせ変換マトリックスが生成される。本発明の範囲は、開示されている自動位置合わせ方法に制限されず、ロボットＣＭＭアーム１と光学プローブ９１との高精度位置合わせの技術的効果を得る、自動、一部自動、又は手動の位置合わせ方法を含む。
【０１９１】
物体のデータミング（Datuming）
物体９は、測定前にデータミングされる場合が多い。データミングプロセスでは、ロボットＣＭＭアーム座標系３６３と物体座標系３６１との間の変換マトリックスが測定される。多くの場合、円錐、ツーリングボール、及び基準面等のデータム形体が、物体９の正確な場所に設けられる。物体９をロボットＣＭＭアーム１に対してデータミングする場合、作業者は、まず、ラップトップコンピュータ１５１又はペンダント１５４のロボットＣＭＭアームユーザインタフェースソフトウェアに対して、用いるべきデータミング方法及びその方法を採用するロボットＣＭＭアームを指定する。一般的なデータミング方法は、３つの直交面、２つの円錐及び１つの平面、３つのツーリングボールを含む。次に、作業者は、データミング方法を行うのに必要な一連の場所にわたってロボットＣＭＭアームを手動でガイドし、一旦場所に到達すると、制御ＰＣＢ１７２が自動技法を各測定に適用する。
【０１９２】
特徴及び表面の検査
ロボットＣＭＭアームは測定機である。全てではない多くの測定が、検査のために実行される。ロボットＣＭＭアームは、非プリズム状の物体の特徴及び表面の検査に特に適している。通常検査される物体は、シートメタル、プラスチック、又はガラス繊維でできている物体、及びこれらのアイテムを作製する工具を含む。物体は、例えば、自動車産業、航空宇宙産業、器械産業、及び玩具産業で製造される。物体は通常、スタンピングプロセス、切削プロセス、曲げプロセス、及びパンチングプロセスにより作製される。検査できる物体の特徴の例としては、外角、正方形穴、矩形穴、楕円形穴、円形穴、エッジ外形、及び内角が挙げられる。多くの場合、物体のＣＡＤファイルを利用可能である。ＣＡＤファイルは、物体の表面及び特徴の正確な３Ｄ場所、向き、形状を指定する。物体及びそれを作製するのに用いられる工具の両方を、測定して、ＣＡＤファイルと比較することができる。品質保証目的で測定を記憶してもよい。物体は、接触又は非接触プローブ９０により測定することができる。非接触プローブは、物体に接触しないという利点を有する。ＣＡＤファイルがないか、又は紛失した場合、マスター物体又はマスター工具のリバースエンジニアリングを行って、次の検査で使用するためのマスターＣＡＤファイルを提供することができる。
【０１９３】
制御ソフトウェア
制御ソフトウェア３８２は、機能及びモード等、様々な手動、半自動、及び自動の使用方法を含む。これら方法のいくつかを以下で開示する。ロボットＣＭＭアームの使用に用いることができる方法は、制御ソフトウェア３８２によって数多く提供され、本明細書で開示される方法は、ロボットＣＭＭアームの使用に用いることができる全ての方法の例示であることが、当業者には理解されるであろう。制御ソフトウェア３８２に関して、以下の例示的な方法が挙げられる。
連続走査：制御ソフトウェア３８２の運動学モジュール３９１は、ロボット制御に関する当業者に既知の制御アルゴリズムを用いて、プログラム３８９により要求される経路に沿った外骨格の移動を制御する。これは最も多くの場合に用いられる。
段階的走査：制御ソフトウェア３８２の運動学モジュール３９１は、プログラム３８９において指定された点で停止する、プログラム３８９により要求される経路に沿った外骨格の段階的移動を制御する。
移行（transitioning）：移行は、測定が行われていない間に行われる移動である。制御ソフトウェア３８２の運動学モジュール３９１は、歪みゲージを監視せずに、プログラム３８９により要求される移行経路に沿った外骨格の連続移動を制御する。
教示：制御ソフトウェア３８２の運動学モジュール３９１は、ペンダント１５３、ヘッドセット３４０、又はラップトップコンピュータ１５１を介して受け取られる、作業者１１が直接指定した移動コマンドに作用する。
熱監視：制御ソフトウェア３８２は、熱電対１８０を監視し、それらの温度に運動学パラメータを適合させる。これは、ロボットＣＭＭアームの温度を種々の環境条件の限度内に保つとともに、デューティサイクルタイムに対する影響を最小にするという利点を有する。
歪み監視：制御ソフトウェア３８２は、歪みゲージ１８１を監視して、連続走査モードにおいて過剰な歪み値がないかどうかをチェックする。
衝突監視：制御ソフトウェア３８２は、追従誤差を監視し、追従誤差が過大になった場合、緊急停止を適用してエラーメッセージを発する。エラーメッセージには、ラップトップ１５１のラウドスピーカにより、又はヘッドセット３４０を通して発せられる可聴警報が含まれ得る。
座標系のゼロ設定：制御ソフトウェア３８２は、好ましくはタッチトリガプローブ９２で基準ボール３６７を測定してその中心を見つけ、基準ボール３６７の中心をロボットＣＭＭアーム座標系３６３のゼロ点として用いることにより、ロボットＣＭＭアーム座標系３６３をゼロに設定する。
物体のデータム参照：制御ソフトウェア３８２は、データムによって物体座標系３６１をロボットＣＭＭアーム座標系３６３の基準とする。物体９上のデータムをピックアップすべき概ねの場所が制御ソフトウェア３８２に分かっている場合、この機能は自動的である。データムが物体９のどこにあるのかを作業者１１がまずロボットＣＭＭアームに教えなければならない場合、この機能は半自動的である。
特徴の場所：制御ソフトウェア３８２は、物体座標系３６１に対する物体９の１つ又は複数の特徴の場所を測定する。
寸法測定：制御ソフトウェア３８２は、物体９の１つ又は複数の特徴の寸法を測定する。当業者には理解されるように、様々なタイプの寸法を測定するために、或る範囲の機能が提供される。
表面測定：制御ソフトウェア３８２は、物体９の全部又は一部の表面を測定する。
ソフトウェア参照：制御ソフトウェア３８２は、最小二乗フィッティングのプロセスによって、物体９のＣＡＤモデルを物体の測定された表面データの基準とする。
誤差生成：制御ソフトウェア３８２は、物体の表面の測定されたデータを物体９のＣＡＤモデルと比較し、個々の誤差及び誤差マップを生成する。
報告生成：制御ソフトウェア３８２は、物体のＣＡＤモデルからの物体９の表面の測定データのバリエーションに関する報告及び／又はパス／フェイルデータを自動的に生成する。
統計的傾向：制御ソフトウェア３８２は、物体座標系３６１に対する物体９の１つ又は複数の特徴の場所、物体の１つ又は複数の特徴の寸法、及び物体のＣＡＤモデルからの物体の表面の測定データのバリエーションに関する、統計的傾向情報をコンパイルする。
【０１９４】
ロボットＣＭＭアーム測定の方法
次に図５２を参照すると、第１のステップ４３１において、制御ＰＣＢ１７２は少なくとも１つの増幅器１７５に信号を出力し、少なくとも１つの増幅器１７５は少なくとも１つのモータ１７６にトルクを出力させる。ステップ４３２において、モータの駆動により、少なくとも１つの外骨格セグメント４２〜４８に対してトルクが付与される。ステップ４３３において、少なくとも１つの伝達手段７２〜７８が、外骨格セグメント４２〜４８からの力を受け取る。ステップ４３４において、少なくとも１つの伝達手段７２〜７８が、少なくとも１つのＣＭＭセグメント３２〜３８の重心付近の場所に力を加える。ステップ４３５において、プローブ９０がデータを測定する。ステップ４３６において、制御ＰＣＢ１７２は、継手ＰＣＢ１７３からエンコーダデータを受け取る。ステップ４３７において、制御ＰＣＢ１７２は、プローブ９０から測定データを受け取る。同期によるロボットＣＭＭアーム測定の方法では、さらなるステップにおいて、プローブ９０が同期信号を送る。タイムスタンプによるロボットＣＭＭアーム測定では、プローブ測定値及び位置がタイムスタンプされる。
【０１９５】
ロボットＣＭＭアームの利点
ここで開示されているロボットＣＭＭアームは、より長いリーチを有してもよく、同等の手動ＣＭＭアームよりも高精度であることが、本発明の目的の１つである。第１に、ロボットＣＭＭアームは、操作することができない作業者ではなく外骨格により支持されるため、２メートルよりも長いリーチを有することができる。第２に、外骨格は、内部ＣＭＭアームに対する力が最小となるように、内部ＣＭＭアームを最適な位置で支持する。第３に、内部ＣＭＭアームは、作業者が操作しにくいと思われる高分解能且つ高精度のより大径のエンコーダを用いる。これら３つの要因の組み合わせにより、手動ＣＭＭアームよりも長いリーチを有し且つ高精度なロボットＣＭＭアームが得られる。これは、顧客がより高い精度を要求する長年の傾向に伴い、所有者にとってロボットＣＭＭアームが手動ＣＭＭアームよりも有用であることを意味する。
【０１９６】
本発明の特徴は、既存のロボットと比較して軽量であることである。通常の重量は、アームのリーチに応じて５ｋｇ〜３５ｋｇまで様々である。これは、本発明のロボットＣＭＭアームの小型バージョン及び中型バージョンが、持ち運びに十分な軽さであることを意味する。この第１の実施形態の可搬式ロボットＣＭＭアームは、１つの小型ユニットを備え、１人の人が車輪付きの１つのケースで輸送することができる。スタンドを用いることができ、これは、ロボットＣＭＭアームをロボットのように床にボルト締めする必要がないことを意味する。これは、ロボットＣＭＭアームが迅速に場所移動できることを意味する。
【０１９７】
適用性
ロボットＣＭＭアームは、ＣＭＭアームの高精度の利益をロボットの柔軟性及び自動化と組み合わせたものである。これは、ロボットＣＭＭアームが、既存の解決手段では精度、柔軟性、及び自動化のうちの１つ又は複数が劣っている、中程度の精度の測定作業の多くに対処するのに好ましい手段であることを意味する。本発明のロボットＣＭＭアームは、自動且つ高精度である。本発明のロボットＣＭＭアームは、自動車産業での多くの測定要件に適している。本発明のロボットＣＭＭアームは、軽量であり、製造費用が比較的安い。ロボットＣＭＭアームによる自動測定は、測定を不正確にする力及びトルクを加える作業者がいないため、手動ＣＭＭアームの手動操作よりも確実に行われる。生産ラインでは、ロボットＣＭＭアームは、特に２シフトパターン又は３シフトパターンで作業する場合、手動ＣＭＭアームを操作する手動作業者よりも動作費用が安い。本発明は、従来のＣＮＣ  ＣＭＭの汎用用途（general purpose utility）と同様の多くの用途のために汎用測定工具として用いられることが予測される。
【０１９８】
大別すると２つの測定用途、すなわち、リバースエンジニアリング及び検査がある。本発明のロボットＣＭＭアームは、これらの両方に適用可能だが、リバースエンジニアリングは定期検査と比較すると比較的稀な事象であるため、検査用途での使用の方が多い。本発明の実用性の例として、以下の用途が挙げられる。本発明の用途は、以下に挙げる用途に限定されない。
【０１９９】
検査用途
−自動車ドアの隙間及びバリの測定
−寸法公差の確認
−河床分析
−ＶＲシミュレーション
−ツーリング検査
−試作設計
−発泡体の開発
−生産ラインでの車体検査
−シート生産ラインでのシート検査
−元位置での車の内装
−取り外したエンジン部品及び元位置でのエンジン部品
−タービンブレード
−ハウジング及びカウリング
−ガスタンク検査
−ガラス品質分析
−内装トリム
−車のプロトタイプ組み立て。パネルが手動で正しい位置に配置されたかどうかの確認
−プレス型
−ブリッジ支持体の走査
−シートメタル構成部品：特徴
−シートメタル構成部品：表面形状
−パイプの外部腐食測定及びパイプの厚さ測定
リバースエンジニアリング
−図面を紛失した場合のスペアの軍用部品
−自動車設計の粘土スタイリングモデル
−工業設計モデル
−表面再構成
−映画／放送／コンピュータゲームアニメーションのキャラクター又は小道具のモデル
−アーカイブ、探索、再構成、及び保存のための、大型の彫刻、塑像、及びアーチファクト等の貴重な芸術品
−高速プロトタイピング
−手動での測定に時間がかかり困難である緻密な物体
医療
−乳房再建
−脳神経外科手術
−放射線治療
−ロボット外科手術
その他
−触覚玩具
−探索
−教示
【０２００】
いくつかのロボットＣＭＭアームのセルは、自動車ラインにおける静的光学プローブの既存の剛構造よりも優れた設備である。ロボットＣＭＭアームは、ラインを進む種々の車モデルのダイナミックプログラミングにより高い柔軟性を有する。一品生産物体の光学走査では、ロボットＣＭＭアームは、作業者による大きな手動労力をなくし、内部ＣＭＭアームに対する力を最小にすることにより寸法精度を最高にする。アクセスしにくい物体を伴う用途では、作業者に手動ＣＭＭアームで物体を測定させるために、通常はガントリが設けられるが、多くの場合、作業者は安全ではなく背中を痛める可能性がある苦しい姿勢になる。本発明のロボットＣＭＭアームを適用することは、ハンドヘルド制御パネルを用いて測定を手動制御できることを意味する。これは、ガントリを設ける必要がなく、作業者が測定のために苦しく危険で不健康な姿勢になる必要がないことを意味する。
【０２０１】
［第２の実施形態］
産業ロボットＣＭＭアーム
この第２の実施形態では、ロボットを高精度に移動させるための産業ロボットＣＭＭアームが開示される。この第２の実施形態では、共通のベースセグメント１及び共通のプローブセグメント８を有する７軸産業ロボットＣＭＭアームが提供される。共通のプローブセグメントは、重いプローブ又は工具を担持することができ、かなりの力を受ける一方で、高精度な位置情報を提供することができる。産業ロボットＣＭＭアームは、既存の産業ロボットよりも優れた再現性を有するだけでなく、約１０倍精度が高い。次に図５３を参照すると、産業ロボットＣＭＭアーム４５０は、ＣＭＭセグメント１  ３１、伝達手段１  ７１、及びロボット外骨格セグメント１  ４１を備える共通のベース４を有する。産業ロボットＣＭＭアーム４５０は、ＣＭＭセグメント８  ３８、伝達手段８  ７８、及び外骨格セグメント８  ４８を備える共通のプローブセグメント８  ４５１も有する。実際には、これは、硬質の伝達手段８  ７８を提供する。産業ロボットＣＭＭアーム４５０のＣＭＭセグメント２  ３２〜７  ３７は、伝達手段２  ７２〜７  ７２により外骨格セグメント２  ４２〜７  ４７に接続される。伝達手段２  ７２〜７  ７７は、第１の実施形態で開示されたように硬質でないことが好ましい。第１の実施形態の可搬式ロボットＣＭＭアーム１とこの第２の実施形態の産業ロボットＣＭＭアーム４５０との主な違いは、可搬式ロボットＣＭＭアーム１の伝達手段８  ７８が硬質ではなく、産業ロボットＣＭＭアーム４５０の伝達手段８  ７８が硬質であることである。次に図５４を参照すると、この第２の実施形態のさらなる実施形態では、産業ロボットＣＭＭアーム４５０は、２つのプローブ９０及び９１を有する。産業ロボットＣＭＭアーム４５０は、プローブ９０が６つの回転軸を利用して位置決めされ、プローブ９１が７つの回転軸を利用して位置決めされる、ハイブリッド６軸／７軸形式で提供される。ＣＭＭセグメント７  ３７／８  ３８は、内部に継手を有さない硬質ユニットである。プローブ９０は、測定動作が主にその動作の半径方向とは関係なく行われる、固体プローブ又はタッチトリガプローブ等の軸対称プローブである。これは、プローブ９０が動作可能となるために、その直前の継手が軸方向回転継手である必要がないことを意味する。プローブ９０は、産業ロボットＣＭＭアーム４５０のベース端２との間に６つのＣＭＭ継手１  ５１〜６  ５６を有する。光学プローブ９１は、外骨格継手７  ６７の後の外骨格セグメント８  ４８にしっかりと取り付けられる。光学プローブ９１は、ストライププローブ９７であることが好ましい。プローブ９１の測定動作は、アームに対するその向き及び半径方向の移動方向の両方に応じて決まる。これは、プローブ９１が容易に動作可能となるために、その直前の継手が軸方向回転継手である必要があることを意味する。光学プローブ９１は、ベース端との間に７つの外骨格継手１  ６１〜７  ６７を有する。ＣＭＭセグメント７／８と外骨格セグメント８  ４８との間の外骨格軸受４５２により、軸方向回転が可能となる。外骨格セグメント８  ４８に取り付けられるプローブ９１は、モータ１７６により駆動される１つのＣＭＭセグメント７  ３７／８  ３８の中心線４５３の周りの第７の軸上で回転する。外骨格軸受４５２は、硬質の伝達手段７８としての役割を果たし、中心線４５３に沿って軸方向に力を伝達し、中心線４５３に対して垂直に半径方向力を伝達し、軸受にわたって任意の非回転方向にトルクを伝達する。
【０２０２】
当業者には理解されるように、産業ロボットＣＭＭアーム４５０のこの第２の実施形態は、この第２の実施形態で説明するもの以外の、全てが本発明の同じ技術的効果を有する様々なさらなる実施形態で提供されてもよく、本発明の範囲は、上記に開示された実施形態に限定されない。例えば、この第２の実施形態は、図１Ａのものと同様ではあるが共通のプローブセグメント８を有する、６軸形式で提供されてもよい。図５４の実施形態の場合、この第２の実施形態は、図１Ａのものと同様ではあるが外骨格継手４５２を有する、ハイブリッド５軸／６軸形式で提供されてもよい。
【０２０３】
堅牢性及び材料
産業ロボットＣＭＭアーム４５０の外骨格６は、剛性、強力、且つ堅牢である。外骨格６は、加速度を高め、且つ高い再現性で位置決めするように構成される。車生産ライン等の複雑な環境において、産業ロボットは偶発的に車体と衝突する場合がある。産業ロボットは、このような衝突に耐えるように構成されるが、車体は損傷を受ける。産業ロボットＣＭＭアーム４５０の外骨格６は、交換する必要も大きな修理を受ける必要もなく、自動車生産ラインにおいて車体との衝突に耐えることが可能である。産業ロボットＣＭＭアーム４５０の外骨格６に用いられる材料は、自動車生産ラインにおける産業ロボットで用いられるものと同様である。アルミニウム鋳造がほとんどのセグメントに用いられる。可搬式ロボットＣＭＭアーム１と比較して、産業ロボットＣＭＭアーム４５０の駆動システムは、より大きな質量の外骨格６を駆動し、その用途に要求されるより大きな加速を行うために、はるかに強力である。産業ロボットＣＭＭアーム４５０の内部ＣＭＭアーム５は、可搬式ロボットＣＭＭアーム１の内部ＣＭＭアーム５と同様に構成される。
【０２０４】
熱環境
産業ロボットＣＭＭアーム４５０を、スイッチが入れられた瞬間から広範囲の静的及び動的熱条件下で高精度に動作させることができることが、この第２の実施形態の目的の１つである。産業ロボットＣＭＭアーム４５０は、生産環境に配置される。このような生産環境の温度は、温度が制御されるとしても正確には制御されない。温度変化には、１５℃を超える大きな変化だけでなく１時間に５℃を超える急な温度勾配の両方があり得る。さらに、産業ロボットＣＭＭアーム４５０の駆動システムはかなりの熱を発生する。産業ロボットＣＭＭアーム４５０は、暖機されて熱安定性が得られるのに約１時間の運転を要する。図１３を再び参照すると、空気１９２の流量は、可搬式ロボットＣＭＭアーム１の場合よりもはるかに多くなる。フィルタ１９１は、より多くの空気１９２の流量に対応するためにより大きく、生産環境からの汚れた空気１９２をより良好に浄化することが可能である。別の実施形態では、空気１９２は内部で再循環させることができ、熱交換器と冷却ユニットとの組み合わせをベースに設けて、ベースを冷却する。これにより、外骨格６と内部ＣＭＭアーム５との間の空間に汚れが入ることが防止される。空気１９２の循環により、暖機サイクル中及び連続運転時に内部ＣＭＭアーム５に生じるホットスポットが除去される。これにより、産業ロボットＣＭＭアーム４５０の内部ＣＭＭアーム５は、この熱環境でその精度を維持することができる。これは、産業ロボットＣＭＭアーム４５０が、スイッチが入れられた瞬間から、暖機サイクル中、低いデューティサイクル及び高いデューティサイクルの両方で、且つ通常の生産環境で見られる全ての静的及び動的温度で、高い精度を維持することを意味する。
【０２０５】
用途
本発明の背景で説明したように、産業ロボットは再現可能であるが高精度ではない。これは、産業ロボットには、産業ロボットの精度が十分ではないために現在実施されていない、高精度を必要とする潜在的用途が数多くあることを意味する。産業ロボットＣＭＭアーム４５０は、これら用途の多くの要件を満たすのに十分な精度、十分な再現性、及び十分な堅牢性を有する。産業ロボットＣＭＭアーム４５０が、共通のプローブセグメント８  ４５１に取り付けられるプローブ９０及び工具９８の両方を有することができることが、この第２の実施形態のさらなる目的である。これは、産業ロボットＣＭＭアーム４５０が１サイクル中に、工具９８を用いて作業を実行し、プローブ９０を用いて測定を実行する２用途サイクルが提供されることを意味する。可搬式ロボットＣＭＭアーム１は、外骨格６に取り付けられる工具９８及び内部ＣＭＭアーム５に取り付けられるプローブ９０を有することができることも、第１の実施形態のさらなる目的である。これは、可搬式ロボットＣＭＭアーム１が１サイクル中に、工具９８を用いて作業を実行し、プローブ９０を用いて測定を実行する２用途サイクルが提供されることを意味する。これは、ワークステーションにおいて、ロボットＣＭＭアームが、作業を実行するとともにこの作業の結果を測定することができるか、又は１つの場所で作業を実行し、別の場所で測定することができることを意味する。これは、工具９８で作業を実行しているロボットの精度が、以前よりも１桁高まることも意味する。産業ロボットＣＭＭアーム４５０の外骨格６は、その用途に必要な工具を操作するのに十分強力である。産業ロボットＣＭＭアーム４５０の外骨格６は、剛性であり、高い再現性を有する。産業ロボットＣＭＭアーム４５０の外骨格６は、大きな加速度を与える強力な駆動システムを有する。産業ロボットＣＭＭアーム４５０の外骨格６は、現在の範囲の産業ロボットと同様の設計仕様を有するが、本発明により、産業ロボットＣＭＭアーム４５０は産業ロボットよりも約１０〜１００倍高い精度を有する。産業ロボットＣＭＭアーム４５０の内部ＣＭＭアーム５は、第１の実施形態の内部ＣＭＭアーム５と同様であるが、外骨格６と内部ＣＭＭアーム７との間の伝達手段１０を介して作用する大きな加速度を維持することが可能である。
【０２０６】
グローバル座標系
２つ以上の産業ロボットＣＭＭアーム４５０が一緒に共通の物体９に対して作業する場合、ロボットＣＭＭアーム座標系３６３の基準となるグローバル座標系４６１を提供することが有用である。このようなグローバル座標系を提供する１つの手段は、グローバル座標系アーチファクトを提供することである。次に図５５を参照すると、４つの産業ロボットＣＭＭアーム４５０が、生産ライン４５５のセル４５４に配置される。グローバル座標系４６１のためのグローバル座標系基準点４５８を有するアーチファクト剛構造４６０上に３つの測定球体４５９を２組備える、グローバル座標系アーチファクト４５６が設けられる。各産業ロボットＣＭＭアーム４５０のリーチ４５７及び場所は、産業ロボットＣＭＭアーム４６０が少なくとも１組の３つの測定球体４５９を測定することができ、したがってグローバル座標系４６１をそのロボットＣＭＭアーム座標系３６３の基準とすることができるようになっている。本発明の範囲は、グローバル座標系アーチファクト４５６を設けることによるグローバル座標系４６１の提供に限定されない。当業者には理解されるように、グローバル座標系４６１は多くの手段及び方法により提供することができる。例えば、レーザトラッカを用いることができる。本発明は、グローバル座標系を提供する任意の手段を含む。
【０２０７】
方法
第１の実施形態の可搬式ロボットＣＭＭアーム１は、測定に最も適しているが、この第２の実施形態の産業ロボットＣＭＭアーム４５０は、産業環境及び測定の両方での、ロボットが担持する工具を伴う高精度ロボット動作に適している。方法は１つ又は複数のステップを含む。制御ソフトウェア３８２が方法を実行する。この第２の実施形態を用いることができる一般的な方法が開示される。ロボットＣＭＭアーム１に関してすでに説明した例示的な方法は、産業ロボットＣＭＭアーム４５０に利用可能である。以下のさらなる例示的な方法は、産業ロボットＣＭＭアーム４５０を用いるために制御ソフトウェア３８２に提供される。
特徴のデータム参照：制御ソフトウェア３８２は、物体特徴座標系３６２の特徴を産業ロボットＣＭＭアーム座標系３６３の基準とする。
グローバル参照：グローバル座標系４６１を産業ロボットＣＭＭアーム座標系３６３の基準とする。
プローブ参照：制御ソフトウェア３８２は、プローブ９０の測定プローブ座標系３６４を産業ロボットＣＭＭアーム座標系３６３の基準とする。
自動工具交換：制御ソフトウェア３８２は、産業ロボットＣＭＭアーム４５０の工具９８の自動工具交換を手配する。これは、自動工具交換系に産業ロボットＣＭＭアーム４５０が提供される場合に用いられる。
工具参照：制御ソフトウェア３８２は、工具９８の工具座標系３６４を産業ロボットＣＭＭアーム座標系３６３の基準とする。これは、例えば工具を交換した後で用いられる。
加工：制御ソフトウェア３８２は、工具９８を用いた物体９の加工を実行する。
工具オフセットの調整：制御ソフトウェア３８２は、工具９８の工具座標系３６４を調整する。
取り扱い：産業ロボットＣＭＭアームの場所への、及びそこからの物体の輸送。生産ライン上での輸送、パレット上にある間のコンベヤによる輸送、作業者による手動の積載を含むがこれらに限定されない、物体を取り扱う手段は数多くある。
載置（mounting）：物体は、他の産業ロボットＣＭＭアーム動作を受ける前に載置することができる。載置は、再現可能であっても再現不可能であってもよい。載置は、物体が移動せずに動作力に耐えるようにしっかりと取り付けられてもよく、又は光学走査の間静止しているだけでもよい。概して、産業ロボットＣＭＭアームは、移動の柔軟性が高く、物体は、残りの動作のためのアクセスを提供するように１つの場所に取り付けられるだけでよい。表面上への物体の再現不可能な配置、パレットへの物体のロック及びその場所でのパレットのロック、生産ライン上に載置される物体、固定具に載置される物体を含むがこれらに限定されない、その場所に物体を載置する手段は数多くある。
【０２０８】
特徴検査方法
次に図５６を参照すると、第１のステップ４７０において、物体９は、或る場所に到着し、産業ロボットＣＭＭアーム４５０のリーチ内に取り付けられる。ステップ４７１において、産業ロボットＣＭＭアーム座標系３６３は物体座標系３６１を基準とする。このステップは、物体９が産業ロボットＣＭＭアームに対する既知の場所及び向きで精密固定具に載置される場合には必要ない。ステップ４７２において、産業ロボットＣＭＭアーム４５０のプローブ９０が、測定プログラム３８９に従って物体９の１つ又は複数の特徴３６５を測定する。ステップ４７３において、各特徴３６５の場所及び／又は寸法が、ステップ４７２中に収集された測定データから計算される。ステップ４７４において、各特徴３６５の場所及び寸法は、通常はＣＡＤモデル及び検査プログラムの形態の各特徴３６５の設計場所及び設計寸法並びにそれらの公差と比較される。ステップ４７１の参照プロセスが物体９の特徴の測定を伴う場合、ステップ４７１はこのステップの一部として同時に終了することができる。ステップ４７５において、測定結果が出力される。ステップ４７６において、物体９はその場所から離れる。
【０２０９】
表面検査方法
次に図５７を参照すると、第１のステップ４８０において、物体９は、或る場所に到着し、産業ロボットＣＭＭアーム４５０のリーチ内に載置される。ステップ４８１において、産業ロボットＣＭＭアーム座標系３６３は物体座標系３６１を基準とする。ステップ４８２において、産業ロボットＣＭＭアーム４５０のプローブ９０が、測定プログラム３８９に従って物体９の表面を測定する。ステップ４８３において、ステップ４８２中に収集された表面測定データが前処理される。ステップ４８４において、物体９の前処理済み表面測定データは、設計表面と比較される。ステップ４８５において、測定結果が出力される。ステップ４８６において、物体９はその場所から離れる。この方法の適用性の一例は、クランクシャフト検査セルにある。未加工のクランクシャフトが、ＣＡＤ設計に対して検査されて、成形プロセスで作製されたクランクシャフトが公差範囲内であるかどうかが確認される。
【０２１０】
工具動作方法
次に図５８を参照すると、第１のステップ４９０において、物体９は、或る場所に到着し、産業ロボットＣＭＭアーム４５０のリーチ内に載置される。ステップ４９１において、産業ロボットＣＭＭアーム座標系３６３は物体座標系３６１を基準とする。ステップ４９２において、産業ロボットＣＭＭアーム４５０の工具９８が、ロボットプログラム３８９に従って物体９に対する動作を実行する。産業ロボットＣＭＭアーム４５０は、工具座標系３６４と産業ロボットＣＭＭアーム座標系３６３との間の既知の変換を用いて、動作を実行する。ステップ４９３において、物体９はその場所から離れる。
【０２１１】
動作検査及び工具調整方法
この方法では、少なくとも１つの工具９８及び１つのプローブ９０が産業ロボットＣＭＭアーム４５０に取り付けられることが必要である。次に図５９Ａを参照すると、第１のステップ５００において、物体９は、或る場所に到着し、産業ロボットＣＭＭアーム４５０のリーチ内に載置される。ステップ５０１において、産業ロボットＣＭＭアーム座標系３６３は物体座標系３６１を基準とする。ステップ５０２において、産業ロボットＣＭＭアーム４５０の工具９８が、ロボットプログラム３８９に従って物体９に対する動作を実行する。ステップ５０３において、産業ロボットＣＭＭアーム４５０のプローブ９０が、測定プログラム３８９に従って、物体９の１つ又は複数の加工された特徴３６５、又は物体９の表面を測定する。ステップ５０４において、各加工された特徴３６５の場所及び／又は寸法が計算され、且つ／又はステップ５０３中に収集された測定データから表面前加工が行われる。ステップ５０５において、各加工された特徴３６５及び／又は表面の場所及び寸法は、各加工された特徴３６５の設計場所及び設計寸法並びにそれらの公差と比較される。ステップ５０６において、工具調整値（adjustment）がステップ５０５の結果から計算され、その調整値を用いて、工具座標系３６４が調整される。工具座標系３６４の調整は、誤差の変動がある場合にそれを特定して定量化するための統計的に有意な数の同一の動作に基づいて、統計的傾向ベースで実行することができる。ステップ５０７において、測定結果が出力される。ステップ５０８において、物体９はその場所から離れる。この方法は、３つの例示的なモードで用いることができるが、これら３つのモードに限定されない。
−検査のみ（ステップ５０６を飛ばす）
−工具調整のみ（ステップ５０７を飛ばす）
−工具調整を伴う検査（ステップ５００〜５０８に従って）
【０２１２】
産業ロボットＣＭＭアーム４５０を用いて、現在達成可能であるよりもはるかに高い精度で測定を行うとともに動作を実行するために用いることができる方法は、他にも数多くあり、本明細書で開示される方法は、産業ロボットＣＭＭアームを用いて以前よりもはるかに高い精度で測定を行うとともに動作を実行するために用いることができる全ての方法の例示であることが、当業者には理解されるであろう。
【０２１３】
生産ライン
産業ロボットＣＭＭアーム４５０は、生産ライン上の任意の適当な場所において単一ユニットとして設置してもよく、又は複数の産業ロボットＣＭＭアーム４５０を、測定作業を行うために１つのセル又は複数のセルに一緒に設置してもよい。一例は、自動車生産ラインである。概して、生産ライン上の車は、既知の安定した速度で移動するが、移動物体を測定する場合、精度は低下する。したがって、測定サイクルの間は車が静止しているセルを構成することが好ましい。このようなセルは、代替的に、生産ラインに隣接して配置されて、作製中の物体のうち或る割合の物体をサンプリングすることができる。通常の生産ライン測定用途には、ボディ・イン・ホワイト、モータ部品、後部部品、アンダーボディ、及びパネル固定が含まれる。検査される通常の特徴には、エッジ及び表面の場所、穴の場所、スロットの場所、隙間及びバリの測定が含まれる。表面形状も検査される。生産ラインは通常、生産ライン上のセルにおいて動作のサイクルを開始させる生産ライン制御システムを有する。セルにおける１つ又は複数の産業ロボットＣＭＭアーム４５０は、当業者に既知の方法のいずれかによって、生産ライン制御システムとインタフェースすることができる。産業ロボットＣＭＭアーム４５０の制御ＰＣＢ１７２は、信号及び情報を受け取り、信号及び情報を返すことができる。生産ライン制御システムから産業ロボットＣＭＭアーム４５０への信号及び情報は通常、例えば、サイクルの開始、サイクルの緊急停止、プログラム番号ＸＸＸの使用、プログラムＸＸＸ自体、測定値ＹＹＹを返す、パラメータの制御、ステータス要求を含む。産業ロボットＣＭＭアーム４５０から生産ライン制御システムへの信号及び情報は通常、例えば、ステータス報告、測定値、測定値報告、フィードバック制御パラメータを含む。産業ロボットＣＭＭアーム４５０は通常、生産ラインの緊急停止回路に配線接続される。産業ロボットＣＭＭアーム４５０からの測定値及びフィードバック制御パラメータを用いてデータをフィードフォワードし、生産ライン上の下流の他のプロセスを制御又は適応制御することができる。柔軟性のある生産ラインでの測定の需要により、２ｍを超える、場合によっては３ｍを超えるリーチを有する産業ロボットＣＭＭアーム４５０が常に必要とされる。産業ロボットＣＭＭアーム４５０は、測定中の場所へのアクセスを柔軟にするために、最小でも６つの軸を有することが好ましい。産業ロボットＣＭＭアーム４５０は、できる限り短時間で場所間を移動するために、迅速に加速されることができることが好ましい。産業ロボットＣＭＭアーム４５０は、柔軟性、敏捷性、及び比較的小さい床設置面積を有する。したがって、産業ロボットＣＭＭアーム４５０は、生産ライン上の作業セル内で、生産要素と並べて、且つ／又は生産要素間に設置することができる。ロボットＣＭＭアームと他のアイテムとの間で衝突が起こらないように注意しなければならない。これは、産業ロボットＣＭＭアーム４５０を生産ラインに沿ったほとんどの場所に挿入することができ、生産ラインの専用測定セルとして貴重な空間を使い果たしてしまわないことを意味する。産業ロボットＣＭＭアーム４５０は高精度で測定を行い、溶接ロボット等の操作型（operational）要素と並べて、又は操作型要素のすぐ上流に位置付けることができる。１つ又は複数の操作型要素は、１つ又は複数の産業ロボットＣＭＭアーム４５０からフィードバックデータを受け取ることができ、それにより、シートメタルアイテム等の物体の実際に測定された位置に適合する、より高精度な動作を行うことができる。これは、より高速、より高性能、又はより安価であるがより高い精度を必要とする、より効率的なプロセスを、生産ラインで用いることができることを意味する。
【０２１４】
構成部品調整方法
産業ロボットＣＭＭアーム４５０は、１つの新車モデルにつき通常は２００〜２５０個のプロトタイプが作製されるプロトタイプ生産プロセスに特に適している。生産セルにおいて産業ロボットＣＭＭアーム４５０により総合的な高精度測定が利用可能であることにより、プロトタイプツーリングに対する手法を変更すること、及び／又は既存の手法の精度を高めることが可能となる。例えば、溶接又は接着の前にシートメタル構成部品の位置決めの誤差をフィードバックすることにより、シートメタル構成部品を、正しい位置になるまで手動又は自動で調整することができる。これは、本発明のロボットＣＭＭアームが、このようにして、より単純なツーリングを用いることを可能にすることにより、精密プロトタイプ生産ツーリングへの多額の投資を節約できることを意味する。新規の構成部品調整方法が開示される。次に図５９Ｂを参照すると、第１のステップ５１０において、可動の第１の構成部品が第２の構成部品に対して作業者により手動で位置決めされる。ステップ５１１において、産業ロボットＣＭＭアーム４５０が、第１の構成部品及び第２の構成部品の位置及び向きに関する測定データを取り込む。ステップ５１２において、第２の構成部品からの測定データが、第２の構成部品のＣＡＤモデルに登録される。ステップ５１３において、第１の構成部品からの測定データが、第１の構成部品のＣＡＤモデルと比較される。第１の構成部品のＣＡＤモデルは、第２の構成部品のＣＡＤモデルと同じ座標系にあり、第１の構成部品のＣＡＤモデルは、第２の構成部品のＣＡＤモデルに対する理想的な設計位置に位置付けられる。ステップ５１４において、第１の構成部品の理想的なＣＡＤ位置及び向きからの第１の構成部品の実際の位置及び向きの誤差が計算され、作業者が作用を与えることができる有用な情報を提供するように表示される。ステップ５１５において、手動作業者は、表示された誤差を用いて、第１の構成部品の位置及び／又は向きをさらに手動で調整して第１のステップへ移るか、又は第１の構成部品の位置決めに問題がないため停止するかを判定する。ステップ５１６において、手動作業者は、表示された誤差を用いて、第１の構成部品の位置及び／又は向きを手動で調整する。この第７のステップの次に、この発明の第２のステップが続く。産業ロボットＣＭＭアーム４５０を用いて、現在達成可能であるよりもはるかに高い精度で第２の構成部品に対する第１の構成部品の位置決めを補助するために用いることができる手動及び自動の方法は、他にも数多くあり、本明細書で開示される方法は、産業ロボットＣＭＭアーム４５０を用いて以前よりもはるかに高い精度で第２の構成部品に対する第１の構成部品の位置決めを補助するために用いることができる全ての方法の例示であることが、当業者には理解されるであろう。代替的な実施形態では、構成部品調整プロセス全体が自動化されるようにステップ５１０、５１５、及び５１６を自動化することができる。
【０２１５】
本体修理方法
産業ロボットＣＭＭアーム４５０は、車体を歪ませる事故の後での車体修理プロセスに適している。産業ロボットＣＭＭアーム４５０は、まず、診断動作において、車体の歪み方を定量し、どの構成部品の交換が必要であり、ステップ５１１〜５１４に対応するかを判定するために用いられる。産業ロボットＣＭＭアーム４５０は、引き伸ばし、曲げ等の各補正プロセスの後で、理想的な形状からの残りの誤差を測定するために用いられる。これは、ステップ５１１〜５１６に対応する。産業ロボットＣＭＭアーム４５０は、車体パネル等の新たな構成部品を損傷したものと交換する各交換プロセス中に、その新たなパネルの正しい位置合わせを補助するために用いられる。これは、構成部品調整方法のステップ５１０〜５１６の全てに対応する。診断動作、補正プロセス、及び交換プロセスは、構成部品調整方法の適用の具体的な例である。本発明の範囲は、車体の修理に限定されず、複雑な形状の任意の物体の修理に適用可能である。本発明は、１つの構成部品のみから成る物体、又は複数の構成部品から成る物体の修理に適用可能である。
【０２１６】
加工機
図７Ｊを再び参照すると、産業ロボットＣＭＭアーム４５０は、１つ又は複数の加工機１３７に取り付けるか、又はそれに隣接させることができる。２つ以上の加工機１３７が１つの生産ラインを形成する場合、高価な動作間での物体９の測定及びパス／フェイル検査により、生産ラインの損失額（wastage value）％を減らすことができる。さらに、産業ロボットＣＭＭアーム４５０は、測定及びマテリアルハンドリングという２つの機能を提供することができる。用途によっては、産業ロボットＣＭＭアーム４５０は、３つの動作、すなわち、測定動作、工具での材料加工動作、及びマテリアルハンドリング動作を提供することができる。産業ロボットＣＭＭアーム４５０の用途の一例は、タービンブレード生産ラインにある。産業ロボットＣＭＭアーム４５０による光学測定の速度及び精密さが、手動検査と比較してこの用途を費用効果的にする。
【０２１７】
生産ライン上で本発明のロボットＣＭＭアームを配設する利点
以下の利点は、例として提供されるものであり、本発明のロボットＣＭＭアームの配設の利点は、これらの利点に限定されない。
１．ロボットＣＭＭアームは、生産ライン空間を使い果たす専用セルだけではなく、既存のセルのラインに沿った許容可能ないかなる場所にも設置することができる。
２．ロボットＣＭＭアームは、表面を検査し、後続のプロセスにデータをフィードフォワードすることができる。
３．ロボットＣＭＭアームは、プロセス後又はプロセス中に、表面を検査し、データをフィードバックすることができる。
４．ロボットＣＭＭアームは、接合等のプロセスの精度を高めることができる。
５．ロボットＣＭＭアームは、製品間の切り換え時間の削減に役立つ。
６．ロボットＣＭＭアームは、プロセス及び工具の標準化の生産迅速化に対するあらゆる利点により、世界的に生産ラインにおける共通の工具となることができる。
７．ロボットＣＭＭアームは、接合プロセス前にアイテムをより高精度に設定させて、より高精度な接合プロセスを用いることを可能にすることができる。
８．ロボットＣＭＭアームは、例えば自動車及び航空宇宙を含む多くの産業において、様々な工具、構成部品の組み立てのためのより高精度な方法を提供することができる。
９．ロボットＣＭＭアームは、別のプロセスの前に構成部品の場所を調整する手動作業者に対するリアルタイムのフィードバックループを提供することができる。
１０．ロボットＣＭＭアームは、接合又は別の組み立てプロセス前に構成部品の場所を自動的に調整する移動可能部材に対するリアルタイムのフィードバックループを提供することができる。
１１．ロボットＣＭＭアームは、生産ライン基準に自動的にデータミングすることができる。
１２．ロボットＣＭＭアームは、セルにおける車体ライン座標系等、物体参照データムに自動的にデータミングすることができる。
１３．ロボットＣＭＭアームは、共通の座標系で互いにデータミングすることができる。
１４．ロボットＣＭＭアームは、生産ライン制御システムと一体化することができる。
１５．ロボットＣＭＭアームは、ツーリング投資額の削減、プロセス速度の上昇、製品品質の向上、及びプロセス精度の向上等の利点を与える異なるツーリング手法の使用を可能にすることができる。
１６．ロボットＣＭＭアームは、主生産ラインプロセス及びプロトタイプ生産プロセスを改善することができる。
１７．ロボットＣＭＭアームは、自動車パネルの付属品（fixtures）をチェックする必要性をなくすことができる。
１８．ロボットＣＭＭアームは、人的ミスをなくすことができる。
１９．ロボットＣＭＭアームは、産業ロボットよりも製造費用がわずかながら高いが、その追加費用を超える付加価値を提供する。
２０．ロボットＣＭＭアームは、プロセスの精度を高め、２つのステーションを有する場合と比較して、精度があまり高くないツーリングを用いてより効率的なプロセスを可能にし、生産ライン上の空間を節約する。
２１．１つのロボットＣＭＭアームが、以下の動作、すなわち、測定、材料加工、マテリアルハンドリングの１つ又は複数を行うことができる。これにより、高精度に測定することができないロボットを超えるさらなる実用性が提供される。
【０２１８】
フライス盤
複雑な形状をフライス削りすることができる産業ロボットＣＭＭアーム４５０を提供することが、この実施形態の目的の１つである。標準的なＣＮＣ制御システムを用いて、追従誤差の小さい経路が確保される。加工経路は、標準的な７軸ＣＡＤソフトウェアパッケージから生成される。当業者には既知であるように、ＣＭＭエンコーダ１７８からの精密位置フィードバックを用いて、正確な６ＤＯＦ位置及び向きが計算され、所望の６ＤＯＦ位置及び向きでループが閉じられる。これは、産業ロボットＣＭＭアーム４５０が標準的な産業ロボットよりも高精度に複雑な形状をフライス削りすることができることを意味する。主な利点は、産業ロボットＣＭＭアーム４５０の加工誤差が、通常は産業ロボットの加工誤差よりも１桁小さいことである。産業ロボットＣＭＭアーム４５０をフライス削りに用いる別の利点は、不正確なパスによる段等の粗さが手動で平滑化される場合、さらなる手仕上げ動作が必要なくなることである。さらなる利点は、産業ロボットＣＭＭアーム４５０が、マシニングセンター又は水平アームＣＭＭによりフライス削りすることができない大きな球状形態等の複雑な形状をフライス削りできることである。産業ロボットＣＭＭアーム４５０は、広範囲の産業において、複雑な形状を高精度に加工するのに適用可能であることが予測される。
【０２１９】
［第３の実施形態］
この第３の実施形態では、移動させることができる全ての空間レイアウトにおいて、内部ＣＭＭアーム５の継手及びセグメントに作用する力及びモーメントを大幅に減らした、能動支持ロボットＣＭＭアームが開示される。
【０２２０】
第１の実施形態のロボットＣＭＭアームに対する力及びモーメント
ロボットＣＭＭアーム１のいくつかの空間レイアウトでは、内部ＣＭＭアーム５にかなりの荷重がかかるため、前述したような（provided）外骨格６の７つの外骨格継手１  ６１〜７  ６７に作用する７つのモータ１７６の配置は、これら荷重を減らすのに十分な制御出力を提供しない。いくつかの空間レイアウトでは、継手には、その継手よりも先の内部ＣＭＭアーム５のセグメントの全重量が作用する。例えば、内部ＣＭＭアーム５が垂直な空間レイアウトにある場合、ＣＭＭセグメント２  ３２〜８  ３８の合わせた重量はＣＭＭ継手１  ５１に直接かかる。同様に、ＣＭＭセグメント２  ３２〜８  ３８の合わせた重量はＣＭＭ継手２  ５２に直接かかり、アームを上ってＣＭＭ継手３  ５３〜ＣＭＭ継手７  ５７についても同様である。外骨格の７つの駆動システムは、ＣＭＭ継手の軸受に対するこの荷重を補償することができない。軸方向に配置されるＣＭＭ継手１  ５１、３  ５３、５  ５５、及び７  ５７の場合、内部ＣＭＭアーム５が垂直の空間レイアウトにある場合、これらのＣＭＭ継手に対する荷重は、軸方向ＣＭＭ継手の軸を通る。真交に配置されるＣＭＭ継手２  ５２、４  ５４、及び６  ５６の場合、内部ＣＭＭアーム５が垂直の空間レイアウトにある場合、これらのＣＭＭ継手に対する荷重は、直交ＣＭＭ継手の軸に直交する。ロボットＣＭＭアーム１のいかなる空間的場所でも、ロボットＣＭＭアーム１が固定されているか移動しているかに関係なく、非ゼロの力及び非ゼロのモーメントのネットワーク（network）が外骨格６から内部ＣＭＭアーム５に作用する。これらの力及びモーメントは、内部ＣＭＭアーム５の継手及びセグメントを歪ませることにより、ロボットＣＭＭアーム１の測定の精度を低下させる。
【０２２１】
能動支持ロボットＣＭＭアーム
この第３の実施形態の能動支持ロボットＣＭＭアームは、内部ＣＭＭアーム５に対する力及びモーメントを検知する歪みゲージと、能動支持制御ソフトウェアを用いて内部ＣＭＭアーム５に対する力及びモーメントに対抗する能動伝達手段とを備える。これは、能動支持ロボットＣＭＭアームの精度が、能動支持ロボットＣＭＭアームと同じリーチを有するロボットＣＭＭアーム１又は産業ロボットＣＭＭアーム４５０の精度よりも高いことを意味する。さらに、能動支持ロボットＣＭＭアームが或る指定された精度まで動作することができるリーチは、第１の実施形態のロボットＣＭＭアーム１及び第２の実施形態の産業ロボットＣＭＭアーム４５０の両方と比較して長い。
【０２２２】
次に図６０を参照すると、能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０は、外骨格６と内部ＣＭＭアーム５との間に設置される能動伝達手段２  ５６２〜８  ５６８を備える。歪みゲージ１８１は、先に開示されるとともに、図４１Ｅに示す内部ＣＭＭアーム５に取り付けられる。
【０２２３】
能動伝達手段
各能動伝達手段２  ５６２〜８  ５６８は、第１の実施形態で先に開示した伝達手段２  ７２〜８  ７８それぞれを通る１つの駆動方向と、内部ＣＭＭアーム５の重量を能動的に支持するための１つ又は複数の能動支持方向とを提供する。伝達手段５６２〜５６８は、それぞれのＣＭＭセグメント２  ３２〜８  ３８の重心に、又はその付近に位置付けられる。これにより、２つの能動的な力成分、すなわち半径方向及び軸方向に対する各ＣＭＭセグメントの支持負担（task）が減る。各能動伝達手段５６２〜５６８は、それぞれのＣＭＭセグメント２  ３２〜８  ３８の重心に、又はその付近に位置付けられるため、能動的にモーメントを加える必要はない。
【０２２４】
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【０２２５】
能動伝達手段２  ５６２は、第１の伝達手段であり、重力に対して一定の向きを有する。能動伝達手段２  ５６２内の伝達手段２  ７２は、ねじれ方向であり、半径方向にも軸方向にも能動支持を与えない。能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０のベース向きが垂直である通常の場合、能動伝達手段２  ５６２内で必要とされる能動支持は軸方向のみである。能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０のベース向きが水平である場合、能動伝達手段２  ５６２内で必要とされる能動支持は半径方向のみである。任意の他のベース向きでは、軸方向及び半径方向の両方の能動支持が能動伝達手段２  ５６２内で必要とされる。
【０２２６】
能動伝達手段３  ５６３はいかなる向きにあってもよい。能動伝達手段３  ５６３内の伝達手段３  ７３を通る駆動は半径方向である。これは、半径方向の能動支持が能動伝達手段３  ５６３内では必要ないことを意味する。しかしながら、能動伝達手段３  ５６３内では軸方向の能動支持が必要である。能動伝達手段３  ５６３の状況は、能動伝達手段５  ５６５、７  ５６７でも同様である。
【０２２７】
能動伝達手段４  ５６４はいかなる向きにあってもよい。能動伝達手段４  ５６４内の伝達手段４  ７４を通る駆動はねじれ方向である。これは、半径方向及び軸方向の両方の能動支持が能動伝達手段４  ５６４内で必要であることを意味する。能動伝達手段４  ５６４の状況は、能動伝達手段６  ５６６、８  ５６８でも同様である。
【０２２８】
軸方向能動支持部
能動伝達手段３  ５６３、５  ５６５、７  ５６７は、半径方向の駆動及び軸方向の能動支持を与える。次に図６１を参照すると、能動伝達手段３  ５６３等の能動伝達手段は、２つの部品、すなわち、先に開示するとともに、図１７に示す受動半径方向駆動伝達手段３  ７３と、能動軸方向支持部３  ５８３とを備える。能動軸方向支持部３  ５８３は、支持部ギヤボックス５７２手段及び支持部ボールねじ５７４手段を介して、支持部ボールレース５７５を介して内部ＣＭＭアーム５のＣＭＭセグメント３  ３３に取り付けられたＣＭＭセグメント支持部フランジ５７０に軸方向推力を加える、２つの支持部モータ５７１を備える。２つの支持部モータ５７１は、ＣＭＭセグメント支持部フランジ５７０に均一な軸方推力を与えるように、互いに対して１８０°に配置される。支持部モータ５７１は支持部ギヤボックス５７２にボルト締めされ、支持部ギヤボックス５７２は支持部ブラケット５７３にボルト締めされる。支持部ボールねじ５７４は、支持部ギヤボックス５７２から延び、遠端で支持部ブラケット５７３により支持される。支持部ボールレース５７５は、遠端が支持部ギヤボックス５７２と支持部ブラケット５７３との間に配置される。支持部ブラケット５７３は、弾性材料２０３を介して外骨格セグメント３  ４３に取り付けられる。支持部エンコーダ５７９が、各支持部モータ５７１に取り付けられる。支持部モータ５７１は、能動支持制御ソフトウェアにより決定されるように、外骨格セグメント３  ４３とＣＭＭセグメント３  ３３との間でいずれかの相対方向に軸方向力を加えることができる。例えば、ＣＭＭセグメント３  ３３が垂直上方の空間的向きにある場合、軸方向力は、ＣＭＭセグメント３  ３３に対して上向きであり、ＣＭＭセグメント３  ３３に対する下向きの重力に効果的に対抗する。
【０２２９】
この配置では、受動半径方向駆動伝達手段３  ７３は、能動軸方向支持部３  ５８３からＣＭＭセグメント３  ３３の軸に沿って片側に位置付けられる。本発明の別の実施形態では、受動半径方向駆動伝達手段３  ７３は、能動軸方向支持部３  ５８３の反対側に配置される。本発明のさらなる実施形態では、受動半径方向駆動伝達手段３  ７３及び能動軸方向支持部３  ５８３は、受動半径方向駆動伝達手段３  ７３を通る半径方向駆動の作用中心（centre of effect）と能動軸方向支持部３  ５８３の作用中心とが同じ場所にあるように一体化してもよい。
【０２３０】
軸方向／半径方向能動支持部
能動伝達手段４  ５６４、６  ５６６、８  ５６８は、ねじれ方向駆動、能動軸方向支持、及び能動半径方向支持を与える。次に図６２を参照すると、能動伝達手段４  ５６４は、３つの構成部品、すなわち、ねじれ方向伝達手段４  ７４、能動軸方向支持部４  ５８４、及び能動半径方向支持部４  ５９４を備える。この配置では、能動伝達手段４  ５６４のこれら３つの構成部品は、能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０のＣＭＭセグメント４  ３４と外骨格セグメント４  ４４との間に一列に設けられる。本発明の範囲は、この配置に限定されない。例えば、本発明の別の実施形態では、これら３つの構成部品は他のいかなる順序で設けてもよい。本発明のさらなる実施形態では、これら３つの構成部品は、受動ねじれ方向伝達手段４  ７４を通るねじれ駆動の作用中心と能動軸方向支持部４  ５８４及び能動半径方向支持部４  ５９４の作用中心とが同じ場所にあるように一体化してもよい。本発明の別の実施形態では、これら３つの構成部品のうち２つを一体化してもよい。
【０２３１】
次に図６３を参照すると、能動半径方向支持部４  ５９４は、３つのユニット５９４Ａ、５９４Ｂ、及び５９４Ｃを備える。能動半径方向支持部４ユニット５９４Ａは、断面ＡＡ及びＢＢで示される。能動半径方向支持部４ユニット５９４Ｂ及び５９４Ｃは、断面ＢＢで示される。各能動半径方向支持部４  ５９４ユニットにおいて、支持部モータ５７１が、支持部ギヤボックス５７２、支持部９０°駆動ボックス５７７、及び支持部ボールねじ５７４を介して、支持部ボールレース５７５を介して半径方向支持部ブラケット５７８に、そして弾性材料２０３及び低摩擦材料２０２を介して内部ＣＭＭアーム５のＣＭＭセグメント４  ３４に、半径方向推力を加える。３つの能動軸方向支持部４ユニット５９４Ａ、５９４Ｂ、及び５９４Ｃは、ＣＭＭセグメント４  ３４に対して半径方向推力の方向制御を与えるように、互いに対して１２０°に配置される。支持部モータ５７１は支持部ギヤボックス５７２にボルト締めされ、支持部ギヤボックス５７２は半径方向支持部モータブラケット５７６にボルト締めされる。支持部ギヤボックス５７２は、支持部９０°駆動ボックス５７７を駆動する。支持部ボールねじ５７４は、支持部９０°駆動ボックス５７７から延びる。支持部ボールレース５７５は、支持部ボールねじ５７４から推力を受け取り、この推力は、半径方向支持部ブラケット５７８を介して弾性材料２０３及び低摩擦材料２０２を通り、内部ＣＭＭアーム５のＣＭＭセグメント４  ３４に伝達される。支持部エンコーダ５７９が、支持部モータ５７１に取り付けられる。能動半径方向支持部４  ５９４の３つのユニット５９４Ａ、５９４Ｂ、及び５９４Ｃは、能動支持制御ソフトウェアにより決定されるように、外骨格セグメント４  ４４とＣＭＭセグメント４  ３４との間で任意の相対方向に半径方向力を供給することができる。例えば、ＣＭＭセグメント４  ３４が水平の空間的向きにある場合、半径方向力は、ＣＭＭセグメント４  ３４に対する重力に逆らって上向きであり、ＣＭＭセグメント４  ３４に対する下向きの重力に効果的に対抗する。
【０２３２】
能動伝達手段の数
任意の向きのベースを有する７軸能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０の好ましい実施形態では、１１個の能動支持手段、すなわち、能動軸方向支持部２  ５８２〜８  ５８８及び能動半径方向支持部２  ５９２、４  ５９４、６  ５９６、８  ５９８がある。ベースが常に垂直である場合、１０個の能動支持手段で十分であり、能動半径方向支持部２  ５９２は必要ない。任意の向きのベースを有する６軸能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０の実施形態では、能動伝達手段４  ５６４がないため、９個の能動支持手段がある。ベースが常に垂直である場合、８個の能動支持手段で十分であり、能動半径方向支持部２  ５９２は必要ない。
【０２３３】
いくつかの能動支持手段は、他のものよりも能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０の全体精度に大きな影響を及ぼす。例えば、プローブ端に近い能動支持手段は、より重いセグメントのための能動支持手段よりも全体精度に影響を及ぼさない。能動支持手段を１つ設けるだけでも、能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０の精度は能動支持手段を全く有さない同様のロボットＣＭＭアーム１の精度よりも高くなる。能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０が１つ又は複数の能動支持手段を有することが、本発明の目的の１つである。
【０２３４】
概して、能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０における力及びモーメントは、能動伝達手段５６０の数を増やすことにより小さくすることができ、これにより能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０がより高精度になる。例えば、２つ以上の能動伝達手段５６０を設けて、各ＣＭＭセグメントを支持することができる。実際には、能動伝達手段の数を増やすごとに得られる利益は限られている。能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０のさらなる実施形態では、長いＣＭＭセグメント３  ３３、５  ３５に２つの能動伝達手段が設けられて、支持を強化する。本発明の範囲は、１つ又は複数の能動伝達手段を有する任意の能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０を含む。
【０２３５】
構成材料
能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０の内部ＣＭＭアーム５及び外骨格６は、熱膨張差を最小にするために同じ材料でできていることが好ましい。ＣＭＭ継手５１〜５７の軸と外骨格継手６１〜６７の軸とも位置合わせされる。このように、内部ＣＭＭアーム５及び外骨格６の両方が、温度の変化を受けて同じ量だけ長さを変える。
【０２３６】
能動支持制御ソフトウェア
次に図６４を参照すると、能動支持制御ソフトウェア５５２が、制御ＰＣＢ１７２のメモリ３８１に設けられる。能動支持制御ソフトウェア５５２は、各空間レイアウトで外骨格６による内部ＣＭＭアーム５の能動支持を最適化する。支持部モータ５７１は、制御ソフトウェア３８２により決定される制御ＰＣＢ１７２の増幅器アナログ出力回路３８３の出力から、増幅器１７６によって駆動される。各支持部エンコーダ５７９は継手ＰＣＢ１７３に接続し、継手ＰＣＢ１７３は制御ＰＣＢ１７２に接続する。
【０２３７】
次に図６５を参照すると、能動支持制御ソフトウェア５５２は、歪みゲージ１８１、キネマティックソフトウェア３９１、及び制御ソフトウェア３８２からの入力を有する。歪みゲージ１８１は、内部ＣＭＭアーム５に対する力及びモーメントを示す。キネマティックソフトウェア３９１は、能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０の空間レイアウト位置、速度、及び加速度を供給する。制御ソフトウェア３８２は、能動伝達手段２  ５６２〜８  ５６８の位置、速度、及び加速度を供給する。能動支持制御ソフトウェア５５２は、出力として、制御ソフトウェア３８２に対する支持部モータ５７１の所望の制御要求を有する。制御ソフトウェア３８２は、外骨格エンコーダ１７９、ＣＭＭエンコーダ１７８、及び支持部エンコーダ５７９の位置を、入力として受け取る。制御ソフトウェア３８２は、増幅器１７５に駆動信号を出力し、モータ１７６及び支持部モータ５７１を駆動させる。制御ソフトウェア３８２は、モータ１７６及び支持部モータ５７１に１つの制御ループを提供し、これにより、調和させることが困難な２つの競合する制御ループがあるという一般的に望ましくない状況を避ける。内部ＣＭＭアーム５における力及びモーメントを測定する歪みゲージ１８１から能動支持制御ソフトウェア５５２への入力と、能動支持制御ソフトウェア５５２からの、外骨格６から内部ＣＭＭアーム５に力及びモーメントを加えることができる能動伝達手段２  ５６２〜８  ５６８を制御するための出力とを用いて、能動支持制御ソフトウェア５５２によって内部ＣＭＭアーム５に対する力及びモーメントを最小にする、高精度な能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０を提供することが、本発明の目的の１つである。このように、内部ＣＭＭアーム５は、そのベースＣＭＭセグメント１  ３１及び能動伝達手段２  ５６２〜８  ５６８の取り付けによって完全に支持される。能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０に対する力及びモーメントを最小にするために、能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０に能動支持制御ソフトウェアを設ける方法、及び能動支持制御ソフトウェアを主制御ソフトウェア３８２と統合する方法は、数多くあることが、当業者には理解されるであろう。能動支持制御ソフトウェアは、内部ＣＭＭアーム５のプローブ端３に、又はプローブ端３付近に取り付けられる重いプローブ９１を自動的に補償することができ、少なくとも２つの能動伝達手段を設けてＣＭＭセグメント８  ３８を支持し、ＣＭＭセグメント８  ３８の重心付近に取り付けられないプローブ９１を補償することができることが、当業者にはさらに理解されるであろう。
【０２３８】
伝達手段の空気軸受
空気軸受を用いて、内部ＣＭＭアーム５と外骨格６との間の接触をなくすことができる。図１７を再び参照すると、半径方向伝達手段３  ７３において、低摩擦材料２０２の代わりに空気軸受が用いられる。図１８を再び参照すると、ねじれ方向伝達手段４  ７４において、弾性材料２０３に加えて空気軸受が用いられる。図６１及び図６３を再び参照すると、能動軸方向支持部５６３及び能動半径方向支持部５９４において、低摩擦材料２０２の代わりに空気軸受が用いられる。空気軸受の空気は、圧縮機により供給して、内部ＣＭＭアーム５と外骨格６との間に延びる可撓管によって空気軸受の場所に導くことができる。空気軸受から出る空気は、能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０を冷却するという二次的な機能を有することができる。空気の一次排気はプローブ端に与えられ、二次排気は各セグメントの空気軸受から適当な距離の場所に与えられる。空気軸受の主な利点は、内部ＣＭＭアーム５と外骨格６との間の摩擦がなくなることである。これにより、一方向に加えられる力が、摩擦から生じる別の方向への望ましくない成分を有さず、これにより、より高精度な能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０が得られることとなる。
【０２３９】
弾性材料、圧力センサ、及び能動支持制御
図１７、図１８、図６１、及び図６３を再び参照すると、能動伝達手段２  ５６２〜８  ５６８の、内部ＣＭＭアーム５と外骨格との間で接触が起こる各部分内に、弾性材料２０３が設けられる。弾性材料２０３は、外骨格６からの力の急上昇を吸収することにより、内部ＣＭＭアーム５を保護する。弾性材料２０３に加わる力は、少なくとも、重力、能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０の移動によるその空間的場所の変化、能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０の慣性加速度、アセンブリの締まり嵌め、熱膨張／熱収縮、及び支持部モータ５７１により生成される。各場所の弾性材料２０３の厚さ、断面積、及び材料弾性率は、綿密に計算されて、能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０の空間能力及び慣性能力（spatial and inertial capabilities）について計算された力の極限を用いて弾性材料２０３の相対膨張／収縮が最適化される。
【０２４０】
代替的な一実施形態では、内部ＣＭＭアーム５に取り付けられた歪みゲージ１８１の代わりに、圧力センサが弾性材料２０３内に配置される。弾性材料２０３に加わる実際の総力は、圧縮力であるか、張力であるか、剪断力であるかに関係なく、各能動伝達手段において測定することができる。能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０の設計に基づいた計算を用いて、能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０の現在の空間的場所及び慣性の状況において各弾性材料に加わるべき理想的な総力が決定される。支持部モータ５７１は、新たな能動支持制御ソフトウェアアルゴリズムにより作動されて、各弾性材料２０３に加わる実際の総力を増減させる。
【０２４１】
環境因子及び動作性能
最高の精度を得るために、能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０は、外部振動がない、熱制御された環境で用いるべきである。最良の結果は、加速により生じる力が比較的小さい場合に比較的小さい速度で測定が行われる場合に得られる。しかしながら、ユーザは自身の機器から高い生産力を得ることを望み、能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０が可能な速度、加速度は重要な因子である。内部ＣＭＭアーム５は、複数の能動伝達手段により支持され、複数の能動伝達手段により支持される内部ＣＭＭアーム５の設計特性は、作業者が加える大きな力及びモーメントを受け得る手動ＣＭＭアーム５の設計特性とは異なり得る。これは、能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０の内部ＣＭＭアーム５の質量／慣性を小さくすることができ、能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０の内部ＣＭＭアーム５が高精度を維持したまま受けることができる対応する加速度を大きくすることができるため、能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０が高い生産力を有する高精度測定装置となることを意味する。
【０２４２】
本発明の有効性
重力及び慣性力の作用から生じる内部ＣＭＭアーム５に対する力及びモーメントは、能動伝達手段により対抗される。この能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０は、内部ＣＭＭアーム５を支持できるほど効果的であり得るため、そのベースＣＭＭセグメント１  ３１への取り付け部分における力及びモーメントは、能動伝達手段を設けない場合の対応する力及びモーメントよりも１桁又は数桁小さい。さらに、この能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０は、内部ＣＭＭアーム５を支持できるほど効果的であり得るため、各継手における力及びモーメントは、能動伝達手段を設けない場合の対応する力及びモーメントよりも１桁又は数桁小さい。
【０２４３】
手動ＣＭＭアームよりも高精度
この第３の実施形態は、内部ＣＭＭアーム５に対する力及びモーメントを、対応するサイズの手動ＣＭＭアームに対する力及びモーメントよりも約１桁まで減らすことを可能にする。これは、能動支持ロボットＣＭＭアーム５５０が、力及びモーメントを無視できる量まで減らすことができない同様のリーチを有する手動ＣＭＭアームよりも、はるかに高精度であり得ることを意味する。力及びモーメントよりが小さいと、内部ＣＭＭアーム５は非常にはるかにより軽量に設計することができる。これは、さらに外骨格６をより軽量化することができ、駆動システムがあまり強力ではないため、駆動システムをより軽量化することができるという二重の有益な効果を有する。
【０２４４】
代替的な能動支持の方法
能動支持を達成する方法は他にもあり、この実施形態の範囲は、上述の手段に限定されない。例えば、軸方向支持のさらなる実施形態では、１つのモータ５７１を用いて、ベルト等の駆動伝達手段を介して２つの支持部ボールねじ５７４を駆動することができる。軸方向支持又は半径方向支持の代替的な実施形態では、能動伝達手段の位置を知る必要なく、ボイスコイルアクチュエータ等の制御可能なリニアアクチュエータが所望の直線力を与えることができる。エンコーダを有するモータの場合よりも単純な制御ループが提供される。
【０２４５】
［第４の実施形態］
量の測定
この第４の実施形態では、本発明のさらなる目的、すなわち、量の測定、その量のモデルの構成、及びそのモデルの分析のための、方法及び装置が開示される。適当な接触又は非接触量測定プローブ９０により測定することができる量の例には、温度、表面粗さ、色、振動、硬度、圧力、密度、溶接部、接着部の傷／含有物の検出が含まれるが、これらに限定されない。物体９、又は物体の測定すべき部分が、ロボットＣＭＭアーム１のリーチ内に位置付けられる。物体９をロボットＣＭＭアーム１に接近させてもよく、又はロボットＣＭＭアームを物体に接近させてもよい。量は、ロボットＣＭＭアームの座標系３６３に対して測定される。代替的に、物体座標系３６１を先に開示したように設定してもよく、量は、物体座標系３６１に対して測定される。量測定プローブ９０は、内部ＣＭＭアーム５のプローブ端３に取り付けられるが、外骨格６のプローブ端に取り付けてもよい。内部ＣＭＭアーム５のプローブ端及び外骨格６のプローブ端が共通である場合、量測定プローブは共通のプローブ端に取り付けられる。
【０２４６】
測定プロセス、タイミング、及び複数のプローブ
測定プロセスは、ロボットＣＭＭアーム１が量測定プローブ９０を物体９に対して移動させて、量測定プローブ９０が測定を行うことにより行われる。先に開示したように、ロボットＣＭＭアームからのＸ座標、Ｙ座標、Ｚ座標、Ｉ座標、Ｊ座標、Ｋ座標におけるプローブ端の位置／向きと、量測定プローブ９０からの測定値とを同期させるか、これらにタイムスタンプするか、又は時刻ベースで直接若しくは補間により調整することができる。測定は、ロボットＣＭＭアーム１の移動の経路に沿って行われる。測定は、連続走査移動中に行われることが好ましく、この場合、量測定プローブ９０はオンザフライで測定を行う。このオンザフライの測定方法は、測定が比較的短時間で、通常は１００ミリ秒未満で、多くの場合は数ミリ秒未満で行われる場合の量測定プローブ９０に適している。代替的に、測定は、段階的に行ってもよく、この場合、ロボットＣＭＭアーム１が事実上静止している場合に量測定プローブ９０が測定を行う。この段階的な測定方法は、測定が比較的長時間で、通常は１００ミリ秒を超えて、多くの場合は数秒間で行われる場合の量測定プローブ９０に適している。量測定プローブ９０は、任意の組み合わせの量及び／又は寸法測定を行うことができるように、１つ又は複数の他のプローブ９０とともにロボットＣＭＭアーム１に取り付けることができる。一例は、寸法測定のための非接触光学プローブ９０と、温度測定のための非接触温度測定プローブとを用いた、パイプの走査である。１つのプローブ９０で２つ以上の異なる量を測定することができることも理解されるであろう。接触プローブ９５の設計に特別な措置がなされていない限り、ロボットＣＭＭアームの好ましい動作下では１つの接触プローブ９５のみが物体９と接触するため、ロボットＣＭＭアーム１には接触プローブ９５を２つ取り付けないことが好ましいことも理解されるであろう。取り付けられたプローブ９０からの測定は、軌道が繰り返されないように、１つの測定プロセス中に１つの測定経路に沿って行われることが好ましい。これは、測定プロセスの時間を最短にすることに関して最も効率的である。全てのプローブ９０が事実上同じ時刻に同じ速度で測定を行うように、全てのプローブ９０からの測定を測定プロセス中に同期させることができる。代替的に、取り付けられたプローブ９０の１つ又は複数が、異なる速度で測定を行ってもよい。先に開示したように、各プローブ９０からの測定は、好ましくは同期化を用いて直接、又は補間によって、アームの位置／向きと関連付けることができる。ロボットＣＭＭアーム１及び量測定プローブ９０を含む１つ又は複数のプローブからのデータは格納される。
【０２４７】
量測定プローブの測定場所
量測定プローブ９０は、複数の異なる実施形態を有する。量測定プローブ９０は、接触プローブであっても非接触プローブであってもよい。量測定プローブ９０は、各ロボットＣＭＭアーム位置／向きで１つ又は複数の測定を行うことができる。量測定プローブ９０は、１つ又は複数の異なる量、例えば温度及び圧力を測定することができる。量測定プローブからの１つ又は複数の測定場所は、既知であってもよく、又はロボットＣＭＭアーム位置／向きとの制約された関係内で分かってもよい。測定場所の例には以下のものが含まれる。
（ａ）１つの量測定の場所は、量測定プローブの先端にあり得る。
（ｂ）１つの量測定の場所は、量測定プローブの先端から未知の距離及び既知の向きにあり得る。
（ｃ）１つの量測定の場所は、量測定プローブの先端から既知の固定距離及び既知の向きにあり得る。
（ｄ）１つの量測定の場所は、量測定プローブの先端から測定された固定距離及び既知の向きにあり得る。
（ｅ）複数の量測定を、投影面に沿って同時に行うことができ、各量測定は、量測定プローブの先端に対して既知の場所にある。
（ｆ）複数の量測定を、投影領域において同時に行うことができ、各量測定は、量測定プローブの先端に対して既知の場所にある。
（ｇ）複数の量測定を、投影領域において同時に行うことができ、各量測定は、量測定プローブの先端に対して既知の向き及び未知の距離にある。
複数の取り付けられたプローブ９０は、ロボットＣＭＭアーム座標系３６３に対して異なる測定場所を有することにより、測定プロセスが互いに干渉しないようにすることが好ましい。種々の測定場所は、余計な測定移動を最小にするように近くにあることが好ましい。複数の取り付けられたプローブ９０は、ロボットＣＭＭアーム座標系３６３に対して同じ向きを有して、移動経路計画をより単純にすることが好ましい。取り付けられたプローブ９０が３つ以上ある場合、これらのプローブは、全ての測定が同一平面上で行われるように配置されることが好ましい。一点タイプではあるが異なる量を測定するプローブが複数取り付けられる場合、ロボットＣＭＭアームの経路及び向きは、全ての測定の場所が互いに並んだ経路ではなく同じ経路に沿ってあるように決定されることが好ましい。一点タイプで同じ量を測定するプローブが複数取り付けられる場合、ロボットＣＭＭアームの経路及び向きは、全ての測定の場所が互いに並んだ経路にあるように決定されることが好ましく、これにより、複数のほぼ平行な経路に沿って同時に測定を行うことにより、ロボットＣＭＭアームの生産力をより高めることができる。
【０２４８】
量測定プローブの較正及び位置合わせ
量測定プローブ９０は、主に量測定プローブの設計により決まる方法により、ロボットＣＭＭアームの座標系に位置合わせされる。量測定プローブの供給業者が、ロボットＣＭＭアーム座標系に対する既知のオフセット／向きでロボットＣＭＭアームに単純に嵌めることができる、明確で十分に正確なプローブデータム配置に、何らかの方法で測定値を前較正することが好ましい。このオフセット／向きは、量測定プローブ較正ファイルとして供給される。較正ファイルの使用により、量測定プローブがロボットＣＭＭアームの座標系に位置合わせされる。量測定プローブの供給業者がこのような前補正を行っていない場合、測定されている量に適した特別な較正治具を構成して、較正プロセスにおいてプローブをプローブデータムに較正することができることが理解されるであろう。量測定プローブの供給業者がこのような前補正を提供していない場合、代替的に、測定されている量に適したアーチファクトを設けて、ロボットＣＭＭアームに取り付けられた量測定プローブでアーチファクトの測定を十分な回数行うことを伴う当業者に既知の位置合わせプロセスにより、プローブ座標系をロボットＣＭＭアームの座標系に位置合わせすることが理解されるであろう。
【０２４９】
次に図６６の量測定のプロセスを参照する。
−第１のステップ６０１において、物体が測定のためにロボットＣＭＭアームのリーチ内にあるように、物体とロボットＣＭＭアームとを互いに対して位置付ける。
−ステップ６０２において、量測定プローブをロボットＣＭＭアームのプローブ端に取り付ける。
−ステップ６０３において、量測定プローブ座標系をロボットＣＭＭアーム座標系に位置合わせする。
−ステップ６０４において、ロボットＣＭＭアームを経路に沿って移動させ、量測定プローブで測定を行う。
−ステップ６０５において、量測定プローブからの測定値と、ロボットＣＭＭアームからの位置／向きとを記憶する。
【０２５０】
本発明の範囲はこの量測定プロセスに限定されず、このプロセスは例として提供されるものである。
【０２５１】
モデリング
量測定データ及びロボットＣＭＭアーム位置／場所データを取り、それらを組み合わせて物体の量のモデルを作成する方法が開示される。この方法では、１つ又は複数の量を組み合わせてモデルにするか、又は個別のモデルとして保持する。すでに開示したように、ロボットＣＭＭアームに対する量測定のために、様々な確定又は不確定の場所があることが理解されるであろう。物体のＣＡＤモデルを取り、それを量測定データ及びロボットＣＭＭアーム位置／場所データと組み合わせて物体の量のモデルを作成する、さらなる方法が開示される。このさらなる方法では、物体のＣＡＤモデルは、量測定データ及びロボットＣＭＭアーム位置／場所データを基準とする。このさらなる方法は、物体のＣＡＤモデルと対応させることにより事前に不確定だった場所を求めるのに適している。例えば、物体のＣＡＤモデルが表面定義を提供し、不確定な場所があるまま測定された量が表面量である場合、その量が物体のＣＡＤ表面と合うまで既知の向きで投射することにより、場所を求めることができる。概して、量は、色等の表面関連量であってもよく、又は溶接部の含有物又は接着部の傷の存在等の内部量であってもよい。
【０２５２】
次に図６７のモデリングのプロセスを参照する。
−第１のステップ６１１において、時間及び空間の補間手段を用いて、事前に記憶されている量測定値及びロボットＣＭＭアーム場所／向きから、一組の特定位置（located）量測定データを準備する。
−ステップ６１２において、モデリング手段を用いて、特定位置量測定データ組を適当なデータ構造モデルに配置する。
−ステップ６１３において、組み合わせ手段を用いて、物体のＣＡＤモデルと特定位置量測定データ構造モデルとを組み合わせて、統合ＣＡＤ・量測定モデルを提供する。
本発明の範囲はこのモデリングプロセスに限定されず、このプロセスは例として提供されるものである。例えば、平坦なシートメタル等の単純な物体では、ステップ６１３を行う必要がない場合がある。さらなる例では、ＣＡＤモデルの代わりにモデルの外部形状を提供してもよい。
【０２５３】
分析及び可視化
分析を行って、統合ＣＡＤ・量測定モデルから分析されたデータを求めることができる。例えば、
（ａ）量の最大値及び／又は最小値とそれらの場所とを導出することができる。
（ｂ）値の範囲に従って量に色を割り当てることができ、量の色表示を物体の表面投影にレンダリングすることができる。
（ｃ）物体又は物体の複数領域にパス又はフェイル基準を設定することができ、パス又はフェイルは、その基準に従った量の測定値の分析により決定される。
（ｄ）測定された量の統計データが導出され、測定された量の個々のデータが分離され、これらは、傾向監視及び生産プロセス調整のために生産プロセスにフィードバックするために、生産制御システムに提供される。
【０２５４】
分析データ及び／又は統合ＣＡＤ・量測定モデルは、カラーコンピュータディスプレイ上に可視化されることが好ましい。多くの場合、量測定値及び／又は分析データは、ＣＡＤモデルの表面上又は３Ｄボクセルモデル内に表示される。量測定値及び／又は分析データは、没入型３Ｄ可視化技法を用いて可視化することができる。選択される可視化技法は、可視化すべき量が表面量であるか内部量であるかに応じて変わる。選択される可視化技法は、物体のＣＡＤモデル又は３Ｄ走査表面モデルのどちらが利用可能かに応じても変わる。モデルは、全てのタイプのレンダリング及び全てのタイプの３Ｄ表示を含む、当業者に既知の任意の技法又は装置を用いて可視化することができる。
【０２５５】
次に図６８の分析、可視化、及びフィードバックのプロセスを参照する。
−ステップ６２１において、分析手段を用いて、統合ＣＡＤ・量測定モデルを分析する。
−ステップ６２２において、分析データを出力する。
−ステップ６２３において、出力された分析データを可視化のために表示する。
−ステップ６２４において、生産プロセスへのフィードバックとして分析データを提供する。
【０２５６】
本発明の範囲は、この分析、可視化、及びフィードバックプロセスに限定されず、このプロセスは例として提供されるものである。例えば、無人自動ラインでは、プロセスを時折目視観察するために表示端末が利用可能ではない場合、ステップ６２３は通常は含まれない場合がある。
【０２５７】
［第５の実施形態］
移動式ロボットＣＭＭアーム
この第５の実施形態では、移動式ロボットＣＭＭアームの実施形態が開示される。現在、車両等の大きな物体は、２つの一般的な方法、すなわち、移動ブリッジＣＭＭ若しくは対向水平アームＣＭＭ等、車両よりも大きなＣＭＭを用いて、又は車両の周りを移動する測定リーチがより小さい可動機器によって測定される。大型のＣＭＭは、特に自動である場合、多額の資本投資を必要とする。可動機器は、熟練した手作業が必要であり、人的ミスが生じやすい。
【０２５８】
自動で、高精度で、柔軟性があり、且つ大型のＣＭＭと比較してサイズが小さく安価な、車両等の大きな物体を測定する移動式ロボットＣＭＭアームを提供することが、この第５の実施形態の目的の１つである。
【０２５９】
次に図６９を参照すると、移動式ロボットＣＭＭアーム７００が、側面図、端面図、及び下面図で示されている。移動式ロボットＣＭＭアーム７００は、ロボットＣＭＭアーム１が取り付けられる車両７０１から成る。ロボットＣＭＭアーム１は、三脚ベース７０４にしっかりと取り付けられ、三脚ベース７０４からは、３つのスパイク付き足７０６が足下げアクチュエータ（feet lowering actuators）７０７により下ろされる。スパイク付き足７０６が下降位置にある場合、移動式ロボットＣＭＭアーム７００の総重量は、スパイク付き足７０６により支持され、高精度測定を行うことができる。車両はさらに、４つの車輪７０２と、バッテリー７０５と、自動充電/通信接点７１０と、車輪を駆動するモータ／ギヤボックスユニット７０３と、移動式ロボットＣＭＭアーム７００の手動設定及び制御のためのペンダント１５３が接続される制御ユニット７０９と、テープ追従／標的識別センサ７０８とを備える。次に図７０を参照すると、移動式ロボットＣＭＭアーム７００が用いられる車両測定領域の通常の床配置図が示されている。移動式ロボットＣＭＭアーム７００は、テープ７１２によってレイアウトされた車両９の周りのトラックを辿る。テープ７１２に沿って間隔を置いて、移動式ロボットＣＭＭアーム７００が停止して車両を測定すべき場所を示す標的７１４がある。各標的７１４は、固有のものであることが好ましく、その場所で用いるべき測定プログラム３８９を識別することができる。一連の基準円錐７１３が車両測定領域の床７１８に設けられ、そこから移動式ロボットＣＭＭアーム７００がその位置を正確に参照することができる。充電／通信ステーション７１１が、電源７１９からバッテリー７０５を自動充電するため及び移動式ロボットＣＭＭアーム７００の自動充電／通信接点７１０を介してコンピュータネットワーク７２０と通信するために設けられる。次に図７１を参照すると、埋設基準円錐７１５が床７１８に永久的に位置付けられることができる。取り外し可能な基準円錐７１６は、床７１８に仮接着することができる。基準精度を高める必要がある場所には、隆起基準円錐７１７が設けられる。次に図７２を参照すると、基準円錐７１３の３Ｄ場所は、基準円錐位置配列７２１に記憶される。標的７１４の３Ｄ場所は、標的位置配列７２２に記憶される。テープの３Ｄポリラインは、テープポリライン配列７２３に記憶される。
【０２６０】
準備プロセス
基準円錐配列７２１内の基準円錐７１３それぞれの正確な場所は、Leica製又はFaro Technologies製の光学トラッカ等の高精度３Ｄ測定デバイスを用いて測定される。テープポリライン配列７２３としてのテープ７１２の経路、及び標的位置配列７２２としての標的７１４の場所も測定される。基準円錐配列７２１は、グローバル座標系４６１を提供する。これらの測定は、毎年又はレイアウトの変更があるたびに実行するだけでよい。基準円錐の配列７２１、テープ経路の配列７２３、及び標的場所の配列７２２は、プロセスのシミュレーションも提供することができるオフラインプログラミングシステムに提供される。オフラインプログラミングシステムを用いる作業者が、測定プログラム３８９を生成する。移動式ロボットＣＭＭアーム７００のバッテリー７０５は、充電／通信ステーション７１１において充電される。測定プログラム３８９及び配列７２１、７２２、７２３は、移動式ロボットＣＭＭアーム７００の制御ユニット７０９にダウンロードされる。車両であり得る物体９は、測定プログラム３８９を生成するために用いられるプログラム位置に概ね移動される。物体９には通常、物体座標系３６１に対するデータム基準が設けられる。物体９の位置は、プログラム位置のわずかな誤差内に調整される。
【０２６１】
次に図７３の準備プロセスを参照する。
−第１のステップ７３１において、基準円錐７１３、標的７１４、及びテープ７１２を測定し、配列７２１、７２２、７２３をオフラインプログラミングシステムに提供する。
−ステップ７３２において、オフラインプログラミングシステムを用いて、測定プログラム３８９を生成する。
−ステップ７３３において、バッテリー７０５を充電する。
−ステップ７３４において、測定プログラム３８９を移動式ロボットＣＭＭアーム７００にダウンロードする。
−ステップ７３５において、物体９を概ねの位置に移動させて調整する。
【０２６２】
このプロセスは、準備プロセスの一例であり、１つの可能な準備プロセスを説明することを意図するが、この実施形態はこの準備プロセスに限定されない。例えば、ステップ７３３のバッテリーの充電は、プロセスのいかなる時点で行ってもよい。
【０２６３】
測定プロセス
作業者１１は、測定動作を開始する。移動式ロボットＣＭＭアーム７００は、測定プログラム３８９を実行する。移動式ロボットＣＭＭアーム７００は、テープ７１２を辿り、第１のプログラムされた標的７１４に進む。移動式ロボットＣＭＭアーム７００は、停止すると、足下げアクチュエータ７０７を用いてそのスパイク付き足７０６を下ろす。移動式ロボットＣＭＭアーム７００は、アームのリーチ内の全ての基準円錐７１３を測定することにより、グローバル座標系４６１を移動式ロボットＣＭＭアーム７００の基準とする。標的に対する移動式ロボットＣＭＭアーム７００の位置及び向きの再現性は、５ｍｍよりも良好であると思われる。基準円錐７１３の位置を測定するためのプログラムは、基準円錐を測定する前にまず測位する（locate）ための５ｍｍを超える範囲内の探索ルーチンを含む。ローカル基準円錐７１３の位置を用いて、移動式ロボットＣＭＭアーム７００の座標系３６３は、グローバル座標系４６１を基準とする。移動式ロボットＣＭＭアーム７００は、その場所に対して測定プログラム３８９を実行する。次に、移動式ロボットＣＭＭアーム７００はそのスパイク付き足７０６を上昇させて、次の場所へ進む。測定プログラム３８９が終了して、移動式ロボットＣＭＭアーム７００が充電／通信ステーション７１１に戻るまで、このプロセスを繰り返す。測定値は、移動式ロボットＣＭＭアーム７００から通信ネットワーク７２０を介して特定のコンピュータへアップロードされる。少なくとも１つの標的７１４の場所で、物体座標系３６１に対する物体９のデータム基準が測定される。これにより、物体座標系３６１とグローバル座標系４６１との間に基準が提供される。
【０２６４】
次に図７４の測定プロセスを参照する。
−第１のステップ７１４において、移動式ロボットＣＭＭアーム７００を第１の標的へ移動させる。
−ステップ７４２において、移動式ロボットＣＭＭアーム７００を標的上で停止させ、スパイク付き足７０６を下ろす。
−ステップ７４３において、ローカル基準円錐７１３を測定することにより、ローカル基準円錐７１３を移動式ロボットＣＭＭアーム７００の基準とする。
−ステップ７４４において、移動式ロボットＣＭＭアーム７００が、測定プログラム３８９に従って物体９を測定する。
−ステップ７４５において、スパイク付き足７０６を上昇させる。
−ステップ７４６において、プログラムが終了したかどうかを確認する。終了した場合はステップ７４７へ進む。終了していない場合はステップ７４８へ進む。
−ステップ７４７において、移動式ロボットＣＭＭアーム７００を次の標的へ移動させる。ステップ７４２へ進む。
−ステップ７４８において、移動式ロボットＣＭＭアーム７００を充電／通信ステーション７１１へ戻す。
−ステップ７４９において、測定値をアップロードする。
【０２６５】
このプロセスは、測定プロセスの一例であり、１つの可能な測定プロセスを説明することを意図するが、この実施形態は、この準備プロセスに限定されない。例えば、測定プロセスの途中にバッテリーを充電する追加ステップが必要な場合がある。
【０２６６】
自動ガイド車両の技術分野の当業者には理解されるように、移動式ロボットＣＭＭアーム７００は、この用途に必要な機能全てを提供する。例えば、車両７０１を操縦する車輪角度の自動操作が提供される。テープ追従及び標的認識のアルゴリズムが提供される。基準円錐の場所のマップが提供される。衝突可能性を検出する安全センサが設けられる。可視及び可聴警告システムが設けられる。
【０２６７】
この第５の実施形態の範囲は、開示されている方法及び装置に限定されず、大きな物体の自動的、高精度、且つ柔軟な測定を移動式ロボットＣＭＭアーム７００に提供する全ての方法を含む。例えば、移動式ロボットＣＭＭアーム７００は、３つ、５つ、又はより多くの車輪を有することができる。三脚ベース７０４は、４つ以上のスパイク付き足を有していてもよく、足下げアクチュエータ７０７はこれらの足それぞれに一定の力を与えることができる。各車輪７０２は、独立して操縦されてもよい。テープ７１２及び標的７１４の代わりに、無線測位システム又は推測航法システムを用いてもよい。基準円錐７１３の代わりに、ツーリング球体、光学標的、又は任意の他の接触又は非接触基準アーチファクトを用いてもよい。複数の逆バッテリー７０５を設けてもよい。測定値の処理は、移動式ロボットＣＭＭアーム７００又はネットワーク上のコンピュータで行うことができる。車両７０１は、ロボットＣＭＭアーム１及び三脚ベース７０６と組み合わせて１つの自立ユニットにしてもよく、又は車両が三脚ベース７０６上のロボットＣＭＭアーム１を或る位置から別の位置へ牽引してから、測定プロセス中は引き下がっていてもよい。車両７０１は、バッテリー、永久的に取り付けられたケーブルを巡る電機、レールからの電気、燃料電池、及びガソリン等の可燃物質を含む、様々な動力源の１つ又は複数から駆動されて動作することができる。この第５の実施形態のさらなる実施形態では、キネマティックマウントが床７１８にしっかりと固定される。ロボットＣＭＭアーム１は、移動式ロボットＣＭＭアーム７００により昇降させることができる。移動式ロボットＣＭＭアーム７００は、テープ７１２を辿り、キネマティックマウントで停止する。ロボットＣＭＭアーム１は、キネマティックマウントの上に下ろされる。自動ロック機構が、ロボットＣＭＭアーム１を再現可能な位置及び向きに位置付けてロックする。これらのキネマティックマウントの位置の再現性は、１０ミクロンよりも良好である。１２０°の向きにある３つのシリンダ等、当業者に既知のキネマティックマウント方法を用いて、これが達成される。移動式ロボットＣＭＭアーム７００の使用前に、Leicaの光学トラッカ等の高精度３Ｄ測定デバイスを用いて、床に固定されたキネマティックマウントそれぞれのロボットＣＭＭアーム１の位置及び向きがマッピングされる。このように、ロボットＣＭＭアーム１は、移動式ロボットＣＭＭアーム７００を用いるたびに各場所で基準円錐７１３を参照する必要なく、既知のグローバル座標系４６１にある。
【０２６８】
［第６の実施形態］
変位可能な外骨格を有するロボットＣＭＭアーム
この第６の実施形態では、変位可能な外骨格を有するロボットＣＭＭアームが開示される。ロボットＣＭＭアームのロボットプログラムは、オフラインで生成されてもよく、又は一連のロボット移動をインタラクティブに教示することにより生成してもよいことは、すでに開示されている。ロボットＣＭＭアームのプログラミング方法はいずれも、多くの物体に関して、手動ＣＭＭアームでの物体の手動測定よりもかなり遅い。
【０２６９】
外骨格を取り外して第１の物体が手動で測定され、さらなる同様の物体全てが外骨格を元に戻して自動的に測定されるように、変位可能な外骨格を有するロボットＣＭＭアームを提供することが、この第６の実施形態の目的の１つである。
【０２７０】
次に図７５を参照すると、変位可能な外骨格を有するロボットＣＭＭアーム７５０が、外骨格６を取り外すか又は後退させて、内部ＣＭＭアーム５が手動で動作可能な状態で示されている。次に図７６を参照すると、外骨格セグメント３  ４３は、外骨格６を変位させる際にＣＭＭセグメント３  ３３を外骨格セグメント３  ４３から取り出すことができるように、スロットがフライス加工された管として設けられる。ＣＭＭセグメント５  ３５も同様に、外骨格セグメント５  ４５から取り出すことができ、ＣＭＭセグメント８  ３８も同様に、外骨格セグメント８  ４８から取り出すことができる。スロット付きの管は、必要な強度を与えるのに十分な肉厚を有する。次に図７７を参照すると、外骨格セグメント３  ４３に取り付けられる伝達手段３  ７３は、上部軸受７５１、下部軸受７５２、ヒンジ７５３、及び締結具７５４を備える割軸受アセンブリとして設けられて、締結具７５４を外すとＣＭＭセグメント３  ３３を取り出すことができる。伝達手段５  ７５及び伝達手段７  ７７も同様に、割軸受アセンブリとして設けられる。
【０２７１】
次に、図７８の変位可能な外骨格を有するロボットＣＭＭアーム７５０を用いた測定プロセスを参照する。
−ステップ７６０において、外骨格６を内部ＣＭＭアーム５から変位させる。変位可能な外骨格を有するロボットＣＭＭアーム７５０は、（ａ）内部ＣＭＭアーム５を外骨格６から容易に外すことができる、及び（ｂ）外骨格６が内部ＣＭＭアーム５のさらなる手動での使用の邪魔にならない、適した空間レイアウトに自動的に移動させられる。伝達手段を手動で外す。内部ＣＭＭアーム５を外骨格６から取り出す。任意選択的に、外骨格６を、例えばヒンジ手段によって内部ＣＭＭアーム５から遠くに後退させてもよい。任意選択的に、外骨格６を、例えば機械的に外すこと及び電気的にプラグを抜くによって、取り外してもよい。
−ステップ７６１において、内部ＣＭＭアーム５を用いて物体９を手動で測定する。
−ステップ７６２において、外骨格６が後退しているか又は取り外されている場合、外骨格６を元に戻し、内部ＣＭＭアーム５を外骨格６に入れて、伝達手段を締結する。
−ステップ７６３において、変位可能な外骨格を有するロボットＣＭＭアーム７５０を用いて、１つ又は複数の同様の物体９を自動的に測定する。
【０２７２】
この第６の実施形態の範囲は、開示されている方法及び装置に限定されず、変位可能な外骨格を有するロボットＣＭＭアーム７５０を提供する全ての方法を含む。外骨格の変位は、邪魔にならないような位置決め、取り外し、及び後退といった開示されている手段に限定されず、内部ＣＭＭアームを手動で用いることができるように外骨格を変位させる任意の手段を含む。当業者には理解されるように、変位可能な外骨格を有するロボットＣＭＭアーム７５０には、手動及び自動の両方で動作可能となるのに必要な全ての機能が設けられる。多くのユーザは、様々な測定すべき物体を有し、手動ＣＭＭアームを用いた測定が最も適している物体もあれば、ロボットＣＭＭアームを用いた測定が最も適している物体もある。１つ購入すれば、変位可能な外骨格を有するロボットＣＭＭアーム７５０は、ユーザに手動ＣＭＭアーム及びロボットＣＭＭアームの両方を提供する。変位可能な外骨格を有するロボットＣＭＭアーム７５０は、組み立て、試験、及び修理が容易であることによりさらなる利点を有する。
【０２７３】
［第７の実施形態］
結合ロボットＣＭＭアーム
この第７の実施形態では、結合ＣＭＭアーム及びロボット外骨格を備えるロボットＣＭＭアームを開示する。十分な継手を有するＣＭＭアームは、空間的冗長性を示し、プローブ端の所与の位置及び向きのほとんどで、アームの中間継手が有し得る一続きの異なる位置の組がある。中間継手が重力下又は慣性力下で加速しないようにしながらＣＭＭアームのプローブ端を操作するために、ＣＭＭアームは、少なくとも２つの位置、すなわち、プローブ端付近及び中間位置において、ロボット外骨格により支持されなければならない。次に、結合ロボットＣＭＭアームの特定の実施形態を開示する。次に図７９を参照すると、ＣＭＭアーム５及びロボット外骨格６は、互いに隣接して表面７上に取り付けられて、結合ロボットＣＭＭアーム７８０を形成する。ＣＭＭアーム５とロボット外骨格６とのベース間距離は、ＣＭＭアーム及びロボット外骨格のリーチ並びにその用途の要求にある程度応じて最適化される。ＣＭＭアームは、その最終セグメント３８にプローブ９０を担持する。ＣＭＭアーム５及びロボット外骨格６は、駆動ビーム７７１及び駆動直線軸７７９によって２つの場所で接続される。駆動ビーム７７１は、ロボットグリッパ７７０にしっかりと取り付けられ、ロボットグリッパ７７０がロボット外骨格継手７  ６７を軸に回転すると、駆動ビーム７７１が円形経路を描くようになっている。駆動ビーム７７１は、回転カラー７７２及び部分的に拘束された自在継手７７８によってＣＭＭセグメント７  ３７に取り付けられ、ロボット外骨格６がＣＭＭセグメント７  ３７の位置及び向きを制御できるようになっている。駆動直線軸７７９は、ロボット外骨格セグメント５  ４５とＣＭＭセグメント５  ３５との間に取り付けられる。駆動直線軸７７９は、回転カラー７７４及び自在継手７７６によってＣＭＭセグメント５  ３５に取り付けられる。駆動直線軸７７９は、回転カラー７７５及び自在継手７７７によってロボット外骨格セグメント５  ３５に取り付けられる。駆動直線軸７７９は、ロボット外骨格６の７つの駆動軸に加えて第８の駆動軸を構成する。駆動直線軸７７９は、当業者に既知の手段を用いたプログラム制御下で、長さを増減させることができる。駆動直線軸７７９の長さを増減させることにより、ＣＭＭ継手４  ５４におけるＣＭＭアーム５の肘及びそれに関連するセグメントの位置冗長性を抑制することができる。第９の駆動軸である駆動回転軸７７３が、ＣＭＭ継手７  ５７を駆動し、プローブ９０がＣＭＭセグメント８  ３８の軸を中心に回転することを可能にする。
【０２７４】
ロボット外骨格６をＣＭＭアーム５と結合して結合ロボットＣＭＭアーム７８０を提供することができる実施形態は、数多くある。この第７の実施形態の範囲は、この第７の実施形態で上記に開示されている結合ロボットＣＭＭアーム７８０に限定されず、伝達手段及び他の手段によるロボット外骨格６及びＣＭＭアーム５の全てのタイプの結合を含む。例えば、さらなる実施形態では、ＣＭＭアーム５及びロボット外骨格６は、３つ以上の場所で接続することができる。空間的冗長性を示すＣＭＭアーム５を有し、且つ中間継手の空間的向きが重要ではない別の実施形態では、ＣＭＭアーム５及びロボット外骨格６は、プローブ端でのみ接続することができる。空間的冗長性を示さないＣＭＭアーム５を有する別の実施形態では、ＣＭＭアーム５及びロボット外骨格６は、プローブ端でのみ接続することができる。
【０２７５】
［第８の実施形態］
外骨格を有する手動ＣＭＭアーム
通常の使用モードでの通常の手動ＣＭＭアームは、以下の力／モーメントの作用を受ける。
−支持構造にしっかりと取り付けられたベース２から
−支持構造にしっかりと取り付けられた物体と接触する接触プローブ９５から
−人間の作業者の左手から
−人間の作業者の右手から
−手動ＣＭＭアーム全体に対する重力
−釣り合いばね（counterbalance spring：カウンターバランススプリング）アタッチメントから
【０２７６】
手動ＣＭＭアームに作用して測定誤差につながるわずかな幾何学歪みを引き起こす力／モーメントを含む、測定のための堅牢性を低下させる手動ＣＭＭアームにおける測定誤差の原因は、数多くある。手動ＣＭＭアームの測定誤差の最も重大な原因のいくつかは、
−原因１：手動ＣＭＭアームが偶発的に落下するか、又は硬い物体にぶつかることによる損傷。第１の損傷モードでは、深刻な損傷の場合、手動ＣＭＭアームを修理及び再較正のために製造業者に送り返す必要がある。第２の損傷モードでは、年月を経た打撃の蓄積が、手動ＣＭＭアームの継手を緩めて精度を低下させる傾向がある。
−原因２：人間の作業者の左手及び右手から手動ＣＭＭアームに加えられる力及びモーメント。これらの力及びモーメントは、手動ＣＭＭアームの軸受及びセグメントを歪ませ得る。これらの力及びモーメントは、接触プローブ９５が物体又は支持構造と接触する場合に大きくなり得る。軸受及びセグメントの歪みのひどい事例は、ＣＭＭセグメント３  ３３〜５  ３５が一列であり、作業者の手がＣＭＭセグメント３  ３３〜５  ３５及びＣＭＭ継手３  ５３及び４  ５４にわたって曲げモーメントを加えることで、０．５ｍｍ程度の誤差が生じ得る。
−原因３：内部加工ばね等の補償デバイス２１０がＣＭＭ継手２  ２２に組み込まれている場合、ＣＭＭセグメント２  ３２とＣＭＭセグメント３  ３３との間のＣＭＭ継手２  ２２にかかるカウンターバランスモーメントは、セグメント３の垂直向きで約０Ｎｍから、セグメント３の水平向き約１０Ｎｍまでの通常の範囲で可変である。この可変モーメントは、２つの原因、すなわち、ＣＭＭ継手３  ３３に対するモーメント、及びＣＭＭ継手２  ５２の軸受にモーメントが加わることによる精度不良から、測定誤差を生じさせる。
−原因４：作業者の手からの局所的な非対称熱移動。
−原因５：手動ＣＭＭアームの有限回転軸がバンプストップに衝突することにより、手動ＣＭＭアームに対する衝撃が生じる。
−原因６：手動ＣＭＭアームの有限回転軸がバンプストップに当たって曲がることにより、非常に大きい可能性がある曲げモーメントが手動ＣＭＭアームに対して生じる（軸２が１０Ｎｍを超えるトルクを受けることは珍しくない）。
−原因７：手動ＣＭＭアームがストライププローブ９７を用いた走査等により移動して測定を行う場合、手動ＣＭＭアームの質量及び慣性が動的測定誤差を生じさせる。手動ＣＭＭアームの通常は１０ｋｇの質量の大部分が、再較正する必要なく誤操作に耐えることができる堅牢な手動ＣＭＭアームを形成する必要があることによるものである。
−原因８：接触プローブ９５の先端の接触によりアームに加わる力。このように、かなりの量の手動ＣＭＭアームの重量が、接触プローブ９５に作用する。作業者１１が手動ＣＭＭアームに寄り掛かった場合、作業者の重量の一部も接触プローブ９５に作用し得る。
−原因９：作業者により保持されている場合の光学プローブ９１に加わる力及びモーメント
−原因１０：輸送中に加わる衝撃及び振動。多くの場合、輸送ケースの設計は、アームに望ましくない力及びモーメントを加える。
市場には何千もの手動ＣＭＭアームが出回っており、それらの精度は時代を経て高くなりつつある。新たなより高精度なアームにおける主なユーザの問題は、精度と堅牢性とのトレードオフである。手動ＣＭＭアームは、精度が高くなるほど堅牢性が低下する。製造元の較正施設では高精度であるアームが、顧客への輸送中に、又は顧客が短期間使用した後で、精度が低下する場合がある。
【０２７７】
この第８の実施形態では、これらの測定誤差の原因を劇的に減らすとともに、ＣＭＭが作業者により直接保持される同等の手動ＣＭＭアームよりも高精度且つ高堅牢性であるという利点を有する、軽量の内部ＣＭＭアーム及び外骨格を備え、外骨格が作業者により保持される、外骨格を有する手動ＣＭＭアームが開示される。
【０２７８】
次に図８０Ａを参照すると、ケーブル１５２によりラップトップコンピュータ１５１に接続される、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００を備える、外骨格を有する手動ＣＭＭアームシステム８０２が提供される。外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００は、ベース端２及びプローブ端３を有する。外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００は、表面７に取り付けられる。プローブ９０が、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００のプローブ端３に取り付けられる。光学プローブ９１も、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００のプローブ端３付近に取り付けられる。作業者ボタン１８３が、プローブ端３に隣接して取り付けられる。外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００は、ベース４、内部ＣＭＭアーム５、外骨格８０１、外骨格継手２  ６２の補償デバイス２１０、及び伝達手段１０を備える。測定されている物体９は、表面７上に配置される。
【０２７９】
外骨格８０１は軽量であり、伝達手段１０は、内部ＣＭＭアーム５に対する応力が最小になるように内部ＣＭＭアーム５を支持する。外骨格８０１は、内部ＣＭＭアーム５を保護する。外骨格８０１は、長いセグメントｘｘｘ、ｘｘｘの両方での通常は０．１〜５ｍｍのセグメント撓みに順応するが、セグメント撓みは５ｍｍよりも大きくてもよく、又は０．１ｍｍよりも小さくてもよい。外骨格８０１が曲がっても、その曲げは剛性の内部ＣＭＭアーム５を支持する伝達手段１０によるコンプライアンスにより受け止められる。他の実施形態では、外骨格８０１は硬質であってもよい。外骨格８０１は、炭素繊維又は剛性プラスチック等の丈夫で軽い材料でできているが、いかなる機能材料からできていてもよい。外骨格８０１は、内部ＣＭＭアーム５を完全に保護するように内部ＣＭＭアーム５を完全に囲むが、他の実施形態では、外骨格８０１は内部ＣＭＭアーム５を部分的に囲むだけでもよい。外骨格８０１は、作業者により保持されるように人間工学的に設計される。内部ＣＭＭアーム５は軽量である。外骨格８０１により保護されるため、内部ＣＭＭアーム５は、使用時の酷使による荷重に耐えるのに十分な強度を有するように設計される必要がない。内部ＣＭＭアーム５は、通常の使用及び乱暴な使用（abusive usage）のための保護、環境シール、人間工学、電子工学、及び装飾といった、外骨格８０１が扱う機能に関連する余分な重量を含まない。これらの理由から、内部ＣＭＭアーム５の単位長さあたりの重量はさらに軽くなる。
【０２８０】
本発明の外骨格を有するＣＭＭアームの、第８の実施形態の外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００は、内部ＣＭＭアーム５に取り付けられる光学プローブ９１とともに用いられる。外骨格８０１は、作業者１１により保持される。光学プローブ９１の設計は、作業者１１により保持されないように外骨格８０１により保護されるようなものである。このように、作業者は内部ＣＭＭアーム５又は光学プローブ９１に応力を直接加えることができず、外骨格を有する手動ＣＭＭアームシステム８０２は、外骨格を有さない同等の手動ＣＭＭアーム７９０よりも高精度である。
【０２８１】
代替的な一実施形態では、本発明の外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００は、内部ＣＭＭアーム５に取り付けられる光学接触プローブ９０とともに用いられる。外骨格８０１は、作業者１１により保持される。このように、作業者は内部ＣＭＭアーム５又は光学接触プローブ９０に応力を直接加えることができず、外骨格を有する手動ＣＭＭアームシステム８０２は、外骨格を有さない同等の手動ＣＭＭアーム７９０よりも高精度である。
【０２８２】
無線ボタンユニット
これまでは、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００の制御用のボタンは、アーム上からアーム内に配線接続されていた。これにより、ボタンは１つ又は複数の固定された場所か、又は、せいぜい、第７の軸上若しくはスリップリングを有する回転ボタン上の回転する場所に制限される。外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００の制御に関する新規の一実施形態は、ユーザが制御ボタン１８３を配置するのに都合がよいと考えるいかなる場所にも、一体型無線ボタンユニット８１４を設けることである。無線ボタンユニット８１４は、１つ又は複数のボタン１８３と送信機８１５とを備え、内蔵電池８１６により電力供給される。無線ボタンユニット１８４には、無線ボタンユニット用のシートを備えるキャリア８４３と、外骨格６に沿ったほぼすべての場所にキャリアを締め付ける１つ又は複数のマジックテープ（velcro strap:ベルクロストラップ）８４４とが設けられる。外骨格を有する手動ＣＭＭアームシステム８０２に組み込まれるとともにベース４に組み付けられる無線受信機８４７が設けられる。無線受信機８４７のためのアンテナ８４８があってもよいが、なくてもよい。アンテナ８４８は、外部にあり、且つ／又は取り外し可能であってもよく、そうでなくてもよい。さらなる一実施形態では、摺動・回転キャリア８４５が、外骨格６の長い円筒状セクションのそれぞれに設けられる。無線ボタンユニット８１４は、キャリア８４３又は摺動・回転キャリア８４５に単純且つ適合的に圧入され、任意の適合キャリアに迅速に位置付けることができるか、又はそこから取り外すことができるようにする。摺動・回転キャリア８４５は、それに対応する外骨格セクションから通常は取り外されない。摺動・回転キャリアは、単純なブレーキ／リリース制御部８４６を有する。ブレーキ位置では、摺動・回転キャリアは摺動も回転もできない。リリース位置では、作業者が摺動・回転キャリアを所望の位置に摺動又は回転させることができる。ブレーキ／リリース制御部８４６は、片手で操作することができる。ボタン１８３は、適当なシステムハードウェア及びソフトウェアによって、外骨格を有する手動ＣＭＭアームシステム８０２の任意の機能を制御することができ、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００がポインタとしての役割を果たし、且つボタン１８３が選択ボタンとしての役割を果たす場合、この機能にはユーザインタフェースポイント及び選択機能が含まれる。
【０２８３】
バンプストップ
次に図８０Ｂを参照すると、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００には、バンプストップ８１８が設けられ、バンプストップ８１８は、ベース端２が垂直上方に向いている場合に、継手中心４  ２４が最高位の継手中心であり、且つプローブ端３がベース４に向かって垂下する静止位置にアームが留まって、継手中心２  ２２よりも後方のアームのセグメントが重力の作用下で落下しないようにするためのものである。外骨格継手２  ６２にあるバンプストップ８１８は、外骨格継手２  ６２が外骨格継手１  ６１をわずかに超えた静止角度Ｒだけ垂直向きを超えた所で、静止部（rest）を提供することにより、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００の継手中心２  ２２よりも後方にある部分の重心が、継手中心２  ２２から上で垂直軸のバンプストップ側に位置するようにする。Ｒの通常の値は５°であるが、それより大きくても小さくてもよい。外骨格８０２がバンプストップ８１８に対して静止している場合、ＣＭＭ継手２  ５２はハードリミットに達するまでかなりの量を自由に回転する。外骨格８０２内で作用するバンプストップ８１８の利点は、外骨格８０２がバンプストップ８１８に強く押し当てられてバンプストップ８１８が接触又は曲げモーメントをもたらした場合に、内部ＣＭＭアーム５が衝撃を受けないことである。これは、内部ＣＭＭアーム５の設計をより軽量にすることができ、外骨格を有するＣＭＭアーム８００全体の堅牢性が高まることを意味する。さらに、バンプストップ８１８に隣接して配置されるか、又は代替的なてこ位置（position of leverage）に配置される磁石８１７を、外骨格セグメント２  ４２と外骨格セグメント３  ４３との間に設けて、磁気吸引力を遮断して継手中心２  ２２を回転し始めるための大きな初期力を必要とすることができる。これは、アームが重力下で落下して損傷を受けるように垂直線を超えてアームに偶発的に打撃を与えることが、はるかに困難であることを意味する。代替的な一実施形態では、磁石８１７は、バンプストップ及び拘束用磁石という２つの目的を果たすことができる。
【０２８４】
測定誤差の特徴及び低減
外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００は、本発明において先に開示された手段の利益を含む複数の実施形態で提供され、これらの手段には、１つ、２つ、又はそれ以上の読み取りヘッド１８６、ＣＭＭ温度センサ１８０、ＣＭＭ歪みゲージ１８１、スタンド１１０、及び他の取り付け手段、プレストレス軸受、任意のタイプの光学プローブ、フォースプローブ９９を含む任意のタイプの接触プローブ、任意の数のプローブ、同期化、能動伝達手段、アーム及びそれに取り付けられるプローブを含む機器のいずれか又は全てのためのバッテリー及びバッテリー充電手段、及び外骨格を有する手動ＣＭＭアームシステム８０２が機能することを可能にする任意の設計のシステムアーキテクチャが含まれるが、これらに限定されない。
【０２８５】
この第８の実施形態の外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００は、以下のものを含む多くの方法で測定誤差の原因を減らす。
原因１の低減：外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８１０は、妥当な酷使レベルまでの打撃及び落下に耐えるように設計される。外骨格８０１は衝撃の大部分を吸収し、内部ＣＭＭアーム５が外骨格８０１により保護され、全衝撃が伝達手段１０のみを介して伝わる。落下した場合、最も可能性の高い衝撃点はプローブ９０であり、測定誤差のこの原因を低減するためのさらなる手段は、本開示の以下で開示される。
原因２の低減：伝達手段１０は、重力に抗する最適な支持力のみが外骨格を有する手動ＣＭＭアームシステム８１２の内部ＣＭＭアーム５に加わることを確実にする。このように、人間の作業者により加えられるトルクは、内部ＣＭＭアーム５に加わることなく外骨格８０１により主に吸収される。これは、ＣＭＭセグメント３  ３３、４  ３４が一列であり、作業者の手が外骨格セグメント３  ４３〜５  ４５及び外骨格継手３  ６３〜４  ６４にわたって曲げモーメントを加え、続いてこれらが歪む際に、伝達手段３  ７３〜５  ７５を介してＣＭＭセグメント３  ３３〜５  ３５及びＣＭＭ継手３  ５３及び４  ５４にわたって大きな曲げモーメントを加えない場合を含む。それは、これらの伝達手段は、剛性が低く、且つ大きなモーメントを伝えることなく歪みを吸収するからである。
原因３の低減：補償デバイス２１０からのカウンターバランストルクは、内部ＣＭＭアーム５に加わることなく外骨格８０１に加わる。これは、単純に支持されているＣＭＭセグメント３  ３３の補償デバイス２１０からのモーメントがないことを意味する。ＣＭＭセグメント３  ３３の撓みは、ＣＭＭセグメント３  ３３にカウンターバランストルクが加わる対応する手動ＣＭＭアームの撓みの約１／３０である。カウンターバランストルクがＣＭＭセグメント３  ３３に加わるこのような手動ＣＭＭアームでは、より剛性が高く且つより重いＣＭＭセグメント３  ３３が必要である。したがって、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８１０は、ＣＭＭセグメント３  ３３にカウンターバランストルクが加わる手動ＣＭＭアームよりも高性能且つ軽量である。
原因４の低減：作業者の手は、外骨格を保持するが内部ＣＭＭアームは保持しない。外骨格は、内部ＣＭＭアームから熱的に絶縁されることで、作業者の手を介した局所的な熱移動を著しく低減する。
原因５の低減：内部ＣＭＭアームにバンプストップが必要ないように、外骨格にバンプストップがある。作業者が外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８１０を移動させ、これがバンプストップに衝突して外骨格８０１が急減速すると、伝達手段１０が衝撃をさらにある程度吸収することで、内部ＣＭＭアーム５の減速レベルを低減する。
原因６の低減：内部ＣＭＭアームにバンプストップが必要ないように、外骨格にバンプストップがある。作業者が外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８１０を曲げてバンプストップに当てると、外骨格８０１が撓んで全曲げモーメントを吸収するため、内部ＣＭＭアーム５は曲げモーメントを受けない。
原因７の低減：外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８１０の内部ＣＭＭアーム５は、手動ＣＭＭアームよりもはるかに軽量にすることができる。これにより、その動的走査性能の測定誤差が低減する。
【０２８６】
プローブ及び光学プローブカバー
次に図８１を参照すると、外骨格８０１のプローブ端にプローブカバー８０３が取り付けられる。プローブカバー８０３は、下降、変位可能、及び後退という３つの使用モードを有する。プローブカバーレバー８０５を用いて、３つの使用モード間でプローブカバー８０３を移動させる。下降モードでは、プローブカバー８０３は偶発的な打撃の場合にプローブ９０を保護する。下降モードは、輸送、新たな場所での組み立て、及び光学プローブ９１の使用時の通常のモードである。変位可能モードでは、プローブカバー８０３はプローブ９０が接触測定を実行することを可能にするように変位可能である。プローブカバー８０３は、プローブカバーばね８０６に抗して軸方向上方に変位するため、プローブ９０を覆ってプローブ９０を側方からの打撃から保護する位置に通常はある。プローブ９０が物体９の上へ軸方向に下降されると、プローブカバーばね８０６が、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００の重量の一部を受けることにより、補償器としての役割を果たす。後退モードでは、プローブカバー８０３は後退して、プローブ９０を完全に露出させたままにする。プローブカバー８０３は、任意のタイプのプローブ９０、特に、取り外し可能なスタイラスを有するか又は有さないタッチトリガプローブ９２、取り外し可能なスタイラスを有するか又は有さないフォースプローブ９９、及び固定接触プローブ９５を含む、適応しない（uncompliant）か又は脆弱なプローブ９０とともに用いることができる。プローブカバー８０３は、ほとんどのエンジニアリング材料から作製することができるが、軽量且つ剛性の材料が好ましい。３つのモード間での保持及び移動を快適にするために、ゴム等の軟質被覆が好ましいであろう。プローブカバー８０３は、プローブ９０が透けて見えるように透明であってもよい。
原因８の低減：プローブカバー８０３は、以下のものを含む多くの方法で測定誤差のこの原因を低減する。下降モード、及び変位可能モードの多くの向きで、プローブカバー８０３は、外骨格８０１を介して外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８１０の重量を吸収し、プローブ９０を打撃から保護する。変位可能モードで測定を行う場合、作業者が外骨格８１０にわずかな圧力を加えることにより、わずかな接触力下でプローブ９０を物体９の表面と接触させる。理想的な接触重量は、１０〜３０ｇの範囲内である。Ｒｅｎｉｓｈａｗ  ＴＰ２０プローブがプローブ９０として好ましいが、ほとんどのタッチトリガプローブ及び固定プローブを用いることができる。後退可能モードでは、測定誤差は低減しないが、後退したプローブカバー８０３は、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８１０の十分なアクセス（full access）でアクセスしにくい領域の測定を可能にするという利点を有する。
【０２８７】
次に図８２Ａを参照すると、光学プローブカバー８０４が開示されている。光学プローブカバー８０４は、外骨格８０１に取り付けられ、光学プローブ９１を保護するように配置される。光学プローブカバー８０４は、作業者１１により保持されることができ、光学プローブ９１に力もモーメントも伝達しない。光学プローブカバー８０４は、偶発的な打撃の場合に光学プローブ９１を保護する。次に図８２Ｂを参照すると、光学プローブカバー８０４は、作業者１１による外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００の操作をより容易にすることができるように、ハンドルとしての第２の目的を果たす。光学プローブカバー８０４及びプローブカバー８０３の一方又は両方を、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００に設けることができる。光学プローブカバー８０４は、以下のものを含む多くの方法で測定誤差の原因を低減する。
原因９の低減：光学プローブカバー８０４は、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８１０の重量を吸収し、作業者により操作されることができる。光学プローブ９１は、作業者が光学プローブカバー８０４を操作する際に力もモーメントも受けない。
【０２８８】
部分外骨格
この第８の実施形態のさらなる実施形態では、外骨格８０２は、ＣＭＭセグメントよりも少ない外骨格セグメントを有する部分外骨格であってもよい。次に図８３Ａを参照すると、３つの外骨格セグメント１  ４１〜３  ４３と２つの外骨格継手１  ６１及び２  ６２とを備える、部分外骨格８０７が設けられる。この部分外骨格８０７は、外骨格継手２  ６２に、機械加工ばねであることが好ましく且つ部分外骨格８０７の筐体内に収容される補償デバイス２１０を有する。これは、外骨格が部分外骨格８０７である外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００が、カウンターバランスを利用したアームの有用性と、下部セグメントの周りの単一筐体の可搬性の利点とを有し、補償デバイスがＣＭＭセグメント１  ３１〜３  ３３又はＣＭＭ継手１  ５１又は２  ５２のいずれにもモーメントを加えないことにより、精度の利点と、ＣＭＭセグメント１  ３１〜３  ３３の周りにすっきりとコンパクトに嵌まるという美的利点とが得られることを意味する。部分外骨格は、部分外骨格８０７に限定されず、部分外骨格８０７よりも少ないセグメント及び／又は継手、又は多いセグメント及び／又は継手を備えていてもよい。次に図８３Ｂを参照すると、４つの外骨格セグメント１  ４１〜４  ４４と２つの外骨格継手１  ６１〜３  ６３とを備える、延長部分外骨格８０８が設けられる。延長部分外骨格８０８は、部分外骨格８０７よりもＣＭＭ継手４  ５４の近くで内部ＣＭＭアーム５を支持する。これは、延長部分外骨格８０８では、部分外骨格８０７の場合よりもＣＭＭセグメント４  ３４に対する曲げモーメントが小さく、延長部分外骨格８０８が肘ですっきりと終端するという美的利点があることを意味する。外骨格継手３  ６３は、ＣＭＭ継手３  ５３とほぼ同じ継手位置を有する。代替的に、外骨格継手３  ６３は、肘の近くに設けられて、軸受として伝達手段４  ７４と組み合わせられてもよい。しかしながら、ＣＭＭ継手４  ５４は打撃に曝される。次に図８３Ｃを参照すると、５つの外骨格セグメント１  ４１〜５  ４５と４つの外骨格継手１  ６１〜４  ６４とを備える、好ましい部分外骨格の一実施形態である保護延長部分外骨格８０９が設けられる。外骨格セグメント５  ４５は、肘を覆う短いセグメントであり、衝撃吸収要素としてバンパ８１９を収容する。保護延長部分外骨格８０９は、延長部分外骨格８０８と同じＣＭＭ継手４  ５４に近い場所で、伝達手段４  ７４を介して内部ＣＭＭアーム５を支持する。短い外骨格セグメント５  ４５は、外骨格継手４  ６４を中心に回転する。伝達手段５  ７５は、ＣＭＭセグメント５  ３５に対するいかなる曲げモーメントも最小にするために設けられる。これは、短い外骨格セグメント５  ４５及び特にバンパ８１９が、使用中の打撃、作業者の手からの熱移動、及び肘からの落下等の手荒な使用から、ＣＭＭ継手４  ５４を保護することを示す。この実施形態の部分外骨格は、開示されている実施形態に限定されず、外骨格６の継手及びセグメントの数が内部ＣＭＭアーム５の継手及びセグメントの数よりも少ない任意の構成を含むことができる。例えば、部分外骨格は、外骨格セグメント１〜５と、外骨格軸受１〜５と、肘ＣＭＭ継手４の前方及び手首の前方に配置される２��の伝達手段１０とを備えていてもよい。ＣＭＭ継手６。このような構成は、外骨格６を保持している場合は常に内部ＣＭＭアーム５の長さの大部分に対する荷重が再現可能であるように、２つの長いＣＭＭセグメントを単純に支持するという利点を有する。
【０２８９】
継手配分
従来の手動ＣＭＭアームでは、ＣＭＭ継手３  ５３がＣＭＭ継手２  ５２に隣接してではなくＣＭＭ継手４  ５４に隣接して設けられるため、作業者が回転するセグメントを保持するという不都合がない。同様に、ＣＭＭ継手５  ５５は、ＣＭＭ継手４  ５４に隣接してではなくＣＭＭ継手６  ５６に隣接して設けられる。肩−肘−手首それぞれにおけるＣＭＭ継手配分の、従来の手動継手ＣＭＭアームのＣＭＭ継手レイアウトは、６軸アームでは２−２−２であり、７軸アームでは２−２−３である。手動ＣＭＭアームのいかなる設計においても、プローブ端よりもベースの近くに質量を移動させることに利点がある。これは、ユーザにとってアームが軽く感じられ、ユーザの疲労が少なくなることを意味する。各継手には、少なくとも軸受及びエンコーダからの質量がある。外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００、又は部分外骨格８０７、延長部分外骨格８０８、又は保護延長部分外骨格８０９、又は任意の他のタイプの部分外骨格を有するその代替的な実施形態では、図８３Ｃに示すように、ＣＭＭ継手３  ５３は、ＣＭＭ継手４  ５４に隣接してではなくＣＭＭ継手２  ５２に隣接して設けることができる。肩−肘−手首それぞれにおけるＣＭＭ継手配分は、６軸アームでは３−１−２であり、７軸アームでは３−１−３である。外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００では、ＣＭＭ継手５  ５５は、ＣＭＭ継手４  ５４に隣接してではなくＣＭＭ継手２  ５２に隣接して設けることができる。これは、肩−肘−手首それぞれにおけるＣＭＭ継手配分が、６軸アームでは３−２−１であり、７軸アームでは３−２−２であることを意味する。同じアームで、肩−肘−手首それぞれにおける外骨格継手配分は、６軸アームで２−２−２であり、７軸アームで２−２−３である。これは、ＣＭＭ継手配分が外骨格継手配分と異なることを意味し、使用時により軽く感じる外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００の利点を提供する。この実施形態の外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００、及び部分外骨格８０７、延長部分外骨格８０８、又は保護延長部分外骨格９０８、又は任意の他のタイプの部分外骨格を有する実施形態には、移動セグメントごとに１つの伝達手段を設けてもよく、又は移動セグメントごとに伝達手段を設けないか若しくは移動セグメントごとに２つ以上の伝達手段を設けてもよい。
【０２９０】
測定方法及び走査方法
硬質の接触プローブ９５がプローブ端３に取り付けられた外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００を用いて、作業者が内部ＣＭＭアーム５又は接触プローブ９５を保持する必要なく手動接触測定を行うための、測定方法が提供される。次に図８３Ｄを参照すると、第１のステップ８８１において、作業者は、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００の外骨格８０１を把持し、接触プローブ９５が物体９の所望の場所に接触するように移動させる。ステップ８８２において、作業者は作業者ボタン１８３を押して測定をトリガする。ステップ８８３において、外骨格を有する手動ＣＭＭアームシステム８０２は、ボタントリガ信号に応答し、接触プローブ９５の位置及び／又は向きを生成する。
【０２９１】
フォースプローブ９９がプローブ端３に取り付けられた外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００を用いて、作業者が内部ＣＭＭアーム５又はフォースプローブ９９を保持する必要なく自動接触測定を行うための、測定方法が提供される。次に図８３Ｅを参照すると、第１のステップ８９１において、作業者は、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００の外骨格８０１を把持し、フォースプローブ９９が物体９の所望の場所に接触するように移動させる。ステップ８９２において、フォースプローブ９９はステップ８８１の接触を検知し、外骨格を有する手動ＣＭＭアームシステム８０２を自動的にトリガする。ステップ８９３において、外骨格を有する手動ＣＭＭアームシステム８０２は、信号に応答し、フォースプローブ９９の位置及び／又は向きを生成する。この方法は、フォースプローブ９９の代わりにタッチトリガプローブ９２を用いる場合にも適用可能である。この方法のさらなる利点は、作業者が或る点の測定を行うためにボタンを押す必要がないことである。
【０２９２】
光学プローブ９１がプローブ端３に取り付けられた外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００を用いた、作業者が内部ＣＭＭアーム５又は光学プローブ９１を保持する必要のない、非接触走査方法が提供される。次に図８３Ｆを参照すると、第１のステップ９０１において、作業者は外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００の外骨格８０１を把持し、物体９の表面の所望の領域が光学プローブ９１の測定範囲内にくるように移動させる。ステップ９０２において、作業者は、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００の作業者ボタン１８３を押す。ステップ９０３において、外骨格を有する手動ＣＭＭアームシステム８０２は、信号に応答して走査を開始する。ステップ９０４において、作業者は、物体９の表面が光学プローブ９１の測定範囲内にあるように、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００を物体９に対して移動させる。ステップ９０５において、作業者は外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００の作業者ボタン１８３を押す。ステップ９０６において、外骨格を有する手動ＣＭＭアームシステム８０２が信号に応答して走査を停止する。
【０２９３】
Ｒｅｎｉｓｈａｗ  ＭＳＰ−３等の自動走査機能を有するフォースプローブ９９がプローブ端３に取り付けられた外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００を用いた、作業者が内部ＣＭＭアーム５又はフォースプローブ９９を保持する必要のない、接触走査方法が提供される。次に図８３Ｇを参照すると、第１のステップ９１１において、作業者は外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００の外骨格８０１を把持し、フォースプローブ９９が物体９の所望の場所に接触するように移動させ、最短時間Ｔの間接触させたままにする。ステップ９１２において、フォースプローブ９９は、最短時間Ｔよりも長い間のステップ９１１の接触を検知すると、自動的に走査を開始する。ステップ９１３において、作業者は、フォースプローブ９９が走査の継続中は物体９の表面と接触したままであるように、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００を物体９に対して移動させる。ステップ９１４において、作業者は、フォースプローブ９９が物体９の表面と接触しなくなるように、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００を物体９から離す。ステップ９１５において、フォースプローブ９９は、ステップ９１４の接触がなくなったことを検知すると、自動的に走査を停止する。この方法のさらなる利点は、作業者が走査プロセス中にボタンを押す必要がないことである。
【０２９４】
手動ＣＭＭアームの自動較正
較正プロセスから人的ミスをなくし、自動化に関連する再現性及び費用削減等の利点を提供するように、手動ＣＭＭアームの自動較正のための新規のロボット較正装置が提供される。
【０２９５】
新規のロボット較正装置のモジュラー実施形態では、駆動ユニットが外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００に仮嵌めされる。次に図８３Ｈを参照すると、モジュラーロボット較正リグ９２０が、７つのケーブル９２２で制御ボックス１５９に接続される駆動ユニットモジュール９２１を備える。駆動ユニットモジュール９２１は、クイックフィット（quick-fit）プロセスで外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００に組み付けられる。駆動ユニットモジュール９２１は、内部ＣＭＭアーム５に力及びモーメントが加わらないように、外骨格８０１を駆動する。外骨格８０１の各継手には、少なくとも２つの締め付けフランジ９２３が設けられ、継手に隣接して各セグメントに１つのフランジ９２３が取り付けられ、駆動ユニットモジュール９２１からのトルクを隣接する外骨格セグメントを介して受け取るとともに分配することが可能である。外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００とモジュラーロボット較正リグ９２０との組み合わせは、事実上、ロボットＣＭＭアーム１の仮の実施形態である。好ましい軸の数は、６つ又は７つであるが、いかなる数の軸を設けてもよい。外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００及びモジュラーロボット較正リグ９２０の組み合わせは、ロボットＣＭＭアーム１の較正に関して先に開示したもの等の較正プロセスを自動的に実行することができる。
【０２９６】
新規のロボット較正装置の代替的な仮の実施形態のロボットＣＭＭアームでは、内部ＣＭＭアーム５が、内部ＣＭＭアーム５を自動較正するための自動ドライブを有する外骨格６により操作される。このように、この装置は、較正のための仮のロボットＣＭＭアーム１である。
【０２９７】
新規のロボット較正装置の上記の実施形態のいずれかを用いて、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００を較正する方法が提供される。任意選択的な第１のステップにおいて、手動外骨格６が内部ＣＭＭアーム５から取り外される。このステップは、内部ＣＭＭアーム５が製造されたばかりであり、手動外骨格６がまだ嵌められていない場合には必要ない。第２のステップでは、ロボット外骨格６が内部ＣＭＭアーム５に取り付けられる。取り付けは、「被覆」、「ソックス」、又は「挿入」等の開示されているプロセス、又は任意の他の取り付けプロセスのいずれかにより行うことができる。第３のステップにおいて、先に開示された方法のいずれかにより、較正が自動的に行われる。第４のステップにおいて、ロボット外骨格６が較正された内部ＣＭＭアーム５から取り外される。第４のステップにおいて、手動外骨格６が較正された内部ＣＭＭアーム５に取り付けられて、外骨格を有する較正された手動ＣＭＭアーム８００ができる。取り付けは、「被覆」、「ソックス」、又は「挿入」等の開示されているプロセス、又は任意の他の取り付けプロセスのいずれかにより行うことができる。
【０２９８】
新規のロボット較正装置の好ましい外部実施形態では、手動ＣＭＭアームがロボット外骨格で被覆される。次に図８３Ｉを参照すると、外骨格ロボット較正リグ９３０が、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００と、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００の既存の外骨格６をさらなる伝達手段１０を介して支持するロボット外骨格６とを備える。ロボット外骨格６は、ケーブル９２２で制御ボックス１５９に接続される。この実施形態の目立った特徴は、内部ＣＭＭアーム５が２つの外骨格、中間手動外骨格６及び外部ロボット外骨格６を有することである。この実施形態では、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００を支持するのに必要なロボット伝達手段は比較的少数であるが、これは、手動外骨格６がすでに内部ＣＭＭアーム５を最適に支持しており、ロボット伝達手段は、外骨格を有する６軸又は７軸手動ＣＭＭアーム８００を任意の向きに移動させるために、それを最低２つの位置で保持すればよいだけだからである。すでに説明したように、駆動システムの嵩高を減らすために、最低３つ又は４つの位置が好ましい。
【０２９９】
外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００とロボット外骨格６との組み合わせは、さらなる軸、さらなるアーチファクト、多数の測定点、及び多数の空間的向きを含み得るロボットＣＭＭアーム１の第１の実施形態を較正するために、先に開示したもの等の較正プロセスを自動的に実行することができる。新規のロボット較正装置のこの統合実施形態は、従来の外骨格を有さない手動ＣＭＭアーム７９０を較正するために用いることもできる。
【０３００】
新規のロボット較正装置の代替的な複合（hybrid）実施形態では、新規のロボット較正装置は、一部ロボット（part-robot）外骨格及び一部モジュール（part module）駆動ユニットを備え、部分外骨格８０７、延長部分外骨格８０８、又は保護延長部分外骨格８０９を有する手動ＣＭＭアームを自動較正するために設けられる。外骨格がある下方の継手は駆動ユニットモジュール９２１により駆動され、外骨格のない上方の継手は部分外骨格６により駆動される。
【０３０１】
手動ＣＭＭアームを分解する必要なく、新規のロボット較正装置の上記の実施形態のいずれかを用いて手動ＣＭＭアームを較正するさらなる方法が提供される。このさらなる方法は、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００、外骨格を有さない従来の手動ＣＭＭアーム７９０、部分外骨格８０７を有する手動ＣＭＭアーム、延長部分外骨格８０８を有する手動ＣＭＭアーム、及び保護延長部分外骨格８０９を有する手動ＣＭＭアームのいずれかを較正するために適用可能である。第１のステップにおいて、駆動装置が手動ＣＭＭアームに取り付けられる。取り付けは、「モジュール取り付け」、「被覆」、「ソックス」、又は「挿入」等の開示されているプロセス、又は任意の他の取り付けプロセスのいずれか又は任意の組み合わせにより行うことができる。第２のステップにおいて、先に開示した方法のいずれかにより、較正が自動的に行われる。第３のステップにおいて、駆動装置が較正された手動ＣＭＭアームから取り外される。このさらなる方法は、手動ＣＭＭアームの分解及び組み立てのステップを必要としないという利点を有する。
【０３０２】
新規のロボット較正装置の上記の実施形態のいずれかを用いて外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００又は内部ＣＭＭアーム５を自動較正する利点は、
−駆動装置の取り付け及び取り外し以外の手作業がない。これにより費用が削減される。
−人的ミスがない。これにより精度が高まる。
−１秒あたりの較正点の取り込み速度が高まる。
−人間の作業者が疲労する一方で、ロボットにより駆動される装置は疲労することなく動作することができるため、較正プロセスを、同等の手動プロセスの場合よりも長期間行うことができる。
−同等の手動プロセスの場合よりもはるかに多くの較正点を取ることができる。これにより精度が高まる。
【０３０３】
いかなる場合も、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００又は外骨格を有さない手動ＣＭＭアーム７９０は、自動較正のための装置を取り付ける必要性を考慮に入れて設計する必要がある。特に、内部ＣＭＭアーム５は、手動外骨格５を有するかロボット外骨格６を有するかに関係なく、高精度に較正されるように、十分な堅牢性を有する必要がある。内部ＣＭＭアーム５は、手動外骨格６及びロボット外骨格６の両方で同じ場所及びタイプの伝達手段１０で支持されることが好ましい。本発明は、説明した実施形態に限定されず、較正のための手動ＣＭＭアーム又は内部ＣＭＭアームの自動操作の方法全てを含む。
【０３０４】
輸送ケース
外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００は、可搬式であるため、輸送ケースに入れて輸送されることが多い。内部ＣＭＭアーム５を輸送ケースと直接接続するのは、ベース４だけである。他の全ての場所で、内部ＣＭＭアーム５は、雑音及び振動を吸収するように設計される伝達手段１０によって衝撃及び振動から絶縁される。外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００の質量の大部分が、高密度ベース４にあり、輸送ケースの発泡体との接触表面積は小さい。外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００の接触表面積の大部分が、外骨格８０１の表面であり、この表面に対応する質量及び体積はベースと比較して小さい（low density）。輸送ケースと外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００との間で加速度の差がある衝撃状況では、外骨格８０１の表面付近では衝撃からの力密度が低く、ベース４の表面付近では衝撃からの力密度が高い。衝撃からの力密度は、外骨格８０１の表面よりもベース４の表面付近の方が約５〜１００倍の高さであり得る。衝撃を受けている間、ベース４付近の発泡体は、外骨格８０１の表面付近の発泡体の５〜１００倍圧縮し得る。この圧縮比は、衝撃力の各方向でのベース４及び外骨格８０１の種々の質量対表面積比に関係する。ベース４及び外骨格８０１には２つの異なる減速度がある。２つの異なる減速度により、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００の内部で衝撃力及びモーメントが生じ、これが外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００に損傷を与え得る。輸送ケースがその端から落下する場合等、輸送ケースが長手方向下方に向かって衝撃を受け、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００のベース４が外骨格継手４  ６４よりも高い位置にある状況では、ベース４の質量が加速し、ベース４と外骨格継手４  ６４との間の外骨格セグメント２  ３２〜４  ３４に対する大きな圧縮力を生み出す。輸送ケースがそのベースから落下する場合等、輸送ケースが横方向に衝撃を受け、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００がほぼ水平である場合、ベース４の質量が外骨格８０１よりもさらに下方に変位し、ベース４が外骨格セグメント２  ３２とつながった後の領域で、外骨格セグメント２  ３２〜３  ３３に大きな曲げモーメントを生み出す。
【０３０５】
次に図８４を参照すると、輸送中に内部ＣＭＭアーム５が受ける衝撃及び振動を減らす、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００のための輸送ケース８３０が開示される。輸送ケース８３０は、輸送ケース８３０の長辺に沿って上半分と下半分とがヒンジ８３６により取り付けられている。輸送ケース８３０には、発泡体等の梱包材８３１が充填される。梱包材８３１には２つのアーム用切抜部８３７がある。アーム用切抜部８３７はアームに正確に対応し（precise）、梱包材８３１は外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００と接触し、梱包材８３１内の切欠部８３２以外は空隙がない。本発明のこの実施形態では、梱包材８３１との著しく大きな接触表面積を必要な方向に提供する、軽量且つ剛性のスプレッダ発泡体（Spreader form）８３３が設けられる。外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００のベース４は、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００を輸送ケース８３０に入れる前、入れている間、又は入れた後に、ボルト８３８等の固定具によってスプレッダ発泡体８３３に取り付けられる。スプレッダ発泡体８３３は、全方向に梱包材８３１と接触する大きな表面積を有する。好ましい一実施形態では、スプレッダ発泡体８３３の表面積は、主に３つの直交面に配置される。どの方向のスプレッダ発泡体８３３の表面積も、梱包材８３１の異なる局部撓みから生じる、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００に損傷を与える力及びモーメントを最小にするように全体が最適化される。どの方向のスプレッダ発泡体８３３の面積の中心も、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００のベース４の質量中心Ｃｇをほぼ通過する。これは、ベース４の質量中心Ｃｇとスプレッダ発泡体８３３の面積の中心とが大きくずれているため、衝撃下では、ベースにほとんど又は全く回転慣性が生じないことを意味する。スプレッダ発泡体８３３の代替的な実施形態では、（ａ）梱包材８３１の異なる局部撓みを最小にする場合、及び（ｂ）どの方向のスプレッダ発泡体８３３の面積の中心もベース４の質量Ｃｇの中心をほぼ通過する場合、他の形状のスプレッダ発泡体８３３を用いることができる。このように、輸送ケース８３０に対する衝撃の方向ごとの力密度（directional force density）は、しっかりと取り付けられたスプレッダ板８３３／ベース４及び外骨格８０１で同じである。プローブ端３の周りの支持領域では、梱包材８３１は、ＣＭＭセグメント８  ３８、プローブ端３、又はプローブ９０のいずれも梱包材８３１と接触しないように切り取られ得る。これは、ＣＭＭセグメント８  ３８、プローブ端３、及びプローブ９０が、元の位置にある場合に伝達手段１０により支持されるからである。外骨格８０１と接触させない梱包材８３１の切欠部８３２を１つ又は複数の場所に設けることにより、さらなる最適化を行うことができる。任意選択的に、梱包材８３１の本体よりも弾性が低い外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００と接触する場所に、局部的に大量な弾性が低い梱包材８３４を設けてもよい。任意選択的に、梱包材８３１の本体よりも弾性が高い外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００と接触する場所に、局部的に大量な弾性が高い梱包材８３５を設けてもよい。衝撃条件下での慣性をモデリングするための３Ｄ  ＣＡＤ解析ソフトウェアを当業者が用いて、スプレッダ板８３３、切欠部８３２、局部的に大量な弾性が低い梱包材８３４、及び局部的に大量な弾性が高い梱包材８３５の１つ又は複数の組み合わせを最適化することができる。輸送ケース８３０のサイズを最小にするために、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００の２つの長いセグメントは、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００が輸送ケース８３０内にある際には平行又はほぼ平行となる。スプレッダ発泡体８３３、切欠部８３２、局部的に大量な弾性が低い梱包材８３４、及び局部的に大量な弾性が高い梱包材８３５の形状及び位置は、長手方向及び横方向の衝撃の状況に合わせて最適化される。輸送ケース８３０の外部シェル８３９は、超高分子量ポリエチレン等の適当な材料でできており、衝撃及び振動を吸収するためにリブ等の形状特徴が設けられる。形状全体は、６つの直交側面があるものに限定されず、任意の数の側面又は複雑な湾曲形状を有する側面を有することができる。シェル８３９のサイズ及び形状は、輸送ケース８３０内の外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００の場所及びレイアウトとともに、任意の点におけるシェル８３９と外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００との間の距離を画定する。シェル８３９のサイズ及び形状は、全方向での衝撃に対して梱包材８３１の撓みを一致させるように最適化される。水分が入らないように、さねはぎ縁部及びネオプレンガスケット等の手段が設けられる。強力ラッチ（heavy duty latches）が設けられる。
原因１０の低減：輸送ケース８３０は、輸送中の輸送ケース８３０に対する衝撃から生じる外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００に対する力及びモーメントを、衝撃中に均一な力密度を達成することにより、大幅に低減する。
【０３０６】
［第９の実施形態］
保持外骨格を有する手動ＣＭＭアーム
外骨格を有する手動ＣＭＭアームのさらなる実施形態では、保持手段８１１が設けられる。次に図８５を参照すると、保持外骨格を有する手動ＣＭＭアームシステム８１２が、保持外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８１０の外骨格継手１  ６１〜４  ６４に設けられるブレーキ８１１等の保持手段を有する。保持手段は、ディスク８１３上で動作する電磁ブレーキであるブレーキ８１１であることが好ましいが、保持手段は、
−手動操作可能な機械接続部、
−力作動式機械接続部、
−電磁力、空気力、及び油圧力を含む任意の力を利用するブレーキ、
−電磁力、空気力、及び油圧力を含む任意の力を利用するクラッチ
を含む任意の手段により、アームを保持することができる。ブレーキ８１１は、外骨格継手が静止している場合に作動させることができる。代替的にブレーキ８１１は、外骨格継手が移動している場合に作動させることができ、それから外骨格継手が静止するまで制動し、外骨格は静止した点で保持される。ブレーキ８１１が適用される外骨格継手は、外骨格継手１  ６１〜４  ６４よりも多くても少なくてもよい。ブレーキ８１１は、外骨格８０１に適用され、内部ＣＭＭアーム５には適用されない。これは、内部ＣＭＭアーム５の継手には、ブレーキ８１１の適用によりモーメントが生じることがなく、保持外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８１０が、保持手段を有するが外骨格８０１を有さない同等の手動ＣＭＭアームよりも高精度であることを意味する。ブレーキ８１１は、作業者がスイッチを用いて有線送信又は遠隔無線送信することにより、起動することができる。異なるスイッチで異なるブレーキ８１１の組み合わせを起動することができる。停電の場合、停電時に制動して、保持外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８１０が重力下で落下することを防ぐように、電気作動を用いるブレーキ８１１を実施することができる。代替的な実施形態では、ブレーキ８１１と外骨格継手との間に伝動装置（gearing）を設けて、必要な制動トルク、したがってブレーキの重量を減らすことができる。これは、保持外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８１０を移動させるのに必要な手作業が増えるという欠点を有する。
【０３０７】
［第１０の実施形態］
内骨格を有する手動ＣＭＭアーム
この第１０の実施形態では、内骨格を有する手動ＣＭＭアームが提供される。次に図８６Ａを参照すると、手動ＣＭＭアームの技術水準の一実施形態である、ベース軸が垂直でありＣＭＭセグメント３  ３３が水平の空間的向きにある、支持部を有さない手動ＣＭＭアームが示されている。この水平の空間的向きでは、ＣＭＭセグメント３  ３３は、力Ｆｎ１でＣＭＭ継手２  ５２において支持される。内部補償デバイス２１０が、ＣＭＭ継手２  ５２に設けられ、ＣＭＭセグメント３  ３３にカウンターバランスモーメントＭｎを与えて、ＣＭＭ継手３  ５３より後の手動ＣＭＭアームの残りの部分の重量の力Ｆｎ２を補償する。技術水準では、ＣＭＭセグメント３  ３３は、図示の水平の空間的向きで１０Ｎｍのオーダの大きな曲げモーメントＭｎを受ける。これにより、ＣＭＭセグメント３  ３３は大きく曲がり、撓みが生じる。撓みは、ＣＭＭエンコーダ１７８によって測定されることができず、その結果速度精度が失われる。撓みは、ＣＭＭセグメント３  ３３の剛性を高めることにより最小にすることができるが、ＣＭＭセグメント３  ３３の重量又は断面サイズとともに費用が増大する。次に図８６Ｂを参照すると、外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００が提供され、これも同様に、ベース軸が垂直でありＣＭＭセグメント３  ３３が水平の空間的向きにある状態で示されている。ＣＭＭセグメント３  ３３は、ＣＭＭ継手２  ５２において力Ｆｘ１で、伝達手段３  ７３において力Ｆｘ２で単純に支持される。ＣＭＭセグメント３  ３３に生じる撓みは、重力又は内部ＣＭＭアーム５の残りの部分の重量によるものである。本発明の外骨格を有する手動ＣＭＭアーム８００では、ＣＭＭセグメント３  ３３の撓みは、図８６Ａの技術水準の手動ＣＭＭアームの撓みの少なくとも１／３０である。次に図８６Ｃを参照すると、内骨格を有する手動ＣＭＭアーム８４０が開示される。外部ＣＭＭアーム８４１は、内骨格８４２の外部にある。内骨格セグメント１  ４１〜３  ４３は、外部ＣＭＭアーム８４１の内部に配置される。内骨格８４２はさらに、内骨格継手１  ６１、２  ６２を備える。内骨格８４２は、ベース４にしっかりと取り付けられ、ＣＭＭセグメント３  ３３の遠端で伝達手段３  ７３とともに外部ＣＭＭアーム８４１を支持する。内骨格８４２と外部ＣＭＭアーム８４１との間には、力を伝える大きな接触はない。内骨格継手２  ６２には、補償デバイス２１０が取り付けられ、補償デバイス２１０は、加工ばねであることが好ましいが、任意の他のタイプの補償デバイスであってもよく、補償デバイスにはダンパ２１１を設けることもできる。内骨格セグメント１  ４１〜３  ４３は、数ｍｍのオーダであり得る大きな撓みを示す。撓んだ内骨格セグメントが外部ＣＭＭアームセグメントの内側と接触しない限り、これらの撓みは重要ではない。撓みによって、内骨格継手１  ６１、２  ６２は、アームの空間的向きが変わる使用中にベース４に対して大きく移動し得る。ＣＭＭセグメント３  ３３は、ＣＭＭ継手２  ５２において力Ｆｄ１で、伝達手段３  ７３において力Ｆｄ２で単純に支持される。内骨格を有する手動ＣＭＭアーム８４０のＣＭＭセグメント３  ３３に生じるあらゆる撓みは、重力又は外部ＣＭ���アーム８４１の残りの部分の重量によるものである。本発明の内骨格を有する手動ＣＭＭアーム８４０では、ＣＭＭセグメント３  ３３の撓みは、図８６Ａの技術水準の手動ＣＭＭアームの撓みの少なくとも１／３０である。本明細書の全開示に基づいて、当業者は内骨格を有する手動ＣＭＭアーム８４０を提供することができることが、理解されるであろう。
【０３０８】
この第１０の実施形態のさらなる実施形態では、３つの外骨格セグメントの代わりに２つの外骨格セグメントを備え、ベース４の代わりにＣＭＭセグメント２  ２２に一端が取り付けられる内骨格８４２は、より短くなる。内骨格８４２はまた、伝達手段３  ７３とともにＣＭＭセグメント３  ３３の遠端を支持する。内骨格８４２のこの短い実施形態は、２つの継手の代わりに１つの継手、すなわち内骨格継手２  ６２を備える。
【０３０９】
［第１１の実施形態］
内骨格を有するロボットＣＭＭアーム
この第１１の実施形態では、内骨格を有するロボットＣＭＭアームが提供される。この実施形態の内骨格を有するロボットＣＭＭアームは、内部内骨格によりガイドされる外部ＣＭＭアームを備える。内骨格は、高精度な測定ができるように、伝達手段を介して外部ＣＭＭアームを支持及び操作する。本発明は、内骨格を有する多くのロボットＣＭＭアームの関節アームレイアウトで具現することができる。本発明の第１１の実施形態による内骨格を有するロボットＣＭＭアームには、２つの好ましいレイアウト、すなわち、６つの継手を有する６軸型及び７つの継手を有する７軸型がある。内骨格を有するロボットＣＭＭアームは、移動式であってもよく、又は固定設備で用いられてもよい。この第１１の実施形態は、事実上、本発明の第１の実施形態の逆である。
【０３１０】
次に図８７を参照すると、内骨格を有するロボットＣＭＭアーム８５０が、外部ＣＭＭアーム８４１及び内部内骨格８５１を備える。本明細書の全開示、特に第１の実施形態の開示に基づいて、当業者は内骨格を有するロボットＣＭＭアームを提供することができることが、理解されるであろう。
【０３１１】
［さらなる実施形態］
本発明の外骨格を有するこのＣＭＭアームは、開示した実施形態のデバイスに限定されず、
−外骨格を有するＣＭＭアームのリーチが非常に短いものから非常に長いものまで及ぶ用途、
−ペイロードが数十グラムから数百キログラムまで様々である用途、
−精度が今日の産業ロボットの中で最高の精度から今日の従来のＣＭＭ機の精度まで及ぶ用途、
−アース上及び空間等の重力の低い環境に配置される用途、
−外部ＣＭＭアームを有する内骨格支持部を有することが好ましい用途、
−測定される物体が、測定中又は測定間のいつでも６自由度で移動でき、外骨格を有するＣＭＭアーム及び物体がそれぞれ、測定中又は測定間に同時に６自由度で移動できる用途
のための、任意の形態の外骨格デバイスを有するＣＭＭアームを含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【０３１２】
【図１Ａ】本発明の第１の実施形態による６軸ロボットＣＭＭアームの概略図である。
【図１Ｂ】７軸ロボットＣＭＭの概略図である。
【図１Ｃ】ロボットＣＭＭアームシステムのレイアウトである。
【図２】外骨格及び内部ＣＭＭアームの継手及びセグメントの概略図である。
【図３】ロボットＣＭＭアームのリーチの概略図である。
【図４】光学プローブを有するロボットＣＭＭアームの仮想リーチの概略図である。
【図５Ａ】長いＣＭＭセグメントの概略図である。
【図５Ｂ】短いＣＭＭセグメントの概略図である。
【図５Ｃ１】ＣＭＭセグメント８の概略図である。
【図５Ｃ２】カンチレバー直交継手及びインライン直交継手のオプションの概略図である。
【図５Ｄ】ベースの概略図である。
【図５Ｅ】別個に取り付けられる別個のベースセグメントのレイアウトである。
【図５Ｆ】同じ表面に取り付けられる別個のベースセグメントのレイアウトである。
【図５Ｇ】表面に取り付けられる外骨格ベースのレイアウトである。
【図５Ｈ】一般的なベースのレイアウトである。
【図６】スタンドの概略図である。
【図７Ａ】防振テーブルに取り付けられるロボットＣＭＭアームのレイアウトである。
【図７Ｂ】床置き式ロボットＣＭＭアームのレイアウトである。
【図７Ｃ】床に埋め込まれた定盤に取り付けられるロボットＣＭＭアームのレイアウトである。
【図７Ｄ】直線状のレールに取り付けられるロボットＣＭＭアームのレイアウトである。
【図７Ｅ】水平レールに取り付けられる２つの独立したロボットＣＭＭアームのレイアウトである。
【図７Ｆ】垂直軸に取り付けられる、水平移動するロボットＣＭＭアームのレイアウトである。
【図７Ｇ】移動多アームベースに取り付けられる２つのロボットＣＭＭアームのレイアウトである。
【図７Ｈ】物体に取り付けられるロボットＣＭＭアームのレイアウトである。
【図７Ｉ】加工機に隣接して取り付けられるロボットＣＭＭアームの平面図である。
【図７Ｊ】複数の処理機間に取り付けられるロボットＣＭＭアームのレイアウトである。
【図７Ｋ】複数の作業領域間に取り付けられるロボットＣＭＭアームのレイアウトである。
【図７Ｌ】物体上方のブリッジ上にあるロボットＣＭＭアームのレイアウトである。
【図７Ｍ】回転テーブルに載置された物体に隣接するロボットＣＭＭアームのレイアウトである。
【図７Ｎ】直線状テーブルに載置された物体に隣接するロボットＣＭＭアームのレイアウトである。
【図８Ａ】壁に取り付けられるロボットＣＭＭアームのレイアウトである。
【図８Ｂ】ガントリに取り付けられるロボットＣＭＭアームのレイアウトである。
【図８Ｃ】傾斜プラットフォームに取り付けられるロボットＣＭＭアームのレイアウトである。
【図８Ｄ】水平アームＣＭＭに取り付けられるロボットＣＭＭアームのレイアウトである。
【図８Ｅ】移動ブリッジＣＭＭに取り付けられるロボットＣＭＭアームのレイアウトである。
【図８Ｆ】回転ウェッジに取り付けられるロボットＣＭＭアームのレイアウトである。
【図９】写真測量トラッカを伴うロボットＣＭＭアームのレイアウトである。
【図１０】ロボティックＣＭＭアームシステムの詳細なレイアウトである。
【図１１Ａ】ロボティックＣＭＭアームのアーキテクチャの図である。
【図１１Ｂ】ロボティックＣＭＭアームの代替的なアーキテクチャの図である。
【図１２Ａ】エンコーダの概略図である。
【図１２Ｂ】デュアルパターンエンコーダの概略図である。
【図１２Ｃ】デュアルパターンエンコーダマッピング装置の概略図である。
【図１２Ｄ】軸及びパターン中心の概略図である。
【図１３Ａ】強制空気循環の概略図である。
【図１３Ｂ】高慣性のロボットＣＭＭアーム及び低慣性のロボットＣＭＭアームの概略図である。
【図１４】全ての伝達手段の場所の概略図である。
【図１５】セグメント８の伝達手段の場所の概略図である。
【図１６】回転抑制手段の概略図である。
【図１７】半径方向伝達手段の２つの断面図である。
【図１８】ねじれ方向伝達手段の２つの断面図である。
【図１９】補償デバイスの概略図である。
【図２０】軸方向継手におけるハードリミット及びリミットスイッチの概略図である。
【図２１Ａ】直交継手におけるハードリミットの概略図である。
【図２１Ｂ】直交継手におけるハードリミットの概略図である。
【図２１Ｃ】ロボットＣＭＭアーム及び手動ＣＭＭアームの軸間距離の概略的な比較である。
【図２２】軸受の概略図である。
【図２３】内部ＣＭＭアームのプローブ端の図及び断面図である。
【図２４】プローブ端に取り付けられるタッチトリガプローブの長手方向断面図である。
【図２５】プローブ端に取り付けられる光学プローブの長手方向断面図である。
【図２６】光学プローブ及びブラケットの図である。
【図２７Ａ】プローブのアーキテクチャの図である。
【図２７Ｂ】３本のケーブルに接続されたプローブ及びプローブボックスの概略図である。
【図２７Ｃ】プローブボックスに繋がった１本のケーブルがロボットＣＭＭアームの外部に延びる、プローブのレイアウトである。
【図２７Ｄ】プローブボックスがロボットＣＭＭアームに接続される、プローブのレイアウトである。
【図２８】ストライププローブの原理の２方向からの概略図である。
【図２９】ストライププローブ走査の概略図である。
【図３０】ストライプの測定領域の概略図である。
【図３１】ストライプのパッチの概略図である。
【図３２】複数の重なったパッチの概略図である。
【図３３Ａ】２視野ストライププローブの概略図である。
【図３３Ｂ】段付き物体を走査する２視野ストライププローブの概略図である。
【図３４Ａ】２ストライププローブの概略図である。
【図３４Ｂ】段付き物体の垂直壁を走査する２ストライププローブの概略図である。
【図３５】ラップトップコンピュータ用のプラットフォームの概略図である。
【図３６】ペンダントの概略図である。
【図３７】作業者が装着したヘッドセットの概略図である。
【図３８Ａ】ロボットＣＭＭアームのボタンのレイアウトである。
【図３８Ｂ】フットスイッチのレイアウトである。
【図３８Ｃ】ストラップを有する遠隔制御器のレイアウトである。
【図３９】座標系のレイアウトである。
【図４０】制御ＰＣＢのアーキテクチャの図である。
【図４１Ａ】継手ＰＣＢのアーキテクチャの図である。
【図４１Ｂ】継手ＰＣＢにおける位置平均化の図である。
【図４１Ｃ】エンコーダカウント及びトリガパルスのタイミング図である。
【図４１Ｄ】位置平均化プロセスのフローチャートである。
【図４１Ｅ】歪みゲージシステムの図である。
【図４２】プローブをマスターとして用いる同期化プロセスのフローチャートである。
【図４３Ａ】プローブ測定のタイミング図である。
【図４３Ｂ】プローブ測定のタイミング図である。
【図４３Ｃ】プローブ測定のタイミング図である。
【図４４】トリガされたプローブ測定の遅延を示すタイミング図である。
【図４５】プローブをスレーブとして用いる同期化プロセスのフローチャートである。
【図４６】タイムスタンピング測定プロセスのフローチャートである。
【図４７】リッジ付きアーチファクトを走査するプローブの概略図である。
【図４８】リッジ付きアーチファクトの＋Ｘ走査及び−Ｘ走査の図である。
【図４９】較正機器のレイアウトである。
【図５０】較正用アーチファクトの図である。
【図５１Ａ】較正用アーチファクトの位置決めのための場所図である。
【図５１Ｂ】回転軸を有する較正機器のレイアウトである。
【図５２】測定プロセスのフローチャートである。
【図５３】本発明の第２の実施形態による産業ロボットＣＭＭアームの概略図である。
【図５４】ハイブリッド６／７軸産業ロボットＣＭＭアームの図である。
【図５５】複数ロボットＣＭＭアームセルにおけるグローバル座標系アーチファクトの概略図である。
【図５６】特徴検査プロセスのフローチャートである。
【図５７】表面検査プロセスのフローチャートである。
【図５８】工具動作プロセスのフローチャートである。
【図５９Ａ】検査及び工具調整プロセスのフローチャートである。
【図５９Ｂ】構成部品調整プロセスのフローチャートである。
【図６０】本発明の第３の実施形態による能動支持ロボットＣＭＭアームの概略図である。
【図６１】能動軸方向支持部を有する半径方向能動伝達手段の図である。
【図６２】能動軸方向及び半径方向支持部を有するねじれ方向能動伝達手段の概略図である。
【図６３】能動半径方向支持部を有する能動伝達手段の図である。
【図６４】能動支持部制御システムの概略図である。
【図６５】能動支持部を用いた制御ループの概略図である。
【図６６】本発明の第４の実施形態による量測定プロセスのフローチャートである。
【図６７】量モデリングプロセスのフローチャートである。
【図６８】量分析、可視化、及びフィードバックプロセスのフローチャートである。
【図６９】本発明の第５の実施形態による移動式ロボットＣＭＭアームの図である。
【図７０】移動式ロボットＣＭＭアーム設備の床配置図である。
【図７１】基準円錐設置の図である。
【図７２】基準円錐位置、標的位置、及びテープ位置に関するデータ構造である。
【図７３】移動式ロボットＣＭＭアーム準備プロセスのフローチャートである。
【図７４】移動式ロボットＣＭＭアーム測定プロセスのフローチャートである。
【図７５】本発明の第６の実施形態による、変位可能な外骨格を有するロボットＣＭＭアームの図である。
【図７６】スロット付き管状ロボットセグメントの図である。
【図７７】割軸受伝達手段の図である。
【図７８】変位可能な外骨格を有するロボットＣＭＭアームの測定プロセスのフローチャートである。
【図７９】結合されたロボットＣＭＭアームの概略図である。
【図８０Ａ】外骨格を有する手動ＣＭＭアームシステムのレイアウトである。
【図８０Ｂ】外骨格が静止している手動ＣＭＭアームの概略図である。
【図８１】プローブカバーの概略図である。
【図８２Ａ】光学プローブカバーの概略図である。
【図８２Ｂ】ハンドルとしての光学プローブカバーの概略図である。
【図８３Ａ】部分外骨格の概略図である。
【図８３Ｂ】延長部分外骨格の概略図である。
【図８３Ｃ】種々の内部ＣＭＭ及び外骨格継手位置を有する保護延長部分外骨格の概略図である。
【図８３Ｄ】手動接触測定プロセスのフローチャートである。
【図８３Ｅ】自動接触測定プロセスのフローチャートである。
【図８３Ｆ】非接触走査プロセスのフローチャートである。
【図８３Ｇ】接触走査プロセスのフローチャートである。
【図８３Ｈ】モジュラーロボティック較正リグの概略図である。
【図８３Ｉ】外部ロボット較正リグの概略図である。
【図８４】輸送ケースの概略図である。
【図８５】外骨格を有する手動ＣＭＭアームシステムのレイアウトである。
【図８６Ａ】力を示す、非支持手動ＣＭＭアームの図である。
【図８６Ｂ】力を示す、外骨格を有する手動ＣＭＭアームの図である。
【図８６Ｃ】力を示す、外骨格を有する手動ＣＭＭアームの図である。
【図８７】ロボット外骨格及び外部ＣＭＭアームの継手及びセグメントの概略図である。
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図９】
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【図１０】
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【図１４】
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【図１５】
2007527323.tif 000031
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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2007527323.tif 000037
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４２】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【図６５】
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【図６６】
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【図６７】
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【図６８】
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【図６９】
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【図７０】
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【図７１】
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【図７２】
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【図７３】
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【図７４】
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【図７５】
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【図７６】
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【図７７】
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【図７８】
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【図７９】
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【図８１】
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【図８４】
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【図８５】
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【図８７】
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【国際調査報告】
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