(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の端と、第２の端と、それらの間の少なくとも第１のアームセグメントおよび第２のアームセグメントとを有する関節付きアームと、
前記第１のアームセグメントを前記第２のアームセグメントに接続する少なくとも１つのボールソケット継ぎ手であって、ボール部材およびソケット部材を含むボールソケット継ぎ手と、
前記関節付きアームの前記第１の端に取り付けられる測定プローブと、
を備え、
前記ボール部材および前記ソケット部材は、前記関節付きアームにおける分離可能な関節部材を形成し、
前記ボール部材は、該ボール部材の上に位置し且つボール表面の特定の場所に相関させられた複数の固有の形を含む、少なくとも１つのグラフィカルパターンを含み、前記ソケット部材は、前記グラフィカルパターンを読み取るように構成される少なくとも１つの光学式読取機器を含む、座標測定装置。
【請求項２】
前記光学式読取機器は、カメラを含む、請求項１に記載の座標測定装置。
【請求項３】
第１の端と、第２の端と、それらの間の少なくとも第１のアームセグメントおよび第２のアームセグメントとを有する関節付きアームと、
前記第１のアームセグメントを前記第２のアームセグメントに接続する少なくとも１つの二軸回転継ぎ手であって、前記第１のアームセグメントを前記第２のアームセグメントに相対的に枢動可能および回転可能にするように、且つ前記関節付きアームにおける分離可能な関節部材を形成するように構成される継ぎ手と、
前記関節付きアームの前記第１の端に取り付けられる測定プローブと、
を備え、
前記継ぎ手は、前記継ぎ手の第１の回転軸を定めるために前記第１のアームセグメントに回転自在に結合されるとともに前記継ぎ手の第２の回転軸を定めるために前記第２のアームセグメントに回転自在に結合される継ぎ手ボディを含み、
前記継ぎ手は、前記第１のアームセグメントに結合されるデータ表面と、前記第２のアームセグメントに結合されるデータ取得機器とをさらに含み、
前記データ取得機器は、前記データ表面からデータを取得するように構成され、
前記データ表面は、外側表面上にボール表面の特定の場所に相関させられた複数の固有の三角形を含むグラフィカルパターンを設けられたボール部分を含む、
座標測定装置。
【請求項４】
ターゲット表面に関する座標データを取得するために、第１のアームセグメントを第２のアームセグメントに接続する少なくとも１つのボールソケット継ぎ手であってボール部材およびソケット部材を含むボールソケット継ぎ手を有する座標測定装置を動作させる方法であって、
ボールソケット継ぎ手の接続又は切り離しを行いアームセグメントの追加又は除去を行うことで、前記座標測定装置をカスタマイズするステップと、
前記ボールソケット継ぎ手を使用して、第１のアームセグメントを第２のアームセグメントに相対的に動かすステップであって、前記ボールソケット継ぎ手は、前記第１のアームセグメントを前記第２のアームセグメントに相対的に枢動可能および回転可能にするように構成される、ステップと、
前記ボールソケット継ぎ手のデータ表面であってボール表面の特定の場所に相関させられた複数の固有の形を含むデータ表面から、前記第２のアームセグメントに相対的な前記第１のアームセグメントの枢動位置および回転位置の位置データを取得するステップと、
前記第１のアームセグメントに接続されるプローブ部材を前記ターゲット表面に相対的に動かすステップと、
を備える方法。
【請求項５】
前記位置データを取得するステップは、さらに、前記データ表面上のグラフィカルパターンを光学的に捕捉することを含み、
前記グラフィカルパターンは、前記第１のアームセグメントに相対的な前記第１のアームセグメントの枢動の量および回転の量に関する位置データを提供するように適応される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
第１の端と、第２の端と、それらの間の少なくとも第１のアームセグメントおよび第２のアームセグメントとを有する関節付きアームと、
前記第１のアームセグメントを前記第２のアームセグメントに接続する少なくとも１つの継ぎ手であって、第１の継ぎ手部材および第２の継ぎ手部材を含む継ぎ手と、
前記関節付きアームの前記第１の端に取り付けられる測定プローブと、を備え、
前記継ぎ手は、前記第１の継ぎ手部材と前記第２の継ぎ手部材により前記関節付きアームにおける分離可能な関節部材を形成し、
前記継ぎ手は、前記第１のアームセグメントと前記第２のアームセグメント間に２つまたは３つ以上の自由度の動きを提供可能であり、いずれの自由度の測定も、前記第１のアームセグメントに結合された、ボール表面の特定の場所に相関させられた複数の固有の形を含むデータ表面を測定することによってなされる、座標測定装置。
【請求項７】
カメラをさらに備え、
前記カメラの使用によって測定がなされる、請求項６に記載の座標測定装置。
【請求項８】
球体エンコーダをさらに備え、
前記球体エンコーダによって測定がなされる、請求項６に記載の座標測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜関連出願についての説明＞
本出願は、２００６年１１月２０日に出願され現在係属中でありその全体を参照によって本明細書に組み込まれる米国仮出願第６０／８６０，２３９号「COORDINATE MEASUREMENT MACHINE WITH IMPROVED JOINT（継ぎ手を改良された座標測定機）」の利益を主張するものである。
＜背景技術＞
＜発明の技術分野＞
【０００２】
本発明は、測定機器に関するものであり、より具体的には、三次元物体の座標を測定するための関節付きアーム座標測定機に関するものである。
＜関連技術の表示＞
【０００３】
座標測定機（ＣＭＭ：Coordinate Measuring Machine）とも、携帯型座標測定機（ＰＣＭＭ：Portable Coordinate Measuring Machine）を含む関節付きアーム測定機とも称される直線測定システムが、様々な物体および領域から幾何学情報を生成するためのものとして説明されてきた。一般に、これらの器具は、電子的レンダリングおよび複製における使用のために、物体の構造特性を捕獲する。座標データの取得のために使用される従来の装置の一例は、支えと、接触感知式プローブまたは遠隔走査機器を取り付けるヒンジセグメントで構成された可動式測定アームとを含む。
【０００４】
幾何学情報、すなわち物体の形状、特徴、およびサイズを特徴付ける三次元座標データは、物体の表面および輪郭に沿ったトレースまたは走査によって取得することができる。プローブすなわち走査機器の動きは、通常は、基準座標系に相対的に追跡され、その結果、物体の正確な電子的レンダリングの展開に使用することができるデータ点および情報が収集される。従来の実装形態では、取得された幾何学情報は、その情報を物体の表面輪郭および寸法のモデル化に利用することができるコンピュータによって処理される。
＜発明の概要＞
【０００５】
一実施形態では、座標測定装置は、第１の端および第２の端をそれらの間の少なくとも第１のアームセグメントおよび第２のアームセグメントとともに有する関節付きアームを含む。さらに、当該装置は、第１のアームセグメントを第２のアームセグメントに接続する少なくとも１つのボールソケット継ぎ手（玉継ぎ手）であって、ボール部材およびソケット部材を含むボールソケット継ぎ手と、上記関節付きアームの第１の端に取り付けられる測定プローブとを含むことができる。別の実施形態では、ボール部材は、少なくとも１つのグラフィカルパターンを含み、ソケット部材は、上記グラフィカルパターンを読み取るように構成される少なくとも１つの光学式読取機器を含む。その他の装置構成では、光学式読取機器は、カメラを含む。さらに別の実施形態では、ボール部材は、少なくとも１つの磁石部材を使用して、ソケット部材に隣接して維持される。なおもさらに別の実施形態では、ボール部材は、少なくとも１つの真空ポートを使用して、ソケット部材に隣接して維持される。
【０００６】
別の装置構成では、座標測定装置は、さらに、第１のアームセグメントに回転自在に接続されるスリップリングを含む。その他の実施形態では、座標測定装置は、スリップリングに取り付けられる１つまたは２つ以上の配線接続を含む。このような配線接続は、第２のアームセグメントと電子的に連絡しており、上記第１のアームセグメントと上記第１のアームセグメントとの間でデータを転送するように構成される。
【０００７】
一部の実施形態では、座標測定装置は、第１の端と、第２の端と、それらの間の少なくとも第１のアームセグメントおよび第２のアームセグメントとを有する関節付きアームを含む。さらに、当該座標測定装置は、上記第１のアームセグメントを上記第２のアームセグメントに接続する少なくとも１つの継ぎ手であって、上記第１のアームセグメントを上記第２のアームセグメントに相対的に枢動可能および回転可能にするように構成される継ぎ手と、上記関節付きアームの上記第１の端に取り付けられる測定プローブとを含む。別の装置構成では、座標測定装置は、第１の端と、第２の端と、それらの間の少なくとも第１のアームセグメントおよび第２のアームセグメントとを有する関節付きアームを含む。さらに、少なくとも１つの継ぎ手が、第１のアームセグメントを第２のアームセグメントに接続し、上記継ぎ手は、第１の継ぎ手部材および第２の継ぎ手部材を含む。また、当該座標測定装置は、上記関節付きアームの上記第１の端に取り付けられる測定プローブを含み、上記第１のアームセグメントが、上記第２のアームセグメントに相対的に枢動および回転するように構成されるように、上記第１の継ぎ手部材または第２の継ぎ手部材の一方は、概ね凸状の表面を含み、上記第１の継ぎ手部材または上記第２の継ぎ手部材のもう一方は、上記第１の継ぎ手部材の上記凸状表面と概ね合わさるように構成される丸みを帯びた表面を含む。
【０００８】
ターゲット表面に関する座標データを取得するために座標測定装置を動作させる方法は、第１の継ぎ手を使用して、第１のアームセグメントを第２のアームセグメントに相対的に動かすことであって、上記第１の継ぎ手は、上記第１のアームセグメントを上記第２のアームセグメントに相対的に枢動可能および回転可能にするように構成される、ことと、第１の継ぎ手のデータ表面から、第２のアームセグメントに相対的な第１のアームセグメントの枢動位置および回転位置の位置データを取得することとを含む。さらに、当該方法は、上記第１のアームセグメントに接続されるプローブ部材を上記ターゲット表面に相対的に動かすことを含む。
【０００９】
一部の実施形態では、関節付きアームと、少なくとも１つの継ぎ手と、測定プローブとを含む座標測定装置が提供される。関節付きアームは、第１の端と、第２の端と、それらの間の少なくとも第１のアームセグメントおよび第２のアームセグメントとを有する。少なくとも１つの継ぎ手は、上記第１のアームセグメントを上記第２のアームセグメントに接続する。当該継ぎ手は、第１の継ぎ手部材および第２の継ぎ手部材を含む。測定プローブは、上記関節付きアームの上記第１の端に取り付けられる。当該継ぎ手は、２つまたは３つ以上の自由度で動くことが可能であり、いずれの自由度の測定も、単一にコード化された表面を測定することによってなされる。
【００１０】
本発明の例示的な実施形態を示した添付の図面と関連させた以下の詳細な説明から、本発明のさらなる目的、特徴、および利点が明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】座標測定機の実施形態の斜視図である。
【図２】ボールソケット型（玉継ぎ手型）関節部材を含む座標測定機の実施形態の斜視図である。
【図３】座標測定機器に使用するためのボールソケット型関節部材の実施形態の断面図である。
【図４】座標測定機器に使用するための二軸関節部材の実施形態の断面図である。
【図５】関節部材のボール部分の丸い区域の正面図であり、グラフィカルパターンの一実施形態を描いている。
【図６】一実施形態にしたがったボールソケット型関節部材を含むＣＭＭによって座標データを得るためのフローチャートである。
【００１２】
＜好ましい実施形態の詳細な説明＞
図１は、先行技術の座標測定機（ＣＭＭ）１０の一実施形態を図示している。図示された実施形態では、ＣＭＭ１０は、基部２０と、複数の剛性移動部材２４，２６，２８と、座標取得部材３０と、剛性移動部材２４，２６，２８を互いに接続する複数の関節部材４０，４２，４４，４６，４８，５０とを含む。各関節部材は、１つまたは２つ以上の回転自由度および／または角度自由度を付与するように構成される。ＣＭＭ１０は、各種の関節部材４０，４２，４４，４６，４８，５０を通じて各種の空間的向きに合わせることができ、そうして、三次元空間内において座標取得部材３０を微細に位置決め可能にしている。
【００１３】
剛性移動部材２４，２６，２８および座標取得部材３０の位置は、手動式、ロボット式、半ロボット式、および／またはその他の任意の調整方法を使用して調整されてよい。一実施形態では、ＣＭＭ１０は、各種の関節部材を通じて７本の回転運動軸を提供される。しかしながら、使用可能な運動軸の数に厳しい制限はなく、より少ない又はより多い運動軸がＣＭＭ設計に組み入れられてよい。
【００１４】
各種の実施形態では、座標取得部材３０は、選択された物体の表面に係合してプローブ接触に基づいて座標データを生成するように構成される接触感知式部材すなわちプローブ３２を含む。あるいは、座標取得部材３０は、幾何学データの取得のために被選択物体との直接的接触を必ずしも必要としない遠隔走査＆検出コンポーネントを含んでよい。一実施形態では、物体と直接接触することなく幾何学データを得るために、レーザ座標検出機機器（例えばレーザカメラ）が使用されてよい。なお、座標を取得するという目的には、接触感知式プローブ、遠隔走査式プローブ、レーザ走査式プローブ、接触検出用に歪みゲージを使用するプローブ、接触検出用に圧力センサを使用するプローブ、位置決め用に赤外線ビームを使用したプローブ、および静電応答式に構成されるプローブを含む、各種の座標取得部材構成が使用されてよいことがわかる。
【００１５】
その他の実施形態では、１つまたは２つ以上の剛性移動部材２４，２６，２８は、内側の部分と外側の外骨格部分とを含む複合構造を有する。このような装置構成では、剛性移動部材２４，２６，２８の内側部分は、三次元空間内において座標取得部材３０を様々に異なる向きに位置決めする能力を提供する関節部材を通じて相互に接続される。剛性移動部材２４，２６，２８の各種の内側部分を取り囲む外側部分は、内側部分のセグメントを少なくとも部分的に囲う環境障壁を形成する。一態様では、内側部分は、対応する外側部分の内部に「浮く」ように構成される。
【００１６】
当該分野において知られるように、ある瞬間における空間内のプローブ３２の位置は、各部材の長さと、各関節部材４０，４２，４４，４６，４８，５０の具体的な位置とを知ることによって計算することができる。各関節部材４０，４２，４４，４６，４８，５０は、個々の回転可動度に分解可能であり、それぞれ、専用の回転トランスデューサを使用して測定されてよい。各トランスデューサは、その可動度での関節部材４０，４２，４４，４６，４８，５０の動きにしたがって変化する信号（例えば電気信号）を出力する。信号は、配線を通じて基部２０に運ばれてよいまたはその他の手法で基部２０に伝送されてよい。そこから、信号は、空間内のプローブ３２の位置を決定するために、処理および／またはコンピュータに送ることができる。
【００１７】
一実施形態では、トランスデューサは、光学エンコーダを含むことができる。一般に、各エンコーダは、その車軸の回転位置を、連続する透明バンドと不透明バンドとを有する１対の内部車輪にその動きを結合することによって測定する。このような実施形態では、１対の電気出力を供給する光センサ上に、車輪を通じて光を当てることができる。車軸が
弧を描くにつれ、アナログエンコーダの出力は、位相が９０度ずれた実質的に２つの正弦波信号になることができる。粗い位置決めは、２つの信号の極性の変化の観測を通じて生じることができる。微細な位置決めは、問題の瞬間における２つの信号の実際の値を測定することによって決定することができる。特定の実施形態では、出力を、電子雑音によって破損される前に正確に測定することによって、最大の精度が得られる。例示されたＣＭＭ１０の実施形態についてのさらなる詳細および実施形態は、参照によって本明細書に全体を組み込まれる米国特許第５，８２９，１４８号において見いだすことができる。
【００１８】
上述されたＣＭＭ１０は、特に有利であることが証明されているものの、改良を加えることが可能である。例えば、剛性移動部材２４，２６，２８間において、機器１０は、６つの関節部材４０，４２，４４，４６，４８，５０を含む。したがって、各移動部材間には、回転式の動きを提供するように構成される１つの関節部材と、ヒンジ式の動きを提供するように構成されるもう１つの関節部材とがある。各関節部材は、トランスデューサを含む。したがって、関節部材の数を、したがって移動部材間のトランスデューサの数を減らすと有利である。
【００１９】
図２は、移動部材２４Ｂ，２６Ｂ間に自由度２を提供するように構成される関節部材６０を含むＣＭＭ１０Ｂの一実施形態を図示している。なお、ＣＭＭ１０Ｂでは、自由度２の１つの関節部材６０のみが示されているのに対し、変更された実施形態では、ＣＭＭ１０Ｂは、ＣＭＭ１０Ｂのその他の移動部材またはコンポーネントとの間に２つ、３つ、または４つ以上の関節部材６０を含むことができる。図示された実施形態では、関節部材６０は、一方の剛性移動部材２６Ｂを他方の剛性移動部材２４Ｂに相対的に旋回可能にするボールソケット型継ぎ手を含む。その結果、１つのボールソケット型関節部材６０によって自由度２が提供されるので、移動部材間に複数の関節部材を設ける必要が排除される。
【００２０】
引き続き図２を参照すると、関節部材６０のボール（またはオス）部分６２は、上側の剛性移動部材２６Ｂ上に位置決めされ、ソケット（またはメス）部分６４は、下側の剛性移動部材２４Ｂ上に位置決めされる。あるいは、関節部材６０は、ボール部分６２の向きとソケット部分６４の向きとが逆転するように構成されてよい。さらに、前述のように、全体の設計をさらに簡単にするために、ＣＭＭ１０Ｂの剛性移動部材間にさらなるボールソケット型関節部材を設けることができる。図２に図示された実施形態では、ボールソケット型関節部材６０は、ヒンジ式の動きをなおも提供しつつ、旋回する関節部材４０（図１を参照せよ）をＣＭＭの基部に設ける必要を排除する。
【００２１】
図３は、図２のボールソケット型関節部材６０の断面図を示している。図示された実施形態では、ボール部分６２は、移動部材２６Ｂの端に位置決めされ、対応するソケット部分６４は、隣接する移動部材２４Ｂの端に配置される。ボール部分６２およびソケット部分６４は、隣接する移動部材と別々であることが可能である、または移動部材と一体に形成可能である。関節部材コンポーネントが隣接する移動部材と別々である場合は、ボール部分６２およびソケット部分６４を移動部材に固定するために、１つまたは２つ以上の接続方法が使用される。非限定例として、ネジ付け、糊付け、溶接、スナップ装着、留め具（例えばボルト、ネジ、ピンなど）の使用などが挙げられる。
【００２２】
一部の好ましい実施形態では、ボール部分６２は、ソケット部分６４内に設置される１つもしくは２つ以上の磁石または１つの環状磁石６８によってソケット部分６４内に維持することができる。図３に図示されるように、磁石６８は、ボール部分６２に吸引力を及ぼして、ボール部分６２をソケット部分６４の凹面に向かわせる。したがって、ボール部分６２は、磁力の作用を受けられる１つまたは２つ以上の磁気応答性材料（例えば金属）を含むと有利である。
【００２３】
図３に示されるように、環状磁石６８は、ソケット部分６４の合わせ凹状表面にまたはその近くに設置することができる。あるいは、ソケット部分６４は、ボール部分６２がソケット部分６４内に適切に維持されることを確実にするために、１つまたは２つ以上のさらなる磁石を含むことができる。図３に描かれるように、磁石６４は、ボール部分６２をあてがって動かすことができる連続的凹状境界を形成するために、ソケット部分６４の隣接表面と実質的に同一平面にあることが可能である。しかしながら、磁石６８は、必ずしもソケット部分６４の隣接表面と同一平面にある必要はない。例えば、磁石は、ソケット部分６４の凹状表面に対して凹んでいるまたはその他の形態で奥まっていることが可能である。あるいは、磁石は、ソケット部分６４の非磁性隣接表面よりもボール部分６２に近いように配置され、隣接するボール部分６２との接触表面の全部または一部を形成してよい。その他の実施形態では、磁石は、ソケット部分６４の凹状開口端において直接露出されることのないように、凹状表面よりもさらに内部の場所に位置決めされてよい。
【００２４】
好ましくは、磁石の材料、サイズ、形状、場所、磁性強度、向き、およびその他の特性は、動作時における関節部材６０の全可動範囲にわたってボール部分６２が絶えずソケット部分６４内に維持されることを保証するように選択される。また、磁石は、ボール部分６２をソケット部分６４から離す可能性のあるあらゆる予期される力および／またはモーメントに抵抗できることが好ましい。その他の実施形態では、関節部材６０のボール部分６２は、ソケット部分６４上に位置決めされた磁石の追加または代わりとして１つまたは２つ以上の磁石を含んでよい。
【００２５】
ボールソケット型関節部材６０の完全性を維持するその他の方法を、磁石の代わりにまたは磁石と組み合わせて使用することができる。例えば、ボール部分６２をソケット部分６４内に駆り立てるために、真空を使用することができる。ボール部分６２、ソケット部分６４、またはその両方に、１つまたは２つ以上の真空源が配置されてよい。このような真空源は、１つまたは２つ以上の真空ポートを通じてボール部分６２および／またはソケット部分６４と境を接してよい。その他の実施形態では、ボール部分６２は、バネまたはその他の付勢部材を使用してソケット部分６４内に固定されてよい。その他の実施形態では、関節部材６０は、別の方法で機械的にボール部分６２をソケット部分６０内に保持するように構成することができる。例えば、図３では、ソケット部分６４の開口端は、ボール部分６２がソケット部分６４の内側の凹状部分から引き出されることのないようにボール部分６２を取り囲んでよい。このような実施形態では、ソケット部分６４は、ボール部分６２を締め付けるために使用できる可調整式のケースを含んでよい。
【００２６】
ボール部分６２をソケット部分６４内に保持するために使用される方法に関係なく、関節部材６０は、比較的単純になおかつ素早く組み立ておよび／または分解されるように構成されることが好ましい。例えば、磁石を用いる関節部材は、隣接する剛性移動部材２４Ｂ，２６Ｂを互いから離すように単純に引っ張ることによって分離されてよい。あるいは、関節部材６０は、ボール部分６２をソケット部分６４内に維持する磁力を一時的に不活性にして移動部材２４Ｂ，２６Ｂをより容易に分離可能にするように構成されてよい。このような特徴は、ボール部分６２をソケット部分６４内に維持する磁力が比較的強い場合に特に有用である。関節部材の完全性を維持するために真空を用いる実施形態では、ボール部分６２は、（例えば電源スイッチまたは電源レバーの操作により）真空源を中断することによってソケット部分６４から分離されてよい。同様に、ボール部分６２とソケット部分６４とをつなぐために使用される機械的部材は、操作を容易にして関節部材６０の接続および／または切り離しを容易に可能にするように構成されることが好ましい。
【００２７】
上記の実施形態において説明された特徴は、所望のモジュール化度をＣＭＭに付与することができる。例えば、ボールソケット型関節部材の接続および／または切り離しが比較的容易であると、移動部材を追加するかまたは除去するかのいずれかによってＣＭＭを変
更することが可能になる。また、このような変更形態は、ＣＭＭが使用されている現地において実施することができる。このため、ＣＭＭは、特定の応用に応じて便利にカスタマイズすることができる。さらに、組み立ておよび分解が単純であるというボールソケット型関節部材の特性は、ＣＭＭの運搬および全体的可動性を助長する。
【００２８】
好ましくは、関節部材６０のボール部分６２とソケット部分６４との間において、滑らかでなおかつ遮られない三次元の枢動が可能にされる。一実施形態では、ボール部分６２およびソケット部分６４の隣接表面は、平滑金属や合成ポリマなどの１つまたは２つ以上の低摩擦材料で製造される。関節部材６０内における摩擦の効果をさらに低減させるために、ボール部分６２および／またはソケット部分６４には、１つまたは２つ以上のコーティング、層、潤滑剤などを随意に加えることができる。
【００２９】
好ましい実施形態では、ソケット部分６４に相対的なボール部分６２の可動範囲を、関節部材６０および／または関節部材６０につながれる剛性移動部材の形状によって向上させてよい。例えば、図３において、移動部材２６Ｂは、ボール部分６２との境界に段７０またはへこみを含む。さらに、ソケット部分６４の開口端７２は、ボール部分６２から離れる方向に角度付けられてよい。したがって、さもなくば妨げになるであろう表面を排除することによって、隣り合う移動部材２４Ｂ，２６Ｂが互いに相対的に旋回可能な限度を高めることができる。
【００３０】
上記のように、ある瞬間における空間内のＣＭＭプローブの位置は、一部には、各関節部材の位置を知ることによって計算することができる。図３の実施形態では、光撮像技術を使用して、ボールソケット型関節部材の具体的角度位置を決定することができる。図に示されるように、ボール部分６２の表面は、グラフィカルパターン８０を含むことができる。描かれたグラフィカルパターン８０は、ボール部分６２の表面領域一面に分散された複数のドットすなわち点を含む。図示された実施形態では、ドットは、想像線によって相互につながれて（すなわち、図３では、明瞭化を目的として線が示されている）、隣接する複数の三角形を形成している。より詳しく後述されるように、各三角形は、ボール部分表面の特定の場所に相関させられるように、形状、サイズ、および／またはその他の構成を固有に設定されることが好ましい。
【００３１】
図３において、ソケット部分６４は、ソケット部分６４の中心縦軸７８および取り付けられた移動部材２４Ｂと実質的に同軸である孔８４を含むことができる。ソケット部分６４の遠位端まで達する孔８４は、ボール部分６２上に位置するグラフィカルパターン８０を読み取るように構成される光学カメラ８６を収容するようにサイズおよび形状を設定されることが好ましい。図示された実施形態では、孔８４およびカメラ８６外側は、ともに、概ね円筒形である。カメラ８６は、溶接、接着剤、ボルト、ネジ、ピン、スナップ装着部材、係合部材、その他の留め具等などを使用して、孔８４内に固定されてよい。使用される厳密な取り付け方法に関係なく、カメラ８６は、ＣＭＭの動作中、ソケット部分６４に静的に接続されていることが好ましい。その他の実施形態では、グラフィカルパターン８０を読み取るために、さらに１つまたは２つ以上のカメラ８６が使用されてよい。その他の実施形態では、グラフィカルパターン８０を読み取るために、球体エンコーダなどの光学エンコーダを使用することができる。
【００３２】
孔８４は、孔８４を通して見ることができるボール部分の外側表面の区域を照らすために、さらに、光素子８８を含んでよい。図４において、光素子８８は、カメラ８６と孔８４の内径との間にしっかり位置決めされる光リングを含む。好ましくは、カメラ８６に関連して上述されるように、光素子８８の位置は、ＣＭＭの動作中、動かないようにソケット部分６４に取り付けられる。さらに、いくつかの装置構成では、特定の構成による必要性に応じてさらなる光素子が提供されてよい。
【００３３】
引き続き図３を参照すると、各種のＣＭＭコンポーネント（例えば関節部材、プローブ部材など）の電力および／または向きもしくは位置に関するデータは、隣り合う剛性部材２４Ｂ，２６Ｂ間において、配線接続９０を使用して伝送されてよい。好ましくは、このような配線接続９０は、２つの配線接続端９２Ａ，９２Ｂを随意に切り離すために、連結器９４を装備している。例えば、連結器９４は、関節部材６０によって接続された移動部材を分離する前に切り離すことができる。図３に図示されるように、少なくとも１つの移動部材２６Ｂが、配線接続９０を取り付けるためのスリップリング９６を含むと好ましいであろう。スリップリング９６は、移動部材２６Ｂの内部セグメントに相対的に回転する。したがって、スリップリング９６は、ボール部分６２とソケット部分６４とが互いに相対的にどのように動かされるかに関係なく、配線接続９０がボールソケット型関節部材６０の動きすなわち動作を妨げないことを保証する。
【００３４】
あるいは、座標データを伝送するために、隣接する移動部材間において、無線接続を使用することができる。使用されえる無線接続のタイプの非限定例は、赤外線（ＩＲ）、無線周波数（ＲＦ）、Ｗｉ−Ｆｉ、およびその他を含む。
【００３５】
図４を参照すると、ボール６２’を含む二軸関節部材６０’の実施形態の断面が図示されている。二軸関節部材は、図２に図示されるような一部の実施形態のＣＭＭに使用することができる。図示された実施形態では、ボール部分６２’は、移動部材２６Ｂの端に位置決めされる。二軸回転継ぎ手が、移動部材２６Ｂを隣接する移動部材２４Ｂに接続する。ボール６２’は、移動部材２６Ｂと別々であることが可能である、または移動部材２６Ｂと一体に形成可能である。ボール６２’が隣接する移動部材と別々である場合は、ボール部分６２’を移動部材２６Ｂに固定するために、１つまたは２つ以上の接続方法を使用することができる。非限定例として、ネジ付け、糊付け、溶接、スナップ装着、留め具（例えばボルト、ネジ、ピンなど）の使用などが挙げられる。
【００３６】
ボール６２’は、二軸回転継ぎ手の第１の回転軸１５２を定めるために、継ぎ手ボディ１５４に回転自在に結合することができる。引き続き図４を参照すると、ボール６２’は、そこから伸びるとともに継ぎ手の第１の回転軸１５２を定めるアーム１５０を有することができる。アーム１５０は、ボール６２’と一体に形成することができる、または上述の１つもしくは２つ以上の接続方法を使用して接続することができる。アームは、第１の軸１５２を中心にしてボール６２’および移動部材２６Ｂに相対的に継ぎ手ボディ１５４を回転可能にするために、軸受け１５６などによって、回転自在に継ぎ手ボディ１５４に結合することができる。その他の実施形態では、ボール６２’は、そこから伸びるアーム１５０を有していない。代わりに、これらの実施形態では、ボール６２’は、継ぎ手ボディ１５４に直接、回転自在に結合することができる。
【００３７】
引き続き図４を参照すると、継ぎ手ボディ１５４は、隣接する移動部材２４Ｂに、その縦軸７８に対して回転自在に結合することができる。図示された実施形態では、移動部材２４Ｂ用のエンドキャップ１５８が、移動部材２４Ｂに回転自在に結合するためのフランジ延長１６０を有することができる。軸受け１６２は、エンドキャップ１５８のフランジ延長１６０を継ぎ手ボディ１５４に回転自在に結合することができる。一部の実施形態では、エンドキャップ１５４は、ネジ結合、接着剤、溶接、または別の適切な留め付け技術などによって、移動部材２４Ｂに留め付けることができる。その他の実施形態では、エンドキャップ１５４は、移動部材２４Ｂと一体に形成することができる。その他の実施形態では、移動部材２４Ｂは、継ぎ手部材１５４に回転自在に結合するためにフランジ端を有することができる。
【００３８】
図４を参照すると、エンドキャップ１５８は、エンドキャップ１５８の中心縦軸７８お
よび取り付けられた移動部材２４Ｂに実質的に同軸である孔１６４を含むことができる。エンドキャップ１５８の遠位端まで達する孔１６４は、ボール部分６２’上のグラフィカルパターン８０を読み取るように構成される光学カメラ８６を収容するようにサイズおよび形状を設定されることが好ましい。図示された実施形態では、孔１６４およびカメラ８６外側は、ともに、概ね円筒形である。カメラ８６は、溶接、接着剤、ボルト、ネジ、ピン、スナップ装着部材、係合部材、その他の留め具等などを使用して、孔１６４内に固定されてよい。使用される厳密な取り付け方法に関係なく、カメラ８６は、ＣＭＭの動作中、エンドキャップ１５８に静的に接続されていることが好ましい。その他の実施形態では、グラフィカルパターン８０を読み取るために、さらに１つまたは２つ以上のカメラ８６が使用されてよい。その他の実施形態では、グラフィカルパターン８０を読み取るために、球体エンコーダなどの光学エンコーダが使用されてよい。
【００３９】
図４を参照すると、例示された実施形態において、第１の回転軸１５２は、継ぎ手の第２の回転軸を定める移動部材２４Ｂの縦軸７８に対し、例えば実質的に垂直であるなどのように、直角に走る。したがって、継ぎ手は、２本の回転軸を中心に関節接合することができる。有利なことに、図示された実施形態では、継ぎ手を回転自在に結合する軸受け１５６，１６２は、継ぎ手のコンポーネント間の既知の分離を維持しつつ回転を可能にすることができる。
【００４０】
上記のように、ある瞬間における空間内のＣＭＭプローブの位置は、一部には、各関節部材の位置を知ることによって計算することができる。図４の実施形態では、光撮像技術を使用して、２本の回転軸１５２，７８に相対的な二軸継ぎ手型関節部材の具体的角度位置を決定することができる。図に示されるように、ボール部分６２’の表面は、グラフィカルパターン８０を含むことができる。描かれたグラフィカルパターン８０は、ボール部分６２の表面領域一面に分散された複数のドットすなわち点を含む。図示された実施形態では、ドットは、想像線によって相互につながれて（すなわち、図４では、明瞭化を目的として線が示されている）、隣接する複数の三角形を形成している。より詳しく後述されるように、各三角形は、ボール部分表面の特定の場所に相関させられるように、形状、サイズ、および／またはその他の構成を固有に設定されることが好ましい。
【００４１】
図３について上述されたように、二軸継ぎ手の一部の実施形態では、孔１６４は、孔１６４を通して見ることができるボール部分の外側表面の区域を照らすために、さらに、光素子８８を含んでよい。図４において、光素子８８は、カメラ８６と孔１６４の内径との間にしっかり位置決めされる光リングを含む。その他の実施形態では、継ぎ手は、２つ以上の光素子を含むことができる。
【００４２】
図３について上述されたように、二軸継ぎ手の一部の実施形態において、各種のＣＭＭコンポーネント（例えば関節部材、プローブ部材など）の電力および／または向きもしくは位置に関するデータは、隣り合う剛性部材２４Ｂ，２６Ｂ間において、配線接続を使用して伝送されてよい。好ましくは、このような配線接続９０は、２つの配線接続端を随意に切り離すために、連結器を装備している。図４に図示されるように、少なくとも１つの移動部材２６Ｂが、配線接続を取り付けるためのスリップリング９６を含むと好ましいであろう。スリップリング９６は、移動部材２６Ｂの内部セグメントに相対的に回転する。したがって、スリップリング９６は、移動部材２４Ｂ，２６Ｂが互いに相対的にどのように動かされるかに関係なく、配線接続が二軸関節部材６０’の動きすなわち動作を妨げないことを保証する。あるいは、座標データを伝送するために、隣接する移動部材間において、無線接続を使用することができる。使用されえる無線接続のタイプの非限定例は、赤外線（ＩＲ）、無線周波数（ＲＦ）、Ｗｉ−Ｆｉ、およびその他を含む。
【００４３】
図５における実施形態は、ソケット部分６４またはエンドキャップ１５８の孔８４，１
６４の中から見られるグラフィカルパターン８０を図示している。したがって、これは、関節部材が特定の角度方向にあるときにカメラ８６によって検出可能であるグラフィカルパターン８０の範囲である。好ましくは、グラフィカルパターン８０に含まれる各三角形またはその他の形状は、固有である。例えば、各三角形は、サイズ、寸法、形状、内角の角度、辺長比等などにしたがって可変である。したがって、カメラ８６は、それが光学的に検出した領域を、関節部材の明確な位置に相関させることができる。一実施形態において、カメラ８６は、１つの三角形またはその他グラフィカル特徴のみを検出することによって、関節部材の厳密な向きを決定することができる。しかしながら、その他の装置構成では、カメラ８６は、対応する関節部材の位置を正確に決定する前に、２つ、３つ、または４つ以上の三角形またはその他特徴を読み取りおよび特定する必要があるであろう。さらに、カメラ８６によって検出されたパターン８０を特定の関節部材位置に相関させるために、１つまたは２つ以上のアルゴリズムが使用されてよい。図６を参照にして後述されるように、取得されたデータは、ＣＭＭプローブ部材の座標を決定するために、各種の関節部材の位置を関連付ける。
【００４４】
図６を参照すると、先ずは、関節部材６０，６０’のボール部分６２，６２’の露出表面上のグラフィカルパターン８０を照らすために、光素子が作動されてよい（１１０）。一実施形態では、次は、光学カメラ８６が、どの三角形が露出グラフィカルパターン８０の中心に位置しているかを決定し、その特性を取得してよい（１１２）。例えば、カメラ８６によって、三角形のサイズ、形状、面積、内角等などが検出されてよい。このようなデータは、特にグラフィカルパターン８０内の各三角形が固有である場合には、三角形およびその厳密な向きを特定するために使用されてよい（１１４）。さらには、特定された三角形の向きに関する情報を、ボールソケット型関節部材の固有な位置（例えば曲げ、回転など）に相関させることができる（１１６）。最後は、ＣＭＭの各関節部材から収集されたデータが、プローブ部材の厳密な座標を計算するために使用される（１１８）。代替の装置構成では、カメラ８６は、関節部材の向きを決定するために、グラフィカルパターン８０内の２つまたは３つ以上の三角形またはその他グラフィカルベンチマークに関する情報を取得する必要があるであろう。
【００４５】
当業者ならば、三角形の追加または代わりとしてその他のグラフィカルパターンを使用できることがわかる。例えば、一部の実施形態では、グラフィカルパターンは、ドット、丸、長方形、および／またはその他の幾何学形状を含んでよい。その他の実施形態では、表面が色コード化されてよく、カメラは、色合い、色の強さ、色調などの微妙な差を検出するように構成される。さらに、ボールソケット関節部材６０には、複数の異なるグラフィカルパターンが使用できると考えられ、これは、二軸関節部材６０’において使用されるよりも多い三軸の動きを提供する。好ましくは、特定のパターンに含まれるグラフィカル素子は、光学カメラによって、高い信頼性でなおかつ正確に検出するおよび互いに区別することができる。グラフィカルパターン８０は、任意の適切な方法を使用して、関節部材の表面（例えばボール部分６２，６２’）上に設けることができる。例えば、パターン８０は、落ちにくい染料、インク、またはその他の着色顔料を使用して、ボール部分の表面上に記されよい。あるいは、グラフィカルパターンは、表面内に直接掘り込みまたは形成されてよい。その他の非限定的な実施形態では、グラフィカルパターンは、表面上にコーティングおよび／またはめっきの一部として設けることができる。
【００４６】
上述されたボールソケット型関節部材の実施形態では、グラフィカル表面は、ボール部分６２上に含まれている。しかしながら、関節部材は、代わりとして、グラフィカル表面がソケット部分６４の凹状表面上または継ぎ手ボディ１５４の内側表面上に位置決めされるように構成されてよい。このような実施形態では、カメラまたはその他の検出部材は、ボール部分６２内に固定されることが好ましい。
【００４７】
上述された様々なデバイス、方法、手順、および技術は、本発明を実施する数々の方法を提供する。もちろん、本明細書に記載されたいかなる特定の実施形態も、その実施形態にしたがって、上述された目的または利点を必ずしも全て実現できるとは限らない。また、本発明は、特定の実施形態および実施例に照らして開示されているが、当業者ならば、本発明が、具体的に開示された実施形態を超えて、その他の代替の実施形態、組み合わせ、小組み合わせ、および／または用途、ならびにそれらの自明の変更および等価の形態をも網羅することがわかる。したがって、本発明は、本明細書における好ましい実施形態の具体的開示に限定されない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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