(57)【要約】６つの長さ調節可能支柱が、３つの三角形状に間隔を隔てられた場所で制御可能に可動なプラットフォームに結合され、支柱の対がその各場所で互いに結合し、かつ２分岐自由継手でプラットフォームに結合する、ヘキサポッド機械が開示される。支柱はプラットフォームから遠ざかるように延在し、機械サブフレームにおける三角形状に間隔を隔てられた場所に規定される機械ノードを通り、そのようなノードの各々で１つのプラットフォーム場所から延在する支柱と、次の隣接するプラットフォーム場所から延在する次の隣接する支柱とが合わさって、サブフレームのソケットに多方向回動運動のためにジャーナル軸受される２分岐球のそれぞれの半球で互いに交差する。各半球はモータを含み、これはそれぞれの支柱と摩擦的に係合して、半球を通して駆動することによりその有効長さを調節する。モータの制御により、プラットフォーム場所および配向は空間内で調節可能になる。さらに開示されるのは、ペンタポッド機械であって、３つの調節可能な脚を備えたトライポッドが第１のツール支持部の場所を規定し、第２の間隔を隔てたツール支持部は２つの調節可能な脚によって規定され、ツールはこの２つの支持部の間で支持される。
2004512476.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械であって、機械ノードを通して駆動されて有効支柱長さを変化させ得る細長い支柱を含み、少なくとも２つの支柱が２分岐共通ノードを共有する、機械。
【請求項２】
ヘキサポッド構造を構成する、請求項１に記載の機械。
【請求項３】
前記ヘキサポッド構造は、サブフレームとそれに対して可動であるプラットフォームとで６つのノードを規定する６つの細長い支柱を含み、前記ノードのうち３つは互い違いの（ａｌｔｅｒｎａｔｅ）支柱対端部を多軸カップリングによって前記プラットフォームに接続し、前記ノードのうち前記サブフレームで規定される３つは、支柱が共通軸を中心として回動運動で互いに交差して通過することができるように、隣接する支柱対を保持する２分岐共通ノードを含む、、請求項２に記載の機械。
【請求項４】
前記互い違いの支柱対端部は、２分岐多軸カップリングでプラットフォームに結合される、請求項３に記載の機械。
【請求項５】
前記支柱端部は各々、それ自体の離散した多軸カップリングによってプラットフォームに結合される、請求項３に記載の機械。
【請求項６】
前記２分岐共通ノードは各々が２つの半球を含み、１つがそれぞれの機械ノードを通過する各支柱に対するものであり、２つの半球は共通軸を中心として互いに対して回動可能であるように互いに対して球状に構成され、前記球状構成はその多軸運動に備える相補なソケットに保持される、前記請求項のいずれかに記載の機械。
【請求項７】
前記半球の各々は支柱駆動モータを含む、請求項６に記載の機械。
【請求項８】
前記支柱駆動モータは、摩擦駆動によってそれぞれの半球を通してそれぞれの支柱を駆動するように適合される、請求項７に記載の機械。
【請求項９】
前記摩擦駆動は、それぞれの支柱の両側に摩擦的に係合する両側の駆動ローラ対を含む、請求項８に記載の機械。
【請求項１０】
前記ローラは各々が、支柱の幅に及ぶより大きな直径のホイールに結合されそれぞれ対になって相互に互いに接触し、そのような対のうちの少なくとも１つが前記モータによって駆動されるピニオンによって駆動される、請求項９に記載の機械。
【請求項１１】
前記ピニオンは、モータ駆動軸に結合されるピニオンによってモータにより駆動されるよう配置されるより大きな直径のホイールに結合される、請求項１０に記載の機械。
【請求項１２】
前記ホイールは各々がエラストマのバンドを保持し、前記エラストマのバンドは柔軟性バンドを保持し、隣接するホイール同士またはピニオンとの間の接触圧力が外側のバンドを曲げ、かつ前記エラストマのバンドを縮ませるように構成される、請求項１０または請求項１１に記載の機械。
【請求項１３】
前記支柱はその両側に、各々が細長い柔軟性ロッドを前記摩擦駆動によって接触されるよう保持するエラストマのサドルを含む、請求項８から請求項１２のいずれかに記載の機械。
【請求項１４】
前記支柱は総じて、半球状または断面がＤ字型であり、共通ノードを共有する２つの支柱はそれらの平坦面が向き合うよう構成される、請求項６から請求項１３のいずれかに記載の機械。
【請求項１５】
前記３つの駆動ノードは、調節するべきノードの間隔空けを可能にする調節可能部材の総じて三角形のフレームワークによって間隔を空けられる、請求項３から請求項１４のいずれかに記載の機械。
【請求項１６】
前記３つの駆動ノードは総じて３角形のフレームワークによって間隔を空けられ、前記フレームワーク自体は少なくとも２自由度のリンケージを介して３対の長さ調節可能支柱によって支持され、前記長さ調節可能支柱はそれらのベース端部で回動可能ジョイントにより隣接する対として結合される、請求項６から請求項１５のいずれかに記載の機械。
【請求項１７】
前記長さ調節可能支柱は各々が２つの入れ子状部材を含み、前記入れ子状部材は、質量カウンターバランスとして作用する内部空気支柱と入れ子状界面に動力（ｐｏｗｅｒｅｄ）クランプ手段とを備える、請求項１６に記載の機械。
【請求項１８】
３つの駆動ノードは総じて垂直な平面で支持される、請求項６から請求項１７のいずれかに記載の機械。
【請求項１９】
３つの駆動ノードは、鋳造または成形された本体によって総じて垂直な平面に支持され、前記本体は総じて水平作業テーブルに対する支持部を規定する総じて水平な延在する点を有する、請求項１８に記載の機械。
【請求項２０】
全体が包含された作業空間を前記鋳造または成形された本体と規定する取り外し可能なカバーを含む、請求項１９に記載の機械。
【請求項２１】
機械であって、
機械ノードを通して駆動されて有効支柱長さを変化できる細長い支柱を含み、前記支柱のうちの３つは、前記３つの支柱の長さに依存して空間内で可動である第１のツール支持部を規定するよう一方端で可動に互いに接続され、前記支柱のうちさらに２つは、前記２つの支柱の長さに依存して空間内で可動である第２のツール支持を規定するよう一方端で可動に互いに接続され、さらに
前記第１のツール支持部と第２のツール支持部との間で支持されるツールを含む、機械。
【請求項２２】
前記ノードは球状ボールを含み、前記ボールは前記ボールの多方向回動運動を可能にする相補なソケット内に保持される、請求項２１に記載の機械。
【請求項２３】
前記ボールは支柱駆動モータを含む、請求項２２に記載の機械。
【請求項２４】
前記支柱はねじ山を切られ、前記モータは前記支柱とねじ山で係合する駆動部材を含む、請求項２３に記載の機械。
【請求項２５】
前記第１のツール支持部は３分岐カップリングによって規定され、前記３分岐カップリングは、第１の支柱支持リングと、第１の環状くさびと、第２の支柱支持リングと、第２の環状くさびとを含み、これらすべてがボールの周りに嵌められ、前記環状くさびが内向きに圧縮して前記ボールを保持し、他のリングは間隔を空けられて円錐台（ｆｒｕｓｔｏ−ｃｏｎｉｃａｌ）面により支持され、前記ボール自体は２分岐して一方が保持されるベース基準を構成し、他方が第３の支柱に装着されて、かつ前記一方に対する回動運動のために前記一方にジャーナル軸受態様で受けられる、請求項２１から請求項２４のいずれかに記載の機械。
【請求項２６】
機械であって、
３つの長さ調節可能支柱を含み、前記３つの長さ調節可能支柱は間隔を空けられて、一方端で機械サブフレームに対して多方向回動運動するようジャーナル軸受態様で受けられ、かつ他方端で前記３つの支柱の相対的な長さに依存して自由空間で第１のツール支持部を可動に規定するように可動に互いに接続され、
自由空間で可動である第２のツール支持部は、２つのさらなる長さ調節可能支柱の可動に接続される端部によって規定され、前記２つのさらなる長さ調節可能支柱の他方端は間隔を空けられて前記サブフレームに対して多方向回動運動するようジャーナル軸受態様で受けられる、機械。
【請求項２７】
前記機械サブフレームは、中間位置において、前記第１および第２のツール支持部が総じて垂直に構成されるよう、実質的に垂直に配向される、請求項２１から請求項２６のいずれかに記載の機械。
【請求項２８】
前記機械サブフレームは、前記支柱を支持する総じて垂直な部品と作業テーブルを規定する総じて水平な部分とを含む成形物または鋳造物と、定位置では完全に前記作業空間を包含する取り外し可能に設けられるカバーとを含む、請求項２７に記載の機械。
【請求項２９】
摩擦駆動モータであって、前記摩擦駆動モータは前記モータと細長い部材との間の相対的な長手方向の運動を引き起こすためのものであり、前記摩擦駆動モータは前記細長い部材の両側に摩擦的に係合する両側の駆動ローラ対を含み、前記両側の駆動ローラ対は、前記細長い部材の幅をわたって互いに摩擦的に係合するより直径の大きいホイールに結合される、摩擦駆動モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はパラレルリンク機械設計の改良に関する。パラレルリンク機構はシリアルリンク機構とは対照的であって、協働する複数のリンケージの運動に依存して機能して位置を決定し、シリアルリンク機構においては各々のリンケージが独立して動作する。
【０００２】
【従来の技術】
ヘキサポッド（Ｈｅｘａｐｏｄ）（たとえばＷＯ−Ａ−９２１７３１３を参照）は、パラレルリンク機械の例である。
【０００３】
この発明は、技巧、小型性、人間工学および価値工学の利点をもたらす、パラレルリンク機構の新しい構成を提供する。
【０００４】
発明の一局面においては、新しい「２分岐の」駆動機構がヘキサポッドに対して提案される。これは２つの支柱を同じ概念的な焦点を通過させて駆動することを可能にすることにより、支持および較正が必要であるノードの数を最小化する。また、これは所与のパッケージサイズに対してノード間を広く分離することを可能にするので、剛性および精度が向上する。利用可能である技巧の極性を緩和する新しい運動学的な構成も提案され、よってより有用な関節連結範囲に備える。
【０００５】
別の局面においては、発明は、平行に作用する５本の支柱しか有さないのでペンタポッド（Ｐｅｎｔａｐｏｄ）と記述し得る、新規なジオメトリにも関する。５本の支柱長さは、明確な５軸位置を規定する。６本目の軸はスピンドルと共通であり、これはしたがって通常の関節連結に影響しない。改良されたヘキサポッドと同様に、運動学は、作業容積全体において安定した関節連結範囲を可能にする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ヘキサポッドは、６本の長さ可変支柱が協働してエンドエフェクタの完全に拘束された位置を確立するパラレルリンク機構である。これらは共通して、フライトシミュレータの関節連結に採用されており、かつロボット工学および多軸機械ツールにますます採用されている。
【０００７】
多くの代替的な解決策が提案されてきたが、そのすべてに妥協が必要であって、その結果しばしば機械的に複雑になった。理想的なジオメトリは、８面体であって、頂部に３つおよび底部に３つのノードを備え、間に６本の支柱が連続的な三角形を形成する。実務においては、このジオメトリは支柱がノードジョイント間で入れ子状に長さを変化させる場合にのみ、可能であった。これは最大対最小の支柱比を、したがって、ヘキサポッドの関節連結範囲を厳しく制限する。
【０００８】
これに変えて、支柱はノードの焦点を通過してノード間でそれらの有効長さを変化させることができる。しかしながら、現在の設計は、その場合支柱フレームが３つの共有ノードではなく６つの個々のノードを支持することを要求する。さらに、縮小させた支柱がフレームの後方で互いに干渉し得ないことを確実にするために、ノードは互いから十分に変位していなければならない。所与のフレームサイズに対して、これは支柱三角形のベース長さを減じ、頂点を位置決めするてこ比を悪化させる。また、こうしてベースフレームは６つのノードを支持するので、より大きな曲げモーメントおよび較正誤差を受ける。
【０００９】
支柱は、水力学またはねじシャフト、特に精密な機構のためのボールねじを用いて成功して工学されてきた。しかしながらボールねじは精密に作るには高価であり、かつ一般的に嵩が高く、それらの長さと移動可能な速度とを限定する。それらはまた、好適な長さを測定するトランスデューサの適用を支援しない。工学がさらに複雑化するか、またはナットの回転度から支柱の長さを推論しなければならず、理想的ではない。
【００１０】
ヘキサポッドは本来極性のある装置である。結果として、ヘキサポッドはそのエンドエフェクタをその作業空間の外部へ向けるほうが、その中心へと内部に向けるよりも容易である。もしヘキサポッドがその作業空間を超えてより安定した傾斜能力を実演することができれば、もちろん有利である。ヘキサポッドもまた６軸であるが、機械ツールのための用途においてはスピンドルと共通の軸はほとんど有用な目的を果たさない（トルク拘束以外）。傾斜範囲を拡張するためにこの余剰の関節連結をも用いることができれば便利である。
【００１１】
ヘキサポッド機械ツールは現在、支柱または同様の妨げになる機械フレームの間で作業空間の折り合いをつけなければならないようにパッケージングされている。これは重い可能性のある部品を容易に鉛直載荷することを不可能にする。
【００１２】
ヘキサポッドは６軸機構であるが、厳密には６本目はスピンドルの軸と共通であるので、多軸機械ツールは５つよりも多く関節連結する必要はない。５つのみのサーボ動力支柱が、必要な５自由度を拘束することが可能であればコストを削減できる。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は、パラレルリンク機構の運動学を簡略化して、その較正を容易にし、より有用である作業容積を小さなパッケージサイズ内にもたらすことであり、かつ、特にコスト削減のためにその機械的複雑性を減じることである。
【００１４】
この発明のさらなる目的は、作業空間に簡単にアクセスすることを可能にし、維持が容易で、かつ剛性を犠牲にせずに軽量である、より人間工学的な機械パッケージに備えることである。
【００１５】
この発明の第１の局面は、摩擦駆動概念を用いて支柱の有効長さを変化させることであり、これにより低コスト化と軽量化が可能になる。この技術は、より典型的なねじ駆動支柱によって生成されるトルクを拘束するであろう機械的複雑さを回避する。これはまた、支柱長さエンコーダの単純な一体化を可能にする。これはさらに、静的および慣性質量を減じることにより、非常に長い支柱および／または非常に早い運動を容易にする。
【００１６】
この発明のさらなる局面は、５自由度をもたらすために５つのサーボ軸しか必要としない、新しい様式のパラレルリンク機構を製作することである。この簡略化は、余剰の軸に伴うであろうコストとエラーバジェットとを低減する。
【００１７】
提案されるヘキサポッドは、一方端でその支持ノードを通過してほぼ無制限の延長を可能にする単純な剛性支柱を用いる。しかしながらこの発明においては、各支柱は半球上に搭載され、半球の端部平面に近接して静置できるがそれを超えて侵入しないように「Ｄ字型」端部プロファイルを有する。こうして、２つの半球が互いに合わされたとき、各半球の支柱は、２つの半球の相対的角変位が変化した場合でさえ、互いを通過することができる。支柱が両方とも、文字通りに２つの半球の共通焦点を通過できないという事実は、深刻な座屈モーメントまたは誤差を何ら導入しない。もし支柱が緩い許容差で搭載されたとしても、この誤差は支柱には通常であるので、支柱長さは深刻には妥協されない。すなわち、もし支柱が１ｍの長さで変位誤差が１ｍｍであれば、実測長さ誤差はわずかに０．５ミクロンであろう。組合せた結果は、２本の支柱が中を通過する２分岐駆動球のようになる。
【００１８】
支柱はアルミニウムの押出しまたは好適な複合物（炭素繊維など）の引抜成形によって製作することができる。好適な中空断面により、これは中実の支柱よりもよい剛性対重量をもたらし、したがって、減衰がより容易なより高い共鳴振動数を有する。これらは、そうでない場合は各半球ノードに維持されるが、ローラとの摩擦接触によって保持され駆動される。この駆動様式をしばしば、キャプスタンまたは摩擦駆動と称する。
【００１９】
支柱は、回転または外部のねじ山（ｔｈｒｅａｄ）の保持の必要がないので、線形測定スケール（ｌｉｎｅａｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｃａｌｅ）を容易に組み入れることが可能である。読取ヘッドを半球に搭載すると、数段階の機械的誤差を受けるナット回転ではなく、絶対的な変位された長さを示す。また測定スケールは、長さ測定が熱変化によって過度に影響を受けないよう、熱的に中性の基板（たとえば炭素繊維またはＺｅｒｏｄｏｒ）に搭載し得る。
【００２０】
摩擦車輪の円周がボールねじのリードピッチよりも大きくなければならないので、変速機をモータに導入してそのトルクを増大させその速度を低減させなければならない。従来の変速機にはすべて、相当のコストでしか低減することができないバックラッシがある。
【００２１】
好ましい実施例においては、４摩擦ローラが支柱を支持するために用いられ、かつすべてが駆動される。これは、たとえば１つの摩擦駆動車輪しか有さず残りを「アイドリング」させておく場合に比べて、スキッドを避けるための十分な摩擦を確実にするために必要である保持予荷重を低減させる。これらすべては、支柱ランナーと２つの接触領域を作るために、「Ｖ字型」プロファイルのリムを有する。ランナーは好適な硬質材料から作ることができ、支柱プロファイルのいずれの側でも維持される。
【００２２】
２分岐駆動球は、分割ソケットリングに維持され、支柱にジョイントを通過させる。２つのリングがともに予荷重されて、球の周りで一定のクランプ力を維持する。それらは、すべての接触がソケットの頂部および底部エッジに沿って走る軸受列（ｂｅａｒｉｎｇ ｓｔｒｉｐ）に沿って生じるように、内向きに窪みをつけられる。
【００２３】
摩擦を最小化するために、ソケットは、許容可能な支柱関節連結と調和する限り、駆動球のまわりに延在するべきである。計画された作業容積を可能にするために必要である各支柱の運動範囲を決定し、かつ「Ｄ字型」プロファイルを考慮することにより、境界軌跡が最適化される。結果として生じる境界は、２つの反映しない（ｎｏｎ−ｍｉｒｒｏｒｉｎｇ）ローブのように見える。
【００２４】
エラストマののブーツ（ｂｏｏｔ）が、ソケットリムから支柱を保護するさらなるブーツまでジョイントの各側を包含し得る。これにより、好適な潤滑剤を維持し、ジョイントを微粒子の侵入から保護する。
【００２５】
６支柱の他端部は、エフェクタフレームに三角形構成に搭載される３つの２分岐リングジョイントに対で接続される。各ジョイントは、支柱対がその頂点角を変化させること、および共通焦点を中心として自由に傾斜およびねじりを行なうことを許容しなくてはならない。これを達成するための簡単な方法が、この発明の主題のうちの１つである。
【００２６】
精密ボールが短い支持軸によってエフェクタフレームに維持される。第１の支柱は、内向きに「Ｖ字型」のプロファイルで球を緩く取り巻くリングに接続される。いずれの側にも分割ソケットの態様でさらなる軸受リングが内向きに球に面して設置される。
【００２７】
これらの軸受リングは、ＰＴＦＥの化合物などの低摩擦プラスチックから作られる。これらはその熱可塑性質により、直径を少し減じることに対処可能であるが、これは適合して（ｓｙｍｐａｔｈｅｔｉｃａｌｌｙ）球を掴む助けとなる。ＰＴＦＥは特に圧力下でゆっくりと変形してその制約に適合する。
【００２８】
第２の支柱は、軸受リングの１つを捕捉するための内向きの面で、第１の支柱リングに沿って走る別の僅かにオフセットしたリングに接続される。第２の「予荷重」リングは同様に他側から第２の軸受リングを捕捉し、第２の支柱リングに向かって予荷重される（典型的には円盤（ｄｉｓｃ）ばねワッシャによる）。
【００２９】
予荷重は効果的に両方の支柱リングを軸受リングの上面に抗して絞り、それによりこれらを共通の回動軸に拘束するが、該軸もまた球の焦点を通過する。共通軸は、支柱がそれらの頂点角を変化させることを許容し、対は球に対して３自由度を可能にするソケットリング様に作用する。
【００３０】
これらの構成要素は、これらが自己求心型で適合し（ｓｅｌｆ−ｃｅｎｔｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｆｏｒｍｉｎｇ）、かつ単一回転動作セットアップからそれらの臨界精度のすべてを得るので、低コストで製作し得る。
【００３１】
ジョイントは、ロッドエンド軸受に類似し、よってその支持短軸を中心として３６０°の回転に対処可能である。正確に整列されると、最も有用な全体的なジョイント関節連結を確実にする助けとなる。また、支柱における張力又は圧縮力が球にほとんど垂直に付与されるので、従来のボールおよびソケットのようにこれを挟みかつ過度に摩擦を増大させることはない。
【００３２】
もし球およびリングが異なった温度に晒されるのであれば、予荷重は支柱をそれらの共通軸に沿って僅かに離すよう移動させて変化に対処するので、最終的な支柱長さ誤差をほとんど導入しない。再び、従来のボールおよびソケットジョイントとは異なっており、従来のものであれば同様の状況においてボールはソケットから飛び出す傾向があり、直接的に支柱長さに影響を与える。
【００３３】
ジョイント全体がエラストマのブーツに包含されてもよく、これはまた好適な潤滑剤を包含し得る。それにより、長い寿命と最小限の摩擦を確実にする。
【００３４】
最新のヘキサポッドは、一般的に垂直に懸架される機構を備えて、ベースフレームおよびエフェクタフレームの対称的な構成を有していた。エフェクタの傾斜範囲は極性様式で機構の全体懸架角度によって修正された。典型的にはもしエフェクタが＋／−４５°傾斜でき、機構が４５°回復すると、基準のデカルト（Ｃａｒｔｅｓｉａｎ）フレームにおける傾斜は＋０−９０°となる。これは一般的に不利である。
【００３５】
この発明は、ヘキサポッドが（上方ではなく）一方側から作用するが、スピンドルはやはり下を指しており、かつエフェクタフレームが一般的な機構からオフセットである角度を有する力学的構成を提案する。この構成においては、スピンドル軸で許可される回転（一般的には傾斜軸におけるものよりも大きい）は、傾斜軸に「混入する」のではなく、それらの有用範囲を拡張する。
【００３６】
これが意味をなすのは、より有用な作業容積とは高さよりも直径の方が大きい円筒形だからである。したがって、機構が主に水平に作用して、傾斜範囲を損なう極性挙動がより小さなｚ変位にわたって生じる。好ましいｘ−ｙ平面においては、傾斜バイアスは生じない。
【００３７】
さらに、エフェクタフレームを傾斜させることにより、支柱が短い場合にｚ変位極性効果を緩和する傾斜範囲バイアスが導入されるが、よって一定の傾斜範囲を維持する助けとなる。そのような構成によって、＋／−４５°の傾斜範囲がすべてのｘ、ｙおよびほとんどのｚをわたって維持される。
【００３８】
副次的な利点とは、駆動ノードを支持するフレームがここでは作業台に近接しており、したがって剛性に一体化することが容易なことである。これはまた、垂直空間を妨げず、より人間工学的なアクセスを可能にする。
【００３９】
作業台を保持するフレームと、駆動ノードを保持する隣接するより垂直なフレームとは単一のケーシングに一体化されることが可能である（または製造の便宜上分割される）。このケーシングは「滑らかな」内部表面（簡単な機械洗浄のために）と、ノード間の力集中に沿って剛性を与えるための外部ウェブとを有し得る。さらなる筒状フレームワークが便利な高さでケーシングを保護してもよく、これは剛性を与える助けともなる。
【００４０】
このフレームワークは別のヘキサポッドに見え、上方の３ノードが作業台領域を支持し、下方の三角形は後方への単一のノードを有する。このノードからさらなる２つの支持支柱が「Ｖ字型」に伸び、フレームの垂直部分の裏に（剛性化ウェブのジャンクションで）接続する。
【００４１】
カバーが、作業容積全体を覆う開放ポッドまたはカウリング様に提供される。これは回動可能であり、作業空間から出るよう持ち上げられるようにガスばね上で支持され、優れた四方からのアクセスを提供する。
【００４２】
フレーム鋳造物とカバーとは、所望の作業および関節連結空間のみが可能になるようにサイズ決めし得る。これは機械を非常にコンパクトにする。一実施例においては、約１ｍ×１．３ｍの設置面積の機械は、６００ｍｍ直径×４００ｍｍ高さの３軸容積と、４００ｍｍ直径×２５０ｍｍ高さの完全傾斜６軸容積を有する。
【００４３】
効率のよいノードからノードへのフレームワークと、軽量ヘキサポッド機構と、適合された封入空間とを組合せた結果、従来の５軸機械ツールよりも、ほぼ１オーダ小さく軽量の機械となる。ツールラックをフレーム鋳造物に組み入れることにより、自動的なツール交換が促進される。便宜的に、これはスピンドルから届くが作業空間を妨げない作業台の背後にあり、内向きの角度でツールを保持するよう配置される。すると、好適に装備されるスピンドルがその古いツールを空いた容器に入れて、新しいものを利用可能な選択肢から取ることができる。可動切屑シールドとは異なってラックは受動的であり、したがって低コストであり頑丈である。ツール交換を実行するためのすべての運動はヘキサポッドによって、コストなしに、かつ付加的な複雑性なしに行なわれる。
【００４４】
上述の機械パッケージング概念は、自蔵機械加工セルとしてその用途に適合する。しかしながら、軽量で洗練された３ノード搭載のこの様式のヘキサポッドは、単純な開放筒状フレームワークに支持されることが可能であり、増大した作業容積または他の工場オートメーションとの一体化を可能にする。
【００４５】
そのようなフレームワークのひとつが提案される。これは、３つの駆動ノードがフレーム部材によって結合され、１つのノードが底部に配置され、上部の２つのノードが内側に傾く。６つのフレーム部材が、その頂点で駆動ノードの下部を支持する四面体を描く（１つのベースノードが背部にある）。他の２つの駆動ノードはするとフレーム部材によって前部の２つのベースノードの両方に接続され、背部のベースノードに対して「Ｖ字型」となる。この構成は完全に拘束されており、前部でも背部でも支柱を妨げない。これは機構モジュールが、ユーザが自身にあつらえた作業セルを構築し得る、拘束されていない空間中を移動することを可能にする。これは特にロボット工学用途に有用であるように、広い全方向からの到達を可能にする（７番目の軸としての）ターンテーブル上に搭載されてもよい。
【００４６】
ここまで、側部で保持される機構を説明してきた。いくつかの用途は垂直に搭載することにより利益を受ける。そのような実施例においてはやはりフレーム部材が３つの駆動ノードを接続するが、この場合はベースフレームなしにヘキサポッド様に互いに接続される支柱対がそれらを支持する。もしこれらの支柱が長さ調節可能であれば（たとえば入れ子状）、３つのベースノードは作業セルの周りで自由に場所決めされることができ（上方および下方の両方）、機構は好適に位置決めされる。
【００４７】
ここまで説明してきたこの発明は、６ノードと６長さ可変支柱とを備えたヘキサポッドの実施例に関する。しかしながら、多軸機械ツールに採用し得る別の根本的に異なったジオメトリがある。これを、上記ではペンタポッドと称した。
【００４８】
この実施例では、７つのノード間に作用する５つだけの支柱が採用される。これらはトライポッドおよび「Ｖ字型」に構成される。スピンドルは、トライポッドの頂点と「Ｖ」の頂点との間のスペーサとして作用する。個々の駆動ノードは支柱の他方端を支持する。これらは引きこまれた支柱が後部で干渉しないように、当然距離を隔てられている。
【００４９】
この構造は５つのサーボ軸しか必要としないので、より経済的である。６番目の拘束されない軸はスピンドルと共通なので、必要な５軸関節連結を限定しない。スピンドルトルクはいくらかの小さな曲げモーメントを支柱に導入するが、これらの力は一般的に容易に処理することができる。
【００５０】
この構成は、その好ましいｘ、ｙ平面全体にわたって安定した最大傾斜を達成する。いくらかの極性バイアスがｚ変位において、外向き側（ｘｍａｘ）よりも内向き側（ｘｍｉｎ）に導入される。
【００５１】
好ましい駆動概念は、ヘキサポッド２分岐ノードに関して説明した摩擦駆動であるが、この場合はノードは個々の球である（半球ではない）。支柱は「Ｄ字型」断面ではなくより効率のよい円形断面を有し得るが、ランナーはやはりそれらを両側で支持する。全球の自由な使用により、摩擦車輪を保持するためにより経済的な軸受構成を用い得る。かつ、モータのためにより多くの空間が許容される。
【００５２】
ソケットリングはやはり球駆動ノードを保持し、互いに予荷重されて剛性を維持し、いずれの側にもブーツで封止される。駆動球がソケットの平面において回転できるので、支柱は端部接続を可能にするスイベルを（ヘキサポッドのように）必要としない。
【００５３】
トライポッドのための頂点は３分岐ジョイントであり、その設計もまたこの発明の主題の１つである。
【００５４】
目的は、２対の支柱が共通の回転軸を共有し、１対がさらに傾斜しかつ他方を中心として回転できるように、共通の焦点で４つの支柱を互いに合わせることである。
【００５５】
焦点を中心として関節連結する必要のある対は、上述のヘキサポッドのエフェクタの支持として用いられる「ロッドエンド」様式２分岐リングジョイントとして実質的に構成される。但しこの場合、ボールはそれ自体が２分されており、２つの半球状シェルを構成する。一方のシェルは「基準」支柱に接続され、他方は２つのノード間を走るスペーサフレームに接続される。これらはともに、「ロッドエンド」２分岐ジョイントリングによって支持され、かつ内部の嵌合い放射状特徴によって共通の回動軸にさらに拘束される。外側の２分岐リング上に確立された予荷重は全ジョイントを通して反映され、理論的にはすべての軸受界面を要求される圧力に維持する。
【００５６】
ジョイントは、好適な潤滑剤をも保持する保護ブーツ内に包含され得る。
「基準」支柱がスピンドルに対して１つの軸のみでしか回転しないことは、これがスピンドルトルクに抗して作用するので有利である。この能力は、下方の２つの支柱が共通の軸点を共有しなければますます必要となるが、なぜならスピンドルの送り力がいくらかのさらなるトルクを導入するからである。
【００５７】
下方の支柱に共通の頂点を共有させることが望ましいが、しかしながらそれと均等に、トライポッドと「Ｖ」ノードとの間で軸に沿ってスピンドルを作用させる必要性がある。両方の選択に対処するためには、２分岐リングジョイントはスピンドルを通過させるために直径が大きくなくてはならず、よって封止が困難になる。適切な妥協点は、下方支柱回動点間の変位を受入れてスピンドルをそれらの間に搭載することである。すると、基本的なロッドエンド型ジョイントは支柱端部を支持することができる。
【００５８】
ペンタポッドが提案される低コスト市場に対しては、採用されるスピンドルまたはエンドエフェクタのタイプにおける柔軟性が有利である。おそらく、最も望ましいのはスピンドルを全くなくして、ドレメル（Ｄｒｅｍｍｅｌ）のような電動ハンドツールのための互換性のあるマウントを備えることであろう。これにより、ユーザがツールの最も脆弱な部分であるスピンドルを低コストで交換することを可能にし、かつこのために利用可能である継手のさまざまな切断、切削、および研磨へのアクセスを提供する。
【００５９】
その性質として、ペンタポッドは機構の「センターライン」に直交するスピンドル軸を有する。したがってこれは上述の横方向に作用するヘキサポッドのように、横方向に作用する機構と水平作業台とを備えて「パッケージング」され得る。
【００６０】
しかしながら、ペンタポッドは上述のヘキサポッドよりも顕著に小さく、かつ相当低いフレーム負荷を生成することが企図されるので、付加的な外部筒状フレームワークなしに「デスクトップ」モデルとして提供され得る。すると、単一の鋳造物が駆動ノードから作業台までの支持構造全体を含み得る。
【００６１】
ここでも、単一のカウリングが作業空間を封入して、安全で清潔な使用を確実にし得る。
【００６２】
すべての局面においてこの発明が明確に理解されるように、添付の図面を参照して以下に例示的な実施例を説明する。
【００６３】
【発明の実施の形態】
図１に６ノードヘキサポッドの実施例を示す。支柱（たとえば１）は、ソケット（たとえば４）に支持される２分岐駆動球（たとえば２）で交差して、通過し得る。支柱の他端は、サブフレーム８によって互いに接続される２分岐球状ジョイント（たとえば７）で対に接合される。後に詳細に述べるように、各支柱１は半円状断面を有し、かつ側部に接着された摩擦車ランナーを有する。各２分岐駆動球２は２つの支柱１をその分割線に実状に即して近接して通過させる。各駆動球２は球状ソケット４でジャーナル軸受状に受けられ（ｊｏｕｒｎａｌｌｅｄ）、該球状ソケット４は、各駆動球２を横切る支柱対の対称的な関節連結を可能にする二葉（ｂｉ−ｌｏｂａｒ）ソケットウインドウ３を有する。ソケット４は、駆動球焦点間の距離を規定しかつ長さが調節可能であるスペーサ支柱（たとえば５）と、それぞれの支柱脚（たとえば６）とに接続する角成形（ｃｏｒｎｅｒ ｍｏｌｄｉｎｇｓ）によって形成される。２分岐ジョイント７は、支柱のそれぞれの対が共通の焦点を共有し、対として３軸を中心として関節連結し、それらが相対的になす角度を変化させることを可能にする。各駆動球半球における摩擦駆動の制御により、サブフレーム８の位置および配向を決定できるように駆動球焦点と２分岐ジョイント７との間の支柱の長さを制御することができる。
【００６４】
図２は図１に示されるものと同様のヘキサポッド概念の実施例を示すが、この場合は支持支柱がそれらの端部１でさらに接合され、かつひねってロックする延長ロック（ｔｗｉｓｔ−ｔｏ−ｌｏｃｋ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｌｏｃｋ）（たとえば２）で入れ子状になることにより、それらの長さを変化させることができる。この場合駆動ノードスペーサ（たとえば５）はより長く、運動学を損なうことなく作業容積を増大させることができる。
【００６５】
図３は図２に示すものと同様のヘキサポッドを示すが、この場合は状況の選択に応じて支持脚の搭載ポイントが再位置決めされている。構造の剛性を維持するための唯一の規則は、３つの支柱対すべてが顕著に異なった平面で作用しなければならないことである。
【００６６】
図１、図２および図３を参照して説明されたヘキサポッド実施例における２分岐駆動球は、図４Ａ、図４Ｂに示されるが、これはそのような球の１つの半球の頂部平面図および側部立面断面図を示す。示されるように、各半球はハウジング１４を含み、これはピニオン９を駆動する電動モータ１０を含む。該ピニオン９は摩擦車８と摩擦的に係合する（後に詳細に説明する）。各車は、支柱駆動車の対１８ａ、１８ｂおよび１８ｃ、１９ｄの各々と摩擦的に係合するピニオンを規定する小径部分１７を有する。支柱駆動車１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、および１９ｄ自体は、支柱１の側部と摩擦的に係合する小径ローラ部分を有する。
【００６７】
上述のように、各２分岐駆動球内で支柱１が、各々が延在してより大きな摩擦車となる（たとえば３）摩擦ローラ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、および１９ｄによって保持される。これらの車はエラストマのバンド１２および、ばね状鋼バンド１３を有する。これらが互いに、またはより小さなピニオン歯車１６および１７またはモータ入力歯車９に接触すると、これらはエラストマのおよびばねバンドの予荷重下で接触圧力を保持するために僅かに変形する。また、支柱はランナー（たとえば２）を有するが、これはエラストマのサドル１９に、接触圧力下でランナーとサドルとが変形して予荷重を維持するように支持される。この手段により、すべての摩擦的界面が有用な作業圧力で維持され得る。エラストマのサドル１９は各々が支柱のエッジにおける軸状窪みに接着され、次いでそれらにランナー２が接着される。エンコーダトラックが上方の窪み２０に接着され得る。ランナーはばね鋼ロッドを含み得る。摩擦駆動車１８とより大きい摩擦車３との組合せは、その端部で針状ころ軸受５に支持されて、エンドプレート６と１５との間で支持される車軸４を中心として回転し、該エンドプレート６および１５はモータ１０をも支持する役割を果たす。
【００６８】
参照符号７は、半球の周りのゴシックアーチを走る径状アレイの部分であるボールを示す。これは半球に隣接して場所決めされ、半球同士が共通の回動軸を中心として回動することを可能にする。参照符号１６は、任意のアイドラホイールを示す。歯車列にこれを加えると、摩擦駆動界面の数を増大させ、接触圧力に対する必要性が適切に低減する。これはまた、列の同期を保つ助けをし、それにより局所の破損によりよく対処できる。
【００６９】
図５Ａ、図５Ｂ、および図５Ｃは機構が原則的に水平に、かつスピンドルヘッドサブフレームがオフセットな角度に搭載されたパッケージされたヘキサポッド機械の実施例の３つの例示的な図を示す。６つの支柱１ａ−ｆは２分岐駆動球を通過する場合に対で交差するのが示される。この場合、これらはエラストマの蛇腹状（ｃｏｎｃｅｒｔｉｎａ）カバーで包まれる。３つの２分岐ロッドエンド型ジョイント２ａ、２ｂおよび２ｃは支柱端部をスピンドルハウジング５に接続する。ケーシング３はフレームとパッケージングとの両方を構成する。これは作業テーブル４を囲む皿部として始まり、上方に丸まって駆動球の台座となる。その背側にはスティフナとして作用する一体化リブを有する。作業テーブル４は網によってフレームケーシング３の皿部に保持され、切屑が下側の回収部に落ちることを可能にする。スピンドルユニット５は、その中心デフォルト位置にあるのが示される。一体化ウインドウを備えたカバー６が持ち上げられた位置にあるのが示されるが、これは作業領域を隔離するために下げることができる。支持脚部材（ベースレベルに＋３）がフレームケーシングに提供されて５つのポイント８ａ−８ｆで装着され、ベースレベルで３つのポイント９ａ、９ｂおよび９ｃで接合する。
【００７０】
次に図６を参照すると、３つの２分岐駆動ノード（たとえば１）と、３つの２分岐リンクノード（たとえば２）と、これらを有効長さが可変であるように駆動ノードを通って駆動可能に接続する６つの脚（たとえば３）とを備えた６つのノードヘキサポッドの実施例を示す。支持フレームワークは剛性ベースジャンクション７、８および９を接続する３つのベース支柱からなる。３つのさらなる支柱が各ベースジャンクションを、２分岐駆動ノードをも支持する共通頂点ジャンクション１０に接続する。次いで２つのさらなる支柱が、２分岐駆動ノードをも支持するピークジャンクション１１および１２にまで延在する。４つのさらなる支柱（各ノードから２つずつ）が、背部支柱は共通ベースジャンクション９に接続し、前部支柱は隣接するベースジャンクション７および８に接続するように、ベースジャンクションに戻るように延在する。このような構造は、すべての力が張力または圧縮力に分解されているので、運動学的に純粋である。これは合計で１３の支柱からなる。スピンドルユニット４が３つのリンクノードに装着される。代替ツールのためのホルダのアレイ５が、現在のツールを自動変更できるようにスピンドルヘッドが関節運動できるように設けられる。この実施例においては、支持フレームの低いほうのトライポッドは、システムサービスを封入するようにパネル（たとえば６）が張られている。
【００７１】
図７Ａおよび図７Ｂは、本質的に図６に説明されたものである２つの６ノードヘキサポッドモジュールの側面および平面図を示す。各々は、各モジュールごとに２つの前方ベースノード（たとえば１および２）が共通のレール（たとえば３）を走り、後方ベースノード（たとえば４）が平行であって離れたレール（たとえば５）を走るように、レール上に搭載される。
【００７２】
この実施例においては２つのモジュールは被加工物６の両側の別々のレール対の上を、たとえばリニアモータシステムによってレールに沿って駆動されて走ることができる。
【００７３】
図８Ａおよび図８Ｂにペンタポッド機械の実施例を示す。５つの支柱１ａ〜１ｅはフレームケーシング６によって保持される環状ソケットに支持される個々の駆動球を通過する。支柱のうちの３つ（ａ、ｂおよびｅ）は共通の焦点３分岐ジョイント２で終端し、他の２つはそれらをスピンドル支持部に接続する個々の自由継手３を有する。支柱はエラストマの蛇腹カバーによって包まれる。３分岐ジョイント２は、２つの支柱１ａおよび１ｂが共通の回動軸を有し、かつ対として共通の回動点を中心として３自由度で関節連結し、第３の支柱１ｅが同じ概念回動点を共有し、かつスピンドル支持体に対して１つの軸で独立して傾斜することを可能にする。
【００７４】
取り外し可能なハンドルータ４がスピンドル支持に嵌められるのが示されるが、これはペンタポッドにおけるツールの備えの例である。作業テーブル５はフレームケーシング６の皿部に網によって支持され、フレームケーシング６は作業テーブルの周りの皿部から上方に丸まって延在して駆動球を支持する。フレームケーシングは、界面７を緩衝エラストマで充填した２つの部分から組立てられることができる。フレームケーシングは３本の脚８で支持され、取り外し可能な下側切屑トレイ９と、持ち上げられた位置で示される一体化ウインドウを備えたカバー１０とを有する。
【００７５】
図９Ａ、図９Ｂおよび図９Ｃは大きな形式のペンタポッド搭載方式の前部および側部立面および頂部平面概念図を示す。点線で示される円筒は作業容積を示す。大きな形式のペンタポッドの代替的なノードレイアウトを図１０Ａ、図１０Ｂおよび図１０Ｃに示す。点線で示される円筒は作業容積を示す。
【００７６】
３分岐ジョイントの拡大図および断面図を図１１Ａおよび図１１Ｂに示す。支柱担持リング１は２つの環状くさび５および６の間に捕らえられ、該環状くさび５および６は支柱支持リング３およびクランプリング２の間に捕らえられる。アセンブリは、支柱支持半球４および基準半球１２の周りにクランプ留めする。
【００７７】
クランプリング２が支柱支持リング３に抗して締められる場合、これはくさび５および６を内側に締めつけてそれらの保持予荷重を増大させ、すべての可動部品を同様の予荷重下に保持する。より詳細には支柱担持リング１は２つの内向き傾斜接触面を有する。クランプダウンリング２は内向き傾斜接触面を有する。支柱支持リング３は、クランプダウンリング２が装着された場合に支柱１を出すための延長された切り欠きフランジを有する。これもまた、内向き傾斜接触面を有する。関節連結する半球４は、基準半球７に適合する環状ボールトラックを含み、これを中心として共通の軸で回動可能になる。環状くさび５および６はそれらの内向き面で半球の曲率に適合し、かつ部品１、２および３に適合する外向き傾斜接触面を有する。シェル７は基準半球１２を支持部８および９を介して保持する。ボール１０は基準半球１２の環状ゴシックアーチプロファイルトラックを走るが、相補なトラックが他方の半球４に設けられる。参照符号１１はクランプダウンリング２を支柱支持リング３に抗して保持し予荷重するために用いられるファスナのうちの１つに対しての備えを示す。
【００７８】
以上、特定の実施例を参照してこの発明を説明してきたが、実施例はすべて例示的なものであり、前掲の特許請求の範囲の精神および範囲から逸脱することなく変形および変更が可能であることを理解されたい。たとえば、図７Ａおよび図７Ｂの多数の機械構成は異なって構成されて、異なった機械および／または機械の組み合わせを用い得る。いくつもの同様のまたは異なった機械が長い単一レール対を共有し、かつ異なったモジュールが同じ被加工品の機械加工において協働することを、または異なった構成要素を加工することを可能にする制御プログラム下で動作するよう構成され得る。柔軟性のある設備において、モジュールはその時点の用途の必要性に最適化するよう異なったレールシステムの間で可動であるよう構成され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施する例示的なヘキサポッドの斜視図である。
【図２】代替的なヘキサポッド実施例を示す図である。
【図３】支持脚搭載点が異なって配置された図２の実施例を示す図である。
【図４Ａ】Ｄ断面ヘキサポッド支柱に対する半球摩擦駆動配置の概略平面図である。
【図４Ｂ】Ｄ断面ヘキサポッド支柱に対する半球摩擦駆動配置の概略断面立面図である。
【図５Ａ】垂直スピンドル配向を有する、水平に搭載されるヘキサポッド構成の斜視図である。
【図５Ｂ】垂直スピンドル配向を有する、水平に搭載されるヘキサポッド構成の異なった斜視図である。
【図５Ｃ】垂直スピンドル配向を有する、水平に搭載されるヘキサポッド構成の異なった斜視図である。
【図６】さらに別のヘキサポッド実施例の斜視図である。
【図７Ａ】図６に示されるヘキサポッドを２つ含むワークステーションの側部立面図である。
【図７Ｂ】図６に示されるヘキサポッドを２つ含むワークステーションの頂部平面図である。
【図８Ａ】本発明を実施する例示的なペンタポッドの前面図である。
【図８Ｂ】本発明を実施する例示的なペンタポッドの背面図である。
【図９Ａ】ペンタポッド機構の概略前面立面図である。
【図９Ｂ】ペンタポッド機構の概略側部立面図である。
【図９Ｃ】ペンタポッド機構の概略頂部平面図である。
【図１０Ａ】図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃに類似するが、異なったペンタポッド構成を示す図である。
【図１０Ｂ】図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃに類似するが、異なったペンタポッド構成を示す図である。
【図１０Ｃ】図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃに類似するが、異なったペンタポッド構成を示す図である。
【図１１Ａ】３分岐ジョイントの拡大図である。
【図１１Ｂ】３分岐ジョイントの側部立面図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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2004512476.tif 000035
【国際調査報告】
2004512476.tif 000036
2004512476.tif 000037
2004512476.tif 000038
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