JP4190280B2 - パラレルリンク機械 - Google Patents

Description

【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101）は、ソケット（たとえば104）に支持される２分岐駆動球（たとえば102）で交差して、通過し得る。支柱の他端は、サブフレーム108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107）で対に接合される。後に詳細に述べるように、各支柱101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102は２つの支柱101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102は球状ソケット104でジャーナル軸受状に受けられ（journalled）、該球状ソケット104は、各駆動球102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103を有する。球状ソケット104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105）と、それぞれの支柱脚（たとえば106）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107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108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107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201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202）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205）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414を含み、これはピニオン409を駆動する電動モータ410を含む。該ピニオン409は摩擦車408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418 ａ、 418ｂおよび418 ｃ、 418ｄ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の歯車416,417を有する。支柱駆動車418 ａ、 418 ｂ、 418 ｃ、 418 ｄ自体は、支柱101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101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418 ａ、 418 ｂ、 418 ｃ、 418 ｄによって保持される。これらの車はエラストマのバンド412および、ばね状鋼バンド413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416,417またはモータ入力歯車409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402）を有するが、これはエラストマのサドル419に、接触圧力下でランナー412とサドル419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419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412が接着される。エンコーダトラックが上方の窪み420に接着され得る。ランナー412はばね鋼ロッドを含み得る。摩擦駆動車418とより大きい摩擦車403との組合せは、その端部で針状ころ軸受405に支持されて、エンドプレート406,415との間で支持される車軸404を中心として回転し、該エンドプレート406,415はモータ410をも支持する役割を果たす。
【００６８】
参照符号407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416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101 ａ−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502 ａ、 502 ｂ ,502 ｃは支柱端部をスピンドルハウジング505に接続する。ケーシング503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504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504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505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506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508 ａ− 508 ｆで装着され、ベースレベルで３つのポイント509a,509b,509c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601）と、３つの２分岐リンクノード（たとえば602）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603）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607,608,609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610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611,612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619に接続し、前部支柱は隣接するベースジャンクション７607,608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604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701,702）が共通のレール（たとえば703）を走り、後方ベースノード（たとえば704）が平行であって離れたレール（たとえば705）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706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801ａ〜１ｅはフレームケーシング806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802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803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802は、２つの支柱801 ａおよび801 ｂ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801ｅ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805はフレームケーシング806の皿部に網によって支持され、フレームケーシング806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806は、界面807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806は３本の脚808で支持され、取り外し可能な下側切屑トレイ809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810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1101は２つの環状くさび1105,1106の間に捕らえられ、該環状くさび1105,1106は支柱支持リング1103およびクランプリング1102の間に捕らえられる。アセンブリは、支柱支持半球1104および基準半球1112の周りにクランプ留めする。
【００７７】
クランプリング1102が支柱支持リング1103に抗して締められる場合、これはくさび1105,1106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1101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1102は内向き傾斜接触面を有する。支柱支持リング1103は、クランプダウンリング1102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1104は、基準半球1107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1105,1106はそれらの内向き面で半球の曲率に適合し、かつ部品1101,1102,1103に適合する外向き傾斜接触面を有する。シェル1107は基準半球1112を支持部1108および1109を介して保持する。ボール1110は基準半球1112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1104に設けられる。参照符号1111はクランプダウンリング1102を支柱支持リング1103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。

Claims (16)

1. パラレルリンク機械であって、
   複数のスペーサ支柱（１０５）が複数の球状ソケット（１０４）で連結されて構成される枠組と、
   前記球状ソケット（１０４）内に保持される複数の駆動球（１０２）を通して保持される複数の細長い支柱（１０１）と、
   前記複数の細長い支柱（１０１）に接続され、前記枠組に対して可動である可動のサブフレーム（１０８）とを含み、
   対をなす２つの前記細長い支柱（１０１）が各前記駆動球（１０２）で交差し、
   各前記駆動球は、前記２つの細長い支柱（１０１）をその長手方向に通過可能に保持し、かつ、前記２つの細長い支柱（１０１）のそれぞれを前記長手方向に独立して駆動可能であり、さらに、前記２つの細長い支柱（１０１）を前記長手方向と直交する共通の回転軸を中心として回動することが可能に支持する、パラレルリンク機械。
2. ３対の細長い支柱（１０１）と、３つの前記球状ソケット（１０４）内に保持される３つの駆動球（１０２）とを含む、請求項１に記載のパラレルリンク機械。
3. 各細長い支柱（１０１）の第１の部分はそれぞれの駆動球（１０２）内に保持され、各支柱（１０１）の第２の部分は前記可動のサブフレーム（１０８）に接続され、各対からの１つの細長い支柱は、隣接する対からの１つの細長い支柱と併せて前記可動のサブフレーム（１０８）に接続される、請求項２に記載のパラレルリンク機械。
4. 前記各対からの１つの細長い支柱は、前記隣接する対からの１つの細長い支柱と併せて２分岐多軸カップリング（１０７）により前記可動のサブフレーム（１０８）に接続される、請求項３に記載のパラレルリンク機械。
5. 各駆動球（１０２）は２つの半球を含み、各細長い支柱（１０１）は半球の一方を通過し、前記２つの半球は球を形成するように構成され、２つの半球は共通の軸を中心として互いに対して回動可能であり、２つの半球によって形成される前記球は、球状ソケット（１０４）内に保持される、請求項１から請求項４のいずれかに記載のパラレルリンク機械。
6. 前記半球の各々は支柱駆動のためのモータ（４１０）を含む、請求項５に記載のパラレルリンク機械。
7. 前記モータ（４１０）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細長い支柱（１０１）を駆動するように適合される、請求項６に記載のパラレルリンク機械。
8. 前記摩擦駆動は、それぞれの細長い支柱（１０１）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７に記載のパラレルリンク機械。
9. 前記ローラは各々が、細長い支柱の幅に及ぶより大きな直径のホイール（４１８ａ、４１８ｂ、４１８ｃ、４１８ｄ）に結合され、それぞれの対におい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（４１０）によって駆動されるピニオン（４１６、４１７）によって駆動される、請求項８に記載のパラレルリンク機械。
10. 前記ピニオン（４１６、４１７）は、より大きな直径のホイールに結合され、より大きな直径のホイールは、モータ駆動軸に結合されるピニオン（４０９）によってモータ（４１０）により駆動されるよう構成される、請求項９に記載のパラレルリンク機械。
11. 前記ホイールは各々がエラストマのバンド（４１２）を保持し、前記エラストマのバンドは柔軟性バンド（４１３）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前記柔軟性バンド（４１３）を曲げ、かつ前記エラストマのバンド（４１２）を縮ませるように構成される、請求項９または請求項１０に記載のパラレルリンク機械。
12. 前記細長い支柱（１０１）はその両側に、各々が細長い柔軟性ロッド（４０２）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７から請求項１１のいずれかに記載のパラレルリンク機械。
13. 前記細長い支柱（１０１）は、断面が半球状またはＤ字型であり、前記駆動球（１０２）を共有する２つの細長い支柱（１０１）はそれらの平坦面が向き合うよう構成される、請求項５から請求項１２のいずれかに記載のパラレルリンク機械。
14. 前記スペーサ支柱（１０５）は長さの調整が可能で３つの前記駆動球（１０２）間の距離の調節を可能にする、請求項２から請求項１３のいずれかに記載のパラレルリンク機械。
15. 前記スペーサ支柱（１０５）は支柱脚（１０６）に搭載された、請求項１から請求項１４のいずれかに記載のパラレルリンク機械。
16. 作業領域を区画するカバー（５０６）をさらに備えた、請求項１から１５のいずれかに記載のパラレルリンク機械。

Images