JP5847660B2 - 改良された関節式アーム - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本願は、米国特許出願第１２／７４８，１６９号明細書；同第１２／７４８，２４３号明細書；同第１２／７４８，２７８号明細書；同第１２／７４８，２０６号明細書；および同第１２／７４８，２６７号明細書（すべて２０１０年３月２６日出願）の優先権を主張するものであり、かかる出願の各々は、米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づき、米国仮特許出願第６１／２５９，１０５号明細書（２００９年１１月６日出願）の優先権の利益を主張するものであり、かかる出願の全内容は、明示的に参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、関節式アームおよび座標測定に関し、より詳細には、座標測定機に関する。

座標測定機（ＣＭＭ）および関節式アーム測定機とも称される直線測定システムは、非常に正確な幾何学情報を生成するために用いられる。一般に、これらの器具は、品質管理、電子的レンダリング、および／または複製において用いるための物体の構造的特徴を捕捉する。座標データ取得のために用いられる従来の装置の一例には、装置の測定範囲内で非常に正確な測定値を得ることが可能な携帯装置である携帯座標測定機（ＰＣＭＭ）がある。かかる装置は、継手によりともに接続された複数の伝達部材を含むアームの端部上に装着されたプローブを含むことが多い。プローブの反対側のアームの端部は、典型的には、移動可能なベースに連結されている。典型的には、継手は、単一の回転自由度に分解され、それらの各々は、専用の回転トランスデューサを用いて測定される。測定中、アームのプローブは、オペレータにより手動で測定範囲における様々な点に動かされる。各点において、所与の瞬間における継手の各々の位置を判定しなければならない。そのため、各トランスデューサは、その自由度における継手の移動に応じて変化する電気信号を出力する。典型的には、プローブも信号を生成する。これらの位置信号およびプローブ信号は、アームを通じてレコーダ／アナライザに転送される。次いで、位置信号を用いて、測定範囲内におけるプローブの位置を判定する。例えば、米国特許第５，８２９，１４８号明細書および同第７，１７４，６５１号明細書を参照されたい。かかる特許は、それらの全内容が参照により本明細書に組み込まれる。

一般に、様々な特質の中でも、高い正確度、高い信頼性および耐久性、相当な使い易さ、ならびに低コストを有するかかる機械に対する需要が存在する。本明細書中の開示は、これらの特質の少なくともいくつかに対する改良を提供するものである。

一実施形態において、関節式アームＣＭＭは、複数の伝達部材と、少なくとも２つの伝達部材を互いに接続する複数の関節部材と、遠端における座標取得部材と、近端におけるベースとを備える。関節部材の少なくとも２つは、少なくとも１つのエンコーダを備えることが可能であり、少なくとも２つのエンコーダは、ともに、単一のモノブロックハウジング内に収容されることが可能である。

追加の実施形態において、関節式アームＣＭＭは、関節式アームとガススプリングカウンターバランスとを備える。関節式アームは、複数の関節式アーム部材と、遠端における座標取得部材と、近端におけるベースとを含むことが可能である。ガススプリングカウン
ターバランスは、隣接する関節式アーム部材の間の回転点においてアームを支持することが可能である。さらに、ガススプリングカウンターバランスは、ベースに対してよりも回転点に対してより近い点においてベースに近い方の関節式アーム部材に接続することが可能である。

さらに別の実施形態において、関節式アームＣＭＭは、関節式アームとガススプリングカウンターバランスとを備える。関節式アームは、複数の関節式アーム部材と、遠端における座標取得部材と、近端におけるベースとを備えることが可能である。ガススプリングカウンターバランスは、２つの隣接する関節式アーム部材の間の回転点においてアームを支持することが可能である。さらに、回転点における回転により、ガススプリングカウンターバランスが実質的に水平な位置にされたときに２つの隣接する関節式アーム部材の一方も実質的に水平な位置にすることが可能である。

さらなる実施形態において、関節式アームＣＭＭは、関節式アームとハンドルとを備える。関節式アームは、複数の関節式アーム部材と、遠端における座標取得部材と、近端におけるベースとを含むことが可能である。ハンドルは、電子装置を含むとともに座標取得部材に取り外し可能に接続することが可能である。

本発明のさらなる目的、特長、および利点は、本発明の例示的実施形態を示す下記の添付図面と併せて検討する後続の詳細な説明から明らかになろう。

関節式アームの斜視図である。 図１の関節式アームの分解図である。 図１の関節式アームの伝達部材をその関連付けられた関節部材とともに示す斜視図である。 カバー部が取り外された状態の図２の伝達部材の斜視図である。 図２Ａの伝達部材の拡大斜視図である。 図２の関節部材の拡大断面図である。 図２Ｂの伝達部材の拡大断面図である。 図２の伝達部材および関節部材の部分分解側面図である。 図１の関節式アームのカウンターバランスシステムの斜視図である。 図３のカウンターバランスシステムの分解図である。 第１の位置における図３のカウンターバランスシステムの側面図である。 第２の位置における図３のカウンターバランスシステムの側面図である。 図１の関節式アームのハンドルの斜視図である。 図１の関節式アームのベースおよびフィーチャパックの斜視図である。 エンコーダの例証的実施形態の平面図である。 関節式アームに関連付けられた較正ソフトウェアの実施形態のスクリーンショットである。 コンピュータと無線通信する関節式アームの斜視図である。 関節式アームを操作する方法のフロー図である。

図１および図１Ａは、本発明による携帯座標測定機（ＰＣＭＭ）の一実施形態を示す。図示の実施形態において、ＰＣＭＭ１は、ベース１０と、複数の剛性伝達部材２０と、座標取得部材５０と、剛性伝達部材２０を互いに接続する「継手アセンブリ」を形成する複数の関節部材３０〜３６とを備える。関節部材３０〜３６は、伝達部材２０およびヒンジ（後述）とともに、１つ以上の回転および／または角度自由度を付与するように構成されている。様々な部材３０〜３６、２０により、ＰＣＭＭ１を様々な空間的配向において位
置合わせし、それにより、座標取得部材５０を三次元空間において精密に位置決めおよび配向決めすることが可能である。

剛性伝達部材２０および座標取得部材５０の位置は、手動の、ロボットの、半ロボットの、および／または他のいずれの調節方法を用いて調節してもよい。一実施形態において、ＰＣＭＭ１は、様々な関節部材３０〜３６により、７つの回転移動軸心が設けられる。しかし、用いてもよい移動軸心の数に厳格な限定は存在せず、より少ないまたは追加の移動軸心をＰＣＭＭ設計に組み込んでもよいことが理解されよう。

図１に示す実施形態のＰＣＭＭ１において、関節部材３０〜３６は、それらの関連付けられた運動部材の動作に基づいて、２つの機能的グループ、すなわち１）固有かつ別個の伝達部材に関連付けられたスイベル運動に関連付けられた関節部材３０、３２、３４、３６（以下、「スイベル継手」）と、２）２つの隣接する部材間または座標取得部材３０とその隣接する部材との間に形成された相対角度の変更を可能にする関節部材３１、３３、３５（以下、「ヒンジ継手」または「ヒンジ」）とに分類することが可能である。図示の実施形態は、７つの移動軸心を形成するように位置決めされた４つのスイベル継手と３つのヒンジ継手とを含むが、他の実施形態では、ヒンジ継手およびスイベル継手の数および場所を変化させることで、ＰＣＭＭにおいて異なる移動特性を達成することが可能であると考えられる。例えば、６つの移動軸心を有する実質的に同様の装置は、単に、座標取得部材５０と隣接する関節部材２０との間のスイベル継手３０を欠くものであり得る。さらに他の実施形態では、スイベル継手とヒンジ継手とを組み合わせるおよび／または異なる組み合わせで用いることが可能である。

当該技術において知られる（例えば、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第５，８２９，１４８号明細書参照）とともに図２Ｄに示すように、伝達部材２０は、二軸ハウジング１００内に位置決めすることが可能な、隣接する部材の第１端に近接して装着された第１のベアリングと部材の対向端に配置された第２のベアリングとを通じて外側筒状シース２０ｂ内に回転可能に同軸装着された内側筒状軸２０ａを有する一対の二重同心筒状構造を備えることが可能である。伝達部材２０は、伝達部材の一端から伝達部材の他端に運動を伝達するように動作する。伝達部材２０は、関節部材３０〜３６とともに接続され、継手アセンブリを形成する。

ヒンジ継手は、伝達部材（図１Ａ参照）の一端から延在するヨーク２８と、関節部材３１、３３、３５を通じて延在する回転軸と、ヒンジまたはヒンジ継手を形成するため回転軸周りを回転する関節部材３１、３３、３５自体との組み合わせにより部分的に形成される。

各ヒンジまたはスイベル継手は、図２Ｃに見られるエンコーダ３７の形態の自らの専用の運動トランスデューサを有する。有益なことに、ヒンジ継手エンコーダとスイベル継手エンコーダとの両方は、少なくとも部分的に、より好ましくは全体的に、それぞれの関節部材３０〜３６内で二軸ハウジング１００内に位置決めされている。

様々な実施形態において、座標取得部材５０は、選択された物体の表面に係合するとともにプローブの接触に基づいて座標データを生成するように構成された接触感知部材５５（図１においてハードプローブとして示す）を備える。図示の実施形態において、座標取得部材５０は、幾何学データを取得するために選択された物体に直接接触することを必ずしも要求しない非接触走査および検出コンポーネントも備える。図示のように、非接触走査装置は、物体との直接の接触を伴わずに幾何学データを得るために用いてもよい非接触座標検出装置（レーザ座標検出装置／レーザスキャナとして示す）を備える。非接触走査装置は、本明細書において不図示のレーザと連携して機能するカメラまたは他の光学装置
７０を含むことが可能である。座標取得の目的で、接触感知プローブ、非接触走査装置、レーザ走査装置、接触検出のために歪みゲージを用いるプローブ、接触検出のために圧力センサを用いるプローブ、位置決めのために赤外線ビームを用いる装置、および静電気に応答するように構成されたプローブを含む様々な座標取得部材の構成を用いてもよいことが理解されよう。さらに、いくつかの実施形態において、座標取得部材５０は、１つ、２つ、３つ、または４つ以上の座標取得機構を含むことが可能である。

本明細書に記載の実施形態とともに用いることが可能な座標取得部材の特定の実施形態のさらなる説明は、「レーザスキャナを有する関節式測定アーム」の表題で２００９年６月１８日に出願された米国特許出願第１２／４８７，５３５号明細書において見出すことが可能であり、かかる出願は、その全内容が参照により本明細書に組み込まれる。前記参照に示すように、座標取得部材は、座標取得部材（タッチプローブも含むことが可能である）の本体に取り付けることが可能なモジュール式レーザスキャナを含むことが可能である。モジュール式フィーチャにより、他の様々な座標検出装置を座標取得部材とともに用いることが可能になる。加えて、当業者により一般に知られているように、他の座標取得部材を用いることが可能である。

有益なことに、図２〜図２Ｃに示すように、関節部材３０〜３６は、二軸ハウジング１００を形成する。二軸ハウジング１００は、単一のモノブロックハウジング、接合された（例えば溶接、接着剤などにより）複数の片を含むハウジング、その他であることが可能である。図示のように、二軸ハウジング１００は、伝達部材２０に連結され、ベース１０から２番目および３番目の回転軸心に対応するヒンジおよびスイベル継手の一部を備えることが可能である。上述のように、別々に機能する回転エンコーダ３７と伝達部材ならびにヒンジおよびスイベル継手の位置を測定するための関連付けられた電子装置と（当業者により一般に知られているもの）を、関節部材３４および３５（ならびに、他の図面に示すように、関節部材３０〜３３および３６）において位置決めすることが可能である。

二軸アセンブリの組み立てを容易にするため、二軸ハウジング１００は、図２Ａにおいて取り外された状態で示す取り外し可能な裏カバー１０２を含むことが可能である。図示のように、取り外し可能なカバー１０２は、ハウジングに装着された隣接する伝達部材２０に対して略軸方向に位置合わせされたハウジング１００における開口を覆うことが可能である。さらに、いくつかの実施形態において、カバー１０２は、ＣＭＭ１の何らの大きい荷重も負担しないように構成することが可能である。そのため、カバー１０２は、緩衝器として役に立つことも可能なより低剛性の材料で形成することが望ましいかもしれない。図示のように、カバー１０２は、アーム１の「肘」の位置に位置決めすることが可能である。何らかの活動中、「肘」の位置は、アーム１を損傷させ得る外部の硬い表面に突然接触する可能性がより高いかもしれない。有益なことに、衝撃吸収材料で形成されたカバー１０２は、アーム１をかかる損傷から保護することが可能である。さらにその上、いくつかの実施形態において、カバー１０２の材料は、二軸ハウジング１００の材料との封止の強化を促進するように役立つことも可能である。二軸ハウジング１００は、剛性材料を含むことが可能であり、カバー１０２は、ハウジングに装着されたときにハウジングの縁に追従することが可能なより柔軟な材料を含み、強化された封止を形成することが可能である。

取り外し可能な裏カバー１０２により、二軸ハウジング１００の内部を外部要素から概ね封止し、ハウジング内に位置決めされたエンコーダ３７を保護することが可能である。カバー１０２が取り外されると、関節部材３４に関連付けられた別体のエンコーダ３７を露出させ、二軸ハウジング１００における図示の伝達部材２０に対して略軸方向に位置合わせされたスイベル受容部１０４に対して挿入／取り外しする（図２Ｅに示すように）ことが可能である。図示の実施形態において、関節部材３４および３５に関連付けられたエ
ンコーダは、伝達部材２０とは別体のコンポーネントである。すなわち、エンコーダと伝達部材とは、ともに接続されているが互いに別々に回転動作することが可能な２つの別体かつ別個のコンポーネントである。その他の関節部材３０〜３３および３６にも、同じ原理を適用することが可能である。すなわち、伝達部材２０は、上記のように継手または継手アセンブリを形成するとともに回転を測定するために動作する関節部材３０〜３６とは別々に動作することが可能である。

加えて、図２Ｂに示すように、カバー１０２が取り外されている間に、追加の電子装置を挿入／取り外しすることが可能である。図示のように、二軸ハウジング１００は、追加の電子装置を保持することが可能なプリント回路基板３８のための受容部を提供することが可能である。いくつかの実施形態において、追加の電子装置は、エンコーダからのアナログ信号をデジタル化するなど、追加の信号処理を行うことが可能である。いくつかの実施形態において、かかるデジタル化は、信号をスリップリングまたは他の回転可能な電子接続に通過させる前に行うことが可能である。さらに、いくつかの実施形態において、追加のプリント回路基板３８は、二軸ハウジング１００内の両方のエンコーダ間の物理的な電子的接続の形成を容易にすることが可能である。

さらに、図示の二軸ハウジング１００において、関節部材３５に関連付けられた別体のエンコーダ３７は、裏カバー１０２とは独立して挿入／取り外しすることが可能である。この挿入／取り外しを容易にするため、二軸ハウジング１００は、ハウジングの主たる平面から垂直に配向されたヒンジ受容部１０６を有することが可能である。ヒンジ受容部１０６は、エンコーダ３７が進入することが可能な開放端１０８と、エンコーダが当接してエンコーダの位置を定義することが可能な実質的に閉鎖された端部１１０とを有することが可能である。一旦エンコーダ３７が挿入されたら、エンコーダをヒンジ受容部１０６内に固定するためにキャップ片１１２を挿入することが可能である。

図２Ｃに示すように、エンコーダ３７は、エンコーダディスク３８ａと読み取りヘッド３８ｂとを含むことが可能である。エンコーダディスク３８ａは、読み取りヘッド３８ｂにより測定することが可能なパターンをその表面上に有することが可能である。例えば、いくつかの実施形態において、エンコーダディスク３８ａは、変化する色、透明および不透明な部分、または他の可視的変化を含む光学的パターンを有することが可能であり；読み取りヘッド３８ｂは、カメラなどの光学測定装置を含むことが可能である。いくつかの実施形態において、ディスク３８ａは、以下でさらに検討するように、読み取りヘッドによるディスクのいずれの画像も絶対回転角度を定義することが可能であるように、バーコードに類似の定義された線のパターンをディスク上に有することが可能である。別の例として、エンコーダディスク３８ａは、変化する磁気部を有することが可能であり、読み取りヘッド３８ｂは、対応する磁界を測定することが可能である。エンコーダディスク３８ａ上の変化するパターンを読み取りヘッド３８ｂが測定することで、読み取りヘッドに対するエンコーダディスクの回転位置または回転位置における変化を示すことが可能である。図示のように、読み取りヘッド３８ｂは、ハウジング１００に回転的に固定することが可能であり、エンコーダディスク３８ａは、ハウジング内に回転可能に装着されたエンコーダ軸３９に回転的に固定することが可能である。これにより、ハウジング１００に対する軸３９の回転により、測定可能なディスク３８ａと読み取りヘッド３８ｂとの間の対応する相対回転を生じさせることが可能である。しかし、装置は変更可能であることが、本明細書中の記載から明らかであろう。例えば、いくつかの実施形態において、読み取りヘッド３８ｂは、ハウジング１００に回転可能に装着することが可能であり、エンコーダディスク３８ａは、回転可能に固定することが可能である。

図示の実施形態において、関節部材３５に関連付けられたエンコーダは、伝達部材およびエンコーダ軸３９上のフォーク継手を介して、図２において不図示の隣接する伝達部材
に装着することが可能である。前記フォーク継手は、二軸ハウジング１００の反対側の図示の伝達部材２０の端部に示すものと同様であることが可能で、ハウジング１００内に回転可能に装着されたエンコーダ軸３９に装着することが可能なヨーク２８を有する。ヨーク２８のフォークは、二軸ハウジング１００の両端とその収容するエンコーダとを中心に装着することで、ヒンジ関節部材３５を形成することが可能である。そのため、二軸ハウジング１００における両方のエンコーダは、互いに独立して単一のハウジングに対して挿入／取り外しすることが可能である。注目すべき点として、他の実施形態において、二軸ハウジング１００の形態は変更可能である。例えば、いくつかの実施形態において、二軸ハウジング１００は、それぞれ１つではなく、２つのスイベル受容部１０４または２つのヒンジ受容部１０６を形成することが可能である。

エンコーダ３７を単一のハウジング内に配置することにより、別々のハウジングを有する従来技術のアセンブリに対して数多くの利点を提供することが可能である。例えば、結合されたハウジングにより、要求される部品および継手の数を削減し、これにより、コストおよび組み立て時間も削減することが可能である。さらに、撓み、位置ずれ、または複数コンポーネントに伴う他の問題を排除することにより、装置の精度を改善することが可能である。加えて、追加のハウジングの除去により、組み合わせた継手アセンブリをよりコンパクトにし、アームをより良好に支持するとともにアームの重量を小さくすることが可能である。図１Ａに示すように、次のまたは繋がる伝達部材２０のヨーク２８を、二軸ハウジング１００を通じて延在するベアリング軸に連結することで、ヒンジ継手を形成することが可能である。

ベースから２番目および３番目の軸心は収容された状態で図示されているが、４番目および５番目の関節部材３２、３３など、他の組み合わせの関節部材とともに同様の二軸ハウジング１００を用いることが可能である。さらに、二軸ハウジングは、本明細書において明示的に検討しない追加の利点を提供することが可能である。しかし、本明細書に記載の本発明の他の実施形態において、関節部材３０〜３６は、各々、別体のハウジングを有することが可能であることに留意すべきである。

上記の二軸ハウジングまたは継手アセンブリは、他の種類のＣＭＭにおいて用いることが可能であり、以下で説明する追加の実施形態と組み合わせて用いる必要はないことを理解すべきである。

図３および図３Ａは、改良されたカウンターバランスシステム８０を示す。図示のように、カウンターバランスシステム８０は、ガスショックカウンターバランスを形成するピストンアセンブリ８４を含むことが可能である。ベースに２番目に近い関節部材３５などの関節部材に位置合わせされたピボット８８により隔てられた点の間を、窒素充填ガススプリングで接続することが可能である。図示のように、ベース１０に近い方の接続点は、ベースに対してよりもピボット８８に対してより近くすることが可能である。この結果、図３Ｃに示すように、２番目のリンケージが水平位置にあるときにガスショックがほぼ水平な位置にあるようなカウンターバランス設計となる。ガスショックのほぼ水平な位置は、ベースから遠い方の接続点の位置により、さらに助長することが可能である。図示のように、ベースから遠い方の接続点は、カウンターバランスシステム８０により支持される伝達部材２０の概ね中間点に位置決めすることが可能である。さらに、図示のように、ピストンアセンブリ８４は、ピストンの移動に抗する抵抗を増加させることが可能なロック８６を含み、これにより、位置合わせされた関節部材３５の追加の回転を防止することが可能である。一実施形態において、ロックには、ガスショック内のアパーチャを開閉するピンを押す、ロック８６上のレバーが実装される。アパーチャの開閉により、ピストン内のガスの流れが可能になる、または防止される。

この改良されたカウンターバランスシステム８０は、いくつかの利点を提供することが可能である。例えば、この設計により、ベースから１番目の回転軸心（関節部材３６に関連付けられた）をより短くし、関連する撓みを低減することが可能である。加えて、この長さの削減は、ピボット８８周りの回転角度スパンの減少を伴わずに達成することが可能である。また、改良されたカウンターバランスシステム８０は、ロック機構およびカウンターバランス機構を一体的に組み合わせて単一のシステムにすることが可能であるため、要求される部品の数を削減することが可能である。さらに、ピストンアセンブリ８４は、ピボット８８周りの運動を減衰させることが可能である。これにより、アームがまだロックされている間にユーザがアームを移動させようとすることによりＣＭＭを損傷させる可能性が低下する。しかし、本明細書に記載の本発明の他の実施形態において、伝達部材２０の裏端上に設けられた錘など、異なるカウンターバランスシステムを用いることが可能であることに留意すべきである。さらに、本明細書に記載の本発明の他の実施形態において、剛性の物理的止め具など、異なるロック機構を用いることが可能である。上記の改良されたカウンターバランスシステム８０は、他の種類のＣＭＭにおいて用いることが可能であり、先行するセクションの前後で説明する追加の実施形態と組み合わせて用いる必要はないことを理解すべきである。

図４は、改良されたハンドル４０を示す。ハンドル４０は、１つ以上の一体化されたボタン４１を含むことが可能である。ハンドルは、ボルト、スナップ、またはクランプで軸心に接続することが可能である。加えて、ハンドル４０は、その内部に含まれた電子装置４４を含むことが可能である。有益なことに、電子装置４４をハンドル４０内に設けることにより、さらに、回転エンコーダおよび加熱されると精度を失うかもしれない他のコンポーネントから電子装置を隔てることが可能である。いくつかの実施形態において、ハンドル４０またはその中の電子装置４４は、アームの残りの部分から熱的に隔離することが可能である。加えて、ハンドル４０が取り外し可能であるとともに電子装置４４を含むときは、ハンドル４０は、フィーチャパック（以下で説明する）と同様のモジュール式コンポーネントを形成することが可能である。これにより、ユーザは、ハンドル４０を変更し、それに応じて電子装置４４および電子装置を制御するボタン４１も変更することにより、機能性を変更することが可能である。これにより、異なる機能性を有する複数のハンドル４０をＣＭＭシステムに設けることで、ＣＭＭにモジュール式フィーチャを提供することが可能である。やはり、本明細書に記載の本発明の他の実施形態において、異なるハンドルを用いることが可能であり、あるいは、いずれの明確なハンドルも設けないことも可能であることに留意すべきである。加えて、ハンドルは、アーム、スキャナ、または両方にパワーを供給するバッテリを含むことが可能である。

上記の改良されたハンドル４０は、他の種類のＣＭＭにおいて用いることが可能であり、先行するセクションの前後で説明する追加の実施形態と組み合わせて用いる必要はないことを理解すべきである。

加えてまたは代替として、いくつかの実施形態において、ＣＭＭアーム１は、図８に示すように、アーム自体の運動により少なくとも部分的に制御することが可能である。例えば、いくつかの実施形態では、ボタンを押下する、レバーを引く、ダイヤルを回す、または他の何らかの伝統的な作動装置を作動させることにより何らかの命令または指令をトリガすることができる一方、他の実施形態では、エンコーダ３７により検出することが可能なＣＭＭアーム１の具体的な運動または位置により同じまたは異なる指令をトリガすることが可能である。より具体的な例として、いくつかの実施形態において、ＣＭＭアーム１が図１に示すような全体的に折り曲げられたまたは退縮した位置に配置されたときに、アームにスリープモードに入るように指令することが可能である。すると、ＣＭＭアーム１は、その指令を行うことが可能である。同様に、ＣＭＭアーム１は、高速な移動またはより伸長した位置への移動により再復帰させることが可能である。他の組み合わせの指令、
運動、および位置が可能である。

例えば、いくつかの実施形態において、ＣＭＭアーム１は、その全体的な配向により、異なるデータ取得モードに入ることが可能である。位置によりデータ取得モードを変化させることは、ＣＭＭアーム１が製品の異なる部分に沿って異なるデータ取得モードを要求する製品を規則的に測定する場合に有益である可能性がある。

さらに、いくつかの実施形態において、アームは、その移動速度により、異なるデータ取得モードに入ることが可能である。例えば、ＣＭＭのオペレータは、重要な点が間もなく測定されるときはＣＭＭをゆっくりと移動させるかもしれない。これにより、ＣＭＭは、アームがゆっくりと移動しているときはその測定頻度、精度、または他の特性を増加させることが可能である。加えて、ＣＭＭは、アームがコンピュータのマウスとして用いられるモードと、最終の軸の１つの素早い移動を伴う測定モードとの間で切り換えることが可能である（以下でさらに説明する関連付けられたコンピュータの実施形態）。

前述の実施形態と同様に、アームの制御に関するこれらのフィーチャは、他の種類のＣＭＭにおいて用いることが可能であり、先行するセクションの前後で説明する追加の実施形態と組み合わせて用いる必要はないことを理解すべきである。

図５は、ドッキング部１２を介してベース１０と接続することが可能な一組のフィーチャパック９０を示す。ドッキング部１２は、ＣＭＭアーム１とフィーチャパック９０との間の電子的接続を形成することが可能である。いくつかの実施形態において、ドッキング部１２は、高速データ転送、パワー伝達、機械的支持などのための接続性を提供することが可能である。これにより、ドッキング部に接続されると、フィーチャパック９０は、ＣＭＭアーム１にモジュール式の電子的、機械的、または熱的コンポーネントを提供することが可能であり、バッテリ寿命の増加、無線機能、データ格納、データ処理の改善、スキャナデータ信号の処理、温度制御、機械的支持もしくは安定、または他のフィーチャなどの種々の異なるフィーチャおよび機能性が可能になる。いくつかの実施形態において、このモジュール式機能性により、ハンドル４０のいくつかのモジュール式フィーチャを補うまたは交換することが可能になる。モジュール式フィーチャパックは、機能性拡張、バッテリ、電子回路基板、スイッチ、ボタン、ライト、無線もしくは有線通信電子装置、スピーカ、マイクロフォン、またはベースレベルの製品には含まれないかもしれない他のいずれかの種類の機能性拡張のためのコネクタを含むことが可能である。さらに、いくつかの実施形態において、フィーチャパック９０は、伝達部材、関節部材に沿って、またはハンドル４０へのアドオンとしてなど、ＣＭＭアーム１の異なる位置に位置決めすることが可能である。

一例として、フィーチャパック９０は、一次電池または補助電池などのバッテリを含むことが可能である。有益なことに、パック９０が補助電池である実施形態において、ＣＭＭは、補助電池が存在しないまたは交換中の間にＣＭＭの動作を持続することが可能な内部の一次電池を含むことが可能である。これにより、補助電池を循環させることにより、ＣＭＭは、直接的なパワー接続がなくても無期限に持続させることが可能である。

別の例として、フィーチャパック９０は、データ格納装置を含むことが可能である。フィーチャパック９０上の利用可能なデータ格納は、デスクトップコンピュータなどのより大型のおよび／またはより不便なデータ格納装置への接続を要求することなくＣＭＭが大量のデータを測定および保持することが可能であるように、任意の大きさであることが可能である。さらに、いくつかの実施形態において、データ格納装置は、モータ付きアームについての移動経路、特定のボタンの押下またはアームの特定の運動もしくは位置に応じたアームについての新しい命令、または他のカスタマイズ可能な設定など、アームの動作
についての指令を含むデータをアームに転送することが可能である。

フィーチャパックが無線機能を含む例において、データ格納装置と同様の機能性を提供することが可能である。無線機能がある場合は、有線接続を伴わずにＣＭＭとデスクトップコンピュータなどの外部装置との間でデータを連続的に転送することが可能である。いくつかの実施形態において、ＣＭＭは、補助装置から命令を連続的に受信することが可能である。さらに、いくつかの実施形態において、補助装置は、アームの位置または取得したデータ点などのアームからのデータを連続的に表示することが可能である。いくつかの実施形態において、装置は、パーソナルコンピュータ（「ＰＣ」）であることが可能であり、フィーチャパックは、アーム座標データおよびスキャナデータをＰＣに無線で送信することが可能である。前記フィーチャパックは、無線送信前にフィーチャパックにおいてアームデータとスキャナデータとを組み合わせるか、またはそれらを別々のデータストリームとして送信することが可能である。

さらなる実施形態において、フィーチャパックは、データ処理装置を含むことも可能である。有益なことに、これらは、アームの動作、データ格納、または他の機能性を改良することが可能な様々な動作を行うことが可能である。例えば、いくつかの実施形態において、アーム位置に基づくアームへの命令を、フィーチャパックを通じて処理することが可能である。追加の実施形態において、フィーチャパックは、アームからのデータを格納または送信前に圧縮することが可能である。

別の例において、フィーチャパックは、ＣＭＭへの機械的支持を提供することも可能である。例えば、フィーチャパックは、ベース１０に接続し、相当な重量を有し、これにより、ＣＭＭを安定化させることが可能である。他の実施形態において、フィーチャパックは、ＣＭＭとＣＭＭが装着されている支持体との間の機械的接続を提供してもよい。

さらに別の例において、フィーチャパックは、熱的機能性を含むことが可能である。例えば、フィーチャパックは、ヒートシンク、冷却ファンなどを含むことが可能である。ドッキング部とフィーチャパックとの間の接続により、熱伝導性部材によりベース１０内の電子装置とＣＭＭの残りの部分とに接続することが可能であり、ＣＭＭアームとフィーチャパックとの間の相当な熱伝達が可能になる。

さらに、図１に示すように、いくつかの実施形態において、フィーチャパック９０は、それらが接続するベース１０の側に実質的に合致するサイズおよび形状を有することが可能である。これにより、ＣＭＭのサイズを実質的に増加させることなく、ＣＭＭの可能性のある可搬性を低下させることなく、または他の装置に対するＣＭＭの場所を限定することなく、フィーチャパック９０を用いることが可能である。

やはり、フィーチャパック９０は、互いに組み合わせて、および本明細書に記載のその他のフィーチャと組み合わせて用いることが可能であり、ならびに／または他の種類のＣＭＭにおいて独立して用いることが可能である。

加えて、いくつかの実施形態において、ＣＭＭアーム１は、図６に示す例証的実施形態である、アブソリュートエンコーダディスク９５を含むことが可能である。アブソリュートエンコーダディスク９５は、反射および無反射材料、透明および不透明材料、交互の磁気特性などにおいて具現化することが可能な略円形の連続パターンを含むことが可能である。連続パターンにより、読み取りヘッドがエンコーダのコード面の限定された部分を読むだけでエンコーダ上のユニークな位置を判定することが可能になる。いくつかの実施形態において、連続パターンは、図６に示すように、バーコードに類似していることが可能である。パターンは、関連付けられた読み取りヘッドの視野範囲に沿って非反復的である
ことが可能である。これにより、読み取りヘッドがエンコーダディスク９５から収集した画像または他のデータは、エンコーダ上の他のいずれの位置からもユニークなパターンを生じさせるため、ユニークな角度位置に関連付けることが可能である。各エンコーダは、例えばＣＣＤ撮像器であることが可能な１つ以上の読み取りヘッドにより読み取られる単一の連続ディスクで構成されることが可能である。２つまたは好ましくは４つのＣＣＤ撮像器を用いることで、軸心の偏心を測定するとともに角度測定値から偏心を減算することによりエンコーダの精度を改善することが可能である。さらに、角度精度は、複数のＣＣＤ撮像器の測定値を平均化することにより改善することが可能である。

従来のエンコーダでは、コード面が増分ステップを示すのみで絶対位置を示さない増分および反復的面がしばしば用いられていた。これにより、インクリメンタルエンコーダは、ユニークに識別されるホーム位置から離れた増分位置を再び割り出し、判定するために、ホーム位置に戻る必要があった。有益なことに、アブソリュートエンコーダディスク９５のいくつかの実施形態は、ホーム位置に戻る必要性を排除することが可能である。ＣＭＭのこのフィーチャは、本明細書に記載のその他のフィーチャと組み合わせて用いることが可能であり、および／または他の種類のＣＭＭにおいて独立して用いることが可能である。

有益なことに、アブソリュートエンコーダディスク９５は、スリープモードに入るＣＭＭアーム１の機能性を改善することが可能である。スリープモードに入ることにより、ＣＭＭアーム１の電力消費を削減することが可能である。しかし、スリープモード中に多くのシステムを停止させると、インクリメンタルエンコーダは、自らの位置を「忘れる」かもしれない。これにより、スリープモードから復帰すると、インクリメンタルエンコーダは、使用前にホーム位置に戻す必要があるかもしれない。代替として、インクリメンタルエンコーダは、スリープモード中に部分的に電源が入った状態に保つことで、自らの増分位置を維持することが可能である。有益なことに、アブソリュートエンコーダディスク９５を用いると、エンコーダは、スリープモード中に完全に電源を切り、電源を復帰させたときに自らの位置を即座に出力することが可能である。他のモードにおいて、アブソリュートエンコーダは、増分移動を見逃してその増分位置を見失うかもしれないという心配を伴わずに、その位置をより低い頻度で読み取ることが可能である。これにより、ＣＭＭアーム１は、途中で「ホーム」位置へのリセットを要求することなく、いずれの開始位置からも、電源投入または復帰させ、即座にデータ取得を開始することが可能である。いくつかの実施形態において、アブソリュートエンコーダは、ＣＭＭのすべての測定対象回転軸心と用いることが可能である。ＣＭＭのこのフィーチャは、本明細書に記載のその他のフィーチャと組み合わせて用いることが可能であり、および／または他の種類のＣＭＭにおいて独立して用いることが可能である。例えば、上記のように、このスリープモードは、特定の位置への移動により誘起することが可能である。さらなる例として、エンコーダディスク３８ａは、アブソリュートエンコーダディスク９５であることが可能である。

加えて、いくつかの実施形態において、ＣＭＭアーム１は、較正ソフトウェアに関連付けることが可能である。一般に、ＣＭＭアームの較正は、ＣＭＭアームの遠端（例えば、プローブ）を特定の予め定義された既知の位置に位置決めし、次いでアームの角度位置を測定することにより行うことが可能である。しかし、これらの較正点は、ユニークなアームの配向を定義しないことが多く、代わりに複数のアーム位置で到達される可能性がある。較正手順の有効性を改善するため、遠端点とアームの残りの部分の配向とを含む好ましいまたは所望されるＣＭＭアーム較正位置１ａを指示するソフトウェアが含まれることが可能である。さらに、いくつかの実施形態において、ソフトウェアは、図７に示すように、所望される位置１ａと比較されたアームの現在位置１ｂもリアルタイムに示すことが可能である。さらにその上、いくつかの実施形態において、ソフトウェアは、所望される位置１ａと位置合わせされていないアームの部分を強調することが可能である。

図７Ａに示すように、較正ソフトウェアは、ディスプレイ２２０と１つ以上の入力装置２３０とに連結されたコンピュータ２１０などの別体の補助装置上に含まれることが可能である。オペレータ２４０は、コンピュータシステム２１０を用いてキーボードおよび／またはマウスであってもよい１つ以上の入力装置２３０を操作することにより較正手順を計画してもよい。ディスプレイ２２０は、１つ以上の表示領域または表示部を含んでもよく、かかる表示領域または表示部の各々は、ＣＭＭアーム１のその現在位置における異なる図と、オプションで所望される較正位置（上記のように）とを表示する。これらのディスプレイの各々は、コンピュータ２１０上のプログラムおよびデータ内で内部的にリンクさせてもよい。例えば、コンピュータ２１０上で走るプログラムは、メモリ内でＣＭＭアームの現在位置の単一の内部表現を有してもよく、内部表現は、ディスプレイ２２０上で２つ以上の抽象的または半現実的なやり方で表示させてもよい。

様々な実施形態において、コンピュータ２１０は、１つ以上のプロセッサと、１つ以上のメモリと、１つ以上の通信機構とを含んでもよい。いくつかの実施形態において、２つ以上のコンピュータを用いて本明細書において検討されるモジュール、方法、およびプロセスを実行してもよい。加えて、本明細書中のモジュールおよびプロセスは、各々、１つ以上のコンピュータ上の１つまたは複数のプロセッサ上で走らせてもよく；または本明細書中のモジュールは、専用ハードウェア上で走らせてもよい。入力装置２３０は、１つ以上のキーボード（片手用または両手用）、マウス、タッチスクリーン、音声命令および関連付けられたハードウェア、ジェスチャ認識、またはオペレータ２４０とコンピュータ２１０との間の通信を提供する他のいずれかの手段を含んでもよい。ディスプレイ２２０は、２Ｄまたは３Ｄディスプレイであってもよく、ＬＣＤ、ＣＲＴ、プラズマ、投影などのいずれの技術に基づくものであってもよい。

システム２００の様々なコンポーネント間の通信は、ＵＳＢ、ＶＧＡケーブル、同軸ケーブル、ＦｉｒｅＷｉｒｅ（登録商標）、シリアルケーブル、パラレルケーブル、ＳＣＳＩケーブル、ＩＤＥケーブル、ＳＡＴＡケーブル、８０２．１１もしくはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）に基づく無線、または他のいずれかの有線もしくは無線接続を含む、いずれかの適切な連結を介して達成してもよい。システム２００における１つ以上のコンポーネントを、単一のユニットまたはモジュールに組み入れてもよい。いくつかの実施形態において、システム２００の電子コンポーネントのすべては、単一の物理的ユニットまたはモジュールに含まれる。

較正ソフトウェアの拡張機能により、オペレータは、単にディスプレイ上のライブ画像を参照するとともにライブ画像を所望される画像上に位置させることが可能になり、較正プロセスを失速させるマニュアルまたは追加のトレーニング文書の必要性が低下する。加えて、前述のディスプレイの助けにより、新たな較正技師を正確に素早く訓練することが可能である。これらの較正方法から取得されるデータは、例えば関節の一貫性が増加していることにより、より再現性が高く、より正確であることが可能である。ＣＭＭを正しい姿勢に位置決めすることに加え、較正アーチファクト１２０をアームの到達体積内の正しい場所に位置決めすべきである。ディスプレイが真の三次元画像を示すときは、３Ｄ空間における較正アーチファクトの位置も正しく表示され、正しい測定体積が測定されていることをさらに保証することが可能である。

ＣＭＭのこれらの較正フィーチャは、本明細書に記載のその他のフィーチャと組み合わせて用いることが可能であり、および／または他の種類のＣＭＭにおいて独立して用いることが可能である。例えば、いくつかの実施形態において、較正プロセスは、ＣＭＭの位置および運動に基づく命令を利用することが可能である（上述のように）。いくつかの実施形態において、較正中、アームを長い間静止状態に保持することにより、アームが所望される位置にあることを較正ソフトウェアに指示することが可能である。ソフトウェアは
、次いで、表示、音、色などの変更によりこの命令を処理したことを認めることが可能である。次いで、この結果を、オペレータは、アームを前記位置から高速で動かすことで確認することが可能である。較正ソフトウェアは、次いで、次の較正点を指示するか、または較正が完了したことを指示することが可能である。加えて、この機能性は、オペレータにも拡張することが可能である。一例として、プローブの較正中、ソフトウェアは、ＣＭＭがあるべき要求される関節姿勢とＣＭＭが取っている実際の姿勢とを表示することが可能である。オペレータは、次いで、正しい位置になるまでＣＭＭを移動させ、位置を記録することが可能であるか、または位置を自動的に記録させることが可能である。これにより、ユーザにとってのプロセスが簡略化され、得られるデータの精度が改善される。レーザラインスキャナ、タッチトリガプローブなどの存在が感知されるプローブの種類によって、異なる方法を提示することが可能である。

さらにその上、いくつかの実施形態において、ＣＭＭアーム１は、傾きセンサを含むことが可能である。いくつかの実施形態において、傾きセンサは、少なくとも概ね１秒の精度を有することが可能である。傾きセンサは、ベース１０、フィーチャパック９０、またはＣＭＭアーム１の他の部品に含まれることが可能である。ベース１０またはフィーチャパック９０に配置されると、傾きセンサは、アームが上に乗ったテーブルまたは三脚などのＣＭＭアームの支持構造の移動を検出することが可能である。このデータを、次いで、アーム内の他の場所にある処理モジュール、またはコンピュータなどの外部装置に転送することが可能である。ＣＭＭアーム１または外部装置は、次いで、例えば傾きが閾値を越えて変化したときに、ベースにおける移動についてユーザに警告し、および／または移動を補償するように試みることが可能である。ユーザへの警告は、音、ハンドル４０上もしくはアーム１の端部の略付近のＬＥＤライト、またはアーム１に接続されたモニタ上など、種々の形態であることが可能である。代替としてまたは加えて、警告は、傾きが生じたときにアーム１により収集されるデータ上のフラグの形態であることが可能である。このデータは、後に分析されるときにあまり正確でないものと考えることが可能である。移動を補償するように試みるときは、いくつかの実施形態において、傾きと位置に対するその影響とを部分的に測定し、較正プロセスにおいて考慮することが可能である。さらなる実施形態において、傾きは、それに応じて関節部材の角度位置を調節することにより補償することが可能である。ＣＭＭのこのフィーチャは、本明細書に記載のその他のフィーチャと組み合わせて用いることが可能であり、および／または他の種類のＣＭＭにおいて独立して用いることが可能である。

さらなる実施形態において、アーム位置の測定毎に、トリガ信号がアームからスキャナに送られる。アームのトリガと同期して、アームは、アームの位置および配向を保持することが可能である。また、スキャナは、キャプチャ中のスキャナ画像ストリーム（例えば、タイムスタンプとして記録される）に対する信号の受信時間を記録する（例えば、やはりタイムスタンプとして）ことが可能である。アームからのこの時間信号データは、画像データとともに含まれることが可能である。２つのシステム（アームおよびスキャナ）の相対頻度によっては、スキャナ画像当たり２つ以上のトリガ信号が存在してもよい。アームをスキャナよりも低い頻度で走らせることは望ましくないかもしれず、この結果、通例、アームおよびスキャナの頻度が少なくとも部分的に非同期となる。このため、アームおよびスキャナデータを後処理することにより、アーム位置を補間によりスキャナのフレームに組み合わせ、スキャナ画像のときのアーム位置を推定することが可能である。いくつかの実施形態において、補間は、２つの隣接点の間の単純な線形補間であることが可能である。しかし、他の実施形態において、より高次の多項式補間を用いて加速、急動などを考慮することが可能である。ＣＭＭのこのフィーチャは、本明細書に記載のその他のフィーチャと組み合わせて用いることが可能であり、および／または他の種類のＣＭＭにおいて独立して用いることが可能である。

上記の様々な装置、方法、手順、および手法により、本発明を実施するいくつかの方法が提供される。当然、本明細書に記載のいずれの特定の実施形態によっても、記載された目的または利点のすべてが必ずしも達成され得るわけではないことを理解されたい。また、本発明を特定の実施形態および例の文脈で開示してきたが、本発明は、具体的に開示された実施形態を越えて他の代替の実施形態および／または使用ならびにそれらの明白な修正および均等物に拡張されることが、当業者には理解されよう。そのため、本発明は、本明細書中の好適な実施形態の具体的な開示により限定されることを意図するものではない。

Claims (10)

1. 関節式アームＣＭＭを操作する方法であって、オペレータが前記アームを予め定義された位置に配置するステップとオペレータが前記アームを予め定義されたように移動させるステップとで構成される群から選択された作用により前記ＣＭＭアームに特定のモードをトリガする指令を入力するステップを含む、方法。
2. 前記入力ステップは、前記指令が、複数の回転エンコーダによって認識され、いずれのボタン、レバー、ダイヤル、および他の伝統的な作動装置も作動させることなく行われる、請求項１に記載の方法。
3. 前記関節式アームを縮められた位置に配置するステップと；
   前記関節式アームを縮められた位置に配置する前記ステップの後に、前記アームが自動的にスリープモードに入るステップと；をさらに含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記アームを高速で移動させることにより前記関節式アームをスリープモードから復帰させるステップをさらに含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記アームを伸長位置に移動させることにより前記関節式アームをスリープモードから復帰させるステップをさらに含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記アームがゆっくりと移動させられたときに前記アームのデータ取得モードを変更するステップをさらに含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記アームのデータ取得モードは、前記アームがゆっくりと移動させられるとより高い頻度またはより高い精度のモードに変更される、請求項６に記載の方法。
8. 前記アームを長い間静止状態に保持することにより所望される較正位置が到達されたことを指示するステップと；
   前記アームの高速な移動で前記較正位置を確認するステップと；をさらに含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 所望される較正位置が到達されたことの前記指示が前記アームまたは前記アームと通信する補助装置により認められた後に、前記確認ステップが行われる、請求項８に記載の方法。
10. 関節式アームＣＭＭであって、前記アームを予め定義された位置に配置するステップと前記アームを予め定義されたように移動させるステップとで構成される群から選択された作用から指令を、複数の回転エンコーダを用いて認識して受信するように構成されている、関節式アームＣＭＭ。

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