JP6894432B2 - ヘキサポッドの精度誤差を補償するための方法およびシステム - Google Patents

ヘキサポッドの精度誤差を補償するための方法およびシステム Download PDF

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Description

本発明は、ヘキサポッド(hexapod)の精度誤差を補償するための方法およびシステムに関する。
ヘキサポッドが、2つのプラットフォーム、すなわちベースプラットフォームおよび上部プラットフォームと、6つのアクチュエータとで構成される運動学的構造を備えることが知られている。ベースプラットフォームが固定される一方で、上部プラットフォーム(または、可動キャリッジ)および6つのアクチュエータは、可動である。アクチュエータは、第1の端部によって上部プラットフォームにヒンジによって連結され、各々のアクチュエータの他端は、別のヒンジによってベースに連結される。すべてのアクチュエータは、互いに独立しており、上部プラットフォームの方向付けおよび位置付けを可能にする。
したがって、ヘキサポッドは、6つの自由度による空間内での物体の位置決めおよび移動を可能にする平行機械システムである。このシステムの構成ゆえに、このシステムを、きわめて正確な位置決め、位置測定、ならびに力学における試験の枠組みにおける運動の生成に使用することができる。
ヘキサポッドは、とりわけ、船舶、宇宙、航空、モータ、光学、医療、原子力、および電子などの産業において用いられている。
ヘキサポッドは、一般に、それらの軸について満足できる精度を有しているが、一定レベルの誤差が依然として存在する。
本発明の目的は、精度誤差の補償をもくろむことによって、この不都合を改善することである。
本発明は、
・固定のベースと、
・6つの独立した制御可能な直動アクチュエータを備えた駆動アセンブリと、
・駆動アセンブリの制御ユニットと、
・駆動アセンブリによってベースに連結されたプラットフォームを備える可動キャリッジと
を少なくとも備えており、
駆動アセンブリの前記アクチュエータの各々は、長手方向における第1の端部によってベースに第1のヒンジによって連結され、長手方向における第2の端部によってキャリッジに第2のヒンジによって連結され、前記6つのアクチュエータは、ベース上の6つの枢動中心(または、枢支点)と、キャリッジ上の6つの枢動中心(または、枢支点)とを定めているヘキサポッドについて、このヘキサポッドの精度誤差を補償するための方法に関する。
本発明によれば、この方法は、
・ヘキサポッドの幾何学的および位置決め誤差を決定することからなり、
キャリッジ上の各々の枢動中心およびベース上の各々の枢動中心の位置を測定し、枢動中心の位置決め誤差を決定することと、各々のアクチュエータの長さを測定し、これらのアクチュエータの長さ誤差を決定することとからなる第1のサブステップと、
各々のアクチュエータのそれぞれの経路に沿った位置決め誤差を測定することからなる第2のサブステップと
を含む測定ステップと、
・側定ステップにおける測定値から誤差補償値を計算する計算ステップと、
・ヘキサポッドの使用時にヘキサポッドの制御ユニットに誤差補償値を適用することからなる適用ステップと
を含むことを特徴とする。
このようにして、本発明によれば、ヘキサポッドに生じ易いさまざまな種類の(幾何学的形状および位置決めの)誤差を割り出して補償することができ、したがって後のヘキサポッドの使用において(固定のベースに関する可動キャリッジのきわめて正確な移動および制御が可能である)きわめて正確なヘキサポッドを有することができる。
第1の実施形態において、前記第1のサブステップは、特有のサブステップであり、
・キャリッジ上の各々の枢動中心およびベース上の各々の枢動中心の位置の直接測定と、
・前記アクチュエータの長さ誤差を決定するための各々のアクチュエータの長さの直接測定と
で構成される。
この第1の実施形態において、ヘキサポッドは、このような直接測定を可能にする幾何学的形状を有さなければならない。
さらに、第2の実施形態において、前記第1のサブステップは、以下に詳述される複数の個別のサブステップを含む。
好都合には、第1の測定サブステップは、ベース上の各々の枢動中心の位置を測定することからなる第1の個別サブステップを含み、前記第1の個別サブステップは、ベースの枢動中心の位置を測定するために、
・ボールを枢動中心の位置においてベースに固定することと、
・ベースを調整用プレートに固定することと、
・ボールの位置を3D測定装置の助けによって測定することと
からなる。
さらに、好都合には、計算ステップは、(ベース上の)枢動中心の位置の測定値を対応する理論値と比較することと、ベースの幾何学的誤差の補償マトリクスを作成することとからなるサブステップを含む。
加えて、好都合には、第1の測定サブステップは、キャリッジ上の各々の枢動中心の位置を測定することからなる第2の個別サブステップを含み、前記第2の個別サブステップは、キャリッジの枢動中心の位置を測定するために、
・ボールを枢動中心の位置においてキャリッジに固定することと、
・キャリッジを調整用プレートに固定することと、
・ボールの位置を3D測定装置の助けによって測定することと
からなる。
さらに、好都合には、計算ステップは、(キャリッジ上の)枢動中心の位置の測定値を対応する理論値と比較することと、キャリッジの幾何学的誤差の補償マトリクスを作成することとからなるサブステップを含む。
さらに、好都合には、第1の測定サブステップは、各々のアクチュエータの長さを測定することからなる第3の個別サブステップを含み、この第3の個別サブステップは、各々のアクチュエータについて、3D測定装置で、アクチュエータの中心のボールの間のアクチュエータの長さを、元のアクチュエータにおいて測定することからなる。
加えて、好都合には、計算ステップは、アクチュエータの長さの測定値を対応する理論値と比較することと、アクチュエータの長さ誤差の補償マトリクスを作成することとからなるサブステップを含む。
加えて、好都合には、計算ステップは、位置決め誤差の測定値を使用して位置決め誤差の補償マトリクスを作成することからなるサブステップを含む。
さらに、本発明は、上述のようにヘキサポッドの精度誤差を補償するためのシステムに関する。
本発明によれば、この補償システムは、
・ヘキサポッドの幾何学的および位置決め誤差を決定するように構成され、
枢動中心の位置決め誤差を決定するために、キャリッジ上の各々の枢動中心およびベース上の各々の枢動中心の位置を測定するとともに、前記アクチュエータの長さ誤差を決定するために、各々のアクチュエータの長さを測定するように構成された第1の測定アセンブリと、
各々のアクチュエータのそれぞれの経路に沿った位置決め誤差を測定するように構成された第2の測定アセンブリと
を備えている測定システムと、
・これらの測定に基づき、(後の)ヘキサポッドの使用時にヘキサポッドの制御ユニットに適用される誤差補償値を計算するように構成された計算ユニットと
を備える。
特定の実施形態において、前記第1の測定アセンブリは、
・枢動中心の位置決め誤差を決定するために、キャリッジ上の各々の枢動中心およびベース上の各々の枢動中心の位置を測定するように構成された測定アセンブリと、
・各々のアクチュエータの長さを測定するように構成された第2の測定アセンブリと
を備える。
添付の図面が、本発明をどのように実施できるのかを、分かり易く説明する。これらの図において、同一の参照符号は同様の要素を示している。
精度誤差を補償するためのシステムの特定の実施形態の概略の計画である。 本発明を使用したヘキサポッドの斜視図である。 誤差を補償するための測定システムの斜視図である。 誤差を補償するための測定システムの斜視図である。 誤差を補償するための測定システムの斜視図である。 誤差を補償するための測定システムの斜視図である。
図1に概略的に示され、本発明の例示を可能にするシステム1(以下では、「補償システム1」)は、図2に例として示されるように、ヘキサポッド2の精度誤差を補償するためのシステムである。
標準的なように、ヘキサポッド2は、
・固定のベース3と、
・互いに独立しており、長さが可変かつ制御可能である6つの直動アクチュエータ5を備えた駆動アセンブリ4と、
・駆動アセンブリ4を制御するための制御ユニット6(とくには図示せず)と、
・駆動アセンブリ4によってベース3に接続されたプラットフォーム8を備える可動キャリッジ7と
を備える。
駆動アセンブリ4の6つのアクチュエータ5の各々は、長手方向における第1の端部5Aによってベース3に第1のヒンジ9Aによって連結され、長手方向における第2の端部5Bによって可動キャリッジ7のプラットフォーム8に第2のヒンジ9Bによって連結される。ヒンジ9Aおよび9Bは、2つまたは3つの自由度を有するボールを呈する。さらに、6つのアクチュエータ5は、ベース3上の6つの枢動中心(または、枢支点)と、プラットフォーム8上の6つの枢動中心(または、枢支点)とを定める。
このように、ヘキサポッド2は、6つの脚を備え、各々の脚は、アクチュエータ5を備えており、アクチュエータ5を延ばすことで、脚の長さを変えることができる。
2つのプレート(ベースプレート3およびプラットフォーム8)は、Xと称される方向とYと称される方向とによって定められるXY平面(水平)に対して実質的に平行に配置される。前記プレート3および8の中立位置において、プレート3および8は、両方ともXY平面に完全に平行である。
これらのXおよびY方向は、図2に示されている基準点R(または、XYZ)の一部を形成する。理解を容易にするように意図されたこの基準点Rは、XY平面を形成する方向(または、軸)XおよびYに加えて、このXY平面に直交する方向(または、軸)Zと、軸X、Y、およびZのそれぞれに沿った回転を表す角度θX、θY、およびθZ(両矢印によって示される)とを含む。
ベース3を、標準的なように、ねじなどの取り付け手段によって支持要素(図示せず)に固定することができる。
可動キャリッジ7に関しては、標準的なように、可動キャリッジ7が、ねじなどの取り付け手段によって可動キャリッジ7に固定されてよい特定の要素(図示せず)を支持することができる。
ヘキサポッド2は、とくには、分光法において試料を位置決めし、光電子工学においてファイバ光学系を整列させ、あるいは光学系を整列させるために、6つの自由度における機械または光学部品の位置決めまたは移動に、きわめて良好に適合する。
したがって、駆動アセンブリ4は、可動キャリッジ7をベース3に対して動かすことができるように構成される。より正確には、駆動アセンブリは、
・X軸に従った相対運動および/またはX軸に沿った相対運動(θX)、ならびに/あるいは
・Y軸に従った相対運動および/またはY軸に沿った相対運動(θY)、ならびに/あるいは
・Z軸に従った相対運動および/またはZ軸に沿った相対運動(θZ)
を生じさせることができる。
また、ヘキサポッド2は、6つの自由度、すなわち(軸X、Y、およびZに従った)並進の3つの自由度および(角度θX、θY、およびθZに従った)回転の3つの自由度を有する。
6つのアクチュエータ5が、長さを変化させ、さらには(固定のベース3に対する)可動キャリッジ7の向きを変更するために、(制御ユニット6によって)作動させられる。可動キャリッジ7の所与の位置は、6つのアクチュエータ5の6つの長さの特有の組み合わせに対応する。
このように、ベース3、可動キャリッジ7、およびアクチュエータ5は、12個の枢動中心(ベース上に6つ、可動キャリッジ7上に6つ)によって連結され、各々のアクチュエータ5の長さの制御によって、ヘキサポッド2の可動キャリッジ7を軸X、Y、およびZに沿って移動させることができ、あるいは軸X、Y、およびZに従って移動させることができる。
本発明によれば、補償システム1は、図1に示されるように、
・ヘキサポッド2の幾何学的および位置決め誤差を決定するように構成され、
ベース3上の各々の枢動中心9Aおよびキャリッジ7上の各々の枢動中心9Bの位置を測定し、枢動中心9Aおよび9Bの位置決め誤差を決定するように構成された測定アセンブリ11と、
各々のアクチュエータ5の長さを測定し、これらアクチュエータ5の長さ誤差を決定するように構成された測定アセンブリ12と、
各々のアクチュエータ5のそれぞれの経路に沿った位置決め誤差を測定するように構成された測定アセンブリ13と
を備えている測定システム10と、
・測定アセンブリ11〜13にそれぞれボンド15〜17によって接続され、これらの測定アセンブリ11〜13による測定値から誤差補償値を計算するように構成された計算ユニットと
を備える。
誤差補償値は、図1の点線による矢印19によって示されるように、ヘキサポッド2の使用時にヘキサポッド2の制御ユニット6に適用される。
軸X、Y、Z、U、V、およびWに従うキャリッジ7の位置決め精度は、以下の3つの要素、すなわち
・図2において矢印20Aおよび20Bによって示されるとおりの各々の枢動中心9Aおよび9Bの位置の精度、
・図2において矢印21によって示されるとおりの各々のアクチュエータ5(または、脚)の初期の(元の)長さの測定の精度、および
・図2において矢印22によって示されるとおりの各々のアクチュエータ5の位置決めの精度
に大きく依存する。
補償システム1は、上述した3つの種類の誤差を補償することによって、ヘキサポッド2の位置決めの精度の改善を可能にする。
補償は、数学的な種類の補償であり、ヘキサポッド2の管理を可能にする制御ユニット6(または、コントローラ)によってサポートされる。これにより、
・理論幾何学の定義に関するベース3およびキャリッジ7の枢動中心9Aおよび9Bの位置決め誤差の補償、
・各々のアクチュエータ5の元の長さの補償、および
・各々のアクチュエータ5の位置決め誤差の補償
が達成される。
補正を適用するために、測定ユニット10は、計算ユニット14によって実施される計算のデータを入力する測定を実施し、計算ユニット14によって実施される計算の結果が、制御ユニット6に伝えられる。
ヘキサポッド2において使用される枢支の実装の技術により、これらの測定を実施することができる。
典型的な実施形態においては、ベース3上の枢動中心の位置を測定するために、以下の作業が実施され、すなわち
・図3に示されるように、ボール23(例えば、セラミックまたは他の材料)が、例えば接着または他の方法を使用して、枢動中心の位置においてベース3に固定され、
・ベース3が、調整用プレート24に固定され、
・ボール23の位置が、3D測定装置(図示せず)の助けによって測定される。
調整用プレート24および測定装置は、測定アセンブリ11の一部を形成する。
一実施形態の一変形例において、測定システム10は、ベース上の枢動中心の直接測定を実施する。
この場合、計算ユニット14は、上述のやり方で測定され、測定アセンブリ11から受け取られる枢動中心の位置の値を、保存済みの対応する理論値と比較し、ベース3の幾何学誤差の補償マトリクスを作成する。
このマトリクスが、制御ユニット6に伝えられる。
加えて、キャリッジ7上の枢動中心の位置を測定するために、以下の作業が実施され、すなわち
・図4に示されるように、ボール25(例えば、セラミックまたは他の材料)が、枢動中心の位置においてキャリッジ7に固定され、
・キャリッジ7が、調整用プレート26に固定され、
・ボール25の位置が、3D測定装置(図示せず)の助けによって測定される。
調整用プレート26および測定装置は、測定アセンブリ12の一部を形成する。
一実施形態の一変形例において、測定システム10は、ベース上の枢動中心の方向の測定を実施する。
この場合、計算ユニット14は、上述のやり方で測定され、測定アセンブリ12から受け取られる枢動中心の位置の値を、保存済みの対応する理論値と比較し、キャリッジの幾何学誤差の補償マトリクスを作成する。
このマトリクスが、制御ユニット6に伝えられる。
好ましくは、計算ユニット14は、12個の枢動中心のすべてについて2つの以前のマトリクスから単一の補償マトリクスを決定する。したがって、この補償マトリクスも、12個のXYZ座標を含む。
一実施形態の一変形例において、枢動中心およびアクチュエータの長さは、組み立てられたヘキサポッドにおいて単一の工程にて測定され、ヘキサポッドは、この直接測定を可能にするように設計されている。
さらに、各々のアクチュエータ5の長さを測定するために、アクチュエータの長さが、各々のアクチュエータ5について、アクチュエータ5の枢動中心の間で、アクチュエータ5が最小長さの初期位置にある状態で、3D測定装置を使用して測定される。
より具体的には、図5に示されるように、2つのボール(例えば、セラミックまたは他の材料)の中心の間の距離が、アクチュエータ5が原点(脚の長さ)にあるときに、3D測定装置27を使用して測定される。
この設備の下側の枢支は、ヘキサポッドのベースおよびキャリッジに取り付けられる枢支と同一のやり方で維持される。ボールは、例えば接着によって固定される。アクチュエータの先端の軸は、3つの中心に維持され、アクチュエータに、その初期位置において、並進ステージによって定められる軸に従うばねによって加えられる20Nの力が加えられる。上側の枢支ボールは、アクチュエータの先端の枢支カップに配置される。これは、測定段階における固定を保証するばねシステムによって維持される。
測定は、4つの連続するステップ、すなわち
・下側のボール(アクチュエータは組み立てられていない)の中心位置を測定し、支持プレートの角部の位置を追跡するステップ、
・アクチュエータを組み立て、上側のボールを位置決めするステップ、
・上側のボールの中心位置を測定するステップ、および
・(設備へのアクチュエータの配置の際に移動していないことを確認するために)プレートの角部の位置を検証するステップ
にて実施される。
この場合において、計算ユニット14は、アクチュエータ5の長さの位置の測定値を対応する理論値と比較し、アクチュエータの長さ誤差の補償マトリクスを作成する。
さらに、各々のアクチュエータ5のそれぞれの経路に沿った位置決め誤差を測定するために、図6に示される装置28を使用することが好ましい。
この場合、計算ユニット14は、アクチュエータの位置決め誤差の測定値を用いて、位置決め誤差の補償マトリクスを作成する。
したがって、本発明の実施は、2つの段階、すなわち
・上述のとおりの種々の測定が実施され、次いで好ましくは補償マトリクスの形態の誤差(または、相違)の計算が実行される第1の段階と、
・ヘキサポッド2が通常どおりに使用されて標準的な動作を実行する第2の段階と
を有する。この場合において、計算された誤差(または、相違)は、これらの誤差を補償する目的において、これらの誤差を固定のベース3に関する可動キャリッジ7の移動を決定するときに考慮する制御ユニット6(または、コントローラ)に、1つ以上の標準的なアルゴリズムにて前もって統合される。
これにより、可動キャリッジ7とベース3との間のきわめて正確な制御された移動を有するヘキサポッド2がもたらされる。

Claims (9)

  1. ・固定のベース(3)と、
    ・6つの独立した制御可能な直動アクチュエータ(5)を備えた駆動アセンブリ(4)と、
    ・前記駆動アセンブリ(4)のための制御ユニット(6)と、
    ・前記駆動アセンブリ(4)によって前記ベース(3)に接続されたプラットフォーム(8)を備える可動キャリッジ(7)と
    を少なくとも備えており、
    前記駆動アセンブリ(4)の前記アクチュエータ(5)の各々は、長手方向における第1の端部(5A)によって前記ベース(2)に第1のヒンジ(9A)によって連結され、長手方向における第2の端部(5B)によって前記キャリッジ(7)に第2のヒンジ(9B)によって連結され、前記6つのアクチュエータ(5)は、前記ベース(3)上の6つの枢動中心と、前記キャリッジ(7)上の6つの枢動中心とを定めているヘキサポッド(2)について、該ヘキサポッドの精度誤差を補償するための方法であって、
    ・前記ヘキサポッド(2)の幾何学的および位置決め誤差を測定するステップであって、
    前記キャリッジ(7)上と前記ベース(3)上の前記枢動中心の位置決め誤差を決定するために、前記キャリッジ(7)上の各々の枢動中心および前記ベース(3)上の各々の枢動中心の位置を測定し、前記アクチュエータ(5)の長さ誤差を決定するために、各々のアクチュエータ(5)の長さを測定することと、そして
    各々のアクチュエータ(5)のそれぞれの経路に沿って当該各々のアクチュエータ(5)の位置決め誤差を測定すること、を含み、
    ここで、前記キャリッジ(7)上の各々の枢動中心および前記ベース(3)上の各々の枢動中心の位置を測定することが、ボール(23)を前記枢動中心の位置において前記ベース(3)に固定することと、前記ベース(3)を調整用プレート(24)に固定することと、前記ボール(23)の位置を3D測定装置を利用して測定することとを含み、そしてまた、前記ボール(25)を前記枢動中心の位置において前記キャリッジ(7)に固定することと、前記キャリッジ(7)を調整用プレート(26)に固定することと、前記ボール(23)の位置を3D測定装置を利用して測定することとを含むものである、
    前記測定するステップと
    ・前記側定するステップにおける測定から誤差補償値を計算するステップと、そして
    ・前記ヘキサポッド(2)の使用時に前記ヘキサポッド(2)の前記制御ユニット(6)に前記誤差補償値を適用するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  2. 前記計算するステップは、前記枢動中心の位置の測定値を対応する理論値と比較、前記ベース(3)の幾何学的誤差の補償マトリクスを作成することを含む、ことを特徴とする請求項に記載の方法。
  3. 前記計算するステップは、前記枢動中心の位置の測定値を対応する理論値と比較、前記キャリッジ(7)の幾何学的誤差の補償マトリクスを作成することを含む、ことを特徴とする請求項に記載の方法。
  4. 前記前記キャリッジ(7)上の各々の枢動中心および前記ベース(3)上の各々の枢動中心の位置を測定することは、各々のアクチュエータ(5)について、3D測定装置(27)で、前記アクチュエータ(5)のボールの中心の間の前記アクチュエータ(5)の長さを、元のアクチュエータ(5)において測定することを含む、ことを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記計算するステップは、前記アクチュエータ(5)の長さの測定値を対応する理論値と比較することと、前記アクチュエータ(5)の長さ誤差の補償マトリクスを作成することを含む、ことを特徴とする請求項に記載の方法。
  6. 前記前記キャリッジ(7)上の各々の枢動中心および前記ベース(3)上の各々の枢動中心の位置を測定することは、
    ・前記キャリッジ(7)上の各々の枢動中心および前記ベース(3)上の各々の枢動中心の位置を直接測定することと、
    ・前記アクチュエータ(5)の長さ誤差を決定するために各々のアクチュエータ(5)の長さを直接測定することと
    を同時に行うことからなる、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  7. 前記計算するステップは、前記アクチュエータ(5)の位置決め誤差の測定値を使用して位置決め誤差の補償マトリクスを作成することを含む、ことを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の方法。
  8. ・固定のベース(3)と、
    ・6つの独立した制御可能な直動アクチュエータ(5)を備えた駆動アセンブリ(4)と、
    ・前記駆動アセンブリ(4)のための制御ユニット(6)と、
    ・前記駆動アセンブリによって前記ベース(3)に連結されたプラットフォーム(8)を備える可動キャリッジ(7)と
    を少なくとも備えており、
    前記駆動アセンブリ(4)の前記アクチュエータ(5)の各々は、長手方向における第1の端部(5A)によって前記ベース(2)に第1のヒンジ(9A)によって連結され、長手方向における第2の端部(5B)によって前記キャリッジ(7)に第2のヒンジ(9B)によって連結され、前記6つのアクチュエータ(5)は、前記ベース(3)上の6つの枢動中心と、前記キャリッジ(7)上の6つの枢動中心とを定めているヘキサポッド(2)について、該ヘキサポッドの精度誤差を補償するためのシステムであって、
    ・前記ヘキサポッド(2)の幾何学的および位置決め誤差を決定するように構成され、
    前記枢動中心の位置決め誤差を決定するために、前記キャリッジ(7)上の各々の枢動中心および前記ベース(3)上の各々の枢動中心の位置を測定するとともに、前記アクチュエータ(5)の長さ誤差を決定するために、各々のアクチュエータ(5)の長さを測定するように構成された第1の測定アセンブリ(11、12)と、
    各々のアクチュエータ(5)のそれぞれの経路に沿った位置決め誤差を測定するように構成された第2の測定アセンブリ(13)と
    を備えている測定システム(10)と、
    ・前記測定から、前記ヘキサポッド(2)の使用時に前記ヘキサポッド(2)の前記制御ユニット(6)に適用される誤差補償値を計算するように構成された計算ユニット(14)と
    を備えることを特徴とするシステム(1)。
  9. 前記第1の測定アセンブリ(11、12)は、
    ・前記枢動中心の位置決め誤差を決定するために、前記キャリッジ(7)上の各々の枢動中心および前記ベース(3)上の各々の枢動中心の位置を測定するように構成された測定アセンブリ(11)と、
    ・各々のアクチュエータ(5)の長さを測定するように構成された第2の測定アセンブリ(12)と
    を備える、ことを特徴とする請求項に記載のシステム。
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