特表 2022-530857 ロボット支援による表面加工のための装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-07-04

(54)【発明の名称】ロボット支援による表面加工のための装置

(51)【国際特許分類】

   B23Q 5/04 20060101AFI20220627BHJP

   B25J 17/02 20060101ALI20220627BHJP

   B24B 27/027 20060101ALI20220627BHJP

   B24B 41/04 20060101ALI20220627BHJP

   B24B 27/00 20060101ALN20220627BHJP

【ＦＩ】

B23Q5/04 510B

B25J17/02 G

B24B27/027

B24B41/04

B24B27/00 A

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2021561764

(86)(22)【出願日】2020-04-17

(85)【翻訳文提出日】2021-11-30

(86)【国際出願番号】 EP2020060818

(87)【国際公開番号】W WO2020212552

(87)【国際公開日】2020-10-22

(31)【優先権主張番号】102019110421.1

(32)【優先日】2019-04-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】515315521

【氏名又は名称】フェルロボティクス コンプライアント ロボット テクノロジー ゲーエムベーハー

【氏名又は名称原語表記】Ｆｅｒｒｏｂｏｔｉｃｓ Ｃｏｍｐｌｉａｎｔ Ｒｏｂｏｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＧｍｂＨ

(74)【代理人】

【識別番号】110000718

【氏名又は名称】特許業務法人中川国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ナデラー ロナルド

【テーマコード（参考）】

3C034

3C158

3C707

【Ｆターム（参考）】

3C034AA08

3C034BB22

3C034CB08

3C034DD07

3C158AA04

3C158AA12

3C158AA16

3C158AA18

3C158CB03

3C707AS12

3C707BS12

3C707BT18

3C707HS27

3C707HT15

(57)【要約】

【課題】
ロボットが行う動作の精度に対する要求を緩和する。
【解決手段】
支持板（５１）と、モータ（３１）と、リニアアクチュエータ（２）と、リニアアクチュエータ（２）によって支持板（５１）に結合された加工ヘッド（３３；３３ａ、３３ｂ）であって、回転可能な工具（３２）を直接的又は間接的に駆動するためのドライブシャフトを有する加工ヘッド（３３；３３ａ、３３ｂ）と、モータ（３１）のモータシャフト（３１０）と加工ヘッド（３３；３３ａ、３３ｂ）のドライブシャフトとを連結するフレキシブルシャフト（５４４）と、を有する装置。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

支持板（５１）と、
モータ（３１）と、
リニアアクチュエータ（２）と、
前記リニアアクチュエータ（２）によって前記支持板（５１）に結合された加工ヘッド（３３；３３ａ、３３ｂ）であって、回転可能な工具（３２）を直接的又は間接的に駆動するためのドライブシャフトを有する加工ヘッド（３３；３３ａ、３３ｂ）と、
前記モータ（３１）のモータシャフト（３１０）と前記加工ヘッド（３３；３３ａ、３３ｂ）の前記ドライブシャフトとを連結するフレキシブルシャフト（５４４）と、
を有する装置。

【請求項2】

前記加工ヘッド（３３；３３ａ、３３ｂ）の２軸方向の傾斜を可能にするように、前記加工ヘッド（３３；３３ａ、３３ｂ）と前記リニアアクチュエータ（２）とを機械的に連結するユニバーサルジョイント（６０）をさらに有する請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記リニアアクチュエータ（２）の一端に接続された支持構造体（５２）をさらに有し、
前記リニアアクチュエータ（２）の他端は前記支持板（５１）に接続されており、
前記ユニバーサルジョイント（６０）がカルダンサスペンションを形成し、それによって前記加工ヘッド（３３）が前記支持構造（５２）に支持される請求項２に記載の装置。

【請求項4】

前記ユニバーサルジョイント（６０）が、前記加工ヘッド（３３）の上側から間隔を空けて前記加工ヘッド（３３）を貫通して延びる２つの傾斜軸（Ｋ_１、Ｋ_２）を中心に傾斜可能である請求項３に記載の装置。

【請求項5】

前記支持構造体（５２）が、ベース板と２つの対向する脚部（５２１、５２２）とを有し、
前記加工ヘッド（３３）が前記カルダンサスペンションを介して２つの脚部（５２１、５２２）に取り付けられていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の装置。

【請求項6】

前記支持構造体が、前記加工ヘッド（３３）又は前記フレキシブルシャフト（５４４）が通過する開口部を有している請求項５に記載の装置。

【請求項7】

前記加工ヘッド（３３）が、伝達装置（３４）を有し、回転可能な前記工具（３２）の回転軸（Ｃ）と前記ドライブシャフトの回転軸（Ｂ）とがオフセットしている請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の装置。

【請求項8】

前記ユニバーサルジョイント（６０）を介して前記リニアアクチュエータ（２）の一端に接続された支持構造体（７１）をさらに有し、
前記リニアアクチュエータ（２）の他端が前記支持板（５１）に接続され、
１つ又は複数の加工ヘッド（３３ａ、３３ｂ）が前記支持構造体（７１）に取り付けられている請求項２に記載の装置。

【請求項9】

前記ユニバーサルジョイント（６０）が、２つの傾斜軸（Ｋ_１、Ｋ_２）を中心に傾斜可能で、前記傾斜軸（Ｋ_１、Ｋ_２）が、前記リニアアクチュエータ（２）の長手方向の軸（Ａ）も通過する交点で交差している請求項８に記載の装置。

【請求項10】

２つ以上の加工ヘッド（３３ａ、３３ｂ）が前記支持構造（７１）に取り付けられており、前記加工ヘッド（３３ａ、３３ｂ）が前記ユニバーサルジョイント（６０）の周囲に配置されている請求項８又は請求項９に記載の装置。

【請求項11】

前記傾斜軸（Ｋ_１、Ｋ_２）は、前記加工ヘッドを通して延びる平面上にある請求項９又は請求項１０に記載の装置。

【請求項12】

前記支持構造体に軸受（７２）を介してシャフトが取り付けられており、前記シャフトは、フレキシブルシャフト（５４４）に接続され、伝達装置を介して前記加工ヘッド（３３ａ、３３ｂ）のドライブシャフトを駆動する請求項８乃至請求項１１の何れか一項に記載の装置。

【請求項13】

前記伝達装置が、ベルトドライブ又はギアドライブである請求項１２に記載の装置。

【請求項14】

回転可能な前記工具（３２）の回転軸（Ｃ）は、前記モータシャフト（３１０）の回転軸（Ａ´）と平行ではなく、特に、回転可能な前記工具（３２）の前記回転軸（Ｃ）と前記モータシャフト（３１０）の前記回転軸（Ａ´）との間の角がほぼ直角である請求項１に記載の装置。

【請求項15】

前記モータ（３１）の前記モータシャフト（３１０）と前記加工ヘッド（３３；３３ａ、３３ｂ）の前記ドライブシャフトとが、前記フレキシブルシャフト（５４４）と伸縮シャフトとを介して互いに結合されている請求項１乃至請求項１４の何れか一項に記載の装置。

【請求項16】

支持板と、
モータと、
リニアアクチュエータと、
前記リニアアクチュエータによって前記支持板に結合された加工ヘッドであって、回転可能な工具を直接的又は間接的に駆動するためのドライブシャフトを有する加工ヘッドと、
前記モータのモータシャフトと前記加工ヘッドの前記ドライブシャフトとを連結するフレキシブルシャフトと、
前記リニアアクチュエータの長手方向の軸も通過する交点で交差している２つの傾斜軸を中心として前記加工ヘッドが傾斜可能なように前記加工ヘッドと前記リニアアクチュエータとを機械的に結合するユニバーサルジョイントと、
前記リニアアクチュエータの一端に接続された支持構造体であって、前記リニアアクチュエータの他端は前記支持板に接続されており、前記加工ヘッド又は複数の加工ヘッドが取り付けられている支持構造体と、
を有する装置。

【請求項17】

支持板と、
モータと、
リニアアクチュエータと、
前記リニアアクチュエータによって前記支持板に結合された加工ヘッドであって、回転可能な工具を直接的又は間接的に駆動するためのドライブシャフトを有する加工ヘッドと、
前記モータのモータシャフトと前記加工ヘッドの前記ドライブシャフトとを連結するフレキシブルシャフトと、
前記加工ヘッドの２軸方向の傾斜を可能にするように、前記加工ヘッドと前記リニアアクチュエータとを機械的に結合するユニバーサルジョイントと、
を有し、
前記ユニバーサルジョイントが、前記加工ヘッドの上側から間隔を空けて前記加工ヘッドを貫通して延びる２つの傾斜軸を中心とする傾斜を可能にする装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ロボット工学の分野に関するものであり、より詳細には、ワークピース表面のロボット支援加工のための装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

ロボット支援による表面加工では、研削機械や研磨機械などの工作機械（例えば、研削工具として回転する研削ディスクを用いた電動式の研削機械）を、産業用ロボットなどのマニピュレータが案内する。ここで、工作機械は、マニピュレータのＴＣＰ（Ｔｏｏｌ Ｃｅｎｔｅｒ Ｐｏｉｎｔ）と様々な方法で結合することができ、通常、マニピュレータは、機械の位置や姿勢を自由に調整し、工作機械をワークの表面に平行な軌道上で移動させることができる。産業用ロボットは通常、位置制御されており、目的の軌道に沿ってＴＣＰを正確に動かすことができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】ＥＰ ０２３７８５４ Ａ２

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ロボット支援による研削加工で良好な結果を得るためには、多くの使用で加工力（研削力）の制御が必要であるが、従来の産業用ロボットでは十分な精度での制御が困難な場合がある。産業用ロボットの大きくて重いアーム部分は、慣性が大きすぎて、コントローラ（閉ループコントローラ）では、処理力の変動に素早く反応することができない。この問題を解決するために、産業用ロボットに対してより小型（軽量）で、マニピュレータのＴＣＰを工作機械に結合するアクチュエータをマニピュレータのＴＣＰと工作機械の間に配置することができる。表面加工の際にリニアアクチュエータは加工力（工具とワークの接触力）のみを制御するのに対し、マニピュレータは工作機械とリニアアクチュエータを所望の軌道に沿って位置制御で移動させる。力制御により、リニアアクチュエータは、加工するワークの位置や形状の不正確さや、マニピュレータの軌道の不正確さを（一定の範囲内で）補正することができる。しかし、ロボットが研削ツールをワークの表面に接線方向に当てないと、加工結果に問題が生じることがある。

【0005】

本発明者は、ロボット支援による表面加工のための改良された装置と、それに対応するプロセスを開発し、特に、ロボットが行う動作の精度に対する要求を緩和することを課題とした。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上述の課題は、請求項１に記載の装置によって解決される。異なる実施形態とさらなる発展は、従属請求項の対象である。

【0007】

本発明の一実施形態は、ロボット支援による表面処理のための装置に関するものである。この実施形態の装置は、マニピュレータに取り付けるための支持板、モータ、リニアアクチュエータ、及び加工ヘッドを有する。加工ヘッドは、リニアアクチュエータによって支持板に結合されており、回転可能な工具を直接又は間接的に駆動するためのドライブシャフトを備えている。この装置は、さらに、モータのモータシャフトと加工ヘッドのドライブシャフトとを連結するフレキシブルシャフトを有しいている。支持板は必ずしもマニピュレータに取り付けられている必要はなく、例えばハウジングや三脚などの支持体の一部として固定されていても良い。

【0008】

また、本装置は、加工ヘッドの２軸傾斜を可能にするように加工ヘッドと、リニアアクチュエータとを機械的に結合するユニバーサルジョイントをさらに備えている。

【発明の効果】

【0009】

ロボットが行う動作の精度に対する要求を緩和できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】産業用ロボットに力制御のリニアアクチュエータで結合された研削機械を備えたロボット支援型の研削装置の模式図である。リニアアクチュエータは、産業用ロボットと研削盤を機械的に切り離す効果がある。

【図2】工具機械の駆動側と工具側を機械的に切り離すリニアアクチュエータを内蔵した工作機械の実施形態を示した図である。

【図3】図２の装置の一部を示したもので、ユニバーサルジョイントも用いて加工ヘッド（研削ヘッドなど）がリニアアクチュエータに対して相対的に傾斜した状態を示している。

【図4】図３の装置の側面図である。

【図5】加工ヘッドの回転軸がモータの回転軸に対して約９０°傾いている他の実施形態を示している図である。

【図6】加工ヘッドの回転軸がモータの回転軸に対して約９０°傾いている他の実施形態を示している図である。

【図7】複数の加工ヘッドを備えた他の実施形態を示す図である。

【図8】複数の加工ヘッドを備えた他の実施形態を示す図である。

【図9】装置がマニピュレータに搭載されていない他の実施形態を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図に示した例を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。図は必ずしも縮尺通りではなく、本発明は図示された側面に限定されるものではない。むしろ、本発明の基礎となる原理を説明することに重点が置かれている。

【0012】

本発明の様々な実施形態を詳細に説明する前に、まず、ロボット支援による研削装置の一般的な例を説明する。また、ここで述べる概念は、他の種類の表面仕上げ（例えば、研磨）にも転用可能であり、研削に限定されないものである。以下では、回転する研削工具（研削ディスク）を備えた研削機械を例に挙げて、実施形態を説明する。しかし、ここで述べた概念はこれに限定されるものではなく、例えば、周回移動する工具（ベルト研削装置）や、振動するあるいは揺動する工具（振動研削装置）など、他の工作機械にも適用することができる。

【0013】

図１に示すように、この装置は、産業用ロボットなどのマニピュレータ１と、回転する研削工具とを備えた研削機械１０（例えばオービタル研削機械）とから構成されている。そして研削機械１０は、リニアアクチュエータ２０を介してマニピュレータ１のいわゆる工具中心点ＴＣＰ（Ｔｏｏｌ－Ｃｅｎｔｅｒ－Ｐｏｉｎｔ）に結合されている。厳密に言えば、ＴＣＰは点ではなくベクトルであり、例えば、３つの空間座標と３つの角度で記述することができる。ロボット工学では、構成空間の一般化座標（通常はロボットの６つの関節角度）がＴＣＰの位置を表すために使用される。ＴＣＰの位置と方向は、「姿勢」とも呼ばれる。時間の関数としてのＴＣＰの位置（方位を含む）は、研削工具の軌跡である動きを定義する。

【0014】

また、６自由度を有する産業用ロボットの場合、マニピュレータは、それぞれジョイント３ａ、３ｂ、３ｃによって接続された４つのセグメント２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄから構成され得る。第１セグメント１１は、通常、基礎１０に固定的に連結されている（これは必ずしもそうでなくても良い）。ジョイントＧ_１１は、セグメント１１とセグメント１２とを連結している。ジョイントＧ_１１は、２軸的であってもよく、セグメント１２が水平方向の回転軸（仰角）と垂直方向の回転軸（方位角）を中心に回転できるようにしてもよい。ジョイントＧ_１２は、セグメント１３とセグメント１２とを連結し、セグメント２ｃの位置に対してセグメント１３の旋回運動を可能にする。ジョイントＧ_１３はセグメント１４とセグメント１４とを連結している。ジョイントＧ_１３は２軸的とすることができ、したがって（ジョイントＧ_１１と同様に）２方向への旋回運動を可能にする。ＴＣＰは、セグメント１４に対して固定された相対位置を有しており、セグメント１４は、通常、セグメント１４の長手方向軸Ａ（図１に点線で示されているように、この例では研削工具の回転軸にも対応してる）を中心としたセグメント１４に配置されたエンドエフェクタ１５の旋回運動を可能にする回転ジョイント（図示せず）を含んでいる。ジョイントの各軸には、アクチュエータ（例えば、電気モータ）が割り当てられ、これらのアクチュエータにより、それぞれのジョイントの軸を中心とした回転運動が引き起こされ得る。ジョイントのアクチュエータは、ロボット制御部４によってロボットプログラムに従って制御される。様々な産業用ロボット/マニピュレータとそれに関連した制御が知られており、ここではこれ以上の説明はしない。

【0015】

マニピュレータ１は、通常、位置制御されており、すなわち、ロボット制御部は、ＴＣＰの姿勢（位置及び向き）を決定し、ＴＣＰを予め定義された軌跡に沿って移動させることができる。図１において、ＴＣＰが配置されているセグメント１４の長手方向の軸をＡと表記している。アクチュエータ２がエンドストッパにある場合、ＴＣＰの姿勢は、研削機械１０（及び研削ディスク１１）の姿勢も規定する。最初に述べたように、アクチュエータ２は、研削加工中に工具とワーク５との間の接触力（加工力）を所望の値に設定する。マニピュレータ１による直接的な力の制御は、通常、研削用途にはあまりにも不正確である。それは、マニピュレータ１のセグメント１１～１４の高い質量慣性により、力のピークの迅速な補正（例えば、研削工具をワーク５上に配置するとき）が、従来のマニピュレータでは実質的に不可能であるからである。このため、ロボット制御部４は、マニピュレータ１のＴＣＰの姿勢（位置及び向き）を制御し、力の制御はもっぱらアクチュエータ２が行うように構成されている。

【0016】

既に述べたように、研削加工の間、研削工具（研削ディスク３２を有する研削機械３）とワーク５との間の接触力Ｆ_Ｋは、研削ディスク３２とワーク５との間の（長手方向軸Ａの方向の）接触力Ｆ_Ｋが所定の値に対応するように、リニアアクチュエータ２と力制御（これは、例えば、制御部４において実現することができる）とにより設定することができる。その際の接触力Ｆ_Ｋは、リニアアクチュエータ２がワークの表面を押すアクチュエータ力Ｆ_Ａに対する反作用である。ワーク５と工具との間に接触がない場合、アクチュエータ２は、ワーク５への接触力の欠落によりエンドストッパ（アクチュエータ２に一体化されているため図示せず）へ移動し、所定の力でエンドストッパを押し付ける。この際、力制御は全体を通してアクティブである。したがって、この状況（非接触）では、アクチュエータ２の変位が最大になり、アクチュエータは終端に位置する。アクチュエータ２がエンドストッパを押す定義された力は、ワークピース表面との接触を可能な限り穏やかに可能にするために、非常に小さいか、または（理論的には）ゼロに調整されうる。

【0017】

マニピュレータ１の位置制御（これも制御部４で実現可能）は、アクチュエータ２の力制御とは完全に独立して実行され得る。アクチュエータ２は、研削機械３の位置決めのために用いられるのではなく、研削プロセス中に所望の接触力Ｆ_Ｋを設定および維持すること、ならびに工具３２とワークピース５との間の接触を検出することのみに用いられる。この接触は、例えばアクチュエータが終端の位置から移動したことによって簡単に認識される（アクチュエータの変位ａは終端の最大変位ａ_ＭＡＸよりも小さい）。

【0018】

アクチュエータ２は、空気圧アクチュエータ、例えば複動式空気圧シリンダであってもよい。しかし、他の空気圧アクチュエータ、例えばベローズシリンダやエアマッスルなどを使用することも可能である。代替として、電動ダイレクトドライブ（ギアレス）も考えられる。なお、アクチュエータ２の作用方向と研削機械３の回転軸は、必ずしもマニピュレータ１のセグメント１４の長手方向軸Ａと一致しない。空気圧アクチュエータの場合、力の制御は、制御弁、制御装置（例えば、制御部４に実装されている）、および圧縮空気アキュムレータ又は圧縮機によって、それ自体公知の方法で実現することができる。重力（すなわち、研削機械３の重量力）を考慮するために垂直方向に対する傾きは重要であるので、アクチュエータ２は、傾きセンサを含むか、またはマニピュレータの関節角度からこの情報を導出し得る。検出された傾きは、力制御の際に考慮される。しかし、力制御の具体的な実装はそれ自体知られているので詳細な説明は省略する。

【0019】

研削機械３は、通常、研削ディスク３２を駆動する電動モータを備えている。軌道研削機械―及び研削機械の他の種類においても―では、研削ディスク３２は支持プレート（バッキングパッド）に取り付けられており、この支持プレートには電動モータのモータ軸が接続されている。電気モータとしては、非同期モータまたは同期モータが考えられる。同期モータには、負荷によって速度が変化しない（スリップ角度のみ）という利点があるが、非同期機械では、負荷が増加すると速度が低下する。モータへの負荷は、基本的に、接触力Ｆ_Ｋおよび研削ディスク３２と加工されるワーク５の表面との間の摩擦に比例する。

【0020】

電気駆動の研削機械の代わりに、空気圧モータ（圧縮空気モータ）を備えた研削機械を使用することもできる。圧縮空気モータは通常、出力対重量比が低いため、圧縮空気で動作する研削機械は比較的コンパクトにすることができる。回転制御は、（例えば、制御部４によって電気的に制御される）圧力制御バルブ（追加的または代替的にスロットルによっても）によって簡単に可能であるが、同期および非同期モータには回転制御用の（例えば、制御部４によって電気的に制御される）周波数コンバータが必要である。ここで記載した概念は、さまざまな種類の研削機械、研磨機械、その他の表面加工をする機械で実現可能である。

【0021】

特に、電動モータを搭載した研削機械の場合、電動モータが重量のかなりの部分を占め得る。以下の例では、アクチュエータ２は、マニピュレータ１をワークから機械的に切り離すためだけでなく、研削機械のモータを、研削ディスクが取り付けられた作業ヘッドから機械的に切り離すためにも使用される。研削機械の場合、加工ヘッドのことを研削ヘッドと呼ぶ。さらに、以下のいくつかの実施形態では、ワークピースの表面に対する研削機械の不正確な位置決めを（一定の範囲内で）補正することができ、ロボットプログラムの作成に必要な労力を軽減することができる。

【0022】

図２に示す例によれば、工作機械３は、第１の支持板５１と第２の支持板５２とを有する。第１の支持板５１は、マニピュレータ１に取り付けられるように、例えば、図１のマニピュレータ１のエンドエフェクタフランジ１５に取り付けられるように構成されている。第２の支持板５２には、後に詳述する研削ヘッド３３が取り付けられている。作動中、研削ディスク３２は、研削ヘッド３３の回転可能な支持板３５（バッキングパッド）に取り付けられ得る。２つの支持板５１、５２の間には、リニアアクチュエータ２が配置されている。リニアアクチュエータ２は、２つの支持板５１と５２の間で作用するので、２つの支持板５１と５２の間の距離ａは、リニアアクチュエータ２の変位に依存することになる。通常の動作では、リニアアクチュエータ２は上述のように力制御で動作し、アクチュエータの力が２つの支持板５１、５２の間に作用するように構成されている。工具３２が表面に接触していないときには、リニアアクチュエータ２は、目標アクチュエータ力でアクチュエータ２のエンドストッパ（図示せず）を押し付けている。アクチュエータ２は、空気圧式リニアアクチュエータとすることができ、例えば、複動式の空気圧シリンダを含む。しかし、他のアクチュエータを使用することも可能である。ここで、支持板５１及び５２は、必ずしも平板である必要はなく、任意の支持構造又はそのような支持構造の一部であってもよい。また、支持板５１、５２も、必ずしも１つの一体物ではなく、複数の部品で構成することができる。

【0023】

研削ヘッド３３（グラインディングヘッド、サンディングヘッド）は、実質的に駆動部（モータ）のない研削機械とみなすことができる。研削ヘッド３３は、研削ディスク３２が配置された支持板３５を直接又は間接的に駆動するドライブシャフト（回転軸Ｃ）を備えている。また、研削ヘッド３３は、オービタルグラインダで一般的なように、支持板３５を偏心回転させるギアを含んでいてもよい。研削ヘッドの例は、例えばＥＰ ０２３７８５４ Ａ２（特許文献１）（ＵＳ ４７５９１５２に対応）の刊行物に示されているので、ここではこれ以上の説明はしない。

【0024】

本実施形態によれば、研削ヘッド３３の支持ディスク３５を駆動するためのモータ３１（例えば、電動モータ）が第１の支持板５１に取り付けられている。図２の例によれば、モータ３１は、第１の支持板５１に取り付けられ、モータシャフト３１０が第１の支持板５１を貫通している。２つの支持プレート５１と５２の間の距離は、フレキシブルシャフト５４４と伸縮シャフト５４によって「橋渡し」されており、その際、伸縮シャフト５４は任意である。すなわち、モータシャフト３１０は、フレキシブルシャフト５４４を介して、研削ヘッド３３のドライブシャフト（回転軸Ｃ）に連結され、ドライブシャフトを駆動する。また、フレキシブルシャフト５４４があまり大きく曲がらないように、モータシャフト３１０が伸縮シャフト５４の一端に結合され（シャフトカップリング５３ａ）、伸縮シャフト５４の他端がフレキシブルシャフト５４４に結合され得る（シャフトカップリング５３ｂ）。フレキシブルシャフト５４４は、研削ヘッド３３のドライブシャフト（回転軸Ｃ）を直接、または図２に示すように伝達装置３４を介して駆動する。伝達装置３４の入力シャフトは、図２のＢで示された回転軸を持ってる。フレキシブルシャフト５４４は、可撓性があり（すなわち、シャフトの長手方向の軸が可変の曲率で湾曲している）、固定された２つ以上のシャフト部分が（カルダン）ジョイントで連結されている従来のカルダンシャフトとは異なる。

【0025】

伸縮シャフト５４は、相対的に変位可能な２つのシャフト部（中空シャフト／スリーブ５４１、変位可能なシャフト５４３）から構成されている。２つのシャフト部のうち第１の部分は、モータ３１のモータシャフト３３に結合され（例えばシャフトカップリング５３ａにより）、２つのシャフト部のうち第２の部分は、フレキシブルシャフト５４４に結合される（例えばシャフトカップリング５３ｂにより）。

【0026】

伸縮シャフト５４の第２のシャフト５４３は、伸縮シャフト５４の回転軸に沿って、第１のシャフト部（中空シャフト５４１）に対して相対的に変位可能である。このため、中空シャフト５４１（第１のシャフト部）は、第２のシャフト５４３を伸縮シャフト５４の回転軸に沿って変位させることができるリニアガイド５４２を含み得る。前述のように、伸縮シャフト５４は任意の構成である。伸縮シャフトを使用しない場合、用途によっては、伸縮シャフト５４も使用する場合に比べて、フレキシブルシャフト５４４がより大きな曲げ応力を受けることがある。

【0027】

図２に示す例では、研削ヘッド３３は、ユニバーサルジョイント６０によって支持板５２に取り付けられており、研削ヘッド３３の（支持板５２に対する）２軸方向の傾斜移動が可能となっている。第１の傾斜軸Ｋ_１と第２の傾斜軸Ｋ_２を中心に傾けることで、２軸の傾斜運動が可能になる。図３は、図２の装置の下部（ユニバーサルジョイント６０を備えた支持板５２と研削ヘッド３３）を示しており、研削ヘッド３３は傾斜軸Ｋ_１を中心に傾いている。図４は、図２の装置の下部の側面図Ｘを示しており、図４（ａ）では、研削ヘッド３３は通常の位置にあり、図４（ｂ）では、研削ヘッド３３は、傾斜軸Ｋ_２を中心に傾斜している。ユニバーサルジョイントは、支持プレート５２の２つの横方向の脚部５２１、５２２に支持され得る。カルダンサスペンション（gimbal suspension）としてのユニバーサルジョイントは、それ自体既知のものであるため、ここでの詳細な説明は省略する。

【0028】

なお、ここで、研削ヘッド３３が傾くと、回転軸Ｂ、Ｃも傾いてしまう（図２参照）。しかし、この回転軸ＢおよびＣの傾きは、フレキシブルシャフト５４４の対応する曲げによって補償される。また、ユニバーサルジョイント６０の傾斜軸Ｋ_１、Ｋ_２（傾斜していない通常の状態）は、フレキシブルシャフトの下端が位置する平面よりも下側の平面にある。傾斜軸Ｋ_１、Ｋ_２とフレキシブルシャフト５４４の下端との間の垂直方向の距離は、図２ではｄ_Vで示されている。さらに、フレキシブルシャフト５４４の下端は、回転軸Ｂと同軸で、研削工具の回転軸Ｃから水平方向に間隔が空いている（水平距離ｄ_Ｈ）。一般に、ユニバーサルジョイント６０は、傾斜軸Ｋ_１、Ｋ_２ができるだけ下になるように、研削ディスク３２にできるだけ近づけて配置するのが望ましい。

【0029】

図５および図６に示す実施形態例では、研削ディスク３２が、モータシャフト３１０（回転軸Ａ´）と同軸ではない回転軸Ｃを中心に回転する研削装置を示している。図示の例では、モータシャフト３１０の回転軸Ａ´は、研削ディスク３２の回転軸Ｃが横たわる水平面に対して直角になっている。この場合、モータシャフト３１０と研削ヘッド３３のドライブシャフト（回転軸Ｃ）とを連結するフレキシブルシャフト５４４は、約９０°曲がっている。また、フレキシブルシャフト５４４の最大屈曲量を小さくするために、この場合、モータシャフト３１０とフレキシブルシャフト５４４との間に伸縮シャフトを配置することもできる（図２参照）。

【0030】

アクチュエータ２は、研削ヘッド３３を上側の支持板５１に結合する。研削ディスク３２の回転軸Ｃと支持板５１との間の距離ａは、アクチュエータ２の変位に依存する。この場合、下側の支持板５２（図２参照）は必要ない（研削ヘッド５３の構成による）。図６は，アクチュエータ２が最大に変位した状態（距離ａ＝ａ_ＭＡＸ）の装置を示しており，この状態でのアクチュエータの変位は，エンドストッパによって制限されている。図６は、例えば、研削ディスク３２が表面に接触する場合のように、アクチュエータ２の変位が小さい（ａ＜ａ_ＭＡＸ）装置を示している。なお、支持板５１は、必ずしもマニピュレータに搭載する必要はなく、その場に固定支持することも可能である。この場合、例えばマニピュレータを用いて加工ツール３２に対するワークの相対的な位置決めを行うことができる。この点については、図９の例が参照される。

【0031】

図７及び図８は、図２の例と同様に、２つの軸を中心に傾けることができる複数の研削ヘッド３３ａ、３３ｂを備えた実施形態のさらなる例を示している。図７に示す装置の上部（支持板５１、モータ３１、アクチュエータ２）は、図２および図６の例と同様であり、上述の説明が参照される。しかし、図７の装置は、単一の研削ヘッド３３の代わりに、２つ以上の研削ヘッド３３ａ、３３ｂを備えたアセンブリ７０を有している。アセンブリ７０全体は、ユニバーサルジョイント６０によって、アクチュエータ２に結合されている。図７に示す例では、ユニバーサルジョイント６０の一端が支持板５２に取り付けられており、この支持板５２は、アクチュエータ２の下端に固く接続されている。ユニバーサルジョイント６０の他端は、アセンブリ７０のハウジング７１に取り付けられている。また、本実施形態では、ユニバーサルジョイント６０の傾斜軸の交点は、フレキシブルシャフト５４４の下端よりも垂直方向の距離ｄ_Vの位置にあり、また、本実施形態では、ユニバーサルジョイント６０をできるだけ下方に配置することが好ましい。図２の例とは異なり、複数の研削ヘッドがある場合には、研削ヘッドの間にユニバーサルジョイント６０を配置することが可能であるため、ジョイントはよりシンプルなデザインにすることができ、図２のようなカルダンサスペンション（gimbal suspension）は必要ない。

【0032】

複数の研削ヘッド３３ａ，３３ｂは、回転可能な支持板３５ａ又は３５ｂがアセンブリ７０のハウジング７１の底部から突出するように、ハウジング７１内に配置されている。本実施形態では、研削ヘッド３３ａ、３３ｂのドライブシャフトの回転軸をそれぞれＣ、Ｄとしている。研削ヘッド３３ａのドライブシャフトには滑車７３ａが取り付けられ、研削ヘッド３３ｂのドライブシャフトには滑車７３ｂが取り付けられている。特別の実施形態では、第３の研削ヘッド３３ｃは（図７及び図８には示されていない）滑車７３ｃを備えており、３つの研削ヘッドの回転軸はそれぞれ、アクチュエータ２の長手方向の軸Ａに対して１２０°オフセットされている。なお、ベルトドライブの代わりに他の伝達装置（歯付きのギアなど）を使用することも可能である。機械的な動力を伝達するために、ここで説明した実施形態ではベルトドライブなどの伝達装置を使用している。この機械的な力の伝達が具体的にどのように行われるかは、特に重要ではない。

【0033】

アセンブリ７０のハウジング７１には、別のシャフト（回転軸Ｂ）が取り付けられており（図７、ベアリング７２参照）、このシャフトは、フレキシブルシャフト５４４によってモータシャフト３１０に接続されている。回転軸Ｂを有するシャフトには別の滑車７４が取り付けられており、ベルト７５が滑車７４（フレキシブルシャフト５４４を介してモータ３１によって駆動される）と滑車７３ａ，７３ｂ（場合によっては７３ｃ）とを接続しており、ベルトを介して全ての研削ヘッド３３ａ、３３ｂ（場合によっては３３ｃ）のドライブシャフトが駆動されるようになっている。（図７に示すように、傾いていない通常の位置にある場合）アセンブリ７０と上部の支持板５１との間の垂直方向の距離ａは、アクチュエータ２の変位に依存する。距離ａの変化とアセンブリ７０の傾きの両方は、フレキシブルシャフト５４４によって補償することができる。図８は、図７の装置においてアセンブリ７０が傾斜した場合を示している。

【0034】

図９は、装置をマニピュレータに搭載せず、その場所に固定して使用する場合の別の実施形態を示している。この場合、マニピュレータを使ってワークピースを研削ディスクに対して相対的に配置することができる。図９によると、支持板５１はその場所に固定されるように取り付けられている。この例では、支持板５１は、任意の支持構造の一部とみなされてもよく（これはすべての実施形態に適用される）、任意の支持構造に取り付けられてもよい。支持構造としては、ハウジングや三脚などが考えられる。支持板５１は、アクチュエータ２の一部と見なすこともできる（これもすべての実施形態に当てはまる）。図５の例と同様に、アクチュエータ２は、支持板５１を加工ヘッド３３（研削ヘッド）に直接または間接的に結合しており、最も単純なケースでは、研削ディスク３２などの加工ツールが回転可能に取り付けられたシャフトを含んでいる。加工プロセスにおいて、ワークピース５は（例えばマニピュレータによって）位置決めされ、アクチュエータ２は上述のように接触力の制御を確実に行うか、またはワークピースとの接触がない場合には、定義された力（力制御によって設定される力）でエンドストッパを押し付ける。

【0035】

図９の実施形態では、モータ３１も静止した位置に（例えばアクチュエータ２と同じ支持構造に）取り付けられており、研削ヘッド３３に対する相対的な位置が変動するが、これは（ここで説明した他の実施形態と同様に）フレキシブルシャフト５４４を介して補償することができる。なお、カルダンサスペンション（ｇｉｍｂａｌ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ）やユニバーサルジョイントを用いて（少なくとも１つの）研削ヘッドをアクチュエータに傾斜可能に取り付けた上述の実施形態は、マニピュレータを用いてワークピースを位置決めする際に、静止した状態で操作することも可能である。

【0036】

以下では、ここで説明した実施形態のいくつかの側面を要約する、これは例示的なものに過ぎず、関連する技術的特徴の完全な要約ではない。本実施形態は、ロボットが表面の加工を支援する装置に関するものである。一般的な実施形態によると、装置は、装置をマニピュレータに取り付けるための支持板（例えば、図２、図５及び図７、支持板５１を参照）、モータ、リニアアクチュエータ、および（少なくとも）１つの加工ヘッド（例えば、図２、図５、研削ヘッド３３、又は図７、研削ヘッド３３ａ、３３ｂを参照）から構成されている。加工ヘッドは、リニアアクチュエータによって支持板に（直接または間接的に）結合されており、回転可能な工具を直接または間接的に駆動するためのドライブシャフト（例えば、図２の回転軸Ｂ、図５および図７の回転軸Ｃを参照）を備えている。この装置は、モータのモータシャフトと加工ヘッドのドライブシャフトを直接または間接的に（例えば、追加の伸縮シャフトを介して）結合するフレキシブルシャフトをさらに備えている。

【0037】

前述の通り、支持板は必ずしもマニピュレータに搭載されている必要はない。あるいは、加工されるワークピースは、マニピュレータによって配置することもでき、この場合、支持板は、例えば、ハウジング、三脚、または他の支持構造の一部などの場所に固定されている。モータはアクチュエータと同じ支持板に取り付けることができる。しかし、これは、フレキシブルシャフトを採用している場合は必要ではない。すでに述べたように、支持板は必ずしも平板である必要はなく、任意の支持構造であってもよい。

【0038】

いくつかの実施形態では、ユニバーサルジョイントを使用して、（少なくとも１つの）加工ヘッドをリニアアクチュエータに機械的に結合しています。この場合、加工ヘッドの２軸の傾斜が可能になる。図２乃至図４の実施形態では、ユニバーサルジョイントをカルダンサスペンションで実現しているが、図７、図８の実施形態では、単純なユニバーサルジョイント（カルダンジョイント）を使用している。用途によっては、ユニバーサルジョイントを単軸ジョイントに置き換えて、1つの傾斜軸でのみ傾斜できるようにすることも可能である。

【0039】

本件の実施形態によれば、装置は、リニアアクチュエータの一端に取り付けられた支持構造を有し、一方、リニアアクチュエータの他端は支持板に取り付けられている。前述のように、ユニバーサルジョイントは、カルダン式サスペンションを形成し、これにより加工ヘッドが支持構造体に取り付けられ得る。
最も単純なケースでは、支持構造は別の支持プレートとすることができる（例えば、図２乃至図４、横に設けられた脚部５２１、５２２を有するベース板５２を参照）。支持構造には、加工ヘッドやフレキシブルシャフトを通すための開口部があってもよい（図３では、研削ディスク３２が支持板５２の下方で、フレキシブルシャフトが支持板５２の上方で、それぞれ、研削ヘッド３３に結合されている）。ユニバーサルジョイントの２つの傾斜軸は、加工ヘッドの上側から間隔を空けて（図２、距離ｄ_V）、加工ヘッドの中を通過している。これにより、傾斜軸がワークピースに比較的近くなるため、研削プロセス中に研削ヘッドが傾いてエッジが引っかかるのを防ぐことができる。図２の例では、研削ヘッドの２つの傾斜軸と１つの回転軸が１点で交差している。加工ヘッドは、伝達装置（図３、伝達装置３４参照）を有し、回転可能な工具の回転軸とドライブシャフトの回転軸の軸方向がオフセット（図２、距離ｄ_Ｈ参照）する。

【0040】

いくつかの実施形態では、複数の加工ヘッドが支持構造体に取り付けられ、支持構造体はユニバーサルジョイントを介してリニアアクチュエータに結合されている。これは、例えば、図７の実施形態では、支持構造がアセンブリ７０のハウジング７１によって形成されている場合である。ユニバーサルジョイントは、２つの傾斜軸での傾斜を可能にし、この２つの傾斜軸は、特定の実施形態によれば、アクチュエータの長手方向の軸も通過する交点で交差し得る。ユニバーサルジョイントはアセンブリのハウジング内に配置されており、複数の研削ヘッドはユニバーサルジョイントの周りに配置されている。例えば、３つの研削ヘッドをそれぞれユニバーサルジョイントの周りに１２０°（アクチュエータとジョイントの長手方向の軸に対して）オフセットさせて配置することができる。ユニバーサルジョイントの傾斜軸は、研削ヘッドを貫く平面上にあり、ワークピースの表面にできるだけ近い位置にある。

【0041】

支持構造（例えばハウジング７１、図７参照）には、ベアリングによってシャフトが取り付けられており、このシャフトはフレキシブルシャフトに接続されているため、モータによって駆動することができる。このシャフトは、ベルトドライブなどの伝動装置を介して、研削ヘッドのドライブシャフトに接続されている。

【0042】

一般的に、フレキシブルシャフトによって、モータに対する研削ヘッドの相対的な位置が変動しても、モータを研削ヘッドに結合することができる。相対的な位置の変化は、フレキシブルシャフトによって補償することができる。モータ軸と研削ヘッドの回転軸は平行である必要はなく、約９０°の角度を有することも可能である（図５参照）。フレキシブルシャフトの過度な屈曲を避けるために、フレキシブルシャフトは、伸縮シャフトと組み合わせることができる（図２参照）。

【符号の説明】

【0043】

２…リニアアクチュエータ
３１…モータ
３２…工具
３３、３３ａ、３３ｂ…加工ヘッド
３４…伝達装置
５１…支持板
５２…支持構造体
６０…ユニバーサルジョイント
７１…支持構造体
７２…軸受
３１０…モータシャフト
５４４…フレキシブルシャフト
Ａ…長手方向の軸
Ａ´…回転軸
Ｂ、Ｃ…回転軸
Ｋ_１、Ｋ_２…傾斜軸

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【国際調査報告】