エンドエフェクタを位置決めするための伸縮アセンブリを含むロボット
【課題】エンドエフェクタを位置決めするための伸縮アセンブリを含むロボットを提供すること。
【解決手段】ロボットが、アクチュエータアセンブリと、アクチュエータアセンブリから片持ちされた、第１および第２の平行の伸縮親ねじアセンブリと、親ねじアセンブリの端部によって支持されたエンドエフェクタとを含む。アクチュエータアセンブリは、各親ねじアセンブリを独立に展開および収縮させる。
【解決手段】ロボットが、アクチュエータアセンブリと、アクチュエータアセンブリから片持ちされた、第１および第２の平行の伸縮親ねじアセンブリと、親ねじアセンブリの端部によって支持されたエンドエフェクタとを含む。アクチュエータアセンブリは、各親ねじアセンブリを独立に展開および収縮させる。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
航空機の組立て中には、様々な構造の両側で、締結作業が同時進行で実施される。締結作業は、構造の片側での穿孔、座ぐり、および締結具挿入と、その構造の反対側で各挿入済み締結具の端部を終端することを含むことがあり得る。
【０００２】
航空機の翼箱での締結作業を考えてみる。穿孔、座ぐり、および締結具挿入は、翼箱の外側のロボットシステムによって実施される。スリーブおよびナットの配置は、翼箱の内側で手作業によって実施される。人が小さなアクセスポートを介して翼箱に入り、翼箱の内側で横たわった状態で、スリーブおよびナットの配置を手工具で実施する。数十万個程度もの締結具が一般的な航空機の翼に設置および終端される。
【０００３】
手作業をなくし、翼箱の両側で締結作業を完全に自動化することが非常に望ましいはずである。しかし、ナットをボルトのねじの上に配置することは人間にとって単純な仕事であるかもしれないが、ロボットにとってはそれほど単純ではない。ボルトの上でナットを正確に位置決めし配向することは、複雑な仕事である。
【０００４】
この仕事は、翼箱の内側の空間の制約により、さらに複雑になる。翼箱は、先端で高さわずか数インチの狭い空間を形成する（翼箱の例として図４を参照）。さらに、この狭い空間は、アクセスポートを介してのみアクセス可能である。ロボットは、アクセスポートを介して狭い空間に入り、狭い空間の内側でストリンガを越えて進み、挿入された締結具の端部を突き止め、エンドエフェクタを位置決めし、スリーブおよびナットを各締結具端部の上に配置しなければならないことになる。
【０００５】
航空機の公差は非常に厳しいので、この仕事はさらに複雑になる。エンドエフェクタは、一般に４０〜５０ポンドの重量があるので、この仕事はさらに複雑になる。狭い空間の内側のロボットがその仕事を、翼箱の外側のロボットの仕事と同期させなければならないので、この仕事はさらに複雑になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７９３７８１７号
【特許文献２】米国特許出願第１２／１１７，１５３号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書の一実施形態によれば、ロボットが、アクチュエータアセンブリと、アクチュエータアセンブリから片持ちされた、第１および第２の平行の伸縮親ねじアセンブリと、伸縮アセンブリの端部に結合され支持されたエンドエフェクタとを備える。アクチュエータアセンブリは、各伸縮アセンブリを独立に展開および収縮させる。
【０００８】
本明細書の他の実施形態によれば、システムが、限られた空間を有する構造上で製造作業を実施することができる。このシステムは、その構造上で１組の製造仕事を実施するために限られた空間の外側で動作可能な第１のロボットと、補完する１組の製造仕事をその構造上で実施するために限られた空間内で動作可能な第２のロボットとを備える。第２のロボットは、アクチュエータアセンブリと、アクチュエータアセンブリから片持ちされた、第１および第２の平行の伸縮親ねじアセンブリとを含む。各伸縮アセンブリの端部は、エンドエフェクタに枢止される。さらに、第２のロボットは、各伸縮アセンブリ端部を収縮された位置と展開された位置との間で独立に移動させるようにアクチュエータに指令するためのコントローラを含む。
【０００９】
本明細書の他の実施形態によれば、部分的に壁によって画定された限られた空間内での製造方法が、エンドエフェクタを限られた空間内に移動するステップと、エンドエフェクタが限られた空間内の目標に対して所望の向きを達成するまでエンドエフェクタを並進および回転させるように、第１および第２の平行の伸縮親ねじアセンブリを使用するステップと、限られた空間の外側で金属板を使用し、エンドエフェクタを壁に接して磁気的に締め付けるステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】エンドエフェクタを含むロボットの一実施形態の図である。
【図２】エンドエフェクタを含むロボットの一実施形態の図である。
【図３ａ】ロボットを動作させる方法の図である。
【図３ｂ】ロボットを動作させる方法の図である。
【図３ｃ】ロボットを動作させる方法の図である。
【図４】航空機翼箱のウィングベイの図である。
【図５ａ】翼箱で締結作業を実施するための、エンドエフェクタを含むロボットの一実施形態の図である。
【図５ｂ】翼箱で締結作業を実施するための、エンドエフェクタを含むロボットの一実施形態の図である。
【図５ｃ】翼箱で締結作業を実施するための、エンドエフェクタを含むロボットの一実施形態の図である。
【図６】翼箱で締結作業を実施するためのロボットシステムの図である。
【図７】翼箱を製造する方法の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１および図２を参照する。ロボット１１０は、アクチュエータアセンブリ１２０と、アクチュエータアセンブリ１２０から片持ちされた、第１および第２の平行の伸縮親ねじアセンブリ１３０、１４０と、親ねじアセンブリ１３０、１４０の端部１３２、１４２によって支持されたエンドエフェクタ１５０とを含む。
【００１２】
アクチュエータアセンブリ１２０は、各親ねじアセンブリ１３０、１４０を独立に展開および収縮させる。アクチュエータアセンブリ１２０に対してＸＹＺ座標系を考えてみる。親ねじアセンブリ１３０または親ねじアセンブリ１４０の収縮中には、端部１３２または端部１４２がＸ軸に沿って、アクチュエータアセンブリ１２０に向かって移動する。親ねじアセンブリ１３０または親ねじアセンブリ１４０の展開中には、端部１３２または端部１４２がＸ軸に沿って反対方向に、アクチュエータアセンブリ１２０から離れるように移動する。
【００１３】
端部１３２、１４２は、回転しないように制約される。したがって、端部１３２、１４２は、Ｘ軸周りで回転しない。
【００１４】
各伸縮アセンブリ１３０、１４０は、複数の親ねじを含む。図１および図２では、第１の伸縮アセンブリ１３０の２本の親ねじ１３４、１３６が見えており、第２の伸縮アセンブリ１４０の２本の親ねじ１４４、１４６が見える。
【００１５】
いくつかの実施形態では、各伸縮アセンブリ１３０、１４０が、これらの２本の見える親ねじだけを含む。第１の伸縮アセンブリ１３０を考えてみる。第２の親ねじ１３４は、回転することができるようにアクチュエータアセンブリのハウジング１２２内で保持される。第２の親ねじ１３４は、内ねじ付きの孔を有する。第１の親ねじ１３６は、第２の親ねじ１３４のねじ付き孔と係合する外ねじを有する。第２の親ねじ１３４をある方向に回転させると、第１の親ねじ１３６が孔内に移動し収縮する（外部親ねじ１３６の端部１３２が回転しないように制約されているため）。第２の親ねじ１３４を反対方向に回転させると、第１の親ねじ１３６が孔から外に移動し展開する。第２の親ねじアセンブリ１４０も同様に構築され、第２の親ねじ１４４がハウジング１２２内で回転するように保持され、第１の親ねじ１４６が、第２の親ねじ１４４の内ねじ付き孔と係合する外ねじを有する。
【００１６】
他の実施形態では、各伸縮アセンブリ１３０、１４０が第３の親ねじをさらに含む。これらの実施形態では、第３の親ねじは、ハウジング１２２内に隠される。各伸縮アセンブリ１３０、１４０の第１の親ねじと第３の親ねじは非回転可能であり、各伸縮アセンブリの第２の親ねじは回転可能である。３つの親ねじアセンブリが図５ａ〜５ｃに示されており、下記でより詳細に述べる。
【００１７】
親ねじを使用することの、他の手段（運動中に案内をするための直線レール、および運動を生じさせるためのアクチュエータなど）に優る利点は、親ねじがエンドエフェクタ１５０を移動させるだけでなく、直線案内をも実現することである。さらに、親ねじは、エンドエフェクタ１５０を支持することに起因する荷重（たとえば軸方向荷重および曲げ荷重）を担持する。
【００１８】
各親ねじ界面は、循環玉軸受ブッシングを有することができる。たとえば、２つの親ねじアセンブリでは、第１の親ねじ１３６と第２の親ねじ１３４の界面に循環玉軸受ブッシングが位置してもよく、別の循環玉軸受ブッシングが、第１の親ねじ１４６と第２の親ねじ１４４の界面に位置してもよい。軸受の内側の玉には、バックラッシュをなくするように予圧がかけられる。そのようなブッシングは、エンドエフェクタ１５０の正確な運動および配置を実施することができる安定かつ剛直な構造をもたらす。
【００１９】
アクチュエータアセンブリ１２０は、ハウジング１２２内に、各親ねじアセンブリ１３０、１４０を独立に展開および収縮させるための手段を含む。いくつかの実施形態では、この手段は、第２の親ねじ１３４を回転させるための第１の電気モータ１２４および駆動ベルト１２６と、第２の親ねじ１４４を回転させるための第２の電気モータ１２８および駆動ベルト１２９とを含むことができる。
【００２０】
いくつかの実施形態では、第１の親ねじ１３６、１４６の端部１３２、１４２は、エンドエフェクタ１５０に直接枢止されてもよい。他の実施形態では、第１の親ねじ１３６、１４６の端部１３２、１４２は、界面板１６０によってエンドエフェクタ１５０に結合される。図１および図２に示されているように、第１の親ねじ１３６の端部１３２は、ＺＬ軸周りで回転を可能にする枢動継手１６２によって界面板１６０に結合され、第１の親ねじ１４６の端部１４２は、ＺＲ軸周りで回転を可能にする枢動継手１６４によって界面板１６０に結合される。
【００２１】
界面板１６０は、追加の自由度を使用可能にすることができる。たとえば、関節によりエンドエフェクタ１５０がＸＥ軸周りで枢動することができる。
【００２２】
さらに、ロボット１１０は、電子インターフェース１７０と、電気インターフェース１７０を介してアクチュエータアセンブリ１２０と通信するためのコントローラ１８０とを含む。コントローラ１８０は、伸縮アセンブリ１３０、１４０の端部１３２、１４２を移動させるようにアクチュエータアセンブリ１２０に指令するためのコマンドを生成する。いくつかの実施形態では、これらのコマンドは、モータ１２４、１２８に第２の親ねじ１３４、１４４を回転させ、それにより端部１３２、１４２がＸ軸に沿って移動する。内親ねじ１３４、１４４の相対角速度を制御し、エンドエフェクタ１５０をＸ軸に沿って並進させ、エンドエフェクタ１５０をＺＥ軸周りで回転させる。継手／コントローラ間で通信は必要とされない。
【００２３】
図３ａ〜３ｃは、エンドエフェクタ１５０がどのように配向されるかを示す。図３ａを参照すると、第１の伸縮アセンブリ１３０の第２の親ねじ１３４（図示せず）は回転されず、それにより第１の親ねじ１３６は、静止して保たれる。同時に、第２の伸縮アセンブリ１４０の第２の親ねじ１４４（図示せず）は定速で回転され、第１の親ねじ１４６を距離ΔＩＲだけ収縮させる。その結果、界面板１６０は、ＺＬ軸周りで時計方向に枢動する。
【００２４】
図３ｂを参照すると、第２の伸縮アセンブリ１４０の第２の親ねじ１４４（図示せず）は回転されず、それにより第１の親ねじ１４６は、静止して保たれる。同時に、第１の伸縮アセンブリ１３０の第２の親ねじ１３４（図示せず）が回転され、第１の親ねじ１３６を距離ΔＩＬだけ収縮させる。その結果、界面板１６０は、ＺＲ軸周りで反時計方向に枢動する。
【００２５】
図３ｃを参照すると、第２の親ねじ１３４、１４４（図示せず）が反対方向に同じ速度で回転される。第１の伸縮アセンブリ１３０の第１の親ねじ１３６は距離ΔＩだけ展開し、一方、第２の伸縮アセンブリ１４０の第１の親ねじ１４６は、同じ距離ΔＩだけ収縮する。その結果、界面板１６０は、ＺＥ軸周りで回転する。
【００２６】
界面板１６０の他の運動を行うことができる。第２の親ねじ１３４、１４４が同時に同じ方向に回転され、回転速度が同じである場合には、並進が行われることになるだけである。回転速度が異なる場合、並進と回転が共に引き起こされることになる。
【００２７】
本明細書のロボットは、どの特定の作業にも限定されない。しかし、出願人にとって特に関心のある１つの主題には、航空機翼箱での締結作業が含まれる。締結作業は、翼箱の外側での穿孔、座ぐり、および締結具挿入と、翼箱の内側での締結具終端とを含むことがあり得る。図１および図２のロボット１１０は、翼箱の内側での締結具終端を実施するように適合させることができる。
【００２８】
次に、翼箱のウィングベイ４１０を示す図４を参照する（翼箱は複数のウィングベイ４１０を有する）。ウィングベイ４１０は、上部外板４２０および下部外板４３０と、外板４２０、４３０にわたって延びるストリンガ４４０とを含む。アクセスポート４５０が下部外板４３０内に位置する。アクセスポート４５０は、限られた内部空間に通じる。締結作業４６０は、リブ４７０、４８０を上部外板４２０および下部外板４３０に締結することを含む。
【００２９】
次に、翼箱の限られた空間内で、スリーブおよびナットの配置など締結作業を実施するためのロボット５１０を示す図５ａおよび図５ｂを参照する。ロボット５１０（図１〜２のロボット１１０に基づくもの）は、アクチュエータアセンブリ５２０と、第１および第２の伸縮アセンブリ５３０、５４０と、エンドエフェクタ５５０とを含む。エンドエフェクタ５５０は、ナット／スリーブ設置工具５５２と、ビジョンシステム（図示せず）と、ナット／スリーブ設置工具５５２およびビジョンシステムがロボットインターフェース５７０と通信することを可能にする電子インターフェース５５４とを備える。エンドエフェクタ５５０を翼箱外板に接して締め付けるために使用されるクランピングブロック５５６（たとえば、鋼板）がエンドエフェクタ５５０に着設される。
【００３０】
第１の伸縮アセンブリ５３０は、第３の親ねじ５３２、第２の親ねじ５３４、および第１の親ねじ５３６を含む。第３の親ねじ５３２は、回転しないようにアクチュエータアセンブリ５２０のハウジング５２２内で固定される。
【００３１】
いくつかの実施形態では、第３の親ねじ５３２は、ハウジング５２２内で押し嵌めされてもよい。他の実施形態では、第３の親ねじ５３２は、「柔軟な」界面（たとえば、ゴム）によってハウジング５２２内に組み立て、Ｚ軸周りで親ねじ５３２の何らかの回転を可能にしてもよい。この回転は、Ｚ軸周りでの界面板の回転中に、界面板５６０での第１の親ねじ５３６と第１の親ねじ５４６との間の距離が縮小され、一方、ハウジング５２２の端部での親ねじ５３２と親ねじ５４２との距離が一定のままであるので、有益である。
【００３２】
第３の親ねじ５３２は、内ねじ付きの孔を有する。第２の親ねじ５３４は、第３の親ねじ５３２のねじ付き孔と係合する外ねじを有する。第２の親ねじ５３４は、ある方向に回転されたとき孔内に移動し収縮する。第２の親ねじ５３４は、反対方向に回転されたとき孔から外に移動し展開する。
【００３３】
第２の親ねじ５３４は、内ねじ付きの孔を有する。第１の親ねじ５３６は、第２の親ねじ５３４のねじ付き孔と係合する外ねじを有する。第２の親ねじ５３４がある方向に回転されたとき、第１の親ねじ５３６は孔内に移動し収縮する。第２の親ねじ５３４が反対方向に回転されたとき、第１の親ねじ５３６は孔から外に移動し展開する。
【００３４】
この３本親ねじ設計は、（２本親ねじ設計より）小さなパッケージでより長い行程を実現する。また、この３本親ねじ設計は、（２本親ねじ設計と異なり）第３の親ねじ５３２がハウジング５２２内で回転しないため、より単純である。
【００３５】
図５ｂおよび図５ｃに示されているように、すべての親ねじ界面が循環玉軸受ブッシングを有することができる。したがって、第１の循環玉軸受ブッシング５３３が第３の親ねじ５３２と第２の親ねじ５３４の界面に位置してもよく、別の循環玉軸受ブッシング５３５が第２の親ねじ５３４と第１の親ねじ５３６の界面に位置してもよい。軸受の内側の玉には、バックラッシュをなくするように予圧がかけられる。これらのブッシング５３３、５３５は、エンドエフェクタ５５０の正確な運動および配置を実施することができる安定かつ剛直な構造をもたらす。
【００３６】
第２の親ねじアセンブリ５４０も同様に構築される。第３の親ねじ５４２はハウジング５２２内で非回転可能であり、各伸縮アセンブリの第２の親ねじは回転可能であり、第２の親ねじ５４４は、第３の親ねじ５４２の内ねじ付き孔と係合する外ねじを有し、第１の親ねじ５４６は、第２の親ねじ５４４の内ねじ付き孔と係合する外ねじを有する。第１の親ねじ５４６の端部は、界面板５６０で枢止される。第２の伸縮アセンブリ５４０の各親ねじ界面は、循環玉軸受ブッシング５４３、５４５を有することができる。
【００３７】
第１の親ねじ５３６、５４６の端部は、界面板５６０に枢止される。界面板５６０は、継手を介してエンドエフェクタ５５０に結合される。
【００３８】
アクチュエータアセンブリ５２０は、第１の親ねじアセンブリ５３０の第２の親ねじ５３４を回転させるために第１のモータ５２４およびシャフト５２５を含む。さらに、アクチュエータアセンブリ５２０は、第２の親ねじアセンブリ５４０の第２の親ねじ５４４を回転させるために第２のモータ５２６およびシャフト５２７を含む。
【００３９】
次に、翼箱４００で締結作業を実施するためのロボットシステム６１０を示す図６を参照する。ロボットシステム６１０は、翼箱４００の限られた空間４０２内でスリーブおよびナットの配置を実施するための内部ロボット５１０を含む。伸縮アセンブリ５３０、５４０は、翼箱４００の隅部に達するのに十分な伸びを有し、アクチュエータアセンブリ５２０は、伸縮アセンブリ５３０、５４０を駆動するのに十分な動力を有する。
【００４０】
スタンド６２０が内部ロボット５１０を支持し、その結果、伸縮アセンブリ５３０、５４０は、スタンド６２０の長手軸Ｌから直交方向に延びることになる。スタンド６２０の高さは、内部ロボット５１０を翼箱４００のアクセスポート４５０を介して上昇させ、限られた空間４０２内に入れるために、長手軸Ｌに沿って調整可能である。スタンド６２０は、ロボット５１０が長手軸Ｌ周りで回転することを可能にする。
【００４１】
さらに、ロボットシステム６１０は、外部エンドエフェクタ６４０を担持する外部ロボット６３０を含む。外部エンドエフェクタ６４０は、穿孔、座ぐり、および締結具挿入を実施するための工具を備える。また、外部エンドエフェクタ６４０は、ビジョンシステムおよび強力電磁石を担持することができる。締結作業の一部として、強力電磁石には、外板の反対側にあるエンドエフェクタ５５０上のクランピングブロック５５６を引き付けるように給電することができる。
【００４２】
ロボットシステム６１０は、外部ロボット６３０を翼箱４００の外側に沿って移動するための手段（図示せず）をさらに含む。そのような手段は、それだけには限らないがガントリ、足場、フィーチャリング（ｆｅａｔｕｒｉｎｇ）、および移動カートを含むことができる。
【００４３】
翼箱を製造する方法を示す図７をさらに参照する。ブロック７１０では、翼箱がプリアセンブリされる。プリアセンブリ中には、翼箱部品（たとえば、桁、外板、およびリブ）のフェイング（すなわち、重なり合い）表面をシーラントで覆い、共に押し付けることができる。シーラントはフェイング表面間の間隙をなくし、バリ無し穿孔を容易にする。次いで、翼箱の共に押し付けられた部品を、２０１１年５月１０日に発行された譲受人の米国特許第７９３７８１７号に開示されている計装締結具（ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｄ ｆａｓｔｅｎｅｒ）で（一時的または恒久的に）締結することができる。一実施形態では、計装締結具は、両方向に光ビーコンを生成するように構成された１つまたは複数の光源（たとえば、発光ダイオード）を含む。計装締結具に関する情報（たとえば、締結具番号）が光ビーコンに符号化されてもよい。
【００４４】
ブロック７２０では、内部ロボット５１０がスタンド６２０上で位置決めされ、伸縮アーム５３０、５４０は完全に収縮された位置にある。ブロック７３０では、スタンド６２０が内部ロボット５１０を、アクセスポート４５０を介して揚げ、ウィングベイの限られた空間４０２内に入れる。内部ロボット５１０は、アセンブリ５３０、５４０およびエンドエフェクタ５５０がどのストリンガにも当たることなく延びることができる高さに揚げられる。
【００４５】
ブロック７４０では、内部エンドエフェクタ５５０および外部エンドエフェクタ６４０が、目標締結具の場所の上で位置決めされる。外部ロボット６３０が外部エンドエフェクタ６４０を位置決めする。内部ロボット５１０は、内部エンドエフェクタ５５０が目標の場所の上で適正な位置および向きを有するまで展開するように伸縮アセンブリ５４０、５４０に指令することによって内部エンドエフェクタ５５０を位置決めする。回転継手（界面５６０とエンドエフェクタ５５０の間）にも、内部エンドエフェクタ５５０を上昇または下降させるように指令することができる。
【００４６】
内部ロボット５１０および外部ロボット６３０は、その明細書を参照により本明細書に組み込む２００８年５月８日に出願された譲受人の米国特許出願第１２／１１７，１５３号に記載されているように、ビジョンシステムおよび計装締結具を使用し、エンドエフェクタ５５０、６４０の正確な位置決めおよび配向を得ることができる。計装締結具は、ロボット５１０、６３０が、締結具の場所を通って延びる軸の位置および向きを決定することを可能にする。光ビーコンは、両ロボット５１０、６３０によって検知することができるように、ウィングベイの内側および外側に向けて送られる。
【００４７】
ブロック７５０では、エンドエフェクタ５５０、６４０が正確に位置決めされた後で、外部エンドエフェクタ６４０上の電磁石に給電される。その結果、外部エンドエフェクタ６４０は、内部エンドエフェクタ５５０上のクランピングブロック５５６を磁気的に引き付け、それにより外板を２つのエンドエフェクタ５５０、６４０間で締め付ける。
【００４８】
ブロック７６０では、外部エンドエフェクタ６４０が目標の場所でバリ無し穿孔を実施する。座ぐりをも実施することができる。次いで、外部エンドエフェクタ６４０は、穿孔された穴を通して締結具を挿入する。
【００４９】
ブロック７７０では、内部エンドエフェクタ５５０が、挿入された締結具の端部を終端する。たとえば、内部エンドエフェクタ５５０は、スリーブおよびナットを締結具上に設置する。
【００５０】
追加の締結作業を実施しようとする場合（ブロック７８０）、エンドエフェクタ５５０、６４０が新しい目標の場所に移動され、ブロック７４０〜７７０の作業が繰り返される。ウィングベイ内での最後の締結作業が実施された後で（ブロック７８５）、内部ロボット５１０の伸縮アセンブリ５３０、５４０が完全に収縮され、内部ロボット５１０が限られた空間４０２から外に下降され（ブロック７９０）、別のウィングベイのアクセスポート４５０に移動される（ブロック７３０）。翼箱の各ウィングベイで締結作業が実施されるまで、ブロック７４０〜７８０の作業が繰り返される。
【００５１】
本明細書のシステムは、翼箱、および限られた空間を有する他の構造の手動組立てに置き換わる。数千の締結作業が手作業よりはるかに速く実施される。非常に厳しい航空機の公差が満たされる。
【００５２】
本明細書のシステムは、生産性を高めるだけではない。すなわち、翼箱の組立ては、人間工学的に困難（限られた空間の内側でナット／スリーブを手動で設置すること）であるため、作業者のけがも減少する。本明細書のシステムは、ボルトおよびナットを含む締結具に限定されず、他の締結具は、限定しないが、リベットを含む。本明細書のシステムは締結作業に限定されず、本明細書のシステムを使用し、シーラント塗布、洗浄、塗装、および検査など、他の製造作業を実施することができる。本明細書のシステムは航空機に限定されず、たとえば本明細書のシステムは、コンテナ、自動車、トラック、船舶に応用することができる。
（実施形態）
【００５３】
第１の実施形態によれば、ロボットが、アクチュエータアセンブリと、アクチュエータアセンブリから片持ちされた、第１および第２の平行の伸縮親ねじアセンブリと、親ねじアセンブリの端部に結合され支持されたエンドエフェクタとを備え、アクチュエータアセンブリは、各伸縮アセンブリを独立に展開および収縮させる。
【００５４】
第１の実施形態では、各伸縮アセンブリが、非回転可能な親ねじと、回転可能な親ねじとを含むことができ、非回転可能な親ねじが、エンドエフェクタに結合された端部を有し、また回転可能な親ねじの内ねじ付き孔と係合する外ねじを有する。
【００５５】
また、第１の実施形態では、各伸縮アセンブリが第１の親ねじと、第２の親ねじと、第３の親ねじとを含むことができ、第１の親ねじの端部がエンドエフェクタに結合され、第１の親ねじが、第２の親ねじの内ねじ付き孔と係合する外ねじを有し、第２の親ねじが、第３の親ねじ内の内ねじ付き孔と係合する外ねじを有し、第３の親ねじが、アクチュエータアセンブリのハウジング内で回転しないように装着され、それにより、第２の親ねじを回転させると、第１の親ねじが、展開された位置と収縮された位置との間で移動する。
【００５６】
第３の親ねじを含む第１の実施形態の変型形態では、各伸縮アセンブリの第３の親ねじは、Ｚ軸回転を可能にするように柔軟な界面によってハウジング内に組み立てられてもよい。
【００５７】
親ねじを含む第１の実施形態の変型形態では、各親ねじ界面が、バックラッシュをなくするように予圧がかけられた玉軸受を備える循環玉軸受ブッシングを有することができる。
【００５８】
第１の実施形態の変型形態のいずれかでは、ロボットが、エンドエフェクタに回転可能に結合された界面板をも含むことができ、伸縮アセンブリの第１の端部が界面板に枢止される。
【００５９】
第１の実施形態の変型形態のいずれかでは、ロボットが、両伸縮アセンブリの端部を同時に同じ方向に移動させ、それによりエンドエフェクタが直線的に並進されるようにアクチュエータアセンブリに指令するためのコントローラを含む。
【００６０】
第１の実施形態の変型形態のいずれかでは、ロボットが、伸縮アセンブリの端部を同時に反対方向に移動させ、それによりエンドエフェクタが回転されるようにアクチュエータアセンブリに指令するためのコントローラを含む。
【００６１】
第１の実施形態の変型形態のいずれかでは、ロボットが、一方の伸縮アセンブリの端部を移動させるようにアクチュエータアセンブリに指令し、一方、他方の伸縮アセンブリの端部を静止して保ち、それによりエンドエフェクタが回転されるようにアクチュエータアセンブリに指令するためのコントローラを含む。
【００６２】
第１の実施形態の変型形態のいずれかでは、エンドエフェクタが、締結仕事を実施するように装備されてもよい。
【００６３】
第２の実施形態によれば、システムが、限られた空間を有する構造上で製造作業を実施する。このシステムは、その構造上で１組の製造仕事を実施するために限られた空間の外側で動作可能な第１のロボットと、補完する１組の製造仕事をその構造上で実施するために限られた空間内で動作可能な第２のロボットとを含む。第２のロボットは、アクチュエータアセンブリと、アクチュエータアセンブリから片持ちされた、第１および第２の平行の伸縮親ねじアセンブリであって、各伸縮アセンブリの端部がエンドエフェクタに枢止される、伸縮親ねじアセンブリと、各伸縮アセンブリを収縮された位置と展開された位置との間で独立に移動させるようにアクチュエータに指令するためのコントローラとを含む。製造仕事は、穿孔、締結具挿入、および締結具終端を含むことができる。
【００６４】
第２の実施形態によれば、各伸縮アセンブリが、各伸縮アセンブリが第１の親ねじと、第２の親ねじと、第３の親ねじとを含むことができ、第１の親ねじの端部がエンドエフェクタに結合され、第１の親ねじが、第２の親ねじの内ねじ付き孔と係合する外ねじを有し、第２の親ねじが、第３の親ねじ内の内ねじ付き孔と係合する外ねじを有し、第３の親ねじが、アクチュエータアセンブリのハウジング内で回転しないように装着され、それにより、第２の親ねじを回転させると、第１の親ねじが、展開された位置と収縮された位置との間で移動する。
【００６５】
第２の実施形態の任意の変型形態では、コントローラが、伸縮アセンブリの第２の親ねじを回転させ、両伸縮アセンブリの端部を同時に同じ方向に移動させ、エンドエフェクタを直線的に並進するようにアクチュエータアセンブリに指令するように構成されてもよい。
【００６６】
第２の実施形態の任意の変型形態では、コントローラが、伸縮アセンブリの第２の親ねじを反対方向に回転させ、エンドエフェクタを回転させるようにアクチュエータアセンブリに指令するように構成されてもよい。
【００６７】
第２の実施形態の任意の変型形態では、コントローラが、伸縮アセンブリの第２の親ねじの一方だけを回転させ、一方の伸縮アセンブリの端部を移動させ、一方、他方の伸縮アセンブリの端部を静止して保ち、それによりエンドエフェクタが回転されるようにアクチュエータアセンブリに指令するように構成されてもよい。
【００６８】
第３の実施形態によれば、部分的に壁によって画定された限られた空間内での製造方法が、エンドエフェクタを限られた空間内に移動するステップと、エンドエフェクタが限られた空間内の目標に対して所望の向きを達成するまでエンドエフェクタを並進および回転させるように、第１および第２の平行の伸縮親ねじアセンブリを使用するステップと、限られた空間の外側で金属板を使用し、エンドエフェクタを壁に接して磁気的に締め付けるステップとを含む。
【００６９】
第３の実施形態では、この方法は、エンドエフェクタを使用し、目標にて締結仕事を実施するステップをも含むことができ、伸縮アセンブリを使用するステップが、目標を回転するように、アセンブリの対応する親ねじを異なる速度で回転させることを含むことができる。
【００７０】
第３の実施形態の任意の変型形態では、計装締結具によって放射されたビーコンを使用し、エンドエフェクタを目標の上で正確に位置決めすることができる。
【符号の説明】
【００７１】
１１０ ロボット
１２０ アクチュエータアセンブリ
１２２ ハウジング
１２４ 電気モータ
１２６ 駆動ベルト
１２８ 電気モータ
１２９ 駆動ベルト
１３０ 第１の平行の伸縮親ねじアセンブリ
１３２ 端部
１３４ 親ねじ
１３６ 親ねじ
１４０ 第２の平行の伸縮親ねじアセンブリ
１４２ 端部
１４４ 親ねじ
１４６ 親ねじ
１５０ エンドエフェクタ
１６０ 界面板
１６２ 枢動継手
１６４ 枢動継手
１７０ 電子インターフェース、電気インターフェース
１８０ コントローラ
４１０ ウィングベイ
４００ 翼箱
４０２ 限られた空間
４２０ 上部外板
４３０ 下部外板
４４０ ストリンガ
４５０ アクセスポート
４６０ 締結作業
４７０ リブ
４８０ リブ
５１０ 内部ロボット
５２０ アクチュエータアセンブリ
５２２ ハウジング
５２４ 第１のモータ
５２５ シャフト
５２６ 第２のモータ
５２７ シャフト
５３０ 第１の伸縮アセンブリ
５３２ 第３の親ねじ
５３３ 第１の循環玉軸受ブッシング
５３４ 第２の親ねじ
５３５ 別の循環玉軸受ブッシング
５３６ 第１の親ねじ
５４０ 第２の伸縮アセンブリ
５４２ 第３の親ねじ
５４３ 循環玉軸受ブッシング
５４４ 第２の親ねじ
５４５ 循環玉軸受ブッシング
５４６ 第１の親ねじ
５５０ エンドエフェクタ
５５２ ナット／スリーブ設置工具
５５４ 電子インターフェース
５５６ クランピングブロック
５６０ 界面板
５７０ ロボットインターフェース
６１０ ロボットシステム
６２０ スタンド
６３０ 外部ロボット
６４０ 外部エンドエフェクタ
Ｌ 長手軸
【背景技術】
【０００１】
航空機の組立て中には、様々な構造の両側で、締結作業が同時進行で実施される。締結作業は、構造の片側での穿孔、座ぐり、および締結具挿入と、その構造の反対側で各挿入済み締結具の端部を終端することを含むことがあり得る。
【０００２】
航空機の翼箱での締結作業を考えてみる。穿孔、座ぐり、および締結具挿入は、翼箱の外側のロボットシステムによって実施される。スリーブおよびナットの配置は、翼箱の内側で手作業によって実施される。人が小さなアクセスポートを介して翼箱に入り、翼箱の内側で横たわった状態で、スリーブおよびナットの配置を手工具で実施する。数十万個程度もの締結具が一般的な航空機の翼に設置および終端される。
【０００３】
手作業をなくし、翼箱の両側で締結作業を完全に自動化することが非常に望ましいはずである。しかし、ナットをボルトのねじの上に配置することは人間にとって単純な仕事であるかもしれないが、ロボットにとってはそれほど単純ではない。ボルトの上でナットを正確に位置決めし配向することは、複雑な仕事である。
【０００４】
この仕事は、翼箱の内側の空間の制約により、さらに複雑になる。翼箱は、先端で高さわずか数インチの狭い空間を形成する（翼箱の例として図４を参照）。さらに、この狭い空間は、アクセスポートを介してのみアクセス可能である。ロボットは、アクセスポートを介して狭い空間に入り、狭い空間の内側でストリンガを越えて進み、挿入された締結具の端部を突き止め、エンドエフェクタを位置決めし、スリーブおよびナットを各締結具端部の上に配置しなければならないことになる。
【０００５】
航空機の公差は非常に厳しいので、この仕事はさらに複雑になる。エンドエフェクタは、一般に４０〜５０ポンドの重量があるので、この仕事はさらに複雑になる。狭い空間の内側のロボットがその仕事を、翼箱の外側のロボットの仕事と同期させなければならないので、この仕事はさらに複雑になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７９３７８１７号
【特許文献２】米国特許出願第１２／１１７，１５３号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書の一実施形態によれば、ロボットが、アクチュエータアセンブリと、アクチュエータアセンブリから片持ちされた、第１および第２の平行の伸縮親ねじアセンブリと、伸縮アセンブリの端部に結合され支持されたエンドエフェクタとを備える。アクチュエータアセンブリは、各伸縮アセンブリを独立に展開および収縮させる。
【０００８】
本明細書の他の実施形態によれば、システムが、限られた空間を有する構造上で製造作業を実施することができる。このシステムは、その構造上で１組の製造仕事を実施するために限られた空間の外側で動作可能な第１のロボットと、補完する１組の製造仕事をその構造上で実施するために限られた空間内で動作可能な第２のロボットとを備える。第２のロボットは、アクチュエータアセンブリと、アクチュエータアセンブリから片持ちされた、第１および第２の平行の伸縮親ねじアセンブリとを含む。各伸縮アセンブリの端部は、エンドエフェクタに枢止される。さらに、第２のロボットは、各伸縮アセンブリ端部を収縮された位置と展開された位置との間で独立に移動させるようにアクチュエータに指令するためのコントローラを含む。
【０００９】
本明細書の他の実施形態によれば、部分的に壁によって画定された限られた空間内での製造方法が、エンドエフェクタを限られた空間内に移動するステップと、エンドエフェクタが限られた空間内の目標に対して所望の向きを達成するまでエンドエフェクタを並進および回転させるように、第１および第２の平行の伸縮親ねじアセンブリを使用するステップと、限られた空間の外側で金属板を使用し、エンドエフェクタを壁に接して磁気的に締め付けるステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】エンドエフェクタを含むロボットの一実施形態の図である。
【図２】エンドエフェクタを含むロボットの一実施形態の図である。
【図３ａ】ロボットを動作させる方法の図である。
【図３ｂ】ロボットを動作させる方法の図である。
【図３ｃ】ロボットを動作させる方法の図である。
【図４】航空機翼箱のウィングベイの図である。
【図５ａ】翼箱で締結作業を実施するための、エンドエフェクタを含むロボットの一実施形態の図である。
【図５ｂ】翼箱で締結作業を実施するための、エンドエフェクタを含むロボットの一実施形態の図である。
【図５ｃ】翼箱で締結作業を実施するための、エンドエフェクタを含むロボットの一実施形態の図である。
【図６】翼箱で締結作業を実施するためのロボットシステムの図である。
【図７】翼箱を製造する方法の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１および図２を参照する。ロボット１１０は、アクチュエータアセンブリ１２０と、アクチュエータアセンブリ１２０から片持ちされた、第１および第２の平行の伸縮親ねじアセンブリ１３０、１４０と、親ねじアセンブリ１３０、１４０の端部１３２、１４２によって支持されたエンドエフェクタ１５０とを含む。
【００１２】
アクチュエータアセンブリ１２０は、各親ねじアセンブリ１３０、１４０を独立に展開および収縮させる。アクチュエータアセンブリ１２０に対してＸＹＺ座標系を考えてみる。親ねじアセンブリ１３０または親ねじアセンブリ１４０の収縮中には、端部１３２または端部１４２がＸ軸に沿って、アクチュエータアセンブリ１２０に向かって移動する。親ねじアセンブリ１３０または親ねじアセンブリ１４０の展開中には、端部１３２または端部１４２がＸ軸に沿って反対方向に、アクチュエータアセンブリ１２０から離れるように移動する。
【００１３】
端部１３２、１４２は、回転しないように制約される。したがって、端部１３２、１４２は、Ｘ軸周りで回転しない。
【００１４】
各伸縮アセンブリ１３０、１４０は、複数の親ねじを含む。図１および図２では、第１の伸縮アセンブリ１３０の２本の親ねじ１３４、１３６が見えており、第２の伸縮アセンブリ１４０の２本の親ねじ１４４、１４６が見える。
【００１５】
いくつかの実施形態では、各伸縮アセンブリ１３０、１４０が、これらの２本の見える親ねじだけを含む。第１の伸縮アセンブリ１３０を考えてみる。第２の親ねじ１３４は、回転することができるようにアクチュエータアセンブリのハウジング１２２内で保持される。第２の親ねじ１３４は、内ねじ付きの孔を有する。第１の親ねじ１３６は、第２の親ねじ１３４のねじ付き孔と係合する外ねじを有する。第２の親ねじ１３４をある方向に回転させると、第１の親ねじ１３６が孔内に移動し収縮する（外部親ねじ１３６の端部１３２が回転しないように制約されているため）。第２の親ねじ１３４を反対方向に回転させると、第１の親ねじ１３６が孔から外に移動し展開する。第２の親ねじアセンブリ１４０も同様に構築され、第２の親ねじ１４４がハウジング１２２内で回転するように保持され、第１の親ねじ１４６が、第２の親ねじ１４４の内ねじ付き孔と係合する外ねじを有する。
【００１６】
他の実施形態では、各伸縮アセンブリ１３０、１４０が第３の親ねじをさらに含む。これらの実施形態では、第３の親ねじは、ハウジング１２２内に隠される。各伸縮アセンブリ１３０、１４０の第１の親ねじと第３の親ねじは非回転可能であり、各伸縮アセンブリの第２の親ねじは回転可能である。３つの親ねじアセンブリが図５ａ〜５ｃに示されており、下記でより詳細に述べる。
【００１７】
親ねじを使用することの、他の手段（運動中に案内をするための直線レール、および運動を生じさせるためのアクチュエータなど）に優る利点は、親ねじがエンドエフェクタ１５０を移動させるだけでなく、直線案内をも実現することである。さらに、親ねじは、エンドエフェクタ１５０を支持することに起因する荷重（たとえば軸方向荷重および曲げ荷重）を担持する。
【００１８】
各親ねじ界面は、循環玉軸受ブッシングを有することができる。たとえば、２つの親ねじアセンブリでは、第１の親ねじ１３６と第２の親ねじ１３４の界面に循環玉軸受ブッシングが位置してもよく、別の循環玉軸受ブッシングが、第１の親ねじ１４６と第２の親ねじ１４４の界面に位置してもよい。軸受の内側の玉には、バックラッシュをなくするように予圧がかけられる。そのようなブッシングは、エンドエフェクタ１５０の正確な運動および配置を実施することができる安定かつ剛直な構造をもたらす。
【００１９】
アクチュエータアセンブリ１２０は、ハウジング１２２内に、各親ねじアセンブリ１３０、１４０を独立に展開および収縮させるための手段を含む。いくつかの実施形態では、この手段は、第２の親ねじ１３４を回転させるための第１の電気モータ１２４および駆動ベルト１２６と、第２の親ねじ１４４を回転させるための第２の電気モータ１２８および駆動ベルト１２９とを含むことができる。
【００２０】
いくつかの実施形態では、第１の親ねじ１３６、１４６の端部１３２、１４２は、エンドエフェクタ１５０に直接枢止されてもよい。他の実施形態では、第１の親ねじ１３６、１４６の端部１３２、１４２は、界面板１６０によってエンドエフェクタ１５０に結合される。図１および図２に示されているように、第１の親ねじ１３６の端部１３２は、ＺＬ軸周りで回転を可能にする枢動継手１６２によって界面板１６０に結合され、第１の親ねじ１４６の端部１４２は、ＺＲ軸周りで回転を可能にする枢動継手１６４によって界面板１６０に結合される。
【００２１】
界面板１６０は、追加の自由度を使用可能にすることができる。たとえば、関節によりエンドエフェクタ１５０がＸＥ軸周りで枢動することができる。
【００２２】
さらに、ロボット１１０は、電子インターフェース１７０と、電気インターフェース１７０を介してアクチュエータアセンブリ１２０と通信するためのコントローラ１８０とを含む。コントローラ１８０は、伸縮アセンブリ１３０、１４０の端部１３２、１４２を移動させるようにアクチュエータアセンブリ１２０に指令するためのコマンドを生成する。いくつかの実施形態では、これらのコマンドは、モータ１２４、１２８に第２の親ねじ１３４、１４４を回転させ、それにより端部１３２、１４２がＸ軸に沿って移動する。内親ねじ１３４、１４４の相対角速度を制御し、エンドエフェクタ１５０をＸ軸に沿って並進させ、エンドエフェクタ１５０をＺＥ軸周りで回転させる。継手／コントローラ間で通信は必要とされない。
【００２３】
図３ａ〜３ｃは、エンドエフェクタ１５０がどのように配向されるかを示す。図３ａを参照すると、第１の伸縮アセンブリ１３０の第２の親ねじ１３４（図示せず）は回転されず、それにより第１の親ねじ１３６は、静止して保たれる。同時に、第２の伸縮アセンブリ１４０の第２の親ねじ１４４（図示せず）は定速で回転され、第１の親ねじ１４６を距離ΔＩＲだけ収縮させる。その結果、界面板１６０は、ＺＬ軸周りで時計方向に枢動する。
【００２４】
図３ｂを参照すると、第２の伸縮アセンブリ１４０の第２の親ねじ１４４（図示せず）は回転されず、それにより第１の親ねじ１４６は、静止して保たれる。同時に、第１の伸縮アセンブリ１３０の第２の親ねじ１３４（図示せず）が回転され、第１の親ねじ１３６を距離ΔＩＬだけ収縮させる。その結果、界面板１６０は、ＺＲ軸周りで反時計方向に枢動する。
【００２５】
図３ｃを参照すると、第２の親ねじ１３４、１４４（図示せず）が反対方向に同じ速度で回転される。第１の伸縮アセンブリ１３０の第１の親ねじ１３６は距離ΔＩだけ展開し、一方、第２の伸縮アセンブリ１４０の第１の親ねじ１４６は、同じ距離ΔＩだけ収縮する。その結果、界面板１６０は、ＺＥ軸周りで回転する。
【００２６】
界面板１６０の他の運動を行うことができる。第２の親ねじ１３４、１４４が同時に同じ方向に回転され、回転速度が同じである場合には、並進が行われることになるだけである。回転速度が異なる場合、並進と回転が共に引き起こされることになる。
【００２７】
本明細書のロボットは、どの特定の作業にも限定されない。しかし、出願人にとって特に関心のある１つの主題には、航空機翼箱での締結作業が含まれる。締結作業は、翼箱の外側での穿孔、座ぐり、および締結具挿入と、翼箱の内側での締結具終端とを含むことがあり得る。図１および図２のロボット１１０は、翼箱の内側での締結具終端を実施するように適合させることができる。
【００２８】
次に、翼箱のウィングベイ４１０を示す図４を参照する（翼箱は複数のウィングベイ４１０を有する）。ウィングベイ４１０は、上部外板４２０および下部外板４３０と、外板４２０、４３０にわたって延びるストリンガ４４０とを含む。アクセスポート４５０が下部外板４３０内に位置する。アクセスポート４５０は、限られた内部空間に通じる。締結作業４６０は、リブ４７０、４８０を上部外板４２０および下部外板４３０に締結することを含む。
【００２９】
次に、翼箱の限られた空間内で、スリーブおよびナットの配置など締結作業を実施するためのロボット５１０を示す図５ａおよび図５ｂを参照する。ロボット５１０（図１〜２のロボット１１０に基づくもの）は、アクチュエータアセンブリ５２０と、第１および第２の伸縮アセンブリ５３０、５４０と、エンドエフェクタ５５０とを含む。エンドエフェクタ５５０は、ナット／スリーブ設置工具５５２と、ビジョンシステム（図示せず）と、ナット／スリーブ設置工具５５２およびビジョンシステムがロボットインターフェース５７０と通信することを可能にする電子インターフェース５５４とを備える。エンドエフェクタ５５０を翼箱外板に接して締め付けるために使用されるクランピングブロック５５６（たとえば、鋼板）がエンドエフェクタ５５０に着設される。
【００３０】
第１の伸縮アセンブリ５３０は、第３の親ねじ５３２、第２の親ねじ５３４、および第１の親ねじ５３６を含む。第３の親ねじ５３２は、回転しないようにアクチュエータアセンブリ５２０のハウジング５２２内で固定される。
【００３１】
いくつかの実施形態では、第３の親ねじ５３２は、ハウジング５２２内で押し嵌めされてもよい。他の実施形態では、第３の親ねじ５３２は、「柔軟な」界面（たとえば、ゴム）によってハウジング５２２内に組み立て、Ｚ軸周りで親ねじ５３２の何らかの回転を可能にしてもよい。この回転は、Ｚ軸周りでの界面板の回転中に、界面板５６０での第１の親ねじ５３６と第１の親ねじ５４６との間の距離が縮小され、一方、ハウジング５２２の端部での親ねじ５３２と親ねじ５４２との距離が一定のままであるので、有益である。
【００３２】
第３の親ねじ５３２は、内ねじ付きの孔を有する。第２の親ねじ５３４は、第３の親ねじ５３２のねじ付き孔と係合する外ねじを有する。第２の親ねじ５３４は、ある方向に回転されたとき孔内に移動し収縮する。第２の親ねじ５３４は、反対方向に回転されたとき孔から外に移動し展開する。
【００３３】
第２の親ねじ５３４は、内ねじ付きの孔を有する。第１の親ねじ５３６は、第２の親ねじ５３４のねじ付き孔と係合する外ねじを有する。第２の親ねじ５３４がある方向に回転されたとき、第１の親ねじ５３６は孔内に移動し収縮する。第２の親ねじ５３４が反対方向に回転されたとき、第１の親ねじ５３６は孔から外に移動し展開する。
【００３４】
この３本親ねじ設計は、（２本親ねじ設計より）小さなパッケージでより長い行程を実現する。また、この３本親ねじ設計は、（２本親ねじ設計と異なり）第３の親ねじ５３２がハウジング５２２内で回転しないため、より単純である。
【００３５】
図５ｂおよび図５ｃに示されているように、すべての親ねじ界面が循環玉軸受ブッシングを有することができる。したがって、第１の循環玉軸受ブッシング５３３が第３の親ねじ５３２と第２の親ねじ５３４の界面に位置してもよく、別の循環玉軸受ブッシング５３５が第２の親ねじ５３４と第１の親ねじ５３６の界面に位置してもよい。軸受の内側の玉には、バックラッシュをなくするように予圧がかけられる。これらのブッシング５３３、５３５は、エンドエフェクタ５５０の正確な運動および配置を実施することができる安定かつ剛直な構造をもたらす。
【００３６】
第２の親ねじアセンブリ５４０も同様に構築される。第３の親ねじ５４２はハウジング５２２内で非回転可能であり、各伸縮アセンブリの第２の親ねじは回転可能であり、第２の親ねじ５４４は、第３の親ねじ５４２の内ねじ付き孔と係合する外ねじを有し、第１の親ねじ５４６は、第２の親ねじ５４４の内ねじ付き孔と係合する外ねじを有する。第１の親ねじ５４６の端部は、界面板５６０で枢止される。第２の伸縮アセンブリ５４０の各親ねじ界面は、循環玉軸受ブッシング５４３、５４５を有することができる。
【００３７】
第１の親ねじ５３６、５４６の端部は、界面板５６０に枢止される。界面板５６０は、継手を介してエンドエフェクタ５５０に結合される。
【００３８】
アクチュエータアセンブリ５２０は、第１の親ねじアセンブリ５３０の第２の親ねじ５３４を回転させるために第１のモータ５２４およびシャフト５２５を含む。さらに、アクチュエータアセンブリ５２０は、第２の親ねじアセンブリ５４０の第２の親ねじ５４４を回転させるために第２のモータ５２６およびシャフト５２７を含む。
【００３９】
次に、翼箱４００で締結作業を実施するためのロボットシステム６１０を示す図６を参照する。ロボットシステム６１０は、翼箱４００の限られた空間４０２内でスリーブおよびナットの配置を実施するための内部ロボット５１０を含む。伸縮アセンブリ５３０、５４０は、翼箱４００の隅部に達するのに十分な伸びを有し、アクチュエータアセンブリ５２０は、伸縮アセンブリ５３０、５４０を駆動するのに十分な動力を有する。
【００４０】
スタンド６２０が内部ロボット５１０を支持し、その結果、伸縮アセンブリ５３０、５４０は、スタンド６２０の長手軸Ｌから直交方向に延びることになる。スタンド６２０の高さは、内部ロボット５１０を翼箱４００のアクセスポート４５０を介して上昇させ、限られた空間４０２内に入れるために、長手軸Ｌに沿って調整可能である。スタンド６２０は、ロボット５１０が長手軸Ｌ周りで回転することを可能にする。
【００４１】
さらに、ロボットシステム６１０は、外部エンドエフェクタ６４０を担持する外部ロボット６３０を含む。外部エンドエフェクタ６４０は、穿孔、座ぐり、および締結具挿入を実施するための工具を備える。また、外部エンドエフェクタ６４０は、ビジョンシステムおよび強力電磁石を担持することができる。締結作業の一部として、強力電磁石には、外板の反対側にあるエンドエフェクタ５５０上のクランピングブロック５５６を引き付けるように給電することができる。
【００４２】
ロボットシステム６１０は、外部ロボット６３０を翼箱４００の外側に沿って移動するための手段（図示せず）をさらに含む。そのような手段は、それだけには限らないがガントリ、足場、フィーチャリング（ｆｅａｔｕｒｉｎｇ）、および移動カートを含むことができる。
【００４３】
翼箱を製造する方法を示す図７をさらに参照する。ブロック７１０では、翼箱がプリアセンブリされる。プリアセンブリ中には、翼箱部品（たとえば、桁、外板、およびリブ）のフェイング（すなわち、重なり合い）表面をシーラントで覆い、共に押し付けることができる。シーラントはフェイング表面間の間隙をなくし、バリ無し穿孔を容易にする。次いで、翼箱の共に押し付けられた部品を、２０１１年５月１０日に発行された譲受人の米国特許第７９３７８１７号に開示されている計装締結具（ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｄ ｆａｓｔｅｎｅｒ）で（一時的または恒久的に）締結することができる。一実施形態では、計装締結具は、両方向に光ビーコンを生成するように構成された１つまたは複数の光源（たとえば、発光ダイオード）を含む。計装締結具に関する情報（たとえば、締結具番号）が光ビーコンに符号化されてもよい。
【００４４】
ブロック７２０では、内部ロボット５１０がスタンド６２０上で位置決めされ、伸縮アーム５３０、５４０は完全に収縮された位置にある。ブロック７３０では、スタンド６２０が内部ロボット５１０を、アクセスポート４５０を介して揚げ、ウィングベイの限られた空間４０２内に入れる。内部ロボット５１０は、アセンブリ５３０、５４０およびエンドエフェクタ５５０がどのストリンガにも当たることなく延びることができる高さに揚げられる。
【００４５】
ブロック７４０では、内部エンドエフェクタ５５０および外部エンドエフェクタ６４０が、目標締結具の場所の上で位置決めされる。外部ロボット６３０が外部エンドエフェクタ６４０を位置決めする。内部ロボット５１０は、内部エンドエフェクタ５５０が目標の場所の上で適正な位置および向きを有するまで展開するように伸縮アセンブリ５４０、５４０に指令することによって内部エンドエフェクタ５５０を位置決めする。回転継手（界面５６０とエンドエフェクタ５５０の間）にも、内部エンドエフェクタ５５０を上昇または下降させるように指令することができる。
【００４６】
内部ロボット５１０および外部ロボット６３０は、その明細書を参照により本明細書に組み込む２００８年５月８日に出願された譲受人の米国特許出願第１２／１１７，１５３号に記載されているように、ビジョンシステムおよび計装締結具を使用し、エンドエフェクタ５５０、６４０の正確な位置決めおよび配向を得ることができる。計装締結具は、ロボット５１０、６３０が、締結具の場所を通って延びる軸の位置および向きを決定することを可能にする。光ビーコンは、両ロボット５１０、６３０によって検知することができるように、ウィングベイの内側および外側に向けて送られる。
【００４７】
ブロック７５０では、エンドエフェクタ５５０、６４０が正確に位置決めされた後で、外部エンドエフェクタ６４０上の電磁石に給電される。その結果、外部エンドエフェクタ６４０は、内部エンドエフェクタ５５０上のクランピングブロック５５６を磁気的に引き付け、それにより外板を２つのエンドエフェクタ５５０、６４０間で締め付ける。
【００４８】
ブロック７６０では、外部エンドエフェクタ６４０が目標の場所でバリ無し穿孔を実施する。座ぐりをも実施することができる。次いで、外部エンドエフェクタ６４０は、穿孔された穴を通して締結具を挿入する。
【００４９】
ブロック７７０では、内部エンドエフェクタ５５０が、挿入された締結具の端部を終端する。たとえば、内部エンドエフェクタ５５０は、スリーブおよびナットを締結具上に設置する。
【００５０】
追加の締結作業を実施しようとする場合（ブロック７８０）、エンドエフェクタ５５０、６４０が新しい目標の場所に移動され、ブロック７４０〜７７０の作業が繰り返される。ウィングベイ内での最後の締結作業が実施された後で（ブロック７８５）、内部ロボット５１０の伸縮アセンブリ５３０、５４０が完全に収縮され、内部ロボット５１０が限られた空間４０２から外に下降され（ブロック７９０）、別のウィングベイのアクセスポート４５０に移動される（ブロック７３０）。翼箱の各ウィングベイで締結作業が実施されるまで、ブロック７４０〜７８０の作業が繰り返される。
【００５１】
本明細書のシステムは、翼箱、および限られた空間を有する他の構造の手動組立てに置き換わる。数千の締結作業が手作業よりはるかに速く実施される。非常に厳しい航空機の公差が満たされる。
【００５２】
本明細書のシステムは、生産性を高めるだけではない。すなわち、翼箱の組立ては、人間工学的に困難（限られた空間の内側でナット／スリーブを手動で設置すること）であるため、作業者のけがも減少する。本明細書のシステムは、ボルトおよびナットを含む締結具に限定されず、他の締結具は、限定しないが、リベットを含む。本明細書のシステムは締結作業に限定されず、本明細書のシステムを使用し、シーラント塗布、洗浄、塗装、および検査など、他の製造作業を実施することができる。本明細書のシステムは航空機に限定されず、たとえば本明細書のシステムは、コンテナ、自動車、トラック、船舶に応用することができる。
（実施形態）
【００５３】
第１の実施形態によれば、ロボットが、アクチュエータアセンブリと、アクチュエータアセンブリから片持ちされた、第１および第２の平行の伸縮親ねじアセンブリと、親ねじアセンブリの端部に結合され支持されたエンドエフェクタとを備え、アクチュエータアセンブリは、各伸縮アセンブリを独立に展開および収縮させる。
【００５４】
第１の実施形態では、各伸縮アセンブリが、非回転可能な親ねじと、回転可能な親ねじとを含むことができ、非回転可能な親ねじが、エンドエフェクタに結合された端部を有し、また回転可能な親ねじの内ねじ付き孔と係合する外ねじを有する。
【００５５】
また、第１の実施形態では、各伸縮アセンブリが第１の親ねじと、第２の親ねじと、第３の親ねじとを含むことができ、第１の親ねじの端部がエンドエフェクタに結合され、第１の親ねじが、第２の親ねじの内ねじ付き孔と係合する外ねじを有し、第２の親ねじが、第３の親ねじ内の内ねじ付き孔と係合する外ねじを有し、第３の親ねじが、アクチュエータアセンブリのハウジング内で回転しないように装着され、それにより、第２の親ねじを回転させると、第１の親ねじが、展開された位置と収縮された位置との間で移動する。
【００５６】
第３の親ねじを含む第１の実施形態の変型形態では、各伸縮アセンブリの第３の親ねじは、Ｚ軸回転を可能にするように柔軟な界面によってハウジング内に組み立てられてもよい。
【００５７】
親ねじを含む第１の実施形態の変型形態では、各親ねじ界面が、バックラッシュをなくするように予圧がかけられた玉軸受を備える循環玉軸受ブッシングを有することができる。
【００５８】
第１の実施形態の変型形態のいずれかでは、ロボットが、エンドエフェクタに回転可能に結合された界面板をも含むことができ、伸縮アセンブリの第１の端部が界面板に枢止される。
【００５９】
第１の実施形態の変型形態のいずれかでは、ロボットが、両伸縮アセンブリの端部を同時に同じ方向に移動させ、それによりエンドエフェクタが直線的に並進されるようにアクチュエータアセンブリに指令するためのコントローラを含む。
【００６０】
第１の実施形態の変型形態のいずれかでは、ロボットが、伸縮アセンブリの端部を同時に反対方向に移動させ、それによりエンドエフェクタが回転されるようにアクチュエータアセンブリに指令するためのコントローラを含む。
【００６１】
第１の実施形態の変型形態のいずれかでは、ロボットが、一方の伸縮アセンブリの端部を移動させるようにアクチュエータアセンブリに指令し、一方、他方の伸縮アセンブリの端部を静止して保ち、それによりエンドエフェクタが回転されるようにアクチュエータアセンブリに指令するためのコントローラを含む。
【００６２】
第１の実施形態の変型形態のいずれかでは、エンドエフェクタが、締結仕事を実施するように装備されてもよい。
【００６３】
第２の実施形態によれば、システムが、限られた空間を有する構造上で製造作業を実施する。このシステムは、その構造上で１組の製造仕事を実施するために限られた空間の外側で動作可能な第１のロボットと、補完する１組の製造仕事をその構造上で実施するために限られた空間内で動作可能な第２のロボットとを含む。第２のロボットは、アクチュエータアセンブリと、アクチュエータアセンブリから片持ちされた、第１および第２の平行の伸縮親ねじアセンブリであって、各伸縮アセンブリの端部がエンドエフェクタに枢止される、伸縮親ねじアセンブリと、各伸縮アセンブリを収縮された位置と展開された位置との間で独立に移動させるようにアクチュエータに指令するためのコントローラとを含む。製造仕事は、穿孔、締結具挿入、および締結具終端を含むことができる。
【００６４】
第２の実施形態によれば、各伸縮アセンブリが、各伸縮アセンブリが第１の親ねじと、第２の親ねじと、第３の親ねじとを含むことができ、第１の親ねじの端部がエンドエフェクタに結合され、第１の親ねじが、第２の親ねじの内ねじ付き孔と係合する外ねじを有し、第２の親ねじが、第３の親ねじ内の内ねじ付き孔と係合する外ねじを有し、第３の親ねじが、アクチュエータアセンブリのハウジング内で回転しないように装着され、それにより、第２の親ねじを回転させると、第１の親ねじが、展開された位置と収縮された位置との間で移動する。
【００６５】
第２の実施形態の任意の変型形態では、コントローラが、伸縮アセンブリの第２の親ねじを回転させ、両伸縮アセンブリの端部を同時に同じ方向に移動させ、エンドエフェクタを直線的に並進するようにアクチュエータアセンブリに指令するように構成されてもよい。
【００６６】
第２の実施形態の任意の変型形態では、コントローラが、伸縮アセンブリの第２の親ねじを反対方向に回転させ、エンドエフェクタを回転させるようにアクチュエータアセンブリに指令するように構成されてもよい。
【００６７】
第２の実施形態の任意の変型形態では、コントローラが、伸縮アセンブリの第２の親ねじの一方だけを回転させ、一方の伸縮アセンブリの端部を移動させ、一方、他方の伸縮アセンブリの端部を静止して保ち、それによりエンドエフェクタが回転されるようにアクチュエータアセンブリに指令するように構成されてもよい。
【００６８】
第３の実施形態によれば、部分的に壁によって画定された限られた空間内での製造方法が、エンドエフェクタを限られた空間内に移動するステップと、エンドエフェクタが限られた空間内の目標に対して所望の向きを達成するまでエンドエフェクタを並進および回転させるように、第１および第２の平行の伸縮親ねじアセンブリを使用するステップと、限られた空間の外側で金属板を使用し、エンドエフェクタを壁に接して磁気的に締め付けるステップとを含む。
【００６９】
第３の実施形態では、この方法は、エンドエフェクタを使用し、目標にて締結仕事を実施するステップをも含むことができ、伸縮アセンブリを使用するステップが、目標を回転するように、アセンブリの対応する親ねじを異なる速度で回転させることを含むことができる。
【００７０】
第３の実施形態の任意の変型形態では、計装締結具によって放射されたビーコンを使用し、エンドエフェクタを目標の上で正確に位置決めすることができる。
【符号の説明】
【００７１】
１１０ ロボット
１２０ アクチュエータアセンブリ
１２２ ハウジング
１２４ 電気モータ
１２６ 駆動ベルト
１２８ 電気モータ
１２９ 駆動ベルト
１３０ 第１の平行の伸縮親ねじアセンブリ
１３２ 端部
１３４ 親ねじ
１３６ 親ねじ
１４０ 第２の平行の伸縮親ねじアセンブリ
１４２ 端部
１４４ 親ねじ
１４６ 親ねじ
１５０ エンドエフェクタ
１６０ 界面板
１６２ 枢動継手
１６４ 枢動継手
１７０ 電子インターフェース、電気インターフェース
１８０ コントローラ
４１０ ウィングベイ
４００ 翼箱
４０２ 限られた空間
４２０ 上部外板
４３０ 下部外板
４４０ ストリンガ
４５０ アクセスポート
４６０ 締結作業
４７０ リブ
４８０ リブ
５１０ 内部ロボット
５２０ アクチュエータアセンブリ
５２２ ハウジング
５２４ 第１のモータ
５２５ シャフト
５２６ 第２のモータ
５２７ シャフト
５３０ 第１の伸縮アセンブリ
５３２ 第３の親ねじ
５３３ 第１の循環玉軸受ブッシング
５３４ 第２の親ねじ
５３５ 別の循環玉軸受ブッシング
５３６ 第１の親ねじ
５４０ 第２の伸縮アセンブリ
５４２ 第３の親ねじ
５４３ 循環玉軸受ブッシング
５４４ 第２の親ねじ
５４５ 循環玉軸受ブッシング
５４６ 第１の親ねじ
５５０ エンドエフェクタ
５５２ ナット／スリーブ設置工具
５５４ 電子インターフェース
５５６ クランピングブロック
５６０ 界面板
５７０ ロボットインターフェース
６１０ ロボットシステム
６２０ スタンド
６３０ 外部ロボット
６４０ 外部エンドエフェクタ
Ｌ 長手軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクチュエータアセンブリと、
アクチュエータアセンブリから片持ちされた、第１および第２の平行の伸縮親ねじアセンブリと、
親ねじアセンブリの端部に結合され支持されたエンドエフェクタとを備え、
アクチュエータアセンブリが各伸縮アセンブリを独立に展開および収縮させる、ロボット。
【請求項２】
各伸縮アセンブリが、非回転可能な親ねじと、回転可能な親ねじとを含み、非回転可能な親ねじが、エンドエフェクタに結合された端部を有し、また
回転可能な親ねじの内ねじ付き孔と係合する外ねじを有する、請求項１に記載のロボット。
【請求項３】
各伸縮アセンブリが第１の親ねじと、第２の親ねじと、第３の親ねじとを含み、第１の親ねじの端部がエンドエフェクタに結合され、第１の親ねじが、第２の親ねじの内ねじ付き孔と係合する外ねじを有し、第２の親ねじが、第３の親ねじ内の内ねじ付き孔と係合する外ねじを有し、第３の親ねじが、アクチュエータアセンブリのハウジング内で回転しないように装着され、それにより、第２の親ねじを回転させると、第１の親ねじが、展開された位置と収縮された位置との間で移動する、請求項１に記載のロボット。
【請求項４】
エンドエフェクタに回転可能に結合された界面板をさらに備え、伸縮アセンブリの第１の端部が界面板に枢止される、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のロボット。
【請求項５】
両伸縮アセンブリの端部を同時に同じ方向に移動させ、それによりエンドエフェクタが直線的に並進するようにアクチュエータアセンブリに指令するためのコントローラをさらに備える、請求項１ないし４のいずれか一項に記載のロボット。
【請求項６】
伸縮アセンブリの端部を同時に反対方向に移動させ、それによりエンドエフェクタが回転するようにアクチュエータアセンブリに指令するためのコントローラをさらに備える、請求項１ないし５のいずれか一項に記載のロボット。
【請求項７】
一方の伸縮アセンブリの端部を移動させるようにアクチュエータアセンブリに指令し、一方、他方の伸縮アセンブリの端部を静止して保ち、それによりエンドエフェクタが回転するようにアクチュエータアセンブリに指令するためのコントローラをさらに備える、請求項１ないし６のいずれか一項に記載のロボット。
【請求項８】
部分的に壁によって画定された限られた空間内での製造方法であって、
エンドエフェクタを限られた空間内に移動するステップと、
エンドエフェクタが限られた空間内の目標に対して所望の向きを達成するまでエンドエフェクタを並進および回転させるように、第１および第２の平行の伸縮親ねじアセンブリを使用するステップと、
限られた空間の外側で金属板を使用し、エンドエフェクタを壁に接して磁気的に締め付けるステップと
を含む方法。
【請求項９】
伸縮アセンブリを使用するステップが、目標を回転するように、アセンブリの対応する親ねじを異なる速度で回転させることを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
計装締結具によって放射されたビーコンを使用し、エンドエフェクタを目標の上で正確に位置決めする、請求項８または９に記載の方法。
【請求項１】
アクチュエータアセンブリと、
アクチュエータアセンブリから片持ちされた、第１および第２の平行の伸縮親ねじアセンブリと、
親ねじアセンブリの端部に結合され支持されたエンドエフェクタとを備え、
アクチュエータアセンブリが各伸縮アセンブリを独立に展開および収縮させる、ロボット。
【請求項２】
各伸縮アセンブリが、非回転可能な親ねじと、回転可能な親ねじとを含み、非回転可能な親ねじが、エンドエフェクタに結合された端部を有し、また
回転可能な親ねじの内ねじ付き孔と係合する外ねじを有する、請求項１に記載のロボット。
【請求項３】
各伸縮アセンブリが第１の親ねじと、第２の親ねじと、第３の親ねじとを含み、第１の親ねじの端部がエンドエフェクタに結合され、第１の親ねじが、第２の親ねじの内ねじ付き孔と係合する外ねじを有し、第２の親ねじが、第３の親ねじ内の内ねじ付き孔と係合する外ねじを有し、第３の親ねじが、アクチュエータアセンブリのハウジング内で回転しないように装着され、それにより、第２の親ねじを回転させると、第１の親ねじが、展開された位置と収縮された位置との間で移動する、請求項１に記載のロボット。
【請求項４】
エンドエフェクタに回転可能に結合された界面板をさらに備え、伸縮アセンブリの第１の端部が界面板に枢止される、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のロボット。
【請求項５】
両伸縮アセンブリの端部を同時に同じ方向に移動させ、それによりエンドエフェクタが直線的に並進するようにアクチュエータアセンブリに指令するためのコントローラをさらに備える、請求項１ないし４のいずれか一項に記載のロボット。
【請求項６】
伸縮アセンブリの端部を同時に反対方向に移動させ、それによりエンドエフェクタが回転するようにアクチュエータアセンブリに指令するためのコントローラをさらに備える、請求項１ないし５のいずれか一項に記載のロボット。
【請求項７】
一方の伸縮アセンブリの端部を移動させるようにアクチュエータアセンブリに指令し、一方、他方の伸縮アセンブリの端部を静止して保ち、それによりエンドエフェクタが回転するようにアクチュエータアセンブリに指令するためのコントローラをさらに備える、請求項１ないし６のいずれか一項に記載のロボット。
【請求項８】
部分的に壁によって画定された限られた空間内での製造方法であって、
エンドエフェクタを限られた空間内に移動するステップと、
エンドエフェクタが限られた空間内の目標に対して所望の向きを達成するまでエンドエフェクタを並進および回転させるように、第１および第２の平行の伸縮親ねじアセンブリを使用するステップと、
限られた空間の外側で金属板を使用し、エンドエフェクタを壁に接して磁気的に締め付けるステップと
を含む方法。
【請求項９】
伸縮アセンブリを使用するステップが、目標を回転するように、アセンブリの対応する親ねじを異なる速度で回転させることを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
計装締結具によって放射されたビーコンを使用し、エンドエフェクタを目標の上で正確に位置決めする、請求項８または９に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図３ｃ】
【図４】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図５ｃ】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図３ｃ】
【図４】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図５ｃ】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−３５１２０（Ｐ２０１３−３５１２０Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−１７２３４０（Ｐ２０１２−１７２３４０）
【出願日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【出願人】（５００５２０７４３）ザ・ボーイング・カンパニー (773)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１７２３４０（Ｐ２０１２−１７２３４０）
【出願日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【出願人】（５００５２０７４３）ザ・ボーイング・カンパニー (773)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
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