KR102189054B1 - 역반사 다중축 힘 토크 센서들 - Google Patents
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Abstract
본 출원은, 위치, 힘, 및 토크를 감지하기 위한 디바이스들 및 기술들에 관한 구현들을 개시한다. 본 명세서에서 설명된 디바이스들은, 광 방출기, 광 검출기들, 및 곡면 반사기를 포함할 수 있다. 광 방출기는 광을 곡면 반사기 상으로 투사할 수 있고, 곡면 반사기는, 투사된 광의 일부들을 하나 이상의 광 검출기 상으로 반사할 수 있다. 광 검출기들에서 측정된 조도들에 기초하여, 곡면 반사기의 위치가 결정될 수 있다. 일부 구현들에서, 곡면 반사기 및 광 방출기는, 하나 이상의 스프링 요소를 통해 탄성적으로 결합될 수 있다; 이들 구현들에서, 곡면 반사기에 가해지는 힘의 크기 및 방향을 나타내는 힘 벡터가, 곡면 반사기의 위치에 기초하여 결정될 수 있다.
Description
관련 출원의 상호참조
본 출원은, 참조로 그 전체 내용을 본 명세서에 포함하는 2016년 6월 20일 출원된 미국 특허 출원번호 제15/187,445호에 대한 우선권을 주장한다.
기술이 발전함에 따라, 사용자를 보조할 수 있는 다양한 기능을 수행하기 위해 다양한 유형의 로봇 디바이스가 생성되고 있다. 로봇 디바이스는, 특히 자재 취급, 운송, 용접, 조립, 및 분배를 수반하는 응용분야에 이용될 수 있다. 시간이 지남에 따라, 이러한 로봇 시스템이 동작하는 방식이 더욱 지능적이고 효율적이며 직관적으로 되고 있다. 로봇 시스템이 현대 생활의 다양한 측면에서 점점 널리 보급됨에 따라, 로봇 시스템이 효율적인 것이 바람직하다. 따라서, 효율적인 로봇 시스템에 대한 요구로 인해, 액츄에이터, 동작, 감지 기술뿐만 아니라, 컴포넌트 설계 및 조립에서 혁신의 장이 열리게 되었다.
본 출원은, 위치, 힘, 및 토크를 감지하기 위한 디바이스 및 기술에 관련된 구현을 개시한다. 여기서 설명된 디바이스는, 광 방출기, 광 검출기, 및 곡면 반사기를 포함할 수 있다. 광 방출기는 곡면 반사기 상에 광을 투사할 수 있고, 곡면 반사기는, 투사된 광의 일부를 광 검출기들 중 하나 이상에 반사할 수 있다. 광 검출기에서 측정된 조도에 기초하여, 곡면 반사기의 위치가 결정될 수 있다. 일부 구현에서, 곡면 반사기 및 광 방출기는 하나 이상의 스프링 요소를 통해 탄성적으로 결합될 수 있다; 이들 구현에서, 곡면 반사기에 가해지는 힘의 크기 및 방향을 나타내는 힘 벡터는 곡면 반사기의 위치에 기초하여 결정될 수 있다.
또 다른 예에서, 본 출원은 디바이스를 설명한다. 이 디바이스는, 강성 구조물, 곡면 반사기, 3개 이상의 광 검출기, 광 방출기, 및 적어도 하나의 프로세서를 포함한다. 곡면 반사기는 강성 구조물의 표면에 고정된다. 3개 이상의 광 검출기 각각은 광 검출기에 입사하는 광의 조도를 측정하도록 동작가능하다. 광 방출기는 곡면 반사기를 향하여 광을 투사하도록 동작가능하다. 곡면 반사기는 투사된 광의 각각의 부분들을 3개 이상의 광 검출기 상으로 반사한다. 광 방출기 및 3개 이상의 광 검출기는 서로에 관해 고정되어 있다. 강성 구조물은 광 방출기 및 3개 이상의 광 검출기에 관해 하나 이상의 자유도로 움직일 수 있다. 적어도 하나의 프로세서는 한 세트의 동작들을 수행하도록 구성된다. 이 동작들은, 3개 이상의 광 검출기들의 각각의 광 검출기에 의해, 광 검출기에 입사하는 투사된 광의 각각의 부분의 조도를 측정하는 것을 포함한다. 이 동작들은 또한, 측정된 조도에 기초하여, 강체(rigid body)의 기준 위치에 관한 하나 이상의 자유도에서의 강체의 변위를 결정하는 것을 포함한다. 이 동작들은 변위를 나타내는 출력 신호를 제공하는 것을 더 포함한다.
또 다른 예에서, 본 출원은 디바이스를 설명한다. 이 디바이스는, 제1 강성 구조물, 곡면 반사기, 제2 강성 구조물, 스프링 요소, 3개 이상의 광 검출기, 광 방출기, 및 적어도 하나의 프로세서를 포함한다. 곡면 반사기는 제1 강성 구조물의 표면에 고정된다. 제1 강성 구조물은 제2 강성 구조물에 관해 하나 이상의 자유도에서 움직일 수 있다. 제1 강성 구조물은, 제1 강성 구조물에 힘이 가해질 때 기준 위치로부터 변위된다. 스프링 요소는 제1 강성 구조물을 제2 강성 구조물에 탄성적으로 결합한다. 3개 이상의 광 검출기 각각은 광 검출기에 입사하는 광의 조도를 측정하도록 동작가능하다. 3개 이상의 광 검출기는 제2 강성 구조물의 표면에 고정된다. 광 방출기는 곡면 반사기를 향해 광을 투사하도록 동작가능하다. 곡면 반사기는 투사된 광의 각각의 부분들을 3개 이상의 광 검출기 상으로 반사하고, 여기서, 광 방출기는 제2 강성 구조물의 표면에 고정된다. 적어도 하나의 프로세서는 한 세트의 동작들을 수행하도록 구성된다. 이 동작들은, 3개 이상의 광 검출기의 각각의 광 검출기에 의해, 광 검출기에 입사하는 투사된 광의 각각의 부분의 조도를 측정하는 것을 포함한다. 이 동작들은 또한, 측정된 조도에 기초하여, 힘의 크기 및 하나 이상의 자유도에서의 힘의 방향을 나타내는 힘 벡터를 결정하는 것을 포함한다. 이 동작들은 힘 벡터를 나타내는 출력 신호를 제공하는 것을 더 포함한다.
추가적인 예에서, 본 출원은 방법을 설명한다. 이 방법은 광 방출기로 하여금 강성 구조물의 표면에 고정된 곡면 반사기를 향하여 광을 투사하게 하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한, 3개 이상의 광 검출기에 의해, 3개 이상의 광 검출기 각각에 입사하는 광의 3개 이상의 조도를 측정하는 단계를 포함한다. 각각의 조도는, 곡면 반사기에서 반사되어 각각의 광 검출기에 입사하는 투사된 광의 일부의 강도를 나타낸다. 이 방법은, 3개 이상의 조도에 기초하여, 하나 이상의 자유도에서 기준 위치로부터의 곡면 반사기의 위치 변화를 나타내는 변위를 결정하는 단계를 더 포함한다. 추가로, 이 방법은 변위를 나타내는 출력을 제공하는 단계를 포함한다.
역시 또 다른 예에서, 본 출원은 시스템을 설명한다. 이 시스템은, 광 방출기로 하여금 강성 구조물의 표면에 고정된 곡면 반사기를 향하여 광을 투사하게 하기 위한 수단을 포함한다. 이 시스템은 또한, 3개 이상의 광 검출기에 의해, 3개 이상의 광 검출기 각각에 입사하는 광의 3개 이상의 조도를 측정하기 위한 수단을 포함한다. 각각의 조도는, 곡면 반사기에서 반사되어 각각의 광 검출기에 입사하는 투사된 광의 일부의 강도를 나타낸다. 이 시스템은, 3개 이상의 조도에 기초하여, 하나 이상의 자유도에서 기준 위치로부터의 곡면 반사기의 위치 변화를 나타내는 변위를 결정하기 위한 수단을 더 포함한다. 추가로, 이 시스템은 변위를 나타내는 출력을 제공하기 위한 수단을 포함한다.
상기 요약은 단지 예시일 뿐이고 어떠한 식으로든 제한하고자 하는 것이 아니다. 전술된 예시적 양태, 실시예, 및 피쳐들에 추가하여, 도면과 이하의 상세한 설명 및 첨부된 도면들을 참조하면 추가의 양태, 실시예, 및 피쳐들이 명백해질 것이다.
도 1은 예시적인 구현에 따른 로봇 시스템의 예시적인 구성을 나타낸다.
도 2는 예시적인 구현에 따른 예시적인 로봇 팔을 나타낸다.
도 3은 예시적인 구현에 따른 힘 및 토크 센서(force and torque sensor)를 갖는 예시적인 로봇 팔을 나타낸다.
도 4a는 예시적인 구현에 따른 정지 상태에 있는 힘 센서의 측면도를 나타낸다.
도 4b는 예시적인 구현에 따른 정지 상태에 있는 힘 센서의 평면도를 나타낸다.
도 4c는 예시적인 구현에 따른 정지 상태에 있는 힘 센서의 사시도를 나타낸다.
도 5a는 예시적인 구현에 따른 하방력이 가해지는 힘 센서의 측면도를 나타낸다.
도 5b는 예시적인 구현에 따른 하방력이 가해지는 힘 센서의 평면도를 나타낸다.
도 5c는 예시적인 구현에 따른 하방력이 가해지는 힘 센서의 사시도를 나타낸다.
도 6a는 예시적인 구현에 따른 측방향 힘이 가해지는 힘 센서의 측면도를 나타낸다.
도 6b는 예시적인 구현에 따른 측방향 힘이 가해지는 힘 센서의 평면도를 나타낸다.
도 6c는 예시적인 구현에 따른 측방향 힘이 가해지는 힘 센서의 사시도를 나타낸다.
도 7a는 예시적인 구현에 따른 정지 상태에 있는 힘 및 토크 센서의 측면도를 나타낸다.
도 7b는 예시적인 구현에 따른 정지 상태에 있는 힘 및 토크 센서의 평면도를 나타낸다.
도 7c는 예시적인 구현에 따른 정지 상태에 있는 힘 및 토크 센서의 사시도를 나타낸다.
도 8a는 예시적인 구현에 따른 하방력이 가해지는 힘 및 토크 센서의 측면도를 나타낸다.
도 8b는 예시적인 구현에 따른 하방력이 가해지는 힘 및 토크 센서의 평면도를 나타낸다.
도 8c는 예시적인 구현에 따른 하방력이 가해지는 힘 및 토크 센서의 사시도를 나타낸다.
도 9a는 예시적인 구현에 따른 하방력이 가해지는 힘 및 토크 센서의 측면도를 나타낸다.
도 9b는 예시적인 구현에 따른 하방력이 가해지는 힘 및 토크 센서의 평면도를 나타낸다.
도 9c는 예시적인 구현에 따른 하방력이 가해지는 힘 및 토크 센서의 사시도를 나타낸다.
도 10a는 예시적인 구현에 따른 토크가 가해지는 힘 및 토크 센서의 측면도를 나타낸다.
도 10b는 예시적인 구현에 따른 토크가 가해지는 힘 및 토크 센서의 평면도를 나타낸다.
도 10c는 예시적인 구현에 따른 토크가 가해지는 힘 및 토크 센서의 사시도를 나타낸다.
도 11a는 예시적인 구현에 따른 플로차트를 나타낸다.
도 11b는 예시적인 구현에 따른 플로차트를 나타낸다.
도 12는 예시적인 구현에 따른 예시적인 컴퓨터-판독가능한 매체의 블록도이다.
도 2는 예시적인 구현에 따른 예시적인 로봇 팔을 나타낸다.
도 3은 예시적인 구현에 따른 힘 및 토크 센서(force and torque sensor)를 갖는 예시적인 로봇 팔을 나타낸다.
도 4a는 예시적인 구현에 따른 정지 상태에 있는 힘 센서의 측면도를 나타낸다.
도 4b는 예시적인 구현에 따른 정지 상태에 있는 힘 센서의 평면도를 나타낸다.
도 4c는 예시적인 구현에 따른 정지 상태에 있는 힘 센서의 사시도를 나타낸다.
도 5a는 예시적인 구현에 따른 하방력이 가해지는 힘 센서의 측면도를 나타낸다.
도 5b는 예시적인 구현에 따른 하방력이 가해지는 힘 센서의 평면도를 나타낸다.
도 5c는 예시적인 구현에 따른 하방력이 가해지는 힘 센서의 사시도를 나타낸다.
도 6a는 예시적인 구현에 따른 측방향 힘이 가해지는 힘 센서의 측면도를 나타낸다.
도 6b는 예시적인 구현에 따른 측방향 힘이 가해지는 힘 센서의 평면도를 나타낸다.
도 6c는 예시적인 구현에 따른 측방향 힘이 가해지는 힘 센서의 사시도를 나타낸다.
도 7a는 예시적인 구현에 따른 정지 상태에 있는 힘 및 토크 센서의 측면도를 나타낸다.
도 7b는 예시적인 구현에 따른 정지 상태에 있는 힘 및 토크 센서의 평면도를 나타낸다.
도 7c는 예시적인 구현에 따른 정지 상태에 있는 힘 및 토크 센서의 사시도를 나타낸다.
도 8a는 예시적인 구현에 따른 하방력이 가해지는 힘 및 토크 센서의 측면도를 나타낸다.
도 8b는 예시적인 구현에 따른 하방력이 가해지는 힘 및 토크 센서의 평면도를 나타낸다.
도 8c는 예시적인 구현에 따른 하방력이 가해지는 힘 및 토크 센서의 사시도를 나타낸다.
도 9a는 예시적인 구현에 따른 하방력이 가해지는 힘 및 토크 센서의 측면도를 나타낸다.
도 9b는 예시적인 구현에 따른 하방력이 가해지는 힘 및 토크 센서의 평면도를 나타낸다.
도 9c는 예시적인 구현에 따른 하방력이 가해지는 힘 및 토크 센서의 사시도를 나타낸다.
도 10a는 예시적인 구현에 따른 토크가 가해지는 힘 및 토크 센서의 측면도를 나타낸다.
도 10b는 예시적인 구현에 따른 토크가 가해지는 힘 및 토크 센서의 평면도를 나타낸다.
도 10c는 예시적인 구현에 따른 토크가 가해지는 힘 및 토크 센서의 사시도를 나타낸다.
도 11a는 예시적인 구현에 따른 플로차트를 나타낸다.
도 11b는 예시적인 구현에 따른 플로차트를 나타낸다.
도 12는 예시적인 구현에 따른 예시적인 컴퓨터-판독가능한 매체의 블록도이다.
이하의 상세한 설명은 첨부된 도면을 참조하여 개시된 시스템과 방법의 다양한 피쳐와 동작들을 설명한다. 여기서 설명되는 예시의 시스템 및 방법은 제한하고자 함이 아니다. 개시된 시스템 및 방법의 특정 양태는, 본 명세서에서 고려되는 다양한 상이한 구성들로 배열되고 결합될 수 있다는 것을 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
I.
개요
본 출원은, 위치, 힘 및/또는 토크를 측정하기 위한 디바이스 및 기술에 관한 구현을 개시한다. 한 유형의 힘 및 토크 센서는, 외력이 가해질 때 변형될 수 있는 점탄성 돔(viscoelastic dome)의 반사성 내측 표면에 광을 투사할 수 있다. 점탄성 돔의 변형은 반사성 내측 표면에 투사되는 광의 반사 패턴을 변경시킬 수 있다. 이러한 변형의 특성을 감지함으로써, 센서는 점탄성 돔에 가해지는 힘을 추정할 수 있다. 그러나, 이러한 변형-기반의 힘 감지의 정확도는 그 표면에 대한 힘의 인가에 의해 야기되는 응력을 겪는 점탄성 재료의 성능에 의존한다.
점탄성 재료는 히스테리시스(hysteresis) 및 크리프(creep)에 민감하다. 따라서, 점탄성 재료에 대한 힘의 인가와 그 힘에 의해 야기되는 결과적인 변형 사이에는 시간 지연이 존재할 수 있다. 또한, 점탄성 재료는 시간이 지남에 따라 영구적으로 변형되어, 이용될수록 변형-기반의 힘 센서가 점점 더 부정확해지게 할 수 있다.
본 명세서에 개시된 구현은, 점탄성 변형이 아니라, 반사성 표면의 병진에 기초한 힘 및 토크 감지를 포함한다. 일부 예에서, 반사 표면은 점탄성 재료의 히스테리시스 및 크리프 제한을 제거하거나 상당히 완화하는 탄성 또는 스프링 요소(예를 들어, 비-점탄성 플렉셔(flexure))에 결합될 수 있다. 비-점탄성 플렉셔를 갖춘 병진-기반의 힘 및 토크 센서는 더 신속한 힘 감지를 허용할 수 있고 지속적인 이용을 통해 안정성과 정확성을 더 양호하게 유지할 수 있다.
예시적인 감지 디바이스는, 광 방출기, 곡면 반사기, 및 3개 이상의 광 검출기를 포함한다. 광 방출기는 곡면 반사기를 향하여 광을 투사할 수 있고, 곡면 반사기는 반사된 광의 일부를 3개 이상의 광 검출기를 향해 반사할 수 있다. 각각의 광 검출기는 그 광 검출기 상의 입사광의 조도를 측정할 수 있다. 측정된 조도에 기초하여, 곡면 반사기의 위치 및/또는 곡면 반사기에 가해지는 힘의 벡터가 결정될 수 있다.
본 명세서에서 설명될 때, "조도"란 표면 상에 입사하는 총 광속(luminous flux)을 지칭할 수 있다. 광 검출기는, 감광 영역( photosensitive region)에 입사하는 광의 조도를, 비례하는 전류, 전압, 커패시턴스, 또는 전하로 변환하는 감광 영역을 포함할 수 있다. 발광 다이오드, 레이저 또는 기타의 광원 등의 광 방출기는, "조도 발산도(illuminance exitance)"라고도 하는 총량의 조도를 방출할 수 있다. 조도 발산도의 양은 곡면 반사기로 향하여 입사될 수 있다. 곡면 반사기는, 그 입사광의 일부를 하나 이상의 광 검출기의 감광 영역을 향하여 반사할 수 있다.
각각의 광 검출기에 의해 측정된 조도는 곡면 반사기의 위치에 의존한다. 곡면 반사기가 광 방출기에 관해 상대적으로 움직임에 따라, 광 검출기를 향하여 다시 반사된 광의 분포(이하, "조도 분포"라고도 함)가 변한다. 광 검출기는, 광 방출기에 관한 복수의 위치에서 조도 값을 포착할 수 있고, 이로부터 조도 분포가 추론되거나 추정될 수 있다.
곡면 반사기는, 플랫폼, 보드, 플레이트, 또는 기타의 물체 등의, 가동형 구조물(movable structure)의 표면 상에 장착되거나 기타의 방식으로 결합될 수 있다. 가동형 구조물에 대해 힘이 가해질 때, 이것은 하나 이상의 자유도에서 병진하여, 곡면 반사기로 하여금 정지 위치로부터 변위하게 할 수 있다. 이 병진은 광 검출기에 의해 측정된 조도 분포를 변화시킬 수 있다. 이 조도 분포(및/또는 조도 분포의 변화)에 기초하여, 곡면 반사기의 위치가 결정될 수 있다. 일부 경우에, 가동형 구조물에 가해지는 힘의 크기 및 방향을 나타내는 힘 벡터가, 곡면 반사기의 위치에 기초하여 결정될 수 있다. 가동형 구조물은 비-점탄성 재료로 구성될 수 있고, 본 명세서에서는 "강성 구조물"이라 칭할 수도 있으며, 비-점탄성 재료로 구성될 수도 있다. 비탄성 재료는, 플라스틱, 금속, 및 기타 비-점탄성 재료 등의, (적어도 힘의 임계량 아래 범위의 힘 크기 내에서) 외력이 가해질 때 일반적으로 형상을 유지하는 강성인 임의의 재료일 수 있다.
일부 구현에서, "곡면" 반사기는, 면들이 집합적으로 볼록하거나 오목한 기하학적 형상을 이루는 다면형 반사성 물체일 수 있다. 한 예로서, 곡면 반사기는, 면들이 대체로 구의 형상을 이루는, 디스코 볼(disco ball)의 일부분과 유사할 수 있다. 기타의 다각형 기하학적 형상도 역시, 구면형, 타원형, 공 또는 공모양의 기하학적 형상과 유사한 방식으로 광을 반사 및 분배하는데 이용될 수도 있다. 기하학적 형상은, 구현들마다 및/또는 제조상의 제한들로 인해 다양할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
일부 감지 디바이스는 가동형 구조물에 결합된 하나 이상의 스프링 요소(예를 들어, 플렉셔)를 포함할 수 있다. 이들 구현에서, 곡면 반사기의 (본 명세서에서는 "기준 위치"라고도 하는) 정지 위치는, 스프링 요소가 평형상태(equilibrium)일 때의 곡면 반사기의 위치일 수 있다. 가동형 구조물에 힘이 가해질 때, 스프링 요소는 그 힘의 크기 및 방향에 비례하여 팽창 및/또는 수축할 수 있다. 따라서, 곡면 반사기가 움직이는 정도는, 스프링 요소의 속성, 및 광 방출기, 광 검출기 및 곡면 반사기의 특정한 배열에 기초하여, 힘의 방향 및 크기에 대응할 수 있다.
일부 구현에서, 한 모델은 조도 분포를 곡면 반사기의 변위 벡터와 상관시킬 수 있다. 이 모델은, 광 방출기, 광 검출기, 곡면 반사기, 및 가동형 표면의 치수 및 배치를 통합할 수 있다. 이 모델은 또한, 가동형 표면에 결합된 스프링 요소에 관한 정보(예를 들어, 이들 요소들의 스프링 상수)를 포함할 수 있다. 이러한 모델은, 컴퓨팅 디바이스가 광 검출기에서 측정된 조도에 기초하여 곡면 반사기의 위치를 계산하거나 추정할 수 있게 한다. 이 모델은 또한, 컴퓨팅 디바이스가 곡면 반사기의 추정된 위치 및 스프링 요소의 알려진 속성에 기초하여 가동형 구조물에 가해지는 힘의 벡터를 결정하는 것을 허용할 수 있다.
일부 구현에서, 여기서 설명된 것들 등의 감지 디바이스는, 그 특정한 감지 디바이스의 거동을 모델링하기 위해 일련의 제어된 테스트를 거칠 수 있다. 이들 테스트는 여기서는 "캘리브레이션"이라고 지칭될 수 있다. 캘리브레이션 동안에, 특정한 감지 디바이스는, (알려진 방향 및 알려진 크기를 갖는) 알려진 힘을 겪을 수 있고, 광 검출기에 의해 측정된 조도 값이 기록될 수 있다. 조도 값 세트들을 알려진 힘과 상관시키는 이 단계는, 다양한 크기 및 방향의 알려진 힘들에 대해 반복될 수 있다.
이러한 캘리브레이션 프로세스는, 곡면 반사기의 위치, 가동형 구조물에 가해지는 힘의 벡터, 및/또는 가동형 구조물에 가해지는 토크의 벡터를 결정하기 위한 기초로서 역할할 수 있는 캘리브레이션 데이터를 생성할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨팅 디바이스는, 측정된 조도 값 및 캘리브레이션 데이터 세트에 기초하여 힘 벡터를 근사화하거나 추정하기 위해 선형 회귀(또는 다른 유형의 회귀) 분석을 채택할 수 있다. 또 다른 예로서, 캘리브레이션 데이터는, 컴퓨팅 디바이스가 곡면 반사기의 변위 벡터에 기초하여 힘 및/또는 토크 벡터를 결정하는 것을 허용하는 변환 행렬을 생성하는데 이용될 수 있다.
일부 구현에서, (예를 들어, 최소 제곱 접근법을 이용하는) 회귀 분석은 캘리브레이션 데이터에 기초하여 변환 행렬을 결정하는 것을 포함한다. 변환 행렬은, 조도 값을, 위치 또는 변위 값, 힘 값, 또는 토크 값으로 변환하는데 이용될 수 있다. 일단 변환 행렬 또는 행렬들이 결정되고 나면, 이들은 메모리에 저장되어 센서 동작 동안에 이용될 수 있다; 달리 말하면, 동작 동안에 위치, 힘, 및/또는 토크를 결정하는 것은 하나 이상의 미리결정된 변환 행렬을 적용하는 것을 포함할 수 있다.
선형 회귀를 이용하여 변환 행렬을 결정하는 것은, 힘 및 토크 센서를 모델링하기 위한 한 예시적인 기술이다. 다른 실시예에서, (예를 들어, 광 검출기 전압에 기초한) 조도 값들과, 힘 및 토크 센서에서의 힘 또는 토크 값 사이의 관계를 모델링하기 위해, 통계 모델, 머신 학습 툴, 신경망, 및 기타의 비선형 모델이 이용될 수 있다. 캘리브레이션 동안에 수집된 데이터는 이러한 머신 학습 모델을 훈련시키는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 캘리브레이션은 조도 값들을 포착하고 이들을 알려진 힘 또는 토크 값으로 라벨링하는 것을 포함할 수 있다. 라벨링된 조도 값들은 머신 학습 툴에 제공되어 힘 및 토크 센서의 모델을 개발할 수 있다. 일단 결정되고 나면, 이 모델은 저장되고, 센서에 가해지는 힘 및/또는 토크의 값들을 추정하기 위해 센서의 동작 동안에 이용될 수 있다.
여기서 설명된 감지 디바이스는 프로세서 및 메모리 디바이스를 갖는 컴퓨팅 디바이스를 포함할 수 있다. 메모리 디바이스는, 프로그램 명령어 및 기타의 정보와 함께, 모델 및/또는 캘리브레이션 데이터를 저장할 수 있다. 프로세서는 광 검출기로부터 조도 측정치들을 수신하고, 가동형 표면에 가해지는 힘의 벡터를 결정 또는 추정하기 위해 캘리브레이션 데이터에 기초하여 이들을 모델 및/또는 다른 계산 또는 수학적 프로세스에 적용할 수 있다.
일부 구현에서, 감지 디바이스는, 가동형 구조물에 결합된 복수의 곡면 반사기, 복수의 광 방출기, 및 광 검출기들의 복수의 클러스터를 포함할 수 있다. 정지 상태(예를 들어, 가동형 구조물이 힘을 받지 않을 때)에서, 각각의 곡면 반사기는 각각의 광 방출기 및 광 검출기들의 각각의 클러스터에 대응할 수 있다. 그러나, 가동형 구조물이 힘을 받을 때, 가동형 구조물은 하나 이상의 공간 차원에서(예를 들어, x, y 및 z 축을 따라) 병진할 수 있고, 또한 하나 이상의 각도 차원(예를 들어, 롤, 피치 및 요)에서 회전할 수 있다. 가동형 구조물이 병진하지만 회전하지 않는다면, 각각의 곡면 반사기의 그 대응하는 광 방출기에 관한 상대적 위치는 각각의 곡면 반사기에 대해 동일할 수 있다. 그러나, 가동형 구조물이 회전한다면(예를 들어, 롤, 피치 및/또는 요), 각각의 곡면 반사기의 그 대응하는 광 방출기에 관한 상대적 위치는 각각의 곡면 반사기에 대해 상이할 수 있다. 따라서, 가동형 구조물의 각도 변위는 광 검출기들의 각각의 클러스터에 대해 상이한 조도 분포들을 생성할 수 있다.
이러한 구현에서, 한 세트의 조도 분포(예를 들어, 광 검출기들의 각각의 클러스터에 대한 분포)는, 가동형 구조물에 가해지는 힘(들)로부터 발생하는 토크의 크기 및 방향을 나타내는 토크 벡터에 대응할 수 있다. 예를 들어, 가동형 구조물의 엣지에서 하방력이 가해지면, 가동형 구조물은 롤링(roll)하거나 피칭(pitch)할 수 있다. 측방향 힘(또는 측방향 성분을 갖는 힘)이 가동형 구조물에 가해지면, 가동형 구조물이 요잉(yaw)할 수 있다. 감지 디바이스의 알려진 구성에 기초하거나 또는 캘리브레이션 데이터에 기초한 모델은, 조도 분포 세트들(또는 조도 측정치 세트들)을 토크 벡터들과 상관시킬 수 있다. 복수의 곡면 반사기, 광 방출기, 및 광 검출기들의 클러스터들을 갖는 감지 디바이스를 위한 캘리브레이션 프로세스는, 감지 디바이스에 알려진 토크를 가하고 광 검출기들의 클러스터들로부터의 조도 측정치들을 포착할 수 있다. 이 구현에서, 감지 디바이스는 6개의 자유도(DOF; degree of freedom)에서 힘 및/또는 토크를 측정할 수 있다.
여기서 설명된 힘 및 토크 감지 디바이스는 다양한 응용에서 이용될 수 있다. 예를 들어, 이들은 로봇 손가락이나 다른 로봇 부속물 내에 통합되어 그 능숙성과 감각 능력을 향상시킬 수 있다. 로봇은, 로봇이 손가락을 이용하여 물체를 쥐는 섬세한 작업을 수행하도록 제어되거나 지시받을 수 있다. 본 출원의 고정밀 및 신속-감지 힘 및 토크 센서는, 로봇이 악력(gripping force)을 정확하게 검출할 수 있게 하고 로봇이 그 압력 변화에 신속하게 반응하도록 허용하는데 이용될 수 있다. 이 정보를 이용하여, 로봇은 원하는 작업을 달성하기 위해 정밀한 기동을 수행할 수 있다.
II.
예시적인 로봇 시스템들
도 1은 여기서 설명된 구현과 관련하여 이용될 수 있는 로봇 시스템의 예시적인 구성을 나타낸다. 로봇 시스템(100)은, 로봇 팔, 상이한 유형의 로봇 조작기일 수 있거나, 다수의 상이한 형태들을 가질 수 있다. 추가로, 로봇 시스템(100)은 또한, 특히, 로봇 디바이스, 로봇 조작기, 또는 로봇으로 지칭될 수 있다.
로봇 시스템(100)은, 프로세서(들)(102), 데이터 스토리지(104), 프로그램 명령어(106), 제어기(108), 센서(110), 전원(들)(112), 액츄에이터(들)(114), 및 가동형 컴포넌트(들)(116)을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 로봇 시스템(100)은, 로봇 시스템(100)이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 추가 컴포넌트를 포함하거나 및/또는 하나 이상의 컴포넌트를 제거할 수 있기 때문에, 단지 예시를 목적으로 도시된 것이라는 점에 유의한다. 또한, 로봇 시스템(100)의 다양한 컴포넌트들은 임의의 방식으로 접속될 수 있다는 점에 유의한다.
프로세서(들)(102)는, 범용 프로세서 또는 특별 목적 프로세서(예를 들어, 디지털 신호 프로세서, 주문형 집적 회로 등)일 수 있다. 프로세서(들)(102)는, 데이터 스토리지(104)에 저장되고 여기서 설명된 로봇 시스템(100)의 기능을 제공하도록 실행될 수 있는 컴퓨터-판독가능한 프로그램 명령어(106)를 실행하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 프로그램 명령어(106)는 제어기(108)의 기능을 제공하도록 실행가능하고, 여기서, 제어기(108)는, 액츄에이터(114)가 하나 이상의 가동형 컴포넌트(들)(116)의 움직임을 야기하게끔 지시하도록 구성될 수 있다.
데이터 스토리지(104)는, 프로세서(들)(102)에 의해 판독되거나 액세스될 수 있는 하나 이상의 컴퓨터-판독가능한 저장 매체를 포함하거나 그 형태를 취할 수 있다. 하나 이상의 컴퓨터-판독가능한 저장 매체는, 프로세서(들)(102)와 전체적으로 또는 부분적으로 통합될 수 있는, 광학, 자기, 유기 또는 기타의 메모리 또는 디스크 스토리지 등의, 휘발성 및/또는 비휘발성 저장 컴포넌트를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 데이터 스토리지(104)는 단일의 물리적 디바이스(예를 들어, 하나의 광학, 자기, 유기 또는 기타의 메모리 또는 디스크 저장 유닛)를 이용하여 구현될 수 있는 반면, 다른 실시예에서는, 데이터 스토리지(104)는 2개 이상의 물리적 디바이스를 이용하여 구현될 수 있다. 또한, 컴퓨터-판독가능한 프로그램 명령어(106)에 추가하여, 데이터 스토리지(104)는 특히 진단 데이터 등의 추가 데이터를 포함할 수 있다.
로봇 시스템(100)은, 특히 힘 센서, 근접 센서, 모션 센서, 하중 센서, 위치 센서, 터치 센서, 깊이 센서, 초음파 거리 센서, 및 적외선 센서 등의 하나 이상의 센서(들)(110)를 포함할 수 있다. 센서(들)(110)는, 로봇 시스템(100)과 환경의 적절한 상호작용을 허용하기 위해 센서 데이터를 프로세서(들)(102)에 제공할 수 있다. 추가로, 센서 데이터는 후술되는 바와 같이 피드백을 제공하기 위한 다양한 요인의 평가에 이용될 수 있다. 나아가, 로봇 시스템(100)은 또한, 로봇 시스템(100)의 다양한 컴포넌트에 동력을 공급하도록 구성된 하나 이상의 동력원(들)(112)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 가솔린 엔진 또는 배터리 등의, 임의의 유형의 동력원이 이용될 수 있다.
로봇 시스템(100)은 또한, 하나 이상의 액츄에이터(들)(114)를 포함할 수 있다. 액츄에이터는 기계적 움직임을 도입하는데 이용할 수 있는 메커니즘이다. 특히, 액츄에이터는 저장된 에너지를 하나 이상의 컴포넌트의 움직임으로 변환하도록 구성될 수 있다. 액츄에이터에 동력을 공급하기 위해 다양한 메커니즘이 이용될 수 있다. 예를 들어, 액츄에이터는 특히 화학물, 압축 공기, 또는 전기로 구동될 수 있다. 일부 경우에, 액츄에이터는 회전 운동 형태를 수반하는 시스템(예를 들어, 로봇 시스템(100)의 관절)에서 이용될 수 있는 회전식 액츄에이터일 수 있다. 다른 경우에, 액츄에이터는 직선 운동을 수반하는 시스템에서 이용될 수 있는 선형 액츄에이터일 수 있다.
어느 경우든, 액츄에이터(들)(114)는 로봇 시스템(100)의 다양한 가동형 컴포넌트(들)(116)의 움직임을 야기할 수 있다. 가동형 컴포넌트(들)(116)은, 특히, 로봇 팔, 다리 및/또는 손 등의 부속물을 포함할 수 있다. 또한, 가동형 컴포넌트(들)(116)은, 특히, 가동형 베이스, 바퀴, 및/또는 말단 기능부(end effector)를 포함할 수 있다.
일부 구현에서, 컴퓨팅 시스템(미도시)은 로봇 시스템(100)에 결합될 수 있고, 그래픽 사용자 인터페이스 등을 통해, 사용자로부터 입력을 수신하도록 구성될 수 있다. 이 컴퓨팅 시스템은 로봇 시스템(100) 내에 통합될 수 있거나 또는 로봇 시스템(100)과 (유선 또는 무선으로) 통신할 수 있는 외부 컴퓨팅 시스템일 수 있다. 따라서, 로봇 시스템(100)은, 특히, 그래픽 사용자 인터페이스에서의 사용자 입력에 기초하여 및/또는 로봇 시스템(100) 상의 버턴 누름(또는 촉각 입력)을 통해 수신된 사용자 입력에 기초하여, 정보 및 명령어를 수신할 수 있다.
로봇 시스템(100)은 다양한 형태를 취할 수 있다. 예시를 위해, 도 2는 예시적인 로봇 팔(200)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 로봇 팔(200)은, 고정된 베이스 또는 가동형 베이스일 수 있는 베이스(base)(202)를 포함한다. 가동형 베이스의 경우에, 베이스(202)는 가동형 컴포넌트(들)(116) 중 하나로서 간주될 수 있고, 전체 로봇 팔(200)의 이동성을 허용하는, 하나 이상의 액츄에이터(들)(114)에 의해 동력을 공급받는, 바퀴(미도시)를 포함할 수 있다.
또한, 로봇 팔(200)은 엑츄에이터(들)(114)의 하나 이상에 각각 결합된 관절(204A 내지 204F)을 포함한다. 관절(204A 내지 204F) 내의 액츄에이터들은, 부속물(206A 내지 206F) 및/또는 말단 기능부(208) 등의 다양한 가동형 컴포넌트(들)(116)의 움직임을 야기하도록 동작할 수 있다. 예를 들어, 관절(204F) 내의 액츄에이터는, 부속물(206F) 및 말단 기능부(208)의 움직임을 야기할 수 있다(즉, 말단 기능부(208)가 부속물(206F)에 결합되기 때문). 또한, 말단 기능부(208)는 다양한 형태를 취할 수 있고, 다양한 부분들을 포함할 수 있다. 한 예에서, 말단 기능부(208)는 여기서 도시된 손가락 집게(finger gripper) 등의 집게, 또는 흡인 집게 등의 다른 유형의 집게의 형태를 취할 수 있다. 또 다른 예에서, 말단 기능부(208)는 드릴 또는 브러시 등의 툴의 형태를 취할 수 있다. 역시 또 다른 예에서, 말단 기능부는, 힘 센서, 위치 센서, 및/또는 근접 센서 등의 센서를 포함할 수 있다. 다른 예도 역시 가능할 수 있다.
예시적인 구현에서, 로봇 팔(200) 등의 로봇 시스템(100)은 교습 모드(teach mode)에서 동작할 수 있다. 특히, 교습 모드는, 사용자가 로봇 팔(200)과 물리적으로 상호작용하고 로봇 팔(200)을 다양한 움직임의 실행과 기록을 위해 유도하는 것을 허용하는 로봇 팔(200)의 동작 모드일 수 있다. 교습 모드에서, 특정한 작업을 실행하는 방법에 관해 로봇 시스템을 가르치도록 의도된 교습 입력에 기초하여, 로봇 시스템(100)에 외력이 (예를 들어, 사용자에 의해) 인가된다. 따라서, 로봇 팔(200)은 사용자로부터의 지시 및 유도에 기초하여 특정한 작업을 실행하는 방법에 관한 데이터를 획득할 수 있다. 이러한 데이터는, 특히, 가동형 컴포넌트(들)(116), 관절 위치 데이터, 속도 데이터, 가속도 데이터, 토크 데이터, 힘 데이터, 및 동력 데이터의 복수의 구성에 관련될 수 있다.
예를 들어, 교습 모드 동안에, 사용자는 로봇 팔(200)의 임의의 부분을 쥐고 로봇 팔(200)을 물리적으로 이동시킴으로써 외력을 제공할 수 있다. 특히, 사용자는 로봇 팔(200)을 물체를 쥔 다음 그 물체를 제1 위치로부터 제2 위치로 이동시키는 방향으로 유도할 수 있다. 사용자가 교습 모드 동안 로봇 팔(200)을 유도함에 따라, 시스템은, 로봇 팔(200)이 독립적인 동작 동안(예를 들어, 로봇 팔(200)은 교습 모드를 벗어나 독립적으로 동작할 때) 미래의 시간에 작업을 독립적으로 실행하도록 구성될 수 있도록, 움직임에 관련된 데이터를 획득하고 기록할 수 있다. 그러나, 외력은, 특히, 다른 물체, 머신, 및/또는 로봇 시스템 등에 의해, 물리적인 작업 공간 내의 다른 엔티티들에 의해 가해질 수도 있다는 점에 유의한다.
도 3은 말단 기능부(320)를 갖는 예시적인 로봇 팔(300)을 나타낸다. 말단 기능부는, 가동형 구조물, 곡면 반사기, 광 방출기, 광 검출기, 및/또는 여기서 설명된 기타 임의의 컴포넌트를 포함한, 여기서 설명된 바 등의 힘 및 토크 센서의 요소들을 포함할 수 있다. 말단 기능부(320)는 물체를 쥐는 베이스로서 작용하는 그립 플랫폼(gripping platform)을 포함할 수 있다.
일부 로봇 팔은, 로봇 손가락 또는 그립 플랫폼 내에 내장될 수 있는, 하나 이상의 힘 및 토크 센서를 포함할 수 있다. 동작 동안에, 로봇 팔(300)은, 내장된 힘 및 토크 센서를 갖춘 2개 이상의 로봇 손가락들 및/또는 그립 플랫폼들 사이에 물체를 위치시킬 수 있다. 로봇 팔(300)은 로봇 손가락 및/또는 그립 플랫폼을 함께 움직여 물체를 쥘 수 있다. 물체를 쥠으로써 야기되는 힘의 양과 그 힘의 방향을 측정할 수 있는, 힘 및 토크 센서에 맞대어 물체가 눌러질 수 있다. 측정된 힘 벡터는, 로봇 팔(300)로 하여금 그립을 조정하게 할 수 있거나 기타의 방식으로 그 동작을 변경하게 할 수 있는 제어 시스템에 제공될 수 있다.
일부 로봇 부속물 또는 조작기는 팔과 집게 사이에 위치된 손목을 포함할 수 있다. 본 출원의 힘 및 토크 센서는 손목 내에 통합되어, 집게에 가해지는 힘 및 토크가 센서에 의해 측정될 수 있게 한다. 즉, 힘 및 토크 센서는, 그립 플랫폼과 로봇 팔 사이의 결합부에 배치될 수 있다. 다른 배열도 역시 가능하다.
로봇 손가락, 그립 플랫폼, 및 힘 및 토크 센서의 형상, 크기 및 상대적 위치는, 특정한 구현에 따라 달라질 수 있다는 점에 유의한다. 로봇 팔(300)은 촉각 센서를 포함하는 로봇 팔의 한 예시적인 구성을 나타낸다.
III.
예시적인 힘 센서들
다음의 예시는 감지 디바이스의 3가지 상이한 도면을 도시한다. 예시적인 감지 디바이스는, x-y 평면에서 대략 동일 평면에 있고 베이스 구조물에 장착된 광 방출기(들) 및 광 검출기들을 포함한다. 예시적인 감지 디바이스는 또한, 가동형 구조물, 및 z-축을 따른 광 방출기(들) 및 광 검출기들 쪽으로 향하는 그 가동형 구조물의 표면 상에 장착된 곡면 반사기(들)를 포함한다. 가동형 구조물과 베이스 구조물은 정지된 상태에서 대략 평행하다.
동작 동안에, 광 방출기는 곡면 반사기를 향하여 z-방향으로 광을 투사할 수 있다. 방출된 광은 조명의 소정 각도를 가질 수 있고, 이것은 투사된 광이 z-방향으로 진행함에 따라 확산되게 한다. 그 방출된 광의 일부 또는 전부는 곡면 반사기 상에 입사될 수 있고, 이것은 그 광의 일부 또는 전부를 광 검출기를 향해 반사할 수 있다. 반사된 광의 일부는 광 검출기(또는 광 검출기의 감광 영역) 상에 도달할 수 있고, 그 반사된 광의 다른 부분은 광 검출기의 비감광 영역, 광 방출기, 베이스 구조물, 가동형 구조물, 또는 또 다른 컴포넌트 또는 영역에 도달할 수 있다. 따라서, 광 방출기에 의해 방출된 총 광속(휘도 발산도)의 소정 백분율이 광 검출기 상에 입사될 수 있다(광 검출기의 감광 영역에서의 조도).
가동형 구조물이 병진 및/또는 회전함에 따라, 곡면 반사기의 위치(x, y 및/또는 z 방향) 및 배향은 정지 위치(예를 들어, 가동형 구조물이 외부 응력을 받지 않을 때의 곡면 반사기의 기준 위치)에 관하여 변한다. 곡면 반사기의 이러한 병진 및/또는 회전은, 광 검출기들 각각에 의해 측정된 조도를 변화시킬 수 있다. 도 4a 내지 도 4c, 도 5a 내지 도 5c, 및 도 6a 내지 도 6c는, 곡면 반사기의 움직임으로써 야기되는 조도 분포의 예시적인 변화를 나타낸다.
도 4a, 도 5a, 및 도 6a에 나타낸 평면도는 점선의 원 및 굵은 선의 원을 도시한다. 점선의 원은 곡면 반사기가 기준 위치에 있을 때의 "풋프린트"를 나타낸다. 굵은 선의 원은 곡면 반사기가 변경된 위치에 있을 때의 "풋프린트"를 나타낸다. (점선 원의 크기에 관하여) 더 큰 굵은 선의 원은 z-방향으로 광 검출기들에 더 가깝게 움직이는 곡면 반사기를 나타내는 반면, 더 작은 굵은 선의 원은 z-방향으로 광 검출기들로부터 더 멀리 움직이는 곡면 반사기를 나타낸다.
도 4b 내지 도 4c, 도 5b 내지 도 5c, 및 도 6b 내지 도 6c에 나타낸 측면도 및 사시도는, 기준 또는 정지 위치에서의 물체(예를 들어, 가동형 구조물)의 위치를 나타낸다. 가동형 구조물에 있는 또는 그 근처의 굵은 화살표는 가동형 구조물에 가해지는 순 힘(net force)의 벡터를 나타낸다. 순 힘의 벡터는, 결합되어 순 힘 벡터를 형성하는 2개 이상의 별개의 힘의 조합을 나타낼 수 있다는 점에 유의해야 한다. 추가로, 힘 벡터는, 물체가 겪는 힘이 가동형 구조물에 전달되도록, 가동형 구조물과 접촉하는 별개의 물체가 겪는 힘을 나타낼 수 있다.
도시된 감지 디바이스들 중 일부는 가동형 구조물을 직접 베이스 구조물에 탄성적으로 결합시키는 스프링 요소를 나타낸다. 이 직접 결합은, 단지 예시의 목적으로 도시된 것이다; 스프링 요소는 도면에 도시되지 않은 다른 구조물에 결합될 수도 있다. 추가로, 스프링 요소는 개별 요소가 아닐 수 있고, 오히려 플렉셔 등의 단일 스프링 요소일 수도 있다.
추가로, 도면은 직사각형 가동형 구조물 및 베이스 구조물을 갖는 힘 센서를 도시하고 있다. 그러나, 곡면 반사기, 광 방출기, 및/또는 광 검출기가 장착되는 구조물은, 본 출원의 범위를 벗어나지 않고 다양한 형상 및 기하하적 형태를 취할 수 있다.
다음의 예시는 본 출원의 예시적인 구현을 설명하는 것을 보조하는 개념적인 도면임을 이해해야 한다. 도면들에 명시적으로 도시된 것들 이외의 컴포넌트들의 다른 구성, 배열, 치수, 및 조합이 본 출원의 힘 및 토크 센서를 구현하는데 이용될 수 있다. 도면들은 설명의 목적으로 제공되며, 축척 비율에 따라 그려지거나 그려지지 않을 수도 있다.
A.
정지 상태의 센서
도 4a는 정지 상태에 있는 힘 센서의 측면도(400)를 나타내고, 도 4b는 정지 상태에 있는 힘 센서의 평면도(450)를 나타내며, 도 4c는 정지 상태에 있는 힘 센서의 사시도(460)를 나타낸다. 여기서 설명될 때, "정지 상태에 있는"이란, 임의의 외부 응력을 받고 있지 않아 가동형 구조물(410)(및 곡면 반사기(412))이 평형 위치에 있는 힘 센서를 말한다.
힘 센서는 서로 대략 평행하게 배치된 가동형 구조물(410) 및 베이스 구조물(420)을 포함한다. 곡면 반사기(412)는 베이스 구조물(420) 쪽으로 향하는 가동형 구조물(410)의 표면에 고정된다. 베이스 구조물(420)은 z-방향에서 곡면 반사기(412)와 대략 정렬되는 광 방출기(422)를 포함하여, 곡면 반사기가 평면도에서 볼 때 광 방출기와 중첩하게 한다. 베이스 구조물(420)은 또한, 광 방출기(422)에 인접한 광 검출기(424A, 424B, 424C, 및 424D)를 포함한다. 동작 동안에, 광 방출기(422)는 곡면 반사기를 향하여 양의 z-방향으로 광을 투사하고, 곡면 반사기는, 투사된 광(또는 반사된 광의 적어도 일부)을 조도 분포(426)와 함께 광 검출기(424A 내지 424D)를 향해 반사한다. 힘 센서는 또한, 가동형 구조물(410)과 베이스 구조물(420)을 탄성적으로 결합하는 스프링 요소(430)를 포함한다. 정지 상태에서, 가동형 구조물(410)과 베이스 구조물(420) 사이에는 z-방향 변위(440)가 있다.
가동형 구조물(410)은 (예를 들어, 비-점탄성 재료로 구성된) 임의의 강성 물체일 수 있다. 가동형 구조물(410)은, 금속 또는 플라스틱을 포함한 다양한 강성 재료로 구성될 수 있다. 일부 구현에서, 가동형 구조물(410)은 2개 이상의 개별 컴포넌트로 구성될 수 있다. 베이스 구조물(420)로부터 멀어지는 쪽으로 향하는 가동형 구조물(410)의 표면은 환경에 노출될 수 있고, 물체와 상호작용하거나 및/또는 힘을 받기 위한 계면으로서 작용할 수 있다. 가동형 구조물(410) 또는 가동형 구조물(410)의 표면은 비-반사성이거나 낮은 레벨의 반사율을 가져 그 표면 상에 입사하는 대부분의 광을 흡수한다. 이러한 비-반사성 재료 또는 코팅은, 곡면 반사기(412)로부터의 직접 반사가 아닌 광 검출기 상에 입사하는 광의 양을 방지하거나 감소시키는데 이용될 수 있다.
곡면 반사기(412)는 반사성 재료로 구성되거나 그렇지 않으면 반사성 물질로 코팅된 비평면 표면을 갖는 임의의 물체일 수 있다. 예를 들어, 곡면 반사기는 반사성 금속의 곡면 조각일 수 있다. 또 다른 예로서, 곡면 반사기는 반사성 페인트 또는 안료로 코팅된 플라스틱의 곡면 조각일 수 있다. 곡면 반사기는 임의의 레벨의 반사율(곡면 반사기에 의해 반사되는 입사광의 백분율)을 가질 수 있다는 점에 유의한다. 일부 구현에서, 곡면 반사기(412)는 가동형 구조물과는 별개의 물체일 수 있고, 고정자, 접착제 또는 기타의 고정 수단을 이용하여 가동형 구조물(410)에 부착될 수 있다. 다른 구현에서, 곡면 반사기(412)는 가동형 구조물(410)의 돌출부 또는 함몰부여서, 가동형 구조물(410)과 곡면 반사기(412)가 단일 재료 조각으로 형성될 수 있게 한다. 곡면 반사기(412)는 볼록하거나, 오목하거나, 또는 이들의 어떤 조합일 수 있다(예를 들어, 오목한 표면).
베이스 구조물(420)은, 광 방출기(422) 및 광 검출기(424A 내지 424D)가 장착 또는 고정되는 표면을 갖는 임의의 강성 물체일 수 있다. 일부 구현에서, 베이스 구조물(420)은, 광 방출기(422), 광 검출기(424A 내지 424D), 전원, 접지, 집적 회로, 프로세서, 제어기, 및/또는 기타의 가능한 컴포넌트 등의, 다양한 컴포넌트들 사이에서 전도성 결합을 제공하는 인쇄 회로 기판(PCB)일 수 있다. 베이스 구조물은 또한, 곡면 반사기(412)로부터의 직접 반사가 아닌 광 검출기 상에 입사하는 광의 양을 방지하거나 감소시키기 위해 비-반사성 재료로 구성되거나 비-반사성 재료로 코팅될 수 있다.
광 방출기(422)는 곡면 반사기를 향하여 광을 투사하는 임의의 광원일 수 있다. 일부 구현에서, 광 방출기(422)는 특정한 파장의(또는 좁은 파장 대역 내의) 및 특정한 조명 각도를 갖는 광을 방출하도록 동작가능한 발광 다이오드(LED)이다. 광 방출기(422)는, 광 방출기(422)에 공급되는 전압 및/또는 전류의 양에 비례하는 밝기(구체적으로, 조도 발산도)를 갖는 광을 방출할 수 있다. 광 방출기(422)에 의해 방출된 광의 파장(들)은 광 검출기들(424A-D)이 감응하는 광의 파장(들)에 대응할 수 있다. 예를 들어, 광 방출기(422)는 적외선의 특정한 대역 내에서 광을 방출할 수 있고, 광 검출기(424A 내지 424D)는 동일한(또는 거의 동일한) 적외선 대역 내의 광의 조도를 측정하도록 동작할 수 있다. 광 방출기(422)의 조도 발산도는 광 방출기(422)가 노화됨에 따라 시간의 경과에 따라 감소할 수 있다.
광 검출기(424A 내지 424D)는, 감광 영역에 입사하는 광을, 전압, 전류, 커패시턴스, 또는 전하로 변환할 수 있는 임의의 종류의 광학 센서일 수 있다. 일부 구현에서, 광 검출기(424A 내지 424D)는 광 검출기에 입사하는 광의 조도에 비례하는 크기로 전류를 생성하는 포토다이오드 또는 포토트랜지스터일 수 있다. 광 검출기(424A 내지 424D)는 소정 대역의 파장들 외부의 광을 감쇠시키거나 차단하는 광학 필터를 포함할 수 있다. 광 검출기(424A 내지 424D)는 또한, 렌즈 및 기계적 지지 구조물 등의, 다른 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 광 검출기들(424A 내지 424D)은, 광 검출기들(424A 및 424B)이 한 축(도면에서 y-축)을 형성하고 광 검출기들(424C 및 424D)이 또 다른 축(도면에서 x-축)을 형성하도록, "+" 패턴으로 배열될 수 있다. 이러한 방식으로 배열될 때, 광 검출기(424A 내지 424D)는 양 및 음의 x 및 y 방향에서 조도 값을 측정한다.
일부 구현에서, (3개의 광 검출기가 동일 직선 상에 있지 않는 한) 제4 광 검출기를 요구하지 않고 3개의 광 검출기가 곡면 반사기의 x 및 y 위치를 결정하는데 이용될 수 있다는 점에 유의한다. 하나의 예로서, 3개의 광 검출기가 삼각형 형상으로 배열될 수 있고, 이 때 광 방출기(422)는 3개의 광 검출기에 의해 정의된 영역 내에 배치된다. 여기서 예시된 예들은 광 방출기를 둘러싸는 4개의 광 검출기를 도시하고 있지만, 3개의 자유도(예를 들어, x 축, y 축 및 z 축)에서 곡면 반사기의 위치를 결정하기 위해 3개의 광 검출기로 충분하다는 것을 이해해야 한다.
정지 상태에서, 조도 분포(426)는, 광 검출기들(424A 내지 424D) 각각이 곡면 반사기(412)에서 반사된 광의 각각의 부분들에 의해 완전히 조명되도록 하는 것이다. 이것은 도 4a의 광 검출기들(424A 및 424B)의 전체에 걸쳐 연장된 점선 화살표로 도시되어 있다. 조도의 표현은 예시의 목적을 위해 제공된 것이다; 완전히 조명된 영역은 반드시 특정한 조도 레벨에 대응하지 않을 수 있다. 조도 분포는, 다른 가능한 요인들 중에서도, 광 방출기(422)에 의해 제공되는 조명의 각도 범위, 광 방출기(422)의 총 조도 발산도, 곡면 반사기(412)의 반사율, 곡면 반사기(412)의 기하학적 형상, 및 곡면 반사기(412)의 위치를 포함한, 다양한 요인에 의해 영향을 받을 수 있다.
스프링 요소(430)는, 적어도 가동형 구조물(410)에 결합된 임의의 탄성 물체일 수 있다. 스프링 요소(430)는 가동형 구조물(410)을 베이스 구조물(420)과 탄성적으로 결합하거나, 또는 도면에 명시적으로 도시되지 않은 다른 고정 구조물에 가동형 구조물(410)을 탄성적으로 결합할 수 있다. 예를 들어, 베이스 구조물(420)는 하우징에 견고하게 고정될 수 있고, 가동형 구조물(410)은 스프링 요소(430)를 통해 하우징에 탄성적으로 결합될 수 있다. 스프링 요소(430)는, 플렉셔 등의, 탄성적으로 팽창 및/또는 수축할 수 있는 임의의 물체일 수 있다. 플렉셔는, 예를 들어, 스프링(또는 댐핑된 스프링)과 유사하게 거동하는 주름진 층을 갖는 반-강성(semi-rigid) 재료일 수 있다.
B.
하방력을 받는 센서
도 5a, 도 5b, 및 도 5c는, 각각 하방력이 가해지는 힘 센서의 측면도(500), 평면도(550), 및 사시도(560)를 나타낸다. 이 예에서 "하방"이란 음의-z 방향으로의 순 힘을 말한다. 다음의 예에서, 순 힘은 가동형 구조물(510)의 중심에 적용되어, 가동형 구조물(510)이 회전없이 음의 z-방향으로 병진하게 한다.
이 예에서, 순 힘 벡터(502)를 갖는 힘이 가동형 구조물(510)에 가해지고, 가동형 구조물(510)로 하여금 (점선으로 표시된 직사각형으로 도시된 바와 같이) 그 정지 위치(410)로부터 병진하게 한다. 이 힘은 스프링 요소(430)가 그 정지 길이(440)로부터 압축된 길이(540)로 압축되게 한다. 그 결과, 곡면 반사기(412)와 광 방출기(422) 사이의 z-방향 거리가 감소된다.
곡면 반사기(512)와 광 방출기(422) 사이의 z-방향 거리를 감소시킴으로써, 조도 분포는 분포(426)로부터 분포(526)로 변한다. 그 결과, 곡면 반사기(412)에서 반사되어 포토다이오드(424A 및 424B)에 입사하는 광의 일부는 광 검출기의 한 섹션 상에만 도달한다. 따라서, 광 검출기(424A 및 424B)에서의 측정된 조도는 분포(426)의 측정된 조도와는 상이할 수 있다. 곡면 반사기(412)에서 반사된 광의 나머지 부분은, 베이스 구조물(420) 및/또는 광 방출기(422) 상에 입사될 수 있다(그리고, 부분적으로 또는 완전히 흡수된다). 도시되지는 않았지만, 광 검출기(424C 및 424D)에서의 조도는 광 검출기(424A 및 424B)와 유사하게 영향을 받을 수 있다는 점에 유의한다.
광 검출기(424A 내지 424D)에 의해 측정된 조도 값에 기초하여, 기준 위치(예를 들어, 곡면 반사기(412)의 정지 위치)에 관해 곡면 반사기(412)(또는 이와 견고하게 결합된 가동형 구조물(410))의 위치가 결정될 수 있다. 기준 위치로부터 병진 위치로의 이러한 위치 변화는, 변위의 방향 및 변위의 크기(거리)를 포함하는 변위 벡터로서 표현될 수 있다.
곡면 반사기의 변위 벡터를 결정하는 것은, 측정된 조도 값들을, 위치를 결정하기 위해 이들 조도에 관한 연산을 수행하는 컴퓨팅 디바이스에 제공하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨팅 디바이스는, 조도 분포와 변위 벡터 사이의 관계를 포함하는, 힘 센서의 모델을 포함할 수 있다. 측정된 조도는, 조도 분포(일반적으로, 광이 광 검출기로 다시 반사되는 방식)의 샘플 측정을 나타낼 수 있다. 그 다음, 측정된 조도가 모델에 제공될 수 있고, (추정된 방향 및 변위의 크기를 나타내는) 변위 벡터가 출력으로서 제공될 수 있다. 이 변위 출력은, 다른 컴퓨팅 디바이스들, 제어 시스템들에 대한 출력으로서 제공되거나, 가동형 구조물(510)에 가해지는 힘의 벡터를 결정하기 위한 기초로서 역할할 수 있다.
결정된 변위 벡터(이 예에서는, 음의 z-방향의 벡터)에 기초하여, 컴퓨팅 디바이스 또는 기타의 처리 디바이스는 가동형 구조물에 가해지는 음의 z-방향 힘의 벡터(502)를 결정할 수 있다. 힘 센서의 모델은 변위 벡터를 힘 벡터와 상관시켜, 추정된 변위 벡터를 모델에 제공하는 것이 대응하는 힘 벡터를 출력할 수 있게 한다. 변위와 힘 사이의 이러한 관계는, 스프링 요소(430)의 알려진 속성에 기초하여 미리결정될 수 있다. 예를 들어, 음의 z-방향으로의 특정한 크기의 일정한 힘은, 스프링 요소(430)의 스프링 상수에 기초하여 알려진 평형 길이에 도달할 때까지 스프링을 압축시킬 것이다.
변위와 힘 사이의 관계는 또한, 캘리브레이션 데이터에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 캘리브레이션 시퀀스는 알려진 방향으로 알려진 거리만큼 곡면을 병진시킬 수 있고 (병진에 저항하는) 테스트 장치에 가해지는 힘이 측정될 수 있다. 대안으로서, 캘리브레이션 시퀀스는 가동형 구조물(410)에 대해 알려진 방향 및 크기의 힘을 가하고 광 검출기(424A 내지 424D)에서 조도를 측정할 수 있다. 따라서, 일부 구현에서는, 변위를 명시적으로 결정하는 중간 단계가 생략될 수 있고, 힘 벡터는 조도 측정치에만 기초하여 추정되거나 결정될 수 있다.
C.
측방향 힘을 받는 센서
도 6a, 도 6b, 및 도 6c는, 각각, 측방향 힘이 가해지는 힘 센서의 측면도(600), 평면도(650), 및 사시도(660)를 나타낸다. 이 예에서, "측방향"이란 음수-y 방향의 순 힘을 말한다. 그러나, "측방향"이란, x 축을 따른 및/또는 y 축을 따른 임의의 힘 또는 힘 성분을 말할 수도 있다. 다음의 예에서, 순 힘이 가동형 구조물(510)의 양의 x-방향 엣지의 중심에 가해져서, 가동형 구조물(510)이 회전없이 음의 x-방향으로 병진하게 한다.
이 예에서, 순 힘 벡터(602)를 갖는 힘이 가동형 구조물(610)에 가해져서, 가동형 구조물(610)(및 곡면 반사기(612))로 하여금 (점선으로 표시된 직사각형으로 도시된 바와 같이) 그 정지 위치(410)로부터 병진하게 한다. 이 힘은 스프링 요소(430)가 그 정지 길이(440)로부터 팽창된 길이로 팽창되게 한다. 그 결과, 곡면 반사기(412)와 광 방출기(422) 사이의 x-방향 거리는 0에서 거리 642로 증가된다.
곡면 반사기를 거리 642만큼 음의 x-방향으로 이동시킴으로써, 조도 분포는 분포 426으로부터 분포 626으로 변한다. 그 결과, 상당히 적은 광이 곡면 반사기(412)에서 반사되고 광 검출기(424A) 상에 입사되는 반면, 광 검출기(424B)는 곡면 반사기(412)에서 반사된 광에 의해 지속적으로 완전히 조명된다. 따라서, 광 검출기(424A)에서의 측정된 조도는 0(또는 거의 0)까지 감소할 수 있는 반면, 광 검출기(424B)에서의 조도는 동일하게 유지될 수 있다(또는, 곡면 반사기가 광의 더 많은 부분을 광 검출기(424B) 상에 집중하는지에 따라, 아마도 증가할 수 있다). 곡면 반사기(412)에서 반사된 광의 나머지 부분은, 베이스 구조물(420) 및/또는 가동형 구조물(610) 상에 입사될 수 있다(그리고, 부분적으로 또는 완전히 흡수된다). 도 6a에 도시되지는 않았지만, 광 검출기(424C 및 424D)에서의 조도도 역시 영향을 받을 수 있다는 점에 유의한다.
광 검출기(424A 내지 424D)에 의해 측정된 조도 값에 기초하여, 곡면 반사기(412)의 위치 - 또는, 더 구체적으로는, 음의 x-방향으로의 거리(642)를 나타내는 변위 벡터 -, 기준 위치(예를 들어, 곡면 반사기(412)의 정지 위치)에 관해 곡면 반사기(412)(또는 가동형 구조물(410), 왜냐하면 이들이 견고하게 결합되므로)의 위치가 결정될 수 있다. 추가로, 결정된 변위 벡터(이 예에서는, 음의 z-방향의 벡터)에 기초하여, 컴퓨팅 디바이스 또는 기타의 처리 디바이스는 가동형 구조물에 가해지는 음의 x-방향 힘의 벡터(602)를 결정할 수 있다.
전술된 예들에서, 순 힘은 가동형 구조물을 회전시키지 않는 방향으로 가해졌다는 점에 유의한다. 달리 말하면, 힘은, 가동형 구조물을 소정량의 각도 변위만큼 회전시킬 수 있는 순 토크를 생성하지 않는 각도와 방향으로 가해졌다. 아래의 예는 힘과 토크 양쪽 모두를 측정(예를 들어, 6 자유도에서의 힘 측정)할 수 있는 힘 및 토크 센서 구성을 설명한다.
IV.
예시적인 힘 및 토크 센서들
A. 정지 상태의 센서
도 7a, 도 7b, 및 도 7c는, 각각, 정지 상태의 힘 및 토크 센서의 측면도(700), 평면도(750), 및 사시도(760)를 나타낸다. 힘 및 토크 센서는, 베이스 구조물(720)에 고정된 3개의 광학 센서 어셈블리(722, 724 및 726)와 함께, 가동형 구조물(710)에 고정된 3개의 곡면 반사기(712, 714 및 716)를 포함한다. 각각의 광학 센서 어셈블리는 광 검출기 클러스터 및 광 방출기를 포함한다.
힘 및 토크 센서는 전술된 힘 센서와 유사할 수 있다. 가동형 구조물(710)은 전술된 가동형 구조물(410)과 유사하거나 동일할 수 있다. 각각의 곡면 반사기(712, 714 및 716)는 전술된 곡면 반사기(412)와 유사하거나 동일할 수 있다. 베이스 구조물(720)은 전술된 베이스 구조물(420)과 유사하거나 동일할 수 있다. 각각의 광 방출기는 전술된 광 방출기(422)와 유사하거나 동일할 수 있다. 광 검출기 클러스터들 내의 각각의 광 검출기는 전술된 광 검출기(424A 내지 424D)와 유사하거나 동일할 수 있다. 다음 도면들에 도시되지는 않았지만, 힘 및 토크 센서는 또한, 전술된 스프링 요소(430)와 유사한 스프링 요소를 포함할 수 있다.
정지 상태에서, 각각의 곡면 반사기는 전술된 곡면 반사기(412)와 광 방출기(422)의 정지 상태 정렬과 유사하게, 각각의 광학 센서 어셈블리와 대략 정렬될 수 있다.
비록 아래에 도시되지는 않았지만, 가동형 구조물(710)에 인가된 일부 힘들은 가동형 구조물(710)로 하여금 병진하게 할 수 있다. 어떠한 회전도 없는 이러한 병진 운동은, 곡면 반사기들(712, 714 및 716) 각각이 동일한 방향으로 동일한 양만큼 변위되게 한다. 결과적으로, 변위 및 힘은 힘 센서에 관해 전술된 바와 유사한 방식으로 결정될 수 있다. 일부 구현에서, 가동형 구조물(710)에 토크를 생성하지 않는 힘이 가동형 구조물(710)에 가해진다고 결정하는 것은, 곡면 반사기들 각각에 대한 변위를 결정하고 이들 변위 벡터들을 비교하는 것을 포함할 수 있다. 곡면 반사기들 각각에 대한 변위 벡터들이 동일하다면(또는, 거의 동일하다면), 센서는 0의 토크 값을 출력할 수 있다.
토크는 회전축에 접선인 성분을 갖는 하나 이상의 힘의 결과로서 가동형 구조물(710)에서 경험될 수 있거나, 힘의 모멘트(예를 들어, 어떠한 순 힘 성분도 없는 "순수" 모멘트)로서 경험될 수 있다는 점에 유의한다. 토크 값들은, 다양한 방식으로 정의될 수 있는 특정한 좌표계에 대해 상대적일 수 있다. 예를 들어, 좌표계는, z-축이 가동형 구조물(710)의 표면에 수직이고, x-축 및 y-축이 가동형 구조물(710)의 표면과 동일 평면 상에 있는, 3개의 곡면 반사기의 중심에 위치하는 원점을 갖도록 정의될 수 있다. 이 예에서, x-축 및 y-축은 다수의 방식으로 배향될 수 있다(즉, z-축을 중심으로 회전됨); 예를 들어, x-축 및 y-축이 90도만큼 회전되면, x-방향 힘인 것으로 이전에 결정된 힘은 이제 y-방향 힘으로 간주될 수 있다. 따라서, 힘 벡터의 방향은 특정한 좌표계에 대해 상대적일 수 있다.
토크는 가동형 구조물(710)로 하여금 어떤 축을 중심으로 회전하게 할 수 있다. 좌표계는 다양한 방식으로 정의될 수 있으므로, 토크 값들은 특정한 좌표계에 관해 상대적으로 정의될 수 있다. 예를 들어, 토크는, 특정한 좌표계의 배향에 따라, 가동형 구조물(710)이 피칭하거나, 롤링하거나, 이들의 조합을 야기할 수 있다. 하나의 좌표계에서, 힘은 원점을 통해 인가되고 그 좌표계의 한 축과 정렬될 수 있다; 그러나, 상이한 좌표계에서의 동일한 힘은 원점으로부터 소정의 거리에서 및/또는 그 상이한 좌표계의 한 축에 관해 소정의 각도에서 인가될 수 있다. 따라서, 한 좌표계에서 어떠한 토크도 생성하지 않는 "순수한 힘"은 또 다른 좌표계에서 토크를 생성할 수 있다. 따라서, 힘 또는 토크 값의 임의의 결정은 특정한 좌표계에 대해 상대적일 수 있다.
힘 및 토크 센서에 대한 변위와 힘 결정은 힘 센서에 대한 변위 및 힘 결정과 유사하기 때문에, 그 설명은 아래에서 생략된다. 그러나, 힘 및 토크 센서는 가동형 구조물(710) 상에 토크를 유도하지 않는 힘 벡터를 결정하는데 이용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
B.
하방력에 노출
도 8a, 8b, 및 8c는, 각각, 하방력(802)이 가해지는 힘 및 토크 센서의 측면도(800), 평면도(850), 및 사시도(860)를 나타낸다. 이 예에서, 하방력(802)은 가동형 구조물(810)의 음의 x-방향 엣지에 가해지는 음의 z-방향 힘이다. 가동형 구조물(810)에 대한 힘(802)의 인가는 가동형 구조물로 하여금 y-축을 중심으로 회전하게 한다(여기서는 "롤"). 따라서, 가동형 구조물(810)은 정지 위치(710)에 관해 경사진다.
회전의 결과로서, 곡면 반사기(812)는 (z-방향으로) 광학 센서 어셈블리(722)에 더 가깝게 이동되고, 곡면 반사기(814)는 더 적은 양만큼 (z-방향으로) 광학 센서 어셈블리(724)에 더 가깝게 이동되며, 곡면 반사기(816)는 훨씬 더 적은 양만큼 광학 센서 어셈블리(726)에 더 가깝게 이동된다. z-방향 변위에서의 이러한 차이가 도 8b에 도시되어 있고, 도 8b에서, 곡면 반사기(812)에 대한 풋프린트가 가장 큰 반경을 가지며, 곡면 반사기(816)에 대한 풋프린트는 (곡면 반사기들(812, 814, 및 816)에 대한 풋프린트와 비교하여) 가장 작은 반경을 갖는다.
곡면 반사기들(812, 814, 및 816) 각각에 대한 z-방향 변위가 상이하기 때문에, 회전된 가동형 구조물(810)은 각각의 광학 센서 어셈블리에서 측정된 조도 분포에 상이하게 영향을 미친다. 일부 실시예에서, 곡면 반사기들(812, 814 및 816) 각각에 대한 변위 벡터들(또는 각각의 기준 위치에 관한 공간 위치들)은 각각의 조도 분포에 기초하여 결정된다. 이들 변위 벡터에 기초하여, 가동형 구조물(810)의 회전 범위(예를 들어, 각도 변위)가 결정될 수 있다.
여기서 설명된 바와 같이, 가동형 구조물의 각도 변위는 기준 배향에 관한 가동형 구조물의 회전 배향을 나타낼 수 있다. 기준 배향은 가동형 구조물이 정지하고 있는 동안 가동형 구조물의 각도 위치일 수 있다. 가동형 구조물의 회전 배향은 힘을 받을 때 가동형 구조물의 각도 위치일 수 있다. 각도 변위는 크기 및 방향을 갖는 것으로 표현될 수 있다. 방향은 가동형 구조물이 회전되는 축을 명시할 수 있는 반면, 크기는 그 축을 중심으로 한 가동형 구조물의 회전(예를 들어, 라디안 또는 각도)을 명시할 수 있다.
곡면 반사기(812, 814 및 816)의 변위 벡터(또는 추정된 각도 변위)에 기초하여, 가동형 구조물에 가해지는 힘으로 인한 토크가 결정될 수 있다. 일부 구현에서, 토크 벡터는 명시적으로 결정될 수 없고, 대신에 힘 벡터 및 힘 벡터가 가동형 구조물(810)에 가해지는 위치가 결정될 수 있다. 힘 및 토크 센서는 힘 벡터 및 그 인가된 위치를 출력할 수 있고, 이로부터 별개의 처리 디바이스가 토크 벡터를 결정할 수 있다.
다른 구현에서, 토크 벡터는, 곡면 반사기들의 변위 벡터 세트들과 토크 벡터들 사이의 관계에 기초하여 결정될 수 있다. 대안으로서, 토크 벡터는 각도 변위 값과 토크 벡터 사이의 관계에 기초하여 결정될 수 있다. 구현에 관계없이, 모델 또는 캘리브레이션 데이터는, 측정된 조도 분포 세트, 변위 벡터 세트, 및/또는 각도 변위 값에 기초하여, 힘 벡터 및/또는 토크 벡터를 추정하거나 결정하는데 이용될 수 있다.
도 9a, 도 9b, 및 도 9c는, 각각, 하방력(902)을 받는 힘 및 토크 센서의 측면도(900), 평면도(950), 및 사시도(960)를 나타낸다. 이 예에서, 하방력(902)은 가동형 구조물(910)의 음의 y-방향 엣지에 가해지는 음의 z-방향 힘이다. 가동형 구조물(910)에 대한 힘(902)의 인가는 가동형 구조물로 하여금 x-축을 중심으로 회전하게 한다(여기서는 "피치").
전술된 예와 유사하게, 피칭된 가동형 구조물(910)은, 반사기들(912, 914 및 916)의 불균일한 변위로 인해 광학 센서 어셈블리들(722, 724 및 726)에 대한 조도 분포를 불균일하게 변화시킬 수 있다. 변위 벡터 세트, 각도 변위 값들, 힘 벡터들, 및/또는 토크 벡터들은 전술된 바와 유사한 방식으로 결정될 수 있다.
하방력(902)은 도 9b에서 그 중심을 통해 "X"를 갖는 원으로서 도시되어 있다. 도면에 도시된 바와 같이, "X"를 갖는 원은 "페이지 속으로"의 방향을 나타낸다; 도 9b에서, 이것은 음의 z-방향이다. 또한, 도면에 도시된 바와 같이, 그 중심에 점을 갖는 원은 "페이지 바깥으로" 방향을 나타낸다; 비록 도 9b에 도시되지는 않았지만, 이것은 양의 z-방향일 것이다.
C.
측방향 힘에 노출
도 10a, 도 10b, 및 도 10c는, 각각, 측방향 힘(1002)이 가해지는 힘 및 토크 센서의 측면도(1000), 평면도(1050), 및 사시도(1060)를 나타낸다. 이 예에서, 측방향 힘(1002)은, 가동형 구조물(1010)의 엣지에 적용되어, 가동형 구조물(1010)로 하여금 z-축을 중심으로 회전하게 한다(여기서는 "요"). 따라서, 가동형 구조물(1010)은 정지 위치(710)에 관해 회전된다.
회전의 결과로서, 곡면 반사기(1012)는 음의 x-방향 및 양의 y-방향으로 이동되고, 곡면 반사기(1014)는 양의 x-방향 및 음의 y-방향으로 이동되며, 곡면 반사기(1016)는 음의 x-방향 및 음의 y-방향으로 이동된다. 집합적으로, 곡면 반사기(1012, 1014, 1016)는, (도 10b에 도시된 바와 같이) 평면도로 보았을 때 시계방향으로 그들의 중심 주위로 회전한다.
곡면 반사기들(1012, 1014 및 1016) 각각은 상이한 방향들로 상이한 양들만큼 병진하기 때문에, 광학 센서 어셈블리들(722, 724 및 726)에 의해 측정된 조도 분포들은 각각 서로 상이할 것이다. 이들 조도 분포로부터, 곡면 반사기들(1012, 1014 및 1016) 각각에 대한 변위, 각도 변위(예를 들어, 요 각도), 및 가동형 구조물(1010)이 겪는 토크의 벡터가 결정될 수 있다.
제조 편차 및 다른 불완전 소스로 인해, 반사기들이 그들의 대응하는 방출기 및 수신기 클러스터에 관해 동일한 위치에 있더라도, 각각의 광학 센서 어셈블리에 의해 측정된 조도는 서로 상이할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 이러한 제조상의 불완전성은 캘리브레이션 동안에 고려될 수 있다.
V.
위치 감지
본 명세서에서 개시된 센서 구성, 컴포넌트 배열, 및 감지 기술은, 변위 센서를 구현하는데 이용될 수 있다. 일부 응용에서, 곡면 반사기의 변위 벡터를 결정하는 것은 민감한 변위 측정을 제공하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 제어기(예를 들어, 조이스틱)는, 컴퓨터 프로그램 또는 게임으로의 입력으로서 역할할 수 있는, 변위에서의 작은 변화를 측정할 수 있다. 본 명세서에서 개시된 기술 및 구성은, 힘 및 토크를 측정할 수도 있고 측정하지 않을 수도 있는 위치 센서를 구현하는데 이용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
여기서 설명된 일부 센서는 하나 이상의 자유도(DOFs)에서 변위를 측정하고 출력하도록 구성될 수 있다. 일부 변위 DOF는 병진 변위(즉, 병진 위치에서의 변화)일 수 있는 반면, 다른 변위 DOF는 각도 변위(즉, 배향 또는 각도 위치에서의 변화)일 수 있다. 일부 구현에서, 센서는, 하나 이상의 병진 변위 DOF, 및 하나 이상의 각도 변위 DOF(한 예로서, 예를 들어, x-방향 변위, z-방향 변위, 및 롤)를 측정하도록 구성될 수 있다. 특정한 힘 및 토크 센서 내에서 광 검출기, 광 방출기, 및 곡면 반사기의 수와 배열에 따라, 병진 DOF 및 각도 DOF의 임의의 조합이 측정될 수 있다.
마찬가지로, 여기서 설명된 일부 센서는 하나 이상의 자유도(DOF)에서 힘을 측정하고 출력하도록 구성될 수 있다. 일부 힘 DOF는, 병진 힘(예를 들어, x-방향, y-방향, z-방향)일 수 있는 반면, 다른 힘 DOF는 회전-유도 토크(예를 들어, 요, 피치, 롤)일 수 있다. 여기서 설명된 바와 같이, 힘 DOF는 힘이거나 토크일 수 있다. 따라서, 하나 이상의 DOF에서 힘을 측정하도록 구성된 센서는, 힘, 토크 또는 이들의 일부 조합을 측정할 수 있다.
단일 곡면 반사기를 갖는 센서는, 3개의 DOF, 즉, x-방향, y-방향, z-방향, 롤, 피치, 및 요의 임의의 조합에서 변위 및/또는 힘을 측정하도록 동작할 수 있다. 일부 센서 응용은, 6-DOF 센서가 요구되지 않도록 특정한 세트의 DOF들에서 변위 및/또는 힘을 측정하는 것을 포함할 수 있다. 특정한 DOF가 알려지면, 특정한 센서의 컴포넌트들은 이들 특정한 DOF들에서 변위 및/또는 힘을 측정하도록 배열될 수 있다. 이러한 방식으로, 특정한-애플리케이션 센서를 구현하는데 이용되는 컴포넌트들의 수가 감소될 수 있다. 일부 경우에는, 하나 이상의 DOF를 무시하는 것은, 측정된 DOF의 정확도를 향상시키는 역할을 할 수도 있다.
VI.
힘 및 토크 센서들의 캘리브레이션
특정한 힘 및 토크 센서는 다양한 방식으로 모델링될 수 있다. 한 예로서, 힘 및 토크 센서의 컴포넌트들의 치수, 컴포넌트들의 레이아웃, 컴포넌트들의 배향, 및 컴포넌트들의 속성은, 처리 디바이스가 다른 측정치들(예를 들어, 광 검출기에 의해 측정된 조도)에 기초하여 어떤 속성(예를 들어, 힘 벡터)을 추론할 수 있게 하는 기하학적 및 수학적 관계를 제공할 수 있다. 예를 들어, 컴포넌트들의 레이아웃이 알려져 있고, 곡면 반사기의 반사 속성 및 기하학적 형상이 알려져 있고, 광 방출기의 조도 발산도가 알려진 경우, 측정된 조도가 모델에 적용되어 기준 위치에 관한 곡면 반사기의 위치를 추론할 수 있다. 또한, 스프링 요소(예를 들어, 플렉셔)의 치수 및 속성이 알려져 있다면, 변위 벡터는 힘 벡터와 상관될 수 있다.
그러나, 제조시의 불완전성 및 모델링에서의 잠재적 오류로 인해, 이러한 모델은 특정한 힘 및 토크 센서의 주어진 조도 분포에 대해 변위 및/또는 힘 벡터를 정확하게 반영하지 않을 수 있다. 예를 들어, 광 방출기 및 광 검출기는 땜납 접속에서의 편차로 인해 완벽하게 배향되지 않을 수 있다. 또 다른 예로서, 곡면 반사기는 완전하게 장착되지 않을 수 있거나, 곡면 반사기의 반사율에 영향을 미치는 불완전성을 포함할 수 있다. 역시 또 다른 예로서, 스프링 요소의 불완전성은 곡면 반사기의 평형 위치가 광 방출기와 완벽하게 정렬되지 않게 할 수 있다.
따라서, 일부 구현에서, 구성된 힘 및 토크 센서는 테스트 장치에서 일련의 힘 및/또는 토크를 받게되거나 및/또는 광 검출기에서의 측정된 조도와 상관될 수 있다. 테스트 장치는 알려진 방향에서 알려진 힘을 가할 수 있고, 이들 값들을 테이블 또는 다른 데이터 저장 요소 내의 측정된 조도들과 상관시킬 수 있다. 일단 테스트가 완료되고 캘리브레이션 데이터가 수집되고 나면, 수학적 분석이 채택되어, 측정된 조도, 변위 벡터, 힘 벡터, 및/또는 토크 벡터 세트들 사이의 기능들 또는 관계들을 유도할 수 있다.
일부 구현에서, 측정된 조도들과 힘 벡터들 사이의 관계는 캘리브레이션 데이터에 관해 선형 회귀(또는 다른 회귀)를 수행함으로써 결정될 수 있다. 이러한 방식으로, 측정된 조도 및 힘 벡터 세트들 사이의 연속(또는 준연속) 함수 또는 맵핑이 유도될 수 있다. 임의의 2개의 파라미터 또는 파라미터 세트들 사이의 관계를 생성하기 위하여 회귀 분석은 이들 2개 파라미터 또는 파라미터 세트들 사이에 회귀 분석이 적용될 수 있다.
일부 구현에서, 캘리브레이션 데이터는, 변위 벡터로부터 힘 벡터를 결정하기 위한 및/또는 회전 벡터로부터 토크 벡터를 결정하기 위한 변환 행렬을 계산하기 위한 기초로서 역할할 수 있다.
일부 구현에서, 광 방출기의 휘도(즉, 휘도 발산도)를 측정하는 힘 및 토크 센서 내에 추가적인 광 검출기가 포함될 수 있다. 광 방출기의 노화에 따라, 광 방출기의 밝기가 감소될 수 있다. 그 결과, 힘 및 토크 센서의 정확도가 시간이 지남에 따라 악화될 수 있다. (여기서는 "캘리브레이션" 또는 "기준" 광 검출기라고도 하는) 추가적인 광 검출기가, 곡면 반사기 및 가동형 구조물의 위치에 관계없이 동일한 조도를 측정하는 힘 및 토크 센서 내의 위치에 배치될 수 있다. 따라서, 캘리브레이션 광 검출기는 광 검출기의 밝기를 나타내는 조도를 측정할 수 있다.
일부 구현에서, 캘리브레이션 광 검출기는 광 방출기의 밝기(여기서는 "캘리브레이션 조도")를 나타내는 조도를 동작 동안에 측정할 수 있다. 광 방출기가 시간 경과에 따라 밝기가 감소한 정도를 결정하기 위해, 캘리브레이션 조도가 기준 조도와 비교될 수 있다. 이러한 비교에 기초하여, 광 방출기 밝기의 저하를 감안하기 위해, 변위, 힘, 및/또는 토크 벡터의 크기를 조정하는 양을 나타내는 스케일링 계수가 결정될 수 있다. 일부 구현에서, 스케일링은 광 검출기에서 측정된 전압에 적용될 수 있는 반면, 후속 변환은 조정된 광 검출기 전압에 기초하여 실행된다.
VII.
예시적인 힘 결정 방법들
도 11a는, 예시적인 구현에 따른, 힘 센서의 가동형 구조물에 가해지는 힘의 벡터를 결정하기 위한 동작들(1100)의 플로차트이다. 도 11a에 도시된 동작들(1100)은 컴퓨팅 디바이스 또는 제어 시스템에 의해 이용될 수 있는 구현을 나타낸다. 동작들(1100)은 블록들(1102 내지 1100)에 의해 예시된 하나 이상의 동작을 포함할 수 있다. 블록들이 순차적 순서로 나타나 있지만, 이들 블록들은 병렬로 수행될 수도 있고, 및/또는 여기서 설명된 것들과는 상이한 순서로 수행될 수도 있다. 또한, 다양한 블록들은, 지정된 구현에 기초하여, 더 적은 수의 블록들로 결합되거나, 추가의 블록들로 분할되거나, 및/또는 제거될 수도 있다.
또한, 동작들(1100) 및 여기서 논의되는 기타의 동작들은 하나의 가능한 구현의 기능을 나타낸다. 이와 관련하여, 각각의 블록은, 특정한 논리적 동작 또는 단계를 구현하기 위해 프로세서 또는 컴퓨팅 디바이스에 의해 실행가능한 하나 이상의 명령어를 포함하는, 모듈, 세그먼트 또는 프로그램 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 프로그램 코드는, 예를 들어, 디스크 또는 하드 드라이브에 포함된 저장 디바이스 등의, 임의의 유형의 컴퓨터-판독가능한 매체 상에 저장될 수 있다. 컴퓨터-판독가능한 매체로서는, 예를 들어, 레지스터 메모리, 프로세서 캐쉬 및 랜덤 액세스 메모리(RAM)와 같이 단기간 동안 데이터를 저장하는 컴퓨터-판독가능한 매체 등의, 비일시적인 컴퓨터-판독가능한 매체가 포함될 수 있다. 컴퓨터-판독가능한 매체로서는 또한, 예를 들어, 판독 전용 메모리(ROM), 광학 또는 자기 디스크, 및 CD-ROM(compact-disc read-only memory)과 같은 2차 또는 영구적 장기 스토리지 등의, 비일시적인 매체가 포함될 수 있다. 컴퓨터-판독가능한 매체는, 컴퓨터-판독가능한 저장 매체, 예를 들어, 또는 유형의 저장 디바이스로서 간주될 수 있다.
또한, 도 11a의 하나 이상의 블록은 특정한 논리적 동작을 수행하도록 배선된 회로를 나타낼 수 있다.
이하의 설명에서, 블록(1102 내지 1110)은 제어 디바이스에 의해 수행된다. 제어 디바이스는 힘 및 토크 센서의 컴포넌트들을 동작시키고, 광 검출기 등의 감지 디바이스로부터 측정치를 판독하고, 측정치를 처리하고, 및/또는 메모리 또는 저장 디바이스에 저장된 데이터에 관해 수학적, 계산적, 또는 프로그램 방식의 연산을 실행할 수 있는 임의의 디바이스 또는 디바이스들의 조합일 수 있다. 추가로, 제어 디바이스는, 프로그램 명령어, 메모리 또는 저장 디바이스에 저장된 모델 또는 캘리브레이션 데이터 등의 정보를 회수할 수 있고, 측정치에 관한 연산을 수행하기 위한 기초로서 그 정보를 이용할 수 있다. 제어 디바이스는 많은 형태를 취할 수 있고, 임의의 수의 프로세서, 캐쉬, 메모리 디바이스, 저장 디바이스, 집적 회로, 및/또는 기타의 회로 컴포넌트(예를 들어, 주문형 집적 회로, 증폭기 등)를 포함할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
A. 광 방출기로 하여금 곡면 반사기를 향해 광을 투사하게 하기
블록 1102에서, 제어 디바이스는, 강성 구조물에 힘이 가해질 때 광 방출기로 하여금 강성 구조물의 표면에 고정된 곡면 반사기를 향하여 광을 투사하게 한다. 광 방출기로 하여금 광을 투사하게 하는 것은, 광 방출기를 전원에 결합함으로써 광 방출기를 통전(energizing)시키는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광 방출기가 LED라면, 광 방출기로 하여금 광을 투사하게 하는 것은, 스위치(예를 들어, 트랜지스터)를 동작시켜 전원으로부터 LED의 단자로 전류를 전도하기 시작하는 것을 포함할 수 있다.
일부 구현에서, 힘이 강성 구조물에 가해지든 아니든, 광 방출기는 동작 동안에 지속적으로 투사할 수 있다. 다른 구현에서, 강성 구조물에 힘이 작용하기 시작하면 광 방출기가 방출을 시작할 수 있다. 예를 들어, 힘 및 토크 센서는 강성 구조물의 위치 변화를 검출하는 가속도계를 포함할 수 있다. 이 변화를 감지하면, 제어 디바이스는 광 방출기에 전류를 전도하기 시작하여, 광 방출기를 온시킬 수 있다.
B. 광 검출기에 입사하는 광의 조도 측정
블록 1104에서, 제어 디바이스는 3개 이상의 광 검출기 각각에 입사하는 광의 3개 이상의 조도를 측정한다. 광 검출기는, 입사광을, 그 입사광의 강도(즉, 조도)에 비례하는 전압, 전류 또는 전하로 변환할 수 있다. 제어 디바이스는, 전압, 전류 또는 전하 레벨을 로컬 메모리 또는 캐쉬에 저장할 디지털 값으로 변환하기 위한 회로 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어 디바이스는, 광 검출기로부터 아날로그 출력을 수신하고 광 검출기 출력 신호의 값을 나타내는 디지털 값을 제어 디바이스의 프로세서에 제공하는 아날로그 대 디지털 변환기(ADC)를 포함할 수 있다. 제어 디바이스는 측정치를 메모리(예를 들어, 휘발성 메모리 또는 비휘발성 저장 매체)에 저장할 수 있다.
C. 조도에 기초한 변위 벡터 결정
블록 1106에서, 제어 디바이스는, 3개 이상의 조도에 기초하여, 기준 위치로부터의 곡면 반사기의 위치 변화를 나타내는 변위 벡터를 결정한다. 일부 구현에서, 기준 위치는 미리결정되어 제어 디바이스의 메모리 또는 프로그램 명령어 내에 저장될 수 있다. 제어 디바이스는 기준 위치에 관한 곡면 반사기의 위치를 결정할 수 있다. 블록 1106은, 전술된 바와 같이, 측정된 조도를 캘리브레이션 데이터로부터 유도된 모델 또는 관계에 제공하는 것을 포함할 수 있다. 변위 벡터는 변위의 방향 및 그 변위의 거리를 포함할 수 있다. 변위 벡터는, 하나 이상의 자유도(예를 들어, x-방향, y-방향, 및/또는 z-방향)에서의 변위 벡터 성분들의 조합일 수 있다.
D. 변위 벡터에 기초한 힘 벡터 결정
블록 1108에서, 제어 디바이스는, 변위 벡터에 기초하여, 힘의 크기 및 힘의 방향을 나타내는 힘 벡터를 결정한다. 전술된 바와 같이, 변위 벡터에 기초하여 힘 벡터를 결정하는 것은, 변위 벡터를, 모델, 관계 또는 변환 행렬에 대한 입력으로서 제공하는 것을 포함할 수 있다.
일부 구현에서, 각도 변위를 결정하는 것은, 강성 구조물에 인가되는 토크 없이 강성 구조물의 배향을 나타내는 기준 좌표계를 획득하는 것을 포함할 수 있다. 그러면, 힘 및 토크 센서는, 강성 구조물이 자신에게 가해지는 힘을 겪고 있을 때 강성 구조물의 배향을 나타내는 하중 좌표계(loaded coordinate system)를 결정할 수 있다. 강성 구조물의 배향은, 강성 구조물에 결합된 3개 이상의 곡면 반사기의 공간 위치에 의해 정의되는 평면의 배향일 수 있다. 그 다음, 제어 디바이스는 기준 좌표계와 하중 좌표계 사이의 비교에 기초하여 각도 변위를 결정할 수 있다.
일부 구현에서, 제어 디바이스는, 변위 벡터를 결정하는 중간 단계를 실행하지 않고, 조도 측정치에 기초하여 힘 벡터를 결정할 수 있다는 점에 유의한다. 예를 들어, 캘리브레이션 데이터는 복수의 조도 측정치를 대응하는 복수의 힘 벡터와 상관시킬 수 있다. 이 캘리브레이션 데이터로부터, 컴퓨팅 디바이스(예를 들어, 제어 디바이스)는, 조도 측정치와 힘 벡터 사이의 관계를 도출하기 위해 회귀 분석(예를 들어, 선형 회귀)을 수행할 수 있다. 그 다음, 제어 디바이스는, 힘 벡터를 출력하는 관계에 대한 입력으로서 조도 측정치를 제공할 수 있다.
E. 힘 벡터를 나타내는 출력 신호 제공
블록 1110에서, 제어 디바이스는 결정된 힘 벡터를 나타내는 출력 신호를 제공한다. 힘 및 토크 센서는, 로봇 팔 또는 부속물 등의, 로봇 시스템 내에 통합될 수 있다. 힘 및 토크 센서는, 힘 벡터 및/또는 토크 벡터를 측정할 수 있고, 그 다음, 힘 벡터 및/또는 토크 벡터는 출력 신호(예를 들어, 디지털 데이터를 운반하는 전기 신호)로서 시스템의 다른 디바이스들에 제공될 수 있다. 예를 들어, 힘 및 토크 벡터 측정치는, 로봇의 거동의 양태들을 수정하거나(예를 들어, 로봇 팔 또는 로봇 손가락의 그립 강도를 조정), 기타의 방식으로 로봇의 액츄에이터를 동작시킬 수 있는, 로봇의 제어 시스템에 제공될 수 있다.
다른 예들에서, 출력 신호는, 힘 벡터 및/또는 토크 벡터를 기록할 수 있고 이들을 소정 기간에 걸쳐 메모리 디바이스에 저장할 수 있는, 데이터 취득 시스템 또는 기타의 디바이스에 제공될 수 있다. 기록된 측정치는 디스플레이 디바이스 상에서 시청되거나 컴퓨팅 디바이스에 의해 처리될 수 있다.
VIII.
예시적인 토크 결정 방법들
도 11b는, 예시적인 구현에 따른, 힘 센서의 가동형 구조물에 가해지는 힘의 벡터를 결정하기 위한 동작들(1150)의 플로차트이다. 도 11에 도시된 동작들(1150)은 컴퓨팅 디바이스 또는 제어 시스템에 의해 이용될 수 있는 구현을 나타낸다. 동작들(1100)은 블록들(1152 내지 1158)에 의해 나타낸 하나 이상의 동작을 포함할 수 있다. 블록들이 순차적 순서로 도시되어 있지만, 이들 블록들은 병렬로 수행될 수도 있고, 및/또는 여기서 설명된 것들과는 상이한 순서로 수행될 수도 있다. 또한, 다양한 블록들은, 지정된 구현에 기초하여, 더 적은 수의 블록들로 결합되거나, 추가의 블록들로 분할되거나, 및/또는 제거될 수도 있다.
또한, 동작들(1150) 및 여기서 논의되는 기타의 동작들은 하나의 가능한 구현의 기능을 나타낸다. 이와 관련하여, 각각의 블록은, 특정한 논리적 동작 또는 단계를 구현하기 위해 프로세서 또는 컴퓨팅 디바이스에 의해 실행가능한 하나 이상의 명령어를 포함하는, 모듈, 세그먼트 또는 프로그램 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 프로그램 코드는, 예를 들어, 디스크 또는 하드 드라이브에 포함된 저장 디바이스 등의, 임의의 유형의 컴퓨터-판독가능한 매체 상에 저장될 수 있다. 컴퓨터-판독가능한 매체로서는, 예를 들어, 레지스터 메모리, 프로세서 캐쉬 및 랜덤 액세스 메모리(RAM)와 같이 단기간 동안 데이터를 저장하는 컴퓨터-판독가능한 매체 등의, 비일시적인 컴퓨터-판독가능한 매체가 포함될 수 있다. 컴퓨터-판독가능한 매체로서는 또한, 예를 들어, 판독 전용 메모리(ROM), 광학 또는 자기 디스크, 및 CD-ROM(compact-disc read-only memory)과 같은 2차 또는 영구적 장기 스토리지 등의, 비일시적인 매체가 포함될 수 있다. 컴퓨터-판독가능한 매체는, 컴퓨터-판독가능한 저장 매체, 예를 들어, 또는 유형의 저장 디바이스로서 간주될 수 있다.
또한, 도 11b의 하나 이상의 블록은 특정한 논리적 동작을 수행하도록 배선된 회로를 나타낼 수 있다.
이하의 설명에서, 블록들(1152 내지 1158)은 제어 디바이스에 의해 수행된다. 제어 디바이스는 힘 및 토크 센서의 컴포넌트들을 동작시키고, 광 검출기 등의 감지 디바이스로부터 측정치를 판독하고, 측정치를 처리하고, 및/또는 메모리 또는 저장 디바이스에 저장된 데이터에 관해 수학적, 계산적, 또는 프로그램 방식의 연산을 실행할 수 있는 임의의 디바이스 또는 디바이스들의 조합일 수 있다. 추가로, 제어 디바이스는, 프로그램 명령어, 메모리 또는 저장 디바이스에 저장된 모델 또는 캘리브레이션 데이터 등의 정보를 회수할 수 있고, 측정치에 관한 연산을 수행하기 위한 기초로서 그 정보를 이용할 수 있다. 제어 디바이스는 많은 형태를 취할 수 있고, 임의의 수의 프로세서, 캐쉬, 메모리 디바이스, 저장 디바이스, 집적 회로, 및/또는 기타의 회로 컴포넌트(예를 들어, 주문형 집적 회로, 증폭기 등)를 포함할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
제어 디바이스는, 강성 구조물, 강성 구조물의 표면에 고정된 복수의 곡면 반사기, 복수의 광 검출기 클러스터, 및 복수의 광 방출기를 포함하는 힘 및 토크 센서 내에 통합될 수 있다. 각각의 광 검출기 클러스터는, 집합적으로 "조도 분포"라고 지칭되는, 한 세트의 조도 측정치를 포착할 수 있다. 힘 및 토크 센서는, 도 7a 내지 도 7c에 나타낸 힘 및 토크 센서와 유사하게 구성될 수 있다.
A. 복수의 조도 분포의 측정
블록 1152에서, 제어 디바이스는, 복수의 광 검출기 클러스터 중의 각각의 광 검출기 클러스터에 대해, 광 검출기 클러스터 내의 광 검출기들에 걸친 조도 분포를 측정한다. 각각의 광 검출기 클러스터는, 3개 이상의 광 검출기를 포함할 수 있고, 그 각각은 그 광 검출기의 감광 영역에 의해 정의된 영역에서 조도를 측정할 수 있다. 집합적으로, 광 검출기 클러스터에 의해 포착된 조도 측정치 세트는 조도 분포라고 할 수 있다.
B. 측정된 조도 분포들에 기초한 각도 변위 결정
블록 1154에서, 제어 디바이스는, 측정된 조도 분포에 기초하여, 기준 배향에 관한 강성 구조물의 회전 배향을 나타내는 각도 변위를 결정한다. 강성 구조물은, 외력을 받지 않을 때(또는 강성 구조물에 가해지는 힘이 강성 구조물을 회전시키지 않을 때) 기준 배향에 있을 수 있다. 강성 구조물에 토크가 가해지면, 강성 구조물은 회전할 수 있어서, 강성 구조물로 하여금 회전 배향으로(예를 들어, 기준 배향에 비해 상이한 각도 위치) 움직이게 할 수 있다. 강성 구조물이 회전하는 축 및 회전 범위(예를 들어, 라디안 또는 각도)를 포함한 각도 변위는, 기준 배향 및 회전 배향에 기초하여 결정될 수 있다.
3개 이상의 곡면 반사기의 공간 위치는, 각도 변위가 결정되는 기준으로서 역할할 수 있는 평면 또는 좌표계를 정의할 수 있다. 기준 평면 또는 기준 좌표계는 미리 결정되거나 제어 디바이스의 메모리 상에 저장될 수 있고, 정지 상태에 있는 강성 구조물의 배향을 나타낸다. 강성 구조물이 강성 구조물을 회전시키는 토크를 받을 때, 곡면 반사기들은 그들의 정지 위치로부터 상이한 공간 위치로 움직일 수 있다. 곡면 반사기가 이들 상이한 공간 위치들에 있을 때, 회전된 평면 또는 회전된 좌표계(여기서는 "하중" 좌표계라고도 함)가 결정될 수 있다. 기준 평면 또는 기준 좌표계를 회전된 평면 또는 회전된 좌표계와 비교함으로써, 제어 시스템은 강성 구조물의 각도 변위를 결정할 수 있다.
C. 각도 변위에 기초한 토크 벡터 결정
블록 1156에서, 제어 디바이스는, 각도 변위에 기초하여, 토크의 크기 및 토크의 방향을 나타내는 토크 벡터를 결정한다. 전술된 바와 같이, 각도 변위에 기초하여 토크 벡터를 결정하는 것은, 변위 벡터를, 모델, 관계 또는 변환 행렬에 대한 입력으로 제공하는 것을 포함할 수 있다.
일부 구현에서, 제어 디바이스는, 강성 구조물의 각도 변위를 결정하는 중간 단계를 실행하지 않고, 측정된 조도 분포에 기초하여 토크 벡터를 결정할 수 있다는 점에 유의한다. 예를 들어, 캘리브레이션 데이터는 복수의 조도 분포 측정치를 대응하는 복수의 토크 벡터와 상관시킬 수 있다. 이 캘리브레이션 데이터로부터, 컴퓨팅 디바이스(예를 들어, 제어 디바이스)는, 조도 측정치와 힘 벡터 사이의 관계를 도출하기 위해 회귀 분석(예를 들어, 선형 회귀)을 수행할 수 있다. 그 다음, 제어 디바이스는, 측정된 조도 분포를, 토크 벡터를 출력하는 관계에 대한 입력으로서 제공할 수 있다.
D. 토크 벡터를 나타내는 출력 신호 제공
블록 1158에서, 제어 디바이스는 결정된 토크 벡터를 나타내는 출력 신호를 제공한다. 힘 및 토크 센서는, 로봇 팔 또는 부속물 등의, 로봇 시스템 내에 통합될 수 있다. 힘 및 토크 센서는, 힘 벡터 및/또는 토크 벡터를 측정할 수 있고, 그 다음, 힘 벡터 및/또는 토크 벡터는 출력 신호(예를 들어, 디지털 데이터를 운반하는 전기 신호)로서 시스템의 다른 디바이스들에 제공될 수 있다. 예를 들어, 힘 및 토크 벡터 측정치는, 로봇의 거동의 양태들을 수정하거나(예를 들어, 로봇 팔 또는 로봇 손가락의 그립 강도를 조정), 기타의 방식으로 로봇의 액츄에이터를 동작시킬 수 있는, 로봇의 제어 시스템에 제공될 수 있다.
다른 예들에서, 출력 신호는, 힘 벡터 및/또는 토크 벡터를 기록할 수 있고 이들을 소정 기간에 걸쳐 메모리 디바이스에 저장할 수 있는, 데이터 취득 시스템 또는 기타의 디바이스에 제공될 수 있다. 기록된 측정치는 디스플레이 디바이스 상에서 시청되거나 컴퓨팅 디바이스에 의해 처리될 수 있다.
IX.
예시적인 컴퓨터-판독가능한 매체
도 12는 본 명세서에 설명된 적어도 일부 구현에 따라 구성된 예시적인 컴퓨터-판독가능한 매체를 나타낸다. 예시적 구현에서, 예시적 시스템은, 하나 이상의 프로세서, 하나 이상의 형태의 메모리, 하나 이상의 입력 디바이스/인터페이스, 하나 이상의 출력 디바이스/인터페이스, 및 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때 로봇 디바이스로 하여금 전술된 다양한 동작, 작업, 능력 등을 실행하게 하는 머신-판독가능한 명령어를 포함할 수 있다.
앞서 언급된 바와 같이, 개시된 절차는, 머신-판독가능한 포멧으로 컴퓨터-판독가능한 저장 매체 상에, 또는 다른 매체 또는 제조품 상에 인코딩된 컴퓨터 프로그램 명령어들에 의해 구현될 수 있다. 도 12는, 본 명세서에 개시된 적어도 일부 구현에 따라 배치된, 컴퓨팅 디바이스 상에서 컴퓨터 프로세스를 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품의 개념적 부분 도면을 나타내는 개략도이다.
일부 구현에서, 예시적인 컴퓨터 프로그램 제품(1200)은, 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 도 1 내지 도 11과 관련하여 전술된 기능 또는 기능의 일부를 제공할 수 있는 하나 이상의 프로그램 명령어(1202)를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 컴퓨터 프로그램 제품(1200)은, 하드 디스크 드라이브, 컴팩트 디스크(CD), 디지털 비디오 디스크(DVD), 디지털 테이프, 메모리 등의 그러한 이것으로 제한되지 않는, 컴퓨터-판독가능한 매체(1204)를 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 컴퓨터 프로그램 제품(1200)은, 메모리, 판독/기입(R/W) CD, R/W DVD 등의 그러나 이것으로 제한되지 않는 컴퓨터 기록가능한 매체(1206)를 포함할 수 있다.
하나 이상의 프로그램 명령어(1202)는, 예를 들어, 컴퓨터 실행가능한 및/또는 로직 구현된 명령어들일 수 있다. 일부 예에서, 컴퓨팅 디바이스는, 컴퓨터 판독가능한 매체(1204) 및/또는 컴퓨터 기록가능한 매체(1206)에 의해 컴퓨팅 디바이스에 전달된 프로그램 명령어(1202)에 응답하여 다양한 동작 또는 행위를 제공하도록 구성된다. 다른 예에서, 컴퓨팅 디바이스는 로봇 디바이스에 결합된 디바이스와 통신하는 외부 디바이스일 수 있다.
컴퓨터 판독가능한 매체(1204)는 또한, 서로로부터 원격 위치할 수 있는 복수의 데이터 저장 요소들 사이에 분산될 수 있다. 저장된 명령어들의 일부 또는 전부를 실행하는 컴퓨팅 디바이스는 외부 컴퓨터이거나, 특히, 스마트 폰, 태블릿 디바이스, 퍼스널 컴퓨터, 로봇 또는 착용형 디바이스 등의 모바일 컴퓨팅 플랫폼일 수 있다. 대안으로서, 저장된 명령어들 중 일부 또는 전부를 실행하는 컴퓨팅 디바이스는, 서버 등의 원격지 컴퓨터 시스템일 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 프로그램 제품(1200)은 도 1 내지 도 11을 참조하여 논의된 동작들을 구현할 수 있다.
X.
결론
여기서 설명된 배치는 단지 예시의 목적을 위한 것임을 이해해야 한다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 기술자라면, 다른 배치 및 다른 요소들(예를 들어, 머신, 인터페이스, 동작, 순서, 및 동작들의 그룹화 등)이 대신 이용될 수 있고, 일부 요소들은 원하는 결과에 따라 완전히 생략될 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 설명된 많은 요소들은, 임의의 적절한 조합 및 위치에서, 개별 또는 분산된 컴포넌트로서 또는 다른 컴포넌트와 연계하여 구현될 수 있는 기능 엔티티들이거나, 독립된 구조물로서 설명된 다른 구조적 요소들은 결합될 수도 있다.
다양한 양태와 구현들이 본 명세서에서 개시되었지만, 다른 양태와 구현들이 본 기술분야의 통상의 기술자에게는 명백할 것이다. 본 명세서에서 개시된 다양한 양태 및 구현들은 예시의 목적을 위한 것이고, 이하의 청구항들에 의해 표시된 진정한 범위, 및 이러한 청구항들에 부여된 균등물들의 전체 범위를 제한하고자 함이 아니다. 여기서 사용되는 용어는 특정한 구현을 설명하기 위한 목적을 위한 것일 뿐이며 제한하고자 함이 아니라는 것도 역시 이해해야 한다.
Claims (20)
- 힘 감지 방법으로서,
제1 강성 구조물 또는 제2 강성 구조물 중 적어도 하나에 사전 결정된 힘을 가하는 단계 - 상기 제1 강성 구조물은 상기 제1 강성 구조물이 상기 제2 강성 구조물에 관해 적어도 3개 자유도에서 움직일 수 있도록 상기 제2 강성 구조물에 탄성적으로 결합됨 -;
상기 사전 결정된 힘이 가해질 때 상기 제1 강성 구조물에 결합된 복수의 광 검출기에 의해 광 분포를 측정하는 단계 - 상기 광은 상기 제1 강성 구조물에 결합된 광 방출기로부터 방출되고, 상기 제2 강성 구조물에 결합된 반사기에 의해 상기 복수의 광 검출기를 향하여 반사됨 -;
(i) 상기 사전 결정된 힘에 기초한 힘 벡터 및 (ii) 상기 사전 결정된 힘에 의해 야기된 상기 측정된 광 분포를 포함하는 캘리브레이션 데이터를 결정하는 단계;
제2 힘이 상기 제1 강성 구조물 또는 상기 제2 강성 구조물 중 적어도 하나에 가해질 때 상기 복수의 광 검출기에 의해 제2 광 분포를 측정하는 단계;
측정된 상기 제2 광 분포 및 상기 캘리브레이션 데이터에 기초하여 상기 제2 힘의 제2 벡터를 결정하는 단계; 및
상기 제2 벡터를 나타내는 출력 신호를 제공하는 단계
를 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 결정된 캘리브레이션 데이터로부터 변환 행렬을 계산하는 단계; 및
상기 계산된 변환 행렬을 이용하여 상기 제2 힘의 상기 제2 벡터를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 캘리브레이션 데이터는 상기 제1 강성 구조물 또는 상기 제2 강성 구조물 중 적어도 하나의 변위 벡터를 더 포함하는, 방법. - 제3항에 있어서,
측정된 상기 제2 광 분포 및 상기 캘리브레이션 데이터에 기초하여, 상기 제1 강성 구조물 또는 상기 제2 강성 구조물 중 적어도 하나의 제2 변위 벡터를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제3항에 있어서,
상기 결정된 캘리브레이션 데이터로부터 변환 행렬을 계산하는 단계; 및
상기 계산된 변환 행렬을 이용하여 상기 제1 강성 구조물 또는 상기 제2 강성 구조물 중 적어도 하나의 제2 변위 벡터를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서, 상기 캘리브레이션 데이터는 상기 사전 결정된 힘에 기초하는 토크 벡터를 더 포함하는, 방법.
- 제6항에 있어서,
측정된 상기 제2 광 분포 및 상기 캘리브레이션 데이터에 기초하여, 상기 제2 힘에 기초하여 제2 토크 벡터를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제6항에 있어서,
상기 결정된 캘리브레이션 데이터로부터 변환 행렬을 계산하는 단계; 및
상기 계산된 변환 행렬을 이용하여 상기 제2 힘에 기초한 제2 토크 벡터를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서, 상기 제1 강성 구조물은 상기 제2 강성 구조물에 관해 적어도 6개 자유도에서 움직일 수 있는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 강성 구조물은 플렉셔(flexure)를 통해 상기 제2 강성 구조물에 탄성적으로 결합되고, 상기 플렉셔는 사전 결정된 스프링 상수를 갖고, 상기 캘리브레이션 데이터는 상기 사전 결정된 스프링 상수를 더 포함하는, 방법.
- 힘 감지 방법으로서,
캘리브레이션 시퀀스를 실행하는 단계 - 상기 캘리브레이션 시퀀스는:
제1 강성 구조물 또는 제2 강성 구조물 중 적어도 하나에 적어도 제1 사전 결정된 힘을 가하는 것 - 상기 제1 강성 구조물은 상기 제1 강성 구조물이 상기 제2 강성 구조물에 관해 적어도 3개 자유도에서 움직일 수 있도록 상기 제2 강성 구조물에 탄성적으로 결합됨 -;
상기 사전 결정된 힘이 가해질 때 상기 제1 강성 구조물에 결합된 복수의 광 검출기에 의해 적어도 제1 광 분포를 측정하는 것 - 상기 광은 상기 제1 강성 구조물에 결합된 광 방출기로부터 방출되고, 상기 제2 강성 구조물에 결합된 반사기에 의해 상기 복수의 광 검출기를 향하여 반사됨 -; 및
(i) 상기 제1 사전 결정된 힘에 기초한 적어도 제1 힘 벡터 및 (ii) 상기 제1 사전 결정된 힘에 의해 야기된 상기 측정된 제1 광 분포를 포함하는 캘리브레이션 데이터를 결정하는 것을 포함함 -;
측정 시퀀스를 실행하는 단계 - 상기 측정 시퀀스는:
미지의 힘이 상기 제1 강성 구조물 또는 상기 제2 강성 구조물 중 적어도 하나에 가해질 때 상기 복수의 광 검출기에 의해 또다른 광 분포를 측정하는 것; 및
상기 실행된 캘리브레이션 시퀀스의 상기 캘리브레이션 데이터 및 상기 측정된 또다른 광 분포에 기초하여, 상기 미지의 힘의 힘 벡터를 결정하는 것을 포함함 -; 및
상기 결정된 힘 벡터를 나타내는 출력 신호를 제공하는 단계
를 포함하는, 방법. - 제11항에 있어서, 상기 캘리브레이션 시퀀스는 상기 측정 시퀀스의 실행에 앞서 반복적으로 실행되는, 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 캘리브레이션 데이터가 적어도 다섯의 힘 벡터와 다섯의 측정된 광 분포를 포함하도록, 상기 캘리브레이션 시퀀스는 적어도 다섯의 사전 결정된 힘들로 적어도 다섯 차례 반복되는, 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 캘리브레이션 시퀀스는 상기 측정 시퀀스의 실행 이후에 반복되는, 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 캘리브레이션 시퀀스를 실행하는 단계는:
상기 결정된 캘리브레이션 데이터로부터 변환 행렬을 계산하는 단계를 더 포함하고;
상기 측정 시퀀스를 실행하는 단계는:
상기 계산된 변환 행렬을 이용하여 상기 미지의 힘의 상기 힘 벡터를 결정하는 단계를 포함하는, 방법. - 제11항에 있어서, 상기 캘리브레이션 데이터는 상기 제1 사전 결정된 힘에 기초하는 상기 제1 강성 구조물 또는 상기 제2 강성 구조물 중 적어도 하나의 적어도 제1 변위 벡터를 더 포함하는, 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 캘리브레이션 데이터는 상기 제1 사전 결정된 힘에 기초하는 적어도 제1 토크 벡터를 더 포함하는, 방법.
- 로봇 시스템으로서:
센서 - 상기 센서는,
광 방출기와 복수의 광 검출기를 포함하는 제1 강성 구조물; 및
상기 제1 강성 구조물이 제2 강성 구조물에 관해 적어도 3개 자유도에서 움직일 수 있도록 상기 제1 강성 구조물에 탄성적으로 결합된 상기 제2 강성 구조물을 포함하고, 상기 제2 강성 구조물은 반사기를 포함함 -; 및
상기 센서로부터의 입력을 수신하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함하고, 상기 적어도 하나의 프로세서는 동작들을 수행하도록 구성되고, 상기 동작들은:
사전 결정된 힘이 상기 제1 강성 구조물 또는 상기 제2 강성 구조물 중 적어도 하나에 가해질 때, 상기 복수의 광 검출기에 의해, 상기 반사기에 의해 상기 광 방출기로부터 상기 복수의 광 검출기를 향하여 반사된 광의 분포를 측정하는 것;
(i) 상기 사전 결정된 힘에 기초한 힘 벡터, 및 (ii) 상기 사전 결정된 힘에 의해 야기된 상기 측정된 광 분포를 포함하는 캘리브레이션 데이터를 결정하는 것;
제2 힘이 상기 제1 강성 구조물 또는 상기 제2 강성 구조물 중 적어도 하나에 가해질 때 상기 복수의 광 검출기에 의해 제2 광 분포를 측정하는 것;
상기 측정된 제2 광 분포 및 상기 캘리브레이션 데이터에 기초하여 상기 제2 힘의 제2 벡터를 결정하는 것; 및
상기 제2 벡터를 나타내는 출력 신호를 제공하는 것
을 포함하는, 로봇 시스템. - 제18항에 있어서, 상기 동작들은 상기 출력 신호에 기초하여 상기 로봇 시스템의 동작을 조정하는 것을 더 포함하는, 로봇 시스템.
- 제18항에 있어서, 로봇 팔을 더 포함하고, 상기 동작들은 상기 출력 신호에 기초하여 상기 로봇 팔의 동작을 조정하는 것을 더 포함하는, 로봇 시스템.
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