KR102337887B1 - 로보틱 시스템을 위한 클러치식 조인트 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 클러치식 조인트 모듈은 회전축을 중심으로 서로에 대해 회전할 수 있는 출력 부재 및 입력 부재; 회전축을 중심으로 출력 부재를 회전시키는 주 토크를 인가하도록 작동 가능한 주 액츄에이터; 및 주 토크의 인가를 촉진하기 위해 결합 상태와 비결합 상태 사이에서 작동 가능한 클러치 기구를 포함한다. 클러치 기구는 복수의 플레이트 및 결합 상태에서 클러치 기구를 기능시키도록 복수의 플레이트를 압축하도록 작동 가능한 액츄에이터를 포함할 수 있다. 액츄에이터는 볼-램프 클러치 장치일 수 있다. 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터가 입력 부재에 커플링될 수 있고, 출력 부재의 회전을 돕기 위해 증강 토크를 인가하도록 저장 에너지를 방출하기 위해 클러치 기구를 통해 작동 가능할 수 있다. 관련 방법 및 시스템이 개시된다.
Description
관련 출원
본원은, 전체가 본원에서 참조로 포함되는, 2016년 11월 11일자로 출원된 미국 가출원 제62/421,175호의 우선권 이익을 주장한다.
매우 다양한 외골격, 휴머노이드, 로보틱 팔 및 기타 로봇 그리고 로보틱 시스템이 존재하며, 이들 중 많은 것들이 가능한 가장 효율적인 동작을 추구한다. 계속적으로 집중되는 하나의 기본적인 기술적 문제는, 예를 들어 에너지 자율체(energetic autonomy)가 관련되는 그러한 시스템이, 여전히 수용 가능한 수준의 힘 출력을 제공하면서도, 어떻게 동력 소비를 최소화할 수 있는 지에 관한 것이다. 사실상, 동력은 로보틱 분야에서 불가피한 해결과제로 남아 있다. 그러한 시스템의 설계자는 전형적으로 의도된 용도 또는 적용예를 기초로 동작을 최적화하고자 한다. 많은 경우에, 적어도 어느 정도, 동력 또는 효율이 희생된다. 예를 들어, 일부 로보틱 시스템은 로보틱 시스템의 힘 출력 수요를 충족시킬 수 있는 고-출력 동력 시스템을 이용하며, 그에 따라 이러한 것을 임의의 효율성 고려사항보다 우선시 한다. 다른 한편으로, 일부 로보틱 시스템은 효율성 개선을 위해서 더 효율적인 동력 시스템을 이용하고, 힘 출력은 이차적인 고려사항이 된다. 큰 출력의 힘 또는 동력 시스템은, 비록 다양한 과제를 수행할 수 있지만, 고비용일 수 있다. 또한, 종종 휴대 가능 동력이 그 능력 이내로 제한됨에 따라, 그러한 시스템이 전원에 구속된다. 많은 로보틱 시스템이 과제(들)를 실시하기 위해서 특정 수준의 힘을 필요로 하는 관련 작업 또는 다른 과제에서 인간을 보조하도록 설계되기 때문에, 효율적이지만 낮은 힘 출력의 시스템은 실용성이 부족할 수 있다. 전반적으로, 동력 문제는 해결하기 어려운 장애물이었고, 동력 소비를 최소화하면서 출력을 최대화하기 위해서 그러한 장애물에 대해서 많은 노력이 실시되었다. 이러한 동력 대 출력 에너지 소비 비율 분야에서의 작은 진보도 매우 유용할 수 있다. 동력원을 개선하기 위해서 많은 연구와 개발이 계속되고 있지만, 로보틱 시스템이 동력 대 에너지 출력 비율을 향상시킬 수 있는 다른 방식은 로보틱 시스템의 구조적 구성을 통하는 것이며 즉, 다양한 구성요소가 구성되는 방식, 이러한 것이 어떻게 제어되는지, 그리고 시스템이 중력과 같이 자연적으로 발생되는 현상의 장점을 취할 수 있는지의 여부이다.
개시된 기술의 첫 번째 요지가 여기에서 제공된다. 구체적인 기술 예는 이하에서 더 구체적으로 설명된다. 이러한 첫 번째 요지는 예를 기술하기 위한 것이고 기술을 보다 빨리 이해하도록 돕기 위한 것이나, 기술의 핵심 특징 또는 본질적인 특징을 식별하기 위한 것이 아니고 청구된 청구 대상의 범위를 제한하기 위한 것도 아니다.
본 개시 내용은 로보틱 조립체 내에서 이용하기 위한 클러치식 조인트 모듈을 기술하며, 클러치식 조인트 모듈은 로보틱 시스템의 제1 지지 부재에 결합되도록 동작될 수 있는 출력 부재; 로보틱 시스템의 제2 지지 부재에 결합되도록 동작될 수 있는 입력 부재; 회전 축을 중심으로 출력 부재를 회전시키기 위한 토크를 인가하도록 동작될 수 있는 일차적인 액츄에이터; 및 입력 부재와 출력 부재 사이에 동작 가능하게 결합된 클러치 기구로서, 그러한 클러치 기구는 결합 상태, 반-결합 상태, 또는 분리 상태에서 동작될 수 있고, 결합 상태 및 반-결합 상태는, 일차적인 토크를 출력 부재에 선택적으로, 가변 인가하는 것을 돕는, 클러치 기구를 포함한다.
클러치 기구는, 일차적인 토크가 있거나 없는 상태에서, 입력 부재와 출력 부재 사이의 회전을 제한하기 위한 제동력을 생성하도록 결합 상태 또는 반-결합 상태에서 동작될 수 있다.
클러치 기구는 복수의 플레이트, 그리고 클러치 기구가 결합 상태 및 반-결합 상태에서 기능하도록 복수의 플레이트를 압축하도록 작동 가능한 액츄에이터를 포함할 수 있다.
클러치 기구는 회전 축과 실질적으로 동일 선상에 있는 클러치 회전 축을 포함할 수 있다.
일차적인 액츄에이터는 모터, 그리고 모터와 출력 부재 사이에 동작 가능하게 결합된 트랜스미션을 포함할 수 있다. 클러치 기구, 모터, 및 트랜스미션은 회전 축을 따라 배열될 수 있고 회전 축을 중심으로 동작될 수 있다. 트랜스미션은 모터의 중앙 공극 내에 적어도 부분적으로 배치될 수 있고, 모터는 무브러시 무프레임 전기 모터를 포함할 수 있다.
쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(quasi-passive elastic actuator)는 입력 부재에 결합될 수 있고 일차적인 액츄에이터와 병렬로 배열될 수 있으며, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터는, 클러치 기구가 결합 또는 반-결합될 때, 에너지를 저장 및 방출하도록 동작될 수 있다. 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터는 입력 부재와 출력 부재 사이의 회전을 적어도 부분적으로 제한하기 위한 제동력을 생성하도록 동작될 수 있다. 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터는 또한 출력 부재의 회전을 돕기 위해서 일차적인 액츄에이터에 의해서 발생된 일차적인 토크와 조합하기 위한 증강 토크를 인가하도록 동작될 수 있다. 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터는 쿼지-패시브 선형 공압식 액츄에이터를 포함할 수 있고, 쿼지-패시브 선형 공압식 액츄에이터는 클러치식 조인트 모듈의 조인트 강성 값을 적어도 부분적으로 규정하도록 가스 압력 장입된다(charged). 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터는 클러치 기구를 통해서 탄성 상태, 반-탄성 상태, 및 비탄성 상태 사이에서 실시간으로 선택적으로 스위칭될 수 있다.
클러치 기구는 입력 부재에 결합된 클러치 하우징; 클러치 하우징에 의해서 유지되는 복수의 입력 플레이트; 클러치 하우징에 의해서 회전 가능하게 지지되고 복수의 입력 플레이트와 회전 가능하게 결합된 복수의 출력 플레이트; 및 클러치 제어 신호를 수신할 때, 클러치 기구가 결합 상태에서 동작되도록, 압축력을 출력 플레이트 및 입력 플레이트에 인가하도록 동작될 수 있는 액츄에이터를 포함할 수 있다. 출력 부재는, 클러치 기구가 분리 상태에 있을 때, 출력 플레이트가 입력 플레이트에 대해서 자유롭게 회전되도록, 복수의 출력 플레이트에 결합될 수 있다.
일차적인 액츄에이터는 모터를 포함할 수 있고, 클러치식 조인트 모듈은 모터 내에 적어도 부분적으로 배치된 제1 트랜스미션 및 제1 트랜스미션과 클러치 기구 사이에 동작 가능하게 결합된 제2 트랜스미션을 더 포함할 수 있다.
클러치 기구는 대안적으로 입력 부재에 결합된 클러치 하우징; 클러치 하우징에 의해서 유지되는 복수의 입력 플레이트; 클러치 하우징에 의해서 회전 가능하게 지지되고 복수의 입력 플레이트와 회전 가능하게 결합된 복수의 출력 플레이트; 클러치 하우징에 결합된 볼-램프 클러치 장치; 및 볼-램프 클러치 장치에 결합되고, 제어 신호를 수신할 때, 클러치 기구가 결합 상태에서 동작되도록 압축력을 출력 플레이트 및 입력 플레이트에 인가하기 위해서, 볼-램프 클러치 장치를 회전시키도록 동작될 수 있는 액츄에이터를 포함할 수 있다. 클러치 기구는, 클러치 기구가 분리 상태에 있을 때, 출력 플레이트가 입력 플레이트에 대해서 자유롭게 회전되도록, 복수의 출력 플레이트에 결합된 출력 샤프트를 더 포함할 수 있다. 일차적인 액츄에이터는 모터를 포함할 수 있고, 클러치식 조인트 모듈은 모터 내에 적어도 부분적으로 배치된 제1 트랜스미션 및 제1 트랜스미션과 클러치 기구 사이에 동작 가능하게 결합된 제2 트랜스미션을 더 포함한다.
본 개시 내용은 적어도 하나의 회전 가능 조인트를 가지는 로보틱 사지(robotic limb)를 포함하는 로보틱 시스템을 기술하며, 로보틱 조립체는 복수의 지지 부재; 및 로보틱 사지의 각각의 조인트를 형성하는 복수의 클러치식 조인트 모듈을 포함하고, 각각의 클러치식 조인트 모듈은 복수의 지지 부재의 적어도 2개를 함께 회전 가능하게 결합시키고, 각각의 클러치식 조인트 모듈은: 회전 축을 중심으로 회전될 수 있고 자유도를 규정하는 조인트; 조인트를 회전시키기 위해서 일차적인 토크를 인가하도록 동작될 수 있는 일차적인 액츄에이터; 및 일차적인 액츄에이터에 결합되고, 결합 상태, 반-결합 상태, 및 분리 상태 사이에서 동작될 수 있는 클러치 기구로서, 결합 상태와 반-결합 상태는 조인트를 회전시키기 위한 일차적인 토크를 선택적으로 인가하는 것을 돕는, 클러치 기구를 포함한다.
클러치 기구는, 일차적인 토크가 있거나 없는 상태에서, 조인트의 회전을 제한하기 위한 제동력을 생성하도록 결합 상태 또는 반-결합 상태에서 동작될 수 있고, 일차적인 액츄에이터는 모터 및 모터에 동작 가능하게 결합된 트랜스미션을 포함한다. 클러치 기구, 모터, 및 트랜스미션은 회전 축을 따라 배열될 수 있고 회전 축을 중심으로 동작될 수 있다.
클러치식 조인트 모듈은, 클러치 기구와 함께 동작될 수 있고 일차적인 액츄에이터와 병렬로 배열되는 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터를 더 포함할 수 있고, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터는, 클러치 기구가 결합 또는 반-결합될 때, 에너지를 저장 및 방출하도록 동작될 수 있다.
쿼지-패시브 탄성 액츄에이터는 입력 부재와 출력 부재 사이의 회전을 적어도 부분적으로 제한하기 위한 제동력을 생성하도록 동작될 수 있다.
쿼지-패시브 탄성 액츄에이터는 또한 조인트의 회전을 돕기 위해서 일차적인 액츄에이터에 의해서 발생된 일차적인 토크와 조합하기 위한 증강 토크를 인가하도록 동작될 수 있다.
복수의 클러치식 조인트 모듈 중 하나는 제1 유형의 탄성 요소를 포함하는 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터를 포함할 수 있고, 복수의 클러치식 조인트 모듈의 다른 하나는 다른 유형의 탄성 요소를 포함하는 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터를 포함할 수 있다.
쿼지-패시브 탄성 액츄에이터는 클러치 기구를 통해서 탄성 상태, 반-탄성 상태, 및 비탄성 상태 사이에서 실시간으로 선택적으로 스위칭될 수 있다.
본 개시 내용은 로보틱 시스템의 로보틱 조인트를 동작시키기 위한 방법을 기술하며, 그러한 방법은 결합 상태, 반-결합 상태, 및 분리 상태 사이에서 로보틱 시스템의 조인트를 형성하는 클러치식 조인트 모듈의 클러치 기구를 동작시키는 단계로서, 클러치 기구는 클러치식 조인트 모듈의 입력 부재와 출력 부재 사이에서 동작 가능하게 결합되는, 단계; 및 출력 부재에 결합된 로보틱 시스템의 제1 지지 부재를 입력 부재에 결합된 제2 지지 부재에 대해서 회전시키고, 그에 따라 조인트를 회전 축을 중심으로 회전시키는 단계를 포함한다.
제1 지지 부재를 제2 지지 부재에 대해서 회전시키는 단계는, 일차적인 토크를 출력 부재에 인가하기 위해서 결합 상태 또는 반-결합 상태에서, 클러치 기구로 클러치식 조인트 모듈의 일차적인 액츄에이터를 작동시키는 단계를 포함할 수 있고, 클러치 기구는 일차적인 토크의 적어도 일부를 일차적인 액츄에이터로부터 출력 부재로 전달하기 위한 그리고 조인트를 회전시키기 위한 기능을 한다.
제1 지지 부재를 제2 지지 부재에 대해서 회전시키는 단계는, 외부 힘에 응답하여, 결합 상태 또는 반-결합 상태에서 클러치 기구로 그 지지 부재들을 패시브적으로 회전시키고, 그에 의해서 조인트의 회전을 저지하도록 동작할 수 있는 제동력을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은 클러치 기구를 분리 상태에서 동작시키는 단계를 더 포함할 수 있고, 조인트는 자유 스윙 모드로 진입한다.
방법은, 증강 토크를 생성하고 출력 부재에 인가하기 위해서 클러치 기구를 선택적으로 결합시키는 것에 의해서, 클러치식 조인트 모듈의 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터를 탄성 상태 또는 반-탄성 상태에서 동작시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
방법은, 클러치식 조인트 모듈 내에서 제동력을 생성하기 위해서 클러치 기구를 선택적으로 결합시키는 것에 의해서, 클러치식 조인트 모듈의 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터를 탄성 상태 또는 반-탄성 상태에서 동작시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
방법은, 클러치식 조인트 모듈이 자유 스윙 모드로 진입하게 하기 위해서, 클러치식 조인트 모듈의 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터를 비탄성 상태에서 동작시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
방법은 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터를 미리 결정된 강성으로 사전-장입하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 개시 내용은 로보틱 조립체 내에서 이용하기 위한 클러치식 조인트 모듈을 더 기술하며, 그러한 클러치식 조인트 모듈은 로보틱 시스템의 제1 지지 부재에 결합되도록 동작될 수 있는 출력 부재; 로보틱 시스템의 제2 지지 부재에 결합되도록 동작될 수 있는 입력 부재; 클러치식 조인트 모듈의 회전 축을 중심으로 제1 및 제2 지지 부재를 서로 상대적으로 회전시키기 위한 일차적인 토크를 출력 부재에 인가하도록 동작될 수 있는 일차적인 액츄에이터; 입력 부재에 결합되고 출력 부재를 회전 축을 중심으로 회전시키기 위해서 일차적인 액츄에이터에 의해서 인가된 일차적인 토크와 조합되는 증강 토크를 출력 부재에 인가하도록 동작될 수 있는 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터; 및 일차적인 액츄에이터 및 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터에 동작 가능하게 결합된 클러치 기구로서, 그러한 클러치 기구는 결합 상태, 반-결합 상태, 또는 분리 상태에서 동작될 수 있고, 결합 상태에서, 클러치 기구는 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터를 탄성 상태에 위치시키도록 그리고 증강 토크의 인가를 돕도록 동작되는, 클러치 기구를 포함한다.
클러치 기구 및 일차적인 액츄에이터는 서로 실질적으로 평행한 중앙 회전 축을 각각 갖는다.
쿼지-패시브 탄성 액츄에이터는 선형 공압식 액츄에이터를 포함할 수 있고, 탄성 구성요소는 하우징 내에서 선형 이동으로 이동될 수 있는 피스톤 실린더 및 피스톤 로드를 더 포함하고, 피스톤 실린더는, 적어도 부분적으로, 압축 챔버 및 팽창 챔버를 형성한다.
선형 공압식 액츄에이터는 입력 부재를 포함할 수 있고, 피스톤 로드는 중심-외 위치(off-center position)에서 클러치 기구의 하우징에 피봇식으로 결합될 수 있고, 그에 따라, 제1 회전 시에, 입력 부재의 이동은 피스톤 실린더를 이동시켜 압축 챔버 내에서 가스를 압축함으로써 에너지를 선택적으로 저장하게 한다.
일차적인 액츄에이터 및 출력 부재는 트랜스미션에 의해서 서로 동작 가능하게 결합될 수 있다.
제2 회전 중에, 선형 공압식 액츄에이터는 피스톤 로드를 통해서 에너지를 방출하여, 일차적인 액츄에이터에 의해서 인가된 일차적인 토크와 병렬로, 증강 토크를 출력 부재에 인가할 수 있다.
일차적인 액츄에이터는 모터 및 모터에 회전 가능하게 결합된 트랜스미션을 포함할 수 있고, 구동 트랜스미션은 모터의 중앙 공극 내에 적어도 부분적으로 배치된다.
클러치 기구는 입력 부재에 결합된 클러치 하우징; 클러치 하우징에 의해서 유지되는 복수의 입력 플레이트; 클러치 하우징에 의해서 회전 가능하게 지지되고 복수의 입력 플레이트와 회전 가능하게 결합된 복수의 출력 플레이트; 및 클러치 제어 신호를 수신할 때, 클러치 기구가 결합 상태에서 동작되도록, 압축력을 출력 플레이트 및 입력 플레이트에 인가하도록 동작될 수 있는 액츄에이터를 포함할 수 있다.
출력 부재는, 클러치 기구가 분리 상태에 있을 때, 출력 플레이트가 입력 플레이트에 대해서 자유롭게 회전되도록, 복수의 출력 플레이트에 결합될 수 있다.
대안적으로, 클러치 기구는 대안적으로 입력 부재에 결합된 클러치 하우징; 클러치 하우징에 의해서 유지되는 복수의 입력 플레이트; 클러치 하우징에 의해서 회전 가능하게 지지되고 복수의 입력 플레이트와 회전 가능하게 결합된 복수의 출력 플레이트; 클러치 하우징에 결합된 볼-램프 클러치 장치; 및 볼-램프 클러치 장치에 결합되고, 제어 신호를 수신할 때, 클러치 기구가 결합 상태에서 동작되도록 압축력을 출력 플레이트 및 입력 플레이트에 인가하기 위해서, 볼-램프 클러치 장치를 회전시키도록 동작될 수 있는 액츄에이터를 포함할 수 있다.
클러치 기구는, 클러치 기구가 분리 상태에 있을 때, 출력 플레이트가 입력 플레이트에 대해서 자유롭게 회전되도록, 복수의 출력 플레이트에 결합된 출력 샤프트를 더 포함할 수 있고, 출력 샤프트는 출력 부재에 결합된다.
본 발명의 특징 및 장점은, 예로서, 본 발명의 특징을 함께 설명하는 첨부 도면과 함께 작성된, 이하의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
도 1은 본 개시 내용의 예에 따른 적어도 하나의 클러치식 조인트 모듈을 가지는 하부 외골격 형태의 로보틱 조립체의 2개의 위치를 도시한다.
도 2a는 본 개시 내용의 예에 따른 클러치식 조인트 모듈의 개략도이다.
도 2b는 본 개시 내용의 예에 따른 클러치식 조인트 모듈의 개략도이다.
도 3a는 인간 보행 주기의 인간 중량 정규화된 무릎 조인트 토크 대 무릎 조인트 각도를 도시한 그래프이다.
도 3b는 탄성 응답이 클러치식 조인트 모듈에 의해서 생성될 수 있는 보행의 일부 및 조인트 궤적을 달성하는데 필요한 토크를 도시한 그래프이다.
도 3c는 본 개시 내용의 예에 따른 클러치식 조인트 모듈의 성능을 도시한 그래프이다.
도 4a는 본 개시 내용의 예에 따른 적어도 하나의 클러치식 조인트 모듈을 가지는 로보틱 조립체, 즉 착용 가능한 로보틱 외골격의 등축도이다.
도 4b는 도 4a의 로보틱 외골격의 등축도이다.
도 4c는 도 4a의 로보틱 외골격의 근접 등축도이다.
도 5a는 본 개시 내용의 예에 따른 클러치식 조인트 모듈의 등축도이다.
도 5b는 도 5a의 클러치식 조인트 모듈의 분해도이다.
도 5c는 유성 트랜스미션의 유성 기어를 보여주는 도 5a의 클러치식 조인트 모듈의 일부의 분해도이다.
도 5d는 도 5a의 클러치식 조인트 모듈의 분해도이다.
도 5e는 도 5a의 클러치식 조인트 모듈의 클러치 기구의 분해도이다.
도 6a는 본 개시 내용의 예에 따른 클러치식 조인트 모듈의 등축도이다.
도 6b는 다른 관점으로부터의 도 6a의 클러치식 조인트 모듈의 등축도이다.
도 6c는 도 6a의 클러치식 조인트 모듈의 분해도이다.
도 6d는 다른 관점으로부터의 도 6a의 클러치식 조인트 모듈의 분해도이다.
도 6e는 도 6a의 클러치식 조인트 모듈의 클러치 기구의 분해도이다.
도 6f는 도 6a의 클러치식 조인트 모듈의 클러치 기구의 분해도이다.
도 6g는 도 6a의 클러치식 조인트 모듈의 클러치 기구의 일부의 분해도이다.
도 7a는 일차적인 액츄에이터의 축으로부터 오프셋된 축 주위에 위치되고 토크-전달 장치를 통해서 일차적인 액츄에이터에 결합된 도 5a 내지 도 5e의 클러치 기구 및 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터를 가지는, 본 개시 내용의 예에 따른 클러치식 조인트 모듈의 분해도이다.
도 7b는 도 7a의 클러치식 조인트 모듈의 일차적인 액츄에이터의 분해도이다.
이제 도시된 예시적인 실시예를 참조할 것이고, 그러한 실시예를 설명하기 위해서 구체적인 언어가 본원에서 이용될 것이다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 범위에 대한 제한이 그에 의해서 의도되지 않는다는 것을 이해할 것이다.
도 1은 본 개시 내용의 예에 따른 적어도 하나의 클러치식 조인트 모듈을 가지는 하부 외골격 형태의 로보틱 조립체의 2개의 위치를 도시한다.
도 2a는 본 개시 내용의 예에 따른 클러치식 조인트 모듈의 개략도이다.
도 2b는 본 개시 내용의 예에 따른 클러치식 조인트 모듈의 개략도이다.
도 3a는 인간 보행 주기의 인간 중량 정규화된 무릎 조인트 토크 대 무릎 조인트 각도를 도시한 그래프이다.
도 3b는 탄성 응답이 클러치식 조인트 모듈에 의해서 생성될 수 있는 보행의 일부 및 조인트 궤적을 달성하는데 필요한 토크를 도시한 그래프이다.
도 3c는 본 개시 내용의 예에 따른 클러치식 조인트 모듈의 성능을 도시한 그래프이다.
도 4a는 본 개시 내용의 예에 따른 적어도 하나의 클러치식 조인트 모듈을 가지는 로보틱 조립체, 즉 착용 가능한 로보틱 외골격의 등축도이다.
도 4b는 도 4a의 로보틱 외골격의 등축도이다.
도 4c는 도 4a의 로보틱 외골격의 근접 등축도이다.
도 5a는 본 개시 내용의 예에 따른 클러치식 조인트 모듈의 등축도이다.
도 5b는 도 5a의 클러치식 조인트 모듈의 분해도이다.
도 5c는 유성 트랜스미션의 유성 기어를 보여주는 도 5a의 클러치식 조인트 모듈의 일부의 분해도이다.
도 5d는 도 5a의 클러치식 조인트 모듈의 분해도이다.
도 5e는 도 5a의 클러치식 조인트 모듈의 클러치 기구의 분해도이다.
도 6a는 본 개시 내용의 예에 따른 클러치식 조인트 모듈의 등축도이다.
도 6b는 다른 관점으로부터의 도 6a의 클러치식 조인트 모듈의 등축도이다.
도 6c는 도 6a의 클러치식 조인트 모듈의 분해도이다.
도 6d는 다른 관점으로부터의 도 6a의 클러치식 조인트 모듈의 분해도이다.
도 6e는 도 6a의 클러치식 조인트 모듈의 클러치 기구의 분해도이다.
도 6f는 도 6a의 클러치식 조인트 모듈의 클러치 기구의 분해도이다.
도 6g는 도 6a의 클러치식 조인트 모듈의 클러치 기구의 일부의 분해도이다.
도 7a는 일차적인 액츄에이터의 축으로부터 오프셋된 축 주위에 위치되고 토크-전달 장치를 통해서 일차적인 액츄에이터에 결합된 도 5a 내지 도 5e의 클러치 기구 및 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터를 가지는, 본 개시 내용의 예에 따른 클러치식 조인트 모듈의 분해도이다.
도 7b는 도 7a의 클러치식 조인트 모듈의 일차적인 액츄에이터의 분해도이다.
이제 도시된 예시적인 실시예를 참조할 것이고, 그러한 실시예를 설명하기 위해서 구체적인 언어가 본원에서 이용될 것이다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 범위에 대한 제한이 그에 의해서 의도되지 않는다는 것을 이해할 것이다.
본원에서 사용된 바와 같이, "실질적으로"라는 용어는 작용, 특성, 성질, 상태, 구조, 물품, 또는 결과의 완전한 또는 거의 완전한 범위 또는 정도를 지칭한다. 예를 들어, "실질적으로" 둘러싸인 물체는, 그러한 물체가 완전히 둘러싸이거나 거의 완전히 둘러싸인 것을 의미할 것이다. 절대적인 완전성으로부터의 정확한 허용 가능 편차의 정도는 일부 경우에 구체적인 문맥에 따라 달라질 수 있다. 그러나, 일반적으로, 완전함의 근접성은, 절대적이고 전체적인 완전함이 얻어지는 것과 동일한 전반적인 결과를 가지는 것일 수 있다. "실질적으로"의 이용은, 부정적인 의미로 사용될 때, 행동, 특성, 성질, 상태, 구조, 물품, 또는 결과의 완전한 부속 또는 거의 완전한 부족을 지칭하기 위해서 마찬가지로 적용될 수 있다.
본원에서 사용된 바와 같이, "인접한"은 2개의 구조물 또는 요소의 근접도를 지칭한다. 특히, "인접한" 것으로 식별되는 요소들은 접경되거나 연결될 수 있다. 그러한 요소들은 또한 반드시 접촉할 필요가 없이 서로 근접하거나 밀접하게 위치될 수 있다. 근접도의 정확한 정도는 일부 경우에 구체적인 문맥에 따라 달라질 수 있다.
로보틱 조립체(100)의 일 예가 도 1에 대략적으로 도시되어 있다. 로보틱 조립체(100)는 외골격, 특히 사용자가 하부 신체 주위에 착용할 수 있는 하부 외골격의 형태로 도시되어 있다. 그러나, 이는 어떠한 방식으로도 제한하기 위한 것은 아니고, 본원에서 설명된 개념은 외골격(상부 및 하부 외골격 모두), 휴머노이드 로봇 또는 로보틱 장치, 원격 조정 로봇 또는 로보틱 장치, 로보틱 팔, 무인 지상 로봇 또는 로보틱 장치, (가상 환경으로 또는 가상 환경 내에서 동작 가능한 것을 포함하는) 마스터/슬레이브 로봇 또는 로보틱 장치, 그리고 관련 기술 분야의 통상의 기술자에게 명확한 바와 같은 임의의 다른 유형과 같은, 다양한 유형의 로보틱 장치에 적용될 수 있고 포함될 수 있거나 그러한 것으로 구현될 수 있다.
로보틱 조립체(100)의 예에서, 본원에서 개시된 바와 같은 외골격은 전체-신체 외골격(즉, 하부 신체 부분 및 상부 신체 부분 모두를 가지는 외골격과 유사한 외골격, 도 4a 참조)으로서, 또는 단지 하부 신체 외골격(즉, 하부 신체 부분의 일부 또는 전부)으로서, 또는 단지 상부 신체 외골격(즉, 상부 신체 부분의 일부 또는 전부)으로서 구성될 수 있다.
일부 예에서, 로보틱 조립체(100)는 좌측 및 우측 외골격 사지를 포함할 수 있다. 우측 외골격 사지(102) 만이 도 1에 도시되어 있으나, 설명된 원리가 상부 신체 또는 하부 신체 외골격의 임의의 외골격 사지의 조인트 모듈과 관련될 수 있다는 것을 이해하여야 한다는 점에 주목하여야 한다. 우측 외골격 사지(102)는 복수의 하부 신체 지지 부재(104a 내지 104d)를 포함할 수 있다. 지지 부재(104a 내지 104d)는 각각의 회전 축(108a 내지 108d)을 중심으로 하는 복수의 자유도를 규정하는 복수의 클러치식 조인트 모듈(106a 내지 106d)을 중심으로 하는 상대적인 이동을 위해서 함께 결합될 수 있다. 회전 축(108a 내지 108d)을 중심으로 하는 회전 자유도는 인간의 다리의 하나 이상의 자유도에 상응할 수 있다. 예를 들어, 축(108a 내지 108d)을 중심으로 하는 회전 자유도는 각각 고관절 외전/내전(abduction/adduction), 고관절 굽힘/펼침, 무릎 굽힘/펼침, 및 발목 굽힘/펼침 각각에 상응할 수 있다. 유사하게, 도시하지는 않았지만, 상부 신체 외골격 내의 각각의 회전 축을 중심으로 하는 회전 자유도는 인간 팔의 하나 이상의 자유도에 상응할 수 있다. 예를 들어, 회전 축을 중심으로 하는 자유도는 어깨 외전/내전, 어깨 굽힘/펼침, 어깨 내측/외측 회전(medial/lateral rotation), 팔꿈치 굽힘/펼침, 손목 회내/회외(pronation/supination), 및 손목 굽힘/펼침에 상응할 수 있다. 손목 외전/내전에 상응하는 자유도는 희망에 따라 포함될 수 있다.
인간 사용자 또는 조작자는 로보틱 조립체(100)와 인터페이스하는 외골격 로봇 조립체(100)(또는 도 4a의 101)를 이용하거나 상호작용할 수 있다. 이는 관련 기술 분야에서 공지된 바와 같은 다양한 방식으로 달성될 수 있다. 예를 들어, 조작자는 그의 발을 조립체의 발 부분에 위치시키는 것에 의해서 로보틱 조립체(100)와 인터페이스할 수 있고, 조작자의 발은 상응하는 힘 센서와 접촉될 수 있다. 인간 조작자의 일부가 또한 로보틱 조립체(100)의 여러 위치에 배치된 외골격 로보틱 조립체(100)의 힘 센서와 접촉될 수 있다. 예를 들어, 로보틱 조립체(100)의 고관절 부분은 조작자의 고관절과 상호작용하도록 구성된 하나 이상의 힘 센서를 가질 수 있다. 조작자는 손목 스트랩, 어깨 스트랩, 또는 다른 적절한 결합 장치에 의해서 로보틱 조립체(100)에 결합될 수 있다. 조작자는 발 스트랩 및/또는 조작자 파지를 위한 핸들에 의해서 로보틱 조립체(100)에 더 결합될 수 있다. 일 양태에서, 힘 센서는, 조작자의 각각의 부분에 상응하는, 로보틱 조립체(100)의 고관절, 무릎 또는 발목 부분 주위에 위치될 수 있다. 로보틱 조립체(100) 상의 또는 그 주위의 특정 위치에 배치된 센서를 참조하지만, 위치 또는 힘 센서 또는 그 둘 모두가 로보틱 조립체(100)의 적절한 동작을 돕기 위해서 로보틱 조립체(100) 상의 또는 그 주위의 많은 위치에 전략적으로 배치될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
일반적인 개관으로서, 클러치식 조인트 모듈(106a 내지 106d)은 각각의 자유도 내에서 지지 부재에 힘 또는 토크를 제공하기 위해서 외골격의 다양한 자유도와 연관될 수 있다. 통상적인 외골격 시스템 및 장치와 달리, 각각의 클러치식 조인트 모듈이, 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 액티브 액츄에이터, 또는 쿼지-패시브 액츄에이터로서 구성되도록, 로보틱 조립체(100)가 구성될 수 있다. 쿼지-패시브 액츄에이터, 특히 클러치식 조인트 모듈(106a 내지 106d)은 에너지를 회수하도록 구성될 수 있고, 이는 로보틱 조립체(100)의 복잡성 및 동력 소비를 줄일 수 있다. 예를 들어, 무릎 굽힘/펼침의 자유도에 상응하는 자유도를 규정하는 클러치식 조인트 모듈(106c)은, 제1 보행 이동 중에 에너지를 회수하고 이어서 제2 보행 이동 중에 그러한 에너지를 방출하여 자유도에 관한 조인트의 회전에서 일차적인 토크를 제공하는 일차적인 액츄에이터를 보조하기 위한 (그리고, 이하에서 설명되는 바와 같이, 클러치식 조인트 모듈(106c)의 일차적인 액츄에이터에 의해서 인가되는 토크와 병렬인) 증강 토크를 인가하도록 구성될 수 있다. 클러치식 조인트 모듈(106c)은 결합되도록(즉, 탄성 액츄에이터가 에너지를 저장하고 방출하는 동작 상태 또는 조건(탄성 상태)에 진입되도록), 그리고 동작으로부터 분리되고(즉, 에너지를 저장하지도 않고 방출하지도 않는 동작 상태 또는 조건 또는 구성(비탄성 상태)에 진입되고) 그에 따라, 예를 들어, 조작자가 걷거나 달릴 때 조인트 회전에 대한 무시할 수 있는 저항을 가지고 조인트가 "자유롭게 스윙"되도록, 선택적으로 제어될 수 있다. 일차적인 액츄에이터(예를 들어, 조인트를 작동시키도록 동작 가능한 일차적인 모터)와 병렬적인 동작에 의해서, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터는 일차적인 액츄에이터에 의해서 제공되는 토크(즉, 일차적인 액츄에이터에 의해서 발생된 토크에 부가되는 토크)와 병렬인 증강 토크를 제공 또는 인가할 수 있다. 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터는 쿼지-패시브 액츄에이터의 모드를 변화시키도록, 즉 (액츄에이터가 일시적인 에너지 저장 및 회수를 위한 스프링으로서 작용하는) 탄성 상태와 (액츄에이터가 (밸브를 통한 유체의 마찰 및 이동을 제외하고) 자유롭게 이동할 수 있게 하는 (즉, 에너지를 저장 또는 방출하지 않는) 분류(shunting) 기능을 액츄에이터가 이용하는) 비탄성 상태 사이에서 스위칭시키도록 제어되고 동작될 수 있는, 2-방향 밸브와 같은, 콤팩트한 내부 밸브를 포함할 수 있다. 그리고, (쿼지-패시브 액츄에이터로서) 클러치식 조인트 모듈(106c)은, 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 또한 수정될 수 있는 희망 강성을 포함하도록 "튜닝될" 수 있다. 그에 따라, 주어진 조인트에 대한 강성의 크기는, 해당 강성(stiffness)이 지지 위상(support phase) 중에 에너지 회수를 위해서 결합될 때 그리고 자유 스윙 위상 중에 강성이 분리될 때, 액티브 밸브를 정확하게 제어하면서, 임무 특이적 적재 하중(mission specific payload) 및 지형-특이적 보행을 위해서 조정될 수 있다.
쿼지-패시브 액츄에이터로서, 결과적으로 조인트를 작동시키는데 필요한 동력 소비를 감소 또는 최소화하기 위해서 에너지(예를 들어, 일부 보행 또는 다른 이동 중의 에너지 손실)를 회수하도록 선택적으로 동작될 수 있는 쿼지-패시브 탄성 기구가 효과적으로 얻어진다.
본원에서 설명된 예시적인 탄성 액츄에이터는, (조인트의 모든 회전 이동 또는 기계적 시스템의 다른 이동 중에 항상 에너지를 저장하거나 에너지를 방출하는 완전한 패시브 탄성 액츄에이터와 비교할 때) 동작의 액티브 상태 및 인액티브(inactive) 상태 또는 모드에서 동작될 수 있음에 따라, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터로 지칭될 수 있다. 본원에서 설명된 예에서, 동작의 패시브 및 인액티브 모드 또는 상태는, 로보틱 시스템의 동작 중에, 선택 가능하거나 제어 가능할 수 있고, 심지어 동적으로 선택 가능하거나 제어 가능할 (예를 들어, 실시간으로 선택 가능할) 수 있을 뿐만 아니라, 하나의 상태 또는 모드로부터 다른 상태 또는 모드로 반복적으로 스위칭될 수 있다. 클러치식 조인트 모듈의 구성에 따라, 예시적인 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터는, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터가 로보틱 시스템의 조인트의 다양한 회전 중에 에너지를 저장 및 방출하도록 작동될 수 있는 (종종 본원에서 "탄성 상태"로 지칭되는) 제1 액티브 상태, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터가 인액티브가 될 수 있고 그에 따라 조인트의 다양한 회전 중에 에너지가 저장되지도 않고 방출되지도 않는 (종종 본원에서 "비탄성 상태"로 지칭되는) 제2 패시브 상태, 및 일부 경우에 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터가 조인트의 다양한 회전 중에 에너지를 저장 및 방출하도록 부분적으로 작동될 수 있는 (종종 본원에서 "반-탄성 상태"로 지칭되는) 제3 반(semi)-액티브 또는 부분적 액티브 상태를 포함할 수 있다. 일부 예시적인 로보틱 시스템에서, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터는, 필요에 따라 또는, 예를 들어, 필요로 하거나 희망하는 과업 및 로보틱 시스템의 하나 이상의 조인트의 상응하는 회전 이동, 다양한 토크 또는 하중 요건, 또는 필요로 하거나 희망하는 제동력에 따라, 동작의 상이한 모드들 또는 상태들 사이에서 스위칭될 수 있다.
예를 들어, 도 1 또는 도 4a에 도시된 하부 신체 외골격과 같은 로보틱 조립체 내에 복수의 클러치식 조인트 모듈을 조합할 때, 상당량의 에너지가 (고관절, 무릎, 및 발목 조인트를 통한) 이동 중에 회수 및 이용될 수 있으며, 이는 외골격의 중량, 크기, 복잡성, 및 동력 소비를 감소시킬 수 있다. 전술한 전반적 개관을 이하에서 더 구체적으로 설명한다. 또한, 로보틱 시스템 또는 조립체 내의 다양한 조인트 모듈의 각각은 동일한 유형 또는 상이한 유형의 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터들(또는 달리 표현하면, 동일한 유형 또는 상이한 유형의 탄성 구성요소들)을 포함할 수 있고, 그에 따라 로보틱 조립체는 실행을 위한 특별한 적용예 또는 과제에 따른 최적의 성능을 위해서 구성될 수 있다. 액티브 액츄에이터(즉, 쿼지-패시브 탄성 요소를 가지지 않는 액츄에이터)로서, 특별한 클러치식 조인트 모듈이, 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 조인트를 작동시키기 위한 그리고 또한 중력 보상을 제공하기 위한 액티브 액츄에이터로서 결합되도록 선택적으로 (즉, 클러치 기구를 통해서) 동작될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 개시 내용의 2개의 예에 따른 클러치식 액츄에이터 조인트 모듈을 개략적으로 도시한다. 도 2a는 일차적인 토크를 클러치식 조인트 모듈에 제공하도록 동작될 수 있는 일차적인 액츄에이터(122)를 가지는 클러치식 액츄에이터 조인트 모듈(120)을 도시한다. 일 예에서, 일차적인 액츄에이터는 모터(124), 그리고 클러치 기구(128) 및 탄성 요소 또는 스프링(128)(예를 들어, 회전 또는 선형 공압식(공기 또는 다른 가스) 유형의 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터와 같은, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터)과 병렬로 동작될 수 있는 트랜스미션 또는 기어 트레인(126)(예를 들어, 유성 트랜스미션)을 포함할 수 있다. 일차적인 액츄에이터(122)는, 도 1 및 도 4a에 도시된 바와 같이, 로보틱 조립체의 조인트를 회전시키기 위해서 스프링(쿼지-패시브 탄성 액츄에이터)(128)에 의해서 선택적으로 인가되는 증강 토크와 병렬로 일차적인 토크를 (예를 들어, 로보틱 지지 부재에 결합된 출력 부재를 회전시키기 위해서) 하중체(load)에 인가하도록 동작될 수 있다. 증강 토크는, 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 결합 상태와 분리 상태 사이에서 동작될 수 있는 클러치 기구(128)의 동작에 의해서 선택적으로 인가된다. 기어 트레인(126)이 제거될 수 있거나 필요하지 않을 수 있고, 또는 보충적인 트랜스미션 또는 기어 트레인이 기어 트레인(126)에 인접하여 결합되어 모터(124)로부터 하중체로 2-스테이지 트랜스미션을 제공할 수 있다는 것을 주목하여야 한다. 도 5a 내지 도 6g의 예가 도 2a에 의해서 개략적으로 표시되어 있다. 도 2a에서 쇄선으로 도시된 바와 같이, 스프링(130)의 출력이 모터(124)와 기어 트레인(126) 사이에서 동작적으로 결합될 수 있다는 것을 더 주목하여야 한다.
도 2b는 클러치 기구(129)와 병렬로 동작되는 모터(125) 및 트랜스미션 또는 기어 트레인(127)(예를 들어, 유성 트랜스미션)을 포함하는 일차적인 액츄에이터(123)를 포함하는 클러치식 조인트 모듈(121)을 도시한다. 여기에서, 클러치 기구(129)는, 이하에서 더 설명되는 바와 같이, (일차적인 액츄에이터(123)에 의한 일차적인 토크의 하중체에 대한 작동을 돕는) 결합 상태와 (출력부(하중체)에 대한 입력부의 자유 스윙을 허용하는) 분리 상태 사이에서 동작될 수 있다. 기어 트레인(127)이 제거될 수 있거나 필요하지 않을 수 있고, 또는 보충적인 트랜스미션 또는 기어 트레인이 기어 트레인(127)에 인접하여 결합되어 모터(125)로부터 하중체로 2-스테이지 트랜스미션을 제공할 수 있다는 것을 주목하여야 한다. 도 5a 내지 도 6g의 예가 도 2b에 의해서 개략적으로 표시되어 있으나, 여기에는 스프링이 포함되어 있지 않다(예를 들어, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134, 204)의 제거).
도 3a는 인간의 예시적인 보행 중에 발생되는 바와 같은 조인트 토크 대 조인트 위치를 도시한 그래프이고, 그러한 그래프는 조인트의 회전 각도에 대한 또는 조인트의 회전 각도에 상응하는 것으로 조인트 내에서 발생되는 토크(N-m/kg)를 보여준다. 이러한 특별한 그래프는, 편평한 표면 상에서 약 3 mph로 걷는 동안, (외골격을 착용하지 않은) 인간 무릎의 예시적인 토크/각도 회전 관계를 설명한다. 지점(A)으로부터 지점(B)까지의 제1 보행 이동은 뒤꿈치 타격 이후의 자세 압축(stance compression)을 설명하며, 지점(B)으로부터 지점(C)까지의 제2 보행 이동은 자세 펼침을 설명하며, 자세 위상은 지점(D)에서 완료된다. 지점들(D, E, F, 및 A) 사이의 제3 보행 이동은 "이중 지지 및 다리 스윙"을 설명한다. 그에 따라, "자세 위상"은 뒤꿈치 타격(지점(A))으로부터 발가락-롤(toe-roll)/말기 자세(지점(A) 내지 지점(D))까지이며, 여기에서 토크-조인트 프로파일은 쿼지-탄성 거동(걷기 및 달리기는 이러한 쿼지-탄성 강성과 관련하여 유사하다)을 갖는다. 이러한 위상 중에, 무릎은 또한 충격 흡수부로서 작용한다. "스윙 위상"은 발가락-오프로부터 뒤꿈치 타격(지점(E)에서 지점(A)까지)까지이고, 이러한 위상 중에 무릎은 쿼지-탄도적(quasi-ballistic)(패시브 동력학) 응답을 나타내고, 뒤꿈치 타격 전에 발생되는 최종 펼침 중에 일부 댐핑(damping)이 있다(그에 따라, 무릎은 제어된 댐퍼 또는 충격 흡수부로서 작용한다).
인간 보행의 이러한 특성은 무릎 조인트에 특유하지 않고, 걷기 보행으로도 제한되지 않으며, 본원에서 설명되는 클러치식 조인트 모듈에 대한 기본을 형성한다. 사실상, 걷기, 달리기, 및 계단 오르기와 같은 시뮬레이트된 주기적인 외골격 활동의 조인트 토크 대 위치 플롯(plot)을 검토할 때, 이러한 특이적 보행 이동 중에, 조인트 작동을 위한 모터 토크에 대한 요건을 줄이기 위해서 탄성 에너지 회수가 활용될 수 있는 기간이 있다. 따라서, 본원에서 설명된 클러치식 조인트 모듈은, 동력형 액츄에이터(예를 들어, 전기-기어형 모터) 대한 요구를 최소화하여 로보틱 조립체 내의 전반적 동력 소비를 감소시키기 위해서, 예를 들어 고관절, 무릎, 및 발목의 자연 이동의 특징을 활용하도록 구성될 수 있다. 본원에서 설명된 클러치식 조인트 모듈은 또한, 예를 들어, 어깨 및 팔꿈치 조인트에 통합될 수 있으나, 이는, 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 하부 신체 조인트의 경우 보다 더 과제-특이적(task-specific)일 수 있다. 그러나, 하부 조인트(예를 들어, 고관절, 무릎, 발목)의 클러치식 조인트 모듈은 또한, 단순한 주기적 동작(예를 들어, 걷기 또는 달리기)이 아니라, 특이적 과제(예를 들어, 하중체 들기, 앉기 및 서기, 그리고 기타)를 기초로 동작되도록 구성될 수 있다.
도 3b는 50 lb 적재 하중으로 3.5 mph로 걷는 것에 대한 표준 외골격 무릎 조인트 토크(N-m) 대 위치(각도)를 보여주는 그래프이다. 플롯된 "삼각형" 표시된 선("조인트 작동 토크")은 규정된 조인트 궤적을 달성하기 위해서 필요한 전체 토크를 나타내는 반면, 플롯된 "원형" 표시된 선("스프링 반응 토크")은, 탄성 응답이 클러치식 조인트 모듈의 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터에 의해서 생성되는 보행의 부분을 나타낸다. 따라서, 이러한 스프링 반응 토크는, 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 조인트를 작동시키기 위한 동력 소비를 감소시키기 위해서 활용될 수 있다.
도 3c는 일차적인 액츄에이터와 병렬로 동작되는 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터를 가지는 클러치식 조인트 모듈을 구비하는 외골격의 성능을 도시한 그래프이고, 조인트 모듈은, 일 예에서, 인간 무릎 조인트와 연관된, 7 N-m/각도(degree)의 조인트 강성을 갖는다. 더 구체적으로, 그래프는 50 lb 적재 하중으로 3.5 mph로 걷는 것에 대한 조인트 토크(N-m) 대 조인트 속력(각도/초)를 보여준다. 플롯된 "삼각형" 표시된 선("조인트 작동 토크")은 규정된 조인트 궤적을 달성하기 위해서 필요한 전체 토크(예를 들어, 무릎을 회전시키는데 필요한 토크)를 나타내는 반면, 플롯된 "원형" 표시된 선("스프링 반응 토크")은, 본원에서 예시된 바와 같이, 적시 방식(timely manner)으로 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터를 결합 및 분리하는 것에 의해서 탄성 응답이 생성될 수 있는 보행의 부분을 나타낸다.
이러한 "원형" 표시된 선에 의해서 도시된 바와 같이, 결과적인 피크 토크는, "삼각형" 표시된 선의 정규화된 토크 요건(약 100 N-m)에 대해서 실질적으로 감소된다(약 25 N-m). 즉, 일반적으로(즉, 탄성 액츄에이터를 가지는 클러치식 조인트 모듈을 포함하지 않는) 토크 요건은 약 100 N-m에서 피크가 되나; 본원에서 설명된 바와 같은 탄성 액츄에이터를 가지는 클러치식 조인트 모듈을 포함할 때, 결과적인 피크 토크는 단지 약 20 N-m일 수 있고, 그에 따라 동일한 보행 사이클 및 동작 조건에 대한 동력 요건을 상당히 감소시킨다. 이는, (쿼지-패시브 탄성 액츄에이터를 통해서) 제1 보행 이동 중에 클러치식 조인트 모듈이 에너지를 저장하고, 이어서 클러치식 조인트 모듈의 일차적인 액츄에이터(예를 들어, 기어형 모터)에 의해서 인가된 토크와 병렬로 인가될 수 있는 증강 토크를 인가하기 위해서 제2 보행 이동 중에 그러한 에너지를 방출하기 때문이다. 물론, 중량, 적재 하중, 등과 같은, 다른 인자가 이러한 결과에 기여한다. 어떠한 경우든, 이러한 그래프는, 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 선택적으로 제어 가능한 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터와 조합되어 이용될 때, 조인트를 적절히 작동시키기 위해서 동력형 모터에 의해서 요구되는 상당히 적은 온-보드(on-board) 동력을 설명한다. 병렬 탄성 액츄에이터의 이용은 모터 토크에 대한 요건을 효과적으로 감소시키는데, 이는 탄성 액츄에이터가, 예를 들어 보행 주기의 특이적 위상 중에, 적시 방식으로 결합 및 분리되기 때문이다. 유사한 플롯 또는 그래프가 고관절 조인트, 발목 조인트, 어깨 조인트, 및 팔꿈치 조인트에 대해서 보여질 수 있다. 일부 경우에, 탄성 액츄에이터는 이러한 조인트의 보행 주기의 전체-시간 동안 결합될 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 인간 조작자에 의해서 착용 또는 이용될 수 있는 외골격 형태의 예시적인 로보틱 조립체(101)의 등축도를 도시한다. 대안적으로, 로보틱 조립체(101)는, 전술한 바와 같이, 휴머노이드 로봇, 또는 다른 로보틱 조립체일 수 있다. 도시된 바와 같이, 로보틱 조립체(101)는 전체-신체 외골격(즉, 하부 신체 부분 및 상부 신체 부분 모두를 가지는 외골격)으로서 구성될 수 있다. 그러나, 이러한 것은 제한적인 것이 아닌데, 이는 외골격이 하부 신체 외골격(즉 하부 신체 부분의 일부 또는 전부)만을 포함하거나, 상부 신체 외골격(즉, 상부 신체 부분의 일부 또는 전부)만을 포함할 수 있기 때문이다.
로보틱 조립체(101)는 좌측 및 우측 외골격 사지를 포함할 수 있다. 우측 외골격 사지(103)는 복수의 하부 신체 지지 부재(105a 내지 105d)를 포함할 수 있다. 지지 부재(105a 내지 105c)는 각각의 회전 축을 중심으로 하는 복수의 자유도를 규정하는 복수의 각각의 조인트(107a 내지 107c)을 중심으로 하는 상대적인 이동을 위해서 함께 결합될 수 있다. 전체가 본원에서 참조로 포함되는 ________일자로 출원된 미국 특허출원 제________호(Attorney Docket No. 4000-16.1110.US.NP)에 설명된 바와 같이, 고관절 조인트(107a) 및 무릎 조인트(107c) 각각은, 탄성 요소 또는 구성요소로서 회전 공기 스프링 장치를 가지는, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같은, 튜닝 가능한 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터를 포함할 수 있는 튜닝 가능 액츄에이터 조인트 모듈(109a 및 109c)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 고관절 조인트(107a) 및 무릎 조인트(107c) 각각은, 본 개시 내용에 의해서 설명된 바와 같이, 클러치식 조인트 모듈을 포함할 수 있다. 조인트(107b) 및 조인트(107d) 각각은 또한, 본원에서 설명된 바와 같이, 각각의 클러치식 조인트 모듈(109b 및 109d)을 포함할 수 있다.
유사하게, 우측 외골격 사지(103b)는 각각의 회전 축을 중심으로 하는 복수의 자유도를 규정하는 복수의 조인트(107e 내지 107h)에 대한 상대적인 이동을 위해서 함께 결합된 복수의 상부 신체 지지 부재(105e 내지 105h)를 포함할 수 있다(근접도에 대한 도 4c 참조). 각각의 조인트(107e 내지 107h)는, 본원에서 설명된 바와 같이, 각각의 클러치식 조인트 모듈(109e 내지 109h)을 포함할 수 있다. 분명하게, 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 각각의 클러치식 조인트 모듈은 콤팩트한 형태로 제공될 수 있고, 이는, 조인트, 예를 들어 조인트(107e)의 특별한 회전 축이 예를 들어 클러치식 조인트 모듈(109e)(예를 들어, 일차적인 액츄에이터, 트랜스미션(들), 클러치 기구(들), 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(들))의 일차적인 구성요소와 실질적으로 동일 선상에 있다는 것을 의미하고, 이들은, 이하에서 더 예시되는 바와 같이, 회전 축을 따라 배열되고 회전 축을 중심으로 동작될 수 있게 구성된다. 따라서, 각각의 클러치식 조인트 모듈은, 대체로 원통형이고 모듈의 질량이 회전 축에 근접하여 위치되는 클러치식 조인트 모듈과 같은, 콤팩트한 형태의 특별한 고-토크 출력부를 제공할 수 있다.
도 5a 내지 도 5e는, 로보틱 조립체(예를 들어, 100, 101)의 조인트로서 포함될 수 있거나, 다시 말해서, 로보틱 조립체(예를 들어, 100, 101)의 조인트를 포함할 수 있는, 본 개시 내용의 예에 따른 클러치식 조인트 모듈(130)을 도시한다.
클러치식 조인트 모듈(130)은 서로 동작 가능하게 결합된 일차적인 액츄에이터(132), 선택적인 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134), 및 클러치 기구(136)를 포함할 수 있고, 클러치 기구(136) 및 일차적인 액츄에이터(132)는 회전 축(140)을 따라서 배치 또는 배열되고 회전 축(140)을 중심으로 동작될 수 있다. 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 입력 부재(138a) 및 출력 부재(138b)(도 5b)는 로보틱 조립체의 각각의 지지 부재에 직접적 또는 간접적으로 결합될 수 있고, 그러한 지지 부재는, 인간 조인트의 자유도의 회전 축에 상응하는, 조인트의 회전 축(140)을 중심으로 서로 상대적으로 회전될 수 있다. 예를 들어, 클러치식 조인트 모듈(130)은, 굽힘/펼침 자유도를 가지는 어깨 조인트를 포함하는 조인트(107f)를 적어도 부분적으로 형성하는 도 4c의 클러치식 조인트 모듈(109f)과 같이, 로보틱 조립체(101) 내로 통합될 수 있다. 입력 부재(138a) 및 출력 부재(138b)가 그 각각의 구성요소에 결합된 부재로서 도시되어 있지만, 이들이, 예를 들어, 로보틱 지지 부재에 결합될 수 있는 적합한 입력 및 출력 부재 또는 구성요소의 많은 다른 형태 및 구성을 취할 수 있다는 것을 주목하여야 한다.
일차적인 액츄에이터(132)는 모터(133) 및, 선택적으로, 제1 유성 트랜스미션(148)과 같은 트랜스미션, 그리고 더 선택적으로, 제2 유성 트랜스미션(170)과 같은 제2 트랜스미션을 포함할 수 있다. 모터(133)는 회전 축(140)을 중심으로 하는 회전을 위해서 일차적인 토크를 출력 부재(138b)에 인가하도록 동작될 수 있고, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)(예를 들어, 쿼지-패시브 선형 공압 탄성 액츄에이터)는 클러치식 조인트 모듈의 회전 중에 에너지를 저장하도록, 그리고 모터(133)에 의해서 인가된 일차적인 토크와 함께 출력 부재(138b)에 인가될 수 있는 증강 토크 형태로 에너지를 방출하도록 선택적으로 동작될 수 있다(2개의 토크가 조합되어 출력 부재(138b)를 통해서 출력을 생성한다).
쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)를 포함하는 클러치식 조인트 모듈(130)을 가지는 하나의 예시적인 구성에서, 클러치 기구(136)는 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134) 및 증강 토크의 제동력 또는 인가의 발생을 선택적으로 제어하도록 동작될 수 있다. 사실상, 제동력은 일부 동작 시나리오(예를 들어, 일차적인 액츄에이터가 일차적인 토크 생산을 위해서 액티브이거나 액티브가 아닌, 그러나 조인트의 회전이 요구되는 시나리오)에서 조인트의 회전을 제한하기 위해서 생성될 수 있거나, 증강 토크가 생성되고, 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 출력 부재 및 조인트의 회전을 돕기 위해서 일차적인 토크와 조합되어 인가될 수 있다.
더 구체적으로, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)는 (탄성 또는 반-탄성 구성 또는 모드 또는 상태에 있을 때) 클러치 기구(136)가 결합되거나 반-결합될 때 (예를 들어, 회전이 일차적인 액츄에이터를 이용하여 액티브적으로 실행되거나, 회전을 유도하는 일부 다른 외부적 인가 힘의 중력의 영향 하에서의 조인트의 회전과 같이, 패시브적으로 실행되는 경우) 입력 부재(138a)의 회전 시에 선택적으로 에너지를 저장하거나 제동력을 생성하도록 동작될 수 있고, (또한 탄성 또는 반-탄성 구성 또는 모드 또는 상태에 있을 때) 일차적인 액츄에이터(132), 이러한 경우에 모터(133)에 의해서 인가된 일차적인 토크와 병렬로 출력 부재(138b)에 증강 토크를 인가하기 위해서 클러치 기구(136)가 결합되거나 반-결합될 때 입력 부재(138a)의 (에너지 저장을 위한 회전과 동일한 또는 상이한 방향으로의) 회전 시에 선택적으로 에너지를 방출하도록 동작될 수 있다. 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)는, 클러치 기구(136)가 선택적으로 분리될 때, (비탄성 구성 또는 모드 또는 상태에 있을 때) 조인트의 회전 중에 에너지를 저장하지도 않고 방출하지도 않도록 더 동작될 수 있다. 이러한 비탄성 상태에서, 입력 부재(138a)는 출력 부재(138b)에 대해서 "자유 스윙"되고, 이는, (쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)가 출력 부재(138b)에 대한 입력 부재(138a)의 회전을 제한할 수 있는 강성 값을 가지지 않도록) 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)를 통해서 클러치식 조인트 모듈(130) 내에서 무시할 수 있는 저항이 인가된다는 것을 의미한다. 클러치 기구(136)는 또한 임의의 저장된 에너지를 소산(dissipate)시키기 위해서 (즉, 제동력이 더 이상 필요치 않을 때와 같이, 생성된 임의의 제동력을 소산시키기 위해서) 결합 또는 반-결합 상태로부터 분리 상태로 이동될 수 있다. 따라서, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)는 클러치 기구(136)의 동작을 통해서 탄성 상태, 반-탄성 상태, 및 비탄성 상태 사이에서 선택적으로 스위칭될 수 있다. 하나의 장점은, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)가, 선택된 시간에, 모터(133)에 의해서 인가된 일차적인 토크와 병렬로 증강 토크를 인가하게 할 수 있고, 이는 조합된 토크를 출력 부재(138b)에 인가하고, 그에 의해서 일차적인 액츄에이터(132)의 동력 요건/요구를 감소시킨다는 것이다. 증강 토크의 장점을 가지고, 선택된 모터(133)가, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)에 의해서 인가된 그러한 증강 토크의 보조가 없는 로보틱 시스템에 의해서 달리 요구될 수 있는 것 보다, 작은 크기 및 작은 동력 소산을 가질 수 있다.
본원에서 설명된 예에서, "선택적"은, 예를 들어, 제동력의 크기 및 타이밍을 변경하기 위해서, 쿼지-패시브 액츄에이터의 탄성 구성요소의 압축의 크기 및 타이밍 그리고 에너지를 내부에 저장 및 방출하는 것을 변경하기 위해서, 또는 로보틱 시스템의 상이한 동작 조건들, 동작 상태들, 상이한 요구들에 따라 또는 조작자의 희망에 따라 일차적인 액츄에이터에 의해서 발생된 일차적인 토크의 크기 및 타이밍을 변경하기 위해서 클러치식 조인트 모듈이 실시간으로 제어될 수 있다는 것을 의미할 수 있다. 선택적인 제어는, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터가 모든 시간 또는 일부 시간 또는 희망하는 지속 시간 동안 일차적인 액츄에이터와 협력적으로 동작될 수 있다는 것을 의미할 수 있다. 또한, "선택적"은, 예에서, 클러치식 조인트 모듈의 하나 이상의 동작 매개변수 또는 출력 성능이 필요에 따라 또는 희망에 따라 실시간으로 제어되고 변경될 수 있다는 것을 의미할 수 있다. 동작 매개변수 또는 출력 성능은, 비제한적으로, 인가되는 증강 토크의 크기, 발생된 제동력의 크기, 탄성 액츄에이터의 강성 또는 탄성, 탄성 액츄에이터의 작동의 영 또는 무효 지점, 및 기타를 포함할 수 있다.
예에서, "반-결합된"은, 일부 미끄러짐이 클러치 기구 내에서 발생되도록(즉, 클러치 기구를 통해서 클러치의 입력부로부터 클러치의 출력부까지 1:1 미만의 힘 전달이 존재하고, 그에 따라 클러치 기구가 서로 상대적으로 이동되지 않는(rigid) 시스템으로서 작용하지 않도록) 클러치 기구가 결합되었으나, 완전히 결합되지도 분리되지도 않는다는 것을 의미할 수 있다. 예를 들어, 입력 플레이트 및 출력 플레이트와 같은 복수의 플레이트를 가지는 클러치 기구의 경우에, 반-결합 상태는, 플레이트들이 그러한 플레이트들을 함께 어느 정도 압축할 수 있을 정도로 충분한 압축력 하에 있으나, 어느 정도의 상대적인 이동(즉, 미끄러짐)이 플레이트들 사이에서 발생되고 (즉, 플레이트들은 함께 회전하도록 완전히 결속되지 않고 그들 사이의 이동이 완전히 제한되지 않고) 마찰력(예를 들어, 이용 가능한 제동력)이 그들 사이에서 발생되는 것을 의미할 것이다. 본원에서 사용된 바와 같이, "결합 상태"라는 용어는 반-결합 상태를 포함할 수 있는데, 이는, 이들이 또한 클러치 기구의 적어도 부분적으로 결합 상태를 설명할 뿐만 아니라, 미끄러짐의 양 그리고 그에 따라 제동력(또는 증강 토크)의 양을, 무시할 수 있는 제동력이 발생되는 분리 상태와 클러치가 서로 상대적으로 이동되지 않는 연결 부재를 모델링하는 완전 결합 위치 사이에서, 제어할 수 있고 변경할 수 있는 클러치 기구를 설명하는 것을 의미하기 때문이다.
쿼지-패시브 액츄에이터가 동작의 "반-탄성 상태" 또는 모드에 진입되는 예에서, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터는, 에너지의 양을 저장하고 방출될 수 있게 하기 위해서 또는 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터가 완전 탄성 상태에 있는 경우에 달리 달성될 수 있는 것 보다 적은 제동력의 크기가 발생될 수 있게 하기 위해서, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터의 탄성 또는 스프링 구성요소를 부분적으로 압축하도록 작동될 수 있다. 달리 말해서, "반-탄성"은, 조인트의 회전으로 인해서, (예를 들어, 클러치 기구가 반-결합 상태에 있기 때문에) 입력 부재와 출력 부재 사이에 결합된 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터에 대한 1:1 미만의 에너지 또는 힘의 전달이 있는 상태를 설명한다. 본원에서 사용된 바와 같이, "반-탄성"은 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터의 탄성 구성요소의 고유 탄성 성질(즉, 탄성)을 지칭하기 위한 것이 아니고, 단지 탄성 구성요소의 압축 정도를 지칭하기 위한 것이다.
일 예에서, 모터(133)는 고성능 영구자석 무브러시 DC 모터(PM-BLDC)일 수 있고, Allied Motion이 판매하는 전기 모터 MF0127-032와 같은, 그러한 모터는 48 VDC 공급 및 고성능 COTS 제어기를 이용한 동작 중에 희망 최대 토크 및 속력을 달성하기 위해서 최적화된 권선을 가지는 무프레임 토크 모터의 변형예일 수 있다.
도 5b를 참조하면, 모터(133)는 (상업적으로 이용 가능한 무프레임 무브러시 모터의 전형적인 방식으로) 서로 상대적으로 회전 가능한 고정자(142) 및 회전자(144)를 포함할 수 있다. 따라서, 일차적인 액츄에이터(132)의 모터(133)는 회전자(144)의 중앙 지역 주위에 원통형 공극(146)을 포함한다. 유리하게, 제1 유성 트랜스미션(148)은 모터(133)의 원통형 공극(146) 내에 (적어도 부분적으로) 배치될 수 있고, 이는 낮은-프로파일의 콤팩트한 기어형 모터 구성을 제공하는데, 이는, 도시되고 설명된 바와 같이, 제1 유성 트랜스미션(148) 및 모터(133)가 함께 패키지화되기 때문이다.
본 예에서, 제1 유성 트랜스미션(148)은 4:1 기어형 트랜스미션을 포함할 수 있다. 따라서, 일 예에서, 제1 유성 트랜스미션(148)은 외부 하우징(150)의 개구(152)를 통해서 체결부(미도시)에 의해서 회전자(144)에 부착된 외부 하우징(150)을 포함할 수 있다. 외부 하우징(150)은 외부 하우징(150)의 내부 표면 주위에 형성된 내부 기어 치형부(156)를 포함할 수 있다. 그러한 기어 치형부(156)는 제1 유성 트랜스미션(148)의 4개의 유성 기어(158)의 각각의 상응하는 기어 치형부와 결합되도록 구성될 수 있다. 태양 기어(160)는 4개의 유성 기어들(158) 사이에서 중앙에 그리고 회전 축(140)을 따라 배치될 수 있고, 태양 기어(160)는 4개의 유성 기어(188)의 각각의 치형부에 결합된 치형부를 포함한다(도 5c 참조).
도 5c를 참조하면, 유성 기어(158)는 그 자체의 중앙 축을 중심으로 그리고 태양 기어(160) 주위로 회전된다. 운반체 플레이트(162)는 체결부(166)를 통해서 4개의 운반체 핀(164)에 체결될 수 있다. 유성 기어(158)는 각각의 유성 기어(158)의 중공형 본체를 통해서 각각의 운반체 핀(운반체 핀(164) 참조)을 회전 가능하게 수용하는 중공형 관형 본체를 각각 포함할 수 있다. 유성 기어(158) 각각은 전방 부싱(168a) 및 후방 부싱(168b)을 통해서 각각의 운반체 핀(164)에 대해서 회전 가능하게 인터페이스될 수 있다. 전달 휠(165)은 둘레 체결부(167)를 통해서 회전자(144)에 체결될 수 있고, 전달 휠(165)은 태양 기어(160)에 결합된 중앙 결합 부분(169)을 포함할 수 있다. 그에 따라, (예를 들어, 클러치식 조인트 모듈의 회전을 유발하도록 동작될 수 있는 제어기로부터) 일차적인 제어 신호를 수신할 때, 모터(133)는 회전 축(140)을 중심으로 회전자(144)를 회전시키고, 이는 전달 휠(165)을 회전시키고, 그에 의해서 태양 기어(160)가 회전되게 하며, 그에 의해서 유성 기어(158)를 회전시킨다. 전달 휠(165)이 도 5b 및 도 5d에만 도시되어 있다는 것을 주목하여야 한다.
유성 기어(158)는 제2 유성 트랜스미션(170)을 구동하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 유성 기어(158)는 운반체 핀(164)을 통해서 제2 유성 트랜스미션(170)의 보충적인 태양 기어(172)에 결합될 수 있다. 따라서, 보충적인 태양 기어(172)의 회전 시에, 유성 기어(174)가 회전되고(도 5b), 이는 운반체(176)(즉, 제2 유성 트랜스미션(170)의 출력부)를 회전시킨다(도 5d). 따라서, 제2 유성 트랜스미션(170)의 외부 링(178)은, 지지 하우징 또는 프레임(미도시)을 통해서 모터(133)에 결합될 수 있는 정지적인 구성요소를 포함한다. 운반체(176)의 회전이 출력 부재(138b)의 회전을 유발하도록, 운반체(176)가 출력 부재(138b)에 결합될 수 있다.
전체가 본원에서 참조로 포함되는, ___________일자로 출원된 미국 특허출원 제___________호(Attorney Docket No. 4000-16.1113.US.NP)의 도 5a와 관련하여 설명된 것과 같은 지지 프레임을 이용하여 유사한 방식으로 본 개시 내용의 일차적인 액츄에이터(132), 이차적인 유성 트랜스미션(170), 및 클러치 기구(136)를 수용하고 구조적으로 지지할 수 있다.
유성 트랜스미션 및 제2 유성 트랜스미션(170)과 같은 다른 유형의 트랜스미션이 공지되어 있고 상업적으로 이용 가능하다. 클러치식 조인트 모듈 내로 통합될 수 있는 유성 트랜스미션의 하나의 그러한 예로서, 중량이 단지 500 그램인, 118 N-m 피크 토크를 가지는 2.95 인치 외경의 4:1 기어형 유닛인, Matex의 75-4MLG12이 있다. 트랜스미션을 제공하는 것의 다른 장점은, 일 예에서, 트랜스미션(예를 들어, 148, 170)이 모터(133)(그리고 결과적으로 조인트 모듈(130))회전 축(140)과 인-라인이 되도록 또는 동일 선상에 있도록 배치될 수 있고, 이는 콤팩트한 장착 구성을 가능하게 한다는 사실이다. 다른 예는 클러치식 조인트 모듈의 하나 이상의 다른 구성요소로부터 오프셋된 트랜스미션을 위치시킬 수 있고, 트랜스미션은 일차적인 액츄에이터로 동작될 수 있다.
도 5d를 참조하면, 운반체(176)의 회전이 회전 축(140)을 중심으로 하는 출력 부재(138b)의 회전을 유발하도록, 출력 부재(138b)는 운반체(176)의 중앙 부분에 부착된 샤프트일 수 있다. 이러한 것은 제한적인 것이 아닌데, 이는 다른 출력 부재 구성이 가능할 뿐만 아니라 이들이 어떻게 운반체(176)와 인터페이스하는지 그리고 이들이 어떻게 운반체(176)에 결합되는지가 고려되기 때문이다. 이는 (제1 유성 트랜스미션(148)의 출력 회전으로부터 출력 부재(138b)의 출력 회전까지) 4:1의 기어형-감속 트랜스미션 배열을 제공한다. 따라서, 본 예는 모터(133)로부터 출력 부재(138b)까지 16:1의 최종적인 구동 트랜스미션을 제공한다. 4:1 트랜스미션 대신에, 3:1 유성 기어 체계와 같은 다른 유성 트랜스미션 유형 및 기어 감속 체계를 이용할 수 있다. 출력 부재(138b)가 중실형(solid) 본체 샤프트로 대략적으로 도시되어 있지만, 출력 부재는, 예를 들어, 제2 유성 트랜스미션(170)과 그리고 로보틱 지지 부재와 인터페이스하기 위한 다른 적합한 형태 및 구성을 취할 수 있다는 것을 주목하여야 한다.
높이를 줄이기 위해서, 그리고 다른 장점을 제공하기 위해서, 제1 유성 트랜스미션(148)이 모터(133)의 회전자의 내측에 배치되도록 구성될 수 있다. 선택된 모터에 따라서, 회전자의 내경이 유성 트랜스미션의 최대 외경을 결정할 수 있다. 일단 유성 링이 그 외경에 의해서 구속되면, 이용 가능한 기어비 및 출력 토크에 대한 선택량이 제한된다. 출력 비율은 링 기어 상의 치형부의 수 대 태양 기어 상의 치형부의 수의 비율로부터 결정된다. 유성 유닛의 콤팩트한 설계에서 더 큰 감속을 획득하기 위해서, 태양 기어 직경이 감소될 수 있고, 이는 일반적으로 작은 동력 트랜스미션에 상응한다. 큰 토크를 전달할 수 있는 능력은 태양 기어가 작을수록 감소된다. 모터 회전자 내측에 물리적으로 끼워질 유성 유닛에 대해서, 감속 및 강도의 균형이 고려될 수 있다. 나선형으로 컷팅된 기어를 구현하는 것에 의해서, 유닛을 더 강하게 만드는 기어 치형부 상에서 더 큰 힘이 전달될 수 있다. 더 넓은 치형부가 또한 기어의 하중 지탱 능력을 개선할 것이나, 이는 중량을 또한 증가시킨다. 유성 트랜스미션의 다수의 스테이지가 계층화되어(예를 들어, 148 및 170) 비교적 콤팩트한 패키지 내에서 매우 큰 기어 감속을 생성할 수 있다. 또한, 태양 기어는 몇 개의 치형부와 동시에 접촉되도록 구성될 수 있고, 접촉 비율은 통상적인 스퍼 기어 트랜스미션 보다 상당히 클 것이다. 일부 예에서, 단일 스테이지 유성 트랜스미션은 약 97%의 효율을 달성할 수 있다. 더 큰 RPM에서, 특히 다수 스테이지 유성 유닛의 경우에, 기어 소음이 문제될 수 있다. 유성 기어의 다른 장점은, 트랜스미션이 모터와 인-라인으로 배치될 수 있다는 것이며, 이는 로봇 또는 로보틱 조립체의 조인트 모듈 내의 콤팩트한 장착 구성을 가능하게 한다는 사실이다.
유리하게, 모터(133), 제1 및 제2 유성 트랜스미션(148 및 170), 그리고 출력 부재(138b)는, 클러치식 조인트 모듈(130)의 회전 축(140)(즉, 로봇 또는 로보틱 조립체의 상응하는 조인트의 회전 축)과 실질적으로 동일한 회전 축을 중심으로 각각 동작되거나 회전될 수 있고, 그러한 회전 축은, 일부 경우에, 외골격 내의 조작자와 같은 인간의 조인트의 회전 축에 또한 상응할 수 있다. 달리 말하면, 모터(133), 제1 및 제2 유성 트랜스미션(148 및 170), 그리고 출력 샤프트(138b)의 각각의 회전 축은 회전 축(140)과 동일 선상에 또는 실질적으로 동일 선상에 있도록 배열될 수 있다. 이는, 그러한 구성요소의 질량을 특별한 조인트의 회전 축에 근접하여 또는 가까이에 위치시키며, 이는 조인트를 작동시키기 위한 모터(133)에 의한 동력 요건을 더 감소시킨다.
도 5a 내지 도 5e의 예시된 예에서, 출력 부재(138b)는 유성 트랜스미션(148 및 170)을 통해서 매우 적은 소음 및 백래시(backlash)로 저속으로 비교적 큰 토크를 인가하고, 이들 모두는 유성 트랜스미션(148)이 모터(133)의 공극(146) 내에 수용되고 그리고 모터(133) 그리고 제1 및 제2 유성 트랜스미션(148 및 170) 모두의 계층형 배열이 회전 축(140) 따라서 배열되고, 회전 축(140)을 중심으로 또는 그 주위로 동작되기 때문에 콤팩트한 형태이다.
특히 도 5b 내지 도 5e를 참조하면, 그리고 앞서서 설명된 바와 같이, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)는, 일차적인 액츄에이터(132)에 의해서 인가된 토크와 함께 출력 부재(138b)를 회전시키기 위한 증강 토크를 인가하도록, 또는 클러치식 조인트 모듈 내에서 제동력을 생성하도록 동작될 수 있다. 일 예에서, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)는 하우징(180), 및 하우징(180)에 결합되고 로봇 또는 로보틱 조립체(예를 들어, 도 4c의 105f)의 사지 내에서 조인트의 일부로서 로보틱 지지 부재에 피봇식으로 결합될 수 있는 로보틱 지지 부재 인터페이스(182)를 포함하는 선형 공압 스프링일 수 있다. 로보틱 지지 부재 인터페이스(182)는 하우징(180)을 그러한 로보틱 지지 부재에 결합할 수 있는 하나 또는 두 개의 베어링, 체결부, 또는 다른 결합 장치(들)일 수 있다.
쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)는 일 단부에서 클러치 기구(136)의 결합 부분(195)에 피봇식으로 결합된 피스톤 로드(184)를 포함할 수 있다. 다른 단부 상에서, 피스톤 로드(184)는 하우징(180) 내에서 활주 가능하게 지지되는 피스톤 실린더(186)에 결합될 수 있다. 따라서, 하우징(180)은 피스톤 실린더(186)에 인접한/위의 압축 가스 챔버(188) 및 피스톤 실린더에 인접한/아래의 팽창 챔버를 포함할 수 있고, 이들 챔버는 피스톤 실린더(186)에 의해서 밀봉된다. 도시된 바와 같이, 피스톤 로드(184)는 회전 축(140)에 대한 중심-외에서 클러치 기구(136)에 피봇식으로 결합될 수 있다. 따라서, 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 그리고 쿼지-패시브 액츄에이터(134)를 탄성 또는 반-탄성 상태로 배치하기 위해서 클러치 기구(136)가 결합되거나 반-결합 상태에서, 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 로보틱 지지 부재(예를 들어, 도 4c의 105f)의 상향 이동 시에, 예를 들어, 하우징(180)이 하향 이동될 수 있고, 이는 피스톤 실린더(186)가 하우징(180) 내에서 상향 병진운동되게 하며, 이는 가스 압축 챔버(188) 내의 가스가 압축되게 하고, 그에 의해서 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134) 내에 에너지를 저장한다. 또한, 이러한 작용을 이용하여 제동력을 생성할 수 있다(즉, 탄성 요소의 압축은, 입력 부재에 대한 출력 부재의 이동을 제한하기 위해서 이용될 수 있는 힘을 생성한다). 또한, 일단 저장되면, 본원에서 설명된 바와 같이, 에너지는 (클러치 기구(136)를 분리하는 것에 의해서) 제동력으로서 이용되지 않거나 증강 토크를 인가하기 위해서 이용되지 않고 임의 시간에 소산될 수 있거나, (클러치 기구(136)를 적어도 부분적으로 결합되게 유지하는 것에 의해서) 모터(133)에 의한 일차적인 토크와 조합될 수 있는 증강 토크를 인가하기 위해서 방출될 수 있다. 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)가 도 5b에서 다소 개략적으로 도시되어 있으나, 이는 가스 압력 에너지를 적절히 압축하고 방출하기 위한 공지된 선형 공기 스프링 액츄에이터의 다른 다양한 특징을 가질 수 있다는 것을 주목하여야 한다. 또한, 이하에서 설명되는 바와 같이, 공압 또는 액체 탄성 요소를 포함하는 것, 기계적 탄성 요소를 포함하는 것, 그리고 기타와 같은, 다른 유형의 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터가 통합될 수 있다.
일반적으로, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)는, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)에 의해서 인가되는 증강 토크의 인가를 선택적으로 제어하기 위해서, 클러치 기구(136)의 동작을 통해서 (반-탄성 구성 또는 상태를 포함하여) 탄성 구성 또는 상태와 비탄성 구성 또는 상태 사이에서 스위칭될 수 있다. 일 예에서, 도 5b, 도 5d, 및 도 5e를 참조하면, 클러치 기구(136)는, 체결부(194)를 통해서 함께 결합된 제1 지지 프레임(192a) 및 제2 지지 프레임(192b)을 포함하는 클러치 하우징(190)을 포함하는 다수-플레이트 클러치 기구를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 지지 프레임(192a 및 192b)의 각각은 출력 부재(138b)를 수용하고 통과를 허용하기 위한 중앙 개구부를 포함한다(도 5b). 복수의 입력 플레이트(196a)(예를 들어, 총 4개)가 클러치 하우징(190)에 의해서 유지된다. 즉, 제1 지지 프레임(192a)은, 클러치 하우징(190)에 대한 입력 플레이트(196a)의 이동을 제한하기 위해서 각각의 입력 플레이트(196a)의 둘레 플랜지(191)를 수용하고 유지하는 둘레 유지 특징부(201)(예를 들어, 슬롯 또는 함몰부)를 포함할 수 있다. 복수의 출력 플레이트(196b)(예를 들어, 총 4개) 각각이 인접한 입력 플레이트들(196a)과 활주 가능하게 또는 마찰식으로, 그리고 도 5e에 가장 잘 도시된 바와 같이 교번적인 방식으로, 인터페이스될(즉, 사이에 개재될) 수 있다. 출력 플레이트(196b) 각각은, 제1 지지 프레임(192a)의 곡선형 내부 표면 내에서 활주 가능하게 지지되는 곡선형 둘레를 가질 수 있다. 각각의 출력 플레이트(196b)는, 출력 부재(138b)의 스플라인형 부분(splined portion)(199)과 결합되는 스플라인형 중앙 개구(193)를 포함할 수 있다(도 5b 및 도 5d).
도 5d를 참조하면, 액츄에이터(197)가 동작되어 클러치 기구(136)를 결합 상태, 반-결합 상태, 및 분리 상태 사이에서 스위칭할 수 있다. 일 예에서, 액츄에이터(197)는, 입력 및 출력 플레이트(198a, 198b)에 선택적이고 가변적인 힘을 인가하도록 동작될 수 있는 유형을 포함할 수 있다. 액츄에이터(197)는, 액츄에이터(197)를 통해서 클러치 기구(136)의 동작을 제어하는 컴퓨터 시스템의 제어기와 (유선 또는 무선으로) 통신하는 수신기를 가지는 전기 모터를 포함할 수 있다. 따라서, 클러치 제어 신호를 수신할 때, 액츄에이터(197)는 입력 플레이트(196a)가 출력 플레이트들(198b) 사이에서 압축되게 하여, 입력 부재(138a)에 대한 출력 부재(138b)의 회전을 제한할 수 있다(이하에서 더 설명). 이는 입력 플레이트(198a)가 클러치 하우징(190)에 의해서 유지됨에 따라 달성되고, 그에 따라 출력 플레이트(198b)가 각각의 입력 플레이트들(196a) 사이에서 압축될 때, 인접한 입력 및 출력 플레이트(198a 및 198b) 사이의 제동 마찰력은 입력 플레이트(198a)에 대한 출력 플레이트(196b)의 회전을 제한한다. 일 양태에서, 클러치 기구(136)가 결합 상태에서 동작될 때, 입력 플레이트(198a)와 출력 플레이트(198b) 사이의 이동이 완전히 제한될 수 있다(즉, 클러치가 완전히 결합될 수 있다). 결과적으로, 이는 출력 부재(138b)에 대한 입력 부재(138a)의 회전을 제한하고, 그에 따라 (출력 플레이트(198b)가 출력 부재(138b)와 결합되기 때문에) 이들이 동일한 회전 방향 및 속력으로 함께 회전된다. 다른 양태에서, 클러치 기구(136)가 반-결합 상태에서 동작될 때, 입력 플레이트(198a)와 출력 플레이트(198b) 사이의 이동은 입력 및 출력 플레이트(198a, 198b)에 작은 압축력을 인가하는 액츄에이터(197)에 의해서 부분적으로 제한될 수 있고, 그에 따라 입력 플레이트(198a)와 출력 플레이트(198b) 사이의 약간의 이동이 촉진되거나 발생되도록 유도된다. 결합 또는 반-결합 상태에서, 클러치 기구(136) 및 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)는 브레이크로서 기능할 수 있거나, 다시 말해서, 조인트 모듈 내에서 에너지를 소산시키도록 동작할 수 있는 제동력을 제공할 수 있거나, 이들이 출력 부재에 증강 토크를 인가하도록 기능할 수 있다. 액츄에이터(197)에 의해서 입력 및 출력 플레이트(198a, 198b)에 인가되는 압축력의 크기 및 정도는 액츄에이터(197)에 의해서 발생되고 인가되는 힘의 양을 제어하거나 변경함으로써 실시간으로 동적으로 제어될 수 있다. 분리 상태에서, 클러치 기구(136)는 입력 플레이트(198a)와 출력 플레이트(198b) 사이의 이동을 제한하도록 의도되지 않는다.
더 구체적으로, 액츄에이터(197)는, 플레이트들을 함께 압축하기 위해서 압축력을 인가할 때, 그리고 플레이트들 사이의 압축을 해제하기 위해서 압축력을 제거할 때, 이원적인 장치로 구성되고 제어될 수 있다(즉, 클러치는 온/결합 또는 오프/분리가 된다). 대안적으로, 액츄에이터(197)는 아날로그 장치로서 구성되고 제어될 수 있고, 이는, 제동력을 생성하기 위해서 가변적인 정도로 플레이트들을 압축하기 위해서 그리고 댐핑 또는 제동 목적을 위해(즉, 클러치 기구(136)는 반-결합 상태에 있고, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)는 반-탄성 상태에 있다) 더 제어된 방식으로 에너지를 점진적으로 저장하는 것 또는 저장 에너지를 소산/방출하는 것을 돕기 위해서, 가변적인 힘이 액츄에이터(197)에 의해서 인가될 수 있다는 것을 의미한다. 하나의 예시적인 동작 시나리오에서, 클러치 기구(136)는 완전 결합 또는 반-결합되고, 그에 따라 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)는 적어도 부분적으로 에너지를 저장한다. 이러한 저장된 에너지는 (예를 들어, 일차적인 액츄에이터가 인액티브이고 일차적인 토크를 생성하지 않으나, 조인트의 회전이 여전히 요구되거나 필요한 경우(예를 들어 중력 영향 하의 또는 로보틱 시스템에 대한 약간의 외부 인가된 힘에 응답한 조인트의 회전)) 출력 부재의 회전을 제한할 수 있는 제동력을 생성하는 기능을 할 수 있고, 또는 그러한 에너지는 일차적인 액츄에이터를 보조하기 위한 증강 토크로서 방출될 수 있다. 또한, 증강 토크로서 에너지를 방출하는 경우에, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)가 (예를 들어, 자세 펼침 중에) 탄성 또는 반-탄성 상태에서 에너지를 방출할 때, 액츄에이터(197)는 플레이트들을 약간 압축하여 플레이트 주위에 점진적인 "제동력"을 생성하도록 동작되거나 이동될 수 있고, 그에 따라 증강 토크가 제어되고 점진적인 방식으로 폐기 또는 인가될 수 있다. 이는, (외골격의 경우에, 조작자에게 불편함을 유발할 수 있고 외골격 사지의 희망 유체/자연적 이동을 방해할 수 있는) 작동의 초기 스테이지에서 조인트를 너무 빨리 그리고 너무 빠른 속도로 작동시킬 수 있는 로보틱 시스템 내에서 토크를 인가할 가능성을 감소시키는데 도움을 줄 수 있다. 이는 또한, 로보틱 시스템의 하나 이상의 클러치식 조인트 모듈의 플레이트에 의해서 인가되는 제동력의 양을 제어하는 것에 의해서 제어된 방식으로 하중체를 하강시키는 것이 바람직한 경우에, 로보틱 시스템으로 하중체를 하강시킬 때 유리할 수 있다. 또한, 외골격의 경우에, 이는 또한, 외골격을 착용한 조작자가 하중체를 들어 올리는 동안의 숙인 자세로부터 이동할 때 유리할 수 있고, 여기에서 자세 펼침이 더 느리거나 제어될 필요가 있을 수 있다. 그러한 경우에, 고관절 및/또는 무릎 클러치식 조인트 모듈의 클러치의 플레이트는 이어서 연관된 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터에 의해서 방출되는 저장 에너지를 제어 가능하게 소산시키기 위한 브레이크로서 제어될 수 있다.
추가적인 설명으로서, 그리고 추가적으로 설명하기 위해서, 클러치 기구(136)의 다수-플레이트 구성이 브레이크로서 작용할 수 있다. 이는 입력 및 출력 플레이트(198a, 198b)에 인가된 압축력을 제어하는 것에 의해서 달성되고, 그에 따라 동작의 유리한 에너지 절감 모드를 제공한다. 예를 들어, 제동력을 제어하는 것에 의해서, 로보틱 시스템이 일차적인 액츄에이터에 의해서 인가되는 (일부 경우에 영일 수도 있는) 토크 및 제동력을 동시에 제어함으로써 중력을 받는 하중체를 하강시키게 할 수 있고, 그에 따라 매우 효율적인 동작 모드를 제공한다. 제어된 제동은 또한 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터의 탄성 구성요소 내에서 에너지를 저장하기 위해서 이용될 수 있다. 예를 들어, 외골격 조작자는, 쪼그려 앉는 위치를 취하는 도중에 그의 중량의 일부가 외골격에 의해서 지지되게 함으로써, 쪼그려 앉는 위치로 스스로를 하강시킬 수 있다. 이러한 프로세스에서, 에너지는, 제동력을 제어함으로써 토크를 제어하는 동안, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터 내에 저장될 수 있다. 이어서, 에너지의 적어도 일부는 로보틱 장치가 직립 위치로 이동되는 동안 회수될 수 있고, 필요한 경우에, 부가적인 토크가 일차적인 액츄에이터에 의해서 제공될 수 있으며, 그러한 부가적인 토크는 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터에 의해서 생산된 토크와 조합될 수 있다. 후자의 예에서, 클러치 기구(136)는 브레이크로서 또는 클러치로서, 또는 양자 모두로서 이용될 수 있다.
결합 상태 또는 반-결합 상태의 클러치 기구(136)에서, 따라서, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)는 탄성 상태 및 반-탄성 상태 각각에서 동작될 수 있고, 그에 따라 출력 부재(138b)에 대한 입력 부재(138a)의 이동 시에 에너지를 저장 또는 방출할 수 있다. 역으로, 클러치 제어 신호의 수신 시에, 액츄에이터(197)는 클러치 기구(136)를 분리 상태로 배치하도록 동작될 수 있다. 즉, 액츄에이터(197)는 플레이트로부터 압축력 및 압력을 제거 또는 해제하도록 동작되며, 그에 의해서 입력 및 출력 플레이트(198a, 198b)가 서로에 대해서 자유롭게 회전될 수 있게 한다. 이는 출력 부재(138b)에 대한 입력 부재(138a)의 "자유" 회전을 허용하고, 그에 따라 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)를 그 비탄성 구성에 배치하며, 그러한 비탄성 구성에서 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)는 에너지를 저장하지도 방출하지도 않고, 오히려 그 기능이 패시브적이고, 여기에서 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터는 조인트 모듈의 동작에 상당한 영향이나 효과를 미치지 않는다("자유-스윙" 모드). 따라서, 클러치 기구(136)가 분리될 때, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)는 이러한 "자유-스윙" 모드에서 무시할 수 있는 저항을 가하고, 그에 따라 입력 부재(138a) 및 출력 부재(138b)가 최소 저항으로 서로에 대해서 자유롭게 회전될 수 있다.
도 5d에서, 액츄에이터(197)는 클러치 기구(136)의 일부와 함께 동작 가능한 상자로서 일반적으로 도시되어 있다는 것을 주목하여야 한다. 이는, 관련 기술 분야의 통상의 기술자가 인지할 수 있는 액츄에이터가 많은 형태 및 구성을 취할 수 있다는 것을 일반적으로 나타낸다. 예를 들어, 액츄에이터(197)는, 플레이트들(198a 및 198b)을 함께 압축하여 그들 사이의 상대적인 이동을 부분적으로 또는 완전히 제한하기 위해서뿐만 아니라, 임의의 압축력을 제거하기 위한 그들의 확장을 돕기 위해서, 입력 플레이트(196a)에 대해서 편향력 또는 압축력을 가하고 제거하기 위해서 모터에 의해서 작동될 수 있는, 회전 가능한 캠 부재, 램프형(ramped) 링 부재, 또는 다른 적합한 가동형 장치와 같은, 연관된 가동형 부재를 가지는 전기 모터를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 액츄에이터(197)는 압전 액츄에이터, 유전체 액츄에이터, 전자기 액츄에이터, 또는 다른 유사한 저-동력 액츄에이터를 포함할 수 있다. 따라서, 제어기로부터 액츄에이터(197)로 클러치 제어 신호를 송신할 때, 액츄에이터(197)는, 플레이트(198a 및 198b)에 압축력을 인가(또는 제거)하기 위해서 가동형 부재가 작동되게 할 수 있다. 다른 예에서, (액츄에이터(197)의 전기 모터에 의해서 작동 가능한) 가동형 부재는 (자전거 디스크 브레이크에서 확인되는 것과 다소 유사한) 집합적인 플레이트(198a 및 198b)의 양 측면 상에 배치되는 힘 인가 장치를 포함할 수 있고, 그에 따라 액츄에이터(197)의 작동은 압축력이 플레이트(198a 및 198b)의 양 측면으로부터 플레이트(198a 및 198b)의 집합체에 인가되게 할 수 있고, 이는 플레이트의 마모 감소에 도움을 줄 수 있다. 일 양태에서, 플레이트(198a 및 198b)는 테프론-함침형 알루미늄, 복합체, 플라스틱, 중합체, 특정 금속, 및 기타를 포함할 수 있다.
따라서, 출력 부재(138b)에 대한 입력 부재(138a)의 제1 회전 시에, 클러치 기구(136)가 결합될 때(즉, 플레이트(198a 및 198b)가 압축될 때), 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)는 (전술한 바와 같이) 에너지를 저장한다. 그러한 회전 이동은, 예를 들어 도 2의 지점(B)과 지점(C) 사이의 보행 주기 중에, 제1 로보틱 지지 부재(예를 들어, 104e)가 제2 로보틱 지지 부재(예를 들어, 104d)를 중심으로 회전되게 하는 (예를 들어, 하나 이상의 클러치식 조인트 모듈을 포함하는 하부 신체 외골격의) 보행 이동의 결과일 수 있다. (예를 들어, 도 2의 지점(A) 내지 지점(B) 사이의 104e 및 104d의) 제2 회전 시에, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)는, 클러치 기구(136)가 그 결합 또는 반-결합 상태에서 제어/유지될 때, 그 저장 에너지를 방출할 수 있고, 이는, 앞서서 구체적으로 설명한 바와 같이, 출력 부재(138b)의 회전을 돕기 위해서 일차적인 액츄에이터로부터의 일차적인 토크와 조합하기 위한 증강 토크의 인가를 돕는다. 제1 및 제2 회전은 동일한 또는 상이한 방향들일 수 있다.
동시에 (그리고 출력 부재(138b)에 대한 입력 부재(138a)의 제2 회전 시에), 일차적인 액츄에이터(132)는, 출력 부재(138b)를 그 회전 축(140)을 중심으로 회전시켜 클러치식 조인트 모듈(130)을 작동시키기 위해서, (쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)의 증강 토크와 함께) 일차적인 토크를 인가하도록 동작될 수 있다. 일차적인 액츄에이터(132)에 의해서 인가되는 토크가 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(130)를 통해서 저장/회수된 에너지를 방출하는 것에 의해서 인가되는 토크로 보충되기 때문에, 전기 모터(133)는, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터를 이용하지 않는 균등한 로보틱 조립체 내에서 달리 필요로 할 수 있는 것 보다, 더 작은 (예를 들어, 적은 동력 소산의) 모터의 그룹으로부터 선택될 수 있고, 이는, 전술한 바와 같이, 모듈(130)의 콤팩트한 구성에 기여한다.
(예를 들어, 도 2의 지점(C, D, E, F, 및 A)을 따른 104e 및 104d의) 출력 부재(138b)에 대한 입력 부재(138a)의 제3 회전 시와 같은, 선택 시간에, 클러치 기구(136)는 분리 상태로 스위칭될 수 있고(즉, 액츄에이터(197)가 인가된-압축력을 방출하고), 그에 따라 출력 플레이트(198b)는 입력 플레이트(198a)에 대해서 자유롭게 회전된다. 결과적으로, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)는 출력 부재(138b)에 대한 입력 부재(138a)의 회전 시에 에너지를 저장하지도 방출하지도 않는다(비탄성 구성). 이러한 비탄성 구성에서, 입력 부재(138a)는 출력 부재(138b)에 대해서 "자유 스윙"되고, 이는, (액츄에이터(134)가 출력 부재(138b)에 대한 입력 부재(138a)의 회전을 제한하는 강성 값을 가지지 않도록) 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)를 통해서 무시할 수 있는 저항이 인가된다는 것을 의미한다. 그에 따라, 이러한 방식으로 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)는 클러치 기구(136)의 동작을 통해서 탄성 구성 또는 상태, 반-탄성 구성 또는 상태, 그리고 비탄성 구성 또는 상태 사이에서 스위칭될 수 있고, 그에 따라 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)는 일차적인 액츄에이터(132)에 의해서 인가된 토크(즉, 일차적인 토크)와 병렬로 증강 토크를 인가하여 출력 부재(138b)를 회전시키기 위한 조합된 토크를 인가하도록, 또는 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)가 에너지를 저장도 그리고 방출도 하지 않고 일차적인 액츄에이터(132)에 의한 일차적인 토크가 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)로부터의 토크에 의해서 증강되지 않는 패시브적으로 기능하도록 동작될 수 있다.
(예를 들어, 로보틱 조인트의) 출력 부재(138b)에 대한 입력 부재(138a)의 그러한 제1, 제2, 및 제3 회전 이동의 각각은, 조인트 모듈(130)의 회전과 연관된 방향, 속력, 및/또는 힘을 감지하기 위해서 조인트 모듈(130)과 연관된 및/또는 결합된 하나 이상의 위치 및/또는 힘 센서(199)(도 5d)에 의해서 감지될 수 있다. 하나 이상의 센서는, 조인트 모듈(130)의 프레임 지지부, 입력 부재(138a) 및/또는 출력 부재(138b), 전달 휠(165), 및/또는 조인트 모듈(130)의 다른 적합한 위치와 같은, 다양한 위치에 결합될 수 있다. 하나의 예에서, 특별한 위치 센서(예를 들어, 홀 효과 센서(Hall effect sensor))가 입력 부재(138a)의 상대적인 위치를 감지할 수 있고, (전술한) 제2 회전 시에, 위치 센서는 위치 신호를 중앙 프로세싱 유닛을 가지는 컴퓨터 시스템에 통신할 수 있고, 컴퓨터 시스템은 위치 신호를 프로세스하고 이어서, 본원에서 더 설명된 바와 같이, (예를 들어) 최종적으로 클러치 기구(136)를 결합시키기 (또는 그 결합을 유지하기) 위한 적절한 클러치 신호를 클러치 액츄에이터(197)에 전달하고, 및/또는 일차적인 토크를 인가하기 위한 일차적인 액츄에이터 신호를 모터(133)에 전달한다.
클러치식 조인트 모듈(130)이 외골격의 팔의 어깨 조인트(예를 들어, 109f)로서 통합되는 예에서(도 4a), 외골격을 착용한 인간 조작자가 200 파운드 적재 하중을 들어 올리고자 하는 것을 가정한다. 조작자가 팔을 하향(예를 들어, 어깨 조인트의 "제1 회전") 이동시킴에 따라, 클러치 기구(136)는 결합 상태로 제어되고, 그에 따라 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)는 에너지를 저장한다(로보틱 팔에 가해진 중력은 또한 팔을 하강시키는 것으로 도울 수 있고, 그에 의해서 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134) 내에 에너지를 저장할 수 있다). 이어서, 조작자가 적재 하중을 잡고 상승(즉, 어깨 조인트의 "제2 회전")시키기 시작할 때, 클러치 기구(136)는 결합 상태에서 유지될 수 있고, 그에 따라 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)는 저장된 에너지를 방출하여 어깨 조인트 모듈을 작동시키기 위한 증강 토크를 인가함으로써 적재 하중을 들어 올리는 것을 보조할 수 있다. 동시에, 일차적인 제어 신호가 모터(133)에 의해서 수신되어, 모터(133)가 일차적인 토크를 인가하게 할 수 있다. 일차적인 토크는 증강 토크와 함께 동작되어, 적재 하중을 들어올리도록 어깨 조인트 모듈을 작동시킨다. 그리고, 적재 하중을 해제할 때, 클러치 기구(136)는, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134) 주위에 존재할 수 있는 임의의 스프링 강성을 제거하기 위해서 분리 상태로 제어/스위칭될 수 있고, 그에 의해서, 조작자가 최소 노력으로(예를 들어, 중력을 이용하여) 희망 위치까지 팔을 하강시킬 수 있도록, 자유 스윙 모드로 조인트를 배치한다.
쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)(그리고 도 6a의 204 및 도 6c의 205)의 스프링 강성은 챔버 기하형태뿐만 아니라, 가스 압력 장입, 및 조립체의 다른 기하형태에 따라 달라진다는 것을 주목하여야 한다. 그에 따라, 주어진 조인트 모듈에 대한 강성의 크기는, 예를 들어, 해당 강성이 지지 위상 중에 에너지 회수를 위해서 결합될 때(탄성 구성) 및 자유 스윙 위상 중에 강성이 분리될 때(비탄성 구성)를 클러치 기구가 정확히 결정하는 동안, 임무-특이적 적재 하중 및 지형-특이적 보행을 위해서 조정될 수 있다. 예를 들어, 압축 챔버(188)의 부피는 가스의 밀도와 함께 특별한 부피로 선택될 수 있다. 또한, 특별한 조인트 위치는 선택된 강성 값의 크기를 결정할 수 있다. 예를 들어, 무릎 조인트를 위한 장입 압력 및 조인트 속도 모두는 고관절 조인트에서 요구되는 것 보다 상당히 더 클 수 있고, 팔꿈치 조인트를 위한 장입 압력은 어깨 조인트를 위한 장입 압력 보다 작을 수 있다. 따라서, 챔버(188)는, 예를 들어, 특별한 적용예 및 외골격 상의 조인트의 위치에 의해서 결정되는 선택된 강성 값을 규정하기 위한 희망 가스 압력으로 사전-장입될 수 있다. 이는, 외골격 상의 조인트의 위치 및/또는 특별한 조인트의 가능한 과제와 같은, 특별한 적용예에 따라, 0 psi 내지 1500 psi 이상까지의 공칭적인 사전-장입 값 중 임의의 값일 수 있다. 또한, 이러한 강성 값은 사전-장입 압력량을 변경하는 것에 의해서 변경될 수 있다.
클러치식 조인트 모듈(130)의 다른 예시적인 구성에서, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)는 선택적일 수 있다는 것(즉, 포함되지 않거나 클러치식 조인트 모듈(130)의 일부이거나, 아니면 클러치식 조인트 모듈(130)이 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터가 없이 구성될 수 있다는 것)을 특히 주목하여야 한다. 예를 들어, 조인트(예를 들어, 팔목 회전, 또는 어깨 외전/내전과 연관된 조인트)가 단지 액티브 액츄에이터(즉, 비록 "일차적인"이라는 용어가 다른 토크 발생 요소가 존재한다는 것을 제시하지만, 본원에서 설명된 바와 같은 일차적인 액츄에이터)로 그리고 탄성 요소가 없이 구성될 수 있다. 따라서, 입력 부재(예를 들어, 로보틱 지지 부재)는, 예를 들어 중심-외 위치에서(예를 들어, 결합 부분(195)에서), 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터가 아니라 클러치 하우징(190)에 직접적으로 결합될 수 있다. 이러한 구성에서, 클러치 기구(136)는, 출력 부재(138b)와 입력 부재(138a) 사이의 이동을 제어하기 위해서, 결합 상태, 반-결합 상태, 및 분리 상태 사이에서 여전히 선택적으로 동작될 수 있다. 사실상, 일 양태에서, 클러치 기구(136)는, 출력 부재(138b)와 입력 부재(138a) 사이의 이동을 제한하고, 그에 의해서 모터(133)에 의한 일차적인 토크의 출력 부재에의 인가를 돕기 위해서, 결합 또는 반-결합될 수 있다. 다른 양태에서, 클러치 기구(136)는 입력 부재(138a)와 출력 부재(138b) 사이의 조인트의 자유 스윙을 돕기 위해서 분리될 수 있다. 이러한 예시적인 구성을 설명하기 위해서, 클러치식 조인트 모듈이 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터가 없이 동작되고 일차적인 토크가 클러치식 조인트 모듈(130)에 인가되지 않는(즉, 일차적인 액츄에이터가 액티브가 아니거나 작동되지 않는) 하나의 동작 시나리오에서, 클러치 기구(136)가 결합 또는 반-결합 상태에서 동작되어, 클러치식 조인트 모듈(130)의 입력 부재(138a)와 출력 부재(138b) 사이의 상대적인 회전을, 어느 정도까지, 제한하기 위해서 이용될 수 있는 제동력을 생성할 수 있다. 다시 클러치식 조인트 모듈(130)이 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터가 없이 동작되고 일차적인 토크가 조인트 회전을 위해서 출력 부재(138b)에 인가되는 다른 동작 시나리오에서, 클러치 기구(136)가 결합 또는 반-결합 상태로 동작되어, 클러치 기구(136)의 플레이트의 선택적이고 가변적인 압축으로 인해서 제어된 방식으로 출력 부재(138b)에 일차적인 토크를 인가하는 것을 도울 수 있다. 이러한 2가지 동작 시나리오는, 클러치식 조인트 모듈(130)이 일차적인 토크의 인가를 위한 클러치로서 또는 회전을 제한하기 위한 브레이크로서 기능하게 하기 위한, 클러치식 조인트 모듈(130) 내의 선택적인 능력을 설명한다.
도 6a 내지 도 6g는, 로보틱 조립체(예를 들어, 100, 101)의 임의의 적합한 로보틱 조인트로서 포함될 수 있는, 본 개시 내용의 예에 따른 클러치식 조인트 모듈(200)의 다양한 양태를 도시한다. 클러치식 조인트 모듈(200)은 많은 측면에서 도 5a 내지 도 5e에 도시된 클러치식 조인트 모듈(130)와 유사하다. 따라서, 관련 기술 분야의 통상의 기술자가 인지할 수 있는 바와 같이, 전술한 설명이 여기에서 적용될 수 있고, 다양한 클러치식 조인트 모듈(130 및 200)은 동일한 또는 유사한 요소를 포함할 수 있거나 동일한 또는 유사한 방식으로 실시된다. 예를 들어, 클러치식 조인트 모듈(200)은 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터가 없이 구성될 수 있다(즉, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(204)가 선택적이다).
하나의 예시적인 구성에서, 클러치식 조인트 모듈(200)은 일차적인 액츄에이터(202), 선택적인 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(204), 및 그 각각에 동작 가능하게 결합된 클러치 기구(206)를 포함할 수 있고, 그 각각은 회전 축(210)을 따라서 위치되거나 배열되고 회전 축을 중심으로 동작될 수 있다. 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 입력 부재(208a) 및 출력 부재(208b)는 로보틱 조립체의 각각의 지지 부재에 직접적 또는 간접적으로 결합될 수 있고, 그러한 지지 부재들은, 굽힘/펼침 자유도를 가지는 어깨 조인트에 대한 도 4c의 클러치식 조인트 모듈(109f)와 연관된 조인트(107f)와 같은, 인간 조인트의 자유도의 회전 축에 최종적으로 상응하는, 로보틱 조립체의 조인트에 상응하는 회전 축(210)을 중심으로 서로 상대적으로 회전될 수 있다.
일차적인 액츄에이터(202)는 모터(212) 및, 제1 유성 트랜스미션(214)과 같은 트랜스미션을 포함할 수 있다. 선택적으로, 제2 유성 트랜스미션(216)과 같은 제2 트랜스미션이 제1 유성 트랜스미션(214)에 결합될 수 있다. 모터(212)는 회전 축(210)을 중심으로 하는 회전을 위해서 출력 부재(208b)에 일차적인 토크를 인가하도록 동작될 수 있고, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(204)(예를 들어, 쿼지-패시브 선형 공압 탄성 액츄에이터)는 전술한 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)와 유사하게 기능하여 제동력을 생성하기 위해서 및/또는 모터(212)에 의해서 인가된 일차적인 토크와 함께 증강 토크를 출력 부재(208b)에 인가하기 위해서, 또는 제동력을 생성 및 인가하기 위해서 작동되도록, 선택적으로 동작될 수 있다. 클러치 기구(206)는, 본원에서 설명된 바와 같이, 증강 토크 또는 제동력의 인가를 선택적으로 제어하도록 동작될 수 있다.
쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(204)를 포함하는 클러치식 조인트 모듈(200)을 가지는 하나의 예시적인 구성에서, 클러치 기구(206)는 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(204) 및 증강 토크의 제동력 또는 인가의 발생을 선택적으로 제어하도록 동작될 수 있다. 사실상, 제동력은 일부 동작 시나리오(예를 들어, 일차적인 액츄에이터(212)가 일차적인 토크 생산을 위해서 액티브이거나 액티브가 아닌, 그러나 조인트의 회전이 요구되는 시나리오)에서 조인트의 회전을 제한하기 위해서 생성될 수 있거나, 증강 토크가 생성되고, 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 출력 부재(208b) 및 조인트의 회전을 돕기 위해서 일차적인 토크와 조합되어 인가될 수 있다.
더 구체적으로, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(204)는 (탄성 또는 반-탄성 구성 또는 모드 또는 상태에 있을 때) 클러치 기구(206)가 결합되거나 반-결합될 때 (예를 들어, 제1 회전이 일차적인 액츄에이터를 이용하여 액티브적으로 실행되거나, 회전을 유도하는 일부 다른 외부적 인가 힘의 중력의 영향 하에서의 조인트의 회전과 같이, 패시브적으로 실행되는 경우) 입력 부재(208a)의 제1 회전 시에 선택적으로 에너지를 저장하거나 제동력을 생성하도록 동작될 수 있고, (또한 탄성 또는 구성 또는 모드 또는 상태에 있을 때) 일차적인 액츄에이터, 이러한 경우에 모터(212)에 의해서 인가된 토크와 병렬로 출력 부재(208b)에 증강 토크를 인가하기 위해서 클러치 기구(206)가 결합되거나 반-결합될 때 입력 부재(210a)의 제2 회전 시에 선택적으로 에너지를 방출하도록 동작될 수 있다. 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(204)는, 예를 들어 제3 회전 시에, 클러치 기구(206)가 선택적으로 분리될 때, (비탄성 구성 또는 모드 또는 상태에 있을 때) 조인트의 회전 중에 에너지를 저장하지도 않고 방출하지도 않도록 더 동작될 수 있다. 이러한 비탄성 상태에서, 입력 부재(208a)는 출력 부재(208b)에 대해서 "자유 스윙"되고, 이는, (쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(204)가 출력 부재(208b)에 대한 입력 부재(208a)의 회전을 제한할 수 있는 강성 값을 가지지 않도록) 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(204)를 통해서 클러치식 조인트 모듈(200) 내에서 무시할 수 있는 저항이 인가된다는 것을 의미한다. 클러치 기구(206)는 또한 임의의 저장된 에너지를 소산시키기 위해서 (즉, 제동력이 더 이상 필요치 않을 때와 같이, 생성된 임의의 제동력을 소산시키기 위해서) 결합 또는 반-결합 상태로부터 분리 상태로 이동될 수 있다. 따라서, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(204)는 클러치 기구(206)의 동작을 통해서 탄성 상태, 반-탄성 상태, 및 비탄성 상태 사이에서 선택적으로 스위칭될 수 있다. 하나의 장점은, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(204)가, 선택된 시간에, 모터(212)에 의해서 인가된 일차적인 토크와 병렬로 증강 토크를 인가하게 할 수 있고, 이는 조합된 토크를 출력 부재(208b)에 인가하고, 그에 의해서 일차적인 액츄에이터(202)(예를 들어, 모터(212))의 동력 요건/요구를 감소시킨다. 증강 토크의 장점을 가지고, 선택된 모터(212)가, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(204)에 의해서 제공된 그러한 증강 토크의 보조가 없는 균등한 시스템에 의해서 달리 요구될 수 있는 것 보다, 더 작은 크기 및 더 작은 동력 소산을 가질 수 있다.
일 예에서, 모터(212)는, 전술한 것과 유사한, 고성능 영구자석 무브러시 DC 모터(PM-BLDC)일 수 있다. 다른 예에서, 관련 기술 분야의 통상의 기술자가 인지할 수 있는 바와 같이, 예에서 설명되고 도시된 전기 모터는 적절한 유압 액츄에이터, 공압 액츄에이터, 또는 일차적인 액츄에이터로서 기능하는데 적합한 다른 유형의 액츄에이터 또는 모터로 대체될 수 있다. 그러한 전기 모터 및 대안적인 모터 및 액츄에이터는 동일한 회전 축(140)을 따른 회전을 유발하도록 직렬 또는 병렬로 배열될 수 있다. 구체적인 예에서, 일차적인 액츄에이터는, 증강 토크와 함께 일차적인 토크를 인가하는 것을 실시하기 위해서 제1 유성 트랜스미션(148)(예를 들어, 도 5b 참조)의 전달 휠(165) 또는 태양 기어(160)를 회전시키도록 배열될 수 있다.
도 6c를 참조하면, 모터(212)는 (상업적으로 이용 가능한 무프레임 무브러시 모터의 전형적인 방식으로) 서로 상대적으로 회전 가능한 고정자(220) 및 회전자(222)를 포함할 수 있다. 따라서, 일차적인 액츄에이터(202)의 모터(212)는 회전자(222)의 중앙 지역 주위에 원통형 공극(224)을 포함한다. 유리하게, 제1 유성 트랜스미션(214)은 모터(212)의 원통형 공극(224) 내에 (적어도 부분적으로) 배치될 수 있고, 이는 낮은-프로파일의 콤팩트한 기어형 모터 구성을 제공하는데, 이는, 도시되고 설명된 바와 같이, 제1 유성 트랜스미션(214) 및 모터(212)가 함께 패키지화되기 때문이다. 또한 도 5b와 관련하여 전술한 바와 같이, 전달 휠(226)은 체결부를 통해서 전달 휠(226)의 둘레 주위에서 회전자(222)에 결합될 수 있고, 제1 유성 트랜스미션(214)의 태양 기어(221)에 결합될 수 있다.
모터(212), 제1 및 제2 유성 트랜스미션(214 및 218), 그리고 전달 휠(226)은, 도 5a 내지 도 5e와 관련하여 전술한 유사한 구성요소와, 동일하거나 유사할 수 있고, 동일한 또는 유사한 배열 및 기능을 가질 수 있다. 따라서, 이들은 도 6a 내지 도 6g의 클러치식 조인트 모듈(200)과 관련하여 더 구체적으로 설명되지 않을 것이다.
그러나, 도 6d 및 도 6e에 도시된 배열로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 회전자(222)는 전달 휠(226)을 구동/회전시키고, 이는 제1 유성 트랜스미션(214)의 태양 기어(221)를 구동/회전시키며, 이는 제2 유성 트랜스미션(218)의 태양 기어(223)를 구동/회전시키며, 이는 출력 부재(208b)를 구동/회전시키며, 그에 의해서 2-스테이지 트랜스미션 구동 시스템을 통해서 모터(212)로부터 출력 부재(208b)에 일차적인 토크를 전달한다. 이는 16:1의 기어 감속 토크 출력을 제공한다. 도 5a 내지 도 5e의 경우와 같이, 모터(212), 제1 및 제2 유성 트랜스미션(214 및 218), 그리고 출력 부재(208b)는 각각 클러치식 조인트 모듈(200)의 회전 축(210)과 실질적으로 동일한 회전 축을 중심으로 동작 또는 회전될 수 있다. 달리 말하면, 모터(212), 제1 및 제2 유성 트랜스미션(214 및 218), 그리고 출력 부재(208b)의 각각의 회전 축은 회전 축(210)과 동일 선상에 또는 실질적으로 동일 선상에 있도록 배열될 수 있다.
전체가 본원에서 참조로 포함되는, ___________일자로 출원된 미국 특허출원 제___________호(Attorney Docket No. 4000-16.1113.US.NP)의 도 5a와 관련하여 설명된 것과 같은 지지 프레임을 이용하여 유사한 방식으로 본 개시 내용의 일차적인 액츄에이터(202), 이차적인 유성 트랜스미션(218), 및 클러치 기구(206)를 수용하고 구조적으로 지지할 수 있다.
도 6a 내지 도 6g의 예시된 예에서, 출력 부재(208b)는 유성 트랜스미션(214 및 218)을 통해서 매우 적은 소음 및 백래시로 저속으로 비교적 큰 토크를 인가하고, 이들 모두는 유성 트랜스미션(214)이 모터(212)의 중앙 공극(224) 내에 수용되고 그리고 모터(212) 그리고 제1 및 제2 유성 트랜스미션(214 및 218) 모두의 계층적 배열이 회전 축(210) 따라서 배열되고, 회전 축(210)을 중심으로 또는 그 주위로 동작되기 때문에 콤팩트한 형태이다.
특히 도 6a를 참조하면, 그리고 도 5a 내지 도 5e와 유사하게, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(204)는 일차적인 액츄에이터(202)의 모터(212)에 의해서 인가된 일차적인 토크와 함께 출력 부재(208b)를 회전시키기 위한 증강 토크를 인가하도록 동작될 수 있다. 일 예에서, 도 5b와 유사하게, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(204)는 하우징(228), 및 하우징(228)에 결합되고 로봇 또는 로보틱 조립체(예를 들어, 도 4c의 105f)의 가지부 내에서 조인트의 일부로서 로보틱 지지 부재에 피봇식으로 결합될 수 있는 로보틱 지지 부재 인터페이스(230)를 포함하는 선형 공압 스프링일 수 있다. 로보틱 지지 부재 인터페이스(230)는 하우징(228)을 그러한 로보틱 지지 부지에 피봇식으로 결합할 수 있는 하나 또는 두 개의 베어링, 체결부, 또는 다른 결합 장치(들)일 수 있다.
도 5a 내지 도 5e와 같이, 도 6a의 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(202)는 일 단부에서 클러치 기구(206)의 결합 부분(234)에 피봇식으로 결합된 피스톤 로드(232)를 포함할 수 있다. 다른 단부 상에서, 피스톤 로드(232)는 하우징(228) 내에서 활주 가능하게 지지되는 피스톤 실린더(236)에 결합될 수 있다. 따라서, 하우징(228)은 피스톤 실린더(236) 및 팽창 챔버에 인접한 압축 가스 챔버(238)를 포함할 수 있고, 이들 챔버는 피스톤 실린더(236)에 의해서 밀봉된다. 도시된 바와 같이, 피스톤 로드(232)는 축(210)에 대한 중심-외에서 클러치 기구(206)에 피봇식으로 결합될 수 있다. 따라서, 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 그리고 쿼지-패시브 액츄에이터(204)를 탄성 또는 반-탄성 상태로 배치하기 위해서 클러치 기구가 결합되거나 반-결합된 상태에서, 로보틱 지지 부재(예를 들어, 105f)의 상향 이동 시에, 예를 들어, 하우징(228)이 하향 이동될 수 있고, 이는 피스톤 실린더(236)가 하우징(228) 내에서 상향 병진운동되게 하며, 이는 가스 압축 챔버(238) 내의 가스가 압축되게 하고, 그에 의해서 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(204) 내에 에너지를 저장하며, 그러한 에너지는 전술한 바와 같이 증강 토크를 인가하기 위해서 방출될 수 있다. 또한, 이러한 작용을 이용하여 제동력을 생성할 수 있다(즉, 탄성 요소의 압축은, 입력 부재에 대한 출력 부재의 이동을 제한하기 위해서 이용될 수 있는 힘을 생성한다). 또한, 일단 저장되면, 본원에서 설명된 바와 같이, 에너지는 (클러치 기구(206)를 분리하는 것에 의해서) 소산될 수 있거나, (클러치 기구(206)를 적어도 부분적으로 결합되게 유지하는 것에 의해서) 모터에 의한 일차적인 토크와 조합될 수 있는 증강 토크를 인가하기 위해서 방출될 수 있다. 다른 도면의 도시 명확성을 위해서, 도 6a 및 도 6b만이 선형 공기 스프링을 도시한다는 것을 주목하여야 한다.
대안적으로, 도 6c에 도시된 바와 같이, 선형 공기 스프링은, 압축 챔버 및 팽창 챔버를 형성하는 하우징(209)에 결합된 고정자 베인(207b) 및 회전자 베인(207a)을 포함하는 (개략적으로 도시된) 회전 유체 스프링(205)과 같은, 다른 탄성 요소로 대체될 수 있다. 회전자 베인(207a)은 로보틱 지지 부재와 같은 입력 장치에 결합될 수 있고, 그에 따라 로보틱 지지 부재의 제1 회전은 고정자 베인(207b)에 대한 회전자 베인(207a)의 회전을 유발하며, 그에 의해서 유체(예를 들어, 액체 또는 가스) 압력의 형태로 압축 챔버 내에 에너지를 저장한다. 그리고, 로보틱 지지 부재의 제2 회전 시에, 회전자 베인(207a)은 고정자 베인(207b)에 대해서 반대되는 회전 방향으로 이동되고, 그에 의해서 클러치 기구(206)와 연관된 입력 부재(208a)에 증강 토크를 인가하기 위해서 저장 에너지를 방출한다. 회전 유체 스프링(205)은, 탄성, 반-탄성, 및 비탄성 상태를 가지고 선택적으로 그리고 가변적으로 제어될 수 있는, 예를 들어 압축 및 팽창 챔버 내의 사전-장입된 유체 압력을 변경하는 것에 의해서 튜닝될 수 있는, 본원에서 설명된 선형 액츄에이터(예를 들어, 134, 204)와 동일한 또는 유사한 특징을 가질 수 있다. 이러한 방식으로 구성된 회전 유체 스프링은 비교 가능한 선형 스프링 액츄에이터 보다 더 많은 에너지를 저장 및 방출할 수 있고, 이는 고관절 및 무릎 조인트와 같이 그러한 특징으로부터 이득을 취할 수 있는 특정 조인트에 유리할 수 있다. 회전 유체 스프링(205)은 회전 유체 스프링(205)의 작동을 실시간으로 제어할 수 있는 밸브 조립체와 함께, 그리고 회전 유체 스프링(205)의 탄성, 반-탄성 및 비탄성 상태 사이의 선택적인 스위칭을 돕기 위해서 추가적으로 동작될 수 있다. 밸브 조립체는 압축 챔버와 팽창 챔버 사이의 유체 유동의 분류 회로 및 밸브의 개방 및 폐쇄를 제어하는 밸브 조립체의 가동형 밸브 장치를 형성할 수 있다.
일반적으로, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(204)는, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(204)에 의해서 인가되는 증강 토크의 인가를 선택적으로 제어하기 위해서, 클러치 기구(206)의 동작을 통해서 (반-탄성 상태를 포함하여) 탄성 구성 또는 상태(즉, 에너지를 저장 또는 방출한다)와 비탄성 구성 또는 상태(즉, 에너지를 저장하지도 방출하지도 않는다) 사이에서 스위칭될 수 있다. 일 예에서, 도 6e 내지 도 6g를 참조하면, 클러치 기구(206)는, 체결부(244)(도 6e)를 통해서 함께 결합된 제1 지지 프레임(242a) 및 제2 지지 프레임(242b)을 포함하는 클러치 하우징(240)을 포함하는 다수-플레이트 클러치 기구를 포함할 수 있다. 전달 구성요소(246)는, 상응하는 슬롯 또는 체결부에 의해서 제2 지지 프레임(242b)에 결합될 수 있는 구획 플레이트(248)(도 6f)에 의해서 회전 가능하게 지지되고 둘러싸인다. 롤러 베어링 장치(250)는, 구획 플레이트(248)에 대해서 회전 가능하게 인터페이스하는 복수의 롤러 베어링(252)을 포함한다. 볼-램프 클러치 장치(254)는 회전 가능한 볼 램프 프레임(256) 및 볼 램프 프레임(256)의 내부 지역에 결합된 스프링 칼라(258)를 포함한다. 볼 램프 프레임(256)은 볼 램프 프레임(256)의 둘레 주위에 형성된 3개의 볼 램프 함몰부(260)를 포함한다. 볼 램프 프레임(256)은, 케이블(266)을 통해서 볼 램프 프레임(256)을 액츄에이터(264)에 결합시키는 케이블 인터페이스(262)를 포함한다. 케이블(266)은 볼 램프 프레임(256)의 둘레 주위에 형성된 슬롯을 따라서 가로지를 수 있다. 볼 지지 프레임(268)은 볼 램프 프레임(256)에 인접 배치될 수 있고, 볼 지지 프레임(268)에 의해서 회전 가능하게 지지되는 복수의 볼(예를 들어, 3개의 볼(270) 참조)을 포함할 수 있다. 각각의 볼(270)의 하나의 측면 표면은 제2 지지 프레임(242b)의 내부 표면에 대해서 편향될 수 있고, 볼(270)의 다른 측면 표면은 볼 램프 프레임(256)의 볼 램프 함몰부(260) 주위에서 활주 가능하게 그리고 회전 가능하게 인터페이스될 수 있다.
스프링 칼라(258)는, 공칭 상태에서, 볼 램프 프레임(256)에 대해서 반시계 방향(도 6f)으로 회전 편향력을 가하도록 구성될 수 있고, 이는 볼(270)을 볼 램프 함몰부(260)의 각각의 깊은 포켓 내에 안착시키고, 그에 의해서 클러치 기구(206)를 분리 상태에 배치한다(플레이트를 압축 및 압축-해제하는 것과 관련된 이하의 설명 참조). 액츄에이터(264)는, 액츄에이터(264)를 통해서 클러치 기구(206)의 동작을 제어하는 컴퓨터 시스템의 제어기와 (유선 또는 무선으로) 통신하는 수신기를 가지는 전기 모터를 포함할 수 있다. 클러치 제어 신호의 수신 시에, 액츄에이터(264)(예를 들어, 전기 모터)가 동작되어 케이블(266)을 당길 수 있고, 이는 볼 램프 프레임(256)을 시계 방향(도 6f)으로 회전시킨다. 이는 볼 램프 함몰부(260)가 안착된 볼(270)에 대해서 시계방향으로 이동되게 한다. 볼 램프 함몰부(260)가 그 프로파일을 따라 깊은 포켓으로부터 얕은 포켓까지 형성되기 때문에, 볼 램프 프레임(256)의 시계방향 회전은 볼 램프 함몰부(260)의 얕은 포켓 지역 내의 볼(270)의 안착을 초래한다. 이는 볼 램프 프레임(256)의 "두께를 증가시키는" (또는 소모된 축방향 지역을 증가시키는) 경향을 가지며, 이는 칼라 베어링 장치(250)에 대한 볼 램프 프레임(256)으로부터의 축방향 편향력을 유발하고, 이는 구획 플레이트(248)에 대한 축방향 편향력을 유발하며, 이는, 그에 의해서, 플레이트들(272)을 함께 압축하기 위한 복수의 플레이트(272)에 대한 축방향 편향력을 유발한다.
특히 도 6g를 참조하면, 그러한 구성은 도 5e에 도시되고 전술한 것과 유사하고, 복수의 플레이트(272)는 클러치 하우징(240)의 제1 지지 프레임(242a)에 의해서 유지되고 지지되는 복수의 입력 플레이트(274a)를 포함한다. 명료한 도시를 위해서 단지 2개의 입력 플레이트가 도 6g에 도시되었지만, 둘 초과의 플레이트가 있을 수 있다는 것을 주목하여야 한다. 따라서, 제1 지지 프레임(242a)은, 클러치 하우징(240)에 대한 입력 플레이트(274a)의 이동을 제한하기 위해서 각각의 입력 플레이트(274a)의 둘레 플랜지(278)를 수용하고 유지하는 둘레 유지 특징부(276)(예를 들어, 슬롯 또는 함몰부)를 포함할 수 있다. 복수의 출력 플레이트(274b)(2개가 도시됨) 각각이, 예를 들어 교번적인 방식으로, 인접한 입력 플레이트들(274a)과 활주 가능하게 또는 마찰식으로 인터페이스될(즉, 그 사이에 개재될) 수 있다. 출력 플레이트(274b) 각각은, 클러치 하우징(240)의 지지 프레임(242a)의 곡선형 내부 표면 내에서 활주 가능하게 지지되는 곡선형 둘레를 가질 수 있다. 각각의 출력 플레이트(274b)는 전달 구성요소(246)의 샤프트(282)의 통과를 허용하는 중앙 개구(280a)를 포함할 수 있고, 각각의 출력 플레이트(274b)는 중앙 개구(280a) 주위에 형성된 개구부(284a)(예를 들어, 총 6개)를 포함할 수 있다.
각각의 입력 플레이트(274a)는 중앙 개구(280b) 주위에 배치된 중앙 지지 링(287)을 회전 가능하게 지지하는 중앙 개구(280b)를 포함할 수 있고, 각각의 중앙 지지 링(287)은 각각의 출력 플레이트(274b)의 개구부(284a)에 상응하는 위치에서 지지 링(287) 주위에 형성된 개구부(284b)(예를 들어, 총 6개)를 포함할 수 있다. 전달 샤프트 구성요소(246)는 개구부(284a 및 284b)에 상응하는 위치에서 전달 구성요소(246)의 헤드의 둘레 주위에 형성된 개구부(284c)(예를 들어, 총 6개)를 포함한다. 따라서, 전달 구성요소(246)는, 핀, 너트 및 볼트, 나사산형 체결부, 등과 같은 체결부(미도시)를 통해서, 출력 플레이트(274b) 및 지지 링(287)의 각각에 결합될 수 있다.
전달 구성요소(246)의 샤프트(282)는 제1 유성 트랜스미션(214)의 태양 기어(221)에 (그리고 전달 휠(226)의 중앙 개구부를 통해서) 결합될 수 있다. 그에 따라, 클러치 기구(206)가 분리 상태에 있을 때, 볼-램프 장치(256)는 복수의 플레이트(272)에 대해서 축방향 편향력을 가하지 않는다. 따라서, 입력 및 출력 플레이트(274a 및 274b)는 서로에 대해서 자유롭게 회전되고, 그에 따라 입력 부재(208a)는 출력 부재(208b)에 대해서 자유롭게(그러나, 입력 부재(208a)와 출력 부재(208b) 사이에 결합된 유성 트랜스미션(214 및 218)으로 인한 약간의 작은 저항을 가지고) 회전된다. 따라서, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(204)는, 입력 및 출력 플레이트(274a 및 274b) 사이의 회전 자유로 인해서 비탄성 상태에 있게 되고, 그에 따라 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(204)는 에너지를 저장 또는 방출하지 않는다. 조인트 모듈(200)이 자유 스윙 모드에 있는, 출력 부재(208b)에 대한 입력 부재(208a)의 이러한 회전 이동은, 예를 들어 조인트 모듈(200)이 외골격의 조인트 중 하나로서 하부 신체 외골격과 통합되는 예에서, (예를 들어, 도 2의 지점(C, D, E, F, 및 A)으로부터의) 보행 주기의 일부 중에 발생될 수 있다.
클러치 기구(206)가 (전술한 바와 같이) 결합 상태로 작동될 때, 볼-램프 장치(256)는 인접한 입력 플레이트(274a)에 대해서 축방향 편향력을 가하며, 이는 출력 플레이트(274b)와 인접한 입력 플레이트(274a) 사이의 압축력을 유발한다. 그러한 압축은 복수의 플레이트(272)가 함께 "결속"되게 한다(즉, 동일한 속력/방향으로 함께 회전되게 한다). 따라서, 예를 들어, 출력 부재(208b)에 대한 입력 부재(208a)의 제1 회전 시에, 입력 부재(208a)가 시계방향(도 6c)으로 이동될 때, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(204)는 하우징(228)을 통한 피스톤 실린더(232)의 상향 이동에 의해서 압축 가스 챔버(238)(도 6a) 주위에 에너지를 저장한다(그러한 제1 회전은 어깨 조인트 이동 중에, 또는 도 2의 지점(B)으로부터 지점(C)까지와 같은, 보행 주기의 부분 중에 하부 외골격 조인트(예를 들어, 무릎 조인트)의 이동 중에 이루어질 수 있다). 그리고, 입력 부재(208a)의 제2 회전(예를 들어, 반대쪽 어깨 조인트 이동, 또는 도 2의 지점(A)로부터 지점(B)까지와 같은, 보행 주기의 다른 부분 중의 하부 외골격 조인트의 이동) 시에, 입력 부재(208a)가 반시계 방향으로 이동되도록, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(204)가 그 저장 에너지를 방출하여 증강 토크를 인가함으로써 클러치 하우징(240)을 회전시킬 수 있고, 이는 복수의 플레이트(272)를 구동/회전시키고, 이는 전달 샤프트 구성요소(246)를 구동/회전시키고, 이는 제1 유성 트랜스미션(214)의 태양 기어를 구동/회전시키며, 이는 제2 유성 트랜스미션(218)를 구동/회전시키고, 그리고 이는 최종적으로 증강 토크를 출력 부재(208b)에 전달한다. 일 예에서, 단지 2개의 플레이트가 클러치식 조인트 모듈에서 이용될 수 있고, 다시 말해서 단지 하나의 입력 플레이트(274a) 및 하나의 출력 플레이트(274b)가 서로 마찰식으로 결합될 수 있고 본원에서 설명된 클러치 기능을 제공하도록 구성될 수 있다. 이는 어떠한 방식으로도 제한하기 위한 것은 아니다. 사실상, 클러치가 결합될 때 클러치 플레이트를 통해서 전달될 수 있는 더 큰 토크를 고려하여, 임의 수의 부가적인 입력 및 출력 플레이트가 포함될 수 있다. 이러한 동일한 대안예는 도 5a 내지 도 5e의 예의 플레이트(예를 들어, 단지 2개의 플레이트, 또는 임의 수의 부가적인 플레이트)에 대해서도 마찬가지이다.
동시에, 일차적인 제어 신호의 수신 시에, 일차적인 액츄에이터(예를 들어, 모터(212))의 회전자(220)는 일차적인 토크를 가하여 전달 휠(226)을 구동/회전시키고, 이는 제1 유성 트랜스미션(214)의 태양 기어(221)를 구동/회전시키고, 이는 제2 유성 트랜스미션(218)을 구동/회전시키며, 이는 최종적으로, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(204)를 통해서 동시에 인가된 증강 토크와 함께, 예를 들어, 외골격의 어깨 조인트 모듈을 작동시키기 위해서, 출력 부재(208b)에 일차적인 토크를 전달한다. 이는, 조인트 모듈(200)의 총 출력 토크가 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(204)를 통해서 회수된 증강 토크로 보충되기 때문에, 달리 필요로 할 수 있는 모터(212)의 크기 및 동력 요건을 크게 줄일 수 있다. 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(204)가 도 5a 내지 도 5e에 도시된 클러치식 조인트 모듈을 참조하여 전술한 것과 같거나 유사한 특징 및 장점을 가질 수 있다는 것을 주목하여야 한다. 확인될 수 있는 바와 같이, 그리고 전술한 바와 같이, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터는 필요 또는 희망에 따라 탄성 상태와 비탄성 상태 사이에서 스위칭될 수 있다.
(예를 들어, 로보틱 조인트의) 출력 부재(208b)에 대한 입력 부재(208a)의 (전술한) 회전 이동의 각각은, 클러치 기구(206)가 결합되든지 또는 분리되든지 간에, 그리고 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터가 각각의 탄성 또는 비탄성 상태에 있든 간에, 조인트 모듈(200)의 회전과 연관된 방향, 속력, 및/또는 힘을 감지하기 위해서 조인트 모듈(200)과 연관된 및/또는 결합된 하나 이상의 위치 및/또는 힘 센서(229)(도 6c)에 의해서 감지될 수 있다. 하나 이상의 센서는, 조인트 모듈(200)의 프레임 지지부, 입력 부재(208a) 또는 출력 부재(208b), 전달 휠(226), 또는 조인트 모듈(200)의 임의의 다른 적합한 위치, 또는 그 임의 조합과 같은, 다양한 위치에 결합될 수 있다. 하나의 예에서, 특별한 위치 센서(예를 들어, 홀 효과 센서)가 입력 부재(208a)의 상대적인 위치를 결정할 수 있고, (전술한 바와 같은) 제2 회전 시에, 위치 센서는 위치 신호를 중앙 프로세싱 유닛을 가지는 컴퓨터 시스템에 통신할 수 있고, 컴퓨터 시스템은 위치 신호를 프로세스하고 이어서, 본원에서 더 설명된 바와 같이, 최종적으로 (예를 들어) 클러치 기구(206)를 결합시키기 (또는 그 결합을 유지하기) 위한 적절한 클러치 신호를 클러치 액츄에이터(264)에 전달하고, 또는 일차적인 토크를 인가하기 위한 일차적인 액츄에이터 신호를 모터(212)에 전달하고, 또는 그 일부 조합을 위해서 신호를 전달한다.
일 예에서, 클러치 기구(206)는 도 5a에 도시된 바와 같이 배열될 수 있고, 그에 의해서 도 5a의 클러치 기구(136)는 클러치 기구(206)로 대체된다. 이러한 방식으로, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(204)에 의해서 인가될 수 있는 증강 토크는 1:1 구동 비율일 수 있다(즉, 도 6a 내지 도 6f에서와 같이, 이는 16:1만큼 기어 감속되지 않을 것이다). 전술한 바와 같이, 클러치식 조인트 모듈(200)의 다른 예시적인 구성에서, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(204)는 선택적일 수 있다(즉, 포함되지 않거나 클러치식 조인트 모듈(200)의 일부이거나, 아니면 클러치식 조인트 모듈(200)이 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터가 없이 구성될 수 있다). 예를 들어, 조인트(예를 들어, 팔목 회전, 또는 어깨 외전/내전과 연관된 조인트)가 단지 액티브 액츄에이터(즉, 비록 "일차적인"이라는 용어가 다른 토크 발생 요소가 존재한다는 것을 제시하지만, 본원에서 설명된 바와 같은 일차적인 액츄에이터)로 그리고 탄성 요소가 없이 구성될 수 있다. 따라서, 입력 부재 또는 로보틱 지지 부재는, 예를 들어 중심-외 위치에서, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터가 아니라 클러치 하우징(240)에 직접적으로 결합될 수 있다. 이러한 구성에서, 클러치 기구(206)는, 입력 부재(208a)와 출력 부재(208b) 사이의 이동을 제어하고 제한하기 위해서, 결합 상태, 반-결합 상태, 및 분리 상태 사이에서 여전히 선택적으로 동작될 수 있다. 사실상, 일 양태에서, 클러치 기구(136)는, 출력 부재(138b)와 입력 부재(138a) 사이의 이동을 제한하고, 그에 의해서 모터(212)에 의한 일차적인 토크의 출력 부재에의 인가를 돕기 위해서, 결합 또는 반-결합될 수 있다. 이러한 방식으로, 액츄에이터(264)가 가변적으로 제어되어 볼 램프 장치(256)를 가변적으로 이동시킴으로써 플레이트(274a 및 274b)에 가변적인 압축력을 인가할 수 있고, 이는 제동 기능 및/또는 중력 보조 제어 기능을 제공할 수 있다.
클러치식 조인트 모듈(130)에 대해서 전술한 다양한 기능 및 동작 상태가 클러치식 조인트 모듈(200)에 적용될 수 있다는 것을 주목하여야 한다. 따라서, 이러한 것을 여기에서 다시 설명하지 않으나, 관련 기술 분야의 통상의 기술자는, 도 5a 내지 도 5e와 관련된 전술한 설명으로부터, 클러치식 조인트 모듈(200)이 동일한 또는 유사한 방식으로 동작될 수 있다는 것을 인지할 것이다.
도 7a는 본 개시 내용의 예에 따른 클러치식 조인트 모듈(1130)을 도시하고, 도 7b는 클러치식 액츄에이터 모듈(1130)의 일차적인 액츄에이터를 도시한다. 클러치식 액츄에이터 조인트 모듈(1130)은, 일차적인 액츄에이터(1132)의 회전 축(1203)에 대해서 축-외적으로 배치된, 도 5a 내지 도 5e를 참조하여 설명한 클러치 기구(136) 및 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)를 포함할 수 있다. 즉, 클러치 기구(136)의 회전 축(1137)은 일차적인 액츄에이터(1132)의 회전 축(1203)에 일반적으로 평행하나 그로부터 오프셋될 수 있다. 여기에서, 출력 샤프트(138b)는, 출력 샤프트(138b)의 우측 단부의 일부로서 체결되거나 형성된 스플라인형 링 기어(미도시)를 통해서, 트랜스미션 벨트(1224)와 같은, 토크-전달 장치에 결합될 수 있다. 대안적으로, 스플라인형 링 기어는 클러치 기구(136)의 제2 지지 프레임(192b)에 결합될 수 있다. 양 시나리오에서, 토크-전달 장치, 이러한 경우에 트랜스미션 벨트(244)는, 클러치식 조인트 모듈(1130) 내에서 회전 작동시키기 위해서, 출력 샤프트(138b)에 토크를 전달할 수 있다. 비록 실제 축척으로 도시되지는 않았지만, 출력 샤프트(138b)의 좌측 단부는 지지 프레임(1138b)의 개구(1152)에 그리고 그 개구를 통해서 회전 가능하게 인터페이스될 수 있고, 이어서, 로보틱 지지 부재에 결합된 출력 부재에 결합될 수 있거나, 로보틱 지지 부재에 직접적으로 결합될 수 있다. 따라서, 도 5a 내지 도 5e와 관련하여 앞서서 더 설명된 바와 같이, 쿼지-탄성 액츄에이터(134)를 통한 입력 부재(138a)의 회전은 (클러치가 결합될 때) 출력 샤프트(138b)의 회전을 유발하여 클러치식 조인트 모듈(1130)을 작동시킨다.
더 구체적으로, 이러한 대안적인 구성과 관련하여, 일차적인 액츄에이터(예를 들어, 기어형 전기 모터)(1132)는 회전 축(1137)을 중심으로 한 회전을 위해서 출력 부재(138b)에 토크를 인가하도록 구성되고 동작될 수 있고, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)(예를 들어, 선형 또는 회전 공압 액츄에이터)가 (클러치의 동작을 통해서) 선택적으로 동작되어, 일차적인 액츄에이터(1132)에 의해서 인가되는 토크와 함께, 출력 부재(138b)에 증강 토크를 인가함으로써, 예를 들어 외골격에 의해서 보행 주기의 특정 부분(또는, 상부 신체 이동과 같은, 외골격 사지의 다른 이동) 중에, 조인트 모듈의 회전을 작동시키는데 필요한 동력을 감소시킬 수 있다.
클러치 기구(136)는, 일차적인 액츄에이터(1132) 및 클러치 기구(136)를 "샌드위치" 상태에서 구속하기 위해서 양 측면에 각각 배치된, 제1 장착 플레이트(1138a) 및 제2 장착 플레이트(1138b)에 의해서 일차적인 액츄에이터(1132)에 구조적으로 장착될 수 있다. 비록 여기에서 도시하지는 않았지만, 클러치 기구(136)의 제1 및 제2 하우징(192a 및 192b)은 그로부터 외향 연장되고 환형 칼라 베어링을 지지하는 지지 부재를 가질 수 있고, 그러한 환형 칼라 베어링은 클러치 기구(136)를 제1 및 제2 장착 플레이트(1138a 및 1138b)에 대해서 회전 가능하게 결합시키고 지지한다. 관련 기술 분야의 통상의 기술자에 의해서 인지될 수 있는 바와 같이, 클러치 기구(136)를 지지 플레이트에 회전 가능하게 결합시키는 다른 적합한 수단이 가능하다.
제1 장착 플레이트(1138a)는, (이격부를 사이에 가지는) 복수의 체결부(1142)를 통해서, (일차적인 액츄에이터(1132)를 지지하는) 하우징 장착부(1140)에 장착될 수 있다. 제2 장착 플레이트(1138b)는 복수의 체결부(1151)를 통해서 하우징 장착부(1140)의 다른 측면에 장착될 수 있다.
출력 샤프트(138b)(및/또는 샤프트(138b)에 결합된 출력 부재)는, 특별한 유형의 로보틱 시스템 및 그 적용예(예를 들어, 외골격, 휴머노이드 로봇, 로보틱 손 또는 팔)에 따라, 많은 상이한 형상 및 형태를 포함할 수 있는 하중 전달 구성요소일 수 있다. 따라서, 도시된 특정 구성은 어떠한 방식으로도 제한하기 위한 것이 아니다. 출력 부재(138b)는 도 4a의 외골격과 같은 로보틱 조립체의 지지 구조물에 결합될 수 있는 로보틱 지지 부재 인터페이스 부분을 포함할 수 있다.
하우징 장착부(1140)는 체결부를 통해서 서로 결합된 제1 장착 구조물(1174a) 및 제2 장착 구조물(1174b)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 장착 구조물(1174a 및 1174b)가 함께 체결되어 일차적인 액츄에이터(1132)의 많은 구성요소를 수용하고 구조적으로 지지할 수 있다. 예를 들어, 일차적인 액츄에이터(1132)는, 제1 및 제2 장착 구조물(1174a 및 1174b) 내에 안착되는 모터(1178)(예를 들어, 전기 모터)를 포함할 수 있다. 모터(1178)는 고성능 영구자석 무브러시 DC 모터(PM-BLDC)일 수 있다. 전술하고 도면에 도시된 모터는 어떠한 방식으로도 제한하기 위한 것은 아니다. 사실상, 일차적인 액츄에이터(1132)로서 사용하기에 적합한 다른 모터가 본원에서 고려될 수 있는데, 이는 그러한 것이 유압 또는 공압 액츄에이터와 같은 다양한 다른 유형의 액츄에이터일 수 있기 때문이다.
도 7b에 더 도시된 바와 같이, 모터(1178)는 (상업적으로 이용 가능한 무프레임 무브러시 모터의 전형적인 방식으로) 서로 상대적으로 회전 가능한 고정자(1180) 및 회전자(1182)를 포함할 수 있다. 도 7b의 도면은 일차적인 액츄에이터(1132)에 관한 도 7a에 초기에 도시된 도면에 대해서 회전된 것임을 주목하여야 한다. 모터(1178)는 모터(1178)의 중앙 지역 주위의 그리고 회전자(1182)에 의해서 둘러싸인 중앙 공극(1184)을 포함하도록 구성될 수 있다. 유리하게, 유성 트랜스미션(1186)(또는 임의의 다른 유형의 트랜스미션)과 같은 트랜스미션이 (전체적으로 또는 부분적으로) 중앙 공극(1184) 내에 배치될 수 있다. 이는, 본원의 임의의 곳에서 예시한 바와 같이, 비교적 작은 전기 모터에 대해서 큰 토크 출력을 가지는 낮은-프로파일 기어형 모터 상태를 제공한다. 본원에서 예시된 유성 트랜스미션이, 예를 들어, 하모닉(harmonic), 사이클로이달, 웜, 벨트/체인, 크랭크, 4-바아 링키지, 백호 링키지(backhoe linkage), 벨 크랭크 및 연속적 가변과 같은, 다른 트랜스미션 유형으로 대체될 수 있다(또는 보충될 수 있다)는 것을 이해하여야 한다.
본 예에서, 유성 트랜스미션(1186)은 4:1 기어형 유성 트랜스미션으로서 구성될 수 있다. 따라서, 일 예에서, 유성 트랜스미션(1186)은 운반체(1192) 주위에 장착된 4개의 유성 기어(1188)(하나가 표시됨)에 결합된 외부 링(1190)을 포함할 수 있고, 그에 의해서 4개의 유성 기어(1188)는 중앙 태양 기어(이러한 도면에서 볼 수 없다)의 기어 치형부와 결합되는 기어 치형부를 갖는다. 본 예에서, 외부 링(1190)은 정지적인데, 이는 외부 링이, 체결부(미도시)를 경유하여 외부 링(1190) 주위의 개구를 통해서 그리고 제1 장착 구조물(1174a) 내의 나사산형 보어 내로, 제1 장착 구조물(1174a)에 체결되기 때문이다. 회전 가능한 전달 휠(1198)은 제2 장착 구조물(1174b)에 인접한 일차적인 액츄에이터(1132)의 외부 측면 상에 배치되고, 둘레 체결부를 통해서 구동 칼라(1200)에 체결된다. 구동 칼라(1200)는 모터(1178)의 회전자(1182)에 체결 또는 고정된다. 전달 휠(1198)은 모터(1178)의 회전자(1182)로부터 (트랜스미션(1186)의) 태양 기어로 회전 축(1203)(도 7a)을 중심으로 하는 회전을 전달하도록 동작될 수 있다. 이격부 슬리브(1201)는 구동 칼라(1200)에 인접하여 그리고 유성 트랜스미션(1186)의 외부 링(1190)과 회전자(1182) 사이에 배치되어, 유성 트랜스미션(1186)과 회전자(1182) 사이에서 지지 이격부로서 작용할 수 있다.
전달 휠(1198)은, 체결부를 통해서 전달 휠(1198)에 체결되는 전달 허브(1206)를 지지하는 중앙 개구(1204)를 포함할 수 있다. 전달 허브(1206)는, 태양 기어의 외부 기어 치형부와 결합될 수 있는 내부 기어 치형부(미도시)를 가질 수 있다. 그에 따라, 모터(1178)에 전기장을 인가할 때, 회전자(1182)는 축(1203)을 중심으로 회전되고, 이는 전달 휠(1198)이 회전되게 하며, 이는 그에 의해서 태양 기어(1194)가 회전되게 하며, 이들 모두는 1:1 비율이다. 회전 축(1203)을 중심으로 하는 태양 기어의 회전 시에, 유성 기어(1188)는 태양 기어 주위로 회전되고, 이는 운반체(1192)가 회전되게 한다. 출력 샤프트(1209)는 운반체(1192)의 중앙 부분(1211)에 고정되고, 그에 따라 운반체(1192)의 회전은 축(1203)을 중심으로 하는 출력 샤프트(1209)의 회전을 유발하고, 이는 유성 트랜스미션(1186)을 통해서 회전자(1182)의 회전으로부터 출력 샤프트(1209)까지 4:1 기어 감속 트랜스미션 배열을 제공한다. 4:1 트랜스미션 대신에, 3:1 또는 5:1(또는 심지어 더 큰 비율)의 유성 기어 체계와 같은 다른 유성 트랜스미션 유형 및 기어 감속 체계를 이용할 수 있다.
구축 높이를 줄이기 위해서, 유성 트랜스미션(1186)은 모터(1178)의 회전자(1182) 내측에 배치될 수 있다. 선택된 모터에 따라서, 회전자의 내경이 유성 트랜스미션의 최대 외경을 결정할 것이다. 일단 유성 링이 그 외경에 의해서 구속되면, 이용 가능한 기어비 및 출력 토크에 대한 선택량이 제한된다. 출력 비율은 링 기어 상의 치형부의 수 대 태양 기어 상의 치형부의 수의 비율로부터 결정된다. 유성 유닛의 콤팩트한 설계에서 더 큰 감속을 획득하기 위해서, 태양 기어 직경이 감소될 수 있고, 이는 일반적으로 작은 동력 트랜스미션에 상응한다. 큰 토크를 전달할 수 있는 능력은 태양 기어가 작을수록 감소된다. 모터 회전자 내측에 물리적으로 끼워질 유성 유닛에 대해서, 감속 및 강도의 균형이 결정될 수 있다. 나선형으로 컷팅된 기어를 구현하는 것에 의해서, 유닛을 더 강하게 만드는 기어 치형부 상에서 더 큰 힘이 전달될 수 있다. 더 넓은 치형부가 또한 태양 기어의 하중 지탱 능력을 개선할 것이나, 이는 중량을 또한 증가시킨다.
또한, 태양 기어는 몇 개의 치형부와 동시에 접촉될 수 있고, 그에 따라 접촉 비율은 통상적인 스퍼 기어 트랜스미션 보다 상당히 더 크다. 유성 기어의 다른 장점은, 콤팩트한 장착 상태를 가능하게 하는, 트랜스미션이 모터와 인-라인이라는 사실이다. 4:1 유성 유닛의 2개가 함께 포개져서, 예를 들어, 16:1의 최종 구동을 생성할 수 있다.
그에 따라, Allied Motion의 MF0127-032 모터를 이용하는 하나의 예에서, 이는 3.3 인치의 내경을 가지며, 이는 약 3.15 인치(또는 그 미만)의 유성 트랜스미션이 모터의 중앙 공극 내에서 사용 및 배치될 수 있다는 것을 의미한다. 그리고, Matex의 75-4MLG12 유성 트랜스미션이 통합될 수 있고, 이는, 단지 500 그램의 중량을 가지고 118 N-m 피크 토크를 가지는 2.95 인치 외경의 4:1 유닛이다. 그러한 유성 트랜스미션은 콤팩트한 구성을 생성하기 위해서 본원에서 설명된 바와 같은 무브러시 모터와 통합될 수 있다. 그에 따라, 도 7b의 도시된 예에서, 출력 샤프트(1209)는 유성 트랜스미션(1186)을 통해서, 매우 작은 소음 및 백래시로, 저속으로 비교적 큰 토크를 인가할 수 있고, 이들 모두는 콤팩트한 형태인데, 이는 유성 트랜스미션(1186)이 무브러시 무프레임 전기 모터(1178)의 공극(1184) 내에 수용되기 때문이다. 관련 기술 분야의 통상의 기술자가 인지할 수 있는 바와 같이, 본원에서 설명된 특정 유형의 모터 및 유성 트랜스미션은 어떠한 방식으로 제한적인 것이 아님을 주목하여야 한다.
도 7a 및 도 7b를 계속 참조하면, 출력 샤프트(1192)의 자유 단부(1210)는 제1 장착 구조물(1174a)의 개구(1212)를 통해서 연장된다. 테이퍼링된 지지 칼라(1214)는 출력 샤프트(1192)를 둘러싸고 그에 결합된다(열쇠 및 슬롯 인터페이스를 이용하여 지지 칼라(1214)를 출력 샤프트(1192)에 결합할 수 있다). 테이퍼링된 지지 칼라(1214)는, 출력 샤프트(1192)를 일차적인 풀리(1216)에 결합하기 위해서 (예를 들어, Morse 테이퍼 인터페이스와 같은) 일차적인 풀리(1216)의 내부 테이퍼링된 표면에 교합되는 외부 테이퍼링된 표면을 갖는다(열쇠 및 슬롯 인터페이스를 이용하여 지지 칼라(1214)를 일차적인 풀리(1216)에 결합시킬 수 있다). 제1 칼라 베어링이 제1 장착 구조물(1174a)의 개구(1212)(도 7a) 내에 배치되어 출력 샤프트(1192)를 회전 가능하게 지지할 수 있고, 제2 칼라 베어링(218b)이 일차적인 풀리(1216)의 외부 단부와 함께 배치되어 출력 샤프트(1192)의 자유 단부(1210)를 회전 가능하게 지지할 수 있다.
일 예에서, 센서 플레이트(1220)가 제2 장착 구조물(1174b)의 외부 측면에 체결될 수 있고, 센서 플레이트(1220)는 위치 센서(1222)를 지지하는 개구를 포함한다. 위치 센서(1222)는 전달 휠(1198)에 인접될 수 있고, 전달 휠은 위치 센서(1222)가 태양 기어(1194)의 위치를 결정할 수 있도록 태양 기어(1194)를 통한 개구를 가지며, 이는 출력 샤프트(1209)의 회전 위치를 최종적으로 결정할 수 있고, 그에 의해서, 예를 들어, 무릎 또는 고관절 조인트의 각도 위치를 제공할 수 있다. 위치 센서(1222)는 13-비트 홀-효과 센서와 같은 임의의 적합한 센서일 수 있다. 부가적인 위치 센서가 시스템에 결합될 수 있고, 조인트의 위치를 최종적으로 결정하기 위해서 이용될 수 있다. 로보틱 조인트의 특별한 위치는, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터를 비탄성, 반-탄성 및 탄성 상태 사이에서 스위칭하기 위해서, 또는 탄성 액츄에이터의 영의 지점 또는 위치를 동적으로 변경하기 위해서, 클러치 기구의 작동을 결정 및 제어하는 것과 관련된다.
모터(1178)의 동작에 의한 (양 회전 방향을 따른) 출력 샤프트(1209)의 회전 시에, 일차적인 풀리(1216)는, 예를 들어, 로보틱 조인트를 작동시키기 위해서 출력 샤프트(138b)를 회전시키기 위한 일차적인 토크를 제공하기 위해서, 전술한 바와 같이, 출력 샤프트(138b)에 (또는 클러치 기구(136)에) 결합되는 트랜스미션 벨트(1224)를 회전시킨다. 트랜스미션 벨트(1224)는 Gates Poly Chain GT Carbon 동기식 벨트, 또는 다른 적합한 벨트일 수 있다. 벨트 장력화 장치(1225)(도 7a)는 체결부를 통해서 제1 장착 플레이트(1138a)의 슬롯에 조정 가능하고 활주 가능하게 결합될 수 있고, 이는, 희망하는 바에 따라, 벨트(1224)를 조이거나 느슨하게 하기 위해서 벨트 장력화 장치(1225)를 벨트(1224)를 향해서 또는 그로부터 멀리 활주시키기 위해서 도구를 이용하여 사용자에 의해서 동작될 수 있다. 일부 예에서, 하나 이상의 벨트 또는 링키지 또는 기어 또는 힘줄(tendon)(또는 그 조합과 같은), 다양한 다른 토크-전달 장치가 벨트(1224)의 특별한 구성을 대체할 수 있다. 또한, 트랜스미션(들)은 (동일 선상 이외의 일부 다른 위치의) 일차적인 액츄에이터(1132)의 회전 축(1203)으로부터 오프셋된(예를 들어, 직각 또는 일부 다른 각도의 평면을 따르는 방향으로 배향된) 회전 축을 가지도록 배열될 수 있다. 그리고, 다양한 트랜스미션은, 특별한 적용예에 따라, 비교적 큰 기어 감속(예를 들어, 20:1 또는 그 초과), 또는 비교적 작은 기어 감속(예를 들어, 1:1) 또는 이들 사이의 임의의 기어 감속을 포함하는, 입력부와 출력부 사이의 상이한 기어 감속을 제공하도록 배열될 수 있다. 일부 예에서, 벨트(1224) 형태의 토크-전달 장치, 또는 그러한 다양한 대안적인 토크-전달 장치는 일차적인 액츄에이터(1132)가 출력부로부터 멀리 원격 위치될 수 있게 하며(즉, 일차적인 액츄에이터(1132)는 클러치식 조인트 모듈의 출력부로부터 주어진 거리로 이격되어 위치되지만, 토크-전달 장치를 통해서 그에 동작 가능하게 연결된다), 원격 위치된 일차적인 액츄에이터(1132)가 작동될 수 있고, 그 토크는 로보틱 시스템의 조인트에 상응하는 튜닝 가능한 작동 가능 조인트 모듈의 출력부에 전달될 수 있다. 예를 들어, 일차적인 액츄에이터(1132)는 외골격(예를 들어, 도 4a)의 하부 후방 지역에 위치될 수 있는 한편, 그러한 대안적인 토크-전달 장치(들)는 일차적인 토크를 하부 후방 지역으로부터 고관절 조인트 작동을 위한 고관절 조인트를 위한 클러치식 액츄에이터 조인트 모듈 내에 위치된 출력 부재까지 전달할 수 있다.
도 6a 및 도 6b와 관련하여 설명된 클러치 기구(206) 및 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(들)(204 또는 205)가 도 7a의 클러치 기구(136) 및 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터(134)를 용이하게 대체할 수 있다는 것, 그리고 유사한 또는 상이한 방식으로 장착 플레이트에 장착될 수 있고 도 7a 및 도 7b와 관련하여 설명된 것과 유사한 방식으로 트랜스미션 벨트(또는 다른 트랜스미션)를 통해서 일차적인 액츄에이터(1132)에 동작 가능하게 결합될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
일부 예에서, 본원에서 도시된 바와 같이, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터는 선형 공압 액츄에이터(예를 들어, 134, 204)를 포함할 수 있으나, 이들 각각은, 회전 스프링(예를 들어, 비틀림 스프링), 회전 공압 스프링, 코일 스프링, 판 스프링, 및 기타와 같은, 다른 탄성 요소로 대체될 수 있다. 본원에서 고려된 그러한 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터는 금속, 복합체, 중합체, 고무, 등을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 부가적인 링키지 또는 피봇팅 지지 부재가 특별한 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터와 특별한 입력 및/또는 출력 부재 사이에 결합될 수 있고, 이는 패키징 크기를 줄일 수 있을 뿐만 아니라(예를 들어, 조인트로부터 멀리 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터를 원격 위치시킬 수 있다), 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터가 출력 부재에 결합되는 지점에 대한 토크 출력부의 장점을 취할 수 있다.
본원에서 예시된 유성 트랜스미션이, 예를 들어, 하모닉, 사이클로이달, 웜, 벨트/체인, 크랭크, 4-바아 링키지, 백호 링키지(backhoe linkage), 벨 크랭크 및 연속적 가변과 같은, 다른 트랜스미션 유형으로 대체될 수 있다(또는 보충될 수 있다)는 것을 이해하여야 한다. 그리고, 하나 이상의 벨트 또는 링키지 또는 기어 또는 힘줄(또는 그 조합과 같은, 다양한 토크-전달 장치가 유성 트랜스미션들(그리고 설명된 대안적인 트랜스미션들) 사이에 동작 가능하게 결합될 수 있다.
클러치식 조인트 모듈(130)에 대해서 전술한 다양한 기능 및 동작 상태가 클러치식 조인트 모듈(1130)에 적용될 수 있다는 것을 주목하여야 한다. 따라서, 이러한 것을 여기에서 다시 설명하지 않으나, 관련 기술 분야의 통상의 기술자는, 도 5a 내지 도 5e와 관련된 전술한 설명으로부터, 클러치식 조인트 모듈(1130)이 동일한 또는 유사한 방식으로 동작될 수 있다는 것을 인지할 것이다.
본원에서 설명된 다양한 클러치식 조인트 모듈에 의해서 형성된 조인트의 회전(즉, 입력 부재와 출력 부재 사이의 상대적인 회전)이, 에너지의 저장 및 방출 중에, 제동력의 생성 및 인가 중에, 그리고 조인트의 자유 스윙을 돕기 위한 클러치 기구의 분리 중에, 임의의 방향(예를 들어, 동일 방향, 상이한 방향들)일 수 있다는 것을 더 주목하여야 한다. 다시 말해서, 클러치 기구는, 동일한 방향 또는 다양한 다른 방향들을 따른 연관 조인트의 회전 시에, 에너지를 저장하기 위해서, 에너지를 방출하기 위해서, 또는 분리되어 조인트의 자유 회전을 돕기 위해서 결합되도록 동작될 수 있다. 이는 본 개시 내용에서 기술된 모든 예에 대해서도 마찬가지이다.
개시된 발명의 실시예는 본원에서 개시된 특별한 구조, 프로세스 단계들 또는 재료로 한정되는 것이 아니며, 관련 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 인지될 수 있는 바와 같은 균등물까지 확대된다는 것을 이해해야 한다. 또한, 본 출원에서 이용되는 용어는 단지 특별한 실시예들을 설명하기 위해 이용된 것이고 한정하기 위한 것이 아니라는 것을 것을 이해해야 한다.
본 명세서 전반을 통한 "일 예" 또는 "예"라는 언급은, 예와 관련하여 설명된 특별한 특징, 구조, 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반의 여러 장소에서의 "일 예에서" 또는 "예에서"라는 문구의 출현 모두가 반드시 동일한 실시예를 언급하는 것은 아니다.
또한, 설명된 특징, 구조, 또는 특성을 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 조합할 수 있다. 설명에서, 본 발명의 실시예의 전반적인 이해를 제공하기 위해서, 길이, 폭, 형상 등의 예와 같은, 많은 구체적 상세 내용이 제공되어 있다. 그러나, 관련 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명이 구체적인 상세 부분 중 하나 이상이 없이, 또는 다른 방법, 구성요소, 또는 재료 등과 함께 실시될 수 있는 것을 이해할 것이다. 다른 경우에, 본 발명의 양태를 불명료하게 하지 않기 위해서, 주지의 구조, 재료, 또는 동작을 구체적으로 도시 또는 설명하지 않았다.
본원에서 설명된 일부 실시예 또는 특징이 본원에서 개시된 다른 실시예 또는 특징과 조합될 수 있다는 것을 명확하게 개시하지 않았을 수 있지만, 이러한 개시 내용은, 관련 기술 분야의 통상의 기술자에 의해서 실시될 수 있는 임의의 그러한 조합을 설명하는 것으로 해석되어야 한다. 본 개시 내용에서 "또는"의 사용은, 본원에서 달리 표시한 바가 없는 한, '비-배타적인 또는'을 즉, "및/또는"을 의미하는 것을 이해하여야 한다.
전술한 예들이 하나 이상의 특정 적용예에서 본 발명의 원리를 설명하지만, 관련 기술 분야의 통상의 기술자는 구현예의 형태, 용도 및 세부사항에 관한 다수의 변형들이, 발명의 재능을 실시하지 않고도 그리고 본 발명의 원리와 개념으로부터 벗어나지 않고도, 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 하기 청구범위를 제외하고는 제한되지 않는다.
Claims (47)
- 로보틱 조립체 내에서 이용하기 위한 클러치식 조인트 모듈이며:
로보틱 시스템의 제1 지지 부재에 결합되도록 동작될 수 있는 출력 부재;
로보틱 시스템의 제2 지지 부재에 결합되도록 동작될 수 있는 입력 부재;
회전 축을 중심으로 출력 부재를 회전시키기 위한 토크를 인가하도록 동작될 수 있는 일차적인 액츄에이터로서, 모터와, 상기 모터와 상기 출력 부재 사이에서 동작 가능하게 결합되며 모터의 중앙 공극 내에 적어도 부분적으로 배치되는 트랜스미션을 포함하는, 일차적인 액츄에이터; 및
입력 부재와 출력 부재 사이에 동작 가능하게 결합된 클러치 기구로서, 클러치 기구는 결합 상태, 반-결합 상태, 또는 분리 상태에서 동작될 수 있고, 결합 상태 및 반-결합 상태는, 일차적인 토크를 출력 부재에 선택적으로 인가하는 것을 돕는, 클러치 기구를 포함하고,
클러치 기구, 모터 및 트랜스미션은 상기 회전 축을 따라 배치되고, 상기 회전 축을 중심으로 동작될 수 있는, 클러치식 조인트 모듈. - 제1항에 있어서,
클러치 기구는, 일차적인 토크가 있거나 없는 상태에서, 입력 부재와 출력 부재 사이의 회전을 제한하기 위한 가변 제동력을 생성하도록 결합 상태 또는 반-결합 상태에서 동작될 수 있는, 클러치식 조인트 모듈. - 제1항에 있어서,
클러치 기구는 복수의 플레이트, 그리고 클러치 기구가 결합 상태 및 반-결합 상태에서 기능하도록 복수의 플레이트를 압축하도록 작동 가능한 액츄에이터를 포함하는, 클러치식 조인트 모듈. - 제1항에 있어서,
클러치 기구의 적어도 일부는 회전 축과 실질적으로 동일 선상에 있는 클러치 회전 축을 포함하는, 클러치식 조인트 모듈. - 제1항에 있어서,
모터는 무브러시 무프레임 전기 모터를 포함하는, 클러치식 조인트 모듈. - 제1항에 있어서,
입력 부재에 결합되고 일차적인 액츄에이터와 병렬로 배열되는 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터를 더 포함하고, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터는, 클러치 기구가 결합 또는 반-결합될 때, 에너지를 저장 및 방출하도록 동작될 수 있는, 클러치식 조인트 모듈. - 제6항에 있어서,
쿼지-패시브 탄성 액츄에이터는 입력 부재와 출력 부재 사이의 회전을 적어도 부분적으로 제한하기 위한 제동력을 생성하도록 동작되는, 클러치식 조인트 모듈. - 제6항에 있어서,
쿼지-패시브 탄성 액츄에이터는 출력 부재의 회전을 돕기 위해서 일차적인 액츄에이터에 의해서 발생된 일차적인 토크와 조합하기 위한 증강 토크를 인가하도록 동작되는, 클러치식 조인트 모듈. - 제6항에 있어서,
쿼지-패시브 탄성 액츄에이터는 쿼지-패시브 선형 공압 액츄에이터를 포함하는, 클러치식 조인트 모듈. - 제9항에 있어서,
쿼지-패시브 선형 공압 액츄에이터는, 클러치식 조인트 모듈의 조인트 강성 값을 적어도 부분적으로 규정하기 위해서 가스 압력 장입되는, 클러치식 조인트 모듈. - 제6항에 있어서,
쿼지-패시브 탄성 액츄에이터는 클러치 기구를 통해서 탄성 상태, 반-탄성 상태, 및 비탄성 상태 사이에서 실시간으로 선택적으로 스위칭되는, 클러치식 조인트 모듈. - 제1항에 있어서,
클러치 기구는:
입력 부재에 결합된 클러치 하우징;
클러치 하우징에 의해서 유지되는 복수의 입력 플레이트;
클러치 하우징에 의해서 회전 가능하게 지지되고 복수의 입력 플레이트와 회전 가능하게 결합된 복수의 출력 플레이트; 및
클러치 제어 신호를 수신할 때, 클러치 기구가 결합 상태에서 동작되도록, 압축력을 출력 플레이트 및 입력 플레이트에 인가하도록 동작될 수 있는 액츄에이터를 포함하는, 클러치식 조인트 모듈. - 제12항에 있어서,
출력 부재는, 클러치 기구가 분리 상태에 있을 때, 출력 플레이트가 입력 플레이트에 대해서 자유롭게 회전되도록, 복수의 출력 플레이트에 결합되는, 클러치식 조인트 모듈. - 제12항에 있어서,
일차적인 액츄에이터는 모터를 포함하고, 클러치식 조인트 모듈은 모터 내에 적어도 부분적으로 배치된 제1 트랜스미션 및 제1 트랜스미션과 클러치 기구 사이에 동작 가능하게 결합된 제2 트랜스미션을 더 포함하는, 클러치식 조인트 모듈. - 제1항에 있어서,
클러치 기구는:
입력 부재에 결합된 클러치 하우징;
클러치 하우징에 의해서 유지되는 복수의 입력 플레이트;
클러치 하우징에 의해서 회전 가능하게 지지되고 복수의 입력 플레이트와 회전 가능하게 결합된 복수의 출력 플레이트;
클러치 하우징에 결합된 볼-램프 클러치 장치; 및
볼-램프 클러치 장치에 결합되고, 제어 신호를 수신할 때, 클러치 기구가 결합 상태에서 동작되도록 압축력을 출력 플레이트 및 입력 플레이트에 인가하기 위해서, 볼-램프 클러치 장치를 회전시키도록 동작될 수 있는 액츄에이터를 포함하는, 클러치식 조인트 모듈. - 제15항에 있어서,
클러치 기구는, 클러치 기구가 분리 상태에 있을 때, 출력 플레이트가 입력 플레이트에 대해서 자유롭게 회전되도록, 복수의 출력 플레이트에 결합된 출력 샤프트를 더 포함하는, 클러치식 조인트 모듈. - 제15항에 있어서,
일차적인 액츄에이터는 모터를 포함하고, 클러치식 조인트 모듈은 모터 내에 적어도 부분적으로 배치된 제1 트랜스미션 및 제1 트랜스미션과 클러치 기구 사이에 동작 가능하게 결합된 제2 트랜스미션을 더 포함하는, 클러치식 조인트 모듈. - 적어도 하나의 회전 가능 조인트를 가지는 로보틱 사지를 포함하는 로보틱 시스템이며, 로보틱 시스템은:
복수의 지지 부재; 및
로보틱 사지의 각각의 조인트를 형성하는 복수의 클러치식 조인트 모듈을 포함하고, 각각의 클러치식 조인트 모듈은 복수의 지지 부재의 적어도 2개를 함께 회전 가능하게 결합시키고, 각각의 클러치식 조인트 모듈은:
회전 축을 중심으로 회전될 수 있고 자유도를 규정하는 조인트;
조인트를 회전시키기 위해서 일차적인 토크를 인가하도록 동작될 수 있는 일차적인 액츄에이터로서, 모터와, 상기 모터에 동작 가능하게 결합되며 모터의 중앙 공극 내에 적어도 부분적으로 배치되는 트랜스미션을 포함하는, 일차적인 액츄에이터; 및
일차적인 액츄에이터에 결합되고, 결합 상태, 반-결합 상태, 및 분리 상태 사이에서 동작될 수 있는 클러치 기구로서, 결합 상태와 반-결합 상태는 조인트를 회전시키기 위한 일차적인 토크를 선택적으로 인가하는 것을 돕고,
클러치 기구, 모터 및 트랜스미션은 상기 회전 축을 따라 배치되고, 상기 회전 축을 중심으로 동작할 수 있는, 클러치 기구를 포함하는, 로보틱 시스템. - 제18항에 있어서,
클러치 기구는, 일차적인 토크가 있거나 없는 상태에서, 조인트의 회전을 제한하기 위한 제동력을 생성하도록 결합 상태 또는 반-결합 상태에서 동작될 수 있는, 로보틱 시스템. - 삭제
- 제18항에 있어서,
클러치 기구와 함께 동작될 수 있고 일차적인 액츄에이터와 병렬로 배열되는 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터를 더 포함하고, 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터는, 클러치 기구가 결합 또는 반-결합될 때, 에너지를 저장 및 방출하도록 동작될 수 있는, 로보틱 시스템. - 제21항에 있어서,
쿼지-패시브 탄성 액츄에이터는 입력 부재와 출력 부재 사이의 회전을 적어도 부분적으로 제한하기 위한 제동력을 생성하도록 동작되는, 로보틱 시스템. - 제21항에 있어서,
쿼지-패시브 탄성 액츄에이터는 조인트의 회전을 돕기 위해서 일차적인 액츄에이터에 의해서 발생된 일차적인 토크와 조합하기 위한 증강 토크를 인가하도록 동작되는, 로보틱 시스템. - 제21항에 있어서,
복수의 클러치식 조인트 모듈 중 하나는 제1 유형의 탄성 요소를 포함하는 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터를 포함하고, 복수의 클러치식 조인트 모듈의 다른 하나는 다른 유형의 탄성 요소를 포함하는 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터를 포함하는, 로보틱 시스템. - 제21항에 있어서,
쿼지-패시브 탄성 액츄에이터는 클러치 기구를 통해서 탄성 상태, 반-탄성 상태, 및 비탄성 상태 사이에서 실시간으로 선택적으로 스위칭되는, 로보틱 시스템. - 로보틱 시스템의 로보틱 조인트를 동작시키기 위한 방법이며:
회전 축을 중심으로 출력 부재를 회전시키기 위한 토크를 인가하도록 구성된 클러치식 조인트 모듈의 일차적인 액츄에이터를 선택적으로 동작하는 단계로서 상기 일차적인 액츄에이터는 모터와, 상기 모터와 상기 출력 부재 사이에서 동작 가능하게 결합되며 모터의 중앙 공극 내에 적어도 부분적으로 배치되는 트랜스미션을 포함하는 단계;
결합 상태, 반-결합 상태, 및 분리 상태 사이에서 로보틱 시스템의 조인트를 형성하는 클러치식 조인트 모듈의 클러치 기구를 동작시키는 단계로서, 클러치 기구는 클러치식 조인트 모듈의 입력 부재와 출력 부재 사이에서 동작 가능하게 결합되고, 클러치 기구, 모터 및 트랜스미션은 상기 회전 축을 따라 배치되고, 상기 회전 축을 중심으로 동작할 수 있는, 단계; 및
출력 부재에 결합된 로보틱 시스템의 제1 지지 부재를 입력 부재에 결합된 제2 지지 부재에 대해서 회전시키고, 그에 따라 조인트를 회전 축을 중심으로 회전시키는 단계를 포함하는, 방법. - 제26항에 있어서,
제1 지지 부재를 제2 지지 부재에 대해서 회전시키는 단계는, 일차적인 토크를 출력 부재에 인가하기 위해서 결합 상태 또는 반-결합 상태에서, 클러치 기구로 클러치식 조인트 모듈의 일차적인 액츄에이터를 작동시키는 단계를 포함하고, 클러치 기구는 일차적인 토크의 적어도 일부를 일차적인 액츄에이터로부터 출력 부재로 전달하기 위한 그리고 조인트를 회전시키기 위한 기능을 하는, 방법. - 제26항에 있어서,
제1 지지 부재를 제2 지지 부재에 대해서 회전시키는 단계는, 외부 힘에 응답하여, 결합 상태 또는 반-결합 상태에서 클러치 기구로 그 지지 부재들을 패시브적으로 회전시키고, 그에 의해서 조인트의 회전을 저지하도록 동작할 수 있는 제동력을 생성하는 단계를 포함하는, 방법. - 제26항에 있어서,
클러치 기구를 분리 상태에서 동작시키는 단계를 더 포함하고, 조인트는 자유 스윙 모드로 진입하는, 방법. - 제26항에 있어서,
증강 토크를 생성하고 출력 부재에 인가하기 위해서 클러치 기구를 선택적으로 결합시키는 것에 의해서, 클러치식 조인트 모듈의 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터를 탄성 상태 또는 반-탄성 상태에서 동작시키는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제26항에 있어서,
클러치식 조인트 모듈 내에서 제동력을 생성하기 위해서 클러치 기구를 선택적으로 결합시키는 것에 의해서, 클러치식 조인트 모듈의 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터를 탄성 상태 또는 반-탄성 상태에서 동작시키는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제26항에 있어서,
클러치식 조인트 모듈이 자유 스윙 모드로 진입하게 하기 위해서, 클러치식 조인트 모듈의 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터를 비탄성 상태에서 동작시키는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제31항에 있어서,
쿼지-패시브 탄성 액츄에이터를 미리 결정된 강성으로 사전-장입하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 로보틱 조립체 내에서 이용하기 위한 클러치식 조인트 모듈이며:
로보틱 시스템의 제1 지지 부재에 결합되도록 동작될 수 있는 출력 부재;
로보틱 시스템의 제2 지지 부재에 결합되도록 동작될 수 있는 입력 부재;
클러치식 조인트 모듈의 회전 축을 중심으로 제1 및 제2 지지 부재를 서로 상대적으로 회전시키기 위한 일차적인 토크를 출력 부재에 인가하도록 동작될 수 있는 일차적인 액츄에이터로서, 모터와, 상기 모터와 상기 출력 부재 사이에서 동작 가능하게 결합되며 모터의 중앙 공극 내에 적어도 부분적으로 배치되는 트랜스미션을 포함하는 일차적인 액츄에이터;
입력 부재에 결합되고 출력 부재를 회전 축을 중심으로 회전시키기 위해서 일차적인 액츄에이터에 의해서 인가된 일차적인 토크와 조합되는 증강 토크를 출력 부재에 인가하도록 동작될 수 있는 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터; 및
일차적인 액츄에이터 및 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터에 동작 가능하게 결합된 클러치 기구로서, 클러치 기구, 모터 및 트랜스미션은 상기 회전 축을 따라 배치되고, 상기 회전 축을 중심으로 동작할 수 있고, 클러치 기구는 결합 상태, 반-결합 상태, 또는 분리 상태에서 동작될 수 있고, 결합 상태에서, 클러치 기구는 쿼지-패시브 탄성 액츄에이터를 탄성 상태에 위치시키도록 그리고 증강 토크의 인가를 돕도록 동작되는, 클러치 기구를 포함하는, 클러치식 조인트 모듈. - 제34항에 있어서,
클러치 기구 및 일차적인 액츄에이터는 서로 실질적으로 평행한 중앙 회전 축을 각각 가지는, 클러치식 조인트 모듈. - 제34항에 있어서,
쿼지-패시브 탄성 액츄에이터는 선형 공압식 액츄에이터를 포함하고, 탄성 구성요소는 하우징 내에서 선형 이동으로 이동될 수 있는 피스톤 실린더 및 피스톤 로드를 더 포함하고, 피스톤 실린더는, 적어도 부분적으로, 압축 챔버 및 팽창 챔버를 형성하는, 클러치식 조인트 모듈. - 제36항에 있어서,
선형 공압식 액츄에이터는 입력 부재를 포함하고, 피스톤 로드는 중심-외 위치에서 클러치 기구의 하우징에 피봇식으로 결합되며, 그에 따라, 제1 회전 시에, 입력 부재의 이동은 피스톤 실린더를 이동시켜 압축 챔버 내에서 가스를 압축함으로써 에너지를 선택적으로 저장하게 하는, 클러치식 조인트 모듈. - 제34항에 있어서,
일차적인 액츄에이터 및 출력 부재는 트랜스미션에 의해서 서로 동작 가능하게 결합되는, 클러치식 조인트 모듈. - 제38항에 있어서,
제2 회전 시에, 선형 공압식 액츄에이터는 피스톤 로드를 통해서 에너지를 방출하여, 일차적인 액츄에이터에 의해서 인가된 일차적인 토크와 병렬로, 증강 토크를 출력 부재에 인가하는, 클러치식 조인트 모듈. - 제34항에 있어서,
일차적인 액츄에이터는 전기 모터를 포함하고, 상기 트랜스미션은 전기 모터에 회전 가능하게 결합된 유성 구동 트랜스미션을 포함하는, 클러치식 조인트 모듈. - 제34항에 있어서,
클러치 기구는:
입력 부재에 결합된 클러치 하우징;
클러치 하우징에 의해서 유지되는 복수의 입력 플레이트;
클러치 하우징에 의해서 회전 가능하게 지지되고 복수의 입력 플레이트와 회전 가능하게 결합된 복수의 출력 플레이트; 및
클러치 제어 신호를 수신할 때, 클러치 기구가 결합 상태에서 동작되도록, 압축력을 출력 플레이트 및 입력 플레이트에 인가하도록 동작될 수 있는 액츄에이터를 포함하는, 클러치식 조인트 모듈. - 제41항에 있어서,
출력 부재는, 클러치 기구가 분리 상태에 있을 때, 출력 플레이트가 입력 플레이트에 대해서 자유롭게 회전되도록, 복수의 출력 플레이트에 결합되는, 클러치식 조인트 모듈. - 제34항에 있어서,
클러치 기구는:
입력 부재에 결합된 클러치 하우징;
클러치 하우징에 의해서 유지되는 복수의 입력 플레이트;
클러치 하우징에 의해서 회전 가능하게 지지되고 복수의 입력 플레이트와 회전 가능하게 결합된 복수의 출력 플레이트;
클러치 하우징에 결합된 볼-램프 클러치 장치; 및
볼-램프 클러치 장치에 결합되고, 제어 신호를 수신할 때, 클러치 기구가 결합 상태에서 동작되도록 압축력을 출력 플레이트 및 입력 플레이트에 인가하기 위해서, 볼-램프 클러치 장치를 회전시키도록 동작될 수 있는 액츄에이터를 포함하는, 클러치식 조인트 모듈. - 제43항에 있어서,
클러치 기구는, 클러치 기구가 분리 상태에 있을 때, 출력 플레이트가 입력 플레이트에 대해서 자유롭게 회전되도록, 복수의 출력 플레이트에 결합된 출력 샤프트를 더 포함하고, 출력 샤프트는 출력 부재에 결합되는, 클러치식 조인트 모듈. - 삭제
- 삭제
- 삭제
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