KR102477836B1 - 마스터 로봇 시스템용 저항 기반 관절 구속 - Google Patents

마스터 로봇 시스템용 저항 기반 관절 구속 Download PDF

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Abstract

슬레이브 로봇 시스템에서의 힘을 마스터 로봇 시스템으로 전이하기 위한 마스터 로봇 시스템은 복수의 로봇 링크를 회전 가능하게 커플링하는 복수의 마스터 브레이크 관절을 포함한다. 각각의 마스터 브레이크 관절은 슬레이브 로봇 시스템의 각각의 슬레이브 관절에 대응한다. 각각의 마스터 브레이크 관절은 제1 로봇 링크에 커플링된 제1 제동 구성요소(예를 들어, 시트 디스크(들)) 및 제2 로봇 링크에 커플링된 제2 제동 구성요소(예를 들어, 시트 디스크(들)), 및 제1 제동 구성요소 및 제2 제동 구성요소에 작용하여, 슬레이브 로봇 시스템에 의해 감지된 힘에 대응하는 제어 신호에 응답하여, 제1 제동 구성요소와 제2 제동 구성요소 사이에 제동력을 발생하도록 동작 가능한 액추에이터를 포함한다. 액추에이터는 마스터 브레이크 관절의 제동력을 최대화하기 위해 최소 전력 요구를 각각 갖는, 양방향 액추에이터, 또는 캠, 압전, 유전, 또는 유압 액추에이터를 포함할 수 있다.

Description

마스터 로봇 시스템용 저항 기반 관절 구속 {RESISTANCE-BASED JOINT CONSTRAINT FOR A MASTER ROBOTIC SYSTEM}
원격 조작 용례에서 마스터 제어 시스템(master control system)을 이용하는 것은 다양한 과제를 부여한다. 예를 들어, 인간 조작자가 마스터 제어 시스템(예를 들어, 외골격(exoskeleton), 가상 현실 콘트롤 등)으로 슬레이브 시스템(slave system)(예를 들어, 비-휴머노이드 로봇, 휴머노이드 로봇, 핸드 로봇, 가상 아바타/로봇 등)을 원격 제어할 때, 인간 운동학 구성 상으로의 마스터 제어 시스템의 비-의인화(non-anthropomorphic) 운동학 장치의 운동학적 맵핑을 고려하는 것이 요구된다. 더욱이, 슬레이브 시스템이 예를 들어, 질량체(mass)를 밀거나 또는 물체 내로 충돌하는 것에 기인하여 다양한 힘을 경험할 때, 인간 조작자가 특정 작업을 위해 슬레이브 시스템을 더 양호하게 제어하기 위해 이들 인자를 지각하는 것이 가능한 것이 종종 바람직하다. 따라서, 로봇 시스템은 슬레이브에 의해 경험되는 힘이 본질적으로 마스터 제어 디바이스를 통해 사용자에 의해 "지각되는(felt)" "힘-반영(force-reflection)"이라 명명되는 것을 이용하도록 구성될 수 있다.
힘 반영을 성취하는데 사용된 종래의 해결책은, 몇몇 경우에 예를 들어 조작자에 의해 착용된 상부 로봇 외골격을 포함할 수 있는 마스터 제어 디바이스의 관절을 거쳐 인간 조작자에 힘 반영값을 제공하도록 제어되는 로봇 시스템의 마스터 제어 디바이스 내로 대형 공압 또는 유압 액추에이터를 합체하는 것을 수반한다. 그러나, 이러한 해결책은 비용, 복잡성, 중량, 열악한 제어 가능성 등과 같은 다양한 결점을 갖는다.
슬레이브 로봇 시스템에서의 힘을 마스터 로봇 시스템에 전이하기 위한 마스터 로봇 시스템이 본 명세서에 개시된다. 마스터 로봇 시스템은 복수의 로봇 링크 및 복수의 로봇 링크를 회전 가능하게 커플링하는 복수의 마스터 브레이크 관절을 포함한다. 각각의 마스터 브레이크 관절은 마스터 로봇 시스템에 의해 제어 가능한 슬레이브 로봇 시스템의 각각의 슬레이브 관절에 대응한다. 각각의 마스터 브레이크 관절은 복수의 로봇 링크의 제1 로봇 링크에 커플링된 제1 제동 구성요소, 및 복수의 로봇 링크의 제2 로봇 링크에 커플링된 제2 제동 구성요소를 포함하고, 제2 제동 구성요소는 제1 제동 구성요소에 대해 회전 가능하다. 각각의 마스터 브레이크 관절은 제1 제동 구성요소 및 제2 제동 구성요소에 작용하여, 슬레이브 로봇 시스템에 의해 감지된 힘에 대응하는 제어 신호에 응답하여, 제1 제동 구성요소와 제2 제동 구성요소 사이에 제동력을 발생하도록 동작 가능한 액추에이터를 포함한다.
몇몇 예에서, 제동력은 가변적이다. 몇몇 예에서, 제동력은 단지 제1 크기만을 갖고, 또는 달리 말하면 비-가변적이다. 몇몇 예에서, 제동력의 크기는 가변적이고, 감지된 힘에 대한 제동력의 비례성은 동적으로 제어 가능하다.
몇몇 예에서, 액추에이터는 모터 및 작동 부재를 갖는 양방향 액추에이터를 포함하고, 작동 부재는 제동력을 발생하기 위해 제1 제동 구성요소 또는 제2 제동 구성요소 중 적어도 하나에 양방향력을 인가하도록 모터에 의해 회전 가능하다.
몇몇 예에서, 액추에이터는 제동력을 발생하도록 동작 가능한 유전 액추에이터로서, 유전 액추에이터는 전압 소스에 커플링된 한 쌍의 전극들 사이에 배치된 유전 재료를 포함하는, 유전 액추에이터; 제동력을 발생하도록 동작 가능한 압전 액추에이터로서, 압전 액추에이터는 압전 구성요소의 스택을 변위하도록 동작 가능한 전압 소스에 커플링되도록 구성된 압전 구성요소의 스택을 포함하는, 압전 액추에이터; 또는 제동력을 발생하도록 동작 가능한 유체 또는 유압 액추에이터로서, 유체 또는 유압 액추에이터는 작동 구성요소 및 유체 또는 유압 작동 구성요소에 유동식으로 커플링된 적어도 하나의 유체 피스톤을 포함하고, 작동 구성요소는 적어도 하나의 유체 피스톤으로부터 말단측에 위치되고 제동력을 발생하기 위해 적어도 하나의 유체 피스톤을 작동하도록 구성되는, 유체 또는 유압 액추에이터 중 하나를 포함한다.
몇몇 예에서, 제1 제동 구성요소 및 제2 제동 구성요소는 제동력을 발생하도록 압축 가능한 인터리빙된(interleaved) 다중-디스크 구성을 포함한다.
슬레이브 로봇 시스템의 힘을 마스터 로봇 시스템에 전이하기 위한 힘-반영 로봇 시스템으로서, 복수의 슬레이브 관절, 및 마스터 로봇 시스템에 의해 제어 가능한 슬레이브 관절의 각각의 것에 각각 대응하는 복수의 마스터 브레이크 관절을 갖는 마스터 로봇 시스템을 포함하는 시스템이 본 명세서에 개시된다. 각각의 마스터 브레이크 관절은 슬레이브 로봇 시스템에 의해 감지된 힘에 대응하는 제어 신호에 응답하여 제동력을 발생하도록 동작 가능한 액추에이터를 포함한다.
슬레이브 로봇 시스템의 힘을 마스터 로봇 시스템에 전이하는 방법이며, 마스터 로봇 시스템 및 슬레이브 로봇 시스템을 동작하는 단계로서, 마스터 로봇 시스템은 슬레이브 로봇 시스템의 슬레이브 관절에 대응하는 마스터 브레이크 관절을 포함하는, 마스터 로봇 시스템 및 슬레이브 로봇 시스템을 동작하는 단계; 슬레이브 로봇 시스템으로부터 마스터 로봇 시스템으로 힘 데이터 신호를 전송하는 단계; 및 힘 데이터 신호에 대응하는 제동력을 마스터 브레이크 관절 내에 발생하는 단계를 포함하는, 방법이 본 명세서에 개시된다.
본 발명의 특징 및 장점은 본 발명의 특징을 예로서 함께 예시하고 있는 첨부 도면과 함께 취한, 이어지는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1a는 본 개시내용의 예에 따른 적어도 하나의 마스터 브레이크 관절을 갖는 마스터 로봇 시스템의 사시도.
도 1b는 본 개시내용의 예에 따른 도 1a의 마스터 로봇 시스템에 의해 제어 가능한 슬레이브 로봇 시스템의 사시도.
도 2는 본 개시내용의 예에 따른 마스터 브레이크 관절의 등각도.
도 3a는 결합 구성에서 도 2의 마스터 브레이크 관절의 측면도.
도 3b는 결합해제 구성에서 도 3a의 마스터 브레이크 관절의 측면도.
도 4는 본 개시내용의 예에 따른 마스터 브레이크 관절의 측면도.
도 5는 본 개시내용의 예에 따른 마스터 브레이크 관절의 측면도.
도 6은 본 개시내용의 예에 따른 마스터 브레이크 관절의 측면도.
도 7a는 본 개시내용의 예에 따른 마스터 브레이크 관절의 등각도.
도 7b는 결합해제 구성에서 도 7a의 마스터 브레이크 관절의 개략 측면도.
도 7c는 결합 구성에서 도 7a의 마스터 브레이크 관절의 개략 측면도.
도 8은 본 개시내용의 예에 따른 적어도 하나의 마스터 브레이크 관절을 갖는 좌표형 마스터 로봇 시스템(coordinated master robotic system)의 사시도.
도 9는 본 개시내용의 예에 따른 이동식 로봇 리프트 보조 시스템을 위한 예시적인 조작자 제어 방안의 도식도.
도 10은 본 개시내용의 예에 따른 슬레이브 로봇 시스템의 저항력을 마스터 로봇 시스템에 전이하기(translating) 위한 방법의 도식도.
이제 도시되어 있는 예시적인 실시예를 참조할 것이고, 특정 언어가 이들 실시예를 설명하기 위해 본 명세서에 사용될 것이다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 범주의 어떠한 한정도 이에 의해 의도되지 않는다는 것이 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 사용될 때, 용어 "실질적으로"는 활동, 특징, 특성, 상태, 구조, 아이템, 또는 결과의 완전한 또는 거의 완전한 범위 또는 정도를 나타낸다. 예를 들어, "실질적으로" 포위되어 있는 물체는 물체가 완전히 포위되어 있거나 또는 거의 완전히 포위되어 있는 것을 의미할 것이다. 절대 완전성으로부터의 정확한 허용 가능한 일탈의 정도는 몇몇 경우에 특정 맥락에 좌우될 수도 있다. 그러나, 일반적으로 말하면, 완성의 근사는 절대 및 총 완성이 얻어졌던 경우와 동일한 전체 결과(구조적으로 그리고/또는 기능적으로)를 갖도록 이루어질 것이다. "실질적으로"의 사용은 활동, 특징, 특성, 상태, 구조, 아이템, 또는 결과의 완전한 또는 거의 완전한 결여를 나타내기 위해 부정적인 함축적 의미로 사용될 때 동등하게 적용 가능하다.
본 명세서에 사용될 때, "인접한"이라는 것은 2개의 구조체 또는 요소의 근접도를 나타낸다. 특히, "인접한" 것으로서 식별되는 요소들은 맞접하거나(abutting) 또는 연결되어 있을 수도 있다. 이러한 요소들은 또한 반드시 서로 접촉하지는 않고 서로 가깝거나 근접해 있을 수도 있다. 정확한 근접도는 몇몇 경우에 특정 맥락에 좌우될 수도 있다.
기술적 실시예의 최초 요약 설명이 상기에 제공되었고, 이어서 특정 기술적 실시예가 이하에 더 상세히 설명된다. 이 최초 요약 설명은 기술을 독자들이 더 신속하게 이해하는 것을 보조하도록 의도된 것이지만, 기술의 주요 특징부 또는 필수 특징부를 식별하도록 의도된 것은 아니고 또한 청구된 주제의 범주를 한정하도록 의도된 것도 아니다.
제동력은 본 명세서에 설명된 브레이크 관절의 임의의 회전 방향으로 인가되거나 제거될 수 있다는 것이 통상의 기술자들에 의해 이해될 수 있을 것이다. 달리 말하면, 각각의 브레이크 관절은 양방향으로 이동할 수 있고, 제동력은 어느 방향으로도 인가될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 슬레이브 로봇 시스템(102)의 힘 반영을 마스터 로봇 시스템(104)에 전이하기 위한 시스템(100)을 도시하고 있다. 일반적으로, 마스터 로봇 시스템(104)은 슬레이브 관절(108)에서 경험된 힘을 마스터 브레이크 관절(106)에 반영하기 위해 슬레이브 로봇 시스템(102)의 대응 슬레이브 관절(108)과 연계된 적어도 하나의 마스터 브레이크 관절(106)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 마스터 브레이크 관절(106a)은 제어된 슬레이브 관절(108a)(슬레이브 팔꿈치 관절)에 대응하는 인간 팔꿈치에 대응하는 자유도(DOF)(굴곡/신전)를 갖고, 여기서 슬레이브 관절(108a) 내에서 경험된 힘은 원하는 비율로 마스터 브레이크 관절(106a) 내에 반영될 수 있다. 본 예에서, 인간 조작자는 외골격 로봇 조립체(예를 들어, 상부 및/또는 하부 외골격)로서 마스터 로봇 시스템(104)을 착용할 수 있다. 마스터 로봇 시스템은 인간에 의해 조작된(예를 들어, 몇몇 예에서, 휴대된, 착용된) 시스템 또는 인터페이스를 포함할 수 있다는 것이 주목된다. 예를 들어, 마스터 로봇 시스템은 외골격 로봇 시스템, 비-휴머노이드 로봇 시스템(예를 들어, 마스터 제어 아암), 가상 현실 마스터 로봇 시스템(헤드셋 또는 다른 사용자 착용 주변 디바이스와 페어링될 수도 있음), 및 통상의 기술자에게 명백할 것인 다른 것들을 포함할 수 있다. 슬레이브 로봇 시스템은 임의의 유형의 원격조작식 로봇, 무인 지상 로봇, 공중 로봇, 휴머노이드 로봇, 로봇 다리, 아암 또는 손, 가상 로봇, 가상 아바타 로봇, 및 통상의 기술자에게 명백할 것인 다른 것들을 포함할 수 있다는 것이 또한 주목된다.
본 명세서에 제공된 예에서, 설명된 브레이크-기반 관절은 슬레이브 로봇 시스템을 제어하도록 동작 가능한 마스터 로봇 시스템의 부분으로서 입력 디바이스에 제공된다. 임의의 특정 마스터 브레이크-기반 관절 조립체는, 이하에 더 설명되는 바와 같이, 브레이크-기반 관절의 하나 이상의 자유도(DOF(들))와 연계되고 슬레이브 로봇 시스템의 슬레이브 관절의 대응 DOF를 제어하는데 사용되는 위치 센서 및 부하 센서를 가질 수 있다.
구체적으로, 힘-반영에 관하여, 슬레이브 관절(108a)이 저항력을 경험하거나 또는 이동 제한 구역을 침범하거나 침범하려고 시도할 때(예를 들어, 우측 슬레이브 아암이 벽에 접촉하거나 또는 질량체를 들어올리거나 또는 소정의 지점을 넘어 연장되는 등), 저항력은 슬레이브 관절(108a)과 연계된 부하 및/또는 위치 센서에 의해 감지된다(예를 들어, 도 9 참조). 감지된 저항력은 예를 들어, 질량체를 유지하거나 들어올리는 것에 기인하여 슬레이브 관절 상에 인가된 중력의 결과일 수 있다. 몇몇 예에서, 저항력은, 예로서 추진된 물체, 싸우는 솔저, 낙하하는 물체 등과 같이, 외력이 슬레이브 로봇 시스템(102)에 작용할 때 충돌력일 수 있다. 임의의 시나리오에서, 슬레이브 로봇 시스템(102)은 슬레이브 로봇 시스템(102)에 의해 감지된 힘에 대응하는 힘 반영 데이터(예를 들어, 제어 신호)를 마스터 로봇 시스템(104)(또는 다른 제어 시스템)에 전송한다. 마스터 로봇 시스템(104)은 이어서 (즉, 제어기를 거쳐) 브레이크 관절(106a)이 슬레이브 관절(108a)을 거쳐 슬레이브 로봇 시스템(102)에 의해 경험된 저항력에 대응하는 힘 반영으로서 제동력을 발생하게 한다(인가 또는 해제함). 이 힘 반영은 비례하거나 아니도록 구성될 수도 있다. 따라서, 마스터 로봇 시스템(102)은 적어도 몇몇 정도로, 슬레이브 로봇이 "지각하는" 것을 "지각할" 수 있고, 이러한 힘 반영은 저항력으로서 예로서, 조작자에(외골격 예에서) 또는 휴머노이드 로봇에 전달되거나 전이될 수 있다. 마스터 로봇 시스템 내에 발생된 제동력이 이하에 더 설명된다. 특히, 통상의 기술자들에게 명백할 것인 바와 같이, 도 1a의 마스터 브레이크 관절(104)은 이하에 설명되고 도 2 내지 도 7b에 도시되어 있는 예시적인 브레이크 관절 중 임의의 것, 이들의 임의의 등가물, 또는 통상의 기술자들에게 명백할 것인 임의의 다른 것들을 포함할 수 있다.
일반적으로, 외골격형의 마스터 제어 디바이스 예에서와 같이, 힘 반영에 의해, 조작자는 예를 들어, (우측) 마스터 제어 아암(도 1a)으로 (예를 들어, 우측) 슬레이브 아암을 동작하기 위한 감각 입력(sensory input)을 구비한다. 슬레이브 아암이 슬레이브 아암의 경로 내에 있을 수도 있는 장애물에 무관하게 마스터 아암으로부터 위치 명령을 수행하도록 동작할 것인 위치 제어와는 달리, 힘 반영은 슬레이브 아암이 경험하는 부하를 지시하기 위해 마스터 제어 아암을 거쳐 조작자에게 비례적 힘 피드백을 제공한다. 예를 들어, 슬레이브 아암이 마스터 아암으로부터의 위치 명령을 실행하면서 장애물을 만나게 되면, 슬레이브 아암 상의 부하 센서는 마스터 제어 아암에 통신된 부하 정보를 제공할 수 있고, 마스터 제어 아암 내에서 동작 가능한 브레이크 관절(들)은 수신된 부하 정보에 기초하여 조작자에게 비례적 부하를 인가할 수 있다. 이러한 비례적 부하는 특정 동작 환경 및 조작자에 인가되도록 요구될 수도 있는 것에 의존하여 다양하거나 상이할 수도 있다. 이러한 힘 피드백에 의해, 조작자는 이것이 일상의 생활에서 조작자 자신의 신체를 동작하는 조작자의 경험에 더 근접하게 유사하기 때문에, 동작 환경에서 슬레이브 아암을 더 직관적으로 제어할 수 있다. 예를 들어, 물체가 500 파운드 중량이면(이에 의해, 중력에 기인하여 슬레이브 관절에 힘을 작용함), 조작자에 의해 경험된 비례적 힘 반영된 부하(즉, 제동력을 거쳐)는 10 파운드가 될 수 있다.
특정 양태에서, 힘 반영 구현예는 슬레이브 아암이 충돌 이벤트를 경험할 때 마스터 제어 아암에 의해 조작자 상에 생성된 증가된 부하를 포함할 수 있다. 달리 말하면, 부하 센서에 의해 감지된 충돌은 힘 반영을 위한 정상 비례적 설정에 반비례하는 부하 내의 과도 스파이크(transient spike)로서 마스터 제어 아암을 거쳐 사용자에게 반영될 수 있다. 예를 들어, 슬레이브 아암이 벽에 충돌할 때, 슬레이브 아암의 부하 센서는 충돌을 감지한다. 충돌이 발생하였다는 것을 조작자에게 경고하기 위해, 마스터 제어 아암은 충돌을 조작자에게 효과적으로 표현할 수 있는 짧은 시간 기간 동안 현재 비례적 힘 반영 설정에 대해 반비례적으로 큰 부하를 사용자 상에 생성할 수 있다. 예를 들어, 충돌시에 생성된 조작자 상의 힘은 조작자가 반비례적으로 클 수 있어 마스터 아암을 더 이동시키는 것이 가능하지 않을 것이어서, 사용자의 힘 또는 임의의 존재하는 운동량에 무관하게 마스터 제어 아암의 하드 스톱(hard stop)을 효과적으로 발생한다. 따라서, 힘 반영은 로봇 시스템의 안전 특징을 제공할 수 있다. 이러한 동작을 성취하는 예가 도 2 내지 도 9의 예에 관하여 더 이하에 설명된다.
도 1a의 외골격 예에서, 마스터 로봇 시스템(100)은 각각의 브레이크 관절(106)의 센서 및 액추에이터와 같은 다양한 구성요소에 전력을 공급하도록 구성된 에너지 저장 디바이스(예를 들어, 배터리)를 갖는 백팩(120)을 포함할 수 있다. 에너지 저장 디바이스는 주 전원으로서, 또는 백업 전원으로서(백팩이 외부 전원에 유선 접속되는 경우에) 기능할 수 있다. 가상 헤드셋(122)이 백팩(120)에 전기적으로 커플링될 수 있다(또는 외부 컴퓨터 시스템에 통신적으로 커플링됨). 헤드셋(122)은 예를 들어, 슬레이브 로봇 시스템(102) 상의 카메라 및 다른 센서로부터 전송된 바와 같은 실시간 비디오 및 다른 정보를 표시하도록 구성될 수 있다. 대안적으로 또는 동시에, 헤드셋(122)은 증강 또는 가상 현실 시계 또는 환경 내에서 동작하는 특정 슬레이브 로봇 시스템의 렌더링(rendering)을 포함하는 증강 현실 또는 가상 3차원 환경을 표시할 수 있다. 이 방식으로, 슬레이브 로봇 또는 슬레이브 인터페이스와 연계된 위치 및 힘 데이터는 가상 세계에서 결정되고, 이어서 관련 마스터 브레이크 관절의 힘 반영 목적으로 마스터 로봇 시스템에 전송된다. 백팩(120)은 이하에 더 설명되는 바와 같이, 신호를 수신하고, 처리하고, 전송하기 위한 다양한 전기 구성요소를 갖는 마스터 컴퓨터를 포함할 수 있다.
본 명세서에 설명된 브레이크-기반 관절 제약 기구 및 시스템은 본 명세서에 그대로 참조로서 합체되어 있는 2011년 12월 20일 출원된 미국 특허 출원 제13/332,165호에 설명된 휴머노이드 로봇, 또는 로봇 조립체와 같은, 임의의 로봇 조립체, 시스템 또는 디바이스의 관절 내로 합체될 수 있고, 여기서 이 경우에, 반드시 조작자에 의해 착용된 외골격이 존재하지는 않을 수도 있고, 오히려, 조작자는 거기에 교시된 바와 같은 하나 이상의 마스터 제어 아암을 조작할 수 있고, 하나 이상의 마스터 제어 아암 내에 제공된 하나 이상의 브레이크 관절을 거쳐 슬레이브 아암으로부터 힘 반영을 경험할 수 있다는 것이 주목된다. 본질적으로, 본 개시내용은, 본 명세서에 교시된 바와 같은 저항 또는 브레이크-기반 관절 제약 기구 또는 시스템이, 하나의 로봇 디바이스(예를 들어, 슬레이브)로부터 반영된 힘이 몇몇 비율로 조작자(예를 들어, 마스터 제어 디바이스를 조작하는 사람)에 전달되도록 요구되는 임의의 유형의 로봇 또는 로봇 디바이스에 채용될 수 있다는 것을 고려한다.
도 2, 도 3a 및 도 3b는 마스터 로봇 시스템을 통해 조작자에 저항력을 전달하도록 동작 가능한 마스터 브레이크 관절(200)(또는 "브레이크 조립체")의 하나의 예를 도시하고 있는데, 힘은 전술되고 도 1a 및 도 1b에 도시되어 있는 것과 같은, 슬레이브 로봇 시스템으로부터 반영된 힘에 대응한다. 도 2는 마스터 브레이크 관절(200)을 도시하고 있고, 도 3a는 결합 구성(E)에서 브레이크 관절(200)의 측면 입면도를 도시하고 있고, 도 3b는 결합해제 구성(D)을 도시하고 있다.
브레이크 관절(200)은 제1 로봇 링크(203a)(예를 들어, 관절을 거쳐 이동 가능한 제1 지지 부재)와 연계되고 동작 가능한 제1 제동 구성요소(202a) 및 제2 로봇 링크(203b)(예를 들어, 관절을 거쳐 제1 지지 부재에 대해 이동 가능한 제2 지지 부재)와 연계되고 동작 가능한 제2 제동 구성요소(202b)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 로봇 링크(203a, 203b)는 도 1a의 외골격형 마스터 로봇 시스템의 지지 부재와 같은, 마스터 로봇 조립체의 강성 지지 부재(예를 들어, 알루미늄, 강 등) 또는 다른 유형의 지지 부재(예를 들어, 스프링형)일 수 있다. 제1 및 제2 로봇 링크(203a, 203b)는 각각의 제1 및 제2 제동 구성요소(202a, 202b)에 단단히 부착된 것으로서 일반적으로 도시되어 있다. 통상의 기술자들은 이들 로봇 링크가 다양한 중간 또는 어댑터 로봇 지지 부재 인터페이스 구성요소와 같은 부가의 구성요소와 같은 임의의 적합한 수단을 사용하여, 또는 브레이크 관절(200)(예를 들어, 이하에 설명되는 도 7a와 유사함)을 수용하는 하우징을 거쳐 커플링되거나 연결될 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 명세서에 설명된 예시적인 브레이크 관절은 입력 마스터 브레이크 관절을 포함할 수 있는데, 이는 이들 브레이크 관절이 저항-기반 제동 기구를 거쳐 마스터 로봇 시스템 내에 관절 제약 기능을 제공할 수 있고, (동시에) 마스터-슬레이브 시스템을 위한 입력 기능을 제공할 수 있다는 것을 의미한다. 이에 따라, 브레이크 관절(200)은 브레이크 관절(200) 및/또는 그와 함께 동작 가능한 지지 부재 또는 링크 내에서 동작 가능한 위치 센서 및/또는 부하 센서를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 제동 구성요소(202a, 202b)는 병렬로 토크를 촉진하는 다중-디스크 구성(예를 들어, 인터리빙된 시트 브레이크 구성의 유형을 형성하는 복수의 디스크)을 포함할 수 있다. 더 구체적으로, 제1 제동 구성요소(202a)는 내부 c-채널 부재(204a) 및 외부 c-채널 부재(204b)(c-채널 구성을 각각 가짐)를 포함할 수 있다. 내부 c-채널 부재(204a)는 상부 및 하부 압축 디스크(206a, 206b) 사이로 연장되는 내부 중앙 지지부(209) 둘레에 함께 형성된 상부 압축 디스크(206a) 및 하부 압축 디스크(206b)를 포함할 수 있다. 유사하게, 외부 c-채널 부재(204b)는 상부 및 하부 압축 디스크(210a, 210b) 사이로 연장되는 외부 중앙 지지부(211) 둘레에 함께 형성된 상부 압축 디스크(210a) 및 하부 압축 디스크(210b)를 포함할 수 있다. 내부 중앙 지지부(209) 및 외부 중앙 지지부(211)는 함께 단단히 고정될 수 있어(예를 들어, 접착제 또는 다른 체결 수단에 의해), 내부 c-채널 부재(204a) 및 외부 c-채널 부재(204b)가 서로에 대해 고정되고 이동 불가능하게 된다. 도시된 바와 같이, 내부 c-채널 부재(204a)는 외부 c-채널 부재(204b) 내에 포개질 수 있어, 압축 디스크(206a, 206b, 210a, 210b)가 이들의 주계(perimeter) 프로파일을 따라 그리고 축(A) 둘레로 서로 실질적으로 정렬되게 되고, 압축 디스크(206a, 206b, 210a, 210b)는 유사한 크기 및 구성이다.
압축 디스크(206a, 210a)는 집합적으로 한 쌍의 상부 압축 디스크(214a)를 포함하고, 압축 디스크(206b, 210b)는 집합적으로 한 쌍의 하부 압축 디스크(214b)를 포함한다. 내부 및 외부 c-채널 부재(204a, 204b)는, 한 쌍의 상부 압축 디스크(214a)가 상부 간극(216a)(도 3a)을 형성하고, 한 쌍의 하부 압축 디스크(214b)는 하부 간극(216b)을 형성하도록 크기설정되고 구성된다. 상부 및 하부 간극(216a, 216b)은 서로 실질적으로 평행할 수 있다(예를 들어, 간극은 도 3a에 보여지는 바와 같이 각각의 평행한 수평 평면 둘레에 위치됨).
제2 제동 구성요소(202b)는 서로로부터 공간적으로 분리되고 평행한 상부 압축 디스크(208a) 및 하부 압축 디스크(208b)를 갖는 단일의 c-채널 부재를 포함할 수 있고, 그 각각은 중앙 지지부(213)에 대해 지지되고, 로봇 링크 장치(203b)는 중앙 지지부(213)에 커플링되거나 다른 방식으로 연결된다.
제1 및 제2 제동 구성요소(202a, 202b)의 각각은 테플론 함침 알루미늄(상표명 Tufram® 또는 Tiodize® 또는 Hardtuf 하에서 제공되는 것과 같은)으로 구성될 수 있다. 복합재료(예를 들어, PTFE-PTFE, FEP-FEP, PFA-PFA, PTFE-PEEK)와 같은 다른 재료가 사용될 수 있다. 부하 하에서의 마모율, 마찰계수 대 부하, 정지 및 운동 마찰계수 사이의 상대 차이, 및 비용 절약의 가장 양호한 전체 조합을 갖는 재료가 바람직하다.
제1 및 제2 제동 구성요소(202a, 202b)는 브레이크 관절(200)을 형성하고, 브레이크 관절(200)과 함께 동작 가능한 제1 및 제2 로봇 링크(203a, 203b)의 상대 이동을 제약하기 위한 제동 기능을 제공하도록 함께 기능하기 위해, 서로 정합하도록 크기설정되고 구성된다. 특히, 제2 제동 구성요소(202b)의 상부 압축 디스크(208a)는 상부 평행 간극(216a) 내에 마찰식으로 회전 가능하게(회전축(A) 둘레로) 배열되고, 제2 제동 구성요소(202b)의 하부 압축 디스크(208b)는 하부 평행 간극(216b) 내에 마찰식으로 회전 가능하게(회전축(A) 둘레로) 배열된다. 이하에 더 설명되는 바와 같이, 제1 방향에서 액추에이터(218)의 작동시에(도 3a), 제1 제동 구성요소(202a)의 한 쌍의 상부 압축 디스크(214a)는 제2 제동 구성요소(202b)의 상부 압축 디스크(208a)를 "압착" 또는 압축하게 되고, 동시에 제1 제동 구성요소(202a)의 한 쌍의 하부 압축 디스크(214b)는 제2 제동 구성요소의 하부 압축 디스크(208b)를 압착하거나 압축하게 되는데, 이는 브레이크 관절(200) 내에 저항-기반 제동력을 집합적으로 생성하고(브레이크 관절(200)의 회전 방향에 관계없이), 제동력은 제2 로봇 링크(203b)에 대한 제1 로봇 링크(203a)의 이동을 제약한다. 특히, 도시된 예에서와 같이, 제1 및 제2 제동 구성요소(202a, 202b)의 압축 디스크는 이들의 각각의 크기에 대해 비교적 얇은 c-채널 부재를 포함할 수 있고(즉, 이들은 얇은 프로파일 디자인을 포함할 수 있음), 그 각각은 라운딩된 코너 전이부를 갖는 단일의 알루미늄편으로부터 형성된다. 따라서, 압축 디스크는 저항-기반 제동력을 촉진하기 위해 약간 굴곡하거나 편향할 수 있다(그 위에 작동할 때). 물론, 통상의 기술자들은 제1 및 제2 제동 구성요소가 반전 방식으로 구성될 수 있어, 제2 제동 구성요소가 제1 및 제2 c-채널 부재를 포함하게 되고, 제1 제동 구성요소가 제2 제동 구성요소의 제1 및 제2 c-채널 부재에 의해 형성된 상부 및 하부 간극 내에 끼워지도록 동작 가능한 단일의 c-채널 부재를 포함한다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 게다가, 통상의 기술자들은 압축 디스크가 다양한 상이한 방식으로 구성될 수 있고, 이들 압축 디스크는 다양한 상이한 방식으로 서로에 대해 지지될 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 이와 같이, 도면에 도시되고 본 명세서에 설명된 이들 특정 예는 결코 한정이 되도록 의도된 것은 아니다.
하나의 예에서, 액추에이터(218)는 지지 하우징(222)에 커플링된 전기 모터(220)를 포함할 수 있다. 모터(220)는 또한 제1 제동 구성요소(202a)(도 3a 참조)의 상부 및 하부 압축 디스크(206a, 206b) 중 어느 하나로부터 이격하여(즉, 접촉하지 않고) 모터(220) 및 하우징(222)을 공간적으로 위치설정하는 방식으로 제1 제동 구성요소(202a)의 내부 c-채널 부재(204a)의 내부 중앙 지지부(209)에 단단히 커플링될 수 있다. 지지 하우징(222)은 전기 모터(220)에 의해 제공된 회전 이동을 저속 기어변속(gears-down)하는 변속기 구성요소(도시 생략)를 수용할 수 있다. 액추에이터는, 전기 모터(220)(또는 변속기)가 액추에이터 샤프트(224)에 회전 이동을 전달하도록 구성될 수 있다. 액추에이터 샤프트(224)는 제동력의 생성을 촉진하도록(즉, 발생된 제동력의 양을 증가시키거나 감소시키도록), 그리고 제동력의 제거를 촉진하도록 액추에이터 샤프트(224)의 중심축(X) 둘레로 전기 모터(220)에 의해 양방향으로 회전될 수 있다. 액추에이터 샤프트(224)의 양방향 회전은 관절의 임의의 회전 방향에서 제동력을 인가하고/제거하기 위해 브레이크 관절이 임의의 방향으로 회전되는 상태로 인가될 수 있다. 다른 예에서, 스프링과 같은 탄성 요소가 액추에이터 샤프트(224)를 시계방향으로(즉, "오프" 위치) 회전 가능하게 바이어싱하는 방식으로 액추에이터 샤프트(224)에 커플링될 수 있어, 전기 모터(220)가 작동력을 해제하거나 제거할 때, 탄성 요소는 이에 따라 액추에이터 샤프트(224)를 편향하거나 이동시키게 된다.
작동 부재(226)는 액추에이터 샤프트(224)에 고정적으로 부착될 수 있다. 작동 부재(226)는 액추에이터 샤프트(224)의 적어도 일부를 수용하여, 이에 의해 액추에이터 샤프트(224)로의 작동 부재(226)의 커플링을 촉진하기 위한 개구를 그 내부에 갖는 블록형 또는 다른 강체 구조체(228)를 포함할 수 있다. 작동 부재(226)의 강체(228)는 개구 및 액추에이터 샤프트(224)로부터 대향 방향으로 연장되는 제1 및 제2 아암을 더 포함할 수 있고, 각각의 아암은 제1 및 제2 제동 구성요소(202a, 202b) 중 하나 또는 모두와 해제 가능하게 결합하도록(즉, 결합 및 결합해제함) 인터페이스하도록 구성된 단부를 포함한다. 동작시에, 제1 방향에서의(예를 들어, 반시계방향에서(도 3a의 화살표(B))) 액추에이터 샤프트(224)의 회전은 작동 부재(226)가 유사하게 회전하게 한다. 충분한 회전시에, 작동 부재(226)의 강체(228)의 아암은 제1 제동 구성요소(202a)의 상부 압축 디스크(206a) 및 하부 압축 디스크(206b)에 동시에 결합하여 힘을 인가하게 된다. 이러한 회전 작동은 압축 디스크(214a, 214b)의 상부 및 하부 쌍 사이에서 제2 제동 구성요소(202b)의 상부 및 하부 압축 디스크(208a, 208b)를 각각 압축함으로써 관절 제동력을 발생한다. 이 압축 제동 구성은 브레이크 관절(200)이 결합 구성(E)에 있는 도 3a에 도시되어 있다. 결합 구성에서, 브레이크 관절(200)은 적어도 부분적으로 제동되고, 대응 힘을 조작자에게 전달하는 것이 가능하며, 조작자는 동작되고 있는 조작식 마스터 로봇 시스템 내의 저항의 정도를 경험하는 것이 가능하다.
역으로, 도 3b에 도시된 바와 같이, 제2, 반대 방향(예를 들어, 화살표(C)에 의해 도시된 바와 같은 시계방향)으로 작동 부재(226)를 회전하는 것은, 작동 부재(226)가 해제하거나 결합해제하여 제1 제동 구성요소(202a)의 상부 및 하부 압축 디스크(206a, 206b)로부터 이격하여 회전함에 따라 인가된 제동력을 감소시키고 결국에는 제거하도록 하는 방향으로 작동 부재(226)의 강체(228)의 아암이 이동하게 한다. 달리 말하면, 이 방향에서의 회전은 제1 및 제2 제동 구성요소(202a, 202b)의 다양한 압축 디스크가 작동 부재(226)의 회전의 정도에 따라 실질적으로 압축해제되게 한다. 도 3b의 압축 디스크는 예시의 목적으로 서로 분리되어 도시되어 있지만, 실제로 인접한 디스크는 서로 활주 가능하게 결합될 수 있어, 예로서 제동력이 인가되지 않거나 또는 잠금 제동력 미만이 작용할 때, 이들 사이에 활주 가능한 회전을 제공한다는 것이 주목된다. 다양한 압축 디스크는 브레이크 관절이 정상 관절로서 기능하게 하기 위해 서로에 대해 활주 가능하도록 의도된다. 하나의 양태에서, 압축 디스크는 예를 들어, 이들이 테플론 함침 알루미늄으로 형성되는 결과로서, 비교적 낮은 마찰계수를 포함할 수 있다. 따라서, 인접한 디스크가 서로 소정 접촉 정도를 가질 가능성이 있을 것이기 때문에, 액추에이터(218)는 작동 부재(226)가 제동력을 인가하고/증가시키거나 감소시키고/제거하기 위해 디스크를 매우 멀리(예를 들어, 수 밀리미터 선형으로) 변위하도록 요구되지 않도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 압축 디스크(206a, 206b) 사이의 거리, 뿐만 아니라 작동 부재(226)의 아암들의 길이는, 작동 부재(226)가 비교적 큰 제동력을 부여하기 위해 단지 수 도 이상 회전되기만 하면 되도록 설계되거나 조정될 수 있다. 이러한 것의 하나의 이익은 단지 소량의 전기 에너지만이 작동 부재(226)를 작동하고 브레이크 관절(200) 내에 충분한 또는 원하는 제동력을 인가하는데 요구되기 때문에 전력 요구가 최소화될 수 있다는 것이다. 이 구성은 각각의 브레이크 관절의 전력 소산을 최소화하는데 기여하는데, 이는 전체 마스터 로봇 시스템의 전력 요구를 최소화하고, 이에 의해 예를 들어 배터리 또는 다른 감소형 전원이 고갈되면, 이동식 마스터 로봇 외골격이 조작될 수 있는 시간의 양을 증가시킨다.
모터(220)는 모터(220) 및 브레이크 관절(200)의 조작자 제어를 용이하게 하기 위해 마스터 로봇 시스템(예를 들어, 도 1 및 도 9)의 컴퓨터 또는 프로세서에 전기적으로 그리고 통신적으로 커플링될(무선으로 또는 직접 유선 접속됨) 수 있다. 예를 들어, 조작자는 전술된 바와 같이, 대응 슬레이브 관절에 의해 경험된 반영력에 대응하는 특정 가변 제동력을 성취하기 위해 액추에이터 샤프트(224) 및 작동 부재(226)의 회전 방향, 토크, 및 속도를 제어할 수 있다. 더욱이, 작동 부재(226)의 회전의 정도, 속도 및 크기를 제어함으로써, 브레이크 관절(200)은 예로서 슬레이브 관절에서의 힘 및 마스터 로봇 시스템에 의해 경험된 최종 생성된 반영력이 슬레이브 관절의 마스터 제어 중에, 또는 필요 또는 요구에 따라 변화할 때, 동적 제동력을 발생하도록 동적으로 제어될 수 있다. 달리 말하면, 슬레이브 관절에서의 소정의 힘에 대해, 브레이크 관절 내에서 발생된 제동력의 크기는 조작자가 상이한 정도의 저항을 경험할 수 있도록 제어되고 변동될 수 있다. 브레이크 관절 내에서 발생될 수 있는 제동력은 제동력이 인가되지 않는 것과, 브레이크 관절이 여전히 소정 저항의 정도를 갖고 회전하도록 허용되는 저항 제동력과, 브레이크 관절을 완전히 제동하고 잠금하는 제동력 사이의 범위일 수 있다.
몇몇 예에서, "가변" 제동력은 제동력의 2진 인가 및 제거(즉, "온" 또는 "오프")를 효과적으로 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 달리 말하면, 가변 제동력을 인가하는 것이 가능한 시스템에서, 단지 단일의 또는 제1 크기를 갖는 제동력만이 인가되고 이어서 제거될 수 있기 때문에 이러한 것은 요구되지 않는다. 구체적으로, 0의 제동력이 특정 브레이크 관절에 의해 성취될 수 있고(즉, 0의 힘이 액추에이터에 의해 인가됨), 또는 최고/최대 제동력이 상기 브레이크 관절에 의해 경험된다(즉, 액추에이터는 그 최대 이동 또는 전력의 범위로 완전히 결합되고, 브레이크 관절이 완전히 잠금됨). 따라서, 제동력은 제1 크기를 포함할 수 있고, 또는 비-가변적일 수 있다. 다른 예에서(또는 동일한 2진 예와 함께), "가변" 제동력을 갖는 특정 브레이크 관절이라는 것은, 제동력이 0의 제동력 내지 최대 제동력까지의 범위(0의 제동력 및 최대 제동력을 포함함) 내에서 변동할 수 있고, 이러한 제동력은 특정 슬레이브 관절이 슬레이브 로봇 시스템의 동작 중에 변화하는/변동하는 힘을 경험하기 때문에 실시간으로 변동할 수 있다. 제동력을 변동하는 것은 성취될 수 있는 복수의 크기의 제동력을 브레이크 관절에 제공할 수 있다.
하나의 양태에서, 작동 부재(226)는 전술된 바와 같이 강체(228)를 포함할 수 있고, 강체(228)의 대향하여 연장되는 아암의 각각의 단부 내에 회전 가능하게 커플링되거나 다른 방식으로 지지된 제1 또는 상부 롤러(230a), 및 제2 또는 하부 롤러(230b)를 더 포함할 수 있다. 강체(228)는 강, 알루미늄, 티타늄 등과 같은 금속으로 구성된 가늘고 긴 라운딩된 직사각형 바디로서 구성될 수 있다. 각각의 롤러(230a, 230b)는 핀 체결구(도시 생략)에 의해 액추에이터 바디(228)의 단부에 회전 가능하게 커플링될 수 있어, 모터(220)를 거쳐 작동 부재(226)를 회전할 때, 롤러(230a, 230b)는 이들이 각각의 상부 및 하부 압축 디스크(206a, 206b)에 접촉하기 때문에 각각의 상부 및 하부 압축 디스크(206a, 206b)의 표면에 대해 자유롭게 구르거나 회전하게 된다. 이 "구름" 구성은, 제동 관절(200)이 동작될 때, 작동 부재(226)와 제1 및 제2 제동 구성요소 각각의 디스크(206a, 206b) 사이의 마찰을 감소시키는 장점을 제공하고, 이 감소된 마찰은 또한 작동 부재(226)(및 디스크) 상의 마모를 최소화하도록 기능한다. 이 마찰의 감소는 제1 및 제2 제동 구성요소에 대해 접촉하고 활주하는 유사한 대향하여 연장되는 아암을 갖지만, 어떠한 롤러도 갖지 않는 작동 부재에 의해 발생될 것인 마찰에 대한 감소를 표현한다.
다른 양태에서, 작동 부재(226)는 롤러 없이 구성될 수도 있다. 실제로, 롤러(230a, 230b)는 요구되지 않지만, 이들 롤러 없이, 작동된 작동 부재(226)는 동일한 디스크 표면에 대해 활주하게 될 것이고, 여기서 증가된 표면 마찰량이 발생될 수도 있다. 시간 경과 및 작동 부재(226)의 반복된 작동에 걸쳐, 다양한 구성요소의 마모는 롤러를 구비한 작동 부재와 비교할 때 더 클 수 있다. 이는 또한 롤러를 갖는 작동 부재의 사용에 비교할 때 존재하지 않을 수도 있거나 감소될 수도 있는 특정 비효율성을 야기할 수 있다.
또 다른 양태에서, 작동 부재(226)와 디스크 사이에 감소된 마찰을 제공하거나 촉진하는 다른 유형의 마찰 감소 부재가 작동 부재(226)의 아암 둘레에 형성되거나 커플링될 수 있다. 예를 들어, 이 마찰 감소 부재는 작동 부재(226)의 강체(228)를 구성하는 재료의 것보다 작은 정지 마찰계수를 갖는 재료로 형성된 정지 마찰 감소 인서트를 포함할 수 있다. 따라서, 롤러 또는 몇몇 다른 마찰 감소 부재를 사용함으로써, 작동 부재(226)의 수명이 최대화될 수 있고, 이에 의해 브레이크 관절(200)의 수명이 연장된다. 하나의 시험에서, 브레이크 관절(200)의 동작 수명은 최대 부하에서 10,000 이상의 사이클이었다. 특히, 액추에이터 샤프트(224)의 중심축(X)은 대략 브레이크 관절(200)의 중심선을 따라 배열되는데, 이는 모터 지탱 부하를 감소시키는 것을 돕는다.
브레이크 관절(200)은, 롤러(230a, 230b)가 브레이크 관절(200)의 회전축(A)에 있는 또는 근접한 상부 및 하부 압축 디스크(206a, 206b)의 특정 표면 장소에 접촉하도록 구성될 수 있다. 달리 말하면, 이러한 표면 접촉 장소는 제1 및 제2 제동 구성요소(202a, 202b)의 외주부보다 회전축(A)에 더 근접하도록 이루어질 수 있다. 그러나, 조작자의 손과 연계된 브레이크 관절의 경우에, 브레이크 관절은 손가락 사이의 제한된 공간에 기인하여 손가락의 상단 둘레에 또는 상에 위치될 수 있다. 본 명세서에 설명된 각각의 다른 액추에이터는 또한 각각의 브레이크 관절의 회전축에 근접하여 또는 회전축에 배열될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 총 6개의 디스크가 브레이크 관절(200) 내에 합체되고, 각각의 디스크의 표면적은 비교적 크다(전체 브레이크 관절의 외부 경계를 효과적으로 규정함). 이 구성에 의해, 액추에이터(220)에 의해 디스크에 인가된 압축 부하는 디스크의 각각의 표면의 큰 면적에 걸쳐 분포될 수 있다. 그리고, 하나의 예에서, 테플론 함침 알루미늄 또는 PTFE 그래파이트 복합재료로 구성된 제동 구성요소(202a, 202b)를 구현할 때, 마모 인자는 대략 5×10-9 내지 10-8 mm2/N일 수 있고, 10 디스크 브레이크에 대해 디스크당 대략 5 마이크로미터의 정도이다.
제1 및 제2 제동 구성요소(202a, 202b)가 저마찰 재료로 구성되는 경우에, 브레이크 관절은 발생된 제동력의 양에 대해 매우 경량일 수 있다. 더욱이, 작동 부재(226)에 의해 부여된 이중 작용 또는 양방향 평행 제동력은 단방향 액추에이터에 비교하여 2배(또는 그 초과)만큼 총 제동력 및 토크를 효과적으로 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 숄더 굴곡/신전 DOF에 대한 마스터 브레이크 관절에 있어서, 모션의 범위(range of motion: ROM)는 대략 240 내지 270도로 목표화될 수 있다. 숄더 브레이크 관절(예를 들어, 브레이크 관절(200)과 유사한 것)은 테플론 함침 알루미늄(또는 복합재료)으로 형성될 수 있고, 대략 2 인치 직경 및 1 인치 높이일 수 있고, 대략 60 그램의 중량일 수 있다. 브레이크 토크 최대값은 대략 30 N-m일 수 있고, 브레이크 토크 최소값(예를 들어, 관절이 제동력이 인가되지 않는 "자유 스윙" 모드에 있는)은 대략 0.2 내지 0.4 N-m일 수 있다. 폐루프 토크 대역폭은 -3 dB에서 대략 20 내지 30 Hz일 수 있다. 마지막으로, 토크 대 중량비는 대략 500 N-m/kg일 수 있는데, 이는 단지 60 그램의 중량의 2 인치 직경 마스터 입력 브레이크 관절에 대해 매우 크다. 볼 수 있는 바와 같이, 브레이크 관절(200)(및 본 명세서에 설명된 다른 것들)은 소형의 저가의 저전력 패키지 내의 매우 높은 토크 대 중량비를 가질 수 있다.
도 4, 도 5 및 도 6은 도 2 내지 도 3b의 상부 및 하부 압축 디스크(214a, 214b)의 쌍 사이에 배열될 수 있는 다른 예시적인 유형의 동적으로 제어된 액추에이터를 도시하고 있다.
예를 들어, 도 4를 참조하면(그리고 도 2 내지 도 3b에 라벨링된 특징부들을 동시에 참조하면), 압전 액추에이터(400)가 브레이크 관절(402)에 대해 제동력을 발생하도록 동작 가능할 수 있다. 압전 액추에이터(400)는 도 2 내지 도 3b의 작동 부재(226)를 효과적으로 대체할 수 있다. 도 2 내지 도 3b에 도시된 브레이크 관절(202)의 다수의 다른 동일한 또는 유사한 구성요소 및 요소가 본 예에 포함되고, 도시된 바와 같이, 압전 액추에이터(400)와 함께 동작 가능하면서 유사한 방식으로 기능할 수 있다. 이와 같이, 브레이크 관절(402)은 도 5, 뿐만 아니라 도 2 내지 도 3b를 참조하여 여기에 설명되는데, 도 5의 예는 압전 액추에이터(400) 및 유전 액추에이터(400)를 작동하기 위한 소스를 제외하고는 유사한 구성요소 및 요소를 포함한다. 압전 부재(404)는 제1 제동 구성요소(202a)에 의해 단단히 지지된 하우징(422)에 의해 구조적으로 지지될 수 있다(하우징(422)은 일반적인 지지 하우징으로서 도시되어 있지만, 하우징(222)과 형상 및 기능이 유사할 수 있음). 다른 적합한 지지 구조체 수단이 구현될 수 있다. 압전 부재(404)는 압전 구성요소의 스택(406), 및 상부 바이어싱 구성요소(408a) 및 하부 바이어싱 구성요소(408b)를 포함할 수 있다.
압전 구성요소의 스택(406)은, 브레이크 관절(402)에 의해 지지된 로컬 배터리 또는 마스터 로봇 시스템의 것과 같은 원격 위치된 전기 전원일 수 있는 전압 소스(407)에 전기적으로 커플링된 복수의 세라믹 압전 디바이스일 수 있다. 전기장이 스택(406)에 인가될 때, 스택은 인가된 전기장에 대략 비례하는 변형을 겪을 수 있다. 브레이크 관절(402) 내에 구현될 수 있는 다양한 상이한 유형의 압전 액추에이터가 존재한다. 예를 들어, 결코 한정이 되도록 의도하지 않고, 납 지르코네이트 티타네이트(PZT)와 같은 압전 세라믹에 기초하는 압전 액추에이터는 큰 응력 용량(~40 MPa)을 갖고, 고주파수(100 kHz 이상)에서 동작할 수 있고, 유도된 응력을 지속하기 위해 무시할만한 또는 최소 전력을 요구할 수 있다. 이들 압전 액추에이터는 매우 높은 변위 분해능을 갖는데, 이는 이들이 낮은 최대 스트레인(~10-3)을 가지면서 나노-변위 위치 스테이지에 대해 매우 양호하게 적합하게 한다. 피에조 스택 증폭 기구를 제공하는 PI Ceramic Company and Cedrat Technologies company에 의해 제조되는 것들과 같은, 몇몇 이용 가능한 압전 액추에이터는 낮은 스트레인 및 높은 차단력을 갖는다. 따라서, 압전 액추에이터(400)는 감소된 힘 용량을 갖는 이러한 모션 증폭 기구를 더 포함할 수 있다. 다른 유형의 압전 액추에이터는 하나 이상의 디스크(들)를 변형하도록 동작될 수 있는 표면-장착형 압전 액추에이터를 포함할 수 있는데, 이는 전기장에 의해 작동될 때 디스크들 사이의 마찰력을 증가시킬 것이다. 다른 구성은 더 두꺼워지게 하기 위해 재료의 부분을 수축하도록 동작 가능하여, 이에 의해 디스크에 대한 제동력을 발생하는 압전 액추에이터의 합체를 포함한다. 예를 들어, 고무의 시트가 압전 액추에이터에 커플링되고 대향하는 디스크 부근에 또는 기대어, 그리고 압전 액추에이터의 작동시에 그 평면형 표면을 따라 수축하는 이러한 방식으로 위치될 수 있는데, 이는 그 평면형 표면에 수직으로 고무의 시트를 변형시켜, 이에 의해 이 방식으로 수축될 때 더 두꺼워지게 된다. 다른 예에서, 압전 요소의 스택은 대향하는 디스크들 사이에 나선형 형상으로 배열될 수 있고, 그 전체 길이는 그 나선형 형상의 고유의 기계적 장점을 갖고 변화할 수 있어, 스택 제품 내의 작은 변형이 디스크의 압축을 유발하도록 효과적으로 기계적으로 증폭되게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 미리결정된 전기장이 스택(406)에 인가될 때, 상부 바이어싱 구성요소(408a)는 힘을 상부 압축 디스크(206a)에 인가하도록 변위하고(예를 들어, 전기장에 비례하는 거리로), 반면에 하부 바이어싱 구성요소(408b)는 힘을 하부 압축 디스크(206b)에 인가하도록 반대 방향으로 동시에 변위한다(예를 들어, 전기장에 비례하는 거리로). 도 2 내지 도 3b에 관하여 설명된 바와 같이, 이러한 이중 작용 또는 양방향 평행 작동은 상부 쌍의 압축 디스크(214a)가 상부 압축 디스크(206a)를 마찰식으로 압축하게 하고, 하부 쌍의 압축 디스크(214b)가 하부 압축 디스크(206b)를 마찰식으로 압축하게 하여, 회전시에, 이 동작이 로봇 관절 내에 합체될 수 있는 브레이크 관절(402) 내에 제동력을 발생하게 되어, 제동력이 제1 로봇 링크(203a)와 제2 로봇 링크(203b)(예를 들어, 도 2) 사이에 인가되게 되는데, 이 제동력은 대응하는 슬레이브 관절로부터 발생되어 반영된 힘에 대응할 수 있다.
역으로, 전기장을 미리결정된 양으로 감소/절환(또는 제거)하는 것은 스택(406)이 인가된 전기장의 양에 비례하는 거리로 서로를 향한 방향으로 퇴피 또는 "수축"하게 한다. 따라서, 상부 및 하부 바이어싱 구성요소(408a, 408b)는 서로를 향하여 이동하여, 이에 의해 브레이크 관절(402)에 대한 제동력을 감소시키거나 제거한다.
도 5는 브레이크 관절(502)에 대한 제동력을 발생하도록 동작 가능한 유전 액추에이터(500)를 포함하는 브레이크 관절(502)용 액추에이터의 다른 예를 도시하고 있다. 유전 액추에이터(500)는 도 2 내지 도 3b의 액추에이터(218)를 효과적으로 대체할 수 있다. 도 2 내지 도 3b에 도시된 브레이크 관절(202)의 다수의 다른 동일한 또는 유사한 구성요소 및 요소가 본 예에 포함되고, 도시된 바와 같이, 유전 액추에이터(500)와 함께 동작 가능하면서 유사한 방식으로 기능할 수 있다. 이와 같이, 브레이크 관절(502)은 도 5, 뿐만 아니라 도 2 내지 도 3b를 참조하여 여기에 설명되는데, 도 5의 예는 유전 액추에이터(500) 및 유전 액추에이터(500)를 작동하기 위한 소스를 제외하고는 유사한 구성요소 및 요소를 포함한다.
유전 액추에이터(500)는 제1 제동 구성요소(202a)의 중앙 지지부(209)에 의해 단단히 지지될 수 있는 하우징(522)에 의해 구조적으로 지지되는 유전 부재(504)를 포함할 수 있다(하우징(522)은 일반적인 지지 하우징으로서 도시되어 있지만, 하우징(222)과 형상 및 기능이 유사할 수 있음). 유전 부재(504)는 도시된 바와 같이, 제1 가요성 전극(507a)과 제2 가요성 전극(507b) 사이에 배치된 유전 엘라스토머 부재(506)(예를 들어, 카본 블랙 및 그래파이트 재료로 형성된 것)를 포함할 수 있다. 제1 바이어싱 구성요소(508a) 및 제2 바이어싱 구성요소(508b)는 패키징된 유전 엘라스토머 부재(506) 및 전극(507a, 507b)의 단부들에 각각 고정될 수 있다. 제1 및 제2 바이어싱 구성요소(508a, 508b)는 예를 들어, 마찰을 감소시키고 중량을 감소시키는 상이한 적합한 형상 및 형태와 같은, 다양한 상이한 구성을 포함할 수 있다.
유전 액추에이터(500)는 유전 액추에이터(500)를 작동하도록 동작 가능한 전압 소스(505)를 더 포함한다. 전기장이 제1 및 제2 전극(507a, 507b) 사이에 인가될 때, 이들 전극은 서로 끌어당겨지고 인가된 전기장의 전압에 비례하는 내향 측방향 거리로(즉, 서로를 향해) 이동하게 된다. 이러한 내향 이동은 유전 엘라스토머 부재(506)가 신장 및 팽창되게 하고, 따라서 상부 바이어싱 구성요소(508a)가 변위하여(전기장에 비례하는 거리로) 상부 압축 디스크(206a)에 힘을 인가하여 이를 바이어싱하게 하고, 반면에 하부 바이어싱 구성요소(508b)는 동시에 반대 방향으로 변위하여(전기장에 비례하는 거리로) 하부 압축 디스크(206b)에 힘을 인가하여 이를 바이어싱한다. 구체적으로, 도 2 내지 도 3b에 관하여 유사하게 설명된 바와 같이, 이러한 이중 작용 또는 양방향 작동은 상부 쌍의 압축 디스크(214a)가 상부 압축 디스크(206a)를 마찰식으로 압축하게 하고 하부 쌍의 압축 디스크(214b)가 하부 압축 디스크(206b)를 마찰식으로 압축하게 하여, 회전시에, 이 동작이 로봇 관절 내에 합체될 수 있는 브레이크 관절(502) 내에 제동력을 집합적으로 발생하게 되어, 대응하는 슬레이브 관절(예를 들어, 도 1b의 슬레이브 관절(108) 참조)로부터 발생되어 반영된 힘에 대응하는 것과 같은 제동력이 제2 로봇 링크(예를 들어, 도 2의 제2 로봇 링크(203b) 참조)에 대해 제1 로봇 링크(예를 들어, 도 2의 제1 로봇 링크(203a) 참조) 사이에 인가되게 된다.
역으로, 전기장을 미리결정된 양으로 감소/절환 또는 제거하는 것은 인가된 전기장 또는 그 결여에 비례하여 유전 액추에이터(500)가 퇴피 또는 "수축"하게 한다. 따라서, 제1 및 제2 바이어싱 구성요소(508a, 508b)는 서로를 향하여 이동하여, 이에 의해 브레이크 관절(502) 내에 존재할 때 제동력을 감소시키거나 제거한다.
유전 액추에이터는 스트로크당 단위 체적당 큰 일(식 Wc,V에 의해 제공된 바와 같이 ~3.4 MJ/m3)이 100%를 초과할 수도 있는 스트레인을 갖고 가능해지기 때문에 유리할 수 있다. 즉, 스트레인은 기준 길이에 대한 바디 내의 입자들 사이의 변위를 표현하는 변형의 척도이기 때문에, 유전 액추에이터가 그 원래 100% 기준 길이를 넘어 변형할 수 있다. 더욱이, 무시할만한 전력이 주어진 부하를 지속하도록 요구된다. 다양한 유형의 유전 액추에이터가 구현되고 브레이크 관절(502)과 함께 동작하게 될 수 있다. 예를 들어, Parker Hannifin Corporation은 본 예에 따른 브레이크 관절을 제공하기에 적합할 수 있는 유전 액추에이터를 판매하고 있다.
다른 예는 전기의 공급시에, 더 두꺼워져서, 이에 의해 대향하는 디스크들을 바이어싱하여 디스크에 대한 제동력을 발생하도록, 시트형 구성으로 함께 배열된 유전 재료의 복수의 시트 또는 층을 갖는 유전 액추에이터이다.
도 6은 브레이크 관절(602)에 대한 제동력을 발생하도록 동작 가능한 유압 액추에이터(600)(또는 공압 가스 액추에이터와 같은, 다른 유체 액추에이터)의 형태의 액추에이터의 다른 예를 도시하고 있다. 유압 액추에이터(600)는 도 2 내지 도 3b의 작동 부재(226)를 효과적으로 대체할 수 있다. 도 2 내지 도 3b에 도시된 브레이크 관절(202)의 다수의 다른 동일한 또는 유사한 구성요소 및 요소가 본 예에 포함되고, 도시된 바와 같이, 유압 액추에이터(600)와 함께 동작 가능하면서 유사한 방식으로 기능할 수 있다. 이와 같이, 브레이크 관절(602)은 도 6, 뿐만 아니라 도 2 내지 도 3b를 참조하여 여기에 설명되는데, 도 6의 예는 유압 액추에이터(600) 및 유압 액추에이터(600)를 작동하기 위한 소스를 제외하고는 유사한 구성요소 및 요소를 포함한다. 하나의 예에서, 유압 조립체(604)는 제1 제동 구성요소(202a)의 중앙 지지부(209)에 의해 단단히 지지된 하우징(622)에 의해 구조적으로 지지될 수 있다. 유압 조립체(604)는 작동 유압 유체(또는 공기 유체)를 수납하는 하우징(605)을 포함할 수 있다. 상부 피스톤(608a) 및 하부 피스톤(608b)이 하우징(605)의 대향 단부들 상에 또는 둘레에 이동 가능하게 지지되고 위치될 수 있다(도시된 바와 같이).
유압 작동 기구(620)(또는 공압 가스 기구와 같은 다른 유체 작동 기구)가 압력 라인(622)을 거쳐 하우징(605)에 작동 유체를 공급하기 위해 하우징(605)에 유동식으로 커플링될 수 있다. 유압 작동 기구(620)는 소형의 마스터 실린더 구성을 포함할 수 있다. 따라서, 유압 작동 기구(620)의 볼 스크류와 함께 동작 가능한 소형의 전기 모터가 하우징(605) 내의 유체 압력을 제어하도록 동작될 수 있다. 예를 들어, 유압 작동 기구(620)는 하우징(605)에 미리결정된 유체 압력을 인가하도록 구성될 수 있고, 여기서 하우징(605) 내의 유체 압력은 상부 피스톤(608a)이 변위하여(인가된 유체 압력에 비례하는 거리로) 상부 압축 디스크(206a)에 힘을 인가하여 이를 바이어싱하게 하고, 반면에 하부 피스톤(608b)은 동시에 반대 방향으로 변위하여(인가된 유체 압력에 비례하는 거리로) 하부 압축 디스크(206b)에 힘을 인가하여 이를 바이어싱한다.
도 2 내지 도 3b에 관하여 설명된 바와 같이, 이러한 양방향 작동은 상부 쌍의 압축 디스크(214a)가 상부 압축 디스크(206a)를 마찰식으로 압축하게 하고, 하부 쌍의 압축 디스크(214b)가 하부 압축 디스크(206b)를 마찰식으로 압축하게 하여, 회전시에, 이 동작이 로봇 관절 내에 합체될 수 있는 브레이크 관절(602) 내에 제동력을 집합적으로 발생하게 되어, 대응하는 슬레이브 관절로부터 발생되어 반영된 힘(예를 들어, 도 1a 및 도 1b에서와 같이)에 대응하는 것과 같은 제동력이 제2 로봇 링크(203b)에 대해 대략 제1 로봇 링크(203a) 사이에 인가되게 된다(도 2). 역으로, 유체 압력을 미리결정된 양으로 감소시키거나 제거하는 것은 피스톤(608a, 608b)이 감소된 또는 제거된 유체 압력에 비례하는 거리로 서로를 향해 퇴피되게 하여, 이에 의해 브레이크 관절(602) 내에 존재하는 제동력을 감소시키거나 제거한다.
하나의 예에서, 유압 작동 기구(620)는 브레이크 관절(602)로부터 말단측에 또는 이격하여 위치될 수 있다. 예를 들어, 유압 작동 기구는 마스터 로봇 외골격의 중앙 제어 영역 또는 다른 구조체와 같은, 로봇 조립체 상의 다른 장소에 이격하여 위치될 수 있다. 이 배열은 조작자에 의해 조작된 마스터 아암 상의 말단 중량을 매우 낮게 유지하면서, 비교적 큰 힘을 발생하기 위한 수단을 제공할 수 있다.
액추에이터의 다수의 예가 상기에 개시되고 설명되었지만, 이들은 결코 한정이 되도록 의도된 것은 아니다. 실제로, 또 다른 유형의 액추에이터가 상부 및 하부 쌍의 압축 디스크(214a, 214b) 사이에 배열될 수 있고, 도 2 내지 도 6을 참조하여 전술된 예와 유사한 적합하게 구성된 브레이크 관절 내에 제동력을 발생하도록 구조적으로 지지되고 작동될 수 있다는 것이 고려된다. 이들은 본 명세서에 상세 설명되지 않았지만, 통상의 기술자들은 이러한 액추에이터 유형이 브레이크 관절 내에 제동력을 인가하도록 구현될 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 몇몇 예가 이하에 제공된다.
하나의 예에서, 자왜 재료의 로드 주위에 권취된 코일과 같은 디바이스에 의해 발생된 인가된 자기장을 받게될 때 형상을 변화하는 자왜 액추에이터가 구현될 수 있다. 예를 들어, 모든 합금의 최고 보고된 스트레인(~2×10-3)을 갖는 TERFENOL-D(Tb0.3Dy0.7Fe1.92)가 주목할 만하다. 자왜 액추에이터는 이들이 비교적 저전압에서 동작할 수 있는 점에서 압전 액추에이터에 비해 유리할 수 있다.
다른 예에서, 형상 기억 합금(SMA)이 액추에이터로서 구체화될 수 있고, 여기서 SMA는 2개의 안정한 상(phase): 고온 상(오스테나이트 상)과 저온 상(마르텐사이트 상) 사이의 열 유도된 상 전이를 경험할 때 형상을 변화한다. 니켈 티타늄 합금, 즉 NiTi 합금이 그 적당한 비용, 비독성, 매우 큰 발생된 응력(~200 MPa), 및 무부하 스트레인(unloaded strain)(~0.04)에 기인하여 사용될 수 있다.
또 다른 예에서, Ni-Mn-Ga 합금과 같은 자기 형상 기억 합금(MSMA)이 액추에이터로서 구체화될 수 있다. 이들은 적당하게 높은 응력, 동작 주파수, 및 긴 사이클 수명과 함께, 가역적인 자기장 유도된 스트레인을 제공한다.
또 다른 예에서, 수퍼-코일드 폴리머(super-coiled polymers: SCP)가 액추에이터로서 구체화될 수 있는데, 이는 코일을 형성하도록 꼬인 전도성 나일론 재봉사(sewing thread)를 포함하는 다양한 재료로부터 제조될 수 있다. 코일의 길이는 가열 및 냉각에 의해 제어될 수 있다. 일단 적절하게 전처리되면(반복되는 가열 및 냉각 사이클을 거쳐), SCP 액추에이터는 연사(twisted thread)를 통해 흐르는 전류(따라서 열)를 제어함으로써 제어된 방식으로 수축 및 팽창하게 될 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 도 1a 및 도 1b에 관하여 설명된 것과 같은, 슬레이브 로봇 디바이스 또는 시스템에서 발생된 힘에 대응하는 것과 같은 반영된 힘을 마스터 로봇 시스템(예를 들어, 조작자에 의해 착용되거나 다른 방식으로 인터페이스하는 것)을 제공하도록 동작 가능한 브레이크 관절(700)(또는 "브레이크 조립체")의 다른 예를 도시하고 있다. 도 7a는 브레이크 관절(700)의 등각도를 도시하고 있다. 도 7b는 결합 구성 또는 상태에서 브레이크 관절(700)의 부분의 측면 입면도를 도시하고 있고, 도 7c는 결합해제 구성 또는 상태에서 브레이크 관절(700)의 부분을 도시하고 있다.
브레이크 관절(700)은 제1 로봇 링크(703a)와 연계된 제1 제동 구성요소(702a) 및 제2 로봇 링크(703b)와 연계된 제2 제동 구성요소(702b)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 로봇 링크(703a, 703b)(일반적으로 도시되어 있음)는, 도 1a의 마스터 로봇 디바이스(예를 들어, 외골격형 로봇 디바이스) 내의 조작자의 팔에 대한 상부 및 하부 지지 부재와 같은, 로봇 조립체의 강성 지지 부재(예를 들어, 알루미늄, 강, 복합재료 등)일 수 있다. 로봇 링크(703a, 703b)는 대안적으로 임의의 고려 가능한 유형의 로봇 디바이스 내에 지지 부재를 포함할 수 있는데, 여기서 제1 및 제2 로봇 링크(703a, 703b)는 관절 둘레로 서로에 대해 회전 가능하다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 로봇 링크(703a, 703b)는 상부 하우징(705a) 및 하부 하우징(705b)에 각각 단단히 부착되거나 커플링되거나 연결되거나 또는 일체로 형성될 수 있고, 여기서 제1 및 제2 로봇 링크(703a, 703b)는 브레이크 관절(700)의 축(Y) 둘레로 서로에 대해 회전하도록 구성되고 동작 가능하다(예를 들어, 제1 및 제2 로봇 링크(703a, 703b) 중 하나 또는 모두는 회전될 수 있고, 회전은 상대적임). 제1 제동 구성요소(702a)는 상부 하우징(705a)에 단단히 부착될 수 있고, 제2 제동 구성요소(702b)는 하부 하우징(705b)에 단단히 부착될 수 있다. 상부 및 하부 하우징(705a, 705b)은 이하에 더 설명되는 바와 같이, 브레이크 관절(700)의 구성요소를 수납하는 브레이크 관절 하우징을 집합적으로 형성할 수 있다.
제1 및 제2 제동 구성요소(702a, 702b)는 인터리빙된 다중-디스크 구성을 포함할 수 있고, 여기서 이들은 브레이크 관절(700) 내에 제동력을 발생하도록 압축될 수 있다. 더 구체적으로, 제1 제동 구성요소(702a)는 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 평면형 평행 구성으로 서로로부터 공간적으로 분리된 3개의 압축 디스크(708a, 708b, 708c)의 세트를 포함할 수 있다. 제2 제동 구성요소(702b)는 3개의 압축 디스크(708a 내지 708c)의 공간 분리에 의해 형성되고 이들 사이에 형성된 각각의 간극 내에 각각 포개진 한 쌍의 압축 디스크(710a, 710b)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 각각의 압축 디스크(710a, 710b)는 압축 디스크(708a, 708b, 708c)에 대해 배열된 바와 같이, 압축 디스크(708a 내지 708c)에 의해 그리고 이들에 대해 형성된 각각의 평행한 간극 내에서 회전하도록(Y-축 둘레로) 구성되고 동작 가능하다. 달리 말하면, 압축 디스크(708a, 708b, 708c)(이들은 상부 하우징(705a)에 의해 그 둘레로 지지되어 있음) 및 압축 디스크(710a, 710b)(이들은 하부 하우징(705b)에 의해 그 둘레로 지지되어 있음)는 브레이크 관절(700)의 회전 가능한 작동을 거쳐 서로에 대해 회전 가능하다. 압축 디스크(708a, 708b, 708c, 710a, 710b)는 통상의 기술자에 의해 인식되는 바와 같은 임의의 적합한 재료로 구성될 수 있다. 예를 들어, 결코 한정이 되도록 의도하지 않고, 압축 디스크는 테플론 함침 알루미늄(상표명 Tufram® 또는 Tiodize® 또는 Hardtuf 하에서 제공되는 것과 같은)으로 구성될 수 있다. 복합재료(예를 들어, PTFE-PTFE, FEP-FEP, PFA-PFA, PTFE-PEEK)와 같은 또한 사용을 위해 고려된다. 압축 디스크를 형성하는데 사용될 수 있는 또 다른 유형의 재료가 통상의 기술자들에게 명백할 것이다.
지지 기부 또는 블록(711)이 압축 디스크(708a, 708b, 708c) 아래와 같은, 브레이크 관절 하우징 내부에 위치될 수 있어, 액추에이터에 의해 인가된 제동력에 대해 반작용 바이어싱력을 제공한다(이 액추에이터 및 제동력은 이하에 설명됨). 지지 블록(711)은 압축 디스크(708c)에, 하부 하우징(705b)에, 또는 이들의 모두에 부착될 수 있다. 도 2 내지 도 3b의 예와 유사하게, 액추에이터(718)의 작동시에, 압축 디스크(708a, 708b, 708c)는 압축 디스크(710a, 710b)를 "압착"하거나 압축하게 되는데, 이는 이에 의해 이동함에 따라 브레이크 관절(700) 내에 제동력을 발생하여 인가한다(예를 들어, 도 7c 참조)(예를 들어, 제동력은 슬레이브 로봇 디바이스에서 발생된 힘에 응답하여 인가되어, 대응하는 반영된 힘(예를 들어, 슬레이브 로봇 디바이스에서 발생된 힘에 비례하는 것)이 조작자에 의해 지각된 마스터 로봇 디바이스 내에 발생되게 됨). 역으로, 압축 디스크는 슬레이브 로봇 디바이스로부터 반영된 힘에 기초하여 제동력을 감소/해제하도록 동작될 수 있다(도 7b 참조). 전술된 바와 같이, 브레이크 관절(700) 내의 인가된 제동력은 제2 로봇 링크(703b)에 대한 제1 로봇 링크(703a) 사이의 회전이 제약되거나 저항되게(또는 완전히 잠기게) 할 수 있고, 따라서 조작자가 이러한 힘을 경험하는 것을 가능하게 하기 위해 이러한 힘을 전달한다.
하나의 예에서, 액추에이터(718)는 브레이크 관절 하우징에 부착되거나 그 내에 다른 방식으로 지지된 전기 모터(720)를 포함할 수 있다. 하나의 양태에서, 전기 모터(720)는 상부 하우징(705a) 둘레에 지지될(예를 들어, 그에 커플링될) 수 있다. 다른 양태에서, 모터(720)는 압축 디스크(708a) 둘레에 지지될(예를 들어, 그에 커플링될) 수 있다. 모터(720)는 브레이크 관절(700) 내에 제동력을 발생하고 감소/제거하기 위해 양방향 방식으로 액추에이터 샤프트(724)를 회전하도록 구성되고 동작 가능할 수 있다. 양방향 이동은 브레이크 관절이 임의의 방향으로 회전하는 상태로 인가될 수 있다. 이와 같이, 액추에이터(718)는 슬레이브 로봇 디바이스 내에 발생된 힘 또는 힘들에 대응하고 이들 힘에 기초하는 신호를 처리하도록 동작 가능한 하나 이상의 신호 프로세서 또는 컴퓨터와 통신할 수 있고, 여기서 모터(720)는 동작 명령을 수신한다. 모터는 몇몇 예에서 전송 구성요소와 함께 동작 가능할 수 있다. 다른 예에서, 스프링과 같은 탄성 요소가 액추에이터 샤프트(724)를 시계방향으로(즉, "오프" 위치) 회전 가능하게 바이어싱하는 방식으로 액추에이터 샤프트(724)에 커플링될 수 있어, 전기 모터(720)가 작동력을 해제하거나 제거할 때, 탄성 요소는 이에 따라 액추에이터 샤프트(724)를 편향하거나 이동시키게 된다.
액추에이터는 액추에이터 샤프트(724)에 고정적으로 부착된 캠 부재(726)를 더 포함할 수 있다. 캠 부재(726)는 캠 부재(726) 내의 회전 모션을 제1 및 제2 제동 구성요소(702a, 702b) 내의 병진 모션으로 변환하도록 동작 가능한 편심 구성을 갖는 캠을 포함할 수 있는데, 이는 회전시에 가변적으로 제어된 제동력을 발생하는 것을 보조한다. 실제로, 제1 방향에서의(예를 들어, 도 7c에 도시된 바와 같은 시계방향에서의) 액추에이터 샤프트(724)의 회전은 캠 부재(726)가 회전하게 하여 압축 디스크(708a, 708b, 708c)가 압축 디스크(710a, 710b)에 결합하게 하는 힘을 인가하는 방향으로 압축 디스크(708a)의 병진을 용이하게 하는데, 이는 이어서 브레이크 관절(700) 내에서 회전시에 제동력을 발생하고, 제동력은 도 7c에 도시된 바와 같이, 압축 디스크들 사이에 발생된 마찰력의 결과이다.
역으로, 도 7b에 도시된 바와 같이, 반대 방향(예를 들어, 반시계방향)으로 액추에이터 샤프트(724)를 회전하는 것은, 캠 부재(726)가 회전하게 하여 제동력을 감소시키기(또는 제거시키기) 위한 방향으로 압축 디스크(708a)의 병진을 용이하게 한다(캠 부재(726)의 제어된 회전 이동량에 따라).
하나의 예에서, 캠 부재(726)는 브레이크 관절(700)의 회전축(Y)에서 또는 부근에서 압축 디스크(708a)에 접촉하도록 위치될 수 있다. 즉, 이러한 접촉 장소는 제1 및 제2 제동 구성요소(702a, 702b)의 외주부보다 회전축(Y)에 더 근접한다. 이 위치설정 구성의 하나의 장점은 인간 운동학적 구성 상으로의 비-의인화 운동학적 구성의 운동학적 맵핑을 위한 요구의 제거이다. 다른 예에서, 조작자의 손과 연계된 브레이크 관절의 경우에서와 같이, 브레이크 관절은 손가락 사이의 제한된 공간에 기인하여 손가락의 상단 둘레에 또는 상에 위치될 수 있다.
모터(720)는 마스터 로봇 시스템과 함께 동작 가능한 것과 같은, 컴퓨터 시스템의 제어기(721)에 통신적으로 커플링될 수 있다(무선으로 또는 직접 유선 접속됨). 따라서, 액추에이터 샤프트(724)의 회전 방향, 토크, 및 속도는 본 명세서에 설명된 바와 같이, 대응 슬레이브 관절의 반영력에 대응하는 특정 제동력을 촉진하도록 제어될 수 있다. 더욱이, 제어기를 거쳐 캠 부재(726)의 회전의 특성을 제어함으로써, 예로서 슬레이브 관절의 반영력이 동적으로 변화할 때, 또는 필요 또는 요구에 따라, 브레이크 관절(700)은 동적 제동력을 발생하도록 동적으로 제어될 수 있다.
도 4 내지 도 6에 관하여 전술된 임의의 액추에이터가 도 7a 내지 도 7c의 하우징 및 압축 디스크의 구성 내에 합체될 수 있다는 것이 본 명세서에서 주목된다. 예를 들어, 압전 액추에이터는 도 7a의 모터의 위치와 같이, 압축 디스크(708a)(또는 상부 하우징(705a))에 부착된 지지 기부를 가질 수 있다. 이러한 압전 액추에이터는 캠 부재(726)의 동작 및 위치와 유사하게, 가변적으로 제어된 제동력을 발생하도록 압축 디스크(708a)를 하향으로 바이어싱하는 단일의 작동 부재를 가질 수 있다.
본 명세서에 설명된 브레이크 관절 액추에이터는 전통적인 힘-반영 작동 기술(예를 들어, 유압 액추에이터, 서보-공압 액추에이터 등)의 스트레인보다 훨씬 더 작은 대략 10-5 내지 10-1(폴리머 액추에이터는 제외함)의 최대 스트레인을 가질 수 있다. 예를 들어, 공압 및 유압 액추에이터는 약 10-1 내지 10-0의 최대 작동 스트레인을 가질 수 있다. 본 개시내용에서 성취된 최대 스트레인의 예로서, 본 명세서에 설명된 압전 액추에이터는 10-5 내지 10-1, 또는 대략 0.1%(또는 1,000 마이크로-스트레인)의 최대 스트레인을 가질 수 있다. 따라서, 본 명세서의 예시적인 브레이크 관절 액추에이터를 갖는 압전 액추에이터를 합체하는 전술된 기계적 증폭 장점에 기인하여, 최대 스트레인은 단지 약 1 mm일 수 있다. 이는 비교적 작은 작동력(예를 들어, 1 mm의 스트레인으로부터 발생하는)이 디스크를 압축하게 할 수 있도록 하는, 인접한 대향 디스크들인 압전 액추에이터의 배열 및 서로 마찰식으로 결합되는 상부 및 하부 디스크의 배열에 기인한다.
그리고, 본 명세서에 설명된 브레이크 관절 액추에이터는 매우 높은 동작 주파수를 가질 수 있다. 예를 들어, 압전 및 자왜 액추에이터는 0 내지 100 kHz 및 특정 용례에서 더욱 더 높은 범위에서 동작할 수 있고, 반면에 다른 것들은 매우 높은 최대 응력을 가질 수 있다(예를 들어, 형상 기억 합금 및 자왜 액추에이터에 대해, 이는 대략 90 내지 700 MPa일 수 있음). 이러한 동작 주파수 범위 및 응력 범위는 전통적인 힘-반영 작동 기술의 최대 동작 주파수 및 응력값보다 비교적 크다. 예를 들어, 전통적인 공압 액추에이터는 50 내지 300 Hz의 최대 동작 주파수, 및 0.5 내지 0.9 MPa의 최대 응력에서 동작할 수 있다(반면에, 유압 액추에이터는 20 내지 70 MPa의 최대 응력에서 동작함).
힘-반영 입력 브레이크 관절 내에 합체될 수 있는 브레이크 관절 액추에이터의 다른 예는 압전 폴리머 디바이스; 열팽창 디바이스; 자왜기 디바이스; 형상 기억 합금 디바이스; 이동 코일 트랜스듀서; 솔레노이드 디바이스; 볼 램프 디바이스; 전자기 액추에이터; 오프셋 캠 액추에이터; 및 공압 디바이스를 포함한다. 예를 들어, 플레이트들 중 하나 이상은 강자성 재료로 구성될 수도 있고, 전자기 액추에이터는 플레이트에 인접하여 커플링될 수도 있어, 전자기 액추에이터로의 전기장의 인가시에, 전기장은 강자성 플레이트가 이동하게 하고 인접한 플레이트들을 압축하게 하여, 이에 의해 제동력을 발생한다.
도 8은 복수의 힘-반영 입력 브레이크 관절(804a 내지 804k)을 갖는 로봇 시스템(802)을 도시하고 있다. 도시된 임의의 수의 브레이크 관절은 본 명세서에 설명된 예시적인 유형의 브레이크 관절 중 임의의 하나로 구성될 수 있다는 것이 주목된다. 실제로, 로봇 시스템(802)은 동일한 또는 상이한 유형의 브레이크 관절을 포함할 수 있다. 도 8은 조작자의 팔, 손목 및 손가락의 자유도 중 하나 이상에 대응하는 하나 이상의 자유도를 갖는 로봇 시스템(802)을 도시하고 있다. 하나의 양태에서, 로봇 시스템(802)은 오른팔/어깨 상에서 인간 조작자에 의해 착용 가능한(도 1a에 도시된 바와 같은) 외골격 마스터 로봇 디바이스의 우측 아암부를 대표할 수 있다. 다른 양태에서, 이는 원격조작식 로봇 시스템의 부분으로서 조작자 제어형 로봇 디바이스를 대표할 수 있다. 또 다른 양태에서, 이는 휴머노이드 로봇의 부분을 대표할 수 있다.
로봇 시스템(802) 내에서, 고정 기부(806)는 조작자에 의해 착용된 백팩 제어 모듈과 같이(예를 들어, 도 1a의 외골격 예에서와 같이), 지지 구조체에 커플링될 수 있다. 견갑골 브레이크 관절(804a)이 고정 기부(806)에 회전 가능하게 커플링될 수 있고 소정의 모션 범위(예를 들어, 최대 120도의 모션 범위)를 가질 수 있다. 굴곡/신전 브레이크 관절(804b)이 견갑골 브레이크 관절(804a)에 회전 가능하게 커플링될 수 있고, 소정의 모션 범위(예를 들어, 최대 210도의 모션 범위)를 가질 수 있다. 외전/내전 브레이크 관절(804c)이 굴곡/신전 브레이크 관절(804b)에 회전 가능하게 커플링될 수 있고, 소정의 모션 범위(예를 들어, 최대 180도의 모션 범위)를 가질 수 있다. 상박골 회전 브레이크 관절(804d)이 외전/내전 브레이크 관절(804c)에 회전 가능하게 커플링될 수 있고, 소정의 모션 범위(예를 들어, 최대 180도의 모션 범위)를 가질 수 있다. 상부 길이 조정부(808)가 우측 아암 로봇 조립체의 길이를 조정하기 위해(예를 들어, 최대 3 인치의 조정 길이를 제공함) 상박골 회전 브레이크 관절(804d)과 함께 동작 가능할 수 있다. 팔꿈치 브레이크 관절(804e)이 상박골 회전 브레이크 관절(804d)에 회전 가능하게 커플링될 수 있고, 소정의 모션 범위(예를 들어, 최대 135도의 모션 범위)를 가질 수 있다. 제1 하부 수동 관절(810a)이 팔꿈치 브레이크 관절(804e)에 그리고 조작자 상완 인터페이스(812)에 회전 가능하게 커플링될 수 있고, 제2 하부 수동 관절(810b)이 제1 하부 수동 관절(810a)에 회전 가능하게 커플링될 수 있다. 손목 회전 브레이크 관절(804f)이 제2 하부 수동 관절(810b)에 회전 가능하게 커플링될 수 있고, 소정의 모션 범위(예를 들어, 최대 180도의 모션 범위)를 가질 수 있다. 손목 외전/내전 브레이크 관절(804g)이 손목 회전 브레이크 관절(804f)에 회전 가능하게 커플링될 수 있고, 소정의 모션 범위(예를 들어, 최대 90도의 모션 범위)를 가질 수 있다. 손목 굴곡/신전 브레이크 관절(804h)이 손목 외전/내전 브레이크 관절(804g)에 회전 가능하게 커플링될 수 있고, 소정의 모션 범위(예를 들어, 최대 135도의 모션 범위)를 가질 수 있다. 엄지손가락 전개 브레이크 관절(804i)이 손목 굴곡/신전 브레이크 관절(804h)에 회전 가능하게 커플링될 수 있고, 소정의 모션 범위(예를 들어, 최대 38도의 모션 범위)를 가질 수 있다. 엄지손가락 브레이크 관절(804j)이 엄지손가락 전개 브레이크 관절(804i)에 회전 가능하게 커플링될 수 있고, 소정의 모션 범위(예를 들어, 최대 60도의 모션 범위)를 가질 수 있다. 양 엄지손가락 관절은 브레이크 관절을 포함하거나 포함하지 않을 수도 있고 또는 제동 구성요소와 연계될 수도 있다. 엄지손가락 링(814)이 엄지손가락 브레이크 관절(804j)에 커플링될 수 있고 엄지손가락과 함께 동작 가능하도록 구성될 수 있다. 손가락 브레이크 관절(804k)이 손목 굴곡/신전 브레이크 관절(804h)에 회전 가능하게 커플링될 수 있고, 소정의 모션 범위(예를 들어, 최대 90도의 모션 범위)를 가질 수 있다. 손가락 링(816)이 손가락 브레이크 관절(804k)에 커플링될 수 있고 손가락으로 조작 가능하도록 구성될 수 있다. 각각의 브레이크 관절(804a 내지 804k)은 모든 또는 몇몇 자유도로 이동 가능할 수 있다.
손목 및 손가락 관절은 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는, 2012년 10월 21일 출원된 미국 특허 출원 제13/665,697호의 "주변 시스템을 제어하기 위한 손 제어 디바이스(Hand Control Device for Controlling a Peripheral System)" 내에 구체화될 수 있다. 즉, 이러한 손 제어 디바이스는 도 1a의 외골격과 함께 그리고 본 명세서에 설명된 임의의 브레이크 관절과 함께 사용을 위해 구체화될 수 있다.
본 명세서에 설명된 마스터 브레이크 관절은, 예로서 슬레이브 로봇 시스템에 의해 물체와의 접촉이 이루어질 때(토크 과도 + 진동), 조작자에 촉각 피드백을 제공하는데 사용된 진동 발생기를 더 포함할 수 있다. 몇몇 예에서, 손의 각각의 마스터 브레이크 관절과 연계되거나 또는 그에 커플링된 진동 발생기는, 진동 발생기가 슬레이브 로봇에 의해 경험된 이벤트에 따라 조작자가 가변 진동 감각을 지각하게 할 수 있기 때문에, 물체에 충돌하는, 물체를 붙잡는 슬레이브 로봇의 현실적인 모방을 제공할 수 있다. 예를 들어, 슬레이브 로봇 핑거 또는 파지기가 벽과 같은 물체를 따라 활주하면, 대응하는 진동 자극은 마스터 로봇 시스템을 착용하는 조작자의 손에 의해 지각될 것이다. 이는 조작자가 너무 많은 힘(예를 들어, 슬레이브 로봇 핸드/파지기에 의해 작용 가능한 최대력을 초과하는)을 물체에 인가하고 있을 수도 있다는 것 또는 물체가 슬레이브 로봇의 핸드/파지기 외부로 미끄러져 빠진다는 것을 지시하기 위한 조작자로의 효과적인 촉각적 지시로서 사용될 수 있다.
몇몇 예에서, 본 개시내용은 마스터 로봇 시스템 또는 인터페이스의 조작자에 운동학적 등가물, 및 마스터 로봇 시스템 또는 인터페이스 및 슬레이브 로봇 시스템의 운동학적 등가물을 제공한다는 것을 주목하라. 몇몇 예에서, 마스터 로봇 시스템 및 슬레이브 로봇 시스템은 단지 손, 팔, 팔 및 손, 팔 및 몸통, 팔/손/몸통, 다리, 다리들, 다리들 및 몸통, 다리들/팔들/몸통, 다리들 및 팔들, 및 몸통 및 손들, 또는 이들의 임의의 조합과 모두 연계될 수도 있다.
도 9는 슬레이브 로봇 시스템(902)(예를 들어, 도 1b에서와 같은 슬레이브 로봇 디바이스를 포함함)의 제어 하에서 마스터 로봇 시스템(900)(예를 들어, 도 1a에서와 같은 마스터 디바이스를 포함함)의 예시적인 제어 시스템의 도식도를 도시하고 있다. 하나의 양태에서, 더 전술된 바와 같이, 마스터 로봇 시스템(900)은 마스터 브레이크 관절(904a, 904b)과 같은 하나 이상의 마스터 브레이크 관절을 포함할 수 있다. 각각의 브레이크 관절은 본 명세서에 설명된 바와 같이 구성될 수 있고, 제동 구성요소 및 액추에이터와 같은, 본 명세서에 설명된 다양한 구성요소 또는 요소를 포함할 수 있다. 브레이크 관절은 하나 이상의 위치 센서 및/또는 하나 이상의 힘/부하 센서를 더 포함할 수 있다. 마스터 로봇 시스템(900)은 범용 중앙 처리 유닛(CPU)을 갖는 마스터 컴퓨터(906)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGA), 응용 주문형 집적 회로(ASIC) 또는 다른 유형의 프로세서가 사용될 수도 있다. 마스터 컴퓨터(906)는 유선 또는 무선 기술 또는 수단을 사용하여 각각의 마스터 브레이크 관절(904a, 904b)의 액추에이터, 위치 센서, 및 힘 센서와 통신할 수 있다.
슬레이브 로봇 시스템(902)은 각각의 마스터 관절(904a, 904b)(점선에 의해 도시된 바와 같이)에 대응하는 슬레이브 관절(908a, 908b)과 같은 하나 이상의 슬레이브 관절을 포함할 수 있다. 각각의 슬레이브 관절(908a, 908b)은 도시된 바와 같이, 액추에이터, 위치 센서, 및 힘/부하 센서를 포함할 수 있다. 슬레이브 로봇 시스템(902)은 범용 중앙 처리 유닛(CPU)을 포함하는 슬레이브 컴퓨터(910)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGA), 응용 주문형 집적 회로(ASIC) 또는 다른 유형의 프로세서가 사용될 수도 있다. 슬레이브 컴퓨터(910)는 유선 또는 무선 기술 또는 수단을 사용하여 각각의 슬레이브 관절(908a, 908b)의 액추에이터, 위치 센서, 및 힘 센서와 통신할 수 있다. 슬레이브 로봇 시스템(902)은 본 명세서에 그대로 참조로서 합체되어 있는, 2011년 12월 20일 출원된 미국 특허 출원 제13/332,165호의 슬레이브 로봇에 관하여 설명된 몇몇 또는 모든 특징을 가질 수 있다.
대안적으로, 슬레이브 컴퓨터는 각각의 슬레이브 관절이 마스터 컴퓨터(906)와 직접 통신하는 예에서 필요하지 않을 수도 있다. 예를 들어, 각각의 슬레이브 관절(908a, 908b)의 위치 센서 및 힘 센서는 각각의 슬레이브 관절(908a, 908b)과 연계된 데이터를 처리하기 위해 마스터 컴퓨터(906)에 직접 신호를 전송할 수 있다(무선 송신기를 거쳐). 다른 예에서, 각각의 슬레이브 관절(908a, 908b)의 위치 센서 및 힘 센서는 데이터를 수신하여 마스터 컴퓨터(906)에 전송하는 외부 또는 원격 컴퓨터에 통신적으로 커플링된다.
상기에 소개된 바와 같이, 마스터 로봇 시스템(900)은 마스터 로봇 시스템의 다양한 DOF 내에서 사용자/조작자로부터 인가된 부하를 감지할 수 있고(위치 센서 및/또는 부하 센서를 거쳐), 이어서 마스터 로봇 시스템(900)의 이동에 대응하는 바와 같은 슬레이브 로봇 시스템(902)(예를 들어, 하나 이상의 슬레이브 아암)의 이동을 제어하기 위해 슬레이브 로봇 시스템(902)에 이러한 인가된 부하와 연계된 대응하는 데이터를 전송할 수 있다. 본 명세서에 사용될 때, "부하"는 힘 및/또는 모멘트를 포함할 수 있다. 따라서, 부하 센서가 힘 및/또는 모멘트를 감지할 수 있다. 부하 센서는 특정 관절(마스터 및/또는 슬레이브)의 다중 DOF의 부하를 감지하고, 부하값의 출력을 촉진하도록 구성될 수 있다. 부하 센서가 예를 들어, 슬레이브 로봇 아암에 작용하는 선형 및/또는 회전 부하를 검출하는 것이 가능하다. 예를 들어, 6 DOF 부하 센서와 같은 다축 부하 센서가 센서의 x축, y축 및 z축을 따른 3개의 힘 성분 뿐만 아니라 축 둘레에 작용하는 3개의 모멘트 성분을 측정할 수 있다. 따라서, 슬레이브 관절과 연계된 부하 센서는 슬레이브 아암이 장애물과 강제 접촉하고 있는지 또는 물체를 들어올리는 것에 기인하는 힘을 경험하는지 여부를 검출할 수 있다. 만일 그러하면, 슬레이브 컴퓨터는 슬레이브 관절과 연계된 힘 반영 데이터(예를 들어, 제어 신호)를 마스터 컴퓨터에(또는 중앙 제어 시스템에) 전송하도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 마스터 컴퓨터는 슬레이브 관절에 의해 경험된 힘에 대응하는 제동력 데이터로서 마스터 브레이크 관절의 액추에이터에 힘 반영 데이터를 전송하도록 구성될 수 있다(예를 들어, 마스터 팔꿈치 관절은 슬레이브 팔꿈치 관절에 대응함). 제동력 데이터는 슬레이브 관절에 의해 경험된 힘에 비례할 수 있는(도 1a 및 도 1b의 "들어올림" 예 참조) 발생된 제동력의 양을 제어하기 위해 특정 인가된 전압으로서(예를 들어, 전기 액추에이터에) 브레이크 관절에 전송될 수 있다.
부하 센서는 이들에 한정되는 것은 아니지만, 스트레인 게이지, 박막 센서, 압전 센서, 저항성 부하 센서 등을 포함하는 임의의 유형의 적합한 부하 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 사용될 수도 있는 부하 센서는 Sensotec에 의해 생산되는 로드셀, P/N AL311CR 또는 P/N AL31DR-1A-2U-6E-15C, Futek, P/N LCM375-FSSH00675, 또는 P/N LCM325-FSH00672를 포함한다.
하나의 양태에서, 도 9에 도시된 바와 같이, 각각의 마스터 브레이크 관절(904a, 904b)과 연계된 각각의 DOF 및 슬레이브 관절(908a, 908b)의 각각의 DOF를 위한 하나의 위치 센서가 존재한다. 각각의 위치 센서는 각각의 관절에 또는 근접하여 위치될 수 있고, 각도 위치를 측정하도록 구성될 수 있다. 하나의 양태에서, 위치 센서는 마스터 로봇 시스템(900)의 다양한 관절 및 지지 부재의 위치의 변화를 검출하고, 위치값의 출력을 용이하게 할 수 있다. 이 위치의 변화는 슬레이브 로봇 시스템(902)의 대응 DOF의 위치의 비례적 변화를 유발하는데 사용될 수 있다. 위치 센서는 각각의 관절(마스터 또는 슬레이브)의 절대 위치가 임의의 시간에 결정되는 것을 가능하게 하는 절대 위치 센서일 수 있다. 대안적으로, 위치 센서는 상대 위치 센서일 수도 있다. 위치 센서는 이들에 한정되는 것은 아니지만, 인코더, 회전형 전위차계, 및 다른 유형의 회전 위치 센서를 포함하여, 각각의 관절의 회전을 측정하기 위한 임의의 유형의 적합한 위치 센서를 포함할 수 있다. 사용될 수 있는 위치 센서의 하나의 예는 Gurley Precision Instrument에 의해 생산된 인코더 디스크, 제조업자 모델 번호 P/N AX09178이다. 이러한 인코더 디스크는 마스터 및 슬레이브 로봇 조립체의 각각의 관절에 커플링될 수 있다. Gurley Precision Instrument에 의해 생산된 인코더 리더, 모델 번호 P/N 7700A01024R12U0130N이 각각의 관절에서 절대 위치 판독을 제공하기 위해 인코더 디스크를 판독하는데 사용될 수 있다.
마스터 로봇 시스템(900)은 각각의 마스터 브레이크 관절의 각각의 DOF와 연계된 범용 DOF 제어기(GDC)(도시 생략)를 포함할 수 있다. 하나의 예에서, 개별 GDC는 각각의 마스터 브레이크 관절과 함께 동작 가능할 수 있다. GDC는 각각의 브레이크 관절에 위치된 부하 센서 및 위치 센서와 같은 센서와 통신할 수 있는데, 이 센서들은 제동 인터페이스에서를 포함하여, 브레이크 관절 내의 임의의 위치에 포함될 수 있다. GDC는 각각의 마스터 브레이크 관절에서 액추에이터와 또한 통신할 수 있다. 각각의 GDC는 선택된 브레이크 관절에서 위치 및 토크를 모니터링하고 조정하는데 사용될 수 있다. 연계된 또는 대응 슬레이브 관절의 위치, 토크, 및 힘 반영에 관한 정보가 GDC에서 또한 수신될 수 있다. 각각의 슬레이브 관절에서의 토크 측정에 관한 정보는 연계된 또는 대응 마스터 브레이크 관절을 위한 GDC에 통신될 수 있다. GDC는 이어서 슬레이브 로봇 시스템에 의해 들어올려진 부하와 그리고/또는 그 환경과 슬레이브 로봇 시스템의 상호작용에 관한 힘 피드백을 제공하기 위해 제동력을 발생하도록 액추에이터에 명령(또는 전압)을 출력할 수 있다.
하나의 예에서, 마스터 로봇 시스템(900) 상의 각각의 DOF를 위한 GDC는 대응하는 슬레이브 관절에 대한 슬레이브 로봇 시스템(902)의 이동을 제어하는데 사용된 계산을 수행하기 위해 원하는 센서와 통신하도록 구성된 하나 이상의 마이크로프로세서를 포함하는 컴퓨터 카드일 수 있다. 예를 들어, GDC는 범용 중앙 처리 유닛(CPU)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGA), 응용 주문형 집적 회로(ASIC) 또는 다른 유형의 프로세서가 사용될 수도 있다. GDC는 유선 또는 무선 기술 또는 수단을 사용하여 센서와 통신할 수 있다. 임의의 GDC는 임의의 특정 관절의 하우징 내에 배치될 수도 있다.
슬레이브 로봇 시스템(902)은 슬레이브 관절의 각각의 DOF와 연계된 GDC를 또한 포함할 수 있다. 하나의 예에서, 개별 GDC는 슬레이브 로봇 시스템(902) 내의 각각의 DOF에 대해 동작 가능하다. 슬레이브 로봇 시스템(902)의 GDC는 마스터 로봇 시스템(900)의 GDC와 유사할 수 있고, 동일한 목적을 담당할 수 있다.
도 9를 계속 참조하면, 슬레이브 관절(908a, 908b)의 각각의 액추에이터는 그 각각이 DOF를 포함할 수 있는 슬레이브 관절에 작용하는 위치 및/또는 힘(또는 토크)의 모두를 결정할 수 있는 대응하는 위치 센서 및/또는 부하 센서를 가질 수 있다. 슬레이브 로봇 시스템(902)의 각각의 GDC는 각각의 슬레이브 관절(908a, 908b)과 연계된 위치 센서 및 부하 센서로부터 입력을 사용하여, 예를 들어 마스터 로봇 시스템(900)에 전송된 신호로 변환될 수 있는 힘을 계산하고, 연계된 DOF에서 지정된 토크를 인가하도록 지정된 제동력으로 대응하는 브레이크 관절의 액추에이터를 작동할 수 있다. 가속도계 또는 다른 속도 감지 디바이스가 또한 속도 데이터를 측정하고 전송하기 위해 각각의 슬레이브 관절(및/또는 마스터 관절)과 연계될 수도 있다.
사용자가 마스터 제어 아암 내에서 마스터 브레이크 관절을 이동하는 각각의 정도로, 마스터 위치 명령은 원하는 비를 갖고 슬레이브 아암의 대응하는 이동을 제공하도록 설정될 수 있다. 전형적인 비는 1:1이고, 슬레이브 아암이 마스터 제어 아암과 동일한 속도로 이동하는 것을 가능하게 한다. 그러나, 2:1, 3:1 또는 그 초과의 비가 슬레이브 아암이 2회 내지 3회 더 이동하게 명령하면서 사용자가 마스터 아암에서 비교적 작은 이동을 행하는 것을 가능하게 하도록 선택될 수도 있다. 이는 사용자 피로를 감소시키기 위해 사용자의 이동량을 제한함으로써 반복된 이동을 수행할 때 사용자에게 도움이 될 수도 있다. 역으로, 비는 사용자가 섬세한 작업을 수행할 때 1:2, 1:3, 또는 그 미만으로 설정될 수도 있다. 비를 감소하고, 슬레이브 아암의 대응하는 이동보다 더 멀리 사용자가 이동하는 것을 요구함으로써, 이는 사용자가 섬세한 작업에 비해 더 미세한 모터 제어를 갖는 것을 가능하게 한다. 실제 비는 시스템 및 시스템 조작자의 요구 및 용도에 기초하여 마스터 위치 명령을 조정함으로써 설정될 수 있다.
전술된 바와 같이, 슬레이브 로봇 시스템은 비-휴머노이드 로봇, 휴머노이드 로봇, 핸드 로봇, 가상 로봇, 가상 아바타 로봇 등일 수 있고, 반면에 브레이크 관절(들)을 갖는 마스터 제어 시스템은 외골격 로봇 조립체, 비-휴머노이드 로봇, 휴머노이드 로봇, 가상 현실 제어형 시스템 등일 수 있다. 따라서, 본 명세서에 설명된 마스터 브레이크 관절 구성은 넓은 산업, 군사, 물류, 현장 응급 처치자(first responder), 소비자 및 다른 용례를 갖는다.
예를 들어, VR 헤드셋 및 상부 외골격을 착용한 조작자는 예를 들어, 외골격 내의 복수의 브레이크 관절을 거쳐 실시간으로 이들의 가상 로봇이 지각하는 것을 지각할 수 있다. 이 유형의 가상 플랫폼 제어는, 조작자가 가상 플랫폼 내에서 표시되는 특정 이동으로부터 제한될 때 훈련, 게임플레이, 운동/유산소, 웨이트리프팅(weightlifting), 및 다른 것들과 같은 다양한 목적에 유용할 수 있다. 예를 들어, 보디빌더는 보디빌더에 의해 착용된 외골격의 브레이크 관절이 컬(curl)을 수행하는 동안 보디빌더에 조화된 비례적 힘 반영을 제공할 수 있기 때문에, 임의의 덤벨을 소유하고/사용할 필요 없이 통상적으로 수행된 컬을 행할 수 있다.
본 명세서에 설명된 브레이크 관절은 시뮬레이션된 환경에서 전투 훈련을 위한 중요한 부가물일 수 있다. 예를 들어, Virtual Battlespace 2(VBS2)와 같은 VR 시뮬레이션된 환경은, 장갑차, UAV, 로터크래프트, 및 솔저와 같은 다수의 자산을 수반하는 조화된 활동을 필요로 하는 복잡한 작전의 활동 리뷰 후에 전투팀이 급속하고 비용 효과적으로 계획하고, 리허설하고, 훈련하고, 수행할 수 있게 한다. 실제로, 다수의 솔저는 이러한 가상 세계에 물리적으로 몰입할 수 있고, 여기서 이들은 도시 환경, 정글, 및 다른 복잡한 지형에서 시뮬레이션된 작전을 수행할 수 있다.
도 10은 도 1a 내지 도 9의 시스템을 참조하여 설명된 것과 같은, 마스터 로봇 시스템으로의 슬레이브 로봇 시스템의 힘의 전이의 방법(950)을 도시하고 있다. 동작 952는 마스터 로봇 시스템 및 슬레이브 로봇 시스템을 제공하는 것을 포함하고, 여기서 마스터 로봇 시스템은 슬레이브 로봇 시스템의 슬레이브 관절에 대응하는 마스터 브레이크 관절을 포함한다(예를 들어, 도 1a 및 도 1b). 동작 954는 도 9에 관하여 더 설명되는 바와 같이, 힘 데이터를 결정하기 위해 슬레이브 관절의 위치 및/또는 힘을 감지하는 것을 포함한다. 동작 956은 도 9에 관하여 더 설명되는 바와 같이 슬레이브 로봇 시스템으로부터 마스터 로봇 시스템으로 힘 데이터 신호(예를 들어, 제어 신호)를 전송하는 것을 포함한다. 동작 956은 도 1a 내지 도 9에 관하여 더 설명되는 바와 같이, 힘 데이터 신호에 대응하는 제동력을 마스터 브레이크 관절 내에 생성하는 것을 포함한다. 동작 960은 슬레이브 관절에 의해 경험된 변화하는 힘에 응답하여, 또는 필요 또는 요구에 따라서와 같이, 제동력을 동적으로 제어하는 것을 포함한다. 예를 들어, 액추에이터(도 2 내지 도 9의)에 인가된 전기 입력은 변동될 수 있어, 이에 의해 브레이크 관절 내의 제동력을 변동한다.
도면에 도시된 예를 참조하였고, 특정 언어가 예를 설명하기 위해 본 명세서에 사용되었다. 그럼에도 불구하고, 기술의 범주의 어떠한 한정도 이에 의해 의도되지 않는다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 본 명세서에 예시된 특징의 변경 및 부가의 수정 및 본 명세서에 예시된 바와 같은 예의 부가의 용례가 본 설명의 범주 내에서 고려되어야 한다.
더욱이, 설명된 특징, 구조, 또는 특성은 하나 이상의 예에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수도 있다. 이전의 설명에서, 설명된 기술의 예의 철저한 이해를 제공하기 위해 다양한 구성의 예와 같은, 수많은 특정 상세가 제공되었다. 그러나, 기술은 특정 상세들 중 하나 이상 없이, 또는 다른 방법, 구성요소, 디바이스 등을 갖고 실시될 수도 있다는 것이 인식될 수 있을 것이다. 다른 경우에, 공지의 구조 또는 동작이 기술의 양태를 불명료하게 하는 것을 회피하기 위해 상세히 도시되거나 설명되지 않는다.
주제는 구조적 특징 및/또는 동작에 특정한 언어로 설명되었지만, 첨부된 청구범위에 규정된 주제는 전술된 특정 특징 및 동작에 반드시 한정되는 것은 아니라는 것이 이해되어야 한다. 오히려, 전술된 특정 특징 및 동작은 청구범위를 구현하는 예시적인 형태로서 개시된다. 수많은 수정 및 대안적인 배열이 설명된 기술의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고 안출될 수도 있다.

Claims (45)

  1. 슬레이브 로봇 시스템에서의 힘을 마스터 로봇 시스템에 전이하기 위한 힘-반영 마스터 로봇 브레이크 관절 조립체이며,
    마스터 로봇 시스템의 제1 로봇 링크와 연계된 제1 제동 구성요소로서, 상기 제1 제동 구성요소는 한 쌍의 상부 압축 디스크 및 한 쌍의 하부 압축 디스크를 포함하는, 제1 제동 구성요소;
    상기 마스터 로봇 시스템의 제2 로봇 링크와 연계된 제2 제동 구성요소로서, 상기 제2 제동 구성요소는 상기 한 쌍의 상부 압축 디스크 사이에 위치된 상부 압축 디스크 및 상기 한 쌍의 하부 압축 디스크 사이에 위치된 하부 압축 디스크를 포함하고, 상기 제2 제동 구성요소는 상기 제1 제동 구성요소에 대해 회전하도록 구성된, 제2 제동 구성요소; 및
    상기 한 쌍의 상부 압축 디스크 및 상기 한 쌍의 하부 압축 디스크 사이에 배치되고, 슬레이브 로봇 시스템에 의해 감지된 힘에 대응하는 제어 신호에 응답하여 상기 제1 제동 구성요소와 상기 제2 제동 구성요소 사이에 제동력을 발생시키기 위해 상기 제1 제동 구성요소 및 상기 제2 제동 구성요소에 작용하도록 구성된 액추에이터
    를 포함하는, 힘-반영 마스터 로봇 브레이크 관절 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제동력은 가변적인, 힘-반영 마스터 로봇 브레이크 관절 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제동력은 비-가변적인, 힘-반영 마스터 로봇 브레이크 관절 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제동력의 크기는 가변적이고, 감지된 힘에 대한 제동력의 비례성은 동적으로 제어 가능한, 힘-반영 마스터 로봇 브레이크 관절 조립체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 액추에이터는 액추에이터 및 작동 부재를 갖는 양방향 액추에이터를 포함하고, 상기 액추에이터는 제동력을 발생하기 위해 상기 제1 제동 구성요소 또는 상기 제2 제동 구성요소 중 적어도 하나에 양방향력을 인가하도록 상기 작동 부재를 회전하도록 구성된, 힘-반영 마스터 로봇 브레이크 관절 조립체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 작동 부재는 대향하여 연장되는 아암들을 갖는 강체, 상기 아암들 중 하나에 회전 가능하게 커플링된 제1 롤러, 및 상기 아암들 중 다른 하나에 회전 가능하게 커플링된 제2 롤러를 포함하고, 상기 롤러들은 상기 작동 부재와 상기 제1 제동 구성요소와 상기 제2 제동 구성요소 사이의 마찰을 감소시키도록 구성된, 힘-반영 마스터 로봇 브레이크 관절 조립체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 액추에이터는 제동력을 발생하도록 구성된 유전 액추에이터를 포함하고, 상기 유전 액추에이터는 전압 소스에 커플링된 한 쌍의 전극들 사이에 배치된 유전 재료를 포함하는, 힘-반영 마스터 로봇 브레이크 관절 조립체.
  8. 제1항에 있어서, 상기 액추에이터는 제동력을 발생하도록 구성된 압전 액추에이터를 포함하고, 상기 압전 액추에이터는 압전 구성요소의 스택을 변위하도록 구성된 전압 소스에 커플링되도록 구성된 압전 구성요소의 스택을 포함하는, 힘-반영 마스터 로봇 브레이크 관절 조립체.
  9. 제1항에 있어서, 상기 액추에이터는 제동력을 발생하도록 동작 가능한 유체 액추에이터를 포함하고, 상기 유체 액추에이터는 유체 작동 구성요소 및 상기 유체 작동 구성요소에 유동식으로 커플링된 적어도 하나의 피스톤을 포함하고, 상기 유체 작동 구성요소는 상기 적어도 하나의 피스톤으로부터 말단측에 위치되고 제동력을 발생하기 위해 상기 적어도 하나의 피스톤을 작동하도록 구성되는, 힘-반영 마스터 로봇 브레이크 관절 조립체.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 제동 구성요소 및 상기 제2 제동 구성요소는 제동력을 발생하도록 압축 가능한 인터리빙된 다중-디스크 구성을 포함하는, 힘-반영 마스터 로봇 브레이크 관절 조립체.
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서, 상기 액추에이터는 제1 바이어싱 구성요소 및 대향하는 제2 바이어싱 구성요소를 포함하고, 상기 제1 바이어싱 구성요소는 상기 한 쌍의 상부 압축 디스크의 내부 디스크를 선택적으로 바이어싱하고 상기 제2 바이어싱 구성요소는 상기 한 쌍의 하부 압축 디스크의 대향하는 내부 디스크를 선택적으로 바이어싱하는, 힘-반영 마스터 로봇 브레이크 관절 조립체.
  13. 제1항에 있어서, 상기 액추에이터는 상기 상부 및 하부 압축 디스크의 쌍들 사이에서 상기 제1 제동 구성요소의 지지부에 부착되는, 힘-반영 마스터 로봇 브레이크 관절 조립체.
  14. 제1항에 있어서, 상기 액추에이터는 상기 상부 및 하부 압축 디스크의 쌍들 사이에 위치되는, 힘-반영 마스터 로봇 브레이크 관절 조립체.
  15. 제1항에 있어서, 상기 액추에이터는 액추에이터 샤프트에 고정적으로 부착된 캠 부재를 포함하고, 상기 캠 부재는 상기 캠 부재 내의 회전 모션을 상기 제1 제동 구성요소 및 상기 제2 제동 구성요소 내의 병진 모션으로 변환하여, 이에 의해 상기 제1 제동 구성요소 및 상기 제2 제동 구성요소를 함께 압축하도록 구성된 편심 구성을 갖는 캠을 포함하는, 힘-반영 마스터 로봇 브레이크 관절 조립체.
  16. 제1항에 있어서, 상기 제어 신호의 처리를 용이하게 하는 프로세서를 더 포함하는, 힘-반영 마스터 로봇 브레이크 관절 조립체.
  17. 슬레이브 로봇 시스템의 힘을 마스터 로봇 시스템에 전이하기 위한 힘-반영 로봇 시스템이며,
    복수의 슬레이브 관절을 포함하는 슬레이브 로봇 시스템; 및
    상기 마스터 로봇 시스템에 의해 제어 가능한 상기 슬레이브 관절의 각각의 것에 각각 대응하는, 복수의 마스터 브레이크 관절을 갖는 마스터 로봇 시스템
    을 포함하고,
    각각의 마스터 브레이크 관절은 상부 쌍의 압축 디스크 및 하부 쌍의 압축 디스크를 포함하는 제1 제동 구성요소, 및 상기 상부 쌍의 압축 디스크 사이에 위치된 상부 압축 디스크 및 상기 하부 쌍의 압축 디스크 사이에 위치된 하부 압축 디스크를 포함하는 제2 제동 구성요소, 및 상기 제1 제동 구성요소의 상부 및 하부 쌍의 압축 디스크 사이에 배치되고, 상기 슬레이브 로봇 시스템에 의해 감지된 힘에 대응하는 제어 신호에 응답하여 제동력을 발생시키기 위해 상기 제2 제동 구성요소의 상부 및 하부 압축 디스크 각각을 압축하도록 이들에 작용하도록 구성된 액추에이터를 포함하고,
    상기 제1 제동 구성요소의 상기 압축 디스크는 상기 제2 제동 구성요소의 상기 디스크에 대해 회전 가능한, 힘-반영 마스터 로봇 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 마스터 로봇 시스템은 휴머노이드 로봇 조립체, 외골격 로봇 조립체, 및 인간-조작식 로봇 조립체 중 하나를 포함하는, 힘-반영 마스터 로봇 시스템.
  19. 제17항에 있어서, 상기 마스터 로봇 시스템은 상기 마스터 브레이크 관절 중 하나에 의해 함께 회전 가능하게 커플링된 복수의 외골격 링크를 각각 포함하는 상체 외골격 및 하체 외골격 중 적어도 하나를 포함하는, 힘-반영 마스터 로봇 시스템.
  20. 제17항에 있어서, 상기 마스터 로봇 시스템은 상기 마스터 브레이크 관절의 각각을 제어하도록 구성된 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 각각의 마스터 브레이크 관절과 연계된 제동력을 동적으로 제어하도록 구성된 컴퓨터를 포함하는, 힘-반영 마스터 로봇 시스템.
  21. 제17항에 있어서, 각각의 슬레이브 관절은 상기 슬레이브 관절과 연계된 위치 데이터, 속도 데이터, 힘 데이터 또는 위치 및 힘 모두의 데이터를 제공하도록 구성된 하나 이상의 센서를 포함하는, 힘-반영 마스터 로봇 시스템.
  22. 제17항에 있어서, 상기 액추에이터는 상기 마스터 로봇 시스템에 의해 동적으로 제어 가능하고, 양방향 액추에이터, 유전 액추에이터, 압전 액추에이터, 캠 액추에이터, 볼 램프 액추에이터, 전자기 액추에이터, 공압 액추에이터, 또는 유압 액추에이터를 포함하는, 힘-반영 마스터 로봇 시스템.
  23. 삭제
  24. 제17항에 있어서, 상기 상부 쌍의 압축 디스크 및 상기 상부 압축 디스크는 각각의 마스터 브레이크 관절의 회전축 둘레로 서로에 대해 회전하도록 구성되고,
    상기 하부 쌍의 압축 디스크 및 상기 하부 압축 디스크는 상기 각각의 마스터 브레이크 관절의 회전축 둘레로 서로에 대해 회전하도록 구성된, 힘-반영 마스터 로봇 시스템.
  25. 슬레이브 로봇 시스템의 힘을 마스터 로봇 시스템에 전이하는 방법이며, 상기 마스터 로봇 시스템은 상기 슬레이브 로봇 시스템의 슬레이브 관절에 대응하는 마스터 브레이크 관절을 포함하고, 상기 방법은
    상기 슬레이브 로봇 시스템으로부터 상기 마스터 로봇 시스템으로 힘 데이터 신호를 전송하는 단계; 및
    상기 힘 데이터 신호에 대응하는 제동력을 상기 마스터 브레이크 관절 내에 발생하는 단계를 포함하고,
    상기 마스터 브레이크 관절은 제1 제동 구성요소, 제2 제동 구성요소, 및 액추에이터를 포함하고, 상기 제1 제동 구성요소는 한 쌍의 상부 압축 디스크 및 한 쌍의 하부 압축 디스크를 포함하고, 상기 제2 제동 구성요소는 상기 한 쌍의 상부 압축 디스크 사이에 위치된 상부 압축 디스크 및 상기 한 쌍의 하부 압축 디스크 사이에 위치된 하부 압축 디스크를 포함하고, 상기 제1 제동 구성요소의 상기 디스크는 상기 제2 제동 구성요소의 상기 디스크에 대해 회전 가능하며,
    상기 액추에이터는 상기 제1 제동 구성요소의 상부 및 하부 압축 디스크의 쌍 사이에 배치되고, 상기 제2 제동 구성요소의 상부 및 하부 압축 디스크 각각을 압축함으로써 제동력을 발생시키도록 구성된, 방법.
  26. 제25항에 있어서, 다양한 크기의 제동력을 제공하기 위해 제동력을 동적으로 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 제동력을 발생하는 단계는 제동력을 발생하기 위해 상기 마스터 브레이크 관절의 상기 액추에이터를 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  28. 삭제
  29. 제27항에 있어서, 상기 마스터 로봇 시스템에 전송될 힘 데이터를 얻기 위해 상기 슬레이브 관절의 위치 및 힘 중 하나 또는 모두를 감지하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  30. 제27항에 있어서, 상기 마스터 브레이크 관절의 위치 및 힘 중 하나 또는 모두를 감지하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  31. 제29항에 있어서, 컴퓨터 시스템을 거쳐 상기 마스터 로봇 시스템에서 상기 전송된 힘 데이터를 수신하는 단계를 더 포함하고, 상기 힘 데이터는 처리되고 대응 제동력이 상기 마스터 로봇 시스템 내에서 발생되는, 방법.
  32. 슬레이브 로봇 시스템에서의 힘을 마스터 로봇 시스템에 전이하기 위한 마스터 로봇 시스템이며,
    복수의 로봇 링크; 및
    상기 복수의 로봇 링크를 회전 가능하게 커플링하는 복수의 마스터 브레이크 관절로서, 각각의 마스터 브레이크 관절은 상기 마스터 로봇 시스템에 의해 제어 가능한 슬레이브 로봇 시스템의 각각의 슬레이브 관절에 대응하는, 복수의 마스터 브레이크 관절
    을 포함하고,
    각각의 마스터 브레이크 관절은
    상기 복수의 로봇 링크의 제1 로봇 링크에 커플링된 제1 제동 구성요소로서, 상기 제1 제동 구성요소는 한 쌍의 상부 압축 디스크 및 한 쌍의 하부 압축 디스크를 포함하는, 제1 제동 구성요소;
    상기 복수의 로봇 링크의 제2 로봇 링크에 커플링된 제2 제동 구성요소로서, 상기 제2 제동 구성요소는 상기 한 쌍의 상부 압축 디스크 사이에 위치된 상부 압축 디스크 및 상기 한 쌍의 하부 압축 디스크 사이에 위치된 하부 압축 디스크를 포함하고, 상기 제2 제동 구성요소는 상기 제1 제동 구성요소에 대해 회전하도록 구성된, 제2 제동 구성요소; 및
    상기 한 쌍의 상부 압축 디스크 및 상기 한 쌍의 하부 압축 디스크 사이에 배치되고, 슬레이브 로봇 시스템에 의해 감지된 힘에 대응하는 제어 신호에 응답하여, 상기 제1 제동 구성요소와 상기 제2 제동 구성요소 사이에 제동력을 발생시키기 위해, 상기 제1 제동 구성요소 및 상기 제2 제동 구성요소에 작용하도록 구성된 액추에이터를 포함하는, 마스터 로봇 시스템.
  33. 제32항에 있어서, 상기 제동력은 가변적인, 마스터 로봇 시스템.
  34. 제32항에 있어서, 상기 제동력은 단지 제1 크기를 갖는, 마스터 로봇 시스템.
  35. 제32항에 있어서, 상기 제동력의 크기는 가변적이고, 감지된 힘에 대한 제동력의 비례성은 동적으로 제어 가능한, 마스터 로봇 시스템.
  36. 제32항에 있어서, 상기 액추에이터는 모터 및 작동 부재를 갖는 양방향 액추에이터를 포함하고, 상기 모터는 제동력을 발생하기 위해 상기 제1 제동 구성요소 또는 상기 제2 제동 구성요소 중 적어도 하나에 양방향력을 인가하도록 상기 작동 부재를 회전시키도록 구성된, 마스터 로봇 시스템.
  37. 제32항에 있어서, 상기 액추에이터는
    제동력을 발생하도록 구성된 유전 액추에이터로서, 상기 유전 액추에이터는 전압 소스에 커플링된 한 쌍의 전극들 사이에 배치된 유전 재료를 포함하는, 유전 액추에이터;
    제동력을 발생하도록 구성된 압전 액추에이터로서, 상기 압전 액추에이터는 압전 구성요소의 스택을 변위하도록 구성된 전압 소스에 커플링되도록 구성된 압전 구성요소의 스택을 포함하는, 압전 액추에이터; 또는
    제동력을 발생하도록 구성된 유압 액추에이터로서, 상기 유압 액추에이터는 유압 작동 구성요소 및 상기 유압 작동 구성요소에 유동식으로 커플링된 적어도 하나의 유압 피스톤을 포함하고, 상기 유압 작동 구성요소는 상기 적어도 하나의 유압 피스톤으로부터 말단측에 위치되고 제동력을 발생하기 위해 상기 적어도 하나의 유압 피스톤을 작동하도록 구성되는, 유압 액추에이터
    중 적어도 하나를 포함하는, 마스터 로봇 시스템.
  38. 삭제
  39. 제32항에 있어서, 상기 제1 제동 구성요소는 한 쌍의 상부 압축 디스크 및 한 쌍의 하부 압축 디스크를 포함하고, 상기 제2 제동 구성요소는 상기 한 쌍의 상부 압축 디스크 사이에 위치된 상부 압축 디스크, 및 상기 한 쌍의 하부 압축 디스크 사이에 위치된 하부 압축 디스크를 포함하고, 상기 제1 제동 구성요소의 디스크는 상기 제2 제동 구성요소의 디스크에 대해 회전하도록 구성되고, 상기 액추에이터는 상기 제1 제동 구성요소의 상부 및 하부 압축 디스크의 쌍 사이에 배치되고, 제동력을 발생하기 위해 상기 제2 제동 구성요소의 각각의 상부 및 하부 압축 디스크를 압축하게 이들에 작용하도록 구성되는, 마스터 로봇 시스템.
  40. 제39항에 있어서, 상기 액추에이터는 제1 바이어싱 구성요소 및 대향하는 제2 바이어싱 구성요소를 포함하고, 상기 제1 바이어싱 구성요소는 상기 한 쌍의 상부 압축 디스크의 내부 디스크를 선택적으로 바이어싱하고 상기 제2 바이어싱 구성요소는 상기 한 쌍의 하부 압축 디스크의 대향하는 내부 디스크를 선택적으로 바이어싱하는, 마스터 로봇 시스템.
  41. 삭제
  42. 제32항에 있어서, 상기 액추에이터는 액추에이터 샤프트에 고정적으로 부착된 캠 부재를 포함하고, 상기 캠 부재는 상기 캠 부재 내의 회전 모션을 상기 제1 제동 구성요소 및 상기 제2 제동 구성요소 내의 병진 모션으로 변환하여, 이에 의해 상기 제1 제동 구성요소 및 상기 제2 제동 구성요소를 함께 압축하도록 구성된 편심 구성을 갖는 캠을 포함하는, 마스터 로봇 시스템.
  43. 제32항에 있어서, 상기 마스터 로봇 시스템은 휴머노이드 로봇 조립체, 외골격 로봇 조립체, 및 인간-조작식 로봇 조립체 중 하나를 포함하는, 마스터 로봇 시스템.
  44. 제32항에 있어서, 상기 마스터 로봇 시스템은 상기 마스터 브레이크 관절의 각각을 제어하도록 구성된 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 각각의 마스터 브레이크 관절과 연계된 제동력을 동적으로 제어하도록 구성된 컴퓨터를 포함하는, 마스터 로봇 시스템.
  45. 제32항에 있어서, 상기 마스터 로봇 시스템은 손; 팔; 팔 및 손; 팔 및 몸통; 팔 및 손 및 몸통; 다리; 다리들; 다리들 및 몸통; 다리들 및 팔들 및 몸통; 다리들 및 팔들; 또는 몸통 및 손들; 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나와 연계되는, 마스터 로봇 시스템.
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