KR102521832B1 - 미용 로봇을 위한 분리 가능한 엔드 이펙터 - Google Patents

Abstract

원래 미용 분야를 위해 설계되지 않은 로봇을 개장하는 것을 비롯하여, 미용 분야를 위해 사용하는 로봇(530)의 안전한 작동을 보장하기 위한 장치(506, 515, 516)가 개시된다. 로봇(530)은 피시술자(301)의 자연 속눈썹 상에 속눈썹 연장부(502)의 자동 배치를 위해 사용된다. 일부 실시예에서, 안전 장벽(515, 516, 521)은 물리적 장벽(515, 516) 또는 라이트 커튼(521)에 의해 제공된다. 본 발명에서 로봇(530)은, 안전 장벽을 통해 연장하도록 구성되고, 인간 피시술자와 접촉할 때 로봇으로부터 쉽게 해제되고 그에 의해서 부상을 방지하도록 구성되는 해제 기구를 포함하는 엔드 이펙터(1040)를 이용한다.

Description

미용 로봇을 위한 분리 가능한 엔드 이펙터

본 발명은 속눈썹 연장부를 자동으로 적용하는 프로세스에 관한 것이다.

속눈썹 연장부는 전 세계적으로 인기가 증가하고 있다. 속눈썹 연장부는 일반적으로 이들이 자연 속눈썹 섬유에 일대일로 부착된다는 점에서 소위 “인공 속눈썹” 또는 “인공 속눈썹 구조”와 구별된다. “인공 속눈썹”은 눈꺼풀에 부착되는 지지재(속눈썹 섬유의 기단부의 얇은 스트립)에 연결되어 있는 (일반적으로 한쪽 눈을 위한) 속눈썹 섬유의 완성된 세트이다. 따라서, 이런 프로세스는 더 간단하며 가정에서 사용하도록 제공된다. 그러나 속눈썹 연장부는 미용 기술자가 시아노아크릴레이트(cyanoacrylate) 접착제로 한번에 하나씩 각각의 자연 속눈썹 섬유에 공을 들여 접착하는 것이 일반적이다. 연장부는 미국 특허 제 8,127,774 호에 개시되는 바와 같이 분기부(branch)를 가질 수도 있고, 미국 특허 제 8,113,218 호에 개시되는 바와 같이 가까운 속눈썹과 상호 체결하게 하기 위한 몇몇 방안이 존재한다.

처음으로 속눈썹 연장부를 적용할 때, 그 과정은 최대 2시간 동안 지속되는 상당한 시간이 소요될 수 있다. 과정 중에, 각각의 속눈썹 연장부를 핀셋으로 적절한 배향으로 집어들고, 접착제에 담근 다음 접착이 이루어질 때까지 피시술자의 자연 속눈썹 섬유들 중 하나에 맞닿게 배치하여야 한다. 이런 다량의 노동으로 미용실 가격이 비싸지고, 일부 고객은 필요한 시간의 길이 및 비용으로 인해 단념하기 때문에, 몇몇 노동 절약 장치가 제안되어 왔다. 그러한 장치 중 하나는 손에 들고 쓰는 속눈썹 분배기이며, 미국 특허 출원 공개 제 2014/0261514 호에 개시되어 있다. 또한, 미국 특허 제 8,701,685 호에서 볼 수 있는 바와 같이, 공장에서 연장부가 그 위에 배치되어 나오는 트레이에 관한 노동 절약 제안도 있다. 이러한 트레이는 단지 프로세스의 접착 단계만 사람이 수행하기 어려운 것이 아니라는 사실을 해결하기 위한 것이다. 핀셋(a pair of tweezers)으로 속눈썹 연장부를 단순히 집어 드는 것만도 어렵다. 또한, 접착제의 취급 및 연장부를 접착제에 담그는 단계는 자연 속눈썹 섬유에 연장부를 부착하는데 사용되는, 사전에 설치된 열 수축 튜브 단편을 각각의 연장부에 제공함으로써 제거될 수 있다. 본 명세서에 설명되는 발명은 분기되어 있든, 서로 얽혀 있든, 또는 다른 방식 이든, 모든 속눈썹 연장부에 적용되고, 그리고 접착제, 열 수축 튜브, 또는 다른 방식 중 어느 것이든 자연 속눈썹에 대한 모든 부착 방법에 적용된다.

따라서, 수행 시간과 비용 모두를 절감할 수 있는, 속눈썹 연장부를 더욱 효과적으로 부착하기 위한 방식이 필요하다. 더욱이, 이러한 시스템은 명백하게 안전하여 연장부 피시술자가 그 과정을 신뢰할 수 있어야 한다. 사람과 접촉함에도 안전이 보장될 수 있는 로봇 시스템을 창조하는 것은 매우 어렵다. 본 명세서에서 개시된 로봇 시스템은 이러한 안전을 제공하지만, 통상적으로 “본질적으로 안전한” 또는 “협동적인” 로봇이라고 칭하는 것보다 훨씬 더 낮은 비용의 방식으로 이를 달성한다. 일반적으로 중복(redundant) 피드백의 사용을 통해(피드백 장치가 고장일 때 축 이탈을 제거하기 위해) 그리고 시스템에 사용되는 모든 소프트웨어에 대한 검증 및 유효성 테스트와 결합된 광범위한 코드 검토를 통해 이러한 시스템에서 안전이 보장된다. 이러한 시스템의 예는 캘리포니아주 서니베일 소재의 Intuitive Surgical® Corporation의 da Vinci® 로봇 및 캘리포니아주 산호세 소재의 Restoration Robotics™, Inc.의 ARTAS® 로봇이 있다.

예를 들어, ARTAS® 로봇은 고가이지만 인간-로봇 협동을 위한 안전한 등급의 산업용 로봇 암의 버전에 기초한다. 더욱이, 근처의 사람에게 위험한 상황을 야기할 수 있는 모든 소프트웨어가 꼼꼼하게 검토되고 테스트될 필요가 있다. 이는 불행하게도 비용을 재차 상승시키고 프로그래밍 기술진이 대부분의 상업용 및 오픈소스 소프트웨어 라이브러리 및 툴을 재사용할 수 없게 한다. 이러한 소프트웨어에 대한 안전성을 보장하기 어렵고, 의료 장치들에 대해서는, 미국 FDA와 같은 규제 단체에서 “출처 미확인 소프트웨어(Software of Unknown Provenance)”로 간주하고 있으며, 사람의 안전에 영향을 주는 어떠한 용도로도 사용하는 것이 거의 불가능하다.

본 명세서에서 설명되는 발명은 사람과 접촉하는 로봇을 안전하게 하는, 로봇을 제조하기 위한 신규한 전략을 사용하여 이 문제를 다룬다. 이는 속눈썹 연장부의 작업뿐만 아니라 로봇에 의해 수행될 수 있는 인간 피시술자에게 진행되는 다른 작업에서도 또한 적용 가능하다.

속눈썹 연장부의 부착은 사람에 의한 수동 적용을 필요로 하지 않고 연장부를 배치하는 로봇 기구에 의해 자동화될 수 있다. 그러나, 극히 비싸고 복잡한 페일 세이프(fail-safe) 로봇 기구 및 소프트웨어가 사용되지 않는 한, 로봇이 고장난 경우에 연장 프로세스의 안전을 보장하도록 안전 시스템이 제공되어야 한다. 본 발명의 요지는 본질적으로 안전한 엔드 이펙터, 이들이 장착되는 해제 기구 및 로봇 기구에 부착되는 안전 장벽을 조합하여 사용하는 것이다. 엔드 이펙터가 사람에게 접촉할 때 사람에게 상해를 입힐 위험 없이 속눈썹 연장부를 파지하고 사람 얼굴 부근에서 작동할 수 있는, 엔드 이펙터를 장착하는 특정한 방법이 또한 개시된다. 본 발명은 또한 (매니큐어 브러시, nail polish bush를 포함한) 미용의 다른 영역에서도 적용되고, 특히, 문신에 있어서의 본질적으로 안전한 작동에 관한 실시예가 제시된다.

다수의 도면에서 공통되는 부분을 유사한 도면 부호로 참조하고 있는 도면과 함께 이루어지는, 바람직한 실시예에 대한 이하의 상세한 설명으로부터 본 발명의 추가적인 목적, 특징 및 장점을 더욱 쉽게 명백히 알 수 있을 것이다.

도 1은 수동 속눈썹 연장을 도시한다.
도 2는 자동 속눈썹 연장을 수행하는 6축 로봇을 도시한다.
도 3은 로봇에 사용되는 엔드 이펙터를 도시한다.
도 4는 로봇이 고장났지만 피시술자는 엔드 이펙터의 사용에 의해 안전하게 남아있는 이탈 상태를 도시한다.
도 5a는 분리가 간단한 엔드 이펙터를 도시한다.
도 5b는 분리된 상태의 도 5a의 엔드 이펙터를 도시한다.
도 5c는 분리가 간단한 엔드 이펙터의 대안적인 기하학적 형상을 도시한다.
도 5f는 분리된 상태의 도 5c의 엔드 이펙터를 도시한다.
도 6a는 멈춤쇠 및 다른 세부 사항을 갖는 엔드 이펙터의 다른 변형예를 도시한다.
도 6b는 방향성 멈춤쇠 및 다른 세부 사항을 갖는 엔드 이펙터의 다른 변형예를 도시한다.
도 6c는 도 6b의 엔드 이펙터의 대안적인 버전을 도시한다.
도 7은 컴퓨터 비전 시스템과 함께 사용되는 엔드 이펙터를 도시한다.
도 8은 사람의 자연 속눈썹을 격리하는데 사용하기 위한 버전의 엔드 이펙터의 신규한 팁을 도시한다.
도 9a는 상이한 구성을 갖는 엔드 이펙터 분리 조인트의 다른 실시예를 도시한다.
도 9b는 도 9a의 조립된 버전의 엔드 이펙터의 측면도를 도시한다.
도 10a는 분리 조인트를 구비하는 속눈썹 연장부 핸들링 엔드 이펙터를 도시한다.
도 10b는 도 10a의 분리된 상태의 속눈썹 연장부 핸들링 엔드 이펙터를 도시한다.
도 11a는 도 10a 및 도 10b에 도시된 보덴(Bowden) 케이블의 대체 경로설정을 도시한다.
도 11b는 명확성을 위해 개별적으로 도시된 도 11a의 기본적 분리 엔드 이펙터 구조를 도시한다.
도 11c는 명확성을 위해 개별적으로 도시된 도 11a의 보덴 케이블(1144)을 도시한다.

본 발명의 실시예가 다수 있다. 설명은 비교를 위한 배경 및 속눈썹 연장에 대한 다소 간단한 실시예로 시작할 것이다. 다음으로, 속눈썹 연장 엔드 이펙터에 대한 다양한 개량이 설명될 것이다. 이어서, 다른 미용에서 적용하기 위한 동일한 기본 안전 시스템을 사용하는 다수의 실시예가 제시될 것이다. 마지막으로, 속눈썹 연장부와 함께 사용되는 예시적인 실시예가 제시된다.

이하의 설명은 많은 특정 구성, 파라미터 등을 설명한다. 그러나, 이러한 설명은 본 발명의 범주에 대한 한정으로서 의도된 것이 아니라 예시적 실시예의 설명으로서 제공된 것이라는 것을 인지해야 한다.

이하의 설명에서, “속눈썹”이라는 용어가 사용될 때, 사람의 하나 이상의 자연 속눈썹 섬유를 칭하는 것을 의도한다. “속눈썹 연장부” 또는 “연장부”라는 용어가 사용될 때, 인공 속눈썹 연장부를 칭하는 것을 의도한다.

배경 및 가장 간단한 실시예

본 발명의 속눈썹 연장 방법을 나타내고 있는 다소 간단한 도면인 도 1을 먼저 고려한다. 이 프로세스에서, 미용사(도시되지 않음)는 속눈썹 연장부(502)를 다루기 위해 핀셋(500)을 사용한다. 속눈썹 연장부(502)에 접착제를 도포한 후에, 미용사는 속눈썹 연장부(502)를 피시술자(301)의 속눈썹(505)의 자연 속눈썹에 정렬하고 접착제가 경화될 때까지 기다린다. 이 작업에서 안전은, 특정 용도로 제조된 마네킹에 연장부를 적용하는 수시간의 학습을 거친 미용사의 훈련에 의해 보장된다. 그러나, 피시술자(301)의 눈에 밀접하여 핀셋(500)을 조작하는 것과 관련된 위험은 명백하며, 심지어 속눈썹 연장에 사용되는 매우 날카로운 핀셋이 눈에 살짝 스치기만 해도 심각한 상해를 유발할 수 있다.

로보틱스 및 컴퓨터 비전의 발전은 이제 속눈썹 연장의 자동화를 고려하는 것을 가능하게 한다. 특별히 본 발명의 목적이 아니지만, 이런 시스템의 주요 특징부들에 대한 간략한 설명이 도움이 될 것이고, 시스템이 도 2에 도시되어 있으며, 본 명세서에 참고로 포함된 공보 WO 2018/093971에 보다 상세히 기술되어 있다. 여기서, 로봇(530)은 사람의 팔을 대략적으로 닮은 6개의 엑추에이터로 구성된다. 이러한 구성은 로보틱스 분야에서 통상적이며 종종 6축 로봇 암이라고 칭한다. 로봇(530)은 핀셋(500)을 로봇(530)에 장착하고 작동시키는 핀셋 장착부(531)에서 끝난다. 이 설계에서, 핀셋(500)은 미용사에 의해 사용되는 것과 바로 동일한 것이다. 핀셋(500)은 속눈썹 연장부(502)를 파지하고, 로봇(530)은 속눈썹(505)의 단일 속눈썹에 나란히 속눈썹 연장부(502)를 정렬한다. 컴퓨터 비전 시스템(504)은 속눈썹(505)의 정확한 위치를 제공한다.

이 설계에서 안전을 제공하는 것은 로봇(530)이 핀셋(500)을 우발적으로 피시술자(301)의 머리 쪽으로 밀어 넣지 않는 것, 특히 눈으로 밀어 넣지 않는 것을 보장하는 것을 포함한다. 이러한 로봇이 존재한다. 예를 들어, 수술용 로봇은 최근에 점점 일반화되고 있고, 환자 내부에서 날카로운 수술 도구와 함께 사용된다. 그러나 이러한 설계에는 많은 어려움이 존재한다. 첫째로, 하드웨어 시스템에 대규모 리던던시(redundancy)가 구축되어야 하고, 통상적으로 감지 및 컴퓨팅의 리던던시가 최소한 제공된다. 이는 로봇의 비용 및 복잡성을 추가한다. 둘째로, 소프트웨어에 더 큰 주의가 기울어져야 하고, 안전 필수 소프트웨어를 생산하기 위한 프로세스가 잘 알려져 있지만 이는 막대한 시간을 소요하고, 개발 비용을 상당히 증가시킨다. 셋째로, 다수의 이러한 시스템은 사람에 의해 직접 조작되고 자율적으로 작동하지 않아, 작동하는 사람이 로봇의 거동을 점검할 수 있기 때문에 안전 층을 추가한다. 마지막으로, 이러한 프로세스에는 일반적으로 기계 학습 및 인공지능과 같은 더욱 정교한 컴퓨팅 기술, 정확히는 컴퓨터 비전과 함께 종종 사용되는 정교한 기술 유형들을 사용할 수 없다. 이는 이러한 기술이 모든 상황 하에서 정확하게 작동하고 정확하게 지속적으로 작동한다는 것을 입증하기 어려울 수 있기 때문이다.

이러한 이유로, 안전을 희생하지 않고 간단한 미용 타입의 작업을 수행하기 위한 더 저렴하고 더 통상적인 로봇을 사용하는 방식이 존재한다면 바람직할 것이다. 즉, 이러한 부가적인 어려움을 발생시키지 않는 본질적으로 안전한 로봇이 설계될 수 있는가? 결국, 속눈썹 연장과 같은 작업을 수행할 수 있는 산업용으로 적용하기 위해 설계된 매우 많은 비교적 저가의 소형 로봇이 존재하지만, 이들 적용의 한계는 사람 주위에서 사용하기 위한 충분한 안전에 대한 요구에 있다. 본 명세서에서 개시되는 발명은 미용 분야에서 필요로 하는 소형 및 경량의 하중에 대해 이 문제를 해결하는 장치이다. 물론, 필요한 수준의 안전을 피시술자에게 제공하기 위해 본 명세서에서 개시된 실시예를 단독으로 또는 함께 사용할 수 있는 안전을 위한 접근법이 많이 존재한다는 점에 유의해야 한다.

본 발명의 실시예가 도 3에 도시되어 있다. 여기서, 로봇(530)은 엔드 이펙터(1140)에 장착된다. 엔드 이펙터(1140)는 간극(517)에서 물리적 장벽(515)을 통해 돌출하지만, 로봇 플랜지(532)는 간극(517)을 통해 장착될 수 없다. 제2 장벽(516)은 피시술자(301)의 얼굴이 얼마나 가깝게 장벽(515) 및 간극(517)에 접근할 수 있는지를 제어한다. 물리적 장벽(515)은 안전 장벽의 첫번째 예이며, 로봇(530)의 최대 충격에 견딜 만큼 충분히 강한 임의의 재료로부터 만들어질 수 있으며, 금속 및 폴리카보네이트와 같은 고충격 플라스틱이 매우 적합하다. 안전 장벽은, 미리 규정된 수의 빛 경로가 동시에 차단될 때 로봇의 기능을 불능화하여 로봇이 인간 피시술자에게 상해를 입히는 것을 방지하도록 구성되는 회로를 포함하는 적어도 하나의 라이트 커튼을 포함할 수 있다. 엔드 이펙터(1140)는 해제 커넥터 또는 기구와 함께 구성된다. 해제 기구는 상당한 하중이 엔드 이펙터(1140) 상에 가해지면 [피시술자(301)와의 의도치 않은 충돌의 경우와 같이], 엔드 이펙터(1140)의 팁과 로봇(530) 사이의 구조적 연결이 해제되도록 구성된다. 이는 피시술자(301)를 이들과 엔드 이펙터(1140) 사이의 임의의 상당한 힘으로부터 보호한다. 이런 구성요소의 일부는 특정 실시예에서 생략될 수 있으나, 일반적으로 적절한 엔드 이펙터 및 장벽을 개장하여 로봇이 본질적으로 안전해지도록 하는 것이 가능하다.

도 4는 로봇(530)이 우발적으로 엔드 이펙터(1140)로 접촉점(520)에서 피시술자(301)에게 접촉한 상황의 결과를 도시한다. 로봇 설계에 있어서 좋은 실시는 이러한 발생을 제한해야 하지만, 예를 들어, 로봇 수술 장치에서 취해지는 극도의 예방책이 부재할 경우에 피시술자(301)의 어떠한 지점에서 엔드 이펙터(506)가 접촉할 수도 있다는 것이 관련 기술분야에서 잘 이해된다. 그러나, 엔드 이펙터(1140)는 해제 기구를 포함하고 있기 때문에, 엔드 이펙터(1140)의 팁은 간단하게 분리된다. 더욱이, 로봇(530)은 그 이상의 움직임을 방지하는 물리적 장벽(515)과 접촉하고 있고, 엔드 이펙터(1140)의 상류부(로봇에 여전히 연결되어 있는 부분)는 제2 장벽(516)에 의해 가려진 피시술자(301)의 얼굴에 도달할 수 없다. 따라서, 도 4의 실시예는 안전이 기계적 수단에 의해 제공되는 인간 피시술자에 인접하여 사용하기 위한 본질적으로 안전한 로봇 시스템을 도시한다.

일부 실시예에서, 분리 연결부가 엔드 이펙터의 부분으로서 제공된다. 이는 여러가지 이유에서 유리할 수 있으며, 엔드 이펙터와의 충돌시에 생성되는 최대 힘이 정확하게 제어될 수도 있고, 분리시에 발생되는 힘이 고도로 방향성을 가질 수도 있고, 엔드 이펙터가 저하중 상태에서 변형될 필요가 없고, 엔드 이펙터가 분리됨에 따라 날카로운 단부가 생성되지 않고, 그리고 부수적인 이점으로서, 엔드 이펙터의 말단부가 (예컨대, 위생상의 이유로) 교체될 수도 있게 된다.

가장 먼저 도 5a에 정합되어 도시된 분리 또는 해제 기구를 포함하는 엔드 이펙터의 다소 간단한 실시예를 고려한다. 여기서 도시된 엔드 이펙터는 속눈썹을 격리하는데 사용되는 한 쌍 중 절반만 나타나 있지만, 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 엔드 이펙터는 기단부(1002) 및 말단부(1004)와 기단부(1002)에 부착된 기단 자석(1006), 그리고 말단부(1004)에 부착된 말단 자석(1008)으로 구성된다. 기단 자석(1006) 및 말단 자석(1008)은 서로를 끌어당기도록 배치된다. 예를 들어, 기단 자석(1006)의 그 하단부에 N극 및 말단 자석(1008)의 그 상단부에 S극을 가짐으로써 성취될 수 있지만, 다수의 극을 갖는 자석을 포함하여 두 개의 자석이 서로를 마찬가지로 끌어당기는 유사한 많은 배열이 있다. 여기서 자석은 접착제(도시되지 않음)로 부착되지만, 마찬가지로 기계적 체결구, 압입, 또는 다른 표면에 자석을 단단히 부착하기 위해 관련 기술분야에서 공지된 임의의 다수의 방법으로 부착될 수 있다.

상호작용 하중(1010)이 낮은 상태에서, 말단 자석(1008) 및 기단 자석(1006)은 접촉을 유지하며 움직이지 않는다. 도 5b에서와 같이 높은 상호작용 하중(1012)은 말단 자석(1008)이 기단 자석(1006)으로부터 박리되게 하여, 말단부(1004)가 더 이상 기단부(1002)에 연결되어 있지 않게 한다. 기단부(1002)가 로봇 시스템에 부착되어 있고 말단부(1004)가 엔드 이펙터이거나 엔드 이펙터에 연결되어 있는 실시예에서, 이 작용은 안전을 보장하기 위한 하나의 요소로서 사용될 수도 있고, 또한 위생을 유지하기 위해 말단부(1004)를 교체하기 위한 방식으로서 사용될 수도 있다. 높은 상호작용 하중(1012)이 작동시 발생되어야 하는 임의의 작동 하중보다 크고, 높은 상호작용 하중(1012)이 엔드 이펙터의 목표물을 손상시키거나 상해를 입힐 수도 있는 임의의 하중보다 작은 것을 보장함으로써, 엔드 이펙터에 의해 조작되는 목표물의 안전 및 완전성은 (적절하게 설계된 안전 장벽을 통해) 기단부(1002)가 피시술자(301)에 닿을 수 없다는 것이 보장된다면 보장될 수도 있다.

엔드 이펙터가 분리되는 (또는 해제되는) 임계 하중은 사용하는 자석의 강도에 의존할 뿐만 아니라(이 설계 공간에만도 많은 옵션이 있다), 하중의 상호작용점과 결합된 자석 사이의 기하학적 관계에 의존하고, 또한 자석의 기하학적 구조에도 의존할 것이며, 또한 기단부(1002)와 말단부(1004) 사이에서 접촉하는 임의의 다른 표면과 자석 사이의 마찰 계수에도 의존할 것이라는 것이 이 설계의 특성이다. 이는 엔드 이펙터가 분리되는 임계 하중의 크기뿐만 아니라, 하중의 적용 각도의 함수로서 그 크기를 선택할 수 있는 큰 자유도를 설계자에게 제공한다. 즉, 엔드 이펙터는 몇몇 하중의 방향에서 다른 방향보다 우선적으로 분리될 수 있도록 설계 될 수도 있다. 정확한 분석 솔루션은, 가능하긴 하지만, 마찰 계수의 가변성이 분리(예컨대, 자석의 미끄러짐 대 박리 분리) 중에 먼저 발생하는 움직임의 방식을 변화시킬 수도 있기 때문에 다소 제한적으로 사용된다. 본 발명자는 원하는 분리 특성을 달성하기 위해 경험적 특성화 및 설계 반복을 수행하는 것이 가장 유용하다는 것을 발견하였다.

“희토류” 자석(예컨대, 네오디뮴 자석)과 같은 높은 힘 밀도를 갖는 자석이 선호되지만, 제외 없이 페라이트(ferrite) 및 알니코(Alnico)와 같은 다양한 유형의 다른 자석 또한 적합하다. 일부 실시예에서 접착제, 양면 테이프 및 탄성 밴드와 같은 기단부와 말단부를 연결하는 다른 수단이 사용될 수도 있다.

도 5c 및 도 5d는 자석이 수평으로 보다는 수직으로 결합될 수 있도록 자석의 축이 회전된 변형예를 도시한다. 이렇게 하여 분리되는 배향을 변화시켜, 그에 따라 (분리 지점에서 자석의 배향이 결과적인 힘에 대해 변화되었기 때문에) 기단 자석(1026)과 말단 자석(1028) 사이의 분리 유형을 각각 변화시킬 수도 있다. 이러한 실시예에서, 말단부(1024)는 다소 상이한 기하학적 형태를 가지며, 쇄선(1032)을 따른 순 압축력이 기단 자석(1026) 및 말단 자석(1028) 사이에서 각각 순 장력을 생성할 것이다. 따라서, 분리를 유도하는 압축력(1030)의 수준은 단순히 기단 자석(1026)과 말단 자석(1028)이 분리되게 하는 힘의 수준이기 때문에 분리 기구를 설계하는 것이 매우 간단하다. 이러한 설계의 단순성은 이 실시예의 장점이다.

기단 세그먼트 및 말단 세그먼트 모두가 자석을 가질 필요는 없다. 예를 들어, 도 6a에서 기단 세그먼트(1040)는 자석(1042)을 포함하는 반면, 말단 세그먼트(1049)는 자석에 이끌리는 임의의 재료(예컨대, 철, 니켈 및 일부 강철)로 만들어질 수도 있는 자기 플레이트(1043)를 포함한다. 물론, 인력은 두 개의 자석 사이에서보다 자석과 자성 재료 사이에서 상이할 것이지만, 이는 단순하게 설계자에게 설계에 있어서의 추가적인 유연함을 제공한다. 물론, 자석과 자성 재료는 기단 링크 또는 말단 링크 중 어느 하나에 배치될 수도 있고, 여기서 자성 재료를 말단 링크에 배치하는 선택은 일회용일 수도 있는 말단 링크의 제조 비용을 감소시키려는 요구에 의해 발생되며, 일반적으로 자성 재료(특히 강철)는 자석보다 저렴하다.

더욱이, 자석(1042) 및 자기 플레이트(1043) 모두는 기단 세그먼트(1040) 및 말단 세그먼트(1049) 내로 만입 배치되어 그 표면들이 일치한다. 또한, 자석과 자성 재료 사이에 공극을 생성하기 위해 자석 또는 자성 재료를 각각의 세그먼트 표면 아래에 만입 배치하는 것도 가능하며, 이는 인력을 크게 감소시켜 설계자에게 추가적인 통제권을 제공한다. 물론, 비자성 재료(예컨대, 대부분의 플라스틱 및 금속)로 공극을 충전하여 자석 또는 자성 재료가 기단 세그먼트 또는 말단 세그먼트 내에 완전히 둘러싸이게 할 수 있다. 이는 세그먼트를 세정가능하게 또는 제조가 더 용이하게 하는데 도움이 될 수도 있다. 예를 들어, 말단부(1049)는 스테인리스강 플레이트 인서트(1043) 위에 형성된 사출 성형된 플라스틱 구성요소일 수 있고, 플라스틱 재료는 인서트(1043)의 대부분을 둘러쌀 수 있다. 이러한 경우에 자성을 띄는 스테인리스강을 사용하도록 주의하여야 한다.

도 6a는 또한 자석(1042)과 자기 플레이트(1043)가 결합될 때 정합하는 멈춤쇠 수용부(1045) 및 멈춤쇠 돌출부(1047)를 도시한다. 멈춤쇠 수용부(1045) 및 멈춤쇠 돌출부(1047)는 멈춤쇠(1048)를 구성한다. 멈춤쇠(1048)는 말단 세그먼트(1049)를 기단 세그먼트(1040)에 대해 위치시키는 것을 돕고, 말단 세그먼트(1049)의 팁과 기단 링크(1040)를 구동하는 임의의 로봇 시스템 사이의 반복 가능한 기하학적 형상을 보장한다. 도시된 바와 같이, 멈춤쇠(1048)는 지면 내로 연장하고 양방향 화살표(1044)에 따른 움직임을 억제하지만, 역으로 상이한 멈춤쇠가 양방향 화살표(1044) 방향으로 배치되고 지면 내로의 움직임을 억제할 수 있다. 일부 실시예에서, 두 개 이상의 멈춤쇠를 이용하여, 양 축을 따르는 운동을 억제하는 것이 바람직할 수도 있다. 일부 실시예에서, 이는 세그먼트의 폭 또는 길이 방향으로 이어지는 멈춤쇠 보다는 두 개의 포인트 멈춤쇠에 의해 달성될 수 있고, 멈춤쇠는 배향을 매우 정확하게 제어하는 더욱 복잡한 키잉(keying) 특징부일 수도 있다. 그러나, 멈춤쇠는 또한 분리가 발생하게 하는 데 필요한 힘을 증가시킬 수 있고, 설계자는 이러한 요건을 균형 있게 하는 데 신중해야 함에 유의하는 것이 중요하다.

도 6b는 방향성 멈춤쇠 수용부(1052) 및 방향성 멈춤쇠 돌출부(1053)로 구성되는 방향성 멈춤쇠(1051)를 더 포함하는 실시예를 도시한다. 방향성 멈춤쇠 돌출부(1053)는 좌측이 아닌 우측으로 당겨질 때에 “포획”되기 때문에, 우측으로 분리하는 힘(1056)은 좌측으로 분리하는 힘(1055)보다 더 클 수도 있다. 이는 엔드 이펙터가 미는 힘보다 더 큰 힘으로 당길 수 있을 필요가 있는 경우에 도움이 된다. 로봇 속눈썹 연장부의 특정 기술에서, 이는 분리가 발생하는 압축력을 증가시키지 않고 공급부(이들은 종종 기재에 테이핑됨)로부터 속눈썹 연장부를 잡아당기기 위해 도움이 된다.

도 6c는 이전 실시예의 분리 기구가 각도(1059)만큼 회전되어, 방향성 멈춤쇠(1051)와 엔드 이펙터에 가해지는 임의의 힘 사이의 관계를 변화시킨 다른 실시예를 도시한다.

본 발명은 컴퓨터 비전 (때때로 기계 비전이라고 칭함) 시스템이 사용되는 실시예에서 특히 유용하다. 카메라(1153, 1154)가, 입체 컴퓨터 비전 시스템(1161)을 함께 포함하는 컴퓨터(1160)와 통신하는 도 7을 고려한다. 말단 세그먼트(1049)는 기점 마커(1152)가 장착되는 기점 마커 탱(1150)을 포함한다. 로봇 시스템(1058)은 도시되지 않은 다양한 엑추에이터 및 구조적 요소를 통해서 기단 세그먼트(1040) 및 카메라(1153, 1154) 모두에 결합된다. 엔드 이펙터의 설계에서 멈춤쇠를 사용함에도 불구하고, 말단 세그먼트(1049)의 배향은 다소 불확실성을 가질 것이다. 기점 마커(1152)가 카메라(1153, 1154)에 보일 때, 컴퓨터 비전 시스템(1161)은 말단 세그먼트(1049)의 배향의 오차를 교정할 수 있을 것이고, 그에 따라 더 큰 정확도로 말단 세그먼트 팁(1163)의 위치를 추정할 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 말단 세그먼트 팁(1163)이 고도로 뚜렷하고 인식이 용이할 경우에, 컴퓨터 비전 시스템(1161)은 팁(1163)의 위치를 직접 측정할 수도 있어서, 기점 마커(1150) 및 관련된 기점 마커 탱(1150)에 대한 필요를 없앨 수 있다. 일부 실시예에서, 다수의 기점이 개선된 위치 및 배향에 대한 분해능을 제공하는데 사용될 수도 있다. 일부 실시예에서, 말단 세그먼트(1049)의 구성요소들은 직접 기점 마커로써 사용될 수도 있다. 일부 실시예에서, 특히 팁(1163)의 위치를 직접 측정하는 것이 가능한 경우에, 레이저 범위 파인더, LiDAR 스캐너 및 다양한 구조화된 광 센서와 같은 다른 유형의 컴퓨터 비전 시스템을 사용할 수 있다.

말단 세그먼트(1049)와 기단 세그먼트(1040)를 정확하게 정렬하기 위한 충분한 키잉 특징부를 제공하는 것이 실용적이지 않을 수 있기 때문에 도 7에 도시된 실시예는 중요하며, 그 이유는 전술했듯이 그러한 특징부를 제공하는 것은 분리 힘을 용납할 수 없을 만큼 증가시킬 수 있기 때문이다. 말단 세그먼트(1049) 및 기단 세그먼트(1040) 사이의 분리 인터페이스는 함께 가압되는 두 개의 표면을 포함하기 때문에, 정지 마찰(때로는 “스틱션(stiction)”으로 지칭됨)을 나타내는 경향이 있다. 이는 말단 세그먼트(1049) 및 기단 세그먼트(1040)가 분리될 때 세그먼트를 분리하기 위해 필요한 힘에 가까운 슬립 힘 미만에서는 서로에 대해 이동하지 않을 것임을 의미한다. 그러므로, 이러한 슬립 힘 미만에서, 말단 세그먼트(1049) 및 기단 세그먼트(1040)는 단일 유닛처럼 작동하며, 이 슬립 힘을 초과하지 않는 한 그들 사이의 기하학적 관계는 보존된다. 결과적으로, 컴퓨터 비전 시스템은 공간 내에서 그 위치를 정확하게 이해하기 위해, 연속적일 필요 없이 오직 한 번만 말단 세그먼트 팁(1163)의 배향을 측정하면 된다. 이는 말단 세그먼트 팁(1163)이 기점(1152) 없이 컴퓨터 비전 시스템(1160)에 의한 그의 배향을 측정하기 위해 블랭크 배경의 전방에 선택적으로 위치될 수도 있는 로봇 시스템과 함께 작업할 때 특히 유용하다. 일단 측정이 이루어져 말단 세그먼트 팁(1163) 및 로봇 시스템 사이의 관계가 인지되면, 엔드 이펙터는 재배향될 수 있고, 추가적인 측정을 필요로 하지 않고 말단 세그먼트 팁(1163)의 위치를 인지할 수도 있다. 일부 실시예에서, 로봇 시스템은 알려진 기하학적 파라미터 및 다양한 센서에 기초한 모델 자체의 형태로 말단 세그먼트 팁(1163)의 위치에 대한 몇몇 지식을 가질 수도 있으며, 이 경우에서 측정은 모델을 단지 개선하기 위해 사용될 수도 있다.

도 8은 개별 속눈썹을 분리하고 격리하는 응용에 특히 유용한 말단 세그먼트(1049)의 실시예를 도시한다. 상세도(1064)는 고무 또는 다른 유연성 재료로 만들어지는 격리 팁(1062)의 측면도를 도시한다. 말단 세그먼트(1049)가 사람에 접촉하더라도, 격리 팁(1062)은 변형될 것이고 이어서 기단 세그먼트(1040)의 분리 지점 연결부가 분리될 것이다. 정면도(1065)는 단일 속눈썹을 격리하는데 사용되는 좌측 및 우측 격리 팁(각각 1062L 및 1062R) 모두를 도시한다. 더욱 효과적으로 격리하기 위해, 격리 팁들은 그들의 바로 끝에서 만나야 하며 따라서 각도(1069)는 0 이상이어야 한다. 격리 팁들이 편평한 측면을 가지지 않는 실시예에서, 팁의 쌍이 닫힐 때 팁들의 가장 먼 지점이 팁의 부분 중 가장 먼저 접촉하는 것을 필요로 하는 것으로 충분하다.

도 9a는 특정한 분리 지점 연결부의 실시예의 사시도를 도시하고, 도 9b는 이의 측면도를 도시한다. 여기서, 로봇으로의 기단 연결부 및 엔드 이펙터의 나머지부분으로의 말단 연결부는 잘려져 있다. 기단 세그먼트(1101) 및 말단 세그먼트(1102)는 멈춤쇠(1105)의 구분(gender)을 제외하고는 동일하고, 그러므로 각각의 쌍이 적절하게 정합하는 멈춤쇠를 갖는 한, 기단 및 말단으로서 명칭에 대해서는 특별한 것이 없다. 네 개의 자석(1108a 내지 1108d)이 두 쌍을 이루어 분리 지점 연결부를 함께 유지하고 화살표(1110)에 도시된 바와 같이 정합한다. 또한, 이 실시예에서는 양방향 화살표(1106)의 방향을 따르는 압축 하중 하에서 분리를 용이하게 하는 램프(1103)가 포함되어 있다. 램프(1103)가 대신에 도 9b에서 보여지는 수직 단부(1109)와 같이 수직 특징부라면, 기단 세그먼트(1101)의 맞닿음 단부(1110)는 수직 단부(1109)와 부딪힐 것이고, 양방향 화살표(1106)의 방향으로 매우 높은 압축 하중을 견딜 수 있을 것이다. 이는 유효 분리 하중을 크게 증가시킬 것이기 때문에 많은 상황에서 바람직하지 않다.

분리 지점 연결부는 지금까지 설명한 간단한 속눈썹 격리 엔드 이펙터보다 더 복잡한 엔드 이펙터에 유용하다. 일부 실시예에서, 이들은 그리퍼와 함께 사용될 수도 있고, 여기서 그리퍼의 작동은 분리 지점 연결부가 작동 트랜스미션에 의해 함께 유지되지 않도록 가요성 연결부 또는 트랜스미션을 통해 제공된다. 그러한 가요성 연결부는 유압식 또는 수압식 등의 유체 동력 연결부를 통해, 또는 보덴(Bowden) 케이블이나 가요성 샤프트 등의 기계적인 트랜스미션을 통해 그리퍼로 동력을 전달함으로써 제공될 수 있다. 물론, 분리 지점을 지나는 동력을 제공하는 전기적 트랜스미션도 가능하지만, 말단 세그먼트에 전기 모터를 갖는 것은 이 부분의 질량을 증가시켜, 시간을 고려하는 로봇 응용 분야에서 흔히 볼 수 있는, 높은 가속도에 의해 우발적으로 분리 지점이 분리될 수도 있다.

도 10a는 보덴 케이블(1134) 및 코드 그리퍼(1141)(국제 특허 출원 제 PCT/US2017/061899 호에개시된 것과 같은)를 사용하여 속눈썹 연장부를 조작하기 위해 설계된 엔드 이펙터(1140)를 도시한다. 보덴 케이블(1134)은 외피(1132) 및 케이블(1133)로 구성된다. 이러한 실시예에서, 케이블(1133)은 보이지 않지만 케이블(1133)의 출구점(1129) 부근에 위치한 연결을 통해 말단 세그먼트(1121)의 팁 부근에서 코드 그리퍼(1141)의 루프에 연결된다. 외피(1132)는 가요성이고 페룰(ferrule)(1126a)에 의해 기단 세그먼트(1120)에 연결되고, 페룰(1126b)에 의해 말단 세그먼트(1121)에 연결된다. 단지 도시되지 않은 로봇 시스템으로 연장하는 케이블(1133)의 연장부인 케이블(1130)은 전기 모터와 같은 엑추에이터에 의해 당겨질 수도 있다. 멈춤쇠, 기단 자석(1122) 및 말단 자기 플레이트(1124)는 도 6b의 실시예와 동일하다. 케이블(1130)이 로봇 시스템에 의해 당겨질 때, 코드 그리퍼(1141)는 연장부(1000) 주위로 닫히고, 케이블(1130)이 로봇 시스템에 의해 (완만하게) 밀쳐질 때, 코드 그리퍼(1141)는 연장부(1000)를 해제한다. 압축 하중이 외피(1132)에 의해 전달되고 케이블(1133)에 의해 균형화되기 때문에, 보덴 케이블(1134)을 통해 전달되는 작동 힘에 의해서는 분리 지점에서 아무런 하중이 생성되지 않는다. 도 10b는 단지 분리 지점이 분리된 엔드 이펙터(1140)를 도시한다.

도 11은 도 10과 동일한 엔드 이펙터를 도시하며, 다만 보덴 케이블(1144)이 “S” 자형 만곡부보다는 완전한 루프를 형성한다. 도 7a는 완전한 조립체를 도시하고, 명확성을 위해 도 11b 및 도 11c에서 각각 기본이 되는 분리 엔드 이펙터 구조물 및 보덴 케이블(1144)을 개별적으로 도시한다. 보덴 케이블의 만곡부는 분리가 일어날 수도 있도록 느슨함을 제공하기 위해 필요하다. 일부 실시예에서, 특히 엔드 이펙터 상의 높은 인장 하중이 요구되는 경우에서와 같이 만약 요구되는 분리를 저해하지 않는다면, 보덴 케이블을 직선형으로 제공하는 것이 가능할 수도 있다. 비록 이런 예들에서 보덴 케이블로부터 작동 하중이 분리 시점에서 하중을 발생시키지 않지만, 외피 내의 만곡부는 외피를 직선형태로부터 굴곡시킬 때 생성되는 임의의 잔류 응력으로 인해 하중을 발생시킨다. 도 11에서 도시된 바와 같이, 도 10의 “S” 자형 만곡부 대신 완전한 루프를 제공하는 것은 분리 지점 연결부에서 장력이 아닌 벤딩 모멘트를 생성한다. 어느 설계도 유효할 수도 있으며, 이는 단지 분리의 행동 양상을 허용불가능하게 변경하지 않고, 설계의 공간적 및 기하학적 요건을 만족시키는 설계를 선택하는 문제이다. 또한 이전에 언급된 임의의 다른 동력 트랜스미션 시스템(특히 유체 동력 및 가요성 샤프트)이 유사한 방식으로 하중을 발생시킬 것이라는 점에 유의하는 것도 중요하다.

바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 다양한 변경 및/또는 변형이 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않고 본 발명에 이루어질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 특히, 특정한 바람직한 분리 지점 연결부 또는 기구가 설명되었지만, 전술한 목적을 여전히 달성하면서 다양한 연결 구성이 사용될 수 있다는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (27)

1. 인간 피시술자의 영역 상에 작업을 수행하도록 구성되는 본질적으로 안전한 로봇 시스템이며,
   로봇;
   인간 피시술자와 로봇 사이의 안전 장벽으로서, 인간 피시술자와 로봇 사이의 상호작용을 금지하도록 구성되는, 안전 장벽;
   영역의 안전 하중에 대응하여 규정되는 허용 가능한 하중 또는 압력;
   로봇에 부착되는 적어도 하나의 엔드 이펙터로서, 적어도 하나의 엔드 이펙터는 안전 장벽을 통해 연장하고 하중이 인간 피술자를 손상시키거나 상해를 입힐 수 있는 허용 가능한 하중 또는 압력 이하보다 작거나 같을 때 구조적으로 분리되도록 구성되고, 적어도 하나의 엔드 이펙터는 안전 장벽에 의해 상기 영역에 대해 제한되어 있는, 적어도 하나의 엔드 이펙터를 포함하는, 본질적으로 안전한 로봇 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   안전 장벽은 강한 내충격성 재료로 형성되고;
   엔드 이펙터는 허용 가능한 하중 또는 압력 이하의 하중을 받을 때 로봇으로부터 쉽게 해제되도록 구성되는 해제 기구를 포함하여, 적어도 하나의 엔드 이펙터가 인간 피시술자에게 상해를 입히는 것을 방지하는, 본질적으로 안전한 로봇 시스템.
3. 제2항에 있어서, 적어도 하나의 엔드 이펙터는 가요성 지주(strut) 또는 튜브를 포함하는, 본질적으로 안전한 로봇 시스템.
4. 제2항에 있어서, 적어도 하나의 엔드 이펙터는 해제 기구를 가로질러 인터페이싱하는 가요성 트랜스미션을 포함하여 해제 기구를 저해하지 않고 해제 기구 원위측에서의 작동을 허용하는, 본질적으로 안전한 로봇 시스템.
5. 제2항에 있어서, 컴퓨터 비전 시스템을 더 포함하고, 컴퓨터 비전 시스템은 엔드 이펙터의 말단부의 배향을 모니터링하고 이 배향을 로봇에 통신하도록 구성되는, 본질적으로 안전한 로봇 시스템.
6. 제5항에 있어서, 로봇 시스템은 로봇 시스템의 기하학적 모델을 유지하고, 로봇 시스템은 말단부의 배향에 기초하여 모델을 업데이트하는, 본질적으로 안전한 로봇 시스템.
7. 제2항에 있어서, 해제 기구는 기단부 및 말단부를 포함하며, 기단부는 로봇 시스템에 고정되고, 말단부는 엔드 이펙터에 고정되며,
   기단부 및 말단부는 정합 멈춤쇠 특징부를 포함하며, 기단부 및 말단부가 정합할 때 일반적으로 고정된 공간적 관계를 갖는, 본질적으로 안전한 로봇 시스템.
8. 제7항에 있어서, 상기 정합 멈춤쇠 특징부는 비대칭적이며 이에 의해 제1 방향으로 분리되는 것은 제2 방향으로 분리되는 것보다 적은 힘을 필요로 하는, 본질적으로 안전한 로봇 시스템.
9. 제2항에 있어서, 적어도 하나의 엔드 이펙터는 매니큐어 브러시(nail polish brush)를 포함하는, 본질적으로 안전한 로봇 시스템.
10. 제2항에 있어서, 적어도 하나의 엔드 이펙터는 문신 장치를 포함하는, 본질적으로 안전한 로봇 시스템.
11. 제1항에 있어서, 안전 장벽은 적어도 하나의 라이트 커튼을 포함하는, 본질적으로 안전한 로봇 시스템.
12. 제2항에 있어서, 해제 기구는 적어도 하나의 자석을 포함하는, 본질적으로 안전한 로봇 시스템.
13. 제12항에 있어서, 적어도 하나의 자석은 다른 자석 또는 자성 재료의 단편에 커플링되어 서로를 끌어당기는 자기 쌍을 형성하는, 본질적으로 안전한 로봇 시스템.
14. 제13항에 있어서, 자기 쌍의 일측은 로봇에 영구적으로 장착되고 다른 측은 엔드 이펙터에 장착되어, 자기 쌍의 두 개의 요소 사이의 힘이 극복되면 엔드 이펙터는 로봇으로부터 구조적으로 분리되는, 본질적으로 안전한 로봇 시스템.
15. 인간 피시술자에게 작업을 수행하도록 구성되는 본질적으로 안전한 로봇 시스템이며,
    로봇;
    로봇 주위의 제1 안전 장벽으로서, 제1 안전 장벽을 넘어서는 로봇의 동작을 금지하도록 구성되는, 제1 안전 장벽;
    인간 피시술자 주위의 제2 안전 장벽으로서, 제2 안전 장벽을 넘어서는 인간 피시술자의 침범을 금지하거나 또는 인간 피시술자가 제2 안전 장벽에서 나올 때 로봇의 동작을 금지하도록 구성되는, 제2 안전 장벽;
    안전 구역을 포함하는 제1 및 제2 안전 장벽 사이의 공간;
    로봇에 부착된 적어도 하나의 엔드 이펙터로서, 엔드 이펙터는 제1 및 제2 안전 장벽을 통해 연장하도록 구성되고, 인간 피시술자에 접촉시에 로봇으로부터 쉽게 해제하도록 구성되는 해제 기구를 포함하고, 안전 구역은 적어도 하나의 엔드 이펙터에 의해서만 가로질러질 수 있으며 이에 의해 인간 피시술자와 로봇 사이의 직접적인 상호작용을 금지하고 인간 피시술자를 상해로부터 보호하는, 엔드 이펙터를 포함하는, 본질적으로 안전한 로봇 시스템.
16. 로봇, 로봇에 결합되는 엔드 이펙터 및 안전 장벽으로 인간 피시술자에게 미용 절차를 수행하는 방법이며,
    미용 절차를 위한 인간 피시술자의 영역을 선택하는 단계;
    상기 영역의 허용 가능한 하중 또는 압력을 정의하는 단계;
    상기 영역으로의 접근을 제한하도록 로봇 및 안전 장벽을 배향하는 단계;
    하중이 인간 피시술자를 손상시키거나 상해를 입힐 수 있는 허용 가능한 하중 또는 압력보다 작거나 같을 때 분리되도록 엔드 이펙터를 구성하는 단계; 및
    상기 절차를 수행하는 단계를 포함하는, 미용 절차를 수행하는 방법.
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