KR102623711B1

KR102623711B1 - 스네이크형 로봇

Info

Publication number: KR102623711B1
Application number: KR1020237033424A
Authority: KR
Inventors: 매튜 빌스키
Original assignee: 에프엘엑스 솔루션즈 인크.
Priority date: 2015-10-06
Filing date: 2016-10-06
Publication date: 2024-01-11
Also published as: EP3360212A4; KR20230145506A; US10828771B2; CN108780986A; JP7138942B2; IL258334B; KR20180079323A; CA3012573C; EP3360212B1; CA3012573A1; US20190070726A1; JP7219836B2; WO2017062648A1; CN108780986B; US11780081B2; EP3360212A1; JP2022097667A; US11213944B2; JP2018532603A; US20210053209A1

Abstract

스네이크형 로봇은 제 1 원위 단부, 제 1 근위 단부 및 제 1 원위 단부와 제 1 근위 단부 사이에서 연장되는 제 1 종축을 갖는 제 1 링크를 포함한다. 제 2 링크는 제 2 근위 단부, 제 1 근위 단부에 동작동 가능하게 결합되는 제 2 원위 단부 및 제 2 근위 단부와 제 2 원위 단부 사이에서 연장되는 제 2 종축을 갖는다. 제 2 링크에 대한 제 1 링크의 회전은 번갈아 가면 다음의 효과를 수행한다: 로봇의 신장; 제 2 종축에 대한 제 1 종축의 피봇; 및 제 2 종축에 대한 제 1 종축의 회전.

Description

스네이크형 로봇 {SNAKE-LIKE ROBOT}

관련 출원에 대한 상호 참조

본원은 2015년 10월 6일자로 출원된 미국 가출원 제62/237,987호 및 2016년 1월 14일자로 출원된 미국 가출원 제62/278,487호의 우선권을 주장하며, 이들 문헌 모두는 그 전체가 참조로서 본 명세서에 포함된다.

새 집을 지을 경우, 필요한 모든 전기, 배관 공사 등은 벽을 세우기 이전에 실행된다. 이것은 일명 새로운 전기 작업(new work electrical)이라고 지칭된다. 벽에 무제한으로 접근할 수 있기 때문에 이들 시스템을 설치하는 것은 경험이 풍부한 직업 노동자에게는 사소한 일이다. 한편, 일단 석고판이나 석고 보드를 붙인 후에는 벽 내부의 변형이 기하 급수적으로 어려워지게 된다. 벽면에 만들어지는 접근 구멍의 수를 최소화하도록 경로를 계획해야 한다. 집이 어떻게 만들어지는지에 대한 이해는 최소 침습적인 방식으로 계획을 능수능란하게 완료하기 위한 선행 조건이 된다. 이 기술 분야는 오래된 전기 작업(old work electrical)으로 알려져 있다.

구조 부재를 뚫을 수 있는 드릴 장치를 개발하는 것은 물론이고 벽에 구멍을 내지 않고도 구조 부재를 관통하는 플렉시블 도관을 가동하는 것이 바람직하다.

본 요약은 아래의 상세한 설명에서 더 자세히 설명되는 간략화된 형태의 개념을 소개하기 위해 제공된다. 본 요약은 청구되는 대상의 주요 특징이나 필수적 특징을 나타내는 것으로 의도되지 않으며 청구되는 대상의 범위를 제한하기 위해 사용되는 것으로도 의도되지 않는다.

요약하면, 본 발명은 제 1 원위 단부, 제 1 근위 단부 및 제 1 원위 단부와 제 1 근위 단부 사이에서 연장되는 제 1 종축을 갖는 제 1 링크를 포함하는 스네이크형 로봇을 제공한다. 제 2 링크는 제 2 근위 단부, 제 1 근위 단부에 동작 가능하게 결합되는 제 2 원위 단부 및 제 2 근위 단부와 제 2 원위 단부 사이에서 연장되는 제 2 종축을 갖는다. 제 2 링크에 대한 제 1 링크의 회전은 번갈아 가며 다음의 효과를 수행한다: 로봇의 신장; 제 2 종축에 대한 제 1 종축의 피봇; 및 제 2 종축에 대한 제 1 종축의 회전.

본 발명의 다른 양태들, 특징들 및 이점들은 다음의 상세한 설명, 첨부된 청구항들, 및 첨부된 도면들로부터 더욱 명백해질 것이며, 도면들에서 동일한 참조 부호들은 동일하거나 유사한 요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 스네이크형 로봇을 도시한 것이다.
도 1a는 인접한 링크들에 대해 소정의 각도로 회전되는 로봇(100)을 구성하는 링크들 중 몇 개가 있는 도 1의 로봇을 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 로봇의 링크의 단면도이다.
도 2a는 도 2에 도시된 링크의 근위 단부의 확대도이다.
도 2b는 도 2에 도시된 링크의 중간 단부의 확대도이다.
도 2c는 도 2에 도시된 링크의 원위 단부의 확대도이다.
도 3은 도 2에 도시된 링크와 함께 사용되는 외부 하우징의 단면 사시도이다.
도 3a는 도 2에 도시된 링크와 함께 사용되는 수형 만곡형 커넥터의 사시도이다.
도 3b는 도 2에 도시된 링크의 근위 단부의 단면 사시도이다.
도 3c는 인접한 링크들 사이의 연결부의 확대된 단면도이다
도 4는 도 2에 도시된 링크와 함께 사용되는 나선 볼 조정기의 측면도이다.
도 5는 도 2에 도시된 링크와 함께 사용되는 너트 레이아웃 베어링 지지 포스트의 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시된 너트 레이아웃 베어링 지지 포스트의 원위 단부의 사시도이다.
도 7a는 도 2에 도시된 링크와 함께 사용되는 스페이서의 근위 단부의 사시도이다.
도 7b는 도 7a에 도시된 스페이서의 원위 단부의 사시도이다.
도 7c는 도 2에 도시된 링크에 함께 조립되는 스페이서 및 너트 레이아웃 베어링 지지 포스트의 측면도이다.
도 7d는 도 2에 도시된 링크의 내부 하우징과 정렬된 도 7a에 도시된 스페이서의 측면도이다.
도 8은 도 2에 도시된 링크와 함께 사용되는 출력 디스크의 사시도이다.
도 9는 도 2에 도시된 링크와 함께 사용되는 사이클로이드 로터의 사시도이다.
도 10은 도 2에 도시된 링크와 함께 사용되는 사이클로이드 하우징의 정면도이다.
도 11은 도 2에 도시된 링크와 함께 사용되는 출력 디스크의 사시도이다.
도 11a는 도 2에 도시된 링크와 함께 사용되는 캠의 사시도이다.
도 11b는 도 2에 도시된 링크와 함께 사용되는 사이클로이드 조립체의 분해 사시도이다.
도 12는 도 2에 도시된 링크와 함께 사용되는 로터 지지부의 사시도이다.
도 13은 도 2에 도시된 링크와 함께 사용되는 스테이터 지지부의 사시도이다.
도 14는 도 2에 도시된 링크와 함께 사용되는 암형 커빅 핀의 사시도이다.
도 14a는 도 2에 도시된 링크와 인접 링크 사이의 연결부의 단면 사시도이다.
도 14b는 제 1 링크가 제 2 링크와 상호 연결된, 도 14a에 도시된 연결부의 평면도이다.
도 14c는 제 1 링크가 제 2 링크와의 연결에서 벗어나 움직이는, 도 14b에 도시된 연결부의 평면도이다.
도 14d는 제 1 링크가 다시 제 2 링크와 연결되도록 이동하는, 도 14c에 도시된 연결부의 평면도이다.
도 14e는 제 1 링크가 다시 제 2 링크와 연결되도록 이동하는, 도 14d에 도시된 연결부의 평면도이다.
도 14f는 도 2에 도시된 링크와 함께 사용되는 와이어 코어의 사시도이다.
도 14g는 기어 및 회전 시스템의 개별 구성 요소들에 대한 상세를 갖는 기계식 드라이브의 다른 실시예를 사용하는 링크의 단면도이다.
도 14h는 회전 동력원으로부터 구동 트레인으로의 입력부의 단면도이다.
도 14i은 편심 입력 메커니즘의 사시도이다.
도 14j는 도 14i에 도시된 편심 입력 메커니즘의 상향도이다.
도 14k는 리프터들을 구비한 사이클로이드 로터의 단면도이다.
도 14l은 도 14k에 도시된 사이클로이드 로터의 저면도이다.
도 14m은 커빅형 및 사이클로이드형 톱니를 갖는 근위 베이스 플레이트의 평면도이다.
도 14n은 도 14m으로부터의 베이스 플레이트의 사시도.
도 14o은 커빅 톱니를 포함하는 핀을 갖는 원위 탑 플레이트의 사시도이다.
도 14p는 리프팅 메커니즘을 위한 2개의 커빅 톱니 세트들 및 핀들을 갖는 출력 디스크의 저면 사시도이다.
도 14q는 도 14p의 출력 디스크의 상면 사시도이다.
도 14r은 도 14i의 사이클로이드 로터에 연결된 회전 잠금 키의 사시도이다.
도 15는 도 1에 도시된 로봇과 함께 사용되는 드릴 헤드의 측면도이다.
도 16은 도 15에 도시된 드릴 헤드의 단면도이다.
도 16a는 도 16에 도시된 드릴 헤드의 내부 구성 요소들의 확대도이다.
도 17은 도 16에 도시된 드릴 헤드에 사용되는 드릴의 확대 사시도이다.
도 18은 도 16에 도시된 드릴 헤드의 외부 하우징의 사시도이다.
도 19는 도 16에 도시된 드릴 헤드의 내부 슬리브의 사시도이다.
도 20은 도 16에 도시된 드릴 헤드에 대한 출력 드라이브의 사시도이다.
도 21은 도 16에 도시된 드릴 헤드를 위한 너트의 근위 사시도이다.
도 21a는 도 21에 도시된 너트의 원위 사시도이다.
도 22는 도 16에 도시된 드릴 헤드에 사용되는 사이클로이드 로터의 사시도이다.
도 23은 도 16에 도시된 드릴 헤드에 사용되는 사이클로이드 하우징의 사시도이다.
도 24는 드릴 헤드에 사용되는 출력 디스크 드릴 헤드 허브의 사시도이다.
도 25는 도 16에 도시된 드릴 헤드에 사용되는 출력 디스크이다.
도 26은 도 1에 도시된 로봇이 구멍을 뚫을 때 사용하기 위해 스풀로부터 풀리는 사시도이다.

도면들에 있어서, 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 요소를 나타낸다. 본 명세서에서 특정 용어는 편의를 위해서만 사용되는 것이며, 본 발명을 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다. 용어는 구체적으로 언급된 단어, 그 파생어 및 유사한 의미의 단어를 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 "원위(distal)"라는 용어는 사용자로부터 더 멀리 있는 본 발명 장치의 단부를 의미하며, "근위(proximal)"라는 용어는 사용자에 더 가까운 본 발명 장치의 단부를 의미한다.

아래에 예시된 실시예들은 본 발명을 개시된 정확한 형태로 제한하거나 포괄하려는 것은 아니다. 이들 실시예들은 본 발명의 원리 및 그 적용 및 실제 사용을 가장 잘 설명하고 당업자가 본 발명을 가장 잘 이용할 수 있도록 선택 및 설명된다.

본 명세서에서 "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 언급은 그 실시예와 함께 설명된 특정한 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함될 수 있음을 의미한다. 본 명세서의 다양한 곳에서 "일 실시예에서"라는 문구의 사용이 반드시 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니며, 별개의 또는 대안적인 실시예들이 반드시 다른 실시예들과 상호 배타적인 것도 아니다. 동일한 것이 "구현예"라는 용어에 적용된다.

본원에서 사용되는 "예시적인"이라는 단어는 본 명세서에서 예, 인스턴스 또는 예시로서 제공되는 것을 의미한다. 본 명세서에서 "예시적인" 것으로 설명되는 임의의 양태 또는 설계는 반드시 다른 양태 또는 설계보다 바람직하거나 유리한 것으로 해석될 필요는 없다. 오히려, 예시적인이라는 단어의 사용은 구체적인 방식으로 개념을 제시하기 위한 것이다.

또한, "또는"이라는 용어는 배타적인 "또는"이 아닌 포괄적인 "또는"을 의미하는 것으로 의도된다. 즉, 다르게 명시되거나 문맥상 명확하지 않은 경우, "X는 A 또는 B를 사용한다"는 임의의 자연적 포함 순열들을 의미하는 것으로 의도된다. 즉, X가 A를 사용한다; X가 B를 사용한다; 또는 X가 A와 B 모두를 사용한다의 경우, 전술한 예들 중의 어느 예 하에서의 "X는 A 또는 B를 사용한다"가 만족된다. 또한, 본 출원 및 첨부된 특허 청구범위에서 사용되는 "일" 및 "하나"라는 문구는 달리 명시되지 않거나 문맥으로부터 단수 형태로 지시되는 것이 명백하지 않는 한 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.

달리 명시되지 않는 한, 각각의 수치 및 범위는 "약" 또는 "대략"이 그 값 또는 범위의 값 앞에 선행 기재된 것처럼 대략적인 것으로 해석되어야 한다.

청구범위에서 도면 번호 및/또는 도면 참조 라벨을 사용하는 것은 청구범위의 해석을 용이하게 하기 위해 청구 대상의 하나 이상의 가능한 실시예들을 식별하기 위한 것이다. 이러한 사용은 대응하는 도면들에 도시된 실시예들에 대한 청구범위를 반드시 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.

본 명세서에 설명된 예시적인 방법의 단계들이 반드시 기술된 순서대로 수행될 필요는 없으며, 이러한 방법의 단계들의 순서는 단지 예시적인 것으로 이해되어야 한다는 것을 이해해야 한다. 마찬가지로, 추가의 단계들이 그러한 방법에 포함될 수도 있으며, 특정 단계들이 본 발명의 다양한 실시예들과 일치하는 방법에서 생략되거나 결합될 수 있다.

다음의 방법 청구항들에서의 요소들이, 존재하는 경우, 대응하는 라벨을 갖는 특정 시퀀스로 열거되어 있지만, 청구항 요지가 다른 요소들의 일부 또는 전부를 구현하기 위한 특정 시퀀스를 나타내지 않는 한, 이들 요소들이 반드시 해당 특정 순서로 구현되는 것으로 한정되는 것은 아니다.

도면들을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 스네이크형 로봇(snakelike robot)(100)("로봇(100)")이 도시되어 있다. 로봇(100)은 건물의 내부벽, 건물 잔해, 터널 또는 갱도의 붕괴부, 또는 그 밖의 접근 가능하지 않은 위치들과 같은 달리 접근할 수 없는 위치들까지 터널을 뚫는데 사용될 수 있다. 또한, 로봇(100)은 항공 우주 산업, 우주 공간, 및 축방향으로 연장되어 축방향으로 횡단하는 로봇을 필요로 할 수 있는 다른 응용 분야들에서 사용될 수 있다. 본 명세서에서 보다 상세하게 논의되는 바와 같이, 로봇(100)은 예를 들어 드릴 비트, 카메라, 센서, 산소 등의 유체 공급 라인들 또는 다른 타입의 기계조립품과 같은 엔드 이펙터(end effector)들을 장착할 수 있다. 로봇(100)은 로봇(100)을 회전 및 병진시키기 위한 인접 세그먼트들과 협력하여 서로 독립적으로 작동할 수 있는 다수의 링크된 세그먼트들로 구성된다.

대안적으로, 로봇(100)은 제한된 공간의 외부에서 사용될 수 있으며, 로봇(100)의 적어도 하나의 포인트가 기준 포인트(즉, 우주선 또는 우주 정거장)에 고정되어 있는 것으로 가정하여, 표면을 가로지르거나 수직으로 직립하거나, 또는 중력이 없는 상태에서도 작동하도록 사용될 수 있다.

도 1 및 도 1a는 로봇(100)의 예시적인 실시예를 나타낸다. 로봇(100)의 예시적인 실시예에서 사용되는 7개의 연결된 링크(102)를 도 1a에 나타내었지만, 당업자는 로봇(100)이 7개보다 많거나 적은 링크를 포함할 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예시적인 드릴 헤드(105)는 로봇(100)이 고체 재료에 구멍들을 뚫는데 사용될 수 있도록 로봇(100)의 근위 단부에 부착될 수 있으며, 이에 따라 로봇(100)은 이러한 구멍들을 통해 스스로 전진할 수 있다.

도 2 및 도 2a-2c는 링크(102)의 단면도를 나타낸다. 링크(102)는 원위 단부(104)와 근위 단부(106) 사이에서 연장되는 종축(103)을 포함한다. 링크(100)는 또한 도 3에서 보다 상세히 나타낸 외부 하우징(108)을 포함한다. 외부 하우징(108)은 링크(102)의 종축(103)에 일반적으로 직각으로 연장되는 원위 단부(110) 및 종축(103)에 대해 경사각 θ로 연장되는 근위 단부(112)를 포함한다. 예시적인 실시예에서, θ는 약 22.5°이지만, 당업자는 수학식 360°/n(여기서 n은 정수)에 의해 생성되는 θ값의 정수 배수가 90°인 한, θ가 다른 값들로 될 수 있음을 인식할 것이다. 플레이트(plate)(113)는 외부 하우징(108)의 근위 단부(112)를 덮는다. 도 1a는, 약 22.5°의 θ의 값을 가지며, 이에 따라 인접한 링크들(102)이 약 45°의 각을 형성할 수가 있으며, 그 결과 복수의 이러한 링크들(102)이 로봇(100)을 90°회전시킬 수 있게 되는 링크들(102)을 나타낸다.

일련의 내부 나사산들(114)이 원위 단부(110)로부터 근위 단부(112)를 향해 연장된다. 예시적인 실시예에서, 내부 나사산들(114)은 단일 나선을 형성한다. 복수의 종 방향 슬롯들(115)은 외부 하우징(108)의 길이를 연장시킨다. 슬롯(115)은 인접 링크(102)에 대한 링크(102)의 작동 중에 링크(102) 내의 비회전 요소들이 그것을 따라서 종 방향으로 병진하는 트랙을 형성한다.

도 2를 참조하면, 내부 실린더(118)는 내부 나사산들(114)과의 나사 맞물림을 제공하여, 내부 실린더(118)에 대한 외부 하우징(108)의 회전이 회전 방향에 따라 링크(102)를 신장 또는 수축시킴으로써, 로봇(100)의 근위 단부의 종 방향 병진을 초래하는 외부 나사산들(120)을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 내부 실린더(118)는 스테인리스 스틸(321)로 구성되며 약 0.03 인치의 벽 두께를 갖는다. 도 2c를 참조하면, 단부 플레이트(111)는 내부 실린더(118)의 원위 단부에 부착된다. 도 7d를 참조하면, 복수의 돌출부들(119)은 내부 실린더(118)의 근위 단부로부터 근위 방향으로(proximally) 연장된다.

이제 도 2에 나타낸 바와 같이 일반적으로 좌측에서 우측으로 연장되는 개별 구성 요소들에 대하여 로봇(100)을 설명하도록 한다. 도 3a에 상세히 나타낸 수형 커빅 핀(male curvic pin)(122)은 플레이트(113)로부터 근위 방향으로 연장된다. 수형 커빅 핀(122)은 인접한 링크(102)의 원위 단부(110)에 위치한 암형(female) 커빅 핀(128)과 맞물리는 방사상으로 이격된 복수의 톱니(124)를 포함한다. 축 방향 관통 통로(axial through-passage)(126)는 커빅 핀(122)의 길이를 관통하여 연장되어, 예를 들어 드릴(504)(도 15에 나타낸)용 플렉시블 구동 샤프트(505)와 같은 재료의 통과를 허용하며, 또한 예를 들어 유체(예를 들어, 가스, 액체, 점성 재료 등) 전달용 튜브, 전기 케이블, 및 링크(102)의 길이를 관통하는 다른 가늘고 긴 재료와 같은 임의의 다른 재료의 통과도 허용한다. 또한, 도 3b에 상세하게 나타낸 웨이브 스프링(wave spring)(130)은 플레이트(113)의 근위 방향으로, 수형 커빅 핀(122) 둘레에 연장된다. 웨이브 스프링(130)은 링크(102)를 그것의 인접한 링크(102)로부터 멀리 바이어싱(biasing)한다. 웨이브 스프링이 바이어싱 기능을 제공하는데 사용되지만, 당업자는 다른 타입의 바이어싱 부재가 사용될 수 있음을 인식할 것이다.

도 3c는 핀(122)과 일체화된 플레이트(113)를 나타낸다. 플레이트(113)는 그 둘레 주위에서 연장되는 복수의 베벨형 톱니(115)를 포함한다. 리테이닝 링(retaining ring)(117)은 인접한 링크(102)의 플레이트(111)에 대해 핀(122)을 고정시킨다. 웨이브 스프링(130)은 리테이닝 링(117)과 베벨형 톱니(115) 사이에 위치된다. 웨이브 스프링(130)은 베벨 기어(bevel gear)를 핀(122)으로부터 멀리 바이어싱한다(도 14a 참조).

도 2a는 도 4에 상세히 나타낸 나선 볼 조정기(helix ball adjuster)(150) 내에 장착되는 제 1 모터(140)를 나타낸다. 제 1 모터(140)는 로터(rotor)(144)에 의해서 둘러싸인 스테이터(stator)(142)를 포함한다. 로터(144)는 볼 조정기(150) 내의 근위 통로(152)와 견고하게 맞물리며, 이에 따라, 모터(140)가 작동될 때, 로터(144)는 볼 조정기(150)도 또한 회전시킨다. 볼 조정기(150)는 또한 근위 통로(152)보다 더 좁은 외부 직경을 갖는 중간 통로(154)를 포함한다. 근위 통로(152) 및 중간 통로(154)는 축 방향으로 관통하여 연장되며, 이에 따라 구동 샤프트(505)의 통과를 허용한다. 스테이터(140)는 내부 실린더(118)에 대하여 회전 가능하게 고정된다.

제 1 볼 베어링 조립체(160)(도 2a에 나타냄)는 중간 통로(154)의 바깥쪽 둘레에 고정된다. 볼 조정기(150)의 원위 단부(156)는 볼 조정기로부터 멀어지는 원위 방향으로 연장되는 복수의 램프들(158)을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 3개의 램프(158)가 사용되지만, 당업자는 3개보다 많거나 적은 램프(158)가 사용될 수 있음을 인식할 것이다.

도 5에 상세히 나타낸 너트 레이아웃 베어링 지지 포스트(162)는 제 1 볼 베어링 조립체(160)의 외부 레이스(outer race)가 삽입되는 근위 통로(164)를 포함한다. 근위 통로(164)의 바깥쪽 둘레는 외부 하우징(108)의 내부 나사산들(114)과 나사식으로 맞물리는 나사 표면(166)을 포함한다. 복수의 핀들(168)은 근위 통로(164)의 원위 표면으로부터 연장된다. 포스트(162)의 원위 단부(169)는 그로부터 바깥쪽으로 연장되는 일반적으로 환형의 디스크(171)를 포함한다. 포스트(162)의 원위 단부(169)는 또한 종축(103)에 대해 방사상으로 이격된 복수의 채널들(173)을 포함한다.

도 6 및 도 6a에 나타낸 바와 같이, 한 쌍의 볼들(170)이 각각의 램프(158)에 대한 채널들(173) 내에 제공된다. 스페이서(spacer)(172)가 도 7a 및 도 7b에 나타나 있다. 스페이서(172)는 관통하여 축 방향으로 연장되는 통로(174)를 갖는 일반적으로 환형 링이다. 스페이서(172)의 근위 단부(176)는 그것의 바깥쪽 둘레 주위에 있는 이격된 복수의 돌출부들(178)을 포함한다. 환형 플레이트(180)는 돌출부들(178)에 의해 규정되는 둘레 내의 근위 단부(176)로부터 바깥쪽으로 연장된다. 스페이서(172)의 근위 단부(176)는 디스크(171)와 핀들(168) 사이의, 포스트(162)의 원위 단부(169) 상에 끼워진다.

다시 도 6a를 참조하면, 볼(170)이 환형 플레이트(180) 상에 놓여지고, 램프(158)가 종 방향으로 볼들(170)을 회전 및 병진시킴에 따라, 포스트(162)가 스페이서(172)로부터 종 방향으로 변위됨으로써, 핀들(168)이 돌출부들(178)로부터 종 방향으로 변위된다.

복수의 탭들(182)이 스페이서(172)의 바깥쪽 둘레 주위에서 연장된다. 탭들(182)은 외부 하우징(108)의 종 방향 슬롯들(115)에 슬라이딩 가능하게 맞물린다. 복수의 핀들(184)이 스페이서(172)의 원위 단부(186)로부터 바깥쪽으로 연장된다. 핀들(184)은 내부 실린더(118) 상의 돌출부들(119)과 맞물린다. 다시 도 2a 및 도 7c를 참조하면, 제 2 웨이브 스프링(130)이 디스크(171)와 스페이서(172)의 근위 단부(176) 사이에 위치되며, 이에 따라 스프링(113)이 디스크(171)로부터 근위 방향으로 스페이서(172)를 바이어싱한다. 제 2 볼 베어링 조립체(190)는 디스크(171)의 원위의 인접한 포스트(162) 상에 위치되며, 이에 따라 내부 실린더(118)가 포스트(162)와는 독립적으로 자유롭게 회전한다.

포스트(162) 상의 탭(182)에 대한 웨이브 스프링(130)으로부터의 압력은 핀들(168)을 돌출부들(178)과 맞물리게 하려고 한다. 그러나, 램프(158)가 볼들(170)을 밀어내고 있기 때문에, 볼들(170)은 핀들(168) 및 돌출부들(178)과 이격된 상태로 유지된다(그리고 톱니(184)는 내부 실린더(118) 상의 핀들(119)과 아래에 맞물린다). 회전 램프(158)는 스프링(130)이 스페이서(172)에 대해 밀어내서, 결국 램프(158)를 따라 채널(173) 내에서 축 방향으로 볼들(170)을 밀어내는 것을 가능하게 한다. 이러한 기능으로 인해 포스트(162)가 스페이서(172) 및 내부 실린더(118)에 대해 회전하면서 그것의 종 방향 운동을 계속 제한하는 것이 가능하게 된다.

제 3 볼 베어링 조립체(192)는 제 2 볼 베어링 조립체(190)의 원위 방향으로 연장되며, 포스트(162)의 원위 단부(169)에 대한 축 방향 내부 실린더(118)의 회전을 지지한다. 도 8에 보다 상세히 나타낸 외부 디스크(194)는, 그로부터 원위 방향으로 연장되는 복수의 돌출부들(196)을 갖는 일반적으로 환형 디스크이다. 각각의 돌출부(196)는 도 9에 상세히 나타낸 사이클로이드 로터(cycloid rotor)(200)에 있는 대응하는 개구(198)에 끼워진다. 사이클로이드 로터(200)는 그로부터 바깥쪽으로 연장되는 원위 기어(202)를 갖는 일반적으로 환형의 슬리브이다. 예시적인 실시예에서, 기어(202)는 약 25개의 인벌류트 톱니(involute teeth)를 갖는다. 또한, 개구들(198)은 사이클로이드 로터(200)가 출력 디스크(194)에 대해 편심 회전할 수 있도록 하는 돌출부들(196)의 직경보다 약간 큰 직경을 갖는다.

사이클로이드 하우징(204)이 도 10에 상세히 도시되어 있다. 사이클로이드 하우징(204)은 내부 실린더(118) 내의 기어(202)의 둘레 방향 바깥쪽으로 연장되며, 기어(202) 상의 인벌류트 톱니의 개수보다 많은 복수의 벌류트(volute)들(206)을 갖는다. 예시적인 실시예에서, 사이클로이드 하우징(204)은 26개의 벌류트(206)를 포함한다.

제 4 볼 베어링 조립체(210)는 원위 기어(distal gear)(202)의 원위의, 사이클로이드 로터(200)의 안쪽 둘레(208) 내에 장착된다. 제 4 볼 베어링 조립체(212)는 제 4 볼 베어링 조립체(210)의 원위에 위치되며, 환형 스페이서(214)에 의해서 내부 실린더(118)의 내부에 대해 지지된다.

슬리브(220)를 가진 출력 디스크가 도 11에 상세히 도시되어 있다. 디스크(220)는 제 4 볼 베어링 조립체(210)를 지지하는 원위 슬리브(222), 및 이 볼 베어링 조립체(212)를 지지하는 중간 슬리브(224)를 갖는다. 또한, 디스크(220)는 그것의 원위 방향으로 연장되는 복수의 돌출부들(228)을 갖는 원위면(distal face)(226)을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 돌출부들(228)은 출력 디스크(194) 상의 돌출부들(196)과 동일한 개수 및 크기이다.

도 11a에 보다 상세히 도시되어 있는 캠(cam)(221)은, 사이클로이드 로터(200)의 편심 회전의 균형을 맞추기 위해서 사용된다. 캠(221)은 원위 슬리브(222) 상에서 슬라이딩하여 제 4 볼 베어링 조립체(210)를 지지한다.

디스크(220)는 도 2b에 나타낸 바와 같이 사이클로이드 로터(200) 및 사이클로이드 하우징(204)의 제 2 세트와 상호작용한다. 제 6 볼 베어링 조립체(230)는 제 2 사이클로이드 로터(200)의 안쪽 둘레(208) 내에 장착된다. 예시적인 실시예에서, 제 1 및 제 2 사이클로이드 조립체들의 조합은 약 625 : 1의 축소 비율(reduction ratio)을 제공한다. 전술한 사이클로이드 드라이브의 분해도가 도 11b에 도시되어 있다.

도 12를 참조하면, 제 1 로터 지지 슬리브(234)는 제 6 볼 베어링 조립체(230)를 지지하며, 제 6 볼 베어링 조립체(230)의 원위에 위치된 제 7 볼 베어링 조립체(236)를 하우징한다. 로터 슬리브 지지부(234)는 제 6 볼 베어링 조립체(230)가 지지되는 근위 슬리브(236), 및 슬리브(236)의 원위 방향으로 연장되는 하우징(238)을 포함한다.

도 13을 참조하면, 스테이터 지지부(240)는 제 7 볼 베어링 조립체(236)를 지지하는 원위 립(distal lip)(242), 및 제 2 모터(250)를 지지하는 슬리브(244)를 포함한다. 제 2 모터(250)는 슬리브(254)에 의해 지지되는 스테이터(252), 및 제 2 모터(250)가 회전할 때 로터 슬리브 지지부(234)도 회전하게 되도록 로터 슬리브 지지부(234) 상의 근위 슬리브(236)와 맞물리는 로터(256)를 포함한다.

스테이터 지지부(240)는 근위 립(264) 및 원위 립(266)으로 둘러싸인 스풀(spool)(262)을 포함하는 중간 부분(260)을 포함한다. 근위 립(264) 및 원위 립(266)은 내부 실린더(118)에 고정된다. 도 2b에는 도시되지 않았지만, 전자 드라이버들이, 링크(102)에 위치된 모터들 및 임의의 다른 전기/전자 요소들을 제어하기 위해서 중간 부분(260) 내에 위치될 수 있다. 또한, 스테이터 지지부(240)는 제 8 볼 베어링 조립체(271)를 지지하는 근위 립(268), 및 제 3 모터(272)(도 2b 및 도 2c에 나타냄)를 지지하는 슬리브(270)를 포함한다. 제 1 로터 지지 슬리브(234)와 동일하지만, 슬리브(236)가 하우징(238)의 원위 방향으로 연장되도록 180°회전되는 제 2 로터 지지 슬리브(234)가 제공되며, 이에 따라 하우징(238)이 제 3 모터(272)의 로터(273), 및 제 8 볼 베어링 조립체(271)와 맞물리게 된다. 또한, 제 9 볼 베어링 조립체(280)가 슬리브(236)의 외부에 위치된다. 제 9 볼 베어링 조립체(280)에는 제 3 사이클로이드 로터(200)가 부착된다. 기어(202)가 안쪽 둘레(208)의 근위 방향으로 연장되고, 제 9 볼 베어링 조립체(280)가 안쪽 둘레(208) 내에 삽입되어, 제 3 사이클로이드(220)가 로터(200)의 원위 방향으로 연장되도록 로터(200)가 정렬된다.

제 10 및 제 11 볼 베어링 조립체들(284, 286)이 각각 제 3 사이클로이드(220)의 슬리브들(224, 222) 상에 각기 장착되며, 스페이서(214)가 내부 실린터(118)의 내부에 대해 제 10 베어링 조립체(284)를 지지하게 된다. 제 11 볼 베어링 조립체(286)가 제 4 사이클로이드(200)에 고정되고, 결국 제 4 사이클로이드(200)와 맞물림으로써, 예시적인 실시예에서, 제 3 및 제 4 사이클로이드 조립체들의 조합은 약 625 : 1의 축소 비율을 제공하게 된다.

제 12 볼 베어링 조립체(290)는 제 4 사이클로이드 조립체의 원위 방향으로 연장되어, 링크(102)의 원위 단부(111)에서 종축(103)을 따라서 베벨 기어(302)를 종 방향으로 병진시키는데 사용되는 기계식 드라이브(300)와 맞물린다. 예시적인 기계식 드라이브(300)가 도 14a-도 14f에 도시되어 있다.

중공 샤프트(hollow shaft)(310)는 베어링(290)을 통해 출력 디스크(220)에 견고하게 연결된다. 도 14b-도 14e에 나타낸 바와 같이, 샤프트(310)는 일반적으로 T자-형 슬롯(312)을 포함한다. 디스크(314)는 샤프트(310)의 원위 단부에 위치된다. 웨이브 스프링(130)은 디스크(314)의 원위에 위치된다. 출력 샤프트(320)는 샤프트(310) 내에 배치된다. 출력 샤프트(320)는 슬롯(312) 내로 연장되는 돌출부(322)를 포함한다. 돌출부(322)는 슬롯(312) 내에서 이동 가능한 크기를 갖는다. 슬롯(312)과 돌출부(322)의 단일 조합이 도시되어 있지만, 당업자는 추가적인 조합들이 샤프트(310) 주위에 제공될 수 있음을 인식할 것이다.

또한, 샤프트(320)의 원위 단부는 디스크(324)를 포함하며, 이에 따라 스프링(130)이 디스크(314)와 디스크(324) 사이에 끼워져서, 디스크(314)로부터 멀어지도록 디스크(324)를 바이어싱한다. 디스크(324)는 베벨 기어(302)에 연결된다. 베벨 기어(302)는 내부 베벨 기어(304)와 동작 가능하게 맞물린다. 내부 베벨 기어(304)는 외부 하우징(306) 내에 위치된 복수의 원위 톱니(308)를 포함한다. 또한, 원위의 외부 하우징(306)은 다른 복수의 톱니(316)를 포함한다. 톱니(308)는 톱니(316)보다 길며, 이에 따라 톱니(308)가 이전 링크(102)의 각도면(angle face)(115)에 대해 고정된, 핀(122) 상의 톱니(124)와 항상 맞물리게 된다.

베벨 기어(302)가 원위 방향으로 병진됨에 따라, 베벨 기어(302)는 도 14에 상세히 나타낸 내부 베벨 기어(304)와 맞물린다. 내부 베벨 기어(304)는 베벨 기어(302)와 맞물리는 근위 단부(306), 및 인접한 링크(102)의 수형 커빅 핀(122) 상의 톱니(124)와 맞물리는 복수의 내부 톱니(308)를 포함한다.

기계식 드라이브(300) 대신에, 본 발명자에 의해 2016년 1월 14일자로 출원된 미국 가출원 제62/278,487호에 개시된 드라이브와 같은 대안의 기계식 드라이브(1000)가 사용될 수 있으며, 이 문헌의 전체 내용은 참조로서 본 명세서에 포함된다. 드라이브(1000)가 도 14g 내지 도 14r에 도시되어 있다.

도 14g는 엔드 플레이트(end plate)(111)의 평면에 관한 인접 링크(102)에 대하여 근위 링크(proximal link)(102)를 작동시키는데 적용되는 일체형 잠금 메커니즘을 갖는 3차원 사이클로이드 드라이브의 단면도를 나타낸다. 본 실시예에서, 전술한 기어 트레인 및 잠금 장치(locking system)가 로봇식 조인트 작동에 적용되었지만, 당업자는 본 발명의 드라이브가 하나의 평면으로부터 다른 평면으로 파워를 전달할 필요가 있는 어떠한 상황에서도 사용될 수 있음을 인식할 것이다. 또한, 예시적인 실시예에서, 회전이 일어나고 있는 축의 교점이 반드시 그 메커니즘 내의 일 지점에서 교차할 필요는 없다. 본 명세서에서 설명되는 솔루션이 이것을 해결하기 위해 고안 및 구현되었지만, 두 개의 축이 작용점에서 교차하는 간단한 경우도 또한 본 설계를 사용하여 구현될 수 있다.

또한, 도 14g는 그것의 원위 단부 상에 장착된 편심체(eccentric body)를 갖는 입력 샤프트를 포함하는, 일체형 잠금 메커니즘을 갖는 본 발명의 3 차원 사이클로이드 드라이브의 구성 부품들을 나타낸다. 입력 캠이 편심체에 동작 가능하게 결합된다. 감속기가 입력 캠에 동작 가능하게 결합된다. 출력부가 감속기에 동작 가능하게 결합된다.

특히, 입력 샤프트(1700)는 편심 구체(eccentric sphere)(1720)(도 14h에 상세히 나타냄)를 가진 원위 단부(1702)를 갖는다. 구체(1720)는 사이클로이드 로터(1900)의 내부에 삽입되어 상호작용하는 편심 입력 캠(1600)을 구동한다. 커빅 출력 디스크(1500)(도 14p 및 도 14q에 상세히 나타냄) 상의 핀들(1560)은 사이클로이드 로터(1900)와 상호작용하면서, 또한 근위면(1200)(도 14m 및 도 14n에 상세히 나타냄) 및 원위 핀면(distal pin face)(1300) 상의 톱니(1240)와 선택적으로 맞물린다. 링크(1100) 내의 키 디스크(keyed disk)(1800)는 링크(1100) 내의 편심 입력(1600)의 정렬을 유지하는데 사용된다.

도 14h는 입력 샤프트(1700)의 프라이머리 부분들을 나타낸다. 샤프트(1700)는 중심을 관통하여 연장되는 종축(1704)을 포함한다. 샤프트(1710)는 전기 모터, 수동식 크랭크, 또는 회전력을 제공하기 위한 다른 적절한 메커니즘이 될 수 있는, 근위 소스(도시하지 않음)로부터 회전력을 받는다. 중공 캐비티(1730)는 샤프트(700)의 전체 길이에 걸쳐 유지된다. 캐비티(1730)는 예를 들어 전기, 가스(산소 또는 기타 가스) 또는 유체 케이블(도시하지 않음)과 같은 다른 요소들의 통과를 허용한다. 또한, 아래에서 설명될 로봇(1000)의 나머지 요소들도 또한 바로 위에서 설명한 바와 같이 케이블, 도관 또는 다른 재료의 통과를 허용하기 위한 일반적으로 중앙 집중형인 통로들을 갖는다.

도 14i 및 도 14j는 편심 입력 디스크(1600)를 나타낸다. 입력 디스크(1600)는 하우징(1610) 내에 동심적으로 위치된 튜브형 수용기(tubular receiver)(1650)를 포함한다. 수용기(1650)는 편심 구체(1720)가 그 안에 동심적으로 삽입되어 회전할 수 있도록 하는 크기를 갖는다. 사이클로이드 로터 출력부(1630)는 하우징(1610)에 편심적으로 장착된다. 중공 캐비티(1640)가 로터 출력부(1630) 내에 제공됨으로써, 도 14j에 나타낸 바와 같이 수용기(1650)에 대한 통신을 제공하게 된다. 로터 출력부(1630)는, 편심 입력 디스크(1600)의 회전을 방지하지만 그것의 평면 이동은 허용하는 키 슬롯(1820)(도 14r에 나타냄) 내에서 이동하는 크기를 갖는 선형 에지 부분(1620)을 포함한다. 축들이 직접 교차하는 구성들에서, 구형(spherical) 수용기(1650)는 로터 출력부(1630)와 동심일 수 있다. 또한, 선형 에지 부분(1620)이 하우징(1610)의 바닥에 위치하는 것으로 도 14i에 나타나 있지만, 당업자는 선형 에지 부분(1620)이 하우징(1620)의 길이(높이)를 따르는 임의의 위치에 유지될 수 있음을 인식할 것이다. 예를 들어, 도 14g에 나타낸 로봇(1000)의 실시예에서, 선형 에지 부분(1620)은 디스크(1800)의 평면과 동일 평면일 수 있으며, 이에 따라 선형 에지 부분(1620)이 키 슬롯(1820) 내에서 왕복할 수 있다.

도 14k 및 도 14l은 사이클로이드 로터(1900)를 도시한 것이다. 사이클로이드 로터(1900)는 로터 출력부(1630)와 동심으로 유지되는 편심 입력 수용기(1920)를 포함한다. 출력 핀 구멍들(1910)은 핀들(1560)로의 파워 전달을 허용한다. 도시된 예시적인 실시예에서, 본 발명의 드라이브는 또한 자체-잠금 및 잠금 해제가 가능하며, 구멍(1910)의 벽들은 테이퍼져 있으며, 이에 따라 접선 하중으로 인해 핀들(1560)에 상향력(upward force)을 가하게 된다. 보다 일반적인 사용을 위해, 구멍들(1910)은 원통형을 유지할 수 있다. 테이퍼진 벽 변형이 도시되어 있지만, 동일한 움직임을 달성하기 위한 다른 방법들이 존재한다는 것을 당업자는 인식할 것이다. 사이클로이드 프로파일(1930)이 사이클로이드 로터(1900)의 둘레에 기계 가공되며, 이에 따라 사이클로이드 프로파일(1930)이 하우징 프로파일(1220)과 인터페이스할 수 있게 된다.

도 14m 및 도 14n은 근위면(1200)을 나타낸다. 그루브(1210)는 본체(1100)와 맞물림으로써 본체(1100)와 근위면(1200) 사이의 상대적 회전을 방지하게 되도록 하는 각도로 절삭된다. 근위면(1200)의 바깥쪽 둘레 주위의 이격된 사이클로이드 하우징 톱니(1200)가 면(1200) 내에 절삭됨으로써 도 14g에 나타낸 바와 같이 로터(1900)와 상호작용하게 된다. 커빅 톱니(1240)는 중공 개구(1230)와 동심인 면으로부터 바깥쪽으로 연장된다. 톱니(1240)는 더욱 원활한 메커니즘의 작동을 용이하게 하기 위해 선택적 챔퍼링된 에지 변형부(chamfered edge modification)(1250)를 갖는다. 선택적으로, 대안적인 실시예에서는, 사이클로이드 하우징(1220)이 면과 추가적인 커빅 톱니가 없는 부품으로 제조될 수도 있다.

도 14o는 핀(1320)과 커빅 톱니(1340)를 갖는 원위면(1300)을 나타낸다. 그루브(1310)가 둘레에 기계 가공됨으로써 링크(1400)와 맞물려 상대적 회전을 방지하게 된다. 핀(1320)은 면(1302)으로부터 돌출해 있으며, 근위면(1200) 상의 중공 개구(1230)와 동심으로 유지된다. 그루브(1330) 및 대응하는 커빅 톱니 변형부는, 도 14p에 나타낸 리테이닝 링(1390)이 삽입되어 근위면(1200)과 원위면(1300)이 서로 분리되는 것을 방지하는 것을 가능하게 한다. 커빅 톱니(1340)가 핀(1320) 내에 절삭된다. 캐비티(1350)가 핀(1320)의 중심에 기계 가공된다.

도 14p 및 도 14q는 커빅 록아웃 톱니(curvic lockout teeth)를 갖는 출력 디스크(1500)를 나타낸다. 기어 트레인이 또한 자체 잠금 및 잠금 해제 동작을 허용하는 이 실시예에서는, 그 두 세트들 모두가 이 예시적인 실시예에서 커빅인 내부 톱니(1540) 및 외부 톱니(1510)가, 핀들(1560)로부터 디스크(1500)의 반대편 측면 상에 추가된다. 잠금 해제 핀들(1560)을 필요로 하지 않는 대안의 실시예는 원통형의 프로파일을 유지할 수 있다. 잠금 해제 기능들을 갖는 이 실시예에서는, 원추형 팁(conical tip)들(1570)이 사이클로이드 로터(1900) 상의 대응하는 변형부(1910)와 상호작용하기 위해 각 잠금 해제 핀(1560)의 자유단(free end)에 적용되었다. 당업자는 이러한 변형들이 로터(1900)와 출력 디스크(1500) 사이에서 일치하는 한 다른 변들도 가능하다는 것을 인식할 것이다. 커빅 톱니(1510)는 근위면 상의 톱니(1240)와 인터페이스하고, 톱니(1540)는 면(1300) 상의 톱니(1340)와 인터페이스한다. 톱니(1540)는 톱니(1510)보다 길며, 이에 따라 톱니(1540)가 맞물린 상태로 유지되는 한편 톱니(1510)는 맞물림 해제된다. 챔퍼링된 에지 변형부들(1520)은 톱니(1510)의 잠금 및 잠금 해제 동작을 향상시키기 위해 적용될 수 있다. 그루브(1530)가 톱니(1540)에 기계 가공됨으로써 리테이닝 링(도시하지 않음)이 설치될 수 있도록 한다.

도 14q는 도 14p와 관련된 디스크(1500)의 뒷면을 나타낸다. 디스크(1500)는 그 위에 톱니(1540)가 장착되는 바깥쪽으로 연장되는 환형 링(1580)을 포함한다.

도 14r은 본 예시적인 실시예에서 나타내는 편심의, 교차하지 않는 샤프트들의 경우에 설치되는 키 링(keyed ring)(1800)을 나타낸다. 외부 링(1810)은 본체(1100) 내에 동심적으로 맞춰지며, 이에 따라 본체(1100)에 대한 외부 링(1810)의 회전이 방지된다. 마찬가지로, 키 홈(1820)은 편심 입력 디스크(1600)의 평면 이동을 계속 허용하면서 그것의 회전은 방지한다.

원위 링크(1400)에 대한 원위 링크 본체(1100)의 움직임은 다음과 같이 설명된다. 정지 상태에서는, 모든 커빅 톱니가 맞물려서, 외부 하중들의 영향 하에서도, 링크들 간의 상대적 움직임이 방지된다.

(어느 한 방향으로) 움직임을 시작하기 위해, 편심 구체(1700)를 가진 입력 디스크가 근위 링 본체(1100)와 동심인 그것의 종축(1704)을 중심으로 회전하기 시작한다. 구체 수용기(1650) 내의 편심 입력 디스크(1600)의 수평면에서의 구체(1720)의 편심 회전은 편심 입력 디스크(1600)로 하여금 수평면에서 병진 이동하게 하는 캠으로서 작용한다.

키(1620)는 키 홈(1820) 내에서 이동하며, 이에 따라 디스크(1800)에 대한 입력 디스크(1600)의 임의의 회전을 방지한다.

사이클로이드 로터(1900)의 입력 프로파일(1920)은 출력부(1630)와 동심이다. 이것은 결국 로터 프로파일(1930)을 사이클로이드 하우징 프로파일(1220)에 대해 편심 운동으로 움직이게 한다. 자체-잠금 없는 간단한 기어 트레인의 경우, 이러한 운동으로 인해 출력 디스크(1500)가 회전하게 된다.

자체-잠금을 갖는 예시적인 실시예에서, 근위면(1200) 상의 톱니(1240)와 초기에 맞물리는 커빅 톱니(1510) 및 면(1300) 상의 톱니(1340)와 초기에 맞물리는 출력 디스크(1500) 상의 커빅 톱니(1540)의 두 세트로 인해, 근위 하우징 및 면(1100 및 1200)도 출력 디스크(1500)도 모두 회전할 수 없다. 따라서, 로터(1900)를 회전시키는 사이클로이드 로터(1900)의 편심 운동은 출력 디스크(1500) 상의 핀들(1560)의 원추형 변형부(1570)에 대하여 원추형 변형부(1910)에 힘을 가한다. 이 힘은 핀(1320)과 동심을 유지하면서 전체 출력 디스크(1500)를 상향으로 병진 이동하게 한다. 이 운동에 저항하여 출력 디스크(1500)를 잠금 위치로 복귀시키는데 필요한 에너지를 저장하는 출력 디스크(1500)와 사이클로이드 로터(1900) 간의 스프링은 도시되어 있지 않다. 스프링은 웨이브 스프링, 헬리컬 스프링(helical spring) 또는 다른 적절한 타입의 스프링일 수 있다.

사이클로이드 로터(1900)의 소정의 각 변위가 발생한 이후에, 출력 디스크(1500)는 커빅 톱니(1510)와 톱니(1240)의 톱니 쌍을 맞물림 해제하기에 충분히 멀리 상향으로 병진 이동하는 반면, 톱니(1340)와 톱니(1540)는 맞물린 상태로 유지된다. 이것은 출력 디스크(1500)와 핀 사이의 상대 회전을 방지하면서, 본체 및 면(1100 및 1200)이 본체 및 면(1300) 그리고 링크(1400)에 대해 회전할 수 있게 한다.

후속 운동의 잠금 해제 시에, 사이클로이드 로터(1900)의 회전으로 인해 핀(1320) 및 면(1300)에 대하여 면(1200) 및 링크(1100)가 회전하게 된다. 톱니(1510)는 스프링의 압력 하에 1240을 따라 놓여지게 된다.

면(1300)에 대한 면(1200)의 충분한 회전이 발생하고 나면, 한 칸 전진된 톱니(1510 및 1240)가 다시 정렬되어진다. 이 시점에서, 스프링은 출력 디스크(1500)가 후퇴 이동하도록 힘을 가함으로써, 톱니(1510 및 1240)를 다시 맞물리게 하여 회전 운동을 다시 잠금시킨다.

이러한 프로세스는 링크(1400)에 대한 링크(1100)의 원하는 회전이 발생할 때까지 어느 방향으로나 반복될 수 있다.

다시 도 2를 참조하면, 종축(103)을 따르는 링크(102)의 내부가 개방되어 있어서, 도 2, 도 2a 및 도 2c에 나타낸 바와 같이, 이것을 관통하는 재료의 통과를 허용하며, 예를 들어, 플렉시블 드라이브 샤프트(505)가 링크(102)를 관통하여 연장된다. 플렉시블 드라이브 샤프트(505)의 근위 단부는 드릴(504)에 동작 가능하게 연결된다. 드라이브 샤프트(505)는 샤프트의 최소 굽힘 반경이 유지되도록 하는 전체 굽힘 반경을 갖는다.

이제 드릴 헤드(105)의 구성에 대하여 설명하도록 한다. 드릴 헤드(105)가 도 15 내지 도 25에 상세히 나타나 있다. 드릴 헤드(105)의 단면도가 도 16에 제공되어 있으며, 드릴 헤드(105)의 내부에 대한 확대도가 도 16a에 제공되어 있다.

드릴 헤드(105)는 로봇(100)에서 가장 인접한 링크(102)와 상호연결되는 원위 단부(502)를 포함한다. 드릴(504)은 드릴 헤드(105)의 근위 단부(506)에 위치한다. 예시적인 실시예에서, 드릴(504)은 근위 팁(508), 및 드릴 헤드(105) 내로 연장되는 긴 샤프트(elongate shaft)(510)를 포함할 수 있다. 대 직경(적어도 로봇(100)의 폭만큼 큰) 구멍들을 내는 동심원 드릴(514)은 근위 팁(508)과 샤프트(510) 사이에 위치한다. 도 16에서 드릴 헤드(105)의 단면도에 나타낸 바와 같이, 샤프트(510)는 드릴 헤드(105)의 근위 단부(506)에 대해 위치된 칼라(516)를 포함할 수 있다. 도 17에 상세히 나타낸바와 같이, 드릴(504)의 원위 단부(518)는 드라이브 샤프트(520)(도 16에 나타냄)에 의한 후속 회전을 허용하는 육각형 샤프트(hexagonal shaft)(519)를 포함한다.

전술한 링크(102)와 유사하게, 드릴 헤드(105)는 외부 하우징(521) 및 텔레스코핑 내부 실린더(telescoping inner cylinder)(522)를 포함한다. 드릴 헤드(105)는 링크(102)에 포함된 여러 부품들을 포함하므로, 링크(102)의 요소 번호들에 대한 참조가 적절한 도면 번호들과 함께 여기서 사용될 것이다.

외부 하우징(521)이 도 18에 상세히 나타나 있다. 외부 하우징(321)은 드릴 헤드(105)의 종축(509)(도 16에 나타냄)에 일반적으로 직각으로 연장되는 원위 단부(530), 및 근위 단부(532)를 포함한다. 일련의 내부 나사산들(534)이 원위 단부(530)로부터 근위 단부(532)를 향해 연장된다. 예시적인 실시예에서, 내부 나사산들(534)은 단일 나선을 형성한다. 복수의 종 방향 슬롯들(536)이 외부 하우징(521)의 길이를 연장시킨다. 슬롯들(536)은 드릴 헤드(105) 내의 비회전 요소들이 자신의 바로 옆 근위 링크(102)에 대해 드릴 헤드(105)의 작동 중에 종방향으로 병진하게 되는 트랙을 형성한다.

내부 실린더(522)가 도 19에 상세히 나타나 있다. 내부 실린더(522)는 실린더(522)의 근위 단부(538)로부터 반경 방향 외측으로 연장되는 종방향 연장 탱(tang)들(540)을 포함한다. 탱들(540)은 외부 하우징(521) 내의 슬롯들(536)을 따라 종방향으로 연장되어 슬라이딩함으로써, 드릴 헤드(105)를 종 방향으로 연장/수축시킨다. 내부 실린더(522)의 근위 단부(538)의 내부가 도 19a에 나타나 있다. 근위 단부(538)는 드릴 헤드(105)의 구성 요소들이 장착되는 일련의 감소하는 동축 원통형 통로들(544, 546, 548)을 포함한다. 이러한 구성 요소들은 아래에서 자세히 설명될 것이다.

실린더(522)의 원위 단부(542)는 종축(509)에 대해 각도 Φ로 연장되는 각진 면(angled face)을 포함한다. 예시적인 실시예에서, Φ가 약 22.5°이지만, 당업자는 Φ의 값의 정수 배수가 90°인 한, Φ가 다른 값들일 수도 있음을 인식할 것이다.

드릴 헤드 출력 드라이브(550)가 도 20에 상세히 나타나 있다. 출력 드라이브(550)는 드릴(504) 상의 육각형 샤프트(519)와 맞물리는 크기를 가진 일반적으로 육각형의 통로(552)를 포함한다. 출력 드라이브(550)는 근위 단부(554), 원위 단부(556), 및 근위 단부(554)와 원위 단부(556) 사이에서 연장되는 좁고 기다란 실린더(558)를 포함한다.

드릴 헤드 너트(drill head nut)(560)가 도 21 및 도 21a에 상세히 나타나 있다. 너트(560)는 외부 하우징(521)의 나사산들(534)과 맞물리는 크기를 가진 나사산들(564)을 갖는 나사산 근위 단부(562)를 포함한다. 또한, 너트(560)는 출력 드라이브(550)의 근위 단부(554)를, 출력 드라이브(550)의 근위 단부(554)와 너트(560)의 근위 단부(562) 사이에 위치된 제 1 베어링 조립체(568)와 함께 수용하는 크기를 가진 내부 통로(566)를 포함한다.

3개의 반경 방향으로 이격된 통로들(570)은 너트(560)의 원위 벽(572)을 통해 연장된다. 원위 방향으로 연장하는 슬리브(572)는 원위 벽(372)로부터 외측으로 연장된다.

링크(102)에 대해 전술한 사이클로이드들과 유사한 제 1 드릴 헤드 사이클로이드(580)는, 캠(221)과 유사한 캠(584) 상에 장착된 베어링 조립체(200)와 유사한 베어링 조립체(582)를 포함한다. 캠(221)은 출력 드라이브(550)의 근위 단부(554) 상에 장착된다. 도 22에 상세히 나타낸 사이클로이드 로터(590)가 너트(560) 내의 내부 통로(566) 내에 삽입되어, 베어링 조립체(582)를 유지한다. 도 23에 상세히 나타낸 사이클로이드 하우징(592), 및 도 24에 나타낸 출력 디스크 드릴 헤드 허브(594)로 제 1 드릴 헤드 사이클로이드(580)가 완성된다.

제 2 베어링 조립체(596)가 너트(560)의 원위 연장 슬리브(522) 상에 장착되어 내부 실린더(522)의 원통형 통로(544) 안으로 삽입된다. 제 3 베어링 조립체(598)가 제 2 베어링 조립체(596)의 원위에 장착되고, 또한 너트(576)의 원위 연장 슬리브(574) 상에 장착되어, 내부 실린더(522)의 원통형 통로(546) 안으로 삽입된다.

제 4 베어링 조립체(600)가 원통형 통로(548)의 원위에 장착되고, 출력 드라이브(550)의 원위 단부(556) 상에 장착된다. 스페이서(602)는 내부 실린더(522)로부터 제 4 베어링 조립체(600)를 이격시킨다.

제 1 드릴 헤드 사이클로이드(580)와 유사한 제 2 드릴 헤드 사이클로이드(603)는, 도 25에 상세히 나타나 있는 출력 디스크(604), 사이클로이드 하우징(592) 및 사이클로이드 로터(590)를 포함한다. 제 5 베어링 조립체(606)는 사이클로이드 로터(590)의 원위 단부에 장착된다. 제 6 베어링 조립체(610)가 제 5 베어링 조립체(606)의 원위에 장착되고, 제 7 (추력) 베어링 조립체(612)가 제 6 베어링 조립체(610)의 원위에 장착된다.

예시적인 실시예에서, 로봇(100)에 사용하기 위한 전술한 모터들은 일반적으로 약 5 내지 약 40,000 RPM 사이에서 작동하는 고속, 저토크 모터이며, 약 10 milN 뉴턴-미터의 토크를 상향으로 발생시킨다. 이 모터들은 2 Amps, 24 V DC에서 작동한다. 예시적인 실시예에서, 도 14f에 상세히 나타나 있는 와이어 코어(400)는, 예를 들어 모터용 2개의 통신 도체(404, 406) 및 2개의 전력 도체(408, 410)를 갖는 일반적으로 환형인 본체(402)를 포함한다.

인접한 링크들(102) 사이에 무선 전기 연결을 제공함으로써 각각의 링크들(102)의 모터들 및 드릴 조립체(105)에 전력을 제공하기 위해, 각각의 링크(102) 양 단부에 슬립 링(slip ring)들(도시하지 않음)이 제공될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 5개 도체 슬립 링이 사용될 수 있다. 또한, 각각의 링크 요소들의 상대 위치 및 인접한 링크들(102)의 상대 위치를 결정하기 위해, 인코더 (도시하지 않음) 또는 다른 공지 된 각도 위치 측정 장치가 링크 (102)의 다양한 위치에 제공될 수 있다. 또한, 링크(102)의 길이 및 인접한 링크들(102) 사이에 가해지는 외부 힘을 측정하기 위해, 센서들(도시되지 않음)이 또한 제공될 수 있다.

도 1에 나타낸 예시적인 실시예에서, 로봇(100)의 근위 단부는, 로봇(100)으로 하여금 예를 들어, 목재, 콘크리트 또는 다른 물질과 같은 고체 물질을 뚫을 수 있게 하여, 로봇(100)이 그 물질을 관통하여 스스로 나아가게 할 수 있는 드릴 조립체(105)를 구비하고 있다. 또한, 로봇(100)의 근위 단부는 비디오 카메라(도시하지 않음)를 포함하며, 이에 따라 오퍼레이터는 드릴(504)의 영역에서 로봇(100)이 마주치게 되는 부분 및 비디오 카메라용 광을 제공하는 라이트(도시하지 않음)를 볼 수 있게 된다.

로봇(100)은 도 26에 나타낸 바와 같은 스풀(700)에 보관될 수 있다. 로봇(100)을 사용하기 위해, 로봇(100)이 스풀(700)로부터 적어도 일부 풀어질 수 있으며, 드릴링될 위치에 있는 장애물에 대하여 드릴(105)이 배치되고 턴온되어, 드릴(105)이 그 장애물을 드릴링하기 시작한다. 스풀(700)은 드라이브 샤프트(505)에 회전 에너지를 제공하는 모터(도시하지 않음)를 포함한다. 또한, 텐셔너(tensioner)(도시하지 않음)가 필요한 장력을 유지하고, 사용 가능한 드라이브 샤프트(505)의 길이를 제어한다.

로봇(100)이 장애물을 충분히 지나가고 나면, 로봇(100)은 자체 추진하여 후속의 장애물들을 드릴링할 수 있게 된다.

이제 로봇(100)의 동작에 대하여 설명하도록 한다. 각 링크(102)는 3개의 개별 운동을 할 수 있다: 이전 링크(102)의 핀(122)에 대한 회전, 링크(102)의 연장(내부 실린더(118)에 대한 외부 하우징의 종 방향 병진 이동) 및 각 링크(102)에서의 핀(122)의 회전.

이러한 운동들 각각은 다음과 같이 설명될 수 있다. 정지 상태에서는, 인접한 링크들(102)의 회전 조인트들이 로킹되며, 이에 따라 링크들(102) 내의 모터로부터의 어떠한 외부 에너지 입력 없이, 링크들(102)이 서로에 대한 정지 상태를 유지하게 된다.

링크(102)에 있는 핀(122)을 회전시키기 위해, 다음의 단계들이 이루어진다. 처음에 스페이서(172) 상의 돌출부들(178)이 링크의 본체(118) 상의 톱니와 맞물리게 된다. 웨이브 스프링(130)(도 7c에 나타내지 않음)이 현재 압축되어 있으며, 톱니를 분리시키고 스페이서(172)를 상향 이동시키려고하는 힘을 가한다. 나선 볼 조정기(154)에 부착된 램프(158) 및 볼들(170)을 통해 하향 압력이 적용됨으로써 시스템을 제 위치에 유지하게 된다. 스페이서(172) 상에 위치한 탭들(182)이 회부 하우징(108)의 슬롯들/키 홈들(115) 내를 이동한다. 탭들(182)이 스페이서(172)에 부착되어 있기 때문에, 이 탭들(182)이 현재 내부 실린더(118)에 로킹되어 있는, 외부 하우징(108)과 스페이서(172) 사이의 회전 운동을 방지하게 된다. 핀(122)이 외부 하우징(108)의 단부에서 플레이트(113)에 부착된다.

외부 하우징(108) 및 부착된 핀(122)이 내부 실린더(118)에 대해 회전하도록 하기 위해, 이 예시적인 구성에서는 다음의 동작들이 이루어진다. 먼저, 나선 볼 조정기(154)와 동심인 모터 스테이터(142)가 내부 실린더(118)에 대해 회전 가능하며 병진적으로는 고정된다. 제 1 모터(140)에 전원을 인가하면 나선 볼 조정기(154)에 회전 가능하고 병진적으로 로킹되는 로터(144)가 회전하게 된다. 이것은 결국 내부 실린더(118)에 대해 나선 볼 조정기(154)를 회전시킨다. 이 회전으로 인해 볼 조정기(154)의 바닥에 있는 램프들(158)이 통로(173) 내에 구속되어 있는 볼들(170)에 대해 회전하게 된다. 이것은 결국 볼들(170)이 너트(162)에 대해 종 방향으로 병진 이동하지만 회전은 하지 않게 할 수 있다. 램프들(158)의 회전으로 인해 볼들(170)이 종 방향으로 병진 이동할 수 있으며, 스프링(130)에 의해 가압된 스페이서(172)에 의해 밀어내지게 된다. 스페이서(172)가 위로 이동할 경우, 스페이서(172)는 내부 실린더(118) 상의 돌출부들(119)을 동시에 맞물림 해제하는 한편, 너트(162) 상의 톱니(168)를 맞물리게 한다. 이 시점에서, 톱니(168 및 178)가 완전히 맞물리며, 너트(162) 및 스페이서(172)가 함께 회전하게 된다. 키들(182)이 외부 하우징(1080 상의 슬롯들(115)에 맞물리기 때문에, 이것은 스크류 작동을 회피하여 간단하게 외부 하우징(108)으로 하여금 내부 실린더(118)에 대해 너트(162) 및 스페이서(172)와 함께 회전하게 한다. 핀(122) 및 앵글 플레이트(angle plate)(113)가 또한 하우징(110)에 부착되기 때문에, 이러한 작동의 결과 내부 실린더(118)에 대하여 핀(122)이 회전하게 된다.

본체(118)에 대해 외부 하우징(110)을 회전시키는데 필요한 토크를 제공하기 위해, 다음의 운동들이 이루어진다. 모터(250)는, 모터(250)로부터 고속을 취하고 나서 속도를 감소시키면서 토크를 증가시키는 2-단계 사이클로이드 감속기(200-240)를 구동한다. 너트 나사 조립체(162)에 부착되는 출력 디스크(194)는 너트(162)를 회전시킴으로써, 스페이서(172)를 회전시키고, 이에 따라 탭들(182)이 외부 하우징(108)의 슬롯들(115)에 맞물리기 때문에 회전을 발생시킨다.

내부 실린더(118)에 대한 외부 하우징(108)의 원하는 각도 회전이 달성될 경우에는, 전술한 프로세스의 반대가 되는 것이 이루어진다. 모터 스테이터(142)가 로터에 토크를 입력하고, 이것이 나사 조정기(154) 및 램프들(158)을 회전시킴으로써, 스페이서(172) 상의 환형 플레이트(180)에 대하여 하향으로 볼들(170)을 가압하게 된다. 이러한 동작은 서로로부터 핀들(168)과 돌출부들(178)을 맞물림 해제시키는 한편, 톱니(118 및 184)와 맞물리고 스프링(130)을 압축하게 한다. 이러한 동작은 스페이서(172)와 내부 실린더(118) 사이의 회전을 잠그는 한편, 너트(162)가 스페이서(172) 및 내부 실린더(118)에 대해 다시 한번 회전하여 링크(102)를 전술한 초기 상태로 복귀시킬 수 있게 한다.

링크(102)를 연장/수축시키기 위해, 다음의 단계들이 이루어진다. 이러한 운동은 스페이서의 톱니(184)가 본체(118)의 톱니와 맞물리는 것이다. 모터(250)가 (전술한 바와 같이) 기어 트레인을 회전시키며, 이에 따라 너트(162)가 스페이서(172) 상의 탭들(182)을 통해 본체(118)에 대해 회전 가능하게 고정된 외부 하우징(108)에 대하여 회전하게 된다. 이러한 상대적 회전은 외부 하우징 상의 나사산(114)과 너트(162) 상의 나사산들(166)을 맞물리게 하며, 이에 따라 외부 하우징(108)이 내부 실린더(118)에 대하여 연장되게 된다. 모터(250)의 입력 방향/토크를 반전시키면 외부 하우징(108)이 내부 실린더(118)를 향해 수축하게 된다. 연장 및 수축 프로세스들 동안에는, 스페이서(172) 상의 키들(182)이 외부 하우징(108) 상의 슬롯들(115) 내에서 슬라이딩하여, 외부 하우징(108)이 내부 실린더(118)에 대하여 회전하게 되는 것을 방지한다.

인접한 링크(102)의 핀(122)에 대하여 링크(102)를 회전시키기 위해, 다음 단계들이 이 예시적인 실시예에서 이루어진다. 사이클로이드 드라이브로부터의 출력 디스크(220)가 입력 샤프트(310)를 회전시킨다. 베벨 기어(304) 상의 톱니(316)가 도 14b에 나타낸 바와 같이 맞물리게 된다. 톱니(316)가 맞물려 있으므로 출력 샤프트(320)가 회전할 수 없기 때문에, 출력 샤프트(320)에 대한 샤프트(310)의 회전이 스프링(130)에 에너지를 형성하게 되며, 이에 따라 샤프트(310) 및 베벨 기어(304)에 부착된 핀(322)이 측 방향으로 이동하게 된다. 이것은 결국 베벨 기어(304)로부터 멀어지도록 베벨 기어(302)를 당기게 된다. 그 후에, 스프링(130)이 플레이트(113)로부터 멀어지도록 베벨 기어(304)를 밀어낸다. 도 14c에서는, 수형 핀(122) 상의 톱니(124)가 베벨 기어(304) 상의 내부 톱니(308)와 맞물린채로 있음에 유의한다.

핀(122)이 플레이트(113) 상의 외부 커빅 톱니(115)와 톱니(316)가 더 이상 맞물리지 않을 정도로 충분히 멀어지도록 기어들(302 및 304)을 당기고 나면, 플레이트(113) 및 내부 실린더(118)가 베벨 기어(304)에 대해 기어(302)와 함께 회전하기 시작하며, 이것은 더 긴 커빅 톱니(124)가 톱니(308)와 맞물린채로 남아 있을 때 이전 링크로부터 수형 핀(126)에 회전 가능하게 고정된다. 리테이닝 링(117)에 의해 분리가 방지된다.

스프링(113)이 베벨 기어(302) 및 결국 베벨 기어(304)에 측방향 힘을 가함으로써, 베벨 기어(304)의 톱니(316)가 도 14d에 나타낸 바와 같이 플레이트(113) 상의 톱니 상부를 따라 놓여지게 된다.

베벨 기어(304) 상의 톱니(316)와 플레이트(113)가 다시 정렬되도록 충분히 회전한 이후에, 스프링(130)으로부터의 힘이 베벨 기어(302)로 하여금 플레이트(113)와 기어(304) 사이의 스프링(130)으로부터의 스프링 력을 극복하게 한다. 이러한 동작으로 인해 플레이트(113) 및 베벨 기어(304) 상의 외부 커빅 톱니가 폐쇄되며, 이에 따라 인접한 링크들 사이의 회전이 로킹된다.

이상 열거한 단계들은 하나의 커빅 톱니 간격보다 큰 회전을 달성하기 위해 여러번 반복될 수 있다. 또한, 이 메커니즘은 모터(250)의 회전을 역전시키는 것 이외에는 어떠한 추가 액추에이터들을 필요로 하지 않으며 양방향으로 작동하도록 설계된다.

드릴 헤드(105)의 목적은 플렉시블 드라이브 샤프트(520)에서의 고속, 저토크 회전 에너지를 저속, 고토크 에너지로 변환시켜 드릴(504)을 회전시키는 것이다. 또한, 드릴 헤드(105)는 작업 재료를 관통하여 드릴(504)을 전진시키는데 필요한 추력을 적용한다.

공간을 절약하기 위해, 드릴(504) 및 외부 하우징(521)의 연장은 비트(504)의 회전 움직임에 기계적으로 결합된다. 본질적으로, 드릴(504)이 더 고속으로 회전할수록, 더 고속의 드릴(504)이 내부 실린더(522)의 형태를 연장시키게 된다. 이것은 기존의 기계가공 공구들 상의 기계적 피드와 유사하다. 또한, 드릴 헤드(105) 내에 추가의 액추에이터를 사용함으로써 드릴 회전과 독립적으로 연장이 이루어질 수 있다.

고속 회전 에너지가 플렉시블 드라이브 샤프트(520)를 통해 들어간다. 그 다음, 샤프트(520)가 사이클로이드 드라이브(도시하지 않음)의 입력 캠에 부착되고, 스러스트 베어링(thrust bearing)(612) 및 레이디얼 베어링(radial bearing)(610)에 의해서 지지된다. 그 다음, 이것이 로터 하우징(592) 내에서 사이클로이드 로터(550)를 이동시킴으로써, 그것의 속도를 감소시키고 드릴링을 위한 필수 값들로 토크를 증가시킨다. 출력 디스크(603)는 원하는 속도로 회전하며, 커플러(550)에 부착된다.

커플러(550)는 2가지 주된 목적을 제공한다. 첫번째 목적은 회전 에너지를 드릴(504)에 전달하는 것이다. 드릴(504)이 움직이지 않게 되는 경우 구동 샤프트(510)를 보호하기 위해 원위 단부(556)로부터 키/브로치 출력(552)으로 전달될 수 있는 토크의 양을 제한하는 공지된 간단한 클러치 메커니즘(도시되지 않음)이 제공된다. 근위 단부(554)에는 제 2 편심 캠(584)이 있다. 캠(584)은 제 2 감속기를 위한 입력부이다. 캠(584)은 하우징(592) 내에서 편심 로터(590)를 이동시킨다. 이러한 구성에서는, 출력 디스크 및 핀들(594)이 드릴 본체(522)에 회전 가능하게 고정된다. 이로 인해 하우징(592)이 입력 부재(554)보다 느린 속도로 회전하게 된다. 하우징(592)은 너트(560)에 견고하게 부착된다. 기어 트레인이 너트(560)를 회전시킴으로써 나사산들(561)이 외부 하우징(506)의 내부 나사산들(534)과 맞물리게 한다. 내부 실린더(522)에 대한 외부 하우징(521)의 회전은 내부 실린더(522)에 기계 가공된 키들(540)이 슬롯들(536)에 놓여지는 것에 의해 방지된다. 따라서, 너트(560)와 외부 하우징(506)의 상대적 회전으로 인해 드릴(504)이 전진하게 된다.

샤프트(518/519) 상의 키들이 출력 드라이브(550)의 메이팅 컷아웃(552) 내에 놓이게 됨에 따라, 드릴(504)에 대한 회전 움직임은 위치 변화와 관계없이 유지된다. 드릴(504)이 움직이지 않게 되는 경우, 출력 드라이브(550) 상의 클러치 메커니즘은 캠(584)이 계속 회전함으로써 드릴(504)이 회전할 수 있는지의 여부와 관계없이 드릴(504)이 떠어내지거나 폐기될 수 있도록 포지셔닝된다.

드릴(504)의 팁(508)은, 드릴(504)이 드릴 헤드(105)에 관한 종축(509)에 대하여 약 0도 내지 약 45도 기울어질 경우 팁(508)이 톱니(514) 절삭 이전에 맞물릴 수 있을 만큼 충분히 길도록 설계된다. 플랜지(516)는 외부 하우징(506) 내에서 베어링 조립체(582)에 의해 지지되도록 설계된다.

본 발명의 본질을 설명하기 위해 설명되고 도시된 부품의 세부 사항, 재료 및 배치에 대한 다양한 변경들이 하기 청구범위에 기재된 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims

스네이크형(snake-like) 로봇에 있어서, 상기 스네이크형 로봇은
제 1 원위 단부(distal end), 제 1 근위 단부(proximal end), 및 상기 제 1 원위 단부와 상기 제 1 근위 단부 사이에서 연장되는 제 1 종축을 갖는 제 1 링크; 및
제 2 근위 단부, 상기 제 1 종축에 대해 비스듬히 연장되는 제 2 플레이트에 의해 상기 제 1 근위 단부에 동작 가능하게 결합되는 제 2 원위 단부, 및 상기 제 2 근위 단부와 상기 제 2 원위 단부 사이에서 연장되는 제 2 종축을 포함하는 제 2 링크를 포함하고,
상기 제 1 링크는,
내부 나사산 및 상기 제 1 종축에 대해 비스듬한 평면으로 연장되는 제 1 플레이트를 갖는 외부 하우징; 및
외부 나사산을 가진 내부 실린더를 포함하며,
상기 제 1 플레이트는, 상기 제 1 플레이트로부터 연장되는 복수의 제 1 핀을 가지고,
상기 내부 실린더는 상기 내부 나사산과 상기 외부 나사산의 맞물림에 의해 상기 외부 하우징에 대해 회전 가능하게 결합되고,
상기 제 2 플레이트는 상기 복수의 제 1 핀과 해제 가능하도록 맞물리는 복수의 제 2 핀을 가지고,
상기 제 2 링크에 대한 상기 제 1 링크의 회전이 다음의 효과들, 즉
(a) 상기 내부 실린더에 대해 상기 외부 하우징을 회전시켜, 상기 외부 하우징과 상기 내부 실린더를 맞물림에 의한, 상기 로봇의 신장(elongation);
(b) 상기 복수의 제 1 핀을 상기 복수의 제 2 핀으로부터 해제시키고, 상기 제 2 플레이트에 대해 상기 제 1 플레이트를 회전시키고, 상기 복수의 제 1 핀과 상기 복수의 제 2 핀을 다시 맞물림으로써, 상기 제 2 종축에 대한 상기 제 1 종축의 피봇(pivoting); 및
(c) 상기 제 2 플레이트가 상기 제 1 플레이트와 맞물리는 동안, 상기 외부 나사산으로부터 상기 내부 나사산을 풀어, 상기 내부 실린더에 대해 상기 외부 하우징과 상기 제 1 플레이트를 회전시킴으로써, 상기 제 2 종축에 대한 상기 제 1 종축의 회전
을 번갈아 수행하는, 스네이크형 로봇.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 근위 단부에 결합되는 엔드 이펙터(end effector)를 더 포함하는, 스네이크형 로봇.
제 2 항에 있어서,
상기 엔드 이펙터는 상기 제 2 근위 단부에 기계적으로 결합되는, 스네이크형 로봇.
제 2 항에 있어서,
상기 제 1 링크 및 상기 제 2 링크를 관통하여 연장되는 구동 샤프트를 더 포함하며, 이에 따라 상기 구동 샤프트가 상기 엔드 이펙터를 조작하는, 스네이크형 로봇.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 링크는 상기 제 1 원위 단부와 상기 제 1 근위 단부 사이에서 연장되는 제 1 축 방향 통로를 포함하고, 상기 제 2 링크는 상기 제 2 원위 단부와 상기 제 2 근위 단부 사이에서 연장되는 제 2 축 방향 통로를 포함하며, 이에 따라 상기 제 1 축 방향 통로와 상기 제 2 축 방향 통로 사이에 연통이 제공되는, 스네이크형 로봇.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 링크는 상기 제 1 종축에 대해 경사진 각도로 연장되는 제 1 근위면(proximal face)을 포함하며, 상기 각도는 360°/n이고, 상기 n은 정수인, 스네이크형 로봇.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 링크와 상기 제 2 링크 사이에 배치되는 바이어싱 부재(biasing member)를 더 포함하며, 이에 따라 상기 바이어싱 부재가 상기 제 1 링크 및 상기 제 2 링크를 서로로부터 멀어지도록 바이어싱하는, 스네이크형 로봇.
제 1 항에 있어서,
상기 내부 실린더는 상기 외부 하우징에 대해 종 방향으로 평행하게 이동 가능한, 스네이크형 로봇.
제 8 항에 있어서,
상기 제 1 근위 단부는 그로부터 원위 방향으로 연장되는 방사상으로 이격된 복수의 톱니를 포함하는, 스네이크형 로봇.
제 8 항에 있어서,
상기 내부 실린더에 동작 가능하게 결합되는 제 1 모터를 더 포함하며, 이에 따라 상기 제 1 모터의 회전이 상기 내부 실린더를 회전시키는, 스네이크형 로봇.
제 10 항에 있어서,
상기 제 1 모터는 상기 내부 실린더의 근위의, 상기 외부 하우징에 배치되는, 스네이크형 로봇.
제 10 항에 있어서,
상기 내부 실린더의 근위의, 상기 외부 하우징에 배치되는 볼 조정기(ball adjuster)를 더 포함하며, 이에 따라 상기 제 1 모터가 상기 볼 조정기에 배치되는, 스네이크형 로봇.
제 12 항에 있어서,
상기 볼 조정기는 원위 단부 및 상기 원위 단부로부터 원위 방향으로 연장되는 복수의 램프(ramp)들을 구비하는, 스네이크형 로봇.
제 13 항에 있어서,
외부 하우징과 나사식으로 맞물리는 근위 단부 및 상기 근위 단부의 원위 방향으로 연장되는 복수의 윈위 핀(distal pin)들을 구비하는 베어링 지지 포스트(bearing support post)를 더 포함하며, 상기 베어링 지지 포스트는 상기 볼 조정기와 동작 가능하게 맞물리는, 스네이크형 로봇.
제 14 항에 있어서,
상기 볼 조정기의 회전은 상기 베어링 지지 포스트를 종 방향으로 변위시키는, 스네이크형 로봇.
제 10 항에 있어서,
상기 제 1 모터에 동작 가능하게 결합되는 감속기(speed reducer)를 더 포함하는, 스네이크형 로봇.
제 16 항에 있어서,
상기 감속기는 사이클로이드 구동 조립체(cycloidal drive assembly)를 포함하는, 스네이크형 로봇.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 근위 단부에 동작 가능하게 결합되는 드릴 조립체(drill assembly)를 더 포함하는, 스네이크형 로봇.
제 18 항에 있어서,
상기 드릴 조립체는,
외부 드릴 하우징(outer drill housing); 및
상기 외부 드릴 하우징과 나사식으로 맞물리는 내부 드릴 너트(inner drill nut)를 포함하며, 이에 따라 상기 외부 드릴 하우징에 대한 상기 내부 드릴 너트의 회전에 의해 상기 내부 드릴 너트에 대해 상기 외부 드릴 하우징이 종 방향으로 평행하게 이동가능한, 스네이크형 로봇.
제 18 항에 있어서,
상기 드릴 조립체는,
드릴 헤드(drill head); 및
상기 드릴 헤드에 동작 가능하게 결합되는 감속기를 포함하는, 스네이크형 로봇.
제 20 항에 있어서,
상기 감속기는 사이클로이드 구동 조립체를 포함하는, 스네이크형 로봇.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 원위 단부는 기계식 드라이브를 포함하고, 상기 기계식 드라이브는,
그것의 원위 단부에 편심체(eccentric body)가 장착되는 입력 샤프트;
상기 편심체에 동작 가능하게 결합되는 입력 캠;
상기 입력 캠에 동작 가능하게 결합되는 감속기; 및
상기 감속기에 동작 가능하게 결합되는 출력부를 포함하는, 스네이크형 로봇.
제 22 항에 있어서,
상기 편심체는 구체(sphere)를 포함하는, 스네이크형 로봇.
제 22 항에 있어서,
상기 입력 캠은 상기 편심체를 수용하도록 구성된 수용기를 포함하며, 상기 입력 캠은 평면에서 평행하게 이동 가능한, 스네이크형 로봇.
제 22 항에 있어서,
상기 감속기는 사이클로이드 구동 조립체를 포함하는, 스네이크형 로봇.
제 22 항에 있어서,
상기 출력부는 제 1 세트의 잠금 톱니를 포함하는, 스네이크형 로봇.
제 26 항에 있어서,
상기 제 1 세트의 잠금 톱니는 상기 출력부의 바깥쪽 둘레 주위에서 연장되고, 상기 출력부는 상기 출력부의 안쪽 둘레를 따라 연장되는 제 2 세트의 잠금 톱니를 더 포함하는, 스네이크형 로봇.
제 22 항에 있어서,
상기 제 1 링크는 상기 제 2 링크에 견고하게 고정 가능한, 스네이크형 로봇.