KR102651944B1

KR102651944B1 - 비틀림 직렬 탄성 액추에이터

Info

Publication number: KR102651944B1
Application number: KR1020207030708A
Authority: KR
Inventors: 봉수 김; 제임스 더글라스 주니어 데백커
Original assignee: 로볼리전트, 인크.
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2024-03-26
Also published as: EP4275848A2; ES2962506T3; US20230219236A1; CN112041129A; WO2019190921A1; EP3774205B1; EP4275848A3; KR20200136460A; US20190299421A1; CA3093391A1; CN112041129B; JP7401517B2; JP2021520303A; EP3774205A1; JP2024023597A; AU2019242550A1; US11623348B2; EP3774205C0

Abstract

로봇 용례에 사용하기 위한 회전식 직렬 탄성 액추에이터(SEA)가 개시된다. SEA는 모터, 기어 트랜스미션 조립체, 스프링 조립체, 및 센서를 포함한다. 일 예에서, 로봇 조인트는 SEA 뿐만 아니라 조인트 조립체에서 서로 결합된 2개의 링크를 포함할 수 있다. 2개의 링크는 입력 및 출력 링크로 지정될 수 있다. 각각의 링크는 서로에 대해 자유롭게 회전하도록 조인트 베어링을 통해 동심으로 연결될 수 있는 조인트 하우징 본체를 가질 수 있다. SEA의 하우징 프레임은 입력 링크의 조인트 하우징 본체에서 고정될 수 있으며, SEA의 스프링 조립체의 출력 장착부는 출력 링크의 조인트 하우징 본체와 동심으로 결합될 수 있다. 모터 로터의 회전은 입력 링크에 대한 출력 링크의 회전 및 스프링 조립체의 스프링 편향을 유발한다. 2개의 링크 사이에 외력 또는 토크가 인가되면, 제어 루프의 제어 동작으로 인해 모터의 회전 및 원동력이 유발되고 스프링 조립체의 편향을 초래하여 외력/토크 및 링크와 함께 움직이는 본체 질량으로부터의 관성력과 균형을 이룰 수 있다.

Description

비틀림 직렬 탄성 액추에이터

관련 출원(들)에 대한 상호 참조

본 출원은 2018년 3월 28일자로 출원되었고 발명의 명칭이 "비틀림 직렬 탄성 액추에이터(TORSIONAL SERIES ELASTIC ACTUATOR)"인 미국 가출원 제62/649,034호에 대한 우선권을 주장하며, 상기 미국 가출원은 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.

본 명세서에서 달리 명시되지 않는 한, 이 섹션에 설명된 자료는 본 출원의 청구범위에 대한 종래 기술이 아니며 이 섹션에서의 포함에 의해 종래 기술로 인정되지 않는다.

로봇은 많은 경우에 DC, AC 모터, 유압 및 공압 액추에이터와 같은 액추에이터에 의해 동력을 받는 가동식 본체 세그먼트로 구성되는 자동화 기계이다. 많은 용례에서, 로봇은 그 본체 세그먼트의 위치, 궤적 또는 속도에 기초하여 작업을 수행하도록 설계 및 제어된다. 일반적으로, 액추에이터에는 출력 속도를 감소시키고 주어진 작업에 적절한 출력을 증가시키기 위해 기어 트랜스미션이 장착되어 있다. 액추에이터 출력의 위치 또는 속도를 검출하는 센서는 일반적으로 액추에이터의 동작을 제어하는 컴퓨팅 디바이스에 피드백 신호를 제공하도록 설치된다.

다른 용례에서, 로봇은 환경에 정확한 힘 또는 회전력을 가해야 하거나, 보다 양호한 안정성, 안전성 또는 효율성을 위해 힘에 기초한 작업을 수행하는 것이 요망된다. 예를 들어, 단단한 환경에 물리적으로 접촉할 때, 위치 제어 로봇은 불안정해질 가능성이 높은 반면 힘 제어 로봇은 그렇지 않다. 인간과 상호 작용하거나 충돌할 때, 힘 제어 로봇은 물리적 상호 작용을 준수하기 때문에 더 안전하다. 인간의 움직임을 지원할 때, 힘 제어 로봇은 인간의 신체가 힘 제어 액추에이터인 근육에 의해 동력을 받기 때문에 보다 자연스러운 상호 작용을 제공할 수 있다.

기어 감속이 있는 위치 제어 배향 액추에이터는 일반적으로 마찰 및 정지 마찰과 같은 기어 감속 단계에서 힘 비선형성으로 인해 제어 루프에서 힘 피드백 없이 출력을 정밀하게 제어하는 것이 제한된다. 힘 감지를 위한 순응 요소가 장착된 액추에이터 구성인 직렬 탄성 액추에이터(series elastic actuator)(SEA)는 고유한 안정성, 충격 내성, 및 안전성을 포함하는 여러 이점과 함께 힘 제어에서 높은 성능을 달성할 수 있다. SEA는 액추에이터, 기어 트랜스미션 조립체, 탄성 요소(예를 들어, 스프링 또는 스프링 세트), 및 센서로 구성된다. SEA의 하나 이상의 센서는 탄성 요소의 편향을 검출하는 데에 사용된다. 탄성 요소는 일반적으로 편향이 자체에 인가된 힘에 비례하는 스프링 또는 스프링 세트이다. 센서(들)가 있는 탄성 요소 또는 스프링(들)은 SEA의 출력에 대해 액추에이터와 직렬로 배치되며 힘 센서의 역할을 한다. 힘 피드백 신호를 사용하는 제어 컴퓨터의 피드백 제어 루프는 SEA의 출력을 제어한다. 본 발명은 정밀한 회전력(토크)을 제어할 수 있는 회전식 직렬 탄성 액추에이터를 포함한다.

상세한 설명은 첨부 도면을 참조하여 설명된다. 도면에서, 참조 번호의 최좌측 숫자는 참조 번호가 처음 나타나는 도면을 나타낸다. 여러 도면에서 동일한 참조 번호의 사용은 유사하거나 동일한 구성요소 또는 피처를 나타낸다.
도 1은 일부 구현에 따른 회전식 직렬 탄성 액추에이터(SEA)의 예를 예시한다.
도 2는 일부 구현에 따른 SEA를 갖는 예시적인 로봇 조인트 조립체를 예시한다.
도 3은 일부 구현에 따른 SEA가 없는 예시적인 로봇 조인트 조립체를 예시한다.
도 4는 일부 구현에 따른 로봇 조인트 조립체를 갖는 예시적인 SEA의 단면도를 예시한다.
도 5는 일부 구현에 따른 로봇 조인트 조립체를 제외한 예시적인 SEA의 단면도를 예시한다.
도 6은 일부 구현에 따른 부착된 조인트 조립체가 없는 SEA의 다른 예시적인 단면도를 예시한다.
도 7은 일부 구현에 따른 부착된 조인트 조립체가 없는 SEA의 또 다른 예시적인 단면도를 예시한다.
도 8은 일부 구현에 따라 SEA에 포함될 수 있는 예시적인 스프링 조립체를 예시한다.
도 9는 일부 구현에 따른 SEA의 스프링 조립체 내부의 내부 메커니즘을 예시한다.
도 10은 일부 구현에 따라 스프링 조립체의 내부 메커니즘에서 스트링을 조이도록 설계된 도구 팁의 예를 예시한다.
도 11은 일부 구현에 따른 SEA의 스프링 조립체의 예시적인 디스크형 스프링을 예시한다.
도 12는 일부 구현에 따른 SEA의 스프링 조립체의 디스크형 스프링의 평면도의 예를 예시한다.
도 13은 일부 구현에 따른 SEA의 스프링 조립체의 다른 예시적인 디스크형 스프링을 예시한다.
도 14는 일부 구현에 따른 SEA의 스프링 조립체의 다른 예시적인 디스크형 스프링을 예시한다.
도 15는 일부 구현에 따른 SEA의 스프링 조립체의 디스크형 스프링의 예시적인 내부 메커니즘 및 바닥 비틀림 스프링을 예시한다.
도 16은 일부 구현에 따른 SEA의 스프링 조립체의 예시적인 배열을 예시한다.
도 17은 일부 구현에 따른 SEA의 스프링 조립체의 다른 예시적인 배열을 예시한다.
도 18은 일부 구현에 따라 스페이서(314)가 제거된 SEA의 스프링 조립체의 측면도를 예시한다.
도 19는 일부 구현에 따른 SEA의 스프링 조립체의 예시적인 분해도를 예시한다.
도 20은 일부 구현에 따른 응력 하에서 디스크형 스프링의 예시적인 부분을 예시한다.
도 21은 일부 구현에 따른 응력 하에서 디스크형 스프링의 예시적인 부분을 예시한다.
도 22는 일부 구현에 따른 SEA(10)를 갖는 로봇 조인트 조립체의 다른 예시적인 분해도를 예시한다.
도 23은 일부 구현에 따른 스프링 조립체 상의 보호 커버를 갖는 SEA의 예시적인 도면을 예시한다.

로봇 용례를 위한 예시적인 액추에이터 조립체의 구현 및 실시예가 본 명세서에 설명되고 회전식 직렬 탄성 액추에이터(SEA)를 포함한다. SEA는 모터, 기어 트랜스미션 조립체, 스프링 조립체, 및 센서를 포함한다. 모터 및 기어 트랜스미션의 고정 부분은 일반적으로 SEA 하우징 프레임에서 고정된다. 모터의 회전 출력은 기어 트랜스미션의 입력 부분에 연결되고, 기어 트랜스미션의 출력 부분은 스프링 조립체의 입력 장착부와 결합된다.

스프링 조립체는 2개의 디스크형 스프링, 내부 메커니즘, 및 회전 위치 센서를 포함할 수 있다. 디스크 스프링은 동심인 원형 내부 및 외부 장착 세그먼트와, 내부 및 외부 장착 세그먼트를 연결하는 탄성 변형 가능한 나선의 세트를 포함할 수 있다. 2개의 스프링의 2개의 외부 장착 세그먼트는 스페이서를 통해 서로 결합될 수 있다. 하나의 스프링과 다른 스프링의 2개의 내부 장착 세그먼트는 각각 스프링 조립체의 입력 및 출력 장착부로 지정될 수 있다. 내부 메커니즘은 2개의 스프링 층 사이에 위치할 수 있으며 입력 및 출력 장착부 사이의 스프링 조립체의 편향을 증폭하도록 구성될 수 있다. 회전 위치 센서는 증폭된 편향을 판독하기 위해 내부 메커니즘과 결합될 수 있다. 스프링 편향의 센서 판독값은 토크값으로 변환되어 다시 제어 루프로 전달될 수 있다.

로봇 조인트에는, 조인트 조립체를 통해 서로 결합된 2개의 링크가 있을 수 있다. 2개의 링크는 입력 및 출력 링크로 지정될 수 있다. 각각의 링크는 서로에 대해 자유롭게 회전하도록 조인트 베어링을 통해 동심으로 연결될 수 있는 조인트 하우징 본체를 가질 수 있다. SEA의 하우징 프레임은 입력 링크의 조인트 하우징 본체에서 고정될 수 있으며, SEA의 스프링 조립체의 출력 장착부는 출력 링크의 조인트 하우징 본체와 동심으로 결합될 수 있다. 모터 스테이터에 대한 모터 로터의 회전은 입력 링크에 대한 출력 링크의 회전 및 스프링 편향(있다면)을 유발한다. 2개의 링크 사이에 외력 또는 토크가 인가되면, 제어 루프의 제어 동작으로 인해 모터의 회전 및 원동력이 유발되고 스프링 조립체의 편향을 초래하여 외력/토크 및 링크와 함께 움직이는 본체 질량으로부터의 관성력과 균형을 이룰 수 있다.

도면을 참조하면, 도 1은 회전식 직렬 탄성 액추에이터(SEA)(10)의 예시적인 실시예를 도시한다. 회전식 SEA는 모터(100), 기어 트랜스미션 조립체(200), 센서(예를 들어, 앱솔루트 인코더)(334)를 갖는 스프링 조립체(300), 및 다른 센서(예를 들어, 앱솔루트 인코더)를 포함한다. SEA(10)의 추가 구성요소 및 상세한 피처는 추가 도면과 관련하여 다음 단락에서 추가로 설명된다.

모터(100)는 다른 가능성 중에서 회전식 직류(direct current)(DC) 모터, 교류(alternating current)(AC) 모터, 유압 모터, 또는 공압 모터일 수 있다. 예를 들어, 모터 유형은 정류를 위해 추가적인 센서(예를 들어, 홀 효과 센서 또는 쿼드러처 인코더(quadrature encoder))를 필요로 할 수 있는 브러시리스 DC 모터일 수 있다. 모터는 고정 부분(스테이터), 회전 부분(로터), 및 로터에 부착된 모터 출력 샤프트를 포함할 수 있다. 모터는 모터 샤프트에서 회전 운동 및 원동력을 생성한다.

기어 트랜스미션 조립체(200)는 기어 트랜스미션 구성요소 세트 및 기어 트랜스미션 세트의 고정 부분이 고정되는 SEA 하우징 프레임을 포함할 수 있다. 모터(100)의 스테이터는 SEA 하우징 프레임에서도 일반적으로 접지될 수 있다. 예시적인 로봇 조인트 조립체에서, SEA 하우징 프레임은 하나의 로봇 링크에서 접지될 수 있다. 기어 트랜스미션 세트는 입력, 출력 및 고정 부분을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 기어 트랜스미션은 웨이브 생성기, 플렉스 스플라인(flex spline), 및 원형 스플라인으로 구성된 하모닉 드라이브(Harmonic Drive)일 수 있다. 본 발명의 바람직한 구성에서, 웨이브 생성기, 플렉스 스플라인, 및 원형 스플라인은 기어 트랜스미션 세트의 입력, 출력 및 고정 부분으로 각각 할당될 수 있다. 모터 출력 샤프트는 기어 트랜스미션 조립체(200)의 입력 부분에 결합되어 기어 트랜스미션에 회전 운동 및 원동력을 전달할 수 있다. 기어 트랜스미션 조립체(200)의 출력 부분은 트랜스미션 출력 부분과 결합될 수 있다. 기어 트랜스미션(200)의 출력 부분의 회전수는 기어 감속비의 계수만큼 기어 트랜스미션(200)의 입력 부분의 회전수로부터 감소될 수 있고, 모터(100)로부터 기어 트랜스미션(200)의 입력 부분에 인가되는 원동력은 기어 감속비의 계수만큼 기어 트랜스미션(200)의 출력 부분에서 증폭될 수 있다.

센서(250)는 앱솔루트 인코더 또는 전위차계일 수 있으며, 다른 가능성 중에서 타이밍 벨트를 통해 기어 트랜스미션(200)의 트랜스미션 출력 부분에 연결된 회전 샤프트를 포함한다. 센서(250)는 기어 트랜스미션 조립체의 출력의 회전 각도를 측정할 수 있다.

스프링 조립체(300)는 2개의 비틀림 스프링(360), 스페이서, 및 센서(334)를 갖는 내부 메커니즘을 포함할 수 있다. 2개의 비틀림 스프링(360) 각각은 원형 내부 장착 세그먼트(364), 원형 외부 장착 세그먼트(366), 및 내부 세그먼트와 외부 세그먼트를 연결하는 탄성 변형 가능한 나선(362) 세트를 포함한다. 2개의 스프링은 스페이서를 통해 서로 결합되며 내부 메커니즘은 2개의 스프링 사이에 있다. 하나의 스프링에 입력 장착부가 있고 조립체(300)의 다른 스프링에 출력 장착부가 있다. 스프링 조립체(300)의 입력 장착부는 기어 트랜스미션 세트(200)의 트랜스미션 출력 부분과 결합될 수 있고, 스프링 조립체(300)의 출력 장착부는 다른 로봇 링크에 연결될 수 있다. 센서(334)(예를 들어, 앱솔루트 인코더)를 갖는 내부 메커니즘은 입력 및 출력 장착부 사이에서 스프링 조립체(300)의 회전 편향을 검출한다. 스프링의 편향은 스프링 조립체의 입력 및 출력 장착부 사이에 인가된, 인가된 토크에 비례할 수 있으며, 따라서 센서(334)의 측정된 신호는 스프링 조립체에 인가된, 측정된 토크로 변환될 수 있다. 측정된 토크는 스프링 조립체의 출력 장착부에서 원하는 토크를 생성하도록 모터(100)를 제어할 수 있는 피드백 제어 루프로 피드백될 수 있다. 제어 루프에서 원하는 토크에 상당하는 외부 토크가 스프링 조립체의 출력 장착부에 인가되는 경우, 기어 트랜스미션 출력의 회전 운동과 힘을 유발하는 모터에 관한 제어 동작은 스프링 조립체를 편향시켜 외부 토크와 균형을 이루는 원하는 토크를 생성할 수 있다. 다른 한편, 스프링 조립체의 출력 장착부의 회전 위치 또는 속도는 또한 모터(100) 또는 센서(250)에서 정류 센서로부터의 위치 피드백 신호를 사용하여 모터(100)의 회전 운동을 제어하는 피드백 제어 루프에 의해 제어될 수 있다. 스프링 조립체의 출력 장착부의 각도 위치는 기어 트랜스미션의 출력 부분의 각도 위치와 스프링 조립체(300)의 편향 각도의 합일 수 있다. 기어 트랜스미션의 출력 부분의 각도 위치는 센서(250)에 의해 직접 측정되거나 다회전 모터 각도로부터 변환될 수 있다.

도 2는 SEA(10), 입력 링크(40), 및 출력 링크(50)를 포함할 수 있는 로봇 조인트 조립체의 예를 도시한다. SEA(10)의 SEA 하우징 프레임은 링크(40)의 조인트 하우징 본체(42)에 부착될 수 있으며, SEA(10)의 스프링 조립체(300)의 출력 장착부는 조인트를 통해 출력 링크(50)의 조인트 하우징 본체(52)와 결합된다. 조인트에서, 조인트 베어링(예를 들어, 크로스 롤러 베어링)의 외부 레이스가 입력 링크의 조인트 하우징 본체(42)에서 고정될 수 있다. 조인트 베어링의 내부 레이스에 안착되는 보어 샤프트의 일 측면은 출력 링크(50)의 조인트 하우징 본체(52)와 결합될 수 있고, 보어 샤프트의 다른 측면은 SEA(10)의 스프링 조립체(300)의 출력 장착부와 결합될 수 있다. SEA(10)는 출력 링크(50)로 전달되는 원동 토크를 생성한다. 출력 링크는 축(30)을 중심으로 링크(40)에 대해 상대적으로 회전할 수 있고 환경에 힘을 가할 수 있다.

도 3은 SEA(10)가 없는 로봇 조인트 조립체의 예를 도시한다. 보어 샤프트(60)는 외부 레이스가 조인트 하우징 본체(42)에 부착된 조인트 베어링의 내부 레이스에 부착된다. 보어 샤프트(60)의 상부 장착부(64)는 SEA(10)의 스프링 조립체(300)의 출력 장착부와 결합될 수 있다. 보어 샤프트(60)의 다른 측면은 링크(50)의 조인트 하우징 본체(52)와 결합된다. 보어 샤프트는 전력 케이블 또는 센서 라인이 조인트를 통과하는 관통 구멍(68)을 가질 수 있다. 보어 샤프트(60)에서 돌출된 부분(66)은 링크(40)에 대한 링크(50)의 회전 각도를 제한하도록 링크(40)의 조인트 하우징 본체에서 돌출된 부분(48)과 함께 단단한 정지부의 역할을 할 수 있다.

도 4는 조인트 조립체를 갖는 SEA(10)의 예시적인 실시예의 단면도를 도시한다. 위에서 언급한 바와 같이, SEA(10)는 모터(100), 기어 트랜스미션 조립체(200), 및 스프링 조립체(300)를 포함한다. SEA(10)의 SEA 하우징 프레임(211)은 조인트 하우징 본체(42)에 부착되고 스프링 조립체(300)는 조인트 하우징 본체(42)의 내부에 위치된다. SEA(10)의 스프링 조립체(300)의 출력 장착부는 다른 측면 장착부가 다른 조인트 하우징 본체(52)와 결합되는 보어 샤프트(60)의 도 3의 상부 장착부(64)와 결합된다. 보어 샤프트(60)의 둥근 중간부는 외부 레이스가 조인트 하우징 본체(42)에 고정된 조인트 베어링(62)의 내부 레이스에 끼워진다. 조인트 베어링(62)은 바람직하게는 도 2의 축(30)에 대한 자유 회전만을 허용하도록 도 3의 링크(50)로부터의 모든 방향 로드를 지지하는 크로스 롤러 베어링이다. 따라서, 스프링 조립체(300)의 출력 장착부, 보어 샤프트(60), 및 조인트 하우징 본체(52)는 견고하게 연결되고 조인트 하우징(42)에 대해 함께 회전한다. 조인트 하우징 본체(42) 또는 SEA 하우징 프레임(211)에 대해, 조인트 하우징 본체(52)의 회전 각도는 트랜스미션 출력 부분(240)과 입력 및 출력 장착부 사이의 스프링 조립체(300)의 회전 편향의 합이다. 모터(100)로부터의 적절하게 제어된 원동력으로, 스프링 조립체(300)의 회전 편향은 하우징 본체(42)에 대해 조인트 하우징 본체(52)에 인가된 토크에 비례할 수 있다.

보다 구체적으로, 도 5는 조인트 조립체가 없는 SEA(10)의 다른 평면에서의 단면도를 도시한다. 모터(100)의 고정 부분은 모터 베이스(106)에 부착될 수 있지만, 모터 샤프트(104)는 샤프트 커플러(234) 및 커플러 클램프(232)를 통해 기어 트랜스미션의 입력 부분인 하모닉 드라이브의 웨이브 생성기(222)와 견고하게 결합된다. 샤프트 커플러(234)는 웨이브 생성기(222)와 고정된다. 모터 샤프트(104) 상에서 활주하는 샤프트 커플러(234)는 테이퍼링 원주의 암형 부분을 갖는 링형 커플러 클램프(232)가 안착되는 축방향으로 여러 개의 슬롯을 갖는 테이퍼링 외주를 갖는다. 샤프트 커플러(234)와 커플러 클램프(232)를 축방향으로 연결하는 나사 세트를 조이면 샤프트 커플러(234)의 테이퍼링 외주가 수축되어 샤프트 커플러(234)와 모터 샤프트(104) 사이에 견고한 연결이 이루어진다.

기어 트랜스미션의 고정 부분인 하모닉 드라이브의 원형 스플라인(226)은 SEA 하우징 프레임(211)에 고정된다. 기어 트랜스미션의 출력 부분인 플렉스 스플라인(224)은 베어링(212)을 통해 SEA 하우징 프레임(211)에 접지된 트랜스미션 출력 부분(240)를 통해 스프링 조립체(300)의 입력 장착부에 부착된다. 베어링(212)은 바람직하게는 4점 접촉 박편 베어링 또는 크로스 롤러 베어링이고 내부 베어링 캡(214)에 의해 트랜스미션 출력 부분(240)에 그리고 외부 베어링 캡(216)에 의해 SEA 하우징 프레임(211)에 고정될 수 있다. 하모닉 드라이브의 구성요소는, 웨이브 생성기(222)의 외부 링이 플렉스 스플라인(224)의 내주 내로 활주하는 동안, 플렉스 스플라인(224)의 톱니형 원주 부분이 원형 스플라인(226)의 내주의 톱니형 부분과 정합되는 일반적인 방식으로 조립된다.

여전히 도 5를 참조하면, 트랜스미션 출력 부분(240)은 센서 입력 풀리(258) 및 타이밍 벨트(248)를 통해 센서(250)와 결합될 수 있는 동심으로 조립된 타이밍 벨트 풀리(244)를 포함할 수 있다. 센서(250)는 센서 홀더(254)를 통해 SEA 하우징 프레임(211)에서 고정될 수 있다. 센서(250)는 바람직하게는 앱솔루트 인코더 또는 전위차계이고 도 3의 링크(40)에 대해 도 3의 링크(50)의 절대 각도 위치를 판독하기 위해 사용될 수 있다. 스프링 조립체(300)에 관한 추가 세부 사항은 도 8 내지 도 19와 관련하여 아래에서 설명된다.

도 6은 조인트 조립체가 부착되지 않은 SEA(10A)의 다른 예시적인 실시예의 단면도를 예시한다. 상기 도 4 및 도 5의 예시적인 SEA(10) 유사하게, SEA(10A)는 모터 하우징(106A)에 부착된 고정 부분(스테이터)(102A)을 포함하고, 모터 로터(104A)는 모터 로터 홀더(232A)에 부착된 스테이터의 내부에 동심으로 위치된다. 모터 로터 홀더(232A)는 베어링(107A)을 통해 모터 하우징과 결합되어, 모터 로터(104A) 및 로터 홀더(232A)는 스테이터(102A)에 대해 자유롭게 회전한다. 로터 홀더(232A)의 일 측면은 기어 트랜스미션의 입력 부분인 하모닉 드라이브의 웨이브 생성기(222A)와 결합되는 모터 샤프트(234A)에 고정된다. 원형 로터와 고정 부분으로 구성되는 비접촉 센서(105A)(예를 들어, 쿼드러처 인코더 또는 앱솔루트 인코더)는 로터 홀더(232A)의 다른 측면에 조립될 수 있다. 센서(105A)의 고정 부분이 모터 하우징(106A)의 연장부에 부착되는 동안, 센서(105A)의 원형 로터는 로터 홀더(232A)에 동심으로 결합된다. 센서(105A)는 모터 정류 및/또는 모터 로터(104A) 및 트랜스미션 출력 부분(240A)의 위치를 감지하기 위해 사용될 수 있다.

기어 트랜스미션의 고정 부분인 하모닉 드라이브의 원형 스플라인(226A)은 모터 하우징(106A)이 부착된 SEA 하우징 프레임(211A)에 고정된다. 기어 트랜스미션의 출력 부분인 플렉스 스플라인(224A)은 베어링(212A)을 통해 SEA 하우징 프레임(211A)에 접지된 트랜스미션 출력 부분(240A)을 통해 도 5의 스프링 조립체(300)의 입력 장착부에 부착된다. 베어링(212A)은 바람직하게는 4점 접촉 박편 베어링 또는 크로스 롤러 베어링이고, 내부 베어링 캡(214A)에 의해 트랜스미션 출력 부분(240A)에 그리고 외부 베어링 캡(216A)에 의해 SEA 하우징 프레임(211A)에 고정될 수 있다. 모터 샤프트(234A)는 베어링(109A)을 통해 트랜스미션 출력 부분(240A)의 중심 구멍에 연장되고 연결되어 모터 스테이터(102A)에 대해 로터 홀더(232A)를 보다 견고하게 지지할 수 있다. 하모닉 드라이브의 구성요소는, 웨이브 생성기(222A)의 외부 링이 플렉스 스플라인(224A)의 내주 내로 활주하는 동안, 플렉스 스플라인(224A)의 톱니형 원주 부분이 원형 스플라인(226A)의 내주의 톱니형 부분과 정합되는 일반적인 방식으로 조립된다.

트랜스미션 출력 부분(240A)은 센서 입력 풀리 및 타이밍 벨트를 통해 도 5의 센서(250)와 결합될 수 있는 동심으로 조립된 타이밍 벨트 풀리(244A)를 포함할 수 있다. 센서(250)는 SEA 하우징 프레임(211A)에서 고정될 수 있다. 센서(250)는 앱솔루트 인코더 또는 전위차계일 수 있고 도 3의 링크(40)에 대해 도 3의 링크(50)의 절대 각도 위치를 판독하기 위해 사용될 수 있다.

도 7은 조인트 조립체가 부착되지 않은 SEA(10B)의 다른 예시적인 실시예의 또 다른 단면도를 예시한다. 모터(100B)의 고정 부분(스테이터)(102B)이 모터 하우징(106B)에 부착되는 동안, 모터 로터(104B)는 모터 로터 홀더(232B)에 부착된 스테이터의 내부에 동심으로 위치된다. 모터 로터 홀더(232B)는 2개의 베어링(107B 및 109B)을 통해 모터 하우징과 결합되어, 모터 로터(104B) 및 로터 홀더(232B)는 스테이터(102B)에 대해 자유롭게 회전한다. 로터 홀더(232B)의 일 단부는 기어 트랜스미션의 입력 부분인 하모닉 드라이브의 웨이브 생성기(222B)에 고정된다. 웨이브 생성기(222B)의 중심 구멍에서 활주하는 로터 홀더(232B)의 일 단부는 테이퍼링 실린더 구멍의 수형 대응부인 테이퍼링 실린더(234B)가 안착되는 축방향으로 여러 개의 슬롯을 갖는 테이퍼링 실린더 구멍을 가질 수 있다. 로터 홀더(232B)와 테이퍼링 실린더(234B)를 축방향으로 연결하는 나사 세트를 조이면 테이퍼링 실린더 구멍에서 웨이브 생성기(222B)의 중심 구멍의 벽으로 튀어나와 로터 홀더(232B)와 웨이브 생성기(222B) 사이에 견고한 연결이 이루어진다. 원형 로터와 고정 부분으로 구성되는 비접촉 센서(105B)(예를 들어, 쿼드러처 인코더 또는 앱솔루트 인코더)는 로터 홀더(232B)의 다른 측면에 조립될 수 있다. 센서(105B)의 고정 부분이 모터 하우징(106B)의 연장부에 부착되는 동안, 센서(105B)의 원형 로터는 로터 홀더(232B)에 동심으로 결합된다. 센서(105B)는 모터 정류 및/또는 모터 로터(104B) 및 트랜스미션 출력 부분(240B)의 위치를 감지하기 위해 사용될 수 있다.

기어 트랜스미션의 고정 부분인 하모닉 드라이브의 원형 스플라인(226B)은 모터 하우징(106B)이 부착된 SEA 하우징 프레임(211B)에 고정된다. 기어 트랜스미션의 출력 부분인 플렉스 스플라인(224B)은 베어링(212B)을 통해 SEA 하우징 프레임(211B)에 접지된 트랜스미션 출력 부분(240B)을 통해 도 5의 스프링 조립체(300)의 입력 장착부에 부착된다. 베어링(212B)은 바람직하게는 4점 접촉 박편 베어링 또는 크로스 롤러 베어링이고 내부 베어링 캡(214B)에 의해 트랜스미션 출력 부분(240B)에 그리고 외부 베어링 캡(216B)에 의해 SEA 하우징 프레임(211B)에 고정될 수 있다. 하모닉 드라이브의 구성요소는, 웨이브 생성기(222B)의 외부 링이 플렉스 스플라인(224B)의 내주 내로 활주하는 동안, 플렉스 스플라인(224B)의 톱니형 원주 부분이 원형 스플라인(226B)의 내주의 톱니형 부분과 정합되는 일반적인 방식으로 조립된다.

트랜스미션 출력 부분(240B)은 센서 입력 풀리 및 타이밍 벨트를 통해 도 5의 센서(250)와 결합될 수 있는 동심으로 조립된 타이밍 벨트 풀리(244B)를 포함할 수 있다. 센서(250)는 SEA 하우징 프레임(211B)에서 고정될 수 있다. 센서(250)는 바람직하게는 앱솔루트 인코더 또는 전위차계이고 도 3의 링크(40)에 대해 도 3의 링크(50)의 절대 각도 위치를 판독하기 위해 사용될 수 있다.

도 8은 2개의 평면형 및 원형 비틀림 스프링(360), 스페이서(314), 및 스프링의 편향을 검출하는 센서(334)를 갖는, 아래의 도 9에 도시된 내부 메커니즘(320)을 포함하는 스프링 조립체(300)의 예시적인 실시예를 도시한다. 평면형 및 원형 비틀림 스프링(360)은 원형 내부 장착 세그먼트(364), 원형 외부 장착 세그먼트(366), 및 내부 세그먼트와 외부 세그먼트를 연결하는 탄성 변형 가능한 나선(362) 세트로 구성된다. 내부 장착 세그먼트(364)와 외부 장착 세그먼트(366)는 동심이다. 2개의 스프링의 외부 세그먼트(366)는 동심으로 적층되고 스페이서(314)를 통해 서로 견고하게 결합된다. 스프링 편향을 검출하기 위한, 아래의 도 9에 도시된 내부 메커니즘(320)은 2개의 스프링(360) 사이에 위치되고 센서(334)와 결합된다. 2개의 스프링(360)의 내부 장착 세그먼트(364)는 각각 스프링 조립체(300)의 입력 및 출력 장착부로 지정된다. 센서(334)의 측면 상의 내부 장착 세그먼트(364)는 바람직하게는 센서(334)를 위한 케이블 경로 결정의 편의성 때문에 스프링 조립체(300)의 출력 장착부일 수 있다.

도 9는 베이스 아암(356), 스윙 아암(322), 스트링(342), 및 풀리(344)를 포함할 수 있는 스프링 조립체(300)의 내부 메커니즘(320)을 예시한다. 예를 들어, 내부 메커니즘(320)은 스프링 조립체(300) 내의 스페이서(314)의 내부 공동 내에 위치 설정될 수 있다. 베이스 아암(356)의 중심부(357)는 하나의 스프링(360)의 내부 장착 세그먼트(364)의 내부 표면에 고정될 수 있다. 베이스 아암(356)의 2개의 아암은 스프링 표면 위에서 도 6의 스프링(360)의 외부 장착 세그먼트(366)의 내경보다 더 멀리 확장되지 않을 수 있다. 아암의 양 단부에서, 2개의 풀리(344)는 자유 회전을 위해 베어링을 통해 베이스 아암(356)에 연결될 수 있다. 도 6에 나타낸 센서(334)의 고정 부분은 도 6의 스프링(360)의 내부 장착 세그먼트(364)에 동심으로 베이스 아암의 중심부(357)에 부착될 수 있고, 베이스 아암 밖의 센서(334)의, 센서 입력부로서, 회전 샤프트(336)의 노광기(exposer)를 갖는다. 스윙 아암(322)의 중심부(327)는 도 6의 다른 스프링 상의 내부 장착 세그먼트(364)의 내부 표면에 고정될 수 있다. 스윙 아암(322)의 2개의 아암은 다른 스프링 표면 위에서 다른 스프링(360)의 외부 장착 세그먼트(366)의 내경보다 더 멀리 확장되지 않을 수 있다. 스윙 아암(322)의 2개의 아암의 단부 섹션은 그 중심이 스프링(360)의 내부 장착 세그먼트(364)의 중심과 일치할 수 있는 원호로서 형상화될 수 있다. 베이스 아암(356) 및 스윙 아암(322)은, 스윙 아암(322)의 2개의 아암의 단부 섹션이 베이스 아암의 신장된 아암에 대해 동일한 측면에 위치 설정되고 베이스 아암 상의 2개의 풀리와 수평이 될 수 있도록 구성될 수 있어, 2개의 스프링(360)의 2개의 중심 지점을 연결하는 축(310)에 대한 상대 회전 동안 물리적 접촉이 없다.

여전히 도 9를 참조하면, 스윙 아암(322)의 한쪽 아암의 단부에 일 단부가 부착될 수 있는 스트링(342)(예를 들어, Vectran 또는 Kevlar 스트링)은 스윙 아암(322)의 한쪽 아암의 원호(329) 및 베이스 아암(356) 상의 하나의 풀리(344)를 통과하고, 센서 샤프트(336) 둘레에 랩핑되고, 베이스 아암(356) 상의 다른 풀리(344) 및 스윙 아암의 다른 아암의 원호(329)를 통과하며, 스윙 아암(322)의 다른 아암의 단부에서 고정된다. 스윙 아암의 양 단부에서, 스트링(342)의 양 단부는 한 쌍의 나사를 이용하여 스윙 아암 본체에 부착될 수 있다. 고정하는 동안, 스트링은 적절하게 텐셔닝될 수 있다. 스윙 아암(322)(또는 스프링(360)의 내부 장착 세그먼트(364))이 스프링(360)의 탄성 편향 동안 베이스 아암(또는 다른 스프링(360)의 내부 장착 세그먼트(364))에 대해 회전할 때, 스윙 아암(322)의 상대 회전은 증폭되어 센서(334)의 회전 샤프트(336)로 전달될 수 있다. 증폭 계수는 스윙 아암에서 원호의 반경과 센서 샤프트(336)의 반경 사이의 비율에 비례할 수 있다. 증폭 비율은 1:5 내지 1:30일 수 있다. 이 실시예에서, 메커니즘(320)은 센서(334)의 14 비트 앱솔루트 인코더와 결합된 경우 스프링 편향을 검출할 때 전체 약 18 비트 분해능을 만드는 약 1:16의 비율을 갖는다. 스프링 조립체(360)의 강성이 400 Nm/rad이면, 18 비트 분해능을 갖는 메커니즘(320)은 스프링 조립체에 인가된 토크의 약 0.01 Nm 변화를 검출할 수 있다. 다른 예에서, 메커니즘(320)은 약 1:8 내지 1:24 범위의 비율을 가질 수 있고, 스프링 조립체(360)는 약 200 Nm/rad 내지 약 600 Nm/rad 범위의 강성을 가질 수 있다. 일부 특정 예에서, 메커니즘(320)은 약 200 Nm/rad 내지 약 900 Nm/rad 범위의 강성을 가질 수 있다.

텐셔닝 스트링에 대한 상세한 설명으로서, 도 10은 조립 프로세스 동안 도 9의 스트링(342)을 조이도록 설계된 도구 팁(400)을 도시한다. 도 9의 스윙 아암(322)의 한쪽 아암의 단부에 있는 2개의 나사(394)로 스트링(342)의 일 단부가 고정되면, 스트링의 다른 단부는 도구 팁(400)과 위의 도 9에 도시된 2개의 나사(394)를 이용하여 스윙 아암(322)의 다른 아암의 단부에 조여 고정될 수 있다. 도구 팁(400)은 축방향으로 동심으로 배치된 일체형의 작은 실린더 부분(410)과 큰 실린더 부분을 가질 수 있다. 큰 실린더에서, 육각 키 또는 동등물을 위한 개방 구멍(422) 및 스트링(342)이 포획될 수 있는 실린더 단부의 하나 이상의 슬롯(426)이 있을 수 있다. 작은 실린더 부분은 나사(394)를 위한 동심 관통 구멍을 갖는다. 스윙 아암(322)의 다른 아암의 단부에서, 도 9에 도시된 메커니즘(320) 둘레에 스트링(342)을 경로 결정하는 프로세스에서, 원호(329)에 더 가까운 외부 나사(394)는 나사 헤드와 스윙 아암 본체 사이에 간극이 있도록 느슨하게 조여진다. 육각 구멍(422)측으로부터 구멍(412)에 삽입된 또 다른 나사(394)는, 도구 팁(400)이 내부 나사(394)의 지점에서 스윙 아암 본체에 결합되도록 스윙 아암 본체에 가볍게 조여진다. 그 다음, 스트링(342)은 나사 헤드 아래의 외부 나사 둘레 및 작은 실린더 부분(410) 둘레에 랩핑되고 슬롯(426) 내에 고정된다. 구멍(422)에 삽입된 육각 키 또는 동등물로 도구 팁(400)을 회전시킴으로써 작은 실린더(410) 둘레의 스트링(342)을 감으면 스트링이 텐셔닝된다. 텐셔닝 프로세스 동안, 도구 팁과 스윙 아암 본체 사이의 정합 표면에서의 마찰은 도구 팁(400)이 풀리는 방향으로 회전하는 것을 방지한다. 스트링(342)이 텐셔닝되면, 외부 나사(394)가 단단히 조여져 스트링(342)을 스윙 아암 본체(322)에 고정시킨다. 고정된 부착을 위해, 도구 팁(400)이 제거될 수 있고 다른 나사(394)가 제1 부착 후에 현수된 스트링 단부를 다시 고정시킬 수 있다.

도 6의 스프링(360)에 대한 설명으로서, 도 11 내지 도 14는 디스크형 스프링(360)의 예시적인 실시예의 세부 사항을 도시한다. 전술한 바와 같이, 스프링(360)은 원형 내부 장착 세그먼트(364), 원형 외부 장착 세그먼트(366), 및 내부 및 외부 장착 세그먼트를 연결하는 변형 가능한 나선(362) 세트를 포함할 수 있다. 내부 장착 세그먼트(364) 및 외부 장착 세그먼트(366)는 동심원 후프로서 형상화된다. 내부 장착 세그먼트(364) 및 외부 장착 세그먼트(366)에는, 다른 부품을 연결하기 위한 여러 개의 관통 구멍과 나사 구멍이 있을 수 있다. 스프링(360)의 직경(373) 및 두께(371)는 의도된 회전 강성, 최대 허용 토크, 변형 가능한 나선의 형상, 및 재료의 강도에 따라 좌우될 수 있다. 예를 들어, 변형 가능한 나선(362)은 강철 합금 재료로 형성될 수 있다. 도 11 및 도 12에서, 스프링(360)은 직경이 약 76 밀리미터(mm)이고 두께가 약 5 mm인 경우 강성은 약 800 Nm/rad이고 최대 허용 토크는 약 35 Nm이며, 안전 계수는 바람직한 재료(예를 들어, 마레이징강 C300 또는 H-900 조건의 17-4 스테인리스강)의 항복 강도에 기초하여 2 초과이다. 따라서, 2개의 스프링(360)의 직렬 연결을 포함하는 도 8의 스프링 조립체(300)는 강성이 약 400 Nm/rad이고 최대 허용 토크는 약 35 Nm이다.

나선의 형상이 변경된, 스프링(360)의 다른 예시적인 실시예로서, 도 13의 스프링(360A)은 동일한 외경과 두께를 갖지만 강성은 약 1000 Nm/rad이고 최대 허용 토크는 약 50 Nm이며 안전 계수는 위의 동일한 재료에 대해 2 초과이다. 따라서, 2개의 스프링(360A)과의 직렬 연결을 포함하는 도 8의 스프링 조립체(300)는 강성이 약 500 Nm/rad이고 최대 허용 토크는 약 50 Nm이다. 스프링 설계의 또 다른 변형은 동일한 구성에서 스프링 강성에 비례하는 두께이다. 예를 들어, 스프링(360A)과 동일한 윤곽을 갖는 스프링의 두께가 약 6 밀리미터인 경우, 스프링의 강성은 약 1200 Nm/rad이고 최대 허용 토크는 약 60 Nm이므로, 도 8의 스프링 조립체(300)에 대한 강성은 약 600 Nm/rad이 된다. 따라서, 일부 예에서, 스프링은 60 mm 내지 90 mm의 직경 및 2 mm 내지 8 mm의 두께를 가질 수 있다. 이들 예에서, 스프링의 강성은 200 Nm/rad와 1200 Nm/rad 사이에서 변할 수 있고 최대 허용 토크는 25 Nm과 60 Nm 사이에서 변할 수 있다. 다른 경우에, 스프링의 강성은 400 Nm/rad와 1800 Nm/rad 사이에서 변할 수 있고 최대 허용 토크는 20 Nm과 100 Nm 사이에서 변할 수 있다.

나선(362)은 내부 장착 세그먼트(364)에 가까운 내부 두꺼운 섹션(363), 중간 얇은 섹션(365), 및 외부 장착 세그먼트(366)에 가까운 외부 두꺼운 섹션(367)을 갖는다. 두께가 나선의 2개의 경계 스플라인 사이의 중심선에 수직으로 측정되면, 내부 두꺼운 섹션(363)의 가장 두꺼운 부분, 중간 얇은 섹션(365)의 가장 얇은 부분, 및 외부 두꺼운 섹션(367)의 가장 두꺼운 부분 사이의 두께 비율은 도 12의 스프링(360)의 경우 약 10:1:9이고 도 13의 스프링(360A)의 경우 약 9:1:8이다. 또한, 중간 얇은 섹션(365)의 가장 얇은 두께는 도 12의 스프링(360)의 경우 약 1.36 mm이고 도 13의 스프링(360A)의 경우 약 1.47 mm이다. 일부 예에서, 중간 얇은 섹션은 스프링(360 또는 306A)의 경우 1.00 mm 내지 1.70 mm일 수 있다. 내부 장착 세그먼트(364)로부터 시작하는 나선(362)은 외부 장착 세그먼트(366)에 연속적으로 접근하면서 내부 장착 세그먼트(364) 둘레를 돌 수 있다. 나선은 서로 접촉하지 않고 가능한 많이(스프링(360 및 360A)의 반원 이상) 둘레를 돌고 주어진 강성 및 최대 허용 토크에서 도 13의 스프링(360)의 직경(373) 및 두께(371)를 최소화하기 위해 내부 장착 세그먼트(364)와 외부 장착 세그먼트(366) 사이의 내부 영역의 대부분을 차지하도록 구성된다. 나선의 스플라인은, 나선의 변형이 내부 장착 세그먼트(364)와 외부 장착 세그먼트(366) 사이의 토크 인가 동안 응력 집중 없이 나선형 본체 전체에 걸쳐 균일하게 발생할 수 있도록 구성된다. 내부 날카로운 코너(375) 및 외부 날카로운 코너(376)의 곡률은 응력 집중을 피하도록 설계될 수 있다.

도 14는 일부 구현에 따른 SEA(10)의 스프링 조립체(300)의 다른 예시적인 디스크형 스프링을 예시한다. 나선의 형상 및 나선의 개수가 변경된, 스프링(360B)의 또 다른 예시적인 실시예로서, 도 14의 스프링(360B)은 더 작은 외경을 갖지만 스프링(360 및/또는 360A)과 동일한 두께를 갖는다. 예를 들어, 스프링(360B)의 직경은 66 mm일 수 있고 두께는 5 mm일 수 있지만 강성은 약 820 Nm/rad이고 최대 허용 토크는 약 30 Nm이며 안전 계수는 위의 스프링(360 및/또는 360A)과 동일한 재료에 대해 2 초과이다.

위에서 설명된 스프링(360, 360A, 360B)이 SEA(10)와 함께 사용될 수 있는 3개의 예시적인 스프링이지만, 스프링(360)의 다른 배열이 또한 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 5개 이상의 변형 가능한 나선을 갖는 스프링이 사용될 수 있다.

도 15는 일부 구현에 따른 SEA의 스프링 조립체의 디스크형 스프링의 예시적인 내부 메커니즘(320) 및 바닥 비틀림 스프링(360)을 예시한다. 스프링(360)은 원형 내부 장착 세그먼트(364), 원형 외부 장착 세그먼트(366), 및 내부 및 외부 장착 세그먼트를 연결하는 변형 가능한 나선(362) 세트를 포함할 수 있다. 내부 메커니즘(320)은 베이스 아암(356), 스윙 아암(322), 스트링(342), 및 풀리(344)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 내부 메커니즘(320)은 스페이서(314)에 의해 생성된 내부 공동 내에서 바닥 스프링(360) 위에 위치 설정된다. 현재의 예에서, 아암의 양 단부에서, 2개의 풀리(344)는 자유 회전을 위해 베어링을 통해 베이스 아암(356)에 연결될 수 있다. 다시, 도 10은 스윙 아암(322)의 각 아암의 단부에서 나사(394)에 의해 고정된 스트링(342)을 조이도록 설계된 도구 팁(400)을 도시한다.

도 16 및 도 17은 일부 구현에 따른 SEA(10)의 스프링 조립체(300A 및 300B)의 예시적인 배열을 예시한다. 스프링 조립체(300A)에서, 상단 및 바닥 스프링(360) 모두의 나선(362)은 동일한 방향으로 배치된다. 그러나, 스프링(360)은 서로 90도만큼 오프셋되어, 나선(362)이 또한 90도만큼 오프셋된다. 스프링 조립체(300B)에서, 상단 및 바닥 스프링은 X 및 Y 축을 따라 정렬되지만(예를 들어, 서로 오프셋되지 않음), 나선(362)은 반대 방향으로 배치된다.

위에서 설명된 스프링 조립체(300A 및 300B)가 SEA(10)와 함께 사용될 수 있는 2개의 예시적인 조립체이지만, 스프링 조립체(300)의 다른 배열이 또한 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 스프링 조립체(300)는 X 축 및 Y 축을 따라 정렬된 나선과 동일한 방향으로 위치 설정될 수 있는 한 쌍의 정합 스프링(360)을 가질 수 있다. 다른 예에서, 스프링 조립체(300)는 스프링(300A 및 300B)과 같은 2개의 상이한 스프링을 이용할 수 있다.

도 18은 일부 구현에 따라 스페이서(314)가 제거된 SEA(10)의 스프링 조립체(300)의 측면도를 예시한다. 현재 예에서, 스프링 조립체(300)는 2개의 평면형 및 원형 비틀림 스프링(360) 및 스프링(360)의 편향을 검출하는 센서(334)를 갖는 내부 메커니즘(320)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 2개의 스프링은 동심으로 적층되고 Z 방향으로 서로 오프셋된다. 2개의 스프링(360)은 또한, 아래의 도 19와 관련하여 예시된 바와 같이, 스프링(360) 및 스페이서(314) 모두를 통해 연장되는 체결구(393)를 통해 서로 견고하게 결합된다. 일반적으로, 2개의 스프링(360) 사이에 위치된 내부 메커니즘(320)은 센서(334)로 스프링(360)의 편향을 검출하도록 구성된다. 일부 경우에, 내부 메커니즘(320)의 스윙 아암(322)은 스페이서(314)의 내부 공동 내에 위치 설정될 수 있다.

도 19는 일부 구현에 따른 SEA(10)의 스프링 조립체(300)의 예시적인 분해도를 예시한다. 스프링 조립체(300)는 2개의 평면형 및 원형 비틀림 스프링(360), 스페이서(314), 및 스프링의 편향을 검출하는 센서(334)를 갖는 내부 메커니즘(320)을 포함한다. 평면형 및 원형 비틀림 스프링(360) 각각은 원형 내부 장착 세그먼트(364), 원형 외부 장착 세그먼트(366), 및 내부 세그먼트와 외부 세그먼트를 연결하는 탄성 변형 가능한 나선(362) 세트로 구성된다. 2개의 스프링의 외부 세그먼트(366)는 동심으로 적층되고 스페이서(314)를 통해 서로 견고하게 결합된다. 스프링 편향을 검출하기 위한 내부 메커니즘(320)은 2개의 스프링(360) 사이에 위치되고 센서(334)와 결합된다. 2개의 스프링(360)의 내부 장착 세그먼트(364)는 각각 스프링 조립체(300)의 입력 및 출력 장착부로 지정된다. 센서(334)의 측면 상의 내부 장착 세그먼트(364)는 바람직하게는 센서(334)를 위한 케이블 경로 결정의 편의성 때문에 스프링 조립체(300)의 출력 장착부일 수 있다. 현재의 예에서, 스프링(360)은 각각의 탄성 변형 가능한 나선(362) 세트가 반대 방향으로 연장되도록 정렬된다. 그러나, 다른 구현에서, 스프링(360)은 각각의 탄성 변형 가능한 나선(362) 세트가 동일한 방향으로 연장되거나 적층되도록 정렬된다.

일부 경우에, 스프링 조립체(300)의 내부 메커니즘(320)은 베이스 아암(356), 스윙 아암(322), 및 풀리(344)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 내부 메커니즘(320)은, 도시된 바와 같이, 스프링 조립체(300) 내에서 스페이서(314)의 내부 공동 내에 위치 설정될 수 있다. 베이스 아암(356)은 스프링(360)의 내부 장착 세그먼트의 내부 표면에 고정될 수 있다. 베이스 아암(356)의 2개의 아암은 스프링 표면 위에서 스프링(360)의 외부 장착 세그먼트의 내경보다 더 멀리 확장되지 않을 수 있다. 아암의 양 단부에서, 2개의 풀리(344)는 자유 회전을 위해 베어링을 통해 베이스 아암(356)에 연결될 수 있다. 센서(334)의 고정 부분은 스프링(360)의 내부 장착 세그먼트에 동심으로 베이스 아암에 부착될 수 있다.

스윙 아암(322)이 스프링(360)의 탄성 편향 동안 베이스 아암(356)에 대해 회전할 때, 스윙 아암(322)의 상대 회전은 증폭되어 센서(334)의 회전 샤프트(336)로 전달될 수 있다. 증폭 계수는 스윙 아암에서 원호의 반경과 센서 샤프트(336)의 반경 사이의 비율에 비례할 수 있다. 증폭 비율은 1:5 내지 1:30일 수 있다. 일부 경우에, 메커니즘(320)은 센서(334)의 14 비트 앱솔루트 인코더와 결합된 경우 스프링 편향을 검출할 때 전체 약 18 비트 분해능을 만드는 약 1:16의 비율을 갖는다. 예를 들어, 스프링 조립체(360)의 강성이 400 Nm/rad이면, 18 비트 분해능을 갖는 메커니즘(320)은 스프링 조립체에 인가된 토크의 약 0.01 Nm 변화를 검출할 수 있다. 다른 예에서, 메커니즘(320)은 약 1:8 내지 1:24 범위의 비율을 가질 수 있고, 스프링 조립체(360)는 약 200 Nm/rad 내지 약 900 Nm/rad 범위의 강성을 가질 수 있다.

전술한 바와 같이, 스프링(360)은 원형 내부 장착 세그먼트(364), 원형 외부 장착 세그먼트(366), 및 내부 및 외부 장착 세그먼트를 연결하는 변형 가능한 나선(362) 세트를 포함할 수 있다. 내부 장착 세그먼트(364) 및 외부 장착 세그먼트(366)는 동심원 후프로서 형상화된다. 내부 장착 세그먼트(364) 및 외부 장착 세그먼트(366)에는, 다른 부품을 연결하기 위한 여러 개의 관통 구멍과 나사 구멍이 있을 수 있다. 스프링(360)의 직경(373) 및 두께(371)는 의도된 회전 강성, 최대 허용 토크, 변형 가능한 나선의 형상, 및 재료의 강도에 따라 좌우될 수 있다.

도 20 및 도 21은 일부 구현에 따른 응력 하에서 디스크형 스프링(360)의 예시적인 부분을 예시한다. 예를 들어, 도 12의 날카로운 코너(375)의 최소 반경(372)은 0.6 mm 이상일 수 있고, 도 13의 날카로운 코너(376)의 도 21의 최소 반경(374)은 0.57 mm 이상일 수 있다. 그 결과, 나선(362)은 의도된 최대 허용 토크 내에서만 탄성적으로 변형될 수 있다. 예를 들어, 30 Nm의 토크가 인가될 때, 도 12의 스프링(360) 및 도 20의 스프링(360A)의 나선을 따른 응력(폰 미제스 단위)은 각각 약 460 MPa 및 약 410 MPa를 초과하지 않는다. 이 특정 예에는 4개의 변형 가능한 나선이 있다. 다른 수의 나선이 채택될 수 있지만 주어진 강성 및 최대 허용 토크에 대해 나선의 형상을 변경시킬 수 있다.

여전히 도 12를 참조하면, 내부 장착 세그먼트(364)와 외부 장착 세그먼트(366) 사이에 최대 허용 토크가 인가되는 경우, 나선형 본체의 여러 지점이 서로 간섭되어 단단한 정지부의 역할을 할 수 있다. 과도한 토크가 외부 장착 세그먼트(366)에 대해 내부 장착 세그먼트(364)를 반시계 방향으로 회전시키는 경우, 4개의 외부 좁은 채널(381)에서, 하나의 나선(362)의 중간 얇은 섹션(365)이 튀어나와 다른 나선(362)의 외부 두꺼운 섹션(367)과 간섭할 수 있다. 외부 좁은 채널의 폭은 도 12의 스프링(360)의 경우 약 0.7 mm이고 도 13의 스프링(360A)의 경우 약 0.8 mm이다. 유사하게, 역방향으로 과도한 토크가 인가되는 경우, 4개의 내부 좁은 채널(383)에서, 하나의 나선(362)의 중간 얇은 섹션(365)이 내향 수축되어 나선의 과도한 변형을 방지하도록 다른 나선(362)의 내부 두꺼운 섹션(363)과 간섭할 수 있다. 내부 좁은 채널의 폭은 스프링(360)의 경우 약 0.8 mm이고 스프링(360A)의 경우 약 0.9 mm이다. 이들 간섭은 스프링(360)의 강성의 비선형 증가를 유발하고 의도된 최대 허용 토크보다 더 많이 인가되는 경우 스프링의 과도한 변형을 방지하는 단단한 정지부의 역할을 한다. 일부 예에서, 외부 좁은 채널은 0.5 mm 내지 0.9 mm일 수 있고 내부 좁은 채널은 스프링(360 또는 306A)의 경우 0.6 mm 내지 1.1 mm일 수 있다.

도 22는 일부 구현에 따른 SEA(10)를 갖는 로봇 조인트 조립체의 다른 예시적인 분해도를 예시한다. SEA(10)의 SEA 하우징 프레임은 링크(40)의 조인트 하우징 본체(42)에 부착될 수 있으며, SEA(10)의 스프링 조립체(300)의 출력 장착부는 조인트 베어링(62)을 통해 출력 링크(50)의 조인트 하우징 본체(52)의 상부 장착부(64)와 결합된다. 조인트에서, 조인트 베어링(예를 들어, 크로스 롤러 베어링)의 외부 레이스가 입력 링크의 조인트 하우징 본체(42)에서 고정될 수 있다. 조인트 베어링의 내부 레이스에 안착되는 보어 샤프트의 일 측면은 출력 링크(50)의 조인트 하우징 본체(52)와 결합될 수 있고, 보어 샤프트의 다른 측면은 SEA(10)의 스프링 조립체(300)의 출력 장착부와 결합될 수 있다. SEA(10)는 출력 링크(50)로 전달되는 원동 토크를 생성한다. 출력 링크는 축(30)을 중심으로 링크(40)에 대해 상대적으로 회전할 수 있고 환경에 힘을 가할 수 있다.

도 23은 일부 구현에 따른 스프링 조립체 상의 보호 커버를 갖는 SEA(10)의 예시적인 도면을 예시한다. 현재 예에서, 회전식 SEA(10)는 모터(100), 기어 트랜스미션 조립체(200), 및 센서(예를 들어, 앱솔루트 인코더)(334)를 갖는 스프링 조립체(300)를 포함한다. SEA(10)의 추가 구성요소 및 상세한 피처는 추가 도면과 관련하여 다음 단락에서 추가로 설명된다.

도 1 내지 도 23은 다양한 도면, 예, 및 구현을 도시하며, 도 1 내지 도 23의 피처는 예시된 임의의 구현에 적용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, "약", "대략" 및 "실질적으로"와 같은 용어는 상대적인 용어이며, 2개의 값이 동일하지 않을 수 있지만, 그 차이는 장치 또는 방법이 여전히 명시된 또는 원하는 결과를 제공하도록 되는 정도이거나, 또는 디바이스 또는 방법의 작동이 그 의도된 목적을 수행할 수 없을 정도로 악영향을 받지 않는다는 것을 나타낸다. 예로서, 그리고 비제한적으로, "약 X mm"의 높이가 언급되는 경우, 원하는 기능이 여전히 수행될 수 있거나 원하는 결과가 여전히 달성될 수 있다면 더 낮거나 높은 높이도 여전히 "약 X mm"이다.

주제가 구조적 피처에 특정한 언어로 설명되었지만, 첨부된 청구범위에 정의된 주제가 반드시 설명된 특정 피처로 제한되는 것은 아니라는 것을 이해해야 한다. 오히려, 특정 피처는 청구범위를 구현하는 예시적인 형태로 개시된다.

Claims

회전식 직렬 탄성 액추에이터(series elastic actuator)(SEA)로서,
기어 트랜스미션 조립체;
상기 기어 트랜스미션 조립체에 결합되어 토크 또는 동력을 기어 트랜스미션에 전달하는 모터;
기어 트랜스미션에 결합된 스프링 조립체를 포함하고, 상기 스프링 조립체는,
탄성 변형 가능한 나선의 제1 세트를 포함하는 제1 비틀림 스프링;
탄성 변형 가능한 나선의 제2 세트를 포함하는 제2 비틀림 스프링으로서, 스페이서를 통해 제1 비틀림 스프링에 결합되는, 제2 비틀림 스프링; 및
상기 제1 비틀림 스프링과 제2 비틀림 스프링 사이에 있는 내부 메커니즘을 포함하며, 상기 내부 메커니즘은 스프링 조립체의 회전 편향을 검출하고 상기 회전 편향을 측정된 토크 입력 값으로 모터의 제어기에 제공하도록 구성된, 직렬 탄성 액추에이터.
제1항에 있어서, 상기 기어 트랜스미션 조립체는 웨이브 생성기, 플렉스 스플라인, 및 원형 스플라인을 포함하는 하모닉 드라이브인, 직렬 탄성 액추에이터.
제1항에 있어서, 센서를 더 포함하고, 상기 내부 메커니즘은,
베이스 아암;
센서;
베이스 아암에 이동 가능하게 결합되고 원호로서 형상화되는 스윙 아암으로서, 제1 아암 및 제2 아암을 포함하는, 스윙 아암;
베이스 아암의 제1 단부에 결합된 제1 풀리;
베이스 아암의 제2 단부에 결합되는 제2 풀리 - 제2 단부는 제1 단부에 대향함 -; 및
스윙 아암의 제1 아암 및 스윙 아암의 제2 아암에 결합되고 센서의 제1 풀리, 제2 풀리, 및 회전 샤프트 둘레에서 텐셔닝되는 스트링을 포함하는, 직렬 탄성 액추에이터.
제3항에 있어서, 상기 내부 메커니즘은 또한 제1 아암에 결합된 적어도 하나의 제1 나사 및 제2 아암에 결합된 적어도 하나의 제2 나사를 포함하고, 상기 적어도 하나의 제1 나사 및 적어도 하나의 제2 나사는 스트링을 조이기 위한 것인, 직렬 탄성 액추에이터.
제3항에 있어서, 상기 스윙 아암의 상대 회전의 증폭 계수는 스윙 아암에서 원호의 반경과 센서의 회전 샤프트의 반경 사이의 비율에 비례하는, 직렬 탄성 액추에이터.
제5항에 있어서, 상기 스윙 아암의 상대 회전의 증폭 계수는 1:5 내지 1:30인, 직렬 탄성 액추에이터.
제1항에 있어서, 측정된 토크 입력 값은 SEA의 출력 링크 상의 로드에 적어도 부분적으로 기초하는, 직렬 탄성 액추에이터.
제1항에 있어서, 스프링 조립체는 200 Nm/rad 내지 900 Nm/rad의 강성을 갖는, 직렬 탄성 액추에이터.
제1항에 있어서,
스프링 조립체 및 출력 링크가 회전 조인트에 대해 함께 회전하도록, 회전 조인트를 통해 조인트 하우징에 그리고 스프링 조립체에 결합된 출력 링크;
기어 트랜스미션 조립체와 관련된 하우징 프레임; 및
하우징 프레임에 결합된 입력 링크를 더 포함하는, 직렬 탄성 액추에이터.
회전식 직렬 탄성 액추에이터용 스프링 조립체의 디스크형 비틀림 스프링으로서,
원형 내부 장착부;
원형 외부 장착부; 및
적어도 2개의 개별 나선을 포함하는 탄성 변형 가능한 나선 세트를 포함하고, 각각의 탄성 변형 가능한 나선은 원형 내부 장착부에 결합된 내부 두꺼운 세그먼트, 원형 외부 장착부에 결합된 외부 두꺼운 세그먼트, 및 내부 두꺼운 세그먼트와 외부 두꺼운 세그먼트 사이에 연결된 중간 얇은 섹션을 포함하고,
각각의 탄성 변형 가능한 나선은, 각각의 탄성 변형 가능한 나선의 중간 얇은 섹션과 적어도 하나의 다른 탄성 변형 가능한 나선의 외부 두꺼운 세그먼트 또는 내부 두꺼운 세그먼트와의 간섭에 의해, 사용 동안 상기 적어도 하나의 다른 탄성 변형 가능한 나선이 과도한 변형을 받는 것을 방지하는, 디스크형 비틀림 스프링.
제10항에 있어서, 상기 내부 두꺼운 세그먼트 대 중간 얇은 섹션의 상대 두께는 11:1 내지 8:1의 비율이고 중간 얇은 섹션 대 외부 두꺼운 세그먼트의 상대 두께는 1:10 내지 1:7의 비율인, 디스크형 비틀림 스프링.
제10항에 있어서, 상기 비틀림 스프링은 400 Nm/rad 내지 1800 Nm/rad의 강성을 갖는, 디스크형 비틀림 스프링.
제10항에 있어서, 상기 비틀림 스프링은 20 Nm 내지 100 Nm의 최대 허용 토크를 갖는, 디스크형 비틀림 스프링.
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회전식 직렬 탄성 액추에이터용 스프링 조립체로서,
탄성 변형 가능한 나선의 제1 세트, 제1 원형 내부 장착부, 및 제1 원형 외부 장착부를 포함하는 제1 비틀림 스프링;
탄성 변형 가능한 나선의 제2 세트, 제2 원형 내부 장착부, 및 제2 원형 외부 장착부를 포함하는 제2 비틀림 스프링으로서, 상기 제1 원형 외부 장착부는 스페이서를 통해 제2 원형 외부 장착부에 결합되는, 제2 비틀림 스프링; 및
제1 비틀림 스프링과 제2 비틀림 스프링 사이에 있는 내부 메커니즘을 포함하고, 내부 메커니즘은 스프링 조립체의 회전 편향을 검출하고 상기 회전 편향을 측정된 토크 입력 값으로서 모터 제어기에 제공하는 센서를 포함하는, 스프링 조립체.
제16항에 있어서, 상기 제1 비틀림 스프링은 제2 비틀림 스프링과 동심으로 정렬되는, 스프링 조립체.
제16항에 있어서, 상기 내부 메커니즘은,
제1 단부 및 제2 단부를 포함하는 베이스 아암;
제1 아암 및 제2 아암을 포함하는 스윙 아암으로서, 제1 아암 및 제2 아암은 원호로서 형상화되는, 스윙 아암;
베이스 아암의 제1 단부에 결합되고 베이스 아암에 대해 자유롭게 회전하도록 구성된 제1 풀리;
베이스 아암의 제2 단부에 결합되고 베이스 아암에 대해 자유롭게 회전하도록 구성된 제2 풀리 - 제2 단부는 제1 단부에 대향함 -; 및
스윙 아암의 제1 아암 및 스윙 아암의 제2 아암에 결합되고 제1 풀리, 센서의 센서 샤프트, 및 제2 풀리 둘레에서 텐셔닝되는 스트링을 포함하는, 스프링 조립체.
제18항에 있어서,
상기 스윙 아암은 제1 원형 내부 장착부에 접지되고;
상기 베이스 아암은 제2 원형 내부 장착부에 접지되며;
회전 센서는, 센서 샤프트가 제1 비틀림 스프링과 제2 비틀림 스프링 사이에 위치되고 제1 원형 내부 장착부 및 제2 원형 내부 장착부와 동심으로 정렬되도록 제2 원형 내부 장착부에 접지된 고정 부분을 갖고;
스윙 아암과 베이스 아암은 서로 대면하고, 제1 원형 내부 장착부와 제2 원형 내부 장착부 사이에 인가된 토크에 응답하여 서로에 대해 그리고 제1 원형 내부 장착부 및 제2 원형 내부 장착부와 함께 상대적으로 회전하도록 구성되는, 스프링 조립체.
제18항에 있어서, 상기 스트링은 먼저 제1 풀리 둘레에 텐셔닝된 다음, 센서의 센서 샤프트 둘레에, 그리고 나서 제2 풀리 둘레에 텐셔닝되는, 스프링 조립체.