KR20130028113A - 직렬-병렬 링크 기구 기반의 하이브리드 6 자유도 로봇 매니퓰레이터 - Google Patents

직렬-병렬 링크 기구 기반의 하이브리드 6 자유도 로봇 매니퓰레이터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물체들을 이동시키도록 구성된 하이브리드 로봇 매니퓰레이터에 관한 것이다. 일 실시예에서, 그러한 하이브리드 로봇 매니퓰레이터는 베이스, 베이스 상에 장착되고 베이스 상에서 회전하도록 구성된 허리, 및 허리 상에 장착된 한 쌍의 암들에 의해 이뤄지는데, 각각의 암은 허리와 커플링된 상부 암, 엘보에서 상부 암과 직렬로 커플링된 전방 암, 및 말단에서 한 쌍의 연결 요소들을 통해 한 쌍의 암들을 커플링하도록 구성된 손목을 포함하되, 손목은 그에 장착되고 물체를 쥐어 원하는 위치로 물체를 이동시키도록 구성된 말단 작동체를 더 포함한다.

Description

직렬-병렬 링크 기구 기반의 하이브리드 6 자유도 로봇 매니퓰레이터{A HYBRID SERIAL-PARALLEL LINKAGE BASED SIX DEGREES OF FREEDOM ROBOTIC MANIPULATOR}
본 발명은 전반적으로 로봇 매니퓰레이터(robotic manipulator)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전적인 것은 아니지만 직렬 링크 기구(serial linkage) 메커니즘과 병렬 링크 기구(parallel linkage) 메커니즘을 모두 적용한 하이브리드 로봇 매니퓰레이터에 관한 것이다.
상업용 및 산업용 로봇은 복잡한 작업을 수행하는데 광범위하게 사용되고 있다. 로봇은 사람에 비해 경제적이고도 정밀하게 작업을 수행한다. 또한, 로봇은 사람에게 위험하고 어려우며 부적절하고 불안전한 일을 수행하는데에도 채용된다.
로봇의 구조는 하나 이상의 자유도를 허용하도록 각각 구성된 링크들, 액추에이터들, 및 관절들을 구비한 기구학적 연쇄(kinematic chain)를 포함한다. 산업계에서는, 작업 공간에서 물체를 정확하게 위치시키기 위해 6 자유도(six degrees of freedom)를 갖는 로봇 메커니즘이 설계되어 사용되어 왔다. 6 자유도를 갖는 로봇에서의 종래의 메커니즘은 물체를 위치시키기 위해 직렬 링크 메커니즘을 사용하든지, 아니면 병렬 링크 메커니즘을 사용한다. 임의의 고체 물체의 6 자유도는 x, y, 및 z 좌표들에 의해 표시되는, 직교 3차원 공간에서의 물체의 무게 중심의 위치 및 흔히 요(yaw), 피치(pitch), 및 롤(roll)이라 일컫는 3개의 각들로 표시되는, 무게 중심에 대한 물체의 방위(orientation)를 포함한다. 흔히 위치와 방위들을 결합시켜 총괄적으로 로케이션(location)으로 지칭한다.
일반적으로 개루프 연쇄(open loop chain)들인 직렬 링크 메커니즘은 물체를 위치시키는 것을 위치에 대한 암 링크 기구(arm linkage)와 방위에 대한 손목 링크 기구(wrist linkage)에 의해 제공한다. 직렬 연쇄의 각각의 연속된 링크가 그 앞의 것에 의해 지지되므로, 각각의 링크를 움직이는데 필요한 동력이 그 뒤의 것에 동력을 공급하는 액추에이터의 질량에 의해 더욱 가중된다. 따라서 연쇄의 마지막 것을 제외한 모든 액추에이터의 크기 및 비용이 증가한다. 필요한 부가의 동력은 로봇에 의해 위치시킬 물체의 이동에는 기여하지 못한다. 그 결과, 로봇이 위치시킬 수 있는 물체의 질량 또는 페이로드(payload)에 대한 로봇의 질량의 비가 크다.
일반적으로 폐루프 연쇄(closed loop chain)들인 병렬 링크 메커니즘은 물체를 위치시키는 것을 6개의 암 링크들에 의해 제공한다. 그러한 메커니즘에서, 모든 액추에이터들은 물체의 이동에 기여하도록 결합한다. 그러나 실제로는, 하나의 링크가 인접 링크와 간섭됨으로 인해, 물체가 위치할 수 있는 공간이 제한된다. 병렬 링크 로봇은 직렬 링크 로봇보다 작은 중량 대 페이로드 비를 갖고, 그 제한된 작업 공간이 적용 용도에 충분한 경우에 사용된다.
또한, 직렬 링크 메커니즘과 병렬 링크 메커니즘의 조합을 채용한 매니퓰레이터를 구성하려는 시도들이 이루어져 왔다. 하나의 그러한 매니퓰레이터가 Stocco 등에 허여된 US 6,047,610 특허(이하 US '610)에 개시되어 있다. 도 1은 US '610에 의해 개시된 6 자유도를 갖는 로봇 매니퓰레이터(M)의 구조를 도시하고 있다. US '610의 매니퓰레이터(M)는 회전 가능한 베이스들(4, 5) 상에 각각 설치된 제1 및 제2 5절 링크 기구들(five-bar linkages)(2, 3)을 포함한다. 각각의 5절 링크 기구(2, 3)는 각각의 유니버설 조인트(U2, U3)에 의해 플랫폼(P)에 부착된다. 또한, 5절 링크 기구(2)를 형성하는 링크들이 직렬 링크 메커니즘을 사용하여 서로 직렬로 연결됨을 도 1로부터 명백히 알 수 있다. 비슷하게, 5절 링크 기구(3)를 형성하는 링크들도 직렬 링크 메커니즘을 사용하여 직렬로 연결된다. 또한, 각각의 5절 링크 기구(2, 3)는 폐루프 연쇄 또는 병렬 링크를 형성하도록 플랫폼(P)과 맞물린다.
링크(2)가 링크(3)와 간섭됨으로 인해 그리고 그 반대로 링크(3)가 링크(2)와 간섭됨으로 인해 각각의 5절 링크 기구(2, 3)의 이동이 제한된다는 것에 주목하여야 한다. 따라서 US '610에 개시된 바와 같은 매니퓰레이터(M)가 기동하는 작업 공간의 양이 실질적으로 더 작아 병렬 링크 로봇의 그것과 동일하게 된다.
따라서 로봇이 병렬 링크 로봇보다 실질적으로 더 많은 양의 작업 공간을 기동할 수 있게 하고, 직렬 링크 로봇보다 더 작은 중량 대 페이로드 비를 가질 수 있게 하는 메커니즘이 요구되고 있다.
본 발명의 주목적은 직렬 링크 기구 메커니즘과 병렬 링크 기구 메커니즘을 모두 적용한 하이브리드 로봇 매니퓰레이터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 직렬 링크 매니퓰레이터와 유사한 위치 작업 공간(position workspace) 및 사람 손목에 의해 제공되는 것과 필적하는 방위 작업 공간(orientation workspace)을 갖는 하이브리드 로봇 매니퓰레이터를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 액추에이터들의 대부분이 로봇의 베이스에 좀더 가까이 위치함으로써 로봇의 링크들을 움직이는데 더 작고 저렴한 모터들을 사용하는 것을 용이하게 하는 하이브리드 로봇 매니퓰레이터를 제공하는 것이다.
본 발명이 첨부 도면들에 도시되어 있는바, 첨부 도면들에서 유사한 도면 부호/번호들은 여러 도면들에서의 상응하는 부분들을 지시하고 있다. 첨부 도면들을 참조로 한 이후의 설명으로부터 본 발명의 실시예들을 좀더 잘 이해하게 될 것이다. 첨부 도면들 중에서,
도 1은 종래 기술에 개시된 바와 같은 로봇 매니퓰레이터를 나타낸 도면이고;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 로봇 매니퓰레이터를 나타낸 도면이며;
도 2a는 도 2에 도시된 바와 같은 하이브리드 로봇 매니퓰레이터의 손목 부분을 나타낸 도면이고;
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 로봇 매니퓰레이터를 나타낸 도면이며;
도 3a는 도 3에 도시된 바와 같은 하이브리드 로봇 매니퓰레이터의 손목 부분을 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예들과 그 여러 특징들 및 이점들을 첨부 도면들에 도시되고 이후의 설명에서 상세히 설명되는 비한정적 실시예들을 참조하여 더욱 충분히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들을 불필요하게 모호하게 만들지 않도록 공지의 구성 요소들 및 처리 기법들의 설명을 생략하기로 한다. 본 명세서에서 사용되는 예들은 단지 본 발명의 실시예들을 실시할 수 있는 방법의 이해를 쉽게 하고 나아가 당업자가 본 발명의 실시예들을 실시할 수 있게 하려고 의도된 것에 불과하다. 따라서 그러한 예들은 본 발명의 실시예들의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 로봇 매니퓰레이터(200)를 도시하고 있다. 본 하이브리드 로봇 매니퓰레이터(200)는 그 일 단부에 베이스(202)를 구비한다. 베이스(202)는 하우징(202b)을 지지하는 베이스 플레이트(202a)를 포함한다. 하우징(202b)은 적어도 하나의 모터(M0)를 내부에 수용하도록 구성된다. 또한, 매니퓰레이터(200)는 하우징(202b) 상에 마련된 허리(waist) 또는 링크(L)를 포함한다. 링크(L)는 하부(L1)와 상부(L2)를 갖는다. 링크(L)는 하부(L1)에서 회전 조인트(revolute joint)(R0)에 의해 하우징(202b)에 이동 가능하게 연결된다. 회전 조인트(R0)는 베이스 플레이트(202a)에 수직한 회전축을 갖는다. 또한, 링크(L)의 상부(L2)는 각각의 조인트들(R1, R2; R2는 도시되지 않음)에 의해 한 쌍의 암들(204, 206)을 지지한다. 한 쌍의 암들(204, 206)은 각각 말단에서 한 쌍의 연결 요소들(204c, 206c)을 통해 손목(210)과 커플링된다. 각각의 회전 조인트(R1, R2)의 회전축은 대략 회전 조인트(R0)의 회전축을 횡단한다.
암(204)은 상부 암 또는 상부 암 링크(204a)와 전방 암 또는 전방 암 링크(204b)를 포함한다. 상부 암 링크(204a)의 제1 단부는 회전 조인트(R1)와 피벗 가능하게 맞물리고, 상부 암 링크(204a)의 제2 단부는 엘보(elbow) 또는 회전 조인트(R3)와 피벗 가능하게 맞물린다. 회전 조인트(R3)는 회전 조인트(R1)의 회전축과 거의 평행한 회전축을 갖는다. 또한, 전방 암 링크(204b)의 제1 단부는 회전 조인트(R3)와 피벗 가능하게 맞물리고, 그에 따라 전방 암 링크(204b)의 제1 단부가 상부 암 링크(204a)와 이동 가능하게 연결된다. 전방 암 링크(204b)의 제2 단부는 회전 조인트(R5)(도시되지 않음)에 의해 연결 요소(204c)와 연결된다. 회전 조인트(R5)의 회전축은 회전 조인트(R3)의 회전축을 횡단한다.
또한, 암(206)은 상부 암 링크(206a)와 전방 암 링크(206b)를 포함한다. 상부 암 링크(206a)의 제1 단부는 회전 조인트(R2)(도시되지 않음)와 피벗 가능하게 맞물리고, 상부 암 링크(206a)의 제2 단부는 엘보 또는 회전 조인트(R4)(도시되지 않음)와 피벗 가능하게 맞물린다. 회전 조인트(R4)는 회전 조인트(R2)의 회전축과 거의 평행한 회전축을 갖는다. 또한, 전방 암 링크(206b)의 제1 단부는 회전 조인트(R4)와 피벗 가능하게 맞물리고, 그에 따라 전방 암 링크(206b)의 제1 단부가 상부 암 링크(206a)와 이동 가능하게 연결된다. 전방 암 링크(206b)의 제2 단부는 회전 조인트(R6)(도시되지 않음)에 의해 연결 요소(206c)와 연결된다. 회전 조인트(R6)의 회전축은 회전 조인트(R4)의 회전축을 횡단한다.
또한, 한 쌍의 각각의 암(204, 206)의 상부 암과 전방 암의 이동은 다수의 모터들에 의해 제어된다. 링크(L)의 상부(L2)와 하부(L1) 사이에 2개의 모터들(M1, M2)이 마련된다. 모터(M1)는 회전 조인트(R1)를 회전시킴으로써 상부 암 링크(204a)의 이동을 일으키도록 구성되고, 모터(M2)는 회전 조인트(R2)를 회전시킴으로써 상부 암 링크(206a)의 이동을 일으키도록 구성된다. 또한, 링크(L)의 상부(L2) 상에 2개의 모터들(M3, M4)이 마련된다. 대안적으로, 모터(M3)는 상부 암 링크(204a)의 제1 단부의 근처에 마련될 수 있고, 모터(M4)는 상부 암 링크(206a)의 제1 단부의 근처에 마련될 수 있다. 모터(M3)는 회전 조인트(R3)를 회전시킴으로써 전방 암 링크(204b)의 이동을 일으키도록 구성된다. 모터(M4)는 회전 조인트(R4)를 회전시킴으로써 전방 암 링크(206b)의 이동을 일으키도록 구성된다.
매니퓰레이터(200)는 손목(210)과 연결된 말단 작동체(end effector)(E)를 더 포함한다. 베이스(202), 링크(L), 및 암(204)은 개방 연쇄(open chain) 또는 직렬 링크를 형성한다. 또한, 베이스(202), 링크(L), 및 암(206)은 다른 개방 연쇄 또는 직렬 링크를 형성한다. 매니퓰레이터(200)가 각각의 연결 요소들(204c, 206c)에 의해 암들(204, 206)과 연결된 손목(210)을 구비함으로써, 근본적으로 연쇄가 폐쇄되어 사실상 병렬 링크가 형성된다. 따라서 매니퓰레이터(200)의 위치 작업 공간이 직렬 링크 매니퓰레이터의 위치 작업 공간과 같게 되고, 방위 작업 공간이 사람 손목에 의해 제공되는 것과 필적하게 된다.
도 2a에 도시된 바와 같은 손목(210)은 케이싱(212)을 포함한다. 케이싱(212)은 다수의 기어들(도시되지 않음)을 내부에 구비한다. 케이싱(212)은 상단부(212t), 하단부(212b), 전방부(212f), 및 후방부(212r)를 더 구비한다. 또한, 손목(210)은 제1 상단 커플링 요소(214a)와 제1 하단 커플링 요소(214b)를 구비한 제1 커플링 요소(214)를 포함한다. 손목(210)은 제2 상단 커플링 요소(216a)와 제2 하단 커플링 요소(216b)(도시되지 않음)를 구비한 제2 커플링 요소(216)를 더 포함한다. 케이싱(212)의 후방부(212r)에는 적어도 제1 기어 및 제2 기어(도시되지 않음)가 마련된다. 제1 기어는 제1 기어를 케이싱(212)의 상단부(212t) 및 하단부(212b)와 연결하는 제1 기어 샤프트(도시되지 않음)를 구비하고, 제2 기어는 제2 기어를 케이싱(212)의 상단부(212t) 및 하단부(212b)와 연결하는 제2 기어 샤프트(도시되지 않음)를 구비한다. 또한, 각각의 제1 및 제2 기어는 각각의 제1 및 제2 기어 샤프트를 따른 회전축을 갖고, 제1 기어의 회전축은 제2 기어의 회전축과 평행하다. 후방부(212r)에 마련된 제1 및 제2 기어들은 서로 맞물려 운동을 전달한다.
제1 상단 커플링 요소(214a)의 제1 단부는 케이싱(212)의 상단부(212t)에서 제1 기어 샤프트에 고정된다. 제1 하단 커플링 요소(214b)의 제1 단부는 케이싱(212)의 하단부(212b)에서 제1 기어 샤프트에 고정된다. 비슷하게, 제2 상단 커플링 요소(216a)의 제1 단부는 케이싱(212)의 상단부(212t)에서 제2 기어 샤프트에 고정되고, 제2 하단 커플링 요소(216b)의 제1 단부는 케이싱(212)의 하단부(212b)에서 제2 기어 샤프트에 고정된다.
또한, 케이싱(212)의 전방부(212f)는 웜과 웜 기어를 구비한 웜 드라이브(도시되지 않음)를 포함한다. 웜은 웜을 케이싱(212)의 상단부(212t) 및 하단부(212b)와 연결하는 웜 샤프트(도시되지 않음)를 구비한다. 웜의 회전축은 제1 기어의 회전축과 평행하다. 또한, 웜 기어 샤프트(도시되지 않음)가 웜 기어를 수평 방향으로 케이싱(212)의 전방부(212f)와 연결한다. 웜 기어는 웜의 회전축을 횡단하는 회전축을 갖는다. 말단 작동체(E)는 케이싱(212)의 전방부(212f)에서 웜 기어 샤프트와 연결된다. 웜 드라이브의 웜을 구동하는 손목 모터(M5)가 케이싱의 상단부(212t)의 근처에 마련된다.
손목(210)은 헤드부(218a)와 테일부(218b)를 구비한 제1 로킹 요소(218) 및 헤드부(219a)와 테일부(219b)를 구비한 제2 로킹 요소(219)를 더 포함한다. 제1 로킹 요소(218)의 헤드부(218a)는 제1 상단 커플링 요소(214a)의 제1 단부로부터 떨어져 이격된 제1 상단 커플링 요소(214a)의 제2 단부와 제1 하단 커플링 요소(214b)의 제1 단부로부터 떨어져 이격된 제1 하단 커플링 요소(214b)의 제2 단부 사이에 피벗 가능하게 맞물린다. 비슷하게, 제2 로킹 요소(219)의 헤드부(219a)는 제2 상단 커플링 요소(216a)의 제1 단부로부터 떨어져 이격된 제2 상단 커플링 요소(216a)의 제2 단부와 제2 하단 커플링 요소(216b)의 제1 단부로부터 떨어져 이격된 제1 하단 커플링 요소(216b)의 제2 단부 사이에 피벗 가능하게 맞물린다. 제1 로킹 요소(218)의 테일부(218b)는 연결 요소(204c)와 맞물리도록 구성되고, 제2 로킹 요소(219)의 테일부(219b)는 연결 요소(206c)와 맞물리도록 구성된다.
당업자라면, 제1 상단 커플링 요소(214a) 및 제1 하단 커플링 요소(214b)가 전술한 바와 같은 의도된 기능을 그만둠이 없이 단일 부재로서 마련될 수도 있음을 이해할 것이다. 예컨대, 더블 오픈 엔드 렌치/스패너(double open-end wrench/spanner)의 형상과 거의 유사한 형상을 갖는 커플링 요소가 제1 상단 커플링 요소(214a) 및 제1 하단 커플링 요소(214b) 대신에 사용될 수 있다. 비슷하게, 제2 상단 커플링 요소(216a) 및 제2 하단 커플링 요소(216b)도 단일 부재로서 마련될 수 있다.
또한, 말단 작동체(E)는 작업 공간에서 위치시킬 물체의 형상 및 크기를 기반으로 및/또는 매니퓰레이터(200)에 의해 수행되는 작업의 속성을 기반으로 상이한 형상들을 가질 수 있다.
또한, 비한정적 예들로서, 손목(210) 및 말단 작동체(E)와 관련된 이동들을 후술하기로 한다. 작업 시에, 모터(M0)가 링크(L)의 회전 이동을 일으키고, 그 회전 이동이 다시 암(204), 암(206), 손목(210), 및 말단 작동체(E)를 회전시킨다. 손목(210)과 말단 작동체(E)가 요잉(yawing) 이동, 즉 왼쪽으로부터 오른쪽으로 및 그 반대로 손목(210)이 회전하는 것을 규정하게 하기 위해, 모터들(M1, M2) 중의 하나가 작동되어 해당 상부 암 링크(204a, 206a)를 이동시킨다. 본 예에서는, 모터(M1)가 해당 상부 암 링크(204a)를 작동하는 것으로 간주한다. 그럼으로써, 상부 암 링크(204a)가 회전 조인트(R1)의 축을 중심으로 회전하게 된다. 상부 암 링크(204a)의 회전은 해당 전방 암 링크(204b)가 이동하게 한다. 대안적으로, 모터(M3)가 작동되어 전방 암 링크(204b)를 이동시킬 수도 있다. 상부 암 링크(204a)와 전방 암 링크(204b)가 이동하는 동안, 암(206)은 그대로 정지해 있는다. 또한, 전방 암 링크(204b)가 이동하는 동안, 로킹 요소(219)가 전방으로 이동하고, 그러한 이동은 다시 커플링 요소(216)를 커플링 요소(214)로부터 떨어지게 이동시킨다. 커플링 요소(216)의 이동은 다시 손목(210)을 암(206) 쪽으로 이동시키고, 그 결과 손목(210)과 말단 작동체(E)의 요잉 이동이 일어난다.
또한, 말단 작동체(E)가 피칭 이동(pitching movement), 즉 손목(210)에 대해 말단 작동체(E)가 전후 또는 상하로 기울어지는 것을 규정하게 하기 위해, 모터(M5)가 사용된다. 모터(M5)는 웜 드라이브의 이동을 일으키고, 그러한 이동은 다시 말단 작동체(E)를 원하는 바대로 전후로 이동시키며, 그 결과 말단 작동체(E)의 피칭 이동이 일어난다.
손목(210)이 롤링 이동, 즉 말단 작동체(E)와 함께 손목(210)이 좌우로 기울어지는 것을 규정하게 하기 위해, 연결 요소들(204c, 206c) 중의 하나 또는 그 모두가 각각의 회전 조인트(R5, R6)의 회전축을 중심으로 회전한다. 연결 요소들(204c, 206c)이 회전하는 결과, 손목(210)이 원하는 방향으로 기울어져 롤링 이동을 규정하게 된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 로봇 매니퓰레이터(300)를 도시하고 있다. 본 하이브리드 로봇 매니퓰레이터(300)는 그 일 단부에 베이스(302)를 구비한다. 베이스(302)는 하우징(302b)을 지지하는 베이스 플레이트(302a)를 포함한다. 하우징(302b)은 적어도 하나의 모터(M0)를 내부에 수용하도록 구성된다. 또한, 매니퓰레이터(300)는 하우징(302b) 상에 마련된 허리 또는 링크(W)를 포함한다. 링크(W)는 하부(W1)와 상부(W2)를 갖는다. 링크(W)는 하부(W1)에서 회전 조인트(R0)(도시되지 않음)에 의해 하우징(302b)에 이동 가능하게 연결된다. 회전 조인트(R0)는 베이스 플레이트(302a)와 수직한 회전축을 갖는다. 또한, 링크(W)의 상부(W2)는 각각의 조인트들(R1, R2; R2는 도시되지 않음)에 의해 한 쌍의 암들(304, 306)을 지지한다. 한 쌍의 암들(304, 306)은 각각 말단에서 한 쌍의 연결 요소들(304c, 306c)을 통해 손목(310)과 커플링된다. 각각의 회전 조인트(R1, R2)의 회전축은 대략 회전 조인트(R0)의 회전축을 횡단한다.
암(304)은 상부 암 또는 상부 암 링크(304a)와 전방 암 또는 전방 암 링크(304b)를 포함한다. 상부 암 링크(304a)의 제1 단부는 회전 조인트(R1)와 피벗 가능하게 맞물리고, 상부 암 링크(304a)의 제2 단부는 엘보 또는 회전 조인트(R3)와 피벗 가능하게 맞물린다. 회전 조인트(R3)는 회전 조인트(R1)의 회전축과 거의 평행한 회전축을 갖는다. 또한, 전방 암 링크(304b)의 제1 단부는 회전 조인트(R3)와 피벗 가능하게 맞물리고, 그에 따라 전방 암 링크(304b)의 제1 단부가 상부 암 링크(304a)와 이동 가능하게 연결된다. 전방 암 링크(304b)의 제2 단부는 회전 조인트(R5)(도시되지 않음)에 의해 연결 요소(304c)와 연결된다. 회전 조인트(R5)의 회전축은 회전 조인트(R3)의 회전축을 횡단한다.
또한, 암(306)은 상부 암 또는 상부 암 링크(306a)와 전방 암 또는 전방 암 링크(306b)를 포함한다. 상부 암 링크(306a)의 제1 단부는 회전 조인트(R2)(도시되지 않음)와 피벗 가능하게 맞물리고, 상부 암 링크(306a)의 제2 단부는 엘보 또는 회전 조인트(R4)(도시되지 않음)와 피벗 가능하게 맞물린다. 회전 조인트(R4)는 회전 조인트(R2)의 회전축과 거의 평행한 회전축을 갖는다. 또한, 전방 암 링크(306b)의 제1 단부는 회전 조인트(R4)와 피벗 가능하게 맞물리고, 그에 따라 전방 암 링크(306b)의 제1 단부가 상부 암 링크(306a)와 이동 가능하게 연결된다. 전방 암 링크(306b)의 제2 단부는 회전 조인트(R6)(도시되지 않음)에 의해 연결 요소(306c)와 연결된다. 회전 조인트(R6)의 회전축은 회전 조인트(R4)의 회전축을 횡단한다.
또한, 한 쌍의 각각의 암(304, 306)의 상부 암과 전방 암의 이동은 다수의 모터들에 의해 제어된다. 링크(W)의 상부(W2)와 하부(W1) 사이에 2개의 모터들(M1, M2)이 마련된다. 모터(M1)는 회전 조인트(R1)를 회전시킴으로써 상부 암 링크(304a)의 이동을 일으키도록 구성된다. 모터(M2)는 회전 조인트들을 회전시킴으로써 상부 암 링크(306a)의 이동을 일으키도록 구성된다. 또한, 링크(W)의 상부(W2) 상에 2개의 모터들(M3, M4)이 마련된다. 대안적으로, 모터(M3)는 상부 암 링크(304a)의 제1 단부의 근처에 마련될 수 있고, 모터(M4)는 상부 암 링크(306a)의 제1 단부의 근처에 마련될 수 있다. 모터(M3)는 회전 조인트(R3)를 회전시킴으로써 전방 암 링크(304b)의 이동을 일으키도록 구성된다. 모터(M4)는 회전 조인트(R4)를 회전시킴으로써 전방 암 링크(306b)의 이동을 일으키도록 구성된다.
매니퓰레이터(300)는 손목(310)과 연결된 말단 작동체(E3)(도시되지 않음)를 더 포함한다. 베이스(302)와 링크(W)는 암(304)과 함께 개방 연쇄 또는 직렬 링크를 형성한다. 또한, 베이스(302)와 링크(W)는 암(306)과 함께 다른 개방 연쇄 또는 직렬 링크를 형성한다. 매니퓰레이터(300)가 각각의 연결 요소들(304c, 306c)에 의해 암들(304, 306)과 연결된 손목(310)을 구비함으로써, 근본적으로 연쇄가 폐쇄되어 사실상 병렬 링크가 형성된다. 따라서 매니퓰레이터(300)의 위치 작업 공간이 직렬 링크 매니퓰레이터의 위치 작업 공간과 같게 되고, 방위 작업 공간이 사람 손목에 의해 제공되는 것과 필적하게 된다.
도 3a에 도시된 바와 같은 손목(310)은 케이싱(312)을 포함한다. 케이싱(312)은 다수의 기어들(도시되지 않음)을 내부에 구비한다. 케이싱(312)은 상단부(312t), 하단부(312b), 전방부(312f)(도시되지 않음), 및 후방부(312r)를 더 구비한다. 또한, 손목(310)은 제1 상단 커플링 요소(314a)와 제1 하단 커플링 요소(314b)를 구비한 제1 커플링 요소(314)를 포함한다. 손목(310)은 제2 상단 커플링 요소(316a)와 제2 하단 커플링 요소(316b)를 구비한 제2 커플링 요소(316)를 더 포함한다. 케이싱(312)의 후방부(312r)에는 적어도 제1 기어 및 제2 기어(도시되지 않음)가 마련된다. 제1 기어는 제1 기어를 케이싱(312)의 상단부(312t) 및 하단부(312b)와 연결하는 제1 기어 샤프트(도시되지 않음)를 구비하고, 제2 기어는 제2 기어를 케이싱(312)의 상단부(312t) 및 하단부(312b)와 연결하는 제2 기어 샤프트(도시되지 않음)를 구비한다. 또한, 각각의 제1 및 제2 기어는 각각의 제1 및 제2 기어 샤프트를 따른 회전축을 갖고, 제1 기어의 회전축은 제2 기어의 회전축과 평행하다. 후방부(312r)에 마련된 제1 및 제2 기어들은 서로 맞물려 운동을 전달한다.
제1 상단 커플링 요소(314a)의 제1 단부는 케이싱(312)의 상단부(312t)에서 제1 기어 샤프트에 고정된다. 제1 하단 커플링 요소(314b)의 제1 단부는 케이싱(312)의 하단부(312b)에서 제1 기어 샤프트에 고정된다. 비슷하게, 제2 상단 커플링 요소(316a)의 제1 단부는 케이싱(312)의 상단부(312t)에서 제2 기어 샤프트에 고정되고, 제2 하단 커플링 요소(316b)의 제1 단부는 케이싱(312)의 하단부(312b)에서 제2 기어 샤프트에 고정된다.
또한, 케이싱(312)의 전방부(312f)(도시되지 않음)는 말단 작동체(E3)(도시되지 않음)와 연결된다.
손목(310)은 헤드부(318a)와 테일부(318b)를 구비한 제1 로킹 요소(318) 및 헤드부(319a)와 테일부(319b)를 구비한 제2 로킹 요소(319)를 더 포함한다. 제1 로킹 요소(318)의 헤드부(318a)는 제1 상단 커플링 요소(314a)의 제1 단부로부터 떨어져 이격된 제1 상단 커플링 요소(314a)의 제2 단부와 제1 하단 커플링 요소(314b)의 제1 단부로부터 떨어져 이격된 제1 하단 커플링 요소(314b)의 제2 단부 사이에 피벗 가능하게 맞물린다. 비슷하게, 제2 로킹 요소(319)의 헤드부(319a)는 제2 상단 커플링 요소(316a)의 제1 단부로부터 떨어져 이격된 제2 상단 커플링 요소(316a)의 제2 단부와 제2 하단 커플링 요소(316b)의 제1 단부로부터 떨어져 이격된 제2 하단 커플링 요소(316b)의 제2 단부 사이에 피벗 가능하게 맞물린다. 제1 로킹 요소(318)의 테일부(318b)는 연결 요소(304c)와 맞물리도록 구성되고, 제2 로킹 요소(319)의 테일부(319b)는 연결 요소(306c)와 맞물리도록 구성된다.
로킹 요소(318)의 테일부(318b)와 연결 요소(304c)는 회전 조인트(R7)에 의해 서로 연결된다. 회전 조인트(R7)의 회전축은 회전 조인트(R3)의 회전축과 거의 평행하다. 비슷하게, 로킹 요소(319)의 테일부(319b)와 연결 요소(306c)는 회전 조인트(R8)에 의해 서로 연결된다. 회전 조인트(R8)의 회전축은 회전 조인트(R4)의 회전축과 거의 평행하다. 또한, 손목의 이동을 일으키는 모터(M5)가 회전 조인트들(R7, R8)의 부근에 마련된다.
당업자라면, 제1 상단 커플링 요소(314a) 및 제1 하단 커플링 요소(314b)가 전술한 바와 같은 의도된 기능을 그만둠이 없이 단일 부재로서 마련될 수도 있음을 이해할 것이다. 예컨대, 더블 오픈 엔드 렌치/스패너의 형상과 거의 유사한 형상을 갖는 커플링 요소가 제1 상단 커플링 요소(314a) 및 제1 하단 커플링 요소(314b) 대신에 사용될 수 있다. 비슷하게, 제2 상단 커플링 요소(316a) 및 제2 하단 커플링 요소(316b)도 단일 부재로서 마련될 수 있다.
또한, 말단 작동체(E3)는 작업 공간에서 위치시킬 물체의 형상 및 크기를 기반으로 및/또는 매니퓰레이터(300)에 의해 수행되는 작업의 속성을 기반으로 상이한 형상들을 가질 수 있다.
또한, 비한정적 예들로서, 손목(310) 및 말단 작동체(E3)와 관련된 이동들을 설명하기로 한다. 작업 시에, 모터(M0)가 링크(W)의 회전 이동을 일으키고, 그 회전 이동이 다시 암(304), 암(306), 손목(310), 및 말단 작동체(E3)를 회전시킨다. 손목(310)과 말단 작동체(E3)가 요잉 이동, 즉 왼쪽으로부터 오른쪽으로 및 그 반대로 손목(310)이 회전하는 것을 규정하게 하기 위해, 모터들(M1, M2) 중의 하나가 작동되어 해당 상부 암 링크(304a, 306a)를 이동시킨다. 본 예에서는, 모터(M1)가 해당 상부 암 링크(304a)를 작동하는 것으로 간주한다. 그럼으로써, 상부 암 링크(304a)가 회전 조인트(R1)의 축을 중심으로 회전하게 된다. 상부 암 링크(304a)의 회전은 해당 전방 암 링크(304b)가 이동하게 한다. 대안적으로, 모터(M3)가 작동되어 전방 암 링크(304b)를 이동시킬 수도 있다. 상부 암 링크(304a)와 전방 암 링크(304b)가 이동하는 동안, 암(306)은 그대로 정지해 있거나 암(304)의 이동에 비해 훨씬 적은 이동을 한다. 또한, 전방 암 링크(304b)가 이동하는 동안, 로킹 요소(319)가 전방으로 이동하고, 그러한 이동은 다시 커플링 요소(316)를 커플링 요소(314)로부터 떨어지게 이동시킨다. 커플링 요소(316)의 이동은 다시 손목(310)을 암(306) 쪽으로 이동시키고, 그 결과 손목(310)과 말단 작동체(E3)의 요잉 이동이 일어난다.
또한, 말단 작동체(E3)가 피칭 이동, 즉 손목(310)에 대해 말단 작동체(E3)가 전후 또는 상하로 기울어지는 것을 규정하게 하기 위해, 모터(M5)가 사용된다. 모터(M5)는 각각의 로킹 요소들(318, 319)의 테일부(318b) 및 테일부(319b)의 이동을 일으킨다. 테일부들(318b, 319b)의 그러한 이동은 다시 커플링 요소들(314, 316)을 원하는 바대로 전후 및 상하로 이동시켜 손목(310)의 피칭 이동을 규정한다.
손목(310)이 롤링 이동, 즉 말단 작동체(E3)와 함께 손목(310)이 좌우로 기울어지는 것을 규정하게 하기 위해, 연결 요소들(304c, 306c) 중의 하나 또는 그 모두가 각각의 회전 조인트(R5, R6)의 회전축을 중심으로 회전한다. 연결 요소들(304c, 306c)이 회전하는 결과, 손목(310)이 원하는 방향으로 기울어져 롤링 이동을 규정하게 된다.
또한, 케이블 또는 강철 로프에 의해 각각의 손목(210, 310)의 이동을 일으키고, 그럼으로써 손목(210, 310) 상에 또는 손목(210, 310)의 부근에 모터들(M5, M5)을 장착할 필요가 없게 하는 것도 또한 본 발명의 범위 내에 있다. 손목(210, 310)을 케이블에 의해 작동할 수 있는 일례는 부품을 오븐에 놓거나 그로부터 회수하는 것과 같은 극한 환경에서 매니퓰레이터를 사용하는 경우이다.
또한, 매니퓰레이터들(200, 300)의 모터들(M0, M1, M2, M3, M4 및 M0, M1, M2, M3, M4)이 각각의 베이스(202, 302)에 근접하여 위치하기 때문에, 매니퓰레이터가 움직이는 동안 모터들의 질량이 동력 사용량에 기여하지 않음을 주목하여야 한다. 또한, 모터들을 베이스에 근접하여 위치시키는 것은 중량 밸런스를 제공하고, 그리하여 매니퓰레이터의 전복을 회피시킨다. 또한, 모터들(M3, M4)은 링크(L)의 상부(L2)와 하부(L1) 사이에 마련될 수 있다. 마찬가지로, 모터(M3, M4)들은 링크(W)의 상부(W2)와 하부(W1) 사이에 마련될 수 있다. 그 모터들을 베이스에 근접하여 마련하는 것도 본 발명의 범위 내에 포함된다는 것을 알아야 한다. 또한, 각각의 모터(M5, M5)는 다른 모터들에 비해 소형 모터인 것이 바람직하다. 모터들(M1 내지 M4)은 동시에 페이로드의 이동에 기여하고, 그에 따라 모터들(M1 내지 M4)이 작은 크기 및 용량의 것들로 될 수 있다.
전술한 특정 실시예들의 설명은 다른 사람들이 현재의 지식을 적용하여 일반적 개념으로부터 벗어남이 없이 여러 적용들에 맞춰 그러한 특정 실시예들을 용이하게 변경 및/또는 개조할 수 있을 정도로 충분히 본 발명의 실시예들의 일반 특성을 밝히고 있을 것이고, 그에 따라 그러한 개조들 및 변경들은 개시된 실시예들의 균등물의 의미 및 범위 내에 있는 것으로 이해되어야 하고 그렇게 이해되도록 의도된 것들이다. 본 명세서에 채용된 어구 및 용어는 설명을 위한 것이지, 한정을 위한 것이 아님을 알아야 할 것이다. 따라서 본 발명의 실시예들을 바람직한 실시예들에 의해 설명하였지만, 당업자라면 본 발명의 실시예들을 본 명세서에서 설명된 바와 같은 실시예들의 사상 및 범위 내에서 변경하여 실시할 수 있음을 인식할 것이다.

Claims (10)

  1. 물체들을 이동시키도록 구성된 하이브리드 로봇 매니퓰레이터로서,
    베이스;
    베이스 상에 장착되고, 베이스 상에서 회전하도록 구성된 허리(waist); 및
    허리 상에 장착된 한 쌍의 암들을 포함하고, 각각의 암은
    허리와 커플링된 상부 암,
    엘보(elbow)에서 상부 암과 직렬로 커플링된 전방 암; 및
    말단에서 한 쌍의 연결 요소들을 통해 한 쌍의 암들을 커플링하도록 구성된 손목(wrist)을 포함하되,
    손목은 손목에 장착되고 물체를 쥐어 원하는 위치로 물체를 이동시키도록 구성된 말단 작동체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 로봇 매니퓰레이터.
  2. 제 1 항에 있어서, 한 쌍의 연결 요소들은 다수의 기어들에 의해 서로 커플링되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 로봇 매니퓰레이터.
  3. 제 2 항에 있어서, 다수의 기어들은 손목에 위치하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 로봇 매니퓰레이터.
  4. 제 2 항에 있어서, 다수의 기어들은 서로에 대해 횡단하는 축에서 회전하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 로봇 매니퓰레이터.
  5. 제 1 항에 있어서, 한 쌍의 암들의 각각의 암의 상부 암과 전방 암의 이동은 다수의 모터들에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 로봇 매니퓰레이터.
  6. 제 1 항에 있어서, 한 쌍의 암들은 베이스의 중심축을 횡단하는 축에서 상부 암을 회전시키도록 구성된 회전 조인트를 사용하여 허리 상에 장착되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 로봇 매니퓰레이터.
  7. 제 6 항에 있어서, 다수의 모터들은 회전 조인트의 근처에 위치하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 로봇 매니퓰레이터.
  8. 첨부 도면들을 참조하여 명세서에서 전술한 바와 같은 로봇 매니퓰레이터.
  9. 물체들을 이동시키도록 구성된 하이브리드 로봇 매니퓰레이터로서,
    베이스;
    베이스 상에 장착되고, 베이스 상에서 회전하도록 구성된 허리(waist); 및
    허리 상에 장착된 한 쌍의 이동 가능한 암들을 포함하고, 각각의 암은
    허리와 커플링된 상부 암,
    엘보(elbow)에서 상부 암과 직렬로 커플링된 전방 암; 및
    말단에서 한 쌍의 연결 요소들을 통해 한 쌍의 암들을 커플링하도록 구성된 손목(wrist)을 포함하되,
    한 쌍의 암들의 각각의 암의 상부 암과 전방 암의 이동은 다수의 모터들에 의해 제어되고;
    손목은 손목에 장착되고 물체를 쥐어 원하는 위치로 물체를 이동시키도록 구성된 말단 작동체; 및
    한 쌍의 연결 요소들을 커플링하도록 구성된 다수의 기어들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 로봇 매니퓰레이터.
  10. 제 9 항에 있어서, 다수의 모터들은 다수의 회전 조인트들의 근처에 위치하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 로봇 매니퓰레이터.
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