KR20150085058A - 다관절 아암 - Google Patents

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KR20150085058A
KR20150085058A KR1020157015906A KR20157015906A KR20150085058A KR 20150085058 A KR20150085058 A KR 20150085058A KR 1020157015906 A KR1020157015906 A KR 1020157015906A KR 20157015906 A KR20157015906 A KR 20157015906A KR 20150085058 A KR20150085058 A KR 20150085058A
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KR1020157015906A
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프레데릭 레이
슬림 아루아니
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꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈
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Abstract

본 발명은 연접부에 의하여 적어도 두 회전축들 위에서 운동하도록 직렬로 장착된 적어도 세 연접부들을 포함하는 다관절 아암(100)에 관한 것으로, 각각의 연접부(1)가 제1 및 제2 서포트(2, 3)와 적어도 세 개의 리니어 액튜에이터(10)들을 포함하며, 각각의 리니어 액튜에이터(10)는 스위벨 연결부(41, 42, 43, 44)들에 의하여 제1및 제2 서포트(2, 3) 위에서 각각 연접되는 제1 및 제2 단부를 가지며 어느 상황에서나 다관절 아암에 의하여 제공되는 운동을 따르도록 적어도 복수의 연접부들을 수용하고 이를 가능하게 하는 부피를 가지는 변형가능한 유체 밀봉된 시스(200)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다관절 아암{ARTICULATED ARM}
본 발명은 로봇 분야에 대한 것으로, 보다 구체적으로 다관절 아암 분야에 대한 것이다. 본 발명의 비제한적이지만 특히 유익한 적용분야는 원자로의 검사 및 보수 분야이다.
예컨대, 원자력 분야와 같은 일정 분야에서, 매우 정밀하고 강건한(robust) 로봇의 사용은 더욱 중요하다. 원자로의 안전을 향상시키기 위한 점증하는 요구에따라, 원자로가 가동 중이면서 검사 및/또는 보수 작업을 수행하기 위하여 로봇에 대한 필요성은 특히 매력적인 것으로 보인다(이들 과제는 보통 ISIR이라고 불리며, "가동 검사 및 보수(In Service Inspection and Repair)"를 나타냄). 이들 로봇은 건설 및 해체 장소(주로 원자로 해체)에서 또한 원자로 사고 중에 작업할 수 있으며 그리고 인간 작업자의 높은 위험을 초래하기에 예외적으로 작업하는 것이 필요한 영역에 접근할 수 없는 산업 사고에 더욱 일반적으로 작업할 수 있다.
통상적으로, 이들 로봇들은 핵 유닛에서 측정 및 보수용 공구들과, 센서들을 포함할 수 있다.
현재 사용되는 로봇들은 일반적으로 원자로 주 용기의 외부로부터 조종되는 폴(pole)에 장착된다. 이러한 용기 내부로의 주요 접근로는 플로어(floor)에 위치된다. 검사 또는 보수 메카니즘은 이들 접근로를 통해 도입될 수 있다. 이들 방안들은 검사될 영역이 접근하기 용이하면 전체적으로 만족스럽다. 현재까지 이러한 유형의 원자로의 가장 깊은 침지 부분까지 접근하는 요구는 없었다. 규정의 변경에 따라, 핵안전 협회(Nuclear Safety Authority)는 이제 이들 영역의 전부 또는 일부를 검사할 수 있는 것을 요구한다. 이제까지 채용된 수단은 이를 허용하지 않았다.
그러므로 안전상 점증하는 요건들은 ISIR 과업 동안 원자로 유닛에서 접근하기 어려운 영역을 로봇이 접근하는 것을 요구한다. 또한, 접근하기 어려운 이들 영역은 때로 로봇이 원자로에 진입하는 지점으로부터 비교적 먼 거리에 위치될 수 있다.
폴을 포함하는 공지 방안들에 의하면, 접근하기 어려운 영역에 로봇을 위치할 수 없으므로, ISIR의 견지에서 엄격한 요건들에 적합하지 않다. 더우기, 이들 방안들은 세척의 어려움 때문에 방제의 면에서 문제가 발생한다. 검사 및 보수 공구들이 구체적인 작업 동안 원자로의 주 용기 내로 도입된다. 이들 공구들은 이들 기간 외측에서 용기 내에 보유되지 않으며 따라서 원자로의 작동 동안에는 없다. 따라서, 기계화된 ISIR 수단을 운반하고 이동시키는 것이 필요하다. 또한 이들 장비의 검사 및 운전 및/또는 보수를 수행하기 위한 준비가 필요하다. 이와같은 이유에서, 장비가 원자로 외부로 배출된 때 초래할 수 있는 오염을 제한하는 것이 필요하다. 이러한 이유로서, 이들 공구 위에 냉매가 보유되는 영역을 제한하는 것이 중요하다.
원자로 플로어에서의 액세스를 통해 로봇은 원자로 주 용기 내로 도입된다. 로봇들은 "포지셔너(positioner)"로 불리는 용기로의 하강을 제공하기 위하여 1의 병진 자유도와 1의 회전(고유 회전) 자유도를 포함하는 메카니즘에 의하여 배치된다. 포지셔너는 플로어에 고정된다. 로봇은 포지셔너의 다른 단부에 고정된다.
더우기, 일부 원자로들은 로봇에 대해 특히 제한적인 환경을 제공한다. 4세대 냉매를 가진 원자로가 그러하다. 이러한 유형의 원자로에서, 냉매는 일반 나트륨이다. 이 금속은 화학적으로 매우 활성이다. 로봇과 그의 연접부는 이러한 냉각 유체와의 접촉의 일체성을 유지하여야 한다.
그러나, 로봇은 전기 부품, 센서들 및 예컨대 모터를 포함하며, 이는 나트륨과 같은 냉각 유체와 접촉하여 배치될 수 없다. 더우기, 냉매 온도는 냉매를 액체 상태로 유지하기 위하여 비교적 높은 온도이며, 이는 추가적인 제한을 의미한다. ASTRID(Advanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration) 원자로는 이러한 유형의 원자로의 예를 구성한다.
본 발명의 개발 배경으로서, 예컨대 조립 라인 산업에서 사용된 로봇 아암들은 위에 설명된 제한을 받을 때 단점이 있는 것이 발견되었다.
예컨대, 산업 분야에서, 자주 관심이 연접부(articulation)들의 접합부에서 일련의 연속적인 전단 피벗 작업에 의하여 형성된 로봇 아암들과 수직인 회전축에 집중된다. 그러한 아암이 도 1에 도시된다. 나트륨과 같은 유체의 존재 하에 로봇의 일체성을 유지하기 위하여 본 발명의 견지에서 냉매 유체로부터 연접부들을 분리시키고 그들을 시스(sheath)로 포장한 것이 고려되었다. 그러나 시스는 비교적 일찍 파손되는 것으로 밝혀졌다.
본 발명의 측면에서, 이어서 전단 동안 대향하여 위치된 표면에 가스킷을 구비한 매우 좁은 개구를 형성함으로써 연접부에서 밀봉(seal)을 형성하려고 하였다. 이러한 솔루션은 또한 유체 밀봉의 신뢰성과 긴 시간의 강도의 측면에서 한계를 가질 수 있다.
또 다른 방안이 상정되는 데, 연접부의 외측을 향하여 내측으로부터 거품을 가진 연접부 내측에 가스 과잉 압력을 가진 가스킷을 교체하도록 구성하였다. 이 방안은 복잡하고 충분한 신뢰성이 없는 결점을 가진다.
본 발명의 개발 측면에서, 손가락식 스위벨 유형의 연결부에 의하여 서로에 대해 연접하는 일련의 부분들에 의하여 형성된 아암에 착안하는 것을 고려하였다. 이러한 연결 유형에 의하여, 연접부는 이들 회전들이 이루어지는 회전 중심을 가지며, 서로 수직인 두 축들 위에서 회전할 수 있다.
이러한 연접부 형태의 하중 수용력은 비교적 제한된다.
더우기, 연접부는 로봇 아암이 침지되는 유체에 대해 연접부들을 고립시키는 것에 대해 위에 설명된 바와 같은 결점을 가진다. 특히, 아암 둘레에 배치된 시스는 빠르게 파손된다.
그러므로 적어도 2의 회전 자유도를 가지며 아암이 도입되는 유체에 대해 향상된 유체 밀봉성을 가지는 기계화된 아암을 제안하는 필요성이 존재한다. 본 발명의 목적은 이러한 필요성을 충족하는 방안을 제공하는 것이다.
본 발명의 발명의 목적들, 특징들 및 이점들은 이하의 상세한 설명 및 첨부 도면들의 심사로부터 명백해질 것이다. 자연적으로 다른 이점들이 입증될 것이다.
그러므로 적어도 2의 회전 자유도를 가지며 도입되는 유체에 대해 향상된 유체 밀봉성이 있는 기계화된 아암을 제안할 필요성이 존재한다. 본 발명의 목적은 이러한 필요성을 충족하는 방안을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은 적어도 두 개의 회전축들 위에서 아암이 운동할 수 있도록 직렬로 장착된 적어도 3개의 연접부(articulation)들을 포함하고, 각각의 연접부는 제1 및 제2 서포트와, 적어도 하나 그리고 바람직하게는 적어도 3개의 팽창 및 수축가능한 리니어 액튜에이터들을 포함하고, 각각의 리니어 액튜에이터는 스위벨 연결부에 의하여 제1 및 제2 서포트 위에서 각각 연접되는 제1 및 제2 단부들을 가지는 다관절 아암을 제공한다. 이와 같이 본 발명은 향상된 강건성과 하중 수용력 및 연접부에 의한 적어도 2의 회전 자유도로 이동할 수 있는 수용력을 가진 다관절 아암을 제공한다.
유익한 실시예에 따르면, 다관절 아암은 적어도 복수의 연접부들을 수용하는 유체밀봉된(fluidtight) 변형가능한 시스(sheath)를 포함한다.
이와 같이 본 발명은 아암이 그를 따라 연장하는 주 방향에 수직인 두 축들 위에서 연접부에 의하여 적어도 2의 회전 자유도를 가지는 로봇 아암을 제공한다. 유체로 밀봉된 시스는 종래기술에 대해 설명된 부분에서 설명된 공지의 방안들의 로봇 아암을 덮는 시스에 대해 더욱 우수한 수명과 내마모성을 가짐이 입증되었다.
본 발명의 개발 면에서, 공지의 방안들에서는 회전 중심이 시스 내측에 위치되고, 이는 매우 작은 곡률 반경을 제공하므로 시스의 작은 영역에 응력을 집중시킨다. 연접부들에 의하여 회전이 발생됨에 따라, 이들 영역에 대한 피로가 매우 신속하게 증가하여 파괴가 출현한다. 본 발명에 따른 로봇 아암에서는 각각의 연접부의 회전 중심이 시스의 외측으로 또는 적어도 연접부의 외측으로 밀어진다.
그러므로 시스에 가해진 응력이 길이를 따라 보다 균등하게 분포된다. 이어서 높은 피로 영역은 제한되거나 또는 제거된다. 따라서 시스의 피로 강도와 사용 수명이 향상된다.
이와 같이 본 발명은 연접부들이 운동하는 주위 환경에 대해 연접부들의 보호를 향상시킨 신뢰성 있으며, 강건하고 단순한 방안을 제공한다.
더우기, 이 방안은 로봇 아암의 메카니즘과 나트륨의 접촉을 방지하는 이점을 가진다. 이로써 나트륨 보유 가능 영역이 상당히 제한되고 로봇 아암의 세척과 방제에 관련되는 어려움을 감소시킨다. 이는 아암이 용기에서의 작업을 완료하고 그로부터 외부로 나온 때 특히 유용하다. 이어서 아암은 세척되고 또는 가동되고 유지되며, 이는 나트륨의 제한된 존재에 의하여 촉진된다.
본 발명은 원자로의 ISIR 환경용의 다관절 아암을 제조함에 있어서 특히 유효한 방안을 제공한다. 특히 4세대 나트륨 냉매 원자로에 유익하다.
유익한 실시예에 따르면, 시스는 바람직하게 다관절 아암의 운동에 불문하고 리니어 액튜에이터들과 스위벨 연결부로부터 일정 거리에 유지되도록 구성된다. 이와 같이, 예컨대, 시스의 외부 덮개(evelope)에 일 지점에서 압력 또는 예컨대 외부 환경으로부터 시스로 압력이 가해질 때와 같이 시스에 외부 압력이 가해질 때도 시스는 연접부들의 액튜에이터들로부터 일정 거리에 유지된다. 그러므로 리니어 액튜에이터들을 서포트들에 결합시키는 스위벨들과 시스 사이 또는 시스와 잭 또는 액튜에이터를 형성하는 로드 사이에 접촉이 방지된다.
유익한 실시예에 따르면, 시스는 바람직하게 예컨대 액체로의 침지와 관련된 압력 또는 일 지점에서의 압력과 같은 외부 압력의 영향에 의하여 실질적으로 변형될 수 없는 부피를 가진다. 이와 같이, 아암이 액체에 침지되거나 또는 가압 유체에 배치되더라도, 시스는 형상적인 고려에 의하여 고정되고 압력에 의하여 영향을 받지 않는 부피를 유지한다. 바람직하게, 시스의 부피는 일정하다.
유익하게, 본 발명의 다관절 아암은 압력의 영향 하에 연접부를 파손하거나 리니어 액튜에이터를 손상시킬 수 있는 연접부와의 접촉으로부터 시스를 방지한다.
더우기, 그리고 또한 유익하게, 이로써 압축가능한 시스에 기초한 방안에 대해, 아암에 가해지는 아르키메데스 부력을 증가시킬 수 있다. 아르키메데스 부력은 아암의 중량에 반대이다. 그러므로 후자는 예컨대 변형가능한 시스를 가진 아암보다 또는 시스 없는 아암보다 더 길어짐으로써, 질량의 이러한 증가를 보충하기 위한 구조물이나 기계적인 보강재를 제공할 필요없이 더 큰 질량을 가질 수 있다. 아암의 조종가능성과 및/또는 외부 하중 수용력이 크게 향상된다.
본 발명의 목적들, 특징들 및 이점들이 첨부 도면들에 의하여 도시된 실시예의 상세한 설명으로부터 보다 명확해질 것이며, 여기서:
도 1은 종래 기술에 따른 다관절 아암의 예를 도시.
도 2는 본 발명에 따른 다관절 아암의 예를 개략적으로 도시.
도 3은 본 발명에 따른 다관절 아암의 예를 보다 개략적으로 도시.
도 4는 본 발명에 따른 다관절 아암에 통합된 연접부의 비제한적인 예를 개략적으로 도시.
도 5는 본 발명에 따른 다관절 아암에 통합된 연접부의 제2의 예를 도시.
도 6은 도 5에 도시된 실시예에 따른 연접부의 단면.
도 7은 직렬로 장착되고 도 6에 도시된 실시예에 따른 복수의 연접부들을 포함하는 다관절 아암을 도시.
도 8은 도 7에 도시된 다관절 아암에 적용된 힘을 개략적으로 도시.
도 9는 도 5와 6에 도시된 연접부들과 밀봉 시스를 포함하는 본 발명에 따른 다관절 아암의 예를 개략적으로 도시.
도 10은 각 연접부가 단일 리니어 액튜에이터를 포함하는 본 발명의 또 다른 실시예를 개략적으로 도시.
도 11은 흡력 구조물이 중공인 실시예를 도시.
도면들은 단지 예로서 제공되고 본 발명을 제한하려는 것은 아니다. 도면들은 본 발명의 이해를 촉진하기 위한 요약적인 개략적 표현을 구성하고 실 적용의 크기에 반드시 일치할 필요는 없다. 특히, 여러 요소들의 상대적인 크기는 실질을 반영하지 않는다.
본 발명의 실시예를 상세하게 설명하기 앞서, 결합하거나 또는 대체해서 선택적으로 사용될 임의 특징들이 이하 설명된다.
- 바람직하게, 시스는 모든 연접부들을 덮으며, 선택적으로 다관절 아암의 단부들의 연접부들을 제외한다.
- 효과적으로, 시스 부피는 일정하게 유지되거나 10% 이상 변하지 않으며, 또는 바람직하게는 10바와 같거나 작은, 바람직하게는 5바보다 작거나 같은 압력이 가해질 때 5% 이상 변하지 않는다.
- 바람직하게, 시스는 파형 튜브이며, 또한 벨로우즈 튜브로 불린다.
- 바람직하게 시스는 여러 등급의 스테인레스강, 티타늄, 탄소, 구리, 실리콘을 포함하는 폴리머, 또는 이들 재료들의 조합 중에서 선택된 재료로 제조된다.
- 효과적인 실시예에 따르면, 제1 및 제2 서포트들은 적어도 하나의 리니어 액튜에이터들로부터 일정 거리에 시스를 유지하도록 구성된다.
- 하나의 유익한 실시예에 따르면, 아암은 적어도 하나의 리니어 액튜에이터로부터 일정 거리에 시스를 유지하도록 구성된 서포트 구조물을 포함한다. 또 다른 유익한 실시예에 따르면, 시스는 시스 내측의 압력에 의하여 적어도 하나의 리니어 액튜에이터로부터 일정 거리에 유지된다. 다관절 아암은 시스 내측의 가스를 포함한다. 이와 같이 다관절 아암은 시스 내측에 수용된 가스를 포함한다.
- 유익한 실시예에 따르면, 아암은 리니어 액튜에이터들과 서포트들로부터, 즉, 또한 연접부들로부터 일정 거리에 시스를 유지하도록 구성된다.
- 유익한 실시예에 따르면, 시스는 연접부에 추가해서, 유체를 포함한다. 바람직하게, 유체는 아암이 그 속에서 이동하는 유체보다 더 가볍다. 예컨대, 시스 내측의 유체는 공기와 같은 가스이며, 아암은 물이나 나트륨과 같은 액체에 침지된다. 가스는 시스에 수용된다. 그러므로 가스는 시스로부터 도피할 수 없다.
- 바람직하게, 시스는 단일 부재(single piece)이다. 대체적으로, 시스는 서포트 구조물에 의하여 지지되는 유체 밀봉된 덮개를 포함한다.
- 본 발명을 제한하는 것이 아닌, 서포트들은 강, 스테인레스강, 티타늄, 탄소와 유리로 구성된 재료를 포함하는 복합 재료, 또는 이들 재료들을 결합에서 선택된 재료로 제조된다.
- 바람직하게, 각각의 연접부는 길이대 폭의 비율이 0.5에서 1 사이 이고 길이는 아암의 길이방향으로 선택되고 폭은 길이방향을 가로지르는 방향으로 취해지는, 길이와 폭을 가진다. 길이방향은 직선적일 때 아암이 최대 크기를 가지는 방향이다. 길이방향은 아암이 직선일 때 연장하는 방향이다. 이 방향은 Rz로 표시된다. 이 비율은 다관절 아암의 정교함을 향상시킨다.
- 유익하게, 아암은 적어도 8개의 연접부들을 포함한다.
- 바람직하게, 리니어 액튜에이터들과 흡력 구조물은 자체로 제1 및 제2 서포트들 사이에 기계적인 연접을 제공한다. 그러므로 서로에 대해 두 개의 서포트들을 이동시키거나 유지시키기 위하여 다른 요소들이 제공되지 않는다.
-유익하게, 연접부들의 적어도 하나는 헥사포드의 연접부를 형성하기 위하여 6개의 리니어 액튜에이터들을 포함한다. 6개의 리니어 액튜에이터들은 효과적으로 접촉이나 막히는 위치를 제거하도록 배치된다.
- 유익한 실시예에 따르면, 적어도 하나의 연접부, 바람직하게는 모든 연접부들이 한편으로 제1 서포트에 매립되고 다른 한편으로 스위벨 연결부에 의하여 제2 서포트에 결합된 흡력 구조물을 포함한다. 이러한 구조물은 전단력을 흡수하고 액튜에이터 또는 액튜에이터들의 힘을 회전 운동으로 전환한다. 이와 같이 각 연접부는 축소된 크기와 중량을 가진다. 이로써 전체 구조물은 감소된 중량을 가진다. 그러므로 연접부보다 더 큰 길이 및/또는 더 많은 수를 가질 수 있으므로, 다관절 아암의 접근성과 정교함을 향상시킨다.
- 유익하게 직렬의 두 연접부들은 공통 서포트를 포함한다. 이로써 부품들의 수와 구조물의 중량이 감소된다. 유익하게, 모든 서포트들은 다관절 아암의 단부의 서포트들을 제외하고 두 연접부들에 공통이다.
- 바람직하게, 흡력 구조물을 제2 서포트에 결합시키는 스위벨 연결부의 회전 중심은 제2 서포트의 두께에 위치된다.
- 유익하게, 제2 서포트 위에서 흡력 구조물을 연접하는 스위벨 연결부의 회전 중심은 제2 서포트를 교차하는 두 평면들 사이에 위치되고, 상기 두 평면들은 서로 평행이고 서로 수직인 두 축(Rx, Ry)들에 의하여 형성되는 평면으로 제1 서포트를 고정 유지하면서 제1 서포트에 대해 그 둘레로 제2 서포트가 회전되는 평면에 평행이다. 축(Rz)은 제2 서포트의 고유 회전축, 즉, 제2 서포트 자체의 회전축이다. 흡력 구조물은 주 방향으로 연장한다. 통상적으로, 방향(Rz)은 흡력 구조물이 연장하는 주 방향이다. 방향(Rz)은 매립 연결부와, 제2 서포트에 흡력 구조물을 결합시키는 스위벨 연결부의 회전 중심을 통과하는 직선에 의하여 형성된다. 그러므로 이 방향은 리니어 액튜에이터들의 전개에 상관 없이 고정된다.
- 유익하게, 제1 서포트 위에서 리니어 액튜에이터들이 연접되는 스위벨 연결부의 중심은 동일 평면(coplanar)이다. 리니어 액튜에이터들이 그에 의하여 제1 서포트 위에서 연접되는 스위벨 연결부의 중심에 의하여 형성되는 평면은 두 평면들에 평행이고, 서로 평행이며, 제2 서포트를 관통하고 그 사이로 흡력 구조물을 제2 서포트 위에 결합시키는 스위벨 연결부의 회전 중심이 위치된다.
- 제2 서포트의 윤곽은 외부 덮개를 형성하고 제2 서포트와 흡력 구조물에 의하여 형성된 스위벨 연결부의 상기 회전 중심은 덮개 내측에 위치된다.
스위벨 연결부의 회전 중심은 이상적으로 제2 서포트의 평면 중간에 위치된다.
- 바람직하게, 제2 서포트는 흡력 구조물을 향하는 내면과 내면을 향하는 외면을 가지며 회전 중심은 내면과 외면들 사이에 위치되고, 이상적으로 이들 두 평면의 중간에 위치된다.
- 바람직하게, 제2 서포트의 흡력 구조물을 결합시키는 스위벨 연결부의 회전 중심은 제2 서포트의 외면과 내면 사이, 즉, 제2 서포트의 두께의 중간에 위치된다.
- 비제한적인 실시예에 따르면, 내면과 외면은 평면이다.
- 비제한적인 실시예에 따르면, 흡력 구조물은 연결 아암이며, 그의 일 단부는 제1 서포트 위에 매립되고 그의 제2 단부는 스위벨 연결부에 의하여 제2 서포트에 결합된다. 바람직하게, 흡력 구조물은 튜브이다.
- 일 실시예에 따르면, 본 발명은 스튜어트 플랫폼 유형의 연접부를 기초로 전단력을 흡수하는 구조물과 같은 다른 특징을 합체한 연접부를 제공한다.
- 리니어 액튜에이터들은 수축가능한 아암이다. 리니어 액튜에이터들은 예컨대 유압 잭, 공압 잭 또는 스크류 잭 등이다.
- 리니어 액튜에이터들은 제1 및 제2 서포트들을 연결시킬 수 있는 스위벨 연결부 외에 다른 피벗이나 스위벨 연결부를 포함하지 않는다.
- 제1 서프트는 강성(rigid)이다. 이는 그것이 연결되는 외부 요소들을 가진 연접부 외에 다른 어느 연접부를 포함하지 않는다(예컨대, 액튜에이터들, 흡력 구조물). 유사하게, 제2 서포트는 강성이다. 이는 그것이 연결되는 외부 요소들 외에 다른 연접부를 포함하지 않는다.
- 유익하게, 제2 서포트와 흡력 구조물에 의하여 형성되는 스위벨 연결부의 회전 중심은 제2 서포트 위에서 리니어 액튜에이터들이 연접되는 스위벨 연결부에의하여 형성되는 원의 중심에 위치된다.
- 유익하게, 흡력 구조물은 제1 서포트 위에 리니어 액튜에이터들이 연접되는 스위벨 연결부에 의하여 형성되는 원의 중심에서 제1 서포트에 매립된다.
- 유익하게, 제1 서포트 위에서 리니어 액튜에이터들이 연접되는 스위벨 연결부들은 각각 제1 서포트의 두깨에 위치되는 회전 중심을 가진다. 이와같이, 제1 서포트에 액튜에이터들을 결합시키는 스위벨 연결부의 회전 중심은 제1 서포트를 관통하는 두 평면들 사이에 위치되고, 상기 두 평면들은 서로 평행이고 서로 수직인 두 축(Rx, Ry)들에 의하여 형성되는 평면으로 제1 서포트를 고정 유지하면서 제1 서포트에 대해 그 둘레로 제2 서포트가 회전되는 평면에 평행이다. 바람직하게, 액튜에이터들을 제1 서포트에 결합시키는 스위벨 연결부들의 회전 중심은 제1 서포트를 통과하는 두 평면들 사이에 위치되고, 상기 두 평면들은 서로 평행이며 한편으로 흡력 구조물과 제1 서포트 사이의 매립 연결부를 관통하고 다른 한편으로 제2 서포트와 흡력 구조물을 결합시키는 스위벨 연결부의 중심을 관통하는 축(Rz)에 수직이다. 유익하게, 스위벨 연결부와 제1 스위벨 연결부 및 제1 서포트 사이의 레버 아암은 축소되고, 따라서 제1 서포트와 스위벨들 위에 생성된 힘을 제한한다.
- 유익하게, 제2 서포트 위에서 리니어 액튜에이터들이 연접되는 스위벨 연결부들은 제2 서포트의 두께에 위치되는 회전 중심을 가진다. 유익하게, 스위벨 연결부들과 제2 서포트 사이의 레버 아암은 축소되므로, 제2 서포트와 스위벨들에 생성되는 힘을 제한한다.
- 비제한적인 실시예에 따르면, 제1 및 제2 서포트들의 적어도 하나는 판을 형성한다. 이와 같이 제2 서포트에 흡력 구조물을 결합시키는 스위벨의 회전 중심은 제2 서포트의 두께(e2)에 위치된다. 두께(e1)는 흡력 구조물이 그를 따라 연장하는 주 방향에 평행인 방향으로 취해진 제2 서포트 위의 두 점들 사이의 크기에 의하여 정해진다. 유익하게, 제2 서포트의 외면과 내면 사이의 거리와 제2 서포트에 흡력 구조물을 결합시키는 스위벨 연결부의 중심은 e2/2이다.
- 비제한적인 실시예에 따라, 헥사포드 시스템의 제1 및 제2 서포트들에서 취해진 적어도 하나의 서포트는 각각 매립 연결부와 스위벨 연결부를 형성하기 위하여 흡력 구조물의 일 단부와 상호 작용하도록 구성되는 커넥터를 포함한다.
- 유익하게, 커넥터는 또한 흡력 구조물과 추가적인 흡력 구조물로부터 취해진 구조물을 가지고 매립된 연결부; 흡력 구조물과 추가적인 흡력 구조물에서 취해진 다른 구조물을 가진 스위벨 연결부를 형성하도록 추가적인 흡력 구조물과 상호 작용하도록 구성된다. 이와 같이 동일한 커넥터가 두 연접부들에 공통이다.
- 유익하게, 제1 및 제2 서포트들의 적어도 하나는 같이 상기 매립 연결부, 또는 각각 상기 스위벨 연결부를 형성하기 위하여 상기 흡력 구조물과 같이 작용하도록 구성된 커넥터를 포함하며, 커넥터는 제2 연접부의 제2 흡력 구조물과 작용하도록 구성되고, 두 연접부들은 이러한 제2 흡력 구조물과 같이 스위벨 연결부 또는 각각 매립 연결부를 형성하도록 직렬로 장착되며, 이와 같이 동일한 커넥터는 직렬로 장착된 두 연접부들의 흡력 구조물과 상호 작용한다.
- 유익하게, 커넥터들은 단일 부재를 형성한다.
- 유익하게, 두 연접부들의 흡력 구조물들은 커넥터들만에 의하여 서포트들에 고정된다.
- 유익하게, 커넥터를 포함하는 서포트는 직렬로 장착된 두 연접부들에 공통이다.
- 유익하게, 두 연접부들의 액튜에이터들은 공통 서포트 위에서 회전하도록 연접된다.
- 유익하게, 공통 서포트는 단일 부재를 형성한다.
- 유익하게, 흡력 구조물은 제1 서포트 위에 흡력 구조물이 매립되는 제1 단부와 스위벨에 의하여 제2 서포트에 흡력 구조물이 결합되는 제2 단부를 가지며 흡력 구조물의 제1 및 제2 단부들은 고정된다. 이와 같이 강성 연결부에 의하여 제1 및 제2 단부들이 연결된다. 후자는 연접되지 않는다.
- 유익하게, 흡력 구조물은 동일 연접부의 하나의 서포트로부터 다른 서포트로 연장한다.
- 유익하게, 흡력 구조물은 각 서포트가 연장하는 평면에 수직인 주 방향으로 연장한다. 흡력 구조물은 실질적으로 선형으로 연장한다.
- 유익하게, 각 연접부는 단일 흡력 구조물을 포함한다.
- 유익하게, 각 리니어 액튜에이터의 제1 및 제2 단부들은 스위벨 연결부에 의하여 단지 제1 및 제2 서포트 위에서 각각 연접된다.
- 유익하게, 각각의 리니어 액튜에이터는 병진 운동만을 발생하도록 구성된다. 유익하게, 각각의 리니어 액튜에이터는 잭이다.
- 리니어 액튜에이터의 제1 및 제2 단부들은 상대적인 운동을 허용하지 않는다.
- 일 실시예에 따르면, 흡력 구조물은 중공 스위벨을 지탱하는 중공 튜브를 포함한다. 이 시스템은 흡력 구조물과 제1 및제2 서포트들을 통과하는 통로 채널을 형성하도록 구성된다. 통로 채널은 서포트들의 중심을 관통한다. 복수의 헥사포드 시스템을 구비한 다관절 아암은 각 헥사포드 시스템의 통로 채널을 관통하는 적어도 하나의 케이블 또는 적어도 하나의 파이프를 포함한다. 아암의 헥사포드 시스템의 각각의 통로 채널은 연속적인 통로 채널을 형성한다.
- 바람직하게, 각각의 흡력 구조물은 중공 스위벨을 지탱하는 적어도 하나의 중공 튜브를 포함하며, 각 연접부는 흡력 구조물에 의하여 적어도 부분적으로 형성된 통로 채널을 형성하도록 구성되고, 아암은 또한 그들의 통로 채널을 관통함으로써 모든 헥사포드 시스템들을 관통하는 적어도 하나의 케이블 또는 적어도 하나의 파이프를 포함한다.
비제한적인 실시예에 따르면, 로봇이 해체용 및/또는 열악한 환경에서 작용하도록 하기 위한 로봇이다.
도 2는 본 발명에 따른 다관절 아암(100)의 실시예를 도시한다. 이 아암은 직렬로 배치된 복수의 연접부(articulation)(1)들을 포함한다. 통상적으로, 각 연접부(1)는 제1 및 제2 서포트(2, 3)와 리니어 액튜에이터(10)들을 포함하며, 그 일단부는 스위벨 연결부에 의하여 제1 서포트에 결합되고 다른 단부는 또 다른 스위벨 연결부에 의하여 제2 서포트에 결합된다. 리니어 액튜에이터들의 수는 하나 또는 그 이상이다.
유익한 비제한적인 실시예에 따르면, 연접부(1)는 6개의 리니어 액튜에이터(10)들을 포함하고 헥사포드를 형성한다.
리니어 액튜에이터(10)들의 수축되거나 전개된 구조에 따라, 연접부(1)의 하나의 서포트는 6 자유도의 하나 이상에서 이러한 연접부의 다른 서포트에 대해 이동한다. 이와 같이 리니어 액튜에이터(10)의 신장 또는 수축에 의하여, 다관절 아암(100)의 위치와 형태를 3차원으로 정확하게 제어할 수 있다. 특히, 리니어 액튜에이터(10)들에 의하여, 축(Rx, Ry) 둘레에 회전하도록 도 2에 도시된 질량(M)을 이동시킬 수 있다. 질량(M)의 중량은 또한 이 도면에 도시된다. 이 중량은 다관절 아암(100)의 말단부에 적용될 수 있는 하중을 도시한다. 이 중량 대신에, 아암은 예컨대 아암 외측의 요소를 보수하기 위한 아암의 작동의 경우, 다관절 아암의 외부 요소에 동일한 힘을 미칠 수 있다.
도 2에서, (2)로 표시된 제1 서포트는 프레임에 고정된다. 서포트(3 및 4)는 그러므로 이동할 수 있다. 유익하게, 두 개의 중첩된 연접부들은 같은 서포트를 공유한다. 이와 같이 도 2의 도면에서, 5개의 서포트(2, 3, 4, 5, 6)들이 4개의 연접부들을 형성한다.
특히 유익하게, 다관절 아암(100)은, 다관절 아암(100) 둘레에 또는 연접부(1)의 적어도 둘레에 슬리브를 형성하는 시스(sheath)(200)를 포함한다.
시스(200)는 유체 밀봉된다. 이는 변형가능하고 연접부들의 운동을 따를 수 있다. 축(Rx 또는 Ry) 둘레의 회전의 경우, 시스(200)는 다관절 아암(100)의 형상을 따른다. 아암(100)의 곡률에 불문하고 연접부들의 곡률 반경의 중심은 그의 외측에 위치되고 보통 시스(200)의 내부 외측에 위치된다. 그러므로 시스의 변형은 비교적 넓은 표면에 걸쳐 분포된다. 그러므로 변형에 의하여 응력을 받은 영역은 신장되며, 이는 시스(200)의 피로를 감소시킨다. 유체 밀봉은 그러므로 효과적이고 지속적이다.
그러므로 시스(200)는 연접부들이 보호되어야 하는 환경에 아암(100)의 위치를 변경하기에 적합하다. 예컨대 나트륨 냉매 원자로가 그러하다.
바람직하게, 시스(200)는 일 단부에서 프레임 또는 상기 프레임에 고정된 서포트(2)에, 즉, 아암(100)의 말단부용 서포트에 밀봉되어 고정된다. 바람직하게, 다른 단부에서 아암(100)의 말단부의 서포트(6) 또는 이 서포트(6)에 고정된 요소에 고정된다.
바람직하게, 시스(200)는 두 단부들 사이에서 연속적인 유체 밀봉을 가진다. 이는 단일 부재일 수 있으며 또는 같이 밀봉되어 조립되는 여러 부품들로 형성된다.
바람직하게, 시스(200)는 일정한 부피를 가지거나 다소 압축성이다. 이와 같이, 시스는 변형가능하나 압축성은 아니며 외력의 영향 하에 단지 다소 압축성이다. 통상 1과 10바 사이의 비교적 강한 주위 압력이 가해지면, 시스(200)는 실질적으로 일정한 부피를 유지한다. 보다 일반적으로, 통상적으로 1과 10바 사이의 비교적 높은 주위 압력이 가해지면, 시스(200)의 용적은 10% 이상 감소하지 않으며, 바람직하게는 5% 이상 감소하지 않는다. 예컨대 그러한 외부 압력은 다관절 아암(100)이 침지되는 유체에 의하여 생성될 수 있다. 아암(100)이 나트륨-냉매 원자로에서 ISIR 과제를 수행할 때 이는 발생한다.
시스(200)는 일정한 부피를 가지며 이는 외부 압력의 영향 하의 리니어 액튜에이터(10)들에 접촉하는 것을 방지한다. 더우기, 시스(200)는 다관절 아암(100)의 부피를 증가시키므로 후자에 가해지는 아르키메데스 부력을 증가시킨다. 아르키메데스 부력은 도 2에 도시된다. 이러한 아르키메데스 부력이 다관절 아암(100)의 모든 또는 일부의 중력을 보상한다. 이로써 아암(100) 자체의 중량은 아암의 말단부에 의해 및/또는 이 단부에 의하여 외부 요소에 가해지는 힘에 의하여 운반되는 질량(M)의 하중에 부가되는 경향을 가진다. 아암(100)의 중량 자체에 의하여 유발되는 전단력은 따라서 후자의 하중 수용력을 제한한다. 본 발명에 의하여, 아암(100)에 의하여 제공되는 하중 수용력은 이와 같이 아르키메데스 부력에 의하여 아암의 고유 중량 전부 또는 일부를 보충하면서 증가된다.
이는 아암(100)의 길이와, 포함하는 연접부의 수 또는 연접부의 크기 때문에 큰 질량을 가질 때, 특히 유익하다.
아암이 수평으로 펼쳐지거나 및/또는 수평에 근접한 펼쳐진 위치에서 작동할 때 특히 유익하다.
시스(200) 내부에 존재하는 유체는 아암(100)을 둘러싸는 매체의 유체보다 가볍다. 통상적으로, 다관절 아암(100)이 유체 속에서 운동할 때 가스, 특히 공기가 선호된다. 또한 아암(100)이 자유 공기 중에서 운동할 때 헬륨과 같은 공기보다 가벼운 가스를 제공할 수 있다. 아암(100)의 중량에 의하여 수직이 아닐 때 흡력 구조물(50)에 전단력이 발생하므로 이는 특히 유익하다. 이 중량과 그에 의해 발생되는 전단력은 도 2에 도시된다.
바람직하게, 시스(200)는 벨로우즈 튜브와 같은 파형 튜브에 의하여 형성된다. 유익하게, 시스는 금속, 예컨대 스테인레스강으로 제조된 파형 튜브로 제조된다. 그러한 재료의 선택에 의하여 시스가 나트륨 냉매인 경우, 주위 유체의 압력 또는 온도 및/또는 화학적 응력을 견딜 수 있다. 파형 튜브의 강성에 의하여 시스(200)는 외력의 존재하에 있더라도 다관절 아암에 의하여 부여되는 운동을 따를 수 있도록 하는 부피를 시스(200)가 유지할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 시스(200)는 신축성 유체 밀봉된 외부 덮개(evelope)와 신축성 덮개가 접하는 강성 골조(framework)를 포함한다. 이와 같이 골조는 서포트 구조물을 형성한다. 예컨대, 골조는 금속으로 제조된다. 이는 다관절 아암(100)에 부착될 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 골조는 연접부(1)의 서포트(2,...6)에 의하여 형성된다. 후자는 그러므로 리니어 액튜에이터들을 서포트들에 결합시키는 스위벨들과 리니어 액튜에이터(10)들로부터 일정 거리에 덮개를 유지하도록 형성된다.
여전히 또 다른 실시예에 따르면, 부분적으로 변형가능하지만 시스와 액튜에이터(10)들 사이의 접촉을 발생시키는 변형을 방지하는 시스가 제공된다. 이와 같이 강성 골조에 직면하여 리니어 액튜에이터(10)와 골조가 접하는 것을 방지하기까지 변형할 수 있는 신축성 외부 덮개에 의하여 형성되는 시스를 구비할 수 있다. 이로써 리니어 액튜에이터(10)들에 접하는 시스를 손상시킬 위험이 제거된다.
여전히 또 다른 실시예에 따르면, 아암은 시스의 부피를 유지하기 위하여 시스(200) 내측의 충분한 압력을 유지하도록 구성된다. 이와 같이 시스 내부로 가압 가스를 분사하도록 준비할 수 있으므로 시스(200) 내측의 압력은 시스 둘레의 압력의 작용과 균형을 이룰 수 있다.
도 3은 매우 개략적으로 다관절 아암(100)을 도시한다. 이 도면에서, 다관절아암(100)은 7개의 연접부를 포함한다. 특정 실시예에 따르면, 각각의 연접부(1)는 헥사포드이다. 아암에 양호한 정교성을 제공하고 접근하기 어려운 영역에서 lg가 작동할 수 있도록 하기 위하여 길이(도 3에서 부호(lg))와 직경(도 3에서 부호(d)) 사이의 비율은 아암의 전체 중량, 따라서 연접부들의 수를 제한하면서 가능한 작아야 한다. 바람직하게 이 비율은 이하와 같이 선택될 것이다:
0.5 < lg/d < 1
서포트들은 반드시 형상이 원이거나 디스크일 필요가 없으며 이어서 직경(d)은 서포트의 최대 가로 직경이다.
도 4, 5, 및 6은 본 발명에 따라 다관절 아암(100)을 형성하기 위하여 직렬로 배치될 수 있는 연접부들의 특히 유익한 실시예들을 도시한다. 연접부(1)는 앞에서 설명하였듯이 적어도 세 개 바람직하게는 6개의 리니어 액튜에이터(10)들을 포함한다. 헥사포드 유형의 이들 연접부들은 이러한 질량에 의해 제공된 중량이 판에 수직인 구조에서 상부판에 의하여 지탱되는 중량을 이동시키는 경우 매우 효과적이다. 다른 한편, 도 3 도시와 같이, 아암이 수직이 아닐 때, 각 연접부의 중량과 연접부의 말단부에 고정된 질량의 중량에 의하여 모멘트와 전단력이 발생한다. 이 힘은 아암(100)의 하중 수용력을 크게 감소시킨다. 아암이 신장하는 주 방향, 즉, 방향(Rz)을 가로지르는 힘을 가할 때, 동일한 것이 적용된다.
이를 해결하기 위하여, 효과적인 실시예는, 도 4에 그의 일 예가 도시되는 데, 리니어 액튜에이터들로부터 이러한 전단력을 완화하기 위하여 전단력(T)을 흡수하도록 구성된 기계적인 구조물을 형성함으로써 3개 이상의 리니어 액튜에이터들을 가진 공지의 시스템을 변형하도록 제공된다.
전단력을 흡수하기 위한 이러한 구조물은 바람직하게 헥사포드의 중심에 내장된다. 이동성 서포트에 대해 서포트를 가진 스위벨 연결부는 이동되면서 이 구조물은 고정 서포트에 고정된다. 이러한 연접부는 필요한 축 상에, 즉, 축(Rz, Ry)에 2의 회전 자유도를 제공하는 스위벨을 형성한다.
이 연접부의 예로서의 실시예들이 이제 도 4, 5 및 6을 참조하여 각각 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 4는 연접부(1), 통상적으로 제1 서포트(2)와 제2 서포트(3)를 포함하는 헥사포드의 제1 예를 도시한다. 본 발명은 서포트의 특정 형태에 제한되지 않으며; 비제한적이며, 각 서포트는 평면 형태를 가지며 판을 구성한다.
또한 비제한적으로, 본 상세한 설명에서는 제2 서포트(3)가 제1 서포트(2)에 대해 회전되어야 하는 것으로 생각될 것이다. 이러한 목적으로서, 6개의 리니어 액튜에이터(10a, .. 10f)들은 각각 제1 서포트(2)에서 스위벨 연결부(43a, 44a, ..., 43f, 44f)들에 의하여 연접 운동되고 제2 서포트(3) 위에서 다른 단부들에 의하여 또 다른 스위벨 연결부(41a, 42a, ...41f, 42f)에 의하여 연접 운동된다. 각각의 스위벨 연결부(41a, ...41f, 43a,...43f)들은 두 서포트(2, 3)들의 하나에 의하여 지탱되는 시트(42a, ...42f, 44a,...44f)와 작용한다.
이들 리니어 액튜에이터(10a, ...10f)들은 또한 다관절 아암들로 불리며, 예컨대, 유압, 공압, 또는 스크류 잭들을 포함한다. 이들 리니어 액튜에이터(10a, ..., 10f)들은 예컨대 쌍으로 배치되므로 액튜에이터(10b)의 스위벨 연결부는 다른 액튜에이터(10c, ...10f)들보다 액튜에이터(10a)에 더 근접하게 배치되므로 액튜에이터(10b)는 다른 액튜에이터(10d,...10a)보다 액튜에이터(10c)에 더 근접하게 배치된다. 이와 같이, 액튜에이터들의 이러한 배치에 의하여, 메카니즘 위의 접하거나 막히는 지점을 피할 수 있다.
이 시스템은 또한 흡력 구조물(50)을 포함한다. 이 구조물은 제1 서포트(2)에 매립된다. 스위벨 연결부(51, 52)에 의하여 이는 제2 서포트(3)에 결합된다. 이러한 흡력 구조물(50)은 단단하며, 즉, 매립 연결부(54)와 스위벨 연결부(51, 52)들 사이에 힘(축(Rx, Ry 및 Rz)을 따라)을 전달하도록 구성된다. 바람직하게, 스위벨 연결부(51, 52) 외에 다른 연접부을 포함하지 않는다.
도시된 유익한 실시예에 따르면, 구조물은 연결 아암을 형성한다. 연결 아암의 일 단부(53)는 매립 연결부(54)를 형성하기 위하여 제1 서포트(2)와 작용한다. 연결 아암의 다른 단부는 스위벨 연결부(51, 52)를 형성하기 위하여 제2 서포트(3)에 고정된 시트(52)와 작용하는 스위벨(51)을 형성한다. 유익하게, 연결 아암은 튜브를 형성한다.
제2 서포트(3)는 도 4와 같이 축(Rx 및 Ry)들 둘레로 적어도 2의 회전 자유도를 가지며, 회전축(Rz)은 제2 서포트(4)의 고유 회전축이다. 흡력 구조물이 주요 방향으로 실질적으로 선형이거나, 원통형 또는 원추형인 경우, 축(Rz)은 구조물이 배치된 주 방향에 평행이다.
특정 실시예에서, 제2 서포트(3)는 또한 축(Rx, Ry)들에 수직인 축(Rz)에서 제1 서포트(2)에 대해 회전할 수 있다. 축(Rz)에서의 이러한 회전 자유도는 예컨대 서포트에 의하여 지탱되는 도구에 의하여 요소를 결합하도록 작용한다.
바람직하게, 시스(200)가 아암(100)을 구비하면, 축(Rz) 위의 회전은 시스(200) 위의 손상의 위험을 피하기 위하여 방지될 것이다. 예컨대 이러한 축(Rz) 위의 회전의 제거는 리니어 액튜에이터(10)들을 제어함으로써 달성된다.
특히 유익하게, 스위벨 연결부(51, 52)의 중심(60)은 제2 서포트(3)의 두께에 위치된다. 제2 서포트의 두께는 도 4에서 e2로 표시되었다. 예컨대, 바닥면(31)과 상부면(32)을 가지는 판을 형성하는 제2 서포트(3)의 경우, 중심(60)은 이들 두 면(31, 32)들 사이에 위치된다. 달리 말하면, 스위벨 연결부(51, 52)의 회전 중심(60)은 서로 평행하고, 축(Rx, Ry)들에 의하여 형성된 평면에 평행이고, 제2 서포트(3)를 관통하는 두 평면들 사이에 위치된다.
특히 유익하게, 스위벨(41a,...,41f, 43a,..., 43f)들의 중심은 각각 판(3)의 두께(e2)와 판(2)의 두께(e1)에 위치된다. 스위벨(41a,...,41f)의 중심은 동일 평면이고 중심(60)은 스위벨(41a,...,41f)들의 중심을 포함하는 평면에 속한다. 이로써 판(3)을 이동시키기 위하여 필요한 것보다 액튜에이터(11a,...,11f)에 의하여 가해진 힘이 감소된다.
이와 같이 본 발명에 의하면 회전 중심(60), 제2 서포트(3) 및 스위벨(41a,...,41f)의 중심 사이의 레버 아암을 제거시키거나 적어도 축소시켜서, 제2 서포트(3)에서 발생되는 운동 및 이동에 필요한 힘에 해로운 액튜에이터(11a, ...,11f)들에 의하여 균형을 이루어야 하는 전단력을 제한한다. 특히 흡력 구조물(50)은 제1 서포트(2)에 수직이 아니도록 향하고 서포트(3)에 가해지는 외력에 의하여 가해질 전단력을 흡수한다. 즉, 축(Rx 및 Ry)들에 의하여 형성된 평면에 수직이 아니게 가해진 힘을 흡수한다.
시스템의 크기와 중량은 이어서 축(Rx 및 Ry)들의 회전 하중 수용력을 유지하면서 감소될 수 있다.
바람직하게, 리니어 액튜에이터(10)들의 스위벨 연결부(41, 42)들은 제2 서포트(3)와 같이 평평한 외형을 형성한다. 전단력 흡수 구조물(50)의 스위벨 연결부(51, 52)의 중심(60)은 상기 평면에 수직이고 중심(60)을 관통하는 직선이 또한 상기 외형의 내측을 통과하도록 위치된다. 바람직하게, 스위벨(41, 42)의 중심들은 원과 원의 중간 또는 원에 수직인 직선 위에 위치되고 원의 중심을 관통하는 중심(60)을 형성한다. 이와 같이 제2 서포트(3)의 힘은 흡력 구조물(50)에 걸쳐 균등하게 분배된다.
바람직하게, 매립 연결부(54)에도 동일하게 적용된다. 이는 바람직하게 스위벨 연결부(43, 44)들의 중심에 의하여 형성된 둘레 내측에 위치된다. 바람직하게, 이 둘레는 원을 형성하고 매립 연결부(54)는 원의 중간 또는 이 원에 수직이고 중심을 관통하는 직선에 위치된다.
도 5와 도 6에 도시된 실시예는 도 4와 관련하여 위에서 설명된 실시예의 특징들을 반복한다. 더우기, 이 실시예에서, 제2 서포트(3) 위에서 리니어 액튜에이터(10)들을 연접되는 스위벨들의 회전(41) 중심은 이러한 제2 서포트(3)에 더욱 근접하게 이동된다. 바람직하게, 회전(41) 중심은 평면에 또는 제2 서포트(3)의 두께(e2)에 위치된다. 이는 스위벨과 제2 서포트(3) 사이의 레버 아암을 더욱 축소시켜서, 서포트(3)와 리니어 액튜에이터(10)에 가해진 힘을 감소시킨다. 매립 연결부와 시스템의 중량은 이어서 축(Rx 및 Ry)들 위의 회전 수용력을 유지하면서 감소될 수 있다.
유사하게, 그리고 바람직하게, 제1 서포트(2) 위에서 리니어 액튜에이터(10)들을 연접시키는 스위벨들의 회전(42) 중심은 제1 서포트(2)로 더욱 근접하게 이동된다. 바람직하게, 회전(43) 중심은 평면 또는 제1 서포트(2)의 두께(e1)에 위치된다.
바람직하게, 각 서포트(2, 3)는 금속판이며, 그 두께는 시스템의 높이와 비교하면 비교적 작으며, 시스템의 높이는 방향(Rz)으로 생각된다. 이들 금속판들에는 보강재가 구비되고 액튜에이터들과, 흡력 구조물, 및 외력에 의하여 생성된 힘의 작용 하에 변형을 제한하기 위하여 축(Rx, Ry)을 따라 강성을 증가시키는 보강재가 구비된다.
바람직하게, 제1 및 제2 서포트(2, 3)들은 스위벨 연결부의 시트(42, 44)들이 리니어 액튜에이터(10)를 연접시키기 위하여 그 위에 부착된 판들이다. 시스템의 제조가 이로써 용이해진다.
바람직하게, 제2 서포트(3)는 커넥터(21a)를 포함한다. 커넥터(21a)는 제2 서포트(3) 위에서 흡력 구조물(50)을 연접시키는 스위벨 연결부(51, 52)의 시트(52)를 포함한다. 바람직하게, 커넥터(21a)는 또한 후자와 같이 매립 연결부를 형성하기 위하여 또 다른 흡력 구조물(50)의 단부를 수용하도록 형성된다. 이와 같이 제1 및 제2 서포트(2, 3)들은 유사하며, 제조를 용이하게 하고 비용을 절감한다.
유익하게, 제1 서포트(2)는 또한 커넥터(21b)를 포함한다. 이와 같이, 시스템이 조립되기 전에, 제1 및 제2 서포트(2, 3)들은 동일하다.
특정 실시예에 따르면, 커넥터(21a, 21b)들은 두 단부들을 가지는 슬리브 형태이다. 제1 단부(210a, 210b)는 전단력 흡수 구조물(50)의 스위벨 연결부(51, 52)들을 형성하는 시트(52)와 스위벨(51)을 수용하도록 구성된다. 제2 단부(211a, 211b)는 후자와 같이 매립 연결부를 형성하기 위하여 구조물(50)의 단부(53)를 수용하도록 구성된다. 통상적으로, 이러한 매립 연결부(54)는 전단력 흡수 구조물(50)을 커넥터(21a, 21b)에 나사 결합시킴으로써 얻어진다. 예컨대, 핀은 잔여 회전 자유도를 제거하기 위하여 제공된다.
유익하게, 동일한 커넥터가 동시에 스위벨 연결부를 형성하기 위한 제1 구조물(50)과 매립 연결부를 형성하기 위한 제2 구조물(50)을 수용하도록 구성된다.
이와 같이 동일한 커넥터(21)와 동일한 서포트가 직렬로 장착된 두 헥사포드들에 사용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 이점을 명확히 도시한다. 이 도면에서, 제2 서포트(3)는 서포트(2)에 결합된 흡력 구조물(50)과 한편으로 상호 작용하고 다른 한편으로 서포트(4)에 결합된 또 다른 흡력 구조물(50)과 상호 작용하는 커넥터(21a)를 지지한다. 다관절 아암(100)의 이러한 배치에 의하여 질량이 감소되고 조립이 용이하게 된다.
도 8은 아암(100)의 말단에 의하여 지지되는 질량(M)의 중량이 아암(100)이 연장하는 주 방향(Rz)을 가로지르는 작동 구조의 도 7의 다관절 아암(100)을 도시한다. 생성된 전단력과 중량이 도면에 도시된다.
흡력 구조물(50)은 그들의 역할을 충실히 만족시키고 질량(M)의 중량과 다관절아암(100)의 고유 중량(P)에 의하여 생성된 전단력을 흡수한다. 이어서 리니어 액튜에이터(10)들의 하중 수용력이 유지되고 방향(Rx 및 Ry)들로 질량(M)을 회전시키기 위하여 아암의 운동을 발생하기 위하여 전적으로 이용되거나 또는 이들 동일한 회전으로 아암(100)의 외적인 요소들에 작용을 미칠 수 있다.
도 9는 연접부(1)가 각각 전단력을 흡수하기 위한 구조물(50)을 포함하고 연접부들이 시스(200) 내에서 수용되는 실시예를 도시한다.
나트륨 냉각 원자로에서 ISIR 작업용 다관절 아암을 제조하기 위하여, 예를 들면, 이하의 특징을 채용할 수 있다.
- 연접부들의 수: 10과 30 사이;
- 다관절 아암의 총 길이; 2m 와 15 m 사이;
- 가로 방향의 서포트들의 최대 크기/직경; 300mm 내지 800mm 및 바람직하게 600mm;
- 기계적인 액튜에이터들의 전개 구조의 연접부들의 길이; 300mm 내지 800 mm 및 바람직하게 600mm;
- 스테인레스강 파형 튜브에 의하여 형성된 시스;
- 작동 방향으로 각각의 리니어 액튜에이터에 의하여 발생될 수 있는 힘; 0kN과 100kN 사이.
도 10은 연접부(1)가 단지 하나의 리니어 액튜에이터(10)를 포함하는 특정 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 리니어 액튜에이터(10)들의 수가 하나로 제한되고, 다관절 아암(100)의 하중 수용력을 제한하는, 전단력이 단일 리니어 액튜에이터에 의하여 흡수될 것이므로 흡력 구조물(50)은 특히 유익하다. 특정 실시예에서는 축(Rz) 둘레로의 회전 운동이 벨로우즈 운동과 합치하지 않으므로 이 회전 운동을 고정하기 위하여 손가락식 고정된(finger-tight) 스위벨을 채용한다. 다른 한편, 이러한 회전 운동이 방지되지 않으면, 나사 결합되는 것으로 고려될 수 있다.
도 11은 임의적이나 특히 유익한 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 흡력 구조물(50)은 전부 공동이다. 이와 같이 각각의 헥사포드 시스템(1)은 통로 채널(61)을 가진다. 이로써 전체 연접부(1)가 가벼워지고 다관절 아암을 경량화함으로써 균등 중량에 대한 하중 수용력을 향상시킨다. 이로써 또한 연결부의 중심에서 케이블이나 파이프를 통과시킬 수 있다. 축(Rz) 둘레로의 연접부의 회전, 즉, 흡력 구조물이 주로 연장하는 축 둘레로의 회전은 이들 케이블이나 파이프들이 다관절 아암의 하나의 단부로부터 다른 단부로 연장하더라도, 그를 관통하는 케이블 또는 파이프의 비틀림을 유발하지 않는다. 더구나, 연접부 중심에 케이블을 배치함으로써 연접부의 이동 중에 케이블을 신장시키는 것을 피할 수 있다. 이들 케이블들은 예컨대 전기 케이블이므로, 예컨대 아암 위에 배치된 도구들을 제어할 수 있으며, 또는 아암에 의하여 지지되는 센서들과 통신할 수 있다. 파이프들에 의하여 아암 위에 배치된 예컨대, 공압, 또는 유압 공구들이 제어되고 작동될 수 있다. 이들 파이프들에 의해서 또한 아암 단부로부터 유체를 분사하고, 제거하고, 추출할 수 있다.
도 11 도시의 비제한적인 실시예에 따라, 흡력 구조물(50)은 도 5와 6과 관련하여 설명되는 구조물과 실질적으로 유사하다.
커넥터(21a)는 중공이다. 관통 내부 보어를 포함한다.
커넥터의 제2 단부(211a)는 흡력 구조물의 중공 튜브(55)의 제1 단부(53)의 외면에 위치된 외부 나사와 작용하는 내부 나사(59)를 포함한다.
커넥터의 제1 단부(210a)는 단면 축소부를 포함하며 이는 커넥터에 의하여 형성된 보어로부터 스위벨 연결부(51)가 이탈하는 것을 방지한다.
중공 튜브(55)는 스위벨(51)의 스위벨 서포트(56)를 형성하는 부분의 외면에 의하여 지지되는 보충 나사와 작용하도록 형성된 나사(57)를 내면에 구비하는 제2 단부를 포함한다. 이러한 스위벨 서포트(56)는 이와 같이 나사 결합에 의해 중공 튜브(55)에 고정된다. 이 실시예에 의하여 연접부들의 제조 및 조립이 상당히 단순하게 된다.
스위벨 서포트(56)는 스위벨(51)을 수용하기 위한 부분을 포함한다. 스위벨(51)은 주로 이러한 수용부를 보충하는 보어를 포함하고 이러한 스위벨 서포트(56)의 단부로부터 후자에 고정된 구를 형성한다. 보유 정지부는 스위벨(51)의 후퇴를 방지하기 위하여 구비된다. 이 정지부는 바람직하게 스위벨(51)용 서포트(56)의 보어에 의하여 구비되는 내부 나사와 작용하는 외부 나사를 가지는 스크류를 포함한다. 이와 같이, 스크류는 스위벨(51)의 서포트(56) 단부에 고정된다. 스크류 헤드는 스위벨(51)의 보어보다 더 큰 단면을 가진다. 이와 같이 스위벨은 스크류 헤드의 바닥면에 접한다. 바람직하게, 워셔가 스크류 헤드(58)와 스위벨(51) 사이에 구비된다.
특히 유익하게, 스크류는 중공이다. 두 커넥터(21a, 21b)들과, 중공 튜브(55), 스위벨(51)을 위한 서포트(56), 스위벨(51)과 스크류 헤드(58)를 포함하는 흡력 구조물(50)은 따라서 케이블이나 파이프용 통로 채널을 형성하는 관통 개구를 가진다.
유익하게, 연접부(1)는 이하와 같이 조립된다:
- 바람직하게 스크류 결합에 의하여 서포트(2)에 고정된 커넥터(21b)에 중공 튜브(55)를 고정하며;
- 바람직하게 스크류 결합에 의하여 중공 튜브(55)에 스위벨(51)용 서포트(56)를 고정하며;
- 스위벨(51)용 서포트(56)를 서포트(3)에 고정된 커넥터(21a)를 관통해서 통과시키며;
- 스위벨 서포트(56)에 의하여 지지되는 수용부에 커넥터(21a)에 의하여 형성된 시트(52) 내측에 스위벨(51)을 배치하고;
바람직하게 스크류 결합에 의하여, 스위벨(51)용 서포트(56) 위에 보유 정지부, 여기서는 중공 스크류(58)와 워셔를 고정한다.
이어서 아암의 조립은 제2 연접부와 같이 진행될 수 있다. 이를 위하여, 상기 단계들은 서포트(3)의 커넥터(21a)를 사용하여 반복된다. 이와 같이 제1 단계는 커넥터(21a) 위에 또 다른 중공 튜브를 고정하는 것으로 구성된다.
다른 실시예들은 각각의 연접부들을 관통하는 채널을 형성하도록 구성될 수 있다.
이와 같이 본 발명은 액튜에이터들을 이완하기 위하여 전단력을 간단히 흡수하기 위한 확실한 방안을 명백히 제공할 수 있다. 또한 본 발명은 적어도 2의 회전 자유도에 따라 작동을 발생하거나 또는 하중을 이동시키기 위하여 기계화된 스위벨 유형의 효과적인 방안을 제공한다.
이와 같이 본 발명은 로봇의 기본 요소로서 특히 효과적이며 또는 원자로와 같은 극한 환경에서 검사 또는 보수 작업에 사용되는 연접부 메카니즘의 기본 요소로서 입증된다.
본 발명은 위에 설명된 실시예로 제한되지 않으며 청구범위들에 의하여 포괄되는 모든 실시예들로 확장한다.
특히, 원자로 환경에서 검사 및 보수 작업에 특히 효과적이지만, 본 발명은 또한 다른 과제를 가지는 로봇 또는 다른 환경에서 작동하는 연접부들에 적용할 수 있다.

Claims (26)

  1. 적어도 두 개의 회전축(Rx, Ry) 둘레로 연접부들에 의하여 아암(100)이 운동할 수 있도록 직렬로 장착된 적어도 세 개의 연접부(1)들을 포함하는 다관절 아암(100)으로, 각각의 연접부(1)는 제1 및 제2 서포트(2, 3)들과 적어도 세 개의 리니어 액튜에이터(10)들을 포함하고, 각각의 리니어 액튜에이터(10)는 스위벨 연결부(41, 42, 43, 44)에 의하여 제1 및 제2 서포트(2, 3)에 각각 연접되는 제1 및 제2 단부들을 가지는, 다관절 아암(100)에 있어서,
    상기 아암(100)은 연접부(1)들을 수용하고 다관절 아암(100)의 운동을 따르도록 순응하고 그리고 다관절 아암(100)의 운동에 상관 없이 리니어 액튜에이터(10)들과 스위벨 연결부(41, 42, 43, 44)들로부터 일정 거리에 유지되도록 하는 변형가능한 유체 밀봉된 시스(200)를 포함하고;
    적어도 하나의 연접부(1)는 한편으로 제1 서포트(2)에 매립되면서 다른 한편으로 스위벨(51, 52)에 의하여 제2 서포트(3)에 결합된 흡력 구조물(50)을 포함하며;
    제1 서포트(2)에 리니어 액튜에이터(10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f)들이 연접되는 스위벨 연결부(43, 44)들에 의하여 형성되는 원의 중심에서 상기 흡력 구조물(50)은 제1 서포트(2)에 매립되고;
    제2 서포트(3)와 흡력 구조물(50)에 의하여 형성된 스위벨의 회전 중심(60)은 리니어 액튜에이터(10)들이 제2 서포트(3)에 연접하는 스위벨 연결부(41, 42)에 의하여 형성되는 원의 중심에 위치되거나 또는 상기 원에 수직이고 상기 원의 중심을 통과하는 직선 위에 위치되는 것을 특징으로 하는 다관절 아암.
  2. 제1항에 있어서,
    리니어 액튜에이터(10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f)들이 제1 서포트(2)에 연접되는 스위벨 연결부(43, 44)는 각각 제1 서포트(2)의 두께에 위치되는 회전 중심을 가지며 제2 서포트(3)에 리니어 액튜에이터(10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f)들이 연접하는 스위벨 연결부(41, 42)들은 제2 서포트(3)의 두께에 위치되는 회전 중심을 가지는 것을 특징으로 하는 다관절 아암.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 시스(200)의 부피는 일정하게 유지되거나 또는 아암(100)이 10바 이하 압력을 받을 때 10% 이상 변하지 않는 것을 특징으로 하는 다관절 아암.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스(200)는 파형 튜브인 것을 특징으로 하는 다관절 아암.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 서포트(2, 3)들은 리니어 액튜에이터(10)로부터 일정 거리에 시스(200)를 유지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 다관절 아암.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 아암(100)은 리니어 액튜에이터(10)들로부터 일정 거리에 시스(200)를 유지하도록 구성된 서포트 구조물을 포함하는 것을 특징으로 하는 다관절 아암.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스(200) 내측에서 리니어 액튜에이터(10)들로부터 일정 거리에 시스(200)를 유지하기에 적합한 압력을 보장하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다관절 아암.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스(200)는 서로 밀봉 연결되는 일련의 시스 부분으로 구성되는 것을 특징으로 하는 다관절 아암.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스(200)는 서포트 구조물에 의하여 지지되는 유체 밀봉 덮개를 포함하는 것을 특징으로 하는 다관절 아암.
  10. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스(200)는 단일 부재인 것을 특징으로 하는 다관절 아암.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스(200)는 금속으로 제조된 것을 특징으로 하는 다관절 아암.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 연접부(1)는, 길이 대 폭의 비율이 0.5와 1 사이이며, 길이는 아암(100)의 길이방향으로 정해지고 폭은 길이방향을 가로지르는 가로 방향으로 정해지도록 길이와 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 다관절 아암.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 아암(100)은 적어도 8개의 연접부(1)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 다관절 아암.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연접부(1) 중 적어도 하나는 헥사포드 연접부를 형성하기 위해 6개의 리니어 액튜에이터(10)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다관절 아암.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡력 구조물(50)을 제2 서포트(3)에 결합시키는 스위벨(51, 52)의 회전 중심(60)은 제2 서포트(3)의 두께에 위치되는 것을 특징으로 하는 다관절 아암.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 흡력 구조물(50)을 제2 서포트(3)에 결합시키는 스위벨(51, 52)의 회전 중심(60)은 제2 서포트(3)를 통과하는 두 평면 사이에 위치되고, 상기 두 평면은 서로 평행이고, 상기 두 평면은 한편으로 흡력 구조물(50)과 제1 서포트(2) 사이의 매립 연결부를 통과하고 다른 한편으로 흡력 구조물을 제2 서포트(3)에 결합시키는 스위벨(51, 52)의 중심을 통과하는 축(Rz)에 수직인 것을 특징으로 하는 다관절 아암.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    직렬의 두 연접부(1)들은 공통 서포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 다관절 아암.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    헥사포드 시스템(1)의 제1 및 제2 서포트(2, 3)들로부터 선택된 적어도 하나의 서포트는 각각 매립부(54)와 스위벨(51, 52)을 형성하도록 흡력 구조물(50)과 작용하도록 구성된 커넥터(21a, 21b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다관절 아암.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 커넥터(21a, 21b)는 제2 연접부(1)의 제2 흡력 구조물과 작용하도록 구성되고, 두 개의 연접부(1)들은 흡력 구조물과 스위벨 연결부(51) 및 각각 매립 연결부를 형성하도록 직렬로 장착되고, 동일 커넥터(21a)가 직렬로 장착된 두 연접부(1)들의 상기 흡력 구조물(50)과 작용하는 것을 특징으로 하는 다관절 아암.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 커넥터(21a, 21b)는 단일 부재를 형성하는 것을 특징으로 하는 다관절 아암.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    직렬로 장착된 두 연접부(1)들의 흡력 구조물(50)은 단지 커넥터(21a, 21b)들에 의해서만 서포트(2, 3)에 고정되는 것을 특징으로 하는 다관절 아암.
  22. 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커넥터(21a, 21b)들을 포함하는 서포트(2, 3)는 직렬로 장착된 두 연접부(1)들에 공통이며 두 연접부(1)들의 액튜에이터(10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f)들은 공통 서포트(2, 3)에 회전하게 연접되는 것을 특징으로 하는 다관절 아암.
  23. 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    공통 서포트(2, 3)는 단일 부재를 형성하며 모든 연접부(1)들은 흡력 구조물(50)을 포함하는 것을 특징으로 하는 다관절 아암.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡력 구조물(50)은 제1 서포트(2)에 흡력 구조물(50)을 매립하는 제1 단부와 스위벨(51, 52)에 의하여 제2 서포트(3)에 흡력 구조물(50)을 결합하는 제2 단부를 가지며 흡력 구조물(50)의 제1 및 제2 단부들은 고정되는 것을 특징으로 하는 다관절 아암.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 연접부(1)는 단일(single) 흡력 구조물(50)인 것을 특징으로 하는 다관절 아암.
  26. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 흡력 구조물(50)은 중공 스위벨(51)을 지지하는 적어도 하나의 중공 튜브(55)를 포함하며, 각각의 연접부(1)는 적어도 흡력 구조물(50)에 의하여 부분적으로 형성된 통로 채널(61)을 배치하도록 구성되고, 상기 아암(1)은 또한 통로 채널(61)을 관통함으로써 모든 헥사포드 시스템(1)을 통과하는 적어도 하나의 케이블 또는 적어도 하나의 파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 다관절 아암.
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