KR20170027742A - 휴머노이드 로봇에 구성되고 안전하게 모터 구동되는 힌지 - Google Patents

Abstract

휴머노이드 로봇에 구성되고 안전하게 모터 구동되는 힌지
본 발명은 휴머노이드 로봇의 제1 및 제2 사지들사이에 장착되고 고정된 모터 구동식 관절 연결부에 관한 것으로서, 상기 관절 연결부는:
상기 제1 사지(7a)에 연결되는 고정된 부분(25) 및 상기 고정된 부분(25)에 대해 이동할 수 있고 제1 사지에 대해 상기 제2 사지(7b)와 연결되는 이동식 부분(26)을 포함한 모터(21)를 포함하고,
상기 고정된 부분(25)에 대한 상기 이동식 부분(26)의 운동을 방지하기 위해 스프링 효과에 의해 상기 모터(21)의 이동식 부분(26)에 하중을 발생시킬 수 있는 브레이크(22)를 포함하며,
상기 브레이크(22)의 하중으로부터 상기 모터(25)의 이동식 부분(26)을 구속해제하고 상기 모터(21)가 상기 고정된 부분(25)에 대해 상기 이동식 부분(26)을 이동시킬 수 있도록 상기 스프링 효과를 상쇄하여 상기 브레이크(22)를 이동시킬 수 있는 액추에이터(23)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

휴머노이드 로봇에 구성되고 안전하게 모터 구동되는 힌지{SECURE, MOTOR-DRIVEN HINGE TO BE PROVIDED ON A HUMANOID ROBOT}

본 발명은 휴머노이드 형태의 로봇이 가지는 두 개의 사지(limbs)들사이에 장착하기 위한 고정식 모터 구동 관절 연결부(secured motorized articulation)에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 좀더 구체적으로, 본 발명은 디폴트(default) 기능에 따라 스프링효과에 의해 작동하는 브레이크에 의해 고정되는 모터 구동식 관절 연결부(articulation) 및, 상기 브레이크를 작동중지시키고 상기 관절 연결부의 작동을 구속해제하는 액추에이터에 관한 것이다.

인체는, 인체의 골격 또는 사지(limbs)들사이에서 연결(junction)을 보장하는 다수의 관절 연결부들을 포함한다. 예를 들어, 힙(hip)으로부터 발목까지 인체의 하부 사지에 약 40개의 관절 연결부들이 존재한다. 상기 관절 연결부들은 근육에 의해 운동하고 다양한 운동을 허용하기 위해 다양한 형태를 가진다. 휴머노이드 로봇에 대해 인체의 운동 및 거동을 가장 잘 재현하기 위한 다수의 시도들이 있었다. 전기 모터에 의해 한 개이상의 자유도에 따라 한 개의 사지를 다른 사지에 대해 이동시킬 수 있는 다양한 형태의 관절 연결부들이 알려져 있다.

예를 들어, 컴퓨터의 오작동 또는 배터리 충전의 소실에 의해 발생될 수 있는 전원공급 차단은 한 가지 어려운 상황이다. 전기 모터에 의해 구동작용이 중단됨에 따라, 관절 연결부는 자유롭고 로봇은 넘어지려고 한다. 이러한 상황은, 로봇이 대형이고 중형일 때 더욱더 어려워진다. 사용자의 이용을 확대시키기 위해, 상기 휴머노이드 로봇의 이용안전을 개선하려는 노력이 이루어진다.

본 발명의 목적은 상기 전원공급 차단의 특정상황을 해결하여 휴머노이드 로봇 특히 대형 로봇의 이용안전을 개선하고 관련 긴급 규정 요건을 만족시키는 것이다.

상기 목적을 위하여, 본 발명의 주제는 휴머노이드 로봇의 제1 및 제2 사지들사이에 장착되고 고정된 모터 구동식 관절 연결부이고, 상기 관절 연결부는

● 상기 제1 사지에 연결되는 고정된 부분 및 상기 고정된 부분에 대해 이동할 수 있고 상기 제2 사지와 연결되는 이동식 부분을 포함한 모터를 포함하고,

● 상기 고정된 부분에 대한 상기 이동식 부분의 운동을 방지하기 위해 스프링 효과에 의해 상기 모터의 이동식 부분에 하중을 발생시킬 수 있는 브레이크를 포함하며,

● 상기 브레이크의 하중으로부터 상기 모터의 이동식 부분을 구속해제하고 상기 모터가 상기 고정된 부분에 대해 상기 이동식 부분을 이동시킬 수 있도록 상기 스프링 효과를 상쇄하여 상기 브레이크를 이동시킬 수 있는 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

유리하게, 미리 정해진 임계하중보다 큰 하중이 고정된 부분에 대해 상기 이동식 부분의 운동을 발생시키고 상기 고정된 부분 및 이동식 부분사이에서 작용할 때, 상기 임계하중까지 상기 고정된 부분에 대해 상기 이동식 부분의 운동을 방지하도록 브레이크가 구성된다.

유리하게도, 상기 모터는 회전식 전기 모터이며, 상기 고정된 부분은 기저부 패드를 포함하고 상기 이동식 부분은 상기 기저부 패드에 대해 회전구동될 수 있는 샤프트 및 상기 샤프트에 고정된 벨 하우징을 포함하며,

상기 브레이크는 슈(shoe)를 포함하고 상기 슈는 상기 벨 하우징과 접촉한 슈가 상기 벨 하우징에 하중을 발생시켜서 상기 기저부 패드에 대한 샤프트의 회전운동을 마찰에 의해 방지시키는 고정된 위치 및, 상기 슈가 상기 벨 하우징으로부터 분리되고 상기 샤프트가 상기 브레이크의 하중으로부터 구속해제되는 작동위치사이에서 이동할 수 있도록 상기 관절 연결부가 구성된다.

유리하게도, 상기 벨 하우징은 금속 재료로 형성되며 실질적으로 원통 형상을 가지며, 상기 슈는 탄성 중합체로 형성되며 상기 벨 하우징의 반경 방향 섹션을 따라 상기 벨 하우징과 접촉하도록 형성되도록 관절 연결부가 구성된다.

유리하게도, 상기 브레이크는

● 상기 기저부 패드에 고정된 고정식 암을 포함하고,

● 상기 샤프트의 주축과 실질적으로 평행한 축의 피봇 링크에 의해 상기 고정식 암과 제1 단부에서 연결되는 이동식 암을 포함하며, 상기 슈가 상기 이동식 암에 고정되고,

● 상기 피봇 링크의 축 주위에 감기고 한편으로 상기 고정식 암 및 다른 한편으로 상기 이동식 암위에 지지되는 나선 스프링을 포함하여 상기 이동식 암과 고정식 암을 분리시키는 하중을 발생시킨다.

유리하게도, 상기 브레이크는

상기 기저부 패드에 고정된 고정된 암을 포함하고,

이동식 암을 포함하며, 상기 이동식 암의 제1 단부는 상기 샤프트의 회전축과 실질적으로 평행한 축의 피봇 링크에 의해 상기 고정식 암과 연결되고, 상기 슈는 상기 이동식 암상의 볼 조인트에 장착된 패드에 고정되며,

상기 피봇 링크의 축 주위에 감기고 한편으로 상기 고정식 암 및 다른 한편으로 상기 이동식 암위에 지지되는 나선 스프링을 포함하여 상기 이동식 암과 고정식 암을 분리시키는 하중을 발생시킨다.

유리하게도, 상기 액추에이터는 상기 기저부 패드에 고정된 덮개 및 상기 덮개내에서 병진 운동할 수 있고 상기 이동식 암의 제2 단부에 연결된 막대를 포함한 선형 액추에이터이고, 상기 선형 액추에이터는 스프링 효과를 상쇄하고 상기 덮개내에서 막대가 병진 운동하여 상기 고정된 암에 대해 상기 이동식 암(28)이 회전운동할 수 있도록 구성된다.

유리하게도, 상기 이동식 암은 이동식 암의 제1 단부 및 제2 단부 사이에서 반달 형상을 가지며 상기 벨 하우징을 부분적으로 덮는 절반의 덮개를 형성하도록 관절 연결부가 구성된다.

유리하게도, 상기 관절 연결부는 상기 모터의 이동식 부분에 의해 구동되고 상기 제2 사지와 연결되는 기어 장치를 포함한다.

유리하게도, 상기 관절 연결부는 수동 간섭에 의해 상기 브레이크를 이동시키기 위한 수단을 포함한다.

유리하게도, 상기 관절 연결부는 상기 브레이크의 변위를 감지할 수 있는 측정 수단을 포함한다.

본 발명은 또한, 상기 특징을 가진 모터 구동식 관절 연결부를 포함한 휴머노이드 로봇에 관한 것이다.

유리하게도, 상기 로봇은 상기 관절 연결부에 의해 관절 연결되는 넓적다리와 같은 사지 및 몸통과 같은 사지를 포함한다.

유리하게도, 상기 로봇은 상기 관절 연결부에 의해 관절 연결되는 레그와 같은 사지 및 넓적다리와 같은 사지를 포함한다.

본 발명은 하기 도면들에서 예로서 제공된 실시예의 상세한 설명을 검토하여 명확히 이해된다.

도 1a 및 도 1b는, 본 발명에 따라 고정된 관절 연결부(articulation)를 가진 휴머노이드 로봇들에 관한 두 가지 예들을 도시한 도면.
도 2a 및 도 2b는, 각각 고정된 위치 및 작동위치에 있는 고정된 관절 연결부의 제1 실시예를 도시한 제1 사시도.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는, 각각 고정된 위치, 작동 위치 및 두 개의 중첩된 위치들에 있는 고정된 관절 연결부의 예를 도시한 평면도.
도 4a 및 도 4b는, 각각 작동 위치 및 고정된 위치에 있는 고정된 관절 연결부의 예를 도시한 제2 사시도.
도 5a 및 도 5b는, 각각 작동 위치 및 고정된 위치에 있는 고정된 관절 연결부의 예를 도시한 제3 사시도.
도 6은, 고정된 관절 연결부의 제2 실시예를 도시한 저면도.

명확한 이해를 위해 도면들에서 동일한 요소들은 동일한 도면부호를 가진다.

도 1a 및 도 1b는 ALDEBARAN ROBOTICS^TM 사에서 개발된 휴머노이드 로봇에 관한 두 개의 예들을 도시한다. 도 1a에 도시된 휴머노이드 로봇(10)은 헤드(1), 몸통(2), 두 개의 암(arm)(3), 두 개의 핸드(4), 두 개의 레그(leg)(5)들 및 두 개의 발(feet)(6)을 포함한다. 도 1b에 도시된 휴머노이드 로봇(10')은 헤드(1), 몸통(2), 두 개의 암(3), 두 개의 핸드(4) 및 스커트(skirt)(7)를 포함한다. 상기 두 개의 로봇들은, 인간의 형태(morphology) 및 운동을 재현하기 위해 서로 다른 로봇 사지(limbs)의 상대 운동을 허용하는 여러 개의 관절 연결부들을 포함한다. 상기 로봇(10,10')들은 예를 들어, 각각의 암(3) 및 몸통(2)사이에서 관절 연결부(11)를 포함한다. 관절 연결부(11)는 두 개의 회전축들 주위에서 모터 구동(motorized)되어 인간의 어깨에 의해 이루어지는 운동과 같이 상기 암(3)은 상기 몸통(2)에 대해 운동할 수 있다.

휴머노이드 로봇(10)은 또한, 로봇의 레그들을 이동시키고 보행운동을 재현하기 위한 여러 개의 관절 연결부들을 포함하고, 특히 몸통과 넓적다리사이에서 힙(hip)에 연결되고 넓적다리와 레그사이에서 무릎에 연결되며 레그와 발사이에서 발목에 연결될 수 있는 관절 연결부들을 포함한다. 사지들 중 한 개를 한 개이상의 자유도를 가지며 회전운동시키는 모터 구동식 관절 연결부의 몇 가지 형태들이 구성된다.

휴머노이드 로봇(10')은 서로 다른 아키텍쳐를 가진다. 로봇의 안정성을 개선하고 무게중심을 낮게 하기 위하여, 로봇은 레그를 포함하지 않지만 스커트(7)를 포함하며 상기 스커트는 스커트의 기저부에서 로봇을 이동시킬 수 있는 트리포드(tripod)(14)를 포함한다. 상기 스커트는 또한 레그(7a) 및 넓적 다리(7b)사이에서 무릎과 같은 제1 관절 연결부(12)를 포함한다. 상기 두 개의 관절 연결부(12,13)들은 회전축 주위에서 모터 구동되는 피봇 링크(pivot links)이다. 상기 관절 연결부(12)의 회전축(Xa) 및 상기 관절 연결부(13)의 회전축(Xb)은 로봇의 두 개의 어깨들을 연결시키는 축과 사실상 평행하여 로봇을 전방 또는 후방으로 기울어질 수 있게 만든다.

직립 위치에서 상기 휴머노이드 로봇(10')은 대략 25 내지 30kg의 총 중량에 대해 약 1.1 내지 1.2 미터의 길이를 가진다. 로봇의 상측 부분이 자신의 중량에 영향을 받아 관절 연결부를 회전 구동할 수 없도록 보장되어야 한다. 본 발명을 따르는 고정식 관절 연결부의 목적은, 관절 연결부로 전원의 공급 중단시에도 예를 들어, 관절 연결부(12) 주위에서 넓적다리로부터 헤드까지 로봇의 상측 부분이 넘어지는 것을 방지하는 것이다. 좀 더 구체적으로, 상기 로봇의 상측 부분이 수직축을 가지며 10도의 각을 가진 원추부내에 위치할 때 본 발명을 따르는 관절 연결부에 의해 관절 연결부들의 회전운동이 차단될 수 있다.

휴머노이드 로봇(10')과 유사한 대형 치수의 로봇내에 설치되고 피봇 링크 형태의 일 자유도를 가진 모터 구동식 관절 연결부 및 특히 무릎 또는 힙과 연결될 수 있는 관절 연결부가 아래와 같이 설명된다. 본 발명이 상기 특정 적용예에 대해 한정되지 않는 것이 분명하다. 일반적으로, 본 발명을 따르는 관절 연결부는 휴머노이드 로봇, 동물 형태의 로봇 또는 심지어 산업용 로봇과 같은 로봇의 제1 및 제2 사지들사이에 장착된다. 일반적으로, 상기 제1 및 제2 사지들은 서로에 대해 변위를 발생시켜야 하는 서브 조립체(sub assembly)이다. "사지(limb)"는 하기 설명에서 레그, 넓적다리, 몸통, 헤드, 암, 핸드 또는 이들의 조합과 같은 로봇의 기계적 서브 조립체를 의미한다. 하기 도면들이 한 개의 자유도를 가진 피봇 링크 형태의 관절 연결부에 관한 특정 예를 설명하는 반면에, 본 발명은 일반적으로 모든 형태의 관절 연결부들 예를 들어, 두 개의 회전 자유도를 가진 관절 연결부, 심지어 한 개이상의 병진운동 자유도를 가진 관절 연결부에 적용된다. 본 발명은 일반적으로 제1 사지에 대해 제2 사지의 변위를 발생시킬 수 있는 모터를 포함한 관절 연결부에 관한 것이다.

도 2a 및 도 2b는, 각각 고정된 위치 및 작동위치에 있는 고정상태의 관절 연결부에 관한 예를 제1 사시도로서 도시한다. 관절 연결부(20)는 도면에 도시되지 않은 제1 및 제2 사지들사이에 장착된다. 상기 관절 연결부(20)는,

● 제1 사지에 대해 제2 사지를 이동시킬 수 있는 모터(21)를 포함하고, 상기 모터는 제1 사지에 연결되는 고정된 부분을 포함하고 상기 고정된 부분에 대해 이동할 수 있고 제2 사지에 연결되는 이동식 부분을 포함하며,

● 스프링 효과에 의해 상기 모터(21)에 의해 상기 이동식 부분에 대해 하중을 발생시킬 수 있는 브레이크(22)를 포함하여 상기 고정된 부분에 대해 상기 이동식 부분이 이동하는 것이 방지되며,

● 상기 스프링 효과를 상쇄(opposing)하여 상기 브레이크(22)의 변위를 형성할 수 있는 액추에이터(23)를 포함하여 상기 브레이크의 하중으로부터 상기 모터(21)의 이동식 부분을 구속해제시키고 상기 모터(21)가 상기 고정된 부분에 대해 이동식 부분을 이동시킬 수 있다.

상기 모터(21)는, 모터 기저부 패드(25) 및 축(X) 주위에서 상기 기저부 패드(25)에 대해 회전구동될 수 있는 샤프트를 포함한 회전식 전기 모터인 것이 선호된다. 상기 모터 기저부 패드(25)는 모터의 고정된 부분을 형성하고 6개의 고정 탭(fixing tabs)(25a)들에 의해 로봇의 제1 사지에 고정되는 디스크 형태의 기저부를 포함하고, 상기 고정 탭들은 상기 모터 기저부 패드의 기저부주위에서 각을 이루며 분포된다. (도면에 도시되지 않는)상기 샤프트는 상기 모터의 이동식 부분을 형성하고 실질적으로 원통형인 모터 벨 하우징(motor bell housing)(26)에 고정된다. 상기 샤프트는 상기 모터 기저부 패드를 통과하고 (도면에 도시되지 않는)기어 장치에 의해 상기 제2 사지에 연결된다. 상기 구성에 의해, 상기 전기 모터(21)는 상기 샤프트를 상기 기저부 패드에 대해 회전구동시킬 수 있고 상기 제1 사지에 대해 상기 제2 사지를 회전구동시킨다.

상기 관절 연결부(20)는 또한 브레이크(22)를 포함한다. 도 2a에서, 상기 관절 연결부는 고정된 위치에 배열되고, 상기 고정된 위치에서 상기 브레이크는 모터의 이동식 부분에 하중을 발생시켜서 상기 샤프트가 회전구동되는 것을 방지한다. 도 2b에서, 상기 관절 연결부는 작동 위치에 배열되고, 상기 작동 위치에서 상기 브레이크의 변위가 형성되어 상기 모터는 제동 하중으로부터 구속해제되고 상기 샤프트가 회전구동되는 것을 허용한다. 상기 고정된 위치에서, 상기 브레이크(22)는 금속 재료로 형성되는 것이 선호되는 모터 벨 하우징(21)에 대해 탄성 중합체로 형성되는 것이 선호되는 슈(shoe)를 이용하여 하중을 가하고 상기 슈가 슈의 반경 방향 섹션을 따라 상기 원통형 벨 하우징과 접촉한다. 상기 슈는 상기 모터 벨 하우징위에 하중을 가하여 마찰을 이용하여 기저부 패드에 대해 샤프트의 회전 운동을 방해한다.

도시된 실시예에서, 브레이크(22)는 상기 모터 기저부 패드(25)에 고정된 고정상태의 암(27) 및 이동식 암(28)을 포함한다. 상기 이동식 암(28)은 제1 단부(50a) 및 제2 단부(50b)사이에서 반달(half moon) 형상을 가지고 상기 모터 벨 하우징을 부분적으로 덮는 절반 덮개부(half cover)를 형성한다. 상기 이동식 암(28)의 제1 단부(50a)는 상기 샤프트의 회전축(X)과 실질적으로 평행한 축(X')의 피봇 링크(29)에 의해 상기 고정식 암(27)과 연결된다. 관절 연결부에 관한 상기 제1 실시예에서, 상기 슈는 상기 이동식 암의 내부 표면에 고정되어 상기 이동식 암이 축(X') 주위에서 회전운동할 때 상기 벨 하우징(26)의 반경 방향 표면과 접촉한다. 상기 슈는 상기 이동식 암(28)의 제1 및 제2 단부(50a, 50b)로부터 실질적으로 동일한 간격을 가지며 고정된다. 상기 브레이크(22)는 또한, 스프링 기구, 선호적으로 상기 축(X') 주위에 감기고 상기 고정식 암(27) 및 상기 이동식 암(28)위에 지지되는 나선 스프링(45)을 포함하여 상기 이동식 암과 고정식 암을 분리시키는 하중을 작용한다. 상기 이동식 암과 고정식 암사이에서 스프링에 의해 발생되는 하중은 벨 하우징과 접촉하는 슈로 전달되어 상기 샤프트의 회전운동을 방해한다. 디폴트(default)기능에 의해 상기 관절 연결부의 회전운동이 방해된다.

상기 관절 연결부는, 스프링 효과의 상쇄에 의해 브레이크의 변위를 형성할 수 있는 액추에이터(23)를 포함하여 브레이크의 하중으로부터 상기 모터를 구속해제시키고 상기 모터가 상기 샤프트를 회전구동시킬 수 있다. 도시된 실시예에서, (도면에 도시되지 않는) 선형 액추에이터가 상기 이동식 암(28)의 제2 단부(50b) 및 고정식 암(27)사이에 장착된다. 상기 선형 액추에이터는 덮개(sheath)내부에서 축(Y)을 따라 두 개의 위치들사이에서 병진 운동하는 막대를 포함한다. 상기 덮개는 상기 고정식 암(27)에 고정된 지지체(31)에 고정된다. 상기 막대는 막대의 단부에서 상기 이동식 암(28)내에 형성된 구형 임프린트(imprint)(32)와 함께 작동하는 구형상부를 가진다. 상기 막대의 두 위치들사이에서 상기 막대가 이동하면 상기 이동식 암은 상기 고정된 위치 및 작동 위치사이에서 이동한다. 디폴트 기능에 의해 예를 들어, 상기 관절 연결부에 전원이 공급되지 않을 때, 상기 막대는 막대의 가장 연장된 위치에서 스프링 효과에 의해 고정된다. 반대로 상기 관절 연결부에 전원이 공급될 때, 상기 액추에이터는, 스프링 효과를 상쇄시키는 하중을 발생시켜서 상기 덮개속으로 상기 막대를 집어넣도록 제어될 수 있다. 선형 액추에이터에 관한 다양한 실시예들, 특히 전자석에 의해 구동될 수 있는 선형 액추에이터가 제공될 수 있다.

상기 관절 연결부는 또한, 두 개의 사지들의 회전운동을 구속해제하기 위해 상기 브레이크의 변위를 수동으로 발생시키기 위한 수단을 포함한다. 특히, 경사 평면(inclined plane)(40)이 제2 단부와 근접한 위치에서 상기 이동식 암위에 형성되어, 상기 샤프트의 회전축(X)과 평행하고 상기 경사 평면(40)에 대해 변위를 발생시키는 공구가 상기 스프링 효과를 상쇄시키며 이동식 암을 상기 고정된 위치로부터 작동위치로 이동시킬 수 있다. 도 4a 및 도 4b에 도시된 제2 경사 평면(41)이 상기 이동식 암의 반달 형상의 중심과 근접한 위치에 형성된다. 실제로, 도면들에 도시된 모터 구동식 관절 연결부는 도 1a 및 도 1b에 도시되고 로봇의 미적 외관을 제공하는 외부 자켓(outer jacket)내에서 로봇내에 포함된다. 유리하게, 상기 외부 자켓은 상기 관절 연결부의 경사평면을 향해 형성된 오리피스(orifice)를 포함하여 상기 브레이크를 구속해제하기 위한 키(key)를 삽입할 수 있고 관절연결된 사지들을 수동으로 접거나 펼 수 있다.

본 발명의 특징에 의하면, 관절 연결부의 고정은 디폴트 기능에 따라 스프링 기구에 의해 작동하는 브레이크 기구 및 스프링 기구의 상쇄에 의해 상기 브레이크 기구를 작동정지(deactivating)하기 위한 수단을 상기 구동 모터에 제공하는 것을 포함한다. 따라서, 배터리 충전의 손실, 컴퓨터 충돌 또는 필사적인 긴급 정지와 관련하여 관절 연결부로 전원 공급이 차단되는 경우에 상기 관절 연결부는 차단된다. 상기 브레이크 기구를 작동정지시키기 위한 수단은, 액추에이터의 역할에 따라 전자적으로 구동될 수 있는 수단 및 경사평면들의 역할에 따른 수동 수단을 포함한다.

도 3a, 도 3b 및 도 3c의 평면도는 각각 고정된 위치, 작동 위치 및 중첩된 두 위치들의 예를 도시한다. 도시된 예에서, 상기 모터 기저부 패드의 직경은 약 90mm이고 관절 연결부의 높이는 약 40mm이다. 고정된 위치에서, 상기 이동식 암(28)은 모터 벨 하우징(26)에 대해 탄성 중합체 슈를 가압한다. 이동식 암의 반달 형상이 유리하다. 이동식 암의 반달 형상에 의해 이동식 벨 하우징의 형상을 근접하게 추종할 수 있어서, 상기 탄성 중합체 슈는 상기 샤프트의 반경 방향 섹션을 따라 상기 벨 하우징과 접촉한 상태로 배열될 수 있다. 상기 슈는 도면에 도시되지 않고 슈의 위치는 도면부호 43으로 도시된다. 전형적으로, 약 15mm의 높이 및 폭을 가진 실질적으로 직사각형인 슈가 구해진다. 또한, 상기 반달 형상에 의해 상기 관절 연결부가 감소된 크기(bulk)내에 고정될 수 있다. 전형적으로, 선형 액추에이터가 약 4도의 각도(α)에 해당하는 2.5mm를 이동하여 상기 고정된 위치가 상기 작동위치로부터 분리된다. 상기 관절 연결부는 유리하게 상기 로봇이 가지는 두 개의 사지들과 연결되어 반달형상을 가진 상기 이동식 암은 상기 모터 벨 하우징의 상측 부분에 배열된다. 이렇게 구성되어 상기 브레이크의 이동식 부분은 스프링 효과뿐만 아니라 자연적으로 중력 효과에 의해 상기 슈를 가압한다. 전원 공급부가 존재하지 않고 귀환 스프링의 파워가 약화된 경우에, 상기 관절 연결부는 상기 슈에 의해 자연적으로 제동된 상태를 유지한다.

상기 모터의 고정된 부분 및 이동식 부분사이에서 작용하는 외력이 상기 브레이크에 의해 모터에 작용하는 하중보다 작은 상태를 유지하는 한, 관절 연결부는 차단된 상태를 유지한다. 상기 모터의 고정된 부분 및 이동식 부분사이에서 작용하는 하중이 상기 브레이크에 의해 작용하는 하중보다 클 때 상기 이동식 부분은 운동상태로 구동된다. 상기 마찰력이 상기 벨 하우징 을 상기 슈에 대해 고정시키기에 불충분하기 때문에, 상기 슈에 의해 작용하는 제동 작용에도 불구하고 상기 샤프트는 미끄럼 회전운동한다. 상기 이동식 부분은 제동되지만 고정되지 않는다. 다시 말해, 상기 슈(43) 및 벨 하우징(26)사이의 마찰 접촉에 의해 상기 벨 하우징(26)의 회전운동을 반드시 정지시키지 않고도 제동할 수 있다. 상기 구성에 의하면, 선택적으로 상기 벨 하우징(26)을 감속시키거나 정지시킬 수 있다. 또한 반달 형상의 이동식 암(28)에 의해 접촉이 형성되어 더욱 양호한 접촉상태를 가지며 상기 벨 하우징의 형상을 밀착하여 추종하고 감소된 크기에 의해 상기 관절 연결부를 고정하는 기술적 효과가 제공된다.

상기 스프링 및 슈의 적합한 치수가 정해지면 스프링 효과에 의해 모터로 가해지는 하중을 정할 수 있다. 다시 말해, 미리 정해진 임계하중(threshold force)보다 큰 하중이 고정된 부분에 대해 상기 이동식 부분의 운동을 발생시키고 상기 고정된 부분 및 이동식 부분사이에서 작용할 때, 상기 임계하중까지 상기 고정된 부분에 대해 상기 이동식 부분의 운동을 방지하도록 브레이크가 구성될 수 있다.

상기 임계하중의 값을 조정하는 능력은 본 발명의 특히 유리한 특징이다. 부딪히는 상황에 따라 상기 관절 연결부의 거동을 적응시킬 수 있다. 휴머노이드 로봇(10')의 경우에 있어서, (넓적다리(7b), 몸통(2), 암(3) 및 헤드(1)를 포함하는) 로봇의 상측 부분이 10도의 각도 및 수직축을 가진 원추부내에 위치하는 한 상기 관절 연결부가 작동정지된 상태를 유지하도록 상기 임계하중이 결정된다.

상기 원추부 외부에서, 상기 로봇의 상측부로부터 중력에 의해 상기 관절 연결부로 작용하는 하중은 임계하중보다 크고, 상기 사지들은 회전 구동되며, 관절 연결부는 간단하게 제동된다. 제동상태의 회전운동이 가지는 속도는 상기 슈 및 스프링의 치수결정에 의해 형성될 수 있는 것이 유리하다. 제동상태의 회전운동은, 상당한 하중에 노출된 부품들의 제동을 회피하여 관절 연결부를 고정하므로 유리하다. 다시 말해, 모터 다음에 배열된 기어 트레인과 관련된 부분들의 이동성(mobility)을 유지할 수 있다. 상기 이동성에 의해 예를 들어, 기어들은 충격에너지를 소산하기 위해 심지어 느리게 회전할 수 있기 때문에, 문지르는(rubbing) 위치에서 상기 브레이크 시스템을 작동할 때 관절 연결부에 대한 상당한 충격을 견딜 수 있다. 작용하는 하중과 무관하게 기계적 수단에 의해 관절 연결부의 작동 중지하는 반대 가정에 의하면 넘어지거나 상당한 충격이 발생하는 경우에 충격하중은 관절 연결부의 구동 체인에 걸쳐 영향을 주어 결과적으로 모터 또는 기어 장치와 같은 가장 취약(fragile)한 부품들이 파괴될 수 있다.

마찰에 의해 작용하는 브레이크의 상기 구성은 두 개의 사용 범위를 정의하며, 제1 사용범위에서 상기 관절 연결부은 작동정지되고 사지들사이에서 작용하는 하중이 관절 연결부의 운동을 발생시키지 않고, 제2 사용범위에서 상기 사지들사이에서 작용하는 하중이 사지들의 운동을 발생시키며 관절 연결부가 제동되기 때문에 상기 브레이크의 구성은 유리하다.

도 4a 및 도 4b의 제2 사시도에 의하면, 고정된 위치 및 작동 위치에 각각 배열된 고정된 관절 연결부가 도시된다. 상기 제2 사시도는, 상기 이동식 암(28)의 제2 단부(50b)와 근접한 위치에서 상기 선형 액추에이터가 상기 모터 기저부 패드에 배열된 위치를 도시한다. 상기 선형 액추에이터는 고정식 암(27)내에 형성된 지지체(31)에 고정된 덮개 및 막대를 포함하고 상기 막대의 구형 단부는 볼 조인트 링크를 형성하기 위해 상기 이동식 암내에 형성된 구형 임프린트(imprint)(32)와 함께 작동한다. 전원 공급이 없거나 액추에이터 제어가 없을 때, 스프링 효과에 의해 상기 막대는 들어간 위치에 고정된다. 축(Y)을 따라 상기 선형 액추에이터에 의해 제어되는 막대의 병진운동에 의해 스프링 효과를 상쇄하고 브레이크의 고정(grip) 작용으로부터 상기 샤프트를 구속해제할 수 있다.

고정식 암(27) 및 이동식 암(28)은, PA66-GF35 형태인 것이 선호되고 유리섬유가 충진된 열가소성 재료로 형성된다. 예를 들어, 지지체(31)와 같은 다양한 부품들이 오버몰딩 방법에 의해 상기 이동식 암에 추가될 수 있다. 상기 슈는 폴리우레탄 기초 탄성 중합체 재료로 형성될 수 있다. 상기 슈는, 슈에 작용할 수 있는 하중에 접합한 분자 결합(molecular cohesion)을 허용하는 바이 인젝션(bi- injection) 방법에 의해 상기 이동식 암에 고정되는 것이 선호된다.

고정식 암, 이동식 암, 슈, 나선 스프링 및 액추에이터를 포함한 조립체가 제1 단계에서 조립된다. 다음에, 상기 예비조립체는 모터 베이스 패드(25)에 장착된다. 이를 위해, 상기 모터 베이스 패드 및 고정식 암은 상기 고정식 암 및 모터 베이스 패드내에 형성된 세 개의 고정 임프린트(46)에 의해 고정되기 전에, 상기 모터에 대해 상기 조립체를 미리 위치시킬 수 있는 수단을 포함한다.

도 5a 및 도 5b의 제3 사시도에 의하면, 고정된 위치 및 작동 위치에 각각 배열된 고정된 관절 연결부의 예가 도시된다. 상기 제3 사시도는 상기 고정식 암(27) 및 이동식 암(28)사이에 있는 피봇 링크(29)의 세부구조를 도시한다. 스프링(45)은 상기 축(X') 주위에 감기고 이동식 암의 표면 및 고정식 암의 표면을 지지하여 상기 고정식 암 및 이동식 암을 분리시키려고 하는 하중을 발생시킨다.

유리하게 상기 고정식 암은 또한, 상기 모터 기저부 패드 및 고정식 암사이에서 하중 수용(force take- up) 수단(47)을 포함하여 스프링에 의해 상기 고정식 암에 작용하는 하중을 상기 모터 기저부 패드로 전달할 수 있다.

이동식 암의 고정식 위치 측정 수단이 고려되고, 측정된 위치 정보는 모터 구동식 관절 연결부를 구동하기 위한 전자제어 유닛으로 전달된다. 특히 광학식 측정수단이 고려된다. 이를 위해, 상기 이동식 암은 도 2b에 도시되고 -고정된 위치에서만- 상기 축(X)과 평행한 축의 광학 빔(optical beam)을 수용하도록 형성된 단부(48)를 포함한다.

도 6의 저면도는 고정된 관절 연결부의 제2 예를 도시한다. 상기 관절 연결부의 제2 예는 이미 설명한 제1 예와 다수의 유사점을 가진다. 앞서 설명한 것처럼, 상기 브레이크는, 상기 기저부 패드에 고정된 고정식 암 및 피봇 링크(29)에 의해 상기 고정식 암에 연결된 이동식 암(28)을 포함한다. 도 6에서 상기 브레이크의 이동식 암(28)만 도시된다. 모터, 액추에이터 또는 브레이크의 고정식 암과 같은 다른 부품들의 작동에 관한 세부적이고 체계적인 원리 및 정의는 반복하여 설명하지 않는다.

관절 연결부의 제2 예는, 상기 모터 벨 하우징과 접촉하는 슈의 정의에 의해 상기 제1 예와 구분된다. 상기 제2 예에서, 모터 벨 하우징을 제동하기 위해 상기 모터 벨 하우징과 접촉하기 위한 슈(50)가, 상기 이동식 암(28)위에서 볼 조인트에 장착된 패드(51)상에 장착된다. 상기 패드(51)는, 정적 및 동적 접선 마찰력과 압력이 조합되어 작용할 때 크리프(creep) 작용하도록 형성된 특정 형상을 가진다. 상기 변형은 상기 모터 벨 하우징의 회전방향과 무관하게 대칭적으로 형성될 수 있다.

10'.......휴머노이드 로봇,
7a,7b.......제1 및 제2 사지,
25.......고정된 부분,
26.......이동식 부분,
21.......모터,
22.......브레이크,
23.......액추에이터.

Claims (12)

1. 휴머노이드 로봇(10')의 제1 및 제2 사지(7a,7b)들사이에 장착되고 고정된 모터 구동식 관절 연결부에 있어서,
   상기 제1 사지(7a)에 연결되는 고정된 부분(25) 및 상기 고정된 부분(25)에 대해 이동할 수 있고 상기 제2 사지(7b)와 연결되는 이동식 부분(26)을 포함한 모터(21)를 포함하고,
   상기 고정된 부분(25)에 대한 상기 이동식 부분(26)의 운동을 방지하기 위해 스프링 효과에 의해 상기 모터(21)의 이동식 부분(26)에 하중을 발생시킬 수 있는 브레이크(22)를 포함하며,
   상기 브레이크(22)의 하중으로부터 상기 모터(25)의 이동식 부분(26)을 구속해제하고 상기 모터(21)가 상기 고정된 부분(25)에 대해 상기 이동식 부분(26)을 이동시킬 수 있도록 상기 스프링 효과를 상쇄하여 상기 브레이크(22)를 이동시킬 수 있는 액추에이터(23)를 포함하고,
   상기 모터(21)는 회전식 전기 모터이며, 상기 고정된 부분은 기저부 패드(25)를 포함하고 상기 이동식 부분은 상기 기저부 패드(25)에 대해 회전구동될 수 있는 샤프트 및 상기 샤프트에 고정된 벨 하우징(26)을 포함하며, 상기 브레이크(22)는 슈(50)를 포함하고 상기 슈는 상기 벨 하우징(26)과 접촉한 슈가 상기 벨 하우징(26)에 하중을 발생시켜서 상기 기저부 패드(25)에 대한 샤프트의 회전운동을 마찰에 의해 방지시키는 고정된 위치 및, 상기 슈가 상기 벨 하우징(26)으로부터 분리되고 상기 샤프트가 상기 브레이크(22)의 하중으로부터 구속해제되는 작동위치사이에서 이동할 수 있고,
   상기 벨 하우징(26)은 금속 재료로 형성되며 실질적으로 원통 형상을 가지며, 상기 슈(50)는 탄성 중합체로 형성되며 상기 벨 하우징(26)의 반경 방향 섹션을 따라 상기 벨 하우징(26)과 접촉하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 관절 연결부.
   
2. 제1항에 있어서, 미리 정해진 임계하중보다 큰 하중이 고정된 부분(25)에 대해 상기 이동식 부분(26)의 운동을 발생시키고 상기 고정된 부분(25) 및 이동식 부분(26)사이에서 작용할 때, 상기 임계하중까지 상기 고정된 부분(25)에 대해 상기 이동식 부분(26)의 운동을 방지하도록 브레이크가 구성되는 것을 특징으로 하는 관절 연결부.
   
3. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 브레이크는
   상기 기저부 패드(25)에 고정된 고정식 암(27)을 포함하고,
   상기 샤프트의 주축(X)과 실질적으로 평행한 축(X')의 피봇 링크(29)에 의해 상기 고정식 암(27)과 제1 단부에서 연결되는 이동식 암(28)을 포함하며, 상기 슈가 상기 이동식 암(28)에 고정되고,
   상기 피봇 링크(29)의 축(X') 주위에 감기고 한편으로 상기 고정식 암(27) 및 다른 한편으로 상기 이동식 암(28)위에 지지되는 나선 스프링(45)을 포함하여 상기 이동식 암과 고정식 암을 분리시키는 하중을 발생시키는 것을 특징으로 하는 관절 연결부.
   
4. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 브레이크는
   상기 기저부 패드(25)에 고정된 고정된 암(27)을 포함하고,
   이동식 암(28)을 포함하며, 상기 이동식 암(28)의 제1 단부는 상기 샤프트의 회전축(X)과 실질적으로 평행한 축(X')의 피봇 링크(29)에 의해 상기 고정식 암(27)과 연결되고, 상기 슈(50)는 상기 이동식 암(28)상의 볼 조인트에 장착된 패드(51)에 고정되며,
   상기 피봇 링크(29)의 축(X') 주위에 감기고 한편으로 상기 고정식 암(27) 및 다른 한편으로 상기 이동식 암(28)위에 지지되는 나선 스프링(45)을 포함하여 상기 이동식 암과 고정식 암을 분리시키는 하중을 발생시키는 것을 특징으로 하는 관절 연결부.
   
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 액추에이터(23)는 상기 기저부 패드(25)에 고정된 덮개 및 상기 덮개내에서 병진운동할 수 있고 상기 이동식 암(28)의 제2 단부에 연결된 막대를 포함한 선형 액추에이터이고, 상기 선형 액추에이터는 스프링 효과를 상쇄하고 상기 덮개내에서 막대가 병진 운동하여 상기 고정된 암(27)에 대해 상기 이동식 암(28)이 회전운동할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 관절 연결부.
   
6. 제5항에 있어서, 상기 이동식 암(28)은 이동식 암의 제1 단부 및 제2 단부 사이에서 반달 형상을 가지며 상기 벨 하우징(26)을 부분적으로 덮는 절반의 덮개를 형성하는 것을 특징으로 하는 관절 연결부.
   
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모터(21)의 이동식 부분(26)에 의해 구동되고 상기 제2 사지(7b)와 연결되는 기어 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 관절 연결부.
   
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 수동 간섭에 의해 상기 브레이크(22)를 이동시키기 위한 수단(40,41)을 포함하는 것을 특징으로 하는 관절 연결부.
   
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 브레이크(22)의 변위를 감지할 수 있는 측정 수단(48)을 포함하는 것을 특징으로 하는 관절 연결부.
   
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항을 따르는 모터 구동식 관절 연결부(12,13)를 포함한 휴머노이드 로봇.
    
11. 제10항에 있어서, 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항을 따르는 관절 연결부(13)에 의해 관절 연결되는 넓적다리(7b)와 같은 사지 및 몸통(2)과 같은 사지를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇.
    
12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항을 따르는 관절 연결부(12)에 의해 관절 연결되는 레그(7a)와 같은 사지 및 넓적다리(7b)와 같은 사지를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇.
    

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