KR20240011796A - 유압 로봇 아암용 시스템, 장치, 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 로봇은, 몸체, 상기 몸체에 물리적으로 연결되는 제1 로봇 아암, 및 복수의 제1 유압 콤포넌트들을 포함하는 이산된 제1 유압 시스템을 포함한다. 제1 로봇 아암은 제1 단부 조작기를 포함한다. 제1 유압 시스템은 제1 단조를 제어하도록 작동가능하다. 복수의 제1 유압 콤포넌트들은 제1 로봇 아암에 통합된다. 일부 구현예에서, 로봇은 상기 몸체에 물리적으로 연결되는 제2 로봇 아암 및 복수의 제2 유압 콤포넌트들로 이루어진 이산된 제2 유압 시스템을 포함한다. 제2 로봇 아암은 제2 단부 조작기를 포함한다. 제2 유압 시스템은 제2 단부 조작기를 제어하도록 작동가능하다. 복수의 제2 유압 콤포넌트들은 제2 로봇 아암에 통합된다. 제2 유압 시스템은 제1 유압 시스템으로부터 유압-고립된다.
Description
본 발명의 시스템, 장치, 및 방법은 전체적으로 로봇, 특히 유압(수력)으로 작동되는(hydraulically-actuated) 로봇 아암에 관한 것이다.
로봇은 인간을 보조 또는 대체할 수 있는 기계이다. 로봇은 건설, 제조, 감시, 탐험, 학습, 및 오락을 포함하는 다양한 적용예들에서 사용될 수 있다. 로봇은 예를 들어 위험하거나 주거가 부적합한 환경에서 사용될 수 있다.
일부 로봇은 사용자 입력을 필요로 하고, 인간에 의해 작동될 수 있다. 다른 로봇은 소정 정도의 자율성을 가지며, 적어도 일부 상황들에서 인간의 개입없이 작동할 수 있다. 일부 자율 로봇은 인간 행동을 모사하도록 설계된다. 자율 로봇은, 로봇의 작동 환경 내에서 이동하고 그리고/또는 변화하는 환경에 적응하기 위하여, 로봇이 작동자의 개입없이 오랜 시간 동안 작동할 필요가 있는 적용예에서 유용할 수 있다.
유압 장치는 액체를 사용하여 기계적 성질을 다루는 기술로서, 이것은 유체역학에 의해 제공되는 이론적 기반에 기초한다. 유체 동력 적용예에서, 유압 장치는 동력의 발생, 제어, 전달, 및 배분을 위해 이용될 수 있다. 로봇 적용예에 있어서, 로봇의 콤포넌트들, 예를 들어 액츄에이터들에 동력을 배분하기 위하여, 유압 장치가 단독으로 또는 전기 모터 및 다른 동력 공급원과 조합되어 이용될 수 있다.
본 발명은 개선된 유압 로봇 아암용 시스템, 장치, 및 방법을 제공함을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 로봇은, 몸체, 상기 몸체에 물리적으로 연결되는 제1 로봇 아암, 및 복수의 제1 유압 콤포넌트들을 포함하는 이산된 제1 유압 시스템을 포함한다. 제1 로봇 아암은 제1 단부 조작기를 포함한다. 제1 유압 시스템은 제1 단조를 제어하도록 작동가능하다. 복수의 제1 유압 콤포넌트들은 제1 로봇 아암에 통합된다.
일부 구현예에서, 로봇은 상기 몸체에 물리적으로 연결되는 제2 로봇 아암 및 복수의 제2 유압 콤포넌트들로 이루어진 이산된 제2 유압 시스템을 더 포함할 수 있다. 제2 로봇 아암은 제2 단부 조작기를 포함한다. 제2 유압 시스템은 제2 단부 조작기를 제어하도록 작동가능하다. 복수의 제2 유압 콤포넌트들은 제2 로봇 아암에 통합된다. 제2 유압 시스템은 제1 유압 시스템으로부터 유압-고립된다.
일부 실시예에서, 상기 로봇은: 상기 몸체에 물리적으로 연결되고, 제2 단부 조작기를 포함하는, 제2 로봇 아암; 및 복수의 제2 유압 콤포넌트들을 포함하고, 상기 제2 단부 조작기를 제어하도록 작동가능하며, 제1 유압 시스템과 함께 공통 유압 펌프를 공유하는, 제2 유압 시스템으로서, 상기 복수의 제2 유압 콤포넌트들이 제2 로봇 아암에 통합되는, 제2 유압 시스템;을 더 포함할 수 있다.
상기 공통 유압 펌프는 상기 로봇에 (예를 들어, 몸체의 상체 또는 몸체의 등에) 통합될 수 있다 (예를 들어, 로봇 내부 또는 로봇 상에 보유될 수 있다).
일부 구현예에서, 상기 제1 유압 시스템은 상기 제1 단부 조작기와 통합되는 적어도 하나의 액츄에이터(actuator)를 포함할 수 있고, 상기 제1 유압 시스템은 상기 적어도 하나의 액츄에이터에 의해 상기 제1 단부 조작기를 제어하도록 작동가능할 수 있다. 상기 제1 단부 조작기는 손(hand)일 수 있고, 상기 손은 복수의 손가락(digit)들을 포함할 수 있으며, 상기 복수의 손가락들 중 각 손가락은 상기 적어도 하나의 액츄에이터 중 적어도 하나의 개별적 액츄에이터를 포함할 수 있다. 상기 복수의 손가락들 중 각 손가락은 상기 적어도 하나의 액츄에이터 중 복수의 개별적 액츄에이터들을 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 액츄에이터 각각은 개별적 자유도(degree of freedom: DOF)를 제공할 수 있다. 상기 적어도 하나의 액츄에이터는 18 자유도를 제공할 수 있다.
일부 구현예에서, 상기 복수의 제1 유압 콤포넌트들은 상기 제1 로봇 아암의 내부에 위치할 수 있다. 제1 로봇 아암은 휴머노이드 아암일 수 있다.
일부 구현예에서, 상기 복수의 제1 유압 콤포넌트들 중 적어도 하나의 유압 콤포넌트는 상기 제1 로봇 아암의 외부 표면에 장착될 수 있다.
일부 구현예에서, 상기 복수의 제1 유압 콤포넌트들은: 모터; 각각이 상기 모터에 기계적으로 연결되는 복수의 구동 피스톤들; 일 세트의 액츄에이터들로서, 각각의 액츄에이터는 액츄에이션 피스톤(actuation piston)을 포함하고, 각각의 액츄에이션 피스톤은 상기 제1 단부 조작기의 개별적 작동을 구동하기 위하여 작동가능한, 일 세트의 액츄에이터들; 및 복수의 호스(hose)들로서, 상기 복수의 호스들 중 각 호스는 개별적 체적의 유압 유체(hydraulic fluid)를 담고, 각 호스는 개별의 제1 단부에서 개별의 구동 피스톤에 유압 커플링(hydraulical coupling)되며 또한 개별의 제2 단부에서 개별의 액츄에이션 피스톤에 유압 커플링되는, 복수의 호스들;을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 상기 복수의 제1 유압 콤포넌트들은: 유압 펌프(hydraulic pump); 유압 유체의 제1 부분 체적을 저장하기 위한 저장부(reservoir)로서, 상기 유압 펌프의 유입부에 유압 커플링되고, 또한 상기 유압 펌프의 유입부에 양압(positive pressure)을 제공하도록 구성되는, 저장부; 유압 유체의 제2 부분 체적을 압력 하에 유지하기 위한 축적기(accumulator)로서, 상기 유압 펌프의 유출부에 유압 커플링되는, 축적기; 일 세트의 액츄에이터들로서, 각 액츄에이터는 액츄에이션 피스톤을 포함하고, 각 액츄에이터 피스톤은 상기 제1 단부 조작기의 개별적 작동을 구동하도록 작동가능한, 일 세트의 액츄에이터들; 복수의 호스들로서, 복수의 호스들 중 각 호스는 유압 유체의 개별적 체적을 담고 있는, 복수의 호스들; 복수의 압력 밸브(pressure valve)들로서, 각 압력 밸브는 상기 복수의 호스들 중 개별의 적어도 하나의 제1 호스를 거쳐서 개별의 액츄에이션 피스톤에 대한 상기 축적기의 유압 커플링을 제어하도록 작동가능한, 복수의 압력 밸브들; 및 복수의 배출 밸브(exhaust valve)들로서, 각 배출 밸브는 상기 복수의 호스들 중 개별의 적어도 하나의 제2 호스를 거쳐서 상기 저장부에 대한 상기 개별의 액츄에이션 피스톤의 유압 커플링을 제어하도록 작동가능한, 복수의 배출 밸브들;을 포함할 수 있다.
상기 복수의 압력 밸브들은 적어도 하나의 전기유압 서보 압력 밸브(electrohydraulic servo pressure valve)를 포함할 수 있고, 각각의 전기유압 서보 압력 밸브는 상기 개별의 액츄에이션 피스톤에 대한 상기 축적기의 유압 커플링을 제어하도록 작동가능하며, 상기 복수의 배출 밸브들은 적어도 하나의 전기유압 서보 배출 밸브를 포함할 수 있고, 각각의 전기유압 서보 배출 밸브는 상기 저장부에 대한 상기 개별의 액츄에이션 피스톤의 유압 커플링을 제어하도록 작동가능하다. 상기 로봇은 제어기(controller)를 더 포함할 수 있고, 상기 제어기는 상기 적어도 하나의 전기유압 서보 압력 밸브와 상기 적어도 하나의 전기유압 서보 배출 밸브를 개폐시키도록 작동가능하다.
일부 구현예에서, 상기 복수의 제1 유압 콤포넌트들은: 유압 펌프; 제1 호스에 의하여 상기 유압 펌프의 유입부에 유압 커플링되는 저장부; 제2 호스에 의하여 상기 유압 펌프의 유출부에 유압 커플링되는 축적기; 제3 호스에 의하여 상기 축적기에 유압 커플링되는 제1 포트를 구비한 제1 압력 밸브; 제4 호스에 의하여 상기 제1 압력 밸브의 제2 포트에 유압 커플링되는 액츄에이터; 및 제5 호스에 의하여 상기 액츄에이터에 유압 커플링되는 제1 포트 및 제6 호스에 의하여 상기 저장부에 유압 커플링되는 제2 포트를 구비한 제1 배출 밸브;를 포함할 수 있고, 상기 유압 펌프, 저장부, 축적기, 제1 압력 밸브, 제1 배출 밸브, 액츄에이터, 및 제1, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6 호스는 유압 회로(hydraulic circuit)를 형성할 수 있다. 제1, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6 호스 각각의 개별의 외경(outer diameter)은 1/16 in.와 같거나 1/16 in.보다 작을 수 있다. 상기 액츄에이터는 단일의 액츄에이션 피스톤을 포함할 수 있다. 상기 복수의 제1 유압 콤포넌트들은: 제7 호스에 의하여 상기 축적기에 유압 커플링되는 제1 포트 및 제8 호스에 의하여 상기 액츄에이터에 유압 커플링되는 제2 포트를 구비한 제2 압력 밸브; 및 제9 호스에 의하여 상기 액츄에이터에 유압 커플링되는 제1 포트 및 제10 호스에 의하여 상기 저장부에 유압 커플링되는 제2 포트를 구비한 제2 배출 밸브;를 포함할 수 있고, 상기 액츄에이터는 이중 액츄에이션 피스톤(double actuation piston)을 포함하여, 상기 액츄에이터가 이중 작용(double-acting)을 할 수 있다. 상기 제1 압력 밸브의 제1 포트는 압력 매니폴드(pressure manifold)를 거쳐서 제3 호스에 의하여 상기 축적기에 유압 커플링될 수 있고, 상기 제1 배출 밸브의 제2 포트는 배출 매니폴드(exhaust manifold)를 거쳐서 제10 호스에 의하여 상기 저장부에 유압 커플링될 수 있다.
도면들에 도시된 다양한 구성요소들 및 작용들은 상세한 설명을 뒷받침하기 위한 제시적 목적을 위하여 제공된다. 특정의 문구에 달리 기재되지 않은한, 도시된 구성요소들 및 작용들의 크기, 형상, 및 상대적 위치는 반드시 축적에 맞게 도시된 것이 아닐 수 있으며 또한 어떠한 정보 또는 제한적 의미를 갖도록 의도된 것이 아니다. 일반적으로, 유사한 구성요소 또는 작용을 지칭하기 위하여 동일한 참조번호가 사용된다.
도 1 에는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른, 외부 경로를 가진 호스들의 다발(bundle)을 구비한 유압 동력 로봇의 예시적인 구현예의 개략도가 도시되어 있다.
도 2 에는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른, 내부 경로를 가진 호스들의 다발을 구비한 유압 동력 로봇의 예시적인 구현예의 개략도가 도시되어 있다.
도 3 에는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른, 로봇의 아암에 통합된 구동 피스톤 및 모터를 구비한 유압 동력 로봇의 예시적인 구현예의 개략도가 도시되어 있다.
도 4 에는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른, 단독 작용 액츄에이션 피스톤을 구비한 유압 회로의 개략도가 도시되어 있다.
도 5 에는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른, 이중 작용 액츄에이터 피스톤을 구비한 유압 회로의 개략도가 도시되어 있다.
도 6 에는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른, 도 4 의 유압 회로를 포함하는 유압 동력 로봇의 예시적인 구현예의 개략도가 도시되어 있다.
도 7 에는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른, 로봇의 아암에 통합된 유압 펌프를 구비한 유압 동력 로봇의 예시적인 구현예의 개략도가 도시되어 있다.
도 8 에는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른, 로봇의 아암에 통합된 매니폴드 및 유압 펌프를 구비한 유압 동력 로봇의 예시적인 구현예의 개략도가 도시되어 있다.
도 9 에는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른, 로봇의 전완(forearm), 손목, 및 손에 있는 유압 시스템의 일부분의 예시적인 구현예의 개략도가 도시되어 있다.
도 10 에는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른, 유압-고립된(hydraulically-isolated) 복수의 유압 시스템들을 구비한 유압 동력 로봇의 예시적인 구현예의 개략도가 도시되어 있다.
도 1 에는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른, 외부 경로를 가진 호스들의 다발(bundle)을 구비한 유압 동력 로봇의 예시적인 구현예의 개략도가 도시되어 있다.
도 2 에는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른, 내부 경로를 가진 호스들의 다발을 구비한 유압 동력 로봇의 예시적인 구현예의 개략도가 도시되어 있다.
도 3 에는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른, 로봇의 아암에 통합된 구동 피스톤 및 모터를 구비한 유압 동력 로봇의 예시적인 구현예의 개략도가 도시되어 있다.
도 4 에는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른, 단독 작용 액츄에이션 피스톤을 구비한 유압 회로의 개략도가 도시되어 있다.
도 5 에는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른, 이중 작용 액츄에이터 피스톤을 구비한 유압 회로의 개략도가 도시되어 있다.
도 6 에는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른, 도 4 의 유압 회로를 포함하는 유압 동력 로봇의 예시적인 구현예의 개략도가 도시되어 있다.
도 7 에는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른, 로봇의 아암에 통합된 유압 펌프를 구비한 유압 동력 로봇의 예시적인 구현예의 개략도가 도시되어 있다.
도 8 에는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른, 로봇의 아암에 통합된 매니폴드 및 유압 펌프를 구비한 유압 동력 로봇의 예시적인 구현예의 개략도가 도시되어 있다.
도 9 에는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른, 로봇의 전완(forearm), 손목, 및 손에 있는 유압 시스템의 일부분의 예시적인 구현예의 개략도가 도시되어 있다.
도 10 에는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른, 유압-고립된(hydraulically-isolated) 복수의 유압 시스템들을 구비한 유압 동력 로봇의 예시적인 구현예의 개략도가 도시되어 있다.
아래의 상세한 설명은 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법의 다양한 구현예들 및 실시예들의 이해를 예시 및 제공하기 위하여 특정의 상세사항들에 대해 설명하는 것이다. 통상의 기술자는 아래에서 설명되는 특정 상세사항들 중 일부가 생략되거나 또는 대안적인 구현예 및 실시예로 변형될 수 있다는 것을 이해할 것이며, 또한 다른 구현예들 및 실시예들의 개발을 위하여 여기에서 설명되는 다양한 구현예들 및 실시예들이 서로 그리고/또는 다른 방법, 콤포넌트, 재료 등과 조합될 수 있다는 점을 이해할 것이다.
일부의 경우들에 있어서, 잘 알려진 구조 및/또는 컴퓨터 시스템과 관련된 프로세스 및 데이터 프로세싱은 도시되지 않거나 상세히 제공되지 않는데, 이는 본 발명의 구현예들 및 시시예들에 관한 설명을 불필요하게 복잡하게 하거나 모호하게 함을 피하기 위한 것이다.
본원의 상세한 설명 및 청구범위에서 명시적 문구로 달리 기재되지 않는 한, "포함" 및 이를 활용한 표현, 예컨데 "포함한다", "포함하는" 등의 표현은 "~을 포함하되 이에 국한되지 않는다"는 개방적이고 포괄적인 의미로서 사용된다.
본원의 상세한 설명 및 청구범위에서 명시적 문구로 달리 기재되지 않는 한, 단수형으로 기재된 표현은 복수 형태의 의미를 포괄한다. 예를 들어, "실시예" 및 "상기 실시예"라는 표현은 각각 "실시예들" 및 "상기 실시예들"의 의미를 포괄하고, "구현예" 및 "상기 구현예"라는 표현은 각각 "구현예들" 및 "상기 구현예들"의 의미를 포괄한다. 유사하게, "또는"이라는 표현은 명시적으로 달리 기재되지 않는 한, 일반적으로 "및/또는"을 의미하는 최광의(broadest sense)의 의미로 사용된다.
본원의 발명의 명칭 및 요약서는 편의상 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법의 범위 또는 의미를 전달하는 것으로 의도된 것이 아니고 또한 그렇게 해석되지 말아야 할 것이다.
본 발명의 시스템, 장치, 및 방법의 일부 형태들에 대한 개관
여기에서 설명되는 다양한 구현예들은 유압 동력 로봇을 위한 시스템, 장치, 및 방법을 제공한다. 구체적으로, 본 발명에 따른 시스템, 장치, 및 방법은 로봇의 단부 조작기를 제어하기 위한 유압 동력 시스템에 대해 기술한다. 아래에서 설명되는 기술의 일 형태는 로봇 아암의 외부 표면 및/또는 내부에 장착되도록 유압 시스템을 통합함을 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 유압 시스템의 적어도 일부 콤포넌트들은 휴머노이드 아암의 전완, 손목, 및 손에 국한되며, 이들은 휴머노이드 아암에 물리적으로 연결된 단부 조작기(예컨데, 휴머노이드 로봇 손)을 제어하기 위하여 사용된다. 아래에서 설명되는 기술의 다른 형태는 공통 펌프를 구비한 유압 시스템을 포함한다.
본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에서 설명되는 기술은 로봇에 근접하게 또는 로봇의 베이스에 수용되는 모터로부터 단부 조작기로 연장되는 외부 유압 호스들을 제거 또는 감소시킬 수 있다. 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따르면, 단부 조작기에 동력을 제공하는 유압 시스템의 일부 또는 전부가 로봇 내에 적어도 부분적으로 수용되고 그리고/또는 로봇 내부의 경로를 가질 수 있다. 일부 구현예에서는, 단부 조작기에 동력을 제공하는 유압 시스템의 외부 경로가 없다. 유압 시스템의 적어도 일부 부분들은 단부 조작기 내부, 그리고 단부 조작기가 부착되는 로봇 아암 내부에 장착되도록 적합화 및/또는 소형화될 수 있다. 휴머노이드 로봇의 로봇 손에 동력을 제공하기 위한 유압 시스템은 예를 들어 상기 손 내부 및/또는 로봇의 아암 내부에 장착되도록 구성될 수 있다. 휴머노이드 로봇의 아암은 유압 시스템이 손까지 통과하는 경로가 되는 전완 및 손목을 포함할 수 있다.
일반적으로는 로봇 시스템, 그리고 구체적으로는 휴머노이드 로봇의 일부 적용예에서, 단부 조작기는 소정의 폼 팩터(form factor) 내에 장착되면서도 충분한 동력 및 정밀도를 가짐이 바람직할 수 있다. 또한, 단부 조작기와 로봇 시스템의 다른 콤포넌트 간의 연결요소(coupling)(예를 들어, 케이블, 호스, 와이어, 등)이 적어도 부분적으로 로봇 내부에 위치하도록 함이 바람직할 수 있다. 외부의 연결요소들은 보기 흉할 수 있고, 로봇의 외부 치수를 증가시켜서 로봇이 제한된 공간 내에서 작동함을 더 곤란하게 만들 수 있다. 또한 외부 연결요소들은 위험할 수 있으며, 예를 들어 연결요소들이 로봇의 주변환경에 있는 물체에 걸린다면 로봇 또는 로봇의 환경에 손상을 유발할 수 있다.
본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에서 설명되는 기술은 로봇 시스템의 단부 조작기(예컨데, 휴머노이드 로봇의 손)에 동력을 제공하는 유압 시스템을 포함하는바, 상기 유압 시스템의 일부 또는 전부는 로봇(예컨데, 로봇 아암)의 내부에 적어도 부분적으로 장착되도록 적합화 및/또는 소형화된다. 일부 구현예에서, 유압 시스템은 로봇 아암의 전완 및/또는 손목을 통하여 로봇 손까지 도달하는 경로를 갖는다. 일부 구현예에서, 유압 시스템은 팔꿈치 및/또는 어깨를 통하는 경로를 갖는다. 일부 적용예에서, (예를 들어 로봇의 작동 편의를 위하여) 유압 시스템이 팔꿈치, 어깨, 및/또는 다른 관절 및 피봇 지점을 통하는 경로를 갖지 않도록 회피함이 바람직할 수 있다.
보다 일반적으로, 본원에서 설명되는 기술은 로봇 시스템 내의 펌프/모터와 단부 조작기 또는 액츄에이터 간의 경로를 갖는 유압 시스템을 포함한다. 상기 유압 시스템은 하나 이상의 단부 조작기 또는 액츄에이터에 전용되는 것일 수 있다. 유압 시스템은 국부적인(local) 것일 수 있는바, 즉 펌프/모터와 액츄에이터 간의 경로가 그 액츄에이터에 대해 국부적인 것일 수 있다.
어떤 물체 또는 형상은 그것이 인간을 모사한 특성 또는 외관을 갖는 때에 "휴머노이드"라고 정의된다. 예를 들어, 휴머노이드 로봇은 인간의 특성 또는 외관을 모사한 특성 또는 외관을 갖는 로봇이다. 휴머노이드 로봇은 그 전체가 "휴머노이드"이거나, 또는 휴머노이드가 아닌 콤포넌트(예를 들어, 바퀴달린 베이스)에 연결된 휴머노이드 콤포넌트들(예를 들어, 상체, 머리, 아암, 및 손, 등)을 구비할 수 있다. 아래의 설명은 주로 휴머노이드 로봇의 로봇 손을 제어함에 관한 것이지만, 통상의 기술자는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른 유압 시스템이 손, 발, 꼬리, 머리, 또는 임의의 적용가능한 단부 조작기 또는 액츄에이터를 제어하기 위하여 이용될 수 있다는 점을 이해할 것이다.
로봇 시스템에 유압 시스템을 이용함의 장점
로봇 아암 및/또는 단부 조작기를 구동하기 위하여 유압 장치를 이용함은 다음 사항들을 포함하는 이유들로 인하여 유리할 수 있다.
* 유압 장치들은 휴머노이드 인벨롭(envelope)의 형상 및 크기 내에 높은 속도와 힘을 제공할 수 있다.
* 휴머노이드 인벨롭 제약사항들(constraints)을 수용하기 위하여, (예컨데 모터 등인) 콤포넌트들은 체적이 제한되는 영역의 외부에 배치되거나 또는 필요한 경우에는 완전히 상기 인벨롭의 외부에 배치될 수 있으며, 상기 인벨롭의 체적이 제한된 영역들 내에 있는 콤포넌트와 유압 커플링(hydraulically coupling)될 수 있다. 본원의 설명 및 청구범위에 걸쳐서, 유압 시스템의 콤포넌트들이 유압 유체에 의하여 연결되는 경우에는 그 콤포넌트들이 "유압 커플링"된다고 표현된다. 예를 들어, 예컨데 모터 및 피스톤, 또는 펌프 및 밸브와 같은 두 개의 콤포넌트들이 유압 유체를 담고 있는 적어도 하나의 튜브 또는 호스에 의하여 서로 연결된다면, 이들은 유압 커플링된 것이다.
* 유압 장치는, 특히 모터가 상기 제한된 체적 외부에 있는 경우에, 높은 동력 밀도(power density)를 제공할 수 있다.
* 유압 장치는 움직임에 있어서의 히스테리시스(hysteresis)를 적어도 감소시킬 수 있다. 히스테리시스는 로봇의 움직임에 있어서의 흠칫거림(twitchiness)으로 나타날 수 있다. 유압 유체는 실질적으로 비압축성일 수 있기 때문에, 정적 마찰계수가 초과되는 순간에 드러날 수 있는 잠재 에너지가 없거나 거의 없을 수 있다.
* 유압 장치는 중앙집중화된 동력을 제공할 수 있고, 따라서 단일 자유도로 전출력(full power)을 적용할 수 있다.
* 유압 장치는 높은 신뢰도의 로봇 제어, 즉 로봇의 움직임에 있어서의 높은 정밀도를 제공할 수 있다.
유압 동력 로봇
도 1 에는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른 유압 동력 로봇(100)의 예시적인 구현예가 개략적으로 도시되어 있는바, 상기 유압 동력 로봇은 외부 경로를 가진 호스들의 다발(130)을 구비한다. 로봇(100)은 베이스(102) 및 휴머노이드 상측 몸체(104)를 포함한다. 베이스(102)는 골반 영역(106) 및 두 개의 다리들(108a, 108b)(집합적으로 '다리(108)들'로 호칭되기도 함)을 포함한다. 도 1 에는 다리(108)들의 상측 부분만이 도시되어 있다. 다른 예시적인 구현예에서, 베이스(102)는 스탠드(stand) 및 (선택적인) 하나 이상의 바퀴를 포함할 수 있다.
상측 몸체(104)는 상체(110), 머리(112), 좌측 아암(114a) 및 우측 아암(114b)(집합적으로 '아암(114)들'로 호칭되기도 함), 그리고 좌측 손(116a) 및 우측 손(116b)(집합적으로 '손(116)들'로 호칭되기도 함)을 포함한다. 본원에서 아암(114)들은 로봇 아암들로 호칭되기도 한다. 로봇(100)의 아암(114)들은 휴머노이드 아암들이다. 다른 구현예에서는, 상이한 갯수(예컨데 1개와 같이 더 적거나, 또는 3개, 4개, 5개 등과 같이 더 많은 갯수)의 아암(114)들이 구비될 수 있고, 그리고/또는 아암(114)들 중 하나 또는 모두가 휴머노이드 아암의 폼 팩터와 상이한 폼 팩터를 가질 수 있다. 또한 본원에서 손(116)들은 단부 조작기라고 호칭되기도 한다. 다른 구현예에서는, 손(116)들이 휴머노이드 손의 폼 팩터와 상이한 폼 팩터를 갖는다. 손(116)들 각각은 하나 이상의 손가락, 예를 들어 손(116b)의 손가락(118)을 포함한다. 손가락들에는 엄지, 검지, 또는 손 또는 단부 조작기의 구조와 유사한 구조가 포함될 수 있다.
일부 구현예들에서, 베이스(102) 및/또는 상측 몸체(104)의 상체(110)는 예를 들어 유압 구동 메카니즘을 수용할 수 있다. 일부 구현예에서, 유압 구동 메카니즘은 상측 몸체(104)의 후방에, 예를 들어 배낭 내에서 사용될 수 있다. 도 1 에 도시된 예시적 구현예에서, 유압 구동 메카니즘은 모터(120) 및 구동 피스톤(122)을 포함한다. 구동 피스톤(122)은 리드스크류(leadscrew)(도 1 에 도시되지 않음)에 의해서 선형적으로 전방으로 추진될 수 있고, 상기 리드스크류는 유연성 샤프트 커플러(flexible shaft coupler)(124)를 통하여 모터(120)에 연결될 수 있다. 구동 피스톤(122)은 유압 유체를 담고 있는 호스(126)에 유압 커플링될 수 있다. 호스(126)는 구동 피스톤(122)으로부터 로봇(100) 상의 다른 위치, 예를 들어 (도 1 에 도시된 바와 같이) 손(118b)에 배치된 액츄에이션 피스톤(128)까지 연장될 수 있다. 호스(126) 내의 유압 유체는 예를 들어 땅콩 기름(peanut oil) 또는 광물 기름(mineral oil)과 같은 오일일 수 있다. 구동 피스톤(122)이 모터(120)에 의하여 구동되는 때에 액츄에이션 피스톤(128)은 움직이도록 강제될 수 있으며, 이것은 적어도 로봇(100)의 적어도 일부분의 대응되는 움직임을 유발할 수 있다.
손(118)들 각각은 하나 이상의 자유도(DOF)를 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 각각의 손은 18 자유도 또는 그 이상의 자유도를 갖는다. 손(118)들 각각의 개별적인 자유도들의 예에는, 굽힘, 회전, 개별 손가락 관절(예를 들어 손가락마다 1, 2, 또는 3개의 관절이 있을 수 있으며, 관절마다 적어도 하나 그리고 종종 복수의 자유도가 존재할 수 있음)에서의 피봇, 그리고 손의 다양한(예를 들어 1, 2, 또는 3 가지의) 회전이 포함될 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 각각의 자유도는 개별의 액츄에이션 피스톤(예를 들어, 액츄에이션 피스톤(128))에 의해 구동됨으로써 실현될 수 있다. 명확한 예시를 위하여, 도 1 에는 단 하나의 액츄에이션 피스톤만이 도시되어 있다. 각각의 액츄에이션 피스톤은 손(118)들 안에 위치할 수 있다.
본 발명의 시스템, 장치, 및 방법의 일부 구현예들에서 (예컨데 손(118)들 중 어느 하나 또는 두개 모두로서) 사용될 수 있는 로봇 손들 및/또는 로봇 손가락들을 포함하는, 로봇 단부 조작기들을 위한 시스템, 방법, 및 장치의 예들에는, 미국 특허 출원 제17/098,716호; 2020.10.01.자로 출원되고 발명의 명칭이 "로봇 단부 조작기"인 미국 특허 가출원 제63/086,258호(현재 미국 특허 출원 제17/491,577호); 및 2022.05.16.자로 출원되고 발명의 명칭이 "로봇 관절용 시스템, 장치, 및 방법"인 미국 특허 가출원 제63/342,414호;에 개시된 것들이 포함되는바, 이들 모두는 그 전체가 참조로서 여기에 포함된다.
단일 작용 피스톤들에는 그 피스톤을 위한 복귀 작용을 제공하는 스프링이 사용될 수 있다. 하나의 자유도는 밈-당김 움직임(push-pull motion)을 가능하게 하는 이중 작용에 해당될 수 있는바, 이것은 액츄에이션 피스톤의 양측에 연결된 개별의 호스가 있음을 의미한다. 일부 구현예에서는 두 개의 이중 작용 자유도가 존재할 수 있고, 이것은 결과적으로 각 손의 18 자유도를 제어하기 위하여 구동 피스톤(예를 들어, 구동 피스톤(122))으로부터 손(118)들 각각으로 연장되는 20개의 호스(예를 들어, 호스(126))를 의미하게 된다. 예를 들어 도 1 에서, 로봇(100)은 구동 피스톤(122)으로부터 손(116b)의 손가락(118)에 있는 액츄에이션 피스톤(128)으로 연장되는 호스(126)를 포함한다. 호스(126)는 상체(110) 뒤로 또는 옆을 따라서, 그리고 아암(114b)의 외부 주위로 지나가는 호스들의 다발(130)에 속한다. 일부 구현예에서, 다발(130)은 20개의 1/8인치 호스를 수용할 수 있다.
도 1 에 도시된 로봇(100)의 구현예의 단점은 모터(예컨데, 도 1 의 모터(120))와 로봇 상의 액츄에이터들(예컨데, 도 1 의 액츄에이션 피스톤(128)) 사이에 외부의 유압 커플링(예컨데, 도 1 의 다발(130))이 존재한다는 것일 수 있다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 유압 호스들의 다발은 (예를 들어 로봇의 베이스 또는 상체, 또는 로봇의 등 또는 배낭에 위치하는) 모터와 (예를 들어 로봇 아암의 단부에 있는 단부 조작기에 위치한) 액츄에이터들 사이에서 연장될 수 있다. 전술된 바와 같이, 일부 구현예에서는 각 다발(130)에 20개의 1/8 인치 호스들이 존재할 수 있다. 전술된 바와 같이, 상기 호스들의 다발은 로봇의 전체적인 치수를 증가시킬 수 있으며, 이로 인하여 제한된 공간 내에 로봇이 들어가기 어렵게 되며, 로봇의 환경에 있는 물체에 상기 다발이 걸릴 위험이 증가하여서 로봇 및/또는 로봇의 호나경에 손상을 유발할 수 있다.
도 2 에는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른 내부 경로를 갖는 호스들의 다발(202)을 구비한 유압 동력 로봇(200)의 예시적인 구현예의 개략도가 도시되어 있다. 로봇(100)의 콤포넌트들과 동일 또는 유사한 로봇(200)의 콤포넌트들은 동일한 참조 번호로 표시된다.
로봇(200)은 유압 호스들이 상체(110)에 있는 모터(120)로부터 손(116)에 있는 액츄에이션 피스톤(예컨데, 액츄에이션 피스톤(128))까지 이루는 경로의 면에서 로봇(100)과 상이하다. 도 1 을 참조하여 설명된 바와 같이, 로봇(100)은 상체(110) 및 아암(114b)에 대해 외부로 손(116b)까지 연장되는 호스들의 다발(130)을 포함한다. 이와는 달리, 로봇(200)은 상체(110) 및 아암(114b)에 대해 내부로 손(116b)까지 연장되는 호스들의 다발(202)(예컨데, 호스(126)를 포함)을 포함한다.
상체(110) 및 아암(114b) 내부에 공간이 제공될 수 있는바, 이로써 다발(202)을 수용하고, 또한 다발(202)이 다른 내부 콤포넌트들 및 연결요소들과 간섭없이 내부 경로를 갖게 됨이 가능하게 된다. 일부 구현예에서, 상체(110) 및/또는 아암(114b)을 통하는 다발(202)의 경로(routing)를 위한 도관이 제공된다. 일부 구현예에서, 로봇의 콤포넌트들이 서로에 대해 상대적으로 움직임에 따라서 다발(202)의 당겨짐(stretching), 집힘(pinching), 꼬임(kinking), 및/또는 뒤틀림(twisting)을 방지함에 도움이 되도록 하기 위하여 관절 및 피봇 조인트에 다발(202)을 위한 관통부(pass-through)들이 제공된다. 일부 구현예에서, 로봇(100)의 상체(110)에 도시된 구성요소들(예컨데, 모터(120))은 로봇(100)의 등, 예를 들어 로봇(100)에 의해 착용되거나 로봇(100)에 고정된 배낭 내에 수용될 수 있다.
(도 1 의 다발(130)을 외부 경로에 둠에 비하여) 다발(202)을 내부 경로에 둠에 의한 장점에는, 로봇(200)의 전체적 치수가 감소된다는 점, 로봇(200)이 제한된 공간 내에 들어가기 용이하게 된다는 점, 그리고 다발(202)이 로봇의 환경에 있는 물체에 걸릴 위험이 감소된다는 점 등이 있다.
도 3 에는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른, 로봇(300)의 아암(114b)에 통합된 구동 피스톤(304) 및 모터(302)를 구비한 유압 동력 로봇(300)의 예시적인 구현예의 개략도가 도시되어 있다. 로봇(100)의 콤포넌트들과 동일 또는 유사한 로봇(300)의 콤포넌트들은 동일한 참조번호로 표시된다.
본원의 상세한 설명 및 청구범위에 걸쳐서 명시적으로 달리 기재되지 않는한, 몸체(예컨데, 로봇 아암)와 유압 콤포넌트들의 통합과 관련하여 "통합"이라는 단어는 유압 콤포넌트들이 몸체 내부 및/또는 몸체 상에 보유됨을 의미한다. 예를 들어, 명시적으로 달리 기재되지 않은 한, 통합된 유압 콤포넌트들은 몸체 내에 수용될 수 있고 그리고/또는 몸체의 외부 표면 상에 부착될 수 있다. 본원에서 설명되는 다양한 예시적인 구현예들에서, 유압 동력 로봇의 통합된 유압 콤포넌트들은 로봇 아암의 내부 안에 수용되고 그리고/또는 상기 아암의 외부 표면에 부착된다.
로봇(300)은 적어도 모터(120)의 위치 면에서 로봇들(100, 200)과 상이하다. 로봇(300)은 모터(302), 구동 피스톤(304), 및 아암(114b)에 통합된 유연성 샤프트 커플러(306)를 포함한다. 도 3 의 예시적 구현예에서, 모터(302), 구동 피스톤(304), 및 유연성 샤프트 커플러(306)는 아암(114b)의 내부에 위치한다. 다른 구현예들에서, 모터(302), 구동 피스톤(304), 및/또는 유연성 샤프트 커플러(306)는 아암(114b)의 외부 표면 상에 위치한다. 또한 로봇(300)은 호스들의 다발(308)을 포함하는바, 상기 다발(308)에는 예를 들어 액츄에이션 피스톤(128)으로 향하는 호스(126)가 포함된다. 다발(308)은 아암(114b)과 통합된다.
유압 회로
도 4 에는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른, 단일 작용 액츄에이션 피스톤(402)을 구비한 유압 회로(400)의 개략도가 도시되어 있다. 유압 회로(400)는 유압 펌프(404), 저장부(406), 및 축적기(408)를 포함한다. 액츄에이션 피스톤(402)은 전방 경로를 위하여 압력 밸브(410) 및 호스들(412, 414)을 통해서 축적기(408)에 유압 커플링되고, 또한 복귀 경로를 위하여는 배출 밸브(416) 및 호스들(418, 420)을 통하여 유압 커플링된다.
도 4 에 도시된 예시적인 구현예에서, 압력 밸브(410) 및 배출 밸브(416)는 제어기(422)에 의하여 제어되는 전기유압 서보 밸브들이다. 본원에서 전기유압 서보 밸브들은 서보 밸브 및 서보 제어 밸브로 호칭되기도 한다. 제어기(422)는 하드웨어, 소프트웨어, 및/또는 펌웨어의 임의의 적합한 조합에 의해 구현될 수 있다. 제어기(422)에는 예를 들어 하나 이상의 적용예-특화 집적 회로(들), 표준 집적 회로(들), 및/또는 임의 갯수의 컴퓨터, 마이크로콘트롤러, 및/또는 프로세서(예를 들어, 마이크로프로세서, CPU(central processing unit)가 포함됨)에 의해 실행되는 컴퓨터 프로그램(들)이 포함될 수 있다. 다른 구현예에서는 다른 적합한 유형의 밸브가 사용될 수 있는바, 여기에는 압전 밸브가 포함될 수 있지만 이에 국한되는 것은 아니다.
유압 회로(400)는 유압 동력 로봇에 사용될 수 있다. 유압 회로(400)를 사용하는 유압 동력 로봇은, 공통의 모터(예컨데, 도 1 의 모터(120)) 및 공통의 구동 피스톤(예컨데, 도 1 의 구동 피스톤(122))를 구비하지 않고, 공통의 펌프, 저장부, 및 축적기(각각, 도 4 의 펌프(404), 저장부(406), 및 축적기(408))를 구비한다. 복수의 액츄에이션 피스톤들(예컨데, 도 1 의 액츄에이션 피스톤(128))이 호스들에 의하여 축적기로부터 전방 경로로 유압 커플링될 수 있고, 복귀 경로에서는 호스들에 의하여 저장부에 유압 커플링될 수 있다. 임의의 시간에 전방 호스들(또는 압력 호스들) 및 복귀 호스들(또는 배출 호스들) 중 어느 것이 활성화/비활성화되도록 할 것인지를 제어하기 위하여, 독립적으로 제어가능한 일 세트의 서보 밸브들이 이용될 수 있다.
특히 로봇 아암의 단부 조작기를 제어하기 위하여, 유압 회로(400)가 이용될 수 있다. 전술된 바와 같이, 일부 구현예에서는 두 개의 이중 작용 자유도를 포함하는 18 자유도가 존재하는바, 손에 진입하는 20개의 호스들, 손으로부터 이탈하는 20개의 호스들, 및 40 서보 제어 밸브들(20개의 압력 밸브들 및 20개의 배출 밸브들)이 사용된다.
유압 회로(400)의 구성요소들은 로봇 아암과 통합되는 것이 바람직할 수 있다. 통합에는, 유압 회로(400)의 구성요소들을 로봇 아암의 내부 및/또는 로봇 아암의 외부 표면에 배치함을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 유압 회로(400)의 구성요소들은 로봇 아암의 전완, 손목, 및 손에 통합된다. 유압 호스들의 경로가 예컨데 로봇 아암의 어깨 또는 팔꿈치 관절과 같은, 관절 및/또는 피봇 조인트를 통과함은 회피 또는 최소화시킴이 유리할 수 있다. 일부 구현예에서, 유압 호스들의 외경은 1/16 in. 보다 작을 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 서보 제어 밸브들은 소형화된 것들이다. 일부 구현예에서, 유압 펌프, 저장부, 및 축적기는 로봇 아암에 통합된다. 일부 구현예에서, 상기 유압 펌프, 저장부, 및 축적기는 로봇 아암의 전완, 손목, 및/또는 손에 통합된다.
도 6, 7, 8, 9, 및 10 (아래 참조) 에는 도 4 의 유압 회로(400)를 이용하는 유압 동력 로봇의 예시적인 구현예의 개략도가 도시되어 있다.
도 5 에는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른, 이중 작용 액츄에이터 피스톤(502)을 구비한 유압 회로(500)의 개략도가 도시되어 있다. 유압 회로(500)는 유압 펌프(504), 저장부(506), 및 축적기(508)를 포함한다. 액츄에이션 피스톤(502)은 밈 및 당김 작용을 제공할 수 있는 이중 작용 액츄에이션 피스톤이다. 밈 작용을 위하여, 액츄에이션 피스톤(502)은, 전방 경로에 있어서는 압력 밸브(510) 및 호스들(512, 514)을 통하여 축적기(508)에 유압 커플링되고, 복귀 경로에 있어서는 배출 밸브(516) 및 호스들(518, 520)을 통하여 유압 커플링된다. 당김 작용을 위하여, 액츄에이션 피스톤(502)은 전방 경로에 있어서는 압력 밸브(522) 및 호스들(524, 526)을 통하여 축적기(508)에 유압 커플링되고, 복귀 경로에 있어서는 배출 밸브(528) 및 호스들(530, 532)을 통하여 유압 커플링된다.
도 5 에 도시된 예시적인 구현예에서, 밸브들(510, 516, 522, 및 528)은 (도면의 명료성을 위하여 도 5 에는 도시되지 않은) 제어기에 의하여 제어되는 서보 제어 밸브들이다. 다른 구현예에서는, 다른 적합한 유형의 밸브들이 사용될 수 있는데, 여기에는 압전 밸브가 포함되지만 이에 국한되는 것은 아니다.
공통 펌프를 구비한 유압 동력 로봇
도 6 에는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른, 도 4 의 유압 회로(400)를 포함하는 유압 동력 로봇(600)의 예시적인 구현예의 개략도가 도시되어 있다. 도 1 의 로봇(100)의 콤포넌트들과 동일 또는 유사한 로봇(600)의 콤포넌트들은 동일한 참조번호로 표시된다.
로봇(600)은 상체(110) 내에 수용된 유압 펌프(602), 저장부(604), 및 축적기(606)를 포함한다. 일부 구현예에서, 유압 펌프(602), 저장부(604), 및/또는 축적기(606)는 로봇(600)의 등에, 예를 들어 로봇(600)에 의해 착용되거나 로봇(600)에 고정되는 배낭에 통합될 수 있다. 로봇(600)은 호스들(610, 612)을 포함하는 호스들의 다발(608)을 더 포함한다. 호스(610)는 축적기(606)와 밸브(614) 간의 유압 커플링을 제공한다. 호스(612)는 밸브(616)와 저장부(604) 간의 유압 커플링을 제공한다.
로봇(600)은 밸브(614)로부터 액츄에이션 피스톤(128)까지 연장되는 호스(618) 및 액츄에이션 피스톤(128)으로부터 밸브(616)까지 연장되는 호스(620)를 더 포함한다. 호스들(610, 618) 및 밸브(614)는 액츄에이션 피스톤(128)까지의 전방 경로를 제공한다. 호스들(612, 620) 및 밸브(616)는 액츄에이션 피스톤(128)으로의 복귀 경로를 제공한다. 유압 동력 로봇(600)의 구현예에서, 펌프(602), 저장부(604), 및/또는 축적기(606)는 복수의 유압 제어 시스템들에 대해 공통의 것일 수 있다. 예를 들어, 펌프(602), 저장부(604), 및 축적기(606)는, 호스들의 다발(608)을 거쳐서 손(116b)의 작동을 유압식으로 제어하기 위하여, 그리고 복잡함(clutter)을 감소시키기 위하여 도 6 에 도시되지 않은 별도의 호스들의 다발을 거쳐서 손(116a)을 제어하기 위하여 활용될 수 있다.
도 7 에는, 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른, 로봇(700)의 아암(114b)과 통합되는 유압 펌프(702)을 구비한 유압 동력 로봇(700)의 예시적인 구현예의 개략도가 도시되어 있다. 도 1 의 로봇(100)의 콤포넌트들과 동일 또는 유사한 로봇(700)의 콤포넌트들은 동일한 참조번호로 표시된다.
로봇(700)은 유압 시스템의 콤포넌트들의 배분과, 유압 호스들이 액츄에이션 피스톤들(예컨데, 액츄에이션 피스톤(128))로 향하는 경로의 면에서 도 6 의 로봇(600)과 상이하다. 도 6 을 참조하여 설명된 바와 같이, 로봇(600)은 상체(110)로부터 손(116b)까지 외부로 연장되는 호스들의 다발(608)을 포함한다. 호스들의 다발(608)은 전술된 바와 같이 다수의 단점들을 가질 수 있다. 로봇(700)은 로봇 아암(114b) 내에 수용되는 유압 펌프(702), 저장부(704), 및 축적기(706)를 포함한다. 로봇 아암(114b) 내에 유압 펌프(702), 저장부(704), 및 축적기(706)를 수용함은, 외부에 있는 호스들의 다발을 제거한다는 장점을 갖는다.
로봇(700)은 호스들(708, 710)을 더 포함한다. 호스(708)는 축적기(706)와 압력 밸브(712) 간의 유압 커플링을 제공한다. 호스(710)는 배출 밸브(714)와 저장부(704) 간의 유압 커플링을 제공한다. 로봇(700)은, 압력 밸브(712)로부터 액츄에이션 피스톤(128)까지 연장되는 호스(716)와, 배출 밸브(714)로부터 액츄에이션 피스톤(128)까지 연장되는 호스(718)를 더 포함한다. 호스들(708, 716) 및 압력 밸브(712)는, 액츄에이션 피스톤(128)까지의 전방 경로를 제공한다. 호스들(710, 718) 및 배출 밸브(714)는 액츄에이션 피스톤(128)에 대한 복귀 경로를 제공한다.
도 8 에는, 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른, 로봇(800)의 아암(114b)과 통합된 매니폴드들(802, 804) 및 유압 폼프(702)를 구비한 유압 동력 로봇(800)의 다른 예시적인 구현예의 개략도가 도시되어 있다. 매니폴드들(802, 804)은 압력 매니폴드(802) 및 배출 매니폴드(804)를 포함한다. 도 7 의 로봇(700)의 콤포넌트들과 동일 또는 유사한 로봇(800)의 콤포넌트들은 동일한 참조번호로 표시된다.
로봇(800)은 무엇보다도, 축적기(706) 및 저장부(704)와 압력 밸브(712) 및 배출 밸브(714) 간의 호스들의 배치 면에서 도 7 의 로봇(700)과 상이하다. 로봇(800)은, 축적기(706)로부터 압력 매니폴드(802)까지 연장되는 호스(806)와, 배출 매니폴드(804)로부터 저장부(704)까지 연장되는 호스(808)를 포함한다. 복수의 액츄에이터들 및 이에 수반되는 복수의 압력 밸브 및 배출 밸브를 포함하는 구현예에서, 도 8 을 참조하여 전술된 구성은 압력 밸브 및 배출 밸브와 축적기 및 저장부 각각 사이에서 경로를 이루는 호스들의 갯수를 감소시킬 수 있다는 장점을 갖는다.
도 9 에는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른, 로봇의 전완(902), 손목(904), 및 손(906)에 있는 유압 시스템의 일부분의 예시적인 구현예의 개략도가 도시되어 있다. 손(906)은 손가락(908)을 포함한다.
전완(902)은 전완(902)과 통합되는 일 세트의 밸브(910)들을 포함한다. 밸브(910)들에는 밸브(910-1)가 포함된다 (도면의 명료성을 위하여 하나의 밸브에만 별도의 참조번호가 부여된다) . 밸브(910)들은 압력 밸브 및 배출 밸브를 포함할 수 있다. 밸브(910)들은 전기유압 서보 밸브들 및/또는 압번 밸브들을 포함할 수 있고, 이들은 (예컨데 도 4 의 제어기(422)와 같은) 제어기(도 9 에는 도시되지 않음)에 의하여 작동될 수 있다.
손가락(908)은 손가락(908)에 통합된 액츄에이션 피스톤(912)을 포함한다. 액츄에이션 피스톤(912)은 압력 호스(914) 및 배출 호스(916)를 거쳐서 밸브(910)들에 유압 커플링된다.
복수의 유압-고립된 유압 시스템들을 구비한 유압 동력 로봇
본 상세한 설명 및 청구범위에 걸쳐서, 두 개의 유압 시스템들이 유압 커플링되지 않은 경우에, 상기 두 개의 유압 시스템들은 서로로부터 "유압-고립"되었다고 일컬어진다. 예를 들어, 제2 유압 시스템의 유압 콤포넌트(들)과 유압 커플링된 제1 유압 시스템의 유압 콤포넌트(들)이 없다면, 제1 유압 시스템은 제2 유압 시스템로부터 유압-고립된 것이다. 일부 구현예에서, 유압-고립된 시스템들은 물리/기계적 연결요소들을 공유할 수 있고 그리고/또는 유압-고립된 시스템들 각각이 공통의 전력 공급원에 연결될 수 있다.
도 10 에는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법에 따른, 복수의 (즉, 적어도 두 개의) 유압-고립된 유압 시스템들을 구비한 유압 동력 로봇(1000)의 예시적인 구현예의 개략도가 도시되어 있다.
도 7 의 로봇(700)의 콤포넌트들과 동일 또는 유사한 로봇(1000)의 콤포넌트들은 동일한 참조번호로 표시된다.
로봇(1000)은 제1 유압 시스템으로부터 유압-고립된 제2 유압 시스템을 포함한다는 점에서, 도 7 의 로봇(700)과 상이하다. 제1 유압 시스템은 도 7 을 참조하여 전술되었다. 로봇(1000)의 제2 유압 시스템은 제2 유압 펌프(1002), 제2 저장부(1004), 및 제2 축적기(1006)를 포함한다. 다시 말하면, 제1 펌프(702), 제1 저장부(704), 및 제1 축적기(706)는 두 개의 손들(116a, 116b) 모두의 공통된 제어를 제공하지 않고, 그 대신에 제1 펌프(702), 제1 저장부(704), 및 제1 축적기(706)가 손(116b)의 제어를 제공하고, 제2 유압 펌프(1002), 제2 저장부(1004), 및 제2 축적기(1006)를 포함하는 유압-고립된 제2 유압 시스템이 손(116a)의 제어를 제공한다.
제2 유압 시스템은 압력 밸브(1008) 및 배출 밸브(1010)를 더 포함한다. 호스(1012)는 축적기(1006)를 압력 밸브(1008)의 제1 포트에 유압 커플링시키고, 호스(1014)는 압력 밸브(1008)의 제2 포트를 손(116a)에 있는 액츄에이션 피스톤(1016)에 유압 커플링시킨다. 호스(1018)는 액츄에이션 피스톤을 배출 밸브(1010)의 제1 포트에 유압 커플링시키고, 호스(1020)는 배출 밸브(1010)의 제2 포트를 저장부(1004)에 유압 커플링시킨다.
로봇(1000)의 제2 유압 시스템은 제1 유압 시스템으로부터 유압-고립된다. 제1 유압 시스템 및 제2 유압 시스템은 각각 개별적인 유압 펌프(702, 1002)를 구비한다.
도 10 에 도시된 복수의 유압 시스템들을 구비한 유압 동력 로봇의 예시적인 구현예는 단지 두 개의 유압 시스템을 포함하지만, 통상의 기술자는 복수의 유압 시스템을 구비한 유압 동력 로봇에는 2보다 큰 갯수의 유압 시스템을 포함하는 유압 동력 로봇이 포함된다는 점을 이해할 것이다. 일부 구현예에서, 상기 둘 초과의 유압 시스템들 중 적어도 일부가 유압-고립될 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 둘 초과의 유압 시스템들 중 적어도 일부가 공통 유압 펌프를 공유할 수 있다.
유압 동력 로봇(예컨데 도 10 의 로봇(1000))이 복수의 이산(discrete)되고 유압-고립된 유압 시스템들을 구비함이 유리할 수 있다. 예를 들어, 유압 동력 로봇은 유압 액츄에이터들을 포함하는 복수이 콤포넌트들 또는 장치들을 구비할 수 있다. 복수의 콤포넌트들 또는 장치들의 유압 액츄에이터를 제어하기 위하여 작동가능한 단일이 유압 시스템은 실용적 구현을 위해서는 너무 대형이거나, 복잡하거나, 또는 고가일 수 있다. 예를 들어, 단일의 공유된 펌프로부터 로봇의 다양한 영역들에 위치한 복수의 콤포넌트들 또는 장치들로 유압 호스들의 경로를 설정함은, 특히 전술된 바와 같이 바람직하지 못한 외부의 튜브 다발을 채택하지 않고서는, 어려울 수 있다. 단일의 유압으로 작동되는 콤포넌트 또는 장치에 대해 전용인 개별의 이산된 유압 시스템, 또는 복수의 유압으로 작동되는 콤포넌트들 또는 장치들의 개별 하위세트에 대해 각각 전용인 유압 시스템은, 보다 국부화(localize)될 수 있으며 또한 로봇과 보다 우수하게 통합될 수 있는바, 예를 들어 요망되는 폼 팩터 내에 맞도록 용이하게 적합화될 수 있다.
여기에서 설명되는 시스템, 장치, 및 방법의 다양한 구현예들은 유압 시스템의 소형화를 용이하게 하고 그리고/또는 휴머노이드 폼 팩터에 유압 시스템들을 통합시킴을 가능하게 하는 기술을 채택할 수 있다. 그러한 기술의 예들은, 2021.06.07. 자로 출원되고 발명의 명칭이 "테이퍼진 유압 호스, 이를 제작하는 방법, 및 이것의 로봇 시스템에 대한 적용"인 미국 특허 가출원 제63/197,653호; 2021.07.12.자로 출원되고 발명의 명칭이 "유압 장치, 및 이것의 로봇 시스템에 대한 적용"인 미국 특허 가출원 제63/220,584호; 2021.07.19.자로 출원되고 발명의 명칭이 "유압 장치, 및 이것의 로봇 시스템에 대한 적용"인 미국 특허 가출원 제63/223,335호; 2021.07.23.자로 출원되고 발명의 명칭이 "나선 유압 호스 구조"인 미국 특허 가출원 제63/224,910호; 및 2021.10.28.자로 출원되고 발명의 명칭이 "유압 밸브 및 이것의 로봇 시스템에 대한 적용"인 미국 특허 가출원 제63/273,104호에 개시되어 있는바, 이들은 그 전체가 참조로서 여기에 포함된다.
본 상세한 설명 및 청구범위에서, "유압 동력 로봇"이라는 용어는, 유압에 의하여 동력을 제공받거나 제어되는 작동을 수행하는 적어도 하나의 물리적으로 작동가능한 콤포넌트를 구비한 로봇에 대해 설명하는데 사용된다. 명시적으로 달리 기재되지 않은 한, 여기에서 설명되는 유압 동력 로봇은 하나 이상의 작동가능한 콤포넌트를 위한 유압 장치에 추가하여 또는 이에 대해 대안적으로 다른 (즉, 유압 방식이 아닌) 제어 메카니즘을 포함할 수 있다.
본 상세한 설명 및 청구범위에서 동사 원형 형태가 종종 사용된다. 그 예에는, "제공하다", "제어하다", 등이 포함되지만 이에 국한되지는 않는다. 명시적으로 달리 기재되지 않은한, 이러한 동사 원형 형태는 개방적이고 포괄적인 의미로서 사용되는바, 즉, "적어도 제공하다", "적어도 제어하다", 등의 의미로 사용된다.
본 발명의 시스템, 장치, 및 방법은 2021.05.21.자로 출원되고 발명의 명칭이 "유압 로봇 아암용 시스템, 장치, 및 방법"인 미국 특허 가출원 제63/191,732호에 기초한 우선권주장을 수반하는바, 이 문헌은 그 전체가 참조로서 여기에 포함된다.
본원의 상세한 설명, 도면들, 및 요약서는 본 발명의 시스템, 장치, 및 방법의 구현예들 및 실시예들 모두를 제한하도록 의도된 것이 아니다. 통상의 기술자는 여기에서 제공되는 다양한 설명 및 도면들이 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고서 변형될 수 있다는 점을 이해할 것이다. 특히, 여기에서의 설명은 여기에서 제공되는 로봇 시스템 및 유압 회로의 예시적 예들에 의하여 또는 그 예들로 제한되도록 의도된 것이 아니다.
본 발명의 청구범위는 아래에 첨부되어 있다. 본 상세한 설명은 청구범위를 뒷받침하고 예시하기 위하여 의도된 것이고, 청구범위에 기재된 발명의 범위를 어떤 특정의 실시예 또는 구현예에 국한시키도록 의도된 것이 아니다. 일반적으로, 청구범위는 청구항에 기재된 발명의 균등 범위와 함께 모든 가능한 실시예 및 구현예를 포괄하는 것으로 고려되어야 한다.
Claims (20)
- 몸체;
상기 몸체에 물리적으로 연결되고, 제1 단부 조작기(first end effector)를 포함하는, 제1 로봇 아암(first robotic arm); 및
복수의 제1 유압 콤포넌트(hydraulic component)들을 포함하고, 제1 단부 조작기를 제어하기 위하여 작동가능한 제1 유압 시스템으로서, 상기 복수의 제1 유압 콤포넌트들이 제1 로봇 아암에 통합되는, 제1 유압 시스템;을 포함하는, 로봇. - 제1항에 있어서,
상기 로봇은:
상기 몸체에 물리적으로 연결되고, 제2 단부 조작기를 포함하는, 제2 로봇 아암; 및
복수의 제2 유압 콤포넌트들을 포함하고, 상기 제2 단부 조작기를 제어하도록 작동가능하며, 제1 유압 시스템으로부터 유압-고립되는, 제2 유압 시스템으로서, 상기 복수의 제2 유압 콤포넌트들이 제2 로봇 아암에 통합되는, 제2 유압 시스템;을 더 포함하는, 로봇. - 제1항에 있어서,
상기 로봇은:
상기 몸체에 물리적으로 연결되고, 제2 단부 조작기를 포함하는, 제2 로봇 아암; 및
복수의 제2 유압 콤포넌트들을 포함하고, 상기 제2 단부 조작기를 제어하도록 작동가능하며, 제1 유압 시스템과 함께 공통 유압 펌프를 공유하는, 제2 유압 시스템으로서, 상기 복수의 제2 유압 콤포넌트들이 제2 로봇 아암에 통합되는, 제2 유압 시스템;을 더 포함하는, 로봇. - 제3항에 있어서,
상기 공통 유압 펌프는 상기 로봇에 통합되는, 로봇. - 제1항에 있어서,
상기 제1 유압 시스템은 상기 제1 단부 조작기와 통합되는 적어도 하나의 액츄에이터(actuator)를 포함하고, 상기 제1 유압 시스템은 상기 적어도 하나의 액츄에이터에 의해 상기 제1 단부 조작기를 제어하도록 작동가능한, 로봇. - 제5항에 있어서,
상기 제1 단부 조작기는 손(hand)이고, 상기 손은 복수의 손가락(digit)들을 포함하며, 상기 복수의 손가락들 중 각 손가락은 상기 적어도 하나의 액츄에이터 중 적어도 하나의 개별적 액츄에이터를 포함하는, 로봇. - 제6항에 있어서,
상기 복수의 손가락들 중 각 손가락은 상기 적어도 하나의 액츄에이터 중 복수의 개별적 액츄에이터들을 포함하는, 로봇. - 제6항에 있어서,
상기 적어도 하나의 액츄에이터 각각은 개별적 자유도(degree of freedom)를 제공하는, 로봇. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 제1 유압 콤포넌트들은 상기 제1 로봇 아암의 내부에 위치하는, 로봇. - 제9항에 있어서,
상기 제1 로봇 아암은 휴머노이드 아암인, 로봇. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 제1 유압 콤포넌트들 중 적어도 하나의 유압 콤포넌트는 상기 제1 로봇 아암의 외부 표면에 장착되는, 로봇. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 제1 유압 콤포넌트들은:
모터;
각각이 상기 모터에 기계적으로 연결되는 복수의 구동 피스톤들;
일 세트의 액츄에이터들로서, 각각의 액츄에이터는 액츄에이션 피스톤(actuation piston)을 포함하고, 각각의 액츄에이션 피스톤은 상기 제1 단부 조작기의 개별적 작동을 구동하기 위하여 작동가능한, 일 세트의 액츄에이터들; 및
복수의 호스(hose)들로서, 상기 복수의 호스들 중 각 호스는 개별적 체적의 유압 유체(hydraulic fluid)를 담고, 각 호스는 개별의 제1 단부에서 개별의 구동 피스톤에 유압 커플링(hydraulical coupling)되며 또한 개별의 제2 단부에서 개별의 액츄에이션 피스톤에 유압 커플링되는, 복수의 호스들;을 포함하는, 로봇. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 제1 유압 콤포넌트들은:
유압 펌프(hydraulic pump);
유압 유체의 제1 부분 체적을 저장하기 위한 저장부(reservoir)로서, 상기 유압 펌프의 유입부에 유압 커플링되고, 또한 상기 유압 펌프의 유입부에 양압(positive pressure)을 제공하도록 구성되는, 저장부;
유압 유체의 제2 부분 체적을 압력 하에 유지하기 위한 축적기(accumulator)로서, 상기 유압 펌프의 유출부에 유압 커플링되는, 축적기;
일 세트의 액츄에이터들로서, 각 액츄에이터는 액츄에이션 피스톤을 포함하고, 각 액츄에이터 피스톤은 상기 제1 단부 조작기의 개별적 작동을 구동하도록 작동가능한, 일 세트의 액츄에이터들;
복수의 호스들로서, 복수의 호스들 중 각 호스는 유압 유체의 개별적 체적을 담고 있는, 복수의 호스들;
복수의 압력 밸브(pressure valve)들로서, 각 압력 밸브는 상기 복수의 호스들 중 개별의 적어도 하나의 제1 호스를 거쳐서 개별의 액츄에이션 피스톤에 대한 상기 축적기의 유압 커플링을 제어하도록 작동가능한, 복수의 압력 밸브들; 및
복수의 배출 밸브(exhaust valve)들로서, 각 배출 밸브는 상기 복수의 호스들 중 개별의 적어도 하나의 제2 호스를 거쳐서 상기 저장부에 대한 상기 개별의 액츄에이션 피스톤의 유압 커플링을 제어하도록 작동가능한, 복수의 배출 밸브들;을 포함하는, 로봇. - 제13항에 있어서,
상기 복수의 압력 밸브들은 적어도 하나의 전기유압 서보 압력 밸브(electrohydraulic servo pressure valve)를 포함하고, 각각의 전기유압 서보 압력 밸브는 상기 개별의 액츄에이션 피스톤에 대한 상기 축적기의 유압 커플링을 제어하도록 작동가능하며,
상기 복수의 배출 밸브들은 적어도 하나의 전기유압 서보 배출 밸브를 포함하고, 각각의 전기유압 서보 배출 밸브는 상기 저장부에 대한 상기 개별의 액츄에이션 피스톤의 유압 커플링을 제어하도록 작동가능한, 로봇. - 제14항에 있어서,
상기 로봇은 제어기(controller)를 더 포함하고, 상기 제어기는 상기 적어도 하나의 전기유압 서보 압력 밸브와 상기 적어도 하나의 전기유압 서보 배출 밸브를 개폐시키도록 작동가능한, 로봇. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 제1 유압 콤포넌트들은:
유압 펌프;
제1 호스에 의하여 상기 유압 펌프의 유입부에 유압 커플링되는 저장부;
제2 호스에 의하여 상기 유압 펌프의 유출부에 유압 커플링되는 축적기;
제3 호스에 의하여 상기 축적기에 유압 커플링되는 제1 포트를 구비한 제1 압력 밸브;
제4 호스에 의하여 상기 제1 압력 밸브의 제2 포트에 유압 커플링되는 액츄에이터; 및
제5 호스에 의하여 상기 액츄에이터에 유압 커플링되는 제1 포트 및 제6 호스에 의하여 상기 저장부에 유압 커플링되는 제2 포트를 구비한 제1 배출 밸브;를 포함하고,
상기 유압 펌프, 저장부, 축적기, 제1 압력 밸브, 제1 배출 밸브, 액츄에이터, 및 제1, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6 호스는 유압 회로(hydraulic circuit)를 형성하는, 로봇. - 제16항에 있어서,
제1, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6 호스 각각의 개별의 외경(outer diameter)은 1/16 in.와 같거나 1/16 in.보다 작은, 로봇. - 제16항에 있어서,
상기 액츄에이터는 단일의 액츄에이션 피스톤을 포함하는, 로봇. - 제16항에 있어서,
상기 복수의 제1 유압 콤포넌트들은:
제7 호스에 의하여 상기 축적기에 유압 커플링되는 제1 포트 및 제8 호스에 의하여 상기 액츄에이터에 유압 커플링되는 제2 포트를 구비한 제2 압력 밸브; 및
제9 호스에 의하여 상기 액츄에이터에 유압 커플링되는 제1 포트 및 제10 호스에 의하여 상기 저장부에 유압 커플링되는 제2 포트를 구비한 제2 배출 밸브;를 포함하고,
상기 액츄에이터는 이중 액츄에이션 피스톤(double actuation piston)을 포함하여, 상기 액츄에이터가 이중 작용(double-acting)을 하는, 로봇. - 제16항에 있어서,
상기 제1 압력 밸브의 제1 포트는 압력 매니폴드(pressure manifold)를 거쳐서 제3 호스에 의하여 상기 축적기에 유압 커플링되고, 상기 제1 배출 밸브의 제2 포트는 배출 매니폴드(exhaust manifold)를 거쳐서 제10 호스에 의하여 상기 저장부에 유압 커플링되는, 로봇.
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