KR20160114613A

KR20160114613A - 로봇의 핑거를 위한 직결 구동형 모터

Info

Publication number: KR20160114613A
Application number: KR1020167020995A
Authority: KR
Inventors: 에드워드 에이 네프; 토안 엠 부; 데이비드 디 후앙; 나오유키 오카다; 앤드류 글레도치
Original assignee: 시스템즈, 머시인즈, 오토메이션 컴포넌츠, 코포레이션
Priority date: 2014-01-31
Filing date: 2015-02-02
Publication date: 2016-10-05
Also published as: US9871435B2; JP2017505099A; WO2015117095A1; JP2020124106A; CN105981264A; JP2019068737A; DE112015000593T5; US20150303785A1; CN105981264B

Abstract

로봇의 핑거를 위한 직결 구동형 모터가 제공된다. 직결 구동형 모터는 복수의 외부 자석들 및 상기 복수의 외부 자석들에 의해 둘러싸이는 복수의 코일들을 포함하는 코일 어셈블리를 포함한다. 복수의 코일들은 전류가 그것들을 통해 전도될 때 자기장을 생성하도록 구성되어 코일 어셈블리는 복수의 외부 자석들에 대해 회전한다. 직결 구동형 모터는 복수의 코일들에 둘러싸인 복수의 내부 자석들 및 상기 복수의 내부 자석들 코어 요소를 추가로 포함한다. 센터 회전 샤프트는 코어 요소에 의해 한정되는 내부 공간 내에 위치된다.

Description

로봇의 핑거를 위한 직결 구동형 모터{DIRECT DRIVE MOTOR FOR ROBOTIC FINGER}

본 출원은 2014 년 1 월 31 일에 제출된 발명의 명칭이 DIRECT DRIVE MOTOR FOR ROBOTIC FINGER 인 U.S. 가출원 특허 No. 61/934,628 에 35 U.S.C. 119(e) 하에서 우선권을 주장한다. 본 출원은 2013 년 6 월 25 일에 제출된 발명의 명칭이 ROBOTIC FINGER 인 U.S. 미국 연속 출원 No. 13/927,076 에 관한 것이다. 앞선의 출원들의 각각의 내용은 모든 목적을 위해 그 전체가 참조로 특별히 본원에서 원용된다.

본 개시는 일반적으로 인공 기관들, 및 보다 구체적으로 로봇의 핑거를 위한 모터에 관한 것이다.

오늘날 작업장에서 인간의 손길들을 동반하는 많은 태스크들이 존재한다. 몇몇 태스크들은 매우 반복적이고 수근관 (carpal tunnel) 문제점들을 발생시킨다. 다른 태스크들은 해로운 환경들에서 행해진다. 여전히 다른 태스크들은 극도로 정확한 운동들을 요하고 점진적으로 인간들의 능력을 넘게 된다. 인공 기관 디바이스들은 상기 분야에서 인간의 손들을 대체하는 데 사용될 수 있다.

일 양상에서 본 개시는 로봇의 핑거를 위한 직결 구동형 모터에 관한 것이다. 모터는 복수의 회전형 구성 요소들 및 복수의 비회전형 구성 요소들를 포함할 수 있다. 복수의 회전형 구성 요소들은 복수의 코일들에 의해 한정되는 센터 회전 샤프트를 포함한다. 복수의 비회전형 구성 요소들은 복수의 코일들 주위에 위치되는 복수의 외부 자석들을 포함한다. 직결 구동형 모터는 복수의 회전형 구성 요소들 및 비회전형 구성 요소들의 하나들로부터 형성된 이중 자기 회로를 추가로 포함한다. 이중 자기 회로는 외부 회로 및 내부 회로를 포함하고 외부 회로는 적어도 복수의 외부 자석들 및 복수의 코일들을 포함하고 내부 회로는 적어도 복수의 코일들 및 센터 회전 샤프트를 포함한다.

또 다른 양상에서 로봇의 핑거를 위한 직결 구동형 모터는 환형 구성으로 배열된 복수의 외부 자석들을 포함할 수 있다. 직결 구동형 모터는 복수의 외부 자석들에 의해 둘러싸여진 복수의 코일들을 포함하는 코일 어셈블리를 추가로 포함할 수 있고, 코일 어셈블리는 복수의 외부 자석들에 대해 회전하도록 배치된다. 복수의 코일들은 환형 구성으로 배열되고 전류가 그것들을 통해 전도될 때에 자기장을 생성할 수 있다. 직결 구동형 모터는 또한 복수의 코일들에 의해 둘러싸여진 복수의 내부 자석들을 포함할 수 있다. 코어 요소는 복수의 내부 자석들에 의해 둘러싸여질 수 있다. 센터 회전 샤프트는 코어 요소에 의해 한정된 내부 공간 내에 위치될 수 있다.

본 개시의 특징들, 성질 및 이점들은 도면들과 함께 취해진 아래에 개시된 상세한 설명으로부터 보다 명백해 질 것이고 도면에서 유사한 특징들은 상응하게 전체에 걸쳐 동일하다.

도 1a 는 본 개시에 따른 직결 구동형 모터의 사시도를 예시한다.
도 1b 는 본 개시에 따른 위치 피드백을 제공하기 위한 리니어 인코더가 구비된 직결 구동형 모터의 사시도를 예시한다.
도 2a 는 리니어 인코더가 구비된 직결 구동형 모터의 단부도를 제공한다.
도 2b 는 도 2a 의 직결 구동형 모터의 측면도를 제공한다.
도 2c 는 도 2a 의 직결 구동형 모터의 단면도를 제공한다.
도 3 은 본 개시에 따른 직결 구동형 모터의 회전형 구성 요소들 및 비회전형 구성 요소들의 부분적인 분해도를 제공한다.
도 4 는 본 개시에 따른 직결 구동형 모터들의 세트를 포함하는 로봇의 핑거의 사시도를 예시한다.
도 5 는 직결 구동형 모터 및 연관된 제어기의 예시적인 배열의 블록도이다.
도 6a 는 원하는 범위 내로 모터의 회전하는 구성 요소들의 회전을 제한하도록 구성된 회전-제한 요소들을 포함하는 직결 구동형 모터를 부분적인 분해도로 제공한다.
도 6b 는 도 6a 의 직결 구동형 모터의 조립도를 제공한다.

예시적인 실시형태들의 다음의 설명에서, 본 발명이 실시될 수 있는 구체적인 실시형태들의 예시에 의해 도시되고 그 일부를 형성하는 첨부된 도면들이 참조된다. 다른 실시형태들이 사용될 수 있고 구조적 변경들이 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 행해질 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

용어 "예시적인" 은 "예 또는 예시로서 사용됨" 을 의미하도록 본원에서 사용된다. "예시적인" 으로서 본원에서 설명된 임의의 양상 또는 구성은 반드시 다른 양상들 또는 구성들에 비해 바람직하나 또는 유리한 바와 같이 해석될 필요는 없다.

본원에 개시된 프로세스들에서 단계들의 구체적인 순서 또는 체계는 예시적인 접근법들의 예라는 것이 이해되어야만 한다. 구성의 선호도들에 기초하여, 프로세스들의 단계들의 구체적인 순서 또는 체계가 본 개시의 범위 내에 있으면서 재정렬될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

지금부터 주제물에 대한 기술의 양상이 상세하게 참조될 것이고, 그 예들은 첨부된 도면들에서 예시되고, 유사한 도면 부호는 전체에 걸쳐 유사한 요소를 나타낸다.

본원에는 예를 들면, 로봇의 핑거 조인트를 위한 서보 직결 구동형 모터로서 작동하게 되는 모터의 실시형태들이 개시된다. 모터의 실시형태들은 유리하게 상대적으로 작은 패키지 사이즈 (예를 들면, 직경이 20 내지 30 mm) 로 높은 토크 출력을 제공한다. 뿐만 아니라, 모터의 실시형태들은 상대적으로 낮은 전류의 흐름 (current draw) 을 이끌고 이로써 오버히팅을 완화시킨다.

본원에 개시된 모터는 인간의 핑거들의 모션의 범위를 모방하도록 구성된 로봇의 핑거들과 관련하여 사용될 수 있다. 인간의 핑거는 세개의 조인트들을 포함하고, 그 중 두개는 거의 90 도의 최대 범위에 걸쳐 이동하는 한편 3번째 조인트는 거의 30 도의 범위를 통해 이동할 수 있다.

일 실시형태에서, 모터의 구성은 모터가 인간의 핑거의 거동을 흉내내도록 완전한 360 도의 턴들을 통해 진행될 필요없고; 오히려, 90 또는 30 도의 턴들이 충분할 수 있다는 것을 고려해야 한다.

따라서, 일 실시형태에서 모터는 부분적으로 이동하는-코일 로터리 모터를 포함한다. 부분적으로 이동하는 로터리 모터는 유리하게 경량의 이동하는 질량을 가짐으로써, 빠른 반응 및 낮은 전류의 흐름을 용이하게 하도록 구성될 수 있다.

지금부터 도면들로 돌아가면, 도 1a 는 본 개시에 따른 직결 구동형 모터 (100A) 의 사시도를 예시한다. 도 1a 에 도시된 바와 같이, 직결 구동형 모터 (100A) 는 보빈 (104) 및 센터 회전 샤프트 (108) 을 포함할 수 있다. 모터 (100A) 는 복수의 외부 자석들 (116) 을 둘러싸는 모터 하우징 (112) 을 추가로 포함한다. 구동형 모터 (100A) 의 작동 중에, 복수의 코일들 (120) 을 포함하는 이중 자기 회로 (아래에 설명됨) 은 보빈 (104) 및 센터 회전 샤프트 (108) 를 포함하는 복수의 회전형 구성 요소들이 종축 (A) 을 중심으로 회전하게 한다. 모터 하우징 (112), 복수의 외부 자석들 (116) 및 백 플레이트 지지부 (114) 는 구동형 모터 (100A) 의 작동 중에 회전하지 않는다.

도 1b 는 본 개시에 따른 위치 피드백을 제공하기 위한 리니어 인코더가 구비된 직결 구동형 모터 (100B) 의 사시도를 예시한다. 일 실시형태에서 직결 구동형 모터 (100B) 는 직결 구동형 모터 (100A) 와 실질적으로 동일하지만 리니어 인코더 피드백 스케일 (154) 및 리니어 피드백 스케일 판독 헤드 (158) 를 갖는 리니어 인코더 어셈블리 (150) 를 추가로 포함한다. 리니어 인코더 피드백 스케일 (154) 은 리니어 스케일 지지부 (162) 에 의해 지지된다. 아래에 추가로 논의되는 바와 같이, 판독 헤드 (158) 는 외부 연산 요소 또는 디바이스 (도시 생략) 에 직결 구동형 모터 (100B) 의 복수의 회전형 구성 요소들의 회전에 관한 위치 피드백 정보를 제공한다.

도 2a, 도 2b 및 도 2c 는 도 1b 의 직결 구동형 모터 (100B) 의 단부도, 측면도 및 단면도를 각각 제공한다.

지금부터 본 개시에 따른 위치 피드백 정보를 제공하기 위한 리니어 인코더 어셈블리를 포함하는 직결 구동형 모터 (300) 의 부분적인 분해도를 제공하는 도 3 에 주목한다. 특히, 직결 구동형 모터 (300) 는 복수의 회전형 구성 요소들 (304) 및 복수의 비회전형 구성 요소들 (308) 을 포함한다. 특정한 실시에서 복수의 회전형 구성 요소들 (304) 은 환형 구조를 형성하도록 배열된 9 개의 코일들 (312) 의 세트를 포함한다. 다른 실시들에서 상이한 수의 코일들 (312) 이 사용될 수 있다 (예를 들면, 6 개, 12 개 또는 18 개의 코일들). 이들 코일들 (312) 은 40 도의 피치를 갖는 브러시없는 DC 코일들과 유사하게 작동할 수 있다. 다른 실시형태들에서 코일들은 플랫형 와이어로 구성될 수 있다. 다른 양들이 또한 9개의 시리즈 코일들 (series 9 coils) 또는 3 개의 패러랠 코일들 (parallel 3 coils) 과 같이 사용될 수 있다는 것에 주목하라. 코일들은 Y 형으로 그리고 시리즈로 와이어링될 수 있다. 일 실시형태에서 코일들은 실질적으로 직사각형이고 30 Ohm 의 총 저항 및 18.8mm 의 어셈블리 직경으로 되는 반경을 갖도록 몰딩된다. 코일들 (312) 은 단말 플레이트 (316) 에 부착된다. 예를 들면, 코일들 (312) 은 단말 플레이트 (316) 에 글루잉될 수 있거나 또는 몰딩된 구조 (도시 생략) 는 코일들 (312) 을 수용하도록 단말 플레이트 (316) 에 포함될 수 있다.

도 3 에 도시된 바와 같이, 복수의 비회전형 구성 요소들은 복수의 내부 자석들 (328) 및 스틸 코어 (332) 를 포함한다. 센터 회전 샤프트 (108) 를 한정하도록 치수 설정된 원통형 슬리브 (340) 는 스틸 코어 (332) 에 의해 둘러싸인다. 일 실시형태에서 복수의 비회전형 구성 요소들 (308) 은 비회전형 구성 요소들 (308) 의 나머지를 적절히 안내하고 센터링하기 위한 복수의 원형 채널들로 구성된 백 플레이트 (350) 를 포함한다.

직결 구동형 모터 (300) 의 작동 중에, 전류는 코일들 (312) 을 통해 도입됨으로써 전류가 코일들 (312) 을 통해 흐르는 방향에 종속된 방향을 갖는 자기장을 생성한다. 자기장의 규모는 전도성 재료를 통해 전도되는 암페어 및 각각의 코일과 연관된 턴들의 수에 상응한다. 변경하는 사양들을 갖는 임의의 타입의 전도성 재료가 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 코일들 (312) 은 전기 및 기계 기술 분야에서 공지된 임의의 방식으로 함께 연결되고 그리고/또는 전력원에 전기적으로 연결될 수 있다는 것이 추가로 이해되어야 한다.

외부 자석들 (116) 은 도 3 에 도시된 바와 같은 만곡된 횡단면을 갖는 예를 들면, 실질적으로 직사각형일 수 있고, 모터 하우징 (112) 의 내부 벽에 커플링될 수 있다. 예를 들면, 외부 자석들 (116) 은 다양한 접착제들 그리고/또는 나사들로 제조 중에 모터 하우징 (112) 에 커플링될 수 있다. 외부 자석들 (116) 은 자기장이 코일들 (312) 에 존재할 때에 회전형 구성 요소들 (304) 과 자기적으로 인터페이싱하게 될 수 있다. 따라서, 전류가 코일들 (312) 을 통해 흐르는 방향을 반복적으로 교호함으로써, 회전력은 회전형 구성 요소들 (304) 에 반복적으로 부여되고 따라서 구성 요소들 (304) 을 종축 (A) 을 중심으로 회전시킨다.

상기 주목된 바와 같이, 리니어 인코더 어셈블리 (150) 는 리니어 인코더 피드백 스케일 (154) 및 리니어 피드백 스케일 판독 헤드 (158) 를 포함한다. 리니어 인코더 피드백 스케일 (154) 은 리니어 스케일 지지부 (162) 에 의해 지지된다. 리니어 인코더 어셈블리 (150) 는 또한 예를 들면, 제어기 (예를 들면 원격 컴퓨터) 에 위치적 리니어 피드백을 나타내기 위해 리니어 인코더 피드백 스케일 (154) 과 함께 피드백 회로망 (도시 생략) 을 포함할 수 있다. 리니어 피드백 스케일 판독 헤드 (158) (예를 들면, 센서, 변환기 등) 는 위치를 인코딩할 수 있는 리니어 인코더 피드백 스케일 (154) 과 쌍을 이룰 수 있다. 리니어 피드백 스케일 판독 헤드 (158) 는 리니어 인코더 피드백 스케일 (154) 을 판독하고 아날로그 또는 디지탈 신호로 인코딩된 위치를 변환할 수 있다. 이는 차례로 그 후 디지탈 판독 (DRO) 또는 모션 제어기 (도 1-도 3 에서 도시 생략) 에 의해 위치 데이터로 디코딩될 수 있다. 리니어 인코더 어셈블리 (150) 는 증분 또는 절대 모드들로 작용할 수 있다. 모션은 예를 들면, 시간에 따른 위치에서의 변경에 의해 결정될 수 있다. 리니어 인코더 기술들은 예를 들면, 광학적, 자기성, 유도성, 용량성 및 와류 전류를 포함할 수 있다. 광학적 리니어 인코더들은 높은 분해능 (resolution) 마켓 (예를 들면, 반도체 산업 마켓 그리고/또는 바이오 기술 산업 마켓) 에서 공통적이고 셔터링/무아레 (shuttering/Moire), 회절 또는 홀로그래픽 원리들을 채용할 수 있다. 전형적인 증분 스케일 주기들은 몇백 마이크로미터로부터 서브-마이크로미터 아래까지 변할 수 있고, 다음의 보간법은 1 ㎚ 정도의 미세한 분해능들을 제공할 수 있다. 리니어 인코더 어셈블리 (150) 는, 예를 들면 5 미크론 내지 50 ㎚ 의 범위의 분해능을 가질 수 있다. 다른 실시형태들에서, 보다 미세한 분해능 인코더들은 또한, 예를 들면 최대 1 ㎚ 까지의 분해능들을 제공하도록 통합될 수 있다.

리니어 인코더 피드백 스케일 (154) 은 리니어 인코더 피드백 스케일 (154) 의 길이를 따라 진행하는 스트라이프들 및 마킹들의 시리즈를 포함할 수 있다. 직결 구동형 모터 (100B/300) 의 작동 중에, 리니어 피드백 스케일 판독 헤드 (158) (예를 들면, 광학적 판독기) 는 비회전형 구성 요소들 (308) 에 대해 회전형 구성 요소들 (304) 의 현재 위치를 결정하도록 판독된 스트라이프들 또는 마킹들의 수를 카운팅할 수 있다. 몇몇 경우들에서, 레코딩된 위치적 데이터는 모니터링 목적을 위해 원격 디바이스로 전송될 수 있다. 몇몇 경우들에서, 유저는 특정한 태스크를 위해 요구되는 회전의 양을 나타내도록 원격 디바이스 (예를 들면 연결형 컴퓨터) 에 하나 이상의 값들을 입력할 수 있다. 이들 값들은 그 후 리니어 인코더 어셈블리 (150) 와 전기 소통으로 제어기 (도 1-도 3 에서 도시 생략) 로 전송될 수 있어서 복수의 회전형 구성 요소들 (304) 의 상대 회전은 특정된 값들에 따라 조정될 수 있다. 직결 구동형 모터 (100/300) 는 임의의 수의 전기 연결부들을 포함할 수 있고 임의의 수의 전자 제어 시퀀스들을 포함할 수 있다. 추가로, 다른 실시형태들에서, 직결 구동형 모터 (100/300) 는 전기 기술 분야들에서 공지된 임의의 수의 온 보드 (on-borad) 디지탈 제어 그리고/또는 아날로그 회로망을 포함할 수 있다.

도 3 을 다시 참조하면, 직결 구동형 모터의 실시형태들은 보다 높은 토크를 얻도록 이중 자기 회로를 이용할 수 있다. 특히, 외부 자석들 (320), 모터의 스틸 하우징 (324), 및 코일들 (312) 은 제 1 회로를 형성한다. 코일들 (312), 내부 자석들 (328) 및 센터 회전 샤프트 (108) 는 제 2 회로를 형성한다. 이러한 배열은 단지 단일한 "외부" 회로만을 채용하는 표준 브러시없는 모터들에 의해 제공될 수 있는 것보다 실질적으로 더 큰 토크를 제공한다고 여겨진다.

예로서, 이러한 배열을 이용하도록 개발된 유닛은 26 mm 의 직경을 갖고 0.13 Nm 의 토크를 생성한다. 이는 차례로 모터의 센터로부터 30 mm 에서, 6.5N 의 합력 (2 amps 피크 및 48 VDC 에서) 을 산출한다. 이는 제 3 조인트로부터 동일한 거리에서 전형적인 인간의 핑거에 의해 생성될 수 있는 8 내지 10 N 의 힘에 상당하지만 그보다 약간 작다.

도 6 을 참조하여 아래에 논의된 바와 같이, 직결 구동형 모터의 실시형태들은 회전 A (도 1a) 의 축선을 중심으로 원하는 정도 (예를 들면, +/- 90 도) 로 회전하는 구성 요소들 (304) 의 회전을 제한하도록 배치된 다양한 회전-제한 요소들을 포함할 수 있다.

Halbach 자석 구성을 채용한 직결 구동형 모터의 실시형태들이 시뮬레이팅되고 테스팅되었다. 이는 다른 실시형태들에 대해 거의 30% 만큼 토크를 증가시킬 수 있고 따라서 8.45N 으로 생성된 힘을 증가시킬 수 있다. 따라서, 그러한 실시형태들는 인간의 핑거들에 의해 생성된 것들과 유사한 힘들의 작용을 요구하는 적용예들에 적합할 수 있다. 이러한 타입의 예시적인 실시형태들에서 코일 갭들은 0.15 mm 일 수 있다.

본원에 설명된 모터들은 인간에 가까운 능력들을 제공하는 로봇의 조인트 구동부들로서 사용될 수 있다. 직결 구동부의 사용은 유리하게 모터가 외부 힘들에 대해 상대적으로 순응하게 만든다; 즉 모터는 외측 힘들이 적용될 때에 자유롭게 이동할 것이다. 이는 그러한 외부 힘의 적용 시에 로크 업 (lock up) 되고 손상받을 수 있는 기어형 모터들의 전형적인 거동들과 대조된다.

지금부터, 본 개시의 또 다른 양상에 따른 직결 구동형 모터들의 세트를 포함하는 로봇의 핑거 (400) 의 사시도를 예시하는 도 4 를 참조한다. 로봇의 핑거 (400) 는 운동의 세개의 축선들 - 축선 1, 축선 2, 및 축선 3 을 포함한다. 도시된 바와 같이, 로봇의 핑거 (400) 는 축선 1, 즉 직결 구동형 모터 (410'), 축선 2, 즉 직결 구동형 모터 (410") 및 축선 3, 즉 직결 구동형 모터 (410''') 를 포함한다. 축선 1, 축선 2, 및 축선 3 이 각각 ±15 도, ±45 도, 및 ±45 도의 범위들을 제공하는 바와 같이 예시되지만, 직결 구동형 모터들 (410) 의 다른 변형예들은 상이한 범위들을 가질 수 있다. 직결 구동형 모터들 (410) 은 예를 들면 직결 구동형 모터 (100A 또는 100B) 와 실질적으로 동일하도록 실시될 수 있지만, 로봇의 핑거 (400) 에 의해 요구되는 특정한 범위들의 모션을 실행하도록 예시된 방식으로 구성된다. 특히, 축선 1 의 모터 (410') 는 축선 1 을 중심으로 ±15 도에 걸쳐 제 1 세장형 부재 (420) 를 이동시킬 수 있고, 축선 2 의 모터 (410") 는 축선 2 를 중심으로 ±45 도를 걸쳐 제 2 세장형 부재 (430) 를 이동시킬 수 있고, 축선 3 의 모터 (410''') 는 축선 3 을 중심으로 ±45 도에 걸쳐 제 3 세장형 부재 (440) 를 이동시킬 수 있다. 도시된 바와 같이, 제 3 세장형 부재 (440) 는 핑거 팁 요소 (450) 를 포함한다.

도 5 는 직결 구동형 모터 (300) 및 연관된 제어기 (510) 의 예시적인 배열 (500) 의 블록도를 도시한다. 도 5 의 실시형태에서 모터 (300) 는 로봇의 핑거 (520) 의 조인트 내에 통합되거나 또는 다르게는 로봇의 핑거 (520) 에 기계적으로 커플링될 수 있다. 모터 (300) 의 작동 중에, 리니어 인코더의 판독 헤드 (158) 는 보빈 (104) 그리고/또는 센터 회전 샤프트 (108) 의 위치 또는 각도의 배향에 관한 정보를 포함하는 피드백 신호를 제공한다. 제어기 (510) 는 아래의 절차들에 따라 피드백 신호를 프로세싱하고 보빈 (104) 그리고/또는 센터 회전 샤프트 (108) 의 회전을 조정하여 로봇의 핑거 (520) 를 적절히 이동시키도록 제어 신호를 제공한다.

특히, 본원에 설명된 직결 구동형 모터는 또한 본 출원의 양수인에 의해 특허된 소프트 랜드 및 프로그래밍 가능한 응력법들 ("soft land" and programmable force methods) 을 실시하도록 구성될 수 있다. 이는 로봇의 핑거 (520) 가 인간의 핑거의 능력에 매우 근사하게 되어 표면들을 부드럽게 접촉하고 그 후 힘을 적용하도록 허용한다. 일 실시형태에서, 모터 (300) 는 축선 A 를 중심으로 정확한 회전 위치를 나타내도록 그 리니어 인코더로부터 제어기 (510) 로 측정을 보낸다. 이러한 방식으로 모터 (300) 에 커플링되는 로봇의 핑거 (520) 또는 다른 기계적 요소의 일부는 관심의 대상의 타겟 표면 (530) 으로부터 상대적으로 가깝지만 안전하게 떨어진 접근 위치로 이동될 수 있다. 접근 위치로부터, "소프트 랜드 (soft-land)" 작동은 선택적으로 수행될 수 있고 이로써 로봇의 핑거 (520) 는 로봇의 핑거 (520) 또는 표면 (530) 을 손상시키지 않도록 모터 (300) 에 의해 타겟 표면 (530) 과 접촉하게 된다. 소프트 랜드 작동에 관한 부가적인 정보는 발명의 명칭이 "Soft Landing Method for Tool Assembly" 인 U.S. 특허 No. 5,952,589 ("'589 특허") 및 발명의 명칭이 "Programmable Control System for Automated Actuator Operation" 인 U.S. 공개 공보 No. 2005/0234565 에 각각 개시되어 있고, 그 양쪽은 모든 목적을 위해 그 전체가 본원에 참조로써 원용된다.

'589 특허에 논의된 바와 같이, 소프트 랜드 절차는 일반적으로 접근 위치에 로봇의 핑거 (520) 을 위치시키는 것을 포함한다. 이러한 접근 위치는 오퍼레이터의 소망들에 따라 마음대로 확립될 수 있지만, 바람직하게 접근 위치에서는 타겟 표면 (530) 으로부터 떨어져 약 1 밀리미터보다 훨씬 가깝게 로봇의 핑거 (520) 가 위치된다. 접근 위치는 일반적으로 타겟 표면 (530) 의 특징들에 종속될 것이다; 즉, 접근 위치는 강력한, 의도치 않은 접촉의 위험을 실질적으로 증가시키지 않도록 보다 거친 표면에 대해 부드러운 타겟 표면을 갖는 대상들에서 보다 가까워질 수 있다. 임의의 경우에, 로봇의 핑거 (520) 는 타겟 표면 (530) 상의 사전 결정된 지점과 소프트 접촉하도록 접근 위치로부터 경로를 따라 차후의 운동을 위한 접근 위치에 위치된다.

최초에, 로봇의 핑거 (520) 는 접근 위치에서 정적으로 유지된다. 그 후, 로봇의 핑거 (520) 를 정적으로 유지하도록 작용하는 힘들은 로봇의 핑거 (520) 상에 작용하는 고유의 정지 마찰력들이 극복될 때까지의 규모로 모터 (300) 에 의해 변경된다. 정지 마찰력들이 극복될 때에, 시스템은 동적으로 되고 로봇의 핑거 (520) 는 합력의 영향 하에서 타겟 표면 (530) 을 향해 전진한다.

로봇의 핑거 (520) 가 타겟 표면 (530) 을 향해 전진하기 때문에, 로봇의 핑거는 접근 위치까지 위치 모드에서 급격하게 이동된다. 접근 위치로부터, 로봇의 핑거 (520) 는 타겟 표면 (530) 과 접촉될 때까지 소프트 랜드 모드로 진행하고, 특히 소프트 접촉을 결정하기 위한 작동의 몇몇 제어 모드들이 가능하다. 특히, 이들 제어 모드들의 각각은 로봇의 핑거 (520) 의 운동의 특성을 갖는 측정 가능한 파라미터에 종속된다. 이들 측정 가능한 파라미터들은 i) 표면 (530) 를 향하는 경로에서 핑거의 트레블 위치 (즉 위치 제어 모드), ii) 그 속도 (즉 속도 제어 모드), 및 iii) 핑거 (520) 가속/ 감속 (즉 토크 제어 모드) 을 포함한다. 대안적인 실시형태에서, 상기 언급된 측정 가능한 파라미터들 중 어떤 것도 모니터링되지 않고, 대신에, 핑거 (520) 는 단지 합력의 영향 (즉 베이직 모드) 하에서 타겟 표면 (530) 과 소프트 접촉하여 전진하도록 허용된다. 작동의 위치 제어 모드, 작동의 속도 제어 모드 및 작동의 토크 제어 모드는 '589 특허에 추가로 상세하게 설명된다.

몇몇 구성들에서, 제어기 (510) 는 예를 들면, 빌트인 증폭기 및 16 비트 아날로그 출력을 갖는 Galil DMC31012 제어기일 수 있다.

공지된 바와 같이, 서보 제어기와 같은 제어기 (510) 는 모터 (300) 를 작동시키는 제어 신호들을 발생시킬 수 있다. 예를 들면, 전형적으로 소프트웨어의 형태의 프로그래밍된 명령들에 따라, 제어기 (510) 는 제어 신호들 생성하고 그러한 제어 신호들을 모터 (300) 로 출력하여 로봇의 핑거 (520) 의 운동을 발생시킬 수 있다. 일 실시형태에서 제어기 (510) 는 핑거 (300) 가 이용되는 특정한 적용예에 종속되어 모터 (300) 를 제어하도록 프로그래밍된다. 전형적으로, 컴퓨터 (도시 생략) 는 특정 적용예에 대해 제어기 (510) 로 프로그래밍 언어로 만들어진 소프트웨어 (실행될 명령들의 세트를 나타내는 코드) 를 생성하거나 전송하도록 제어기 (510) 에 커플링된다. 그러한 소프트웨어는 일단 제어기 (510) 에서 운행된다면, 특정한 적용예 또는 태스크에 특정된 방식으로 로봇의 핑거 (520) 를 이동시키도록 모터 (300) 에 명령할 것이다.

컴퓨터 코드의 예들은 마이크로-코드 또는 마이크로 명령들, 컴파일러에 의해 생성된 것과 같은 기계어 명령들, 웹 서비스를 생성하도록 사용된 코드, 및 인터프리터를 사용하여 컴퓨터에 의해 실행되는 보다 높은-레벨의 명령들을 포함하는 파일들을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 예를 들면, 실시형태들은 명령형 프로그래밍 언어들 (예를 들면, C, Fortran 등), 함수형 프로그래밍 언어들 (Haskell, Erlang, 등), 논리형 프로그래밍 언어들 (예를 들면, Prolog), 객체 지향형 프로그래밍 언어들 (예를 들면, Java, C++, 등) 또는 다른 적절한 프로그래밍 언어들 그리고/또는 개발 툴들을 사용하여 실시될 수 있다. 컴퓨터 코드의 부가적인 예들은 제어 신호들, 암호형 코드, 및 압축형 코드를 포함하지만 이에 제한되지 않는다.

지금부터, 원하는 범위 (예를 들면, 90 도) 내로 모터 (600) 의 회전하는 구성 요소들의 회전을 제한하도록 구성된 회전-제한 요소들를 포함하는 직결 구동형 모터 (600) 의 부분적인 분해도를 제공하는 도 6a 를 참조한다. 도 6b 는 직결 구동형 모터 (600) 의 조립도를 제공한다. 도 6a 에 도시된 바와 같이, 직결 구동형 모터 (600) 는 환형 구조를 형성하도록 배열된 9개의 회전하는 코일들 (612) 의 세트를 포함한다. 다른 실시들에서 상이한 수의 코일들 (612) 이 사용될 수 있다 (예를 들면, 6 개, 12 개 또는 18 개의 코일들). 이들 코일들 (612) 은 40 도의 피치를 갖는 브러시없는 DC 코일들과 유사하게 작동할 수 있다. 다른 실시형태들에서 코일들은 플랫형 와이어로 구성될 수 있다. 다른 양들이 또한 9 개의 시리즈 코일들 또는 3개의 패러랠 코일들과 같이 사용될 수 있다는 것에 주목하라. 코일들은 Y 형 및 시리즈로 와이어링될 수 있다. 코일들 (612) 은 단말 플레이트 (616) 에 부착된다. 예를 들면, 코일들 (612) 은 단말 플레이트 (616) 에 직접 글루잉될 수 있다; 대안적으로, 몰딩된 구조 (도시 생략) 가 코일들 (612) 을 수용하도록 단말 플레이트 (616) 에 포함될 수 있다.

도 6a 에 도시된 바와 같이, 직결 구동형 모터 (600) 는 보빈 (604) 및 센터 회전 샤프트 (608) 를 포함할 수 있다. 모터 (600) 는 복수의 외부 자석들 (616) 을 둘러싸는 모터 하우징 (610) 을 추가로 포함한다. 구동형 모터 (600) 의 작동 중에, 복수의 코일들 (612) 을 포함하는 이중 자기 회로 (아래에 설명됨) 는 보빈 (604) 및 센터 회전 샤프트 (608) 를 포함하는 모터 (600) 의 회전형 구성 요소들이 샤프트 (608) 와 정렬된 모터의 종축을 중심으로 회전하게 한다. 이들 구성 요소들의 회전은 회전 스톱퍼 요소 (638) 와 협동하는 모터 하우징 (610) 의 회전 제한 표면들 (636) 에 의해 원하는 범위 내로 억제될 수 있다. 모터 하우징 (610), 복수의 외부 자석들 (616) 및 백 플레이트 (640) 는 모터 (600) 의 작동 중에 회전하지 않는다.

직결 구동형 모터 (600) 는 복수의 비회전식 내부 자석들 (628) 을 추가로 포함할 수 있다. 백 플레이트 (640) 는 비회전식 내부 자석들 (628) 에 의해 한정되는 센터 폴 구조 (644) 를 지지한다. 모터 (600) 는 전방 볼 베어링 (660) 및 후방 볼 베어링 (664) 을 추가로 포함한다. 리니어 인코더 어셈블리는 리니어 인코더 피드백 스케일 (654) 및 리니어 피드백 스케일 판독 헤드 (658) 를 포함한다. 리니어 인코더 피드백 스케일 (654) 은 모터 허브 (662) 에 의해 지지된다. 판독 헤드 (658) 는 직결 구동형 모터 (600) 의 회전형 구성 요소들의 회전에 관련된 위치 피드백 정보를 외부 연산 요소 또는 디바이스 (도시 생략) 에 제공한다.

직결 구동형 모터 (600) 의 실시형태들은 보다 높은 토크를 얻도록 이중 자기 회로를 이용할 수 있다. 특히, 외부 자석들 (616), 센터 폴 (644), 및 코일들 (612) 은 제 1 회로를 형성한다. 코일들 (612), 내부 자석들 (628) 및 센터 회전 샤프트 (608) 는 제 2 회로를 형성한다. 이러한 배열은 단지 단일한 "외부" 회로만을 채용하는 표준 브러시없는 모터들에 의해 제공될 수 있는 것보다 실질적으로 더 큰 토크를 제공한다고 여겨진다.

사양에 따른 직결 구동형 모터의 예시적인 사양들이 아래에 개시된다.

모터 당 총 코일들: 9

활성 코일들: 6

토크 센터: 6 + (8.9-6)/2 = 7.4mm

코일 유효 길이: 21mm 세그먼트

코일 당 힘: (0.75T)(109x0.021)(2)= 3.4 N/코일

모터 당 힘: (3.4N)(6) = 20.4N/모터 (@1A, 48Vdc)

센터로부터 힘의 센터까지의 모터 반경: 10mm

토크: (20.4N)(7.4mm) = 150Nmm (0.15Nm)

코일 와이어 사이즈: 34 COPPER

총 턴: 109

코일 AMP 턴: 109 AMP 턴/코일

모터 중량: 0.08kg

로터 관성:

로터 중량: 0.042kg

밀도: 7.886 g/㎤

본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 그 실시형태들과 함께 전체적으로 설명되었지만, 다양한 변경들 및 변형들은 본 기술 분야에 숙련된 자에게는 명백하다는 것에 주목해야 한다. 그 변경들 및 변형들은 본 발명의 범위 내에 포함되는 바와 같이 이해되어야 한다. 본 발명의 다양한 실시형태들은 단지 예로써만 제공되고, 비제한적으로 제공된다는 것이 이해되어야만 한다. 마찬가지로, 다양한 다이어그램들은 본 발명에 포함될 수 있는 특징들 및 기능성을 이해하는 데 도움을 주도록 행해진 본 발명을 위한 구조적 예 또는 다른 구성을 도시할 수 있다. 본 발명은 예시된 예의 구조 또는 구성들에 제한되지 않지만, 다양한 대안적인 구조들 및 구성들을 사용하여 실시될 수 있다. 부가적으로, 본 발명은 다양한 예시적인 실시형태들 및 실시들에 관해 상기 설명되지만, 하나 이상의 개별적인 실시형태들에 설명된 다양한 특징들 및 기능성은 설명된 특정한 실시형태에 그 적용 가능성이 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 그것들은 대신에 그러한 실시형태들이 설명되거나 또는 설명되지 않은 것, 그리고 그러한 특징들이 설명된 실시형태의 일부로서 제공된 것 또는 제공되지 않는 것과 본 발명의 하나 이상의 다른 실시형태들에서 단독으로 또는 몇몇 조합으로 적용될 수 있다. 따라서 본 발명의 범위와 폭은 임의의 상기 설명된 예시적인 실시형태들에 제한되어서는 안된다.

본 문서, 및 그 변형예들에서 사용된 용어들 및 구문은 다르게 명백하게 언급되지 않는 한, 제한에 반대로서 열린 개념으로 해석되어야만 한다. 앞선 예들로서: 용어 "포함하는" 은 "제한없이 포함하는" 등의 의미로서 해석되어야 하고; 용어 "예" 는 그 배타적인 또는 제한 리스트가 아니라 논의에서 아이템의 예시적인 경우들을 제공하는 데 사용되고; "종래의," "전통의," "정상의," "표준의," "공지된" 과 같은 형용사들 및 유사한 의미의 용어들은 주어진 시간에 관해 유용한 아이템 또는 주어진 시간 주기에 설명된 아이템을 제한하는 바와 같이 해석되어서는 안된다. 그러나 대신에 이들 용어들은 지금 공지된 또는 미래의 임의의 시간에 유용할 수 있는 종래의, 전통의, 정상의, 또는 표준 기술들을 포함하도록 해석되어야만 한다. 마찬가지로, 접속사 "및" 과 연결된 아이템들의 그룹은 그것들 아이템들의 각각 및 모두가 그룹지어 존재하도록 요구되는 바와 같이 해석되어서는 안되고, 오히려 다르게 명백하게 언급되지 않는 한 "그리고/또는" 으로서 해석되어야 한다. 유사하게, 접속사 "또는" 과 연결된 아이템들의 그룹은 그러한 그룹 중에 상호 배타적으로 요구되는 바와 같이 해석되어서는 안되고, 오히려 또한 다르게 언급되지 않는 한 "그리고/또는" 으로서 해석되어야만 한다. 추가로, 본 발명의 아이템들, 요소들 또는 구성 요소들은 단수형으로 설명되고 청구될 수 있지만, 복수형은 단수형으로의 제한이 명백히 언급되지 않는 한 그 범위 내에 있다고 고려된다. 예를 들면, "적어도 하나의" 는 단수 또는 복수로 칭해질 수 있고 어느 하나에 제한되지 않는다. 몇몇 경우들에서 "하나 이상의," "적어도," "하지만 제한되지 않는다", 또는 다른 유사한 구문과 같은 확장된 용어들 및 구문들의 존재는 그러한 확장된 구문이 존재할 수 없는 경우들에서도 보다 좁은 경우들이 의도되거나 요구된다는 것을 의미하도록 해석되어서는 안된다.

부가적으로, 메모리 또는 다른 저장부, 뿐만 아니라 통신 구성 요소들이 본 발명의 실시형태에서 채용될 수 있다. 명확성을 위해 상기 설명은 상이한 기능적 유닛들 및 프로세서들을 참조하여 본 발명의 실시형태들을 설명한다는 것이 이해될 것이다. 그러나, 상이한 기능적 유닛들, 프로세싱 로직 요소들 또는 도메인들 사이에 기능성의 임의의 적절한 분배가 본 발명으로부터 벗어나지 않고 사용된다는 것은 명백할 것이다. 예를 들면, 별개의 프로세싱 로직 요소들, 또는 제어기들에 의해 수행되도록 예시되는 기능성은, 동일한 프로세싱 로직 요소, 또는 제어기에 의해 수행될 수 있다. 따라서, 특정한 기능성 유닛들에 대한 참조는 오히려 엄격한 논리 또는 물리 구조 또는 조직을 나타내기보다는 단지 설명된 기능성을 제공하기 위한 적절한 수단에 대한 참조로서만 간주된다.

앞선 설명은 해설을 위해 본 발명의 전체적인 이해를 제공하도록 특정한 명명법을 사용하였다. 그러나, 특정한 상세들이 본 발명을 실시하는 데 요구되지 않는다는 것은 본 기술 분야에 숙련되 자에게는 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 특정한 실시형태들의 앞선 설명들은 예시 및 설명을 위해 제공된다. 그것들은 개시된 정확한 형태들에 대해 본 발명을 제한하도록 또는 배타적으로 의도된 것은 아니고, 명백하게, 많은 변형들 및 변형예들이 상기 시사들의 관점에서 가능하다. 실시형태들은 본 발명의 원리들 및 그 실제 적용예들을 최적으로 설명하도록 선택되고 설명되고, 이로써 본 기술 분야에 숙련된 자가 고려된 특정한 사용에 적합한 바와 같은 다양한 변형들로 본 발명 및 다양한 실시형태들을 최적으로 사용하는 것을 가능하게 한다. 다음의 청구항들 및 그 등가물들이 본 발명의 범위를 규정하도록 의도된다.

Claims

직결 구동형 모터로서,
복수의 코일들에 의해 한정된 센터 회전 샤프트를 포함하는 복수의 회전형 구성 요소들;
상기 복수의 코일들 주위에 위치된 복수의 외부 자석들을 포함하는 복수의 비회전형 구성 요소들; 및
상기 복수의 회전형 구성 요소들의 하나들 및 상기 복수의 비회전형 구성 요소들의 하나들로 형성된 이중 자기 회로로서, 상기 이중 자기 회로는 외부 회로 및 내부 회로를 포함하고, 상기 외부 회로는 적어도 상기 복수의 외부 자석들 및 상기 복수의 코일들을 포함하고, 상기 내부 회로는 적어도 상기 복수의 코일들 및 상기 센터 회전 샤프트를 포함하는, 상기 이중 자기 회로를 포함하는, 직결 구동형 모터.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 회전형 구성 요소들은 상기 복수의 코일들을 지지하도록 구성된 코일 보빈 및 코일 단말 플레이트를 추가로 포함하는, 직결 구동형 모터.
제 1 항에 따른 제 2 항에 있어서,
상기 복수의 회전형 구성 요소들은 상기 직결 구동형 모터의 작동 중에 회전하도록 구성된 리니어 스케일 어셈블리를 추가로 포함하는, 직결 구동형 모터.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 비회전형 구성 요소들은 상기 복수의 외부 자석들을 둘러싸는 모터 하우징을 추가로 포함하는, 직결 구동형 모터.
제 4 항에 있어서,
상기 복수의 비회전형 구성 요소들은 스틸 코어를 둘러싸는 복수의 내부 자석들을 추가로 포함하는, 직결 구동형 모터.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 비회전형 구성 요소들은 스틸 코어에 의해 둘러싸여진 원통형 슬리브를 추가로 포함하고, 상기 원통형 슬리브는 상기 센터 회전 샤프트를 한정하도록 치수 설정되는, 직결 구동형 모터.
제 6 항에 있어서,
상기 복수의 비회전형 구성 요소들은 상기 스틸 코어를 둘러싸는 복수의 내부 자석들을 추가로 포함하는, 직결 구동형 모터.
직결 구동형 모터로서:
복수의 외부 자석들;
상기 복수의 외부 자석들에 의해 둘러싸이는 복수의 코일들을 포함하는 코일 어셈블리로서, 상기 복수의 코일들은 전류를 전도할 때에 자기장을 생성하도록 구성되고 상기 코일 어셈블리는 상기 복수의 외부 자석들에 대해 회전하도록 배치되는, 상기 코일 어셈블리;
상기 복수의 코일들에 의해 둘러싸이는 복수의 내부 자석들;
상기 복수의 내부 자석들에 의해 둘러싸이는 코어 요소; 및
상기 코어 요소에 의해 한정된 내부 공간 내에 위치되는 센터 회전 샤프트를 포함하는, 직결 구동형 모터.
제 8 항에 있어서,
모터 하우징으로서, 상기 복수의 외부 자석들이 상기 모터 하우징의 내부 표면에 고정되는, 상기 모터 하우징; 및
이중 자기 회로로서, 상기 이중 자기 회로가 외부 회로 및 내부 회로를 포함하고, 상기 외부 회로는 적어도 상기 모터 하우징, 상기 복수의 외부 자석들 및 상기 복수의 코일들을 포함하고, 상기 내부 회로는 적어도 상기 복수의 코일들 및 상기 센터 회전 샤프트를 포함하는, 상기 이중 자기 회로를 추가로 포함하는, 직결 구동형 모터.
제 9 항에 있어서,
상기 내부 회로는 복수의 내부 코일들을 추가로 포함하는, 직결 구동형 모터.
제 8 항에 있어서,
상기 코일 어셈블리는 상기 복수의 코일들을 지지하도록 구성된 코일 보빈 및 코일 단말 플레이트를 추가로 포함하는, 직결 구동형 모터.
제 8 항에 있어서,
상기 직결 구동형 모터의 작동 중에 회전하도록 구성되는 리니어 스케일 어셈블리를 추가로 포함하는, 직결 구동형 모터.
제 8 항에 있어서,
상기 코어 요소에 의해 둘러싸이는 원통형 슬리브를 추가로 포함하고,
상기 원통형 슬리브는 상기 센터 회전 샤프트를 한정하도록 치수 설정되는, 직결 구동형 모터.
제 8 항에 있어서,
상기 복수의 코일들은 환형 구조를 형성하도록 배열되는, 직결 구동형 모터.
제 14 항에 있어서,
복수의 원형 채널들로 구성된 백 플레이트를 추가로 포함하고,
상기 복수의 원형 채널들의 적어도 하나는 상기 환형 구조를 수용하는, 직결 구동형 모터.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 코일들은 환형 구조를 형성하도록 배열되는, 직결 구동형 모터.
제 16 항에 있어서,
복수의 원형 채널들로 구성된 백 플레이트를 추가로 포함하고,
상기 복수의 원형 채널들의 적어도 하나는 상기 환형 구조를 수용하는, 직결 구동형 모터.