KR20200105657A - 산업용 로봇 아암 - Google Patents

Abstract

엔드-이펙터 운동을 위한 로봇 아암(500). 상기 로봇 아암은 제1 액추에이터(4), 및 상기 제1 액추에이터로부터 엔드-이펙터 플랫폼까지 제1 운동학적 체인을 포함하여, 상기 엔드-이펙터 플랫폼을 위치시키기 위한 제1 자유도를 제공한다. 상기 로봇 아암은 또한 제2 액추에이터(5; 5b), 및 상기 제2 액추에이터로부터 상기 엔드-이펙터 플랫폼까지 제2 운동학적 체인을 포함하여, 상기 엔드-이펙터 플랫폼을 위치시키기 위한 제2 자유도를 제공한다. 상기 로봇 아암은 제3 액추에이터(6; 6b, 512), 및 상기 제3 액추에이터(6; 6b)로부터 상기 엔드-이펙터 플랫폼까지 제3 운동학적 체인을 추가로 포함하여, 상기 엔드-이펙터 플랫폼을 위치시키기 위한 제3 자유도를 제공한다. 상기 로봇 아암은 또한 제4 액추에이터(50; 150), 및 상기 제4 액추에이터의 이동을 엔드-이펙터(28)를 위한 대응의 배향 축선(65)에 전달하도록 구성된 제4 운동학적 체인을 포함한다. 상기 제4 운동학적 체인은 적어도 하나의 베어링(53, 55; 206)을 통해 내부 아암-조립체에 장착된 배향 링크기구(52, 57, 59; 202, 204, 207, 209; 284, 286; 251, 256, 258), 및 상기 엔드-이펙터 플랫폼에 장착된 배향 변속기(64B, 64A, 216; 64C, 64D, 64E; 100, 64A; 281, 279, 275; 260, 262, 264, 266, 271, 270)를 포함하며, 상기 배향 링크기구는 엔드-이펙터 회전 링크(59; 209; 258; 281), 및 상기 엔드-이펙터 회전 링크의 각각의 단부 조인트에 대해 적어도 2의 자유도를 제공하는 조인트(58, 60; 208, 210; 257, 259; 257, 259; 282, 280)를 포함한다.

Description

산업용 로봇 아암

본 발명은 산업용 로봇 아암의 기술 분야, 특히 매우 빠른 프로세스를 위한, 극도로 빠른 물체 이동을 위한, 및 고도의 안전 로봇 설치를 위한 경량 로봇 아암에 관한 것이다.

예를 들어, 인간과 로봇 간의 직접적인 협업과 또한 울타리 없는 로봇 설비를 사용하는 것이 유리할 때는 고도의 안전 설비가 요구된다. 최신 기술을 살펴보면, 병렬 운동학적 로봇(parallel kinematic robot)[WO 1987003528A1호에 개시된 델타 로봇(Delta robot)과 같은]이 있으며, 이는 모든 액추에이터가 고정형 스탠드 상에 장착되어 있으며, 이에 따라 경량 구조물을 얻는 것이 가능하다. 그러나 이들 병렬 운동학적 로봇은, 아암 시스템이 매우 큰 공간을 점유하게 되고 또한 상기 아암 시스템에 필요한 공간과 관련하여 작업 공간이 매우 작다는 단점을 갖고 있다. 이에 따라, 이들 로봇은 아암 시스템을 위해 넓은 공간을 사용할 수 있고 또한 특히 수직 방향으로 매우 제한된 작업 공간을 충분히 가질 수 있는 용도로만 사용될 수 있다. 따라서 상기 델타 로봇은 주로 로봇 아암 구조물을 위해 충분한 공간을 구비하는 컨베이어 벨트와 같은 평탄한 표면 위의 픽 앤드 플레이스(pick-and-place) 작업에 사용된다.

국제 특허출원 WO 2014187486호에는 슬림한 병렬 구조물이 제안되어 있으며, 예를 들어 상기 델타 로봇에 비해 상기 아암 시스템에 요구되는 공간과 관련하여 더 큰 작업 공간을 가능하게 한다. 이런 로봇 구조물에 있어서, 제1 액추에이터는 제1 축선을 중심으로 제1 아암을 구동하고 있으며, 제1 운동학적 체인(kinematic chain)은 상기 제1 아암의 회전을 엔드-이펙터(end-effector)의 이동에 전달하도록 구성되며, 상기 제1 운동학적 체인은 제1 로드 및 상기 제1 아암과 제1 로드 사이에 제1 조인트를 갖는다. 상기 제1 조인트는 적어도 2의 자유도(degree of freedom)(DOF)를 가지며, 상기 제1 로드와 엔드-이펙터 사이에는 제2 조인트가 장착된다. 상기 엔드-이펙터의 6 DOF 에 대한 제한 사항을 손상시키지 않고 작업하기 위해, WO 2014187486호에 따른 설계는 상기 제1 로드의 비틀림 강성도(torsional stiffness)에 의존한다. 그러나 이는 상기 제1 로드의 제1 조인트와 제2 조인트 모두가 2 이상의 DOF 를 가져야만 한다는 것을 의미하며, 이는 결국 작업 공간의 중간보다 엔드-이펙터의 일정한 경사각을 얻는 것이 가능하지 않다는 것을 의미할 것이다. 이에 따라, 상기 WO 2014187486호에 따른 슬림한 로봇 개념은, 심지어 수평면 위에서 간단한 픽 앤드 플레이스 작업조차도 2 DOF 의 손목(wrist)을 요구한다. 그러나 이러한 손목은 상당한 중량을 추가시킬 것이며, 또한 상기 로봇은 예를 들어 상기 델타 로봇과 같은 경량의 아암 시스템을 갖지 않을 것이다. 더욱이, 전력을 전송하고 또한 상기 손목의 액추에이터를 제어하기 위해서는 배관이 요구될 것이다.

국제 특허출원 WO 2015188843호에 있어서, 병렬 운동학적 로봇은 베이스, 및 상기 베이스와 관련하여 이동 가능한 엔드-이펙터를 포함한다. 제1 액추에이터가 상기 베이스에 부착되어, 제1 아암, 제1 로드, 상기 제1 아암과 제1 로드 사이의 제1 조인트, 및 상기 제1 로드와 단부 이펙터 사이의 제2 조인트를 포함하는 제1 운동학적 체인을 통해 상기 엔드-이펙터에 연결된다. 제2 액추에이터는 베이스에 부착되어, 제2 아암, 제2 로드, 상기 제2 아암과 제2 로드 사이의 제3 조인트, 및 상기 제2 로드와 엔드-이펙터 사이의 제4 조인트를 포함하는 제2 운동학적 체인을 통해 상기 엔드-이펙터에 연결된다. 제3 액추에이터는 베이스에 부착되거나 또는 제1 아암에 부착되어, 제1 기어 휘일 및 제2 기어 휘일을 포함하는 제3 운동학적 체인을 통해 상기 엔드-이펙터에 연결되며, 상기 제1 및 제2 기어 휘일은 엔드-이펙터에 대한 베어링에 저어널되어, 서로 맞물린다. 상기 제3 운동학적 체인 중 적어도 하나의 요소는, 제1 운동학적 체인의 적어도 하나의 요소와 운동학적 쌍(kinematic pair)을 구성한다. 이에 의해, 상기 엔드-이펙터의 병진 이동(translational movement)을 담당하는 운동학적 체인은, 상기 엔드-이펙터의 회전 이동을 담당하는 운동학적 체인의 지지 구조물로서 이용된다.

상기 WO 2014187486호에서의 슬림한 구조물과는 달리, 상기 WO 2015188843호는 그 아암 시스템을 위해 매우 넓은 공간을 필요로 하는 로봇 구조물을 개시하고 있다. 여기에는 3개의 액추에이터를 이동될 엔드-이펙터 플랫폼에 직접적으로 연결하는 3개의 별도의 운동학적 체인이 포함되어 있으므로, 이에 따라 3개의 아암이 3개의 상이한 방향으로 선회하기 위해서는 상당한 공간이 요구된다. 더욱이, 상기 WO 2015188843호의 로봇 구조물의 작업 공간은 본 발명의 로봇 구조물보다 훨씬 더 작다.

상기 WO 2015188843호는 엔드-이펙터 플랫폼 상에 장착된 툴을 회전시키기 위한 장치를 포함하고 있다. WO 2015188843호의 도 1의 장치는 직렬로 작동하는 링크 및 기어로 구성되어 있다. 이들 링크는 액추에이터를 엔드-이펙터 플랫폼에 연결하는 3개의 별도의 운동학적 체인 중 2개 상에 장착되어, 이미 제한된 포지셔닝 능력을 제한한다. 이들 제한 사항들은 상기 링크가 2개의 별도의 운동학적 체인 상에 장착되어 있다는 사실과, 직렬로 작동하는 링크의 연결 방법과, 및 상기 아암이 그 제로 위치로부터 멀어졌을 때 상기 링크의 작동 범위가 상당히 감소된다는 사실에 의존한다. 상기 WO 2015188843호의 도 1에 있어서, 제1 축선의 둘레로 툴을 회전시키면 상기 툴을 제2 축선의 둘레로 동시에 회전시킬 것이며, 이를 보상하기 위해 상기 제2 축선에 대한 회전 범위가 손실될 것이다. 더욱이, 엔드-이펙터 플랫폼이 작업 공간의 중심으로부터 멀리 이동될수록 회전 능력이 심각하게 감소되어, 큰 옵셋(offset)을 달성할 것이다. 그러나 상기 WO 2015188843호의 도 2의 장치는 큰 회전 범위를 제공할 것이지만, 그러나 WO 2015188843호의 도 1에 도시된 개념보다는 제한된 작업 공간을 훨씬 더 감소시킬 것이다. 그 이유 중 하나는 상기 아암과 엔드-이펙터 플랫폼 사이의 링크에 카단 조인트(Cardan joint)가 필요하기 때문이다. 더욱이, 툴을 회전시키는 데 사용된 운동학적 체인에는 직렬로 연결된 여러 개의 기어 단계(gear step)가 필요하다. 이는 아암 및 엔드-이펙터 플랫폼 중량을 증가시켜, 백래시(backlash) 및 마찰을 증가시키고, 유지 관리에 대한 요구 사항을 증가시킬 것이다.

따라서 본 발명의 목적은 종래 기술에서의 단점 중 적어도 일부를 완화시키는 것이다. 또한 추가적인 목적으로는 매우 빠른 프로세스에 적합한, 극도로 빠른 물체 이동에 적합한 및/또는 고도의 안전 로봇 설비에 적합한 경량 로봇 아암을 제공하는 것이다. 이들 목적 및 기타 다른 목적들은 독립항에 따른 로봇 아암에 의해, 그리고 종속항에 따른 실시예에 의해 적어도 부분적으로 달성된다.

제1 양태에 따라, 본 발명은 엔드-이펙터 운동을 위한 로봇 아암에 관한 것이다. 상기 로봇 아암은 제1 회전 축선을 중심으로 내부 아암-조립체를 회전시키도록 구성된 제1 액추에이터를 포함한다. 상기 내부 아암-조립체는 제2 회전 축선의 둘레에 피봇 가능하게 배치된 외부 아암-링크기구에 연결되며, 상기 외부 아암-링크기구는 엔드-이펙터 플랫폼에 연결되고, 이에 따라 상기 제1 액추에이터로부터 엔드-이펙터 플랫폼까지 제1 운동학적 체인을 형성하여, 상기 엔드-이펙터 플랫폼을 위치시키기 위한 제1 자유도를 제공한다. 상기 로봇 아암은 상기 외부 아암-링크기구를 제2 회전 축선의 둘레로 회전시키도록 구성된 제2 액추에이터를 포함하며, 이에 따라 상기 제2 액추에이터로부터 엔드-이펙터 플랫폼까지 제2 운동학적 체인을 형성하여, 상기 엔드-이펙터 플랫폼을 위치시키기 위한 제2 자유도를 제공한다. 상기 로봇 아암은 외부 아암-링크기구가 조인트를 통해 회전되도록 샤프트를 제3 회전 축선의 둘레로 회전시키도록 구성된 제3 액추에이터를 추가로 포함하며, 이에 따라 상기 제3 액추에이터로부터 엔드-이펙터 플랫폼까지 제3 운동학적 체인을 형성하여, 상기 엔드-이펙터 플랫폼을 위치시키기 위한 제3 자유도를 제공한다. 또한, 상기 로봇 아암은 제4 액추에이터, 및 상기 제4 액추에이터의 이동을 상기 엔드-이펙터를 위한 대응의 배향 축선에 전달하도록 구성된 제4 운동학적 체인을 포함한다. 상기 제4 운동학적 체인은 적어도 하나의 베어링을 통해 상기 내부 아암-조립체에 장착된 배향 링크기구, 및 상기 엔드-이펙터 플랫폼에 장착된 배향 변속기(transmission)를 포함한다. 상기 배향 링크기구는 엔드-이펙터 회전 링크, 및 상기 엔드-이펙터 회전 링크의 각각의 단부 조인트를 위해 적어도 2의 자유도를 제공하는 조인트를 포함한다.

따라서 기재된 로봇 아암은 엔드-이펙터의 일정한 경사각을 유지하고, 상기 엔드-이펙터의 경사각을 제어하고, 상기 회전각을 엔드-이펙터의 일정한 경사각으로 제어하고, 및 상기 아암 구조물에 임의의 액추에이터를 모두 포함하지 않고 상기 엔드-이펙터의 경사각 및 회전 모두를 제어할 수 있는 능력을 갖기 때문에, 산업상 이용 가능하다. 이러한 중요한 특징들은, 매우 슬림한 로봇 구조물에 의해 그리고 매우 넓은 작업 공간에서 동시에 얻어진다.

일부 실시예에 따라, 상기 배향 변속기는 엔드-이펙터로의 연결부를 포함하며, 이는 엔드-이펙터 운동에 대해 적어도 4의 자유도를 제공한다. 따라서 이에 의해 엔드-이펙터는 아암 구조물에 임의의 액추에이터를 갖지 않고 적어도 4의 자유도로 이동될 수 있다.

일부 실시예에 따라, 상기 배향 변속기는 외부 기어링 메커니즘(outer gearing mechanism)을 포함하며, 상기 외부 기어링 메커니즘은 외부 기어링 메커니즘의 기어비(gear ratio)에 의해 결정되는 각도 범위 내로 엔드-이펙터를 회전시키도록 배치된다. 이에 따라, 상기 엔드-이펙터는 내부 아암-조립체가 수직 축선의 둘레로 회전하도록 배치되었을 때 프로그램된 회전각, 또는 상기 내부 아암-조립체가 수평 축선의 둘레로 회전하도록 배치되었을 때 프로그램된 경사각을 얻도록 제어될 수 있다.

일부 실시예에 따라, 상기 배향 링크기구는 적어도 하나의 내부 기어링 메커니즘을 포함하며, 상기 내부 기어링 메커니즘은 외부 아암-링크기구의 회전에 의해 제한되지 않고, 상기 내부 기어링 메커니즘의 기어비에 의해 결정된 각도 범위 내로 상기 엔드-이펙터를 회전시키도록 배치된다. 따라서 모든 큰 작업 공간에 큰 엔드-이펙터 재배향이 제공될 수 있다.

일부 실시예에 따라, 상기 배향 링크기구 및 배향 변속기는 회전각 제한 없이 상기 엔드-이펙터를 배향 축선의 둘레로 회전시키도록 배치된다. 이에 따라, 상기 엔드-이펙터는 가능한 가장 짧은 경로(및 최소 사이클 시간)가 선택될 수 있도록 항상 회전될 수 있다.

일부 실시예에 따라, 상기 제2 운동학적 체인은 연결 베어링을 통해 상기 외부-아암 링크기구에 연결된 적어도 하나의 링크를 포함하는 내부 아암-링크기구를 포함하며, 상기 제2 액추에이터는 적어도 하나의 링크에 연결된 적어도 하나의 내부 연결 조인트를 통해 적어도 하나의 링크를 이동시키도록 구성된다. 이에 따라, 상기 제2 액추에이터는 아암 구조물과 함께 움직이지 않고 로봇 스탠드(robot stand)에 위치될 수 있다.

일부 실시예에 따라, 상기 외부 아암-링크기구는 엔드-이펙터 플랫폼에 연결된 외부의 병렬 링크 쌍을 포함한다. 내부 아암-링크기구는 상기 외부 아암-링크기구의 외부의 병렬 링크 쌍에 연결되는 내부의 병렬 링크 쌍을 포함한다. 또한, 상기 제2 운동학적 체인은 레버의 회전을 엔드-이펙터 플랫폼의 대응의 이동에 전달하도록 구성된다. 상기 외부의 병렬 링크 쌍이 엔드-이펙터 플랫폼의 원치 않는 회전을 방지하기 때문에, 예를 들어 산업적으로 중요한 경우인 픽 앤드 플레이스 동작을 위한 4의 자유도로 추가적인 손목 운동(비용 및 중량을 추가시키는 액추에이터 및 변속기)이 필요없다.

일부 실시예에 따라, 상기 외부의 병렬 링크 쌍 및 내부의 병렬 링크 쌍은 각각의 링크의 각각의 링크 연결을 위한 하나의 연결 베어링에 의해 연결되며, 여기서 상기 연결 베어링의 회전 축선은 상기 외부의 병렬 링크 쌍의 각각의 링크의 축방향 중심선에 대해 직각을 이룬다. 이에 따라, 상기 외부 아암-링크기구는 내부 및 외부 아암-링크기구의 링크들 사이의 연결점(connection point)의 운동학에 대해 임의의 불확실성 없이, 상기 내부 아암-링크기구에 의해 정확하게 제어된다. 상기 외부 아암-링크기구는 이들 2개의 조인트의 중심을 통한 회전 라인(line of rotation)이 포지셔닝 중에 수직으로(또는 아암 배향에 따라 수평으로) 남아 있도록, 2개의 조인트를 통해 상기 내부 아암-조립체에 연결된다.

일부 실시예에 따라, 상기 로봇 아암은 상기 연결 베어링들을 기계적으로 서로 연결하는 경질 비임을 포함한다. 이런 방식으로, 내부 아암-조립체의 회전 축선의 방향을 직렬 연결된 내부 및 외부 아암-링크기구를 통해 상기 엔드-이펙터의 회전 축선에 전달하기 위해, 더욱 정확한 기계적 해결책이 얻어진다. 대안적인 실시예에 있어서, 제2 베어링 쌍의 베어링은 엔드-이펙터 비임에 평행한 비임에 서로 연결된다.

일부 실시예에 따라, 상기 내부의 병렬 링크 쌍은 옵셋 비임 상의 볼 및 소켓 조인트를 통해 경질 비임에 장착된다. 볼 및 소켓 조인트의 형상이 매우 높은 정확도로 용이하게 제조될 수 있기 때문에, 이는 직렬로 연결된 내부 및 외부 아암-링크기구들을 통해 상기 내부 아암-조립체의 회전 축선의 방향을 상기 엔드-이펙터의 회전 축선에 전달하는 정확도를 추가로 증가시킨다.

일부 실시예에 따라, 상기 제3 운동학적 체인은 제3 액추에이터와 상기 외부의 병렬 링크 쌍의 작동 링크 사이에 연결된 내부 변속기를 포함한다. 이에 따라, 로봇 아암의 내부 및 대부분의 하중-전달 부분이 강하지만 슬림하게 제조될 수 있어서, 제3 운동학적 체인의 내부 부분이 잘 보호된다.

일부 실시예에 따라, 상기 로봇 아암은 외부의 병렬 링크 쌍의 작동 링크를 따라 장착된 링크 베어링을 포함한다. 상기 링크 베어링의 회전 축선은, 상기 외부의 병렬 링크 쌍의 작동 링크의 중심과 일치한다. 상기 링크 베어링은 내부 변속기의 회전에 의해 유발된 엔드-이펙터의 원치 않는 경사각 오차를 피하기 위해 사용된다. 따라서 링크 베어링은 항상 내부 링크 쌍을 일정한 엔드-이펙터 경사각으로 두 방향으로 선회시키는 것을 가능하게 한다.

일부 실시예에 따라, 상기 로봇 아암은 외부의 병렬 링크 쌍과 엔드-이펙터 플랫폼을 연결하는 엔드-이펙터 베어링을 포함하며, 여기서 상기 엔드-이펙터 베어링의 회전 축선은 상기 외부의 병렬 링크 쌍의 중심과 직교한다. 이는 경량 엔드-이펙터 플랫폼으로 매우 슬림한 로봇 아암 구조물을 가능하게 한다. 상기 엔드-이펙터 때문에, 상기 외부 아암-링크기구는 엔드-이펙터 플랫폼의 모두 6 DOF 를 제한하며, 나머지 로봇 구조물과 엔드-이펙터 플랫폼 사이에는 더 이상의 링크가 필요하지 않다.

일부 실시예에 따라, 상기 엔드-이펙터 베어링의 회전 축선은 연결 베어링의 회전 축선과 평행하다. 이에 따라, 툴 축선을 회전시키기 위한 정확한 제어가 얻어진다.

일부 실시예에 따라, 상기 로봇 아암은 상기 외부의 병렬 링크 쌍의 링크와 상기 내부의 병렬 링크 쌍의 링크를 연결하는 연결 베어링을 포함하며, 여기서 각각의 연결 베어링의 회전 축선은 상기 외부의 병렬 링크 쌍의 각각의 링크의 중심과 일치한다. 이에 따라, 상기 외부 아암-링크기구와 내부 아암-링크기구 사이의 조인트 연결 시, 더 낮은 DOF 및 이에 따른 더 낮은 제조비용이 얻어진다.

일부 실시예에 따라, 상기 내부의 병렬 링크 쌍의 링크는 병렬 링크 쌍을 포함하며, 이들 병렬 링크 쌍은 상기 외부의 병렬 링크 쌍의 링크의 각각의 측부 상에 볼 및 소켓 조인트로 장착된다. 이는 외부 아암-링크기구와 내부 아암-링크기구 사이의 연결 정확도를 추가로 증가시키는 것을 가능하게 할 것이다. 더욱이, 더욱 간단한 링크-조인트 해결책이 소켓 쌍에 사용될 수 있다.

일부 실시예에 따라, 상기 내부 아암-조립체는 중공인 아암 링크, 및 상기 중공 아암 링크의 내측에서 축방향으로 베어링에 장착된 샤프트를 포함한다. 상기 샤프트는 제3 액추에이터에 의해 회전되도록 배치된다. 이에 따라, 상기 외부 아암-링크기구와 맞물리기 위한 내측의 내부 변속기에 매우 콤팩트한 내부 아암 해결책이 얻어진다. 더욱이, 2개의 베어링을 포함하는 상기 내부 변속기는 환경으로부터 완전히 보호될 것이다. 일부 실시예에 있어서, 베어링 쌍의 회전 라인 또는 축선을, 상기 회전 라인 또는 축선과 직교하는 축선의 둘레로 회전시키기 위해, 상기 베어링 쌍은 중공 아암 링크의 내측에서 회전하는 샤프트 상에 장착되어, 90도 기어를 통해 로터리 액추에이터에 의해 작동될 수 있다.

일부 실시예에 따라, 상기 로봇 아암은 다수의 배향 링크기구를 포함하며, 그 각각의 배향 링크기구는 배향 변속기를 포함한다. 상기 다수의 배향 링크기구는, 대응하는 다수의 동심 출력 샤프트가 엔드-이펙터 플랫폼 상에 배치되어 있는 하나 또는 여러 개의 엔드-이펙터에 대해 여러 개의 엔드-이펙터 배향을 동작시킬 수 있도록 구성된다. 이에 따라, 제4 및 제6 운동학적 체인에 의해 작동되는 바와 같은 하나 이상의 엔드-이펙터 배향은 매우 큰 배향을 작동시킬 수 있다.

일부 실시예에 따라, 상기 로봇 아암은, 엔드-이펙터 플랫폼 상에 배치된 하나 또는 여러 개의 엔드-이펙터에 대해 각각의 대응하는 엔드-이펙터 배향이 달성되도록 구성된 다수의 배향 링크기구를 포함하며, 그 각각의 배향 링크기구는 그 연결된 배향 변속기를 구비한다. 이에 따라, 보다 무거운 설계가 그 용도에 적합한 경우에는, 통상적인 관절형 로봇을 위한 전형적인 기존 로봇 손목(로봇 엘보에 있는 모터로부터 수직으로 연장되는 회전축을 구비하는)이 사용될 수 있다.

일부 실시예에 따라, 상기 로봇 아암은 엔드-이펙터 플랫폼에 장착된 적어도 2개의 배향 변속기를 포함하며, 여기서 상기 적어도 2개의 배향 변속기 중 하나의 배향 변속기의 외부 기어링 메커니즘은, 상기 적어도 2개의 배향 변속기 중 적어도 다른 하나의 배향 변속기를 회전시키도록 배치된다. 따라서 제2 손목 운동이 분리식으로 그리고 모듈식으로 추가될 수 있다.

일부 실시예에 따라, 상기 로봇 아암은 제5 액추에이터, 및 상기 제5 액추에이터의 이동을 상기 적어도 하나의 다른 배향 변속기를 통해 상기 엔드-이펙터 플랫폼 상에 배치된 엔드-이펙터의 대응의 이동에 전달하도록 구성된 제5 운동학적 체인을 포함한다. 이런 방식으로, 상기 로봇 아암의 전체 작업 공간에서 동시적인 툴 회전 및 경사가 얻어질 수 있다. 상기 제5 운동학적 체인은 특정한 엔드-이펙터 회전 또는 경사를 얻기 위해, 연결되어 있는 변속기의 필요한 동작을 전달하는 데 항상 효과적일 것이다.

일부 실시예에 따라, 상기 로봇 아암은 적어도 하나의 추가적인 액추에이터, 및 상기 적어도 하나의 추가적인 액추에이터의 이동을 상기 엔드-이펙터 플랫폼 상에 배치되어 있는 엔드-이펙터의 대응의 이동에 전달하도록 구성된 적어도 하나의 추가적인 운동학적 체인을 포함하며, 이는 엔드-이펙터 운동에 대해 적어도 6의 자유도를 제공한다.

일부 실시예에 따라, 상기 외부 기어링 메커니즘은 상기 툴을 1 자유도로 회전시키도록 배치된 제1 기어 휘일을 포함한다.

일부 실시예에 따라, 상기 제1 기어 휘일은 상기 제1 기어 휘일의 회전 축선이 제1 회전 축선과 평행하게 되는 방식으로 상기 엔드-이펙터 플랫폼에 장착된다. 이에 따라, 상기 내부 아암-조립체가 수직 축선의 둘레로 회전하도록 배치된 경우, 상기 엔드-이펙터는 항상 작업 공간의 수평면과 직교할 것이며, 또한 상기 내부 아암-조립체가 수평 축선의 둘레로 회전되었을 때, 상기 엔드-이펙터는 항상 수평 축선의 둘레로 경사질 것이다. 이들 특징은 로봇 아암으로 하여금 피킹(picking), 플레이싱(placing), 패키징, 및 팔레트화(palletizing)를 위한 용도에 매우 유용하게 한다.

일부 실시예에 따라, 상기 외부 기어링 메커니즘은 제2 기어 휘일을 포함하며, 상기 제1 기어 휘일은 제2 기어 휘일에 연결된 레버를 통해 기어 링크에 의해 회전되도록 배치된 제2 기어 휘일과 맞물린다. 이에 따라, 기어 휘일, 레버, 및 기어 링크가 모두 탄소 강화 에폭시 또는 복합물로 제조될 수 있기 때문에, 툴을 회전시키기 위한 경량 장치가 얻어진다. 이런 변속기 해결책은 또한 툴의 규정된 회전 범위 또는 경사 범위를 얻는 것을 가능하게 하고, 이는 제2 및 제1 기어 휘일의 반경들 사이에 적절한 비율을 선택함으로써 얻어지며, 상기 비율은 일반적으로 1 보다 더 크게 선택된다. 상기 엔드-이펙터 플랫폼의 엔드-이펙터 비임이 수직일 때 툴의 회전을 제어하기 위해, 또한 상기 엔드-이펙터 비임이 수평일 때 툴의 하나의 경사 각도를 제어하기 위해, 기어 변속기와 같은 외부 기어링 메커니즘이 사용되며, 이는 로터리 기어 변속기 또는 선형 기어 변속기 중 하나를 포함할 수 있다. 상기 기어 변속기는 엔드-이펙터 플랫폼 상에 장착되며, 이제 제1 엔드-이펙터 비임 및 상기 제1 엔드-이펙터 비임과 평행한 또 다른 엔드-이펙터 비임을 갖는 선택적 구조물을 포함한다. 두 경우 모두, 제1 로터리 기어 휘일은 또 다른 엔드-이펙터 비임의 중심과 일치하는 회전 축선을 구비하는 하나 또는 그 이상의 베어링을 통해, 다른 엔드-이펙터 비임 상에 장착된다. 상기 제1 로터리 기어 휘일은 샤프트를 통해 툴에 기계적으로 연결된다. 예시적인 일 실시예에 있어서, 기어 링크는 기어 변속기를 운동학적 체인을 통해 액추에이터에 연결하기 위해 각각의 단부에 적어도 2 DOF 의 조인트로 구현된다. 상기 로터리 기어 변속기의 경우, 그 회전 축선이 상기 엔드-이펙터 비임의 중심과 평행하거나 또는 일치하는 제2 로터리 기어 휘일은 레버를 통해 상기 기어 링크에 연결되며, 이에 의해 상기 기어 링크의 이동은 상기 로터리 기어 변속기의 제2 로터리 기어 휘일의 회전으로 변환될 것이다. 상기 제1 로터리 기어 휘일은 제2 로터리 기어 휘일에 의해 강제로 회전되며, 상기 제1 로터리 기어 휘일의 직경은 제2 로터리 기어 휘일의 직경보다 더 작을 수 있다.

일부 실시예에 따라, 상기 제1 기어 휘일은 랙과 맞물리며, 이는 상기 랙에 연결된 기어 링크에 의해 이동되도록 배치된다. 이런 방식으로, 2개의 기어 휘일을 갖는 변속기의 사용과 관련하여 보다 공간 효율적인 기어 변속기가 얻어진다. 이는 제2 기어 휘일 상에 장착된 레버가 필요하지 않기 때문이며 또한 원형 기어 휘일보다 선형 랙을 더 얇게 제조할 수 있기 때문이다. 선형 기어 변속기의 경우, 선형 기어(즉, 피니언 휘일의 크기에 의해 결정된 기어비를 갖는 랙)는 적어도 2 DOF 를 구비하는 조인트를 통해 상기 기어 링크에 연결되고, 이에 의해 상기 기어 작동 링크의 이동은 상기 선형 기어 변속기의 제1 로터리 기어 휘일의 회전으로 변환될 것이다. 상기 제1 로터리 기어 휘일(피니언으로서 동작하는)은 랙의 선형 이동에 의해 강제로 회전되며, 상기 제1 로터리 기어 휘일의 원주는 상기 선형 기어의 길이보다 더 작은 것이 바람직하다.

일부 실시예에 따라, 상기 로봇 아암은 엔드-이펙터 플랫폼에 장착된 적어도 2개의 기어 변속기를 포함하며, 여기서 제1 기어 변속기의 제1 기어 휘일은 적어도 하나의 제2 기어 변속기를 회전시키도록 배치된다. 이런 방식으로, 많은 응용 분야에서 중요한, 엔드-이펙터의 경사각과 회전각 모두를 모두 제어하는 것이 가능할 것이다.

일부 실시예에 따라, 적어도 하나의 제2 기어 변속기는 랙 및 피니언 기어 변속기 타입을 가지며, 여기서 상기 랙은 랙의 이동 방향과 평행한 회전 축선을 갖는 랙 베어링에 연결된다. 이런 방식으로, 상기 제1 기어 변속기의 제어는 제2 기어 변속기의 제어와는 독립적으로 될 것이며, 이는 상기 엔드-이펙터의 경사각이 수단에 의해 제1 기어 변속기로 변경되었다면, 상기 회전각이 변하지 않았음을 의미하며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 2 DOF 로 엔드-이펙터의 회전을 제어하기 위해, 제1 랙 및 피니언 기어 변속기가 상기 제1 로터리 기어 휘일 상에 장착된다. 상기 선형 기어(즉, 랙)는 랙 베어링 및 레버 장치를 통해 제2 기어 링크에 연결된다.

일부 실시예에 따라, 적어도 하나의 제2 기어 변속기의 적어도 하나의 피니언은, 툴 회전을 얻기 위해 엔드-이펙터에 연결된다. 이에 따라, 상기 제1 기어 변속기가 툴의 경사를 수행하는 것과는 독립적으로, 제2 기어 변속기로 엔드-이펙터를 회전시키는 것이 가능하며, 또한 그 반대의 경우도 가능하다. 환언하면, 제1 랙 및 피니언 변속기의 피니언은, 엔드-이펙터가 경사질 수 있거나 회전될 수 있도록 연결된다.

일부 실시예에 따라, 적어도 하나의 랙 베어링은 상기 제1 기어 휘일의 회전 축선과 일치하는 그 회전 축선을 갖는다. 상기 랙 베어링은 여기서는 엔드-이펙터의 경사 제어와는 독립적으로 회전 제어를 수행하기 위해 필수적이며, 상기 랙 베어링의 회전 축선이 상기 제1 기어 휘일의 회전 축선과 일치하도록 장착함으로써, 제2 기어 변속기에 대해 보다 정확한 기계적 변속이 얻어진다. 환언하면, 상기 랙 베어링의 회전 중심은 제1 랙 및 피니언 변속기를 운반하는 로터리 기어 휘일의 회전 중심과 일치한다.

일부 실시예에 따라, 상기 로봇 아암은 직각 기어(right-angle gear)를 통해 상기 엔드-이펙터에 연결되는 적어도 하나의 제2 기어 변속기의 하나의 피니언을 포함한다. 이에 따라, 상기 엔드-이펙터의 2개의 경사각 및 하나의 회전각의 제어를 얻는 것이 가능할 것이다. 이런 방식으로, 아암 구조물에 임의의 액추에이터가 없고 또한 장착된 모든 액추에이터가 로봇 스탠드에 고정되는 6축선 로봇 아암이 달성된다

일부 실시예에 따라, 상기 로봇 아암은 그 회전 축선이 엔드-이펙터 샤프트의 회전 축선과 일치하는 베어링을 통해, 상기 엔드-이펙터가 장착되는 엔드-이펙터 샤프트에 연결되는 적어도 하나의 제2 기어 변속기의 하나의 피니언을 포함한다. 직각 기어를 통해 회전각과 경사각을 동시에 얻기 위해, 상기 엔드-이펙터 샤프트는 제2 기어 변속기의 피니언에 연결되는 베어링 상에 장착된다. 상기 제2 기어 변속기의 피니언을 회전시키면, 엔드-이펙터 샤프트가 장착된 베어링을 이런 방식으로 경사시킬 것이다.

일부 실시예에 따라, 상기 로봇 아암은 공통 피니언을 통해 연결된 2개의 랙을 포함하는 하나의 랙 및 피니언 기어 변속기를 포함하며, 여기서 상기 2개의 랙은 서로에 대해 직각으로 이동하도록 배치된다. 이에 따라, 2개의 경사각 및 하나의 회전각을 서로 독립적으로 작동시키는 것이 가능하며, 이는 임의의 경사각 또는 회전각을 작동시키는 것이 다른 각도를 변화시키지 않을 것임을 의미한다. 이는 상기 경사각 및 회전각에 대해 제한된 각도 작업 범위가 로봇 아암의 작업 공간 어디에서나 그리고 엔드-이펙터의 실제 경사각 및 회전각과는 독립적으로 완전히 사용될 수 있음을 의미한다.

일부 실시예에 따라, 상기 로봇 아암은 랙 샤프트 및 랙 베어링을 통해 서로 연결되는 2개의 랙을 포함한다. 이에 따라, 제3 랙은 제1 랙에 연결되어 있을 동안 제2 랙 피니언에 의해 회전될 수 있으며, 이는 엔드-이펙터의 회전각을 엔드-이펙터의 경사각 중 하나와는 독립적이게 한다.

일부 실시예에 따라, 상기 랙 샤프트는 또 다른 랙 및 피니언 변속기에 속하는 피니언의 축방향 관통 구멍에서 자유롭게 이동하도록 배치된다. 이에 따라, 상기 제3 랙은 제1 랙에 연결되어 있을 동안 제2 랙 피니언에 의해 회전될 수 있으며, 이는 엔드-이펙터의 회전각을 엔드-이펙터의 경사각들 중 하나와는 독립적이게 한다.

일부 실시예에 따라, 상기 로봇 아암은 엔드-이펙터 플랫폼 상에 장착된 고정형 랙 및 피니언 변속기를 통해, 제5 액추에이터에 연결된 적어도 하나의 랙 베어링을 포함한다. 이에 따라, 제5 운동학적 체인에 대해 더욱 간단한 링크 구조물이 얻어진다.

일부 실시예에 따라, 상기 랙 베어링은 고정형 랙 및 피니언 변속기의 랙에 연결된다. 이런 방식으로, 제5 운동학적 체인을 단순화하기 위해 상기 고정형 랙 및 피니언을 사용하면, 여전히 경사각 및 회전각의 독립적인 제어를 수행하는 것을 가능하게 할 것이다.

일부 실시예에 따라, 상기 고정형 랙 및 피니언 변속기의 피니언은 레버를 포함하며, 상기 레버에는 기어 링크가 적어도 2 DOF 의 조인트를 통해 장착된다. 이에 따라, 제5 운동학적 체인에 대해 효율적인 변속기가 얻어지며, 여기서 엔드-이펙터 회전 또는 회전각의 작업 범위는 상기 고정형 랙 및 피니언 변속기의 피니언의 직경에 의해 정의될 수 있다.

일부 실시예에 따라, 상기 외부 아암-링크기구의 작동 링크는, 공통의 회전 축선이 상기 내부 아암-조립체의 중심 축선과 평행한 축선의 둘레로 회전 가능한 한 쌍의 베어링을 통해, 제3 액추에이터에 연결된다. 이에 따라, 상기 로봇 아암은 제1 축선의 회전 축선의 방향으로 엔드-이펙터의 운동을 위해 높은 강성도 전달이 요구되는 용도에 특히 적합할 것이다. 또 다른 실시예에 있어서, 상기 기어 링크는 일 단부가 레버에 연결되고, 상기 레버는 엔드-이펙터 비임과 평행한 그 회전 축선을 갖는 베어링 상에 장착된다. 상기 레버는 2개 이상의 레버 및 링크를 통해 로터리 액추에이터에 연결된다. 베어링 쌍의 회전 라인 또는 축선을 상기 회전 라인 또는 축선과 직교하는 축선의 둘레로 회전시키기 위해, 어떤 설계에서는 상기 베어링 쌍은 내부 아암-링크기구의 중공 링크의 중심 축선과 평행한 그 회전 축선을 갖는 베어링 상에 장착되며, 상기 레버는 베어링 쌍이 장착된 베어링의 회전 축선의 둘레로 상기 베어링 쌍을 회전시키는 데 사용된다. 상기 레버는 각각의 단부에 조인트를 구비한 링크를 통해 액추에이터에 연결된다.

일부 실시예에 따라, 상기 링크 변속기는 일 단부에 레버를 갖는 회전 샤프트를 포함하고, 여기서 상기 레버는 적어도 2 DOF 의 조인트를 통해 기어 링크에 연결된다. 이런 실시예는 슬림한 내부 아암-조립체가 요구되는 용도에 특히 유용하며, 이는 로봇 아암이 제한된 환경에서 작동할 필요가 있음을 의미한다. 더욱이, 이런 해결책은 엔드-이펙터의 회전각 또는 임의의 경사각을 제어하기 위해 가장 높은 변속 효율을 가질 것이다. 예시적인 일 실시예에 있어서, 상기 기어 변속기는 운동학적 체인을 통해 액추에이터에 연결되며, 상기 기어 링크는 일 단부가 상기 내부 아암-조립체의 중공 링크와 평행한 그 회전 축선을 갖는 제2 로터리 샤프트 상에 장착된 레버에 연결된다.

제2 양태에 따라, 본 발명은 일정한 경사각으로 상기 엔드-이펙터를 3 자유도로 위치시키기 위한 로봇 아암에 관한 것이다. 상기 로봇 아암은 엔드-이펙터를 수용하도록 배치된 엔드-이펙터 플랫폼을 포함한다. 상기 로봇 아암은 제1 회전 축선을 중심으로 내부 아암-조립체를 회전시키도록 구성된 제1 액추에이터를 포함한다. 상기 내부 아암-조립체는 제2 회전 축선의 둘레에 피봇 가능하게 배치된 외부 아암-링크기구에 연결된다. 상기 외부 아암-링크기구는 엔드-이펙터 베어링을 통해 엔드-이펙터 플랫폼에 연결된 외부의 병렬 링크 쌍을 포함하며, 이에 따라 상기 제1 액추에이터로부터 엔드-이펙터 플랫폼까지 제1 운동학적 체인을 형성한다. 상기 로봇 아암은 외부 아암-링크기구를 제2 회전 축선의 둘레로 회전시키도록 구성된 제2 액추에이터를 포함한다. 상기 외부 아암-링크기구는, 연결 베어링을 포함하는 유니버설 조인트를 통해, 내부의 병렬 링크 쌍을 포함하는 내부 아암-링크기구에 연결되며, 이에 따라 상기 제2 액추에이터로부터 엔드-이펙터 플랫폼까지 제2 운동학적 체인을 형성한다. 상기 로봇 아암은 또한 외부 아암-링크기구가 엘보 조인트를 통해 제3 회전 축선의 둘레로 회전되도록 샤프트를 상기 제3 회전 축선의 둘레로 회전시키도록 구성된 제3 액추에이터를 포함하며, 이에 따라 상기 제3 액추에이터로부터 엔드-이펙터 플랫폼까지 제3 운동학적 체인을 형성한다.

도 1은 엔드 이펙터가 수평면과 직교하는 축선의 둘레로 회전하도록 작동될 수 있게 하는, 일부 실시예에 따른 로봇 아암 구조물을 도시하고 있다.
도 2a는 일부 실시예에 따른 로봇 아암 구조물을 도시하고 있다
도 2b는 도 2a의 내부 변속기의 로터리 샤프트 상에 장착된 유니버셜 조인트 타입을 상세히 도시하고 있다
도 3a는 엔드-이펙터가 수평면과 직교하는 축선의 둘레로 회전하도록 작동될 수 있게 하는, 제1 실시예에 따른 산업용 로봇 아암을 도시하고 있다
도 3b는 엔드-이펙터를 회전시키기 위한 대안적인 기어 변속기를 포함하는, 제2 실시예에 따른 산업용 로봇 아암을 도시하고 있다
도 3c는 일부 실시예에 따른 배향 링크기구를 도시하고 있다
도 3d는 일부 실시예에 따른 유니버설 조인트를 도시하고 있다
도 4a는 주 구조물이 로터리 액추에이터의 수평의 공통 회전 축선에 배치된, 제3 실시예에 따른 산업용 로봇 아암을 도시하고 있다.
도 4b는 제3 실시예의 변형예에 따른 산업용 로봇 아암을 도시하고 있다
도 4c는 제3 실시예의 또 다른 변형예에 따른 산업용 로봇 아암을 도시하고 있다.
도 4d는 벨트 구동부를 갖는 대안적인 실시예를 도시하고 있다
도 5a는 엔드-이펙터가 회전과 경사 모두 제어될 수 있는, 제4 실시예에 따른 산업용 로봇 아암을 도시하고 있다.
도 5b는 엔드-이펙터를 2 DOF 로 경사시키기 위한 랙의 대안적인 실시예를 도시하고 있다.
도 6a 및 도 6b는 모든 액추에이터가 로봇 스탠드에 고정된 6 DOF 로봇 아암을 얻기 위해, 도 5a 및 5b의 랙 및 피니언 개념과 직각 기어 및 카단 조인트를 포함하는 변속기와의 조합을 포함하는, 제5 실시예에 따른 산업용 로봇 아암을 도시하고 있다.
도 7은 오직 하나의 직각 기어로 그리고 카단 조인트 없이 6 DOF 를 얻기 위해, 기어 휘일에 의해 회전되는 2개의 랙 및 피니언 장치를 갖는 실시예를 도시하고 있다.
도 8은 6 DOF 로봇 아암에서 직각 기어 및 카단 조인트를 피하기 위해, 기어 휘일에 의해 회전되는 3개의 랙 및 피니언 장치를 갖는 실시예를 도시하고 있다.
도 9a는 도 5의 랙 및 피니언 장치에 대해 대안적인 변속기를 구비하는, 제6 실시예에 따른 산업용 로봇 아암을 도시하고 있다.
도 9b는 일부 실시예에 따른 대안적인 배향 링크기구를 도시하고 있다
도 10a 및 10b는 로터리 액추에이터의 수평의 공통 회전 축선을 갖는, 제7 및 제8 실시예에 따른 산업용 로봇 아암을 도시하고 있다.
도 11은 도 1-6에 도시된 바와 같이 중공 샤프트 모터를 사용하지 않고, 로터리 액추에이터가 공통의 회전 축선을 얻도록 배치된 실시예를 도시하고 있다.
도 12a는 도 2a의 산업용 로봇 아암의 대안적인 주 구조물을 도시하고 있다.
도 12b는 도 12a에 도시된 바와 같이 제공된 레버를 갖지 않는 링크기구의 경우에, 선형 액추에이터가 어떻게 사용될 수 있는지를 도시하고 있다.
도 13은 대안적인 변속기를 도시하고 있다.
도 14a는 조인트 타입, 허용 조인트 옵셋, 및 제2 운동학적 체인의 일부로서 백호(backhoe) 메커니즘의 변형예를 도시하고 있다.
도 14b는 로봇 아암의 작업 공간을 급격히 증가시키는 대안적인 백호 구성을 도시하고 있다.

산업용 로봇의 경량 로봇 구조물을 얻기 위해, 본 발명은 병렬 로봇 구조물과 변속기의 새로운 조합을 사용한다. 로봇 아암의 액추에이터는 고정형 로봇 스탠드에 장착될 수 있으며, 따라서 상기 액추에이터의 무거운 중량이 아암 구조물의 둘레로 이동될 필요가 없다. 로봇의 아암 구조물은 탄소 튜브(carbon tube), 탄소 기어(carbon gear), 및 탄소 베어링(carbon bearing)과 같은 경량 부품으로만 구현될 수 있다. 이는 고속, 가속, 및 가속도 파생을 위해 최소 관성(minimum inertia)을 가진 로봇의 설계를 가능하게 한다. 더욱이, 상기 아암 구조물 자체에 액추에이터가 없거나 배치되지 않았을 때, 예를 들어 석유 및 가스 플랫폼과 폭발물 취급 산업처럼 폭발 위험이 있는 환경에서 작동할 수 있는 로봇을 구축하는 것이 훨씬 더 용이해질 수 있다. 실외 처리 설비, 터널 검사, 및 차량 청소 시스템과 같은 가혹한 환경에서 작동할 수 있는 로봇을 구축하는 것이 더욱 용이해질 수도 있다.

개시된 산업용 로봇 아암은, 산업용 로봇 아암의 엔드-이펙터의 일정한 경사각을 얻는 방법과, 이와 동시에 상기 로봇 아암의 슬림한 설계를 어떻게 얻을지에 대한 문제점을 해결하고 있다. 이는 로봇 아암이 엔드-이펙터 경사 오차를 보상하기 위해 임의의 손목을 추가하지 않고서도, 수평 표면 위의 제한된 공간 요구사항으로 픽 앤드 플레이스 작업을 수행하는 것을 가능하게 할 수 있다. 더욱이, 본 발명에 따른 로봇 아암은 모든 액추에이터가 스탠드에 고정된 최대 6 자유도(DOF)까지 포함할 수 있다. 상기 엔드-이펙터는 툴로서 지칭될 수도 있다.

이하의 설명을 명확하게 하기 위해, 1 또는 수 DOF 에서 툴 배향(들)을 위한 베이스를 제공하는 엔드-이펙터 플랫폼의 로봇 스탠드(도시되지 않음)에 대해 x, y, 및 z 방향으로 위치되는 통상적인 그리고 바람직한 장치를 언급하기로 한다. 툴 배향은, 5 DOF 에 대해, 엔드-이펙터 플랫폼에서 툴-연결 샤프트의 둘레로, 또는 상기 툴-연결 샤프트와 직교하는 일부 축선의 둘레로, 또는 이 모두의 둘레로 일부 툴 변속기에 의해 작동되는 툴 회전을 포함한다. 6 DOF 의 경우, 경사 툴 회전이 추가될 수 있거나, 또는 원하는 툴 경사가 4개 또는 5개 축선 중 하나를 형성할 수 있다. 어떤 경우라도, 엔드-이펙터 플랫폼이 경사 운동 없이(이 경우는 바람직하지 않음) 위치되고, 이에 따라 툴 배향으로부터 툴 포지셔닝을 분리하는 것이 매우 바람직하다. 원칙적으로, 명확함을 위해 생략되었지만, 여러 개의 엔드-이펙터 및 툴 배향 메커니즘/변속기가, 예를 들어 상이한 방향으로 지향되어, 그리고 상이한 타입의 툴이 장착되고, 이에 따라 상이한 목적을 위해 상이한 툴이 운반되어, 엔드-이펙터 플랫폼에 부착될 수 있어서, 툴-교환기를 사용할 필요를 피할 수 있다. 이하의 기재로부터 명백한 바와 같이, 모든 액추에이터가 상기 로봇 스탠드에 여전히 고정될 수 있도록, 툴 배향을 위해 상이한 변속기가 조합될 수 있다. 따라서 6 이상의 DOF 가 가능하지만, 그러나 간단함을 위해 상세히 설명되지 않는다.

여기에 기재된 산업용 로봇 아암은 일부 실시예에 있어서 항상 서로 평행한 4개 또는 5개의 축선 구성을 포함하고 있다. 구조물은 다음 중 하나 또는 그 이상을 포함하여 모든 축선들이 수직이 되거나 또는 수평이 되는(또는 임의의 다른 각도로) 방식으로 장착할 수 있다.

- 축선들이 수직인 예시적인 실시예에 있어서, 엔드-이펙터의 얻어진 이동은 상기 엔드-이펙터가 전체 작업 공간에서 항상 수평 표면과 직교하도록 구성된다.

- 축선들이 수직인 예시적인 실시예에 있어서, 엔드-이펙터의 수직 축선의 둘레로의 회전은 추가된 링크 변속기 및 기어를 통해 제어될 수 있으며, 이에 의해 상기 엔드-이펙터의 회전을 제어하기 위한 액추에이터가 로봇 스탠드에 고정될 수 있다.

- 제5 축선과 함께 축선들이 수평인 예시적인 실시예에 있어서, 전체 작업 공간에서 엔드-이펙터를 수평 표면과 직교하도록 유지하기 위해, 구조물은 기어와 함께 추가된 링크 변속기를 포함한다.

- 제5 축선과 함께 축선들이 수평인 예시적인 실시예에 있어서, 전체 작업 공간에서 엔드-이펙터의 하나의 경사각을 제어하기 위해, 기어와 함께 추가된 링크 변속기가 사용될 수 있다. 엔드-이펙터의 경사각을 제어하기 위한 액추에이터는 로봇 스탠드에 고정될 수 있다.

- 제5 축선과 함께 축선들이 수평인 예시적인 실시예에 있어서, 엔드-이펙터의 경사와 동시에 엔드-이펙터의 회전을 제어하기 위해, 랙 및 피니언 기어와 함께 제2 추가 링크 변속기가 사용될 수 있다. 엔드-이펙터의 경사각 및 회전각을 제어하기 위한 액추에이터는, 로봇 스탠드에 고정될 수 있다. 또한, 제3 링크에 의해, 상기 엔드-이펙터는 3 DOF 로 회전하도록 제어될 수 있다.

더욱이, 본 발명의 실시예에 따른 로봇 아암은 WO 2014187486호 및 WO 2015188843호에 따른 로봇 설계에 비해 슬림한 설계가 가능한데, 그 이유는 엔드-이펙터 플랫폼을 상기 내부 아암-조립체에 연결하는 링크 구조물에는 단지 2개의 병렬 링크만 요구되기 때문이다.

본 발명에 있어서, 로봇은 로봇 아암 및 로봇 제어기를 포함하도록 정의된다. 로봇 아암은 엔드-이펙터 이동을 달성하기 위해 액추에이터를 포함한다. 상기 로봇 제어기, 또는 상기 로봇 제어기에 연결된 컴퓨터는 프로그램에 따라 엔드-이펙터를 이동시키기 위한 명령을 갖는 프로그램을 포함할 수 있다. 상기 로봇 제어기 및/또는 컴퓨터는 메모리 및 프로세서를 포함하며, 상기 프로그램은 메모리에 저장된다. 따라서 로봇 아암은 프로그램 가능한 로봇이다. 그러나 상기 로봇은 다양한 종류, 예를 들어 산업용 로봇 또는 서비스 로봇(service robot)일 수도 있다.

도 1은 툴 회전을 얻기 위해 일부 실시예에 따른 구조물을 포함하는, 그러나 툴 경사는 배제하는, 로봇 아암(500)의 기본적인 실시예를 도시하고 있다

상기 로봇 아암은 제1 회전 축선(29)을 중심으로 내부 아암-조립체(1)를 회전시키도록 구성된 제1 액추에이터(4)를 포함한다. 상기 내부 아암-조립체(1)는 여기서는 작동 링크(18)를 포함하는 외부 아암-링크기구에 연결된다. 상기 외부 아암 링크기구는 제2 회전 축선(40)의 둘레로 피봇 가능하게 배치된다. 상기 외부 아암-링크기구는 엔드-이펙터 플랫폼(41)에 연결되고, 이에 따라 상기 제1 액추에이터로부터 엔드-이펙터 플랫폼까지 제1 운동학적 체인을 형성한다. 이는 엔드-이펙터 플랫폼을 위치시키기 위한 그리고 이에 의해 엔드-이펙터 운동을 위한 제1 자유도를 제공한다.

또한, 도 1의 로봇 아암(500)은 상기 외부 아암-링크기구를 제2 회전 축선(40)의 둘레로 회전시키도록 구성된 제2 액추에이터(5)를 가지며, 이에 따라 상기 제2 액추에이터로부터 엔드-이펙터 플랫폼까지 제2 운동학적 체인을 형성한다. 이는 엔드-이펙터 플랫폼을 위치시키기 위한 제2 자유도를 제공한다. 상기 제2 운동학적 체인은 상이한 방식으로 설계될 수 있다. 하나의 가능성은 제2 액추에이터(5)와 작동 링크(18) 사이에 제2 운동학적 체인 링크를 갖는 것이다. 이런 가능성이 도 1에 예시되어 있으며, 여기서는 작동 링크가 조인트(16)의 부분인 한 쌍의 베어링[제2 회전 축선(40)의 둘레로 회전하는]에 의해 내부 아암-조립체(1)에 연결되어 있고, 또한 상기 제1 축선(29)을 중심으로 회전하기 위해 제2 액추에이터(5)의 출력 샤프트 상에 레버(2)가 장착되어 있다.

조인트(10, 14)는 적어도 2의 자유도를 갖는 볼-소켓 조인트로서 도시되어 있지만, 그러나 물론 엔드-이펙터 회전 링크(및 도 3c)에 대해 후술하는 바와 같이 운동학적으로 등가인 다른 실시예도 가능하다.

환언하면, 상기 제2 운동학적 체인은, 레버(2)와 상기 외부-아암 링크기구에 연결되는 링크(12)를 포함하는 내부-아암 링크기구, 및 여기서는(도 1에서는) 엔드-이펙터 플랫폼(41) 및 비임(41A)에 단단히 연결되는 작동 링크(18)를 포함하는 외부-아암 링크기구를 포함한다. 따라서 상기 제2 운동학적 체인은 연결 베어링(14)을 통해 외부 아암-링크기구에 연결되는 적어도 하나의 링크(12)를 포함하는 내부 아암-링크기구를 포함한다. 상기 제2 액추에이터는 적어도 하나의 링크(12)에 연결된 적어도 하나의 내부 조인트를 통해 상기 적어도 하나의 링크(12)를 이동시키도록 구성된다. 제2 자유도를 작동시키기 위한 또 다른 대안은, 제2 회전 축선(40)과 평행한 제2 액추에이터의 회전 샤프트를 구비한 내부 아암-조립체의 단부에 제2 액추에이터를 장착하는 것이다. 제2 액추에이터가 도면부호 5b로 지칭되는 이런 대안적인 장치는, 액추에이터가 아암 구조물과 함께 이동하여 바람직한 실시예가 아니기 때문에 해칭선(hatched line)으로 도시되어 있지만, 그러나 이는 내부 아암-링크기구에 대한 필요성을 제거하여 보다 콤팩트한 내부-아암 설계를 제공한다. 이런 대안에 있어서, 상기 제2 운동학적 체인은 회전하는 제2 액추에이터(5b)와 작동 링크(18) 사이의 선택적 변속기와의 기계적 연결을 포함한다. 따라서 제2 액추에이터(5, 5b)는 엔드-이펙터 플랫폼(41)을 일 방향으로 이동시키며, 이는 제1 운동학적 체인과의 조합 시 엔드-이펙터 플랫폼을 위치시키기 위한 그리고 이에 의해 엔드-이펙터 운동을 위한 제2 자유도를 제공한다.

도 1의 로봇 아암(500)은 또한 샤프트(3)를 제3 회전 축선(33)의 둘레로 회전시키도록 구성된 제3 액추에이터(6)를 포함한다. 상기 제3 액추에이터(6)는, 외부 아암-링크기구가 조인트(161)를 통해 회전되도록 상기 샤프트(3)를 제3 회전 축선의 둘레로 회전시키도록 배치되며, 이에 따라 상기 제3 액추에이터로부터 엔드-이펙터 플랫폼까지 제3 운동학적 체인을 형성한다. 이는 엔드-이펙터 플랫폼을 위치시키기 위한 제3 자유도를 제공한다.

상기 제3 운동학적 체인은 다른 방식으로 설계될 수 있다. 예시적인 일 실시예에 따라, 제3 액추에이터(6)의 출력 샤프트와 회전 샤프트(3) 사이에 90도 앵글 휘일(도 1에는 보이지 않지만, 그러나 이하의 제4 DOF 를 작동시키기 위해 도면부호 51로 도시된 바와 동일한 개념)이 내부 아암-조립체(1)의 내측에 배치될 수 있다. 이런 샤프트(3)는 작동 링크(18)를 회전 축선(33)의 둘레로 상하로 회전시키며, 따라서 엔드-이펙터 플랫폼(41)이 상하로 이동될 것이다. 또 다른 대안적인 실시예는 다른 액추에이터[선반(6c) 상에 장착되어 있으며, 대안적으로는 상기 내부 아암-조립체의 단부에 있는 제2 액추에이터(5b)]를 제1 회전 축선(29)과 직교하는 회전 축선(99)의 둘레로 회전시키기 위해 제3 액추에이터[이 경우에는, 바람직한 대안이 아니기 때문에, 해칭선으로 도시된 로봇 스탠드에 고정되어 있는 도면부호 6b]를 사용하는 것이다. 정의에 의해 회전 축선(29)과 직교하는 회전 축선(99)은 2개의 상이한 장치를 허용하는데, 가능하게는 이중 액추에이터(6b)가 x 축선 및 y 축선의 둘레로 각각[축선(29)은 z 방향으로 향하는 것으로 가정] 회전하도록 배치되는 것이며, 이는 외부 아암 링크기구가 모든 방향으로 또는 완전히 연장되어 있을 때(근처에 또는 단수이지만, 바람직한 실시예에서는 허용되지 않는다) 엔드-이펙터의 조작성을 유지하는 데 사용될 수 있다. 어느 경우라도, 상기 제3 운동학적 체인은 내부 아암-조립체(1), 및 엔드-이펙터 비임(41A)에 부착된 작동 링크(18)로만 구성된 외부 아암-링크기구를 포함한다. 전체적으로, 도 1에 도시된 실시예는 최대로 희박한 아암 설계를 가능하게 할 것이지만, 그러나 작업 공간의 대부분에서 바람직하지 않은 경사를 나타낼 것이며, 따라서 산업상 이용 가능성을 위해 추가적인 실시예(도 2 및 그 외의 도면)가 필요하다.

도 1의 로봇 아암(500)은 또한 제4 액추에이터(50) 및 제4 운동학적 체인을 포함한다. 상기 제4 운동학적 체인은 제4 액추에이터의 이동을 엔드-이펙터(28)를 위한 대응의 배향 축선에 전달하도록 구성된다. 상기 배향 축선은 샤프트(65)에 의해 정의된다. 상기 제4 운동학적 체인은 적어도 하나의 베어링(53)을 통해 상기 내부 아암-조립체에 장착된 배향 링크기구(52, 57, 59)를 포함한다. 상기 제4 운동학적 체인은 또한 엔드-이펙터 플랫폼에 장착된 배향 변속기(64B, 64A)를 포함한다. 상기 배향 링크기구는 엔드-이펙터 회전 링크(59), 및 상기 엔드-이펙터 회전 링크의 각각의 엔드-조인트에 대해 적어도 2의 자유도를 제공하는 조인트(58, 60)를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 상기 엔드-이펙터 회전 링크(59)는 엔드-이펙터 회전 링크(59)의 각각의 단부에서 조인트(58, 60)에 각각 연결된다. 물론, 조인트(58, 60)는 예를 들어 도 3c에 도시된 바와 같이, 운동학적으로 등가인 여러 방식으로 적어도 2의 자유도로 달성될 수 있다.

상기 배향 링크기구는 상이한 링크 구조물로 구현될 수 있다. 도 1에 있어서, 상기 제4 액추에이터(50)는 레버(57)가 장착되는 샤프트(52)를 구동하는 90도 앵글 기어(51)에 연결된다.

상기 배향 변속기는, 예를 들어 랙 및 피니언 기어에 의해 또는 백호 링크기구에 의해 상이한 방식으로 구현될 수도 있다. 도 1에 있어서, 상기 배향 변속기는 엔드-이펙터 플랫폼(41)에 장착된 기어 휘일(64A, 64B)을 포함하는 배향 변속기로 구현된다. 도 1에 도시된 배향 링크기구 및 배향 변속기의 구현으로, 상기 배향 링크기구는 레버 아암(57)에 의해 조인트(58)에 장착되며, 상기 배향 변속기는 기어 휘일(64B)에 장착된 레버 아암(61)을 통해 조인트(60)에 장착된다. 따라서 제4 액추에이터(50)는 제2 운동학적 체인 때문에 상기 기어 휘일(64A)을 회전시킬 수 있을 것이다. 이는 제1, 제2, 및 제3 액추에이터가 엔드-이펙터 플랫폼을 3개의 상이한 방향(x, y, z)으로 이동시킬 때조차도 가능할 것이다. 상기 기어 휘일(64A)은 베어링(67)에서 회전하는 샤프트(65)에 연결된다. 상기 배향 변속기는 이런 실시예에서 샤프트(65)로 지칭되는 엔드-이펙터(28)로의 연결부를 포함하며, 이는 엔드-이펙터 운동에 대해 적어도 4의 자유도를 제공한다.

도 2a는, 원하는 일정한 툴 경사각을 포함하지만 그러나 툴 회전을 위한 제4 운동학적 체인을 제외하는, 본 발명의 일부 실시예에 포함된 로봇 아암(500)의 구조물을 도시하고 있다. 환언하면, 이런 구조물은 일정한 경사각을 유지하면서 툴(28)을 x, y, 및 z 방향으로 이동시키는 것을 가능하게 한다. 3개의 액추에이터(4, 5, 6)는 여기서는 제1 회전 축선(29)과 일치하는 공통의 수직 회전 축선을 갖는다. 상기 3개의 액추에이터는 엔드-이펙터 플랫폼(41)의 엔드-이펙터 비임(41A)이 액추에이터의 상기 공통의 회전 축선과 항상 평행하게 되는 방식으로 툴(28)을 이동시키도록 배치된다. 보다 상세하게는, 상기 로봇 아암(500)은 제1 회전 축선(29)을 중심으로 내부 아암-조립체(1)를 회전시키도록 구성된 제1 액추에이터(4)를 포함한다. 여기서 상기 제1 운동학적 체인은 내부 아암-조립체(1)의 회전을, 도 2a에서 오직 엔드-이펙터 비임(41A)만을 포함하는 엔드-이펙터 플랫폼(41)의 대응의 이동에 전달하도록 구성된다. 따라서 본 발명에 따라, 상기 엔드-이펙터 플랫폼은 보다 복잡한 엔드-이펙터 플랫폼 대신에, 오직 비임만을 포함하는 언급된 종래 기술보다 훨씬 간단하게 제조될 수 있다.

상기 제1 운동학적 체인은, 일 단부가 상기 엔드-이펙터 플랫폼(41)에 각각 연결되는 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18)을 포함하는 외부 아암-링크기구를 포함한다. 상기 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18)의 제1 링크(17)는 그 다른 쪽 단부가 상기 내부 아암-조립체(1)에 연결된다. 여기서, 상기 내부 아암-조립체(1)는 수직한 제1 축선 또는 회전 축선(29)에 정렬된 제1 액추에이터(4)에 의해 작동되는 수평면에서 선회하도록 설계된다. 상기 내부 아암-조립체(1)는 2개의 병렬 링크(17, 18)를 운반한다. 상기 2개의 병렬 링크(17, 18)는 그 외단부가 엔드-이펙터 플랫폼(41)의 수직 엔드-이펙터 비임(41A)에 연결되며, 이는 다시 진공 파지기(vacuum gripper)로서 도시된 도면에서는 엔드-이펙터 플랫폼(41)으로부터, 여기서는 엔드-이펙터 비임(41A)으로부터 돌출하는 샤프트(27)를 통해 툴(28)을 운반한다. 상기 외부의 링크 쌍의 제1 링크(17)는 부착 부분(7A, 7B)을 통해 볼 및 소켓 조인트(15)에 의해 내부 아암-조립체(1)에 연결된다. 상기 부착 부분(7A, 7B)은, 예를 들어 조인트(15)의 볼을 상기 내부 아암-조립체(1)에 견고하게 연결하는 탄소 로드(carbon rod)와 같은 경질의 기계적 부품이다. 상기 조인트(15)는 3 DOF 를 갖는 유니버셜 조인트로서도 구현될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 조인트(9, 10, 13, 14, 15) 중 하나의, 여러 개의, 또는 모든 조인트는 볼 및 소켓 조인트, 카단 또는 유니버설 조인트이다. 일부 실시예에 있어서, 상기 조인트(16)는 유니버셜 조인트이다. 일부 실시예에 있어서, 상기 조인트(19, 20) 중 하나 또는 둘 모두는 힌지 조인트이다.

도 2a의 로봇 아암(500)은 또한 제1 회전 축선(29)을 중심으로 레버(2)를 회전시키도록 구성된 제2 액추에이터(5)를 포함한다. 제2 운동학적 체인은 상기 레버(2)의 회전을 엔드-이펙터 플랫폼(41)의 대응의 이동에 전달하도록 구성된다. 상기 제2 운동학적 체인은 외부 아암-링크기구에 연결된, 이에 따라 예를 들어 상기 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18)의 단부들 사이에 연결되는 내부의 병렬 링크 쌍(11, 12)을 포함하는 내부 아암-링크기구를 포함한다. 환언하면, 상기 제2 운동학적 체인은 내부의 병렬 링크 쌍(11, 12) 및 레버(2)를 포함하는 내부-아암 링크기구를 포함한다. 상기 내부의 병렬 링크 쌍은 레버에, 그리고 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18)을 포함하는 외부-아암 링크기구에 연결된다. 상기 제2 액추에이터(5)는 레버를 제1 회전 축선(29)을 중심으로 회전시키도록 배치된다. 또한, 일부 실시예에 있어서, 상기 외부 아암-링크기구는 엔드-이펙터 플랫폼(41)에 연결되는 상기 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18)을 포함한다. 상기 제2 운동학적 체인은 레버(2)의 회전을 상기 엔드-이펙터 플랫폼의 대응의 이동에 전달하도록 구성된다.

상기 로봇 아암(500)은 제3 액추에이터(6)를 추가로 포함한다. 제3 운동학적 체인은 제3 액추에이터(6)의 이동을 엔드-이펙터 플랫폼(41)의 대응의 이동에 전달하도록 구성된다. 상기 제3 운동학적 체인은 제3 액추에이터(6)와 상기 외부 아암-링크기구의 작동 링크(18)의 다른 쪽 단부 사이에 내부 변속기(3, 16)(161, 도 1)를 포함한다. 환언하면, 상기 제3 운동학적 체인은 제3 액추에이터와 상기 외부의 병렬 링크 쌍의 작동 링크 사이에 연결되는 내부 변속기를 포함한다. 상기 외부 아암-링크기구의 작동 링크(18)는 여기서는 유니버설 조인트(16)의 타입에 의해 내부 변속기의 로터리 샤프트(3)에 연결된다. 상기 로터리 샤프트(3)는 내부 아암-조립체(1)의 중공 링크(1A)의 내측에서 회전하도록 배치되며, 여기서는 각각의 단부에 있는 하나의 베어링에 의해 지지된다(도면에는 도시되지 않음). 상기 로터리 샤프트(3)는 상기 중공 링크(1A)의 내단부에서 90도 앵글 기어(도면에는 도시되지 않음)를 통해 상기 제3 액추에이터(6)에 연결된다. 제3 액추에이터(6)로부터의 연장되는 샤프트는 90도 기어에 도달하도록 제2 액추에이터(5)의 중공 샤프트를 통해 조립된다. 환언하면, 상기 로봇 아암(500)은 중공인 하나의 링크(1A)를 포함하는 내부 아암-조립체를 포함하며, 상기 제3 운동학적 체인의 내부 변속기는 상기 중공 링크(1A)의 내측에서 베어링에 축방향으로 장착되는 샤프트(3)를 포함한다. 상기 샤프트(3)는 제3 액추에이터(6)에 의해 회전되도록 배치된다. 상기 로터리 샤프트(3)를 회전시킴으로써, 상기 병렬 링크(17, 18)는 툴(28)의 수직 이동을 얻기 위해 상하로 선회할 것이다. 수평면에서 상기 외부 아암-링크기구를 선회시키기 위해, 레버(2)는 내부 아암-링크기구를 통해 외부 아암-링크기구에 연결된다. 상기 레버(2)는 제2 액추에이터(5)에 의해 작동되도록 배치되고, 또한 비임(8)과 그리고 볼 및 소켓 조인트(9, 10)를 통해 링크(11, 12)에 연결된다. 상기 조인트(9, 10)는 내부 연결 조인트로도 지칭된다. 상기 내부 아암-링크기구는 조인트(13, 14), 비임(23, 24), 및 연결 베어링(21, 22)에 의해 외부 아암-링크기구에 연결된다. 예시적인 일 실시예에 있어서, 상기 내부의 병렬 링크 쌍(11, 12)은 옵셋 비임(23, 24) 상의 볼 및 소켓 조인트(13, 14)를 통해 경질 비임(25)에 장착된다. 베어링(21, 22)과 비임(25) 사이에는 베어링(21, 22)이 연결되며, 이는 항상 수직으로 되도록 엔드-이펙터 플랫폼(41)의 엔드-이펙터 비임(41A)을 제한한다. 이와 동시에, 상기 비임(25)은 외부 아암-링크기구의 링크(17, 18)에 대한 연결부 상에 프리-스트레스(pre-stress)를 얻는 데 사용될 수 있으며, 이는 베어링(19, 20, 21, 22) 및 조인트(15, 16)에서 백래시가 감소되었음을 의미한다. 즉, 상기 베어링은 외부 아암-링크기구의 링크(17, 18)의 단부에 연결된다. 따라서 예시적인 실시예에 있어서, 상기 로봇 아암(500)은 상기 연결 베어링들(21, 22)을 기계적으로 서로 연결하는 경질 비임(25)을 포함한다.

상기 외부 아암-링크기구는 엔드-이펙터 베어링(19, 20)에 의해 상기 엔드-이펙터 비임(41A)에 연결된다. 더욱이, 엔드-이펙터 베어링(19, 20)은 상기 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18)과 엔드-이펙터 플랫폼(41)을 연결하며, 여기서 상기 엔드-이펙터 베어링(19, 20)의 회전 축선(36, 37)은 상기 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18)의 중심과 직교한다.

예를 들어, 진공 파지기와 같은 툴(28)이 수평면과 관련하여 항상 수직 각도로 물품을 잡아서 위치시킬 수 있도록, 상기 엔드-이펙터 플랫폼(41)의 엔드-이펙터 비임(41A)이 일정한 경사각을 갖는 것을 보장하기 위해, 로봇 아암(500)의 설계는 다음 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다:

- 제1 액추에이터(4), 제2 액추에이터(5), 및 제3 액추에이터(6)에 대한 공통의 제1 회전 축선(29)은 수직이다.

- 비임(8) 및 조인트(9, 10)의 장착은, 조인트(9, 10)의 중심을 통과하는 축선(30)이 제1 회전 축선(29)과 항상 평행이 되는 방식으로 조립된다.

- 링크(11, 12)는 동일한 길이를 가지며, 이는 조인트(9, 13) 사이의 거리가 동일하고 또한 조인트(10, 14) 사이의 거리가 동일하다는 것을 의미한다.

- 조인트(13, 14) 사이의 거리는 조인트(9, 10) 사이의 거리와 동일하다.

- 조인트(15, 16)의 중심들 사이의 거리는, 베어링(19)의 회전 중심(36)과 베어링(20)의 회전 중심(37) 사이의 거리와 동일하다.

- 베어링(21, 22)의 회전 중심(34, 35) 사이의 거리는, 베어링(19, 20)의 회전 중심(36, 37) 사이의 거리와 동일하다.

- 베어링(21, 22)의 회전 중심(34, 35) 사이의 거리는, 조인트(15, 16)의 회전 중심 사이의 거리와 동일하다.

- 링크(17)의 길이는 링크(18)의 길이와 동일한 길이를 가지며, 이는 조인트(15)의 회전 중심과 베어링(19)의 회전 중심(36) 사이의 거리가 로터리 샤프트(3)의 회전 중심(33)과 베어링(20)의 회전 중심(37) 사이의 거리가 동일해야 한다는 것을 의미한다.

- 베어링(19)의 회전 중심(36)과 베어링(21)의 회전 중심(34) 사이의 거리는, 베어링(20)의 회전 중심(37)과 베어링(22)의 회전 중심(35) 사이의 거리와 동일하다.

- 베어링(19, 20, 21, 22)은 그 회전 축선(36, 37, 34, 35)이 축선(29)에 평행한 축선(31, 32)과 평행하고 그리고 직각이 되는 방식으로 장착된다. 따라서 상기 엔드-이펙터 베어링(19, 20)의 회전 축선(36, 37)은 연결 베어링(21, 22)의 회전 축선(34, 35)과 평행하다.

- 축선(40)은 조인트(15, 16)의 중심을 통과한다. 또한 상기 축선(40)은, 링크(18)가 수평일 때, 베어링(16A, 16B)의 중심에 의해 정의된다. 축선(34, 35)은 또한 외부 아암-링크기구의 링크(17, 18)와 직교한다. 환언하면, 상기 외부 아암-링크기구[외부의 병렬 링크 쌍(17, 18)] 및 내부 아암-링크기구[내부의 병렬 링크 쌍(11, 12)]는, 각각의 링크(11, 12, 17, 18)의 각각의 링크 연결을 위해 하나의 연결 베어링(21, 22)에 의해 연결되며, 여기서 상기 연결 베어링(21, 22)의 회전 축선(34, 35)은 상기 외부 아암-링크기구의 각각의 링크(17, 18)의 축방향 중심선과 직각을 이룬다.

도 2b는 제1 변속기의 로터리 샤프트(3) 상에 장착되는 유니버설 조인트(16)의 타입을 상세히 도시하고 있다. 이런 조인트(16)는 상기 로터리 샤프트(3)를 외부 아암-링크기구의 작동 링크(18)에 연결하여, 상기 엔드-이펙터 플랫폼(41)의 엔드-이펙터 비임(41A)을 수직으로 이동시킨다. 베어링(16A, 16B)은 로터리 샤프트(3)의 핀(16D, 16E)에 의해 대칭으로 장착된다. 회전 축선(40)이 베어링(16A, 16B)의 공통의 회전 축선에 의해 정의되기 때문에, 상기 작동 링크(18)는 축선(33)의 둘레를 회전하며, 또한 상기 회전 축선(40)은 축선(33)의 둘레를 회전할 것이다. 보다 상세하게는, 외부 아암-링크기구의 작동 링크(18)는 공통의 회전 축선(32)이 상기 내부 아암-조립체(1)의 중공 링크의 중심 축선과 평행한 축선의 둘레로 회전 가능한 한 쌍의 베어링(16A, 16B)을 통해 제3 액추에이터(6)에 연결된다. 상기 베어링(16A, 16B)의 회전하는 외부 부분은 부착부(16F, 16G)에 의해 비임(16H)에 연결된다. 상기 부착부(16F, 16G)는 로드와 같은 경질의 기계적 구조물이다. 부착부(16F, 16G) 및 비임(16H)은 탄소 강화 에폭시로 제조된 고체 포크(solid fork)로서 구현될 수 있다. 상기 작동 링크(18)는 베어링(16C)을 통해 비임(16H)에 연결되며, 이는 작동 링크(18)가 그 자신의 축선의 둘레로 회전하는 것을 가능하게 한다. 상기 베어링(16C)은 여기서는 링크 베어링(16C)으로서 지칭된다. 이런 링크 베어링(16C)은 작동 링크(18)가 그 자신의 축선의 둘레로 회전하는 것을 가능하게 할 수 있기 때문에, 툴(28)의 전체 작업 공간에서 축선(31, 32)을 수직으로 유지하는 것을 가능하게 할 것이다. 상기 링크 베어링(16C)은 조인트(16)와 상기 외부 아암-링크기구의 작동 링크(18)에 대한 베어링(22)의 장착 위치 사이의 어디라도 위치될 수 있다. 따라서 환언하면, 로봇 아암은 상기 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18)의 작동 링크(18)를 따라 장착된 링크 베어링(16C)을 포함하며, 여기서 상기 링크 베어링(16C)의 회전 축선은 상기 외부의 병렬 링크 쌍의 작동 링크(18)의 중심과 일치한다. 이런 링크 베어링(16C)은 WO 2014187486호와 관련하여 차별화된 특징부이다. 따라서 상기 로봇 아암(500)은 예시적인 실시예에서 연결 베어링(22)과 내부 변속기(3)에 대한 작동 링크(18)의 연결부 사이에서 상기 외부 아암-링크기구의 작동 링크(18)에 장착된 링크 베어링(16C)을 포함할 수 있으며, 여기서 상기 링크 베어링(16C)의 회전 축선은 외부 아암-링크기구의 작동 링크(18)의 중심과 일치한다. 다른 특징은 엔드-이펙터 플랫폼(41)의 엔드-이펙터 비임(41A) 상에 베어링 (19, 20)에 의한 링크(17, 18)의 장착이다. 이는, 내부 아암-조립체(1)와 엔드-이펙터 플랫폼(41) 사이에 단지 2개의 링크(17)만 필요하기 때문에, WO 2014187486호에 개시된 것보다 훨씬 더 슬림한 로봇을 구축하는 것을 가능하게 한다. 여기서, 엔드-이펙터 플랫폼(41)은 엔드-이펙터 비임(41A)을 포함한다. 엔드-이펙터 플랫폼은 5 또는 6 DOF 를 갖는 로봇 아암에 대해 사용될 수 있다. WO 2014187486호에 개시된 로봇은 그 제1 아암과 엔드-이펙터 사이에 3개의 링크를 필요로 한다. WO 2014187486호와 관련하여 하나의 다른 차이점은, 링크(17, 18) 상에 프리-스트레스를 얻기 위해 비임(25)을 사용한다는 점이다. 이는 또한 외부의 링크 쌍(17, 18)과 내부의 링크 쌍(11, 12) 사이에 볼 및 소켓 조인트를 사용하는 것을 가능하게 할 것이다. 더욱이, WO 2014187486호의 도 4의 제안은 하나의 아암뿐만 아니라 2개의 아암(링크기구)을 필요로 하며, 따라서 본 발명에서처럼 내부 아암-조립체(1)가 필요하다. 즉, WO 2014187486에 따른 로봇은 아암 시스템을 위해 훨씬 더 많은 공간을 요구한다. 본 발명의 로봇 구조물은 WO 2014187486호의 이러한 단점을 갖지 않는데, 그 이유는 WO 2014187486호의 제1 아암에 대응하는 하나의(그리고 유일한) 내부 아암-조립체[중공 링크(1A)]를, WO 2014187486호의 제1 로드에 대응하는 외부 아암-링크에 연결하는 조인트에서 3 DOF 로 작업할 수 있기 때문이다. 이러한 해결책은 WO 2014187486호의 슬림한 구조물에서는 가능하지 않는데, 그 이유는 상기 엔드-이펙터는 하나의 제한 사항을 잃고 그리고 상기 제1 아암과 제1 로드 사이에서 추가된 자유도로 제어될 수 없기 때문이다. WO 2014187486호의 도 4에는 슬림하지 않고 또한 아암 시스템을 위해 넓은 공간을 요구하는 구조물이 도시되어 있지만, 그러나 이는 상기 제1 아암과 제1 로드 사이에 3 DOF 를 가질 수 있는 조인트를 갖는다. 그러나 WO 2014187486호의 도 4에서 제안한 해결책으로는 슬림하고 콤팩트한 로봇 구조물을 얻는 것이 가능하지 않는데, 그 이유는 이런 경우에 수직 이동은 델타 로봇(delta robot) 경우처럼 엔드-이펙터 플랫폼에 직접 연결되는 별도의 운동학적 체인에 의해서만 수행될 수 있으며, 이에 따라 아암 구조물을 위해 많은 공간을 필요로 하기 때문이다. 따라서 WO 2014187486호에 따른 로봇 구조물은 스탠드에 고정된 액추에이터로는 단지 3 DOF 만 제어할 수 있다.

도 2a의 베어링(16A, 16B)은 도 2b의 베어링(16A, 16B)의 조립에 따른 베어링 쌍으로 교체될 수 있음을 인식해야 한다. 그 반대로, 상기 베어링 쌍(16A, 16B)은 단일의 베어링으로 교체될 수 있다. 베어링 쌍을 사용하면 높은 강성도를 제공하거나, 또는 경량의 베어링을 사용할 수 있게 할 것이다. 볼 베어링 외에, 예를 들어 탄소에 미끄럼 베어링(sliding bearing)이 사용될 수 있다.

기재된 바와 같은 설계에 의해 그리고 상기 내부 아암-조립체(1)와 작동 링크(18) 사이의 각도가 90도일 때, 제1 액추에이터(4)의 출력 샤프트의 무한 회전은 수평면에서 툴(28)을 옆으로 이동시킬 것이며, 제2 액추에이터(5)의 출력 샤프트의 무한 회전은 수평면에서 툴(28)을 내외로 이동시킬 것이다. 상기 제3 액추에이터(6)의 출력 샤프트의 무한 회전은 툴(28)을 상하로 이동시킬 것이다. 더욱이, 전체 작업 공간에서의 모든 이동은 수직한 축선(32)으로 이루어질 것이며, 상기 툴(28)은 일정한 경사각을 가질 것이다. 따라서 로봇 아암(500)은 이른바 SCARA 로봇의 3개의 주축선과 동일한 이동 특징을 가질 것이다. 그러나 SCARA 로봇과는 달리, 모든 액추에이터(4, 5, 6)는 로봇 스탠드(도시되지 않음)에 고정될 수 있으며, 이에 따라 극도로 경량인 로봇 아암이 구현될 수 있다. 상기 로봇 스탠드는 경질의 기계적 구조물이며, 그 위에 액추에이터가 단단히 장착되어 있다. 상기 로봇 스탠드는 이 경우에는 제1 액추에이터(4)를 보유하는 하나의 부분과, 제2 및 제3 액추에이터(5, 6)를 보유하는 또 다른 부분을 갖는 포크(fork)로서 제조될 수 있다. 상기 로봇 스탠드는 바닥, 벽이나 천정에, 또는 또 다른 로봇 아암에 견고하게 장착될 수 있다.

따라서 본 발명은 상기 엔드-이펙터(28)를 일정한 경사각으로 3 자유도로 위치시키기 위한 로봇 아암(500)을 포함한다. 본 발명의 이런 제2 양태는 적어도 도 2a, 2b, 3a, 4b, 10a, 10b, 12a, 12b, 14a 및 14b에, 그리고 이들 도면에 또는 이들 도면의 적어도 양태를 설명하는 설명에 기재되어 있다. 상기 로봇 아암은 엔드-이펙터를 수용하도록 배치된 엔드-이펙터 플랫폼(41)을 포함한다. 로봇 아암은 내부 아암-조립체(1)를 제1 회전 축선(29, 29A)을 중심으로 회전시키도록 구성된 제1 액추에이터(4)를 포함한다. 상기 내부 아암-조립체(1)는 제2 회전 축선(40)의 둘레에 피봇 가능하게 배치된 외부 아암-링크기구(17, 18)에 연결된다. 상기 외부 아암-링크기구는 엔드-이펙터 베어링(19, 20)을 통해 상기 엔드-이펙터 플랫폼(41)에 연결된 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18)을 포함하며, 이에 따라 상기 제1 액추에이터로부터 엔드-이펙터 플랫폼까지 제1 운동학적 체인을 형성한다. 상기 로봇 아암(500)은 또한 외부 아암-링크기구(17, 18)를 제2 회전 축선(40)의 둘레로 회전시키도록 구성된 제2 액추에이터(5)를 포함하며, 상기 외부 아암-링크기구(17, 18)는 연결 베어링(21, 22)을 포함하는 유니버셜 조인트를 통해 내부의 병렬 링크 쌍[11, 12; 811, 812(도면부호 811, 812는 도 12b 참조]을 포함하는 내부 아암-링크기구에 연결되며, 이에 따라 상기 제2 액추에이터로부터 엔드-이펙터 플랫폼까지 제2 운동학적 체인을 형성한다. 또한, 상기 로봇 아암(500)은, 외부 아암-링크기구(17, 18)가 엘보 조인트(161)를 통해 제3 회전 축선의 둘레로 회전되도록, 상기 샤프트(3)를 제3 회전 축선(33)의 둘레로 회전시키도록 구성된 제3 액추에이터(6)를 포함하며, 이에 따라 상기 제3 액추에이터로부터 엔드-이펙터 플랫폼까지 제3 운동학적 체인을 형성한다.

제2 양태의 일부 실시예에 따라, 상기 엔드-이펙터 베어링(19, 20)은 서로 평행한 회전 축선(36, 37)을 갖는 힌지 조인트이다.

제2 양태의 일부 실시예에 따라, 상기 엘보 조인트(161)는 상기 제2 회전 축선과 그리고 상기 제3 회전 축선과 교차하는 엘보 회전 축선을 갖는 힌지 조인트를 포함한다.

제2 양태의 일부 실시예에 따라, 엘보 조인트(161)는 상기 엘보 조인트(161)에 연결되는 상기 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18)의 링크 중 하나인 작동 링크(18)에 연결된다.

제2 양태의 일부 실시예에 따라, 상기 작동 링크(18)에는 서로에 대한 작동 링크 단부들의 회전을 수용하기 위해 상기 작동 링크를 따라 장착된 적어도 하나의 링크 베어링(16C)이 설치된다.

제2 양태의 일부 실시예에 따라, 상기 링크 베어링(16C)의 회전 축선은 작동 링크(18)의 회전 중심선과 일치한다.

제2 양태의 일부 실시예에 따라, 제2 액추에이터(5)는 상기 내부의 병렬 링크 쌍(11, 12)에 연결된 내부 연결 조인트(9, 10)를 통해, 상기 내부의 병렬 링크 쌍(11, 12)을 이동시키도록 구성된다.

제2 양태의 일부 실시예에 따라, 상기 제2 운동학적 체인은 레버(2)의 회전을 상기 엔드-이펙터 플랫폼(41)의 대응의 이동에 전달하도록 구성된다.

제2 양태의 일부 실시예에 따라, 상기 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18) 및 상기 내부의 병렬 링크 쌍(11, 12)은, 각각의 링크(11, 17; 12, 18)의 각각의 링크 연결을 위해 하나의 연결 베어링(21, 22)에 의해 연결된다. 상기 연결 베어링(21, 22)의 회전 축선(34, 35; 31)은, 상기 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18)의 각각의 링크에 대한 링크를 따라 회전 중심선에 직각을 이룬다.

제2 양태의 일부 실시예에 따라, 상기 로봇 아암(500)은 연결 베어링(21, 22)을 기계적으로 서로 연결하는 경질 비임(25)을 포함한다.

제2 양태의 일부 실시예에 따라, 상기 내부의 병렬 링크 쌍(11, 12)은 옵셋 비임(23, 24) 상의 볼 및 소켓 조인트(13, 14)를 통해 상기 경질 비임(25)에 장착된다.

제2 양태의 일부 실시예에 따라, 상기 샤프트(3)는 엘보 조인트(161)를 통해 상기 제3 액추에이터(6)와 상기 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18)의 작동 링크(18) 사이에 연결된다.

제2 양태의 일부 실시예에 따라, 상기 로봇 아암은 상기 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18)과 엔드-이펙터 플랫폼(41)을 연결하는 엔드-이펙터 베어링(19, 20)을 포함한다. 상기 엔드-이펙터 베어링의 회전 축선(36, 37)은, 상기 외부의 링크 쌍의 각각의 링크의 회전 중심선에 수직이다.

제2 양태의 일부 실시예에 따라, 상기 엔드-이펙터 베어링(19, 20)의 회전 축선(36, 37)은 상기 연결 베어링(21, 22)의 회전 축선(34, 35)과 평행하다.

제2 양태의 일부 실시예에 따라, 상기 로봇 아암은 상기 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18)의 링크와 상기 내부의 병렬 링크 쌍(11, 12)의 링크를 연결하는 연결 베어링(21A, 22A)[도 3d의 도면부호 21A, 그러나 연결 베어링(22)에서는 상기 도면부호 21A에 대응하는 도면부호 22A]을 포함한다. 각각의 연결 베어링(21A, 22A)의 회전 축선은 상기 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18)의 각각의 링크의 회전 중심선과 일치한다.

제2 양태의 일부 실시예에 따라, 상기 내부 아암-링크기구는 외부 아암-링크기구(804, 17, 18)를 제2 회전 축선(40)의 둘레로 회전시키는 백호 메커니즘(803, 10B, 802, 8, 9C/10C, 805/806)을 포함하며, 여기서 상기 백호 메커니즘은 제2 회전 축선(40)과 평행한 축선(31)의 둘레로 회전을 허용하는 연결 베어링(21, 21)을 통해, 상기 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18)에 연결된다. 도면부호 803에 대해서는 도 14a, 14b를, 도면부호 802, 8, 9C/10C, 805/806에 대해서는 도 10b를 참조하시오. 본 기술분야의 숙련자가 도 14b로부터 알 수 있는 적절한 치수에 의해, 회전 축선(31)은 상기 외부의 병렬 링크 쌍의 2개의 링크의 임의의 회전 축선들과 교차하지 않도록 위치될 수 있다. 상기 백호 메커니즘은 제2 운동학적 체인에 대한 작동 범위를 반경방향으로 증가시키도록, 심지어 180도 이상으로 증가시키도록 구성될 수 있으며(도 14a 및 14b 참조); 특이점(singularity)이 없는 더 큰 작업 공간을 제공할 수 있다.

제2 양태의 일부 실시예에 따라, 상기 내부의 병렬 링크 쌍(11, 12)의 링크는 병렬 링크 쌍(11A, 11B; 12A, 12B)을 포함한다. 이들 병렬 링크 쌍(11A, 11B; 12A, 12B)은 상기 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18)의 링크의 각각의 측부 상에 볼 및 소켓 조인트로 장착된다.

제2 양태의 일부 실시예에 따라, 상기 내부 아암-조립체(1)는 중공인 아암 링크(1A), 및 상기 중공 아암 링크(1A)의 내측에서 베어링에 의해 축방향으로 장착된 샤프트(3)를 포함한다. 상기 샤프트(3)는 제3 액추에이터(6)에 의해 회전되도록 배치된다.

도 3a는 툴(28)이 수평면과 직교하는 축선의 둘레로 회전하도록 작동될 수 있게 하는 로봇 아암(500)의 제1 실시예를 도시하고 있다. 상이한 실시예들 사이의 공통적인 특징에 대한 도면부호는 동일하며, 따라서 예를 들어 도 1, 2a, 및 2b와 같은 다른 도면에서도 이를 참조하여 설명하였다. 이런 제1 실시예에서는, 1보다 큰 기어 계수(gear factor)를 갖는 로터리 기어 변속기(64A, 64B)가 목표로 하는 툴 회전을 얻도록 개략화되어 있다. 또한, 로터리 기어 변속기가 상기 로터리 기어 변속기의 가장 큰 기어 휘일(64B) 상에서 로터리 제4 액추에이터(50)로부터 레버(61)로의 기계적 변속을 통해 어떻게 작동되는지에 대해서도 도시되어 있다. 따라서 도 3a의 로봇 아암(500)은 제4 액추에이터(50)를 포함한다. 제4 운동학적 체인은 제4 액추에이터(50)의 이동을, 여기서는 부품(41A, 68, 69, 70)을 포함하고 있는 엔드-이펙터 플랫폼(41)에 장착된 툴(28)의 대응의 이동에 전달하도록 구성된다. 상기 제4 운동학적 체인은 적어도 하나의 베어링(53, 55)을 통해 내부 아암-조립체(1)에 장착된 배향 링크기구(52, 57)를 포함한다. 배향 변속기(64A, 64B)는 엔드-이펙터 플랫폼에 장착되며, 상기 배향 링크기구는 각각의 단부에서 적어도 2 DOF 의 조인트(58, 60)를 갖는 엔드-이펙터 회전 링크(59)를 통해, 배향 변속기(64A, 64B)에 연결된다. 도 3a는 모든 액추에이터가 로봇 스탠드 상에 고정된 SCARA 로봇의 4개의 축선을 얻기 위한 하나의 옵션을 도시하고 있다. 4개의 액추에이터(4, 5, 6, 50)는 수직한 제1 회전 축선(29)을 따라 일치하는 회전 샤프트를 갖는다. 제4 액추에이터(50)의 출력 샤프트는, 제3 액추에이터(6)의 출력 샤프트가 제2 액추에이터(5)를 통과하여, 90도 앵글 기어(도면에는 도시되지 않음)를 통해 샤프트(3)의 회전을 제어하는 바와 동일한 방식으로, 상기 중공 샤프트 액추에이터(50)를 통과하여, 내부 아암-조립체(1)에 연결된다. 제2 액추에이터(5)는 레버(2)와 상기 툴(28)을 수직 축선(71)의 둘레로 회전시키는 데 사용되는 제4 액추에이터(50)를 제어하여, 90도 앵글 기어(51)[제3 액추에이터(6)와 샤프트(3) 사이에 사용된 바와 동일한 타입]에 의해 샤프트(52)와 맞물린다. 도 2a와 관련하여, 로봇 아암의 이런 구현 시에는 아래와 같은 새로운 특징이 있으며, 일부는 도 1의 실시예를 참조하기로 한다.

- 외부 아암-링크기구의 링크(17, 18)는 연결 베어링(21, 22)으로서 유니버셜 조인트를 사용하여 상기 내부 아암-링크기구의 링크(11, 12)에 직접 연결된다. 이들 조인트는 동일하며, 또한 도 3d에 상세히 도시되어 있다. 도 3d에 도시된 유니버셜 조인트(21)와 관련하여, 상기 베어링(21A)은 링크의 중심과 일치하는 그 축선 또는 회전을 갖는 제1 링크(17)의 둘레에 장착된다. 베어링(21A)의 회전 축선과 직교하는 그 회전 축선을 갖는 베어링(21B, 21C)은, 샤프트(21D, 21E)에 의해 상기 베어링(21A)의 외륜(outer ring) 상에 장착된다. 환언하면, 상기 외부 아암-링크기구 및 내부 아암-링크기구는 각각의 링크(11, 12, 17, 18)의 각각의 링크 연결을 위해, 여기서는 유니버설 조인트인 하나의 연결 베어링(21, 22)에 의해 연결된다. 이들 연결 베어링(21, 22)의 회전 축선(34, 35)은 상기 외부 아암-링크기구의 각각의 링크(17, 18)와 직각을 이룬다.

- 베어링(21B, 21C)의 외륜은 로드(21F, 21G)를 사용하여 비임(21H) 상에 장착된다. 그 후, 로드(21H)는 제1 링크(11) 상에 장착된다. 비임(21H)과 제1 링크(11) 사이에서 제1 링크(11)의 중심 축선과 일치하는 그 회전 중심을 갖는 베어링을 추가하는 것도 가능하지만, 그러나 이것이 필요한 것은 아니다. 도면부호 22로 표기된 유니버셜 조인트와 관련하여, 상기 베어링(21A)은 링크의 중심과 일치하는 그 축선 또는 회전을 갖는 작동 링크(18)의 둘레에 장착된다. 환언하면, 상기 연결 베어링(21A, 22A)은 외부 아암-링크기구의 링크(17, 18)와 내부 아암-링크기구의 링크(11, 12)를 연결하며, 여기서 각각의 연결 베어링(21A, 22A)의 회전 축선은 외부-아암 링크기구의 각각의 링크(17, 18)의 중심과 일치한다.

- 상기 로드(21H)는 제2 링크(12) 상에 장착된다. 그 회전 중심이 비임(21H)과 링크(12) 사이에서 제2 링크(12)의 중심 축선과 일치하는 링크 베어링을 추가하는 것도 가능하지만, 그러나 이것이 필요한 것은 아니다. 조인트(21, 22)는, 조인트(15, 21)의 중심들 사이의 거리가 상기 조인트(16, 22)의 중심들 사이의 거리와 동일하도록, 링크(17, 18) 상에 장착되어야만 한다. 상기 내부의 링크 쌍(11, 12)을 상기 외부의 링크 쌍(17, 18)에 연결하기 위한 도 1의 해결책에 비해, 이런 해결책은 기계적 시스템이 중복되지 않아서 조립을 보다 용이하게 한다는 이점을 갖는다. 그러나 이와 동시에 큰 직경의 링크가 사용되었을 때는 베어링(21A)이 큰 직경을 갖게 되어, 고장 시 베어링(21A)을 교체하는 것이 더욱 어려워질 것이다. 그러면, 물론 링크(17, 18)의 프리-스트레스는 발생하지 않을 것이다. 물론, 비임(25)과 베어링(21 및 22)의 연결은 도 3a의 4-축선 로봇 아암에도 사용될 수 있다.

- 조인트(22)의 베어링 장치 때문에, 이제 작동 링크(18)는 그 중심 축선의 둘레로 조인트(22)의 우측으로 회전하는 것이 허용되지 않으며, 상기 링크 베어링(16C)은 작동 링크를 따라 작동-축선 중심선을 따른 그 어디라도, 예를 들어 여기서는 도 3a에 구체적으로 도시된 바와 같이 조인트(20) 상의 작동 링크(18)의 단부에 위치될 수 있다. 보다 일반적으로, 이런 작동-축선 중심선은 이론적으로 중심선 또는 베어링(22A)과 평행하다면[즉, 베어링(21A)과 유사하지만 그러나 조인트(22)의 경우에, 도 3d 참조], 작동 링크(18)로부터 이탈할 수 있지만, 그러나 실제로 동적 힘을 고려한다면, 이는 회전 축선(33)과도 교차해야만 한다. 즉, 상기 작동-축선 중심선은, 비록 도 3a에서는 교차하고 있더라도, 필수적으로 회전 축선(40)과 교차할 필요는 없다.

- 툴(28)을 상기 툴(28)의 수직 축선인 축선(71)의 둘레로 회전시키기 위해, 레버 아암(57)은 수직면에서 선회하도록 샤프트(52) 상에 장착된다. 이런 방식으로, 엔드-이펙터 회전 링크(59)는 레버(61)에 의해 기어(64B)를 회전시킬 것이다. 상기 기어(64B)는, 예를 들어 3 보다 더 큰 기어 계수로 다시 기어(64A)(즉, 기어 휘일 또는 톱니 휘일)를 회전시킬 것이며, 상기 툴을 360도 이상으로 회전시키는 것이 가능할 것이다. 따라서 기어 변속기(64A, 64B)는 상기 툴(28)을 1 자유도로 회전시키도록 배치된 제1 기어 휘일(64A)을 포함할 수 있다. 상기 샤프트(52)는 베어링(53, 55)을 통해 장착되고, 상기 베어링(53, 55)은 다시 로드(54, 56)에 의해 내부 아암-조립체(1) 상에 장착된다. 상기 레버 아암(57)은 샤프트(52) 상에 직각으로 바람직하게 장착되며, 엔드-이펙터 회전 링크(59)는 볼 및 소켓 조인트(58)로 아암(57) 상에 장착된다. 그 다른 쪽 단부에서, 상기 엔드-이펙터 회전 링크(59)는 볼 및 소켓 조인트(60)에 의해서도 레버(61) 상에 장착된다. 환언하면, 상기 로봇 아암(500)은 제2 기어 휘일(64B)을 포함하는 배향 변속기(64A, 64B, 100, 270, 271)를 포함하고, 상기 제1 기어 휘일(64A)은 제2 기어 휘일(64B)에 연결된 레버(61)를 통해 상기 엔드-이펙터 회전 링크(59)에 의해 회전되도록 배치된 제2 기어 휘일(64B)과 맞물린다. 물론, 도면에 있는 모든 볼 및 소켓 조인트는, 이런 구현이 종종 더 많은 공간과 중량을 요구하더라도, 2 또는 3 DOF 의 유니버셜 조인트로 교체될 수 있다. 상기 제2 기어 휘일(64B)은 베어링(63)의 외륜 상에 장착되고, 이는 다시 상기 엔드-이펙터 비임(41A) 상에 장착된 수직 샤프트(62) 상의 그 내륜에 장착된다. 상기 제2 기어 휘일(64B)은 수직 샤프트(65) 상에 장착되어 중공인 비임(68)을 통해 축방향으로 배치되는, 더 작은 제1 기어 휘일(64A)과 맞물린다. 따라서 상기 샤프트(65)는 중공 비임(68)의 내측에 회전 가능하게 배치된다. 따라서 환언하면, 제1 기어 휘일(64A)은 상기 제1 기어 휘일(64A)의 회전 축선(71)이 제1 회전 축선(29)과 평행이 되는 방식으로 상기 엔드-이펙터 플랫폼(41)에 장착된다. 상기 샤프트(65)는 베어링(66, 67)에 의해 지지되고, 베어링(66, 67)은 다시 비임(68) 상에 장착된다. 상기 비임(68)은 로드(69, 70)에 의해 엔드-이펙터 비임(41A) 상에 장착된다. 회전 샤프트(65)의 단부에서, 상기 툴(28)은 수동의 나사 결합에 의해 단부 플랜지에[도시되지 않은 샤프트(65) 상에], 또는 툴 교환이 자동화될 수 있도록 툴 교환기에 의해 그 단부 플랜지 상에 장착된다.

도 1 내지 2b와 동일한 운동학적 요구 사항은 도 3a에 적용할 때도 유효하다. 예를 들어, 모든 축선(29, 30, 31, 32, 40)은 평행하고 수직이어야만 하며, 도 3a의 경우에 이는 샤프트(65)의 회전 중심에 의해 정의되는 축선(71)에도 요구된다. 상기 외부 링크 쌍의 링크(17, 18)는 평행해야 하고 내부 링크 쌍의 링크(11, 12)와 동일한 길이를 가져야만 하며, 내부 링크 쌍의 링크(11, 12)와 동일해야만 한다. 조인트(9)(도 2a) 및 제1 링크(11)의 일부는, 도 3a에서는 내부 아암-조립체(1)의 뒤에 숨겨져 있음에 주목해야 한다. WO 201418748호에는 툴 회전을 얻기 위한 해결책이 없다. WO 2015188843호의 도 1은 3개의 아암을 구비한 로봇의 엔드-이펙터 플랫폼 상에 장착된 툴을 회전시키기 위한 장치를 포함한다. 이런 로봇 아암 시스템은 넓은 공간을 필요로 하며, 또한 툴을 경사시키기 위해 4번째 축선이 구현된다. 툴 회전은 여기서는 손목 상에 장착된 별도의 회전 액추에이터로 이루어진다. 더욱이, 로봇의 작업 공간은 매우 작으며, 또한 이는 손목 축선에 대한 변속기에 의해 추가로 감소된다. 본 발명의 도 1 및 3a의 해결책에 있어서, 엔드-이펙터 회전 링크(59)를 통해 레버 아암(61)에 연결된 레버 아암(57)을 구비하는 회전 샤프트(3)는, 로봇 아암의 전체 포지셔닝 공간에서 제4 축선의 전체 작업 영역을 갖는 것을 가능하게 한다. 이는 WO 2015188843호에서 제4 축선을 위한 변속기 타입으로는 가능하지 않은데, 그 이유는 여기에서 변속기 작동 범위는 상기 손목이 작업 공간의 중심으로부터 멀어질수록 옵셋을 증가시키기 때문이다. WO 2015188843호의 도 1의 변속기 해결책의 또 다른 문제점은, 상기 손목에서 요구되는 기어가 제6 축선에 대한 모터 및 이에 따른 툴에 가깝기 때문에, 상기 툴에 어설픈 엔드-이펙터 플랫폼을 제공하게 되며, 이는 접근성 문제를 의미한다. 도 1 및 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 베어링은 로봇 아암의 설계로 인해 상기 툴로부터 멀리 떨어져 있고, 상기 비임(68)은 항상 수직이어서 상기 기어 측을 툴 측으로부터 분리시킨다.

따라서 본 발명에서는 WO 2015188843호의 제한 사항들을, 툴 회전을 위한 2개의 직렬 작동 변속기를, 그리고 이에 따라 배향 링크기구 및 배향 변속기를, 하나의 운동학적 체인에만 장착함으로써, 또한 예를 들어 각각의 단부에 적어도 2 DOF 의 조인트를 갖는 엔드-이펙터 회전 링크(59)를 통해 기어 변속기에 연결된 레버 아암(57)을 갖는 제2 회전 샤프트(52)를 통해 상기 엔드-이펙터 플랫폼(41) 상에서 기어 변속기(64A)에 연결된 제4 액추에이터(50)를 사용함으로써 방지되며, 이에 의해 제4 액추에이터(50)와 배향 변속기(64A, 64B) 사이에 최적의 변속 효율이 얻어진다. 더욱이, 두 가지 버전의 배향 변속기가 도입되었으며, 그 중 하나는 기어 휘일이고 다른 하나는 랙 및 피니언이며, 이 둘 모두는 +/- 180 도의 툴 회전 능력을 얻을 수 있다.

도 3b는 도 1 및 3a의 변속기에 비해 상기 툴(28)을 회전시키기 위한 대안적인 배향 변속기를 포함하는, 제2 실시예에 따른 로봇 아암(500)을 도시하고 있다. 이런 실시예에서는 랙 및 피니언 변속기(100, 64A)가 사용되며, 여기서는 피니언 형상의 기어 휘일(64A)이 툴(28)을 회전시킨다. 상기 변속기(100, 64A)의 랙(100)은 기계식 변속기를 통해 제4 액추에이터(50)에 연결된 엔드-이펙터 회전 링크(59)에 의해 이동된다. 환언하면, 제1 기어 휘일(64A)은 랙(100)과 맞물리며, 이는 랙(100)에 연결된 엔드-이펙터 회전 링크(59)에 의해 이동되도록 배치된다. 비임(25) 및 베어링(21, 22)을 구비한 기본적인 3 DOF 로봇 구조물은 도 1과 동일하며, 샤프트(52), 레버 아암(57), 및 엔드-이펙터 회전 링크(59)에 의한 툴 회전용 변속기는 도 1 및 3a와 동일하다. 이런 구현에서 새로운 부분은, 도 1 및 3a의 회전하는 기어 휘일(64B)이 랙 및 피니언 변속기를 얻기 위해 선형 기어인 랙(100)으로 교체되었다는 점이다. 상기 선형 기어는 볼 및 소켓 조인트(60)를 통해 엔드-이펙터 회전 링크(59)에 의해 이동된다. 상기 랙 기어는 로드(103)를 통해 로드(69) 상에 장착되는 도면부호 101 및 102로 개략적으로 도시된 선형 베어링으로 이동된다. 도 1 및 3a에서처럼, 로드(70)와 함께 상기 로드(69)는 엔드-이펙터 플랫폼(41)의 엔드-이펙터 비임(41A) 상에 비임(68)을 장착하는 데 사용된다. 또한, 도 1 및 3a에서처럼, 피니언 기어 휘일(64A)은 툴(28)을 회전시키기 위해 회전 샤프트(65) 상에 장착된다.

도 1 및 3a의 기어 휘일 해결책과 관련하여 도 3b의 랙 및 피니언 해결책을 사용하는 이점은, 작업 공간에서 엔드-이펙터 회전 링크(59)를, 외부의 링크 쌍의 병렬 링크(17, 18)에 의해 정의된 수직면에 더 가깝게 유지하는 것이 가능하다는 점이다. 이는 샤프트(52)의 회전과 샤프트(65) 사이의 변속 효율을 추가로 증가시킬 것이다. 더욱이, 이런 해결책은 다소 슬림한 엔드-이펙터 플랫폼 장치를 제공할 것이다.

도 3c는 일부 실시예에 따른 배향 링크기구를 도시하고 있다 이런 배향 링크기구는 조인트(58, 60)의 자유도를 레버(57), 링크(59), 및 레버(61) 내에 분배하는 것이 가능하다는 점을 도시하고 있다. 따라서 상기 베어링(58A)은 레버(57)의 회전 축선과 일치하는 회전 축선을 갖는 레버(57)에 장착되고, 베어링(58B)은 베어링(58A)의 회전 축선과 직교하는 회전 축선에 장착되며, 베어링(58C)은 링크(59)의 중심 축선과 일치하는 그 회전 축선에 장착된다. 베어링(60A)은 링크(59)의 중심 축선과 직교하며, 베어링(60B)은 상기 레버(57)의 중심 축선과 일치한다.

도 1 내지 3d는, 모든 액추에이터가 로봇 스탠드에 고정되기 때문에, 로봇 아암(500)이 SCARA 로봇과 동일한 운동 특징을 갖지만, 그러나 상기 아암 구조물의 훨씬 더 낮은 관성을 갖도록 설계될 수 있는 방법을 도시하고 있다

상기 로봇 아암(500)의 제3 실시예를 도시한 도 4a는, 상기 로봇 아암이 위로부터 물체에 도달하는 관절형 로봇 아암으로서 구현될 수도 있음을 도시하고 있다. 이는 로봇 아암의 구조물이 수평면에서 선회하는 대신에 수직면에서 선회한다는 것을 의미한다. 이는 도 1 내지 3에서 수직이어야만 하는 모든 축선들이 이제는 수평이어야만 한다는 것을 의미한다. 그러나 도 1 내지 3의 대부분의 설계 특징이 계속 사용될 수 있다. 따라서 도 4a를 보면, 수직 축선(29, 30, 31, 32, 40, 71) 대신에 수평으로 작업하는 것 외에 예시될 단지 새로운 설계 원리는, 상기 기어 휘일(64B)에 대해 변속을 위한 것이다. 물론, 이 경우에도 도 1 및 3a와 동일한 변속 원리가 사용될 수 있고, 또한 도 4a의 변속 원리가 도 1 및 3a에 사용될 수도 있다.

액추에이터를 보면, 도 4a의 중공 샤프트 액추에이터, 즉 제2 액추에이터(5)는 레버(2)를 선회시켜 외부의 링크 쌍(17, 18)을 내외로 선회시키며, 그 출력 샤프트가 제2 액추에이터(5)를 통과하는 제3 액추에이터(6)는 90도 기어를 통해 상기 샤프트(3)를 회전시켜 외부의 링크 쌍(17, 18)을 옆으로 선회시키도록 배치된다. 제4 액추에이터(150)를 통과하는 출력 샤프트를 구비한 제1 액추에이터(4)는, 내부 아암-조립체(1), 그리고 이에 따라 외부의 링크 쌍(17, 18)을 상하로 선회시키도록 배치된다. 도 4a의 로봇 아암(500)의 이런 실시예에 대한 새로운 특징은, 대안적인 제4 액추에이터(150), 상기 제1 레버(200)를 선회시키도록 배치된 중공 샤프트 액추에이터이다. 이런 제1 레버(200)는 배향 링크기구에 포함된 2개의 링크(202, 209)에 의해 회전 기어(64B)에 연결된다. 하나의 링크(202)에는 일 단부에 레버(200) 상의 베어링(201) 및 제2 레버(204) 상의 다른 베어링(203)이 장착된다. 상기 제2 레버(204)는 베어링(206)의 외륜 상에 장착되고, 이는 다시 돌출부(205)를 통해 상기 내부 아암-조립체(1) 상의 내륜에 장착된다. 베어링(206)의 외륜 상에는, 제2 레버(204)의 팁이 수평 방향으로 이동하였을 때, 제3 레버(207)의 팁이 수직 방향으로 이동하는 방식으로, 제3 레버(207)가 장착된다. 상기 베어링(206)의 회전 축선은 축선(40)과 일치하며, 이는 기어 휘일(64B)에 대해 변속을 위한 더욱 간단한 운동학을 제공한다. 상기 제3 레버(207)의 팁은 볼 및 소켓 조인트(208)를 통해 다른 링크(209)에 연결되고, 상기 다른 링크(209)의 다른 쪽 단부는 상기 볼 및 소켓 조인트(210)를 통해 제4 레버(211)에 연결된다. 베어링(201, 203)은 볼 및 소켓 조인트로 교체될 수 있음을 인식해야 한다. 이제, 제1 레버(200)를 선회시켰을 때, 제4 레버(211)는 상하로(수직으로) 선회할 것이며, 기어 휘일(64A, 64B)은 제4 레버(211)의 수직 선회에 따라 그 회전 축선의 둘레로 전후로 회전할 것이다. 이런 도면에 있어서, 제2 기어 휘일(64B)은 샤프트(213) 및 베어링(214)을 통해 상기 엔드-이펙터 비임(41A) 상에 장착된다. 툴(28)의 일정한 경사각을 유지하기 위해 또는 툴(28)의 경사각을 목표하는 각도로 제어하기 위해, 엔드-이펙터 플랫폼(41) 상의 로터리 기어 변속기(64A, 64B)는 여기서는 도 1 및 3a에서처럼 사용된다. 그러나 여기서 변속기의 기어 휘일은 도 1 및 3a에서처럼 수평 대신에 수직으로 배치된다. 따라서 로터리 기어 변속기(64A, 64B)는 링크(202, 209) 및 레버(200, 204, 207)의 장치를 통해 상기 로터리 제4 액추에이터(150)에 의해 제어된다. 도 1 및 3a에서처럼, 제2 기어 휘일(64B)을 회전시키면 기어 배율비(gear magnification)로 상기 제1 기어 휘일(64A)을 회전시킬 것이다. 상기 제1 기어 휘일(64A)은 샤프트(65) 및 베어링(66)을 통해 비임(68) 상에 장착된다. 제1 기어 휘일(64A)을 회전시키면, 기어 휘일(64A)을 유지하는 샤프트(216)가 회전하며, 또한 상기 샤프트(216) 상에 배치된 툴(27, 28)은 그 경사각[샤프트(216)는 여기서는 엔드-이펙터로의 연결부이다]을 변화시킬 것이다. 이는 예를 들어 상이한 경사 조건으로 물체를 픽업하여 위치시킬 때 유용하다. 예를 들어 컨베이어로부터 물체를 픽업할 때 모든 작업 공간에 대해 일정한 경사각을 유지하기 위해서도 사용될 것이다.

도 4b는 제3 실시예의 변형예에 따른 로봇 아암을 도시하고 있다 이런 변형예에 의해, 도 4a에 도시된 실시예에 비해, 레버들(200, 211) 사이의 변속기의 작동 범위를 증가시키는 것이 가능하다. 도 4b의 해결책을 사용하여, 기어 변속기(64B-64A)의 기어비는 감소될 수 있으며, 또한 상기 기어 휘일(64B)의 회전 능력은 로봇 아암의 작업 공간의 내부 부분 및 외부 부분에서 증가될 것이다. 여기서, 레버(204)보다 더 긴 여분의 레버(501)를 포함하는, 백호 링크기구를 포함하는 내부 기어링 메커니즘이 도입되었다. 상기 레버(501, 204)는 그 단부에서 링크(505)에 의해 베어링(503, 203)에 연결된다. 상기 액추에이터(150)가 레버(200)를 선회시킬 때, 그 단부에 베어링(201, 506)을 갖는 링크(202)는, 상기 비임(504) 상에 장착된 베어링(502) 의 둘레로 레버(501)를 선회할 것이다. 상기 백호 원리에 의해, 상기 레버(204)의 각회전(angular rotation)은 상기 레버(501)의 각회전보다 더 클 것이며, 상기 기어 휘일(64B)은 도 4a의 직접 변속기보다 더 큰 회전을 얻을 것이다. 따라서 환언하면, 상기 내부 기어링 메커니즘은 외부 아암-링크기구의 회전에 의해 제한되지 않고, 상기 내부 기어링 메커니즘의 기어비에 의해 결정되는 각도 범위 내로 엔드-이펙터(28)를 회전시키기 위한 백호 원리에 따라 배치된다. 즉, 백호가 없다면, 2 자유도보다 더 큰 각도 범위를 가능하게 하면, 축선(40)의 둘레에 큰 배향을 위한 4 자유도의 작업 범위의 바람직하지 않은 제한으로 쉽게 이어진다. 이는 굴삭기 및 다양한 타입의 크레인을 위해 잘 알려진 메커니즘인 백호로 방지된다. 따라서 본 발명 내의 거의 모든 레버-로드 링크기구에 표준 백호 원리가 적용될 수 있으며, 이는 간결함을 위해 더 이상 언급되거나 도시되지 않았다. 도 4a에 비해, 도 4b의 베어링(206)은 축(40)으로부터의 옵셋을 가지며, 이는 물론 필요한 것은 아니지만 그러나 힘 및/또는 작업 공간과 관련하여 기계 설계를 보다 효율적이게 할 수 있다.

따라서 도 4b에는 액추에이터(150)와 기어 휘일(64A) 사이의 회전비의 확대를 증가시키기 위해 상이한 원리를 갖는 2개의 단계가 있다. 물론, 백호가 도 4b에서 구현되는 경우에, 레버(211) 및 기어(64A, 64B)를 갖는 배향 변속기도 사용될 수 있으며, 그 반대의 경우도 가능하다. 동일한 개념이 도 5a의 액추에이터(150)와 기어 휘일(64A) 사이, 그리고 도 10b의 레버(351)와 레버(362) 사이의 변속을 위해 사용될 수 있다(도 3d에서와 같은 표기법으로).

도 4c는 제3 실시예의 또 다른 변형예에 따른 로봇 아암을 도시하고 있다. 이런 다른 변형예에 따라, 액추에이터(4, 5, 6, 150)는 브래킷(510) 상에 장착되며, 이는 샤프트(511)에 의해 상기 브래킷(510)에 연결된 액추에이터(512)에 의해 회전될 수 있다. 샤프트(511)의 중심선은 상기 액추에이터(4, 5, 6, 150)의 중심선에 대해 직각을 이룬다. 액추에이터(511)를 사용하면, 상기 로봇 아암의 민첩성이 증가될 것이며, 또한 로봇 아암의 제어를 위한 액추에이터(4, 5, 6, 150)가 모두 서로 가까이 위치되기 때문에, 상기 액추에이터(512)에 의해 회전될 질량 관성(mass inertia)은 작을 것이다. 따라서 액추에이터(512)에 필요한 토크 및 동력은, 액추에이터가 로봇 아암에 분포되어 있는 통상적인 직렬 로봇보다 훨씬 더 낮을 것이다. 일 실시예에 따라, 브래킷(510)은 작업 공간을 증가시키기 위해 선형 액추에이터 상에 장착될 수 있음을 인식해야 한다. 도 4c는 또한 툴(28)의 회전을 위해 액추에이터(514)를 사용하는 옵션을 도시하고 있다. 로봇 아암이 매우 낮은 질량 관성을 갖는 작은 물체를 취급할 때, 액추에이터(514)는 경량일 것이며, 이런 해결책은 툴 회전을 위한 도 8의 해결책보다 더 낮은 기계적 복잡성으로 인해 이점이 될 수 있다.

도 4d는 툴(28)에 운동을 전달하기 위해, 벨트 구동부를 갖는 대안적인 해결책을 도시하고 있으며, 여기서 도 4c의 기어 휘일(64B)은 벨트 휘일(64C)로 교체되고, 기어 휘일(6A)은 또 다른 작은 벨트 휘일(64E)로 교체된다. 벨트(64D)는 2개의 벨트 휘일을 연결한다. 이러한 벨트 변속기는 백호 메커니즘을 교체할 수도 있다. 벨트 대신에, 2개의 휘일 사이에 와이어가 사용될 수도 있다.

일반적으로, 링크는 힘을 전달하는 데 사용되며, 레버는 토크를 전달하는 데 사용된다.

상기 기어 휘일 변속기(64A, 64B) 대신에, 물론 도 3b에서처럼 랙 및 피니언 해결책이 사용될 수 있다. 상기 랙의 장착 방향은 도 3b에서처럼 될 수 있거나, 또는 상기 외부의 링크 쌍(17, 18)에 의해 형성된 평면에 직각으로 이루어질 수 있다.

WO 201418748호에는 위로부터의 물체에 도달하는 관절형 로봇을 얻기 위한 해결책이 없으며, 또한 툴을 경사지게 하거나 또는 툴 경사각을 일정하게 유지할 수 있는 제4 축선을 얻는 해결책이 보이지 않는다.

몇몇 적용에서는 툴(28)을 경사시키고 그리고 회전시키는 요구 사항이 있다. 이를 위한 하나의 가능성은 툴(28)을 회전시키기 위해, 예를 들어 도 4a에서 툴(28)에 연결된 샤프트(27) 상에 작은 액추에이터를 장착하는 것이다. 이는 아암 구조물에 관성 및 전기 배선을 추가할 것이며, 이를 피하기 위해 도 5a에 도시된 바와 같이 랙 및 피니언을 갖는 변속기 해결책이 사용된다. 그 후, 상기 샤프트(27)가 엔드-이펙터에 연결된다. 도 5a는 제4 실시예에 따른 로봇 아암(500)을 도시하고 있으며, 여기서 상기 툴(28)은 회전되고 경사지거나 또는 2 DOF 로 경사지도록 제어된다. 도 5a에 있어서, 2 DOF 로의 효율적인 툴 회전을 위해, 랙 및 피니언 장치(270, 271)는 회전하는 제1 기어 휘일(64A)에 장착되며, 상기 랙(271)은 상기 랙 및 피니언 장치(270, 271)를 운반하는 제1 기어 휘일(64A)의 회전 중심과 일치하는 회전 중심을 갖는 베어링(267)을 통해, 변속 장치(264, 266)에 연결된다. 이러한 특징부들의 구현은 툴을 2개의 축선 둘레로 +/- 180도로 서로에 대해 90도로 회전시키는 것을 가능하게 한다. 이는 WO 2015188843호의 도 1에 개시된 장치에서는 불가능하다. 보다 상세하게는, 상기 랙 및 피니언 기어(270)는 툴(28)에 연결되고, 또한 로터리 기어 변속기(64A, 64B)에 의해 회전되도록 배치되며, 상기 랙 및 피니언 기어의 랙(271)은 베어링(267)과 링크(258, 264, 266) 및 레버(256, 260, 262)의 장치를 통해 이동된다.

상기 제1 기어 휘일(64A)은 도 4a에 대해 기재된 바와 동일한 방식으로 작동되지만, 그러나 제1 기어 휘일(64A)은 이제 선형 베어링 조립체(270, 271)를 회전시키고 있으며, 여기서 상기 랙(271)은 기어 휘일(64A)의 회전 축선에 평행하게 미끄러지고 있다. 따라서 상기 로봇 아암(500)은 배향의 실시예에 따라 유사한 부분(41A, 68, 69, 70)을 포함하여, 엔드-이펙터 플랫폼(41)에 장착된 적어도 2개의 배향 변속기[64A, 64B; 270, 271; 293, 294; 315, 316; 311, 312, 313(다른 도면도 참조)]를 포함한다. 배향 변속기의 제1 기어 휘일(64A)은 적어도 하나의 다른 배향 변속기[270, 271; 293, 294; 315, 316; 311, 312, 313(다른 도면도 참조)]를 회전시키도록 배치된다. 도 3b에서처럼, 상기 랙은 샤프트(65A)(도 3b의 도면부호 65에 대응)를 통해 툴(28)을 회전시키기 위해 피니언 기어(이 경우 도면부호 270으로 표기된)를 회전시킨다. 환언하면, 상기 적어도 하나의 다른 배향 변속기(270, 271; 293, 294; 315, 316; 311, 312, 313)의 적어도 하나의 피니언(270, 294, 316)은 툴(28)에 연결되어 툴 회전을 얻는다. 일부 실시예에 있어서, 상기 로봇 아암은 엔드-이펙터 플랫폼(41)에 장착된 적어도 2개의 배향 변속기(64A, 64B; 270, 271; 293, 294; 315, 316; 311, 312, 313)를 포함하며, 여기서 상기 적어도 2개의 배향 변속기 중 하나의 외부 기어링 메커니즘(64B, 64A; 64C, 64D, 64E; 100, 64A; 271, 270)은, 적어도 2개의 배향 변속기(270, 271; 293, 294; 315, 316; 311, 312, 313) 중 적어도 다른 하나를 회전시키도록 배치된다.

상기 랙(271)의 미끄럼 이동은 베어링(267)을 통해 구부러진 로드(bent rod)(266)에 의해 달성된다. 상기 베어링(267)은 기어 휘일(64A)의 회전 축선과 일치하는 그 회전 축선을 바람직하게 가져야만 한다. 그 후, 상기 선형 베어링 조립체(270, 271)는 상기 구부러진 로드(266)의 임의의 회전 또는 병진 없이 상기 기어 휘일(64A)에 의해 회전될 수 있다. 환언하면, 상기 적어도 하나의 랙 베어링(267)은 상기 제1 기어 휘일(64A)의 회전 축선(71)과 일치하는 그 회전 축선(71)을 갖는다.

상기 구부러진 로드(266)는 볼 및 소켓 조인트(265)를 통해 링크(264)에 의해 이동된다. 상기 링크(264)는 베어링(263)을 통해 레버(262) 상에 장착된다. 베어링(261)은 비임(269) 상에서 그 내륜에 장착되며, 이는 다시 상기 기어 휘일(64B)의 베어링(63)의 내륜으로부터 나오는 샤프트(62) 상에 장착된다. 상기 샤프트(62)는 엔드-이펙터 비임(41) 상에 장착된다. 레버(260)는 상기 레버(262)의 경우와 마찬가지로 베어링(261)의 외륜 상에 장착된다. 상기 레버(260)의 팁이 수직으로 이동되었을 때, 레버(263)의 팁은 수평으로 이동하여, 전술한 레버(204, 207)와 장치를 비교한다. 상기 레버(260)의 팁의 수직 이동은 기어 링크(258)를 통해 상기 레버(256)의 팁의 수직 이동으로부터 얻어진다. 기어 링크(258)는 레버(256, 260)의 팁 상에서 볼 및 소켓 조인트(257 및 259)로 장착된다. 상기 레버(256)는 회전 샤프트(261) 상에 약 90도 각도로 장착되어, 도 1 및 3b의 레버(57)를 위한 장치를 비교한다. 따라서 샤프트(251)를 회전시키면 기어 링크(258), 2개의 레버(260, 262), 링크(264), 로드(266), 및 베어링(267)을 통해 레버(256)를 상하로 선회시키고, 상기 랙 기어(271)를 전후로 이동시켜, 기어 휘일(64A)의 회전각에 의해 결정된 경사 방향으로 툴(28)의 회전을 제공한다. 환언하면, 상기 로봇 아암(500)은 일 단부에 레버(256)를 갖는 회전 샤프트(251)를 포함하는 배향 링크기구(251, 258, 264)를 포함하고, 여기서 상기 레버(256)는 적어도 2 DOF 의 조인트(257)를 통해 기어 링크(258)에 연결된다. 상기 샤프트(251)는 베어링(253A, 253B) 상에 장착된다. 상기 베어링(253A)은 비임(255)을 통해 내부 아암-조립체(1) 상에 장착되고, 베어링(253B)은 상기 베어링(206)의 샤프트(269)를 통해 내부 아암-조립체 상에 장착된다. 베어링(253B)을 위한 샤프트(269)는 돌출부(205)를 통해 상기 내부 아암-조립체 상에 장착된다. 도면에서, 샤프트(251)는 제5 액추에이터(250)에 의해 회전되도록 배치된다. 따라서 상기 로봇 아암(500)은, 여기서는 제1 기어 휘일(64A)을 포함하는 외부 기어링 메커니즘을 통해 상기 엔드-이펙터 플랫폼(41) 상에 장착된 툴(28)의 대응의 이동에 제5 액추에이터(250)의 이동을 전달하도록 구성된 제5 운동학적 체인을 포함한다. 상기 제5 운동학적 체인은 배향 링크기구(251, 258, 264)를 통해 제5 액추에이터(250)에 연결된 적어도 하나의 랙 베어링(267, 297)을 포함한다. 그러나 도 1 및 3b에 도시된 바와 같이 90도 앵글 기어를 통해 샤프트(251)를 제5 액추에이터에 연결하는, 상기 제1 회전 축선(29)과 일치하는 회전 축선을 갖는 제5 액추에이터가 사용될 수 있다. 물론, 상기 레버(260)를 상하로 이동시키기 위해, 제4 액추에이터(150)에 의해 기어 휘일(64B)의 회전에 사용되는 바와 같은 변속기 체인 장치가 사용될 수 있다. 툴(28)의 회전을 위한 링크 체인 장치는, 물론 내부 아암-조립체(1)의 다른 측부 상에 배치될 수도 있으며, 선형 베어링 장치(270, 271)는 그 대신에 베어링의 좌측으로 샤프트(65) 상에 장착되어, 보다 콤팩트한 해결책을 설계하는 것을 가능하게 할 수 있다. 더욱이, 전체 랙 및 피니언 장치는 기어 휘일(64A)의 좌측에 위치될 수 있지만, 그러나 도면의 명확함을 위해 이런 더욱 콤팩트한 해결책은 도시되지 않았다. 도 3b에서처럼 기어 휘일 변속기(64A, 64B)를 랙 및 피니언 장치로 교체하는 것도 가능하다.

액추에이터(150)로부터 상기 기어(64B) 상에 장착된 레버로의 변속은, 액추에이터(250)로부터 레버(260) 로의 변속과는 상이하다. 그러나 두 경우 모두 동일한 변속기 개념을 사용하는 것이 가능하다. 액추에이터(150)와 상기 기어(64B) 상에 장착된 레버 사이에 사용된 변속기 개념이 사용되었을 때, 상기 백호 링크기구가 포함될 수 있다. 이하에 기재되는 바와 같이, 도 5a의 액추에이터(250)와 레버(260) 사이에 사용된 바와 동일한 변속기 개념이 도 6a, 9 및 10a에도 사용된다. 물론, 이들 변속기는 액추에이터(150)로부터 도 5a의 기어(64B) 상에 장착된 레버에 사용된 변속기의 타입으로 교체될 수 있으며, 이들은 도 4b에 도시된 상기 백호 링크기구를 포함할 수 있다.

랙(271)의 대안적인 실시예를 도시하는 도 5b에 있어서, 상기 랙(271)은 90도 회전되며, 이에 의해 톱니가(teeth)가 하방향을 향한다. 연결된 피니언(270)은 이제 수평 회전 축선을 가지며, 상기 샤프트(65)는 수평이다. 상기 툴(28)은 샤프트(65A)에 직각으로 장착된다. 도 5a에서처럼, 랙(270)을 위한 선형 베어링 조립체(273)는 기어 휘일(64A) 상에 장착되며, 상기 랙(271)과 변속기 부분(266) 사이의 베어링(267)은, 상기 기어 휘일(64A)의 회전 중심과 일치하는 그 회전 중심을 갖는다. 상기 랙 및 피니언의 이런 장착은 툴(28)의 경사각들을 모두 제어할 수 있는 가능성으로 나타난다.

지금까지 모든 액추에이터가 로봇 스탠드에 고정된 5축선 로봇 제어에 대한 해결책이 기재되었다. 6 DOF 를 얻기 위한 하나의 해결책으로는 도 6a 및 6b에 도시된 바와 같이 회전 샤프트, 카단 조인트, 및 90도 기어를 갖는 변속기를 사용하는 것이다.

도 6a 및 6b는 도 5a 및 5b에 따른 상기 랙 및 피니언 개념과 상기 직각 기어를 포함하는 변속기와의 조합을 포함하는, 제5 실시예에 따른 로봇 아암(500)을 도시하고 있으며, 하나의 추가적인 운동학적 체인을 달성하기 위해 카단 조인트(282, 280)가 사용되었다. 즉, 이런 하나의 추가적인 운동학적 체인은 상기 액추에이터(285)로부터의 이동을 상기 엔드-이펙터 플랫폼 상에 배치된 엔드-이펙터의 각각의 이동에 전달하도록 구성되었으며, 이는 상기 엔드-이펙터 운동을 위해 적어도 6의 자유도를 제공하며, 여전히 모든 액추에이터가 상기 로봇 스탠드에 고정되어 있다.

상기 로봇 아암(500)은 보다 상세히 설명하기 위해 여기서는 2개의 도면으로 분할되었다. 도 6a는 그 직각 기어 변속기(299)를 갖는 회전 액추에이터(285)로부터 엔드-이펙터 플랫폼(41) 상에서 수평으로 회전하는 샤프트(275)로의 변속을 도시하고 있다. 이를 가능하게 하기 위해, 상기 직각 기어 변속기(299)로부터의 출력은 내부 아암-조립체(1) 상에 장착된(도시되지 않은 장착) 샤프트(284)를 회전시킨다. 상기 샤프트(284)는 직각 기어(283)와 맞물리고, 그 출력은 링크(286)를 통해 제1 카단 조인트(282)에 연결되며, 상기 제1 카단 조인트는 라인(40) 상에 그 중심을 갖도록 장착된다. 상기 카단 조인트(282)의 출력은, 링크(279), 축선(32) 상에 그 중심을 갖는 제2 카단 조인트(280)를 통해, 그 다른 쪽 단부가 제2 카단 조인트(280)에 연결된 샤프트(281)를 회전시킨다. 상기 제2 카단 조인트(280)의 출력은 직각 기어(278)를 구동시키며, 이는 다시 샤프트(275)를 회전시킨다. 상기 샤프트(275)는 비임(68)의 내측에서 베어링에 장착되어, 상기 베어링(66)의 내측에서 자유롭게 회전할 수 있으며, 이는 중공 샤프트(65)를 통해 상기 제1 기어 휘일(64A)을 지지한다. 샤프트(275)는 또한 상기 샤프트(65) 및 제1 기어 휘일(64A)의 내측에서 자유롭게 회전하도록 구성된다. 따라서 도면부호 284 및 286을 포함하는 배향 링크기구 및 도면부호 281, 279, 및 275를 포함하는 배향 변속기는, 배향 축선(71)의 둘레로 상기 엔드-이펙터를 회전시키도록 배치되며, 이는 샤프트(65) 내측의 자유 회전으로 인해 회전각 제한이 없을 것이며, 또한 다른 곳에서도 정지가 없다.

도 6b는 샤프트(275)가 직각 기어(277)에 연결되고, 상기 직각 기어는 그 출력 시 상기 피니언(290)의 베어링 내측에서 자유롭게 회전할 수 있는 샤프트(65B)를 회전시키는 것을 도시하고 있다 상기 샤프트(65B)는, 그 출력 시 툴(28)을 회전시키는 샤프트(65C)에 연결된 마지막 직각 기어(288)에 연결된다. 따라서 엔드-이펙터로의 연결부는 여기서는 샤프트(65C)를 포함한다. 또한, 적어도 하나의 제2 기어 변속기(270/271)의 하나의 피니언(270)은, 직각 기어(288)를 통해 툴(28)에 연결된다. 상기 샤프트(65C)는 베어링(291) 및 비임(290)을 통해 피니언(270)에 연결된다. 도 5a 및 5b에서처럼, 랙 및 피니언(270, 271)은 제1 기어 휘일(64A)에 의해 회전되도록 배치된다. 직각 기어(278)의 출력 기어 휘일, 샤프트(275), 및 직각 기어(277)의 입력 기어 휘일의 회전 중심들은, 공통 축선(71) 상에 있다. 상기 랙(271)은 비임(266), 랙 베어링(267), 및 랙 부착부(287)를 통해 랙(272)에 연결된 링크(264)에 의해 이동된다. 도 5a에서처럼, 링크(264)는 레버(262)를 통해 링크 장치에 연결된다.

도 6a에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 로봇 스탠드에 고정된 액추에이터(285)로부터 툴(28) 회전을 얻기 위해서는, 5개의 직각 기어 및 2개의 카단 조인트가 필요하다. 이런 해결책의 장점은 무한 툴 회전각을 얻을 수 있다는 점이며, 단점으로는 카단 조인트(280, 282)의 작업 범위 제한 때문에 포지셔닝 작업 공간이 손실된다는 점이다.

도 6a에서 샤프트(275)가 양 단부가 개방된 직선형 샤프트[일부 타입의 베어링(66)을 갖는]임을 관찰함으로써, 본 기술분야의 숙련자는 많은 기존 제품에 따라 로봇의 외부 로봇 아암 세그먼트에 대한 유사성을 인식할 것이다. 이는 다수의 동심 샤프트 등에 대해 중공인 샤프트(275)를 다른 베어링(66) 및 내측의 또 다른 샤프트(275) 등으로 제조하는 방법을 직접적으로 나타내고 있다. 본 기술분야에서는 이러한 3개의 동심 샤프트를 갖는 것이 일반적인 관행이다. 도 6b에 도시된 예시적인 손목 메커니즘에 들어가는 이러한 다수의 동심 샤프트(275)는, 그 메커니즘을 연장/개정하기 위해(여기서는 고려되지 않은 다양한 방식으로), 또는 기존의 표준 로봇 손목을 본 발명에 따른 새로운 엔드-이펙터 플랫폼의 포지셔닝 내에 장착하기 위해 사용될 수 있다. 동심 샤프트(275)의 다른 쪽 단부를 고려하였을 때, 내부 샤프트는 외부로[도 6b에서는 중심선(71)을 따라 좌측으로] 추가로 돌출되며, 또한 각각의 샤프트에 대해 또 다른 직각 기어(278)를 추가하면, 제6 운동학적 체인의 나머지 부분[직각 기어(278)로부터 액추에이터(285)까지]이 복제될 수 있으며, 이는 다수의 운동학적 체인이 추가될 수 있음을 나타낸다. 그 후, 상기 로봇 아암은 배향 변속기(281, 279, 275)를 각각 포함하는 다수의 배향 링크기구(284, 286)를 포함한다.

또한, 본 기술분야의 숙련자가 발견할 수 있는 또 다른 변형예로서, 대응하는 다수의 동심 출력 샤프트(275)가 하나뿐만 아니라 엔드-이펙터 플랫폼 상에 예를 들어 상이한 방향으로 또는 서로의 옆에 배치된 다수의 엔드-이펙터에 대해서도 여러 개의 엔드-이펙터 배향을 작동시킬 수 있도록, 다수의 배향 링크기구가 구성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 많은 표준 관절형 로봇이 그 외부 아암 링크의 후방에 손목 모터(wrist motor)를 갖고 있고 샤프트가 손목으로의 외부-아암 링크를 통해 2 또는 3 DOF 로 평행하게 또는 동심으로 통과하기 때문에, 본 발명에는 도 2a에 따른 3 DOF SCARA와 같은(3 SCARA-like) 운동을, 상기 로봇 스탠드에 모두 고정되어 있는 다수의 모터(285)에 의해 구동되는 다수의 샤프트(275)에 의해 작동되는 표준 3DOF 로봇 손목(도 6b에 도시된 메커니즘 대신에, 기존의 컴포넌트/인터페이스를 사용하는)과 조합하는 것에 대해서는 옵션이 있다. 표준 SCARA 로봇 상에 샤프트(275)를 배치하면, 손목의 수직 배치(및 유용한 6 DOF SCARA가 존재하지 않음)를 처리하기 위해 고가의 무거운 신축성 샤프트를 요구할 것이며, 이는 상기 제3 운동학적 체인의 특성이 보다 슬림한 해결책을 가능하게 한다는 본 발명과는 차이가 있다.

도 7은 도 6b에 도시된 랙 및 피니언 장치의 대안적인 실시예를 도시하고 있으며, 카단 조인트를 사용하지 않고 6 DOF 를 얻을 수 있는 가능성을 제공하고 있다. 여기서는 제2 또는 추가적인 랙 및 피니언 장치(293, 294)가 도입되고, 상기 피니언(294)은 직각 기어(288)를 통해 상기 툴(28)을 회전시키는 데 사용된다. 또한, 적어도 하나의 제2 배향 변속기(293/294)의 하나의 피니언(294)은, 상기 직각 기어(288)를 통해 툴(28)에 연결된다. 랙(293)을 미끄러지게 하기 위해 랙 및 피니언 장치(270, 271)와 동일한 원리가 사용될 수 있지만, 그러나 로봇 스탠드(도면에 도시되지 않음) 상의 액추에이터에 대한 변속기로의 연결은 이제는 제1 기어 휘일(64A)을 통해 이루어진다. 따라서 링크(2)는 베어링(296)을 통해 병진에 의해 상기 샤프트(275)를 전후로 이동시키는 비임(297)에 연결된다. 상기 샤프트(275)는 베어링(66), 샤프트(65), 및 제1 기어 휘일(64A)의 내측에서 자유롭게 이동하고, 또한 비임(295)을 통해 랙(293)에 연결될 것이다. 랙 및 피니언 장치는 제1 기어 휘일(64A) 상에 장착될 것이며, 또한 도 6b에서처럼 샤프트(65C)는 베어링(291) 및 비임(290)을 통해 피니언(270)에 장착된다. 명확함을 위해 랙(271, 293)의 선형 베어링은 도시되지 않았지만, 그러나 이들은 플랫폼(도시되지 않음) 상에 장착되어 제1 기어 휘일(64A)에 의해 회전된다. 상기 피니언(270, 294)은 동일한 플랫폼 상에 베어링에 장착되고, 상기 샤프트(65)는 피니언(270)을 지지하는 베어링의 내측에서 자유롭게 회전할 수 있다. 직각 기어 조립체(288)는 피니언(270) 상에 장착된다(도시되지 않음). 따라서 기어 휘일(64A)을 회전시키면, 축선(71)의 둘레로 툴(및 전체 랙 및 피니언 변속기)을 회전시키며, 비임(266)을 이동시키면, 툴(28)을 상기 축선(71)과 직각인 샤프트(65)의 중심의 둘레로 회전시키며, 비임(297)을 이동시키면, 툴(28)을 상기 샤프트(65C)의 회전 중심의 둘레로 회전시킬 것이다.

도 7의 장치의 단점 중 하나는, 샤프트(65)의 중심의 둘레로 툴(28)의 회전이 상기 직각 기어(288)의 기능성 때문에 상기 툴(28)을 상기 샤프트(65C)의 중심의 둘레로 동시에 회전시킬 것이라는 점이다. 이를 피하기 위해, 도 8에 따라 제3 랙 및 피니언 장치가 도입될 수 있다.

도 8은, 6 DOF 로봇에서 직각 기어 및 카단 조인트를 완전히 피하기 위해, 기어 휘일(64A)에 의해 회전될 3개의 랙 및 피니언 장치를 갖는 실시예를 도시하고 있다. 상기 랙 및 피니언 장치 중 하나는 공통 피니언을 갖는 2개의 랙을 포함하며, 여기서 상기 랙은 서로에 대해 직각으로 장착된다. 여기서, 도 7의 직각 기어(288)는 랙 및 피니언 장치(315, 316)로 교체되었다. 상기 피니언(316)은 샤프트(65C)를 통해 툴을 회전시키며, 상기 랙(315)은 샤프트(65) 및 베어링(314)을 통해 랙(313)에 연결된다. 상기 랙(313)은 피니언(312)을 랙(311)과 공유하며, 이는 비임(310)을 통해 샤프트(275)에 연결된다. 따라서 비임(297)을 이동시키면, 베어링(296) 및 랙(311)을 통해 샤프트(275)를 이동시킬 것이다. 상기 랙(311)을 이동시키면, 피니언(312)을 통해 랙(313)을 상기 랙(311)의 이동에 직각으로 이동시킬 것이다. 환언하면, 하나의 랙 및 피니언 기어 변속기(311, 312, 313)는 여기서 공통의 피니언(312)을 통해 연결된 2개의 랙(311, 313)을 포함하며, 상기 2개의 랙(311, 313)은 서로에 대해 직각으로 이동하도록 배치된다. 그 후, 랙(315)은 랙 베어링(314)을 통해 샤프트(65)를 자유롭게 이동시킴으로써 이동될 것이다. 환언하면, 상기 랙 샤프트(65)는 또 다른 랙 및 피니언 변속기(270)에 속하는 피니언(270)의 축방향 관통 구멍에서 자유롭게 이동하도록 배치된다. 상기 랙(271)은 랙 부착부(287) 및 랙 베어링(267)을 통해 도 6b와 동일한 방식으로 이동된다. 상기 2개의 랙(313, 315)은 랙 샤프트(65) 및 랙 베어링(314)을 통해 서로 연결될 수 있다. 따라서 이런 해결책은 로봇 스탠드 상의 모든 액추에이터와 그리고 툴의 회전 축선 사이의 결합 없이 상기 로봇 아암(500)의 6 DOF 이동을 얻는 것을 가능하게 한다. 환언하면, 상기 로봇 아암은 적어도 하나의 추가적인 액추에이터, 및 상기 적어도 하나의 추가적인 액추에이터의 이동을 상기 엔드-이펙터 플랫폼 상에 배치된 엔드-이펙터의 대응의 이동에 전달하도록 구성된 적어도 하나의 추가적인 운동학적 체인을 포함하며, 이는 엔드-이펙터 운동에 대해 적어도 6의 자유도를 제공한다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 툴(28)을 회전시키는 샤프트(65C)는 피니언 기어 휘일(316)의 하부측에 장착된다. 그러나 이는 피니언 기어(316)의 상부측에도 바람직하게 장착될 수 있으며 또한 피니언(316)의 상부측 상에 샤프트에 장착된 하나의 툴을 가질 수 있고 또한 이와 동시에 피니언(316)의 하부측 상에 장착된 다른 툴을 갖는 것이 가능하다. 축선(1-3)의 주 구조물 상에 장착되고 또한 배향 변속기(64A, 64B) 및 축선(4-6)을 위한 3개의 병렬 링크 변속기 및 액추에이터를 갖는 도 8의 장치는, 축선(1-6)의 액추에이터로 베이스를 회전시키는 액추에이터에 의해 7 자유도 로봇으로 추가로 개발될 수 있다. 위생적인 요구 사항이 있거나 더러운 환경에 적용하는 경우에는, 회전식 밀봉만 사용된다면, 손목 축선(4, 5, 6)을 위한 조립체를 보호하기가 더욱 용이하다. 예를 들어 도 5의 장치를 밀봉하기 위해, 로드(266)에는 선형 이동을 위한 밀봉이 필요하다. 제6 실시예에 따른 로봇 아암(500)을 도시하고 있는 도 9a는 여기서는 단지 회전 밀봉만 필요하기 때문에 이런 문제를 해결하는 방법을 도시하고 있다. 이런 특징을 얻기 위한 방법은 제2 랙 및 피니언 장치를 구현하는 것이며, 여기서는 랙이 연결되어 있고 또한 피니언이 1 보다 큰 기어 계수를 제공하는 직경을 갖는다. 제5 액추에이터(250)로부터 링크(258)의 수직 이동까지 도 5와 동일한 변속기 설계에 의해, 상기 피니언 기어(302)는 그 팁이 볼 및 조인트 소켓(259)을 통해 링크(258) 상에 장착된 레버(300)에 의해 샤프트(301)를 통해 회전된다. 따라서 고정형 랙 및 피니언 변속기(302, 307)의 피니언(302)은 레버(300)를 포함하며, 적어도 2 자유도의 조인트(259)를 통해 레버(300)가 기어 링크(258)가 장착된다.

상기 피니언 기어 휘일(302)은 베어링(303)의 내륜에 장착된 샤프트(301) 상에 장착된다. 베어링(303)의 외륜은 선형 베어링 조립체 부분(305) 상의 비임(304)에 장착되며, 이는 다시 샤프트(63) 상에 장착되고, 따라서 상기 엔드-이펙터 비임(41)에 견고히 고정된다. 따라서 적어도 하나의 랙 베어링(267, 297)은 엔드-이펙터 플랫폼(41) 상에 장착된 고정형 랙 및 피니언 변속기(302, 307)를 통해 제5 액추에이터(250)에 연결된다. 상기 피니언 기어 휘일(302)이 회전하였을 때, 랙 기어는 수평으로 이동하며, 그리고 비임(308)에 의해 얻어진 강성 결합 때문에 랙 기어(271) 또한 수평으로 이동할 것이다. 상기 비임(308)은 샤프트(309) 및 베어링(267)을 통해 랙 기어(271)에 연결된다. 또한, 랙 베어링(267, 297)은 상기 고정형 랙 및 피니언 변속기(302, 307)의 랙(307)에 연결된다. 상기 샤프트(309)는 베어링(267)의 내륜에 장착되고, 상기 베어링(267)의 외륜은 랙 기어(271) 상에 장착된다. 일 실시예에 있어서, 피니언 기어 휘일(302)의 직경은, 툴(28)의 적어도 360도 회전을 얻기 위해, 상기 피니언 기어 휘일(270)의 직경보다 약 3 배 더 크다. 따라서 도 9a는 도 5의 링크 및 레버 장치(260, 262, 264)에 대한 대안적인 변속기를 도시하고 있다. 여기서, 제2 랙 및 피니언 기어는 도 5에 도시된 랙 및 피니언 기어와 직렬로 연결된다. 이런 방식으로, 오직 하나의 링크(258) 및 2개의 레버(256 및 300)와 함께, 링크 및 레버의 보다 간단한 배치가 사용될 수 있다. 따라서 상기 로봇 아암(500)은 제5 액추에이터(250), 및 상기 제5 액추에이터의 이동을 제1 기어 휘일(64A)을 통해 상기 엔드-이펙터 플랫폼(41)에 장착된 툴의 대응 이동에 전달하도록 구성된 제5 운동학적 체인을 포함한다. 여기서 상기 제5 운동학적 체인은 링크 변속기(251, 258, 264)를 통해 상기 제5 액추에이터(250)에 연결된 적어도 하나의 랙 베어링(267, 297)을 포함한다.

도 9b는 일부 실시예에 따른 대안적인 배향 링크기구를 도시하고 있다. 상기 배향 링크기구는 축선(256B) 및 레버(256)를, 상기 내부 아암-조립체(1)의 중심 축선과 직교하는 축선의 둘레로 회전시키기 위해, 90도 기어(256A)를 사용하는 옵션을 제공한다.

본 발명으로부터 이해되는 바와 같이, 일부 실시예에 있어서, 상기 로봇 아암은 다수의 배향 링크기구(52, 57, 59; 202, 204, 207, 209; 251, 256, 258)를 포함한다. 각각의 배향 링크기구는 연결된 배향 변속기(64B, 64A, 216; 64C, 64D, 64E; 100, 64A; 260, 262, 264, 266, 271, 270)를 각각 갖는다. 상기 다수의 배향 링크기구는 각각의 대응하는 엔드-이펙터 배향이 상기 엔드-이펙터 플랫폼 상에 배치된 하나 또는 여러 개의 엔드-이펙터에 대해 달성되도록 구성된다.

도 10a, 10b는 로터리 액추에이터의 수평인 공통의 제1 회전 축선(29)을 갖는, 제7 실시예에 따른 로봇 아암(500)을 도시하고 있다. 상기 로봇 아암(500)은 운동학적 구조물의 이해를 용이하게 하기 위해 도 10a 및 10b도로 분할된다. 따라서 도 10a는 툴(28)의 경사각을 제어하기 위해 운동학적 체인을 갖는 완전한 로봇 구조물을 도시하고 있다. 이 경우에, 상기 툴(28)은 기어 휘일(61B)에 연결된 수평 샤프트(65) 상에 장착된 경량 회전 액추에이터(390)에 의해 회전된다. 상기 기어 휘일(61B)은, 베어링(214)을 통해 엔드-이펙터 비임(41A)에 연결된 샤프트(213) 상에 장착된 기어 휘일(64B)과 맞물린다. 상기 엔드-이펙터 비임(41A)은 이 경우에는 중공인 비임(68)과 함께 요소(366)를 포함하는 엔드-이펙터 플랫폼(41)의 일부이며, 상기 샤프트(65)는 상기 중공 비임(68)의 각각의 단부에 하나의 베어링에 장착된다. 요소(366)를 포함하는 엔드-이펙터 플랫폼(41)은 조인트(367, 368, 369), 베어링(214), 및 샤프트(65)에 지지를 제공하기 위해, 함께 장착된 로드를 갖는 견고한 뼈대를 형성한다. 상기 샤프트(213)는 레버(61)에 의해 회전되며, 이는 볼 및 소켓 조인트(60)에 의해 상기 엔드-이펙터 회전 링크(59)에 연결된다. 상기 엔드-이펙터 회전 링크(59)는 레버(257)에 의해 상하로 이동되도록 배치되며, 레버(257)는 볼 및 소켓 조인트(58)를 통해 엔드-이펙터 회전 링크(59)에 연결된다. 상기 레버(257)는 베어링(53, 55) 상에 장착된 샤프트(52)에 의해 상하로 선회하도록 배치되며, 이는 다시 비임(53, 56)을 갖는 내부 아암-조립체(1) 상에 장착된다. 상기 샤프트(52)는 90도 앵글 기어(51)를 통해 상기 회전 액추에이터(50)에 의해 회전되도록 배치된다.

도 10a, 10b에 도시된 이런 설계에 있어서, 상기 엔드-이펙터 비임(41A)의 축선 중심의 둘레로 경사 자유도에 대한 제한 사항은, 볼 및 소켓 조인트(367A)에 의해 엔드-이펙터 플랫폼(41)에 연결되고 또한 볼 및 소켓 조인트(367B)에 의해 내부 아암-조립체(1)에 연결된, 제3 링크(365)에 의해 얻어진다. 상기 제1 링크(17)는 조인트(368)에 의해 엔드-이펙터 플랫폼(41)에 연결되고 또한 조인트(15)에 의해 내부 아암-조립체(1)에 연결되며, 상기 링크(18)는 조인트(369)에 의해 엔드-이펙터 플랫폼(41)에 연결된다. 도 7b에서 알 수 있는 바와 같이, 명확함을 위해 경사각의 제어를 위한 변속기가 제거된 경우, 외부 링크 쌍의 작동 링크(18)의 상단부는 베어링(16C)을 통해 베어링 쌍(16A, 16B)에 연결된다. 상기 베어링(16C)의 회전 중심은 작동 링크(18)의 축선 중심과 일치한다. 상기 베어링(16A, 16B)은, 베어링(16A, 16B)의 회전 축선들이 일치하고 또한 베어링(363)의 회전각에 대해 직각이 되는 방식으로, 상기 베어링(364) 상에 장착된다. 상기 베어링(363)은 샤프트(363) 상에 장착되며, 이는 다시 비임(643)을 통해 내부 아암-조립체(1)에 장착된다. 이제 베어링(16A)의 중심에 있고 또한 베어링(363)의 외륜에 연결되는 레버(362)는, 베어링 쌍(16A, 16B)을 상기 베어링(363)의 둘레로 선회시키는 데 사용되며, 그 결과 상기 작동 링크(18)는 내부 아암-조립체(1)의 중공 링크의 중심과 평행한 레버(362)의 둘레로 선회될 것이다. 상기 샤프트(363)는 각각의 단부에 볼 및 소켓 조인트(359, 361)를 갖는 링크(360)에 의해 상하로 선회하도록 작동된다. 상기 조인트(359)는 베어링(356)의 외륜 상에 장착된 레버(358)에 연결된다. 베어링(356)의 내륜은 비임(357) 상에 장착되고, 이는 다시 내부 아암-조립체(1)에 장착된다. 또 다른 레버(355)가 레버(358)에 대해 약 90도인 방향으로 상기 베어링(356)의 외륜 상에 장착된다. 상기 레버(355)는 실제로 볼 및 소켓 조인트일 수 있는 베어링(354)을 통해 링크(353)에 연결된다. 상기 링크(353)의 다른 쪽 단부는 베어링(352)을 통해 레버(351)에 연결된다. 상기 베어링(352)은 볼 및 소켓 조인트로 교체될 수도 있다. 상기 레버(351)는 회전 액추에이터(350)에 의해 강제로 선회된다. 일부 용도에 있어서, 링크(18)를 선회시키는 이런 변속기는 이전 도면에서처럼 제1 회전 샤프트(3)를 사용하는 것보다 더 좋다. 실시예에서는 내부 아암-조립체(1)가 매우 길고 또한 회전 토크를 갖는 샤프트(3) 대신에 단지 축방향 힘만으로 링크(353)에서 강성도를 얻는 것이 더욱 용이하다.

이들 도면에 도입된 또 다른 새로운 특징은 이전 도면에서처럼 단일 링크(11, 12) 대신에, 링크 쌍(11A, 11B 및 12A, 12B)을 사용한다는 점이다. 이는 링크 쌍의 링크들 사이의 스프링과 함께 유지되는 간단한 볼 및 소켓 조인트 쌍을 사용하는 것을 가능하게 한다. 따라서 여기서 링크 시스템은 제3 링크(365)를 포함하며, 내부 아암-링크기구는 한 쌍의 평행한 병렬 링크 쌍(11A, 11B; 12A, 12B)을 포함하며, 상기 툴(28)의 경사각의 작동은 이제는 축방향 힘만을 취하는 링크(353)를 통해 이루어진다. 환언하면, 내부 아암-링크기구[내부의 병렬 링크 쌍(11, 12)]의 링크는 병렬 링크 쌍(11A, 11B; 12A, 12B)을 포함하고; 이들 병렬 링크 쌍(11A, 11B; 12A, 12B)은 외부 아암-링크기구의 링크의 각각의 링크 측부 상의 볼 조인트 및 소켓 조인트에 장착된다.

이전의 도면들에 있어서, 중공 축 액추에이터는 도면을 보다 용이하게 이해할 수 있도록 개략적으로 도시되었다. 그 대신에, 도 11은 중공 샤프트가 없는 표준 모터로 동작이 이루어지는 방법을 도시하고 있다. 도 11은 중공 링크(1A) 및 로터리 샤프트(3)를 구동하는 2개의 액추에이터의 단면도이다. 상기 중공 링크(1A)와 샤프트(3) 모두는 튜브이며, 예를 들어 탄소 강화 에폭시로 제조된다. 중공 링크(1A)는 하우징(417)과 함께 조립되는 링(424)의 외측 상에 장착된다. 이런 하우징은 샤프트(416) 상에 장착되며, 이는 샤프트(413) 및 기어 휘일(414, 415)을 통해 모터(412)에 의해 회전된다. 상기 기어 휘일(415)은 샤프트(416)의 외면 상에 직접 장착되고, 기어 휘일(414)은 샤프트(413)의 단부에 장착된다. 상기 샤프트(413)에는 기어 하우징(430)과 샤프트(413) 사이의 베어링 쌍(428)이 설치된다. 동일한 방식으로, 샤프트(416)에는 기어 하우징(430)과 샤프트(416) 사이의 베어링 쌍(426)이 설치된다.

상기 샤프트(3)는 내부의 짧은 샤프트(422)와 외륜(423) 사이에 장착된다. 상기 외륜은 다시 샤프트(3)의 회전을 지지하기 위해 상기 베어링(425)을 통해 하우징(417)에 장착된다. 다른 단부에서, 샤프트(3)는 내부 아암-조립체(1)의 중공 링크(1A)의 내측에서 대응의 베어링에 장착된다. 상기 짧은 샤프트(422) 상에는 90도 기어 휘일(421)이 장착된다. 상기 기어 휘일(421)은 모터(418)에 의해 구동되는, 상기 샤프트(419) 상에 장착된 90도 기어 휘일(420)에 의해 구동된다. 상기 샤프트(419)는 샤프트들(416, 419) 사이의 베어링 쌍(427)에 의해 지지된다. 제1 회전 축선(29)(이전의 도면들과 비교)은 베어링(425)의 회전 중심, 및 샤프트(3)의 다른 쪽 단부에서 베어링의 대응의 회전 중심에 의해 정의된다. 제1 회전 축선(29)(이전의 도면들에서도 도시되어 있음)은 샤프트(419)의 회전 중심에 의해 정의된다. 따라서 도 11은 도 1-6에 도시된 바와 같이 중공 샤프트 모터를 사용하지 않고, 로터리 액추에이터가 공통 회전 축선을 얻기 위해 배치되는 실시예를 도시하고 있다. 모터(412, 418)는 서로 옆에 장착되며, 중공 샤프트(416) 기어(414, 415)가 사용된다.

도 12a는 액추에이터의 제1 회전 축선(29)이 2개의 상이한 평행한 회전 축선(29A, 29B)으로 분할된 도 1의 대안적인 버전을 도시하고 있다. 이런 방식에 의해, 중공 샤프트 액추에이터가 요구되지 않는다. 여기서, 제2 액추에이터(5)는 그 자체의 회전 축선(29B)을 갖도록 이동되며, 예전처럼 레버(2)를 선회시켜 상기 병렬 링크(11, 12)를 이동시키도록 배치된다. 제1 액추에이터(4) 및 제3 액추에이터(6)는 공통의 회전 축선(29A)을 갖는다. 상기 제1 액추에이터(4)는 내부 아암-조립체(1) 상에 직접 장착되고, 상기 제3 액추에이터(6)는 도면에는 도시되지 않은 직각 기어에 연결되어, 샤프트(3)를 회전시킨다. 액추에이터 장치가 보다 간단해질 것이라는 이점과 동시에, 작업 공간이 다소 감소될 것이며 또한 링크(11, 12)에서의 힘 변속이 상기 내부 아암-조립체(1)의 회전각에 의존할 것이라는 단점이 있을 것이다. 3개보다 많은 액추에이터를 갖는 도면에서는, 물론 상이한 액추에이터들 사이에 평행한 회전 축선을 갖는 것이 가능할 것이다. 도 12a의 추가 설명을 위해, 도 1의 설명이 참조된다.

도 12b는 회전 모터, 출력 모터 샤프트 상의 가능한 기어 박스, 및 도 12a에서처럼 각각의 운동학적 체인을 작동시키기 위해 원하는 운동을 전달하는 레버[여기서는 레버(2)]로 구성되는 액추에이터[여기서는 액추에이터(5)] 대신에, 링크 단부의 원하는 운동이 선형 액추에이터에 의해 직접 달성될 수 있음을 도시하고 있다. 도 12a의 2개의 링크(11, 12)의 기능[조인트(13, 14)를 이동시키는 기능]은, 조인트(13, 14)에서 각각 종료되는 2개의 볼-스크류(811, 812)에 의해 달성되며, 이에 따라 링크(11, 12)의 기능을 제공한다. 상기 볼-스크류(811, 812)는 다른 쪽 단부에서는 여기서 조인트(9, 10)와 동일한 기능을 갖지만 그러나 각각의 링크(811, 812)의 둘레로 회전을 허용하지 않는 볼-스크류의 최상의 기능을 위해 유니버설 조인트(809 및 810)를 통해 비임(8)에 연결된다. 각각의 볼-스크류는 도면부호 809, 810에서 그 베이스 단부에 회전 가능하게 고정되는 볼-너트 부분(811A, 812A)을 포함하며, 또한 볼-스크류 부분(811A, 812A)으로부터 연장되는 스크류(811B, 812B)로부터의 선형 운동을 달성하기 위해 필요 시에는 스크류 부분(811B, 812B)에 대해 회전 가능하게 고정되는 것도 가능하며, 이에 따라 링크(811, 812)를 더 짧게 또는 더 길게 한다. 여기서, 액추에이터(5)는 스크류(811B, 812B)가 회전하도록 도면부호 811A 및 812A에 복제되어 구축되거나 또는 이에 부착된다. 여기서, 액추에이터(5)(도 12a)는 상기 811A 및 812A에 통합되어 있으므로, 도면에서는 보이지 않는다. 도 12a에 있어서, 단일 액추에이터(5) 및 레버(2)는 비임(8)을 이동시키지만, 그러나 도 12b에서 2개의 볼-스크류 각각은 하나의 액추에이터를 가지며, 따라서 이들은 (언급된 제어 시스템에 의해) 동기식으로 이동되어, 축선(30, 31)을 평행하게 유지해야만 한다. 대안적인 실시예는 축선(29B)을 중심으로 회전하지만 그러나 액추에이터(5)가 없는 레버(2)를 갖는 것이지만, 그 대신에 중심선(29A) 근처의 위치로부터 비임(8)으로 작용하는 볼-스크류를 갖는 것이다. 이런 방식으로, 오직 하나의 볼-스크류만 필요할 것이다. 상기 볼-스크류는 또한 중공 링크(1A) 상의 위치(도시되지 않음)로부터 작동하며, 상기 로봇 스탠드로는 힘을 전달하지 않을 수도 있다.

일반적으로, 선형 액추에이터를 사용하는 또 다른 방법은 제한된 범위의 회전을 생성하기 위해 레버로 이들을 사용하는 것이다. 구체적으로, 이는 도 6a, 6b, 및 12b를 제외한 첨부의 모든 도면에서 모든 액추에이터에 의해 발휘되는 모든 회전에 적용되며, 그 운동은 회전 액추에이터에 의해 생성되고, 이는 통상적으로 기존의 로봇 관행에 따라 무제한의 회전 능력을 갖는다. 그러나 기재된 로봇 아암에 의해, 도 6a 및 6b의 다수의 손목 운동을 제외하고는, 큰 범위의 액추에이터를 가질 필요가 없다. 그 대신에, 본 발명에 따라, 각각의 액추에이터는 선형일 수 있으며, 또한 적절한 레버가 배치될 수 있다. 따라서 볼-스크류와는 별도로, 액추에이터는 매우 저렴한 로봇 경비를 위해 또는 매우 높은 엔드-이펙터 힘을 위해 각각 공압식 또는 유압식일 수도 있다.

여기에 사용된 바와 같은 변속기는 실제 기어와 함께 전형적인 피니언-피니언 또는 랙-피니언과 같은 기어 변속기일 수 있지만, 그러나 피니언-피니언 또는 랙-피니언 기어 변속기와 동등한 기능을 갖는 와이어 또는 벨트에 기초할 수 있는 다른 변속기로 교체될 수 있다. 여기에 사용되는 바와 같이, "변속기"라는 용어는 전술한 기어 변속기의 타입과 유사한 기능의 임의의 변속기를 의미한다.

도 13은 도 1 및 3a의 엔드-이펙터 회전을 위한 변속기의 일부를 도시하고 있지만, 그러나 여기서 기어(64A, 64B)는 벨트(64E)에 연결된 벨트 휘일(64C, 64D)로 교체되었다. 도 13의 구성 요소에 대한 추가적인 설명을 위해, 도 1 및 도 3-3d의 설명이 참조되었다. 벨트 변속기는 때로는 기어 변속기보다 더욱 간단한 메커니즘으로 제조될 수도 있다. 더욱이, 변속기가 플라스틱 재료로 제조되었다면, 저렴한 벨트 변속기는 플라스틱으로 제조된 기어 휘일보다 더 긴 수명을 가질 수 있다.

도 14a 및 14b는 일부 실시예에 따라 제2 운동학적 체인을 위한 백호 메커니즘(도 4b 참조)의 사용을 설명하고 있다. 도 14a는 먼저 연결 베어링이 상기 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18)의 2개의 링크의 회전 중심선의 둘레에 여전히 위치되어 있는 바와 같은 백호를 도시하고 있다. 상기 백호의 베이스 베어링(803)은 상기 내부 아암-조립체(1)의 부분(1A) 상에 위치되며, 이는 상기 백호가 도 3a에서처럼 2개의 링크(805, 806) 및 유니버설 조인트(21, 22)를 통해 작동될 수 있음을 의미한다. 연결 베어링에 대해 더욱 바람직한 힘의 방향을 위해 베어링(803)을 샤프트(3) 상에 위치시키면, 예를 들어 도면부호 8과 802 사이에 추가적인 조인트 및 도면부호 8과 7C(도면에는 표시되지 않음) 사이에 추가적인 링크를 도입함으로써, 회전 축선(31, 32)을 상기 축선(33)에 평행하게 유지하는 또 다른 방법을 요구할 것이다. 상기 백호의 동기는 제2 운동학적 체인의 작업 범위를 증가시키며, 이에 의해 로봇 아암(500)의 작업 공간을 증가시킨다. 특히, 대부분의 SCARA 로봇은 2 DOF 에 대해 180도 이상의 작업 범위를 갖는다. 다른 한편으로, WO 2014187486호에 따른 로봇 설계는 내부 및 외부 아암 링크기구에 기초한 평행사변형에 의해 제한되어 있으며, 또한 원하는 180도 범위 내에서는 작동할 수 없다. 상기 백호(도 4b에 도입된)는 이런 문제를 해결할 수 있으며, 이에 따라 WO 2014187486호과 관련하여 차별화된 특징을 형성할 수 있다.

도 14a에 적용된 백호는, 아암이 상기 엘보 조인트(161)와 교차하는 제2 회전 축선(40)의 둘레로 증가된 각도로 스트레칭됨에 따라, 조인트(9C, 10C)에 대한 작동력이 보다 잘 지향되도록, 이제 비임(8)이 엘보에 더 가깝게 위치되어, 이제 레버(802)에 의해 베어링(803)의 둘레로 회전하는 비임(8)에 대한 기본 원리를 도시하고 있다. 이는 적어도 축선(33) 방향으로 엔드-이펙터 힘에 대한 능력을 고려하여 작업 공간의 약간의 증가를 제공하지만, 그러나 경쟁력 있는 작업 범위에는 도달하지 않는데, 그 이유는 스트레칭된 아암이 베어링(15C, 16C)에 의해 허용되는 바와 같이 회전 축선의 둘레를 플립핑하는(flipping) 상기 외부의 병렬 링크 쌍에 의해 특이점에 도달할 것이기 때문이다. 베어링(15A, 15B, 15C)은 앞의 도면에서는 조인트(15)와 등가임을 인식해야 한다. 즉, 링크 부분(804)은 상기 플립핑에 관한 문제가 아니며; 조인트(15)는 도 14b에 도시된 바와 같은 해결책의 예시적인 준비로서 단일-DOF 조인트로 분리된다.

도 14b에 있어서, 상기 백호는 외부 아암-링크기구의 옵셋 부분 상에 위치된 연결 베어링(21, 22)을 통해 상기 외부의 병렬 링크 쌍에 동작하도록 구성된다. 즉, 그 공통 회전 축선(31)을 갖는 연결 베어링은, 상기 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18)의 회전 축선과는 더 이상 교차하지 않는다. 그 대신에, 상기 연결 베어링은, 그 내부 베어링[도 3d의 베어링(21A)의 내부]이 제2 회전 축선(40)과 교차하는 축선의 둘레로 회전하도록 각각 위치된다. 이런 설계는 링크 길이에 비해 언급된 옵셋의 적절한 치수에 의해 본 기술분야의 숙련자가 용이하게 결정할 수 있다[작동 링크(18)의 회전 축선과 교차할 때까지 축선(33)을 따른 축선(40) 사이의 거리인 옵셋이, 적어도 상기 작동 링크의 길이와 상기 축선(40)과 평행한 법선 방향을 갖는 평면에 대해 상기 외부 아암 링크기구의 최대 각도의 사인(sine)과의 곱인 것을 찾기]. 적절한 옵셋[작동 링크(18)의 길이와 sin(x)의 곱과 같은, 여기서 x 는 축선(40)에 평행한 법선 방향 평면에 대해 외부 아암-링크기구의 최대 허용 회전이다]에 의해, 특이점은 작업 공간의 외측에 있을 것이며(제어 시스템에 구성되는 바와 같은 최대로 허용되는 x 와 일치하는 z 방향의 허용 범위를 갖는), 상기 제2 운동학적 체인은 외부 아암-링크기구가 가장 외측으로 스트레칭된 위치를 지나 작동할 수 있다.

본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않는다. 다양한 대안, 수정, 및 등가물이 사용될 수 있다. 상이한 도면들에 도시된 원리는 물론 구체적으로 예시된 운동학적 체인이나 실시예뿐만 아니라, 본 기술분야의 숙련자에게 적용 가능하고 명백한 아암 구조물의 다른 부분에서도 조합될 수 있다. 이에 따라 상기 실시예들은 첨부된 청구 범위에 의해 정의된 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다.

Claims (22)

1. 엔드-이펙터 운동을 위한 로봇 아암(500)으로서:
   - 제1 회전 축선(29, 29A)을 중심으로 내부 아암-조립체(1)를 회전시키도록 구성되는 제1 액추에이터(4)로서, 상기 내부 아암-조립체는 제2 회전 축선(40)의 둘레에 피봇 가능하게 배치된 외부 아암-링크기구(17, 18; 18)에 연결되고, 상기 외부 아암-링크기구는 엔드-이펙터 플랫폼(41)에 연결되고, 이에 따라 상기 제1 액추에이터로부터 상기 엔드-이펙터 플랫폼까지 제1 운동학적 체인을 형성하여, 상기 엔드-이펙터 플랫폼을 위치시키기 위한 제1 자유도를 제공하며;
   - 상기 외부 아암-링크기구(17, 18; 18)를 상기 제2 회전 축선(40)의 둘레로 회전시키도록 구성되는 제2 액추에이터(5; 5b)로서, 이에 따라 상기 제2 액추에이터로부터 상기 엔드-이펙터 플랫폼까지 제2 운동학적 체인을 형성하여, 상기 엔드-이펙터 플랫폼을 위치시키기 위한 제2 자유도를 제공하며;
   - 상기 외부 아암-링크기구(17, 18; 18)가 조인트(16, 161)를 통해 회전되도록 샤프트(3)를 제3 회전 축선(33; 99)의 둘레로 회전시키도록 구성된 제3 액추에이터(6; 6b, 512)로서, 이에 따라 상기 제3 액추에이터(6; 6b)로부터 상기 엔드-이펙터 플랫폼까지 제3 운동학적 체인을 형성하여, 상기 엔드-이펙터 플랫폼을 위치시키기 위한 제3 자유도를 제공하며;
   - 제4 액추에이터(50; 150), 및 상기 제4 액추에이터의 이동을 엔드-이펙터(28)를 위한 대응의 배향 축선(65)에 전달하도록 구성되는 제4 운동학적 체인을 포함하며,
   상기 제4 운동학적 체인은,
   적어도 하나의 베어링(53, 55; 206)을 통해 상기 내부 아암-조립체에 장착된 배향 링크기구(52, 57, 59; 202, 204, 207, 209; 284, 286; 251, 256, 258); 및
   상기 엔드-이펙터 플랫폼에 장착된 배향 변속기(64B, 64A, 216; 64C, 64D, 64E; 100, 64A; 281, 279, 275; 260, 262, 264, 266, 271, 270)를 포함하며,
   상기 배향 링크기구는 엔드-이펙터 회전 링크(59; 209; 258; 281), 및 상기 엔드-이펙터 회전 링크의 각각의 엔드-조인트에 대해 적어도 2의 자유도를 제공하는 조인트(58, 60; 208, 210; 257, 259; 257, 259; 282, 280)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 로봇 아암.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 배향 변속기는 상기 엔드-이펙터 운동에 대해 적어도 4의 자유도를 제공하는, 상기 엔드-이펙터에 대한 연결부(65; 65, 216, 27; 216, 514, 27; 65A; 65C; 65B, 65C; 65, 390)를 포함하는, 로봇 아암.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 배향 변속기(64B, 64A, 216; 64C, 64D, 64E; 100, 64A; 260, 262, 264, 266, 271, 270)는, 외부 기어링 메커니즘의 기어비에 의해 결정되는 각도 범위 내로 상기 엔드-이펙터(28)를 회전시키도록 배치된 적어도 하나의 외부 기어링 메커니즘(64B, 64A; 64C, 64D, 64E; 100, 64A; 271, 270)을 포함하는, 로봇 아암.
4. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 배향 링크기구(52, 57, 59; 202, 204, 207, 209; 251, 256, 258)는, 상기 외부 아암-링크기구(17, 18; 18)의 회전에 의해 제한되지 않고, 내부 기어링 메커니즘의 기어비에 의해 결정되는 각도 범위 내로 상기 엔드-이펙터(28)를 회전시키도록 배치되는 적어도 하나의 내부 기어링 메커니즘(501, 502, 503, 504, 505)을 포함하는, 로봇 아암.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 배향 링크기구(284, 286) 및 상기 배향 변속기(281, 279, 275)는 회전각 제한 없이, 상기 엔드-이펙터를 배향 축선(71)의 둘레로 회전시키도록 배치되는, 로봇 아암.
6. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제2 운동학적 체인은 연결 베어링(14; 21, 22)을 통해 상기 외부-아암 링크기구(17, 18; 18)에 연결된 적어도 하나의 링크(11, 12; 12)를 포함하는 상기 내부 아암-링크기구를 포함하며, 상기 제2 액추에이터(5)는 상기 적어도 하나의 링크(11, 12; 12)에 연결된 적어도 하나의 내부 연결 조인트(10; 9, 10)를 통해 상기 적어도 하나의 링크(11, 12; 12)를 이동시키도록 구성되는, 로봇 아암.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 외부 아암-링크기구는 상기 엔드-이펙터 플랫폼(41)에 연결된 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18)을 포함하고, 상기 내부 아암-링크기구는 상기 외부 아암-링크기구의 상기 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18)에 연결되는 내부의 병렬 링크 쌍(11, 12)을 포함하며, 상기 제2 운동학적 체인은 레버(2)의 회전을 상기 엔드-이펙터 플랫폼의 대응 이동에 전달하도록 구성되는, 로봇 아암.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18) 및 상기 내부의 병렬 링크 쌍(11, 12)은, 상기 각각의 링크(11, 17; 12, 18)의 각각의 링크 연결을 위해 하나의 연결 베어링(21, 22)에 의해 연결되며, 상기 연결 베어링(21, 22)의 상기 회전 축선(34, 35; 31)은 상기 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18)의 각각의 링크의 축방향 중심선에 직각인, 로봇 아암.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 연결 베어링(21, 22)을 서로 기계적으로 연결하는 경질 비임(25)을 포함하는, 로봇 아암.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 내부의 병렬 링크 쌍(11, 12)은 옵셋 비임(23, 24) 상의 볼 및 소켓 조인트(13, 14)를 통해 상기 경질 비임(25)에 장착되는, 로봇 아암.
11. 청구항 7 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3 운동학적 체인은 상기 제3 액추에이터(6)와 상기 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18)의 작동 링크(18) 사이에 연결된 내부 변속기(3; 362, 360, 353)를 포함하는, 로봇 아암.
12. 청구항 7 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18)의 상기 작동 링크(18)를 따라 장착된 링크 베어링(16C)을 포함하며, 상기 링크 베어링(16C)의 회전 축선은 상기 외부의 병렬 링크 쌍의 상기 작동 링크(18)의 중심과 일치하는, 로봇 아암.
13. 청구항 7 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18)과 상기 엔드-이펙터 플랫폼(41)을 연결하는 엔드-이펙터 베어링(19, 20)을 포함하며, 상기 엔드-이펙터 베어링의 회전 축선(36, 37)은 상기 외부의 병렬 링크 쌍의 중심과 직교하는, 로봇 아암.
14. 청구항 13에 있어서,
    상기 엔드-이펙터 베어링(19, 20)의 상기 회전 축선(36, 37)은 상기 연결 베어링(21, 22)의 상기 회전 축선(34, 35)과 평행한, 로봇 아암.
15. 청구항 7 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18)의 링크와 상기 내부의 병렬 링크 쌍(11, 12)의 링크를 연결하는 연결 베어링(21A, 22A)을 포함하며, 각각의 연결 베어링(21A, 22A)의 회전 축선은 상기 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18)의 각각의 링크의 중심과 일치하는, 로봇 아암.
16. 청구항 7 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부의 병렬 링크 쌍(11, 12)의 링크는 병렬 링크 쌍(11A, 11B; 12A, 12B)을 포함하며, 이들 병렬 링크 쌍(11A, 11B; 12A, 12B)은 상기 외부의 병렬 링크 쌍(17, 18)의 링크의 각각의 측부 상에 볼 및 소켓 조인트로 장착되는, 로봇 아암.
17. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부 아암-조립체(1)는 중공인 아암 링크(1a), 및 상기 중공 아암 링크(1a)의 내측에서 축방향으로 베어링에 장착되는 샤프트(3)를 포함하며, 상기 샤프트(3)는 상기 제3 액추에이터(6)에 의해 회전되도록 배치되는, 로봇 아암.
18. 청구항 5 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
    배향 변속기(281, 279, 275)를 각각 포함하는 다수의 배향 링크기구(284, 286)를 포함하며, 상기 다수의 배향 링크기구는 대응하는 다수의 동심 출력 샤프트(275)가 상기 엔드-이펙터 플랫폼 상에 배치된 하나 또는 여러 개의 엔드-이펙터에 대해 여러 개의 엔드-이펙터 배향을 작동시킬 수 있는, 로봇 아암.
19. 청구항 3, 청구항 4, 청구항 6 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 있어서,
    다수의 배향 링크기구(52, 57, 59; 202, 204, 207, 209; 251, 256, 258)를 포함하며, 상기 각각의 배향 링크기구는 각각의 대응하는 엔드-이펙터 배향이 상기 엔드-이펙터 플랫폼 상에 배치된 하나 또는 여러 개의 엔드-이펙터에 대해 달성되도록 구성된, 그 연결된 배향 변속기(64B, 64A, 216; 64C, 64D, 64E; 100, 64A; 260, 262, 264, 266, 271, 270)를 갖는, 로봇 아암.
20. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔드-이펙터 플랫폼(41)에 장착되고, 상기 적어도 2개의 배향 변속기 중 하나의 외부 기어링 메커니즘(64B, 64A; 64C, 64D, 64E; 100, 64A; 271, 270)이 상기 적어도 2개의 배향 변속기(270, 271; 293, 294; 315, 316; 311, 312, 313) 중 적어도 다른 하나를 회전시키도록 배치되는, 적어도 2개의 배향 변속기(64A, 64B; 270, 271; 293, 294; 315, 316; 311, 312, 313)를 포함하는, 로봇 아암.
21. 청구항 2 내지 청구항 20 중 어느 한 항에 있어서,
    제5 액추에이터(250), 및 상기 제5 액추에이터(250)의 이동을 상기 적어도 하나의 다른 배향 변속기를 통해 상기 단부-이펙터 플랫폼 상에 배치된 상기 단부-이펙터(18)의 대응 이동에 전달하도록 구성된 제5 운동학적 체인을 포함하는, 로봇 아암.
22. 청구항 2 내지 청구항 21 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 추가적인 액추에이터(50; 150; 250; 285), 및 상기 적어도 하나의 추가적인 액추에이터의 이동을 상기 엔드-이펙터 플랫폼 상에 배치된 엔드-이펙터의 각각의 이동에 전달하여, 상기 엔드-이펙터 운동에 대해 적어도 6의 자유도를 제공하도록 구성된 적어도 하나의 추가적인 운동학적 체인을 포함하는, 로봇 아암.

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