KR950002357B1 - Industrial robot pitch joint - Google Patents

Abstract

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Description

자립식 피치관절Freestanding Pitch Joints

제 1 도는 제어시스템이 도표로 예시되어 있는 이 발명에 따른 매니퓰레이터의 사시도.1 is a perspective view of a manipulator according to the invention, in which the control system is illustrated diagrammatically.

제 2 도는 매니퓰레이터의 작업공간을 예시하며, 7개의 축선들을 포함하도록 구성된 매니퓰레이터의 측면도.2 is a side view of the manipulator configured to include seven axes, illustrating a workspace of the manipulator.

제 3 도는 매니퓰레이터의 연속적인 팔 관절들을 조립하는 수단을 도시한 분해 사시도.3 is an exploded perspective view showing the means for assembling successive arm joints of the manipulator.

제 4 도는 이 발명에 의해 제공된 모듈성 특징을 나타내는 개략도.4 is a schematic representation of the modular features provided by this invention.

제 5 도는 인접한 로울 관절들의 회전 축선들이 공통 직선이 되게 뻗어있는 매니퓰레이터 팔 일부의 평면도.5 is a plan view of a portion of the manipulator arm in which the axes of rotation of adjacent roll joints extend to become a common straight line.

제 6 도는 제 5 도의 매니퓰레이터 팔 부분의 측면도.6 is a side view of the manipulator arm portion of FIG.

제 7 도는 제 5 도의 6-6선에 따른 로울 관절의 부분 단면도.7 is a partial cross-sectional view of the roll joint according to line 6-6 of FIG.

제 8 도는 제 6 도의 8-8선에 따른 피치 관절의 부분 단면도.8 is a partial cross-sectional view of the pitch joint along line 8-8 of FIG.

제 9 도는 매니퓰레이터, 디지탈 제어 장치 및 서어보제어 회로로 구성된 시스템의 블록 선도.9 is a block diagram of a system consisting of a manipulator, a digital control device and a servo control circuit.

제10도는 이 발명의 서어보제어 회로의 개략적인 선도.10 is a schematic diagram of a servo control circuit of this invention.

제11도는 일반적인 다관절식 팔 매니퓰레이터의 조종성 한계들을 나타내는 사시도.11 is a perspective view showing maneuverability limits of a general articulated arm manipulator.

제12도는 이 발명의 조종성을 나타내는 사시도.12 is a perspective view showing the maneuverability of the present invention.

제13도는 이 발명이 고정된 작동 평면을 벗어나 매니퓰레이터의 "팔꿈치"를 "선회"시킬 수 있음을 나타내는 사시도, 및FIG. 13 is a perspective view showing that the invention can "turn" the elbow of the manipulator out of a fixed working plane, and

제14도는 이 발명의 인접한 로울 관절들이 평행한 위치로 되접혀질 수 있음을 나타내는 사시도이다.14 is a perspective view showing that adjacent roll joints of this invention can be folded back into a parallel position.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

2, 6, 10, 14 : 로울 관절 4, 8, 12 : 피치 관절2, 6, 10, 14: roll joints 4, 8, 12: pitch joints

3 : 제어 시스템 5 : 입력/출력 콘솔(console)3: control system 5: input / output console

13 : 서어보장치 회로 16 : 공구13 servo circuit 16 tool

36 : 클램프 링 44 : 이어 모듈(ear module)36: clamp ring 44: ear module

46 : 케이스 모듈 64 : 구동 하우징 조립체46 case module 64 drive housing assembly

68, 70 : 베어링 74 : 내측 베어링 클램프68, 70: bearing 74: inner bearing clamp

88 : 경질 스플라인 90, 238 : 모우터 장착판88: hard spline 90, 238: motor mounting plate

100, 260 : 파형 발생기 108, 224 : 조파 구동칼라100, 260: waveform generator 108, 224: harmonic driving color

110 : 클러치 링 112, 226 : 가요성 스플라인(flexspline)110: clutch ring 112, 226: flexible spline (flexspline)

120 : 클러치 판 176 : 모우터 이어120: clutch plate 176: motor ear

178 : 구동 이어 160, 259 : 리졸버(resolver)178: driving ear 160, 259: resolver

214 : 조파구동 클러치 판 370, 372 : 차동 증폭기214: harmonic drive clutch plate 370, 372: differential amplifier

374 : 계측 증폭기 376, 378 : 작동 증폭기374: instrumentation amplifier 376, 378: operational amplifier

384 : 속도 루우프 보상 회로망 388 : 지연(lag) 회로망384: speed loop compensation network 388: lag network

394 : 토오크 루우프 보상 회로망394: torque loop compensation network

이 발명은 산업용 로보트 또는 컴퓨터 제어 매니퓰레이터(manipulator)에 관한 것으로, 더 구체적으로 불확정한 갯수의 축선들이 있으며 운동학적 용장성을 갖게 구성될 수 있는 다관절식 기계 팔의 설계 및 제어에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD This invention relates to industrial robots or computer controlled manipulators, and more particularly to the design and control of an articulated mechanical arm that has an indeterminate number of axes and can be configured with kinematic redundancy.

산업용 로보트 팔 설계에는 몇가지 기본적 타입들이 있다. 산업용 로보트들은 그들의 기계적 연동 형상, 즉 구조적 요소들과 이들을 연결하는 관절들, 그리고 관절 작용의 좌표를 정하여 공구 지점에서 직선동작과 기타 제어 경로들을 제공하는데 필요한 관련 동작 제어 시스템들의 특정 배열에 따라 분류될 수 있다. 가장 일반적인 목적의 다용도 매니퓰레이터에 있어서, 매니퓰레이터의 끝에 장착된 공구의 공간 위치와 방위를 완전히 제어하기 위한 연동구성에 6개의 자유도가 구비된다.There are several basic types of industrial robot arm designs. Industrial robots can be classified according to their mechanical interlock geometry, ie the structural elements and the joints connecting them, and the specific arrangement of the relevant motion control systems required to coordinate linear motion and other control paths at the tool point. Can be. In the most general purpose utility manipulator, six degrees of freedom are provided in the interlocking arrangement for completely controlling the spatial position and orientation of the tool mounted at the end of the manipulator.

한가지 기본적인 형태의 매니퓰레이터는 각주(角柱) 관절 또는 미끄럼 관절에 연결된 3개의 슬라이드들로 구성된 제 1 세트를 이용한다. 이 슬라이드들이 직각 배열로 배치되어 장치의 손목을 위치조정하고, 직각으로 배치된 세개의 회전 축선들로 이루어진 제 2 세트가 공구의 방위를 결정한다. 이러한 기계적 형상에서는 직선 작업공간이 거칠다. 그런 장치의 대표적인 예가 IBM RS 1 로보트이다. 그러한 장치의 직교 좌표 형태는 다른 형태에 비해 분명히 많은 장점들을 지닌다.One basic type of manipulator uses a first set of three slides connected to a foot joint or sliding joint. These slides are arranged in a right angle arrangement to position the wrist of the device, and a second set of three rotational axes arranged at right angles determines the orientation of the tool. In this mechanical configuration, the linear workspace is rough. A representative example of such a device is an IBM RS 1 robot. The Cartesian coordinate form of such a device clearly has many advantages over other forms.

이 장점들중에 가장 중요한 것으로서, 공구 위치에서 유용한 제어 동작들을 일으키는데 아무런 좌표 변환도 필요치 않다는 것이다. 그 대신에 위치 선정 축선들의 선형 및 원형적 보간(補間)이면 충분하다.Most important of these advantages is that no coordinate transformation is required to produce useful control actions in the tool position. Instead, linear and circular interpolation of the positioning axes is sufficient.

두번째의 통상적인 기계적 형태에서는, 직각으로 배치되어 각주 관절에 연결된 두개의 슬라이드들에 전술한 바와같이 연결된 손목을 제공한다. 이 슬라이드들은 장치의 기부에서 수직 축선을 중심으로 회전하는 회전 관절에 부착된다. 그러한 매니퓰레이터의 작업 공간은 "원통형"이다. 이 장치의 대표적인 것이 Prab Model FA 로보트이다.In the second conventional mechanical form, two slides arranged at right angles and connected to the foot joints provide a wrist connected as described above. These slides are attached to a rotating joint that rotates about a vertical axis at the base of the device. The workspace of such a manipulator is "cylindrical". A representative of this device is the Prab Model FA robot.

세번째의 통상적인 기계적 형태에서, 전술한 손목은 각주 관절에서 회전 관절에 연결된 슬라이드에 의해 공간내의 위치가 정해지고, 이어서 회전 관절이 장치의 기부에서 제 2 회전 관절에 직각으로 장착되어, 제 2 회전 관절에 의해 수직 축선 주위에서 회전된다. 이러한 타입의 "폴라" 형상은 구형 작업공간을 발생시킨다. 실제로, 기계적인 설계를 고려하다보면 유용한 작업공간이 원추형 부분들보다 덜 중요한 구형 셸(shell)로 제한되는 것이 보통이다. 이 장치의 대표적인 형태가 Unimation Unimate 1000 로보트이다.In a third conventional mechanical form, the wrist described above is positioned in space by a slide connected to the rotary joint at the foot joint, and then the rotary joint is mounted at right angles to the second rotary joint at the base of the device, thereby providing a second rotation. Rotated around the vertical axis by the joint. This type of "polar" shape creates a spherical workspace. In fact, given mechanical design, it is common for the useful workspace to be limited to spherical shells, which are less important than conical sections. A typical form of this device is the Unimation Unimate 1000 robot.

직각 좌표 형상의 팔에 비해 원통 및 극좌표 연동 형상의 팔에 있어서 더욱 정교한 동작 제어 시스템들이 요구되는데, 이는 공구 지점에서 직선운동을 일으키는데 좌표 변환이 실행되어야 하기 때문이다. 그러나, 분류상 각주 관절에 연결된 하나 이상의 슬라이드들을 이용하는 매니퓰레이터는 어떤 중요한 성능한계들을 드러낸다. 이런 한계들은 부분적으로 비교적 대형의 높은 중량에 기인하지만, 결과적으로 이러한 설계에서 주어진 질량의 공구 또는 직업물을 공간으로 운반하고 위치시키는데 요구되는 높은 기동력에 기인한다. 또한 이런 한계들은, 위치 조정 슬라이드들이 작업물 자체를 포함하는 작업 지역 주변과 그 지역내의 다른 물체들에 종종 방해가 된다는 사실에 기인한다.More sophisticated motion control systems are required for cylindrical and polar coordinated arms than rectangular arms, because coordinate transformations must be performed to produce linear motion at the tool point. However, manipulators that use one or more slides connected to footnote joints by classification reveal some important performance limits. These limitations are due in part to the relatively large, high weight, but consequently the high maneuverability required to transport and position a given mass of tool or profession into the space. These limitations are also due to the fact that the positioning slides often interfere with the work area surrounding the work itself and with other objects in the area.

전술한 매니퓰레이터 형태들 중에서, 직각 좌표 시스템들은, 작업공간이 가끔 위치 조정 슬라이드들과 지지 구조물의 커다란 뼈대로 완전히 둘러싸이기 때문에, 공간적으로 가장 효율적이지 못한 연동형상이 되기 쉽다. 전술한 군중에서 단지 한개의 슬라이드를 이용하는 극좌표형은 작업공간에 있어서 가장 효율적이고 가장 덜 방해 받는다. 공간적인 효율문제를 최소화하기 위하여, 슬라이드가 철회될때 접혀져서 방해 문제들을 최소화하도록 설계된 몇개의 극좌표형 장치들이 고안된 바 있다. 예를들면, 한 형태로서 한 세트의 공통 직선 슬라이드 부분들이 신축자재하게 접혀질 수 있는 경우이다. 이런 형태로는 U.S. Robot에서 제작되는 Maker가 있다. 다른 형태에 있어서, 연장된 때 슬라이드를 형성하는 얇은 벽으로 된 강철 튜브가, 철회된 때 드럼위에 감길 수 있는 편평한 박판으로 단면이 접히게 된다. 이런 장치의 대표적인 것이 Martin Marietta/NASA Viking Lander 팔이다. 그러나, 이러한 설계들을 기계적으로 완성시키게 되면 신축자재하게 접히도록 설치된 부가적인 각주 관절들을 갯수, 또는 매우 얇은 벽으로 된 슬라이드 단면 때문에 정적 및 동적 성능 특성이 비교적 나빠지게 된다.Among the manipulator forms described above, Cartesian coordinate systems tend to be the least spatially interlocking shape since the workspace is sometimes completely surrounded by large slides of positioning slides and support structures. Polar coordinates using only one slide from the crowd described above are the most efficient and least disturbing in the workspace. In order to minimize the space efficiency problem, several polar coordinate devices have been devised which are designed to be folded when the slide is withdrawn to minimize disturbance problems. For example, in one form, a set of common straight slide portions can be flexibly folded. In this form, U.S. There is Maker made by Robot. In another form, the thin walled steel tube that forms the slide when extended is folded into a flat sheet that can be wound onto the drum when it is withdrawn. One such device is the Martin Marietta / NASA Viking Lander arm. However, mechanically completing these designs results in relatively poor static and dynamic performance characteristics due to the number of additional footnote joints installed to flexibly fold, or very thin walled slide sections.

매니퓰레이터의 성능 및 작업공간 방해 특성을 개선하기 위해, 상당히 더 효율적인 기계적 설계를 허용하는 연동 형상이 고안되었는데, 회전 관절들에 의해 연결된 일련의 경질 링크 부분들이 손목을 위치 조정하도록 이용된다. 이것은 회전 또는 관절식 팔 매니퓰레이터로 알려져 있으며, 이 발명의 형식이다. 이런 형식의 일반적인 목적의 매니퓰레이터에 있어서, 손목 위치 조정 메카니즘은 제 1 회전 관절에 의해 연결된 두개의 링크들로 구성되며, 이 링크들중 하나의 말단이 제 1 관절과 동일 평면에 위치하며 고정된 제 2 회전 관절에 장착되고, 제 1 회전 관절은 기부의 제 3 회전 관절에 직각으로 설치되어 그 제 3 회전 관절에 의해 수직 축선을 중심으로 회전된다. 이런 연동 형상을 이용하는 매니퓰레이터들은 전술한 초기 설계들보다 더욱 사람의 팔에 유사하지만, 연동 구조가 고정 평면에서 작동하기 때문에 운동학적으로 사람의 수족보다는 "굴착기(backhoe)"와 같이 작용한다. 이론적으로, 그러한 관절식 팔 연동 형태는 구형 작업공간을 만든다. 원통형 및 극좌표형 매니퓰레이터들과 같이, 관절식 팔 매니퓰레이터는 공구 지점에서 직선 행동 또는 다른 제어된 경로행동을 제공하도록 좌표 변환을 실행해야 하는 비교적 복잡한 제어장치를 필요로 한다. 관절식 팔 매니퓰레이터 형상의 원칙적인 잇점은, 손목을 위치 조정하는 팔 연동 장치가 수축되면, 서로 접혀져서 팔들이 주어진 작업공간에 대해 비교적 소형으로 줄어들고 주어진 적재하중에 대해 경량으로 될 수 있다는 것이다.In order to improve the performance and workspace disturbance characteristics of the manipulator, an interlocking shape has been devised that allows for a significantly more efficient mechanical design, in which a series of rigid link portions connected by rotating joints are used to position the wrist. This is known as a rotary or articulated arm manipulator and is a form of this invention. In a general purpose manipulator of this type, the wrist positioning mechanism consists of two links connected by a first rotating joint, one end of which is coplanar with the first joint and is fixed It is mounted to the second rotary joint, the first rotary joint is installed at right angles to the third rotary joint of the base and rotated about its vertical axis by the third rotary joint. Manipulators using this interlocking shape are more similar to a human arm than the earlier designs described above, but kinematically act like a "backhoe" rather than a human limb because the interlocking structure operates in a fixed plane. In theory, such articulated arm interlock forms a spherical workspace. Like cylindrical and polar manipulators, articulated arm manipulators require relatively complex controls that must perform coordinate transformations to provide linear or other controlled path behavior at tool points. The principle advantage of the articulated arm manipulator shape is that when the arm linkage to position the wrist is retracted, it can be folded together so that the arms can be reduced relatively compact for a given workspace and lightweight for a given load.

관절식 팔 형태에서 기계적으로 다른 두가지의 실시예들이 산업계에 받아들여졌다. 일예에서, 여러개의 팔과 손목 관절들을 구동시키는 엑튜에이터는 그 관절들로부터 어느정도 떨어져 장착된다. 이러한 설계들에서, "어깨(shoulder)"에 장착된 모우터와 기어 감속기는 네개의 막대형 연동 형태 또는 푸쉬로드 및 벨크랭크(bellcrank)를 통해서, 또는 체인, 타이밍 벨트, 기타 "텐돈(tendon)" 장치에 의해 관절들에 동력을 전달한다. 그러한 장치의 예가 ASEA IR b6 로보트이다. 이 설계의 장점은 비교적 부피가 크고 무거운 모우터, 구동장치 및 속도 피이드백 하드웨어가 더욱 멀리 있는 팔 구조물로 구성되어 지지될 필요가 없다는 것이다. 결과적으로, 주어진 적재하중에 대해 필수적으로 필요한 가동력이 감소될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 멀리있는 관절 자체에 동력을 전달하도록 이용되는 구동열에는 여러가지 중요한 기능상의 제한이 부과된다. 관절 동작의 가능한 범위는 동력 전달 메카니즘에서 기하학적 비율 변화 또는 이심(over-center) 조건에 의해 종종 제한을 받게 되므로, 팔 조립체의 작업공간은 비교적 제한된 원환체(toroid) 모양이 된다. 또한, 전달 메카니즘은 구동열에 상당한 관성, 순응성 및 기계적 부정확성을 부가하여, 정적 및 동적 성능에 손상을 입힌다. 더구나, 공구지점 위치를 결정하도록 이용되는 변환기가 가끔 전달장치의 원점에 장착되므로, 전달장치의 순응성과 기계적 부정확성이 장치의 정밀도를 상당히 감소시킨다.Two mechanically different embodiments in the form of articulated arms have been accepted by the industry. In one example, an actuator that drives several arm and wrist joints is mounted to some extent away from the joints. In these designs, the motor and gear reducer mounted on the "shoulder" are via four rod linkages or via push rods and bellcranks, or chains, timing belts or other "tendons". "Power is transmitted to the joints by the device. An example of such a device is an ASEA IR b6 robot. The advantage of this design is that relatively bulky and heavy motors, drives and speed feedback hardware do not need to be supported by farther arm structures. As a result, the mandatory force necessary for a given load can be reduced. Nevertheless, several important functional limitations are imposed on the drive train used to transmit power to the distant joint itself. The possible range of articulation is often limited by geometric ratio changes or over-center conditions in the power transmission mechanism, so that the workspace of the arm assembly is relatively limited toroidal in shape. In addition, the transfer mechanism adds significant inertia, compliance and mechanical inaccuracy to the drive heat, damaging static and dynamic performance. Moreover, since the transducer used to determine the tool point position is sometimes mounted at the origin of the delivery device, the compliance and mechanical inaccuracy of the delivery device significantly reduces the accuracy of the device.

관절식 팔 연동 형상의 제 2 실시예에서, 팔 및 손목 관절들을 구동시키는 거의 모든 엑튜에이터들은 관절들에 인접한 팔 구조물 위에 또는 팔 구조물 내부에 위치된다. 어떤 경우에는, 엑튜에이터들이 관절들에 직접 위치하고, 다른 경우에는 인접한 "내측" 링크 부분들에 위치한다. 이러한 배열로 제한된 관절 이동 거리의 문제점을 극복하며, 결과적으로 이런 형식의 메카니즘들은 구형에 가까운 유용한 작업공간을 나타낸다. 또한, 관절 장착식 또는 링크 장착식 구동장치 설계는 동력 전달 관성 및 순응성에 관련된 문제점들을 감소시키거나 또는 제거해 버린다. 그러한 장치의 한 예가 Unimation PUMA 600 로보트이다.In a second embodiment of the articulated arm linkage shape, almost all actuators driving the arm and wrist joints are located on or within the arm structure adjacent the joints. In some cases, the actuators are located directly in the joints, in other cases in adjacent "inner" link portions. This arrangement overcomes the problem of limited joint travel distance, and consequently these types of mechanisms represent a useful workspace close to a sphere. In addition, articulated or link mounted drive designs reduce or eliminate problems associated with power transmission inertia and compliance. One example of such a device is a Unimation PUMA 600 robot.

관절식 아암 형상이 조종성, 작업공간 및 전체적 기민성에 있어서 직각 좌표 또는 극좌표 형상보다 더 효율적인 작동을 제공하지만, 이런 관절식 아암 형상은 공구지점을 위치조정하도록 정교하고도 시간이 걸리는 좌표 변환을 할 수 있는 더욱 정교한 제어장치를 요한다. 관절식 팔 매니퓰레이터의 공구 경로를 정확하고도 더욱 고도로 적응성 있게 제어하는데 필요한 컴퓨터 제어 시스템의 상대적인 복잡성과 높은 비용은, 대부분의 상업용 팔 설계에 이용되는 특정 연동 형상에 상당한 영향을 미친다. 일반적으로 채택되어 왔던 연동 설계에서는 좌표 변환 과정을 단순화시키고, 실행되어야 할 계산 회수 및 속도를 감소시킨다. 예를들면, 통상의 관절식 팔 연동 형상은 "어긋난(off-set)" 피치 관절을 피하고, 변환을 크게 복잡하게 하는 특성을 제거한다. 따라서, 연동 형상에 특정한 구속을 가함으로써 제어 시스템을 단순화시키는 좌표 변환에 대해 명시적인 수학적 표현(즉, 폐쇄된 형태나 해석적 표현)이 얻어질 수 있다.While articulated arm geometries provide more efficient operation than Cartesian or polar geometries in maneuverability, workspace, and overall agility, these articulated arm geometries can perform sophisticated and time-consuming coordinate transformations to position tool points. Require more sophisticated controls. The relative complexity and high cost of the computer control system required to accurately and more adaptively control the tool path of the articulated arm manipulator have a significant impact on the specific interlock geometry used in most commercial arm designs. The interlocked design, which has been generally adopted, simplifies the coordinate transformation process and reduces the number and speed of calculations to be performed. For example, conventional articulated arm linkage shapes avoid “off-set” pitch joints and eliminate features that greatly complicate the transformation. Thus, by applying specific constraints to the interlocking shape, an explicit mathematical expression (ie, closed form or analytic expression) can be obtained for the coordinate transformation that simplifies the control system.

그러나, 제어 시스템 효율을 위해 기계적 설계를 구속하는 그러한 노력들은 몇가지 결점들을 드러낸다. 변환 방정식에 명시적 해답을 제공하는 연동 형상이 종종 성능 및 비용면에서 가장 적합한 것은 아니다. 또한, 명시적 해답이 매니퓰레이터의 기계적 부정확성에 대해 쉽게 조정될 수도 없다. 게다가, 어떤 용장성 매니퓰레이터의 변환 방정식에 대한 간단 명료한 해답이 존재하는지도 의문이다.However, such efforts to constrain mechanical design for control system efficiency reveal several drawbacks. Interlocking shapes that provide explicit answers to the transformation equation are often not the best in terms of performance and cost. Also, the explicit solution may not be easily adjusted for the mechanical inaccuracy of the manipulator. In addition, it is questionable whether there is a simple and clear solution to any redundancy manipulator's transformation equation.

또한, 특이성으로 알려진 조건이 모든 관절식 팔 매니퓰레이터들에 고유하게 존재한다. 통상적인 제어 시스템과 매니퓰레이터는 "특이성들"을 내포하는 작업공간내의 지역들에 직면할 것이고, 이 특이성들이 제어장치의 효과적인 작동을 방해하게 될 것이다. 통상적인 제어장치들은, 동작을 제어하도록 이용되는 방정식들이 특이점에서 아무런 수학적 해답도 갖지 않으므로, 작업공간에서 몇 세트의 특이점들에 부딪치면 효율적으로 작동할 수 없게 된다. 따라서, 매니퓰레이터의 제어와 관련된 수학을 단순화시키기 위한 노력에 의해 수많은 기계적 설계들이 영향을 받았으나, 수학적인 제어문제들은 여전히 남아있다. 이 발명에 따르면, 수학적 복잡성에 대한 관심사에 의해 구속받지 않는 최적의 기계적 설계를 채택하는 것이 더 좋고, 반복 제어방법을 채택함으로써 좌표 변환, 용장성(冗長性 : redundancy), 특이성 및 기계적 부정확성의 수학적 문제들에 대처하는 것이 더 좋다고 밝혀졌다.In addition, a condition known as specificity is unique to all articulated arm manipulators. Conventional control systems and manipulators will face areas within the workspace that contain "specificities" and these specificities will interfere with the effective operation of the control. Conventional controllers do not have any mathematical solution to singularities because the equations used to control their behavior have no mathematical solution in the singularity, and therefore cannot work efficiently if they encounter several sets of singularities in the workspace. Thus, while many mechanical designs have been affected by efforts to simplify the mathematics associated with manipulator control, mathematical control problems remain. According to this invention, it is better to adopt the optimum mechanical design, which is not constrained by the concern about mathematical complexity, and by adopting the iterative control method, the mathematical of coordinate transformation, redundancy, specificity and mechanical inaccuracy It turned out that it was better to deal with the problems.

각각 공구지점에서 6개의 자유도를 제공하는 전술한 바와같은 4가지 기본형의 일반 목적용 매니퓰레이터들 외에도, 특수하게 응용될 수 있는 여러가지 다른 연동형상들이 고안되어 있다. 그와같은 대부분의 특수 목적 팔들의 설계에서는, 특정 과제를 실행하는데 필요한 최소 갯수의 피동 관절들을 가진 연동 형상을 채택하기 위한 노력이 기울어져 왔다. 그러한 노력은 구조적 부품들, 모우터, 동력 공급장치, 서어보 피이드백 하드웨어 따위의 갯수 및 크기의 감소와, 필요한 제어 시스템의 복잡성 감소를 통해 상당한 비용 절감을 가져왔다. 예를들면, 선반으로부터 작업물을 싣고 내리는 비교적 단순한 운동학적 기능에 대해 특수 목적 매니퓰레이터 설계들이 개발되었다. 한가지 타입은 2축 직각 좌표 메카니즘을 이용하는 것으로서, 제 1 슬라이드가 선반 스핀들 중심선에 평행하게 장착된다. 제 2 타입에서는 회전 관절들에 연결된 2개의 링크들과 하나의 짧은 슬라이드를 이용하여 척에 물린 짧은 부품들을 처리한다. 독특하게 손질된 기계적 설계들 때문에, 이와같은 특수 매니퓰레이터들은 어느것도 좌표 변환을 하는데 제어장치를 요하지 않는다. 두가지 타입 모두에 있어서, 각 관절이 적절한 순서로 독립적으로 구동되면 연동 형상 자체의 방위가 주어진 응용에 대해 적당한 공구 경로들을 만들어낸다. 그러한 설계들에서, 관절들은 아날로그 서어보제어 회로망을 필요로 하지 않는다.In addition to the four basic general purpose manipulators as described above, each providing six degrees of freedom at the tool point, a number of other interlocking shapes have been devised that can be specially applied. In the design of most such special purpose arms, efforts have been made to adopt an interlocking shape with the minimum number of driven joints required to perform a particular task. Such efforts have resulted in significant cost savings through the reduction in the number and size of structural components, motors, power supplies, servo feedback hardware, and the complexity of the required control system. For example, special-purpose manipulator designs have been developed for the relatively simple kinematic function of loading and unloading a work from a lathe. One type utilizes a biaxial Cartesian coordinate mechanism, in which the first slide is mounted parallel to the lathe spindle centerline. In the second type, two links connected to the rotary joints and one short slide are used to process the short parts of the chuck. Because of the uniquely trimmed mechanical designs, none of these special manipulators require a control to convert coordinates. In both types, each joint is driven independently in the proper order and the orientation of the interlocking shape itself creates the proper tool paths for a given application. In such designs, the joints do not require analog servo control circuitry.

두번째 예로서, 공장내의 대형 MIG 용접 작업류에 있어서, 용접 화구(火口)가 그 축선 둘레로 회전하도록 제어할 필요가 없으며, 따라서 2축선 손목을 지닌 3축선 팔로 충분한 공구 제어가 제공된다는 것이 결정되었다. 특수 작업류에 가장 적합한 매니퓰레이터 설계의 다른 예들이 많이 있는데, 그 대부분의 경우에 있어서, 공구지점에서 6개의 자유도 미만의 형상이 채용되고, 링크 및/또는 슬라이드의 물리적 크기와 그 하중 용량이 특수 응용에 맞게 정해진다. 따라서, 그러한 각각의 특수 응용에 대해 독특한 설계가 요구된다.As a second example, for large MIG welding workpieces in a factory, it was determined that the welding cradle did not need to be controlled to rotate around its axis, thus providing sufficient tool control with a three-axis arm with a two-axis wrist. . There are many other examples of manipulator designs that are best suited for special workloads, in which in most cases, less than six degrees of freedom are employed at the tool point, and the physical size and load capacity of the links and / or slides are special. Determined for the application. Thus, a unique design is required for each such special application.

종래의 매니퓰레이터 설계들은 위에서 언급한 것외에도 수많은 의미있는 단점 및 결점들을 드러낸다. 다른 일반 목적의 연동 형상보다 더 효율적이면서 6개의 회전 관절들을 갖추고 공구지점에서 6개의 자유도를 제공하는 관절식 팔 매니퓰레이터들은 특히 사람의 팔이나 코끼리 코에 필적할만한 생물학적 상사체보다는 실질적으로 조종성과 기민성에 있어서 뒤떨어진다. 전술한 바와같이, 운동학적 관점에서 볼때 다음과 같은 점에서 현재의 관절식 팔장치는 굴착기와 아주 비슷하게 작용하는데, 즉 팔 연동 장치가 고정 평면에서 작동하며, 기부 회전 관절에 의해 하나의 주요 수직 축선을 중심으로 회전된다는 점이다. 그러한 대부분의 장치들에 있어서, 공구의 주어진 위치와 방위는 불연속한 단일 세트의 관절 각도들 및 관련된 불연속 팔 구조에 대응한다. 그러한 장치들중 몇개에 있어서는, 공구의 주어진 위치 및 방위가 2개의 불연속한 팔 구성에 의해 얻어질 수 있다. 단일 공구지점 위치에 대해 2개의 가능한 팔 구조를 지닌 장치의 예가 Unimation PUMA 600 로보트이다. 이 장치에서, 회전 관절이 고정 평면에 유지되는 동안, 팔꿈치 관절이 "위"나 "아래"로 배치될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 공구의 규정된 위치에 대해 작업공간내의 장애물이 팔 부분들을 방해하거나 작업물 자체가 팔 부분들을 방해한다면, 팔은 상기 공구지점에 충돌하지 않고서는 이를 수 없다. 사람의 팔과는 달리, 그러한 통상의 관절식 팔 매니퓰레이터들은 방해되는 물체 주위에 이르는데 충분한 자유도를 갖지 못한다. 이런 제한이 제11도에 도시되어 있다.Conventional manipulator designs exhibit numerous significant drawbacks and drawbacks in addition to those mentioned above. Articulated arm manipulators, which are more efficient than other general purpose linkages and offer six degrees of freedom at the tool point with six rotational joints, are more amenable to maneuverability and agility, especially than biological analogs comparable to human arms or elephant nose. Inferior. As mentioned above, from the kinematic point of view, the current articulated arm acts much like an excavator in that: the arm linkage operates in a stationary plane, with one major vertical axis by the base rotational joint. Is rotated around. In most such devices, the given position and orientation of the tool corresponds to a single discrete set of joint angles and associated discontinuous arm structure. In some of such devices, a given position and orientation of the tool can be obtained by two discontinuous arm configurations. An example of a device with two possible arm structures for a single tool point position is the Unimation PUMA 600 robot. In this device, the elbow joint can be placed "up" or "down" while the rotational joint is held in the stationary plane. Nevertheless, if an obstacle in the workspace with respect to the defined position of the tool obstructs the arm parts or the workpiece itself obstructs the arm parts, the arm cannot reach without colliding with the tool point. Unlike human arms, such conventional articulated arm manipulators do not have sufficient degrees of freedom to reach around an obstructed object. This limitation is shown in FIG.

사람의 팔은 어깨에서 손목까지 7개의 자유도를 가지고 있어서 주어진 손 위치와 방위에 대해 일정범위의 팔꿈치 자세와 그로인한 팔 형상을 제공하는 것으로 생각된다. 7개의 자유도 이상을 가진 코끼리 코는 더 복잡한 구성을 취할 수 있고, 물체들 사이에서 꿈틀거리며 움직일 수 있다. 많은 자동화 업무들이 사람의 팔과 같은 기민성을 요구하고, 그중에 몇가지는 훨씬 더 큰 자유도의 작용을 요구한다. 현재의 일반 목적용 컴퓨터 제어식 매니퓰레이터에는 팔 조종성과 공구취급 기민성이 부족하므로, 여러가지 응용에 대한 적응성과 성능면에 있어서 심각한 한계점들을 드러낸다.The human arm has seven degrees of freedom from shoulder to wrist and is thought to provide a range of elbow postures and therefore arm shapes for a given hand position and orientation. An elephant's nose with more than seven degrees of freedom can take on more complex configurations and wobble between objects. Many automation tasks require agility like the human arm, some of which require much greater degrees of freedom. Current general purpose computer controlled manipulators lack arm maneuverability and tool handling agility, presenting significant limitations in terms of adaptability and performance for various applications.

매니퓰레이터에 하나 또는 그 이상의 "용장" 관절들을 추가하면, 조종성이 개선되는 외에 여러가지 중요한 잇점들이 생긴다. 여분의 자유도가 팔을 재구성하여 장애물 주위에 이르는 수단을 제공하는 것과 동일한 방식으로, 팔 관절들 사이에 가장 공정하게 토오크 및 속도 요건들을 분배하는 방식으로 팔이 재구성되어 관절들을 배치시킨다. 사람은 무거운 물체를 들어올릴적에 자기의 팔을 재구성하여 각 관절에 가해진 힘과 모멘트를 최소로 유지한다. 사람은 자기 팔의 용장성(冗長性)을 이용하여 지레작용을 극대화시킨다. 굴착기와 같이 평면내에서 작동하는 6개의 자유도를 가진 관절식 팔에서는, 힘과 토오크들의 그와 같은 재구성 및 재분배가 불가능하다. 따라서, 작업공간과 불연속한 팔 구성에서 어떤 특정지점과 관련된 메카니즘의 들어올리는 능력은 단지 몇개의 관절들만이 운동에 기여하고 있기 때문에, 불합리하게 제한될 수 있다. 그와 반대로, 운동학적으로 용장성이 있는 매니퓰레이터라면, 하나의 관절 구성으로 주어진 하중을 들어올리지 못할 수도 있으나, 다른 구성으로는 들 수 있고, 이를 위해 팔이 재구성될 수 있다. 마찬가지로, 고속 이동을 함에 있어서, 6개의 자유도를 가진 팔로 얻을 수 있는 최고 공구지점 속도는 한 관절의 최고 속도에 의해 경로 궤적의 어느 한 지점에서 궁극적으로 정해진다. 6개의 자유도를 가진 팔에 있어서, 경로의 어느 한 지점에서의 운동조건들이 관절들 사이에서 다시 잘 분배될 수 없으며, 재구성과 재분배는 불가능하다. 그러므로, 용장 관절을 추가하게 되면 매니퓰레이터의 효율이 크게 향상되고, 주어진 양의 팔 기동력과 팔 길이에 대해 공구지점 속도가 증가될 뿐만 아니라 적재하중이 증가되고 공구에 가해지는 힘이 증가된다.Adding one or more "redundant" joints to the manipulator has several important advantages besides improving maneuverability. The arm is reconfigured to place the joints in such a way as to distribute the torque and velocity requirements most equitably among the arm joints, in the same way that the extra degrees of freedom provide a means to reconstruct the arm to reach around the obstacle. When a person lifts a heavy object, he reconfigures his arms to keep the forces and moments applied to each joint to a minimum. Man uses the redundancy of his arm to maximize lever action. In articulated arms with six degrees of freedom operating in plane, such as excavators, such reconstruction and redistribution of forces and torques is not possible. Thus, the lifting ability of a mechanism associated with a particular point in the workspace and discontinuous arm configuration can be unreasonably limited because only a few joints contribute to movement. Conversely, a kinematically redundant manipulator may not lift a given load in one joint configuration, but another configuration may allow the arm to be reconfigured. Likewise, in high-speed movement, the highest tool point velocity achievable with an arm with six degrees of freedom is ultimately determined at any point in the path trajectory by the maximum velocity of one joint. For an arm with six degrees of freedom, the motion conditions at any point in the path cannot be well distributed again between the joints, and reconstruction and redistribution are impossible. Therefore, adding redundant joints greatly improves the efficiency of the manipulator, not only increases the tool point speed for a given amount of arm maneuverability and arm length, but also increases the payload and the force on the tool.

운동학적 용장성에 의해 감소될 수 있는 6개의 자유도를 가진 팔에 고유한 다른 문제점은 관절 이동 한계치에 관한 것이다. 관절식 팔의 기계적 실시예들중 대부분의 경우에, 360°이상 회전하는 회전 관절은 거의 없다. 많은 통상적인 관절들은 단지 180°회전을 한다. 이런 특징은 팔이 어떤 동작을 완수할 수 있는 가능성을 제한한다. 예를들면, 규정된 운동 경로가 3축선들이 작업공간내의 어떤 임의의 직선에 대해 수직한 방위와 같은 어떤 공구방위들을 명시하면, 그 직선 궤적의 어떤 지점에서, 팔의 관절들 중 하나가 그의 이동한계에 이르고, 더이상 원하는 경로를 따라갈 수 없게 된다. 이것은 다른 관절들이 그 이동 중심들에 가까이 있는 경우에도 발생될 수 있다. 운동학적 용장성은 모든 개별 관절 이동 한계들의 이용을 극대화하는 방식으로 동작 요건들을 재분배시키는 수단을 제공함으로써, 매니퓰레이터의 유효 작업공간과 공구 취급 기민성을 증가시킨다.Another problem inherent in arms with six degrees of freedom that can be reduced by kinematic redundancy relates to the limit of joint movement. In most of the mechanical embodiments of the articulated arm, there are few rotating joints that rotate more than 360 °. Many conventional joints only rotate 180 °. This feature limits the likelihood that the arm can accomplish certain movements. For example, if a defined movement path specifies certain tool orientations, such as an orientation in which the three axes are perpendicular to any straight line in the workspace, at some point in the straight trajectory, one of the joints of the arm is moved The limit is reached and you can no longer follow the desired path. This may occur even when other joints are close to their centers of movement. Kinematic redundancy provides a means to redistribute motion requirements in a manner that maximizes the use of all individual joint movement limits, thereby increasing the manipulator's effective workspace and tool handling agility.

매니퓰레이터 메카니즘에 운동학적 용장성을 보충하는 것은 여러가지 형태를 취할 수 있다. 실제로, 그것은 6개의 자유도를 가진 팔 연동 장치의 임의의 위치에 임의 형태의 관절 하나를 추가시키면 된다. 직렬로 된 2개의 공통직선 회전 관절이면 충분하다. 그러한 부가적인 자유도는 운동학적 용장성을 얻기 위해 실시간(實時間)으로 제어될 필요가 없다. 작업물상에서 작동중에 팔을 여러가지 고정 위치들로 인덱스하는 슬라이드 위에 장착되고 동시 제어하에 6개의 자유도를 제공하는 통상의 매니퓰레이터는 일종의 원시적인 용장성을 준다. 그러나, 통상의 6개의 자유도를 가진 일반 목적용 관절식 팔 매니퓰레이터에서 사람의 팔과 같은 기민성을 얻도록, 부가적인 회전 관절이 어깨 "피치" 관절과 팔꿈치 "피치" 관절 사이에 삽입되어 이 두 관절들의 회전 축선들이 서로에 대해 평면을 벗어나 움직일 수 있게 한다. 이로써 팔꿈치는 제13도에 나타낸 대로, 평면을 벗어나 회전할 수 있게, 즉 "궤도 선회"하게 되어, 장애물을 자유로이 피하여 제12도에 나타낸 대로 작업공간에서 물체 뒤쪽의 목표지점에 도달할 수 있게된다. ASEA IRb 로보트와 같이 승인된 많은 관절식 팔 설계들에 있어서, 멀리 떨어진 팔 관절에 동력을 전달시키도록 이용되는 동력 전달 연동 장치 때문에, 윗쪽 팔 부분에 그러한 로울 관절을 설치하기가 불가능하지는 않더라도 어렵게 된다.Complementing kinematic redundancy with manipulator mechanisms can take many forms. In practice, it is necessary to add a joint of any shape at any position of the arm linkage with six degrees of freedom. Two common straight rotation joints in series are sufficient. Such additional degrees of freedom do not need to be controlled in real time to achieve kinematic redundancy. A conventional manipulator mounted on a slide that indexes the arm to various fixed positions during operation on the workpiece and providing six degrees of freedom under simultaneous control gives a kind of primitive redundancy. However, additional rotational joints are inserted between the shoulder "pitch" and elbow "pitch" joints to achieve the same agility of a human arm in a conventional six-degree general-purpose articulated arm manipulator. Their axes of rotation can move out of plane with respect to each other. This allows the elbow to rotate out of plane, i.e. "orbiting" as shown in FIG. 13, freely avoiding obstacles to reach the target point behind the object in the workspace as shown in FIG. . In many articulated arm designs, such as ASEA IRb robots, the power transmission linkage used to transfer power to distant arm joints makes it difficult, if not impossible, to install such a roll joint in the upper arm. .

운동학적으로 용장성 있는 팔로 사람의 팔과 같은 지능적인 행동을 얻기 위해서는, 실시간 감각적-대화형 제어가 필요하다. 매니퓰레이터에서 운동학적 용장성을 그와 같이 적용하여 제어하기 위해서는, 7개 또는 그 이상의 모든 관절들이 내부 팔 조건들에 대한 정보에 따라 그리고 더 높은 제어 레벨들과 "장치 외측" 센서들로부터의 정보에 따라 실시간 동작계획 제어장치에 의해 동시에 일제히 작동되어야 한다. 이 동작 제어장치는 궤적 계획과 좌표식 관절 제어 둘다를 취급해야 한다.In order to achieve intelligent behavior such as the human arm with kinematically agile arms, real-time sensory-interactive control is required. In order to control such kinematic redundancy in the manipulator, all seven or more joints are subject to information about internal arm conditions and to higher control levels and information from “outside device” sensors. Therefore, it should be operated simultaneously by the real-time operation plan control device. This motion controller must handle both trajectory planning and coordinated joint control.

이 제어장치는 프로그램된 목표지점을 실시간에 좌표식 관절 설정치들의 세트로 환원시켜야 한다.This control must reduce the programmed target point to a set of coordinated joint setpoints in real time.

또한, 통상의 관절식 팔 로보트들은 매니퓰레이터의 제어 안정성과 운동 정밀성에 관련된 어떤 중요한 성능상의 제한들을 겪는 것이 보통이다. 많은 설계들에서, 소부품들의 측정 또는 조립과 같은 응용들에 요구되는 운동의 높은 정확성, 반복성 및 정밀성을 허용하는 서어보제어 기술을 제공하지 못하고 있다. 그러한 매니퓰레이터의 서어보제어 시스템은 제한된 작동상의 대역폭을 가질 수 있고, 또는 중요한 피이드백 제어 가능성을 채용하지 못할 수 있다. 전술한 바와 같이, 몇가지 관절식 팔 설계들에서는, 통상의 공작 기계 서어보제어 시스템들에 의해 효과적으로 제어되지 않는 구동 열 순응성, 구조적 순응성, 및 기계적 부정확성으로 인하여 안정성과 정밀성을 더욱 저하시키는 기계적 특성들을 갖고 있다.Also, conventional articulated arm robots typically suffer from some significant performance limitations related to the control stability and movement precision of the manipulator. Many designs fail to provide a servo control technique that allows for the high accuracy, repeatability and precision of motion required for applications such as the measurement or assembly of small parts. Such manipulator servo control systems may have limited operational bandwidth or may not employ significant feedback control possibilities. As noted above, some articulated arm designs incorporate mechanical properties that further degrade stability and precision due to drive thermal compliance, structural compliance, and mechanical inaccuracies that are not effectively controlled by conventional machine tool servo control systems. Have

이 발명의 목적은 일반 목적용과 다양한 특수 목적용에 모두 적합한 팔 형상을 가진 매니퓰레이터를 제공하는 것이다. 이와 관련된 다른 목적은, 여러가지 크기들과 부하능력을 갖춘 매니퓰레이터를 제조하도록 여러가지 방식으로 조합될 수 있고 상호교환이 가능한 표준화된 팔 부분들을 갖고 있어서 정비가 용이한 모듈화된 매니퓰레이터 설계를 제공하는 것이다. 또한, 이와 관련된 또 다른 목적은, 붐비는 장소, 열악한 환경, 및 고도로 청정한 환경에서 작업할 수 있는 자립식 내구성 매니퓰레이터를 제공하는 것이다.It is an object of this invention to provide a manipulator with an arm shape suitable for both general and various special purposes. Another object in this regard is to provide a modular manipulator design that is easy to maintain with standardized arm parts that can be combined and interchangeable in many ways to produce manipulators of different sizes and load capacities. Still another object in this regard is to provide a self-supporting endurance manipulator that can work in crowded places, harsh environments, and highly clean environments.

이 발명의 또 다른 목적은, 조종성, 기민성 및 재생가능성을 개량한 일반 목적의 매니퓰레이터를 제공하는 것이다. 더 구체적으로, 이 발명의 목적은, 운동학적 용장성에 의해 제기되는 제어 문제들로 인해 방해받지 않으며 7개 이상의 축선들을 가지고 작동하도록 구성될 수 있는 매니퓰레이터 및 제어장치를 제공하는 것이다. 그와 관련된 다른 목적은 정확성과 재생가능성이 개선된 매니퓰레이터를 제공하는 것이다.Another object of this invention is to provide a general purpose manipulator with improved maneuverability, agility and reproducibility. More specifically, it is an object of the present invention to provide a manipulator and a control device which can be configured to operate with seven or more axes without being disturbed by the control problems posed by kinematic redundancy. Another aim is to provide a manipulator with improved accuracy and reproducibility.

또한, 이 발명의 또 다른 목적은, 공구 경로 속도와 운동 정확성을 더 크게하면서 작동 감응성과 동작 유연성을 개선하는 매니퓰레이터 및 서어보 기구를 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a manipulator and servomechanism that improves operational sensitivity and operational flexibility while increasing tool path speed and motion accuracy.

상기 목적들을 달성하기 위하여, 이 발명의 매니퓰레이터는 전기 제어장치와, 연속으로 조립되어 팔을 형성하는 한 세트의 통합된 관절 구동 모듈들로 구성된다. 이 매니퓰레이터는 여러가지 다른 구성들로 조립된 3개의 표준화된 관절 형식들, 즉 로울, 피치, 및 트랜스버스로써 모든 일반목적 및 특수목적 응용장치들을 처리하는데 적합한 매니퓰레이터를 구성할 수 있게 해주는 팔 형상 설계 개념에 기초하고 있다. 이 발명의 각 로울 관절은 감속기어 조립체에 의해 상대 회전하도록 설치된 공통직선의 내부 및 외부 구조 셀(shell)들로 구성된다. 각 피치 관절은 그의 회전 축선이 로울 관절의 축선에 대해 수직하고 로울 관절 축선으로부터 어긋나도록 배치되며, 로울 관절에 사용된 것과 거의 동일한 형태의 감속기어 조립체에 의해 구동되는 2개의 상대 회전하는 부분들로 이루어진다. 이 발명은, 특정한 응용에서 요구되는 만큼의 자유도와 그 만큼의 조종가능성을 제공하도록 로울 관절과 피치 관절이 교대로 섞이어 결합되는 설계를 제공한다. 피치 관절의 회전 축선들은 로울 관절의 회전 축선들과 어긋나 있다. 각 로울 관절은 최소 360°회전한다. 각 피치 관절의 오프셋과 회전 범위는 인접한 로울 관절들이 뒤로 접히어 제14도에 도시된 바와같이 서로 평행하게 되도록 한다.In order to achieve the above objects, the manipulator of the invention consists of an electrical control device and a set of integrated joint drive modules which are continuously assembled to form an arm. The manipulator is an arm shape design concept that allows the construction of a manipulator suitable for handling all general and special purpose applications with three standardized joint types, roll, pitch, and transverse, assembled in many different configurations. Is based on. Each roll joint of this invention consists of common straight internal and external structural shells installed for relative rotation by the reduction gear assembly. Each pitch joint is composed of two relative rotating parts which are arranged such that their axis of rotation is perpendicular to the axis of the roll joint and deviates from the roll joint axis, and is driven by a reduction gear assembly of the same type as used for the roll joint. Is done. This invention provides a design in which the roll and pitch joints are alternately combined to provide as much freedom and as much maneuverability as required in a particular application. The axes of rotation of the pitch joint deviate from the axes of rotation of the roll joint. Each roll joint rotates at least 360 °. The offset and rotation range of each pitch joint causes adjacent roll joints to fold back and be parallel to each other as shown in FIG.

각 피치 관절에는 몸체부분 및 그 몸체부분에서 뻗어나온 2개의 평행한 이어(ear)들의 클레버스(clevis) 배열로 이루어진 이어 모듈이 설치된다. 벨(bell) 부분 및 그 벨 부분에서 뻗어있는 관형 부분을 포함하는 케이스 모듈이 제공되며, 그 관형 부분은 이어 모듈의 평행한 이어들 사이에 설치된다. 또한, 케이스 모듈과 이어 모듈 사이에 상대 회전이 발생하도록 구동수단이 제공되고, 이 상대회전을 측정하도록 최대 회전반경에 리졸버(resolver)가 제공된다. 또한, 기어 감속기와 액튜에이터를 과부하 상태의 손상으로부터 보호하기 위한 클러치도 설치된다.Each pitch joint is equipped with an ear module consisting of a clevis array of body parts and two parallel ears extending from the body parts. A case module is provided comprising a bell portion and a tubular portion extending from the bell portion, the tubular portion being installed between the parallel ears of the ear module. In addition, a driving means is provided between the case module and the ear module to generate relative rotation, and a resolver is provided at a maximum rotation radius to measure the relative rotation. In addition, a clutch is provided to protect the gear reducer and the actuator from damage in an overload condition.

피치 관절의 인접한 케이스 모듈에 용이하게 고정될 수 있게 된 내부 구조 셸이 각 로울 관절에 제공된다. 또한, 피치 관절의 인접한 이어 관절에 고정되는 외부 구조 셸이 제공된다. 로울 관절의 내부 구조 셸과 외부 구조 셸 사이에 상대회전을 일으키는 구동 수단이 제공되고, 이 상대 회전을 측정하기 위한 리졸버가 제공된다. 또한, 과부하 클러치도 설치된다. 위와 같은 특징들은, 앞으로의 응용에 요구되는 대로 자체 구동되고 쉽게 교체가능한 관절들을 지닌 매니퓰레이터를 생산하도록 로울 관절과 피치 관절들이 연속하여 연결되게 한다.An internal structural shell is provided for each roll joint that can be easily secured to an adjacent case module of the pitch joint. In addition, an outer structural shell is provided that is secured to adjacent ear joints of the pitch joint. A drive means for causing relative rotation is provided between the inner and outer structural shells of the roll joint, and a resolver for measuring this relative rotation is provided. In addition, an overload clutch is also provided. These features allow the roll and pitch joints to be connected in series to produce a manipulator with self-driven and easily replaceable joints as required for future applications.

이 발명의 매니퓰레이터와 같은 장치의 동작을 안정화시키는 서어보 장치가 제공된다. 속도 명령 신호에 응답하는 액튜에이터 피동 부재상의 기동력을 감지하여 피이드백을 유도하는 서어보제어 장치가 제공된다. 기동력 피이드백이 명령 신호와 비교되고, 그 결과의 신호가 보상되어 서어보 기구에 안정성과 최적 대역폭을 제공한다. 또한, 속도 및 위치 피이드백 루우프들이 마련될 수도 있다. 이 발명은 수많은 장점과 잇점들을 제공한다. 독립적으로 구동되고 하나로 결합된 팔 부분 설계에 따라, 표준화된 관절 모듈들과 부품들을 공급하여 일반목적 및 특수목적 응용에 모두 적합한 임의 갯수의 회전 축선들을 지닌 매니퓰레이터의 구성이 가능해진다. 이로써, 고객이 앞서 제작된 것과 다른 구성의 매니퓰레이터를 요구할때 완전히 재설계를 할 필요성이 감소된다. 더구나, 이 관절 형상에 의해 색다른 융통성을 지닌 매니퓰레이터의 생산이 가능해진다. 이 매니퓰레이터에 의한 구형 작업공간은, 대략 90°의 원추형보다 적은 구형을 제공하는 "3개의 로울을 가진 손목"을 사용하는 매니퓰레이터들을 포함한 대부분의 매니퓰레이터에서 보다 더 완벽하다. 이 관절들의 결합성 때문에 다른 장점들이 제공된다. 이 관절들에는 기존의 매니퓰레이터에서 관절이 쉽게 제거되고 교체되도록 하는 장착 특성들이 마련된다. 이로써, 고장난 관절을 쉽고도 신속하게 교체할 수 있게 된다. 이러한 능력은 문제되는 관절이 완전 분해 및 보수를 위해 옮겨지는 동안 고장 관절이 교체되어 매니퓰레이터가 재가동될 수 있기 때문에 매니퓰레이터의 휴지시간을 크게 줄여준다. 또한, 이러한 특징 때문에, 이 발명의 매니퓰레이터를 사용하는 대부분의 고객들은 대형 매니퓰레이터 군을 유지하기 위해 표준화된 부품과 관절들을 비교적 덜 준비해두어도 된다.A servo device is provided which stabilizes the operation of a device such as the manipulator of this invention. A servo control device is provided which detects maneuvering force on an actuator driven member responsive to a speed command signal and induces feedback. Mobility feedback is compared to the command signal and the resulting signal is compensated to provide stability and optimum bandwidth to the servo mechanism. Velocity and position feedback loops may also be provided. This invention offers numerous advantages and benefits. The independently driven and combined arm design allows the construction of manipulators with any number of rotational axes suitable for both general and special purpose applications by supplying standardized articulation modules and components. This reduces the need for a complete redesign when the customer requires a manipulator of a different configuration than the one previously manufactured. Moreover, this joint shape enables the production of manipulators with unusual flexibility. The spherical workspace by this manipulator is more complete than in most manipulators, including manipulators that use a "three-roll wrist" that provides a sphere less than approximately 90 ° conical. Other advantages are provided because of the jointness of these joints. These joints are equipped with mounting features that allow the joints to be easily removed and replaced in existing manipulators. This makes it possible to replace the broken joints easily and quickly. This capability greatly reduces manipulator downtime because the faulty joint can be replaced and the manipulator can be restarted while the joint in question is removed for complete disassembly and repair. In addition, because of this feature, most customers who use the manipulators of this invention may have relatively less provision for standardized parts and joints to maintain a large group of manipulators.

이런 외골격 구조에서는, 로울 관절 팔 부분의 주요한 굴곡 하중 지지부재는 관절의 회전 축선으로부터 최대의 적정 반경을 가진 얇은 벽 튜브이다. 이것은 링크 부분에 최적의 강성대 하중비를 제공한다. 두 로울 및 피치 관절들에서, 완전 내부 구동장치, 변환기 및 배선은 손상으로부터 보호되고, 이 부품들의 온도는 내부 통풍으로 제어될 수 있다. 더구나, 이 외골격 구조는 로울 관절당 1개 그리고 피치 관절당 2개로서 밀봉되어야 할 이동면의 갯수를 감소시킨다. 이로써, 내부 구동장치, 변환기 및 배선을 오염, 부식성 증기 및 액체로부터 보호하는 것에 도움이 된다. 실제로, 적절한 밀봉장치를 선정하고 내부를 가압시키면, 이 발명은 액체에 잠길 수 있게 만들어질 수 있다. 역으로, 작업환경이 청결하게 유지되어야 하는 반도체 제조와 같은 응용 분야에서도, 기계에서 발생된 오염물을 기계 내부에 잔류시킨 수 있으므로 밀봉된 외골격 구조물이 사용될 수 있다.In this exoskeleton structure, the main flexural load bearing member of the roll articulated arm is a thin wall tube with a maximum appropriate radius from the axis of rotation of the joint. This provides an optimal stiffness to load ratio at the link portion. In both roll and pitch joints, the complete internal drive, transducer and wiring are protected from damage and the temperature of these parts can be controlled by internal ventilation. Moreover, this exoskeleton structure reduces the number of moving surfaces to be sealed, one per roll joint and two per pitch joint. This helps to protect internal drives, transducers and wiring from contamination, corrosive vapors and liquids. In fact, by selecting a suitable sealing device and pressurizing the interior, this invention can be made submerged in liquid. Conversely, even in applications such as semiconductor manufacturing where the working environment should be kept clean, sealed exoskeleton structures can be used because contaminants generated in the machine can remain inside the machine.

피치 관절 모듈들의 대칭적인 지지 배열은 균형된 지지 및 구조적 하중 부담을 통해 최대의 정적 및 동적 성능을 제공한다.The symmetrical support arrangement of the pitch joint modules provides maximum static and dynamic performance through balanced support and structural load burdens.

각 피치 관절과 로울 관절 모듈내의 최대 반경에 리졸버를 장착함으로써, 관절과 리졸버 정류자 사이에 가능한 최고의 비가 얻어질 수 있다. 열적으로 안정한 장착부에서, 관절 회전이 직접 측정되므로, 높은 측정 정확도와 재생가능성이 제공된다.By mounting the resolver at the maximum radius within each pitch joint and roll joint module, the highest possible ratio between the joint and resolver commutator can be obtained. In a thermally stable mount, joint rotation is measured directly, providing high measurement accuracy and reproducibility.

피치 관절 축선이 로울 관절 축선으로부터 오프셋되어 있는 것을 포함해서, 매니퓰레이터를 구성하는 연속한 관절들의 칫수 관계에 의해서, 현저한 조종성, 기민성 및 재생가능성을 지닌 매니퓰레이터가 제공된다. 제어장치가 이 매니퓰레이터를 감각적 대화 방식으로 제어하고, 실제로 운동학적으로 용장한 형태를 지지할 수 있기 때문에, 대상 주위에 쉽게 접근할 수 있고 제12도에 도시한 장애물을 피할 수 있는 매니퓰레이터 구성이 가능해진다. 또한, 제어장치에 수학적 난점들을 제공하면서 피치 관절이 기계의 중심 축선에서 오프셋되어 있음으로써, 매니퓰레이터가 뒤로 접혀질 수 있고, 따라서 주어진 길이 및 작업 공간을 갖는 팔이 아주 소형으로 수축되고, 유효 작업공간이 증가된다.By the dimensional relationship of successive joints constituting the manipulator, including the pitch joint axis being offset from the roll articulation axis, a manipulator with significant maneuverability, agility and reproducibility is provided. Since the controller can control this manipulator in a sensational manner and can actually support the kinematically ill-formed shape, it is possible to construct a manipulator that is easily accessible around the object and avoids the obstacles shown in FIG. Become. In addition, the pitch joint is offset from the center axis of the machine while providing the control units with mathematical difficulties, so that the manipulator can be folded back, so that the arm with the given length and working space is very compact and the effective workspace Is increased.

일반적인 공작기계 설계들과는 달리, 이 발명의 매니퓰레이터와 같이 매우 조종성이 좋은 매니퓰레이터의 서어보제어 장치는, 완만하고 부정확한 매니퓰레이터 동작을 피하기 위해 특별한 고려를 요한다. 이 발명의 서어보제어 장치는, 매니퓰레이터 시스템의 기계적인 조잡함을 제거하는 피이드백 및 보상 기술을 이용하여 매니퓰레이터 동작의 유연성과 정밀성을 개선한다.Unlike general machine tool designs, the manipulator servo control device, such as the manipulator of the present invention, requires special consideration to avoid slow and incorrect manipulator operation. The servo control device of the present invention improves the flexibility and precision of manipulator operation by using feedback and compensation techniques that eliminate the mechanical coarseness of the manipulator system.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 이 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

이 발명은 전기적으로 제어되는 다관절식의 의인화된 매니퓰레이터 팔을 포함한다. 이 매니퓰레이터 팔의 일반적인 구성이 제 1 도에 사시도로 나타나 있다. 조립된 구조물은 기부(1)로부터 뻗어나와 연속적으로 연결된 팔 부분들, 즉 "관절"들로 이루어져 있다. 기부(1)는 플로어, 오버헤드 지지 구조물, 이동 트랙 또는 기타 적절한 지지 수단에 부착될 수 있다.The invention includes an electrically controlled articulated manipulator arm that is articulated. The general configuration of this manipulator arm is shown in perspective view in FIG. The assembled structure consists of arm parts, ie "joints", extending from the base 1 and connected in series. Base 1 may be attached to a floor, overhead support structure, moving track or other suitable support means.

이 매니퓰레이터를 구성하는 팔 관절들은 2가지 기본적인 형, 즉 로울 관절들(2, 6, 10, 14)과 피치 관절들(4, 8, 12)로 되어 있다. 치수들의 차이를 제외한다면, 하나의 피치 관절에 대한 설명은 모든 피치 관절들에 해당하고, 하나의 로울 관절에 대한 설명은 모든 로울 관절들에 해당한다. 즉, 매니퓰레이터 팔은 다음의 관절 설명에 따라 구성된 임의 갯수의 팔 관절들로 제작될 수 있다. 그러나 어떤 경우에는, 특정한 용도 또는 부품의 크기 제한을 수용할 수 있도록 끝 관절(2, 14)의 설계를 변경하는 것이 유익하다.The arm joints that make up the manipulator are of two basic types: roll joints 2, 6, 10, 14 and pitch joints 4, 8, 12. Except for the difference in dimensions, the description of one pitch joint corresponds to all pitch joints, and the description of one roll joint corresponds to all roll joints. That is, the manipulator arm may be made of any number of arm joints constructed according to the following joint description. In some cases, however, it is beneficial to modify the design of the end joints 2, 14 to accommodate the specific use or size limitations of the part.

피치 관절들과 로울 관절들은 독립적으로 구동되어, 제 1 도의 화살표들로 나타낸 대로 그들의 길이방향 축선을 중심으로 상대회전하게 되어 있다. 제 1 도에 나타낸 바와 같은 일반적인 조립체에 있어서, 기부에 인접한 제 1 팔 관절은 로울 관절(2)이다. 각 로울 관절은 그의 길이방향 축선을 중심으로 회전한다. 일반적인 팔 구성은 팔의 말단부가 끝 작동체 또는 공구(16)에서 끝나는 일련의 교대로 배치된 피치 관절들과 로울 관절들을 포함한다. 제 1 도에 나타낸 대로, 로울 관절들은 일반적으로 팔의 말단부를 향해 단면적이 줄어들게 되어 있다. 마찬가지로, 그 방향으로 이어진 피치 관절들은 각기 차례로 크기가 감소되는 것이 일반적이다. 피치 관절(8)과 같은 각각의 피치 관절 위에서, 말단 장착 칼라(18)는 기부측 장착 칼라(20) 보다 직경이 더 작다. 바람직한 실시예에서 매니퓰레이터의 팔 관절들이 기부쪽 끝에서 말단쪽 끝으로 크기가 감소하지만, 이런 특징은 이 발명의 요건은 아니다. 여러가지 팔 관절들을 회전시킴으로써, 팔 작업 공간내의 어느곳에서나 공구(16)의 위치와 방위가 조정될 수 있다.The pitch joints and roll joints are driven independently, making relative rotation about their longitudinal axis as indicated by the arrows in FIG. In the general assembly as shown in FIG. 1, the first arm joint adjacent the base is a roll joint 2. Each roll joint rotates about its longitudinal axis. A typical arm configuration includes a series of alternating pitch joints and roll joints where the distal end of the arm ends at the end actuator or tool 16. As shown in FIG. 1, the roll joints generally have a reduced cross-sectional area towards the distal end of the arm. Likewise, pitch joints extending in that direction are typically reduced in size in turn. On each pitch joint, such as the pitch joint 8, the end mounting collar 18 is smaller in diameter than the base side mounting collar 20. Although in the preferred embodiment the arm joints of the manipulator are reduced in size from the proximal end to the distal end, this feature is not a requirement of this invention. By rotating the various arm joints, the position and orientation of the tool 16 can be adjusted anywhere in the arm workspace.

제 1 도에 예시되고 이하 더 상세히 설명되는 바와 같이, 이 팔 관절들은 본질적으로 외골격이다. 즉, 이 팔 관절들은 공구 위치에서 부하를 지탱하는데 필요한 구조적 지지를 제공하는 관형 구조물들로 되어 있다. 각 팔 관절은 외골격 구조물내에 포함된 자신의 내부 모우터와 감속기어 조립체로써 독립적으로 구동된다. 이 외골격 구조물은 팔에 대해 높은 강성대 하중비를 제공한다. 또한 이 외골격 구조물은, 바람직한 실시예에서 관절과 관절 사이로 구조물의 내부를 통과하는 배선과 구동기구들을 보호한다. 또한, 이 외골격 구조물은 필요한 경우에는 팔의 기부(1)에 위치한 단일 공기원에 의해 각 구동 모우터들이 공기 냉각되게 허용한다. 또한, 이 외골격 설계는 이 발명의 수중 응용을 허용하도록 밀봉될 수 있고, 심하게 오염된 환경에서도 사용할 수 있도록 적극적으로 통풍될 수 있다.As illustrated in FIG. 1 and described in more detail below, these arm joints are essentially exoskeleton. That is, these arm joints are of tubular structures that provide the structural support needed to support the load at the tool position. Each arm joint is independently driven by its internal motor and reduction gear assembly contained within the exoskeleton structure. This exoskeletal structure provides a high stiffness-to-load ratio for the arm. The exoskeleton structure also protects the wiring and drive mechanisms passing through the interior of the structure between the joints and joints in a preferred embodiment. This exoskeletal structure also allows each drive motor to be air cooled, if necessary, by a single air source located at the base 1 of the arm. In addition, this exoskeleton design can be sealed to allow the underwater application of the invention and can be actively ventilated for use in heavily contaminated environments.

제 2 도는 이 발명에 따른 매니퓰레이터 팔의 작업 공간을 나타낸다. 이 도면들에 나타낸 대로, 각 피치 관절들(4, 8, 12)은 로울 관절 축선들과 함께 공통 직선으로 뻗어 있는 팔의 길이방향 축선으로부터 오프셋되어 있다. 이 오프셋에 의해 매니퓰레이터 팔은 되접힐 수 있고 또한 완전히 연장될 수 있다. 이 설계에 따르면 사람의 팔로 주어지는 것과 유사한 거의 구형의 작업공간을 제공한다.2 shows the working space of the manipulator arm according to this invention. As shown in these figures, each of the pitch joints 4, 8, 12 is offset from the longitudinal axis of the arm extending in a common straight line with the roll joint axes. By this offset the manipulator arm can be folded back and fully extended. This design provides a nearly spherical workspace similar to the one given by the human arm.

제 3 도는 이 발명에 따라 팔 관절들이 연속적으로 연결되어 매니퓰레이터를 제조하는 방식을 나타낸다. 아래에 더 상세히 설명되는 대로, 각 로울 관절과 피치 관절은 양끝에 결합면(30)과 경사 융기부(32)를 포함한다. 또한, 연속한 팔 관절들을 수용하는데 필요한 배선은 내부에서 지탱되고, 팔 관절의 양끝에 각각 마련된 상응하는 결합 조립체들에 접속된다. 이러한 특징들로 인하여 팔이 그의 말단부쪽으로 크기가 줄어드는 연속적인 팔 관절들로써 용이하게 구성될 수 있다.3 shows the manner in which the arm joints are connected in series to produce a manipulator in accordance with this invention. As described in more detail below, each roll joint and pitch joint includes a mating surface 30 and an inclined ridge 32 at both ends. In addition, the wiring necessary to receive the continuous arm joints is internally supported and connected to corresponding mating assemblies, respectively provided at both ends of the arm joint. These features allow the arm to be easily configured as successive arm joints that shrink in size towards their distal ends.

인접한 팔 관절들을 부착하기 위하여, 관절들이 근접하게 되고, 와이어 커플링들(34)이 결합된다. 다음에, 결합면들(30)이 맞닿게 놓인다. 마지막으로, 클램프 링(36)이 인접한 팔 관절들의 경사 융기부들(32)위에 배치된 다음에 단단히 조여진다. 이런식으로 연속한 팔 관절들이 구조적으로 연결되고, 더 끝쪽의 팔 관절들을 구동시키는데 필요한 배선이 접속된다. 아래에 더 자세히 설명되는 바와 같이, 이러한 클랭핑 배열에 의해서, 한개의 볼트 또는 다른 고정구로써 인접한 부분의 결합면들(30) 주위에 균일하고 연속한 고정력을 주는 잇점이 생긴다. 결과적으로, 연속한 팔 부분들은 보수를 위해 신속히 제거되어, 재고품의 대체 팔 부분으로 교체될 수 있다. 연속한 관절들 사이에 다른 죄임 수단이 사용될 수 있다. 예를 들면, 각 접촉 단부에 바깥쪽으로 연장하는 반경방향 플랜지가 설치될 수 있고, 그 플랜지에는 볼트들 또는 다른 적절한 고정수단을 수용하는데 적합한 일련의 구멍들이 제공되는데, 그러한 플랜지가 매니퓰레이터의 되접힘 능력을 제한할 수 있다.In order to attach adjacent arm joints, the joints are brought close and the wire couplings 34 are coupled. Next, the mating surfaces 30 abut. Finally, the clamp ring 36 is placed over the oblique ridges 32 of adjacent arm joints and then tightened securely. In this way, successive arm joints are structurally connected, and the wiring necessary to drive the more proximal arm joints is connected. As will be explained in more detail below, this clapping arrangement has the advantage of giving a uniform and continuous clamping force around the mating surfaces 30 of the adjacent part with one bolt or other fastener. As a result, successive arm parts can be quickly removed for repair and replaced with replacement arm parts in inventory. Other means of clamping may be used between successive joints. For example, a radial flange extending outwardly may be provided at each contact end, the flange being provided with a series of holes suitable for receiving bolts or other suitable fastening means, such flanges being capable of refolding the manipulator. Can be limited.

외골격 구조물과 각 관절의 독립적인 구동장치는 수많은 잇점들을 제공한다. 앞서 언급한대로, 고장난 팔 부분이 보수를 위해 신속히 제거되어 동일한 재고 팔 부분으로 교체될 수 있다. 팔의 기부끝에서 말단 끝까지 치수가 일반적으로 감소되는 것과 함께 위와같은 특징들에 의해서, 제 4 도에 예시된 바와 같이 여러가지 크기 및 강도 분류에 걸쳐 팔 관절들과 내부 구동 조립체들의 상호교환이 허용된다. 따라서, 독립적으로 구동되고 하나로 통합된 일련의 피치 및 로울 관절들이 여러가지 방식으로 조합되어 광범위한 크기 및 강도 범위의 매니퓰레이터들을 제공하도록 만들어질 수 있다. 더욱 중요한 것으로서, 특별한 매니퓰레이터 설계를 구성하도록 조합된 연속적인 팔 관절들의 갯수는 광범위하게 변화될 수 있다. 예를 들면, 어떤 단순한 작업에 있어서는 단지 3개의 팔 관절이면 족하고, 이때 공구는 제 3 팔 관절의 끝에 부착된다. 더 큰 조종성이 요구되는 경우에, 이 발명의 매니퓰레이터 팔은 임의 갯수의 연속적인 팔 관절들을 포함할 수 있다. 7개 이상의 팔 관절들을 사용함으로써, 매니퓰레이터는 여러가지 방식으로 장애물 주위에 도달하여 공구를 특별한 위치와 방위에 적용할 수 있도록 제조될 수 있다. 또한, 7개 이상의 팔 관절들을 사용하면, 적절히 제어되는 경우에 수많은 작업상의 잇점들을 제공하는 "용장성(redundancy)"으로 알려진 상태가 창출된다.The exoskeleton structure and the independent drive of each joint offer numerous advantages. As mentioned earlier, a broken arm can be quickly removed for repair and replaced with the same stock arm. These features, along with the generally reduced dimension from the base end to the end of the arm, allow for interchange of arm joints and internal drive assemblies over various size and strength classes as illustrated in FIG. . Thus, a series of independently driven and integrated series of pitch and roll joints can be made in various ways to provide manipulators of a wide range of sizes and strengths. More importantly, the number of consecutive arm joints combined to make up a particular manipulator design can vary widely. For example, for some simple tasks only three arm joints are sufficient, with the tool attached to the end of the third arm joint. If greater maneuverability is required, the manipulator arm of the present invention may include any number of continuous arm joints. By using seven or more arm joints, the manipulator can be manufactured in various ways to reach around the obstacle and adapt the tool to a particular position and orientation. In addition, using seven or more arm joints creates a state known as "redundancy" which, when properly controlled, provides numerous operational benefits.

제 5 도를 보면, 로울 관절 축선과 공통 직선이 되게 뻗어 있는 매니퓰레이터 팔의 일부분이 평면도로 예시되어 있다. 로울 관절(6, 10)은 매니퓰레이터의 말단부 방향으로 단면적이 감소되어 있다. 피치 관절(8, 12)은 그의 중심축선(40, 42)을 중심으로 회전하도록 로울 관절들 사이에 각기 위치된다.Referring to FIG. 5, a portion of the manipulator arm extending in common with the roll articulation axis is illustrated in plan view. The roll joints 6, 10 have a reduced cross-sectional area in the direction of the distal end of the manipulator. Pitch joints 8, 12 are respectively positioned between the roll joints to rotate about their central axis 40, 42.

제 5 도에 나타난 피치 관절(8)의 평면도는 피치관절들이 구성되는 방식과 작동되는 방식을 개략적으로 나타낸다. 앞서 설명한 대로, 관절은 말단쪽 장착 칼라(18)와 기부쪽 장착 칼라(20)를 포함하고, 이 칼라들은 각기 인접한 로울 관절들(10, 6)을 수용하기에 적합한 직경들로 되어 있다. 각 피치 관절은 대개 두개의 절반부, 즉 이어 모듈(44)과 케이스 모듈(46)로 이루어지고, 이 모듈들은 베어링과 구동수단에 의해 연결된다. 이어 모듈(44)과 케이스 모듈(46)은 축선(40)을 중심으로 서로 관련적으로 선회한다. 피치 관절의 구동 수단은 피치 관절내에 배치된다. 그 구동 수단은 이어 모듈(44)의 이어(48, 50)를 지나 길이방향으로 뻗어 있고, 모우터 커버(52)와 구동 커버(54)로 둘러싸인다.The top view of the pitch joint 8 shown in FIG. 5 schematically shows how the pitch joints are constructed and how they are operated. As described above, the joint includes a distal mounting collar 18 and a base mounting collar 20, each of which has diameters suitable for receiving adjacent roll joints 10, 6. Each pitch joint usually consists of two halves, namely the ear module 44 and the case module 46, which are connected by bearings and drive means. The module 44 and the case module 46 then pivot relative to each other about the axis 40. The drive means of the pitch joint is arranged in the pitch joint. The drive means extends longitudinally past the ears 48, 50 of the ear module 44 and is surrounded by the motor cover 52 and the drive cover 54.

제 6 도는 제 5 도의 구조물의 측면도이고, 피치 관절(8)의 회전 축선(40)이 로울 관절들의 회전 축선(51, 53)으로부터 오프셋되어 있다.FIG. 6 is a side view of the structure of FIG. 5 with the axis of rotation 40 of the pitch joint 8 being offset from the axes of rotation 51, 53 of the roll joints.

제 7 도를 보면 제 5 도의 구조물의 7-7선을 따라 취해진 부분 단면도가 예시되어 있다. 개략적으로 예시된 피치 관절(8)은 축선(40)을 포함한다. 로울 관절(10)은 2가지 기본적 부분들, 즉 내측 구동 하우징 조립체(64)와 외피(66)로 이루어져 있다. 내측 구동 하우징 조립체(64)는 클램프 링(36)에 의해 피치 관절(8)의 케이스 모듈(46)에 확고하게 고정된다. 외피(66)는 베어링(68, 70) 위에서 내측 구동 하우징 조립체(64)에 장착된다. 내측 구동 하우징 조립체(64)의 모우터(72)가 작동되면, 외피(66)는 내측 구동 하우징 조립체(64)와 케이스 모듈(46)에 대해 상대적으로 회전한다.7 shows a partial cross-sectional view taken along line 7-7 of the structure of FIG. The pitch joint 8 schematically illustrated comprises an axis 40. The roll joint 10 consists of two basic parts: the inner drive housing assembly 64 and the sheath 66. The inner drive housing assembly 64 is firmly fixed to the case module 46 of the pitch joint 8 by the clamp ring 36. The sheath 66 is mounted to the inner drive housing assembly 64 over the bearings 68, 70. When the motor 72 of the inner drive housing assembly 64 is actuated, the sheath 66 rotates relative to the inner drive housing assembly 64 and the case module 46.

구동 하우징 조립체(64)를 보면, 내측 구동 하우징(65)의 외부 지탱면 위에 외측 베어링(70)이 장착된다. 구동 하우징(65)과 외피(66) 사이에는 환형의 시일(71)이 제공되고, 배선들을 통과시키는 통로(73)가 마련되어 있다. 베어링(70)의 내륜이 내측 베어링 클램프(74)에 의해 구동 하우징(65)에 고정된다. 내측 베어링 클램프(74)가 일련의 볼트들(76) 또는 다른 적절한 죄임수단에 의해 구동 하우징(65)에 분리가능하게 고정된다. 이 내측 베어링 클램프(74)는, 피치 관절(8)의 케이스 모듈(46)에 마련된 환형 요홈부내에 쏙 끼워지는 환형 스커트(78)를 포함한다. 내측 베어링 클램프의 외주에는 경사진 융기부(80)가 있고, 마찬가지로 케이스 모듈(46)과 내측 베어링 클램프(74) 사이의 접촉면들에 인접하게 케이스 모듈(46)의 외주에는 경사진 융기부(82)가 있다. 이 경사진 융기부들은 클램프링(36)을 수용하게 되어 있다. 클램프 링(36)이 부착되어 조여지면, 내측 베어링 클램프(74)와 구동 하우징(65)이 케이스 모듈(46)에 확고하게 고정된다.Looking at the drive housing assembly 64, the outer bearing 70 is mounted on the outer bearing surface of the inner drive housing 65. An annular seal 71 is provided between the drive housing 65 and the shell 66, and a passage 73 for passing the wires is provided. The inner ring of the bearing 70 is fixed to the drive housing 65 by the inner bearing clamp 74. The inner bearing clamp 74 is detachably secured to the drive housing 65 by a series of bolts 76 or other suitable clamping means. The inner bearing clamp 74 includes an annular skirt 78 that fits into an annular recess provided in the case module 46 of the pitch joint 8. The outer periphery of the inner bearing clamp has an inclined ridge 80, and likewise the inclined ridge 82 on the outer circumference of the case module 46 adjacent to the contact surfaces between the case module 46 and the inner bearing clamp 74. There is). These inclined ridges are adapted to receive the clamp ring 36. When the clamp ring 36 is attached and tightened, the inner bearing clamp 74 and the drive housing 65 are firmly fixed to the case module 46.

구동 하우징(65)의 맨끝쪽으로 그 내부에 마련된 2개의 계단진 환형 표면들(84, 86)은 경질 스플라인(88)과 모우터 장착판(90)을 수용한다. 경질 스플라인(88)과 모우터 장착판(90)은 일련의 볼트들(92)에 의해 구동 하우징(65)에 확고하게 부착된다. 모우터 장착판(90)은 모우터 구동축(94)을 수용하기에 적합한 중심 구멍을 포함한다. 또한, 모우터 장착판(90)에는 모우터(72)의 칼라를 수용하기 적합한 계단진 요홈부(96)가 설치된다. 모우터 장착판(90)은 모우터(72)를 모우터 장착판(90)에 확고하게 장착하도록 적절한 고정구들(98)이 통과될 수 있는 구멍을 포함한다. 조파 구동 조립체와 일체인 파형 발생기(100)가 모우터 구동축(94)의 끝에 부착된다. 파형 발생기(100)와 조파 구동 조립체는 아래에 더 상세히 설명된다.Two stepped annular surfaces 84, 86 provided therein towards the end of the drive housing 65 receive a hard spline 88 and a motor mounting plate 90. The hard spline 88 and the motor mounting plate 90 are firmly attached to the drive housing 65 by a series of bolts 92. The motor mounting plate 90 includes a center hole suitable for receiving the motor drive shaft 94. In addition, the motor mounting plate 90 is provided with a stepped recess 96 suitable for accommodating the collar of the motor 72. The motor mounting plate 90 includes holes through which appropriate fixtures 98 can be passed to securely mount the motor 72 to the motor mounting plate 90. A waveform generator 100 integral with the harmonic drive assembly is attached to the end of the motor drive shaft 94. The waveform generator 100 and the harmonic drive assembly are described in more detail below.

구동 하우징(65)의 말단 근처의 내부 표면위에는 환형 내부 시일(102)이 마련된다. 마찬가지로 그 외부 표면위에는 환형 베어링 시이트(104)가 마련된다. 내부 시일(102)은 조파 구동 장치 내부의 윤활을 유지한다. 맨끝의 외부 베어링(68)은 구동 하우징(65)과 클러치 링(110) 사이의 간격을 유지시키고 상대 회전을 허용한다.An annular inner seal 102 is provided on the inner surface near the distal end of the drive housing 65. Likewise an annular bearing sheet 104 is provided on its outer surface. The inner seal 102 maintains lubrication inside the sowing drive device. The outer outer bearing 68 maintains a gap between the drive housing 65 and the clutch ring 110 and allows relative rotation.

조파 구동 조립체는 구동 하우징의 맨끝 내부에 장착된다. 조파 구동 조립체는 구매가능한 통상의 품목이다. 조파 구동조립체는 가요성 스플라인(flexsplino)(112)을 포함하고, 이 가요성 스플라인(112)은 그의 외부 기어 톱니들이 경질 스플라인(88)의 톱니들과 축방향으로 정렬되도록 위치된다. 가요성 스플라인(112)의 막힌 단부는 볼트들(114)에 의해 조파 구동 칼라(108)에 확고하게 장착된다. 조파 구동 칼라(108)에는 센터링 스터브들(centering stub)(116, 118)이 마련된다. 센터링 스터브(116)는 가요성 스플라인(112)의 정렬을 확립하여 가요성 스플라인(112)이 볼트들(114)로서 조파 구동 칼라(108)에 고정될 수 있게 한다. 센터링 스터브(118)도 조파 구동 칼라(108)의 맨 끝쪽에서 비슷한 기능을 수행한다. 볼트들(114)로써 조파 구동 칼라(108)에 확고하게 보유된 클러치 판(120)이 조파 구동 칼라(108)의 센터링 스터브(118) 주위에 장착된다. 또한, 조파 구동 칼라(108)는 윤활제를 보유하고 접근하여 파형 발생기(100)를 조정할 수 있게 하는 밀봉 플러그를 수용하도록 중심 나사구멍(122)을 포함한다.The harmonic drive assembly is mounted inside the end of the drive housing. The harmonic drive assembly is a common item commercially available. The harmonic drive assembly includes a flexible spline 112, which is positioned such that its outer gear teeth are axially aligned with the teeth of the hard spline 88. The blocked end of the flexible spline 112 is firmly mounted to the harmonic drive collar 108 by bolts 114. The harmonic drive collar 108 is provided with centering stubs 116, 118. The centering stub 116 establishes the alignment of the flexible spline 112 so that the flexible spline 112 can be secured to the harmonic drive collar 108 as bolts 114. The centering stub 118 also performs a similar function at the far end of the harmonic drive collar 108. A clutch plate 120 firmly retained in the harmonic drive collar 108 with bolts 114 is mounted around the centering stub 118 of the harmonic drive collar 108. In addition, the harmonic drive collar 108 includes a center threaded hole 122 to receive a sealing plug that retains lubricant and allows access to adjust the waveform generator 100.

클러치 판(120)은 말단 쪽으로 뻗어 있고 반경방향 바깥쪽으로 벌어져서 환형의 경사 융기부(124)와 반경방향 접합면(126)을 제공한다. 클러치 링(110)의 말단에는 대응하는 환형의 경사 융기부(130)와 협동하는 반경 방향 접합면(127)이 마련된다. 클러치 판(120)과 클러치 링(110)의 접합면들(126, 127)이 맞닿게 되고 링 클램프(128)가 경사 융기부들(124, 130)이 결합된 클러치 판(120)과 클러치 링(110)에 부착되면, 이 조립체는 모우터(72)와 조파 구동 조립체로부터 외피(66)에 회전동작을 전달하는 클러치를 제공한다. 이것은 아래에 더 상세히 설명된다. 팔 동작의 피이드백 제어에 사용되는 몇개의 변형 게이지들이 클러치 링(110)의 표면(129)상에 장착된다.The clutch plate 120 extends toward the distal end and spreads radially outward to provide an annular inclined ridge 124 and a radial mating surface 126. At the distal end of the clutch ring 110 is provided a radial mating surface 127 which cooperates with a corresponding annular inclined ridge 130. The clutch plate 120 and the clutch ring 120 to which the mating surfaces 126 and 127 of the clutch plate 120 and the clutch ring 110 come into contact with each other and the ring clamp 128 is coupled to the inclined ridges 124 and 130. Once attached to 110, the assembly provides a clutch that transmits rotational motion from the motor 72 and the sowing drive assembly to the sheath 66. This is explained in more detail below. Several strain gauges used for feedback control of arm motion are mounted on the surface 129 of the clutch ring 110.

클러치 링(110)의 기부쪽 끝을 향해, 말단의 외부 베어링(68)의 외륜을 위한 환형 베어링 시이트가 제공된다. 이 외륜은 환형 베어링 클램프(132)와 다수의 볼트들(134) 또는 다른 적절한 고정구들에 의해 클러치 링(110)의 베어링 시이트위에 보유된다. 또한, 클러치 링(110)은 궁형 구멍들(136)을 포함하고, 그중 2개가 도시되어 있다. 이 구멍들(136)은 내부 배선이 관절과 관절 사이를 지나가기 위한 공간을 제공한다. 클러치 링(110)의 외주는 환형 볼트림(138)을 포함한다. 이 볼트림(138)은 일련의 볼트들(140)을 수용하기에 적절한 다수의 구멍들을 내포한다. 이 볼트들(140)은 클러치 링(110)을 통과하여 외피(66)의 맨끝 환형 립(lip)(142)와 나사결합하고, 맨끝 외피(69)의 기부쪽 플랜지(67)와 결합한다.Toward the base end of the clutch ring 110, an annular bearing sheet for the outer ring of the outer bearing 68 is provided. This outer ring is held on the bearing sheet of clutch ring 110 by annular bearing clamp 132 and a number of bolts 134 or other suitable fixtures. The clutch ring 110 also includes arched holes 136, two of which are shown. These holes 136 provide space for internal wiring to pass between the joint and the joint. The outer circumference of the clutch ring 110 includes an annular bolt rim 138. This bolt rim 138 contains a number of holes suitable for receiving a series of bolts 140. These bolts 140 pass through the clutch ring 110 and screw with the terminal annular lip 142 of the shell 66 and with the base flange 67 of the terminal shell 69.

로울 관절의 외측 셸은 단일 외피(66)로 구성되거나 또는 맨끝 외피(69)를 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 외피(66)와 맨끝 외피(69)의 횡단면은 로울 관절(6)의 기부측 단부쪽으로 증가한다. 기부 끝 내경에는 베어링 시이트(144)가 제공된다. 베어링(70)의 외륜은, 일련의 볼트들(148)로 외피(66)에 확고하게 부착된 환경 외측 베어링 클램프 기어(146)에 의해 베어링 시이트(144)상에 보유된다. 외측 베어링 클램프 기어(146)에는 내부 기어 톱니들(150)이 마련된다. 내부 기어 톱니들(150)은, 내측 베어링 클램프(74)와 구동 하우징(65)의 궁형 구멍들(도시안됨)을 통해 튀어나온 안티-백래쉬(anti-backlash) 기어(152)와 맞물리도록 되어 있다. 부가적인 기능으로서, 외측 베어링 클램프 기어(146)는 튜브 시일(154)용 마모면을 제공한다. 튜브 시일(154)은, 내측 베어링 클램프(74)의 맨끝면에 마련된 요홈부에 의해 제자리에 보유된다.The outer shell of the roll joint may consist of a single sheath 66 or may include a terminal sheath 69. In a preferred embodiment, the cross section of sheath 66 and terminal sheath 69 increases towards the base end of the roll joint 6. The base end inner diameter is provided with a bearing sheet 144. The outer ring of the bearing 70 is retained on the bearing sheet 144 by an environmental outer bearing clamp gear 146 securely attached to the shell 66 with a series of bolts 148. The outer bearing clamp gear 146 is provided with inner gear teeth 150. The inner gear teeth 150 are adapted to engage an anti-backlash gear 152 that protrudes through the inner bearing clamp 74 and the arched holes (not shown) of the drive housing 65. . As an additional function, the outer bearing clamp gear 146 provides a wear surface for the tube seal 154. The tube seal 154 is held in place by a recess provided in the far end of the inner bearing clamp 74.

전술한 특정들에 부가하여, 내측 베어링 클램프(74)에는 리졸버 장착면(156)이 마련된다. 리졸버 장착면(156)은 구매가능한 표준 리졸버(160)의 장착 플랜지 및 파일럿(158)을 수용하기 적합한 구멍을 포함한다. 리졸버(160)는 클램프(162)에 의해 이 장착 구멍안에 보유된다. 안티-백래쉬 기어(152)가 클램프(164)에 의해 리졸버 축에 장착된다. 이와 같이 장착되면, 리졸버는 구동 하우징(65)과 외피들(66, 69) 사이의 상대적 회전 위치를 측정할 수 있게 된다.In addition to the foregoing, the inner bearing clamp 74 is provided with a resolver mounting surface 156. The resolver mounting surface 156 includes a mounting flange of a commercially available standard resolver 160 and a hole suitable for receiving the pilot 158. The resolver 160 is held in this mounting hole by the clamp 162. Anti-backlash gear 152 is mounted to the resolver shaft by clamp 164. When mounted as such, the resolver can measure the relative rotational position between the drive housing 65 and the sheaths 66, 69.

바람직한 실시예에서, 모우터(72)는 브레이크와, 선택적으로 회전계를 포함한다. 작동시에, 전류가 모우터(72)에 공급되면 조파 구동 조립체의 파형 발생기(100)가 가요성 스플라인(112)내에서 회전하게 된다. 이 작용에 의해 가요성 스플라인(112)에 반회전 동작이 유도되고, 이 회전동작이 확고하게 부착된 조파 구동 칼라(108)에 전달된다. 이 회전동작이 칼라(108)를 통해 클러치 판(120)에 전달된다. 클러치 조립체가 조파 구동 조립체의 과부하를 막는다. 링 클램프(128)의 조임력은, 로울 관절상의 토오크 부하가 조파 구동 조립체의 토오트 용량을 초과하는 경우에 클러치 판(120)과 클러치 링(110) 사이가 분리될 수 있게 설정된다. 토오크 부하가 이 한계를 초과하지 않으면, 클러치 조립체는 조파 구동 조립체의 회전운동을 클러치 링(110)에 그리고 결국 외피(65)에 전달한다. 앞서 기술한 대로, 구동 하우징 조립체(64)와 외피(66) 조립체 사이의 이러한 상대회전은 외측 베어링(70)과 맨끝 외부 베어링(68)에 의해 수용된다. 외피(66)가 구동 하우징 조립체(64)에 대해 상대 회전함에 따라 외측 베어링 기어 클램프(146)가 리졸버(160) 위치와 관련하여 운동한다. 외측 베어링 기어 클램프(146)와 안티 백래쉬 기어(152) 사이가 기어로 맞물리면 리졸버 축(166)이 회전하게 된다. 이와 같은 방식으로, 로울 관절(10)의 회전과, 구동 하우징(65)에 대한 외피(66)의 상대적 회전위치를 측정하도록 리졸버(160)가 사용될 수 있다.In a preferred embodiment, the motor 72 includes a brake and optionally a tachometer. In operation, the current supplied to the motor 72 causes the waveform generator 100 of the harmonic drive assembly to rotate within the flexible spline 112. This action induces a semi-rotational motion to the flexible spline 112, and this rotational motion is transmitted to the firmly attached harmonic drive collar 108. This rotational motion is transmitted to the clutch plate 120 via the collar 108. The clutch assembly prevents overloading the harmonic drive assembly. The tightening force of the ring clamp 128 is set such that the clutch plate 120 and the clutch ring 110 can be separated when the torque load on the roll joint exceeds the torque capacity of the sowing drive assembly. If the torque load does not exceed this limit, the clutch assembly transmits the rotational motion of the sowing drive assembly to the clutch ring 110 and eventually to the shell 65. As described above, this relative rotation between the drive housing assembly 64 and the shell 66 assembly is received by the outer bearing 70 and the terminal outer bearing 68. As outer shell 66 rotates relative to drive housing assembly 64, outer bearing gear clamp 146 moves with respect to resolver 160 position. When the outer bearing gear clamp 146 and the anti-backlash gear 152 are engaged by the gear, the resolver shaft 166 rotates. In this way, the resolver 160 can be used to measure the rotation of the roll joint 10 and the relative rotational position of the sheath 66 relative to the drive housing 65.

외피(69)의 맨끝에는 환형 접합면(167), 경사 융기부(168) 및 내부 환형립(lip)(172)이 설치된다. 제 5 도에 나타낸 대로, 피치 관절(12)의 이어 모듈(170)은 동일한 환형 접합면(169)과 대응 경사 융기부(171)를 포함한다. 이어 모듈(170)의 내경은 립(172) 위에 꼭 끼워지도록 되어있다. 이어 모듈(170)과 외피(66)가 결합되고 말단 링 클램프(174)가 부착되면, 이어 모듈(170), 링 클램프(174) 및 맨끝 외피(69)가 확고하게 연결된다.At the end of the shell 69, an annular joint surface 167, an inclined ridge 168 and an inner annular lip 172 are provided. As shown in FIG. 5, the ear module 170 of the pitch joint 12 includes the same annular mating surface 169 and the corresponding inclined ridge 171. The inner diameter of the module 170 is fitted onto the lip 172. When the module 170 and the outer shell 66 are coupled and the end ring clamp 174 is attached, the ear module 170, the ring clamp 174 and the terminal outer shell 69 are firmly connected.

제 8 도를 보면, 피치 관절(8)의 부분 단면도가 예시되어 있다. 모듈 관절(10)과 마찬가지로, 피치 관절(8)은 서로 상대회전하는 2개의 주요 구성 부품들을 포함한다. 이와 같은 상대회전 부품들은 제 4 도에도 도시된 바와 같은 이어 모듈(44)과 케이스 모듈(46)이다. 제 3 도, 5도 및 6도에 나타난대로, 각 피치 관절의 이어 모듈(44)은 매니퓰레이터 팔의 기부쪽 끝에 가장 가까운 매니퓰레이터 팔 조립체에 배치되는 한편, 케이스 모듈(46)은 매니퓰레이터 팔의 맨끝에 가장 가까이 배치된다. 따라서, 고정된 이어 모듈(44) 및 회전하는 케이스 모듈(46)로써 피치 관절이 작동되는 것을 간단하게 알수 있다.8, a partial cross sectional view of the pitch joint 8 is illustrated. Like the module joint 10, the pitch joint 8 includes two main components that rotate relative to each other. Such relative rotating components are the ear module 44 and the case module 46 as shown in FIG. As shown in FIGS. 3, 5 and 6, the ear module 44 of each pitch joint is placed in the manipulator arm assembly closest to the base end of the manipulator arm, while the case module 46 is placed at the end of the manipulator arm. Placed closest. Thus, it can be seen simply that the pitch joint is actuated by the fixed ear module 44 and the rotating case module 46.

이름이 시사하는 바와 같이, 이어 모듈(44)은 2개의 나란한 이어들, 피치 관절의 말단 쪽을 향해 외측으로 뻗는 구동이어(178)와 모우터 이어(176)를 포함한다. 이어들(176, 178)은 인접한 로울 관절들(6, 10)의 회전 축선들에 평행한 평행면들에 놓여있다(제 5 도 및 6도 참조). 각 이어(176, 178)는 베어링 내륜 지지 조립체를 수용하기에 적합한 구멍을 포함한다.As the name suggests, the ear module 44 includes two parallel ears, a drive ear 178 and a motor ear 176 that extend outwards toward the distal end of the pitch joint. The ears 176, 178 lie in parallel planes parallel to the axes of rotation of adjacent roll joints 6, 10 (see FIGS. 5 and 6). Each ear 176, 178 includes a hole suitable for receiving a bearing inner ring support assembly.

우선 피치 관절의 모우터쪽을 보면, 즉 제 8 도의 아래 부분을 보면, 모우터 이어(176) 베어링 지지 조립체가 상세히 나타나 있다. 모우터 이어(176)에는 쏙 끼워진 내측 베어링 클램프(180)를 수용하기에 적합한 구멍이 설치되어 있다. 모우터 쪽 내측 베어링 클램프(180)는 모우터 이어(176)의 외측면과 맞닿는 반경방향으로 연장하는 플랜지(182)를 포함한다. 모우터 이어(176) 구멍 주변의 대응하는 나사 구멍들로 조여지는 볼트들(184)의 통과를 허용하도록 구멍들이 플랜지(182)에 일정 간격으로 뚫려 있다. 또한, 모우터쪽 내측 베어링 클램프(180)는 베어링 볼트들(186)을 수용하기 위한 구멍들이 뚫린 링을 포함한다. 이 볼트들은 모우터쪽 내측 베어링 클램프(180) 및 모우터쪽 내측 베어링 칼라(188)를 함께 당긴다. 내측 베어링 칼라(188)에는 환형 베어링 시이트(190)가 설치된다. 모우터쪽 베어링(192)의 내륜은 베어링 시이트(190)위에 안착되고, 모우터쪽 베어링 칼라(188) 및 내측 베어링 클램프(180)를 함께 보유하는 볼트힘에 의해 제위치에 고정된다. 모우터쪽 베어링 칼라(188)의 내측면은 외치 기어(194)를 수용하기에 적합한 계단진 표면을 포함한다. 외치 기어(194)는 볼트들 또는 다른 적절한 죄임수단(도시안됨)에 의해 모우터쪽 내측 베어링 칼라(188) 위에 보유된다.Looking first at the motor side of the pitch joint, that is, at the bottom of FIG. 8, the motor ear 176 bearing support assembly is shown in detail. The motor ear 176 is provided with a hole suitable for accommodating the fitted inner bearing clamp 180. The motor side inner bearing clamp 180 includes a flange 182 extending radially to abut the outer surface of the motor ear 176. Holes are drilled at regular intervals in the flange 182 to allow passage of bolts 184 that are tightened to corresponding threaded holes around the motor ear 176 holes. The motor-side inner bearing clamp 180 also includes a ring with holes for receiving the bearing bolts 186. These bolts pull the motor side inner bearing clamp 180 and the motor side inner bearing collar 188 together. The inner bearing collar 188 is provided with an annular bearing sheet 190. The inner ring of the motor side bearing 192 is seated on the bearing sheet 190 and fixed in place by bolting forces that hold the motor side bearing collar 188 and the inner bearing clamp 180 together. The inner side of the motor side bearing collar 188 includes a stepped surface suitable for receiving the outer gear 194. The outer gear 194 is retained on the motor side inner bearing collar 188 by bolts or other suitable clamping means (not shown).

구동장치 쪽을 바라보면, 유사한 베어링 장착 배열이 예시되어 있다. 구동측 기어(178)는 내측 베어링 클램프/클러치(196)의 중간표면을 수용하기 적합한 구멍을 포함한다. 내측 베어링 클램프/클러치(196)는, 구동이어(178)의 중심구멍 원주 주위의 나사 구멍들에 결합하는 여러개의 볼트들(200)을 수용하도록 일정 간격의 구멍들이 형성된 플랜지(198)를 포함한다. 또한, 내측 베어링 클램프/클러치(196)는 대응하는 구동쪽 내측 베어링 칼라(204)의 나사 구멍들에 결합하는 볼트들(202)을 수용하기 적합한 내부 배열의 구멍들을 포함한다. 구동쪽 내측 베어링 칼라(204)의 외측면에는 베어링 시이트(205)가 있다. 베어링(206)의 내륜은 구동측 내측 베어링 칼라(204)와 내측 베어링 클램프/클러치(196) 사이에서 볼트들(202)의 죄임력에 의해 베어링 시이트(205)위에 장착된다. 또한, 구동측 내측 베어링 칼라(204)의 안쪽 끝에 가까운 그의 외경 부위에는 결합면(207)이 있다. 이 결합면은 환형 시일(208)을 수용하기 적합하게 되어 있다. 내측 베어링 클램프/클러치(196)의 끝은 편평한 접합면(197)과 경사진 융기부(210)을 포함한다. 편평한 환경 접합면(197)은 조파 구동 클러치 판(214)상의 동일한 접합면(215) 및 경사진 융기부(212)와 결합하도록 되어 있다. 링 클램프(216)가 경사진 융기부(210, 212) 위에 고정되어, 제 7 도의 로울 관절에 있는 것과 유사한 클러치 기구를 제공한다. 내측 베어링 클램프/클러치(196)의 표면(211)은 팔 동작의 피이드백 제어에 사용되는 몇개의 변형 게이지들을 포함한다.Looking towards the drive, a similar bearing mounting arrangement is illustrated. The drive side gear 178 includes a hole suitable for receiving the intermediate surface of the inner bearing clamp / clutch 196. The inner bearing clamp / clutch 196 includes a flange 198 formed with spaced holes to receive several bolts 200 that engage threaded holes around the center hole circumference of the drive ear 178. . In addition, the inner bearing clamp / clutch 196 includes holes in an internal arrangement suitable for receiving bolts 202 that engage the threaded holes of the corresponding drive side inner bearing collar 204. On the outer side of the drive side inner bearing collar 204 is a bearing sheet 205. The inner ring of the bearing 206 is mounted on the bearing sheet 205 by the clamping force of the bolts 202 between the drive side inner bearing collar 204 and the inner bearing clamp / clutch 196. Further, there is an engagement surface 207 at its outer diameter portion near the inner end of the drive side inner bearing collar 204. This mating surface is adapted to receive the annular seal 208. The end of the inner bearing clamp / clutch 196 includes a flat joint surface 197 and an inclined ridge 210. The flat environment mating surface 197 is adapted to engage the same mating surface 215 and the inclined ridge 212 on the waveguide drive clutch plate 214. Ring clamp 216 is secured over inclined ridges 210 and 212 to provide a clutch mechanism similar to that in the roll joint of FIG. The surface 211 of the inner bearing clamp / clutch 196 includes several strain gauges used for feedback control of arm motion.

경사진 융기부(212)외에도, 조파 구동 클러치 판(214)은 센터링 스터블(218)를 포함하고, 이 스터브의 외경은 내측 베어링 클램프/클러치(196)의 인접한 내경과 대략적으로 일치하게 된다. 조파 구동 클러치 판(214)은 볼트들(220)을 수용하는 원형 배열의 구멍들을 포함한다. 또한, 클러치 판(214)에는 윤활유를 보유하고 파형 발생기(206)을 조정하기 위해 접근할 수 있게 하는 플러그용 중심 구멍(222)이 있다. 볼트들(22)은 클러치 판(214)을 통해 뻗어 조파 구동 칼라(224)의 나사 구멍들에 결합된다. 조파 구동 칼라(224)는 조파 구동 클러치 판(214)의 중심 요홈부(217)와 결합하는 중앙 스터브를 포함한다. 이 제어 표면들에 의해 여러가지 부품들의 중심조정이 확실해진다. 조파 구동 클러치 판(124)과 조파 구동 칼라(224)는 그들의 표면들 사이에 조파 구동 조립체의 가요성 스플라인(226)을 보유하며 그 가요성 스플라인과 결합한다.In addition to the inclined ridges 212, the harmonic drive clutch plate 214 includes a centering stub 218, the outer diameter of which is approximately coincident with the adjacent inner diameter of the inner bearing clamp / clutch 196. The harmonic drive clutch plate 214 includes holes in a circular arrangement for receiving the bolts 220. The clutch plate 214 also has a central hole 222 for plugs that retains lubricant and provides access for adjusting the waveform generator 206. The bolts 22 extend through the clutch plate 214 and engage the threaded holes of the harmonic drive collar 224. The harmonic drive collar 224 includes a central stub that engages with the central recess 217 of the harmonic drive clutch plate 214. These control surfaces ensure the centering of the various components. The harmonic drive clutch plate 124 and the harmonic drive collar 224 hold the flexible spline 226 of the harmonic drive assembly between their surfaces and engage with the flexible spline.

케이스 모듈(46)을 돌아보면, 이어 모듈(44)의 이어들(174, 178) 사이의 간격보다 더 짧은 대략 관형 몸체가 마련되어 있다. 관형 케이스 모듈(46)의 각 단부의 내경 부분에는, 각 베어링들(192, 206)의 외륜을 위한 환형 베어링 시이트들(47, 51)이 설치되어 있다. 또한, 케이스 모듈(46) 내경의 구동쪽에는 시일(208)용의 환형 시일 접촉면(49)이 마련되어 있다. 모우터측 베어링(192)과 구동축 베어링(206)의 외륜들은 각기 모우터쪽 외측 베어링 클램프(228)과 구동쪽 외측 베어링 클램프(230)에 의해 각각 보유된다. 또한, 케이스 모듈은 이어 모듈(44)의 반대쪽에 전기 배선들의 통로를 제공하는 슬롯지역(232)을 포함한다.Turning to the case module 46, there is provided a substantially tubular body that is shorter than the gap between the ears 174, 178 of the ear module 44. At the inner diameter portion of each end of the tubular case module 46, annular bearing sheets 47, 51 for the outer ring of the bearings 192, 206 are provided. Further, an annular seal contact surface 49 for the seal 208 is provided on the drive side of the inner diameter of the case module 46. The outer rings of the motor side bearing 192 and the drive shaft bearing 206 are respectively held by the motor side outer bearing clamp 228 and the drive side outer bearing clamp 230, respectively. The case module also includes a slot region 232 that provides a path for electrical wires on the opposite side of the module 44.

케이스 모듈(46)은 안쪽으로 뻗어 장착표면들을 제공하는 일체의 반경 방향 플랜지(234)를 포함한다. 이 플랜지의 중심에는 피치 관절(8)의 회전축선(40)과 동심인 구멍이 마련된다. 이 구멍은 모우터 장착판(238)을 수용하기 적합하게 되어 있다. 모우터 장착판(238)은 케이스 모듈 내부 플랜지(234)의 나사 구멍들에 결합하는 볼트들(240)을 수용하기 적합한 환형 배열의 구멍들을 포함한다. 케이스 모듈 내부 플랜지(234)의 구동쪽에는 표면(242)이 마련된다. 조파 구동 조립체의 경질 스플라인(244)은 케이스 모듈 내부 플랜지(234)의 나사구멍들에 결합하도록 기어를 통해 뻗는 볼트들(246)에 의해 표면(242)에 확고하게 장착된다.The case module 46 includes an integral radial flange 234 extending inwardly to provide mounting surfaces. The center of this flange is provided with a hole concentric with the rotation axis 40 of the pitch joint 8. This hole is adapted to accommodate the motor mounting plate 238. The motor mounting plate 238 includes holes in an annular arrangement suitable for receiving bolts 240 that engage the screw holes of the case module inner flange 234. A surface 242 is provided on the drive side of the case module inner flange 234. The hard spline 244 of the harmonic drive assembly is firmly mounted to the surface 242 by bolts 246 extending through the gear to engage the threaded holes of the case module inner flange 234.

모우터 장착판(238)은 모우터 구동축(248) 및 적절한 시일(250)의 통과를 허용하도록 중심구멍을 포함한다. 모우터 장착판(238)의 모우터 쪽은 모우터(26)의 센터링 칼라(254)를 수용하도록 마련된 원형 요홈부(252)를 포함한다. 또한, 모우터 장착판(238)은 푹패인 구멍들을 포함하고, 이 구멍들을 통해 적절한 나사들 혹은 볼트들(258)이 통과되어 구동 모우터(256)를 모우터 장착판(238)에 장착시킨다. 조파 구동 조립체의 일부인 파형 발생기(260)는 모우터 축(248) 위에 장착된다.The motor mounting plate 238 includes a center hole to allow passage of the motor drive shaft 248 and the appropriate seal 250. The motor side of the motor mounting plate 238 includes a circular recess 252 provided to receive the centering collar 254 of the motor 26. In addition, the motor mounting plate 238 includes holes, through which appropriate screws or bolts 258 pass to mount the drive motor 256 to the motor mounting plate 238. . Waveform generator 260, which is part of the harmonic drive assembly, is mounted above the motor shaft 248.

작동에 있어서, 모우터(256)에 전류가 공급되면, 모우터 구동축(248)이 회전하게 되고 조파 구동 조립체의 파형 발생기(260)가 회전하게 된다. 이에 따라 조파 구동 장치의 경질 스플라인(244)과 가요성 스플라인(226) 사이에 상대운동이 일어난다. 고정되어 있는 이어 모듈(44)을 보면, 경질 스플라인(244)이 가요성 스플라인(226) 주위에서 회전하여, 이어 모듈(44)에 대한 케이스 모듈(46)의 상대회전을 유도한다. 베어링들(192, 206)이 이어 모듈(44)과 케이스 모듈(46) 사이에 끼워져 그 상대 회전을 수용한다. 피치 관절에 걸리는 포오크 하중이 클러치 조립체에서 제공되는 마찰 저항을 초과하면, 케이스 모듈(46)과 이어 모듈(44)은 그들의 상대적 위치에 계속 고정되어 있을 것이고, 조파 구동 클러치 판(214)은 내측 베어링 클램프/클러치(196)에 대해 상대회전할 것이다. 따라서, 클러치가 적절히 세트되면 조파 구동 조립체에 대한 손상이 방지될 것이다.In operation, when current is supplied to the motor 256, the motor drive shaft 248 rotates and the waveform generator 260 of the harmonic drive assembly rotates. Accordingly, relative motion occurs between the hard spline 244 and the flexible spline 226 of the wave driving device. Looking at the fixed ear module 44, the hard spline 244 rotates around the flexible spline 226 to induce relative rotation of the case module 46 relative to the ear module 44. Bearings 192 and 206 are fitted between the ear module 44 and the case module 46 to accommodate their relative rotation. If the fork load applied to the pitch joint exceeds the frictional resistance provided by the clutch assembly, the case module 46 and the ear module 44 will remain fixed in their relative position, and the harmonic drive clutch plate 214 will have an inner bearing. Will rotate relative to clamp / clutch 196. Thus, if the clutch is set properly, damage to the harmonic drive assembly will be prevented.

이어 모듈(44)과 케이스 모듈(46) 사이에 상대회전이 일어나면 리졸버(259)의 축이 회전하게 된다. 이는, 리졸버축(도시안됨)상에 장착된 안티-백래쉬 기어의 이들이 이어 모듈(44)에 확고하게 장착된 외치 스퍼어 기어(194)에 맞물리는 동안 리졸버(259)가 케이스 모듈(46)에 장착되기 때문이다. 이런 배열은 케이스 모듈(46)과 이어 모듈(44) 사이의 상대회전 및 상대회전 위치를 탐지하는 수단을 제공한다.Then, when relative rotation occurs between the module 44 and the case module 46, the axis of the resolver 259 rotates. This is because the resolver 259 is coupled to the case module 46 while the anti-backlash gears mounted on the resolver shaft (not shown) engage the outer spur gear 194 securely mounted to the module 44. Because it is mounted. This arrangement provides a means for detecting relative and relative rotational positions between case module 46 and ear module 44.

앞서 설명한 대로, 전술한 로울 관절들과 피치 관절들은 임의 갯수의 팔 관절들을 지닌 매니퓰레이터 팔을 제조하도록 교대로 연결될 수 있다. 이 발명에 따르면, 광범위한 팔 구성들이 가능하게 된다. 예를 들면, 피치 관절과 로울 관절을 교대로 배치한 통상의 구성 외에도 2개 또는 그 이상의 인접 관절들이 동일한 형식, 즉 피치 또는 로울 관절들인 경우처럼 이 발명의 피치 관절 및 로울관절이 구성될 수 있다. 또한, 수직 축선을 중심으로한 동작을 제공하도록 두개의 피치 관절들 또는 로울 관절들 사이에 간단한 요우(yaw) 관절이 배치될 수도 있다. 또한, 임의 형상의 "완전" 정지 관절이 팔에 대체될 수도 있다. 마찬가지로, 바람직한 실시예에 마련된 피치 관절의 회전축선과 로울 관절의 회전축선 사이의 수직관계가 변경될 수도 있다. 팔 부분들의 외골격 설계에 의해 그리고 각 팔 관절이 독립적으로 구동된다는 사실에 의해서 이와 같은 광범위한 구성들이 가능해지고 단순해진다.As described above, the aforementioned roll joints and pitch joints can be alternately connected to produce a manipulator arm having any number of arm joints. According to this invention, a wide range of arm configurations are possible. For example, in addition to the conventional configuration in which the pitch joints and the roll joints are alternately arranged, the pitch joints and the roll joints of the present invention may be configured as if two or more adjacent joints are the same type, that is, pitch or roll joints. . In addition, a simple yaw joint may be disposed between two pitch joints or roll joints to provide motion about the vertical axis. In addition, any shape of a “complete” stationary joint may be substituted for the arm. Similarly, the vertical relationship between the axis of rotation of the pitch joint and the axis of rotation of the roll joint provided in the preferred embodiment may be changed. Such a wide range of configurations is made possible and simplified by the exoskeleton design of the arm parts and the fact that each arm joint is driven independently.

팔 관절들의 결합성은 작동에는 유익하나 또한 문제성도 있는 용장성 매니퓰레이터의 구성을 용이하게 한다. 그러나, 유용한 경우라면, 매니퓰레이터 동작이 정확하게 제어되어야 하고, 결합된 구조적 설계는 그런 작업을 더욱 어렵게 만든다. 이 발명의 서어보 제어장치는, 이 발명에 포함된 미합중국 특허 3,909,600호 ; 제3,920,972호 ; 제4,011,437호 ; 제4,403,281호 ; 및 제4,453,221호에 개시되어 있는 디지탈 로보트 제어장치들에 의해 발생된 것들과 같은 아날로그 신호들로 변환된 일련의 급속한 디지탈 위치 오차 신호들에 의해 구동되고 전술한 것과 같은 결합된 팔 관절들로 구성된 매니퓰레이터에 최적의 동적 기능과 안정성을 제공하는데 적합하다.The bondability of the arm joints facilitates the construction of a redundant manipulator which is beneficial for operation but also problematic. However, if it is useful, the manipulator operation must be precisely controlled, and the combined structural design makes such work more difficult. The servo controller of the present invention is described in US Patent Nos. 3,909,600; 3,920,972; 3,920,972; 4,011,437; 4,403,281; And a manipulator composed of combined arm joints as described above, driven by a series of rapid digital position error signals converted into analog signals, such as those generated by digital robot controllers disclosed in US Pat. No. 4,453,221. It is suitable for providing optimal dynamic function and stability.

제 1 도는 산업용 로보트의 대표적인 제어 시스템(3)의 블록도를 포함한다. 제어 시스템(3)은 그러한 장치의 일체 부분이다. 제어 시스템(3)이 없다면 매니퓰레이터 팔은 별로 유용성이 없다.1 includes a block diagram of an exemplary control system 3 of an industrial robot. The control system 3 is an integral part of such a device. Without the control system 3 the manipulator arm is not very useful.

제 1 도에 나타낸 대로, 대표적인 제어 시스템(3)은 설명의 목적상 몇개의 불연속적인 요소들을 가진 것처럼 보일 수 있다. 대표적인 제어시스템(3)은 조작자와의 통신을 허용하거나 여러가지 공정들 또는 기계 입력들을 수용하는 입력/출력 콘솔(console)(5)을 포함할 수 있다. 또한, 프로그램 메모리(7)에 내장된 제어 프로그램들에 따라 데이터 메모리(9)에 내장된 사용자 프로그램을 처리하는 디지탈 컴퓨터(11)를 포함할 수도 있다. 사용자 프로그램은 매니퓰레이터의 작용을 지시한다. 또한, 제어 시스템(3)은 팔 관절들 및 공구(16)와의 통신을 제공하는 아날로그 서어보 제어 회로(13)를 포함할 수도 있다. 매니퓰레이터를 대표적인 제어 시스템(3)에 접속시키도록 여러가지 부가적인 주변 장치들이 포함될 수 있다.As shown in FIG. 1, the representative control system 3 may appear to have several discrete elements for illustrative purposes. Exemplary control system 3 may include an input / output console 5 that allows communication with an operator or accepts various processes or machine inputs. It may also include a digital computer 11 for processing a user program embedded in the data memory 9 in accordance with control programs built into the program memory 7. The user program directs the operation of the manipulator. The control system 3 may also include an analog servo control circuit 13 providing communication with the arm joints and the tool 16. Various additional peripherals can be included to connect the manipulator to the representative control system 3.

제어 시스템(3)의 작동 시스템은 모우드 제어 프로그램을 포함할 수 있다. 그러한 프로그램은 제어 시스템(3)을 자동 모우드, 교시(敎示) 모우드, 수동 모우드 등과 같은 여러가지 작동 모우드 사이에서 전환할 수 있게 허용한다. 일반적인 제어 시스템의 교시 모우드 중에, 조작자는 입력/출력 콘솔(5)을 사용하여 여러가지 팔 관절들의 구동 모우터들을 동작시킴으로써 원하는 경로를 따라 공구를 원하는 위치들과 방위로 이동시킨다. 그렇게 함으로써 조작자는 나중에 매니퓰레이터가 따라갈 수 있는 운동 경로상의 수많은 "목표지점"들을 확립한다. 수많은 다른 작동 모우드들이 대표적인 제어 시스템(3)에서 이용될 수 있으나, 오직 자동 모우드만이 이 발명의 사용에 있어 1차적인 모우드이므로 여기서 설명하기로 한다. 자동 모우드의 작업시에, 이 발명은 수행해야 할 작업을 조작자가 이미 매니퓰레이터 제어 시스템(3)에 "교시"했다고 가정하고, 또한 적절한 정보가 제어 시스템(3)의 데이타 메모리(9)에 저장되어 있다고 가정한다.The operating system of the control system 3 may comprise a mode control program. Such a program allows the control system 3 to be switched between various operating modes such as automatic mode, teaching mode, manual mode and the like. During the teaching mode of a general control system, the operator uses the input / output console 5 to drive the drive motors of the various arm joints to move the tool in the desired position and orientation along the desired path. By doing so, the operator establishes a number of "target points" on the path of motion that the manipulator can follow later. Numerous other operating modes can be used in the representative control system 3, but only the automatic mode will be described here as it is the primary mode of use of the present invention. In the operation of the automatic mode, the present invention assumes that the operator has already "taught" the manipulator control system 3 of the work to be performed, and also appropriate information is stored in the data memory 9 of the control system 3. Assume that there is.

일반적인 제어 시스템(3)의 자동 모우드의 목적은 공간에서 공구(16)의 위치 및 방위를 정밀하게 제어하는 것이다. 제 1 도를 참조하면, 공구(16)의 위치 및 방위를 정밀하게 제어하도록 매니퓰레이터의 동작을 안내하는 것이 목적이다. 복잡한 일련의 계산과정을 통해 급속한 연속 디지탈 위치 오차 신호들이 제공되고, 이 디지탈 신호들이 아날로그 신호들로 변환되어 아날로그 서어보 제어 회로들(13)을 거쳐 각 팔 관절에 전달됨으로써 위와 같은 목적이 달성된다. 적절한 피이드백과 보상 기술을 사용함으로써 서어보 제어 회로(13)는 최종 연속 구동 신호를 각 팔 관절 모우터에 제공한다.The purpose of the automatic mode of the general control system 3 is to precisely control the position and orientation of the tool 16 in space. Referring to FIG. 1, the object is to guide the operation of the manipulator to precisely control the position and orientation of the tool 16. A rapid series of digital position error signals are provided through a complex series of calculations, which are converted into analog signals and passed through analog servo control circuits 13 to each arm joint for this purpose. . By using appropriate feedback and compensation techniques, the servo control circuit 13 provides a final continuous drive signal to each arm joint motor.

제 1 도를 참조하면, 이 발명의 아날로그 서어보 제어회로(13)는 제어 시스템으로부터 각 팔 관절에 대한 아날로그 위치 오차 신호와 순간 속도 신호를 수신한다. 아날로그 서어보 제어 회로(13)는 위치 오차 신호를 증폭하고, 아래 설명되는 순간 속도 신호 및 토오크 피이드백 신호를 이용하여 안정성을 확보하도록 상기 위치 오차 신호를 보상하며, 그에 따라 각 팔 관절 모우터에 최종 구동 신호를 제공한다.Referring to FIG. 1, the analog servo control circuit 13 of the present invention receives an analog position error signal and an instantaneous speed signal for each arm joint from a control system. The analog servo control circuit 13 amplifies the position error signal and compensates the position error signal to ensure stability by using the instantaneous speed signal and the torque feedback signal described below, and accordingly, to each arm joint motor. Provide the final drive signal.

이 발명의 것과 같은 매니퓰레이터의 전기기계식 시스템은 일반적으로 2차 또는 더 고차의 피이드백 제어 시스템이고, 이런 용어들은 제어공학의 전문어로 사용된다. 관절 모우터들에 제공된 구동 신호들과 시스템의 물리적 특성들이 적당히 제어되지 않으면, 전기기계식 시스템은 작동상의 불안정성에 민감해진다.Manipulator electromechanical systems such as those of the present invention are generally secondary or higher order feedback control systems, and these terms are used as jargon of control engineering. If the drive signals provided to the joint motors and the physical characteristics of the system are not properly controlled, the electromechanical system becomes sensitive to operational instability.

이 발명과 유사한 많은 서어보 기구들에 있어서, 기계적 구동 구조물이 매우 딱딱하고 따라서 그의 공진 주파수가 매우 높기 때문에, 불안정성의 문제들이 최소화되어 심각한 관심사가 못된다. 그러한 시스템의 제어 루우프의 전방 경로는 가령 저주파수 지연 보상 회로망에 의해 보상될 수 있고, 그에 따라 시스템을 관심 대역폭내에서 1차 시스템으로 행동하게 한다. 이런 방법은 시스템의 대역폭을 감소시키므로 서어보기구의 응답을 느리게 하는 단점을 가진다.In many servomechanisms similar to this invention, because the mechanical drive structure is very rigid and therefore its resonant frequency is very high, the problems of instability are minimized and are of no serious concern. The forward path of the control loop of such a system can be compensated for example by a low frequency delay compensation network, thus making the system act as a primary system within the bandwidth of interest. This method has the disadvantage of slowing down the response of the surge because it reduces the bandwidth of the system.

이러한 종래의 서어보 제어 기술은 전술한 매니퓰레이터에는 부적절하다. 이 발명의 매니퓰레이터의 기계적 구동 시스템은 조파 구동 장치의 가용성 때문에 비교적 순응성이 있다. 따라서, 기계적 구동 시스템의 공진 주파수는 비교적 낮다. 게다가, 이 조파 구동 장치는 다른 동력 전달 수단을 사용하는 구조물이라면 훨씬 더 적었을 진동과 제어 문제들을 일으킨다. 즉, 구동 신호 주파수 크기의 여러 소오스들과 시스템의 다양한 기계적 조도(祖度) 외에도, 이 조파 구동 장치는 모우터 회전당 n 사이클의 속도로 고유한 전달 편차가 발생되는 결과로 정현파 여기를 일으키는데, 여기서 n은 파형 발생기(100) 또는 (260)의 로브(lobe) 갯수이다.This conventional servo control technique is inappropriate for the manipulator described above. The mechanical drive system of the manipulator of this invention is relatively compliant due to the availability of the wave drive device. Thus, the resonant frequency of the mechanical drive system is relatively low. In addition, this harmonic drive creates vibration and control problems that would have been far less with structures using other power transmission means. That is, in addition to the various mechanical roughnesses of the system and the various sources of the drive signal frequency magnitude, this harmonic drive produces sinusoidal excitation resulting in a unique propagation deviation at a rate of n cycles per motor revolution. Where n is the number of lobes of waveform generator 100 or 260.

이러한 특징들 때문에, 위치 피이드백 루우프 및 속도 피이드백 루우프를 이루는 서어보 제어 및 보상 계획은 이 발명의 구조물에 적용되는 경우 비효과적이고 여의치 못할 것이다. 종래의 제어 방법이라면 공진이 제어되지 않을 것이고, 사실상 조파 구동 장치의 정현판 여기 문제를 확대시킬 수 있다.Because of these features, the servo control and compensation schemes that make up the position feedback loop and the velocity feedback loop will be ineffective and ineffective when applied to the structure of the present invention. In the conventional control method, the resonance will not be controlled, and in fact, the problem of sinusoidal excitation of the harmonic driving device can be expanded.

이런 문제들과 관련 문제들을 극복하기 위하여, 이 발명의 서어보 제어장치는 속도 및 위치 피이드백 루우프들 그리고 전류 증폭기의 일부로 포함된 전류 루우프에 더하여 토오크 피이드백 루우프를 이용한다. 3개의 피이드백 루우프들이 모두 정상작동에서 함께 사용되는 동안, 토오크 루우프는 대상 물체에 특정한 힘을 적용하길 요하는 매니퓰레이터의 응용에만 따로 사용될 수 있다. 또한, 이 발명의 토오크 루우프 피이드백 제어개념은 어떤 형태의 액류에이터 구동식 기계 장치들에도 채용될 수 있으며, 상기 용장성 매니퓰레이터에 제한되지 않는다. 토오크 루우프를 가장 깊은 곳의 루우프로 사용함으로써, 각 팔 관절의 모우터와 조파 구동 장치 구성은 동작 발생 플랜트 보다는 토오크 발생 플렌트로 작동한다. 토오크 피이드백 루우프는 다른 경우에 조파 구동 장치에 의해 유도될 정현과 여기를 구조물에서 제거할 뿐만 아니라, 이 토오크 피이드백 루우프에 의하여 다른 경우에 가능했던 주파수를 넘어선 주파수 범위에서 속도 및 위치 피이드백 루우프의 작동이 허용되므로 이 토오크 피이드백 루우프는 서어보 기구의 응답기능을 개선한다. 토오크 루우프를 사용하면 서어보 기구의 마찰 및 순응효과가 상당하게 감소되어 이 발명은 훨씬 더 큰 정확성과 재생 가능성을 지니고 작동할 수 있게 된다. 또한, 이 토오크 피이드백 루우프는 연질의 기초위에 설치되더라도 매니퓰레이터의 작동 특성을 개선시킨다.In order to overcome these and related problems, the servo control of the present invention utilizes torque feedback loops in addition to the speed and position feedback loops and the current loops included as part of the current amplifier. While all three feedback loops are used together in normal operation, the torque loops can be used separately for manipulator applications that require a specific force to be applied to the object. In addition, the torque loop feedback control concept of the present invention can be employed in any type of actuator driven mechanical devices, and is not limited to the redundant manipulator. By using the torque loop as the deepest loop, the motor and harmonic drive configuration of each arm joint operates as a torque generating plant rather than a motion generating plant. The torque feedback loop not only removes sinusoids and excitations from the structure that would otherwise be induced by the harmonic drive, but also speed and position feedback loops in the frequency range beyond those otherwise possible by this torque feedback loop. This torque feedback loop improves the response function of the servo mechanism because of its permissible operation. The use of torque loops significantly reduces the friction and compliance effects of the servo mechanism, allowing the invention to operate with even greater accuracy and reproducibility. In addition, this torque feedback loop improves the operating characteristics of the manipulator even when installed on a soft foundation.

제 9 도는 서어보 제어 요소들을 포함한 이 발명의 블록선도이다.9 is a block diagram of this invention including servo control elements.

블록선도의 각 블록은, 라플라스 변환(Laplace transform)들로 표현되는 전체 시스템의 관련 기계적, 전기적 또는 전기기계적 요소의 이동기능을 내포한다. 작동이 제어되고 있는 시스템 부분의 물리적 특성들에 직접 대응하는 기호들은 아래와 같이 정의된다.Each block in the block diagram implies the movement of the relevant mechanical, electrical or electromechanical elements of the overall system, represented by Laplace transforms. Symbols corresponding directly to the physical characteristics of the part of the system whose operation is being controlled are defined as follows.

L_a-정류자 인덕턴스L _a -commutator inductance

R_a-정류자 저항R _a -commutator resistance

K_t-모우터 토오크 상수K _t -motor torque constant

J_m-모우터 및 파동 발생기 관성J _m -motor and wave generator inertia

B_m-모우터 및 파동 발생기 점성 마찰B _m -motor and wave generator viscous friction

K_v-전압 상수K _v -voltage constant

N-구동비N-drive cost

K_d-구동 스프링 상수K _d -driven spring constant

J_l-관절 관성J _l -joint inertia

B_l-관절 점성 마찰B _l -joint viscous friction

동일하거나 또는 대등한 보상 시스템들이 도면에 표시된 것과는 다른 블록선도에 의해 표현될 수도 있다.The same or equivalent compensation systems may be represented by different block diagrams than indicated in the figures.

간단하게 표현해서, 가상선 박스(322)내에 포함된 블록선도의 일부는, 이 발명의 서어보 제어장치에 의해 제어되는 단일 팔 관절의 1차 물리적 시스템으로 나타낼 수 있다. 블록들(324, 326)은 각각 구동 모우터의 정류자 인덕턴스, 저항, 및 토오크 상수를 나타낸다. 블록(328)은 구동 모우터와 조파 구동 파형 발생기의 관성 및 점성 마찰을 나타낸다. 블록(330)은 조파 구동 장치의 기어 비와 위치에 대한 속도의 시간 적분을 나타낸다. 블록(322)은 변형 게이지들이 적용되는 지점까지의 조파 구동 장치 및 다른 동력 전달 장치 부품들과 관련된 스프링 상수를 나타낸다.For simplicity, a portion of the block diagram included in the virtual ship box 322 may be represented as a primary physical system of a single arm joint controlled by the servo controller of the present invention. Blocks 324 and 326 represent the commutator inductance, resistance, and torque constant of the drive motor, respectively. Block 328 represents the inertia and viscous friction of the drive motor and the harmonic drive waveform generator. Block 330 represents the time integration of the speed relative to the gear ratio and position of the harmonic drive device. Block 322 represents the spring constant associated with the harmonic drive and other power train components to the point where the strain gauges are applied.

블록들(334, 336, 338)과 관련 피이드백 선들은 전형적인 전류 증폭기/모우터 조합의 동적 특성을 나타낸다. 블록(340)은 모우터에 대한 기어 비를 통해 반영된 축선 토오크를 나타낸다.The blocks 334, 336, 338 and associated feedback lines represent the dynamic characteristics of a typical current amplifier / motor combination. Block 340 represents the axial torque reflected through the gear ratio to the motor.

도면에 나타낸 바와 같이, 이 발명의 서어보 제어장치는 순방향 경로 보상을 사용한다. 또한, 동일한 기능을 얻도록 피이드백 루우프들에 보상 회로망을 배치함으로써 보상이 성취될 수도 있다.As shown in the figure, the servo control device of the present invention uses forward path compensation. In addition, compensation may be achieved by placing a compensation network in the feedback loops to achieve the same function.

전술한 대로, 이 발명의 서어보 제어는 4개의 피드백 루우프들, 즉 전류 루우프(342), 토오크 루우프(344), 속도 루우프(346), 및 위치 루우프(348)를 이용한다. 토오크 루우프(344)는 토오크 피이드백을 나타낸다.As described above, the servo control of the present invention utilizes four feedback loops, namely the current loop 342, the torque loop 344, the speed loop 346, and the position loop 348. Torque loop 344 represents the torque feedback.

블록(350)은 조파 구동 장치가 팔 관절에 접속되는 지점에서 구동 장치의 토오크에 비례하는 피이드백 변환기의 이득을 나타낸다. 블록(352)은 토오크 루우프 보상 회로망을 나타낸다.Block 350 represents the gain of the feedback converter proportional to the torque of the drive at the point where the harmonic drive is connected to the arm joint. Block 352 represents a torque loop compensation network.

블록(354)은 매니퓰레이터 팔 부분의 관성과 마찰을 나타낸다. 속도 루우프(346)는 팔부분 속도 피이드백을 나타낸다. 블록(356)은 팔 부분의 속도에 비례하는 속도 피이드백 변환기의 이득을 나타낸다. 블록(358)은 속도 루우프 보상 회로망을 나타낸다.Block 354 represents the inertia and friction of the manipulator arm portion. Velocity loop 346 represents an arm velocity feedback. Block 356 represents the gain of the velocity feedback converter proportional to the velocity of the arm portion. Block 358 represents a speed loop compensation network.

마지막으로, 블록(360)은 위치에 대한 속도의 시간 적분을 나타낸다. 블록(362)은 위치 피이드백 변환기의 이득이고, 블록(364)은 위치 루우프의 응답 속도를 결정하는 순방향 경로의 이득을 나타낸다. 화살표(366)는 지시된 위치 신호를 나타낸다. 가상선 박스(368)내에 포함된 블록선도 부분은 제어장치(15)의 디지탈 부분에서 수행된 기능들을 나타낸다.Finally, block 360 represents the time integration of the velocity with respect to the location. Block 362 is the gain of the position feedback converter, and block 364 represents the gain of the forward path that determines the response speed of the position loop. Arrow 366 indicates the position signal indicated. The block diagram portion included in the virtual sun box 368 represents the functions performed in the digital portion of the controller 15.

오가타의, "모던 콘트롤 엔지니어링"(프렌티스-홀 인코포레이팃드. 1970)에 설명된 것과 같은 통상의 보상 설계 기술을 이용하는 이 발명의 토오크, 속도, 위치 및 전류 피이드백 제어를 성취하기 위해 여러가지 다른 회로 및 제어방식들이 개발될 수 있다. 필요하다면, 예를들어, 각 관절의 전기기계적 시스템과 관련된 블록도 항의 값들이 실험적으로 결정될 수 있고, 적절한 보상 회로망을 수학적으로 유도하도록 이용될 수 있다.To achieve the torque, velocity, position and current feedback control of the present invention using conventional compensation design techniques such as those described in Ogata's "Modern Control Engineering" (Prentice-Hall Inc. 1970). Other circuits and control schemes can be developed. If necessary, for example, block diagrams associated with the electromechanical system of each joint can be determined experimentally and used to mathematically derive the appropriate compensation network.

이와 다르게, 제어될 시스템 부분의 주파수 응답 및 위상 특성이 실험적으로 정해질 수 있고, 보데 플로트(Bode's plot)에 의해 도표로 표현될 수 있으며, 이 보데 플로트는 적절한 순방향 경로 또는 피이드백 경로 보상 회로망들의 설계를 위한 근거를 형성한다. 다른 설계방법도 사용될 수 있을 것이다.Alternatively, the frequency response and phase characteristics of the part of the system to be controlled can be experimentally determined and graphically represented by Bode's plot, which is a plot of suitable forward path or feedback path compensation networks. Form the basis for your design. Other design methods could also be used.

이 발명의 서어보 제어 회로의 바람직한 실시예가 제10도에 개략적으로 나타나 있다. 설명을 위해, 이 개략도가 가상선 박스들로 줄쳐진 몇개의 부분들로 논리적으로 분할될 수 있다.A preferred embodiment of the servo control circuit of this invention is schematically shown in FIG. For illustrative purposes, this schematic can be logically divided into several parts lined up by virtual line boxes.

제 9 도, 및 10도에 나타난 블록도에 표시된 대로, 이 회로는 D/A 칩(chip)들로부터의 위치 오차 신호, R/D 칩들로부터의 속도 신호, 및 변형 게이지들로부터의 토오크 신호를 수신한다. 이 위치 오차 신호는 가상선 박스에 나타낸 자동 증폭기(370)에 공급된다. 마찬가지로, 이 속도 신호와 토오크 신호는 가상선 박스들에 도시된 차동 증폭기(372)와 계측 증폭기(374)에 각각 공급된다. 각 차동 증폭기(370, 372)는 작동증폭기(376, 378)와, 1개 이상의 레지스터 및 커패시터 열을 포함한다. 계측 증폭기(374)는, 변형 게이지들로부터 수신된 신호들이 극히 작기 때문에 증폭기들(370, 372)보다 더 큰 이득을 제공하도록 설계된다.As shown in the block diagrams shown in FIGS. 9 and 10, this circuit is capable of detecting position error signals from D / A chips, speed signals from R / D chips, and torque signals from strain gauges. Receive. This position error signal is supplied to the automatic amplifier 370 shown in the virtual line box. Similarly, this speed signal and the torque signal are supplied to the differential amplifier 372 and instrumentation amplifier 374 shown in the virtual line boxes, respectively. Each differential amplifier 370, 372 includes operational amplifiers 376, 378, and one or more resistor and capacitor strings. Instrumentation amplifier 374 is designed to provide greater gain than amplifiers 370 and 372 because the signals received from the strain gauges are extremely small.

자동 증폭기(370, 372)에 의한 신호들은 가상선 박스에 도시된 속도 루우프 보상 회로망(384)에 공급되어 평형기(balancer)(386)에 의해 조정된다. 형평기(386)에 의해 회로는 제로(0) 위치 오차가 있을 때 제로 출력을 제공하도록 조정될 수 있다.Signals by the automatic amplifiers 370 and 372 are fed to a speed loop compensation network 384 shown in the virtual line box and adjusted by a balancer 386. The balancer 386 can be adjusted to provide zero output when there is a zero position error.

속도 루우프 보상 회로망(384)은 지연-진행-지연 회로망으로 알려진 특별한 형식의 지연 회로망으로 이루어진다. 작동 증폭기, 레지스터 및 커패시터로 이루어진 저주파 지연이 제공되어 저주파들에서 신호 이득을 증가시켜 매니퓰레이터의 정적 강성을 개선한다. 그 다음에 매니퓰레이터의 안정성을 개선하고 행정초과를 감소시키기 위해 레지스터와 커패시터로 이루어진 중간 주파수 진행 회로망이 제공된다. 마지막으로, 작동 증폭기, 레지스터 및 커패시터로 이루어진 고주파 지연 회로망이 필터로서 제공된다. 단지 지연 회로망으로 또는 지연-진행 회로망으로만 이루어진 속도 루우프 보상 회로망은 가능성은 있지만 도시된 지연-진행-지연 회로망과 같이 효과적이지는 못하다.The speed loop compensation network 384 consists of a special type of delay network known as delay-going-delay network. A low frequency delay, consisting of an operational amplifier, resistor and capacitor, is provided to increase the signal gain at low frequencies to improve the static stiffness of the manipulator. Then an intermediate frequency propagation network of resistors and capacitors is provided to improve the stability of the manipulator and reduce the stroke overshoot. Finally, a high frequency delay network consisting of an operational amplifier, a resistor and a capacitor is provided as a filter. Velocity loop compensation networks consisting of only delay networks or delay-forward networks are possible but not as effective as the delay-forward-delay networks shown.

차동 증폭기(374)로부터 증폭된 토오크 신호는 자동 증폭기, 레지스터들 및 커패시터들로 이루어진 지연 회로망(388)에 공급되어 평형기(390)에 의해 조정된다. 이 회로망은 고주파 필터로서 작용한다. 결과 신호가 토오크 루우프 보상 회로망(394)에 공급된다.The torque signal amplified from the differential amplifier 374 is supplied to a delay network 388 consisting of an automatic amplifier, resistors and capacitors and adjusted by the balancer 390. This network acts as a high frequency filter. The resulting signal is supplied to a torque loop compensation network 394.

토오크 루우프 보상 회로망(394)은 차동 증폭기가 붙어 있는 진행-지연 회로로 알려진 특정한 형식의 진행 회로망으로 이루어진다. 레지스터와 커패시터로 이루어진 저주파 진행 회로망이 차동 증폭기로부터의 신호를 수신한다. 그 다음에 작동 증폭기, 레지스터 및 커패시터로 이루어진 지연 회로망이 이어진다. 결과 신호는 최종 구동 신호를 관절 모우터에 발생시키는 통상의 전류 증폭기에 공급된다. 토오크 루우프 보상 회로망의 목적 및 효과는, 개방 루우프 순방향 경로의 주파수 응답 및 위상 특성을 변경시켜 불안정성의 조건을 피하고 가장 안쪽 피이드백 루우프의 작동 대역폭을 극대화시키는 것이다. 토오크 루우프의 작동 대역폭을 극대화시킴으로써, 그렇지 않은 경우에 가능한 것보다 속도 및 위치 루우프들의 대역폭이 더 높게 허용될 수 있고, 따라서 매니퓰레이터의 응답속도가 개선된다.Torque loop compensation network 394 consists of a specific type of traveling network known as a progress-delay circuit with a differential amplifier attached. A low frequency traveling network of resistors and capacitors receives signals from the differential amplifiers. This is followed by a delay network of operational amplifiers, resistors, and capacitors. The resulting signal is fed to a conventional current amplifier that generates the final drive signal to the joint motor. The purpose and effect of the torque loop compensation network is to alter the frequency response and phase characteristics of the open loop forward path to avoid conditions of instability and to maximize the operating bandwidth of the innermost feedback loop. By maximizing the operating bandwidth of the torque loop, the bandwidth of the speed and position loops can be tolerated higher than would otherwise be possible, thus improving the response speed of the manipulator.

회로망 부품들의 특정값은 실험적으로 결정되거나 또는 수학적 모델링(modeling) 또는 컴퓨터 모델링에 의해 결정된다. 이 값들은 제어되는 각 구조물에 대해 독특하다. 그러므로, 이 값들을 여기서는 표시하지 않는다.Specific values of network components are determined experimentally or by mathematical modeling or computer modeling. These values are unique for each structure that is controlled. Therefore, these values are not shown here.

Claims (15)

벨(bell) 부분과, 상기 벨 부분에서 연장되며 각각 동심인 구멍들을 형성하는 두개 이상의 평행 이어들을 포함하는 이어 모듈, 벨 부분과, 상기 벨 부분에서 연장되며 상기 이어들 사이에 배치된 관형부분을 포함하는 케이스 모듈, 상기 이어 모듈과 상기 케이스 모듈 사이의 상대 회전을 허용하도록 위치된 두개 이상의 베어링들, 상기 이어 모듈 또는 케이스 모듈중 제 1 모듈에 부착된 감속 기어 구동 수단, 상기 감속 기어 구동 수단에 부착되어 상기 이어 모듈 또는 케이스 모듈중 제 2 모듈과 상기 감속 기어 구동 수단 사이의 회전운동을 클러치로 전달하는 수단, 상기 이어 모듈과 상기 케이스 모듈 사이의 회전력에 응답하여 제 1 신호를 발생하는 수단, 및 상기 이어 모듈과 상기 케이스 모듈 사이의 회전운동에 응답하여 제 2 신호를 발생하는 수단으로 구성되는 자립식 피치 관절.An ear module comprising a bell portion, two or more parallel ears extending from the bell portion, each forming concentric holes, a bell portion, and a tubular portion extending from the bell portion and disposed between the ears; A case module including two or more bearings positioned to allow relative rotation between the ear module and the case module, a reduction gear driving means attached to a first module of the ear module or the case module, and the reduction gear driving means. Means for transmitting a rotational movement between a second module of the ear module or the case module and the reduction gear driving means to a clutch, means for generating a first signal in response to the rotational force between the ear module and the case module; And means for generating a second signal in response to a rotational movement between the ear module and the case module. Freestanding pitch joints composed. 제 1 항에 있어서, 상기 감속 기어 구동 수단이, 상기 이어 모듈 또는 케이스 모듈 중 하나에 부착된 링 기어, 상기 이어 모듈 또는 케이스 모듈중 다른 하나에 부착되고 상기 링 기어내에 위치되어 상기 링 기어와 맞물리는 가요성 스플라인, 상기 가요성 스플라인 내측에 위치된 파형 발생기, 및 상기 파형 발생기를 회전시키는 수단을 포함하는 자립식 피치 관절.2. The speed reducing gear driving means according to claim 1, wherein the reduction gear driving means is attached to the ring gear attached to one of the ear module or the case module, the other of the ear module or the case module and is located in the ring gear to fit with the ring gear. And a physics flexible spline, a waveform generator located inside the flexible spline, and means for rotating the waveform generator. 제 1 항에 있어서, 상기 감속 기어 구동 수단이, 상기 케이스 모듈의 상기 관형 부분 내부에 부착된 링 기어, 상기 링 기어내에 위치되어 상기 링 기어와 맞물리는 가요성 스플라인, 상기 가요성 스플라인 및 상기 링 기어의 내측에 위치한 파형 발생기, 및 상기 파형 발생기를 상기 링 기어에 대해 회전시키는 수단을 포함하는 자립식 피치 관절.2. The speed reducing gear drive means according to claim 1, wherein the reduction gear driving means includes a ring gear attached inside the tubular portion of the case module, a flexible spline positioned within the ring gear and engaged with the ring gear. And a waveform generator located inside the gear, and means for rotating the waveform generator relative to the ring gear. 제 1 항에 있어서, 상기 클러치로 전달하는 수단이, 상기 가요성 스플라인에 부착된 클러치 판, 상기 이어 모듈에 부착된 클러치 부재, 및 상기 클러치 판과 상기 클러치 부재 사이의 상대 회전에 대해 마찰 저항을 제공하는 조정가능한 수단을 포함하는 자립식 피치 관절.2. The apparatus of claim 1, wherein the means for transmitting to the clutch provides frictional resistance to a clutch plate attached to the flexible spline, a clutch member attached to the ear module, and a relative rotation between the clutch plate and the clutch member. Self-supporting pitch joints comprising adjustable means for providing. 제 1 항에 있어서, 상기 회전력 신호 발생수단이, 상기 클러치로 전달하는 수단의 적어도 하나의 위치에 마련된 얇은 벽 부분, 및 상기 얇은 벽 부분상에 장착되어 변형에 대해 응답하는 하나 이상의 신호 발생 수단을 포함하는 자립식 피치 관절.2. The apparatus of claim 1, wherein the rotational force signal generating means comprises a thin wall portion provided at at least one position of the means for transmitting to the clutch, and at least one signal generating means mounted on the thin wall portion to respond to deformation. Self-contained pitch joints. 제 2 항에 있어서, 상기 회전력 신호 발생 수단이, 상기 클러치로 전달하는 수단의 적어도 하나의 위치에 마련된 얇은 벽 부분, 및 상기 얇은 벽 부분 상에 장착되어 변형에 대해 응답하는 하나 이상의 신호 발생 수단을 포함하는 자립식 피치 관절.3. The apparatus according to claim 2, wherein said rotational force signal generating means comprises a thin wall portion provided at at least one position of the means for transmitting to said clutch, and at least one signal generating means mounted on said thin wall portion and responding to deformation. Self-contained pitch joints. 제 3 항에 있어서, 상기 회전력 신호 발생 수단이, 상기 클러치로 전달하는 수단의 적어도 하나의 위치에 마련된 얇은 벽 부분, 및 상기 얇은 벽 부분상에 장착되어 변형에 대해 응답하는 하나 이상의 신호 발생 수단을 포함하는 자립식 피치 관절.4. The apparatus of claim 3, wherein the rotational force signal generating means comprises a thin wall portion provided at at least one position of the means for transmitting to the clutch, and at least one signal generating means mounted on the thin wall portion to respond to deformation. Self-contained pitch joints. 제 4 항에 있어서, 상기 회전력 신호 발생 수단이, 상기 클러치로 전달하는 수단의 적어도 하나의 위치에 마련된 얇은 벽 부분, 및 상기 얇은 벽 부분상에 장착되어 변형에 대해 응답하는 하나 이상의 신호 발생 수단을 포함하는 자립식 피치 관절.5. The apparatus according to claim 4, wherein said rotational force signal generating means comprises a thin wall portion provided at at least one position of the means for transmitting to said clutch, and at least one signal generating means mounted on said thin wall portion and responding to deformation. Self-contained pitch joints. 제 1 항에 있어서, 상기 회전운동 신호 발생 수단이, 상기 케이스 모듈 또는 이어 모듈중 하나에 장착된 기준 링 기어, 및 상기 케이스 모듈 또는 이어 모듈중 다른 하나에 장착되고 상기 기준 링 기어에 맞물려, 상기 기준 링 기어와 회전운동 신호 발생 수단 사이의 상대 운동에 응답하여 신호를 발생하는 수단을 포함하는 자립식 피치 관절.2. The apparatus of claim 1, wherein the rotational motion signal generating means is mounted to a reference ring gear mounted to one of the case module or the ear module and to the other of the case module or the ear module and engaged with the reference ring gear. And a means for generating a signal in response to a relative motion between the reference ring gear and the rotational motion signal generating means. 제 2 항에 있어서, 상기 회전운동 신호 발생 수단이, 상기 케이스 모듈 또는 이어 모듈중 하나에 장착된 기준 링 기어, 및 상기 케이스 모듈 또는 이어 모듈중 다른 하나에 장착되고 상기 기준 링 기어에 맞물려, 상기 기준 링 기어와 회전운동 신호 발생 수단 사이의 상대 운동에 응답하여 신호를 발생하는 수단을 포함하는 자립식 피치 관절.3. The rotational signal generator according to claim 2, wherein the rotational motion signal generating means is mounted to a reference ring gear mounted to one of the case module or the ear module and to the other of the case module or the ear module and engaged with the reference ring gear. And a means for generating a signal in response to a relative motion between the reference ring gear and the rotational motion signal generating means. 제 3 항에 있어서, 상기 회전운동 신호 발생 수단이, 상기 케이스 모듈 또는 이어 모듈중 하나에 장착된 기준 링 기어, 및 상기 케이스 모듈 또는 이어 모듈중 다른 하나에 장착되고 상기 기준 링 기어에 맞물려, 상기 기준 링 기어와 회전운동 신호 발생 수단 사이의 상대 운동에 응답하여 신호를 발생하는 수단을 포함하는 자립식 피치 관절.4. The apparatus of claim 3, wherein the rotational motion signal generating means is mounted to a reference ring gear mounted to one of the case module or the ear module and to the other of the case module or the ear module and engaged with the reference ring gear. And a means for generating a signal in response to a relative motion between the reference ring gear and the rotational motion signal generating means. 제 4 항에 있어서, 상기 회전운동 신호 발생 수단이, 상기 케이스 모듈 상기 또는 이어 모듈중 하나에 장착된 기준 링 기어, 및 상기 케이스 모듈 또는 상기 이어 모듈중 다른 하나에 장착되고 상기 기준 링 기어에 맞물려, 상기 기준 링 기어와 회전운동 신호 발생 수단 사이의 상대 운동에 응답하여 신호를 발생하는 수단을 포함하는 자립식 피치 관절.5. The apparatus according to claim 4, wherein the rotational motion signal generating means is mounted to a reference ring gear mounted to the case module or one of the ear modules and to the other of the case module or the ear module and engaged with the reference ring gear. And means for generating a signal in response to a relative movement between the reference ring gear and the rotational motion signal generating means. 제 5 항에 있어서, 상기 회전운동 신호 발생 수단이, 상기 케이스 모듈 또는 상기 이어 모듈중 하나에 장착된 기준 링 기어, 및 상기 케이스 모듈 또는 상기 이어 모듈중 다른 하나에 장착되고 상기 기준 링 기어에 맞물려, 상기 기준 링 기어와 회전운동 신호 발생 수단 사이의 상대 운동에 응답하여 신호를 발생하는 수단을 포함하는 자립식 피치 관절.6. The apparatus of claim 5, wherein the rotational motion signal generating means is mounted to a reference ring gear mounted to one of the case module or the ear module and to the other of the case module or the ear module and engaged with the reference ring gear. And means for generating a signal in response to a relative movement between the reference ring gear and the rotational motion signal generating means. 제 7 항에 있어서, 상기 회전운동 신호 발생 수단이, 상기 케이스 모듈 또는 이어 모듈중 하나에 장착된 기준 링 기어, 및 상기 케이스 모듈 또는 이어 모듈중 다른 하나에 장착되고 상기 기준 링 기어에 맞물려, 상기 기준 링 기어와 회전운동 신호 발생 수단 사이의 상대 운동에 응답하여 신호를 발생하는 수단을 포함하는 자립식 피치 관절.8. The apparatus according to claim 7, wherein the rotational motion signal generating means is mounted to a reference ring gear mounted to one of the case module or the ear module and to the other of the case module or the ear module and engaged with the reference ring gear. And a means for generating a signal in response to a relative motion between the reference ring gear and the rotational motion signal generating means. 제 8 항에 있어서, 상기 회전운동 신호 발생 수단이, 상기 케이스 모듈 또는 상기 이어 모듈중 하나에 장착된 기준 링 기어, 및 상기 케이스 모듈 또는 상기 이어 모듈중 다른 하나에 장착되고 상기 기준 링 기어에 맞물려, 상기 기준 링 기어와 회전운동 신호 발생 수단 사이의 상대 회전에 응답하여 신호를 발생하는 수단을 포함하는 자립식 피치 관절.9. The apparatus according to claim 8, wherein the rotational motion signal generating means is mounted to a reference ring gear mounted to one of the case module or the ear module and to the other of the case module or the ear module and engaged with the reference ring gear. And means for generating a signal in response to relative rotation between the reference ring gear and the rotational motion signal generating means.