정교한 작업을 수행하기 위한 구불구불한 로봇 크롤러

정교한 작업을 수행하기 위한 구불구불한 로봇 크롤러{SERPENTING ROBOTIC CRAWLER FOR PERFORMING DEXTEROUS OPERATIONS}

로봇 분야는 다양한 임무(task)를 위해 개발되어 온 로봇 차량(robotic vehicle)의 여러 상이한 타입, 및 활동적인 연구 분야이다. 예를 들어, 무인항공기는 군사 항공 정찰에서 상당한 성공을 거두고 있다. 최근, 무인 지상 차량(unmanned ground vehicle) 분야에서 급격한 발전을 이루고 있다. 이러한 무인 지상 차량은 매우 광범위하게 변형되며 다양한 지형(terrain), 가령, 예를 들어, 느슨하고 변하기 쉬운(shifting) 재료, 장애물(obstacle), 초목(vegetation), 제한된 폭 또는 높이 구멍(opening), 계단(step) 등을 횡단하도록 구성된다.

한 환경(environment)에서 작동하기에 최적화된(optimized) 차량은 그 외의 다른 환경에서는 작동을 잘 수행하지 못할 수 있다. 예를 들어, 대형 차량은 일부 장애물, 가령, 예를 들어, 계단, 낙하, 틈 등을 보다 잘 취급할 수 있다. 반면에, 대형 차량은 좁다란 통로에는 쉽게 적응할 수 없거나 파이프 내에서 기어갈 수는 없으며, 초목에 의해 보다 쉽게 방해받을 수 있다. 또한, 대형 차량은 보다 용이하게 발각될 수 있으며, 따라서 독립된 감시 분야에 대해서는 덜 바람직할 수 있다. 반면에, 소형 차량이 보다 독립적이며 운행에 있어서 특정 장애물로 둘러싸인 특정 경로에서는 대형 차량보다 더 적합할 수 있다.

로봇 차량 내에서 다양한 움직임 형상(mobility configuration)이 상이한 지형을 횡단하도록 적응되어 왔다(adapted). 이러한 옵션(option)들은 레그(leg), 휠(wheel), 및 트랙(track)들을 포함한다. 레그형 로봇(legged robot)은 민첩할 수 있으나(agile), 이러한 시스템은 이동하면서 안정성을 구현하기 위해 복잡한 컨트롤 메커니즘을 필요로 할 수 있다. 휠 달린 차량(wheeled vehicle)은 높은 움직임(mobility)을 제공할 수 있지만, 제한된 견인력(traction)을 제공할 수 있으며, 안정성을 구현하기 위하여 보다 큰 전체 로봇 폭을 필요로 할 수도 있다.

트랙형 차량(tracked vehicle)은 잘 알려져 있으며 종래적으로 탱크(tank)-유사 형상으로 구성되어 왔다. 트랙형 차량이 몇몇 환경에서는 높은 수준의 안정성을 제공할 수 있지만, 트랙형 차량은 소형 차량에 사용될 때에는 통상 제한된 조작성(maneuverability)을 제공한다. 게다가, 공지된 트랙형 차량은, 특히, 지형이 좁고 경로가 구불구불하고 휘어져 있을 때에는, 광범위한 장애물을 수용할 수 없다.

지상 차량의 추가적인 제한은 복잡한 장애물을 조작하거나 또는 복잡한 장애물에 적응하는 것이다. 복잡한 장애물 조작, 가령, 손잡이를 비틀거나, 혹은 사다리의 가로대(rung)를 올라가거나, 펜스(fence)(예컨대, 체인 링크 펜스 등)를 올라가는 작업은 단순한 레그형 로봇 또는 휠 달린 로봇 또는 트랙형 로봇으로는 극복할 수 없는 작업이 된다. 지면에서 작동하는 정찰 드론(reconnaissance drone)은 닫혀진 도어에 진입하거나, 사다리를 올라가거나, 펜스에 올라가거나 혹은 키보드로 암호를 입력할 수 없을 것이다. 현재, 공지된 무인 지상 차량은, 특히, 임무가 물체를 제어 조작하거나 또는 제어된 힘이 여러 방향에서 균형을 맞추게 할 필요가 있을 때, 다양한 임무를 수행할 수 없다.

이제, 본 발명은 첨부된 20개의 도면들을 참조하여 밑에 기술되는 상세한 설명과 청구항들로부터 보다 자명해 질 것이다. 이러한 도면들은 단지 본 발명의 대표적인 실시예들을 도시한 예들이며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 고려되어서는 안 된다는 것을 이해해야 한다. 본 발명의 구성요소들은, 본 명세서의 도면에 예시하고 기술된 것과 같이, 다양한 상이한 형상들로 설계되고 배열될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 본 발명은 첨부도면들을 사용하여 보다 상세하고 구체적으로 설명되고 기술될 것이다:
도 1은 본 발명의 한 대표적인 실시예에 따른 다수의(2개의) 정교한 매니퓰레이터를 가진 구불구불한 로봇 크롤러의 투시도;
도 2 및 3은 각각 도 1의 구불구불한 로봇 크롤러, 특히, 본 발명의 한 실시예에 따른 원위 단부에 결합된 정교한 매니퓰레이터 및 프레임 유닛의 부분 측면도 및 상부도;
도 4는 도 1의 구불구불한 로봇 크롤러, 특히 본 발명의 한 실시예에 따라 프레임에 대한 결합 부재를 작동시키도록 사용되는 방법 및 시스템을 작동시키는 한 타입을 보여주는 부분적인 절단 부분을 가진 프레임의 부분 측면도;
도 5a-5h는 본 발명에 따른 상이한 타입의 정교한 매니퓰레이터를 예시한 도면;
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 대표적인 2-핸드 정교한 작업(two-handed dexterous operation)을 수행하는 대표적인 구불구불한 로봇 크롤러의 투시도;
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 또 다른 대표적인 2-핸드 정교한 작업을 수행하는 대표적인 구불구불한 로봇 크롤러의 투시도;
도 8a 및 8b는 본 발명의 한 실시예에 따라 상이한 대표적인 정교한 작업을 수행하는 대표적인 구불구불한 로봇 크롤러의 투시도;
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따라 2-핸드 정교한 작업을 용이하게 하는 관절 섹션에 결부된 장치에 의해 물체에 고정된 대표적인 구불구불한 로봇 크롤러의 투시도;
도 10-13은 정교한 매니퓰레이터의 대안의 실시예들을 가진 구불구불한 로봇 크롤러의 투시도로서, 정교한 매니퓰레이터는 프레임 내의 가로 공동 내에서부터 각각의 프레임으로부터 가로 방향으로 전개된다.

밑에서, 본 발명의 실시예들에 대한 기술 개념들에 대해 우선 개략적으로 기술된 후에, 특정 실시예들에 대해 추가로 상세하게 기술될 것이다. 상기 초기 요약은 독자가 본 발명의 기술적인 개념을 이해하는데 도움을 주기 위한 것이며 본 발명의 핵심적인 특징 또는 기술들을 식별하거나 혹은 본 발명에서 청구하고 있는 대상의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.

감시, 정찰, 및 원격 작동을 위해 사용되는 다양한 상이한 타입의 무인 로봇(unmanned robot)이 존재하는데, 이러한 작동은 대부분 원격 조종되거나 혹은 자율 방식으로 작동된다. 상기 로봇들은 레크레이션 전투 로봇(recreational battle robot)으로부터 NASA의 화성 탐사로봇과 같이 샘플을 수집할 수 있는 로봇까지 디자인과 기능에서 다양하다. 이러한 로봇을 위한 디자인 인력이 경험하는 가장 큰 문제점은 로봇이 상이한 타입의 지형(terrain)을 횡단하는 기능이다. 실제로, 지형을 횡단하는 디자인은 광범위하게 변경된다. 한 고유의 문제점은, 로봇이 가장 광범위한 지형 타입을 횡단할 수 있으면서도 크기가 크고 무거운 기기 및 공구를 이송할 수 있다는 것이다. 다양한 타입의 지형을 잘 횡단하면서도 대형인 로봇들은 제한된 공간에 진입하고 기능을 하는 데 있어서 현저하게 제한된다. 추가로, 공지의 로봇이 해결하고, 작동하거나 그 외의 경우 복잡한 요인 상에서 작동되는데 있어서, 가령, 물체를 파지하고(grasping) 조작하거나, 구조물을 올라가는 등에 있어서 추가로 제한된다.

본 발명은 위에서 논의된 것과 같이 종래 기술에서 고유의 문제점 및 결점들 중 일부를 해결하는데 도움이 되는 정교한 매니퓰레이터를 가진 구불구불한 로봇 크롤러를 포함한다. 한 실시예에서, 구불구불한 로봇 크롤러는 하나 이상의 배치가능한 정교한 매니퓰레이터를 포함한다. 하나 이상의 정교한 매니퓰레이터는 내부에서 회전 가능하게 지지되는 연속 트랙(continuous track)을 가진 프레임에 결부될 수 있다. 또한, 다수의 정교한 매니퓰레이터를 가진 구불구불한 로봇 크롤러가 고려된다. 이 경우, 제1 및 제2 정교한 매니퓰레이터는 각각 제1 및 제2 프레임 주위에서 지지될 수 있는데, 상기 제1 및 제2 프레임은 각각의 프레임에 결부된 정교한 매니퓰레이터들이 각각 다양한 작업을 수행할 수 있도록 하기 위해 몇몇 가능한 위치들 중 하나에 제1 및 제2 프레임을 배치시킬 수 있는 관절식 링크연결장치(articulated linkage)에 의해 함께 결합될 수 있다. 한 양태에서, 상기 관절방식 및 배치방법은 가령, 제한된 또는 협소한 공간으로 진입하거나 통과하기 위하여 구불구불한 로봇 크롤러가 로우 프로파일 형상(low profile configuration)이 되거나 구성될 수 있게 한다. 예를 들어, 크롤러는 배수 파이프를 통해 올라가서 실내로 진입할 수 있다. 실내에 진입하면, 크롤러는 작업 위치로, 가령, 정교한 매니퓰레이터들이 함께 정교한 작업 또는 임무를 수행하도록(즉 밸브 핸들을 개방하거나, 사다리를 올라가고, 로프 또는 케이블을 타고 올라가거나, 키보드를 치고, 단말작동기(end effector)를 이용하여 물체를 고정하고 구불구불한 로봇 크롤러에 결부된 제2 단말작동기를 이용하여 물체의 한 부분 위에 정교한 작업을 수행하거나, 혹은 그 외의 다른 다양한 타입의 정교한 작업 또는 임무를 수행하도록) 하는 위치로 재구성될 수 있다(reconfigured).

본 명세서에서 사용되는 것과 같이, 용어 "정교한 작업(dexterous operation)"은 정교한 매니퓰레이터에 의해, 가령, 정교한 매니퓰레이터의 단말작동기로 수행될 수 있는 작업으로 정의되는데, 여기서 힘은 단말작동기에 의해 물체 또는 물건에 작용하거나 물체 또는 물건에 반대로 작용하도록 (예컨대, 상이한 방향으로(예를 들어, 반대 방향으로)) 제공된다.

본 명세서에서 사용되는 것과 같이, 용어 "정교한 매니퓰레이터(dexterous manipulator)"는 정교한 작업을 제공하거나 수행하도록 로봇 크롤러 내에서 작동될 수 있는 구성요소 또는 구성요소 장치들로 정의된다.

본 명세서에서 사용되는 것과 같이, 용어 "정교한 작업 시스템(dexterous manipulation system)"은 정교한 매니퓰레이터를 제어하도록 사용되는 컨트롤 시스템(예컨대, 프로세서, 전자장치, 회로, 필터, 유압장치, 액츄에이터, 모터, 컨트롤 로직 등)에 결합된 정교한 매니퓰레이터를 포함하는 시스템을 의미할 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 것과 같이, 용어 "조정된 정교한 작업(coordinated dexterous operation)"은 하나 또는 그 이상의 임무를 용이하게 수행하도록 하나 또는 그 이상의 정교한 작업을 수행하기 위한 2개 이상의 정교한 매니퓰레이터의 작업을 의미한다. 이 작업은 하나 또는 그 이상의 임무를 달성하기 위해 동일한 단일의 정교한 작업을 수행하도록 조정되는 정교한 매니퓰레이터를 포함할 수 있다. 또한, 이 작업은 하나 또는 그 이상의 임무를 달성하기 위해 상이하지만 관련된 정교한 작업을 수행하도록 조정된 정교한 매니퓰레이터를 포함할 수도 있다. 또한, 이 작업은 하나 또는 그 이상의 임무를 달성하기 위해 상이하지만 관련없는 정교한 작업을 수행하도록 조정된 정교한 매니퓰레이터를 포함할 수도 있다. 또한, 이 작업은 정교한 작업을 수행하기 위해 한 위치에 있는 관절식 링크연결장치 및/또는 프레임(들)에 의해 정교한 매니퓰레이터를 배치하는 방법도 포함할 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 것과 같이, 용어 "구동 서브시스템(drive subsystem)"은 크롤러에 운동 기능을 제공하는 프레임 유닛 상에 위치된 요소들로서 정의된다. 이러한 요소들은, 이들에만 제한되지는 않지만, 지면 접촉 요소(예컨대, 무한궤도, 휠, 이들의 조합 등), 구동 트레인, 만약 임의의 하나라도 존재한다면, 트랜스미션, 만약 임의의 하나라도 존재한다면, 모터, 전력 공급장치, 지면 또는 그 외의 표면 또는 구조물 주위에서 로봇 크롤러를 움직이기에 필요한 그 외의 다른 임의의 요소를 포함할 수 있다.

다음의 상세한 설명 및 본 발명의 대표적인 실시예들은 첨부도면들을 참조함으로써 잘 이해될 것이며, 본 발명의 요소 및 특징들은 본 명세서 전반에 걸쳐 제공된 도면부호들로 표시된다.

도 1-3을 보면, 본 발명의 제1 대표 실시예에 따라, 정교한 매니퓰레이터를 포함하는 구불구불한 로봇 크롤러가 예시된다. 구체적으로, 도 1은 다양한 상황에서 정교한 작업을 수행하도록 관절-연결되고(articulated) 위치될 수 있는 복수의 정교한 매니퓰레이터를 포함할 수 있는 구불구불한 로봇 크롤러(10)의 등축도로서, 이들 중 몇몇이 밑에서 상세하게 논의될 것이다.

도시된 것과 같이, 제1 정교한 매니퓰레이터(300)가 제1 프레임(100)의 원위 단부(110) 주위에 결합될 수 있으며, 제2 정교한 매니퓰레이터(400)가 제2 프레임(200)의 원위 단부(210) 주위에 결합될 수 있다. 프레임(100, 200)은 각각 원위 단부(110 및 210) 및 근위 단부(120 및 220)를 포함할 수 있다. 구불구불한 로봇 크롤러는 프레임(100 및 200)이 지면 또는 그 외의 표면 주위에서, 그리고, 가령, 상이한 형상 및 추진 모드를 구현하기 위해 서로에 대해 이동하게 하도록 구성된 추진 시스템을 추가로 포함할 수 있다. 추진 시스템은 프레임(100) 주위에서 지지될 수 있으며 프레임(100)과 작동가능한 구동 서브시스템(700), 및 이와 비슷하게 프레임(200) 주위에서 지지될 수 있으며 프레임(200)과 작동가능한 구동 서브시스템(800)을 포함할 수 있다. 구동 서브시스템들은 다양한 모터, 구동 트레인, 제어장치 등을 포함할 수 있다. 추진 시스템은 구불구불한 로봇 크롤러의 추진을 용이하게 해 주는 하나 또는 그 이상의 표면 접촉 요소들, 가령, 구동 서브시스템(700)과 작동가능한 프레임(100) 주위에서 회전 가능하게 지지되는 연속 또는 무한궤도(710), 및 구동 서브시스템(800)과 작동가능한 프레임(200) 주위에서 회전 가능하게 지지되는 연속 또는 무한궤도(810)를 추가로 포함할 수 있다. 회전가능한 무한궤도(710 및 810)를 각각의 프레임 유닛들에 추가하면, 구불구불한 로봇 크롤러(10)가 지면 또는 그 외의 표면들 주위로 이동할 수 있게 하고 다수의 장애물을 극복하도록 구불구불한 로봇 크롤러(10)에 운동성(mobility)이 제공된다. 그 외의 타입의 표면 접촉 요소들은 당업자가 쉽게 이해할 수 있도록 가령, 휠, 회전 조인트 등으로서 사용될 수 있는데, 본 명세서에서 이들 모두 고려된다.

구불구불한 로봇 크롤러(10)는 각각의 프레임(100 및 200)의 근위 단부(120 및 220)에서 또는 근위 단부 가까이에서 프레임(100 및 200)을 함께 결합하는 다수의 자유도를 가진 링크연결 암(900)을 추가로 포함할 수 있다. 한 대표적인 실시예에서, 다수의 자유도를 가진 링크연결 암(900)은 프레임(100 및 200)에 대해 이동될 수 있다. 다수의 자유도를 가진 링크연결 암(900)의 움직임(movement)은 수동적이거나(passive), 작동되거나 혹은 제동될 수 있다. 도시된 실시예에서, 다수의 자유도를 가진 링크연결 암(900)은 피벗회전 관절 조인트(910a-e) 및 회전 관절 조인트(920a-b)를 포함할 수 있다. 상기 관절 조인트(910a-e 및 920a-b) 중 모두 또는 일부가 프레임(100, 200)과 서로에 대해 조인트를 선택적으로 배치하도록 작동될 수 있다. 실제로, 관절 조인트들은 구불구불한 로봇 크롤러(10)가, 제1 정교한 매니퓰레이터(300)가 제2 정교한 매니퓰레이터(400)에 대해, 그리고, 서로에 대해 제1 및 제2 프레임(100, 200)의 다양한 형상과 위치를 갖기 쉽게 할 수 있다. 도 1에 도시된 대표적인 형상에서와 같이, 구불구불한 로봇 크롤러(10)는 서로 나란하게 배열된 회전식 무한궤도(710 및 810) 및 프레임(100, 200)을 가진 탱크(tank)-유사형상을 가질 수 있다. 그 외의 다른 상황에서, 구불구불한 로봇 크롤러(10)는 대안의 형상, 가령, 서로에 대해 일렬 방식으로 배열된 프레임 유닛을 가진 형상을 가질 수도 있다. 이러한 상이한 형상들은 밑에서 보다 상세하게 논의된다.

각각의 프레임 유닛(100 및 200)에는 스톱(160 및 260), 혹은 다수의 자유도를 가진 링크연결 암(900)의 회전 각도를 제한할 수 있는 그 외의 다른 리미터 장치(limiter device) 또는 시스템이 구비될 수 있으며, 이에 따라, 프레임(100 및 200)에 결합된 조인트들은 무한궤도(120 및 220)가 작동될 때 조인트가 방해되는 각도까지 회전되는 것이 방지된다.

정교한 매니퓰레이터(300 및 400)는 각각 프레임(100 및 200)의 원위 단부(110 및 210)에 피벗회전 가능하게 연결되거나 결합되거나 혹은 그 외의 경우 원위 단부 주위에 배열된 각각의 결합 부재(310 및 410)를 포함할 수 있다. 결합 부재(310 및 410)는 정교한 매니퓰레이터(300, 400)가 용이하게 손목(wrist)과 비슷하게 작동되거나 기능할 수 있도록 도와줄 수 있는데, 이는 인간의 손목과 비슷하게 다수의 상이한 축 주위로 다수의 자유도로 움직일 수 있다는 것을 의미한다.

정교한 매니퓰레이터(300 및 400) 중 하나 또는 둘 모두는 작동 혹은 조작되도록 구성되거나, 또는 그 외의 경우 워크피스(예컨대, 물체, 또 다른 단말작동기, 지면 또는 그 외의 표면 등)과 접하도록(interface) 구성된 단말작동기(예컨대, 각각, 결합 부재(310 및 410)와 작동가능한 단말작동기(320 및 420) 참조)를 추가로 포함할 수 있다. 본질적으로, 각각의 정교한 매니퓰레이터(300 및 400), 및 정교한 매니퓰레이터의 단말작동기(320 및 420)는 정교한 작업을 수행하기 위하여 물체 또는 물건을 조작하거나 또는 그 외의 경우 물체 또는 물건과 접하도록 구성될 수 있다.

단말작동기(300, 400)는 수행되어야 하는 임무에 따라 다양한 상이한 형상들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 단말작동기는 워크피스에 2개의 반대 힘(opposing force)을 제공하여 인간의 손과 비슷한 기능을 제공하도록 작동가능한 구성요소들을 포함하도록 구성될 수 있다. 가령, 도시된 실시예에서와 같은 한 양태에서, 단말작동기는, 서로에 대해 이동되며, 서로를 향하는 방향으로 반대 힘을 제공하거나 혹은 엄지손가락이 눌러지는 데 반대로 향하는 인간의 손가락과 비슷하게, 제한하도록 구성된 서로 맞은편에 있는 핑거 구성요소(finger component)를 포함할 수 있다. 또 다른 양태에서, 단말작동기는 서로로부터 멀어지는 방향으로 카운터(counter) 또는 반대 힘을 제공하도록 작동되거나 혹은 팽창하도록 구성된 구성요소들을 포함할 수 있다. 도 5a-5h에 대해서, 다양한 단말작동기가 밑에서 보다 상세하게 논의될 것이다.

구불구불한 로봇 크롤러의 관절식 링크연결장치 및 프레임의 유일한 배치 성능은, 결합 부재(310 및 410) 및 결합 부재의 각각의 단말작동기(320 및 420)와 함께, 구불구불한 로봇 크롤러, 보다 구체적으로는 하나 또는 그 이상의 주어진 워크피스에 대해, 및/또는 서로에 대해 정교한 매니퓰레이터(300, 400)의 동적 배치(dynamic positioning)를 용이하게 한다. 또한, 다수의 자유도를 가진 링크연결 암(900) 사이의 스톱(160 및 260)과 비슷하게, 스톱(150 및 250)이 결합 부재(310 및 410)가 각각의 회전 무한궤도(710 및 810)와 방해되지 않도록 하기 위하여 각각의 프레임(100 및 200)에 고정될 수 있다.

정교한 매니퓰레이터(300 및 400)에 추가적인 정교함을 제공하고, 성능 및 배치를 용이하게 향상시키기 위하여, 정교한 매니퓰레이터(300 및 400) 중 하나 또는 둘 모두는 회전 조인트, 가령, 결합 부재(210, 310) 및 단말작동기(320, 420)와 작동가능한 회전 조인트(330 및 430)를 추가로 포함하여 정교한 매니퓰레이터(300, 400)가 (예컨대, 단말작동기에 피치, 요 및 롤 기능을 제공하거나 제공하기 위해) 다수의 자유도를 가진 손목과 비슷한 방식으로 기능할 수 있게 한다. 각각의 회전 조인트(210, 310)는 결합 부재(210, 310)에 회전 가능하게 결합될 수 있으며 각각 축(20b) 주위로 결합 부재(310, 410)의 단부(end) 주위로 완전한 360° 이내로 앞뒤로 회전되도록 구성될 수 있다(즉 비틀릴 수 있다). 그 외에도, 회전 조인트(330 및 430)는 연속으로 회전될 수 있도록 즉 제1 또는 시계 방향 뿐만 아니라 반대방향인 제2 또는 반시계 방향으로 무한 연속 및 일련의 완전한 회전을 수행할 수 있도록 구성될 수 있다. 추가로, 각각의 단말작동기(320 및 420)는 각각 회전 조인트(330 및 430)에 피벗회전 가능하게 결합될 수 있으며 일정 범위(예컨대, 축(B) 주위로 측정된 것과 같이, 내부의 다양한 조인트 및 정교한 매니퓰레이터의 형상과 디자인에 따라 0-360°; 0-180°등) 내에서 양방향으로 피벗회전하도록 구성될 수 있다. 결합 부재, 회전 조인트 및 단말작동기에 의해 제공되고 함께 작동 가능하게 결합된 다양한 자유도, 뿐만 아니라 관절식 링크연결장치 내의 다양한 자유도로 인해, 정교한 매니퓰레이터(300, 400) 및 구체적으로는 단말작동기(320 및 420)는 각각의 프레임(100, 200) 및 워크피스에 대해, 또는 서로에 대해 실질적으로 임의의 방향으로 위치될 수 있다.

구불구불한 로봇 크롤러의 다양한 구성요소는 능동적으로 관절-연결되거나(actively articulated) 수동적으로 관절-연결될 수 있다(passively articulated). 예를 들어, 한 대표적인 실시예에서, 정교한 매니퓰레이터(300 및 400), 뿐만 아니라 다수의 자유도를 가진 링크연결 암(900)을 구성하는 다양한 조인트는 서보 모터, 구동샤프트 시스템, 체인 구동 시스템, 유압 시스템, 텐돈/풀리 타입 시스템, 또는 당업자에게 이해될 수 있는 그 외의 임의의 적절한 작동 수단을 사용하여 능동적으로 작동될 수 있다. 대안으로, 정교한 매니퓰레이터(300,400), 뿐만 아니라 다수의 자유도를 가진 링크연결 암(900) 내의 다양한 조인트는 하나 또는 그 이상의 타입의 수동 시스템, 가령, 제동 시스템, 로킹 시스템, 또는 고정된 위치에 유지할 수 있는 그 외의 임의의 적절한 시스템을 사용하여 작동될 수 있다. 이러한 능동 또는 수동 관절 시스템은 각각의 정교한 매니퓰레이터(300 및 400)의 다양한 이동가능한 조인트들의 배치를 용이하게 하도록 작동될 뿐만 아니라 다수의 자유도를 가진 링크연결 암(900)이 정교한 매니퓰레이터(300, 400)를 원하는 위치 또는 필요한 위치에 배치시킬 수 있다.

도 1에 도시된 특정 실시예에 대해서, 프레임(100)과 정교한 매니퓰레이터(300)에 대해 기술된 형상 및 특징들은 프레임(200) 및 정교한 매니퓰레이터(400)에 비슷하게 적용될 수 있다는 것을 유의해야 한다. 하지만, 프레임(200) 및 정교한 매니퓰레이터(300)는 가령, 당업자가 쉽게 이해할 수 있듯이, 다양한 단말작동기, 손목 및 결합 부재를 사용하기 위해 상이하게 구성될 수도 있는데, 본 명세서에서는 상이한 형상이 고려된다.

도 2 및 3을 보면, 도 1의 구불구불한 로봇 크롤러(10)의 보다 상세한 부분들, 즉 프레임(100) 및 프레임에 결합되어 작동가능한 상응하는 정교한 매니퓰레이터(300)가 도시된다. 최소 또는 로우 프로파일이 바람직한 다양한 적용분야에 대하여, 관절식 링크연결장치(도 1의 관절식 링크연결장치(900) 참조), 정교한 매니퓰레이터(300), 가령, 결합 부재(310), 회전 조인트(330), 및 단말작동기(320)를 구불구불한 로봇 크롤러의 최상측 및 최하측 표면들에 의해 형성된 상부 평면(350) 및 하부 평면(351), 이 경우, 무한궤도(710)의 상측 및 하측 표면 내에 완전히 위치될 수 있도록 구성하고 설계하는 것이 바람직할 수 있다.

이러한 형상은 구불구불한 로봇 크롤러(10)가, 적어도 일시적으로, 로우 프로파일 형상 또는 주어진 목적을 위한, 가령, 협소하거나 또는 제한된 공간 또는 영역으로 진입하거나 혹은 이러한 제한된 공간을 통해 다른 영역으로 접근하기 위한 작동 모드를 가지게 할 수 있으며, 크롤러는 추후에 다양한 구성요소가 정교한 작업을 수행하기 위해 상기 평면들의 외부에 또는 평면들 없이 위치될 수 있도록 하는 작동 모드로 재구성될 수 있다. 예를 들어, 로우 프로파일 형성으로 구성되면, 로봇 크롤러(10)가 배수 파이프, 벽 내의 홀(hole) 등을 통해 한 영역에 접근할 수 있게 된다. 상기 로우 프로파일 위치를 가지며 제한된 공간에 진입한 뒤 자체적으로 다방향 작동 위치로 팽창하는 이러한 기능은 구불구불한 로봇 크롤러(10)에게 조정된 정교한 작업을 수행하는 데 있어서 이점을 제공하는데, 상기 조정된 정교한 작업은 그 외의 경우에서는 가능하지 않을 수도 있다.

구불구불한 로봇 크롤러(10)가 확실히 로우 프로파일 형상을 갖도록 구성될 수 있지만, 이러한 형상은 반드시 필요하지 않을 수 있기 때문에 임의의 방식으로 제한하기 위한 것이 아니다. 예를 들어, 어떤 상황에서, 정교한 작업이 수행되는 영역으로 접근하는 데 공간 제한 영역이 없을 수도 있다. 이에 따라, 본 발명은 정교한 작업을 수행할 수 있는 2개 이상의 정교한 매니퓰레이터를 가진 임의의 타입의 로봇 장치를 고려한다. 따라서, 임의의 방식으로, 특정의 구불구불한 타입의 로봇 장치만을 의미하거나 이러한 로봇 장치에만 제한하려는 것이 아니다.

위에서 언급한 것과 같이, 정교한 매니퓰레이터(300)는 매니퓰레이터가 결합되는 프레임(100)에 대해 다수의 자유도로 움직임을 제공하도록 구성될 수 있다. 도시된 실시예에서, 정교한 매니퓰레이터(300)는 약 3개의 자유도의 움직임을 제공할 수 있다. 구체적으로, 정교한 매니퓰레이터(300)는 축(A) 주위로 결합 부재(310)의 회전(312), 축(B) 주위로 회전 조인트(330)의 회전(332), 및 축(C) 주위로 회전 조인트(330)의 회전(334)(즉 명세서 안으로의 회전)을 제공할 수 있다. 하지만, 임의로 제한하려는 것이 아니며, 정교한 매니퓰레이터(300)가 다양한 조인트 및 조인트 형상으로 본 명세서에 구체적으로 도시된 것보다 더 많거나 혹은 더 적은 자유도를 가질 수 있도록 구성될 수 있기 때문이다.

도 3은 회전 조인트(330)가 단말작동기(320)를 360°의 움직임을 통해 회전시키는 기능을 예시하는데, 이 도면에서 단말작동기는 도 2의 단말작동기로부터 회전되어 있다는 것을 유의해야 한다.

도 4를 보면, 구불구불한 로봇 크롤러(10)의 한 부분이 도시된다. 구체적으로, 도 4는 결합 부재(310)를 작동시키기 위한 한 대표적인 방법을 예시하기 위해 프레임(100)의 부분 절단면을 도시한다. 상기 실시예에서, 가역 모터(reversible motor)(720)가 작동되어 구동 벨트(730)를 회전시키며, 그 후에, 결합 부재(310)가 고정된 회전식 구동 실린더(740)를 회전시킨다. 모터(720)가 작동되면, 결합 부재(310)는 상응하는 방향으로 움직이게 되어, 단말작동기(320)의 위치를 프레임(100) 주위로 조작한다. 당업자가 이해할 수 있듯이, 이러한 타입의 작동 시스템 및 방법은 임의로 제한하려는 것이 아니며, 결합 부재(310)를 작동시키기 위해 사용될 수 있는 다수의 시스템 및 방법들 중 오직 하나를 나타내는 것이다. 예를 들어, 추가적인 능동 작동 시스템 및 방법들은 유압 액츄에이터, 서보 모터, 공압 장치, 트랜스미션, 또는 그 외의 임의의 장치 또는 이들의 조합을 포함하거나 사용할 수 있다. 추가로, 앞에서 언급한 것과 같이, 다른 실시예들에서는, 수동 작동 방법, 가령, 제동 실린더, 로크, 또는 그 외의 다른 수동 작동 시스템 및 방법들 또는 이들의 조합도 고려된다(이들은 능동 작동 시스템 및 방법과 조합될 수 있음).

도 5a-5h를 보면, 본 발명의 다양한 대안으로 실시예들에 따른 다양한 정교한 매니퓰레이터들이 예시되는데, 단말작동기는 본 발명의 개념에 따라 다양한 형상을 가진다. 일반적으로, 이러한 단말작동기는, 어떤 방식으로 인간의 손이 물체에 대해 상이한 방향으로 힘을 제공할 수 있는지와 비슷하게, 2개 이상의 방향, 가령, 2개 이상의 반대 방향으로 힘을 제공하거나 또는 가할 수 있다. 상기 다-방향 또는 반대 방향으로 힘을 제공하는 것은 다양한 방법으로 구현될 수 있거나, 혹은 달리 말하면, 다양한 상이한 타입의 단말작동기로 구현될 수 있다.

도 5a는 물체 또는 물체 내부의 워크피스에 반대 힘을 제공할 수 있는 한 쌍의 카운터 반대 조(321a, 321b)를 가진 단말작동기(320)를 도시한다. 상기 조, 뿐만 아니라, 이후 기술되는 임의의 실시예들은 기능을 향상시키기 위해 단단한 파지 표면(grasping surface) 또는 그리핑 표면(gripping surface)을 가질 수 있다.

그 외에도, 단말작동기(320)는 자성체(magnetic body) 및 파지 영역(grasping area)을 포함할 수 있다. 단말작동기의 자성 구성요소(magnetic component)에는 자석의 고정력(holding force)을 조절하도록 사용되는 조절가능한 플럭스 리턴 경로(flux return path)가 제공될 수 있다. 단말작동기의 자성체 및 파지 영역에 자석을 제공함으로써, 구불구불한 로봇 크롤러는 강자성 구성요소(ferromagnetic component)를 보다 쉽게 파지할 수 있다. 예를 들어, 제1 정교한 매니퓰레이터가 강자성 성질을 가진 강철 나사 또는 못을 잡을 수 있고, 제2 정교한 매니퓰레이터가 상기 나사 또는 못을 구동시키도록 이용될 수 있다. 자성체 또는 파지 영역을 제1 정교한 매니퓰레이터의 단말작동기(320) 내에 통합함으로써(incorporated), 단말작동기(320)는 나사 또는 못을 덜 떨어뜨리며 구동을 위해 나사 또는 못을 더 잘 위치시킬 수 있다.

그 외에도, 자성체 및 파지 영역은 구불구불한 로봇 크롤러가 강자성 성질을 가진 환경 내에서 물품(item)들을 더 잘 작동시키고 조작할 수 있게 한다. 예를 들어, 다수의 빌딩은 강자성 시트 금속으로 형성된 에어 서플라이(5) 덕트를 가지며, 구불구불한 로봇 크롤러가 덕트 내에서 보다 쉽게 올라갈 수 있도록 하기 위해 구불구불한 로봇 크롤러는 단말작동기(320) 상에 위치된 자석을 이용할 수 있다.

도 5b는 도 5a에 도시된 것과 비슷한 조(321) 쌍과 작동가능한 추가적인 제3 조/엄지손가락 유닛(322)을 추가로 포함하는 단말작동기(320)를 도시하는데, 엄지손가락 유닛(322)은 제1 조(321)의 클램핑 방향으로부터 비-평행 평면 내에서 작동될 수 있다.

도 5c는 반대 방향으로 연장될 수 있는 2개의 로드(523a-523b), 및 2개의 로드(523a, 523b)를 연장하고 철회하여 결합 부재(510)와 회전 조인트(530)로부터 멀어지고 향하도록 작동가능한 텔레스코핑 부재(524)를 포함하는 단말작동기(520)를 도시한다. 이러한 타입의 단말작동기는, 2개의 맞은편 벽들에 대해 반대 힘들을 제공하는 것이 바람직한 것으로 입증되며, 예를 들어, 파이프를 올라가거나 파이프 내에서 작동되는 제한된 공간에서 유용할 수 있다.

도 5d는 단말작동기(620)의 단부 부분이 회전 조인트(630)와 결합 부재(610)로부터 멀어지도록 텔레스코프 방식으로 구성될 수 있는 텔레스코핑 부재(624)를 포함하며 이에 따라 정교한 매니퓰레이터에게 또 다른 자유도를 제공해 주는 단말작동기(620)를 도시한다.

도 5e는 회전 조인트(730)와 결합 부재(710) 주위로 작동가능한 철회식 루프(725)를 포함하는 단말작동기(720)를 도시한다. 철회식 루프(725)는 워크피스를 파지하고 위해 내부 방향으로 제한되고 워크피스 주위로 루프구성될(looped) 수 있도록 구성될 수 있다. 철회식 루프(725)는 금속 케이블 또는 그 외의 적절한 타입의 재료 및 디자인으로 구성될 수 있다.

도 5f는 회전 조인트(830)와 결합 부재(810)로 작동가능한 로봇 핸드(826)를 도시한다. 로봇 핸드(826)는 핑거(827a) 및 맞은편 엄지손가락(827b)을 포함할 수 있다.

도 5g는 흡입 컵, 가령, 공압 흡입 컵(855)이 구비된 로봇 단말작동기(850)를 도시한다. 공압 흡입 컵(855)이 파지 영역 내에 통합될 수 있다. 추가적인 공압 흡입 컵(855a)도 단말작동기(850)의 외측 바디(outer body) 상에 통합될 수 있다. 공압 흡입 컵(855)은 딱딱하고 실질적으로 평면 물체를 파지하거나 결부되는 향상된 기능을 단말작동기(850)에 제공한다. 딱딱하고 부드러운 단말작동기가 금속 또는 유리 시트와 같은 물품을 파지하는 데 어려움을 가지는 경우에는, 공압 흡입 컵을 가진 단말작동기가 이러한 물체를 쉽게 파지할 수 있다. 추가로, 공압 흡입 컵은 구불구불한 로봇 크롤러에 딱딱하고 부드러운 물체, 가령, 금속 빔 또는 유리 윈도(glass window)를 올라가는 기능을 제공할 수 있으며, 여기서 그 외의 단말작동기가 이렇게 작동되는 기능을 가질 수 없다. 흡입 컵 이외의 그 외의 결부 방법들도 이러한 환경에서 발견되는 물품들과 표면에 구불구불한 로봇 크롤러가 결부되는 데 도움이 되도록 비슷하게 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 구불구불한 로봇 크롤러가 이러한 환경에서 표면과 물품에 부착될 수 있도록, 결부 또는 그 외의 점착 물질, 가령, 예를 들어, 도마뱀의 손과 발의 피부에서 발견되는 미세 텍스쳐링(microscopic texturing)이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.

도 5h는 파지 영역 상에 텍스쳐링 표면(875)이 제공된 로봇 단말작동기(870)를 도시하는데, 이 단말작동기 바디 주위로 파지 물품이 거친 표면을 가지거나 혹은 연성 재료(soft material)로 구성된다. 텍스쳐링 표면(875)은 가요성 기판(flexible substrate)으로부터 돌출되는 복수의 좁다란 강성 실린더 또는 니들(needle) 즉 마이크로스파인(microspine)을 포함할 수 있다. 가요성 기판은, 니들이 연성 재료를 통과할 수 있거나 다양한 표면 특징을 가진 거친 표면 내로 삽입될 수 있게 하면서도, 니들이 작은 범위의 굽힘(flex)을 가질 수 있게 한다. 텍스쳐링 표면(875)은, 물품의 크기로 인해 단말작동기(320)가 물품을 완전히 파지하기에는 너무 클 때, 단말작동기(870)가 물체의 표면에 있는 작은 특징부를 파지할 수 있게 한다. 예를 들어, 텍스쳐링 표면(875)을 가진 단말작동기(870)가 브랜치 바디(branch body)가 파지하기에 너무 클 때 브랜치 상에 매듭(knot)을 더 잘 파지할 수도 있다.

그 외에도, 텍스쳐링 표면(875)은 니들이 물품 표면의 텍스쳐를 통과할 수 있도록 하는 거친 표면을 가진 물품을 파지할 수 있게 한다. 예를 들어, 위에서 논의된 브랜치와 비슷하게, 벽돌은 단말작동기가 파지하기에 너무 클 수 있지만, 텍스쳐링 표면(875)이 벽돌의 표면의 텍스쳐를 통과하거나 텍스쳐 내에 수용될 수 있기 때문에 단말작동기(870)는 코너(corner) 또는 표면 특징부를 파지할 수 있으며, 벽돌의 전체 폭을 개방하기에 충분히 큰 조를 가지게 하는 대신 이러한 방식으로 조작할 수 있게 한다.

도 5a-5h에 도시된 각각의 정교한 매니퓰레이터는 각각 매니퓰레이터의 특징 또는 기능들은 그 외의 다른 임의의 매니퓰레이터의 특징 또는 기능들과 당업자가 이해할 수 있는 것과 같이 임의의 조합 횟수로 조합될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 임의의 단일의 정교한 매니퓰레이터에 대한 논의는 오직 특정한 정교한 매니퓰레이터에 제한시키려는 의도가 아니며 본 명세서에 논의된 임의의 모든 정교한 매니퓰레이터에도 비슷하게 적용시킬 수 있다.

도 6 및 7을 보면, 조정된 정교한 작업을 수행하는 다수의 정교한 매니퓰레이터(예컨대, 정교한 매니퓰레이터(300 및 400))를 가진 구불구불한 로봇 크롤러(10)가 도시된다. 도시된 것과 같이, 2개의 프레임(100 및 200)은 관절식 링크연결장치(900)(상부에 제공된 보호 커버를 포함한 상태로 도시됨, 도 1 참조)를 통해 위치될 수 있는데, 여기서 프레임(100 및 200)을 배치하면 정교한 매니퓰레이터(300 및 400)의 적어도 부분적 또는 높은 수준의 배치를 용이하게 할 수 있다. 정교한 매니퓰레이터(300 및 400)를 2개의 상이한 위치에 배치하면, 구불구불한 로봇 크롤러(10)에 조정된 정교한 작업을 수행하기 위한 기능을 제공하게 된다. 이러한 타입의 배치는, 2개의 정교한 매니퓰레이터(300 및 400)가 예컨대 주어진 임무를 구현하기 위해 독립 기능(independent function)을 수행할 수 있게 한다. 한 양태에서, 상기 기능들은 동일할 수 있는데, 정교한 매니퓰레이터들이 모두 물품, 가령, 한 영역으로부터 제거하기 위한 방화 장치(incendiary device)를 파지한다. 또 다른 양태에서, 상기 기능들은 상이하지만 공통 임무(common task)에 연관될 수 있다. 예를 들어, 한 정교한 매니퓰레이터(300)가 병(bottle)을 파지하는 동안 다른 정교한 매니퓰레이터(400)는 뚜껑(lid)을 파지하여 병을 개봉하기 위해 뚜껑을 제거하는 비틀림 기능을 수행할 수도 있다. 또 다른 양태에서, 상기 기능들은 상이할 수 있으며 완전히 관련이 없을 수도 있다. 예를 들어, 한 정교한 매니퓰레이터(300)가 키보드에 타이프를 치는 동안 다른 정교한 매니퓰레이터(400)는 책상 위에서 물체 또는 물품을 이동시키게 할 수도 있다.

도 6에 예시된 특정 임무를 보면, 제1 정교한 매니퓰레이터(300)는 고정식 파이프(981)를 파지하여 로봇 장치를 안정시키기 위해 반대 힘(counter force)을 제공하며 이때 제2 정교한 매니퓰레이터(400)는 밸브 키(980)를 조작하게(예컨대, 비틀어서 개봉하거나 닫게) 하도록 구성될 수 있다. 정교한 작업, 가령, 정교한 매니퓰레이터(400)에 의해 수행되는 비틀림 작동(twisting operation)이 단독으로 작동되거나, 혹은 또 다른 예에서 관절식 링크연결장치의 움직임과 함께 또는 이들과 조합하여 정교한 매니퓰레이터에 의해 수행될 수 있다는 것을 이해해야 할 것이다.

도 6에 도시된 예에서, 구불구불한 로봇 크롤러의 기능은 2-핸드 기능(키를 파지할 뿐만 아니라 고정식 파이프를 파지하는)을 수행하여 정교한 매니퓰레이터들 사이에서 매우 바람직한 조정된 반대 힘이 제공되게 한다. 이는, 도 6에 도시된 밸브 키 기능에 대해, 밸브 키를 비틀거나 돌리는 데 필요한 힘이 구불구불한 로봇 크롤러의 중량(weight)을 초과하면, 구불구불한 로봇 크롤러가 밸브 키를 돌리는 대신 파이프 시스템에 대한 위치로부터 이동되거나 변위되게 할 수 있기 때문에 바람직하다. 조정된 정교한 작업에 제2 정교한 매니퓰레이터를 제공함으로써, 고정식 파이프를 파지하게 하고 실질적으로 구불구불한 로봇 크롤러가 적절한 작동 위치에 고정되게 하며, 구불구불한 로봇 크롤러는 구불구불한 로봇 크롤러가 그 위치로부터 이동되지 않고도 밸브 키에 훨씬 더 큰 힘을 제공할 수 있다. 다수의 정교한 매니퓰레이터를 조정된 방식으로 사용하는 기능은 구불구불한 로봇 크롤러에 훨씬 더 큰 힘의 출력(output)을 제공하고 훨씬 더 큰 힘을 필요로 하는 임무를 수행하게 하는 기능을 제공한다.

도 7에 예시된 특정 임무를 보면, 제1 정교한 매니퓰레이터(300)는 물체를 파지하고 제2 정교한 매니퓰레이터(400)는 물체에 정교한 작업을 수행하도록 구성될 수 있다. 가령, 정교한 작업을 수행하기 위해 공구를 사용하는 정교한 작업은 단독으로 작동되거나, 혹은 또 다른 예에서 관절식 링크연결장치의 움직임과 함께 또는 이들과 조합하여 정교한 매니퓰레이터에 의해 수행될 수 있다는 것을 이해해야 할 것이다.

다시, 도 6 및 7을 보면, 구불구불한 로봇 크롤러(10)는 하나 또는 그 이상의 센서를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 광학 센서(130, 230, 20 및 930)는 프레임(100 및 200) 각각에 위치될 수 있으며, 각각 관절식 링크연결장치(900) 내에 위치될 수 있다. 상기 센서(130, 230, 및 930)는 이 센서들이 주위(surrounding) 또는 환경, 뿐만 아니라 정교한 매니퓰레이터(200 및 300)를 관측하여(observe) 배열방향에 대한 피드백 및 작동에 대한, 또는 서로에 대한 기능을 제공할 수 있도록 배치될 수 있다. 실제로, 상기 광학 센서는 워크피스 및 서로에 대한 제1 및 제2 정교한 매니퓰레이터의 공간 배열방향(spatial orientation)을 결정하도록 구성될 수 있으며, 광학 센서는 조정된 2-핸드 작동을 용이하게 할 수 있다. 구불구불한 로봇 크롤러가 주변을 관측하고 평가하는 기능으로 인해, 구불구불한 로봇 크롤러(10)는 바람직한 위치에 배치될 수 있으며 물품을 파지하고 적절하게 작동하는 데 도움이 될 수 있다.

광학 센서(130, 230, 및 930)는 프레임 유닛에 대해 고정 기준점(stationary point of reference)을 가진 상태로 도시되지만, 텔레스코프식, 광섬유 또는 그 외의 재배치 센서(예컨대, 원격 위치로부터 특정 영역을 관측하기 위한 이동식 카메라)도 고려되며 이들은 본 발명의 범위 내에 있다.

단순히, 워크피스 주위에 배치하는 것 외에도, 구불구불한 로봇 크롤러(10)의 다양한 관절식 시스템 즉 다수의 자유도를 가진 링크연결 암 및 각각의 정교한 매니퓰레이터는 구불구불한 로봇 크롤러(10)의 중량과 적어도 동일한 힘을 제공하도록 구성될 수 있다. 이러한 조합된 기능은 구불구불한 로봇 크롤러가 필요 시에 자신을 들어올리게 할 뿐만 아니라, 보다 복잡하고 큰 힘을 필요로 하는 정교한 작업, 가령, 도 6에 도시된 작업 즉 밸브 키(980)를 비트는 작업을 수행하면서, 도 7에 도시되거나 도 7에 도시된 것과 같은 파이프 시스템 및 지면에 대한 작동 위치를 유지하면서 상기 물품을 정교하게 조작하는 작업을 수행하고 물품을 고정하는 작업을 가능하게 할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 구불구불한 로봇 크롤러의 다양한 관절 시스템은, 몇몇 작업들이 심지어 더 큰 힘을 필요로 할 수 있을 때, 가령, 밸브 키(980)가 녹이 슬어 돌리기에 상당히 어려울 때, 구불구불한 로봇 크롤러의 중량을 초과하는 힘을 제공하도록 구성될 수 있다. 또한, 높은 관절 힘은 구불구불한 로봇 크롤러가 동적 모드(dynamic mode) 또는 패턴(pattern)으로 움직이는(예컨대, 스윙회전(swinging) 또는 올라감 등) 기능을 제공한다.

도 8a 및 8b를 보면, 조정된 방식으로 작동되는 정교한 매니퓰레이터(300 및 400)를 포함하는 구불구불한 로봇 크롤러(10)의 한 예가 도시되는데, 이들은 각각 사다리(990)를 올라가는 임무를 달성하기 위해 사다리(990)의 다양한 부분들을 파지하는 정교한 작업을 수행한다. 상기 임무는 정교한 매니퓰레이터(300 및 400)를 사용하여 사다리(990)를 파지하고 그 뒤 관절식 링크연결장치(900), 결합 부재(310, 410), 및 회전 조인트(330, 430)를 관절 방식으로 조작할 뿐만 아니라 단말작동기 클램핑 메커니즘(320 및 420)을 교대로 배열하는 것을 포함하며, 구불구불한 로봇 크롤러(10)가 사다리(990) 위로 올라가게 될 수 있게 된다. 상기 예에서, 구불구불한 로봇 크롤러는 사다리(990)의 측면 레일(992a-b)을 파지하는 것으로 도시된다. 하지만, 구불구불한 로봇 크롤러(10)는 정교한 매니퓰레이터(300, 400)를 사용하여 개별 가로대(991)를 파지하게 함으로써 사다리를 올라가게 할 수도 있다. 상기 예는, 조정된 방식으로 작동되면서도, 개별적인 정교한 작업을 수행할 수 있는 다수의 정교한 매니퓰레이터를 포함하는 구불구불한 로봇 크롤러(10)를 가졌을 때의 이점을 추가로 예시한다. 이러한 올라가는 방법은 단말작동기(320 및 420)가 큰 힘으로 고정될 수 있도록 하는 몇몇 이점들을 예시한다. 실제로, 구불구불한 로봇 크롤러(10)가 상기 예에서는 정지되지 않기 때문에, 구불구불한 로봇 크롤러의 다양한 구성요소는, 한 클램핑 지점으로부터 그 다음 지점까지 연장되면서도, 이러한 동적 움직임 동안 로봇의 전체 중량을 지지할 수 있도록 구성될 수 있다. 당업자는 사다리를 올라가는 데 대해 위에서 논의된 것이 로봇 크롤러(10)가 올라가거나 작동될 수 있는 다수의 상이한 타입의 물체 또는 장애물 중 단지 대표적인 것임을 이해할 것이다. 실제로, 구불구불한 로봇 크롤러(10)는 다른 구조물, 가령, 체인 링크 펜스(chain link fence)를 올라가거나 측정할(scaling) 수 있는데, 로봇 크롤러는 사다리를 올라갈 때 수행했던 방법과 비슷하게 정교한 매니퓰레이터(300 및 400)를 이용하여 상이한 위치에서 펜스를 파지할 수 있다.

도 9를 보면, 클램핑 장치(940)(예컨대, 흡입 컵, 그리퍼, 또는 자성 클램프, 가령, 클램핑 력(clamping force)을 조절하기 위해 가변적인 플럭스 리턴 경로(flux return path)를 가진 영구 자석 또는 전자석)에 의해 물체(예컨대, 강자성 재료 벽)에 고정된 정교한 매니퓰레이터(300, 400) 및 프레임 유닛을 포함하는 구불구불한 로봇 크롤러(10)의 한 예가 도시된다. 본 명세서에 기술된 것과 같이, 구불구불한 로봇 크롤러(10)는 단일 또는 2-핸드 정교한 작업을 수행할 수 있다.

또한, 도 9에는 구불구불한 로봇 크롤러의 작은 모형(replica)로 구성된 가능한 운영자-제어 입력 장치의 한 실시예가 도시되는데, 상기 모형은 이제 모형 매스터(50)로 지칭될 것이다. 모형 매스터(50)의 조인트를 조작함으로써, 사용자는 구불구불한 로봇 크롤러의 각각의 상응하는 조인트를 원격 제어할 수 있다.

상기 모형 매스터에는, 조인트 위치 센서를 가진 수동 조인트, 부분 힘 피드백을 제공하도록 사용되는 제동 또는 로킹 메커니즘이 구비된 조인트(즉 원격으로 위치된 운영자에 의해 제공되는 힘과 반대인 힘을 제공할 수 있음), 또는 원격으로 위치된 운영자에게 완전한 힘 피드백을 제공하도록 작동된 조인트들이 구비될 수 있다. 이러한 조인트를 통해 힘 피드백을 제공함으로써, 사용자에게는 구불구불한 로봇 크롤러에 의해 제공된 힘의 일부 개념을 제공될 수 있다. 상기 피드백은 구불구불한 로봇 크롤러가 사용자가 부스러뜨리고 싶지 않은 민감한 물체를 파지하도록 이용될 수 있을 때 특히 유용할 수 있다.

도 10-13을 보면, 각각의 프레임 유닛으로부터 가로 방향으로 전개되는(deploy laterally) 정교한 매니퓰레이터를 가진 구불구불한 로봇 크롤러의 대표적인 대안의 실시예들이 도시된다.

특히, 도 10을 보면, 2개의 프레임 유닛(100 및 200)을 가진 구불구불한 로봇 크롤러(10)가 도시되는데, 여기서 정교한 매니퓰레이터(300A 및 400A)는 각각 프레임 유닛(100 및 200) 내에 형성되거나 또는 그 외의 경우 프레임 유닛에 결합된 가로 공동(lateral cavity)들로부터 전개된다. 구체적으로, 정교한 매니퓰레이터(300A)는 프레임 유닛(100)의 가로 공동(170A)으로부터 전개될 수 있으며, 정교한 매니퓰레이터(400A)는 프레임 유닛(200)의 비슷한 공동(도시되지 않음)으로부터 전개될 수 있다. 정교한 매니퓰레이터를 가로 방향으로 전개시키면, 구불구불한 로봇 크롤러가 워크피스를 둘러싸고(surround) 각각의 정교한 매니퓰레이터(300A 및 400A)가 각각의 단말작동기(320A 및 420A)를 사용하여 워크피스를 조작하도록 위치될 수 있는 보다 안정적인 플랫폼(platform)을 제공할 수 있게 된다. 도시된 것과 같이, 한 실시예에서, 각각의 정교한 매니퓰레이터(300A 및 400A)는 각각의 프레임 유닛(100 및 200)과 작동가능한 힌지(hinge) 주위로 전개될 수 있으며, 정교한 매니퓰레이터(300A 및 400A)는 각각의 프레임 유닛으로부터 원하는 위치로 피벗회전하거나 외부 방향으로 스윙회전할 수 있다. 각각의 프레임은 선택적인 연장기 유닛(extender unit), 예를 들어, 프레임 유닛(100)의 원위 단부에 위치된 연장기 유닛(370) 및 프레임 유닛(20)의 원위 단부 주위에 위치된 연장기 유닛(470)을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 연장기 유닛들은 임의의 횟수의 기능, 가령, 이들에만 제한되지는 않지만, 향상되거나 보조된 움직임(locomotion), 프레임 유닛의 안정화(stabilizing), 추가적인 물체의 파지, 또는 단지 각각의 프레임에 대해 확대된 베이스 자국(base footprint)를 제공하도록 사용될 수 있다.

특히, 도 11을 보면, 2개의 프레임 유닛(100 및 200)을 가진 구불구불한 로봇 크롤러(10)가 도시되는데, 정교한 매니퓰레이터(200B 및 400B)는 각각의 프레임 유닛들 내에 위치된 가로 공동들로부터 전개된다. 정교한 매니퓰레이터(300B)는 공동(170B)으로부터 전개되도록 구성될 수 있으며, 정교한 매니퓰레이터(400B)는 프레임(200) 내에 위치된 비슷한 공동으로부터 전개되도록 구성될 수 있다. 상기 실시예가 도 10에 도시된 실시예와 비슷하지만, 대신, 주위로 각각의 정교한 매니퓰레이터가 전개되는 힌지가 각각의 프레임 맞은편에 위치된다. 또한, 도 10의 실시예와 비슷하게, 도 11의 실시예는 구불구불한 로봇 크롤러(10)에 워크피스를 둘러싸며 가로 방향으로 전개시켜 정교한 매니퓰레이터(300B 및 400B)가 워크피스에 작동하도록 각각의 단말작동기(320B 및 420B)를 위치시키도록 하는 기능을 제공한다. 또한, 도시된 실시예는 연장기 유닛(370 및 470)의 사용 방법에 대해서도 제공된다는 것을 유의해야 한다. 하지만, 위에서 논의된 것과 같이, 상기 연장기 유닛들은 선택적인 것일 수 있으며, 구불구불한 로봇 크롤러(10)에 추가적인 기능을 제공하도록 포함될 수 있다.

특히, 도 12를 보면, 도 10 및 11에 도시된 실시예들과 비슷한 또 다른 실시예가 도시된다. 하지만, 상기 실시예는 대안의 형상을 예시하고 있는데, 구불구불한 로봇 크롤러는 2개의 프레임(100 및 200)을 가지며, 각각의 정교한 매니퓰레이터(300C 및 400C), 및 매니퓰레이터의 각각의 단말작동기(320C 및 420C)의 전개 방향은 서로 상이한데, 이는 정교한 매니퓰레이터가 프레임 유닛의 상이한 각각의 단부로부터 전개된다는 것을 의미한다. 한 실시예에서, 전개되는 정교한 매니퓰레이터(300C)는 공동(170C)으로부터 프레임 유닛(100)의 원위 단부 주위에 위치된 힌지 주위로 전개될 수 있으며, 제2 정교한 매니퓰레이터(400C)는 프레임 유닛(200)의 근위 단부 주위에 위치된 힌지 주위로 전개될 수 있다. 이로부터, 연장기 유닛(370 및 470)이 사용될 수 있거나 혹은 대안으로 워크피스 또는 주어진 상황의 필요에 따라 로우 프로파일 위치로 철회될 수 있다(retracted).

도 13은 어떻게 2개의 구불구불한 로봇 크롤러(10A 및 10B)가 주어진 특정 상황 필요 하에서 2개의 정교한 매니퓰레이터보다 더 많이 제공하도록 함께 사용될 수 있는 지를 도시한다.

본 발명의 실시예들은 특정 구조, 공정 단계, 또는 본 명세서에 기술된 재료들에만 제한되는 것이 아니라 종래 기술의 당업자들이 잘 이해할 수 있듯이 본 발명의 실시예들의 균등예들에도 확장될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 본 명세서에 사용된 용어들은 단지 본 발명의 특정 실시예들을 기술하기 위해 사용된 것이지 제한하기 위해 사용된 것이 아니라는 것도 이해해야 한다.

본 명세서 전반에 걸쳐 사용된 용어 "한 실시예" 또는 "일 실시예"는 본 발명의 실시예에 관해 기술된 특정의 특징, 구성, 또는 성질들이 본 발명의 하나 이상의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 다양한 곳에 기술된 "한 실시예에서" 또는 "일 실시예에서"는 반드시 동일한 실시예를 지칭하는 것이 아니다.

본 명세서에서 사용되는 것과 같이, 복수의 물품, 조성 요소, 및/또는 재료들은 편의상 공통적인 리스트에 나타날 수 있다. 하지만, 이러한 리스트들은 리스트의 각각의 부재가 개별적이고 유일한 부재로서 독립적으로 식별된 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 이러한 리스트의 어떠한 개별 부재도, 반대로 지칭되지 않으면, 공통 그룹 내에 나타난 것에 따라 동일한 리스트의 그 외의 다른 임의의 부재의 균등예로서 고려되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 본 발명의 다양한 실시예 및 예들은 본 발명의 구성요소들에 대한 대안예들과 함께 지칭될 수 있다. 이러한 실시예, 예, 및 대안예들은 사실상 서로 균등예로서 고려되지 않고 본 발명의 개별적이고도 자율적인 실시예로서 고려되어야 한다는 것을 이해해야 한다.

추가로, 본 명세서에 기술된 특징, 구성, 또는 특성들은 하나 또는 그 이상의 실시예들에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수도 있다. 본 발명의 실시예들을 보다 잘 이해하기 위하여, 하기 기술되는 내용으로부터, 다수의 특정 세부내용, 가령, 길이, 폭, 형태 등의 예들이 제공된다. 하지만, 당업자는 본 발명이 하나 또는 그 이상의 특정 세부내용 없이도 실시될 수 있거나, 또는 그 외의 다른 방법, 구성요소, 재료 등으로 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다른 경우에서, 잘 알려진 구성, 재료, 또는 작동 방법들은 본 발명의 양태들을 모호하게 하지 않도록 하기 위해 상세하게 기술하거나 도시되지 않는다.

위에서 기술된 예들은 하나 또는 그 이상의 특정 적용분야에서 본 발명의 원리를 예시하고 있지만, 당업자에게는 본 발명의 형태, 용도 및 세부내용들에 있어 다수의 변형예들이 본 발명의 개념 및 사상으로부터 벗어나지 않고도 가능하다는 것을 이해해야 한다. 이에 따라, 본 발명의 범위는 하기 청구항들에 의해 정의된다.