KR100360840B1

KR100360840B1 - 로봇의 전방향 이동장치

Info

Publication number: KR100360840B1
Application number: KR1020000042251A
Authority: KR
Inventors: 김종환; 정명진
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2000-07-22
Filing date: 2000-07-22
Publication date: 2002-11-13
Also published as: KR20020008561A

Abstract

로봇의 전방향 이동장치에 관한 것으로, 베이스(50)와; 상기 베이스(50)에는 서로 대향되게 축설된 한쌍의 좌,우측 바퀴(27,37)와, 이 좌,우측 바퀴(27,37)의 중앙라인상에 배치된 보조바퀴(40)를 구비하되, 상기 좌,우측 바퀴(27,37)가 상기 베이스(50)에 축설된 한쌍의 좌,우측 종동기어(23,33)로부터 각기 동력을 전달받도록 구성하고; 상기 베이스(50)상에 입설된 주축(80)과; 상기 주축(80)에 선회가능하게 장착된 회전체(60)와; 상기 회전체(60)에 탑재된 회전체구동용 모터(10), 좌측바퀴 구동용 모터(20) 및 우측바퀴 구동용 모터(30)와; 상기 주축(80)에 일체된 고정기어(12)와, 상기 주축(80)에 회전자재되게 설치되고 상기 좌,우측구동용 모터(20,30)의 출력을 각기 상기 좌,우측 종동기어(23,33)에 전달하는 좌,우측구동용 중간기어(22,32)를 포함한 것을 특징으로 한다.

Description

로봇의 전방향 이동장치{Omni-Directional Moving Device of Robot}

본 발명은 로봇의 전방향 이동장치에 관한 것으로, 특히 2차원 평면에서 고정된 절대 좌표축에 대하여 X축 및 Y축으로의 속도 성분을 임의로 조절할 수 있으며 로봇의 몸체를 1개의 회전축을 이용하여 하체부의 바퀴 중심축으로부터 오프셋만큼 떨어진 로봇의 중심점에 배치하여 로봇 몸체의 각속도를 제어할 수 있도록 한 로봇의 전방향 이동장치에 관한 것이다.

현재까지 다양한 바퀴식 로봇의 전방향 구조가 제안되었으며 도 2는 대표적인 구조들을 나열하고 있다.

도 2a는 가장 일반적인 구조로써 자재바퀴(universal wheel)와 같은 특수바퀴를 사용하는 구조이다.

이 구조의 단점은 특수한 바퀴의 제작이 용이하지 않고 실제 제작된 바퀴와 모델식 사이에 오차가 존재하여 전확한 위치의 추정이 불가능하다는 것이다.

도 2b는 비교적 최근에 제안된 구조로 일반적으로 많이 사용되는 타이어 바퀴를 사용하므로 특수한 바퀴가 필요하지 않고 모델식 사이에 오차도 작다는 장점이 있으나 3개의 제어대상에 대하여 최소 4개의 구동기가 필요하다는 단점이 있다.

도 3a는 가장 최근에 제안된 구조로서 일반 타이어 바퀴를 사용하는 장점과 필요한 제어기도 3개라는 장점이 있다.

그러나 하부의 두 바퀴를 제어하기 위해 하부에 모터를 설치하고 상부로부터의 전원 및 제어신호의 공급을 위해 상,하부 사이에 도 3b와 같이 슬립링의 일종인 원형표면 커넥터(circular surface connector)를 사용하였는데 이는 큰 전류의 신호를 보내기가 어렵고 장시간 사용시 커넥터 표면에서 마모현상이 발생하여 신호 전달에 문제를 발생할 소지가 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 사정을 감안하여 창안된 것으로, 2차원 평면에서 고정된 절대 좌표축에 대하여 X축 및 Y축으로의 속도 성분을 임의로 조절할 수 있으며 로봇의 몸체를 1개의 회전축을 이용하여 하체부의 바퀴 중심축으로부터 오프셋만큼 떨어진 로봇의 중심점에 배치하여 로봇 몸체의 각속도를 제어할 수 있는 로봇의 전방향 이동장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단은,

베이스(50)와;

상기 베이스(50)에는 서로 대향되게 축설된 한쌍의 좌,우측 바퀴(27,37)와, 이 좌,우측 바퀴(27,37)의 중앙라인상에 배치된 보조바퀴(40)를 구비하되, 상기 좌,우측 바퀴(27,37)가 상기 베이스(50)에 축설된 한쌍의 좌,우측 종동기어(23,33)로부터 각기 동력을 전달받도록 구성하고;

상기 베이스(50)상에 입설된 주축(80)과;

상기 주축(80)에 선회가능하게 장착된 회전체(60)와;

상기 회전체(60)에 탑재된 회전체구동용 모터(10), 좌측바퀴 구동용 모터(20) 및 우측바퀴 구동용 모터(30)와;

상기 주축(80)에 일체된 고정기어(12)와, 상기 주축(80)에 회전자재되게 설치되고 상기 좌,우측구동용 모터(20,30)의 출력을 각기 상기 좌,우측 종동기어 (23,33)에 전달하는 좌,우측구동용 중간기어(22,32)를 포함한 것을 특징으로 한다.

도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 로봇의 이동장치의 개략적인 조립상태도.

도 1b는 도 1a의 개략적인 평면도.

도 2a,2b는 종래 이동바퀴의 다양한 형태도.

도 3a,3b는 최근 개량된 이동장치의 개념도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 회전축 구동용모터 11,21,31 : 피니언기어

12 : 고정기어 20 : 좌측바퀴 구동용 모터

22 : 좌측구동용 중간기어 23 : 좌측 종동기어

30 : 우측바퀴 구동용 모터 32 : 우측구동용 중간기어

50 : 베이스 60 : 회전체

80 : 주축

이하, 첨부된 도 1a,1b를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1a,1b와 같이 도면 부호 50은 베이스이다.

상기 베이스(50)에는 서로 대향되게 회전축선(S1)상에 축설된 한쌍의 좌,우측 바퀴(27,37)와, 이 좌,우측 바퀴(27,37)의 중앙라인상에 배치된 보조바퀴(40)가 구비되어 있다.

상기 좌,우측 바퀴(27,37)는 상기 베이스(50)의 회전축선(S2)상에 설치된 한쌍의 좌,우측 종동기어(23,33)로부터 각기 동력을 전달받도록 구성되어 있다.

즉, 좌,우측 바퀴(27,37)축선상에는 각기 풀리(25,35)가 연결되어 있고, 상기 좌,우측 종동기어(23,33)축선상에는 각기 풀리(24,34)가 연결되어 있고, 상기 풀리(24,25)는 타이밍벨트(26)로 연결되어 있고, 상기 풀리(34,35)는 타이밍벨트 (36)로 연결되어 있다.

따라서 좌,우측 종동기어(23,33)의 회전력은 타이밍벨트(26,36)를 각기 통해 좌,우측 바퀴(27,37)에 전달되게 되어 있다.

한편, 상기 베이스(50)상에는 주축(100)이 입설되어 있고, 상기 주축(100)에는 회전체(60)가 선회가능하게 장착되어 있다.

상기 회전체(60)에는 회전체구동용 모터(10), 좌측바퀴 구동용 모터(20) 및 우측구동용 모터(30)가 탑재되어 있다.

상기 주축(100)에는 고정기어(12)가 일체로 장착되어 있고, 이 고정기어(12)는 회전체구동용 모터(10)의 출력단측 피니언기어(11)와 이맞물림되어 있다.

따라서 회전체구동용 모터(10)가 구동하게 되면, 피니언 기어(11)가 고정기어(12)를 따라 원주방향으로 이동하면서 회전체(60)가 피니언 기어(11)와 같은 방향으로 주축(100)을 중심으로 선회하게 된다.

도면부호 22는 좌측구동용 중간기어이다.

좌측구동용 중간기어(22)는 상기 주축(100)에 회전자재되게 설치된 것으로, 상기 좌측구동용 중간기어(22)는 상기 좌측구동용 모터(20)측 피니언기어(21)와 이맞물림 된 치형부(22a)와 좌측구동용 종동기어(23)에 이맞물림된 치형부(22b)를 갖고 있고, 이들 치형부(22a,22b)는 서로 직교방향으로 형성되어 있다.

따라서 좌측바퀴 구동용 모터(20)가 구동하게 되면 피니언기어(21)에 이맞물림된 좌측구동용 중간기어(22)가 회전하여 좌측 종동기어(23)에 회전력이 전달되고 동시에 타이밍벨트(26)를 매개로 좌측바퀴(27)가 구동하게 된다.

도면부호 32는 우측구동용 중간기어이다.

상기 우측구동용 중간기어(32)는 상기 좌측구동용 중간기어(22)의 보스부 (22-1)에 회전자재되게 설치된 것으로, 상기 우측구동용 중간기어(32)는 상기 우측구동용 모터(30)측 피니언기어(31)와 이맞물림 된 치형부(32a)와 우측 종동기어 (33)에 이맞물림된 치형부(32b)를 갖고 있고, 이들 치형부(32a,32b)는 서로 직교방향으로 형성되어 있다.

따라서 우측바퀴 구동용 모터(30)가 구동하게 되면 피니언기어(31)에 이맞물림된 우측구동용 중간기어(32)가 회전하여 우측 종동기어(33)에 회전력이 전달되고 동시에 타이밍벨트(36)를 매개로 우측바퀴(37)가 구동하게 된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 이동장치를 갖는 로봇은 선속도및 각속도를 다음과 같은 과정을 통해 상기 모터(10,20,30)들의 각 입력으로 표현될 수 있다. (이때 각 기어 n의 잇수를이라 표시한다. 예를 들면은 피니언기어(11)의 잇수를 나타낸다. 중간기어(22)의 치형부(22a,22b)의 잇수는 모두로 같고, 중간기어(32)의 치형부(32a,32b)의 잇수는 모두로 같다. 또한 풀리(24,25,34,35)의 잇수는 모두 같다)

여기서와는 다음과 같이 표현되고,

라는 관계식으로 다음과 같이 최종 관계식을 얻을 수 있다.

이때 우변에 있는 두 개의정방행렬은 각각 행렬식이으로 항상 0이 아니다. 따라서 언제나 역행렬을 구할 수 있으므로 가속도 및 속도 제한을 만족하는 범위에서 로봇의 속도를 임의로 제어할 수 있는 모터 입력을 구할 수 있어 전방향 특성을 가질 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 종래의 전방향 로봇 구조의 문제점인 미끄러짐을 극복하기 위한 일반적인 타이어 휠, 최소 구동기, 기어군을 사용하여 회전체에 부착된 구동기의 회전운동을 하부에 부착된 타이어 바퀴에 전달하도록 함으로써 큰 부하에도 미끄러짐 없이 전방향 특성을 보일 수 있다.

따라서 좁은 작업 공간에서 무겁고 큰 물체의 이동이 필요한 산업 현장등에서 용이하게 사용될 수 있다.

Claims

베이스(50)와;

상기 베이스(50)에는 서로 대향되게 축설된 한쌍의 좌,우측 바퀴(27,37)와, 이 좌,우측 바퀴(27,37)의 중앙라인상에 배치된 보조바퀴(40)를 구비하되, 상기 좌,우측 바퀴(27,37)가 상기 베이스(50)에 축설된 한쌍의 좌,우측 종동기어(23,33)로부터 각기 동력을 전달받도록 구성하고;

상기 베이스(50)상에 입설된 주축(80)과;

상기 주축(80)에 선회가능하게 장착된 회전체(60)와;

상기 회전체(60)에 탑재된 회전체구동용 모터(10), 좌측바퀴 구동용 모터(20) 및 우측바퀴 구동용 모터(30)와;

상기 주축(80)에 일체된 고정기어(12)와, 상기 주축(80)에 회전자재되게 설치되고 상기 좌,우측구동용 모터(20,30)의 출력을 각기 상기 좌,우측 종동기어 (23,33)에 전달하는 좌,우측구동용 중간기어(22,32)를 포함한 것을 특징으로 하는 로봇의 전방향 이동장치.