KR100654759B1 - 발가락 기능 구조에 의한 모터 부하 저감과 안정성을 지닌이족 보행 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이족 보행 로봇의 보행 안정화 및 모터 부하 토크 감소를 위한 발바닥 및 발가락의 구조에 관한 것이다. 보다 상세하게는 인간형 이족 로봇의 보행에 있어서 안정성과 인간 보행과 같은 자연스러움 그리고 각 모터의 부하를 줄일 수 있는 발가락 기능 구조의 발바닥 및 발가락의 개념에 관한 것이다.

본 발명에 의하면 이족 보행 로봇에 있어서, 이족 보행 로봇에 인간의 발가락 기능 역할을 하는 발가락 기능 구조를 적용하되 탄성체에 의한 수동적인 동작 형태 혹은 구동 모터에 의한 능동적인 제어 형태의 기능 구조를 구비함으로써 이족 보행 로봇의 안정성을 증대시키며, 모터의 구동 부하를 경감시키는 것을 특징으로 하는 이족 보행 로봇을 제시한다.

이족 보행 로봇, 발가락, 보행 패턴

Description

발가락 기능 구조에 의한 모터 부하 저감과 안정성을 지닌 이족 보행 로봇{Reduction of motor payload and improvement of stability for biped walking robot using a functional structure of toe}

도 1은 본 발명에 따른 이족 보행 로봇의 모터 부하 저감과 안정성 증대를 위한 발가락 기능 형상의 한 예시이다.

도 2는 발가락이 없는 이족 보행 로봇의 보행 패턴을 나타낸 도면이다.

도 3은 발가락이 있는 이족 보행 로봇의 보행 패턴을 나타낸 도면이다.

도 4는 발가락이 없는 이족 보행 로봇의 보행 안정화를 위한 로봇구동(ZMP) 영역을 나타낸 도면이다.

도 5는 발가락이 있는 이족 보행 로봇의 보행 안정화를 위한 로봇구동(ZMP) 영역을 나타낸 도면이다.

본 발명은 발가락 기능 구조에 의한 모터 부하 저감과 안정성을 지닌 이족 보행 로봇에 관한 것이다. 보다 상세하게는 이족 보행 로봇의 보행 안정화를 증대하고 인간과 유사한 자연스러운 보행을 구현하기 위한 발가락 기능의 구조 설계 개 념과 그 설계의 효과로 로봇 각 관절 모터의 부하 토크를 감소시키기 위한 기술에 관한 것이다. 또한 발가락 기능의 구조물에 의한 보행 패턴 생성으로 종전의 발가락이 없는 보행 패턴에 비해 보다 안정적이고 자연스러운 걸음새를 제안한다.

인간의 보행을 관찰하면 발바닥에 작용하는 반력의 위치가 뒷꿈치로부터 점차 발가락 부분으로 옮겨 가는 것을 볼 수 있다. 사람에게 발가락이 없다고 가정하면, 보행은 한발 지지상태이고 나머지 한 발은 공중에 든 상태이며 이런 상태로 연속적인 동작을 하면서 보행을 한다. 그러나 실제 사람의 보행을 관찰하면, 한발이 공중에 있는 동안의 사람의 무게 중심은 땅에 지지하고 있는 나머지 한발의 발가락쪽으로 옮겨짐을 볼 수 있다. 이러한 발가락의 효과는 평지 보행시나 장애물, 특히 계단을 오르내릴 때 확연한 효과를 비교할 수가 있다.

발바닥의 구조와 형상에 대해서는 의족 분야에서도 많이 연구되어 왔다. 그러나 발가락에 대한 형상은 찾아 볼 수 없으며, 의족을 사용하는 사람들의 걸음새가 조금 부자연스러운 이유는 발가락의 부재라고 할 수 있다. 따라서 발가락은 인간의 자연스러운 보행에 중요한 역할을 한다. 또한 발가락은 보행 중 균형을 잡고 각 관절의 힘(부하)를 줄이는 효과가 있다.

최근 이족 보행로봇인 휴머노이드 로봇에 대한 많은 연구가 각국에서 진행되고 있다. 그 중 혼다(Honda)의 아시모(ASIMO)가 많이 알려져 있다. 가장 기술적으로 진보되었다고 할 수 있는 아시모(ASIMO)의 발바닥 구조의 경우에도 발가락에 대한 고려는 전혀 없음을 알 수 있다. 따라서 현재 인간형 이족 보행 로봇의 경우 발가락의 중요성은 크게 고려되지 않고 있는 실정이다.

따라서 본 발명은 상기에서 검토한 문제점을 해결하기 위한 것으로 이족 보행 로봇에 인간과 유사한 기능과 작용을 구현할 수 있는 발가락을 장착함으로써, 앞서 언급된 단점을 보완하고자 하는데 그 목적이 있다.

특히, 발가락이 없을 경우 로봇의 트렁크와 발바닥은 이동시에 항상 지면과 수평하다고 가정함으로써 인간과 유사한 보행이나 달리기 같은 빠른 보행은 구현하기가 힘들었다. 발가락이 지면을 밀어주는 추력에 의해 보행이 자연스럽게 다음 걸음으로 옮겨질 수 있는 보행 패턴을 만들어 낼 수 있다. 사람의 발가락이 가지는 기능을 로봇에게 인가하여 이족 보행로봇으로 하여금 안정성 있고, 자연스러운 보행을 가능하도록 할 것이며, 발가락의 형상에 따른 각 관절의 구동 토크 저감의 효과를 가져 올 수 있다. 또한 발가락의 운동에 의한 보다 인간과 유사한 보행과 달리기 같은 보행 패턴을 개발하고 제안할 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서 본 발명에 의하면, 이족 보행 로봇에 있어서,

이족 보행 로봇에 인간의 발가락 기능 역할을 하는 발가락 기능 구조를 적용하되 탄성체에 의한 수동적인 동작 형태 혹은 구동 모터에 의한 능동적인 제어 형태의 기능 구조를 구비함으로써 이족 보행 로봇의 안정성을 증대시키며, 모터의 구동 부하를 경감시키는 것을 특징으로 하는 이족 보행 로봇을 제시한다.

본 발명에 따른 보행 로봇은 인간의 발가락 기능을 하는 구조 개념을 로봇의 발부분에 도입하여 설계하는 것과 그 구조로 인한 보행 패턴을 포함한다. 본 발명의 실시 예에 대한 구성은 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 발바닥과 발가락의 전체 개략도이다. 기존의 로봇의 경우 발가락 없는 구조이나 본 발명에서는 발바닥에 발가락 기능을 할 수 있는 구조물을 장착한 것이다. 도 1은 개략적인 개념을 나타낸 것이고 본 발명은 발가락 형상뿐만 아니라 스프링과 같은 탄성체에 의해 능동적 제어에 의한 것이 아닌 수동적인 동작을 하는 경우와 서보 모터와 같은 능동적 제어가 가능한 형태 등 발가락 개념 전체를 포함한다.
도 1에서 알 수 있듯이 본 발명의 실시예에 따른 로봇 발은 평판형의 발바닥부(6)와; 평판형의 발가락부(7)와; 상기 발바닥부(6)의 발가락 방향 가장자리 중앙부에 고정되고, 발가락 방향과 수직방향인 양쪽 옆 방향으로 연결축(8)을 갖는 제 1 지지대(1)와; 상기 발바닥부(6)의 상기 제1 지지대(1) 양쪽에 고정되는 두 개의 제 2 지지대(4)와; 상기 발가락부(7)의 발바닥 방향과 수직방향인 양쪽 옆 방향의 가장자리 부근에 고정되는 두 개의 제 3 지지대(5)와; 중앙부가 스프링이고 양쪽 끝부분이 막대형 접속단으로 이루어진 두 개의 스프링부(2); 및 두 개의 연결편 끝부분이 연결축에 의해 서로 접속되고 연결편의 축 회전이 가능한 두 개의 연결장치(3)를 구비하고, 상기 각 스프링부(2)의 양쪽 접속단이 각각 대응하는 옆쪽의 제1 지지대(1)의 연결축(8) 및 제3 지지대(5)와 연결되고, 상기 각 연결장치(3)는 두 개의 연결편이 각각 대응하는 옆쪽의 제2 지지대(4) 및 제3 지지대(5)에 고정되어, 상기 발가락부(7)가 상기 발바닥부(6) 방향으로 축회전이 가능하도록 하는 관절을 형성하는 발 구조이다.

이족 보행 로봇의 보행 안정성은 로봇구동(ZMP) 알고리즘을 사용하여 보행 중 로봇의 로봇구동(ZMP)영역을 확인함으로써 판단할 수 있다. 이족 보행 로봇이 발가락 없는 발바닥 구조인 경우 도 2와 같은 보행 패턴을 가지게 된다. 보행시 트렁크와 발바닥이 항상 지면과 평행한 상태를 이룬다는 가정 하에 보행 패턴을 생성하게 된다.

도 2에 도시된 바와 같이 스테이지(stage) 1은 두 발 지지 상태에서 로봇의 무게 중심의 한 발로 옮겨가는 것을 나타낸 것이고, 스테이지(stage) 2는 로봇의 무게 중심을 한 발로 옮긴 상태에서 다른 발을 지면에서 떼어 한발 지지상태로 다른 발을 움직이고 있는 것이고, 스테이지(stage) 3은 한 발 지지 상태에서 다시 두발 지지 상태로 옮겨 가고 있는 것을 나타내고 있다.

각 스테이지(stage)는 각각 두발 지지 상태 및 한발 지지 상태에 있고 이 두 가지 지지 상태에서 로봇이 안정을 유지하기 위해서는 로봇의 ZMP 영역이 도 4와 같이 표시된 영역에 있어야 한다. 즉, 발가락이 없을 경우 로봇의 보행 패턴은 단순화 되어야 하고 이로 인해 걸음걸이의 자연스러움이 사라지게 되고 보행 안정을 위한 ZMP 영역은 다음의 발가락이 있는 로봇의 ZMP 안정 영역 보다 한정적으로 제한된다.

발가락이 있는 로봇의 경우 도 3과 같은 보행 패턴을 가지게 되며 각 단계별 ZMP 안정영역은 도 5와 같이 표시되어 진다. 도 3에서 스테이지(stage) 1은 첫 번째 자세에서 두 번째 자세로 변화하는 구간으로 스테이지(stage) 1,2에서 트렁크의 중심이 오른다리에서 왼다리로 이동하는데 스테이지(stage) 1에서는 오른 발가락이 펴진 상태로 왼다리의 발뒤꿈치만 지면에 닿아있고 발가락은 지면에 닿지 않은 상태에서 두 발 지지 상태로 넘어가는 것을 나타내고 스테이지(stage) 2는 무게 중심을 완전히 왼다리로 이동하기 위한 중간 단계로 발가락의 추력을 이용하여 움직인다. 스테이지(stage) 3에서 오른 다리의 발가락이 지면에서 떨어지고 왼다리로 무게 중심이 이동되어 한 발지지 상태를 만들고 스테이지(stage) 4는 한발 지지 상태에서 오른 다리를 이동하여 스테이지(stage) 5에서 오른 다리로 무게 중심을 이동하기 위해 스테이지(stage) 1의 초기 상태와 같은 상태로 움직인다.

도 3에 도시된 보행 패턴에 대한 보행 안정을 확보하기 위해서는 도 5와 같이 표시된 영역에 ZMP가 존재하여야 한다. 이는 발가락이 있는 이족 보행 로봇의 보행 시에 보다 안정적인 두 발 지지 상태가 발가락이 없는 이족 보행 로봇의 보행 시보다 전체 보행 주기에서 증가함을 보여 준다. 로봇의 보행 패턴 또한 발가락이 없는 로봇에 비해 인간의 보행과 좀더 유사하게 되어진다. 보행 패턴은 앞선 예제 에서 제시한 보행 패턴뿐만 아니라 발가락 역할을 가진 구조에 의한 보행 패턴에서 안정성과 자연스러운 걸음새를 확보할 수 있다.

이상에서와 같이, 본 발명에 따른 이족 보행 로봇은 발가락 기능 구조를 장착하고 이에 따른 보행 패턴을 생성함으로써 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 로봇의 발가락을 사용하여 걸음으로써, 로봇의 보행이 발가락이 없는 로봇에 비해 사람의 보행과 조금 더 유사하게 되었다.

둘째, 발가락이 있는 이족 보행로봇의 보행시 보다 안정적인 두 발 지지 상태가 발가락이 없는 이족보행로봇의 보행시 보다 전체 보행주기에서 0.1 정도 증가하여 로봇의 보행이 좀더 안정적이다.

셋째, 발가락이 있는 이족 보행로봇의 허벅지 관절, 무릎관절, 발목 관절의 최대 각속도가 발가락이 없는 이족 보행 로봇에 비해 최대 0.43 줄어든다. 이는 발가락을 사용함으로써 각 관절의 모터의 부하를 줄일 수 있음을 의미한다.

넷째, 보폭은 발가락이 없는 경우에 비해 약 2.3배 정도 증가하여 로봇의 보행속도를 높일 수 있었고, 트렁크의 중심 이동의 변화량은 발가락이 없을 때에는 5 ~ 6cm이나 발가락이 있을 때에는 5 ~ 8cm로 중심 이동의 변화가 많이 있더라도 안정하게 보행할 수 있다.

위의 각 효과들은 이론적인 시뮬레이션을 통해서뿐만 아니라 실제 시스템에서도 그 효과를 검증하였다.

Claims (4)

1. 평판형의 발바닥부(6)와;

   평판형의 발가락부(7)와;

   상기 발바닥부(6)의 발가락 방향 가장자리 중앙부에 고정되고, 발가락 방향과 수직방향인 양쪽 옆 방향으로 연결축(8)을 갖는 제 1 지지대(1)와;

   상기 발바닥부(6)의 상기 제 1 지지대(1) 양쪽에 고정되는 두 개의 제 2 지지대(4)와;

   상기 발가락부(7)의 발바닥 방향과 수직방향인 양쪽 옆 방향의 가장자리 부근에 고정되는 두 개의 제 3 지지대(5)와;

   중앙부가 스프링이고 양쪽 끝부분이 막대형 접속단으로 이루어진 두 개의 스프링부(2); 및

   두 개의 연결편 끝부분이 연결축에 의해 서로 접속되고 연결편의 축 회전이 가능한 두 개의 연결장치(3)를 구비하고,

   상기 각 스프링부(2)의 양쪽 접속단이 각각 대응하는 옆쪽의 제1 지지대(1)의 연결축(8) 및 제3 지지대(5)와 연결되고,

   상기 각 연결장치(3)는 두 개의 연결편이 각각 대응하는 옆쪽의 제2 지지대(4) 및 제3 지지대(5)에 고정되어, 상기 발가락부(7)가 상기 발바닥부(6) 방향으로 축회전이 가능하도록 하는 관절을 형성하는 것을 특징으로 하는 이족 보행 로봇용 발 구조.
2. ( 삭 제 )
3. ( 삭 제 )
4. ( 삭 제 )

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