KR100695652B1 - 볼 조인트를 이용한 보행 로봇의 발 센서 입력 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 볼 조인트를 이용한 보행로봇의 발 센서 입력 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 보행로봇의 올바른 자세제어 및 보행을 위해 필요한 센서 입력 중 발 부분의 압력 센서 입력을 효과적으로 제공받기 위한 기술에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 보행로봇의 발 네 귀퉁이에 독립적으로 위치하여 복수의 압력센서를 구비하는 센서 입력단과; 상기 보행로봇의 센서 베이스 프레임과 센서 입력단을 연결하는 볼 조인트와 상기 구조를 좌,우로 감싸 자유로운 움직임이 가능하도록 하는 제 1 및 제 2 조인트 컵 및 볼 조인트의 점 접촉을 면 접촉으로 바꾸어 주는 압력판으로 구성된 조인트 구조를 갖으며; 상기 조인트 구조가 들렸을 때에는 걸려 센서를 잡고 있고, 지면과 센서 입력단이 닿았을 때는 조인트 구조의 압력판이 자유로이 압력센서를 누르도록 형성된 압력센서 덮개 상판; 및 상기 압력센서 덮개 상판과 연결되어 압력센서를 고정시키며 지면과 직접 닿게 되는 압력센서 덮개;로 구성된 것을 특징으로 하는 보행로봇의 발 센서 입력 장치를 제시한다.

보행 로봇, 휴머노이드, 발 구조, 볼 조인트, 독립적 센서구조

Description

볼 조인트를 이용한 보행 로봇의 발 센서 입력 장치{Apparatus for input sensing of foot of walking robot using ball joints}

도 1은 일반적인 보행로봇의 경우의 압력센서를 나타낸 배치도이다.

도 2는 본 발명에 따른 보행로봇 발에서의 압력센서를 나타낸 배치도이다.

도 3은 도 2에 도시된 발 구조 중 센서 베이스 프레임과 센서 입력부의 조립도이다.

도 4는 도 3의 하단에서 본 저면도이다.

도 5는 실제 센서가 부착되는 센서 입력단의 부분 절단도이다.

도 6은 센서 입력단 중 볼 조인트로 구성된 조인트 구조의 절단도 및 조립도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 발바닥 판넬 2 : 압력 센서

3 : 모서리 4 : 센서 베이스 프레임 모서리 구배

5 : 센서 입력단 6 : 센서 베이스 프레임

7 : 압력센서 덮개 상판 8 : 압력판

9 : 압력센서자리 10 : 압력센서 출력라인 홀

11 : 조인트 컵 11a: 조인트 컵 좌

11b: 조인트 컵 우 12 : 볼 조인트

13 : 압력센서 덮개

본 발명은 볼 조인트를 이용한 보행로봇의 발 센서 입력장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 보행로봇의 올바른 자세제어 및 보행을 위해 필요한 센서 입력 중 발 부분의 압력 센서 입력을 효과적으로 제공받기 위한 기술에 관한 것이다.

일반적으로, 보행로봇의 되먹임 제어를 위한 발의 압력 센서부는 도 1과 같은 구조로 되어 있는데, 압력센서(2)가 직접 발바닥 판넬(1)의 바닥에 부착되는 구조를 갖고 있다. 지면과 로봇의 발바닥이 닿아 그 압력이 압력센서(2)에 감지되게 되면, 해당 압력에 대한 수치가 로봇의 컴퓨터로 전달되어 처리되게 되고, 그 결과에 따라 적합한 동작을 만들어 충격에 따른 충격 감소 동작 등을 만들어내어 안정적인 동작을 보일 수 있도록 시스템이 구성된다.

이와 같은 되먹임 제어는 로봇의 동작이 정확하게 수행되게 하여 전체 시스템의 안정도 상에서 중요한 역할을 담당하고 있다.

그러나 이와 같은 구조는 도 1에 도시된 보행로봇 발의 모서리(3) 부분에서 일어나는 지면과의 접촉 및 충격은 압력센서(2)에 즉각적인 압력을 가하는 것이 되지 않으므로 신속한 감지가 힘들 뿐 아니라, 압력센서(2) 역시 지면에 수직으로 닿는 힘만을 측정할 수 있기 때문에 지면과 기울게 닿게 될 경우 정확한 힘 측정이 어렵다는 문제점이 있었다.

이는 보행로봇의 다양한 지면에서의 보행 강인제어를 힘들게 할 뿐만 아니라, 지면과의 접촉 및 압력 분포 사항에 대해 압력센서(2)를 통한 정확한 정보 수집을 어렵게 하는 문제점이 발생 되었다.

이와 관련된 종래의 공지기술을 살펴보면, 출원번호: 10-2004-0007855, 발명의 명칭: “ 구조체, 발 구조 및 이를 채용한 로봇 ” 이 제시되어 있다.

상기의 공지기술은 기존의 보행로봇의 발 구조가 평평한 지면에서만 압력 정보를 획득할 수 있다는 단점이 있었다. 이에 반하여 본 발명에서는 다양한 구배를 갖는 지면에서도 충분한 지면 접촉 정보를 수집할 수 있다는 장점이 있다.

즉, 기존의 로봇 발 구조에서는 압력센서가 고정되어 있는 하나의 판에 장착되어 있는 반면에, 본 발명에서는 각각의 센서가 독립적으로 장착되어 센서 데이터의 획득이 용이한 정점을 갖게 된다.

또한, 기 발표된 학회지 " A six-axis force sensor with parallel support mechanism to measure the ground reaction force of humanoid robot, IEEE ICRA2002 " 를 살펴보면, 휴머노이드 로봇의 지면 반발력을 측정하는 6축 힘 측정센서 구조에 관한 것으로서 병렬 메커니즘을 사용하고 있어 큰 힘과 큰 토크를 측정할 수 있다는 장점이 있다.

그러나 상기의 문헌에서는 병렬 메커니즘을 사용하고 있어 기계 구조가 복잡해지고 크기가 커진다는 단점이 있다. 이에 반면에, 본 발명에서는 압력센서를 이용하여 비교적 간단한 메커니즘으로 설계하여 크기 및 무게가 가볍다는 장점이 있 다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명은 다양한 구배를 가진 지면에서도 충분한 지면 접촉 정보를 수집할 수 있는 보행로봇의 발 센서 베이스 프레임 구조 및 압력센서(FSR sensor: Force sensing resistor sensor) 배치방법을 제시하고, 그에 적합한 센서 입력단 장치를 제시하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서 본 발명은

보행로봇의 발 네 귀퉁이에 독립적으로 위치하여 복수의 압력센서를 구비하는 센서 입력단과;

상기 보행로봇의 센서 베이스 프레임과 센서 입력단을 연결하는 볼 조인트와 상기 구조를 좌,우로 감싸 자유로운 움직임이 가능하도록 하는 제 1 및 제 2 조인트 컵 및 볼 조인트의 점 접촉을 면 접촉으로 바꾸어 주는 압력판으로 구성된 조인트 구조를 갖으며;

상기 조인트 구조가 들렸을 때에는 걸려 센서를 잡고 있고, 지면과 센서 입력단이 닿았을 때는 조인트 구조의 압력판이 자유로이 압력센서를 누르도록 형성된 압력센서 덮개 상판; 및

상기 압력센서 덮개 상판과 연결되어 압력센서를 고정시키며 지면과 직접 닿게 되는 압력센서 덮개;로 구성된 것을 특징으로 하는 보행로봇의 발 센서 입력 장치를 제공한다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 새로운 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시 예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예에 대한 구성 및 작용에 대해서 첨부된 도면을 참조하면서 설명하기로 한다.

도 1은 일반적인 보행로봇의 경우의 압력센서를 나타낸 배치도이고, 도 2는 본 발명에 따른 보행로봇 발에서의 압력센서를 나타낸 배치도이다. 도 3은 도 2에 도시된 발 구조 중 센서 베이스 프레임과 센서 입력부의 조립도이고, 도 4는 도 3의 하단에서 본 저면도이다. 도 5는 실제 센서가 부착되는 센서 입력단의 부분 절단도이고, 도 6은 센서 입력단 중 볼 조인트로 구성된 조인트 구조의 절단도 및 조립도이다.

앞서 설명한 기존 보행로봇의 발 구조 및 압력 센서 배치를 좀 더 상세히 살펴보면, 도 1의 일반적 로봇의 경우와 같이 발바닥 판넬(1)의 바닥에 압력센서(2)가 직접 부착되어 있는 형태를 띠고 있으며, 이와 같은 경우 로봇의 발이 지면에 평행하지 않게 닿게 되면 센서가 위치하지 않은 모서리(3) 부분이 먼저 닿게 되어, 발과 바닥이 닿았는지 여부를 알 수 없을 뿐만 아니라, 그 반발력 또한 크고, 제어 불가능한 형태로 나타나게 된다.

또한, 압력센서(2)가 센서 면의 수직 방향의 압력을 측정하는 센서이므로, 설령 모서리(3)가 아닌 압력 센서 면이 닿더라 하더라도 지면에 평행하지 못한 상 태로 지면과 닿게 되며, 이중 구조의 발바닥을 사용한다 하여도 네 센서들 중 일부만 지면에 닿은 경우와 모두 닿아있는 경우를 구분할 수 없는 한계를 가지고 있다.

이와 같은 문제점을 도 2 내지 도 6에 도시된 바와 같이 발명된 구조를 제안하여 그와 같은 어려움을 해결하고자 한다.

먼저, 도 2 내지 도 6에 걸쳐 설명된 제안된 장치는 크게 로봇의 발 네 귀퉁이에서 독립적으로 부착될 네 개의 센서 입력단이 연결될 센서 베이스 프레임(6)과 이를 센서 입력단과 연결할 볼 조인트(12), 그리고, 상기 볼 조인트(12)의 회전 자유도를 보장하는 조인트 컵(11)과 이와 접착되어 볼 조인트(12)를 붙잡고, 한 점에 집중된 볼 조인트(12)로 인한 압력센서(9)로의 압력을 압력센서(9)의 입력으로 적합한 형태의 넓은 접촉으로 바꾸어줄 압력판(8) 및 상기 압력판(8)에 의하여 압력센서(FSR Sensor)(9)가 눌려져 압력센서 덮개(13)와의 반작용력이 측정되어 접촉에 대하여 즉각적인 센서 출력 값을 내어줄 수 있는 구조를 가지게 된다.

기본적으로, 이와 같은 구조를 채택하게 되면, 로봇의 발이 지면과 평행하지 않게 닿을 경우, 도 1의 기존 로봇 구조로 제작되었다면 모서리(3) 부분이 먼저 닿게 되어 충격이 로봇 전체에 미치거나, 네 귀퉁이에 위치한 네 개의 압력 센서(2)에 작게나마 모두 압력이 감지되게 되는데, 이는 발바닥 판넬(1)에 네 개의 압력 센서가 모두 접착되어 있기 때문에 생기는 문제로, 네 부분 중 한 부분만 닿아있는 경우와 네 부분이 모두 닿아 있으나, 압력만 편중된 경우를 구분할 수 없는 문제가 있다.

그러나 도 2에 도시된 본 발명의 구조를 택하게 되면, 볼 조인트(도 5의 12) 에 의해 센서 베이스 프레임(6)과 조인트 컵(11), 볼 조인트(12), 압력센서 덮개(5) 등으로 이루어진 센서 입력단(5)이 센서 베이스 프레임(4)의 움직임으로부터 독립되어 있어, 항상 센서 입력단(5)의 압력센서 덮개(13)는 지면에 평행한 형태로 유지되는 방향으로 센서 입력단(5)이 기울어지게 된다.

따라서 로봇의 발이 지면에 평행하지 못하게 지면과 닿을 상황에서도 네 귀퉁이의 각 센서 입력단(5)들의 압력센서들은 지면에 평행인 방향을 유지하게 되어 지면과 닿을 때, 그 수직 방향의 힘을 즉각적으로 측정할 수 있게 된다. 더욱이, 기존 보행 로봇의 경우들과 달리, 평평한 압력센서 덮개(13) 부분이 지면에 맞닿게 되어 모서리 부분들이 지면과 닿음으로서 생길 수 있는 로봇으로의 제어 불가능한 힘의 입력을 막는 부수적인 효과를 가지고 있다.

또한, 네 개의 센서 입력단(5)이 서로 독립적으로 구성되어 있으므로, 네 입력단들 중 어떤 입력단이 지면에 직접적으로 닿았는지를 즉각 알 수 있으므로, 기존 보행 로봇들이 네 귀퉁이의 압력센서(2)에서 얻는 정보로는 일부분만 지면에 닿아있는 것인지, 네 부분이 모두 닿아있는지를 구분할 수 없는 것과는 달리, 직접 닿는 센서 입력단(5)은 물론, 닿는 순서 또한 손쉽게 알 수 있는 장점이 있다.

센서 입력단의 구현은 도 6의 볼 조인트(12)를 두 개의 조인트 컵(11a,11b)으로 감싼 뒤 이 조인트 컵(11)을 원형의 압력판(8)과 접착함으로써 조인트 구조를 완성하며, 이 조인트 구조를 압력센서 덮개 상판(7)에 넣어 발이 들렸을 때 센서가 빠지지 않도록 한다. 그리고 압력센서자리(9)에 압력센서를 넣은 뒤 압력센서에서 나오는 출력 라인을 압력센서 출력라인 홀(10)을 통해 빼낸 뒤 압력센서 덮개(5)를 씌워 센서 입력단을 구현하게 된다.

즉, 발이 들렸을 경우에는 압력센서 덮개 상판(7)에 조인트 구조 중 조인트 컵(11)의 가장 넓은 날개 부분이 걸리게 되어 전체 센서 입력단(5)이 들리게 되며, 지면과 닿을 경우 조인트 구조(도 5의 11, 12, 8)가 압력센서 덮개 상판(7)과 독립적으로 압력센서를 누르게 되어 압력을 측정할 수 있는 구조를 갖게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 센서 입력단 및 센서 베이스 프레임 구조를 따르게 되면, 기존 보행 로봇의 발 구조상 압력센서 장착시 효과 지면과의 접촉 및 그에 따른 압력 정보를 효과적으로 취할 수 없던 것과는 달리 로봇 발의 네 귀퉁이에 독립적으로 위치한 센서 입력단들이 움직이기에 넉넉한 여유를 둔 볼 조인트에 연결되어 항상 지면에 수직 방향으로 정렬되게 되고, 센서 입력단의 센서 덮개는 지면에 평행하게 유지되므로, 발 전체의 측면에서는 지면에 수직이 아니더라도, 압력 센서에서 즉각 지면과의 접촉으로 인한 압력을 측정할 수 있는 구조를 갖게 된다.

또한, 본 발명에 의하면 각각 독립적인 센서 입력단들로 인해 지면에 발의 일부만 닿는 경우와 발 전체가 바닥에 닿아 있는 경우를 구분하고, 지면에 닿게 되는 순서 정보를 취득할 수 있게 된다.

이와 같은 발명이 적용되게 되면 보행 로봇은 보다 풍부한 지면 접촉 정보를 취득 이용할 수 있으므로, 보다 안정적인 자세 및 보행 제어가 가능하게 된다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 보행 로봇의 예와 관련하여 설명되었지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 기술적 사상 범위 내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이다.

Claims (6)

1. 보행로봇의 발 네 귀퉁이에 독립적으로 위치하여 복수의 압력센서를 구비하는 센서 입력단과;

   상기 보행로봇의 센서 베이스 프레임과 센서 입력단을 연결하는 볼 조인트와 상기 볼 조인트를 좌,우로 감싸 자유로운 움직임이 가능하도록 하는 제 1 및 제 2 조인트 컵 및 볼 조인트의 점 접촉을 면 접촉으로 바꾸어 주는 압력판으로 구성된 조인트 구조를 갖으며;

   상기 조인트 구조가 들렸을 때에는 걸려 센서를 잡고 있고, 지면과 센서 입력단이 닿았을 때는 조인트 구조의 압력판이 자유로이 압력센서를 누르도록 형성된 압력센서 덮개 상판; 및

   상기 압력센서 덮개 상판과 연결되어 압력센서를 고정시키며 지면과 직접 닿게 되는 압력센서 덮개;로 구성된 것을 특징으로 하는 보행로봇의 발 센서 입력 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 센서 베이스 프레임의 형태 중 센서 입력단의 움직임을 위해 구배 절삭된 센서 베이스 프레임 구배 모서리를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 보행로봇의 발 센서 입력 장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 볼 조인트를 이용하여 압력 센서와 센서 베이스 프 레임을 연결하는 것을 특징으로 하는 보행로봇의 발 센서 입력 장치.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 조인트 컵으로 볼 조인트를 감싸고 압력판을 붙여 조립하는 조인트 구조를 갖는 것을 특징으로 가지는 보행로봇의 발 센서 입력 장치.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 압력덮개상판에는 압력 센서의 출력 라인이 지나갈 수 있도록 라인구멍을 갖으며, 조인트 구조를 안으로 통과시켜 조인트 구조가 들려졌을 때 걸릴 수 있도록 형성된 것을 특징으로 가지는 보행로봇의 발 센서 입력 장치.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 센서 입력단의 압력센서들은 지면에 평행인 방향을 유지하게 되어 지면과 닿을 때, 수직 방향의 힘을 즉각적으로 측정하는 것을 특징으로 가지는 보행로봇의 발 센서 입력 장치.

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