KR100797001B1 - 주행하체를 갖는 인간형 로봇 - Google Patents

주행하체를 갖는 인간형 로봇 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주행하체를 갖는 인간형 로봇에 관한 것으로, 그 목적은 바퀴의 회전에 의해 이동하는 주행하체를 구비하여 민첩하고 안정된 이동이 가능한 주행하체를 갖는 인간형 로봇을 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 다수개의 구동바퀴 및 이 구동바퀴를 구동하는 구동모터가 구비되어 구동바퀴의 회전에 의해 이동하는 주행하체; 상기 주행하체의 상부에 탑재되되, 주행하체의 전후방향으로 굽어지는 무릎관절부에 의해 주행하체와 연결되어 탑재된 지지각; 상기 지지각의 상부에 탑재되되, 직교하는 서로 다른 두 축에 대해 굽힘 동작을 하는 두개의 굽힘관절과, 두 굽힙관절의 상부에 설치되어 두 굽힘관절에 수직한 축을 중심으로 회전 동작을 하는 하나의 회전관절로 이루어진 허리관절부에 의해 지지각과 연결되어 주행하체의 전후방향과 좌우방향으로 굽힘 작동이 가능함과 더불어 좌우 방향으로 회전되게 탑재된 몸체; 상기 몸체의 양측에 설치되며, 물건을 집는 다수개의 핑거를 갖는 핸드가 구비된 로봇암; 및 상기 몸체의 상부에 설치되며, 영상 촬영을 위한 카메라 및 소리의 인식을 위한 청각센서가 설치되는 로봇헤드;로 구성된 주행하체를 갖는 인간형 로봇에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.
인간형 로봇, 주행하체, 무릎관절부, 허리관절부

Description

주행하체를 갖는 인간형 로봇{wheel-based humanoid robot}
도 1 은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 인간형 로봇의 사시도,
도 2 는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 인간형 로봇의 측면도,
도 3 은 본 발명의 주행하체의 사시도,
도 4 는 본 발명의 허리관절부의 구성을 나타낸 개념도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(110) : 주행하체 (120) : 지지각
(130) : 몸체 (140) : 로봇암
(150) : 로봇헤드 (160) : 무릎관절부
(170) : 허리관절부
본 발명은 인간형 로봇에 관한 것으로, 특히 바퀴의 회전에 의해 이동하는 주행하체를 이용해 빠르고 안정된 이동이 가능하며, 인간의 무릎 및 허리와 유사한 관절을 구비하여 바닥의 물건을 집을 수 있는 주행하체를 갖는 인간형 로봇에 관한 것이다.
일반적으로 인간형 로봇이라 함은 로봇의 외형 및 작동 구조가 인간과 유사한 로봇을 말하는 것으로 휴머노이드(Humanoid)라 불리고 있다. 이러한 인간형 로봇은 인간과 유사한 구조를 갖고 있으며 또한 인간과 거의 유사한 행동의 구현이 가능하므로 산업용 또는 가정용 또는 엔터테인먼트 등 여러분야에서 다양한 용도로 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
한편 대부분의 인간형 로봇은 인간과 같이 2개의 다리를 구비하는 2족 보행 로봇으로서, 2족 보행 로봇의 경우, 동적상태에서의 안정도를 고려하는 것이 매우 중요하다. 이를 위해 ZMP(Zero Moment Point)라는 개념이 이용되고 있는데, 이는 작용력의 모든 모멘트의 합이 영이 되는 지면상의 점을 나타내는 것이다.
그러나 ZMP를 이용하여 보행중인 로봇의 동적 안정상태를 유지하기 위해서는 실시간으로 복잡한 운동방정식을 풀어 로봇의 자세를 제어해주어야만 하므로, 로봇의 제어가 어렵고, 안정되고 신속한 동작의 구현이 어려우며, 특히 허리 또는 무릎을 굽혀 바닥의 물건을 집는 등의 동작을 구현하는데 어려움이 따르는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적 은 바퀴의 회전에 의해 이동하는 주행하체를 구비하여 민첩하고 안정된 이동이 가능한 주행하체를 갖는 인간형 로봇을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 인간과 동일한 작동구조를 갖는 무릎관절과 허리관절을 구비하여 정밀하고 다양한 작업이 가능한 주행하체를 갖는 인간형 로봇을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 다수개의 구동바퀴 및 이 구동바퀴를 구동하는 구동모터가 구비되어 구동바퀴의 회전에 의해 이동하는 주행하체;
상기 주행하체의 상부에 탑재되되, 주행하체의 전후방향으로 굽어지는 무릎관절부에 의해 주행하체와 연결되어 탑재된 지지각;
상기 지지각의 상부에 탑재되되, 직교하는 서로 다른 두 축에 대해 굽힘 동작을 하는 두개의 굽힘관절과, 두 굽힙관절의 상부에 설치되어 두 굽힘관절에 수직한 축을 중심으로 회전 동작을 하는 하나의 회전관절로 이루어진 허리관절부에 의해 지지각과 연결되어 주행하체의 전후방향과 좌우방향으로 굽힘 작동이 가능함과 더불어 좌우 방향으로 회전되게 탑재된 몸체;
상기 몸체의 양측에 설치되며, 물건을 집는 다수개의 핑거를 갖는 핸드가 구비된 로봇암; 및
상기 몸체의 상부에 설치되며, 영상 촬영을 위한 카메라 및 소리의 인식을 위한 청각센서가 설치되는 로봇헤드;로 구성된 주행하체를 갖는 인간형 로봇을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 인간형 로봇의 사시도를 도시하고 있고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 인간형 로봇의 측면도를 도시하고 있다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 인간형 로봇은 주행하체(110)와, 지지각(120)과, 몸체(130)와, 로봇암(140)과, 로봇헤드(150)로 구성된다. 이러한 인간형 로봇은 주행하체(110)를 통해 이동함으로써 보다 빠르고 안정되게 이동이 가능함과 더불어 지지각(120)과 몸체(130)가 무릎관절부(160) 및 허리관절부(170)에 의해 굽힘 동작과 회전 동작이 가능하도록 구성된 것으로, 각각의 구성요소에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 주행하체의 사시도를 도시하고 있다. 도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 주행하체(110)는 로봇의 이동을 이동시키는 것으로, 상판부(111)와 하판부(112)로 구성된다. 상기 상판부(111)는 지지각(120)과 연결되어 지지각(120)을 하부에서 지지하도록 구성되고, 상기 하판부(112)는 상판부(111)의 수직 하부에서 상판부(111)와 소정의 간격을 갖도록 배치되며, 2개의 구동바퀴(113)와 2개의 보조 바퀴(114) 및 구동바퀴(113)의 구동을 위한 구동모터를 포함하는 주행제어부(115)가 설치된 것으로 구성된다. 여기서 상기 주행제어부(115)는 두 구동바퀴(113)의 회전을 서로 다르게 제어함으로써 주행하체(110)의 조향방향을 결정하도록 구성될 수도 있으며, 이 경우 각각의 구동바퀴(113)를 서로 다르게 회전시킬 수 있도록 2개의 구동모터가 구비된다. 또한 주행하체(110)에는 로봇의 이동 또는 작동시 로봇이 안정된 자세를 유지하도록 제어하기 위한 4개의 하중 감지 센서(116a,116b,116c,116d)가 구비된다.
상기 하중 감지 센서(116a,116b,116c,116d)는 주행하체(110) 앞부분 좌우 양단 및 뒷부분 좌우 양단 모두 네 부분에 위치하되, 주행하체(110)를 구성하는 상판부(111)와 하판부(112)의 사이에 기둥역할을 하도록 설치된다. 따라서 주행하체(110)의 상부에 설치되어 있는 지지각(120), 몸체(130), 로봇암(140), 로봇헤드(150)의 모든 하중은 주행하체(110)의 상판부(111)를 통하여 각 하중 감지 센서(116a,116b,116c,116d)로 전달되고, 지지각(120), 몸체(130), 로봇암(140), 로봇헤드(150)의 위치 및 로봇의 동작에 따라 각 하중 감지 센서(116a,116b,116c,116d)에서는 서로 다른 하중을 감지하게 되며, 각 하중 감지 센서(116a,116b,116c,116d)에서 감지된 정보를 이용하여 로봇의 무게중심 및 ZMP를 구함으로써 로봇이 안정된 자세를 유지하도록 제어하게 된다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 지지각(120)은 몸체(130)와 주행하체(110)를 연결하는 것으로, 주행하체(110)의 전후방향으로 굽힘 작동을 하는 무릎관절부(160)에 의해 주행하체(110)의 상부에 탑재된다. 여기서 무릎관절부(160)는 지지각(120)을 주행하체(110)의 상부에서 전후방향으로 굽어짐이 가능하게 지지하는 1축 조인트(161)와 이 1축 조인트(161)를 작동하여 지지각(120)을 회전시키는 엑츄에이터(162)로 구성된다. 상기 엑츄에이터(162)는 모터 또는 실린더가 사용될 수 있으며, 1축 조인트(161) 및 엑츄에이터(162)를 이용한 관절부의 구성은 로봇의 관절부에 다양한 방식으로 적용되고 있는 공지된 기술이므로 그 상세한 설명은 생략한다.
상기 몸체(130)는 지지각(120)의 상부에 탑재되어 로봇의 제어를 위한 프로그램이 내장된 제어기 및 내부 기기간 및 외부 기기와의 통신을 위한 통신장치 등이 탑재되는 공간을 제공하게 되며, 또한 로봇암(140)과 로봇헤드(150)가 설치되는 공간을 제공하게 된다. 이러한 몸체(130)는 허리관절부(170)에 의해 지지각(120)의 상부에 탑재되어 주행하체(110)의 전후방향 및 좌우방향으로 굽어지는 동작이 가능함과 더불어 좌우방향으로 회전이 가능하도록 구성된다.
도 4는 본 발명의 허리관절부의 구성을 나타낸 개념도를 도시하고 있다. 도 4를 참조하면, 상기 허리관절부(170)는 상술한 것과 같은 몸체(130)의 동작이 가능하도록 3개의 관절로 이루어져 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 지지각(120)의 상부에서 전후방향으로 굽어지도록 작동하는 전후 굽힘관절(171)과, 상기 전후 굽힘관절(171)의 상부에 설치되어 좌우방향으로 굽어지도록 작동하는 좌우 굽힘관절(172)과, 상기 좌우 굽힘관절(172)의 상부에 설치되어 좌우방향으로 회전하는 좌우 회전관절(173)로 구성된다. 상기 전후 굽힘관절(171)과 좌우 굽힘관절(172)은 통상의 2축 조인트와 같은 구조로서 전후 방향으로 굽힘작동을 하도록 지지각(120) 의 상부에 설치된 전후 굽힘관절(171)을 가로질러 좌우 굽힘관절(172)이 설치되어 있다. 상기 좌우 회전관절(173)은 하부영역(173-1)이 좌우 굽힘관절(172)에 결합되고, 상부영역(173-2)이 몸체(130)에 결합되며, 상부영역(173-2)과 하부영역(173-1)이 좌우 굽힘관절(172)의 수직한 회전축을 중심으로 회전되게 구성되어 있다.
한편 상기 전후 굽힘관절(171)과 좌우 굽힘관절(172) 및 좌우 회전관절(173)에는 각각의 관절을 구동하기 위한 미도시된 엑츄에이터가 구비된다. 여기서 상기 엑츄에이터는 무릎관절부(160)와 마찬가지로 모터 또는 실린더가 사용될 수 있다.
상기 로봇암(140)은 몸체(130)의 양측에 설치되어 물건을 집거나 잡는 등의 기능을 제공하는 것으로, 상박부(141)와 하박부(142) 및 핸드(143)로 구성되며, 상기 핸드(143)에는 다수개의 핑거(144)가 구비되어 물건을 집거나 잡을 수 있도록 구성되어 있다. 이러한 로봇암(140)은 공지된 기술이므로 보다 상세한 설명은 생략한다.
상기 로봇헤드(150)는 몸체(130)의 상부에 설치되며, 영상의 촬영을 위한 카메라 및 소리의 인식을 위한 청각센서가 설치되는 공간을 제공하게 된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 인간형 로봇은 주행하체(110)에 구비된 구동바퀴(113)의 회전에 의해 이동하게 된다. 또한 인간의 관절구조와 유사한 허리관절부(170)와 무릎관절부(160)가 구비되며, 허리관절부(170)에 의해 세개의 자유도가 구현되고 무릅관절부(160)에 의해 한개의 자유도가 구현되어 인간과 유사한 작업영역을 가지게 된다. 일예로 도 2와 같이 무릎관절부(160)와 허리관절부(170)를 이용 하여 인간이 무릎을 굽혀 앉는 자세와 동작을 취하도록 할 수 있게 되고, 이로 인해 바닥에 있는 물건을 집어 소정 위치에 놓을 수도 있게 된다.
상기와 같은 로봇의 이동이나 동작시 주행하체(110)에 구비된 4개의 하중 감지 센서(116a,116b,116c,116d)에서 감지되는 하중정보를 이용하여 로봇이 안정된 자세를 유지하도록 제어하게 된다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 바퀴의 회전에 의해 로봇이 이동하는 방식으로 다리를 이용한 보행로봇에 비해 보다 안정된 자세로서 빠르게 이동할 수 있으며, 인간의 무릎과 허리관절을 로봇에 적용하여 인간과 거의 유사한 작업범위를 구현할 수 있게 되었다.

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 다수개의 구동바퀴(113) 및 이 구동바퀴(113)를 구동하는 구동모터를 포함하는 주행제어부(115)가 구비된 하판부(112)와, 상기 하판부(112)의 상부에 배치되는 상판부(111)와, 상기 상판부(111)와 하판부(112)를 상호 연결하도록 상판부(111)와 하판부(112)의 앞부분 좌우 양단 및 뒷부분 좌우 양단에 설치되는 4개의 하중 감지 센서(116a,116b,116c,116d)를 구비하는 주행하체(110);
    상기 주행하체(110)의 상부에 탑재되되, 주행하체(110)의 전후방향으로 굽어지는 무릎관절부(160)에 의해 주행하체(110)와 연결되어 탑재된 지지각(120);
    상기 지지각(120)의 상부에 탑재되되, 직교하는 서로 다른 두 축에 대해 굽힘 동작을 하는 두개의 굽힘관절(171,172)과, 두 굽힙관절의 상부에 설치되어 두 굽힘관절에 수직한 축을 중심으로 회전 동작을 하는 하나의 회전관절(173)로 이루어진 허리관절부(170)에 의해 지지각(120)과 연결되어 주행하체(110)의 전후방향과 좌우방향으로 굽힘 작동이 가능함과 더불어 좌우 방향으로 회전되게 탑재된 몸체(130);
    상기 몸체(130)의 양측에 설치되며, 물건을 집는 다수개의 핑거(144)를 갖는 핸드(143)가 구비된 로봇암(140); 및
    상기 몸체(130)의 상부에 설치되며, 영상 촬영을 위한 카메라 및 소리의 인식을 위한 청각센서가 설치되는 로봇헤드(150);로 구성된 것을 특징으로 하는 주행하체를 갖는 인간형 로봇.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 허리관절부(170)는,
    상기 지지각(120)의 상부에서 주행하체(110)의 전후방향으로 굽어지도록 설치되어 몸체(130)를 전후방향으로 굽힘 작동시키는 전후 굽힘관절(171);
    상기 전후 굽힘관절(171)을 가로지르도록 전후 굽힘관절(171)에 결합되어 몸체(130)를 주행하체(110)의 좌우방향으로 굽힘 작동시키는 좌우 굽힘관절(172); 및
    상기 좌우 굽힘관절(172)의 상부에 하부영역(173-1)이 결합되고, 상기 몸체(130)에 상부영역(173-2)이 결합되며, 하부영역(173-1)과 상부영역(173-2)이 좌우 굽힘관절(172)에 수직한 회전축을 중심으로 회전되게 구성되어 몸체(130)를 좌우방향으로 회전시키는 좌우 회전관절(173);로 구성된 것을 특징으로 하는 주행하체를 갖는 인간형 로봇.
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