KR100841184B1 - Humanoid Robot Foots Having Multi-Platforms of Parallel Structure - Google Patents
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Abstract
본 발명은 휴머노이드 로봇에 사용되는 로봇 발 구조에 관한 것으로서 정상보행을 하는 인간과 비슷한 걸음의 생성을 가능하게 하고, 효율적인 걸음을 허락하는 병렬 기구형 다중 플랫폼 인간형 로봇 발에 관한 것이다. The present invention relates to a robot foot structure used in a humanoid robot, and to a parallel mechanism-type multi-platform humanoid robot foot which enables the generation of a step similar to a normal walking human and allows an efficient step.
본 발명은 앞-왼쪽 플랫폼, 앞-오른쪽 플랫폼, 중간 플랫폼, 뒤-플랫폼의 4개의 플랫폼으로 구성되고, 상기 중단 플랫폼은 베이스에 2개의 능동 병진 관절이 위치하여 2 자유도 회전 운동을 발생시키는 병렬 기구 부를 구비하며, 상기 앞-왼쪽 플랫폼, 앞-오른쪽 플랫폼 및 뒤-플랫폼들은 베이스의 전방 일측에 고정된 1 자유도 능동 병진 관절을 포함하는 6 자유도의 직렬관절로 이루어진 체인을 구비하면서 각각 상기 중간 플랫폼에 각각 회전가능하도록 연결된 구조이다. The present invention consists of four platforms: a front-left platform, a front-right platform, an intermediate platform, and a back-platform, the suspension platform having two active translational joints located at the base to generate two degrees of freedom rotational motion. The front-left platform, the front-right platform, and the rear-platforms each having a chain of six degrees of freedom joints comprising one degree of freedom active translational joint fixed to the front one side of the base, respectively Each rotatable structure is connected to the platform.
본 발명에 의하면 상기 중간 플랫폼이 피치 각 운동 및 롤 각 운동을 발생시켜 사람의 발목 운동에 대응하고, 앞쪽/중간 플랫폼의 상대운동은 발의 MTP(MatertarsalPhalengeal) 관절의 운동을 발생시키며, 중간/뒷쪽 플랫폼의 상대운동은 착지 시 발의 상대운동을 발생시킴으로써 인간다운 걸음을 수행하는 효과를 얻을 수 있고, 장애자의 인공 발에도 효과적으로 적용할 수 있다. According to the present invention, the intermediate platform generates a pitch angular movement and a roll angular movement to correspond to the ankle movement of the person, and the relative movement of the front / middle platform generates the motion of the material's MTP (MatertarsalPhalengeal) joint, and the middle / rear platform Relative movement of can achieve the effect of performing the human step by generating the relative movement of the foot when landing, and can be effectively applied to the artificial foot of the disabled.
휴머노이드, 발의 상대 각, 병렬기구, 보행, 다중 플랫폼, 발 Humanoid, Relative Angle of Foot, Parallel Mechanism, Walking, Multi-Platform, Foot
Description
도 1은 본 발명에 따른 병렬 기구형 다중 플랫폼 인간형 로봇 발을 전체적으로 도시한 외관 사시도;1 is a perspective view of an overall view of a parallel instrumented multi-platform humanoid robot foot according to the present invention;
도 2는 본 발명에 따른 인간형 로봇 발에 구비된 중간 플랫폼의 회전운동을 개략적으로 도시한 구성도;Figure 2 is a schematic diagram showing the rotational movement of the intermediate platform provided on the humanoid robot foot in accordance with the present invention;
도 3은 본 발명에 따른 인간형 로봇 발에서 회전-병진의 2 자유도 병렬 기구 부에 구비된 관절 배열을 도시한 구성도;Figure 3 is a block diagram showing the joint arrangement provided in the two degrees of freedom parallel mechanism portion of the rotation-translation in the humanoid robot foot according to the present invention;
도 4는 본 발명에 따른 인간형 로봇 발에서 회전-병진의 2 자유도 병렬 기구 부에서 이루어지는 동작관계를 설명한 작동 설명도;4 is an operation explanatory diagram illustrating an operation relationship made in a two degrees of freedom parallel mechanism part of rotation-translation in the humanoid robot foot according to the present invention;
도 5는 본 발명에 따른 인간형 로봇 발에서 중간 플랫폼과 앞쪽/뒤-플랫폼의 링크-관절 연결관계를 도시한 개략 구성도;5 is a schematic diagram showing a link-joint connection relationship between the intermediate platform and the front / back-platform in the humanoid robot foot according to the present invention;
도 6은 본 발명에 따른 인간형 로봇 발에서 얻어지는 총 5 자유도 운동을 도시한 설명도;6 is an explanatory view showing a total of five degrees of freedom motion obtained from the humanoid robot foot according to the present invention;
도 7은 본 발명에 따른 병렬 기구형 다중 플랫폼 인간형 로봇 발의 링크-관절 관계를 전체적으로 도시한 다이아그램(diagram) 이다.7 is a diagram generally illustrating the link-joint relationship of a parallel instrumented multi-platform humanoid robot foot according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명> <Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10.... 중간 플랫폼 11.... 앞-오른쪽 플랫폼10 ....
12.... 앞-왼쪽 플랫폼 14.... 뒤-플랫폼 12 .... front-
20.... 2 자유도 지지구 21.... 4-바 링크 20 .... 2 degrees of
22.... 피치 각 연결부 25.... 2 자유도 병렬 기구 부22 ....
30.... 베이스 U1,U2,U3,U4,U5,U6,U7,U8.... 유니버설 관절 30 .... Bass U1, U2, U3, U4, U5, U6, U7, U8 .... Universal joints
P1,P2,P3,P4,P5.... 능동 병진관절(구동기) P1 , P2 , P3 , P4 , P5 .... Active Translation Joints (Drivers)
P1,P2,P3.... 수동 병진관절P1, P2, P3 .... manual translation
R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7,R8,R9,R10,R11.... 회전 관절 R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11 .... Rotating Joint
S.... 볼 관절 θ,θ2,θ3,θ4.... 피치 각S .... Ball joints θ, θ2, θ3, θ4 .... Pitch angle
Φ... 롤 각 Re(θ).... 피치 각 운동Φ ... Roll Angle Re (θ) .... Pitch Angle Movement
Re(φ)... 롤 각 운동 Lm.... 상하 병진운동Re (φ) ... roll angular movement Lm .... translation
본 발명은 인간과 같이 보다 자연스런 걸음을 허락하는 휴머노이드 로봇에 사용되는 로봇 발의 구조에 관한 것으로서, 보다 상세히는 중간 플랫폼과 이에 회전가능하게 장착된 앞-왼쪽 플랫폼, 앞-오른쪽 플랫폼,뒤-플랫폼들을 포함하고, 이들은 피치 각 운동 및 롤 각 운동을 포함하고, 서로에 대한 상대 자유도를 갖추어 인간의 발과 같이 자연스런 걸음을 허락하는 병렬 기구형 다중 플랫폼 인간형 로봇 발에 관한 것이다. The present invention relates to the structure of a robot foot used in a humanoid robot that allows a more natural walk, such as a human. More specifically, the intermediate platform and the front-left platform, the front-right platform, and the rear-platforms And a parallel instrumented multi-platform humanoid robot foot that includes pitch angular motion and roll angular motion, and has a relative degree of freedom with respect to each other to allow natural walking like a human foot.
현재까지 개발된 대부분의 휴머노이드 로봇 발은 단일강체로 이뤄져 있어 걸음궤적 생성에 있어 정상 인간과는 다른 보행 패턴을 보이고 있다. 따라서, 걸음 시 발바닥이 항상 수평을 이루고 있어 정상 인간 보행에서 착지기(stance phase) 기간 동안 발생하는 뒤꿈치 착지(heel strike), 발 평형(foot flat), 뒤꿈치 상승(heel rise), 차고 나가기(toe off) 등의 일련의 인간의 걸음동작을 자연스럽게 발생시킬 수가 없다. Most humanoid robot feet developed to date are made of a single rigid body, which shows a walking pattern different from normal humans in the generation of gait trajectories. Therefore, the soles of the feet are always horizontal when walking, so heel strike, foot flat, heel rise, and toe that occur during the stance phase in normal human walking. It is not possible to naturally generate a series of steps of human walking.
따라서, 종래의 로봇 발은 그 구조상 로봇 발이 지면과 안정된 접촉을 유지하는데 있어서 적응력이 떨어져 인간과 같은 능숙한 이동성을 구현할 수가 없었다. 최근의 휴머노이드 연구(K. Nishiwaki and S. Kagami, “Toe joint that enhances bipedal and full body motion,” IEEE Int. Conf. on Rob. and Auto.(ICRA 2002), pp.3105-3110, 2002.)에서는 발에 발가락 관절을 첨부한 휴머노이드를 제시하였다. 직선의 전진방향 보행에 있어서, 1 자유도 발가락 관절의 첨가는 보다 빠른 걸음을 허락할 수 있고, 발의 상대 각 관절(MTP joint)은 자연스런 로봇걸음을 허락하며, 무릎 관절에 걸리는 과도한 토오크 및 속도를 경감시키는 효과가 있다. Therefore, the conventional robot foot has a poor adaptability in maintaining a stable contact with the ground due to its structure, and thus cannot realize a skilled mobility like a human being. Recent Humanoid Studies (K. Nishiwaki and S. Kagami, “Toe joint that enhances bipedal and full body motion,” IEEE Int. Conf. On Rob. And Auto. (ICRA 2002), pp. 3105-3110, 2002.) Presented a humanoid with a toe joint attached to the foot. In straight forward walking, the addition of one degree of freedom toe joint may allow for faster walking, and the MTP joint of the foot allows for natural robotic walking and excessive torque and speed on the knee joint. It has the effect of mitigating.
하지만 1 자유도 발가락 관절만으로는 회전보행 및 불규칙 지면에서의 안정되고 자연스런 걸음을 만족시킬 수가 없다. 따라서 다 자유도 플랫폼으로 구성된 로봇 발은 부드럽고 효과적인 로봇의 몸체운동을 허락할 수 있는 것이다. However, one-degree-of-freedom toe joints alone cannot satisfy a stable, natural pace on walking and irregular ground. Thus, a robot foot composed of a multi-degree of freedom platform can allow a smooth and effective body movement of the robot.
또한, 휴머노이드 로봇의 걸음 구현 시, DC 서보 모터와 같은 회전용 구동기를 발에 사용하는 경우, 휴머노이드 로봇 무게에 의한 과도한 토오크가 필요하고, 이때 큰 파워 모터의 사용은 구조적으로 발에 부착하기 어렵고, 반면에 큰 감속 비를 사용할 경우, 빠른 속도의 걸음을 발생시킬 수가 없어 실제 구현에 어려움이 따른다.In addition, when implementing a step of the humanoid robot, when using a rotational driver such as a DC servo motor for the foot, excessive torque by the weight of the humanoid robot is required, and the use of a large power motor is difficult to structurally attach to the foot, On the other hand, if a large deceleration ratio is used, high speed steps cannot be generated, which causes difficulties in actual implementation.
따라서, 작은 규모의 크기로 큰 강성을 발생시킬 수 있는 병렬 기구 부를 이용할 경우 위 문제점을 해결할 수 있어 새로운 발 구조의 제시가 필요하다. Therefore, when using a parallel mechanism that can generate a large rigidity with a small size can solve the above problems it is necessary to propose a new foot structure.
따라서, 본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로서 그 목적은, 발바닥을 다중 플랫폼으로 구성하여 평지, 계단, 경사, 회전, 불규칙 지면 등 다양한 지면환경에서 로봇이 사람과 유사하게 보행할 수 있고, 효율적인 걸음궤적의 생성으로 인하여 안정된 이동을 허락할 수 있는 병렬 기구형 다중 플랫폼 인간형 로봇 발을 제공하는 것이다. Accordingly, the present invention is to solve such a conventional problem, the purpose of which is to configure the soles of the multi-platform so that the robot can walk similarly to humans in various ground environments, such as flat, stairs, slope, rotation, irregular ground In addition, the present invention provides a parallel instrumented multi-platform humanoid robot foot that can allow stable movement due to the generation of an efficient walking trajectory.
그리고 본 발명의 다른 목적은 발바닥의 다축 운동을 허락하는 병렬 기구 부를 이용함으로써 로봇의 중력 및 관성에 의하여 큰 하중을 지탱할 수 있는 병렬 기구형 다중 플랫폼 인간형 로봇 발을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a parallel mechanism-type multi-platform humanoid robot foot capable of supporting a large load by gravity and inertia of the robot by using a parallel mechanism portion that allows multi-axis movement of the sole.
또한 본 발명의 다른 목적은 인간형 로봇 발의 적용 이외에 발이 없는 장애인의 인공 발 장치로도 적용 가능하고, 보호 장구의 움직임이 보다 인간에 가까워서 장애인의 삶의 질 향상을 유도할 수 있는 병렬 기구형 다중 플랫폼 인간형 로봇 발을 제공하는 것이다. In addition, another object of the present invention is applicable to the artificial foot device of the disabled person without a foot in addition to the application of the humanoid robot foot, parallel mechanism-type multi-platform that can induce improved quality of life for people with a movement of the protective gear closer to human To provide a humanoid robot foot.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, The present invention to achieve the above object,
베이스: Base:
상기 베이스에 2개의 능동 병진 관절이 위치하여 2 자유도 회전 운동을 발생시키는 병렬 기구 부를 구비한 중간 플랫폼; An intermediate platform having a parallel mechanism portion for positioning two active translational joints on the base to generate two degrees of freedom rotational motion;
상기 베이스의 전방 일측에 상단이 고정된 1 자유도 능동 병진 관절을 포함하는 직렬관절로 이루어진 체인을 구비하고, 그 하단에 연결된 앞-왼쪽 플랫폼; A front-left platform having a chain consisting of a serial joint including a 1 degree of freedom active translational joint fixed at an upper end on one front side of the base and connected to a lower end thereof;
상기 베이스의 전방 타측에 상단이 고정된 1 자유도 능동 병진 관절을 포함하는 직렬관절로 이루어진 체인을 구비하고, 그 하단에 연결된 앞-오른쪽 플랫폼; 및 A front-right platform having a chain made of a serial joint including a 1 degree of freedom active translational joint fixed at an upper end on the other front side of the base and connected to a lower end thereof; And
상기 베이스의 후방에 상단이 고정된 1 자유도 능동 병진 관절을 포함하는 직렬관절로 이루어진 체인을 구비하고, 그 하단에 연결된 뒤-플랫폼;을 포함하며, 상기 앞-왼쪽 플랫폼, 앞-오른쪽 플랫폼 및 뒤-플랫폼들은 상기 중간 플랫폼에 각각 회전가능하도록 연결된 것임을 특징으로 하는 병렬 기구형 다중 플랫폼 인간형 로봇 발을 제공한다. A rear-platform having a chain of serial joints including a 1 degree of freedom active translational joint fixed at the top of the base and connected to the bottom thereof; the front-left platform, the front-right platform and The back-platforms provide a parallel instrumented multi-platform humanoid robot foot, each rotatably connected to the intermediate platform.
본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술되는 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.The above objects and various advantages of the present invention will become more apparent from the preferred embodiments of the invention described below with reference to the accompanying drawings by those skilled in the art.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예를 상세하게 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail an embodiment of the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 병렬 기구형 다중 플랫폼 인간형 로봇 발(1)을 전체적으로 도시한 것으로서, 앞-왼쪽 플랫폼(12), 앞-오른쪽 플랫폼(11), 중간 플랫폼(10), 뒤-플랫폼(14) 등의 4개의 플랫폼을 포함하고 있다. 그리고 이들 각각의 플랫폼(12)(11)(10)(14)들은 베이스(30)에 각각 관절로 이루어진 체인으로 연결되어 총 5 자유도를 제공하는 구조를 나타내고 있다. Figure 1 shows the overall parallel instrumented multi-platform
도 1에서 P는 병진 관절을 의미하고, R은 회전 관절을 의미하며, U는 유니버설 관절을 의미하고, S는 볼 관절을 의미한다. 그리고 글자 아래 밑줄은 능동 관절을 의미한다. In FIG. 1, P means a translational joint, R means a rotational joint, U means a universal joint, and S means a ball joint. And underlined letters indicate active joints.
또한, Pe는 수동 병진 관절 중의 어느 하나를 의미하고, Re은 수동 회전 관절 중의 어느 하나를 의미하며, Pe는 능동 병진 관절(구동기), 예를 들면 선형 액튜에이터와 같은 능동 병진 구동기 중의 어느 하나를 의미하고, Re은 능동 회전 관절(구동기), 예를 들면 롤 각 운동 또는 피치 각 운동을 일으키는 능동 회전 구동기 중의 어느 하나를 의미한다. In addition, Pe means any one of the passive translation joint, Re means any one of the passive rotary joint, Pe means any one of an active translation joint such as an active translation joint (driver), for example a linear actuator. Re is an active rotary joint (driver), for example, any one of the active rotary drive to produce a roll angular movement or pitch angular movement.
또한 각각의 P,R,U에 병기된 부호들은 앞-왼쪽 플랫폼(12), 앞-오른쪽 플랫폼(11), 중간 플랫폼(10), 뒤-플랫폼(14)의 특정 부분을 나타낸다. In addition, the symbols written in each of P, R, and U represent a specific portion of the front-
도 1에서 앞-왼쪽 플랫폼(12), 앞-오른쪽 플랫폼(11), 중간 플랫폼(10), 뒤-플랫폼(14)에 부착된 (U1-R1),(U2-R2),(U3-R3),(U6-R4),(U4-R8)들은 각각 유니버설관절과 회전관절들의 결합으로 각각 볼 관절(S)의 역할을 한다. (U1-R1), (U2-R2), (U3-R3) attached to the front-
그리고 본 발명에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 6 자유도의 직렬관절(S-Pe-Ue)로 이뤄진 3개의 체인(U1-R1-P1-U5)(U2-R2-P2-U7)(U4-R8-P5-U8)은 앞-왼쪽 플랫폼(12), 앞-오른쪽 플랫폼(11)과 뒤-플랫폼(14) 등의 3 개의 플랫폼들을 베이스(30)에 각각 연결하는 것들이다. In the present invention, as shown in Figure 1, three chains (U1-R1- P1 -U5) (U2-R2- P2 -U7) consisting of a series joint (S- Pe -Ue) of 6 degrees of freedom (U4-R) R8- P5- U8) are those that connect three platforms, such as the front-left
상기에서 (P1)(P2)(P5)들은 상기 앞-왼쪽 플랫폼(12), 앞-오른쪽 플랫폼(11)과 뒤-플랫폼(14)의 능동 병진관절을 의미하고, 상기 능동 병진관절(P1)(P2)(P5)의 선형 변위 값에 따라서 각 앞-왼쪽 플랫폼(12), 앞-오른쪽 플랫폼(11)과 뒤-플랫폼(14)의 회전각, 즉 중간 플랫폼(10)에 대한 각도가 바뀌게 된다. In the above ( P1 ) ( P2 ) ( P5 ) means the active translational joint of the front-left
즉 상기 능동 병진관절(P1)(P2)(P5) 들은 각각 베이스(30)와 각 플랫폼(11)(12)(14) 사이에서 배치되어 있고, 각 플랫폼(11)(12)(14)과 능동 병진관절(P1)(P2)(P5)들은 각각 유니버설 관절과 회전관절의 직렬결합(U1-R1)(U2-R2)(U4-U8)을 통하여 각각 연결되어 있다. 또한 상기 베이스(30)와 능동병진 관절(P1)(P2)(P5)들은 유니버설관절(U5)(U7)(U8)을 통하여 연결되어 있다.That is, the active translation joints P1 , P2 , and P5 are respectively disposed between the base 30 and each
또한 상기 앞-왼쪽 플랫폼(12), 앞-오른쪽 플랫폼(11), 뒤-플랫폼(14)들은 각각 중간 플랫폼(10)에 각각 회전 관절(R9)(R10)(R11)을 통하여 연결되어 있다. In addition, the front-left
따라서 상기 능동병진 관절(P1)(P2)들의 선형 변위값에 따라서 앞-왼쪽 플랫폼(12), 앞-오른쪽 플랫폼(11) 들은 중간 플랫폼(10)에 대한 상대 각이 변하게 된다. 비슷하게 능동 병진관절(P5)의 선형변위에 따라서 뒤-플랫폼(14)은 중간 플랫폼(10)에 대한 변위가 달라지게 된다. 상기에서 능동 병진관절(P1)(P2)(P5)들은 예를 들면 선형 액튜에이터일 수 있다.Accordingly, the relative angles of the front-left
또한 상기 중간 플랫폼(10)에는 도 2에 도시된 바와 같이, 3 자유도 직렬관절로 이뤄진 중간체인(Pe(Lm)-Re(φ)-R(θ)) 및, S-S 관절과 4-바 링크(21)로 연결된 4-바 링크 체인(U3-R3-R4-U6)으로 구성된 2개의 체인이 연결되어 베이스(30)에 연결되어 있다. In addition, as shown in FIG. 2, the
그리고 상기 중간 플랫폼(10)은 도 2에 도시된 바와 같이, 능동 병진 관절(Pe(Lm))과 능동 회전 관절(Re(φ))을 통하여 병진 및 회전 운동을 발생시키는 2 자유도 병렬 기구 부(25)의 운동 및 4-바 링크(21)의 회전을 통한 4-바 링크 체인(U3-R3-R4-U6)의 구속조건에 의해 중간 플랫폼(10)은 2 자유도의 회전운동(롤, 피치)을 발생시킨다.And the
이러한 2 자유도 병렬 기구 부(25)의 회전운동은 베이스(30)에 고정된 2개의 능동 병진 관절(P3)(P4)의 운동에 따라 독립적으로 발생시킨다. 이러한 병진-회전 타입의 구동 기구 부는 능동 병진관절(Pe(Lm))- 능동 회전관절(Re(φ))과 기구 적으로 등가의 개념이다.The rotational motion of the two degrees of freedom
상기 중간 플랫폼(10)에서 이루어지는 2 자유도의 회전운동에 대해 도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다. 상기 능동 병진 관절(P3)(P4)은 베이스(30)에 고정되어 상하운동을 각각 발생시키고, 이들 능동 병진 관절(P3)(P4)의 상하 높이의 차이에 따라 중간 플랫폼(10)의 롤 각(φ)이 발생한다.The rotational motion of two degrees of freedom made in the
이때 중간 플랫폼(10)의 동작을 위해서 2 자유도 병렬 기구 부(25)가 구비되는데, 이는 수동 회전 관절(R5)(R6)이 상기 능동 병진 관절(P3)(P4)의 베이스(30) 반대편 상단에 각각 삽입되어 있어서, 능동 병진 관절(P3)(P4)의 상하 높이 차에 따라 수동 회전관절(R5)(R6)의 위치가 다르게 된다.In this case, two degrees of freedom
이러한 높이 차이를 보상하기 위해 상기 수동 회전관절(R5)(R6) 및 피치 각 연결부(22) 사이에 수동 병진 관절(P1)(P2)을 각각 삽입하여 상기 능동 병진 관절(P3)(P4)의 높이 차에 따른 수동 회전관절(R5)(R6)의 위치변화에 대응하도록 하는 것이다. The said manual rotary joint (R5) (R6), and the pitch of each
또한 상기 중간 플랫폼(10)이 순수하게 상하 병진운동(Lm) 및 롤 각(φ) 운동만 발생시키도록 수동 병진 관절(P3)을 상기 베이스(30)에 수직으로 연결하여 그 하단에 2 자유도 지지구(20)를 연결한다. In addition, the manual translation joint P3 is vertically connected to the base 30 so that the
이와 같은 작동 관계가 도 4에 도시되어 있다. 도 4는 2 자유도 병렬 기구 부(25)의 관절 배열을 도식적으로 나타내고 있다. 상기 2 자유도 병렬 기구 부(25)는 2 자유도 지지구(20)가 베이스(30)에 연결된 수동 병진 관절(P3) 및 그 하단의 수동 회전 관절(R7)을 구비하여 상하 운동 및 회전 운동만이 가능하다. 그러므로 상기 능동 병진 관절(P3)(P4)의 상하 높이 차에 따라서 상기 2 자유도 병렬 기구 부(25)는 롤 각(φ) 회전운동이 가능하도록 하는 것이다. 그리고 상기 능동 병진 관절(P3)(P4)의 상하 높이 평균값에 의해서 상기 2 자유도 병렬 기구 부(25)의 하단에 연결된 중간 플랫폼(10)의 높이가 결정된다.This operating relationship is shown in FIG. 4. 4 schematically shows the joint arrangement of the two degrees of freedom
그리고 상기 2 자유도 병렬 기구 부(25)는 중간 플랫폼(10)의 피치 각(θ) 회전이 가능하도록 상기 2 자유도 지지구(20)의 하단에 피치 각 연결부(22)를 위치시키고 있다. In addition, the two degree of freedom
즉 상기 피치 각 연결부(22)는 도 3에 도시된 바와 같이, 2 자유도 지지구(20)에 대해 피치 각(θ) 운동이 가능하도록 연결되어 결과적으로는 그 하단에 연결된 중간 플랫폼(10)이 피치 각(θ) 운동하도록 한다. 이러한 경우, 상기 피치 각 연결부(22)에 연결된 중간 플랫폼(10)은 상기 능동 병진 관절(P3)(P4)의 상하 병진 운동(Lm)과 상기 중간 플랫폼(10)의 전방 측에 위치된 4-바 링크 체인(U3-R3-R4-U6)의 구속조건에 의해서 피치 각 운동(Re(θ))을 발생시킨다.(도 2 참조)That is, the pitch
상기와 같이 중간 플랫폼(10)은 2개의 체인(Pe(Lm)-Re(φ)-R(θ)),(U3-R3-R4-U6)을 갖춤으로써 병렬구조형태의 능동 병진 관절(P3)(P4)의 상하 병진 운동과, 상기 능동 병진 관절(P3)(P4)의 상하 높이 차 및 상기 4-바 링크 체인(U3-R3-R4-U6)의 구속조건에 따라 2 자유도 회전 운동, 즉 피치 각 운동(Re(θ)) 및 롤 각 운동(Re(φ))을 발생시킨다.(도 4 참조)As described above, the
도 5는 본 발명에 따른 병렬 기구형 다중 플랫폼 인간형 로봇 발(1)의 각 관절배열을 나타내고 있다. 즉, 앞-왼쪽 플랫폼(11), 앞-오른쪽 플랫폼(12) 및 뒤-플랫폼(14)들은 각각 하나의 6 자유도 직렬 관절(S-P-U)로 이뤄진 체인(U1-R1-P1-U5)(U2-R2-P2-U7)(U4-R8-P5-U8)을 가지고, 상기 앞-왼쪽 플랫폼(11), 앞-오른쪽 플랫폼(12) 및 뒤-플랫폼(14)들은 중간 플랫폼(10)의 앞 혹은 뒤쪽에서 회전 관절(R9)(R10)(R11)들을 통하여 각각 연결된다. Fig. 5 shows each joint arrangement of the parallel instrumented multi-platform
결과적으로 상기 앞-왼쪽 플랫폼(11), 앞-오른쪽 플랫폼(12) 및 뒤-플랫폼(14)들의 최종 출력 변위 값들은 중간 플랫폼(10)의 2 자유도 병렬 기구 부(25)의 운동, 즉 피치 각 운동(Re(θ)) 및 롤 각 운동(Re(φ)) 값에 따라 결정된다. As a result, the final output displacement values of the front-left
그러므로 본 발명에 따른 다중플랫폼 로봇 발(1)은 도 6에 나타난 것 같이, 중간 플랫폼(10)의 2 자유도의 피치 각 운동(Re(θ)) 및 롤 각 운동(Re(φ))과 중간 플랫폼(10)에 대한 앞-왼쪽, 앞-오른쪽, 뒤-플랫폼(11)(12)(14)의 각각 1 자유도 상대 회전운동의 총 5 자유도 운동을 발생시키게 된다. Therefore, the
상기와 같이 본 발명은 중간 플랫폼(10)이 인간형 로봇 발목의 2 자유도 운 동, 즉 피치 각 운동(Re(θ)) 및 롤 각 운동(Re(φ))을 발생시키고, 2 자유도 회전 운동 이외에 앞/중간 플랫폼의 상대운동이 같을 때, 즉 도 6에서 피치 각(θ2)과 피치 각(θ3)들이 동일할 때는 발의 MTP(Metatarsal Phalangeal) 관절의 운동을 발생시킨다. As described above, in the present invention, the
또한 중간/뒤-플랫폼의 상대 운동은 피치 각(θ4)이 형성될 때이며, 이는 걸음 중 로봇의 착지 시, 뒷발의 상대운동을 발생시키고, 앞-오른쪽, 앞-왼쪽 플랫폼의 상대운동이 다를 때, 즉 도 6에서 피치 각(θ2)과 피치 각(θ3)들이 다를 때에는, 회전(turning) 시 앞-오른쪽, 앞-왼쪽 플랫폼(11)(12) 간의 상대운동을 발생시킬 수 있다. In addition, the relative movement of the middle / rear-platform is when the pitch angle (θ4) is formed, which causes the relative movement of the hind feet when the robot lands during walking, and when the relative movements of the front-right and front-left platforms are different. That is, when the pitch angle θ2 and the pitch angle θ3 are different in FIG. 6, relative movement between the front-right and front-left
도 7은 본 발명에 따른 인간형 로봇 발(1)의 링크-관절 관계 다이아그램을 나타내고 있다. 흰색박스는 수동관절을 나타내고, 사선으로 채워진 박스는 능동 관절을 의미하며, 박스 사이의 선들은 링크들을 나타낸다. 운동형태 및 자유도 관점에서 중간 플랫폼(10)에 연결된 도 3의 병진-회전 형태의 2 자유도 병렬 기구 부(25)를 직렬 능동 관절(Pe-Re)로 고려하는 것이 가능하고, 다음의 Grubler공식을 이용하여 주어진 기구 부의 운동을 정의할 수 있다. 7 shows a link-joint relationship diagram of the
(1) (One)
(1) 여기서 d, n, g, 및 i 는 주어진 기구 부의 모든 관절 공간의 자유도, 지면을 포함한 링크의 수, 관절 구속조건의 수, 그리고 i 번째 관절의 자유도를 각각 나타낸다. 여기서 4개 플랫폼의 총 5 자유도의 운동은 다음과 같이 검증된다. (1) where d, n, g, and i represent the degrees of freedom of all joint spaces of a given instrument part, the number of links including the ground, the number of joint constraints, and the degrees of freedom of the i-th joint, respectively. Here the motion of the total 5 degrees of freedom of the four platforms is verified as follows.
M5dof = 6(13 - 16 - 1) + 1× 8 + 2× 3 + 3× 5 = 5 M5dof = 6 (13-16-1) + 1 × 8 + 2 × 3 + 3 × 5 = 5
도 6에 표시된 뒤-플랫폼(14)에 연결된 회전 관절(R11)과 체인(U4-R8-P5-U8)을 중간 플랫폼(10)으로부터 분리한다면 최종 로봇 발(1)의 자유도는 다음과 같이 4 자유도가 된다. If the rotary joint R11 and the chain U4-R8- P5- U8 connected to the back-
M4dof = 6(10 - 12 - 1) + 1× 6 + 2× 2 + 3× 4 = 4 M4dof = 6 (10-12-1) + 1 × 6 + 2 × 2 + 3 × 4 = 4
따라서, 중간 플랫폼(10)에 S-Pe-S 체인을 발가락 목적으로 앞쪽 플랫폼에 혹은 인간과 같이 뒤꿈치 착지(heel strike)를 허락하도록 뒤-플랫폼에 중간 플랫폼(10)을 기준으로 상대 피치 각 운동을 발생시킬 수 있도록 추가 혹은 삭제할 수 있어 하나의 플랫폼을 모듈화하여 다양한 형태의 발바닥 및 발가락의 상대운동을 하는 운동을 쉽게 구현할 수 있다. Thus, the relative pitch angular movement relative to the
본 발명은 상기에서 도면을 참조하여 특정 실시 예에 관련하여 상세히 설명하였지만 본 발명은 이와 같은 특정 구조에 한정되는 것은 아니다. 당 업계의 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술 사상 및 권리범위를 벗어나지 않고서도 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있을 것이다. 그렇지만 그와 같은 수정 또는 변형 구조들은 모두 명백하게 본 발명의 권리범위 내에 속하게 됨을 미리 밝혀 두고자 한다.Although the present invention has been described in detail with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited to such a specific structure. Those skilled in the art may variously modify or change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. Nevertheless, it will be apparent that all such modifications or variations will fall within the scope of the present invention.
상기와 같이 본 발명에 의하면 정상보행을 하는 인간과 비슷한 걸음의 생성을 가능하게 하고, 효율적인 걸음을 허락하는 다중 플랫폼 및 병렬기구 구조를 구비함으로써 다양한 지면에 대처할 수 있도록 발바닥의 상대운동을 허락하고, 병진 구동기의 사용을 통하여 큰 하중 및 충격을 지탱할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. As described above, according to the present invention, it is possible to generate a gait similar to a human walking normally, and by providing a multi-platform and parallel mechanism structure allowing an efficient gait, allowing relative movement of the sole to cope with various grounds, Through the use of a translational actuator, the effect of supporting large loads and impacts can be obtained.
그리고 본 발명에 의하면 인간과 유사한 걸음궤적 생성을 가능하게 함으로써 인간형 로봇의 이동성을 향상시킬 수 있고, 평지, 계단, 경사 및 불규칙 지면에서 로봇의 걸음에 유연한 발 움직임을 적용하여 전체 로봇의 안정성에 크게 기여할 수 있다. In addition, according to the present invention, the mobility of the humanoid robot can be improved by enabling the generation of a human-like walking trajectory, and the flexible foot movement is applied to the walking of the robot on flat, staircases, slopes, and irregular grounds, thereby greatly improving the stability of the entire robot. Can contribute.
또한 본 발명에 의하면 인간형 로봇 발의 적용 이외에 발이 없는 장애인의 인공 발 장치로도 적용 가능하며, 이 경우 보호 장구의 움직임이 보다 인간에 가까워서 장애인의 삶의 질 향상을 유도할 수 있는 효과가 얻어지는 것이다. In addition, according to the present invention, in addition to the application of the humanoid robot foot can also be applied to the artificial foot device of the disabled without a foot, in this case, the movement of the protective gear is closer to the human is obtained an effect that can lead to the improvement of the quality of life of the disabled.
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