KR101077116B1 - 보행로봇용 발 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보행 로봇용 발 모듈에 관한 것으로서, 특히, 로봇의 보행시 로봇의 발과 지면과의 접촉점을 항상 일정하게 유지하여 로봇이 항상 안정적인 자세로 보행할 수 있도록 하고, 아울러 쇽업소버에 의한 발 모듈의 완충작용시 쇽업소버의 변위발생을 최소화하여 로봇의 보행시 항상 안정된 자세제어를 가능케 하는 보행로봇용 발 모듈을 제공한다.

Description

보행로봇용 발 모듈{LEG MODULE FOR WAlKING ROBOT}

본 발명은 보행 로봇용 발 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 로봇의 보행시 로봇의 발과 지면과의 접촉점을 항상 일정하게 유지하여 로봇이 항상 안정적인 자세로 보행할 수 있도록 하고, 아울러 쇽업소버에 의한 발 모듈의 완충작용시 쇽업소버의 변위발생을 최소화하여 로봇의 보행시 항상 안정된 자세제어를 가능케 하는 보행로봇용 발 모듈에 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 가지며, 또한 인간과 거의 유사한 행동의 구현이 가능하므로 산업용 또는 가정용 또는 엔터테인먼트 등 여러 분야에서 다양한 용도로 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

한편 대부분의 인간형 로봇은 인간과 같이 2개의 다리를 구비하는 2족 보행 로봇으로서, 2족 보행 로봇의 경우, 동적 상태에서의 안정도를 고려하는 것이 매우 중요하다. 이를 위해 ZMP(Zero Moment Point)라는 개념이 이용되고 있는데, 이는 작용력의 모든 모멘트의 합이 영이 되는 지면 상의 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.

한편, 상기와 같이 2개의 다리로 보행하는 인간형 로봇을 포함하여 다수의 다리로 보행 및 이동을 하는 다리식 보행 로봇은 보행시 장애물과의 접촉을 최소화하기 위하여 비교적 소형 크기를 갖는 발 모듈을 요구한다.

도 1은 종래의 보행 로봇의 발 모듈 구조를 보여주는 것으로서, 도시된 바와 같이, 종래의 보행 로봇용 발 모듈은 지면에 접지하는 발판(30) 부분이 로봇의 다리 하단을 형성하는 다리링크(10) 부분과 쇽업소버(shock absorber)를 통해 완충 가능하게 연결된 구조를 이루고 있었다. 또한, 상기 발판(30)은 쇽업소버(20)의 하단에 힌지 결합되기 때문에 로봇의 보행시 발판(30) 부분이 쇽업소버(20)의 하단으로부터 자유롭게 회전하며 지면과 최대한 접촉되면서 쇽업소버(20)를 통해 지면에서 전달되는 충격을 적절히 흡수하도록 되어 있었다.

그러나, 상기와 같은 종래의 보행 로봇용 발 모듈 구조는 보행시 충격 흡수를 위해 사용되는 쇽업소버(20)가 그 구조상 길이방향의 축을 중심으로 한 수평회전에 대하여 구속력이 없다. 이 때문에 로봇의 보행 과정에서 지면과 로봇의 발 부분의 접촉점이 항상 다르게 되어 보행상의 불안정성을 야기시키는 문제가 있었다. 더불어 지면과 접촉시 쇽업소버의 길이방향 변위가 과도하게 발생하기 때문에 로봇 의 자세제어가 어려웠었던 문제가 있었다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 로봇의 보행시 발 부분의 수평회전을 구속하여 보행시 안정성을 증대시키고, 쇽업소버의 길이방향으로의 변위발생을 최소화하여 로봇의 안정된 자세제어를 가능케 할 수 있는 보행로봇용 발 모듈을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 보행로봇용 발 모듈은, 보행로봇용 발 모듈에 있어서, 로봇의 발 부분을 형성하는 하부구조체와; 상기 하부구조체의 상부에 슬라이딩 가능하게 결합되는 상부구조체와; 상기 하부구조체와 상부구조체 사이에 지지되며 완충작용을 수행하는 쇽업소버와; 상기 상부구조체의 일 측에 수직방향으로 길게 형성된 가이드홀과; 상기 가이드홀 내에 수평방향으로 삽입되어 하부구조체에 결합되는 샤프트를 포함하여 이루어지되, 상기 쇽업소버에 의한 상,하부구조체의 완충 작용시 상기 가이드홀과 샤프트 사이의 간섭작용에 의해 상기 하부구조체의 수평회전이 구속되도록 형성한 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 하부구조체 내에는 상기 쇽업소버의 길이방향 변위를 제한할 수 있는 완충스프링이 더 설치될 수 있다.

그리고, 상기 상부구조체는 내측 상단에 상기 쇽업소버의 상단이 지지되는 원통형의 링크부와, 상기 링크부의 하단에 결합되며, 상기 가이드홀이 외주면을 따 라 복수 개 배열된 가이드부를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 하부구조체는, 지면과 접촉되는 발판과, 하부면에 상기 발판이 결합되고, 상부는 상기 가이드부의 하단에 슬라이딩 가능하게 끼워지며, 외주면에 상기 가이드홀을 통해 삽입된 샤프트가 결합되는 발 지지부와, 발 지지부의 내측에 결합되며 상기 완충스프링과 함께 상기 쇽업소버의 하단을 지지하는 지지체를 포함하여 구성될 수 있다.

상기한 구성을 갖는 본 발명은 로봇의 보행시 로봇의 발 부분이 지면과 접촉하여 쇽업소버를 통해 충격이 흡수되는 과정에서, 샤프트와 가이드홀 사이의 간섭으로 인해 발 모듈의 하부구조체인 발판의 수평회전이 억제되기 때문에, 로봇의 발판과 지면과의 접촉점을 항상 일정하게 유지할 수 있고 로봇의 보행자세를 항상 안정적으로 유지할 수 있다.

또한, 본 발명은 로봇용 발 모듈의 하부구조체쇽업소버의 하부에 완충스프링을 장착함으로써, 로봇의 보행시 상기 완충스프링을 통해 쇽업소버 자체를 완충시켜 쇽업소버의 변위발생을 최소화할 수 있기 때문에 로봇의 안정된 자세제어를 구현할 수 있는 장점이 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명하 기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 보행로봇용 발 모듈을 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2의 분해 사시도이다. 또한, 도 4는 본 발명에 따른 보행로봇용 발 모듈의 지면에 충격되기 전,후의 모습을 보여주는 작동 상태도이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 보행로봇용 발 모듈은 2개 이상의 보행용 다리가 구비된 보행로봇의 다리 최하단에 위치된 모듈로서, 크게 로봇의 발 부분을 형성하는 하부구조체와, 상기 하부구조체의 상부에 슬라이딩 가능하게 결합되는 상부구조체와, 상기 상,하부구조체 사이에 개재되어 로봇의 보행시 완충작용을 수행하는 쇽업소버(200)를 포함하여 구성된다.

상부구조체는 내부가 빈 원통 형상을 이루는 링크부(100)와, 상기 링크부(100)의 하단부에 결합되는 원통 형상의 가이드부(430)로 구성된다.

상기 링크부(100)의 내부공간에는 로봇의 보행시 발 모듈의 완충기능을 수행하는 쇽업소버(200)가 설치되는데, 상기 쇽업소버(200)의 상단은 링크부(100)의 내측 상단에 지지된다.

상기 링크부(100)의 하단에는 그 외측에 가이드부(430)가 끼워져 다수의 볼트(434)를 통해 체결된다.

이때, 상기 가이드부(430)에는 세로 폭이 가로 폭보다 크게 형성된 4개의 가이드홀(432)이 구비되는데, 이러한 가이드홀(432)은 가이드부(430)의 외주면에 수직방향(상하방향)으로 길게 형성되며, 가이드부(430)의 외주면을 따라 일정 간격을 이루며 배치된 구조를 이룬다.

하부구조체는 상기 가이드부(430) 하단에 승강 가능하게 장착되는 발 지지부(440)와, 지면과 직접 접촉되는 부분으로서 상기 발 지지부(440)의 하부에 결합되는 발판(300)을 포함한다.

상기 발 지지부(440)는 평평한 판 형태의 바닥부(442)와, 상기 바닥부(442) 중앙에 수직으로 세워진 원통 형상의 기둥부(444)로 이루어진다.

상기 바닥부(442)의 하부면에는 발판(300)이 결합되는데, 상기 발판(300)의 하부에서 볼트(310)를 관통하여 상기 바닥부(442) 위에서 와셔(312)와 너트(314)를 체결하여 결합시키게 된다.

상기 기둥부(444)는 상단이 가이드부(430)의 하단부 내측에 끼워진 상태에서 상기 가이드부(430)에 형성된 가이드홀(432) 내측으로 샤프트(450)를 수평방향으로 삽입하여 상기 기둥부(444) 상단에 체결하여 결하게 된다.

이때, 상기 샤프트(450)의 직경을 가이드홀(432)의 가로 폭과 대응하는 크기로 형성함으로써, 상기 샤프트(450)가 가이드홀(432) 내에서 좌우방향으로 움직이지 않도록 형성하는 것이 바람직하다.

이렇게 구성하면, 가이드홀(432) 내에서 샤프트(450)의 상하이동이 자유로운 반면 좌우이동은 차단되기 때문에, 가이드부(430)에 대한 기둥부(444)의 상하방향 슬라이딩은 가능해지는 한편 발 모듈의 중심축을 기준으로 한 기둥부(444)의 수평방향 회전은 억제된다. 따라서, 로봇의 발 부분이 지면과 접촉되면서 쇽업소버에 의해 충격이 흡수되는 과정에서 발 부분의 수평회전이 구속되어 보행에 따른 시 안정성을 증대시키고,

한편, 상기 원통형 기둥부(444)의 내측 공간에는 쇽업소버(200)의 하부가 부분적으로 수용되는바, 상기 기둥부(444)의 내측 바닥면 상에는 상기 쇽업소버(200)의 하단을 지지하는 지지체(410)가 설치된다.

상기 지지체(410)는 기둥부(444)의 바닥면에 고정되는 원판 형태의 고정단(412)과, 상기 고정단(412)의 중앙에 수직하게 세워져 연결된 중공축(414)으로 이루어진다.

상기 중공축(414) 내부에는 쇽업소버(200)의 하단이 끼워질 수 있도록 일정 직경의 구멍(415)이 형성된다.

그리고, 상기 쇽업소버(200)와 지지체(410) 사이에는 상기 쇽업소버(200)의 완충작용을 위한 코일형 완충스프링(420)이 구비된다.

상기 완충스프링(420)의 장착시 상기 완충스프링(420)을 지지체(410)의 중공축(414) 외주부에 끼워 결합한 다음 쇽업소버(200)의 하단을 중공축(414)의 내측 구멍(415)에 끼워 결합하게 된다.

이와 같이 결합된 완충스프링(420)은 그 상단이 쇽업소버(200)의 하부 단턱 부분에 걸려 지지되는 한편 하단이 지지체(410)의 고정단(412) 위에 지지됨으로써, 착지시 상,하부구조체 사이의 충격의 영향을 저감시킴과 동시에 쇽업소버(200) 자체의 완충작용을 수행하게 된다.

이때, 상기 쇽업소버(200)의 하단은 지지체(410)의 중공축(414) 구멍(415)에 다소 헐거운 상태로 삽입되기 때문에 완충스프링(420)에 의한 쇽업소버(200)의 완충 작용이 가능해진다.

상술한 구성을 갖는 본 발명은 로봇의 보행시 로봇의 발 부분이 지면과 접촉하여 쇽업소버를 통해 충격이 흡수되는 과정에서, 샤프트(450)와 가이드홀(432) 사이의 간섭으로 인해 쇽업소버(200)의 중심축을 기준으로 한 발판(300)의 수평회전이 억제되기 때문에, 발판(300)과 지면과의 접촉점을 항상 일정하게 유지할 수 있어서 로봇의 보행자세를 항상 안정적으로 유지할 수 있는 장점이 있다.

아울러, 본 발명은 쇽업소버(200)의 하부에 완충스프링(420)을 장착함으로써, 로봇의 보행시 상기 완충스프링(420)을 통해 쇽업소버(200) 자체를 완충시켜 쇽업소버(200)의 변위발생을 최소화할 수 있기 때문에 로봇의 안정된 자세제어를 구현할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래의 보행 로봇용 발 모듈 구조를 보여주는 개략도.

도 2는 본 발명에 따른 보행 로봇용 발 모듈을 도시한 사시도.

도 3은 도 2의 분해 사시도.

도 4는 본 발명에 따른 보행 로봇용 발 모듈의 지면에 충격되기 전,후의 모습을 보여주는 작동 상태도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 링크 200 : 쇽업소버

300 : 발판 410 : 지지체

412 : 고정단 414 : 중공축

420 : 완충스프링 430 : 가이드부

432 : 가이드홀 440 : 발 지지부

442 : 바닥부 444 : 기둥부

450 : 샤프트

Claims (4)

1. 보행로봇용 발 모듈에 있어서,

   로봇의 발 부분을 형성하는 하부구조체와;

   상기 하부구조체의 상부에 슬라이딩 가능하게 결합되는 상부구조체와;

   상기 하부구조체와 상부구조체 사이에 지지되며 완충작용을 수행하는 쇽업소버(200)와;

   상기 상부구조체의 일 측에 수직방향으로 길게 형성된 가이드홀(432)과;

   상기 가이드홀(432) 내에 수평방향으로 삽입되어 하부구조체에 결합되는 샤프트(450)를 포함하여 이루어지되,

   상기 쇽업소버(200)에 의한 상,하부구조체의 완충 작용시 상기 가이드홀(432)과 샤프트(450) 사이의 간섭작용에 의해 상기 하부구조체의 수평회전이 구속되도록 형성하며,

   상기 상부구조체는,

   내측 상단에 상기 쇽업소버(200)의 상단이 지지되는 원통형의 링크부(100)와;

   상기 링크부(100)의 하단에 결합되며, 상기 가이드홀(432)이 외주면을 따라 복수 개 배열된 가이드부(430)를 포함하며,

   상기 하부구조체 내에는 상기 쇽업소버(200)의 길이방향 변위를 제한할 수 있는 완충스프링(420)이 설치되며,

   상기 하부구조체는,

   지면과 접촉되는 발판(300)과;

   하부면에 상기 발판(300)이 결합되고, 상부는 상기 가이드부(430)의 하단에 슬라이딩 가능하게 끼워지며, 외주면에 상기 가이드홀(432)을 통해 삽입된 샤프트(450)가 결합되는 발 지지부(440)와;

   발 지지부(440)의 내측에 결합되며 상기 완충스프링(420)과 함께 상기 쇽업소버(200)의 하단을 지지하는 지지체(410)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 보행로봇용 발 모듈.
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