KR101177089B1

KR101177089B1 - 다리식 이동 로봇

Info

Publication number: KR101177089B1
Application number: KR1020057014207A
Authority: KR
Inventors: 토루 다케나카; 게이죠 마츠모토; 히로시 고미; 가즈시 하마야
Original assignee: 혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2004-08-30
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2012-08-24
Also published as: EP1785235B1; EP1785235A4; JP2006062057A; US20060249314A1; EP1785235A1; CN1839017B; DE602005015729D1; CN1839017A; US7600591B2; KR20070046690A; WO2006025135A1; JP4495549B2

Abstract

상체(R2)와, 상기 상체(R2)에 제1 관절(12, 13)을 통해 연결된 다리(R1)와, 상기 다리(R1)의 단부에 제2 관절(15, 16)을 통해 연결된 발(17)을 구비한 다리식 이동 로봇(R)으로, 상기 발(17)은 바닥면에 접지하는 접지 영역(64, 66)을 하단부에 가진 발부(61)를 구비하고, 상기 발부(61)는 접지시에 휘면서 자중을 지지하는 판스프링부(62)를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇(R).

Description

다리식 이동 로봇{Leg type mobile robot}

본 발명은 다리식 이동 로봇에 관한 것이다.

다리식 이동 로봇, 특히 다리식 이동 로봇의 발 구조에 관한 기술로서, 예를 들어, 일본 공개특허 2003-71776호 공보에 기재된 기술이 알려져 있다.

이 일본 공개특허 2003-71776호 공보에 기재된 다리식 보행 로봇의 발은 위에서부터 차례로 바닥반력을 검출하는 6축 힘센서(바닥반력 검출기)와, 충격흡수기능을 가진 고무 부쉬(bush)를 구비한 스프링 기구체와, 발바닥 프레임과, 발바닥 플레이트와, 발바닥(sole)으로 구성된다.

6축 힘센서는 스프링 기구체를 통해 발바닥 프레임에 접속되어 있고, 착지시에 6축 힘센서에 부가되는 충격, 특히 경사방향으로 작용하는 충격을 고무 부쉬가 변형함으로써 감소시킬 수 있는 구성으로 되어 있다.

그렇지만, 일본 공개특허 2003-71776호 공보에 기재된 다리식 보행 로봇은, 부품수가 많고, 구조가 복잡하다는 문제를 갖고 있다.

그리고, 상술한 다리식 보행 로봇에서는, 이동 스피드(보행, 주행)를 높이는 것이 요구되고 있다. 다리식 보행 로봇이 고속으로 이동할 경우에, 다리에 큰 관성력이 생긴다. 이러한 관성력을 작게 하기 위해, 다리의 말단쪽, 즉 발의 경량화가 요구되고 있다.

또한, 다리식 보행 로봇이 고속으로 이동하는 경우에는, 접지시에 발에 가해지는 바닥반력에 의한 충격력도 커지기 때문에, 다리식 보행 로봇의 발은 이러한 충격력을 견딜 수 있는 구조인 것이 바람직하다.

그래서, 간단한 구조이면서, 착지시 충격을 흡수할 수 있고, 경량화된 발을 구비한 다리식 이동 로봇을 제공하는 것에 대한 요구가 있었다.

본 발명은 상체와, 각각 상기 상체에 제1 관절을 통해 연결된 복수의 다리와, 각각 상기 다리의 단부에 제2 관절을 통해 연결된 복수개의 발을 구비하며, 상기 복수개의 발 중 하나의 발은, 제1 받침부와, 바닥면에 접지하는 복수의 접지 영역을 하단부에 가진 발부를 구비하는 다리식 이동 로봇에 있어서, 상기 발부는: 상기 제2 관절과 상기 발부 사이에 마련되며, 상기 제1 받침부와의 사이에 센서가 설치된 제2 받침부의 저면을 따르는 형상을 가지는 베이스부; 및 상기 베이스부로부터 아래쪽으로 연장되며, 상기 복수의 접지 영역이 상기 베이스부 및 상기 제2 받침부의 앞쪽 및 뒤쪽에 형성되어, 접지시에 휘면서 다리식 이동 로봇의 자중을 지지하는 복수의 판스프링부;를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇에 관한 것이다.

본 발명에 있어서 「접지영역」이란, 다리식 이동 로봇의 이동시에 바닥면과 접지하는 영역을 말한다.

본 발명에 있어서, 「자중」이란, 다리식 이동 로봇의 자중을 말한다. 또한 「휘어지면서 자중을 지지한다」란, 하나 이상의 판스프링부가 탄성 변형하고, 하나 이상의 판스프링부의 탄성력에 의해 로봇의 자중을 지지하는 것을 의미한다.

본 발명에 있어서, 「발부」란, 다리식 이동 로봇의 발의 하부구조이며, 바닥면으로부터의 반작용력을 받는 부분이다. 본발명에서는 발부가 하나 이상의 판스프링부를 구비하고 있어서 접지시에 하나 이상의 판스프링부가 휘어지면서 자중을 지지한다.

여기서, 상기 다리식 이동 로봇의 상기 발부는 복수의 상기 접지 영역을 구비하고 있는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서 「복수의 접지 영역」이란, 복수로 분할된 접지 영역을 말하며, 예를 들어, 판스프링부를 여러 개 마련하고, 각 판스프링부에 하나씩의 접지 영역을 형성함으로써 얻을 수 있다. 또한, 한 개의 판스프링부에 대해 복수의 접지 영역을 형성하는 것도 가능하다.

이와 같이 복수의 접지 영역을 구비함으로써 다리식 이동 로봇이 정지한 상태에서도 발부가 다리식 이동 로봇을 균형있게 지지하는 것이 가능해진다.

여기서, 상기 복수의 상기 접지 영역은 상기 제2 관절에 대해 앞뒤로 나뉘어져 배치되어 있는 것이 바람직하다.

예를 들어, 인간을 모방한 두발 이동 로봇에서는 인간의 보행을 모방하여 발부의 뒤쪽(발뒤꿈치 부분)부터 착지하여 앞쪽(발톱 부분)에서 차올리는 제어가 수행된다.

상기한 다리식 이동 로봇에서는, 접지 영역이 앞쪽 및 뒤쪽에 배치되어 있으므로, 이러한 제어가 적절히 수행된다. 또한, 다리식 이동 로봇의 전진이동시에는 다리식 이동 로봇의 전후방향으로 다리식 이동 로봇의 하중 중심이 이동하고, 또한, 그 하중 중심을 이상적인 위치로 이동시키는 제어가 수행되므로, 상기한 다리식 이동 로봇은 앞뒤의 접지 영역에 의해 버텨서 다리식 이동 로봇의 하중 중심을 전후방향으로 이동시키는 제어가 가능해진다.

여기서, 상기 다리식 이동 로봇의 상기 접지 영역의 적어도 하나는 상기 제2 관절로부터 멀어짐에 따라 위를 향해 휘어 있는 것이 바람직하다.

이와 같이, 접지 영역의 저면 형상을 제2 관절로부터 멀어짐에 따라 위를 향해 휘는 형상으로 함으로써 발부가 바닥면에 대해 기울어진 상태에서 접지하는 경우라도, 접지 영역을 적절히 확보할 수 있다. 또한, 접지 면적을 크게 하여 바닥면과의 사이의 마찰력을 확보할 수 있다.

또한, 상기 발부는 상기 접지 영역으로서, 접지시에 상기 바닥면과의 사이에서 마찰저항을 발생시키는 제1 발바닥부재를 구비하고 있는 것이 바람직하다.

이렇게 함으로써, 발부가 바닥면에 대해 잘 미끄러지지 않게 되어, 슬립을 방지할 수 있다. 또한, 다리식 이동 로봇의 다리의 힘을 바닥면에 대해 효율적으로 전달할 수 있다.

여기서, 상기 판스프링부와 상기 제1 발바닥부재 사이에 상기 제1 발바닥부재의 접지시에 상기 판스프링부의 진동을 감쇠시키는 제1 중간부재를 구비하고 있는 것이 바람직하다.

이렇게 함으로써 제1 발바닥부재의 접지시에 생기는 판스프링부의 진동을 제1 중간부재에 의해 감쇠시킬 수 있고, 판스프링부의 진동에 따른 다리식 이동 로봇의 자세의 불안정화를 막을 수 있다.

나아가, 상기 제1 중간부재는 상기 제1 발바닥부재의 접지시에 상기 제1 발바닥부재의 상기 판스프링부에 대한 바닥면 방향의 변위를 허용하는 것이 바람직하다.

이렇게 함으로써 판스프링부의 휨에 따른 제1 발바닥부재에서의 접지 위치의 어긋남을 억제할 수 있다.

또한, 상기 발부는 상기 제1 발바닥부재보다도 위쪽에, 접지시에 상기 바닥면과의 사이에서 마찰저항을 발생시키는 제2 발바닥부재를 구비하고 있는 것이 바람직하다.

이렇게 함으로써 계단 등 단차가 있는 바닥면을 이동하는 경우에, 통상의 접지 영역에 마련된 제1 발바닥부재 이외의 부분이 접지하는 경우라도, 제2 발바닥부재가 접지함으로써 슬립을 방지할 수 있다. 또한, 다리식 이동 로봇의 다리의 힘을 바닥면에 대해 효율적으로 전달할 수 있다.

또한, 상기 판스프링부와 상기 제2 발바닥부재 사이에, 상기 제2 발바닥부재의 접지시에 상기 판스프링부의 진동을 감쇠시키는 제2 중간부재를 구비하고 있는 것이 바람직하다.

이렇게 함으로써 제2 발바닥부재의 접지시에 생기는 판스프링부의 진동을 제2 중간부재에 의해 감쇠시킬 수 있고, 판스프링부의 진동에 따른 다리식 이동 로봇의 자세의 불안정화를 막을 수 있다.

또한, 상기 제2 중간부재는 상기 제2 발바닥부재의 접지시에 상기 제2 발바닥부재의 상기 판스프링부에 대한 바닥면 방향의 변위를 허용하는 것이 바람직하다.

이렇게 함으로써 판스프링부의 휘어짐에 따른 제2 발바닥부재에서의 접지 위치의 어긋남을 억제할 수 있다.

또한, 상기 발부는 베이스부와, 상기 베이스부로부터 아래쪽으로 연장되며, 하단부쪽에 접지 영역이 형성된 복수의 상기 판스프링부를 구비하고 있는 것이 바람직하다.

이렇게 함으로써, 복수의 판스프링부를 가진 발부를 간단한 구조로 얻을 수 있다. 판스프링부와 베이스부는 별개로 구성되어 있을 수도 있지만, 일체 성형하는 것도 가능하다. 특히, 판스프링부 및 베이스부를 일체 성형함으로써 부품수를 더 삭감할 수 있고, 발의 구조의 간략화가 가능해진다.

또한, 상기 판스프링부를 4개 구비하고, 그 중 2개의 상기 판스프링부는 상기 베이스부로부터 앞쪽으로 연장되고, 또한 나머지 2개의 상기 판스프링부는 상기 베이스부로부터 뒤쪽으로 연장되어 있으며, 4개의 상기 판스프링부 및 상기 베이스부가 H자 모양을 이루고 있는 것이 바람직하다.

여기서 말하는 'H자 모양'으로는 전방 및 후방에 각각 마련된 한 쌍의 판스프링부가 서로 평행할 수도 있고, 선단부를 향해 약간 벌어지듯이 마련되어 있을 수도 있는 것을 의미하고 있다.

예를 들어, 인간을 모방한 두발 이동 로봇에서는, 인간의 보행을 모방하여, 발부의 뒤쪽(발뒤꿈치 부분)부터 착지하여 앞쪽(발톱 부분)으로 차올리는 듯한 제어가 수행된다. 상기 다리식 이동 로봇은, 접지 영역이 앞쪽 및 뒤쪽에 배치되어 있으므로, 이러한 제어가 적절히 수행된다. 또한 다리식 이동 로봇의 전진이동시에는 다리식 이동 로봇의 전후방향으로 다리식 이동 로봇의 하중 중심이 이동하고, 또한 그 하중 중심을 이상적인 위치로 이동시키는 제어가 수행되므로, 상기 다리식 이동 로봇은 앞뒤의 접지 영역에 의해 버텨서 다리식 이동 로봇의 하중 중심을 전후방향으로 이동시키는 제어가 가능해진다. 또한, 한 쌍의 판스프링부가 선단부를 향해 약간 벌어지듯이 마련되어 있는 경우에는, 다리식 이동 로봇이 좌우로 기울어져 하중이 좌우방향으로 어긋난 경우에도 효과적으로 버틸 수 있다.

또한, 상기 판스프링부는 섬유로 강화된 복합부재로 형성되어 있는 것이 바람직하다.

본 발명에서의 '섬유로 강화된 복합부재'의 일 예로, 플라스틱을 강화용 섬유로 강화한 섬유강화 플라스틱(FRP: Fiver Reinforced Plastic)을 들 수 있다. 또한, 강화용 섬유로는 탄소 섬유, 유리 섬유, 유기 섬유, 금속 섬유 등을 적절히 사용될 수 있다. 이와 같이, 판스프링부를 '섬유로 강화된 복합부재'로 형성함으로써 판스프링부 자체의 경량화가 가능해진다.

또한, 상기 판스프링부는 탄성율이 다른 복수의 층으로 이뤄지는 것이 바람직하다.

이렇게 함으로써 다리식 이동 로봇의 이동시 등에서의 판스프링부의 진동을 감쇠시킬 수 있어, 다리식 이동 로봇의 자세의 안정화가 가능하다.

또한, 상기 판스프링부는 다층화된 판스프링과 상기 판스프링 사이에 설치된 점성부재로 구성되는 것이 바람직하다.

이렇게 함으로써 다리식 이동 로봇의 이동시 등에서의 판스프링의 진동을 감쇠시킬 수 있어, 다리식 이동 로봇의 자세의 안정화가 가능하다.

또한, 상기 판스프링부의 진동을 감쇠시키는 감쇠수단을 구비하고 있는 것이 바람직하다.

이렇게 함으로써 다리식 이동 로봇의 이동시 등에서의 판스프링부의 진동을 감쇠시킬 수 있어, 다리식 이동 로봇의 자세의 안정화가 가능하다. 상기한 제1 중간부재 및 제2 중간부재도 감쇠 수단의 일 예이다. 그 밖에 액압을 이용한 댐퍼(damper) 장치 등을 감쇠 수단으로 적용할 수 있다. 댐퍼 장치 등에 의하면, 발부가 바닥면에서 떨어졌을 때 생기는 판스프링부의 진동도 감쇠시킬 수 있게 된다.

또한, 상기 판스프링부가 복수이며, 2개의 상기 판스프링부를 연결시키는 연결부를 구비하고 있는 것이 바람직하다.

이렇게 함으로써 발부의 스프링 특성, 특히 강성을 조정할 수 있게 된다. 이 연결부는 판스프링부와 일체 성형되어 있을 수도 있고, 판스프링부와 별개의 연결부재를 각 판스프링부에 설치, 고정한 것일 수도 있다. 이 연결부의 형상, 설치 장소, 개수 등은 적절히 변경할 수 있다.

또한, 상기 발은 상기 발부를 통해 상기 바닥면에서 작용하는 바닥반력을 검출하는 바닥반력 검출수단을 구비하고 있는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서 '바닥반력 검출수단'이란, 발부를 통해 입력되는 바닥반력, 상세하게는 바닥반력의 병진력 및 바닥반력의 모멘트 중 적어도 어느 한 쪽을 검출하기 위한 것이며, 적어도 1축 방향의 병진력 또는 모멘트(예를 들어, 바닥면에 수직인 축방향의 힘(Fz))를 검출할 수 있으면 된다.

이와 같이 발에 바닥반력 검출수단을 마련함으로써, 접지 영역에 더 가까운 장소에서의 검출이 가능해져서 바닥반력을 더욱 정확히 검출할 수 있다.

또한, 상기 바닥반력 검출수단은 유닛화된 바닥반력 검출기인 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, '유닛화'란, 하나의 케이스 내에 부품을 조립한 구성을 말한다. 즉, 바닥반력 검출수단의 부품을 케이스 내에 조립한 것이 바닥반력 검출기이다. 이와 같이 유닛화된 바닥반력 검출기를 사용함으로써 발의 조립이 쉬워진다.

또한, 상기 발부는 상기 바닥반력 검출기에 대해 고정되어 있는 것이 바람직하다.

이렇게 함으로써 다리식 이동 로봇의 발의 경량화, 간략화가 더욱 가능해진다.

또한, 상기 발부는 복수의 상기 접지 영역을 구비하고 있으며, 상기 제2 관절의 중심은 평면으로 볼 때 상기 접지 영역의 가장 먼 점까지의 거리가 최소가 되는 위치에 대해 오프셋되어 있으며, 상기 바닥반력 검출기의 중심은 상기 제2 관절보다도 평면으로 볼 때 복수의 상기 접지 영역의 가장 먼 점까지의 거리가 최소가 되는 위치에 가까워지도록 마련되어 있는 것이 바람직하다.

일본 공개특허 2003-71776호 공보에 기재된 다리식 보행 로봇에서는, 제2 관절의 중심은 평면으로 볼 때 접지 영역에 대해 오프셋되어 있으며, 또한 제2 관절의 중심 및 바닥반력 검출기의 중심은 평면으로 볼 때 동일한 위치에 마련되어 있었다. 한편, 본원발명의 경우, 바닥반력 검출기의 중심을 평면으로 볼 때 제2 관절의 중심에 대해 오프셋되어, 복수의 접지 영역의 가장 먼 점까지의 거리가 최소가 되는 위치에 가까워졌으므로, 검출되는 바닥반력의 값을 작게 할 수 있고, 바닥반력 검출기의 소형화가 가능해진다.

또한 상기 발부는 복수의 상기 접지 영역을 구비하고 있고, 상기 바닥반력 검출기는 평면으로 볼 때 복수의 상기 접지 영역의 가장 먼 점까지의 거리가 최소가 되는 위치에 마련되어 있는 것이 바람직하다.

이와 같이 바닥반력 검출기의 위치를 설정함으로써, 검출되는 바닥반력의 값을 작게 할 수 있고, 바닥반력 검출기의 소형화가 가능해진다. 또한, 입력되는 바닥반력의 최대값을 억제할 수 있으므로, 바닥반력 검출기가 쉽게 고장나지 않게 된다. 바닥반력 검출기의 케이스가 상기한 위치에 마련되어 있으면 좋으며, 케이스의 일부가 상기한 위치에 위치하는 범위 내에서 케이스의 위치를 변경할 수 있다. 특히, 바닥반력 검출기의 소형화의 관점에서 보면, 바닥반력 검출기의 중심이 평면으로 볼 때 복수의 상기 접지 영역의 가장 먼 점까지의 거리가 최소가 되는 위치에 마련되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 바닥반력 검출수단은 상기 판스프링부의 변형을 검출하는 변형 검출수단인 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, '변형 검출 수단'이란, 판스프링부의 변형을 검출하기 위한 것으로, 예를 들어, 변형 게이지(strain gauge), 피에조(piezo) 소자 등을 이용한 것을 들 수 있다. 판스프링부는 바닥반력을 받아 휘어지는(뒤틀리는) 것으로, 그 변형량은 바닥반력과 상관한다. 그 때문에, 판스프링부의 변형을 검출함으로써 바닥반력을 검출할 수 있다.

이와 같이 판스프링부의 변형을 검출함으로써 바닥반력을 검출하는 구성으로 함으로써, 나아가 발의 구성을 더 간략화하는 것이 가능해진다.

또한, 판스프링부의 변형을 검출함으로써 바닥면의 상태를 검지할 수 있게 된다.

본 발명에 의하면, 착지시 충격을 흡수할 수 있고, 발이 경량화 또는 간략화된 다리식 이동 로봇을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 두발 이동 로봇을 나타내는 측면도이다.

도 2는 도 1의 다리의 관절 구조를 나타내는 모식도이다.

도 3은 제1 실시형태에 따른 두발 보행 로봇의 발 부위를 나타내는 정면도이다.

도 4는 제1 실시형태에 따른 두발 보행 로봇의 발 부위를 나타내는 측면도이다.

도 5는 제1 실시형태에 따른 두발 보행 로봇의 발 부위를 나타내는 저면도이다.

도 6은 제1 실시형태에 따른 두발 보행 로봇의 발의 접지 상태의 예를 설명하는 모식도이다.

도 7은 제1 실시형태에 따른 두발 보행 로봇의 전진이동(보행)시의 발부의 접지상태의 변화를 설명하는 모식도이다.

도 8은 제1 실시형태에 따른 두발 보행 로봇이 단차가 있는 바닥면을 이동하 는 경우를 설명하는 모식도이다.

도 9는 제1 실시형태에 따른 두발 이동 로봇이 고속이동하는 경우를 설명하는 모식도이다.

도 10은 제2 실시형태에 따른 두발 이동 로봇의 발을 설명하는 측면도이다.

도 11은 제3 실시형태에 따른 두발 이동 로봇의 발을 설명하는 측면도이다.

도 12는 제4 실시형태에 따른 두발 이동 로봇의 발을 설명하는 저면도이다.

도 13은 다리식 이동 로봇의 판스프링부의 변형예를 설명하는 모식도이다.

도 14는 다리식 이동 로봇의 판스프링부의 변형예를 설명하는 모식도이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해, 본 발명의 다리식 이동 로봇의 구성을 자율이동가능한 두발 이동 로봇에 적용한 경우를 예로 들어, 적절한 도면을 참조하면서 설명한다. 동일한 부분은 동일 부호를 붙이고, 중복 설명을 생략한다. 위치, 방향 등에 관한 표현은 두발 이동 로봇의 전후방향을 X축, 좌우방향을 Y축, 상하방향을 Z축으로 하고, 두발 이동 로봇이 기립 자세를 취한 상태를 기준으로 하여 설명한다.

<두발 이동 로봇(R)>

우선, 본 발명의 두발 이동 로봇에 대해 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 두발 이동 로봇을 나타내는 측면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 두발 이동 로봇(이하, 단순히 '로봇'이라고도 함) (R)은 인간과 같이 2개의 다리(R1) (1개만 도시함)에 의해 기립, 이동(보행, 주행 등)하고, 상체(R2), 2개의 팔(R3)(1개만 도시함) 및 머리(R4)를 갖고, 자율적으로 이동하는 로봇이다. 그리고, 로봇(R)은 이들 다리(R1), 상체(R2), 팔(R3) 및 머리( R4)의 동작을 제어하는 제어장치 탑재부(R5)를 업은 형태로 등(상체(R2)의 후방)에 구비하고 있다.

<다리(R1)의 관절 구조>

계속해서, 로봇(R)의 다리(R1)의 관절 구조에 대해 도 2를 참조하여 설명한다. 도 2는 도 1의 다리의 관절구조를 나타내는 모식도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 로봇(R)은 좌우 각각의 다리(R1)에 6개의 관절(11R(L)～16R(L))을 구비하고 있다. 좌우 12개의 관절은 분부에 마련된 다리회선용(Z축 둘레)의 고관절(11R, 11L)(좌측을 R, 우측을 L로 한다. 이하 동일.), 둔부의 롤축(X축) 둘레의 고관절(12R, 12L), 둔부의 피치축(Y축) 둘레의 고관절(13R, 13L), 무릎의 피치축(Y축) 둘레의 무릎 관절(14R, 14L), 발목의 피치축(Y축) 둘레의 발목 관절(15R, 15L) 및 발목의 롤축(X축) 둘레의 발목 관절(16R, 16L)로 구성되어 있다. 그리고, 다리(R1) 아래에는 발(17R, 17L)이 부착되어 있다.

즉, 다리(R1)는 고관절(11R(L), 12R(L), 13R(L)), 무릎관절(14R(L)) 및 발목 관절(15R(L), 16R(L))을 구비하고 있다. 고관절(11R(L)～13R(L))과 무릎 관절(14R(L))은 대퇴 링크(21R, 21L)에 의해 연결되어 있고, 무릎 관절(14R(L))과 발목 관절(15R(L), 16R(L))은 하퇴 링크(22R, 22L)에 의해 연결되어 있다.

고관절(11R(L)～13R(L))은 '제1 관절'의 일 예이고, 발목 관절(15R(L), 16R(L)))은 '제2 관절'의 일 예이다.

다리(R1)는 고관절(11R(L)～13R(L))을 통해 상체(R2)에 연결되어 있다.

도 2에서는, 다리(R1)와 상체(R2)의 연결부를 상체 링크(23)로서 간력화하여 나타낸다. 또한 상체(R2)에는 경사센서(24)가 설치되어 있고, 상체(R2)의 Z축(연직축)방향에 대한 기울기 및 각속도를 검출한다. 또한 각 관절을 구동하는 전동 모터에는, 그 회전량을 검출하는 로터리 인코더(도시하지 않음)가 마련된다.

이와 같은 구성에 의해, 다리(R1)는 좌우의 발에 대해 합계 12의 자유도를 가지며, 보행중에 이들 6*2=12개의 관절을 적절한 각도로 구동함으로써 하지(다리(R1) 및 발(17)) 전체에 원하는 움직임을 줄 수 있으며, 임의로 3차원 공간을 보행시킬 수 있다(이 명세서에서 '*'는 곱셈을 나타낸다.).

도 2에 도시한 바와 같이, 발목 관절(15R(L), 16R(L))의 아래쪽에는 공지의 6축 힘센서(52)가 마련되고, 로봇(R)에 작용하는 외력 중, 바닥면에서 로봇(R)에 작용하는 바닥반력의 3방향 성분(Fx, Fy, Fz)과 모멘트의 3방향 성분(Mx, My, Mz)을 검출한다. 이 6축 힘센서(52), 경사 센서(24) 등이 검출한 바닥반력, 모멘트, 기울기, 각속도 등에 관한 신호가 제어 장치 탑재부(R5) 내에 마련된 제어 유닛(25)에 전달되어, 로봇(R)의 자세, 동작 등의 제어에 이용된다. 제어 유닛(25)은 메모리(도시하지 않음)에 격납된 데이터 및 입력된 검출신호에 기초하여 관절 구동 제어값을 산출하고, 상기한 관절을 구동한다.

<로봇(R)의 발(17)>

로봇(R)의 발(17R(L))은 발목 관절(15RL), 16R(L))을 통해 다리(R1)의 단부(바닥면측)에 부착되어 있고, 6축 힘센서(52) 및 발부재(61)를 구비하고 있다. 왼쪽 하지(왼쪽 다리(R1) 및 발(17L))과 오른쪽 하지(오른쪽 다리(R1)와 발(17L))은 좌우 대칭이기 때문에, 이하, 필요없는 경우에는 R, L을 빼고 설명한다.

<제1 실시형태>

우선, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 로봇(R)의 발(17)에 대해 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 두발 이동 로봇의 발 부위를 나타내는 정면도이다. 도 4는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 두발 이동 로봇의 발 부위를 나타내는 측면도이다. 도 5는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 두발 이동 로봇의 발 부위를 나타내는 저면도이다. 도 3 내지 도 5의 다리(R1) 및 발(17)은 도 1에 도시한 로봇(R)의 외장 부분을 적절히 제거한 상태로 도시되어 있다. 또한, 도 3 내지 도 5에는 로봇(R)의 왼발(왼쪽 다리(R1) 및 발(17L))이 도시되어 있다.

<<로봇(R)의 발목 관절>>

여기서, 도 3 및 도 4를 참조하면, 로봇(R)의 발목 관절(15, 16)에 대해 간단히 설명한다. 로봇(R)의 발목 관절(15, 16)은 십자축(41)을 하퇴 링크(22) 및 발(17)의 제1 받침부(51)에 연결함으로써 구성되어 있다.

십자축(41)은 Y축을 회동축선으로 하는 축(41a)과, X축을 회동축선으로 하는 축(41b)을 십자 모양으로 조합한 부재이다. 축(41a)의 양단부는 하퇴 링크(22)에 의해 회동 가능하게 지지되어 있다. 또한 축(41b)의 양단부는 제1 받침부(51)에 의해 회동 가능하게 지지되어 있다. 즉, 축(41a)이 발목 관절(15)에 상당하고, 축(41b)이 발목 관절(16)에 상당한다.

또한, 하퇴 링크(22)의 대각선 뒤쪽에는 제1 로드(31) 및 제2 로드(32)가 마련되어 있다. 제1 로드(31)는 하퇴 링크(22)의 오른쪽 대각선 뒤쪽에 마련되어 있고, 십자축(36)을 통해 제1 받침부(51)에 연결되어 있다. 제2 로드(32)는 하퇴 링크(22)의 왼쪽 대각선 뒤쪽에 마련되어 있고, 십자축(37)을 통해 제1 받침부(51)와 연결되어 있다. 이들 제1 로드(31) 및 제2 로드(32)는 그 위쪽(예를 들어, 하퇴 링크(22), 대퇴 링크(21) 등)에 마련된 전동 모터의 회전에 의해 생긴 구동력이 감속기를 통해 전달됨으로써 상하 방향으로 진퇴하고, 발목 관절(15, 16)을 움직이며, 또한 소정 각도로 유지하는 구성으로 되어 있다.

예를 들어, 발(17)의 발톱 부분을 들어올리고 싶은 경우에는 제1 로드(31) 및 제2 로드(32)를 아래로 진출시키고, 발(17)의 뒤꿈치 부분을 들어올리고 싶은 경우에는 제1 로드(31) 및 제2 로드(32)를 위로 후퇴시킨다. 또한 발(17)의 좌우 어느쪽이든 들어올리고 싶은 경우에는 들어올리고 싶은 쪽의 로드를 위로 후퇴시키고, 다른 쪽 로드를 아래로 진출시킨다. 이러한 제1 로드(31) 및 제2 로드(32)의 동작은 상기한 제어 유닛(25)에 의해 제어된다.

<로봇(R)의 발(17)>

도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 로봇(R)의 발(17)은 위(발목 관절쪽)에서 차례로 제1 받침부(51)와, 6축 힘센서(52)와, 제2 받침부(53)와, 발부재(61)를 구비하고 있다. 제1 받침부(51)는 발(17)의 상부에 마련된 부재이고, 발목 관절(15, 16)과 연결되는 부재이다.

6축 힘센서(52)는 상기한 바와 같이 3방향의 바닥반력 병진력 및 3방향의 바 닥반력의 모멘트를 검출하는 장치로, 각 부품이 케이스 내에 들어 있다(유닛화). 본 실시형태에서, 제1 받침부(51)와 6축 힘센서(52)는 복수의 볼트(도시하지 않음)에 의해 고정되어 있다. 이 6축 힘센서(52)의 출력은 하네스(harness)를 통해 상기 제어 유닛(25)에 입력된다.

이 6축 힘센서(52)는 '바닥반력 검출수단'의 일 예이며, 또한 '바닥반력 검출기'의 일 예이기도 하다.

제2 받침부(53)는 6축 힘센서(52)의 아래쪽, 즉 6축 힘센서(52)와 발부재(61) 사이에 마련된 부재이고, 6축 힘센서(52)와 발부재(61)를 서로 고정하기 위한 부재이다. 본 실시형태에 있어서, 6축 힘센서(52)와 제2 받침부(53)는 복수의 볼트(도시하지 않음)에 의해 고정되며, 제2 받침부(53)와 발부재(61)는 복수의 볼트(도시하지 않음)에 의해 고정되어 있다. 이와 같이 6축 힘센서(52)와 발부재(61)를 제2 받침부(53)를 통해 고정하는 구성으로 했으므로, 발(17)의 구조의 간략화, 경량화가 달성된다. 발(17)의 각 부재의 부착구조는 상기한 것에 한정되지 않는다.

발부재(61)는, 제2 받침부(53)의 하방에 부착된 부재이며, 바닥면과 접지하는 발부의 주요부분을 구성하고 있다. 이 발부재(61)는, '발부'의 일례이다.

이 발부재(61)는 판스프링 본체(62), 제1 중간부재(63), 제1 발바닥부재(64), 제2 중간부재(65) 및 제2 발바닥부재(66)를 구비하고 있다.

판스프링 본체(62)는 휘어지면서 로봇(R)의 자중을 지지하는 부분으로, 주로 베이스부(62a)와, 베이스부(62a)에서 연장되는 스프링부(62b)로 구성된다. 본 실시형태에서 판스프링 본체(62)는 스프링부(62b)의 기초단부가 베이스부(62a)에 연결 된 형상으로 일체성형된 부재이다.

베이스부(62a)는 평판 형상을 갖고 있고, 제2 받침부(53)의 저면을 따르는 형상을 갖고 있다. 후술하는 스프링부(62b)의 기초단부가 이 베이스부(62a)에 연결되어 있고, 스프링부(62b)는 베이스부(62a)와의 연결부분을 기초단부로 한 판스프링으로 기능한다.

스프링부(62b)는 베이스부(62a)의 단부로부터 각도(θ)(도 4 참조)로 하향 연장되는 스프링 부분이다. 본 실시형태에서는 4개의 스프링부(62b1, 62b2, 62b3, 62b4)가 있고, 스프링부(62b1, 62b2)는 베이스부(62a)로부터 전방(발톱 방향)으로 연장되어 있고, 스프링부(62b3, 62b4)는 베이스부(62a)로부터 후방(발뒤꿈치 방향)으로 연장되어 있다. 이들 각 스프링부(62b1, 62b2, 62b3, 62b4)는 동일 형상, 동일 강도, 동일 성능(탄성율)으로 하는 것이 바람직하다.

상기 각도(θ)는 최대 바닥반력(Fz)이 작용했을 때 베이스부(62a)가 바닥면에 접지하지 않은 최소의 각도로 설정되어 있는 것이 바람직하다. 여기서 말하는 최대 바닥반력(Fz)은 예를 들어, 로봇(R)이 최고속도로 주행하여 한쪽 발로 접지했을 때 작용하는 반력이다. 이러한 설정에 의해, 스프링(62b)(62b1～62b4)의 탄성력에 의해 로봇(R)의 자중을 지지하면서, 베이스부(62a)가 접지하여 6축 힘센서(52)에 악영향을 주는 것을 막을 수 있다.

이 판스프링 본체(62)는 스프링부(62b)가 판스프링부로서 기능할 수 있는 소재이면 되고, 예를 들어, 금속부재(강철, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 등)로 형성되어 있을 수 있다. 특히, 섬유로 강화된 복합부재(섬유강화 플라스틱 등)로 형 성되어 있는 경우에는 원하는 강도나 강성을 얻으면서 판스프링 본체(62)의 경량화를 꾀할 수 있다. 이 때 강화용 섬유의 섬유방향을 스프링부(62b)의 기초단부로부터 선단부로 향하는 방향(길이방향)과 일치시킴으로써 스프링부(62b)의 강도를 확보할 수 있다.

또한 각 스프링부(62b)의 섬유방향을 바꿈으로써 이방성을 갖게 하고, 각 스프링부(62b)의 스프링 특성을 바꿀 수도 있다.

강화용 섬유로는 탄소섬유, 유리섬유, 유기섬유, 금속섬유 등이 바람직하다.

이 판스프링 본체(62)는 일체성형된 부재인 것이 바람직하다. 1개의 베이스부(62a)에 복수의 스프링부(62b)(본 실시형태에서는 4개)가 부착된 구성을 가진 판스프링 본체(62)를 일체성형함으로써 부품수를 더욱 삭감하고, 발의 구조의 간략화가 가능해진다.

제1 중간부재(63)는 스프링부(62b)의 저면의 접지 영역에 대응하는 부분, 즉, 하단부측(본 실시형태에서는 선단부측과 동일)에 부착된 감쇠부재로, 접지시에 생기는 스프링부(62b)의 진동을 감쇠시키는 기능을 갖고 있다. 이 중간부재(63)는 '감쇠수단'의 일 예이기도 하다. 이 제1 중간부재(63)는 감쇠기능을 구비한 소재로 형성된 것이면 되고, 예를 들어, 발포수지 등으로 형성된 것이 바람직하다. 또한 제1 중간부재(63) 대신의 감쇠수단으로, 액압을 이용한 댐퍼 장치 등을 설치하는 구성일 수도 있다. 이 댐퍼 장치는 제1 중간부재(63)와 함께 사용할 수 있다.

제1 발바닥부재(64)는 제1 중간부재(63)의 저면에 부착된 부재이고, 발부재(61)의 하단부에 위치하며, 이동시에 실제로 바닥면에 접지하는 부재이다. 이 제1 발바닥부재(64)는 바닥면과의 사이에 발생하는 마찰저항에 의해 미끄럼 방지 기능을 발휘하는 부재이다. 이 제1 발바닥부재(64)는 미끄럼 방지 기능을 구비한 소재로 형성된 것이면 되고, 예를 들어, 고무로 형성된 것이 바람직하다. 이 제1 발바닥부재(64)의 저면은 '접지 영역'이다.

제2 중간부재(65)는 스프링부(62b)의 저면의 중감부분에 부착된 감쇠부재로, 후술하는 제2 발바닥부재(66)가 접지했을 때에 생기는 스프링부(62b)의 진동을 감쇠시키는 기능을 갖고 있다. 이 제2 중간부재(65)는 제1 중간부재(63)와 마찬가지로, 감쇠기능을 구비한 소재로 형성된 것이면 되고, 예를 들어, 발포수지 등으로 형성된 것이 바람직하다.

제2 발바닥부재(66)는 제2 중간부재(65)의 저면에 부착된 부재로, 상기한 제1 발바닥부재(64)와 마찬가지로, 바닥면과의 사이에 발생하는 마찰저항에 의해 미끄럼 방지 기능을 발휘하는 부재이다. 이 제2 발바닥부재(66)는 제1 발바닥부재(64)보다도 위쪽에 위치해 있다.

본 실시형태에 있어서, 4개의 판스프링부(S1, S2, S3, S4)는 각각 스프링부(62b)로 구성되어 있다. 더욱 상세하게는 판스프링부(S1)는 스프링부(62b1)로 구성되며, 판스프링부(S2)는 스프링부(62b2)로 구성되고, 판스프링부(S3)는 스프링부(62b3)로 구성되며, 판스프링부(S4)는 스프링부(62b4)로 구성되어 있다. 그리고, 각 판스프링부(S1, S2, S3, S4)의 선단에 마련된 제1 발바닥부재(64)가 접지했을 때에는 이들 각 판스프링부(S1, S2, S3, S4)가 탄성변형하면서, 탄성변형한 상태의 각 판스프링부(S1, S2, S3, S4)에 의해 로봇(R)의 자중, 상세하게는 로봇(R)의 스 프링부(62b)보다도 상부의 구조에 의한 하중 전체를 지지하는 구성으로 되어 있다. 그 때문에, 간단한 구성이면서 로봇(R)의 자중을 지지하고, 바닥반력에 의한 충격을 흡수할 수 있다. 또한, 충격흡수기능을 높임으로써 로봇(R)의 이동(보행, 주행) 속도를 높일 수 있게 된다.

또한 고무 부쉬 등이 불필요해지며, 발(17)의 경량화가 가능해진다. 이러한 경량화에 의해 다리(R1)에 걸리는 관성력이 작아지므로, 고속 이동에 적합한 구조가 된다.

또한, 각 판스프링부(S1, S2, S3, S4) 및 베이스부(62a)는 평면에서 볼 때 H자 모양으로 배치되어 있다. 이러한 구성에 의해 접지 영역이 앞쪽 및 뒤쪽에 2곳씩 배치되며, 또한 각각 앞뒤로 연장되도록 배치된 각 판스프링부(S1, S2, S3, S4)의 스프링 특성이 전후방향의 하중 제어에 적합하므로, 이러한 발구조는 두발 이동의 제어나 앞뒤의 접지 영역에 의해 버텨서 로봇(R)의 하중 중심을 전후방향으로 이동시키는 제어에 적합하다. 또한 판스프링부(S1, S2) 및 판스프링부(S3, S4)의 각 쌍이 선단부를 향해 조금 벌어지듯이 마련되어 있으므로, 로봇(R)이 좌우로 기울어져 하중이 좌우방향으로 어긋난 경우에도 버틸 수 있다.

또한, 바닥면 형상에 요철이 있는 경우 등에는 각 판스프링부(S1～S4) 중 어느 하나가 떠 있는(접지하지 않은) 상태가 되는 것을 생각할 수 있다. 이와 같은 경우에는, 판스프링부(S1～S4)의 굽힘 스프링 특성(롤 강성, 피치 강성)이 비선형적으로 변화해 버린다. 그 때문에, 제어 유닛(25)은 6축 힘센서(52)로부터의 신호 등을 기초로 모든 판스프링부(S1～S4)가 접지하여 휘도록 목표 발 위치자세를 수정 하고, 로봇(R)이 목표 바닥반력을 발생시키는 자세를 취하도록 제어하고 있다. 이러한 목표 발 위치자세의 수정량은 6축 힘센서(52)의 검출값으로 추측한 판스프링부의 뜨는 정도는 따라 비선형연산으로 산출된다.

여기서, 로봇(R)의 발(17)을 수직 하방으로 내려 접지시키는 경우에 대해 도 6을 참조하여 설명한다. 도 6은 제1 실시형태에 따른 두발 이동 로봇의 발의 접지 상태의 예를 나타내는 모식도로, (a)는 접지 초기를 나타내는 도면이고, (b)는 로봇의 자중이 부가된 상태를 나타내는 도면이며, (c)는 (a)의 주요 부위의 확대 모식도이고, (d)는 (b)의 주요 부위의 확대 모식도이다.

우선, 도 6의 (a)에 도시한 바와 같이, 각 판스프링부(S1, S2, S3, S4)(중 S2, S4만 도시함)의 선단에 마련된 제1 발바닥부재(64)(접지 영역)가 균등하게 접지한다. 또한, 각 판스프링부(S1～S4)에 하중이 가해지면, 각 판스프링부(62b)에 바닥반력이 작용하여 스프링부(62b)가 휜다. 이 때, 스프링부(62b)의 각도가 θ'(θ'<θ)이 되고, 접지 영역의 위쪽이 되는 스프링부(62b)의 점(P2)이 접지 영역의 점(P1)에 대해 바깥쪽으로 어긋난다(도 6의 (c) 및 (d) 참조). 즉, 판스프링부(S2, S4)의 저면쪽 접지점들(P1, P1)간의 거리가 L(a)에서 L(b)로 확대된다(L(b)>L(a)). 여기서 각도(θ)가 크면 이 어긋남도 커지므로, 상기한 바와 같은 범위에서 각도(θ)를 작게 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 제1 중간부재(63)는 제1 발바닥부재(64)의 스프링부(62b)에 대한 바닥면방향의 변위도 허용하므로, 도 6의 (b)에 도시한 바와 같이, 스프링부(62b)의 휨에 따른 접지 영역의 바닥면에 대한 미끄럼을 억제할 수 있게 된다. 따라서, 이러한 미끄럼에 의한 반력 및 모멘트가 6축 힘센서 (52)에 입력되어, 로봇(R)의 자세 제어의 장해가 되는 것을 억제할 수 있다. 또한 제1 중간부재(63)의 소재나 두께를 변경함으로써 미끄럼 허용량이나 감쇠기능을 적절히 설정할 수 있다.

여기서 도 5를 참조하면, 접지 영역의 가장 먼 점까지의 거리가 최소가 되는 위치(Pa)와, 6축 힘센서의 중심(Pb)과, 발목 관절의 중심(Pc)의 관계에 대해 설명한다.

본 실시형태에서, 6축 힘센서의 중심(Pb)(여기서는 6축 힘센서(52)의 Z축 방향 감도중심과 일치한다)은 로봇(R)의 기립 정지상태에서 판스프링부(S1～S4)의 저면쪽에 마련된 접지 영역 중, 평면에서 볼 때(도 5에서는 저면에서 볼 때) 가장 먼 점까지의 거리가 최소가 되는 위치(접지 영역의 중심이라고도 함)(Pa)(이하, 단순히 '위치(Pa)'라고 기재함)의 위쪽에 마련되어 있다. 본 실시형태에서는, 각 판스프링부(S1, S2, S3, S4)의 저면의 접지 영역 각각의 가장 먼 점까지의 거리(L1, L2, L3, L4)가 같게 되어 있다.

이러한 구성에 의하면, 이동시에 6축 힘센서(52)에 작용하는 하중의 최대값을 억제할 수 있고, 6축 힘센서(52)의 소형화가 가능하다. 또한, 6축 힘센서(52)를 발(17)에 마련하고, 접지 영역에 다가감으로써 바닥반력 및 모멘트의 더 정확한 측정이 가능해진다.

접지 영역이 정다각형상으로 배치되어 있는 경우에는, 각 접지 영역에서 6축 힘센서(52)까지의 거리가 같아지도록 배치하게 된다. 또한 6축 힘센서(52)을 대신하여 적어도 1축의 바닥반력 또는 모멘트(예를 들어, Z축 방향의 바닥반력의 병진 력(Fz))를 검출하는 바닥반력 검출기를 이용하는 구성일 수도 있다.

또한 본 실시형태에서, 발목 관절의 중심(Pc)은 평면에서 볼 때 위치(Pa)에 대해 오프셋되어 있다. 여기서는 축(41a) 및 축(41b)(도 3 참조)의 교점이 발목 관절의 중심(Pc)에 상당한다. 이 발목 관절의 중심(Pc)은 위치(Pa)보다도 로봇(R)의 뒤쪽에 마련되어 있다. 이렇게 발목 관절(15, 16)이 발부재(61)의 접지 영역에 대해 뒤쪽으로 오프셋되어 있는 이유에 대해서는 후술한다.

발목 관절의 중심(Pc)은 또한 발부재(61)의 접지 영역의 안쪽(로봇(R)의 중심측)에도 오프셋되어 있는 구성일 수도 있다. 발목 관절의 중심(Pc)을 안쪽으로 오프셋시킴으로써 인접하는 발(17R, 17L)의 발부재(61) 끼리의 간섭을 막고, 또한 접지 면적을 확보하여 로봇(R)의 자세의 안정성을 유지할 수 있다.

또한 본 실시형태에서, 6축 힘센서의 중심(Pb)이 위치(Pa) 위에 마련되도록 했는데, 6축 힘센서의 중심(Pb)은 적어도 평면에서 볼 때 발목 관절의 중심(Pc)보다도 위치(Pa)에 가까워지도록 마련되어 있으면 된다. 다시 말하면, 6축 힘센서의 중심(Pb)은 평면에서 볼 때 위치(Pa)를 중심으로 하고, 위치(Pa), 발목 관절의 중심(Pc) 사이의 길이를 반경으로 하는 원(C)의 내부에 있으면 된다. 예를 들어, 위치(Pa), 발목 관절의 중심(Pc)을 연결하는 선분상에 6축 힘센서의 중심(Pb)이 위치하는 구성일 수도 있다. 이러한 구성이라도, 이동시에 6축 힘센서(52)에 작용하는 하중의 최대값을 억제할 수 있고, 6축 힘센서(52)의 소형화가 가능하다. 특히, 6축 힘센서의 중심(Pb)이 위치(Pa) 위에 있는 경우에는, 6축 힘센서(52)의 소형화라는 효과를 최대로 발휘할 수 있다.

또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 판스프링부(S1～S4)의 하단부(선단부)는 발목 관절(15, 16)에서 멀어짐에 따라 위를 향해 휘는 형상을 갖고 있고, 그 저면에 마련된 제1 발바닥부재(64)도 마찬가지 형상을 갖고 있다. 이것은 이러한 로봇(R)의 보행 제어가 발뒤꿈치 부분부터 접지하여 발톱 부분에서 차올리도록 되어 있기 때문에, 접지시 및 차올릴 때 접지하는 면적을 크게 하고, 바닥면과의 사이의 마찰력을 확보하는 것을 가능하게 하기 위함이다. 또한, 접지 영역을 면으로 확보할 수 있으므로, 로봇(R)의 자세 안정화에도 기여한다.

여기서, 로봇(R)의 전진 이동(보행)시 판스프링부(S1～S4)의 접지 상태의 변화에 대해 도 7을 참조하여 설명한다. 도 7은 제1 실시형태에 따른 두발 이동 로봇의 전진 이동(보행)시 발부의 접지 상태의 변화를 설명하는 모식도이다.

우선, 공중에 뜬 발부재(61)를 착지시키는 경우에는, 발뒤꿈치 부분의 판스프링부(S3, S4)에 마련된 제1 발바닥부재(64)(접지 영역)부터 접지시킨다(도 7의 (a)). 그리고, 모든 판스프링부(S1～S4)의 접지 영역의 전체가 접지한다(도 7의 (b)). 그리고, 발뒤꿈치 부분의 판스프링부(S3, S4)의 접지 영역을 띄워서, 발톱 부분의 판스프링부(S1, S2)의 접지 영역만큼 접지하고, 차올림으로써 모든 판스프링부(S1～S4)의 접지 영역을 띄운다(도 7의 (c)). 이러한 동작을 좌우의 다리(R1)에 수행하게 함으로써, 로봇(R)이 전진이동한다. 이와 같이 판스프링부(S1～S4)의 하단부(선단부)가 위를 향해 휘어 있으므로, 착지시(도 7의 (a))나 차올릴 때(도 7의 (c))와 같이 발(17)이 바닥면에 대해 기울어져도 접지 영역을 적절히 확보할 수 있게 된다. 이러한 휨은 로봇(R)의 진행방향에서 발목 관절(15, 16)로부터 멀어짐 에 따라 판스프링부(62b)가 위를 향해 휘도록 설정되어 있는 것이 바람직하며, 각 판스프링부의 선단부의 휨 상태는 적절히 변경할 수 있다. 또한 접지 영역의 적어도 하나가 휘어 있을 수도 있고, 접지 영역 전체가 휘어 있는 구조일 수도 있다.

계속해서, 로봇(R)이 단차가 있는 바닥면을 이동하는 경우에 대해 설명한다. 도 8은 제1 실시형태에 따른 두발 이동 로봇이 단차가 있는 바닥면을 이동하는 경우를 설명하는 모식도이다.

도 8에 도시한 바와 같이, 바닥면에 단차가 있는 장소를 이동하는 경우에는, 스프링부(62b)(62b2, 62b4를 도시함)의 제1 발바닥부재(64)가 마련되어 있지 않은 부분이 접지할 우려가 있다. 그러나, 스프링부(62b)의 중간 부분에 제2 발바닥부재(66)를 마련하고 있으므로, 이와 같은 경우라도 제2 발바닥부재(66)가 접지하고, 스프링부(62b), 즉 판스프링부가 직접 접지함에 따른 문제점(미끄럼의 발생 등)을 해소할 수 있다.

계속해서, 발목 관절(15, 16)이 발부재(61)의 접지 영역의 뒤쪽에 오프셋되어 있는 이유에 대해, 로봇(R)이 고속이동(주행)하는 경우를 예로 들어 설명한다. 도 9는 제1 실시형태에 따른 두발 이동 로봇이 고속이동하는 경우를 설명하는 모식도로, (a)는 발목 관절이 발부에 대해 뒤쪽에 오프셋되어 있는 도면이고, (b)는 발목 관절이 발부의 전후방향의 중심에 위치해 있는 도면이다. 또한, 도 9의 (b)에 있어서, 도 9의 (a)와 마찬가지의 부분에는 「'」을 부가한 부호를 이용한다.

도 9의 (a)에 도시한 바와 같이, 발목 관절(15, 16)은 발부재(61)에 대해 뒤쪽으로 오프셋(편향)되어 있다. 이런 경우에는 발목 관절(15', 16')로부터 발부재 (61)의 접지 부분의 전방선단까지의 거리(La)가 길어진다(La>La'). 로봇(R)이 고속이동(주행)하는 경우에는 무릎 관절(14)을 깊이 구부리고, 발부재(61)의 발톱 부분에 바닥반력(F)이 집중하는 상태가 발생한다. 이 때, 무릎 관절(14)에 생기는 모멘트는 F*Lb가 된다. 한편, 도 9의 (b)에 도시한 바와 같이, 발목 관절(15', 16')이 발부재(61')의 전후방향의 중심에 위치해 있는 경우에, 무릎 관절(14')에 생기는 모멘트는 F'*Lb'가 된다. 여기서, Lb<Lb'이므로, F=F'로 하면 F*Lb<F'*Lb'가 성립한다. 이것은 고속 이동시에 무릎관절(14)을 구동(굴곡)한 경우에, 발목 관절(15, 16)을 발부재(61)에 대해 무릎관절(14)의 발부재(61)에 대한 상대이동방향(본 실시형태에서는 전방)과 반대방향(본 실시형태에서는 후방)으로 오프셋시킨 경우에 성립한다. 그리고, 발목 관절(15, 16)의 발부재(61)에 대한 후방으로의 오프셋량을 크게 하면, 고속 이동시의 무릎관절(14)에 걸리는 부담을 더 억제할 수 있는 것을 의미하고 있다.

<제2 실시형태>

계속해서, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 로봇(R)의 발에 대해, 제1 실시형태와의 차이점을 중심으로 설명한다.

도 10은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 두발 이동 로봇의 발 부위를 나타내는 측면도이다. 도 10에 도시한 바와 같이, 제2 실시형태에 따른 발(117)은 6축 힘센서(52) 대신에 변형 검출 수단(152)을 구비하고 있다. 그리고, 제1 받침부(51)와 판스프링 수단(61)이 복수의 볼트(도시하지 않음)에 의해 고정되어 있다.

변형 검출 수단(152)은 판스프링부의 변형, 상세하게는 스프링부(62b)의 변 형을 검출하는 것이다. 판스프링부의 변형은 판스프링부에 입력되는 바닥반력과 상관되므로, 판스프링부의 변형량을 검출함으로써 바닥반력을 검출할 수 있다. 검출된 변형량은 하네스를 통해 제어유닛(25)에 전달되며, 로봇(R)의 자세, 이동 등의 제어에 사용된다. 이러한 변형 검출 수단(152)으로서는 각 스프링부(62b)에 부착된 1개 이상의 변형 게이지 또는 피에조 소자가 바람직하다.

이러한 변형 검출 수단(152)이 검출하는 바닥반력은 적어도 1축(예를 들어, Z축 방향의 바닥반력(Fz))이면 되고, 상기한 6축 힘센서(52)와 마찬가지로 6축인 것이 바람직하다.

이와 같이 변형 검출 수단(152)을 마련함으로써 바닥반력 검출기(52)를 생략할 수 있게 되고, 발(17)의 경량화가 더 가능해진다. 또한 판스프링부(S1～S4)의 변형을 검출함으로써 바닥면의 형상을 검지할 수 있다.

<제3 실시형태>

계속해서, 본 발명의 제3 실시형태에 따른 로봇(R)의 발에 대해, 제1 실시형태와의 차이점을 중심으로 설명한다.

도 11은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 두발 이동 로봇의 발 부위를 나타내는 측면도이다. 도 11에 도시한 바와 같이, 제3 실시형태에 따른 발(217)은 발부재(61) 대신에 다층화된 발부재(261)를 구비하고 있다.

발부재(261)는 다층화된 복수의 판스프링 본체(262, 262)와, 이들 판스프링 본체(262, 262) 사이에 설치된 점성부재(265)를 구비하고 있다. 즉, 발(217)은 위에서부터 차례로 스프링부(262b), 점성부재(265) 및 스프링부(262b)로 구성되며, 다층화된 판스프링부(S21～S24)(S22, S24만 도시함)를 구비하고 있고, 점성부재(265)에 의해 접지시 등의 판스프링부(S21～S24)의 진동을 감쇠 가능한 구성으로 되어 있다. 또한, 다층화된 판스프링 본체(262, 262) 중, 다층화된 스프링부(262b, 262b)는 '다층화된 판스프링'에 상당한다.

이 점성부재(265)는 감쇠기능을 가진 소재로 형성되어 있을 수 있으며, 예를 들어, 인접하는 판스프링 본체(262)에 부착된 고무 등이 바람직하다.

이러한 구성에 있어서는 점성부재(265)가 상기한 중간부재(63)의 기능도 구비하고 있기 때문에, 중간부재(63)를 생략할 수도 있다.

여기서는, 발부재(261) 전체를 다층화하는 구성으로 했는데, 적어도 판스프링부(S21～S24)가 다층화되어 있으면 된다.

<제4 실시형태>

계속해서, 본 발명의 제4 실시형태에 따른 로봇(R)의 발에 대해 제1 실시형태와의 차이점을 중심으로 설명한다.

도 12는 본 발명의 제4 실시형태에 따른 두발 이동 로봇의 발 부위를 나타내는 하면도이다. 도 12에 도시한 바와 같이 제4 실시형태에 따른 발(317)은 판스프링부(S1, S2) 사이 및 판스프링부(S3, S4) 사이에 각각 연결된 연결부(366, 367)를 구비하고 있다.

연결부(366)는 판스프링부(S1, S2) 사이에 연결되어 기초단부측 및 베이스부(62a)를 연결하고 있고, 양판스프링부(S1, S2)의 거동을 싱크로시키는 기능을 갖고 있다. 또한, 연결부(367)는 판스프링부(S3, S4) 사이에 연결되어 양자의 기초단부 측 및 베이스부(62a)를 연결하고 있고, 양 판스프링부(S3, S4)의 거동을 싱크로시키는 기능을 갖고 있다. 이러한 연결부(366, 367)는 베이스부(62a) 및 스프링부(62b)와 일체성형되어 있다.

이러한 구성에 의하면, 판스프링부의 롤 방향 또는 피치 방향의 강성을 조정할 수 있다. 이러한 연결부를 이용하지 않는 경우에는, 롤 강성은 피치 강성보다도 작아진다. 즉, 강성을 확보하고 싶은 임의의 2개의 판스프링부 사이에 연결부를 연결하는 구성이면 된다. 또한, 연결부는 베이스부(62a)로부터 이격되어 형성되어 있어도 된다.

또한, 일체성형된 연결부가 아니라, 별개의 연결부재를 판스프링부 사이에 연결하는 구성일 수도 있다. 연결부재로서는 소정의 강성을 가진 막대모양 또는 긴 판모양의 부재가 바람직하다. 또한, 연결부재와 각 판스프링부의 연결은 핀 등의 고정 기구에 의한 것일 수도 있다.

<판스프링부의 변형예>

본 발명의 판스프링부의 형상에 대해서는 다양한 변형예를 생각할 수 있다. 이하, 본 발명의 다리식 이동 로봇의 판스프링부의 변형예에 대해 설명한다. 도 13 및 도 14는 본 발명의 다리식 이동 로봇의 판스프링부의 변형예를 나타내는 저면도이다.

도 13의 (a)의 판스프링부(S1, S2, S3, S4)는 제1 내지 제4 실시형태에서 설명한 바와 같이, H자 모양으로 배치되어 있다. 판스프링부(S1, S2) 및 판스프링부(S3, S4)가 각각 X축으로부터 벌어지도록 마련되어 있으므로, 로봇(R)이 Y축(좌우) 방향으로 전도하려고 하는 힘에도 대항할 수 있다. 이러한 벌림 각도는 적절히 변경할 수 있다. 이들 판스프링부는 X축 및 Y축에 대해 각각 선대칭되어 있고, 이들 4개의 판스프링부(S1, S2, S3, S4)는 동일 스프링 계수, 동일 길이, 동일 형상인 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써 전진 및 후퇴 중 어느 경우에나 동일한 스프링특성을 발휘할 수 있다.

도 13의 (b)의 판스프링부(S51, S52, S53)는 Y자 모양으로 배치되어 있다. 전방에 2개의 판스프링부(S51, S52)가 마련되어 있으므로, 특히 전진 이동에 적합하다.

도 13의 (c)의 판스프링부(S54, S55, S56, S57)는 H자 모양으로 배치되어 있다. 즉, 판스프링부(S54, S56), 판스프링부(S55, S56)의 쌍이 각각 앞뒤로 연장되는 동일 직선상에 배치되며, 각 쌍이 평행하게 되어 있다. 이들 판스프링부는 X축 및 Y축에 대해 각각 선대칭되어 있고, 이들 4개의 판스프링부(S54, S55, S56, S57)는 동일 스프링계수, 동일 길이, 동일 형상인 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 전진 및 후진 중 어느 경우에나 동일한 스프링특성을 발휘할 수 있다.

도 13의 (d)의 판스프링부(S58, S59)는 I자 모양으로 배치되어 있다. 판스프링 본체의 형상이 간결하고, 가공이 쉽다.

도 14의 (a)의 판스프링부(S1, S2, S3, S4, S60, S61)는 도 13의 (a)에 도시한 것에, 다시 좌우방향으로 각각 판스프링부(S60, S61)가 배치되어 있다. 이 판스프링부(S60, S61)에 의해 좌우 방향으로의 전도에 더욱 강한 구성으로 되어 있다. 두발 이동 로봇에 적용하는 경우에는 좌우 다리(R1)에 대해 바깥쪽으로만 판스프링 부(S60) 또는 판스프링부(S61)를 구비하는 구성일 수도 있다.

도 14의 (b)의 판스프링부(S62, S63, S64, S65, S66)는 그 접지 영역이 정오각형의 꼭지점이 되도록 배치되어 있다. 예를 들어, 1개의 판스프링부가 뜬 상태라도, 나머지 4개의 판스프링부가 접지해 있으면, 이러한 4개의 판스프링부의 접지 영역으로 이뤄진 4각형 내에 로봇의 하중 중심이 남기 때문에, 쉽게 전도되지 않는 구성으로 되어 있다.

도 14의 (c)의 판스프링부(S67, S68, S69, S70)는 십자 모양으로 배치되어 있다. 도 14의 (b) 및 (c)에 도시한 구성은 세발 이상을 가지며, 방향특이성을 갖지 않는 로봇에 적합하다.

도 14의 (d)의 판스프링부(S71, S72)는 베이스부(62a)의 앞뒤에 배치되어 있다. 판스프링부(S71, S72)는 스프링부(62b)로 이뤄지며, 스프링부(62b)의 선단부 저면에는 좌우(Y축) 방향으로 연장되는 판재(67)가 부착되어 있다. 그리고, 판재(67)의 좌우 양단에는 제1 발바닥부재(64)가 부착되어 있다. 이렇게 함으로써, 하나의 판스프링부에 대해 복수의 접지 영역을 형성할 수 있다.

이들 각 형상의 판스프링부는 상기한 제1 내지 제4 실시형태의 구성과 조합할 수 있고, 또한 그 밖의 형상의 판스프링부일 수도 있다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 적절히 설계변경할 수 있다. 예를 들어, 로봇(R)은 도시한 두발 이동 로봇에 한정되지 않고, 1개의 다리만을 구비한 다리식 이동 로봇 또는 3개 이상의 다리를 구비한 다리식 이동 로봇일 수도 있다.

또한, 다리식 이동 로봇의 이동 방식도 보행에 한정되지 않고, 스킵, 주행, 뜀뛰기 등에 의한 이동일 수도 있다.

또한 발목 관절 및 그 구동 구조도 상기한 것으로 한정되지 않는다.

또한, 상퇴 링크(21), 하퇴 링크(22), 제1 받침부(51), 제2 받침부(53) 등의 재료도 적절히 변경할 수 있고, 이들 각 부재는 예를 들어, 소정의 강도를 가진 합금(티타늄 합금, 마그네슘 합금 등)으로 이뤄진 것일 수도 있다.

또한, 제1 중간부재(63) 및 제2 중간부재(65)를 일체화한 중간부재에 제1 발바닥부재(64) 및 제2 발바닥부재(66)를 일체화한 발바닥부재로 각각 치환할 수도 있다.

또한, 판스프링부의 저면쪽에 각종 중간부재 및 발바닥부재를 구비하는 구성으로 했는데, 판스프링부의 진동이나 미끄럼의 영향이 작은 바닥면에서 사용하는 경우 등에는 중간부재 및 발바닥부재를 생략할 수도 있다.

또한 제1 받침부(51), 제2 받침부(53)의 형상도 적절히 변경할 수 있고, 이들을 6축 힘센서(52)의 케이스와 일체로 하는 것도 가능하다. 또한, 판스프링부가 부착되는 베이스부의 형상도 변경가능하며, 판스프링부를 제2 받침부(53)나 6축 힘센서(52)의 케이스에 직접 부착하는 구성일 수도 있다. 이러한 경우에는 제2 받침부(53)나 6축 힘센서(52)가 베이스부가 된다.

또한 판스프링부의 수, 형상도 적절히 변경할 수 있고, 복수의 판스프링을 조합하여 하나의 판스프링부를 구성하는 것도 가능하다.

또한, 판스프링부의 위쪽에 판스프링부가 소정량 이상 변형하는 것을 막는 판스프링부 변형규제부를 구비하는 구성일 수도 있다. 이러한 판스프링부 변형규제수단으로는 예를 들어, 판스프링부의 위쪽에 이격하여 마련되는 플랜지부와, 이 플랜지부의 저면에 마련된 돌기를 구비하고, 판스프링부가 소정량 변형된 경우에 판스프링부부가 돌기에 접촉하여 더 이상의 변형을 규제하는 구성을 들 수 있다. 이렇게 함으로써, 어느 판스프링부에 지나친 바닥반력이 입력되는 경우에도, 판스프링부의 변형량을 규제하고, 판스프링부의 파손을 막을 수 있다.

또한, 발목관절의 중심(Pc)의 위치(Pa)에 대한 오프셋의 방향, 거리도 적절히 설계변경 가능하며, 발목관절의 중심(Pc)이 위치(Pa) 위에 위치할 수도 있다.

본 발명에 따른 다리식 이동 로봇은 발부에 휘어지면서 자중을 지지하는 판스프링부를 구비하므로, 발부의 구조가 간단하고, 착지시 충격을 흡수할 수 있다.

Claims

상체(R2)와, 각각 상기 상체에 제1 관절(12, 13)을 통해 연결된 복수의 다리(R1)와, 각각 상기 다리의 단부에 제2 관절(15, 16)을 통해 연결된 복수개의 발(17, 117, 217, 317)을 구비하며, 상기 복수개의 발 중 하나의 발은, 제1 받침부(51)와, 바닥면에 접지하는 복수의 접지 영역을 하단부에 가진 발부(61, 261)를 구비하는 다리식 이동 로봇에 있어서,

상기 발부는:

상기 제2 관절과 상기 발부 사이에 마련되며, 상기 제1 받침부와의 사이에 센서가 설치된 제2 받침부(53)의 저면을 따르는 형상을 가지는 베이스부(62a); 및

상기 베이스부로부터 아래쪽으로 연장되며, 상기 복수의 접지 영역이 상기 베이스부 및 상기 제2 받침부의 앞쪽 및 뒤쪽에 형성되어, 접지시에 휘면서 다리식 이동 로봇의 자중을 지지하는 복수의 판스프링부(S1~S4, S21~S24, S51~S72);를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제 1 항에 있어서,

상기 발부는 복수의 상기 접지 영역을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제 2 항에 있어서,

복수의 상기 접지 영역은 상기 제2 관절에 대해 앞뒤로 나뉘어 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제 3 항에 있어서,

상기 접지 영역의 적어도 하나는 상기 제2 관절로부터 멀어짐에 따라 위를 향해 휘어져 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 발부는 상기 접지 영역으로서, 접지시에 상기 바닥면과의 사이에서 마찰저항을 발생시키는 제1 발바닥부재(64)를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제 5 항에 있어서,

상기 판스프링부와 상기 제1 발바닥부재 사이에, 상기 제1 발바닥부재의 접지시에 상기 판스프링부의 진동을 감쇠시키는 제1 중간부재(63)를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제 6 항에 있어서,

상기 제1 중간부재는, 상기 제1 발바닥부재의 접지시에 상기 제1 발바닥부재의 상기 판스프링부에 대한 바닥면방향의 변위를 허용하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제 5 항에 있어서,

상기 발부는, 상기 제1 발바닥부재보다도 위쪽에, 접지시에 상기 바닥면과의 사이에서 마찰저항을 발생시키는 제2 발바닥부재(66)를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제 8 항에 있어서,

상기 판스프링부와 상기 제2 발바닥부재 사이에, 상기 제2 발바닥부재의 접지시에 상기 판스프링부의 진동을 감쇠시키는 제2 중간부재(65)를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제 9 항에 있어서,

상기 제2 중간부재는 상기 제2 발바닥부재의 접지시에 상기 제2 발바닥부재의 상기 판스프링부에 대한 바닥면 방향의 변위를 허용하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
삭제
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 판스프링부를 4개 구비하고, 그 중 2개의 상기 판스프링부는 상기 베이스부로부터 전방으로 연장되며, 또한 나머지 2개의 상기 판스프링부는 상기 베이스부로부터 후방으로 연장되어 있으며, 4개의 상기 판스프링부 및 상기 베이스부가 H자 모양을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 판스프링부는 섬유로 강화된 복합부재로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

사기 판스프링부는 탄성율이 다른 복수의 층으로 이뤄진 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 판스프링부는 다층화된 판스프링(262b, 262b)과, 상기 판스프링 사이에 설치된 점성부재(265)로 구성되는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 판스프링부의 진동을 감쇠시키는 감쇠수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 판스프링부가 복수이고, 2개의 상기 판스프링부를 연결시키는 연결부(366, 367)를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 발은 상기 발부를 통해 상기 바닥면에서 작용하는 바닥반력을 검출하는 바닥반력 검출수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제 18 항에 있어서,

상기 바닥반력 검출수단은 유닛화된 바닥반력 검출기인 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제 19 항에 있어서,

상기 발부는 상기 바닥반력 검출기에 대해 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제 19 항에 있어서,

상기 발부는 복수의 상기 접지 영역을 구비하고 있으며,

상기 제1 관절의 중심은 평면에서 볼 때 복수의 상기 접지영역의 가장 먼 점까지의 거리가 최소가 되는 위치에 대해 오프셋되어 있으며,

상기 바닥반력 검출기의 중심은 상기 제2 관절의 중심보다도 평면에서 볼 때 복수의 상기 접지 영역의 가장 먼 점까지의 거리가 최소가 되는 위치에 가까워지도록 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제 19 항에 있어서,

상기 발부는 복수의 상기 접지 영역을 구비하고 있으며,

상기 바닥반력 검출기는 평면에서 볼 때 복수의 상기 접지 영역의 가장 먼 점까지의 거리가 최소가 되는 위치에 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제 18 항에 있어서,

상기 바닥반력 검출수단은 상기 판스프링부의 변형을 검출하는 변형 검출수단인 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제 8 항에 있어서,

상기 판스프링부의 진동을 감쇠시키는 감쇠수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제 8 항에 있어서,

상기 발은 상기 발부를 통해 상기 바닥면에서부터 작용하는 바닥반력을 검출하는 바닥반력 검출수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.