KR101206606B1 - 가사 도우미 로봇 매니퓰레이터 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 가사 도우미 매니퓰레이터는 복수의 주행 바퀴를 구비하는 베이스와, 복수의 로봇 관절부로 이루어져 물체를 파지하도록 구성되는 로봇암과, 상기 베이스의 상부에 지지되고, 상기 로봇암과 연결되어 상기 로봇암을 상하로 이동가능하도록 하는 리프트, 및 상기 리프트에 연결 및 지지되며, 상기 로봇암의 일단과 연결되어 상기 로봇암을 전진 방향으로 이동가능하도록 동작하는 링크부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 함으로써, 로봇암의 관절수를 줄임으로써 매니퓰레이터의 가격과 무게를 줄일 수 있다. 또한, 물체의 파지 후 이동시 로봇암을 안쪽으로 접은 채 이동가능하도록 함으로써 이동시 로봇암의 부하를 줄일 수 있다. 그리고, 로봇암과 연결되는 링크부의 구조를 이용하여 로봇암의 파지력과 파지 범위를 향상시킬 수 있다.

Description

가사 도우미 로봇 매니퓰레이터{Housemaid Robot Manipulators}

본 발명은 실내를 주행하면서 물체를 정리 정돈하는 가사 도우미 로봇 매니퓰레이터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가사 도우미 로봇의 팔에 불필요한 자유도를 제거함으로써 로봇 팔의 경량화를 도모하고 역할 수행에 있어 로봇 팔에 걸리는 부하를 최소화하며, 바닥에 있는 다양한 물체들도 적절하게 파지할 수 있는 가사 도우미 로봇 매니퓰레이터에 관한 것이다.

종래에 진공을 이용하여 바닥을 청소하는 기능에 국한되었던 로봇의 활용 범위를 넓혀 집기류, 서적류, 신문류, 가전 제품류, 의류, 제화류 등의 물체를 파지하여 본래 할당된 구역으로 옮긴 후 정리 정돈하는 로봇이 본 발명자 등에 의해 제안된 대한민국 등록특허공보 제10-0711559호, 특허출원 제10-2009-29261호, 특허출원 제10-2010-0034154호 등에 개시되어 있다.

상기 공보 등에 개시된 종래의 가사 도우미 로봇은, 도 1에 도시된 바와 같이, 주행바퀴가 달린 베이스(1) 상에 몸체(2)를 구비하고, 몸체(2)에는 복수의 관절과 핸드를 가지는 로봇 암(robot arm, 3)이 장착되며, 몸체(2)에는 신장을 변화시킬 수 있는 리프트 시스템(4)과 물체의 위치를 센싱하는 각종의 센서(5)(예: 초음파 센서)를 구비하는 한편, RFID(Radio Frequency Identification) 태그를 판독할 수 있는 RF 리더 기능을 갖추고 있다.

이러한 가사 도우미 로봇을 이용하는 시스템은, 특히 실내를 여러 개의 블록으로 구획하고, 복수의 블록마다 고유한 좌표 정보를 갖는 좌표정보-RFID 태그를 부착하며, 각각의 물체에는 해당 물체의 고유 위치에 대한 좌표 정보 및 각 물체의 특징 등에 관한 물품 정보가 입력된 물체정보-RFID 태그가 부착되어, 탐색 주행시 로봇이 물체를 발견하면, 해당 물체의 특징과 위치 정보를 파악하고 물체를 파지하여, 해당 물체 고유의 위치에 해당하는 블록으로 옮겨 정리하도록 되어 있다.

이와 같이, 종래의 가사 도우미 로봇 시스템은, 기존에 바닥 청소만을 행하던 로봇에 비해 로봇이 물체를 인식하고 파지하여 정리 정돈하는 새로운 기능을 수행함으로써 일상생활에 편리함을 주는 매우 유용한 것이다.

그렇다고 하더라도, 이러한 기존의 가사 도우미 로봇은 사람과 같은 6 자유도를 지닌 팔이 사용되어지고 있는데 이 시스템은 팔의 무게, 가격, 동작 형태 등 여러 가지 부분에서 최적화를 필요로 한다.

인간의 팔과 손에 의하여 가사노동이 이루어지듯이, 가사도우미 로봇의 경우에도 로봇암과 핸드(매니퓰레이터)가 가사 노동을 수행하게 된다. 그러므로 가사 도우미 로봇에서 매니퓰레이터의 최적화 설계는 특별히 중요할 것이다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기존의 가사 도우미 로봇의 팔의 6자유도에서 실제적인 가사 정리 및 업무 수행을 그대로 할 수 있으면서 더 적은 자유도와 새로운 로봇 팔의 아이디어를 이용하여 가사 로봇 시스템의 활용 범위를 넓히고 효율성을 극대화 할 수 있도록 하는 가사 도우미 팔을 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 가사 도우미 매니퓰레이터는, 복수의 주행 바퀴를 구비하는 베이스와, 복수의 로봇 관절부로 이루어져 물체를 파지하도록 구성되는 로봇암과, 상기 베이스의 상부에 지지되고, 상기 로봇암과 연결되어 상기 로봇암을 상하로 이동가능하도록 하는 리프트, 및 상기 리프트에 연결 및 지지되며, 상기 로봇암의 일단과 연결되어 상기 로봇암을 전진 방향으로 이동가능하도록 동작하는 링크부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 로봇 관절부는 상기 링크부와 회전가능하게 연결되는 어깨부, 상기 어깨부와 회전가능하게 연결되는 팔꿈치부, 상기 팔꿈치부와 회전가능하게 연결되는 손목부, 및 상기 손목부와 회전가능하게 연결되고 물체를 파지하는 파지부로 구성되며, 상기 로봇암은 물체를 파지한 후 상기 어깨부와 상기 팔꿈치부가 서로 겹친 채로 이동가능한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 가사 도우미 매니퓰레이터는, 상기 베이스, 로봇암, 리프트 및 링크부를 전반적으로 제어하고 구동하는 제어부와 구동부, 및 상기 베이스가 이동하면서 물체의 위치를 감지하는 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

이러한 본 발명에 따르면, 로봇암의 관절수 및 액츄에이터 수를 줄임으로써 매니퓰레이터의 가격을 내릴 수 있고, 무게를 줄일 수 있다. 또한, 물체의 파지 후 이동시 로봇암을 안쪽으로 접은 채 이동가능하도록 함으로써 이동시 로봇암의 부하를 줄일 수 있다. 그리고, 로봇암과 연결되는 링크부의 구조를 이용하여 로봇암의 파지력 또한 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 로봇의 외형을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 가사 도우미 매니퓰레이터에 의해 물체를 파지하는 동작을 설명하기 위한 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 로봇암이 접힌 상태를 개략적으로 나타내는 정면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 로봇암이 펴진 상태를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 5a 내지 5c는 본 발명에 따른 가사 도우미 매니퓰레이터의 로봇암이 접힌 상태를 개략적으로 나타내는 사시도들이다.
도 6는 본 발명에 따른 로봇암의 펴진 상태에서 물체를 파지하는 동작을 설명하기 위한 평면도이다.

이하, 도면들을 참조하여, 본 발명에 따른 가사 도우미 매니퓰레이터의 구조에 관하여 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 2는 본 발명에 따른 가사 도우미 매니퓰레이터에 의해 물체를 파지하는 동작을 설명하기 위한 사시도이다.

도 2를 참조하면, 가사 도우미 매니퓰레이터는 베이스(10), 로봇암(20), 리프트(30), 및 링크부(40)를 포함한다. 상기 베이스(10)는 판형태를 갖고, 하부에 복수의 주행 바퀴(12)를 구비한다. 상기 로봇암(20)은 상기 베이스(10)의 상부에 배치되며 복수의 로봇 관절부로 이루어져 물체를 파지하도록 구성된다. 상기 리프트(30)는 상기 베이스(10)의 상부면에 지지되고, 상하로 이동가능하고 상기 로봇암(20)과 연결되어 상기 로봇암(20)을 상하로 이동가능하도록 한다. 상기 링크부(40)는 상기 리프트(30)의 상부면에 연결 및 지지되며, 상기 로봇암(20)의 일단과 양측에서 연결된다. 상기 링크부(40)는 상기 로봇암(20)을 전진 방향으로 이동가능하도록 동작하여 상기 로봇암(20)을 앞으로 내밀어줄 수 있도록 한다.

상기 로봇암(20)의 복수의 로봇 관절부는 어깨부(22), 팔꿈치부(24), 손목부(26), 및 파지부(28)로 구성될 수 있다. 상기 어깨부(22)는 상기 리프트(30)의 상부에 회전가능하게 연결되고, 상기 팔꿈치부(24)는 상기 어깨부(22)와 회전가능하게 연결되며, 상기 손목부(26)는 상기 팔꿈치부(24)와 회전가능하게 연결된다. 상기 파지부(28)는 상기 손목부(26)와 회전가능하게 연결되고 물체를 파지할 수 있다. 상기 손목부(26)는 상기 팔꿈치부(24)에 대해 안쪽으로 소정 각도 꺾일 수 있고, 상기 팔꿈치부(24)는 상하 방향으로 회전가능하도록 어깨부(22)에 연결되고 상방향으로 접혀 상기 팔꿈치부(24)와 어깨부(22)가 겹치게 될 수도 있다. 상기 어깨부(22)는 상기 링크부(40)와 상하 방향으로 회전가능하도록 연결된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 로봇암(20)은 손목부(26)에 연결되는 집게 형태의 파지부(28)를 구비하고 있고, 물체를 파지하기 위해 상기 링크부(40)가 전진 방향으로 이동가능하여 상기 로봇암(20)을 앞으로 내밀어주고 안쪽으로 양 로봇암(20)이 가까워지도록 동작되어 로봇 관절부의 최소한의 동작만으로 물체를 안정적으로 파지할 수 있게 된다.

한편, 도시되지는 않았지만, 상기 베이스(10)는 상기 주행 바퀴(12)의 구동을 위해 동력을 제공하는 바퀴 구동모터를 포함할 수 있다. 또한, 상기 리프트(30)는 상하 방향으로 구비되는 레일, 상기 리프트(30)를 구동하는 리프트 구동모터를 포함할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 로봇암이 접힌 상태를 개략적으로 나타내는 정면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 로봇암이 펴진 상태를 개략적으로 나타내는 측면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 물체를 파지하기 전 또는 물체를 파지하고 난 후 로봇 매니퓰레이터의 이동시에 상기 로봇 관절부의 팔꿈치부(24)는 어깨부(22) 쪽으로 완전히 접힌 상태가 될 수 있다. 이 때 로봇암(20)에 가해지는 하중 부담이 많이 줄어들게 된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 물체를 파지할 때, 상기 로봇 관절부의 팔꿈치부(24)는 어깨부(22)에 대하여 약 90°로 꺾인 형태로 전방을 향해 내밀고 있는 상태가 될 수 있다. 물체의 형상에 따라 손목부(26)는 소정 각도 회전될 수 있으며 파지부(28)는 벌어져 있는 상태가 된다. 상기 로봇암(20)의 펴진 상태로 상기 링크부(40)가 전진 방향으로 내밀어지면, 양쪽에 구비되는 로봇암(20)이 앞쪽으로 내밀어지면서 가까워지고 이러한 상태로 물체를 안정적으로 파지하게 된다. 상기 양 로봇암(20)이 물체를 파지한 후, 팔꿈치부(24)가 어깨부(22)를 향해 접혀져 도 3과 같은 형태로 되고 로봇암(20)에 가해지는 하중 부담을 줄인 상태에서 로봇 매니퓰레이터가 이동할 수 있다.

도 5a 내지 5c는 본 발명에 따른 가사 도우미 매니퓰레이터의 로봇암이 접힌 상태를 개략적으로 나타내는 사시도들이다.

도 5a 내지 5c에 도시된 바와 같이, 매니퓰레이터의 로봇암(20)은 로봇 관절부의 팔꿈치부(24)가 어깨부(22)에 회전가능하도록 연결되어 있어서 팔꿈치부(24)가 어깨부(22)를 향해 완전히 접힌 상태에서 손목부(26)가 팔꿈치부(24)에 대해 직각인 상태로 파지부(28)가 서로 마주보는 형태가 된다. 도 4에 도시한 바와 같이, 파지할 물체에 가까이 다가가서 팔꿈치부(24)가 펴지고 손목부(26)가 회전하며, 집게 형상의 파지부(28)가 물체에 맞는 간격으로 벌어져 물체를 파지하게 된다. 즉, 상기 로봇암(20)은 물체를 파지한 후 팔꿈치부(24)가 어깨부(22)를 향해 안쪽으로 접은 채 이동가능한데, 파지된 물체가 큰 경우 완전히 접힌 상태가 되지 않을 수도 있다.

한편, 본 발명에 따른 가사 도우미 매니퓰레이터는 제어부와 구동부, 및 센서를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부는 상기 베이스(10), 로봇암(20), 리프트(30) 및 링크부(40)를 전반적으로 제어하고, 구동부는 상기 제어부로부터 제어신호를 입력받아 상기 베이스(10)의 주행 바퀴(12), 로봇 관절부, 리프트(30) 및 링크부(40)를 이동할 수 있도록 구동시킨다. 상기 센서는 로봇암(20)에 부착될 수 있고 상기 가사 도우미 매니퓰레이터가 주행 중에 장애물의 존재 여부를 판단하고 감지된 센서 신호를 상기 제어부로 전달하고 상기 제어부에서는 구동 제어신호를 바퀴 구동모터로 전달한다. 상기 구동 제어신호는 바퀴 구동모터를 제어할 수 있다. 한편, 상기 센서는 초음파 센서 또는 적외선 센서일 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 로봇암의 펴진 상태에서 물체를 파지하는 동작을 설명하기 위한 평면도이다.

도 6을 살펴보면, 링크부(40)는 리프트(30)에 연결 및 지지되며, 상기 로봇암(20)의 일단과 연결되어 전진 방향으로 이동가능하도록 동작하여 물체를 파지할 때 상기 로봇암(20)을 앞으로 내밀어줄 수 있도록 한다. 물체를 파지하기 전에는 로봇암(20)은 전방을 향해 팔꿈치부(24)가 펴진 상태에서 손목부(26)가 중심을 향하고 파지부(28)가 소정각도 벌어진 상태이다. 물체를 파지할 때는 링크부(40)가 제어 신호에 의해 전방을 향해 내밀어지게 된다. 상기 링크부(40)는 바(bar)로 연결되어 있으며 동작 전에는 직사각형의 형태이다. 상기 링크부(40)가 전방을 향해 내밀어지면 상기 링크부(40)는 평행사변형의 형태로 변형되고, 상기 로봇암(20)은 파지부(28) 쪽의 양 간격이 어깨부(22)의 양 간격보다 좁아지게 되는 형태가 되어, 물체를 양 로봇암(20)이 더 안정적으로 파지할 수 있다. 또한, 로봇암(20)의 상기와 같은 변형으로 인해 파지부(28)에 악력을 더 실어주는 효과를 주어 파지력을 높여준다.

상기 로봇암의 어깨부(22)는 상기 링크부(40)에 회전가능하게 연결되어 있고, 상기 팔꿈치부(24) 및 손목부(26)도 회전가능하도록 연결되어 있어서, 파지하고자 하는 물체의 높이, 위치에 따라 제어 신호에 의해 제어되어 적절한 각도로 로봇암(20)이 위치하게 된다. 상기 도 6은 양쪽 어깨부(22)가 동시에 움직여져 물체를 파지하는 상태를 나타내지만, 상기 어깨부(22)가 각각 개별적으로 움직이도록 제어될 수도 있다.

이러한 최적화 설계된 가사 도우미 매니퓰레이터에 의해, 매니퓰레이터의 가격 및 무게를 감소시킬 수 있고, 물체 파지 후 이동시 로봇암의 부하를 줄여 줄 수 있다. 또한, 링크부의 동작 구조에 의해 로봇암의 파지력을 향상시킬 수 있게 된다.

이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 베이스 12: 주행 바퀴
20: 로봇암 22: 어깨부
24: 팔꿈치부 26: 손목부
28: 파지부 30: 리프트
40: 링크부

Claims (3)

1. 복수의 주행 바퀴를 구비하는 베이스;
   복수의 로봇 관절부로 이루어져 물체를 파지하도록 구성되는 로봇암;
   상기 베이스의 상부에 지지되고, 상기 로봇암과 연결되어 상기 로봇암을 상하로 이동가능하도록 하는 리프트; 및
   상기 리프트에 연결 및 지지되며, 상기 로봇암의 일단과 연결되어 상기 물체의 파지 시 상기 로봇암을 전진 방향으로 이동시키도록 동작하는 링크부;
   상기 베이스, 로봇암, 리프트 및 링크부를 전반적으로 제어하고 구동하는 제어부와 구동부; 및
   상기 베이스가 이동하면서 상기 물체의 위치를 감지하는 센서;를 포함하며,
   상기 로봇 관절부는 상기 링크부와 회전가능하게 연결되는 어깨부, 상기 어깨부와 상하로 회전가능하게 연결되는 팔꿈치부, 상기 팔꿈치부와 회전가능하게 연결되는 손목부 및 상기 손목부와 회전가능하게 연결되고 물체를 파지하는 파지부로 구성되고,
   상기 팔꿈치부는 상기 물체를 파지할 때 하방으로 회전하여 상기 어깨부와 수직이 되도록 배치되며, 상기 물체를 파지하기 전 또는 후에 상기 베이스가 이동할 때 상방으로 회전하여 상기 어깨부와 겹치도록 배치되는 것을 특징으로 하는 가사 도우미 매니퓰레이터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 센서는 상기 물체를 감지한 센서 신호를 상기 제어부로 전달하고, 상기 제어부는 구동 제어신호를 상기 구동부로 전달하며, 상기 구동부는 상기 주행 바퀴를 제어하여 상기 베이스를 이동시키는 것을 특징으로 하는 가사 도우미 매니퓰레이터.
3. 제1항에 있어서,
   상기 링크부는 복수의 바(bar)로 구성되며, 상기 로봇암이 전진 배치되지 않은 경우 상기 복수의 바는 직사각형 형태를 가지고, 상기 로봇암이 전진 배치된 경우 상기 복수의 바는 평행사변형의 형태로 변형되는 것을 특징으로 하는 가사 도우미 매니퓰레이터.

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