KR101215424B1

KR101215424B1 - 다리식 이동 로봇

Info

Publication number: KR101215424B1
Application number: KR1020067006903A
Authority: KR
Inventors: 도루 다케나카; 게이죠 마츠모토; 히로시 고미; 가즈시 하마야
Original assignee: 혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2004-09-03
Filing date: 2006-04-10
Publication date: 2012-12-26
Also published as: US7904200B2; CN100418708C; EP1702725A4; KR20070046776A; EP1702725B1; CN1860001A; EP1702725A1; US20080245584A1; JP2006068872A; WO2006027902A1

Abstract

발부분(17R, 17L)에 설치되는 상반력 검출기의 소형화?경량화가 가능한 다리식 이동 로봇(R)을 제공한다. 6축력 센서(52)의 중심(Pb)은 로봇(R)의 기립 정지 상태에서 평면에서 볼 때, 판 스프링부(S1～S4)의 저면측에 설치된 접지 영역 중에서 가장 먼 점까지의 거리가 최소가 되는 위치(Pa) 상에 설치되어 있고, 평면에서 볼 때 6축력 센서(52)의 중심(Pb)으로부터 각 판 스프링부(S1, S2, S3, S4)의 저면의 접지 영역 각각의 가장 먼 점까지의 거리(Ll, L2, L3, L4)가 같아지도록 되어 있다. 그리고 발목 관절의 중심(Pc)은 평면에서 볼 때, 위치(Pa)에 대해서 후측으로 오프셋되어 있다.

Description

다리식 이동 로봇{Leg type mobile robot}

본 발명은 다리식 이동 로봇에 관한 것이다.

다리식 이동 로봇, 특히 다리식 이동 로봇의 발부분 구조에 관한 기술로서, 예를 들면, 특개 2003-71776호 공보에 기재된 기술이 알려져 있다. 이 특개 2003-71776호 공보에 기재된 다리식 보행 로봇의 발부분은 다리부의 단부에 발목 관절을 통해 연결되어 있고, 위에서 순서대로 상반력(床反力)을 검출하는 6축력 센서(상반력 검출기)와, 충격 흡수 기능을 갖는 고무 부쉬를 구비한 스프링 기구체와, 발바닥 플레임과, 발바닥 플레이트와, 밑창으로 구성된다.

발목 관절의 중심은 노면에 접지하는 발부분의 저면, 즉 접지 영역에 대해서 후측이면서 내측으로 오프셋(바이어스)되어 있다. 그리고, 상반력 검출기는 그 중심(여기서는, Z축 감도 중심선과 일치함)이 평면에서 볼 때, 발목 관절의 중심과 같은 위치가 되도록 설치되고, 접지 영역으로부터 입력되는 상반력을 스프링 기구체를 통해서 검출한다.

이와 같이 상반력 검출기를 접지 영역에 가까운 발부분에 설치함으로써 상반력의 검출 정밀도를 높이면서, 스프링 기구체에 의해 착지시 충격의 영향을 저감시킬 수 있는 구성으로 되고 있다.

하지만, 상기한 다리식 보행 로봇에서는 이동 속도(보행, 주행)를 높이는 것이 요구되고 있다. 다리식 보행 로봇이 고속으로 이동할 때 다리부에 큰 관성력이 발생한다. 이러한 관성력을 감소시키기 위해서, 다리부의 말단측, 즉 발부분의 경량화가 요구되고 있다. 특히, 발부분에 설치되는 상반력 검출기의 소형화?경량화가 요구되고 있다.

본 발명은, 상기 배경을 감안하여 이루어진 것으로, 발부분에 설치되는 상반력 검출기의 소형화?경량화가 가능한 다리식 이동 로봇을 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명의 다리식 이동 로봇은 상체와, 상기 상체에 제1 관절을 통해서 연결된 다리부와, 상기 다리부의 단부에 제2 관절을 통해서 연결된 발부분을 구비한 다리식 이동 로봇으로서, 상기 발부분은 노면에 접지하는 접지 영역을 하단부에 갖는 발바닥부와, 상기 발바닥부를 통해서 상기 노면으로부터 작용하는 상반력을 검출하는 상반력 검출기를 구비하고, 상기 제2 관절의 중심(Pc)은 평면에서 볼 때, 상기 하나 또는 복수의 접지 영역 중에서 가장 먼 점까지의 거리가 최소가 되는 위치(Pa)에 대해서 오프셋되어 있으며, 상기 상반력 검출기의 중심(Pb)은 상기 제2 관절의 중심(Pc)보다 평면에서 볼 때 상기 위치(Pa)에 가까워지도록 설치되어 있다.

이 위치(Pa)는 하나 또는 복수의 접지 영역의 최소 외접원의 중심이라고 바꿔 말할 수도 있다. 이와 같이 함으로써, 상반력 검출기의 중심(Pb)을 평면에서 볼 때 제2 관절의 중심(Pc)과 같은 위치에 설치한 경우보다, 상반력 검출기에 입력되는 상반력의 크기를 억제할 수 있다.

본 발명에 의하면, 발부분에 설치된 상반력 검출기의 소형화?경량화가 가능해져, 고속 이동에 적합한 다리식 이동 로봇을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 2족 이동 로봇을 나타내는 측면도이고,

도 2는 도 1의 다리부의 관절 구조를 나타내는 모식도이고,

도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 2족 이동 로봇의 발부분을 나타내는 정면도이고,

도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 2족 이동 로봇의 발부분을 나타내는 측면도이고,

도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 2족 이동 로봇의 발부분을 나타내는 저면도이고,

도 6은 본 발명의 실시형태에 따른 2족 이동 로봇이 고속 이동하는 경우를 설명하는 모식도이고,

도 7은 본 발명의 변형예에 따른 2족 이동 로봇의 발부분 및 발목 관절을 나타내는 모식 측면도이고,

도 8은 본 발명의 변형예에 따른 2족 이동 로봇의 접지 영역, 발목 관절 및 6축력 센서의 위치 관계를 설명하는 모식 평면도이고,

도 9는 본 발명의 변형예에 따른 2족 이동 로봇의 접지 영역, 발목 관절 및 6축력 센서의 위치 관계를 설명하는 모식 평면도이고,

도 10은 본 발명의 변형예에 따른 2족 이동 로봇의 접지 영역, 발목 관절 및 6축력 센서의 위치 관계를 설명하는 모식 평면도이고,

도 11은 본 발명의 변형예에 따른 2족 이동 로봇의 접지 영역, 발목 관절 및 6축력 센서의 위치 관계를 설명하는 모식 평면도이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해서, 본 발명의 다리식 이동 로봇의 구성을 자율 이동 가능한 2족 이동 로봇에 적용한 경우를 예로 들어, 적당히 도면을 참조하면서 설명하기로 한다. 같은 부분에는 같은 부호를 붙여 중복되는 설명을 생략하기로 한다. 또한, 위치, 방향 등에 관한 표현은 2족 이동 로봇의 전후 방향으로 X축, 좌우 방향으로 Y축, 상하 방향으로 Z축을 취하고, 2족 이동 로봇이 기립 자세를 취한 상태를 기준으로 하여 설명한다.

<2족 이동 로봇(R)>

먼저, 본 발명의 2족 이동 로봇에 대해서 도 1을 참조하여 설명하기로 한다. 도 1은, 본 발명에 따른 2족 이동 로봇을 나타내는 측면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 2족 이동 로봇(이하, 「로봇」이라고도 함)(R)은 사람과 마찬가지로 2개의 다리부(Rl)(1개만 도시)에 의해 기립, 이동(보행, 주행 등)하고, 상체(R2), 2개의 팔부(R3)(1개만 도시) 및 머리부(R4)를 가지며, 자율적으로 이동하는 로봇이다. 그리고, 로봇(R)은 이들 다리부(R1), 상체(R2), 팔부(R3) 및 머리부(R4)의 동작을 제어하는 제어 장치 탑재부(R5)를 짊어지는 형태로 등(상 체(R2)의 후방)에 가지고 있다.

<다리부(R1)의 관절 구조>

이어서, 로봇(R)의 다리부(R1)의 관절 구조에 대해서 도 2를 참조하여 설명하기로 한다. 도 2는 도 1의 다리부의 관절 구조를 나타내는 모식도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 로봇(R)은 좌우 각각의 다리부(R1)에 6개의 관절(11R(L)～16R(L))을 구비하고 있다. 좌우 12개의 관절은 가랑이부에 설치된 다리 회선용(Z축 주위)의 고관절(11R, 11L)(우측을 R, 좌측을 L이라고 함. 이하 동일), 가랑이부의 롤축(X축) 주위의 고관절(12R, 12L), 가랑이부의 피치축(Y축) 주위의 고관절(13R, 13L), 무릎부의 피치축(Y축) 주위의 무릎 관절(14R, 14L), 발목의 피치축(Y축) 주위의 발목 관절(15R, 15L) 및 발목의 롤축(X축) 주위의 발목 관절(16R, 16L)로 구성되어 있다. 그리고, 다리부(R1)의 아래에는 발부분(17R, 17L)이 설치되어 있다.

즉, 다리부(R1)는 고관절(11R(L), 12R(L), 13R(L)), 무릎 관절(14R(L)) 및 발목 관절(l5R(L), 16R(L))을 구비하고 있다. 고관절(1lR(L)～13R(L))과 무릎 관절(14R(L))은 대퇴 링크(21R, 21L)로, 무릎 관절(14R(L))과 발목 관절(15R(L), 16R(L))은 하퇴 링크(22R, 22L)로 연결되어 있다.

또한, 고관절(11R(L)～13R(L))은 「제1 관절」의 일례이고, 발목 관절(15R(L), 16R(L))은 「제2 관절」의 일례이다.

다리부(R1)는 고관절(11R(L)～13R(L))을 통해서 상체(R2)에 연결되어 있다. 도 2에서는 다리부(R1)와 상체(R2)와의 연결부를 상체 링크(23)로서 간략화하여 나 타낸다. 또 상체(R2)에는 경사 센서(24)가 설치되어 있고, 상체(R2)의 Z축(연직축) 방향에 대한 기울기 및 각 속도를 검출한다. 또 각 관절을 구동하는 전동 모터에는 그 회전량을 검출하는 로터리 인코더(도시 생략)가 설치된다.

이러한 구성에 의해, 다리부(R1)는 좌우의 발에 대해서 합계 12의 자유도가 주어지고, 보행 중에 이들 6*2=12개의 관절을 적당한 각도로 구동함으로써 발(다리부(R1) 및 발부분(17)) 전체에 원하는 움직임을 부여할 수 있으며, 임의로 3차원 공간을 보행시킬 수 있다(본 명세서에 「*」은 곱셈을 나타냄).

또한, 도 2에 도시한 바와 같이, 발목 관절(15R(L), 16R(L))의 하측에는 잘 알려진 6축력 센서(52)가 마련되어, 로봇(R)에 작용하는 외력 중에서 노면으로부터 로봇(R)에 작용하는 상반력의 3방향 성분(F_x, F_y, F_z)과 모멘트의 3방향 성분(M_x, M_y, M_z)을 검출한다.

이들 6축력 센서(52), 경사 센서(24) 등이 검출한 상반력, 모멘트, 기울기, 각 속도 등에 관한 신호가 제어 장치 탑재부(R5) 내에 설치된 제어 유닛(25)으로 전달되어, 로봇(R)의 자세, 동작 등의 제어에 이용된다. 제어 유닛(25)은 메모리(도시 생략)에 저장된 데이터 및 입력된 검출 신호를 바탕으로 관절 구동 제어값을 산출하여 상기한 관절들을 구동한다.

<로봇(R)의 발부분(17)>

로봇(R)의 발부분(17R)(L)은 발목 관절(15R(L), 16R(L))을 통해서 다리부(R1)의 단부(노면측)에 설치되어 있고, 6축력 센서(52) 및 발바닥 부재(61)를 구 비하고 있다. 왼발(좌측 다리부(R1) 및 발부분(17L))과 오른발(우측 다리부(R1) 및 발부분(17R))은 좌우 대칭이므로, 이하, 필요없는 경우에는 R, L을 제외하고 설명하기로 한다.

<실시형태>

먼저, 본 발명의 실시형태에 따른 로봇(R)의 발부분(17)에 대해서 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하기로 한다. 도 3은, 본 발명의 실시형태에 따른 2족 이동 로봇의 발부분을 나타내는 정면도이다. 도 4는, 본 발명의 실시형태에 따른 2족 이동 로봇의 발부분을 나타내는 측면도이다. 도 5는, 본 발명의 실시형태에 따른 2족 이동 로봇의 발부분을 나타내는 저면도이다. 도 3 내지 도 5의 다리부(R1) 및 발부분(17)은, 도 1에 나타낸 로봇(R)의 외장 부분을 적당히 제거한 상태로 도시되어 있다. 또한, 도 3 내지 도 5에는 로봇(R)의 왼발(좌측 다리부(R1) 및 발부분(17L))이 도시되어 있다.

<로봇(R)의 발목 관절>

여기서, 도 3 및 도 4를 참조하여 로봇(R)의 발목 관절(15, 16)에 대해서 간단히 설명하기로 한다. 로봇(R)의 발목 관절(15, 16)은, 십자축(41)을 하퇴 링크(22) 및 발부분(17)의 제1 대좌부(51)에 연결함으로써 구성되어 있다.

십자축(41)은 Y축을 회전 축선으로 하는 축(41a)과, X축을 회전 축선으로 하는 축(41b)을 십자 모양으로 조합한 부재이다. 축(41a)의 양단부는 하퇴 링크(22)에 의해 회전 가능하도록 지지되어 있다. 또 축(41b)의 양단부는 제1 대좌부(51)에 의해 회전 가능하도록 지지되어 있다. 즉, 축(41a)이 발목 관절(15)에 해당되고, 축(41b)이 발목 관절(16)에 해당된다.

또 하퇴 링크(22)의 경사면 뒤에는, 제1 로드(31) 및 제2 로드(32)가 설치되어 있다. 제1 로드(31)는 하퇴 링크(22)의 우측 경사 후방에 설치되어 있고, 십자축(36)을 통해서 제1 대좌부(51)와 연결되어 있다. 제2 로드(32)는, 하퇴 링크(22)의 좌측 경사면 뒤에 설치되어 있고, 십자축(37)을 통해서 제1 대좌부(51)와 연결되어 있다. 이들 제1 로드(31) 및 제2 로드(32)는 그 상측(예를 들면, 하퇴 링크(22), 대퇴 링크(21) 등)에 설치된 전동 모터의 회전에 의해 생긴 구동력이 감속기를 통해서 전달됨으로써 상하 방향으로 진퇴하고, 발목 관절(15, 16)을 움직이며, 또한 소정 각도로 유지하는 구성으로 되어 있다.

예를 들면, 발부분(17)의 발톱 끝 부분을 들뜨도록 하고 싶은 경우에는, 제1 로드(31) 및 제2 로드(32)를 아래로 진출하도록 하고, 발부분(17)의 발목 부분을 뜨도록 하고 싶은 경우에는, 제1 로드(31) 및 제1 로드(32)를 위로 퇴행시킨다. 또 발부분(17)의 좌우 중 어느 하나를 뜨도록 하고 싶은 경우에는, 뜨도록 하고 싶은 측의 로드를 위로 퇴행시키고, 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 발부분(17)>>

도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 로봇(R)의 발부분(17)은 위(발목 관절측)에서 순서대로, 제1 대좌부(51)와, 6축력 센서(52)와, 제2 대좌부(53)와, 발바닥 부재(61)를 구비하고 있다.

제1 대좌부(51)는 발부분(17)의 상부에 설치된 부재로, 발목 관절(15, 16)과 연결되는 부재이다.

6축력 센서(52)는 상기한 바와 같이, 3방향의 상반력 병진력 및 3방향 상반력의 모멘트를 검출하는 장치이며, 각 부품이 몸체 내에 위치되어 있다(유닛화). 본 실시형태에서, 제1 대좌부(51)와 6축력 센서(52)는 복수의 볼트(도시 생략)에 의해 고정되어 있다. 이 6축력 센서(52)의 출력은 하네스(harness)를 통해서 상기 제어 유닛(25)에 입력된다.

이 6축력 센서(52)는 「상반력 검출기」의 일례이다.

제2 대좌부(53)는 6축력 센서(52)의 하측, 즉 6축력 센서(52)와 발바닥 부재(61)의 사이에 설치된 부재이며, 6축력 센서(52)와 발바닥 부재(61)를 서로 고정하기 위한 부재이다. 본 실시형태에서, 6축력 센서(52)와 제2 대좌부(53)는 복수의 볼트(도시 생략)에 의해 고정되고, 제2 대좌부(53)와 발바닥 부재(61)는 복수의 볼트(도시 생략)에 의해 고정되어 있다. 이와 같이 6축력 센서(52)와 발바닥 부재(61)를 제2 대좌부(53)를 통해서 고정하는 구성으로 했기 때문에, 발부분(17)의 구조의 간략화, 경량화가 달성된다. 또한, 발부분(17)의 각 부재의 조립 구조는 상기한 바에 한정되지 않는다.

발바닥 부재(61)는 제2 대좌부(53)의 하측에 설치된 부재이며, 노면과 접지하는 발바닥부의 주요 부분을 구성하고 있다. 이 발바닥 부재(61)는 「발바닥부」의 일례이다.

이 발바닥 부재(61)는 판 스프링 본체(62), 제1 중간 부재(63), 제1 발바닥 부재(64), 제2 중간 부재(65) 및 제2 발바닥 부재(66)를 구비하고 있다.

판 스프링 본체(62)는 휘면서 로봇(R)의 자중을 지지하는 부분으로, 주로 기부(62a)와, 기부(62a)로부터 연장되는 스프링부(62b)로 구성된다. 본 실시형태에서, 판 스프링 본체(62)는 스프링부(62b)의 기단부가 기부(62a)에 연결된 형상으로 일체 성형된 부재이다.

기부(62a)는 평판 형상을 가지고 있으며, 제2 대좌부(53)의 저면을 따르는 형상을 가지고 있다. 후술하는 스프링부(62b)의 기단부가 이 기부(62a)에 연결되어 있고, 스프링부(62b)는 기부(62a)와의 연결 부분을 기단부로 한 판 스프링으로서의 기능을 한다.

스프링부(62b)는 기부(62a)의 단부로부터 각도(θ)(도 4 참조)로 아래 방향으로 연장되는 스프링 부분이다. 본 실시형태에서는 4개의 스프링부(62b₁, 62b₂, 62b₃, 62b₄)가 있으며, 스프링부(62b₁, 62b₂)는 기부(62a)로부터 전방(발톱 끝 방향)으로 연장되어 있고, 스프링부(62b₃, 62b₄)는 기부(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.

각도(θ)는 최대 상반력(F₂)이 작용했을 때 기부(62a)가 노면에 접지하지 않는 최소의 각도로 설정되어 있는 것이 바람직하다. 여기서 말하는 최대 상반력(F₂)은 예를 들면, 로봇(R)이 최고 속도로 주행하여 한쪽 발로 접지했을 때 작용하는 반력이다. 이러한 설정에 의해, 스프링부(62b₁～62b₄)의 탄성력에 의해 로봇(R)의 자중을 지지하면서, 기부(62a)가 접지하여 6축력 센서(52)에 악영향을 주는 것을 방지할 수 있다.

이 판 스프링 본체(62)는 스프링부(62b)가 판 스프링으로서 기능할 수 있는 소재일 수 있으며, 예를 들면, 금속 부재(강철, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 등)로 형성되어 있을 수도 있다. 특히, 섬유로 강화된 복합 부재(섬유 강화 플라스틱 등)로 형성되어 있는 경우에는, 원하는 강도나 강성을 얻으면서 판 스프링 본체(62)의 경량화를 도모할 수 있다. 이 때, 강화용 섬유의 섬유 방향을 스프링부(62b)의 기단부에서 선단부를 향하는 방향(직사각형 방향)과 일치시킴으로써 스프링부(62b)의 강도를 확보할 수 있다.

또 각 스프링부(62b)의 섬유 방향을 바꿈으로써 이방성을 가지도록 하여, 각 스프링부(62b)의 스프링 특성을 바꿀 수도 있다.

강화용 섬유로는 탄소 섬유, 유리 섬유, 유기 섬유, 금속 섬유 등이 적합하다.

이 판 스프링 본체(62)는 일체 성형된 부재인 것이 바람직하다. 1개의 기부(62a)에 복수의 스프링부(62b)(본 실시형태에서는 4개)가 조립된 구성을 갖는 판 스프링 본체(62)를 일체 성형함으로써, 부품 수의 삭감, 및 발부분 구조의 간략화가 가능해진다.

제1 중간 부재(63)는 스프링부(62b)의 저면의 접지 영역에 대응하는 부분, 즉 하단부측(본 실시형태에서는 선단부측과 동일)에 조립된 감쇠 부재이며, 접지시에 발생하는 스프링부(62b)의 진동을 감쇠시키는 기능을 가지고 있다. 이 제1 중간 부재(63)는 감쇠 기능을 갖춘 소재로 형성된 것일 수 있으며, 예를 들면, 발포 수지 등으로 형성된 것이 바람직하다. 또 제1 중간 부재(63) 대신의 감쇠 수단으로서, 액압을 이용한 댐퍼 장치 등을 설치하는 구성일 수도 있다. 이 댐퍼 장치는 제1 중간 부재(63)와 병용할 수 있다.

제1 발바닥 부재(64)는 제1 중간 부재(63)의 저면에 설치된 부재로, 발바닥 부재(61)의 하단부에 위치하며, 이동시 실제로 노면에 접지하는 부재이다. 이 제1 발바닥 부재(64)는 노면과의 사이에 발생하는 마찰 저항에 의해 미끄럼 방지 기능을 발휘하는 부재이다. 이 제1 발바닥 부재(64)는 미끄럼 방지 기능을 갖춘 소재로 형성된 것일 수 있으며, 예를 들면, 고무로 형성된 것이 바람직하다. 이 제1 발바닥 부재(64)의 저면이 「접지 영역」이다.

제2 중간 부재(65)는 스프링부(62b)의 저면의 중간 부분에 부착된 감쇠 부재이며, 후술하는 제2 발바닥 부재(66)가 접지했을 때 발생하는 스프링부(62b)의 진동을 감쇠시키는 기능을 가지고 있다. 이 제2 중간 부재(65)는 제1 중간 부재(63)와 마찬가지로, 감쇠 기능을 갖춘 소재로 형성된 것일 수 있으며, 예를 들면, 발포 수지 등으로 형성된 것이 바람직하다.

제2 발바닥 부재(66)는 제2 중간 부재(65)의 저면에 설치된 부재이며, 상기한 제1 발바닥 부재(64)와 마찬가지로, 노면과의 사이에 발생하는 마찰 저항에 의해 미끄럼 방지의 기능을 발휘하는 부재이다. 이 제2 발바닥 부재(66)는 제1 발바닥 부재(64)보다 상측에 위치되어 있다.

본 실시형태에서 4개의 판 스프링부(S1, S2, S3, S4)는 각각 스프링부(62b) 로 구성되어 있다. 더 자세하게는, 판 스프링부(S1)는 스프링부(62b₁)로 구성되고, 판 스프링부(S2)는 스프링부(62b₂)로 구성되고, 판 스프링부(S3)는 스프링부(62b₃)로 구성되고, 판 스프링부(S4)는 스프링부(62b₄)로 구성되어 있다. 그리고 각 판 스프링부(S1, S2, S3, S4)의 선단에 마련된 제1 발바닥 부재(64)가 접지했을 때, 이들 각 판 스프링부(S1, S2, S3, S4)가 탄성 변형되면서, 탄성 변형된 상태의 각 판 스프링부(S1, S2, S3, S4)에 의해 로봇(R)의 자중, 자세하게는 로봇(R)의 스프링부(62b)보다 상부의 구조에 의한 하중 전체를 지지하는 구성으로 되어 있다. 이로써, 간단한 구성이면서 로봇(R)의 자중을 지지하며, 또 상반력에 의한 충격을 흡수할 수 있다. 또한, 충격 흡수 기능을 높임으로써 로봇(R)의 이동(보행, 주행) 속도를 높일 수 있게 된다.

또 고무 부쉬 등이 불필요해져 발부분(17)의 경량화가 가능해진다. 이러한 경량화에 의해 다리부(R1)에 걸리는 관성력이 적어지므로, 고속 이동에 적합한 구조가 된다.

또 각 판 스프링부(S1, S2, S3, S4) 및 기부(62a)는, 평면에서 볼 때 대략 H자 모양으로 배치되어 있다. 이러한 구성에 의해, 접지 영역이 전후에 2군데씩 배치되고, 또 각각 전후로 연장되도록 배치된 각 판 스프링부(S1, S2, S3, S4)의 스프링 특성이 전후 방향의 하중 제어에 적합하기 때문에, 이러한 발바닥 구조는 2족 이동 제어나, 전후 접지 영역에 의해 지지되고, 로봇(R)의 하중 중심을 전후 방향으로 이동시키는 제어에 적합하다. 또 판 스프링부(S1, S2) 및 판 스프링부(S3, S4)의 각 쌍이 선단부를 향해 약간 열리도록 설치된 것으로, 로봇(R)이 좌우로 기울어져 하중이 좌우 방향으로 어긋난 경우에도 지지할 수 있다.

또 노면 형상으로 요철이 있는 경우 등에는 각 판 스프링부(S1～S4) 중 어느 하나가 들뜬(접지되어 있지 않음) 상태가 되는 것을 생각할 수 있다. 이러한 경우에는, 판 스프링부(S1～S4)의 휨 스프링 특성(롤 강성, 피치 강성)이 비선형적으로 변화된다. 이 때문에, 제어 유닛(25)은 6축력 센서(52)로부터의 신호 등을 바탕으로, 모든 판 스프링부(S1～S4)가 접지되어 휘도록 목표 발바닥 위치 자세를 수정하여, 로봇(R)이 목표 상반력을 발생시키는 자세를 취하도록 제어하고 있다. 이러한 목표 발바닥 위치 자세의 수정량은, 6축력 센서(52)의 검출값으로부터 추측한 판 스프링부의 들뜸 상태에 따라서 비선형 연산으로 산출된다.

여기서, 도 5를 참조하여 접지 영역 중 가장 먼 점까지의 거리가 최소가 되는 위치(Pa)와, 6축력 센서의 중심(Pb)과 발목 관절의 중심(Pc)과의 관계에 대해서 설명하기로 한다.

본 실시형태에서, 6축력 센서의 중심(Pb)(여기서는, 6축력 센서(52)의 Z축 방향 감도 중심과 일치함)은, 접지 영역(여기서는, 복수의 접지 영역) 중에서 가장 먼 점까지의 거리가 최소가 되는 위치(Pa), 보다 상세하게는, 로봇(R)의 기립 정지 상태에서 판 스프링부(S1～S4)의 저면측에 설치된 접지 영역 중, 평면에서 볼 때(도 5에서는 저면에서 볼 때) 가장 먼 점까지의 거리가 최소가 되는 위치(접지 영역의 중심이라고도 함)(Pa)(이하, 단지 「위치(Pa)」라고 기재함)의 상측에 설치되어 있다.

본 실시형태에서는 각 판 스프링부(S1, S2, S3, S4)의 저면의 접지 영역 각각의 가장 먼 점까지의 거리(Ll, L2, L3, L4)가 동일하게 되어 있다.

이러한 구성에 따르면, 이동시 6축력 센서(52)에 작용하는 하중의 최대값을 억제할 수 있어 6축력 센서(52)의 소형화가 가능하다. 또 6축력 센서(52)를 발부분(17)에 설치하고, 접지 영역에 접근시킴으로써 상반력 및 모멘트의 더욱 정확한 측정이 가능해진다.

또한, 접지 영역이 정다각형 모양으로 배치되어 있는 경우에는, 각 접지 영역으로부터 6축력 센서(52)까지의 거리가 동일해지도록 6축력 센서(52)를 배치하게 된다. 또 6축력 센서(52)로 바꾸어, 적어도 1축의 상반력 또는 모멘트(예를 들면, Z축 방향의 상반력의 병진역(F₂))를 검출하는 상반력 검출기를 사용하는 구성일 수도 있다.

또 본 실시형태에서, 발목 관절의 중심(Pc)은 평면에서 볼 때, 위치(Pa)에 대해서 오프셋되어 있다. 여기서는, 축(41a) 및 축(41b)(도 3 참조)의 교점이 발목 관절의 중심(Pc)에 해당된다. 이 발목 관절의 중심(Pc)은 위치(Pa)보다 로봇(R)의 후측에 설치되어 있다. 이와 같이 발목 관절(15, 16)이 발바닥 부재(61)의 접지 영역에 대해서 후측으로 오프셋되어 있는 이유에 대해서는 후술하기로 한다.

또한, 발목 관절의 중심(Pc)은 발바닥 부재(61)의 접지 영역의 내측(로봇(R)의 중심측)으로도 오프셋되어 있는 구성일 수도 있다. 발목 관절의 중심(Pc)을 내측으로 오프셋시킴으로써 인접하는 발부분(17R, 17L)의 발바닥 부재(61)끼리의 간 섭을 막으며, 또한 접지 면적을 확보하여 로봇(R) 자세의 안정성을 유지할 수 있다.

또 본 실시형태에서, 6축력 센서의 중심(Pb)이 위치(Pa) 상에 설치되도록 했으나, 6축력 센서의 중심(Pb)은 적어도 평면에서 볼 때 발목 관절의 중심(Pc)보다 위치(Pa)에 가까워지도록 설치되어 있을 수 있다.

다시 말하면, 6축력 센서의 중심(Pb)은 평면에서 볼 때, 위치(Pa)를 중심으로 하고, 위치(Pa)와 발목 관절의 중심(Pc)을 연결하는 선분(r1)을 반경으로 하는 원(C1)의 내부에 있을 수 있다. 예를 들면, 선분(R1) 상에 6축력 센서의 중심(Pb)이 위치하는 구성일 수도 있다. 이러한 구성이라도, 이동시 6축력 센서(52)에 작용하는 하중의 최대값을 억제할 수 있어, 6축력 센서(52)의 소형화가 가능하다. 특히, 6축력 센서의 중심(Pb)이 위치(Pa) 상에 있는 경우에는, 6축력 센서(52)의 소형화와 같은 효과를 최대로 발휘할 수 있다.

또 도 4에 도시한 바와 같이, 판 스프링부(S1～S4)의 하단부(선단부)는 발목 관절(15, 16)로부터 멀어짐에 따라서 위를 향해 휘어지는 형상을 가지고 있으며, 그 저면에 설치된 제1 발바닥 부재(64)도 같은 형상을 가지고 있다. 이것은, 이러한 로봇(R)의 보행 제어가 발뒤꿈치 부분으로부터 접지하여 발톱 끝 부분에서 차 올리도록 되어 있기 때문에, 접지시 및 차 올릴 때 접지하는 면적을 크게 하며, 노면간의 마찰력을 확보할 수 있게 하기 위함이다. 또 접지 영역을 면으로 확보할 수 있기 때문에, 로봇(R) 자세의 안정화에도 연결된다.

이어서, 발목 관절(15, 16)이 발바닥 부재(61)의 접지 영역의 후측으로 오프 셋되어 있는 이유에 대해서, 로봇(R)이 고속 이동(주행)하는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다. 도 6은, 본 발명의 실시형태에 따른 2족 이동 로봇이 고속 이동하는 경우를 설명하는 모식도이고, (a)는 발목 관절이 발바닥부에 대해서 후방으로 오프셋되어 있는 도면이며, (b)는 발목 관절이 발바닥부의 전후 방향 중심으로 위치되어 있는 도면이다. 또한, 도 6(b)에서, 도 6(a)와 동일한 부분에는 「'」을 부가한 부호를 사용한다.

도 6a에 도시한 바와 같이, 발목 관절(15, 16)은 발바닥 부재(61)에 대해서 후방으로 오프셋(바이어스)되어 있다. 이 경우에는, 발목 관절(15, 16)로부터 발바닥 부재(61)의 접지 부분의 전방 선단까지의 거리(La)가 길어진다(La>La'). 로봇(R)이 고속 이동(주행)하는 경우에는 무릎 관절(14)을 깊게 구부려, 발바닥 부재(61)의 발톱 끝 부분에 상반력(F)이 집중되는 상태가 일어난다. 이 때, 무릎 관절(14)에 발생하는 모멘트는 F*Lb가 된다. 한편, 도 6(b)에 도시한 바와 같이, 발목 관절(15', 16')이 발바닥 부재(61')의 전후 방향 중심으로 위치하고 있는 경우에 무릎 관절(14')에 발생하는 모멘트는 F'*Lb'가 된다. 여기서, Lb<Lb'이므로, F= F'로 하면 F*Lb<F'*Lb'가 성립된다.

이것은, 고속 이동시 무릎 관절(14)을 구동(굴곡)시킨 경우에, 발목 관절(15, 16)을 발바닥 부재(61)에 대해서 무릎 관절(14)의 발바닥 부재(61)에 대한 상대 이동 방향(본 실시형태에서는 전방)과 반대 방향(본 실시형태에서는 후방)으로 오프셋시킨 경우에 성립된다. 그리고, 발목 관절(15, 16)의 발바닥 부재(61)에 대한 후방으로의 오프셋량을 크게 하면, 고속 이동시에 무릎 관절(14)에 걸리는 부 담을 더욱 작게 억제할 수 있음을 의미하고 있다.

<변형예>

이어서, 로봇(R)의 발바닥부의 접지 영역과, 발목 관절의 중심과, 6축력 센서의 중심과의 위치 관계 변형예에 대해서, 상기 실시 형태와의 차이점을 중심으로 설명하기로 한다. 도 7은, 본 발명의 변형예에 따른 2족 이동 로봇의 발부분 및 발목 관절을 나타내는 모식 측면도이다. 도 8 내지 도 11은, 본 발명의 변형예에 따른 2족 이동 로봇의 접지 영역, 발목 관절 및 6축력 센서의 위치 관계를 설명하는 모식 평면도이다.

도 7에 도시한 바와 같이, 변형예에 따른 발부분(117)은 발바닥 부재(61) 대신에 발바닥 부재(161)를 구비하고 있다.

도 7에 도시한 바와 같이, 발바닥 부재(161)는 평면 모양의 강성 부재로 이루어진 발바닥 본체부(162)와, 발바닥 본체부(162)의 저면에 설치된 고무 등으로 이루어진 발바닥 부재(164)를 구비하고 있다. 이 접지 영역은, 발바닥 본체부(162)의 저면과 대략 동일한 형상이고, X축 방향을 직사각형 방향으로 하는 직사각형 모양으로 되어 있다(도 8 참조).

즉, 발바닥 부재(161)는 하나의 접지 영역을 가지고 있다. 6축력 센서(52)는 발바닥 부재(161)의 상측에 설치되어 있어, 발바닥 부재(161)로부터 입력되는 상반력을 검출한다.

여기서, 특개 2003-71776호 공보에 기재된 다리식 보행 로봇과 같이, 발바닥 부재(161)와 6축력 센서(52)와의 사이에 스프링 기구체(고무 부쉬 등)를 설치하는 구성일 수도 있다. 발목 관절(15, 16)은 6축력 센서(52)의 상측에 설치되어 있다.

도 8은, 발목 관절의 중심(Pc)이 접지 영역(여기서는, 하나의 접지 영역) 중 가장 먼 점까지의 거리가 최소가 되는 위치(Pa)에 대해서 후측으로 오프셋되어 있는 예를 나타낸다. 이러한 상태에서, 6축력 센서의 중심(Pb)은 평면에서 볼 때, 위치(Pa)와 발목 관절의 중심(Pc)을 연결하는 선분(r2) 상에 위치하고 있다.

또한, 6축력 센서의 중심(Pb)은 상기한 예에 한정되지 않고, 평면에서 볼 때 위치(Pa)를 중심으로 하고, 선분(r2)을 반경으로 하는 원(C2) 안쪽(원주 위를 제외함)일 수 있으며, 원(C2) 중에서 발목 관절의 중심(Pc)을 원호의 중앙으로 하는 반원(C2a) 안쪽(직경 부분을 포함하고, 원호 위를 제외함)인 것이 더 바람직하며, 이 반원(C2a) 중에서 선분(r2)에 가까워지는 것이 더 바람직하다.

또, 6축력 센서의 중심(Pb)은 선분(r2) 위(발목 관절의 중심(Pc)을 제외함)인 것이 바람직하고, 선분(r2) 위 중에서 위치(Pa)에 가까운 쪽이 더 바람직하다.

도 9 내지 도 11은, 발목 관절의 중심(Pc)이 위치(Pa)에 대해서 후측이면서 내측으로 오프셋되어 있는 예를 나타낸다.

도 9에 나타내는 변형예는, 6축력 센서의 중심(Pb)이 Y축 방향(로봇(R)의 좌우 방향)만 위치(Pa)에 가까워지는 경우이다.

6축력 센서의 중심(Pb)은 위치(Pa)로부터 후측(X축 마이너스 방향)으로 연장되는 선분(a1)에 대해서 발목 관절의 중심(Pc)으로부터 내린 수직선(a2) 위(발목 관절의 중심(Pc)을 제외함)에 위치하고 있다.

도 10에 나타내는 변형예는, 6축력 센서의 중심(Pb)이 X축 방향(로봇(R)의 전후 방향)만 위치(Pa)에 접근하는 경우이다.

6축력 센서의 중심(Pb)은 위치(Pa)로부터 안쪽(Y축 마이너스 방향)으로 연장되는 선분(a3)에 대해서 발목 관절의 중심(Pc)으로부터 내린 수직선(a4) 상(발목 관절의 중심(Pc)을 제외함)에 위치하고 있다.

도 11에 나타내는 변형예는, 6축력 센서의 중심(Pb)이 X축 방향, Y축 방향의 양방향에서 모두 위치(Pa)에 가까워지는 경우이다. 특히 도 11에서는, 6축력 센서의 중심(Pb)이 평면에서 볼 때, 위치(Pa)와 발목 관절의 중심(Pc)을 연결하는 선분(r3) 상(발목 관절의 중심(Pc)을 제외함)에 위치하는 경우를 나타내고 있다.

또한, 6축력 센서의 중심(Pb)은 상기한 예에 한정되지 않고 평면에서 볼 때, 위치(Pa)를 중심으로 하여, 선분(r3)을 반경으로 하는 원(C3)의 안쪽(원주 위를 제외함)일 수 있고, 원(C3) 중에서 발목 관절의 중심(Pc)을 원호의 중앙으로 하는 반원(C3a)의 안쪽(직경 부분을 포함하고, 원호 위를 제외함)인 것이 더 바람직하고, 이 반원(C3a) 중에서 선분(r3)에 가까워지는 것이 더 바람직하다. 또한, 6축력 센서의 중심(Pb)은 선분(r3) 위(발목 관절의 중심(Pc)을 제외함)인 것이 바람직하고, 선분(r3) 위 중에서 위치(Pa)에 가까운 쪽이 더 바람직하다.

상기한 변형예에서, 6축력 센서의 중심(Pb)의 위치(Pa)에 대한 오프셋(바이어스)의 방향이나 거리는, 원(C2, C3) 안(원주 위를 제외함)에서 적당히 변경 가능하지만 6축력 센서의 중심(Pb)은 평면에서 볼 때, 발바닥 부재(161)의 접지 영역 내에 설치되는 것이 바람직하다.

이상, 본 발명 실시형태에 대해서 설명했으나, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 적당히 설계 변경할 수 있다. 예를 들면, 로봇(R)은 도시한 2족 이동 로봇에 한정되지 않으며, 1개의 다리부만을 구비한 다리식 이동 로봇 또는 3개 이상의 다리부를 구비한 다리식 이동 로봇일 수도 있다.

또 발바닥부(발바닥부재)의 소재, 형상, 기능 등도 상기한 것에 한정되지 않고, 상반력 검출기도 상기한 6축력 센서(52)에 한정되지 않는다. 즉, 본 발명은 접지 영역을 갖는 발바닥부(발바닥 부재)와, 제2 관절(발목 관절)과의 사이에 상반력 검출기를 설치한 모든 다리식 이동 로봇에 적용 가능하다.

또 접지 영역의 수, 형상, 배치 등에 대해서도 상기한 것에 한정되지 않는다.

Claims

상체와, 상기 상체에 제1 관절을 통해서 연결된 다리부와, 상기 다리부의 단부에 제2 관절을 통해서 연결된 발부분을 구비한 다리식 이동 로봇으로,

상기 발부분은, 노면에 접지하는 적어도 2개의 접지 영역을 하단부에 갖는 발바닥부와, 상기 발바닥부의 상기 적어도 2개의 접지영역 중 적어도 하나를 통해서 상기 노면으로부터 작용하는 상반력을 검출하는 상반력 검출기를 구비하고,

상기 제2 관절의 중심(Pc)은, 상기 로봇의 기립 정지 상태에서 평면에서 볼 때, 위치(Pa)에 대해서 오프셋되어 있으며,

상기 위치(Pa)는 각 접지 영역에 있는 한 점으로부터 동일 거리상에 있으며,

상기 각 접지 영역에 있는 상기 한 점은 상기 위치(Pa)로부터 가장 멀리 있고,

상기 상반력 검출기의 중심(Pb)은, 상기 제2 관절의 중심(Pc)보다 상기 위치(Pa)에 더 가까운 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제1항에 있어서,

상기 상반력 검출기의 중심(Pb)은 상기 위치(Pa)에 대해서 후측으로 오프셋되어 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제2항에 있어서,

상기 상반력 검출기의 중심(Pb)은 상기 위치(Pa)와 상기 제2 관절의 중심(Pc)을 연결하는 선분 상에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제1항에 있어서,

상기 상반력 검출기의 중심(Pb)은 상기 위치(Pa)에 대해서 후측이며, 상기 다리식이동 로봇의 중심측으로 오프셋되어 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제4항에 있어서,

상기 상반력 검출기의 중심(Pb)은 상기 위치(Pa)로부터 상기 다리식 이동 로봇의 후측으로 연장되는 선분에 대해서, 상기 제2 관절의 중심(Pc)으로부터 내린 수직선상에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제4항에 있어서,

상기 상반력 검출기의 중심(Pb)은 상기 위치(Pa)로부터 상기 다리식 이동 로봇의 중심측으로 연장되는 선분에 대해서, 상기 제2 관절의 중심(Pc)으로부터 내린 수직선상에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제4항에 있어서,

상기 상반력 검출기의 중심(Pb)은 상기 위치(Pa)와 상기 제2 관절의 중심(Pc)을 연결하는 선분상에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.