KR101253762B1 - 구형로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 구형로봇은, 바퀴 형상의 몸체; 상기 몸체의 좌측 및 우측에 대칭으로 회전 가능하게 설치되며, 반구형상으로 형성되는 반구 모듈; 상기 반구 모듈 내부에 장착되어 상기 반구 모듈 내부에 수용되는 제 1 위치와, 일정 길이 만큼 외부로 돌출되는 제 2 위치를 가지는 암(arm); 상기 반구 모듈의 회전과 상기 암을 수용 및 돌출할 수 있는 동력을 공급하는 구동유닛; 및 상기 암과 구동유닛의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

구형로봇{Sphear type robot}

본 발명은 로봇에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수의 암(arm)을 구비하여 다양한 지형에서의 주행이 가능한 구형로봇에 관한 것이다.

일반적으로 주행기능을 가지는 로봇은 복수 개의 바퀴를 이용하거나, 무한궤도 등을 이용한다. 바퀴를 이용하는 로봇의 경우에는 평탄한 지형에서 고속으로 이동할 수 있는 장점이 있으나, 비평탄 지형에서는 급격하게 주행성능이 떨어지며, 계단이나 단차가 큰 장애물을 통과하지 못하는 단점이 있다. 반면, 무한궤도를 이용하는 로봇의 경우에는 상기한 바퀴를 이용하는 로봇에 비해서는 상대적으로 저속으로 주행하는데 반해, 주행노면의 상태에 상관 없이 주행할 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 무한궤도의 경우에는 구성부품의 수가 많기 때문에 유지보수가 어렵다. 또한, 단순히 전진 및 후진 만이 가능한 구성이 아니라, 회전 및 롤링 운동과 같은 복잡한 움직임은 불가능하다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 다양한 형태의 주행 노면에서의 이동 및 움직임이 가능하며, 펜들럼(pendulum) 구동, 바퀴구동, 리프팅 및 정지와 같은 하이브리드 주행 능력을 구비하여 장애물 회피 능력이 개선된 구형로봇을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 구형로봇은, 바퀴 형상의 몸체; 상기 몸체의 좌측 및 우측에 대칭으로 회전 가능하게 설치되며, 반구형상으로 형성되는 반구 모듈; 상기 반구 모듈 내부에 장착되어 상기 반구 모듈 내부에 수용되는 제 1 위치와, 일정 길이 만큼 외부로 돌출되는 제 2 위치를 가지는 암(arm); 상기 반구 모듈의 회전과 상기 암을 수용 및 돌출할 수 있는 동력을 공급하는 구동유닛; 및 상기 암과 구동유닛의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 몸체는, 상기 몸체의 둘레에 설치되어 타이어 역할을 수행하는 외피를 포함하는 것이 좋다.

상기 반구 모듈은, 상기 몸체보다 작은 직경을 가지는 원판; 상기 원판을 밑면으로 하여 결합되는 반구형 쉘;을 포함하는 것이 좋으며, 상기 원판은 알루미늄으로 형성되는 것이 좋다.

상기 구동유닛은, 상기 원판의 중심에 설치되며, 상기 몸체와 반구 모듈의 상대 회전을 가능하게 하는 제 1 액츄에이터; 상기 암을 직선 왕복 운동시키는 제 2 액츄에이터; 및 상기 제 1 및 제 2 액츄에이터에 전원을 공급하는 배터리유닛;을 포함하는 것이 좋다.

상기 구동유닛은, 상기 몸체와 반구 모듈 사이의 공간부에 각각 대칭으로 설치되는 것이 좋다.

상기 제 2 액츄에이터는, 상기 암과 링크 결합되는 회전 링크;를 포함하는 것이 좋다.

상기 제어부는, 롤링 모드(rolling mode)에서 상기 암을 상기 제 1 위치로 수축시켜, 주행면과 접촉하지 않도록 하고, 휠링 모드(wheeling mode)에서 상기 암을 상기 제 2 위치로 신장시켜, 구형로봇의 진행 방향에 대하여 뒤편에서 주행면과 접촉시키는 것이 바람직하다.

상기 암은, 상기 원판에 대해 슬라이드 이동하는 적어도 2개의 로드(rod) 부재; 및 상기 로드 부재의 끝단에 결합되며, 수용위치에서 상기 반구 모듈의 외피의 일부를 형성할 수 있는 모양으로 마련되는 마찰부재;를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 회전링크는, 상기 제 2 액츄에이터와 일단이 회전 가능하게 연결되는 제 1 링크와, 일단은 상기 제 1 링크의 타단과 링크 결합되고, 타단은 상기 로드 부재와 링크 결합되는 제 2 링크;를 포함하는 것이 좋다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 주행노면의 상태에 상관없이 주행능력을 확보할 수 있으며, 본체 내부에 마련된 암을 이용하여 펜듈럼 역할을 통한 롤링이나, 마찰력을 이용한 브레이크 동작 및 로봇 몸체를 들어올려 장애물을 극복할 수 있는 리프팅 기능과 같은 다양한 형태의 로봇 동작을 수행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 구형로봇의 사시도,
도 2는 도 1의 분해사시도,
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 구형로봇의 암의 수용 및 돌출 상태를 도시한 측면도,
도 5는 휠링 모드에서의 구형로봇의 주행상태를 도시한 측면도,
도 6은 롤링 모드에서의 구형로봇의 주행상태를 도시한 측면도, 그리고,
도 7은 계단 주행 모드에서의 구형로봇의 동작을 도시한 측면도이다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 구형로봇에 대해 도면과 함께 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 구형로봇은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 몸체(10), 반구 모듈(20), 암(30), 구동유닛(40) 및 제어부(50)을 포함한다.

몸체(10)는 2장의 제 1 및 제 2 디스크(10a)(10b)을 일정 간격 이격한 상태로 결합하여 바퀴 형상을 가지도록 제작하는 것이 좋다. 상기 몸체(10)의 둘레에는 타이어 역할을 수행할 수 있도록, 레진 또는 고무 등의 재질로 형성되는 외피(11)가 결합된다. 상기 외피(11)는 도시된 바와 같이 아무런 무늬 없이 매끈하게 형성할 수도 있고, 도시하지는 않았으나, 자동차 타이어와 같은 무늬를 음각하여 형성할 수도 있다.

반구 모듈(20)은 상기 몸체(10)의 좌측면 및 우측면을 이루는 상기 제 1 및 제 2 디스크(10a)(10b)에 결합되는 것으로, 동일한 구성을 가지는 반구 모듈(20)이 상기 몸체(10)의 좌우에 대칭으로 결합된다. 상기 반구 모듈(20)은 구형로봇의 반구형 외측 구조물을 형성하여, 상기 몸체(10)와의 결합시 구형로봇이 대략 구(sphere) 형상을 이루도록 한다.

상기 반구 모듈(20)은, 원판(21)과 반구형 쉘(22)로 구성되며, 상기 원판(21)과 반구형 쉘(22) 사이의 내부 공간부에는 후술하게될 암(30), 구동유닛(40) 및 제어부(50)가 설치된다.

상기 원판(21)은 알루미늄 재질로 형성하는 것이 좋으며, 상기 몸체(10)보다 작은 직경을 가지도록 마련되어, 상기 몸체(10)가 주행면과 접촉할 경우, 상기 몸체(10)의 회전을 간섭하지 않는다. 또한, 상기 원판(21)은 상기 몸체(10) 좌측면 및 우측면을 형성하는 제 1 및 제 2 디스크(10a)(10b) 각각과 마주보게 배치되지만, 일정 간격 이격되어, 상호간에 회전동작을 간섭하지 않도록 구성된다.

상기 반구형 쉘(22)은 상기 원판(21)을 밑면으로 하여 결합되며, 상기 원판(21)과 같은 알루미늄 재질로 형성될 수도 있으나, 성형이 간편한 레진 재질로 형성할 수도 있다. 상기 반구형 쉘(22)에는 후술할 암(arm, 30)이 돌출 및 수용될 수 있는 암 장착부(23)가 마련되는 것이 좋다.

암(30)은 상기 반구 모듈(20)과 몸체(10) 사이의 공간부에 설치되며, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 반구 모듈(20)의 내부에 수용되는 제 1 위치와, 도 4에 도시된 바와 같이, 일정 길이 만큼 외부로 돌출되는 제 2 위치로 움직일 수 있다. 상기 암(30)이 제 1 위치일 때, 구형로봇은 롤링 모드로 움직이고, 제 2 위치일 때, 구형로봇은 휠링 모드로 움직인다. 이에 대해서는 뒤에 보다 상세히 설명한다.

상기 암(30)은 로드 부재(31) 및 마찰부재(32)를 포함한다.

로드 부재(31)는 일단은 바퀴(31a)가 설치되어 원판(21)에 대해 이동 가능하게 설치되고, 적어도 하나 이상 마련되는 것이 좋다. 상기 로드 부재(31)는 상기 원판(21)에 고정된 가이드 부재(33)에 의해 직선운동이 유도되어, 상기 암(30)의 수용 및 돌출 운동이 가이드된다.

마찰부재(32)는 상기 로드 부재(31)의 끝단에 결합되며, 상기 반구 모듈(20)에 형성된 암 장착부(23)와 대응되는 형상으로 마련되어, 수용위치에서 상기 반구형 쉘(22)의 외피의 일부를 형성하여, 수용시 상기 반구 모듈(20)이 반구형상을 유지하도록 할 수 있다.

마찰부재(32)는 상기 반구형 쉘(22)과 동일한 재질로 마련될 수도 있고, 주행면과의 빈번한 마찰을 고려하여 레진 또는 실리콘과 같은 재질로 마련되는 것도 가능하다.

구동유닛(40)은 상기 반구 모듈(20)과 몸체(10) 사이의 내부 공간에 설치되어, 상기 몸체(10) 및 반구 모듈(20)의 상대 회전과 상기 암(30)을 수용 및 돌출시킬 수 있는 동력을 상기 암(30)에 공급한다. 상기 구동유닛(40)은 제 1 액츄에이터(41), 제 2 액츄에이터(42) 및 배터리유닛(43)으로 구성된다.

상기 제 1 액츄에이터(41)는, 전동모터로 마련되며, 상기 원판(21)의 중심에 회전축(41a)이 관통하도록 설치되어, 상기 몸체(10)와 반구 모듈(20)을 회전 가능하게 결합한다. 즉, 상기 반구 모듈(20)은 상기 몸체(10)에 대하여, 좌측면과 우측면에 대칭으로 설치되므로, 상기 제 1 액츄에이터(41)는 상기 원판(21)에 고정되고, 상기 회전축(41a)은 상기 몸체(10)의 측면을 형성하는 상기 제 1 디스크(10a) 또는 제 2 디스크(10b)에 고정된다. 따라서, 상기 액츄에이터(41)의 회전동력은 상기 회전축(41a)에 의해 상기 몸체(10)로 전달되어, 상기 원판(21)의 회전이 구속된 경우에는 상기 몸체(10)가 회전하고, 상기 원판(21)이 구속되지 않고, 상기 몸체(10)가 주행면에 접촉하고 있는 경우에는 상기 몸체(10)에 대하여, 상기 원판(21) 및 원판(21)과 결합된 반구형 쉘(22)이 함께 회전한다.

이러한 구성에 따른 구형로봇의 주행동작은 뒤에 자세히 설명한다.

상기 제 2 액츄에이터(42)는, 상기 암(30)의 수용 및 돌출을 위해 설치된 것으로, 소정 각도 회전할 수 있는 회전 솔레노이드 등으로 마련될 수 있다. 상기 제 2 액츄에이터(42)의 끝단에는 상기 암(30)과 링크 결합되는 회전 링크가 마련되는데, 상기 회전 링크는 제 1 및 제 2 링크(42a)(42b)로 구성될 수 있다.

상기 제 1 링크(42a)의 일단(h)은 상기 제 2 액츄에이터(42)와 연결되고, 그 타단은 제 2 링크(42b)의 일단과 연결된다. 또한, 상기 제 2 링크(42b)의 타단은 로드 부재(31)의 일단과 연결된다. 따라서 상기 제 2 액츄에이터(42)가 회전하면, 상기 제 2 액츄에이터(42)의 회전방향에 따라 상기 제 1 및 제 2 링크(42a)(42b)가 연동 회전하면서, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 로드 부재(31)가 상기 가이드 부재(33)에 대해 왕복 이동하여 상기 마찰부재(32)가 수용 및 돌출될 수 있다.

즉, 도 3과 같이, 상기 제 2 액츄에이터(42)가 A 방향으로 회전하면, 이와 동일한 방향으로 상기 제 1 링크(42a)가 회전하게 되고, 상기 제 1 링크(42a)가 회전하면, 제 2 링크(42b)에 의해 상기 로드 부재(31)가 잡아 당겨져 암(30)이 반구 모듈(20) 내부에 수용된다. 그리고, 도 4와 같이 상기 제 2 액츄에이터(42)가 B 방향으로 회전하면, 이와 동일한 방향으로 상기 제 1 링크가(42a)가 회전하게 되고, 상기 제 1 링크(42a)가 회전하면 상기 제 2 링크(42b)에 의해 상기 로드 부재(31)가 밀려 나가면서 암(30)이 돌출한다.

상기 배터리유닛(43)은 상기 제 1 액츄에이터(41)의 하측에 배치되며, 바람직하게는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 암(30)의 수용 위치 부근에 마련된 가이드 부재(33) 상측에 마련된 배터리 포켓(43a)에 배치되는 것이 좋다. 이와 같은 구성에 따르면, 상기 암(30)과 배터리유닛(43)의 무게가 구형로봇의 일측에 집중되어, 상기 반구 모듈(20)의 회전시 편심하중으로 작용할 수 있다.

제어부(50)는, 상기 원판(21)에 설치되어, 상기 암(30) 및 구동유닛(40)의 동작과, 몸체(10)와 반구 모듈(20)의 상대 회전을 제어하여, 구형로봇의 주행동작을 모드별로 제어할 수 있다. 즉, 도시하지 않은 감지센서의 감지신호나, 사용자의 명령에 의해 휠링 모드, 롤링 모드, 리프팅 모드 등으로 본 발명에 의한 구형로봇의 주행동작을 제어한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 의한 구형로봇의 휠링 모드(wheeling mode) 주행동작을 도시한 도면이다.

휠링 모드 주행명령이 출력되면, 상기 제어부(50)는 상기 몸체(10)의 좌측 및 우측에 설치된 반구 모듈(20) 내부의 제 1 액츄에이터(41)에 전원을 인가하여 상기 반구 모듈(20)을 일정 각도 회전시킨다. 즉, 상기 몸체(10)의 둘레에 설치된 외피(11)는 주행면과 접촉된 상태를 유지하고 있으므로, 상기 좌측 및 우측에 대칭으로 결합된 반구 모듈(20)은 상기 제 1 액츄에이터(41)의 회전력으로 인해 화살표 C 방향으로 회전하게 된다. 이와 함께, 상기 제어부(50)는 상기 제 1 액츄에이터(41)에 전원을 인가하는 것과 일정 시차를 두고 상기 암(30)을 제 2 위치로 돌출시키는 명령을 출력한다. 그러면, 상기 반구 모듈(20)은 상기 제 1 액츄에이터(41)의 회전동력에 의해 상기 암(30)의 마찰부재(32)가 주행면에 접촉할때까지 회전한다.

상기한 바와 같이, 상기 반구 모듈(20)의 회전에 의해 상기 마찰부재(32)가 주행면과 접촉하면, 상기 반구 모듈(20)은 상기 암(30)이 주행면에 대해 부가하는 마찰력으로 인해 상기 몸체(10)에 대한 회전동작이 규제되므로, 상기 제 1 액츄에이터(41)와 연결된 상기 몸체(10)가 주행면에 대하여 회전하게 된다. 따라서 구형로봇은 바퀴형 몸체(10)의 회전을 통해 고속으로 주행할 수 있다.

한편, 휠링 모드에서는 항상 상기 암(30)이 신장된 상태로 주행면과 접촉하고 있기 때문에, 제 1 액츄에이터(41)의 동력을 정지시키거나 회전수를 줄일 경우, 상기 마찰부재(32)가 일종의 브레이크 역할을 수행하므로, 보다 빨리 구형로봇을 정지시키는 것이 가능하다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 구형로봇의 롤링 모드(rolling mode) 주행동작을 도시한 도면이다.

롤링 모드 주행명령이 출력되면, 제어부(50)는 암(30)이 반구 모듈(20) 내부에 위치하고 있는지의 여부를 확인하고, 돌출된 경우, 내부로 수납한다. 암(30)이 반구 모듈(20)에 수용되면, 상기 몸체(10)의 둘레에 설치된 외피(11)는 주행면과 접촉되어 있고, 상기 암(30)이 내측에 수용된 반구 모듈(20)은 주행면과 이격되어 있다. 이 경우, 상기 제 1 액츄에이터(41)에 전원이 인가되면, 상기 제 1 액츄에이터(41)의 회전축(41a)이 고정된 상기 몸체(10)는 주행면과의 마찰에 의해 회전동작이 규제되지만, 상기 반구 모듈(20)은 허공에 떠 있는 상태이므로, 작용 반작용의 법칙에 따라, 상기 몸체(10)는 정지상태를 유지하면서, 상기 반구 모듈(20)이 상기 몸체(10)를 중심으로 회전하게 된다. 그러면, 상기 반구 모듈(20)의 내측에 배치된 암(30)과 배터리(43) 등의 설치 위치가 편심되어 있기 때문에, 상기 암(30) 등의 내장 부품이 펜듈럼(pendulum) 역할을 하게 된다. 따라서 반구 모듈(20)의 회전 동작은 모멘트력을 발생하게 되어, 본 발명에 의한 구형로봇은 상기 몸체(10)의 외피(11)가 주행면을 따라 구르는 동작을 수행하게 된다.

한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 암(30)의 수용 및 돌출 동작과 상기 몸체(10)의 회전 동작 등을 이용하면, 구형로봇이 계단을 오르내리게 구성할 수도 있다. 즉, 구형로봇이 계단을 만나면, 암(30)을 돌출시켜 구동로봇을 상승시키고, 그 상태에서 몸체(10)를 회전하여, 일정거리 계단 위에서 이동한다. 한칸 위로 구형로봇이 올라가면, 상기 암(30)을 반구 모듈(20) 내부로 수용하는데, 그러면 앞서 설명한 롤링 모드 주행과 같이 반구 모듈(20)이 몸체(10)에 대해 회전하면서 구형로봇이 굴러갈 수 있다. 그러다, 다시 다음 계단면과 만나면, 상기 암(30)을 도시된 바와 같이 계단 아래쪽에 위치하도록 상기 반구 모듈(20)을 회전시킨 후, 상기 암(30)을 돌출시켜 앞의 과정을 반복한다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 기존의 주행기능을 가지는 로봇들이 이동하기 어려운 계단과 같은 장애물도 극복할 수 있으며, 휠링 모드와 같은 고속주행, 롤링 모드와 같은 저속주행등 다양한 형태로 구형로봇을 이동제어할 수 있다.

10; 몸체 11; 외피
20; 반구 모듈 21; 원판
22; 반구형 쉘 30; 암
31; 로드 부재 32; 마찰부재
40; 구동유닛 50; 제어부

Claims (10)

1. 지면에 접촉하는 바퀴 형상의 몸체;
   지면과 이격되면서 상기 몸체의 좌측 및 우측에 대칭으로 배치되고, 상기 몸체에 대하여 상기 몸체와 함께 회전하거나 단독으로 회전 가능하게 설치되며, 반구형상으로 형성되는 한 쌍의 반구 모듈;
   상기 한 쌍의 반구 모듈 내부에 각각 장착되며, 상기 반구 모듈 내부에 수용되는 제 1 위치와, 일정 길이 만큼 외부로 돌출되는 제 2 위치를 가지는 한 쌍의 암(arm);
   상기 한 쌍의 반구 모듈의 회전과 상기 한 쌍의 암을 수용 및 돌출할 수 있는 동력을 공급하는 구동유닛; 및
   상기 한 쌍의 암과 구동유닛의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하며,
   상기 한 쌍의 암은 상기 한 쌍의 반구가 상기 몸체와 함께 회전 시 펜듈럼(pendulum)역할을 하여 상기 한 쌍의 반구 모듈의 회전동작에 모멘트력을 발생시키도록, 상기 한 쌍의 반구 모듈 내에 편심되게 위치 설정되는 것을 특징으로 하는 구형로봇.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 몸체는,
   상기 몸체의 둘레에 설치되어 타이어 역할을 수행하는 외피를 포함하는 것을 특징으로 하는 구형로봇.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 반구 모듈은,
   상기 몸체보다 작은 직경을 가지는 원판;
   상기 원판을 밑면으로 하여 결합되는 반구형 쉘;을 포함하는 것을 특징으로 하는 구형로봇.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 원판은 알루미늄으로 형성된 것을 특징으로 하는 구형로봇.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 구동유닛은,
   상기 원판의 중심에 설치되며, 상기 몸체와 반구 모듈의 상대 회전을 가능하게 하는 제 1 액츄에이터;
   상기 암을 직선 왕복 운동시키는 제 2 액츄에이터; 및
   상기 제 1 및 제 2 액츄에이터에 전원을 공급하는 배터리유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 구형로봇.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 구동유닛은,
   상기 몸체와 반구 모듈 사이의 공간부에 각각 대칭으로 설치된 것을 특징으로 하는 구형로봇.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 액츄에이터는,
   상기 암과 링크 결합되는 회전 링크;를 포함하는 것을 특징으로 하는 구형로봇.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 제어부는,
   롤링 모드(rolling mode)에서 상기 암을 상기 제 1 위치로 수축시켜, 주행면과 접촉하지 않도록 하고,
   휠링 모드(wheeling mode)에서 상기 암을 상기 제 2 위치로 신장시켜, 구형로봇의 진행 방향에 대하여 뒤편에서 주행면과 접촉시키는 것을 특징으로 하는 구형로봇.
9. 제 3 항에 있어서, 상기 암은,
   상기 원판에 대해 슬라이드 이동하는 적어도 2개의 로드(rod) 부재; 및
   상기 로드 부재의 끝단에 결합되며, 수용위치에서 상기 반구 모듈의 외피의 일부를 형성할 수 있는 모양으로 마련되는 마찰부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 구형로봇.
10. 제 7 항에 있어서, 상기 회전링크는,
    상기 제 2 액츄에이터와 일단이 회전 가능하게 연결되는 제 1 링크와,
    일단이 상기 제 1 링크의 타단과 링크 결합되고, 타단이 반구모듈의 일부에 슬라이딩 이동하는 적어도 2개의 로드 부재 중 어느 하나와 링크 결합되는 제 2 링크;를 포함하는 것을 특징으로 하는 구형로봇.

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