KR101278510B1 - 형상기억합금을 이용한 점핑로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 형상기억합금을 이용한 점핑로봇에 관한 것으로서, 로봇의 몸체를 이루는 로봇바디와, 상기 로봇바디의 상부 일측에 피봇 회전가능하게 연결되는 크랭크와, 상기 크랭크의 일단과 상기 로봇바디를 연결하여 자체 복원력에 의해 상기 크랭크를 회전시키는 형상기억합금 코일을 포함하는 바디 모듈; 상기 크랭크의 타단에 접촉하여 크랭크의 피봇 회전에 의해 승강되는 후크와, 상기 후크가 고정되고 상기 로봇바디에 상대적으로 슬라이딩되도록 구비되는 렉 로드와, 상기 렉 로드의 하단에 결합되어 점핑로봇의 발의 역할을 하는 프레임 베이스와, 상기 프레임 베이스에 결합되어 상기 렉 로드를 감싸는 형태의 구형 프레임을 포함하는 다리 모듈; 일단이 상기 후크에 결합되고 타단이 상기 로봇바디에 결합되어 상기 후크와 로봇바디를 연결하는 인장 스프링; 상기 로봇바디에 설치되어 전원을 공급하는 배터리; 상기 형상기억합금 코일에 전압을 인가하여 수축을 발생시키도록 제어하는 제어부를 포함함으로써, 로봇의 점핑 높이가 로봇의 신장에 비해 매우 높아 오지 탐사 등 다양한 용도로 활용할 수 있고, 점핑 자세 및 점핑 후 바닥에 착지하는 착지자세가 안정적으로 이루어지며, 구성이 간단하고 부품수가 적어 무게가 가볍고, 배터리 소비가 낮은 장점이 있다.

Description

형상기억합금을 이용한 점핑로봇{A JUMPING ROBOT USING SHAPE MEMORY ALLOY}

본 발명은 형상기억합금을 이용한 점핑로봇에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구조가 단순하면서도 점프력이 향상되어 다양한 분야에 유용하게 사용될 수 있는 형상기억합금을 이용한 점핑로봇에 관한 것이다.

로봇에 관한 기술이 발달하면서 스스로 이동할 수 있는 이동 로봇이 등장하였고, 이러한 이동 로봇은 다양한 분야에서 사용되고 있다. 예를 들어, 청소 로봇, 감시 로봇 등 다양한 임무를 수행하는 로봇이 등장하였다.

특히 감시, 정찰 등의 임무를 수행하는 로봇은 사람이 직접 감시, 정찰 임무를 수행하기 어려운 여건에 투입되어 효과적으로 임무를 수행할 수 있는 장점이 있다.

이러한 이동 로봇이 다양한 환경에서 다양한 임무를 수행하기 위하여 점프 기능을 가지는 이동 로봇이 필요하게 되었고, 특허공개 2011-00852호에서는 이동 중 전방에 감지된 장애물을 뛰어넘도록 점핑하는 점핑로봇이 제안된 바 있다.

그러나, 상기 종래의 점핑로봇은 구성이 매우 복잡하여 부품수에 따른 제조원가가 상대적으로 비싸고, 무게가 무거운 단점이 있었다.

또한, 점프력이 약하여 최대 점핑높이가 낮은 단점이 있었던 바, 로봇의 크기에 비해 최대 점핑높이가 높고, 사람이 직접 탐험하기 어려운 오지나 외계 행성 등의 탐사에 사용될 수 있는 탐사용 소형 점핑로봇이 당업계에서 요구되는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 형상기억합금을 이용하여 점핑을 하는 구조를 가지며, 로봇의 점핑 높이가 로봇의 신장에 비해 매우 높은 점핑로봇을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 점핑 자세 및 점핑 후 바닥에 착지하는 착지자세가 안정적으로 이루어지며, 별도의 구동수단 없이도 이동이 가능한 점핑로봇을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 구성이 간단하고 부품수가 적어 무게가 가볍고, 배터리 소비가 낮은 형상기억합금을 이용한 점핑로봇을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 로봇의 몸체를 이루는 로봇바디와, 상기 로봇바디의 상부 일측에 피봇 회전가능하게 연결되는 크랭크와, 상기 크랭크의 일단과 상기 로봇바디를 연결하여 자체 복원력에 의해 상기 크랭크를 회전시키는 형상기억합금 코일을 포함하는 바디 모듈; 상기 크랭크의 타단에 접촉하여 크랭크의 피봇 회전에 의해 승강되는 후크와, 상기 후크가 고정되고 상기 로봇바디에 상대적으로 슬라이딩되도록 구비되는 렉 로드와, 상기 렉 로드의 하단에 결합되어 점핑로봇의 발의 역할을 하는 프레임 베이스와, 상기 프레임 베이스에 결합되어 상기 렉 로드를 감싸는 형태의 구형 프레임을 포함하는 다리 모듈; 일단이 상기 후크에 결합되고 타단이 상기 로봇바디에 결합되어 상기 후크와 로봇바디를 연결하는 인장 스프링; 상기 로봇바디에 설치되어 전원을 공급하는 배터리; 상기 형상기억합금 코일에 전압을 인가하여 수축을 발생시키도록 제어하는 제어부를 포함하는 형상기억합금을 이용한 점핑로봇이 제공된다.

본 발명에 있어서, 상기 렉 로드는 소정각도로 기울어진 상태로 상기 프레임 베이스에 결합될 수 있다.

이 경우, 상기 렉 로드는 상기 프레임 베이스와 65~70°의 각도를 갖도록 결합될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 렉 로드가 상기 로봇바디에 인접한 상태에서 슬라이딩 되도록 상기 렉 로드가 끼워지는 끼움부가 상기 로봇바디의 상부와 하부에 구비될 수 있다.

또한, 상기 프레임 베이스는 링형상으로 이루어지고, 상기 프레임 베이스의 하면은 평평하게 형성되어 바닥에 지지되기 용이하게 된다.

한편, 상기 구형 프레임은 복수개의 로드가 일정간격으로 설치되어 구형상을 이루도록 설치될 수 있으며, 상기 로드는 카본 재질로 이루어질 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 인장 스프링은 상기 렉 로드에 개재될 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 의하면, 로봇의 점핑 높이가 로봇의 신장에 비해 매우 높아 오지 탐사 등 다양한 용도로 활용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 점핑 자세 및 점핑 후 바닥에 착지하는 착지자세가 안정적으로 이루어지며, 별도의 구동수단 없이도 이동이 가능한 효과가 있다.

또한, 구성이 간단하고 부품수가 적어 무게가 가볍고, 배터리 소비가 낮은 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 점핑로봇의 실시예를 나타낸 것으로, 전체 구성을 보인 정면도,
도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 점핑로봇에서 바디 모듈과 다리 모듈을 도시한 정면도,
도 3은 본 발명의 실시예에서 바디 모듈과 다리 모듈의 결합된 상태를 도시한 정면도,
도 4은 본 발명의 실시예에서 구형 프레임을 도시한 사시도,
도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 실시예에서 점핑 단계를 순차적으로 도시한 요부 정면도,
도 6은 본 발명의 점핑로봇의 점핑 동작을 나타낸 시뮬레이션.

이하, 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 점핑로봇의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 점핑로봇의 실시예를 나타낸 것으로, 전체 구성을 보인 정면도이고, 도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 점핑로봇에서 바디 모듈과 다리 모듈을 도시한 정면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에서 바디 모듈과 다리 모듈의 결합된 상태를 도시한 정면도이고, 도 4은 본 발명의 실시예에서 구형 프레임을 도시한 사시도이다.

본 발명의 점핑로봇(10)은 두 개의 모듈(module), 즉, 바디 모듈(body module)과 다리 모듈(leg module)로 구성된다.

상기 바디 모듈은 로봇의 몸체를 이루는 로봇바디(12)와, 상기 로봇바디(12)의 상부 일측에 피봇 회전가능하게 연결되는 크랭크(14)와, 상기 크랭크(14)의 일단과 상기 로봇바디(12)를 연결하여 자체 복원력에 의해 상기 크랭크(14)를 회전시키는 형상기억합금(SMA: Shape Memory Alloy) 코일(16)을 포함한다.

본 발명의 일실시예에서의 상기 로봇바디(12)는 도 2에서 보는 바와 같이, 소정의 길이를 가지는 형상으로서, 일측으로 상부와 하부가 돌출된 형상을 갖는데, 상기 돌출된 부위에 상기 크랭크(14)의 회전중심이 되는 중심축(14a)과 형상기억합금 코일(16)의 하단이 결합된다.

이와 같은 상기 로봇바디(12)의 형상은 점핑로봇의 무게를 줄일 수 있는 형상으로서, 상기 크랭크(14)와 형상기억합금 코일(16)이 결합되는 부위를 제외하고는 최소한의 폭을 갖도록 형성한 것이다.

상기 로봇바디(12)에는 전원을 공급하기 위한 배터리(도시안함)가 설치되고, 상기 형상기억합금 코일(16)에 전압을 인가하여 수축을 발생시키도록 제어하는 제어부로서, 컨트롤 보드(30)가 설치된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 바디 모듈에서, 상기 형상기억합금 코일(16)에 전기적인 전압이 인가되면 형상기억합금 코일(16)이 수축하게 되고, 형상기억합금 코일(16)의 수축은 상기 크랭크(14)를 중심축(14a)을 중심으로 시계방향으로 회전하게 한다.

상기 크랭크(14)의 타단은 렉 로드(24)에 고정되는 후크(22)의 끝단과 접촉하고 있다.

상기 후크(22)는 다리 모듈의 구성요소로서, 상기 다리 모듈은 도 2b에 도시한 바와 같이, 상기 크랭크(14)의 타단에 접촉하여 크랭크(14)의 피봇 회전에 의해 승강되는 후크(22)와, 상기 후크(22)가 고정되고 상기 로봇바디(12)에 상대적으로 슬라이딩되도록 구비되는 렉 로드(leg rod)(24)와, 상기 렉 로드(24)의 하단에 결합되어 점핑로봇(10)의 발의 역할을 하는 프레임 베이스(26)와, 상기 프레임 베이스(26)에 결합되어 상기 렉 로드(24)를 감싸는 형태의 구형 프레임(28)을 포함하여 구성된다.

본 발명에 있어서, 상기 렉 로드(24)는 소정각도로 기울어진 상태로 상기 프레임 베이스(26)에 결합된다.

이는 본 발명의 점핑로봇이 안정적으로 균형있는 자세를 갖도록 한 것으로서, 점핑로봇의 무게중심을 고려하여 설계한 본 발명의 일실시예에서는 상기 렉 로드(24)가 상기 프레임 베이스(26)와 65~70°의 각도를 갖도록 결합된다.

즉, 도 3에서 표시한 수직방향의 직선과 렉 로드(24)가 이루는 각(α)은 20~25°의 각도를 갖는 것이다.

이와 같은 렉 로드(24)의 경사각도는 본 출원인이 수행한 컴퓨터 시뮬레이션 결과, 점핑 높이나 거리 면에서 가장 적합한 각도로 확인한 결과로서, 수직방향의 직선과 렉 로드(24)가 이루는 각(α)이 20~25°의 범위 내에 있을 때 점핑 높이와 이동 거리가 가장 적합한 것으로 확인되었다.

상기 프레임 베이스(26)는 도 4에서 보는 바와 같이, 대략 원형의 형상을 갖는 링(ring)형상으로 이루어진다.

또한, 상기 프레임 베이스(26)의 하면은 평평하게 형성되어 바닥에 지지되기 용이하게 된다. 이와 같은 프레임 베이스(26)의 형상으로 인해, 본 발명의 점핑로봇은 매우 안정적인 자세로 바닥에 서있을 수 있게 되며, 착지 시에도 바닥면의 상태에 영향을 덜 받으면서 착지자세를 취할 수 있다.

한편, 상기 구형 프레임(28)은 복수개의 로드(rod)가 일정간격으로 설치되어 구형상을 이루도록 설치되는 것으로서, 상기 로드는 카본 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 렉 로드(24)와 프레임 베이스(26), 구형 프레임(28)은 견고하게 결합되며, 결합방법은 통상적인 방법으로 가능하므로 본 발명에서는 이를 상세히 설명하지 않는다.

본 발명에 있어서, 상기 렉 로드(24)는 상기 로봇바디(12)에 상대적으로 슬라이딩 될 수 있는 구조로 설치된다. 이를 위해 본 발명에서는 상기 렉 로드(24)가 끼워질 수 있는 끼움부(11)(13)가 상기 로봇바디(12)의 상부와 하부에 구비되어, 상기 끼움부(11)(13)에 렉 로드(24)가 끼워진 상태에서 슬라이딩 가능하도록 구성된다.

상기 바디 모듈과 다리 모듈은 인장 스프링(40)에 의해 결합된다. 즉, 상기 인장 스프링(40)의 일단이 상기 후크(22)에 고정되고, 상기 인장 스프링(40)의 타단이 상기 로봇바디(12)에 고정되어 상기 후크(22)와 로봇바디(12)를 연결함으로써, 바디 모듈과 다리 모듈을 결합시킨다.

본 발명에 있어서, 상기 인장 스프링(40)은 상기 렉 로드(24)에 개재되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예로 제시한 점핑로봇의 구형 프레임(28)의 높이는 130㎜이고, 로봇의 전체무게는 약 17g이다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 점핑로봇의 동작 메카니즘은 다음과 같다.

상기 점핑로봇의 점핑은 3단계, 즉, 준비단계, 점핑단계, 회복단계로 나눠진다.

먼저, 준비단계에서는 상기 형상기억합금 코일(16)에 전기적인 전압이 인가되어 형상기억합금 코일(16)이 작동된다.

상기 형상기억합금 코일(16)에 전압이 인가되면 도 5a에 도시한 바와 같이, 수축하고자 하는 힘(Fs)을 내게 되고, 형상기억합금 코일(16)의 수축은 상기 크랭크(14)를 중심축(14a)을 중심으로 시계방향으로 회전하게 한다.

상기 크랭크(14)는 상기 후크(22)에 접촉하고 있으므로, 상기 크랭크(14)가 회전하면 후크(22)를 상방향으로 당기게 되어 후크(22)가 프레임 베이스(26)에 대해 위쪽으로 움직이게 된다.

상기 후크(22)의 이러한 동작은 인장 스프링(40)을 인장시키게 되어, 상기 인장 스프링(40)의 탄성복원력(Fk)을 증가시키게 된다.

본 발명의 점핑로봇의 준비단계는 상기 후크(22)가 도 5b에 도시한 바와 같이, 최상단 위치에 도달하면 완성된다.

상기 후크(22)가 최상단 위치에 도달하는 순단, 즉 후크(22)의 단부와 크랭크(14)의 단부가 서로 만나는 접점(E)은 변환점이라 불리운다.

이 순간에서, 상기 인장 스프링(40)의 인장과 탄성복원력은 가장 크다.

이후, 상기 크랭크(14)가 변환점(E)를 지나게 되면, 후크(22)로 인한 제약이 사라진다. 이와 동시에 상기 인장 스프링(40)의 탄성복원력으로 인해 바디 모듈은 빨리 위쪽으로 가속되어 점핑된다.(점핑 단계)

이와 같이 아주 짧은 시간에 상승이 이루어지고, 점핑로봇은 공기중으로 점프한다.

이후, 점핑되었던 로봇이 착지하면서 회복단계를 가지게 된다.

도 6은 본 발명의 점핑로봇(10)의 점핑 동작을 나타낸 시뮬레이션으로서, 준비단계 후 점핑 단계, 회복단계를 나타낸다.

상술한 과정을 통해서 점핑된 로봇은 도 6에서 보는 바와 같이, 바닥으로 착지하게 되는데, 본 발명의 점핑 로봇은 하단에 링(ring)형상의 프레임 베이스(26)가 구비되어 있으므로, 점핑된 로봇의 안정적인 착지가 가능하게 된다.

상기 시뮬레이션은 로봇이 바닥에 접촉한 이후에 스탠딩 자세를 회복하는 것이 가능한 것임을 보여준다.

이와 같은 본 발명의 점핑로봇은 점핑 후 바닥에 착지하는 착지자세가 안정적으로 이루어지며, 별도의 구동수단 없이도 연속적인 점핑에 의해 이동이 가능한 구조를 갖는다.

또한, 점핑 높이가 로봇의 신장에 비해 매우 높아 오지 탐사 등 다양한 용도로 활용할 수 있다.

10 : 점핑로봇 12 : 로봇바디
14 : 크랭크
16 : 형상기억합금(SMA: Shape Memory Alloy) 코일
22 : 후크 24 : 렉 로드(leg rod)
26 : 프레임 베이스 28 : 구형 프레임
30 : 컨트롤 보드 40 : 인장 스프링

Claims (8)

1. 로봇의 몸체를 이루는 로봇바디와, 상기 로봇바디의 상부 일측에 피봇 회전가능하게 연결되는 크랭크와, 상기 크랭크의 일단과 상기 로봇바디를 연결하여 자체 복원력에 의해 상기 크랭크를 회전시키는 형상기억합금 코일을 포함하는 바디 모듈;
   상기 크랭크의 타단에 접촉하여 크랭크의 피봇 회전에 의해 승강되는 후크와, 상기 후크가 고정되고 상기 로봇바디에 상대적으로 슬라이딩되도록 구비되는 렉 로드와, 상기 렉로드가 끼워지며 상기 로봇바디의 상부와 하부에 구비되어 상기 렉로드의 슬라이딩을 가이드하는 끼움부와, 상기 렉 로드의 하단에 결합되어 점핑로봇의 발의 역할을 하는 프레임 베이스와, 상기 프레임 베이스에 결합되어 상기 렉 로드를 감싸는 형태의 구형 프레임을 포함하는 다리 모듈;
   상기 렉로드에 끼워지며, 일단이 상기 후크에 결합되고 타단이 상기 로봇바디에 결합되어 상기 후크와 로봇바디를 연결하는 인장 스프링;
   상기 로봇바디에 설치되어 전원을 공급하는 배터리; 및
   상기 형상기억합금 코일에 전압을 인가하여 수축을 발생시키도록 제어하는 제어부;
   를 포함하는 형상기억합금을 이용한 점핑로봇.
2. 제1항에 있어서,
   상기 렉 로드는 소정각도로 기울어진 상태로 상기 프레임 베이스에 결합되는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 점핑로봇.
3. 제2항에 있어서,
   상기 렉 로드는 상기 프레임 베이스와 65~70°의 각도를 갖도록 결합되는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 점핑로봇.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 프레임 베이스는 링형상으로 이루어지고, 상기 프레임 베이스의 하면은 평평하게 형성되어 바닥에 지지되기 용이한 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 점핑로봇.
6. 제1항 또는 제5항에 있어서,
   상기 구형 프레임은 복수개의 로드가 일정간격으로 설치되어 구형상을 이루는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 점핑로봇.
7. 제6항에 있어서,
   상기 로드는 카본 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 점핑로봇.
8. 삭제

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