KR101357208B1 - 보행형 로봇 - Google Patents

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KR101357208B1
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torque sensor
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강필순
하태준
김대제
박현석
김회동
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현대로템 주식회사
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Abstract

보행형 로봇이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 보행형 로봇은, 적어도 한 쌍의 다리로 보행하는 보행형 로봇으로서, 다리의 단부에 회동 가능하게 결합되어 로봇을 지지하는 발바닥부재와; 다리의 단부와 발바닥부재 사이에 개재되며, 외력에 의해 발바닥부재에 작용하는 2축 방향 이상에서의 힘(force)과 토크(torque)를 측정하여 제공하는 다축 힘/토크 센서와; 이러한 다축 힘/토크 센서에서 제공하는 정보에 따라 로봇의 보행 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

보행형 로봇{WALKING ROBOT}
본 발명은 보행형 로봇에 관한 것이다.
로봇을 이용하여 다양한 작업을 수행하기 위한 많은 연구가 진행되고 있으며, 특히 로봇 기술이 발달함에 따라 인체에 착용되어 인체의 근력을 지원하는 착용형 로봇이 개발되고 있다.
일반적으로, 이러한 근력 지원을 위한 인체 착용형 로봇은 착용자가 움직이고자 하는 동기 신호를 받아 구동하도록 형성되며, 구동력 확보를 위한 모터나 유압실린더 등이 로봇에 구비된다.
이러한 착용형 로봇이 착용자의 보행에 맞춰 자연스럽게 작동하기 위해서는 착용형 로봇의 발바닥에 다수의 반력측정센서(힘센서)를 설치하고 이러한 반력측정센서에서 수집되는 정보를 이용하여 로봇의 발바닥과 지면 사이의 접촉 상태 등에 대한 정보를 획득한다.
그러나 이러한 종래의 반력측정센서를 이용한 방식은 단순히 로봇과 지면 사이의 상태 정보를 획득할 수 있을 뿐이며, 착용자와 로봇 그리고 로봇과 지면 간의 상호 작용을 파악할 수 있는 정량적인 역학 정보 및 착용자의 보행 의도를 파악할 수 있는 정보를 획득함에 있어서는 한계가 있다. 이에 따라, 로봇의 보행 동작을 제어함에 있어서 인간과 같이 정밀한 힘 제어를 구현하는데 한계가 있다.
한국공개특허공보 제2011-0083144호
본 발명의 실시 예들은 착용자의 보행 중 보행 의도를 파악하여 로봇을 보행 동작을 보다 정확하게 제어할 수 있는 보행형 로봇을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 적어도 한 쌍의 다리로 보행하는 보행형 로봇으로서, 상기 다리의 단부에 회동 가능하게 결합되어 상기 로봇을 지지하는 발바닥부재와; 상기 다리의 단부와 상기 발바닥부재 사이에 개재되며, 외력에 의해 상기 발바닥부재에 작용하는 2축 방향 이상에서의 힘(force)과 토크(torque)를 측정하여 제공하는 다축 힘/토크 센서와; 상기 다축 힘/토크 센서에서 제공하는 정보에 따라 상기 로봇의 보행 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 보행형 로봇이 제공된다.
상기 보행형 로봇은 상기 다리의 단부와 상기 발바닥부재 사이에 설치되어 상기 발바닥부재에 회전력을 제공하는 구동부를 더 포함할 수 있으며, 상기 제어부는 상기 다축 힘/토크 센서에서 제공하는 정보에 따라 상기 로봇을 입고 있는 착용자의 보행 의도를 예측하고 상기 구동부의 작동을 제어하여 상기 로봇의 보행 동작을 제어할 수 있다.
상기 다축 힘/토크 센서는, 허브와; 일단부가 상기 허브에 결합되어 상기 허브로부터 방사상으로 연장되는 복수의 바퀴살과; 상기 허브가 내측에 위치하도록 상기 복수의 바퀴살의 타단부와 결합되는 림(rim)과; 상기 복수의 바퀴살에 각각 설치되며, 상기 복수의 바퀴살 각각에 작용하는 외력에 의해 발생하는 변형율(strain)을 측정하는 변형율 측정부를 포함할 수 있다.
상기 복수의 바퀴살은 상기 허브와 상기 림보다 강성이 낮을 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따르면, 2축 방향 이상에서의 힘(force)과 토크(torque)를 측정하여 제공하는 다축 힘/토크 센서를 보행형 로봇의 발목 부분에 장착함으로써, 착용자의 보행 중 보행 의도를 실시간으로 파악하고 이로부터 제공되는 정보를 이용하여 로봇을 보행 동작을 보다 정확하게 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행형 로봇을 개략적으로 나타낸 측면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행형 로봇의 다축 힘/토크 센서를 확대하여 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행형 로봇의 다축 힘/토크 센서가 작용하는 외력에 의해 변형되는 상태를 나타낸 사시도.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명에 따른 보행형 로봇의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행형 로봇을 개략적으로 나타낸 측면도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행형 로봇의 다축 힘/토크 센서를 확대하여 나타낸 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행형 로봇의 다축 힘/토크 센서가 작용하는 외력에 의해 변형되는 상태를 나타낸 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 보행형 로봇(100)은, 다리(110)의 단부에 회동 가능하게 결합되어 로봇(100)을 지지하는 발바닥부재(120)와, 다리(110)의 단부와 발바닥부재(120) 사이에 개재되며 외력에 의해 발바닥부재(120)에 작용하는 2축 방향 이상에서의 힘(force)과 토크(torque)를 측정하여 제공하는 다축 힘/토크 센서(130)와, 이러한 다축 힘/토크 센서(130)에서 제공하는 정보에 따라 로봇(100)의 보행 동작을 제어하는 제어부(미도시)를 포함한다.
이와 같은 본 실시예에 따르면, 2축 방향 이상에서의 힘(force)과 토크(torque)를 측정하여 제공하는 다축 힘/토크 센서(130)를 보행형 로봇(100)의 발목 부분에 장착함으로써, 착용자의 보행 중 보행 의도를 실시간으로 파악하고 이로부터 제공되는 정보를 이용하여 로봇을 보행 동작을 보다 정확하게 제어할 수 있다.
또한, 다축 힘/토크 센서(130)를 보행형 로봇(100)의 발목 부분에 장착함으로써, 종래와 같이 복수개의 압력 센서를 발바닥부재에 설치함에 따라 그 크기가 필요 이상으로 비대해지는 것을 최소화할 수 있으며, 결과적으로 미려한 외관을 제공할 수 있으며 사용되는 자재 등을 절감할 수 있다.
또한, 다축 힘/토크 센서(130)를 보행형 로봇(100)의 발목 부분에 장착함으로써, 종래와 같이 복수개의 압력 센서를 발바닥부재의 저면에 설치할 필요가 없어, 종래와 같이 발바닥부재에 가해지는 충격으로 인해 압력 센서 등이 파손되는 등의 문제를 해결할 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 실시예에 따른 보행형 로봇(100)의 각 구성에 대하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 보행형 로봇(100)은 적어도 한 쌍의 다리(110)로 보행하는 로봇으로서, 본 실시예에서는 인체의 하반신에 착용되어 착용자의 근력을 지원하는 역할을 하는 착용형 로봇일 수 있다.
본 실시예에서는 도 1에 도시된 보행형 로봇(100)이 착용자의 근력을 지원하는 착용형 로봇으로 도시되고 있으나, 보행형 로봇(100)은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 인간의 형상을 가진 로봇 등 다양한 로봇 형태를 모두 포함하는 개념이다.
이러한 로봇(100)의 다리(110)는, 착용자의 하반신 운동이 자연스럽게 구현될 수 있도록 도 1에 도시된 바와 같이 다수개의 부재가 관절(112)을 매개로 회동 가능하게 결합되어 형성될 수 있다.
구체적으로 보행형 로봇(100)은, 골반 부재와, 이러한 골반 부재에 회동 가능하게 결합되는 대퇴골 부재와, 이러한 대퇴골 부재에 회동 가능하게 결합되는 경골 부재와, 이러한 경골 부재에 회동 가능하게 결합되는 발바닥부재(120)를 포함할 수 있다.
이렇게 서로 회동 가능하게 결합된 부재들 간에는 도시된 바와 같이 관절(112)이 형성되며, 이러한 관절(112) 부분에 각 부재들의 상대 회동을 위한 구동력을 제공하는 구동부(미도시)가 구비될 수 있다. 이 경우, 비록 도시되지는 않았으나, 이러한 구동부는 예를 들어 모터나 유압실린더 등을 포함하여 구성될 수 있다.
발바닥부재(120)는 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 부재로 구성된 다리(110)의 단부에 회동 가능하게 결합되어 보행형 로봇(100)을 지지하는 부재이다. 이러한 발바닥부재(120)은 보행형 로봇(100)을 착용하는 사람의 발 형상에 상응하여 형성될 수 있으며, 도시된 예 외에도 그 형상은 다양하게 변형될 수 있다.
본 실시예에서는, 이러한 발바닥부재(120)와 상술한 다리(110)의 단부가 서로 결합되는 부분(즉, 발목 부분)에 다축 힘/토크 센서(130)가 설치될 수 있다.
다축 힘/토크 센서(130)는 외력에 의해 발바닥부재(120)에 작용하는 2축 방향 이상에서의 힘(force)과 토크(torque)를 측정하여 후술할 제어부(미도시)로 제공하는 장치이다.
이러한 다축 힘/토크 센서(130)는 착용자와 로봇 그리고 로봇과 지면 간의 상호 작용을 파악할 수 있는 정보 및 착용자의 보행 의도를 파악할 수 있는 정보를 획득하여 제어부로 피드백(feedback)할 수 있다.
즉, 다축 힘/토크 센서(130)가 발바닥부재(120)와 다리(110)의 단부가 서로 결합되는 부분(본 실시예의 경우, 발목 부분)에 설치됨으로써, 종래와 같이 복수개의 압력 센서를 발바닥부재의 저면에 여러 개 설치할 필요 없이, 지면과 발바닥부재(120) 간의 접촉력뿐만 아니라 발바닥부재(120)와 착용자의 발바닥 간의 접촉력도 보다 정밀하게 측정하여 제어부로 피드백(feedback)할 수 있으며, 이와 같이 접촉 운동시에 발생하는 다양한 축(즉, 2축 이상) 방향에서의 모든 힘과 토크 성분을 직접 측정할 수 있어, 관절(112)에서의 보다 정밀한 힘제어를 구현할 수 있다.
본 실시예에서는 다축 힘/토크 센서(130)로서 예를 들어 6축 힘/토크 센서가 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 필요에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
이러한 다축 힘/토크 센서(130)는 각속도와 가속도계를 이용하여 6자유도 운동을 측정할 수 있으며, 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이 어느 방향으로 힘(force)이 작용하더라도 그 힘의 방향을 고려하여 그 방향의 모든 외력(즉, 토크)을 측정할 수 있다.
이를 위해, 다축 힘/토크 센서(130)는 도 2에 도시된 바와 같이, 허브(132)와 복수의 바퀴살(134)과 림(rim, 136)과 변형율 측정부를 포함할 수 있다.
구체적으로, 다축 힘/토크 센서(130)는, 다리(110)의 길이방향 중심축(C)이 관통하는 허브(132)와, 일단부가 허브(132)에 결합되어 허브(132)로부터 방사상으로 외측으로 연장되는 복수의 바퀴살(134)과, 허브(132)가 내측에 위치하도록 복수의 바퀴살(134)의 타단부와 결합되는 링 모양의 림(136)과, 복수의 바퀴살(134)에 각각 설치되며 상기 복수의 바퀴살(134) 각각에 작용하는 외력에 의해 발생하는 변형율(strain)을 측정하는 변형율 측정부를 포함할 수 있다.
즉, 변형율 측정부를 이용하여 복수의 바퀴살(134)에 발생하는 변형율을 측정할 수 있으며, 결과적으로 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이 외력이 작용하는 방향(이 경우, 외력이 작용하는 방향은 적어도 하나 이상일 수 있음)의 토크를 모두 측정할 수 있다.
본 실시예의 경우, 변형율 측정부는 스트레인 게이지(strain gage, 138)를 포함할 수 있다. 이 경우, 스트레인 게이지(138)로 구성된 휘트스톤 브리지 회로(미도시)를 이용하여 다축 힘/토크 센서(130)에 발생하는 변형율을 측정할 수 있다.
즉, 복수의 바퀴살(134)에 각각 설치된 스트레인 게이지(138)는 외력이 작용할 때마다 바퀴살(134)과 함께 변형되며, 2개의 스트레인 게이지(138)와 2개의 동일한 크기의 저항으로 휘트스톤 브리지 회로를 구성하여 양단의 전압차를 측정하면, 외력에 의한 바퀴살(134)의 변형율을 구할 수 있다.
이러한 다축 힘/토크 센서(130)의 기본 원리는 탄성계수를 알고 있는 구조물(본 실시예의 경우, 복수의 바퀴살(134)에 해당함)에 외력이 가해질 때 발생하는 변형율을 측정하고, 이로부터 토크를 계산하는 것이다. 일반적으로, 토크를 측정하기 위해서 강성이 높은 지지체(본 실시예의 경우, 다리(110)에 해당함)와 출력링크(본 실시예의 경우, 발바닥부재(120)에 해당함) 사이에 탄성변형을 할 수 있는 구조물(탄성체)을 삽입하고, 외력이 작용할 때 발생하는 탄성체의 변형을 측정하여 토크를 측정할 수 있다.
이때, 다축 힘/토크 센서(130)의 구조물을 설계하기 위해서는 측정하고자 하는 힘의 방향을 모두 고려해야 한다. 이 경우, 예를 들어 x축에 대한 토크를 측정하는 센서는 x축에 작용하는 토크에 대해 민감하지만, 나머지 방향의 힘이나 토크에는 둔감해야 한다. 그리고, 다축 힘/토크 센서(130)의 구조물은 적절한 강성을 유지하면서 측정하고자 하는 방향의 토크를 측정할 수 있어야 한다.
본 실시예에서는, 다축 힘/토크 센서(130)는, 허브(132)와 림(136)을 일정한 강성을 유지할 수 있는 재질로 구성함으로써 보행용 로봇(100)의 관절(112)의 위치 제어 성능(즉, 강성 등)이 저하되는 것을 방지함과 동시에, 복수의 바퀴살(134)을 허브(132)와 림(136)에 비해 강성이 상대적으로 낮은 재질로 구성함으로써 관절(112)에 작용하는 다양한 방향의 토크를 보다 정밀하게 측정할 수 있다.
즉, 토크에 의한 바퀴살(134)의 미세한 변형을 스트레인 게이지(138)을 이용하여 측정하고 그 정보를 후술할 제어부에 실시간으로 피드백함으로써, 접촉 운동시에 발생하는 다양한 축(즉, 다축) 방향에서의 모든 힘과 토크 성분을 직접 측정할 수 있어, 관절(112)에서의 보다 정밀한 힘제어를 구현할 수 있다.
한편, 도 2 및 도 3에 도시된 다축 힘/토크 센서(130)는 6개의 바퀴살(134)을 구비한 것을 예로 들어 도시하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 필요에 따라 바퀴살(134)의 개수와 배치 형태는 다양하게 변형될 수 있다.
제어부(미도시)는 상술한 다축 힘/토크 센서(130)에서 제공되는 정보를 이용하여 보행용 로봇(100)의 보행 동작을 제어하는 장치이다.
이러한 제어부는, 다축 힘/토크 센서(130)에서 제공되는 정보에 따라 로봇(100)을 입고 있는 착용자의 보행 의도를 예측하고, 다리(110) 발바닥부재(120) 사이에 설치되어 발바닥부재(120)에 회전력을 제공하는 구동부(미도시)의 작동을 제어하여 상기 로봇(100)의 보행 동작을 실시간으로 제어할 수 있다.
비록 구체적으로 도시되지 않았으나, 이러한 제어부는 상술한 다축 힘/토크 센서(130)에 예를 들어 무선이나 유선과 같이 전기적으로 연결될 수 있으며 다축 힘/토크 센서(130)로부터 제공되는 신호를 수신할 수 있도록 구성될 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따르면, 2축 방향 이상에서의 힘과 토크를 측정하여 제공하는 다축 힘/토크 센서(130)를 보행형 로봇(100)의 발목 부분에 장착하고 이를 이용하여 착용자가 받게 되는 반력(힘 또는 토크)를 정확하게 측정함으로써, 착용자의 보행 중 보행 의도를 실시간으로 파악하고 이로부터 제공되는 정보를 이용하여 로봇을 보행 동작을 보다 정확하게 제어할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 관절(112) 부분에 설치된 구동부(미도시)에서 발생시키는 토크로부터 유래한 반력 외에 로봇 착용자가 로봇(100)을 조작함에 따라 발생시키는 힘 또는 토크를 측정하는데도 유리한 이점이 있다. 즉, 종래의 발바닥부재에 복수개의 압력센서를 설치하던 방식에서는 착용자의 조작 행위에 의해 발생되는 반력을 모션 제어기에서 반영하지 못하여 동작 제어의 정확성이 저하되는 문제가 있었으나, 본 실시예에서는 착용자의 조작행위에 따른 힘 또는 토크도 정확하게 측정하여 제어부로 제공할 수 있다. 이를 통해, 보행형 로봇(100)의 보다 정확한 보행 동작 제어가 가능하다.
이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
100: 보행형 로봇
110: 다리
120: 발바닥부재
112: 관절
130: 다축 힘/토크 센서
132: 허브
134: 바퀴살
136: 림(rim)
138: 스트레인 게이지(strain gage)

Claims (4)

  1. 적어도 한 쌍의 다리로 보행하는 보행형 로봇으로서,
    상기 다리의 단부에 회동 가능하게 결합되어 상기 로봇을 지지하는 발바닥부재와;
    상기 다리의 단부와 상기 발바닥부재 사이에 개재되며, 외력에 의해 상기 발바닥부재에 작용하는 2축 방향 이상에서의 힘(force)과 토크(torque)를 측정하여 제공하는 다축 힘/토크 센서와;
    상기 다축 힘/토크 센서에서 제공하는 정보에 따라 상기 로봇의 보행 동작을 제어하는 제어부를 포함하되,
    상기 다축 힘/토크 센서는,
    상기 다리의 길이방향 중심축이 관통하는 허브와;
    일단부가 상기 허브에 결합되어 상기 허브로부터 방사상으로 연장되는 막대형상의 복수의 바퀴살과;
    상기 허브가 내측에 위치하도록 상기 복수의 바퀴살의 타단부와 결합되는 림(rim)과;
    상기 복수의 바퀴살에 각각 설치되며, 상기 복수의 바퀴살 각각에 작용하는 외력에 의해 발생하는 변형율(strain)을 측정하는 변형율 측정부를 포함하며,
    상기 허브와 상기 림은 상기 다리의 단부와 상기 발바닥부재 사이에 개재되어 상기 외력을 상기 복수의 바퀴살로 전달하며,
    상기 복수의 바퀴살은 상기 허브와 상기 림보다 강성이 낮은 재질로 이루어져 상기 외력에 의해 탄성 변형되는 것을 특징으로 하는, 보행형 로봇.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다리의 단부와 상기 발바닥부재 사이에 설치되어 상기 발바닥부재에 회전력을 제공하는 구동부를 더 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 다축 힘/토크 센서에서 제공하는 정보에 따라 상기 로봇을 입고 있는 착용자의 보행 의도를 예측하고 상기 구동부의 작동을 제어하여 상기 로봇의 보행 동작을 제어하는, 보행형 로봇.
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