KR101379815B1 - 내압 수밀 구조를 갖는 다관절 해저 로봇용 다리 - Google Patents

내압 수밀 구조를 갖는 다관절 해저 로봇용 다리 Download PDF

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Abstract

본 발명은 서로 다른 두께를 형성하는 다수의 관절부; 및 상기 다수의 관절부를 서로 회전 가능하도록 연결하는 다수의 회전부를 포함하는 내압 수밀 구조를 갖는 다관절 해저 로봇용 다리를 제공한다.
본 발명에 따른 다관절 해저로봇용 다리는 보행 및 자세 제어를 위한 4개의 관절; 내압 수밀을 겨딜 수 있도록 오링 방수 구조가 적용된 각 관절의 하우징과 링크의 고정 조립부; 운동부의 내압 수밀을 위한 이중 오링 방수구조를 갖는 회전부; 케이블외부 노출로 인한 간섭 현상 및 케이블 손상 방지를 위한 관절 및 링크 내 케이블 배선 구조; 해저의 일정 압력을 견디며, 관절 구동 모터 및 감속기를 지지하고, 구조적 강도를 유지하기 위한 기구학적 형상 및 두께를 갖는 관절 하우징 및 링크; 경량화 및 소형화를 위한 프레임리스 모터와 컴포넌트 타입 하모닉 감속기의 직결로 이루어진 구동부; 보행 및 자세 제어를 위한 해저면과 다리끝의 접지력을 측정하는 로드셀;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

내압 수밀 구조를 갖는 다관절 해저 로봇용 다리{ROBOT LEG FOR THE MULTI-LEGGED SEABED ROBOT}
본 발명은 로봇용 다리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 해저 로봇에 설치되어 거동을 원활하게 할 수 있는 내압 수밀 구조를 갖는 다관절 해저 로봇용 다리에 관한 것이다.
일반적으로, 수중 탐사와 작업에 대한 요구가 증가함에 따라서 장비 및 플랫폼에 대한 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다.
수중 환경은 매우 다양한 상태로서 수중 탐사와 작업을 위하여 플랫폼들 또한 적용하고자 하는 환경에 적합한 형태와 방법으로 개발되고 있다.
종래에는 플랫폼 개발에 대해서 적은 수의 구동기로 몸체 움직임 및 자세를 제어 할 수 있으며, 조류가 없는 환경에서 제어가 비교적 용이하다는 장점이 있어 프로펠러를 이용하여 기동하는 기술을 주로 사용하였다.
그러나, 프로펠러를 이용하여 기동하는 플랫폼들은 수중 탐색 및 작업에 있어서 낮은 정확도, 해저 진흙지형에서 작업 시 프로펠러의 움직임으로 발생되는 수중교란 및 강한 조류에서 운용이 불가능하다는 문제점들이 있다.
따라서 이런 단점들을 극복하기 위한 방안으로 보행 및 자세 변환이 가능한 해저로봇에 용이하게 적용할 수 있고, 수중 작업에서의 안정적인 내압 수밀 구조를 갖는 해저 로봇용 다리의 개발이 요구된다.
본 발명의 목적은, 해저에서의 조류 변화에 의해 자세 및 거동을 원활하게 하기 위한 내압 수밀 구조를 갖는 다관절 해저 로봇용 다리를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 해저에서의 일정 압력을 견딜 수 있는 내압 수밀 구조를 갖는 다관절 해저 로봇용 다리를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 외부로부터 케이블을 안전하게 보호할 수 있는 내압 수밀 구조를 갖는 다관절 해저 로봇용 다리를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 해저에서 안정적인 자세 제어를 위한 해저 지면에서의 접지력을 실시간으로 측정할 수 있는 내압 수밀 구조를 갖는 다관절 해저 로봇용 다리를 제공함에 있다.
바람직한 양태에 있어서, 본 발명은 서로 다른 두께를 형성하는 다수의 관절부; 및 상기 다수의 관절부를 서로 회전 가능하도록 연결하는 다수의 회전부를 포함하는 내압 수밀 구조를 갖는 다관절 해저 로봇용 다리를 제공한다.
상기 다수의 회전부를 통해, 상기 다수의 관절부는 4자유도를 형성하는 것이 바람직하다.
상기 다수의 관절부는, 제 1,2넓적 다리 관절과, 발목 관절을 구비하고, 상기 다수의 회전부는 제 1,2,3,4회전부를 구비한다.
상기 제 1회전부는, 해저 로봇의 측부에 설치되어, 상기 제 1넓적 다리 관절을 Z축을 중심으로 회전시키는 둔부 요(yaw)이고,
상기 제 2회전부는, 상기 제 1회전부와 상기 제 1넓적 다리 관절의 일단을 연결하여, 상기 제 1넓적 다리 관절을 X축을 중심으로 회전시키는 둔부 롤이고,
상기 제 3회전부는, 상기 제 1,2넓적 다리 관절을 연결하여, 상기 제 2넓적 다리 관절을 Y축을 중심으로 회전시키는 쇼울더 피치이고,
상기 제 4회전부는 상기 제 2넓적 다리 관절과 상기 발목 관절을 연결하여 상기 발목 관절을 X축을 중심으로 회전시키는 발목 롤인 것이 바람직하다.
상기 각 관절부와 상기 각 회전부는 서로 프레임을 통해 연결되고, 상기 각 프레임 사이에는 내압 기밀을 위한 오링이 설치되는 것이 바람직하다.
상기 각 회전부의 프레임 내측면과, 상기 각 회전부의 축 둘레 사이에는, 다중 구조의 오링이 설치되는 것이 바람직하다.
상기 각 관절부와, 상기 각 회전부의 내부에는 일정의 전기적 신호를 해저 로봇 몸체에 연결되는 케이블이 설치된다.
상기 케이블은 상기 각 관절부 및 상기 각 회전부의 내부를 관통하고, 상기 제 1넓적 다리 관절과 상기 해저 로봇 몸체의 측부를 잇는 링크에 몰딩 배선 타입으로 설치되는 것이 바람직하다.
상기 각 관절부는, 상기 케이블이 관통하도록 중공 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 각 관절부와, 상기 각 회전부는 프레임으로 구성된다.
상기 프레임의 두께는, 해저 깊이에 따르는 압력 값에 따라 산정되어 서로 다른 두께를 형성하는 것이 바람직하다.
상기 발목 관절의 끝단면부에는, 해저 지면의 접촉 상태 및 접지력을 측정할 수 있는 로드셀이 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명은 해저에서의 조류 변화에 의해 자세 및 거동을 원활하게 할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 해저에서의 일정 압력을 견딜 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 외부로부터 케이블을 안전하게 보호할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 해저에서 안정적인 자세 제어를 위한 해저 지면에서의 접지력을 실시간으로 측정할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 내압 수밀 구조를 갖는 다관절 해저 로봇용 다리의 4자유도 형성의 구조를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 내압 수밀 구조를 갖는 다관절 해저 로봇용 다리를 보여주는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 내압 수밀 구조를 갖는 다관절 해저 로봇용 다리를 보여주는 측면도이다.
도 4는 본 발명에 따르는 오링이 설치된 상태를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따르는 케이블의 링크 몰딩 배선 구조를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따르는 케이블의 관절 중공 배선 구조를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따르는 내압 용기의 두께 선정을 위한 단순 모델을 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따르는 내압 용기의 두께와, 압력과의 관계를 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 내압 수밀 구조를 갖는 다관절 해저 로봇용 다리를 설명한다.
4자유도
본 발명의 해저 로봇용 다리는 4자유도를 형성한다.
도 1은 본 발명의 내압 수밀 구조를 갖는 다관절 해저 로봇용 다리의 4자유도 형성의 구조를 보여준다. 도 2는 본 발명의 내압 수밀 구조를 갖는 다관절 해저 로봇용 다리를 보여주고, 도 3은 본 발명의 내압 수밀 구조를 갖는 다관절 해저 로봇용 다리를 보여준다.
도 1 내지 도 3을 참조 하면, 본 발명의 해저 로봇용 다리는 해저 로봇 몸체(10)의 측부 다수 위치에 설치될 수 있다.
본 발명의 해저 로봇용 다리는 다수의 관절부(100)와, 다수의 회전부(200)를 포함한다.
상기 다수의 관절부(100)는, 제 1넓적 다리 관절(110), 제 2넓적 다리 관절(120), 발목 관절(130)로 구성된다.
상기 제 1넓적 다리 관절(110)의 일단은 해저 로봇 몸체(10)의 측부에 링크(20) 연결된다.
상기 다수의 회전부(200)는, 제 1,2,3,4회전부(210,220,230,240)로 구성된다.
상기 제 1회전부(210)는, 둔부 요(hip yaw)이다. 상기 제 1회전부(210)는 제 1넓적 다리 관절(110)의 일단부에서, 상기 제 1넓적 다리 관절(110)을 Z축을 중심으로 회전시킨다.
상기 제 2회전부(220)는 둔부 롤(hip roll)이다. 상기 제 2회전부(220)는 제 1넓적 다리(110)의 일단과 상기 제 1회전부(210)에 연결되어, 상기 제 1넓적 다리 관절(110)을 X축을 중심으로 회전시킨다.
상기 제 3회전부(230)는 쇼울더 피치(shoulder pitch)이다. 상기 제 3회전부(230)는 상기 제 1넓적 다리 관절(110)의 타단과 상기 제 2넓적 다리 관절(120) 일단을 연결하고, 제 2넓적 다리 관절(120)을 Y축을 중심으로 회전시킨다.
상기 제 4회전부(240)는, 발목 롤(knee roll)이다. 상기 제 4회전부(240)는 상기 제 2넓적 다리 관절(120)의 타단과 발목 관절(130)의 일단을 연결하고, 상기 발목 관절(130)을 X축을 중심으로 회전시킨다.
본 발명에 따르는 관절부들로 구성되는 다리는 각 회전부에 의해, 총 4자유도를 형성함으로써, 해저 지면 특히, 경사면에서, 해저 로봇의 다수의 다리를 통해 유연한 자세 변환을 가능하게 할 수 있다.
또한, 본 발명은 다관절 해저 로봇용 다리는 쇼율더 피치인 제 3회전부를 더 구비하도록 함으로써, 강한 조류 흐름에서 해저 로봇 몸체 자세를 이용하여 다리 끝단에서의 해저면으로 누르는 힘을 용이하게 발생시킬 수 있다.
오링구조
도 4는 본 발명에 따르는 오링이 설치된 상태를 보여준다.
도 4를 참조 하면, 본 발명에 따르는 각 관절부(100)와 각 회전부(200)는 서로 프레임을 통해 연결되고, 상기 각 프레임 사이에는 내압 수밀을 위한 오링(300,310)이 설치된다.
제 1회전부(210)와, 제 2회전부(220)의 연결 상태를 보면, 이들은 프레임(211,212,221)을 통해 연결된다.
상기 제 1회전부(210)의 경우, 제 1상측 프레임(211)과, 제 2상측 프레임(212)과 서로 볼트 연결된다.
상기 제 1상측 프레임(211)과 상기 제 2하측 프레임(212)의 사이에는 오링(300)이 개재된다.
따라서, 제 1회전부(210)의 내부 공간은 수밀되는 상태를 이룰 수 있다.
또한, 상기 제 1상측 프레임(211)은 제 2회전부(220)의 프레임(221)과 연결된다. 이 들 사이에도 역시 오링(300)이 개재된다.
특히, 제 1회전부(210)의 내부에는 제 1회전축(210a)이 형성되고, 상기 제 1회전축(210a)은 제 2회전부(220)와 회전 통로(211a)를 통해 연결된다.
여기서, 상기 제 1상측 회전부(211)에는 상기 회전 통로(211a)가 형성되고, 상기 회전 통로(211a)의 내측면과 제 1회전축(210a)의 사이에는 다중, 예컨대 상하를 따라 이중의 오링(310)이 설치된다.
따라서, 본 발명에서는, 프레임들 사이에는 단일개의 오링을 회전축과 프레임의 내측면 사이에는 다중의 오링을 개재시킴으로써, 해저에 다리가 투입되는 경우에, 외부로부터의 수밀 구조를 용이하게 형성할 수 있다.
배선 구조
도 5는 본 발명에 따르는 케이블의 링크 몰딩 배선 구조를 보여준다.
본 발명의 로봇용 다리는 전기적 신호를 해저 로봇 몸체(10)에 설치되는 제어 모듈(미도시)로 전기적 신호를 전송할 수 있는 케이블(400)을 구비한다.
상기 케이블(400)은 상기 각 관절부(100) 및 상기 각 회전부(200)의 내부를 관통하여 몰딩 배선 타입으로 설치되는 것이 좋다.
도 5를 참조 하면, 해저 로봇 몸체(10)의 측부에 고정되는 링크(20)와, 제 1,2회전부(210,220)와의 전기적 케이블(400) 연결 상태를 대표적 예로 보여준다.
각 케이블(400)은 제 1,2회전부(210,220)로부터 링크(20)의 내부를 통해 링크(20)에 설치되는 모듈(21)에 전기적으로 연결된다.
여기서, 상기 케이블(400)은 제 1,2회전부(210,220)의 내부에 배치되고, 링크(20)의 내부에 몰딩되는 상태로 연장된다.
또한, 도 6은 본 발명에 따르는 케이블의 관절 중공 배선 구조를 보여준다.
도 6을 참조 하면, 케이블(400)은 각 관절부(100)의 내부를 관통하도록 배선된다.
여기서, 상기 각 관절부(100)는 중공 형상으로 형성되는 것이 좋고, 케이블(400)은 상기 중공을 통해 배선된다.
따라서, 본 발명은 외부에 노출되지 않을 수 있는 케이블 배선 구조를 형성할 수 있다.
본 발명은 케이블의 배선의 길이를 최소화하여 케이블들에 대한 노이즈의 영향을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명은 각 관절부 및 링크를 관통하여 배선되는 케이블을 몰딩 배선 구조를 적용함으로써, 외부 충격에 의해 케이블이 손상되는 것을 보호할 수 있다.
각 관절부의 두께 선정
본 발명은, 각 관절부(100) 및 회전부(200)를 구성하는 부품에 대한 프레임의 두께를 해저 깊이에 따르는 압력 값에 따라 산정되어 서로 다른 두께를 형성한다.
상세하게는, 수중 링크 관절 설계 및 제작에 있어 각 관절부(100) 및 회전부(200)를 구성하는 구동기와 감속기, 센서의 내압 수밀은 가장 중요한 요인으로, 내압용기의 요구 사양 분석 시 반드시 고려되어야 할 사항이다.
이에 따라, 구동기, 감속기, 센서의 실린더 및 내압 용기에 대한 최소 필요 두께를 ABS룰을 적용하여 산출한다.
계산의 용이성을 위해 부품의 크기를 고려하여 내압 용기를 도 7과 같은 단순한 원통으로 가정하고 파라메터를 정의한다.
내압 용기의 필요 두께를 계산하기 위해 ABS룰을 이용하여 용기 두께와 허용 외부 압력과의 관계를 나타내는 다음과 같은 식을 도출한다.
Figure 112012055918061-pat00001
(식1)
Figure 112012055918061-pat00002
(식2)
(식 2)에서 Pa는 내압 용기의 외부에서 가해지는 최대 허용 압력이며, E는 내압 용기 재료의 탄성 계수를, v는 포아송의 비를 나타낸다.
본 발명에서는 내압 용기 재료를 알루미늄 6061을 고려하여 E=68900Mpa, v=0.33의 값으로 적용한다.
또한, 각 관절부의 구동부 파트들의 크기를 고려하여 내압 용기의 내반경을 b=0.165m로, 길이를 L=0.2m로 설정한 후 내압 용기의 두께와 허용 압력과의 관계를 도 8과 같이 산출한다.
도 8의 결과로부터 해저로봇의 최대 운용 수심 200m를 고려한 최대 허용 압력 25bar(20bar*1.25(안전율))에 대한 내압 용기의 최소 요구 두께는 3.5mm임을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 수중 링크 관절 설계 시 내압 용기의 두께는 최소 4mm 이상을 충족시킬 수 있도록 내압 용기의 요구 사양을 결정할 수 있다.
또한, 도 2 및 도 3에 도시되는 바와 같이, 발목 관절(130)의 타단 또는 끝단면부에는 로드셀(500)이 설치된다.
상기 로드셀(500)은 발목 관절(130)의 타단이 해저의 지면과 접촉시 발생되는 압력값을 측정하고, 이를 제어 모듈(미도시)로 전송할 수 있다.
즉, 상기 로드셀(500)은 발목 관절(130)의 해저 지면 접촉 상태 및 접지력과 같은 정보를 측정할 수 있다.
그리고, 상기 정보는 해저 로봇의 자세 제어 및 컴플라이언스 제어에 적용될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 특징들을 통해, 본 발명은 해저에서의 조류 변화에 의해 자세 및 거동을 원활하게 할 수 있고, 해저에서의 일정 압력을 견딜 수 있는 내압 수밀 구조를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명은 외부로부터 케이블을 안전하게 보호할 수도 있으며, 해저에서 안정적인 자세 제어를 위한 해저 지면에서의 접지력을 실시간으로 측정하여, 로봇의 자세 제어를 실시간으로 조절하도록 할 수 있다.
10 : 해저 로봇 몸체 110 : 제 1넓적 다리 관절
120 : 제 2넓적 다리 관절 130 : 발목 관절
210 : 제 1회전부 210a : 제 1회전축
211 : 제 1상측 프레임 211a : 회전 통로
212 : 제 2상측 프레임 220 : 제 2회전부
230 : 제 3회전부 240 : 제 4회전부
300, 310 : 오링 400 : 케이블
500 : 로드셀

Claims (9)

  1. 서로 다른 두께를 형성하는 다수의 관절부; 및
    상기 다수의 관절부를 서로 회전 가능하도록 연결하는 다수의 회전부를 포함하되,
    상기 다수의 회전부를 통해, 상기 다수의 관절부는 4자유도를 형성하고,
    상기 다수의 관절부는, 제 1,2넓적 다리 관절과, 발목 관절을 구비하고,
    상기 다수의 회전부는 제 1,2,3,4회전부를 구비하고,
    상기 제 1회전부는, 해저 로봇의 측부에 설치되어, 상기 제 1넓적 다리 관절을 Z축을 중심으로 회전시키는 둔부 요(yaw)이고,
    상기 제 2회전부는, 상기 제 1회전부와 상기 제 1넓적 다리 관절의 일단을 연결하여, 상기 제 1넓적 다리 관절을 X축을 중심으로 회전시키는 둔부 롤이고,
    상기 제 3회전부는, 상기 제 1,2넓적 다리 관절을 연결하여, 상기 제 2넓적 다리 관절을 Y축을 중심으로 회전시키는 쇼울더 피치이고,
    상기 제 4회전부는 상기 제 2넓적 다리 관절과 상기 발목 관절을 연결하여 상기 발목 관절을 X축을 중심으로 회전시키는 발목 롤이고,
    상기 발목 관절의 끝단면부에는, 해저 지면의 접촉 상태 및 접지력을 측정할 수 있는 로드셀이 설치되고,
    상기 발목 관절은 곡률을 이루도록 마주 보도록 배치되며, 다수의 개구들이 형성되는 한 쌍의 발목 관절판과, 상기 한 쌍의 발목 관절판의 끝단을 잇는 지지판을 구비하고,
    상기 로드셀은, 상기 지지판의 하면에 설치되되, 하방으로 돌출되는 반구형상을 이루도록 형성되고,
    상기 각 관절부와, 상기 각 회전부의 내부에는 일정의 전기적 신호를 해저 로봇 몸체에 연결되는 케이블이 설치되되,
    상기 케이블은 상기 각 관절부 및 상기 각 회전부의 내부를 관통하고,
    상기 제 1넓적 다리 관절과 상기 해저 로봇 몸체의 측부를 잇는 링크의 내부에 다단으로 꺽이는 배선 경로를 형성하여 몰딩되어 설치되고,
    상기 각 관절부는, 상기 케이블이 관통하도록 중공 형상으로 형성되고,
    상기 관절부와 상기 회전부는 내압 용기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내압 수밀 구조를 갖는 다관절 해저 로봇용 다리.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 각 관절부와 상기 각 회전부는 서로 프레임을 통해 연결되고,
    상기 각 프레임 사이에는 내압 수밀을 위한 오링이 설치되는 것을 특징으로 하는 내압 수밀 구조를 갖는 다관절 해저 로봇용 다리.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 각 회전부의 프레임 내측면과, 상기 각 회전부의 축 둘레 사이에는,
    다중 구조의 오링이 설치되는 것을 특징으로 하는 내압 수밀 구조를 갖는 다관절 해저 로봇용 다리.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 각 관절부와, 상기 각 회전부는 프레임으로 구성되되,
    상기 프레임의 두께는, 해저 깊이에 따르는 압력 값에 따라 산정되어 서로 다른 두께를 형성하는 것을 특징으로 하는 내압 수밀 구조를 갖는 다관절 해저 로봇용 다리.
  9. 삭제
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