KR101420569B1 - 다리유닛 및 이를 포함하는 주행로봇 - Google Patents

다리유닛 및 이를 포함하는 주행로봇 Download PDF

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공경철
나병훈
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서강대학교산학협력단
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Abstract

다리유닛 및 이를 포함하는 주행로봇이 개시된다. 본 발명에 따른 다리유닛 및 이를 포함하는 주행로봇에 의하면 고속 주행이 가능하고 빠른 가감속 및 위치 정밀 제어가 가능하며, 동력전달 구조를 단순화함으로써 제조비용을 절감하고 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 외부 충격 및 주변환경 적응 능력을 높이고 임무수행 능력을 향상시켜 안정성과 신뢰성을 확보할 수 있다.

Description

다리유닛 및 이를 포함하는 주행로봇{LEG UNIT AND RUNNING ROBOT HAVING THE SAME}
본 발명은 다리유닛 및 이를 포함하는 주행로봇에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 고속 주행이 가능하고, 빠른 가감속을 통해 정밀 제어를 용이하게 수행할 수 있으며, 동력전달 구조를 단순화하면서도 기계적인 마찰이나 미끄러짐, 소음을 줄일 수 있는 다리유닛 및 이를 포함하는 주행로봇에 관한 것이다.
로봇은 위험한 환경에서 인간의 활동을 대신하거나, 인간의 신체적인 능력보다 높은 동적 능력이 필요한 곳에서 많이 사용되고 있다.
최근 다양한 목적의 복수 다리(multi leg) 주행로봇이 소개되고 있다. 복수 다리를 갖는 주행로봇의 경우, 회전 바퀴를 갖는 자동차 형태의 로봇과 달리 산악지역 등과 같은 험로 등에서 안정적인 주행이 가능하며, 최근에는 군사적인 목적으로 하중 운반용 주행로봇도 소개되고 있다.
그런데 이미 소개된 복수 다리 주행로봇들은 차량형 주행로봇들보다 고속 주행을 구현하기가 어려우며, 특히 회전형 모터나 유압실린더를 적용한 복수 다리 주행로봇의 경우 장비가 무거워지고 빠른 가감속 및 위치 제어가 어려운 문제점이 있다.
또한, 기존의 복수 다리 주행로봇은 동력전달구조가 상대적으로 복잡하기 때문에 제조비용과 생산성 측면에서 불리하며, 외부 충격에 취약한 구조를 가지므로 안정성 및 활용도가 떨어지는 단점이 있다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하여 고속 주행 및 정밀 제어가 가능하고, 동력전달 구조를 단순화하여 안정성과 신뢰도를 높일 수 있는 다리유닛 및 이를 포함하는 주행로봇의 필요성이 증가되고 있다.
본 발명의 실시 예들은 고속 주행이 가능하고 빠른 가감속 및 위치 정밀 제어가 가능한 다리유닛 및 이를 포함하는 주행로봇을 제공하고자 한다.
또한, 동력전달 구조를 단순화함으로써 제조비용을 절감하고 생산성을 향상시킬 수 있는 다리유닛 및 이를 포함하는 주행로봇을 제공하고자 한다.
또한, 외부 충격 및 주변환경 적응 능력을 높이고 임무수행 능력을 향상시켜 안정성과 신뢰성을 확보하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상부 다리부, 상기 상부 다리부에 회전 가능하게 결합하는 하부 다리부, 상기 상부 다리부와 리니어 모터를 연결하는 제1 링크부재 및 상기 제1 링크부재와 하부 다리부를 연결하는 제2 링크부재;를 포함하는 다리유닛을 제공할 수 있다.
이 경우, 상기 제2 링크부재는 상기 리니어 모터의 병진운동 및 회전운동과 상기 상부 다리부의 회전운동에 따라 하부 다리부의 회전운동을 연동시킬 수 있다.
또한, 상기 상부 다리부와 하부 다리부가 결합되는 무릎관절부에 구비되며, 상기 하부 다리부가 일방으로 일정각도 이상 회동하는 것을 제한하는 회전제한 부재를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 회전제한 부재는 제1 비틀림 스프링으로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 하부 다리부는 탄소섬유 플라스틱 재질로 이루어진 지지부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 다리유닛은 주행로봇의 몸체부에 결합되며, 상기 다리유닛이 결합되는 고관절부에 구비되는 제2 비틀림 스프링을 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 다리유닛이 일정 각도 이상 왕복 회전운동하는 경우 상기 제2 비틀림 스프링을 압축시키는 적어도 하나의 스토퍼를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 몸체부, 상기 몸체부에 회전가능하게 결합되는 복수의 다리유닛 및 상기 몸체부에 회전가능하게 결합되는 고정자와, 상기 고정자에 대해 왕복 직선운동함에 따라 상기 다리유닛을 왕복 회전운동시키는 가동자를 가지는 복수의 리니어 모터를 포함하는 주행로봇을 제공할 수 있다.
그리고, 상기 몸체부 전방에 결합되는 2 개의 전방 다리유닛과, 상기 몸체부 후방에 결합되는 2 개의 후방 다리유닛을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 전방 다리유닛을 구동시키는 리니어 모터와 상기 후방 다리유닛을 구동시키는 리니어 모터는 회전운동 시 서로 간섭하지 않도록 회전면이 교차 배치될 수 있다.
또한, 상기 가동자와 상기 다리유닛을 연결하는 제1 링크부재를 더 포함하고, 상기 다리유닛은, 상기 몸체부에 회전가능하게 결합되는 상부 다리부와, 상기 상부 다리부에 회전가능하게 결합되는 하부 다리부를 포함하며, 상기 제1 링크부재는 상기 상부 다리부에 연결될 수 있다.
이 경우, 상기 제1 링크부재와 상기 하부 다리부를 연결하며, 상기 가동자의 병진운동 및 회전운동과 상기 상부 다리부의 회전운동에 따라 하부 다리부의 회전운동을 연동시키는 제2 링크부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 후방 다리유닛의 상부 다리부와 상기 가동자를 연결하는 제1 링크부재는 L자형으로 이루어지고, 상기 제1 링크부재 양단에는 상기 가동자와 상기 상부 다리부가 각각 연결되며, 제1 링크부재의 절곡부에는 상기 제2 링크부재가 연결될 수 있다.
그리고, 상기 전방 다리유닛의 상부 다리부와 상기 가동자를 연결하는 제1 링크부재는 일자형으로 이루어지며, 상기 제1 링크부재 양단에는 상기 가동자와 상기 제2 링크부재가 각각 연결되고, 제1 링크부재의 중심부에는 상기 상부 다리부가 연결될 수 있다.
여기서, 상기 상부 다리부와 하부 다리부가 결합되는 무릎관절부에 구비되며, 상기 하부 다리부가 일방으로 일정각도 이상 회동할 수 있다.
또한, 상기 후방 다리유닛에 구비되는 회전제한 부재는 전방으로의 일정각도 이상 회동을 제한할 수 있다.
이 경우, 상기 전방 다리유닛에 구비되는 회전제한 부재는 후방으로의 일정각도 이상 회동을 제한할 수 있다.
또한, 상기 몸체부 좌측에 결합된 다리유닛들과 상기 몸체부 우측에 결합된 다리유닛들을 구동하는 리니어 모터의 구동속도를 서로 달리함으로써 진행방향을 제어할 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위하여, 몸체에 결합된 복수의 상부 다리부가 각각 구비된 리니어 모터에 의해 독립적으로 구동되며, 상기 상부 다리부에 결합된 하부 다리부는 상기 리니어 모터 및 상기 상부 다리부의 운동에 연동하는 것을 특징으로 하는 주행로봇을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 고속 주행이 가능하고 빠른 가감속 및 위치 정밀 제어가 가능한 다리유닛 및 이를 포함하는 주행로봇을 제공할 수 있다.
또한, 동력전달 구조를 단순화함으로써 제조비용을 절감하고 생산성을 향상시킬 수 있는 다리유닛 및 이를 포함하는 주행로봇을 제공할 수 있다.
또한, 외부 충격 및 주변환경 적응 능력을 높이고 임무수행 능력을 향상시켜 안정성과 신뢰성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 주행로봇의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 주행로봇의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 주행로봇에 사용되는 리니어 모터의 절개 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 후방 다리유닛의 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전방 다리유닛의 분해 사시도이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 후방 다리유닛의 작동도이다.
도 10 내지 도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전방 다리유닛의 작동도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 주행로봇 고관절부에 사용되는 비틀림 스프링의 구조를 도시한 부분 정면도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 주행로봇의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 주행로봇의 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 주행로봇에 사용되는 리니어 모터의 절개 사시도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 후방 다리유닛의 분해 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전방 다리유닛의 분해 사시도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 주행로봇(1000)은 크게 몸체부(100)와, 상기 몸체부(100)에 회전가능하게 결합되는 복수의 다리유닛(200) 및, 상기 몸체부(100)에 회전가능하게 결합되는 고정자(310)와, 상기 고정자(310)에 대해 왕복 직선운동함에 따라 상기 다리유닛(200)을 왕복 회전운동시키는 가동자(320)를 가지는 복수의 리니어 모터(300)를 포함하여 이루어질 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 주행로봇은 4개의 다리유닛(200)을 구비하여, 일반 4개의 다리를 갖는 실제 동물과 같은 주행을 구현할 수 있다.
상기 몸체부(100)는 상체부(100b)와 하체부(100a)로 구획되어 주행 동작이 수행되는 과정에서 상기 상체부(100b)와 상기 하체부(100a)가 어느 정도 회전 동작이 가능하도록 구성될 수 있다. 이는 4개의 다리를 갖는 동물의 자연스러운 주행동작의 모방이 가능하게 함과 동시에 1 싸이클 주행동작에 의하여 이동가능한 이동거리를 증가시킬 수 있기 때문이며, 이를 위해 상기 상체부(100b)와 상기 하체부(100a) 간에 회전 동작을 구현하기 위한 구동부가 추가적으로 더 구비될 수 있다.
물론, 주행로봇(1000)의 몸체부(100)가 상체부(100b) 및 하체부(100a)로 구획되지 않고 하나의 몸체로 구성될 수도 있다. 상기 상체부(100b) 및 상기 하체부(100a) 내측에 구비되는 수용공간에는 상기 리니어 모터(300)에 전력을 제공하기 위한 배터리(E) 및 컨트롤러 기판(P) 등이 구비될 수 있다.
상기 수용공간은 상체부(100b)와 하체부(100a)의 프레임 및 상기 상체부(100b)와 하체부(100a)의 상부를 커버하는 상부 플레이트(101)와 하부를 커버하는 하부 플레이트(102)에 의해 구획되는 공간일 수 있다. 그리고, 상기 배터리(E)와 컨트롤러 기판(P)은 상기 하부 플레이트(102) 상에 배치되어 몸체부(100) 내부에 수용된다.
상기 컨트롤러 기판(P)은 상기 리니어 모터(100) 또는 상기 배터리(E)의 센싱 또는 제어를 위한 회로부를 구비할 수 있다. 상기 컨트롤러 기판(P) 또는 상기 회로부는 센싱 또는 감지 정보의 저장을 위한 메모리 및 촬상 정보의 무선 전송을 위한 통신회로를 구비할 수 있다.
통신 기능을 제공하기 위하여, 회로부가 통신회로를 구비함과 동시에 상기 컨트롤러 기판(P)에는 데이터 송수신을 위한 통신 모듈(예를 들면, 안테나 모듈) 등을 포함할 수 있다. 상기 통신 모듈을 통해 송신되는 정보는 상기 배터리(E)의 충전량 정보, 후술하는 카메라 유닛(C)의 촬상 정보 또는 기타 장착된 센서(예를 들면, 위치 또는 날씨)의 감지정보 등일 수 있으며, 상기 통신 모듈을 통해 수신되는 정보는 새로운 제어입력 신호와 관련된 정보 등일 수 있다.
상기 상체부(100b) 전방에 주행방향 촬영을 위한 카메라 유닛(C)이 설치될 수 있다. 상기 카메라 유닛(C)은 군사용 또는 재난 정보 획득 등을 위한 촬영작업을 수행할 수 있다. 이 경우, 상기 카메라 유닛(C)에서 촬상된 정보는 상기 컨트롤러 기판(P)에 구비된 제어부 등의 메모리에 저장되거나, 제어부에 구비된 통신모듈을 통하여 무선으로 정보 수신자에게 전송될 수 있다.
본 발명에 따른 주행로봇에 구비되는 4개의 다리유닛(200)은 상체부(100b)에 2개가 구비되고, 하체부(100a)에 2개가 구비될 수 있다. 물론, 도 1에 도시된 실시 예와 달리, 상기 상체부(100b) 또는 상기 하체부(100a)에 구비되는 다리유닛(200)의 개수는 더 많아질 수도 있다.
상기 다리유닛(200)은 상기 몸체부(100)에 회전가능하게 결합되어 회전축을 중심으로 왕복 회전운동이 가능하도록 설치될 수 있다. 그리고, 본 실시 예에서 상기 다리유닛(200)은, 상기 몸체부(100) 전방 즉, 상체부(100b)에 결합되는 2 개의 전방 다리유닛(200b)과, 상기 몸체부(100) 후방 즉 하체부(100a)에 결합되는 2 개의 후방 다리유닛(200a)을 포함하여 이루어진다.
상기 전방 다리유닛(200b)과 후방 다리유닛(200a)을 이루는 구성요소들은 기본적으로 동일하며 일부 형상이나 작동에 있어 미차가 있을 뿐이므로, 이하에서는 전방 다리유닛(200b)과 후방 다리유닛(200a)을 이루는 구성요소들을 기본적으로 동일한 도면부호를 사용하여 설명하며, 서로 차이가 있는 부분만 표시하거나 부연 설명하도록 한다.
한편, 상기 각각의 다리유닛(200)을 구동하기 위하여 리니어 모터(300)가 구비될 수 있다. 상기 리니어 모터(300)는 다리유닛(200)마다 구비되어 각각의 다리유닛(200)을 독립적으로 구동시킬 수 있다.
여기서, 상기 후방 다리유닛(200a)을 구동하는 리니어 모터(300)는 상기 후방 다리유닛(200a)의 전방측에 배치되며, 상기 전방 다리유닛(200b)을 구동하는 리니어 모터(300)는 상기 전방 다리유닛(200b)의 후방측에 배치되어 각각 구동력을 전달하는 것이 바람직하다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 리니어 모터(300)는 영구자석(316)을 구비하는 고정자(310)와 전자석(326)이 구비된 가동자(320)를 구비한다. 상기 고정자(310)는 박스 형태로 구성되며, 내부를 관통하여 가동자(320)가 슬라이딩 가능하게 장착될 수 있다. 여기서, 상기 고정자(310)는 일측에는 회전 연결부(312)가 구비되어 상기 몸체부(100)에 회전가능하게 결합될 수 있다.
상기 가동자(320)는 상기 고정자(310)를 중심으로 왕복 직선운동하도록 구비된다. 그리고 상기 가동자(320) 일단은 상기 다리유닛(200)과 연결되어 상기 가동자(320)가 왕복 직선운동함에 따라 상기 다리유닛(200)을 왕복 회전운동시킨다. 상기 고정자(310) 및 상기 가동자(320)는 어느 쪽이 몸체부(100)에 결합하느냐에 따라 그 역할은 변경될 수 있다.
상기 가동자(320)의 양쪽 단부에는 마감부재(328)가 결합되는데, 상기 마감부재(328)는 상기 가동자(320)가 왕복 이동 중에 고정자(310)로부터 이탈하지 않도록 하는 스토퍼 역할을 수행한다. 상기 가동자(320)의 일측 마감부재(328)에는 후술할 제1 링크부재(242)가 회전 가능하게 연결되며, 제1 링크부재(242)를 통해 상기 가동자(320)와 상기 다리유닛(200)이 연결된다. 이때, 상기 마감부재(328)에는 제1 링크부재 연결부(329)가 구비되어 상기 제1 링크부재(242)가 회전 가능하게 결합될 수 있다.
상기 가동자(320)의 내부에는 일렬로 전자석(326)이 매립되어 있으며 전자석(326)의 자기력선의 방향이 동일한 방향이 되도록 배치될 수 있다. 그리고, 상기 전자석(326)에 인가되는 전류의 방향에 따라 상기 고정자(310)에 설치된 영구자석(316)과의 상호 작용에 의해 상기 가동자(320)가 상기 고정자(310)를 중심으로 왕복 직선운동하게 된다.
상기 가동자(320)의 왕복 직선운동에 의한 반작용으로 상기 고정자(310)가 회전운동을 하며, 그에 따라 상기 가동자(320)는 병진 및 회전운동을 병행하게 된다. 그리고 상기 가동자(320)의 병진운동 및 회전운동에 따라 상기 다리유닛(200)이 왕복 회전운동을 하게 된다.
이와 같이 상기 다리유닛(200)을 구동하는 구동장치로 리니어 모터(300)를 사용하면, 고속 주행이 가능하고 빠른 가감속 및 위치 정밀 제어가 가능하며, 동력전달 구조를 단순화함으로써 제조비용을 절감하고 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 외부 충격 및 주변환경 적응 능력을 높이고 임무수행 능력을 향상시켜 안정성과 신뢰성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
한편, 상기 전방 다리유닛(200b)을 구동시키는 리니어 모터(300)의 고정자(310)와 상기 후방 다리유닛(200a)을 구동시키는 리니어 모터(300)의 고정자(310)는 회전운동 시 서로 간섭하지 않도록 회전면이 교차 배치될 수 있다.
구체적으로, 상기 상체부(100b)를 이루는 프레임의 폭과 상기 하체부(100a)를 이루는 프레임의 폭은 서로 다르게 구성될 수 있는데, 본 실시 예에서는 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 상체부(100b)를 이루는 프레임의 폭이 하체부를 이루는 프레임의 폭보다 좁게 형성되는 예를 제시한다. 여기서, 전방 다리유닛(200b)을 구동시키는 2 개의 리니어 모터(300)는 서로 간의 간격이 상대적으로 작고, 후방 다리유닛(200a)을 구동시키는 2 개의 리니어 모터(300)는 서로 간의 간격이 상대적으로 크기 때문에 회전면이 일치하지 않게 되며, 따라서 서로 간섭하지 않고 회전할 수 있다.
다른 측면에서, 상기 상체부(100b)와 하체부(100a)의 프레임 폭을 동일하게 구성한 경우에는 전방 다리유닛(200b)을 구동시키는 리니어 모터(300)와 후방 다리유닛(200a)을 구동시키는 리니어 모터(300)가 프레임으로부터 이격되는 거리를 달리함으로써, 회전면을 교차 배치하는 것도 가능하다. 어느 경우에도 전방 측 리니어 모터(300)와 후방 측 리니어 모터(300)는 회전운동 시 간섭하지 않고 서로 교차하면서 회전할 수 있도록 설치되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 주행로봇(1000)은 상기 가동자(320)와 상기 다리유닛(200)을 연결하는 제1 링크부재(242)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 제1 링크부재(242)는 상기 리니어 모터(300)의 구동력을 전달하여 상기 다리유닛(200)이 왕복 회전운동을 할 수 있도록 하는 매개 역할을 수행한다.
전술한 바와 같이, 상기 리니어 모터(300)의 가동자(320)는 스스로 왕복 직선운동을 하는 한편 상기 고정자(310)가 회전하기 때문에, 병진운동 및 회전운동을 동시에 병행하게 되며, 이를 상기 제1 링크부재(242)가 다리유닛(200)에 전달함으로써 그에 따라 상기 다리유닛(200)이 왕복 회전운동을 하게 된다.
여기서, 상기 다리유닛(200)은, 상기 몸체부(100)에 회전가능하게 결합되는 상부 다리부(210)와, 상기 상부 다리부(210)에 회전가능하게 결합되는 하부 다리부(220)를 포함하며, 상기 제1 링크부재(242)는 상기 상부 다리부(210)에 연결될 수 있다.
상기 상부 다리부(210)는 뼈대를 이루는 2 개의 상부 다리부 프레임(212)를 구비하는데, 상기 제1 링크부재(242)는 축핀(243)에 의해 상기 상부 다리부 프레임(212)에 회전 가능하게 연결되며, 상기 축핀(243)이 결합된 지점을 중심축으로 하여 회전운동한다.
상기 상부 다리부 프레임(212)의 외측으로는 상부 다리부 커버(214)가 결합된다. 그리고, 상기 하부 다리부(220) 또한 하부 다리부 프레임(222)을 구비하며 상기 하부 다리부 프레임(222)은 상기 상부 다리부 프레임(212)과 무릎관절부(230)에 의해 연결되어 회전 가능하게 결합한다.
이때, 상기 제1 링크부재(242)와 상기 하부 다리부(220)를 연결하는 제2 링크부재(244)가 구비될 수 있다, 상기 제2 링크부재(244)는 상기 가동자(320)의 병진운동 및 회전운동과 상기 상부 다리부(210)의 회전운동에 따라 하부 다리부(220)의 회전운동을 연동시키는 역할을 수행한다.
구체적으로, 상기 제2 링크부재(244)의 일단은 상기 하부 다리부 프레임(222)에 구비된 제2 링크부재 연결부(224)에 연결되며, 타단은 상기 제1 링크부재(242)에 연결된다. 따라서, 상기 제1 링크부재(242)는 상기 가동자(320)와 상기 상부 다리부(210)를 연결하는 한편, 상기 제2 링크부재(244)를 통해 하부 다리부(220)와도 연결된다.
한편, 본 발명에 따른 주행로봇(1000)은 상기 상부 다리부(210)와 하부 다리부(220)가 결합되는 무릎관절부(230)에 구비되며, 상기 하부 다리부(220)가 일방으로 일정각도 이상 회동하는 것을 제한하는 회전제한 부재를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 다리유닛(200)이 주행동작을 수행함에 있어서 상부 다리부(210)와 하부 다리부(220)는 각각의 회전축을 중심으로 회전운동을 하지만, 상기 하부 다리부(220)가 지면을 딛고 나아가는 순간에는 상기 상부 다리부(210)와 하부 다리부(220)가 평행을 이룬 상태에서 상기 회전제한 부재가 하부 다리부(220)의 회동을 제한함으로써 주행을 위한 충분한 추진력을 얻을 수 있도록 구성된다.
구체적으로, 상기 회전제한 부재는 제1 비틀림 스프링(236)으로 이루어질 수 있다. 상기 제1 비틀림 스프링(236)은 무릎관절부 회전축(232)에 고정 설치되며, 상기 무릎관절부 회전축(232)과 함께 무릎관절부(230)를 구성한다.
상기 제1 비틀림 스프링(236)은 상기 하부 다리부(220)의 회전운동 시 일방으로 회전하면서 압축되며 상기 제1 비틀림 스프링(236)이 최대로 변형되는 지점에서 상기 하부 다리부(220)의 회동이 제한된다. 그리고, 상기 하부 다리부(220)가 반대 방향으로 회전하기 시작하면 복원력을 제공하여 하부 다리부(220)의 회전운동에 일조하게 된다.
이때, 상기 후방 다리유닛(200a)에 구비되는 제1 비틀림 스프링(236)은 전방으로의 일정각도 이상 회동을 제한하고, 상기 전방 다리유닛(200b)에 구비되는 제1 비틀림 스프링(236)은 후방으로의 일정각도 이상 회동을 제한하도록 구성된다.
한편, 상기 후방 다리유닛(200a)과 전방 다리유닛(200b)에 적용되는 상기 제1 링크부재(242)의 형상과 연결구조는 조금씩 차이가 있다. 이는 1 사이클 구동에 있어서 상기 리니어 모터(300)와 상부 다리부(210)에 연동하여 움직이는 하부 다리부(220)의 운동 형태가 다르고, 회전 제한이 필요한 지점이 다르기 때문이다.
구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 후방 다리유닛(200a)의 상부 다리부(210)와 상기 가동자(320)를 연결하는 제1 링크부재(242)는 L자형으로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 제1 링크부재(242) 양단에는 상기 가동자(320)와 상기 상부 다리부(210)가 각각 연결되고, 제1 링크부재(242)의 절곡부에는 상기 제2 링크부재(244)가 연결될 수 있다.
이러한 제1 링크부재(242)의 형상 및 연결구조와 제1 비틀림 스프링(236)의 작동에 의해 상기 하부 다리부(220)의 회전범위를 후방 쪽으로는 크게 하면서 전방 쪽으로는 제한적인 범위 내에서 유지하는 것이 가능하다.
또한, 상기 가동자(320)가 상부 다리부(210)를 최대한 당겨서 상부 다리부(210)가 전방측으로 최대한 회전한 상태에서도 상기 하부 다리부(220)는 전방측으로 회전할 수 있는 여지를 남겨 놓을 수 있다.
따라서, 상기 상부 다리부(210)가 다시 후방측으로 회전하는 도중에 상기 하부 다리부(220)가 전방으로 회전하여 상부 다리부(210)와 평행을 이루게 되며, 이때 제1 비틀림 스프링(236)에 의해 상기 하부 다리부(220)의 회전이 제한되면서 하부 다리부(220)가 지면을 딛고 박찰 수 있는 형태로 동작하게 된다.
이를 통해 실제 네발 동물이 뛸 때 뒷다리가 움직이는 구조에 매우 가까운 형태로 후방 다리유닛(200a)의 동작을 구현하는 것이 가능하다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 전방 다리유닛(200b)의 상부 다리부(210)와 상기 가동자(320)를 연결하는 제1 링크부재(242)는 일자형으로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 제1 링크부재(242) 양단에는 상기 가동자(320)와 상기 제2 링크부재(244)가 각각 연결되고, 제1 링크부재(242)의 중심부에는 상기 상부 다리부(210)가 축핀(243)에 의해 연결될 수 있다.
이러한 제1 링크부재(242)의 형상 및 연결구조와 제1 비틀림 스프링(236)의 작동에 의해 상기 하부 다리부(220)의 회전범위를 전방 쪽으로는 크게 하면서 후방 쪽으로는 제한적인 범위 내에서 유지하는 것이 가능하다.
또한, 상기 상부 다리부(210)가 후방으로 회전하는 속도보다 상기 하부 다리부(220)가 후방으로 회전하는 속도를 더 빠르게 함으로써 상기 상부 다리부(210)가 후방으로 회전하는 도중에 상기 하부 다리부(220)가 후방으로 회전하여 상부 다리부(210)와 평행을 이루게 된다. 그리고, 이때 제1 비틀림 스프링(236)에 의해 상기 하부 다리부(220)의 회전이 제한되면서 하부 다리부(220)가 고정된 상태로 지면을 딛고 박찰 수 있다.
이를 통해 실제 네발 동물이 뛸 때 앞다리가 움직이는 구조에 매우 가까운 형태로 전방 다리유닛(200b)의 동작을 구현하는 것이 가능하다.
한편, 상기 하부 다리부(220)는 탄소섬유 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP) 재질로 이루어진 지지부재(226)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. CFRP는 카본섬유를 강화재로 하는 고강도, 고탄성의 플라스틱계 복합재로서, 경량 구조용 재료로서 뛰어난 특성이 있으며, 일반적으로 비강도는 철강의 6배, 유리섬유 플라스틱(Glass Fiber Reinforced Plastics, GFRP)의 2배, 비탄성률은 철강의 3배, 유리섬유 플라스틱의 4배이다. 또한 정적 강도뿐만 아니라 피로특성이 뛰어나며, 내마찰, 내마모성에 있어서도 좋은 특성을 갖는다.
이와 같이 CFRP로 이루어진 상기 지지부재(226)는 상기 하부 다리부 프레임(222)에 고정 설치되며, 주행로봇(1000)의 주행 시 가벼우면서도 높은 강도와 고 반발로 하중을 지지하여 주행 효율을 높여줄 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 주행로봇(1000)은 좌측과 우측의 다리유닛(200)의 동작속도를 달리함으로써 주행방향을 제어할 수 있다. 즉, 상기 몸체부(100) 좌측에 결합된 다리유닛(200)들과 상기 몸체부(100) 우측에 결합된 다리유닛(200)들을 구동하는 리니어 모터(300)의 구동속도를 서로 달리함으로써 진행방향을 제어할 수 있다.
구체적으로, 좌측의 리니어 모터(300)의 구동속도를 우측의 리니어 모터(300)의 구동속도보다 높게 하면 주행로봇(1000)이 우측 방향으로 진행하게 된다. 그리고, 우측의 리니어 모터(300)의 구동속도를 좌측의 리니어 모터(300)의 구동속도보다 높게 하면 주행로봇(1000)이 좌측방향으로 진행한다.
따라서, 직선 주행을 할 때에는 좌,우측 리니어 모터(300)들이 동일한 속도로 구동되고, 방향을 바꿀 필요가 있을 때에는 좌,우측 리니어 모터(300)의 구동속도가 서로 다르게 구동되어 진행방향을 바꾸는 운전이 가능하다.
이때, 상기 컨트롤러 기판(P)에서 제어신호를 생성하여 좌측과 우측의 리니어 모터(300)의 구동속도를 조절하게 되며, 통신모듈을 통한 원격조정 또는 자율주행 제어를 통해 스스로 장애물을 피해 목표로 달려갈 수 있도록 구성하는 것 모두 가능하다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 후방 다리유닛의 작동도이다.
도 6 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 주행로봇(1000) 후방 다리유닛(200a)의 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 6(a)에서 보는 바와 같이, 상기 리니어 모터(300)는 고정자(310)가 회전운동하면서 가동자(320)가 고정자(310)를 중심으로 왕복 직선운동하므로 병진운동과 회전운동을 병행하게 된다.
그에 따라 상기 가동자(320)와 제1 링크부재(242)로 연결된 후방 다리유닛(200a)의 상부 다리부(210)는 회전운동을 하며, 상기 제2 링크부재(244)에 의해 제1 링크부재(242)와 연결된 하부 다리부(220)는 가동자(320)의 병진운동과 회전운동 및 상부 다리부(210)의 회전운동에 연동하여 회전운동하게 된다.
여기서 도 6(a)는 가동자(320)가 최대한 상측으로 직선이동한 상태에서 다시 하측으로 이동하기 시작하는 단계로 이때 상기 상부 다리부(210)는 전방으로 최대한 회전한 상태에서 다시 후방으로 회전하기 시작한다. 이때, 상기 제1 링크부재(242)가 제2 링크부재(244)를 통해 하부 다리부(220)를 잡아당기고 있기 때문에 하부 다리부(220)는 여전히 전방으로 회전하고 있는 상태이다.
이어서, 도 6(b)에서 보듯이 상기 가동자(320)가 시계 반대방향으로 회전하면서 직선 이동하므로 상기 상부 다리부(210)는 가동자(320)가 미는 힘에 의해 후방 즉, 시계 반대방향으로 회전하고, 상기 하부 다리부(220)는 상기 제1 링크부재(242)가 잡아당기는 힘에 의해 전방 즉, 시계방향으로 회전한다. 이때, 상기 하부 다리부(220)가 전방으로 회전함에 따라 상기 제1 비틀림 스프링(236)이 압축된다.
도 7(a)와 도 7(b)에서는 상기 제1 링크부재(242)가 제2 링크부재(244)를 통해 하부 다리부(220)를 잡아당기는 힘이 여전히 작용하고 있지만, 상기 제1 비틀림 스프링(236)이 최대로 압축되면서 더 이상 변형할 수 없기 때문에 상기 하부 다리부(220)의 전방으로의 회전이 제한된다. 이때 상기 상부 다리부(210)와 하부 다리부(220)는 평행을 이룬 상태로 지지되면서 상기 가동자(320)가 미는 힘에 의해 상기 하부 다리부(220)가 지면을 박차면서 전방으로 나아가는 추진력을 얻게 된다.
도 8(a)에서는 상기 제1 링크부재(242)가 제2 링크부재(244)를 통해 하부 다리부(220)를 시계 반대방향으로 미는 힘이 작용하므로 락킹(locking) 즉, 회전제한이 풀리면서 상기 하부 다리부(220)가 후방으로 회전한다. 이때, 상기 가동자(320)는 하측으로 최대로 이동한 상태이며 상기 상부 다리부(210)도 최대 후방으로 회전한 상태이다.
도 8(b)에서는 상기 가동자(320)가 다시 상측으로 이동함에 따라 상기 상부 다리부(210)는 전방으로 회전하기 시작한다. 그리고 상기 하부 다리부(220)도 후방으로의 회전을 마치고 다시 전방으로 회전을 시작한다.
도 9(a)에서 보는 바와 같이, 상기 가동자(320)가 상측으로 이동하면서 상기 상부 다리부(210)는 계속해서 전방으로 회전하며 상기 하부 다리부(220) 또한 전방으로 회전한다. 그리고, 도 9(b)에 도시된 것처럼 상기 가동자(320)가 상측으로 최대한 이동한 상태에서는 도 6(a)에서 도시된 것과 동일한 형태가 됨으로써 1사이클 동작을 마치게 된다. 그리고 이러한 형태의 동작이 계속해서 반복된다.
도 10 내지 도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전방 다리유닛의 작동도이다.
도 10 내지 도 14를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 주행로봇(1000) 전방 다리유닛(200b)의 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 10(a)에서 보는 바와 같이, 상기 리니어 모터(300)는 고정자(310)가 회전운동하면서 가동자(320)가 고정자(310)를 중심으로 왕복 직선운동하므로 병진운동과 회전운동을 병행하게 된다.
그에 따라 상기 가동자(320)와 제1 링크부재(242)로 연결된 전방 다리유닛(200b)의 상부 다리부(210)는 회전운동을 하며, 상기 제2 링크부재(244)에 의해 제1 링크부재(242)와 연결된 하부 다리부(220)는 가동자(320)의 병진운동과 회전운동 및 상부 다리부(210)의 회전운동에 연동하여 회전운동하게 된다.
여기서 도 10(a)는 가동자(320)가 최대한 상측으로 직선이동한 상태에서 다시 하측으로 이동하기 시작하는 단계로 이때 상기 상부 다리부(210)는 후방 즉, 시계 반대방향으로 최대한 회전한 상태에서 다시 전방 즉, 시계 방향으로 회전하기 시작한다. 이때, 상기 제1 링크부재(242)가 제2 링크부재(244)를 통해 하부 다리부(220)를 잡아당기고 있기 때문에 하부 다리부(220)는 전방으로 회전한다.
이어서, 도 10(b)에서 보듯이 상기 가동자(320)가 시계 방향으로 회전하면서 직선 이동하므로 상기 상부 다리부(210)는 가동자(320)가 미는 힘에 의해 전방 즉, 시계 방향으로 회전하고, 상기 하부 다리부(220)는 상기 제1 링크부재(242)가 잡아당기는 힘에 의해 전방 즉, 시계방향으로 회전한다.
도 11(a)에서는 상기 가동자(320)가 계속 하측으로 직선이동하면서 상기 상부 다리부(210)를 밀기 때문에 상기 상부 다리부(210)가 계속해서 시계 방향으로 회전하며, 상기 하부 다리부(220)는 상기 제1 링크부재(242)가 잡아당기는 힘이 작용하므로 역시 시계방향으로 계속해서 회전한다. 도 11(b)는 상기 가동자(320)가 하측으로 최대한 이동한 상태를 나타내며, 그에 따라 상기 상부 다리부(210)와 하부 다리부(220)도 전방으로 최대한 회전한 상태이다.
도 12(a)에서는 상기 가동자(320)가 시계 반대방향으로 회전하면서 상측으로 이동하기 때문에 상기 상부 다리부(210)는 시계 반대방향으로 회전하기 시작하며, 상기 제1 링크부재(242)도 제2 링크부재(244)를 통해 하부 다리부(220)에 미는 힘을 작용하므로 하부 다리부(220) 또한 시계 반대방향으로 회전하기 시작한다. 이때, 상기 하부 다리부(220)가 시계 반대방향 즉, 후방으로 회전함에 따라 상기 제1 비틀림 스프링(236)이 압축된다.
도 12(b)에서는 상기 가동자(320)가 계속 상측으로 직선이동하면서 상기 상부 다리부(210)를 당기기 때문에 상기 상부 다리부(210)가 계속해서 후방으로 회전하고, 상기 하부 다리부(220)는 상기 제1 링크부재(242)가 미는 힘이 작용하므로 계속해서 후방으로 회전하며, 상기 제1 비틀림 스프링(236)도 계속해서 압축된다.
도 13(a)와 도 13(b)에서는 상기 제1 링크부재(242)가 제2 링크부재(244)를 통해 하부 다리부(220)를 미는 힘이 여전히 작용하고 있지만, 상기 제1 비틀림 스프링(236)이 최대로 압축되면서 더 이상 변형할 수 없기 때문에 상기 하부 다리부(220)의 후방으로의 회전이 제한된다. 이때 상기 상부 다리부(210)와 하부 다리부(220)는 평행을 이룬 상태로 지지되면서 상기 가동자(320)가 잡아당기는 힘에 의해 상기 하부 다리부(220)가 지면을 박차면서 전방으로 나아가는 추진력을 얻게 된다.
도 14에서는 상기 제1 링크부재(242)가 제2 링크부재(244)를 통해 하부 다리부(220)를 시계 방향으로 당기는 힘이 작용하므로 락킹(locking) 즉, 회전제한이 풀리면서 상기 하부 다리부(220)가 전방으로 회전한다. 이때, 상기 가동자(320)는 상측으로 최대로 이동한 상태이며 상기 상부 다리부(210)도 최대 후방으로 회전한 상태이다. 그리고, 도 10(a)에서 도시된 것과 동일한 형태가 됨으로써 1사이클 동작을 마치게 된다. 그리고 이러한 형태의 동작이 계속해서 반복된다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 주행로봇 고관절부에 사용되는 비틀림 스프링의 구조를 도시한 부분정면도이다.
도 2 내지 도 5 및 도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 주행로봇(1000)은 상기 몸체부(100)와 상기 다리유닛(200)이 결합되는 고관절부(250)에 구비되는 제2 비틀림 스프링(256)과, 상기 다리유닛(200)이 일정 각도 이상 왕복 회전운동하는 경우 상기 제2 비틀림 스프링(256)을 압축시키는 적어도 하나의 스토퍼(258)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 고관절부(250)는 상기 다리유닛(200)이 몸체부(100)와 결합되는 부분으로 고관절부 회전축(252)에 회전가이드(254)가 결합됨으로써 상기 다리유닛(200)이 몸체부(100)에 회전 가능하게 결합된다.
상기 고관절부 회전축(252)은 상기 몸체부(100)의 프레임에 고정 설치되고, 상기 회전가이드(254)는 상기 2개의 상부 다리부 프레임(212) 사이에 고정 설치된다. 따라서 상기 고관절부 회전축(252)이 몸체부(100)에 고정된 상태에서 상기 회전가이드(254)가 상기 고관절부 회전축(252) 상에서 회전함으로써 상기 다리유닛(200)이 회전하게 된다.
그리고, 상기 제2 비틀림 스프링(256)은 상기 고관절부 회전축(252)상에 고정 설치되며, 상기 스토퍼(258)는 상기 상부 다리부 프레임(212)에 설치된다. 따라서, 주행 시 상기 다리유닛(200)이 왕복 회전운동하면 상기 스토퍼(258)는 상기 상부 다리부 프레임(212)을 따라 일정 각도 범위 내에서 왕복 회전운동하게 되며, 상기 제2 비틀림 스프링(256)은 상기 고관절부 회전축(252)과 함께 고정된 상태로 있게 된다.
여기서, 고관절부(250)의 움직임이 크지 않을 때 즉, 회전각도가 a°범위 내에서는 제2 비틀림 스프링(256)에 의한 효과가 없이 그냥 움직이지만, 고관절부(250)의 움직임이 커져서 예을 들어 회전각도가 b°와 같이 커지면 양쪽의 스토퍼(258)에 의해 제2 비틀림 스프링(256)에 의한 힘이 작용하게 된다.
이때, 제2 비틀림 스프링(256)에 의한 힘이 작용하는 구간에서는 공진을 역이용할 수 있도록 특정 주파수 대역으로 리니어 모터(300)를 가진 시키면 더 큰 힘을 낼 수 있다.
지금까지 설명한 본 발명에 따른 주행로봇(1000)에 의하면 고속 주행이 가능하고 빠른 가감속 및 위치 정밀 제어가 가능하며, 동력전달 구조를 단순화함으로써 제조비용을 절감하고 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 외부 충격 및 주변환경 적응 능력을 높이고 임무수행 능력을 향상시켜 안정성과 신뢰성을 확보할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 일 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.
100 : 몸체부 200 : 다리유닛
300 : 리니어 모터 1000 : 주행로봇

Claims (19)

  1. 상부 다리부;
    상기 상부 다리부에 회전 가능하게 결합하는 하부 다리부;
    상기 상부 다리부와 리니어 모터를 연결하는 제1 링크부재; 및
    상기 제1 링크부재와 하부 다리부를 연결하는 제2 링크부재;를 포함하며,
    상기 제2 링크부재는 상기 리니어 모터의 병진운동 및 회전운동과 상기 상부 다리부의 회전운동에 따라 하부 다리부의 회전운동을 연동시키는 것을 특징으로 하는 다리유닛.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상부 다리부와 하부 다리부가 결합되는 무릎관절부에 구비되며, 상기 하부 다리부가 일방으로 일정각도 이상 회동하는 것을 제한하는 회전제한 부재를 더 포함하는 다리유닛.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 회전제한 부재는 제1 비틀림 스프링으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다리유닛.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하부 다리부는 탄소섬유 플라스틱 재질로 이루어진 지지부재를 더 포함하는 다리유닛.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다리유닛은 주행로봇의 몸체부에 결합되며, 상기 다리유닛이 결합되는 고관절부에 구비되는 제2 비틀림 스프링을 더 포함하는 다리유닛.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 다리유닛이 일정 각도 이상 왕복 회전운동하는 경우 상기 제2 비틀림 스프링을 압축시키는 적어도 하나의 스토퍼를 더 포함하는 다리유닛.
  8. 몸체부;
    상기 몸체부에 회전가능하게 결합되는 복수의 다리유닛; 및
    상기 몸체부에 회전가능하게 결합되는 고정자와, 상기 고정자에 대해 왕복 직선운동함에 따라 상기 다리유닛을 왕복 회전운동시키는 가동자를 가지는 복수의 리니어 모터;를 포함하며,
    상기 몸체부 좌측에 결합된 다리유닛들과 상기 몸체부 우측에 결합된 다리유닛들을 구동하는 리니어 모터의 구동속도를 서로 달리함으로써 진행방향을 제어하는 것을 특징으로 하는 주행로봇.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 다리유닛은,
    상기 몸체부 전방에 결합되는 2 개의 전방 다리유닛과, 상기 몸체부 후방에 결합되는 2 개의 후방 다리유닛을 포함하는 주행로봇.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전방 다리유닛을 구동시키는 리니어 모터와 상기 후방 다리유닛을 구동시키는 리니어 모터는 회전운동 시 서로 간섭하지 않도록 회전면이 교차 배치되는 것을 특징으로 하는 주행로봇.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 가동자와 상기 다리유닛을 연결하는 제1 링크부재를 더 포함하고, 상기 다리유닛은, 상기 몸체부에 회전가능하게 결합되는 상부 다리부와, 상기 상부 다리부에 회전가능하게 결합되는 하부 다리부를 포함하며, 상기 제1 링크부재는 상기 상부 다리부에 연결되는 것을 특징으로 하는 주행로봇.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 링크부재와 상기 하부 다리부를 연결하며, 상기 가동자의 병진운동 및 회전운동과 상기 상부 다리부의 회전운동에 따라 하부 다리부의 회전운동을 연동시키는 제2 링크부재를 더 포함하는 주행로봇.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 후방 다리유닛의 상부 다리부와 상기 가동자를 연결하는 제1 링크부재는 L자형으로 이루어지고, 상기 제1 링크부재 양단에는 상기 가동자와 상기 상부 다리부가 각각 연결되며, 제1 링크부재의 절곡부에는 상기 제2 링크부재가 연결되는 것을 특징으로 하는 주행로봇.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 전방 다리유닛의 상부 다리부와 상기 가동자를 연결하는 제1 링크부재는 일자형으로 이루어지며, 상기 제1 링크부재 양단에는 상기 가동자와 상기 제2 링크부재가 각각 연결되고, 제1 링크부재의 중심부에는 상기 상부 다리부가 연결되는 것을 특징으로 하는 주행로봇.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 상부 다리부와 하부 다리부가 결합되는 무릎관절부에 구비되며, 상기 하부 다리부가 일방으로 일정각도 이상 회동하는 것을 제한하는 회전제한 부재를 더 포함하는 주행로봇.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 후방 다리유닛에 구비되는 회전제한 부재는 전방으로의 일정각도 이상 회동을 제한하는 것을 특징으로 하는 주행로봇.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 전방 다리유닛에 구비되는 회전제한 부재는 후방으로의 일정각도 이상 회동을 제한하는 것을 특징으로 하는 주행로봇.
  18. 삭제
  19. 삭제
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