KR101464125B1 - 보행로봇 - Google Patents

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KR101464125B1
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femoral joint
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양수상
오연택
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명은 보행로봇에 관한 것으로, 본 발명은 피치방향 대퇴부관절 및 무릎관절의 구동구조가 개선된 보행로봇에 개시한다.
본 발명에 따른 보행로봇은 대퇴링크가 상체에 대하여 피치방향으로 회전되도록 제1피치방향 대퇴부관절을 구동하는 제1피치방향 엑츄에이터와, 하퇴링크가 대퇴링크에 대하여 피치방향으로 회전되도록 제1피치방향 엑츄에이터의 구동력을 상기 무릎관절로 전달하는 동력전달장치를 구비하는 구성되는 것이다.

Description

보행로봇{Walking Robot}
본 발명은 보행로봇에 관한 것으로, 보다 상세하게는 피치방향 대퇴부관절과 무릎관절의 구동구조를 개선한 보행로봇에 관한 것이다.
가정용, 군사용, 산업용의 목적으로 2족 보행, 4족 보행 등이 가능한 다양한 형태의 보행로봇이 개발되고 있다.
대한민국 공개특허 제2001-50273호는 2족 보행로봇에 해당하는 인간형 로봇(humanoid)을 개시하고 있다.
대한민국 공개특허 제2001-50273호에 개시된 인간형 로봇은 상체와, 동체의 상단부에 마련되는 머리와, 상체의 상부 양측에 마련되는 한 쌍의 팔과, 상체의 하부 양측에 마련되는 한 쌍의 다리를 포함한다.
각 다리는 3자유도의 대퇴부관절을 통해 상체와 연결되는 대퇴링크와, 1자유도의 무릎관절을 통해 대퇴링크와 연결되는 하퇴링크와, 2자유도의 발목관절을 통해 하퇴링크와 연결되는 발을 포함하여, 총 6자유도 운동이 가능하도록 마련된다. 이에 의해, 달리기, 걷기 등의 보행동작 뿐만 아니라 다양한 하체동작이 구현된다.
특히, 달리기, 걷기 등의 보행동작은 주로 피치방향 대퇴부관절 및 무릎관절 의 반복적인 회동에 의해서 이루어지고, 발의 지면과의 접촉시에 지면으로부터 상당한 크기의 충격이 로봇에 가해진다. 이때, 피치방향 대퇴부관절, 무릎관절 등을 제어하여 어느 정도의 충격완화가 가능하다.
그러나, 종래의 보행로봇은 각 관절, 특히 피치방향 대퇴부관절 및 무릎관절이 성능이 상이한 별개의 액츄에이터에 의해서 독립적으로 구동되므로, 효과적으로 충격을 완화시키기 위해서는 제어 메커니즘이 복잡해지는 문제점이 있다.
또한, 종래의 보행로봇에서는 무릎관절을 구동시키기 위한 액추에이터가 무릎관절에 인접하게 배치되므로, 보행시 다리에 큰 관성력이 발생하고 대퇴부관절 구동용 액추에이터에 큰 부하를 가하는 문제점이 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 보행로봇의 피치방향 대퇴부관절 및 무릎관절의 구동구조를 개선하여, 제어 메커니즘이 간단하고, 보행시 다리에서 발생하는 관성력을 감소시켜 보다 작은 출력으로 더욱 자연스러운 보행이 가능한 보행로봇을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 보행로봇은 상체와 대퇴링크를 연결하는 제1피치방향 대퇴부관절과, 대퇴링크와 하퇴링크를 연결하는 무릎관절을 구비하는 보행로봇에 있어서, 상기 대퇴링크가 상기 상체에 대하여 피치방향으로 회전되도록 상기 제1피치방향 대퇴부관절을 구동하는 제1피치방향 엑츄에이터와, 상기 하퇴링크가 상기 대퇴링크에 대하여 피치방향으로 회전되도록 상기 제1피치방향 엑츄에이터의 구동력을 상기 무릎관절로 전달하는 동력전달장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상체와 상기 대퇴링크를 연결하는 제2피치방향 대퇴부관절과, 상기 제2피치방향 대퇴부관절을 구동하는 제2피치방향 엑츄에이터를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1피치방향 대퇴부관절과 상기 제2피치방향 대퇴부관절 사이에는 상기 제1피치방향 대퇴부관절과 상기 제2피치방향 대퇴부관절을 서로 결속하거나 결속 해제하는 전자클러치와, 상기 전자클러치에 전원을 공급하거나 차단하는 제어부를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1피치방향 대퇴부관절과 상기 제2피치방향 대퇴부관절이 서로 결속되는 경우 상기 제어부는 상기 제1피치방향 액츄에이터를 정지시키고 상기 제2피치방향 액츄에이터를 동작시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1피치방향 대퇴부관절과 상기 제2피치방향 대퇴부관절이 서로 결속 해제되는 경우 상기 제어부는 상기 제1피치방향 액츄에이터를 동작시키고 상기 제2피치방향 액츄에이터를 정지시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 상기 제2피치방향 액츄에이터를 동작시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 동력전달장치는 상기 제1피치방향 대퇴부관절에 연결되는 상기 대퇴링크와, 상기 대퇴링크와 이격되어 상기 제2피치방향 대퇴부관절과 상기 하퇴링크에 회전 가능하게 연결되는 전달링크를 구비하고, 상기 대퇴링크와 상기 하퇴링크를 연결하는 상기 무릎관절은 상기 하퇴링크를 길이 방향으로 나누는 어느 한 지점에 마련되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전달링크는 상기 제2피치방향 대퇴부관절의 중심에서 소정 간격 이격되어 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 동력전달장치는 상기 대퇴링크의 회전 방향과 다른 방향으로 상기 하퇴링크를 회전시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1피치방향 액츄에이터와 상기 제2피치방향 액츄에이터는 각각 회전력을 발생시키는 모터와, 회전 속도를 조절하는 감속기로 이루어지는 것을 특 징으로 한다.
또한, 상기 제1피치방향 대퇴부관절과 상기 제2피치방향 대퇴부관절은 동일한 회전 중심을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 보행로봇은 상체와 대퇴링크를 연결하는 제1피치방향 대퇴부관절과, 대퇴링크와 하퇴링크를 연결하는 무릎관절을 구비하는 보행로봇에 있어서, 상기 대퇴링크를 상기 상체에 대하여 피치 방향으로 회전시키기 위하여 상기 제1피치방향 대퇴부관절을 구동하는 제1피치방향 엑츄에이터와, 상기 하퇴링크를 상기 대퇴링크에 대하여 피치 방향으로 회전시키기 위하여 상기 제1피치방향 액츄에이터와 연동되어 상기 무릎관절을 구동하는 동력전달장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 보행로봇은 상체와, 상기 상체에 연결되고, 대퇴링크와 하퇴링크를 가지는 레그부와, 상기 상체에 대해 상기 레그부를 피치 방향으로 회전시키기 위한 제1피치방향 대퇴부관절 및 제2피치방향 대퇴부관절과, 상기 제1피치방향 대퇴부관절을 구동하는 제1피치방향 액츄에이터와, 상기 제1피치방향 대퇴부관절과 제2피치방향 대퇴부관절을 구동하는 제2피치방향 액츄에이터와, 상기 하퇴링크가 상기 대퇴링크에 대하여 피치 방향으로 상대 회전하도록 상기 제2피치방향 대퇴부관절과 상기 하퇴링크를 연결하는 전달링크를 포함한다.
또한, 상기 제2피치방향 액츄에이터에 의한 상기 제2피치방향 대퇴부관절의 회전력을 상기 제1피치방향 대퇴부관절로 전달하거나 차단하는 동력단속장치를 더 포함한다.
본 발명에 따른 보행로봇에서는 피치방향 대퇴부관절 및 무릎관절의 제어가 간단해 진다.
또한, 보행로봇의 보행시에 다리에서 발생하는 관성력이 크게 감소되어 다리의 구동에 필요한 출력이 감소하게 된다.
또한, 대퇴링크 및 하퇴링크의 피치방향 회동을 위한 두 개의 액츄에이터 중에서 하나의 액추에이터를 낮은 출력을 가지는 액츄에이터로 대체할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 보행로봇의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 보행로봇의 레그부의 관절 구조를 중심으로 모식적으로 나타낸 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 두발 보행 로봇(이하「로봇」이라 한다)(10)은, 좌우 각각의 레그부(12R, 12L)(우측을 R, 좌측을 L로한다. 이하 동일)를 구비한다. 좌우 각각의 레그부(12R, 12L)는 상체(14)와 대퇴 링크(16R, 16L)를 연결하는 대퇴부관절(18R, 18L)과, 대퇴 링크(16R, 16L)와 하퇴 링크(20R, 20L)를 연결하는 무릎 관절(22R, 22L)과, 하퇴 링크(20R,20L)와 발바닥(24R, 24L)을 연결하는 발목 관절(26R, 26L)을 갖는다.
허리 관절(18R, 18L)은 대퇴 링크(16R, 16L)로부터 말단측(발바닥측)을 중력 축(Z축. 즉, 중력방향) 둘레로 회전시키는 요(yaw)방향 대퇴부관절(18RZ, 18LZ)과, 대퇴 링크(16R, 16L)로부터 말단측을 전후 축(X축. 즉, 진행방향) 둘레로 회전시키는 롤방향 대퇴부관절(18RX, 18LX)과, 대퇴 링크(16R, 16L)로부터 말단측을 좌우 축(Y축. 즉, 진행 방향 및 중력 방향과 직교하는 방향) 둘레로 회전시키는 피치방향 대퇴부관절(18RY, 18LY)로 이루어진다.
무릎 관절(22R, 22L)은 하퇴 링크(20R, 20L)로부터 말단측을 좌우 축 둘레로 회전시키는 피치방향 무릎관절(22RY, 22LY)로 이루어진다. 또, 발목 관절(26R, 26L)은, 발바닥(24R, 24L)을 전후 축 둘레로 회전시키는 롤방향 발목관절(26RX, 26LX)과, 발바닥(24R, 24L)을 좌우 축 둘레로 회전시키는 피치방향 발목관절(26RY, 26LY)으로 이루어진다. 상기한 각 축은, 전동 모터(동 도면에서 도시 생략. 일부 후술)에 의해 구동된다.
발목 관절(26R, 26L)과 발바닥(24R, 24L)의 사이에는, 공지의 6축 힘 센서(30R, 30L)가 부착되어, 힘의 3방향 성분(Fx, Fy, Fz)과 모멘트의 3방향 성분(Mx, My, Mz)을 측정하여, 레그부(12R, 12L)의 착지의 유무와, 바닥면(床面)으로부터 레그부(12R, 12L)에 작용하는 바닥반력(床反力) 등을 검출한다. 또, 상체(14)에는 경사 센서(32)가 설치되어, 로봇(10)의 Z축에 대한 경사와 그 각속도를 검출한다. 또, 각 축을 구동하는 전동 모터에는, 그 회전량을 검출하는 로터리 인코더(도시생략)가 설치된다.
이들 6축 힘 센서(30R, 30L)나 경사 센서(32) 등의 출력은, 상체(14)에 수용된 제어 유닛(34)에 입력된다. 제어 유닛(34)은, 메모리(도시 생략)에 저장되어 있는 데이터 및 입력된 검출치에 기초하여, 각 축을 구동하는 전동 모터의 제어치를 산출한다.
이렇게, 로봇(10)은, 좌우의 레그부(12R, 12L)의 각각에 대해 6개의 축(자유도)이 주어져, 이들 6ㅧ2=12개의 축을 구동하는 전동 모터를 제어 유닛(34)에서 산출된 제어치에 기초하여 동작시킴으로써, 다리 전체에 원하는 움직임을 부여해 임의로 3차원 공간을 이동할 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 6을 참조하여 로봇(1)의 레그부(12R, 12L)에 관해 상세히 설명한다. 좌측의 레그부(12L)를 예로 들어 설명하는데, 좌우의 레그부(12R, 12L)는 좌우 대칭이므로, 이하의 설명은 우측의 레그부(12R)에도 타당하다.
도 2는 도 1에서 나타낸 레그부(12L)의 우측을 상세히 나타낸 측면도이고, 도 3은 도 1에서 나타낸 레그부(12L)의 전면을 상세히 나타낸 정면도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 요방향 대퇴부관절(18LZ)을 구동하여 레그부(12L)를 Z축 둘레로 회전시키는 요방향 대퇴부관절 액츄에이터(18LZA)가 설치되고, 롤방향 대퇴부관절(18LX)을 구동하여 레그부(12L)를 X축 둘레로 회전시키는 롤방향 대퇴부관절 액츄에이터(18LXA)가 설치되고, 피치방향 대퇴부관절(18LY)을 구동하여 레그부(12L)를 Y축 둘레로 회전시키는 피치방향 대퇴부관절 액츄에이터(18LYA)가 설치된다.
피치방향 대퇴부관절(18LY)은 제1피치방향 대퇴부관절(41)과 제2피치방향 대퇴부관절(42)로 이루어지는데, 제1피치방향 대퇴부관절(41)이 제2피치방향 대퇴부관절(42) 상에서 회전 가능하게 마련된다. 제1피치방향 대퇴부관절(41)과 제2피치방향 대퇴부관절(42) 사이에는 동력단속장치의 일 예로써 전자클러치(60)가 마련되 는데, 전자클러치(60)는 제1피치방향 대퇴부관절(41)과 제2피치방향 대퇴부관절(42)을 결속하거나 결속 해제시킬 수 있다. 보다 상세히 설명하면 전자클러치(60)는 자기력을 발생시키는 코일을 구비하고 있는데, 코일에 전원을 공급하게 되면 자기력을 발생하게 되고, 이 자기력에 의해서 제1피치방향 대퇴부관절(41)과 제2피치방향 대퇴부관절(42)이 결속된다. 이와 반대로 코일에 전원의 공급을 중단하게 되면 자기력이 사라져 제1피치방향 대퇴부관절(41)과 제2피치방향 대퇴부관절(42)의 결속이 해제된다.
피치방향 대퇴부관절 액츄에이터(18LYA)는 제1피치방향 대퇴부관절(41)을 구동하여 대퇴링크(16L)를 상체(14)에 대하여 피치방향으로 회전시키는 제1피치방향 액츄에이터(51)와, 제2피치방향 대퇴부관절(42)을 구동하여 대퇴링크(16L)를 상체(14)에 대하여 피치방향으로 회전시키는 제2피치방향 액츄에이터(52)를 구비한다. 제1피치방향 액츄에이터(51)와 제2피치방향 액츄에이터(52)는 각각 모터(M)와 감속기(R)로 이루어져 제1피치방향 대퇴부관절(41)과 제2피치방향 대퇴부관절(42)을 구동한다. 이때 모터(M)에는 전원이 공급됨으로써 동작하게 된다.
앞서 언급한 바와 같이, 제1피치방향 대퇴부관절(41)과 제2피치방향 대퇴부관절(42)은 각각 회전 가능하게 설치된다. 다만 전자클러치(60)에 전원이 공급되어 제1피치방향 대퇴부관절(41)과 제2피치방향 대퇴부관절(42)이 결속되는 경우 제2피치방향 액츄에이터(52)에 삽입된 모터(M)에는 전원이 공급되어 제2피치방향 대퇴부관절(42)이 제2피치방향 액츄에이터(52)에 의해서 구동되지만 제1피치방향 액츄에이터(51)에 삽입된 모터(M)에는 전원이 공급되지 않아서 제1피치방향 대퇴부관 절(41)은 제1피치방향 액츄에이터(51)에 의해서 구동되지 아니한다. 이때 제1피치방향 대퇴부관절(41)은 제2피치방향 대퇴부관절(42)에 결속되어 제2피치방향 액츄에이터(52)에 의해서 회전하게 된다.
이와 반대로 전자클러치(60)에 전원이 공급이 중단되어 제1피치방향 대퇴부관절(41)과 제2피치방향 대퇴부관절(42)이 결속 해제되는 경우 제1피치방향 액츄에이터(51)에 삽입된 모터(M)에는 전원이 공급되지만 제2피치방향 액츄에이터(52)에 삽입된 모터(M)에는 전원이 공급되지 아니한다. 따라서 제1피치방향 액츄에이터(51)에 연결되는 제1피치방향 대퇴부관절(41)은 구동하지만 제2피치방향 액츄에이터(52)와 연결 해제되는 제2피치방향 대퇴부관절(42)은 구동되지 아니한다. 이와 더불어 제2피치방향 대퇴부관절(42)을 회전할 필요가 있는 경우에는 제2피치방향 액츄에이터(52)에 전원을 공급할 수 있다.
이처럼 제1피치방향 대퇴부관절(41)을 독립적으로 구동시키거나, 제1피치방향 대퇴부관절(41)과 동시에 제2피치방향 대퇴부관절(42)을 구동시키거나, 제1피치방향 대퇴부관절(41)을 제2피치방향 대퇴부관절(42)에 종속시켜 구동시키기 위해서는 제1피치방향 액츄에이터(51)와 제2피치방향 액츄에이터(52)의 동작을 제어하고 전자클러치(60)의 동작을 제어할 수 있는 제어부(61)가 마련된다. 여기서 제어부(61)는 제1피치방향 액츄에이터(51)와 제2피치방향 액츄에이터(52)에 삽입된 모터(M)들에 전원을 공급하거나 차단하고 전자클러치(60)에 전원을 공급하거나 차단하게 된다.
무릎 관절(22L, 도 1참조)은 하퇴 링크(20L)를 대퇴링크(16L)에 대하여 피치 방향으로만 회전시키는 피치 방향 무릎관절(22LY, 도 1참조)으로 이루어진다.
도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 제1피치방향 액츄에이터(51)의 구동력을 무릎관절(22L)로 전달시키는 동력전달장치(70)가 마련된다.
동력전달장치(70)는 대퇴링크(16L)와, 이 대퇴링크(16L)와 소정 거리 이격되어 설치되는 전달링크(73)를 구비한다. 대퇴링크(16L)의 일단(71)은 제1피치방향 대퇴부관절(41)에 고정되고 대퇴링크(16L)의 타단(72)은 무릎관절(24LY)에 회전 가능하게 연결된다. 전달링크(73)의 일단(74)은 제2피치방향 대퇴부관절(42)에 회전 가능하게 설치되고 전달링크(73)의 타단(75)은 하퇴링크(20L)에 회전 가능하게 설치된다. 이때 전달링크(73)의 일단(74)은 제2피치방향 대퇴부관절(42)의 중심에서 소정 거리 떨어져서 설치된다.
무릎관절(24LY)은 하퇴링크(20L)를 길이 방향으로 나누는 어느 한 지점에 마련된다. 이로써 하퇴링크(20L)는 무릎관절(24LY)을 축으로 하여 시소 운동이 가능하게 된다. 다시 말해 하퇴링크(20L)는 대퇴링크(16L)에 대하여 피치 방향으로 회전 운동이 가능하게 되는 것이다. 결국 대퇴링크(16L)와 하퇴링크(20L)는 대략적으로 평행사변형 링크 구조를 가지게 됨으로로써 대퇴링크(16L)와 전달링크(73)의 상대운동에 따라서 하퇴링크(20L)도 상대운동을 하게 된다.
이하에서는 레그부(12L)의 동작을 설명하면서 동력전달장치(70)가 무릎관절(24LY)을 구동시키는 동작에 대해서 설명한다.
먼저 도 2 및 도 3을 참조하여 레그부(12L)가 무릎관절(22L)을 기준으로 접히기 위한 제1피치방향 대퇴부관절(41)과 제2피치방향 대퇴부관절(42)의 동작을 설 명한다. 제어부(61)가 전자클러치(60)에 전원 공급을 차단하면 제1피치방향 대퇴부관절(41)과 제2피치방향 대퇴부관절(42)은 결속 해제된다. 이와 동시에 제어부(61)가 제1피치방향 액츄에이터(51)에 전원을 공급하고 제2피치방향 액츄에이터(52)에 전원 공급을 차단하면 제1피치방향 대퇴부관절(41)은 구동하고 제2피치방향 대퇴부관절(42)은 구동하지 않는다.
도 4는 본 발명에 따른 레그부가 제1피치방향 액츄에이터에 의해서 동작하는 것을 나타낸 상태도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제1피치방향 대퇴부관절(41)이 구동하면 대퇴링크(16L)의 일단(71)은 제1피치방향 대퇴부관절(41)에 일체로 연결되기 때문에 대퇴링크(16L)는 상체(14)에 대하여 피치 방향으로 회전한다. 전달링크(73)는 제2피치방향 대퇴부관절(42)이 구동하지 않기 때문에 전달링크(73)의 일단(74)이 제2피치방향 대퇴부관절(42)의 중심을 기준으로 하여 회전하지 않는다. 다만 이러한 경우에도 하퇴링크(20L)와 연결된 전달링크(73)는 제2피치방향 대퇴부관절(42)에 회전 가능하게 연결된 일단(74)을 축으로 회전하게 된다.
이로 인해 전달링크(73)의 타단(75)은 하퇴링크(20L)을 가압하게 되고 하퇴링크(20L)는 무릎관절(24LY)을 축으로 하여 시소 운동한다. 즉 무릎관절(24LY)을 구동하여 하퇴링크(20L)가 대퇴링크(16L)에 대하여 피치 방향으로 회전시키는 것이다. 이때 하퇴링크(20L)가 회전하는 방향은 대퇴링크(16L)가 상체(14)에 대하여 회전하는 방향과 서로 반대가 된다.
결국 도 4에 나타난 바와 같이, 레그부(12L)는 무릎관절(24LY)을 축으로 하 여 접히게 되고 발바닥(24L)은 지면에서 떨어져서 상측으로 이동한다.
이하에서는 레그부(12L)가 무릎관절(24LY)을 축으로 접힌 상태에서 또는 접히지 않은 상태에서 대퇴링크(16L)와 하퇴링크(20L)가 같은 방향으로 함께 회전하는 것에 대해서 설명한다.
먼저 도 2 및 도 3을 참조하여 대퇴링크(16L)와 하퇴링크(20L)를 같은 방향으로 함께 회전시키기 위해 필요한 제1피치방향 대퇴부관절(41)과 제2피치방향 대퇴부관절(42)의 동작을 설명한다. 제어부(61)가 전자클러치(60)에 전원을 공급하면 제1피치방향 대퇴부관절(41)과 제2피치방향 대퇴부관절(42)은 결속된다. 이와 동시에 제어부(61)가 제1피치방향 액츄에이터(51)에 전원 공급을 차단하고 제2피치방향 액츄에이터(52)에 전원을 공급하면 제1피치방향 대퇴부관절(41)은 구동하지 않고 제2피치방향 액츄에이터(52)는 구동한다.
도 5는 본 발명에 따른 레그부가 제2피치방향 액츄에이터에 의해서 전방으로 회전하는 것을 나타낸 상태도이다.
도 5는 레그부(12L)가 무릎관절(24LY)을 축으로 하여 접히지 않은 상태에 레그부(12L)가 전방으로 회전하는 것을 나타낸다. 이때 대퇴링크(16L)와 하퇴링크(20L)는 동일한 방향으로 회전하면서 상대회전이 발생시키지 않는다. 도 5를 참조하면, 제2피치방향 대퇴부관절(42)이 구동하면 대퇴링크(16L)는 제2피치방향 대퇴부관절(42)의 중심을 축으로 상체(14)에 대하여 피치 방향으로 회전한다. 이때 전달링크(73)의 일단(74)은 제2피치방향 대퇴부관절(42)과 함께 회전하기 때문에 전달링크(73)는 대퇴링크(16L)와 대략 평행하게 일정한 간격을 유지하면서 회전한 다. 따라서 전달링크(73)의 타단(75)이 하퇴링크(20L)를 가압하지 않게 되고, 이로 인해 하퇴링크(20L)는 무릎관절(24LY)을 축으로 하여 회전하지 않게 되어 대퇴링크(16L)와 함께 상체(14)에 대하여 피치 방향으로 회전한다.
도 6은 본 발명에 따른 레그부가 제2피치방향 액츄에이터에 의해서 후방으로 회전하는 것을 나타낸 상태도이다.
도 6은 레그부(12L)가 무릎관절(24LY)을 축으로 하여 접힌 상태에서 후방으로 회전하는 것을 나타낸다. 이때 대퇴링크(16L)와 하퇴링크(20L)는 동일한 방향으로 회전하면서 상대회전이 발생시키지 않는다.
도 6에 나타난 레그부(12L)의 초기 위치는 도 4에 나타나 레그부(12L)와 동일하다. 즉 도 4처럼 레그부(12L)가 무릎관절(26L)을 축으로 하여 접힌 상태에서 제2피치방향 액츄에이터(52)에 의해서 후방으로 회전하는 것을 나타내는 것이다.
도 6에 나타난 레그부(12L)가 제2피치방향 액츄에이터(52)에 의해서 회전하는 동작원리는 도 5에 나타난 레그부(12L)가 제2피치방향 액츄에이터(52)에 의해서 회전하는 동작원리와 동일하다. 다만 도 5에서 레그부(12L)이 전방으로 회전하는 것이지만 도 6에서 레그부(12L)은 후방으로 회전하는 것이 서로 다르다.
다만 도 6과 같이 레그부(12L)를 회전시키는 이유는 도 4에 나타난 바와 같이 대퇴링크(16L)와 하퇴링크(20L)가 서로 반대방향으로 회전하게 되면 발목관절(26L)이 요방향 대퇴부관절(18LZ)에서 심하게 벗어난 경우가 존재하게 된다. 이러한 경우 레그부(12L)에 의해서 무게 중심이 흐트러져서 로봇(10)이 균형을 잡기 어려운 문제점이 생길 수 있다.
이에 제어부(61)가 제1피치방향 액츄에이터(51)를 동작시켜 도 4와 같이 대퇴링크(16L)와 하퇴링크(20L)를 서로 반대방향으로 회전시키고, 이와 동시에(또는 순차적으로) 제어부(61)가 제2피치방향 액츄에이터(52)를 동작시켜 도 6과 같이 대퇴링크(16L)와 하퇴링크(20L)를 같은 방향으로 회전시킨다. 결국 발목관절(26L)이 도 6에 나타난 바와 같이 요방향 대퇴부관절(18LZ) 선상에 위치하게 되어 로봇(10)의 균형이 유지될 수 있다.
도 2 내지 도 6에서는 제1피치방향 액츄에이터(51)의 구동력을 동력전달장치(70)에 통하여 무릎관절(24LY)에 전달함으로써 하퇴링크(20L)가 대퇴링크(16L)에 대하여 피치 방향으로 회전하는 구동구조와, 제2피치방향 액츄에이터(52)의 구동력에 의해서 하퇴링크(20L)가 대퇴링크(16L)와 함께 상체(14)에 대해서 피치 방향으로 회전하는 구동구조에 대해서 개시하고 있다.
추가적으로 도 2 및 도 3에는 롤방향 발목관절(26LX)을 구동하여 발바닥(24L)을 전후 축 둘레로 회전시키는 롤방향 엑츄에이터(26LXA)가 설치되고, 피치방향 발목관절(26LY)을 구동하여 발바닥(24L)을 좌우 축 둘레로 회전시키는 피치 방향 엑츄에이터(26LYA)가 설치된다. 이들 롤방향 액츄에이터(26LXA)와 피치 방향 엑츄에이터(26LYA)는 모터 및 감속기로 구성될 수 있으며 이외에 리니어 액츄에이터 등 여러 가지 다른 부품으로 구성될 수 있다. 발목관절(26L)의 구동구조는 본 발명의 요지와 크게 상관이 없는 것으로 자세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 보행로봇의 레그부의 관절 구조를 중심으로 모식적으로 나타낸 개략도.
도 2는 도 1에서 나타낸 레그부(12L)의 우측을 상세히 나타낸 우측면도.
도 3은 도 1에서 나타낸 레그부(12L)의 정면을 상세히 나타낸 정면도.
도 4는 본 발명에 따른 레그부(12L)에서 대퇴링크와 하퇴링크가 서로 반대 방향으로 회전하는 것을 나타낸 상태도.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 레그부(12L)에서 대퇴링크와 하퇴링크가 같은 방향으로 함께 회전하는 것을 나타낸 상태도.
*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*
14: 상체 16L: 대퇴링크
20L: 하퇴링크 41: 제1피치방향 대퇴부관절
42: 제2피치방향 대퇴부관절 51: 제1피치방향 액츄에이터
52: 제2피치방향 액츄에이터 60: 전자클러치
61: 제어부 70: 동력전달장치

Claims (15)

  1. 상체와 대퇴링크를 연결하는 제1피치방향 대퇴부관절과, 대퇴링크와 하퇴링크를 연결하는 무릎관절을 구비하는 보행로봇에 있어서,
    상기 대퇴링크가 상기 상체에 대하여 피치방향으로 회전되도록 상기 제1피치방향 대퇴부관절을 구동하는 제1피치방향 엑츄에이터와,
    상기 하퇴링크가 상기 대퇴링크에 대하여 피치방향으로 회전되도록 상기 제1피치방향 엑츄에이터의 구동력을 상기 무릎관절로 전달하는 동력전달장치와,
    상기 상체와 상기 대퇴링크를 연결하는 제2피치방향 대퇴부관절과,
    상기 제2피치방향 대퇴부관절을 구동하는 제2피치방향 엑츄에이터와,
    상기 제1피치방향 대퇴부관절과 상기 제2피치방향 대퇴부관절 사이에 위치되어 상기 제1피치방향 대퇴부관절과 상기 제2피치방향 대퇴부관절을 서로 결속하거나 결속해제하는 동력단속장치;를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행로봇.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 동력단속장치를 제어하는 제어부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 보행로봇.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1피치방향 대퇴부관절과 상기 제2피치방향 대퇴부관절이 서로 결속되는 경우 제어부는 상기 제1피치방향 액츄에이터를 정지시키고 상기 제2피치방향 액츄에이터를 동작시키는 것을 특징으로 하는 보행로봇.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1피치방향 대퇴부관절과 상기 제2피치방향 대퇴부관절이 서로 결속 해제되는 경우 상기 제어부는 상기 제1피치방향 액츄에이터를 동작시키고 상기 제2피치방향 액츄에이터를 정지시키는 것을 특징으로 하는 보행로봇.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제2피치방향 액츄에이터를 동작시키는 것을 특징으로 하는 보행로봇.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 동력전달장치는
    상기 제1피치방향 대퇴부관절에 연결되는 상기 대퇴링크와, 상기 대퇴링크와 이격되어 상기 제2피치방향 대퇴부관절과 상기 하퇴링크에 회전 가능하게 연결되는 전달링크를 구비하고,
    상기 대퇴링크와 상기 하퇴링크를 연결하는 상기 무릎관절은 상기 하퇴링크를 길이 방향으로 나누는 어느 한 지점에 마련되는 것을 특징으로 하는 보행로봇.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전달링크는 상기 제2피치방향 대퇴부관절의 중심에서 소정 간격 이격되어 설치되는 것을 특징으로 하는 보행로봇.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1피치방향 대퇴부관절이 구동될 때 상기 동력전달장치는 상기 하퇴링크를 상기 대퇴링크의 회전 방향과 다른 방향으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 보행로봇.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2피치방향 대퇴부관절이 구동될 때 상기 동력전달장치는 상기 하퇴링크를 상기 대퇴링크의 회전 방향과 같은 방향으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 보행로봇.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1피치방향 액츄에이터와 상기 제2피치방향 액츄에이터는 각각 회전력을 발생시키는 모터와, 회전 속도를 조절하는 감속기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 보행로봇.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1피치방향 대퇴부관절과 상기 제2피치방향 대퇴부관절은 동일한 회전 중심을 갖는 것을 특징으로 하는 보행로봇.
  13. 상체와 대퇴링크를 연결하는 제1피치방향 대퇴부관절과, 대퇴링크와 하퇴링크를 연결하는 무릎관절을 구비하는 보행로봇에 있어서,
    상기 대퇴링크를 상기 상체에 대하여 피치 방향으로 회전시키기 위하여 상기 제1피치방향 대퇴부관절을 구동하는 제1피치방향 엑츄에이터와,
    상기 하퇴링크를 상기 대퇴링크에 대하여 피치 방향으로 회전시키기 위하여 상기 제1피치방향 액츄에이터와 연동되어 상기 무릎관절을 구동하는 동력전달장치와,
    상기 상체와 상기 대퇴링크를 연결하는 제2피치방향 대퇴부관절과,
    상기 제2피치방향 대퇴부관절을 구동하는 제2피치방향 엑츄에이터와,
    상기 제1피치방향 대퇴부관절과 상기 제2피치방향 대퇴부관절 사이에 위치되어 상기 제1피치방향 대퇴부관절과 상기 제2피치방향 대퇴부관절을 서로 결속하거나 결속해제하는 동력단속장치;를 구비하는 것을 특징으로 하는 보행로봇.
  14. 상체와,
    상기 상체에 연결되고, 대퇴링크와 하퇴링크를 가지는 레그부와,
    상기 상체에 대해 상기 레그부를 피치 방향으로 회전시키기 위한 제1피치방향 대퇴부관절 및 제2피치방향 대퇴부관절과,
    상기 제1피치방향 대퇴부관절을 구동하는 제1피치방향 액츄에이터와,
    상기 제1피치방향 대퇴부관절과 제2피치방향 대퇴부관절을 구동하는 제2피치방향 액츄에이터와,
    상기 하퇴링크가 상기 대퇴링크에 대하여 피치 방향으로 상대 회전하도록 상기 제2피치방향 대퇴부관절과 상기 하퇴링크를 연결하는 전달링크와,
    상기 제2피치방향 액츄에이터에 의한 상기 제2피치방향 대퇴부관절의 회전력을 상기 제1피치방향 대퇴부관절로 전달하거나 차단하는 동력단속장치를 더 포함하는 보행로봇.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 동력단속장치는 전자클러치인 보행로봇.
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