KR101469581B1 - 6족 보행 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 6족 로봇은, 2 개의 모터들을 포함하는 몸체부, 및 상기 몸체부의 양 측면에 각각 형성되어 상기 2 개의 모터들 각각에 의해 구동되는 좌측 및 우측 다리부를 포함하여 이루어지고, 상기 좌측 다리부 및 우측 다리부 각각은 동일한 링크체 구조로 이루어져 있으며, 각각 전방다리, 중간다리 및 후방다리로 이루어지고, 상기 중간다리는, 4-바 링크체 구조로 이루어지며 별도의 연결링크들을 통하여 상기 전방 및 후방다리들에 각각 연결되어 상기 모터로부터의 구동력을 전달하는 것을 특징으로 한다.

Description

6족 보행 로봇{Six-legged Walking Robot}

본 발명은 6족 보행 로봇에 관한 것으로서, 특히 기존에 개발되었던 다리구조 로봇에 있어서의 밀리미터 스케일이라는 크기의 한계로 인하여 복잡한 구조와 많은 액추에이터가 충분히 제 기능을 발휘하지 못하는 문제를 해결할 수 있는, 곤충의 움직임을 구현한 6족 보행 로봇에 관한 것이다.

곤충의 움직임에 영감을 받은 작은 다리의 로봇들이 꾸준히 연구되어 왔다. 다리를 구비한 로봇은 바퀴를 구비한 시스템에 비하여 많은 장점을 제공하는데, 그 예로서, 장애물을 갖는 거친 토양을 걸어갈 수 있으며, 수직 표면을 기어올라갈 수 있는 능력 또한 가질 수 있다. 이러한 장점들을 로봇 시스템에 구현하기 위하여, 곤충의 움직임 특성들이 분석되었으며 로봇에 적용되었다. 로봇의 다리는 동물 다리의 형상을 모방하는 것으로 설계되었으며, 등반과 같은 특정 목적을 위하여 로봇의 외부 표면은 동물 피부의 마이크로 구조체를 모방하는 것으로 제작되었다. 동물의 보행 패턴 또한 분석되어 다리 로봇에 적용되었다.

밀리미터 스케일의 작은 로봇 또한 큰 로봇에 비하여 많은 장점을 갖는다. 작은 크기는 큰 로봇이 비실용적이거나 작동불능이 되는 환경에서도 작동가능하도록 해 준다. 적은 비용으로도 대량 생산이 가능할 뿐만 아니라, 상당히 유동적이고 견실한 센서와 통신 네트워크를 형성하도록 많은 수의 로봇들이 서로 네트워킹화 될 수 있다.

이전에 개발된 밀리미터 스케일의 다리 로봇은 향상된 자유도를 위하여 많은 액추에이터를 갖는 복잡한 구조를 갖는다. 하지만, 밀리미터 스케일의 다리 로봇의 기능은 그 자체의 크기에 의하여 제한되기 때문에, 복잡한 구조와 많은 액추에이터는 충분히 기능할 수 없게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 간단한 링크 구조와 적은 구성요소만으로도 소정의 로봇 기능을 충분히 발휘할 수 있는 6족 보행로봇을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

아울러, 곤충의 보행에서 착안하여 양쪽에 설치된 2개의 모터 움직임의 위상 차이를 두어 안정적인 움직임이 가능하고, 실시간 영상 송신이 가능할 뿐만 아니라, 쾌속조형기술을 이용하여 작고 가벼운 6족 보행로봇을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

이러한 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 6족 로봇은, 2 개의 모터들을 포함하는 몸체부, 및 상기 몸체부의 양 측면에 각각 형성되어 상기 2 개의 모터들 각각에 의해 구동되는 좌측 및 우측 다리부를 포함하여 이루어지고, 상기 좌측 다리부 및 우측 다리부 각각은 동일한 링크체 구조로 이루어져 있으며, 각각 전방다리, 중간다리 및 후방다리로 이루어지고, 상기 중간다리는, 4-바 링크체 구조로 이루어지며 별도의 연결링크들을 통하여 상기 전방 및 후방다리들에 각각 연결되어 상기 모터로부터의 구동력을 전달하는 것을 특징으로 한다.

상기 중간다리는 상기 모터와 연결되어 엑추에이터 기능을 하는 제1 링크, 일단이 상기 몸체부에 지지되는 제2 링크, 및 상기 제1, 2 링크를 서로 연결하고 그 일단이 지면에 접촉하도록 구성된 제3 링크를 포함한다.

상기 별도의 연결링크들은 상기 중간다리의 제3 링크에 연결되는 것이 바람직하다.

상기 몸체부의 양 측면 각각 설치되는 중간다리를 구동시키기 위한 상기 2 개의 모터들 사이에 180° 위상차를 부과함으로써 안정적인 움직임을 도모하는 것을 특징으로 한다.

상기 몸체부의 양 측면 각각에 형성된 세 개 다리들이 연속적으로 지면에 접하되, 상기 전방다리와 후방다리가 지면에 먼저 접한 다음, 상기 중간다리가 지면에 접하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 몸체부의 양 측면 각각 설치되는 중간다리를 서로 다른 방향으로 회전시키도록 상기 모터들 각각을 제어함에 의하여, 상기 로봇을 좌측 또는 우측으로 회전시키는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 몸체부는 실시간 영상 송신이 가능한 카메라를 포함한다.

나아가, 상기 몸체부는 쾌속조형기술에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하며, 상기 중간다리와 상기 전후방다리를 연결하는 연결링크들은 탄소 섬유 복합재로 이루어지는 것이 바람직하다.

이러한 본 발명에 의하면, 오직 중간다리만을 구동시키고 중간다리에 나머지 다리들을 연결함에 의하여 요구되는 모터의 수를 최소화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이러한 모터들이 서로 위상차를 가지면서 중간다리를 회전시킴에 의하여 안정적인 지그재그 보행 패턴을 충분히 생성할 수 있는 효과가 있다.

아울러, 실시간 영상 송신이 가능할 뿐만 아니라, 쾌속조형기술을 이용하여 작고 가벼운 6족 보행로봇을 제공할 수 있는 효과 또한 있다.

도 1은 전진 이동에 대한 6족 곤충의 움직임,
도 2는 4-바 링크체에 기초한 다리 구조체,
도 3은 통상적인 4-바 링크체,
도 4는 발의 궤적 시뮬레이션,
도 5는 본 발명에 의한 6족 로봇의 기본 프레임
도 6은 도 5에 의한 프레임의 성능 검증,
도 7은 본 발명에 의한 6족 로봇의 전체 시스템,
도 8a 내지 도 8c는 도 7에 의한 시스템의 보행 실험 및 실시간 비디오 전송을 나타냄.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

보행 패턴의 기구학적 분석

개미 또는 바퀴벌레 등과 같은 6족 곤충의 다리들 각각은 자유 운동을 위하여 독립적으로 이동될 수 있지만, 전방 이동을 위한 전형적인 보행 패턴은 도 1에 도시된 바와 같이 표현될 수 있다. 도 1은 전진 이동에 대한 6족 곤충의 움직임을 나타낸다.

도 1에서의 붉은 색의 다리들은 지면에 접하는 다리를 의미한다. 각각의 측면에서의 세 개 다리들이 연속적으로 지면에 접하는데, 전방과 후방 다리들이 지면에 먼저 접한 다음, 중간 다리가 지면에 접하게 된다. 이러한 시퀀스를 반복함에 의하여 지그재그 움직임이 생성되고 이는 안정적인 전방이동을 가능하게 한다.

곤충들의 보행 패턴을 모방하기 위하여, 4-바 링크체 기반 구조가 적용된다. 도 2는 4-바 링크체에 의한 다리 구조를 나타낸다. 발은 붉은 색으로 표현된 궤적- 붉은 색 화살표로 표현된 구동 링크의 회전 -을 따르게 된다. 각 링크의 적당한 길이 선택으로, 발 궤적이 변동될 수 있다.

본 발명에서는, 도 2에 도시된 4-바 기반 다리가 각 측면의 중간다리로 설치되고, 그 전방 및 후방의 다리들은 이러한 중간다리에 연결된다. 오직 중간다리만을 구동시키고 중간다리에 나머지 다리들을 연결함에 의하여, 요구되는 모터의 수가 최소화된다. 도 1에서의 지그재그 보행 패턴은 위상차를 가지면서 중간다리를 회전시킴에 의하여 생성될 수 있다.

제안된 링크체 구조의 3개의 발 궤적은 기구학적 방법에 의하여 시뮬레이션된다. 구동 중간다리의 기구학은 도 3에 도시된 바와 같이 4-바 링크체 구조로 분석된다. 4-바 링크체는 하나의 자유도를 갖기 때문에, 모든 기구학적 정보는 하나의 입력각에 의하여 계산될 수 있다.

도 3에 도시된 각도는 입력각 θ로 다음 수식에 의하여 계산될 수 있다.

여기서,

이다.

그런 다음, 출력각은 아래 수식에 의하여 결정된다.

구동 링크의 모든 기구학적 정보는 위 수식 1, 2에 의하여 결정될 수 있으므로, 전방 및 후방 다리들인 링크 구조체의 위치들은 쉽게 결정될 수 있다.

발의 궤적 시뮬레이션이 도 4에 도시되어 있다. 녹색 라인과 점은 다리 링크체 구조를 나타내며, 청색 원과 아크는 발의 궤적을 표현한다. 동 도면에 도시된 바와 같이, 구동 중간다리는 원형과 같은 궤적을 만들고, 이는 주로 몸체를 전방으로 밀게 되며, 나머지 다리는 지지부로서 작동한다.

설계 및 제조

밀리미터 크기로 로봇을 설계하고 제조하는데에는 고유한 기술적 난관이 존재하며 이는 크게 제약으로부터 야기되는 것이다. 특히, 작은 요소들을 제조하고 이들을 로봇으로 조립하는 것은 많은 시간과 비용을 요구한다. 그러나, 제조 기술에 있어서의 최근의 개발은 고속 및 저비용 생산을 가능하게 한다. 본 발명에서는 이러한 링크체 구조를 만들기 위하여 쾌속조형기술(rapid prototyping technology)이 적용된다.
상기 쾌속조형기술은 "Rapid Prototyping Technology"라고 불리는 것으로 최근에는 3D 프린팅이라는 말로 더 많이 알려져 있으며, 소형 로봇을 만들 때 기존의 기계 가공 방식이 아닌 작은 파트도 쉽고 빠르게 만들수 있는 기술이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예로서 설계된 6족 로봇의 솔리드워크 모델을 나타낸다.

본 실시예에 의한 6족 로봇은 크게 곤충의 몸통부에 대응하는 몸체부(10)와 이러한 몸체부의 양 측면에 형성된 다리부(20)로 이루어진다.

몸체부는 기본적으로 그 하면에 설치된 2 개의 서보모터(11)를 포함하고, 2 개의 서보 모터 각각은 몸체부 양 측면에 설치되는 좌측 및 우측 다리부들을 각각 구동시키기 위하여 설치된다.

좌측 다리부 및 우측 다리부 각각의 중간다리에 연결된 두 모터들 사이에 180° 위상차를 부과하면, 로봇의 지그재그 움직임이 구현되고 이로써 전방, 후방으로의 이동이 가능하게 된다.

또한, 서로 다른 방향으로 액추에이터들을 회전시키도록 모터들 각각을 제어하면 로봇을 좌측 또는 우측으로 회전시킬 수 있다.

좌측 다리부 및 우측 다리부 각각은 동일한 링크체 구조로 이루어져 있으며, 각각 전방다리(21), 중간다리(22) 및 후방다리(23)로 구성된다.

중간다리(22)는 앞서 설명한 바와 같이 4-바 링크체 구조로 이루어지며, 서보 모터(11)와 연결되어 엑추에이터 기능을 하는 제1 링크(221), 일단이 몸체부(10)에 지지되는 제2 링크(222), 및 제1 링크와 제2 링크를 서로 연결하고 그 일단에는 발이 형성되는 제3 링크(223)를 포함한다.

이러한 중간다리(22)의 전방 및 후방에 위치하는 전방다리(21) 및 후방다리(23) 각각은 별도의 연결링크들(211, 231)를 통하여 중간다리(22)에 연결되고 서로 연동될 수 있도록 구성된다.

전체 구조의 크기는 약 25×50×15㎜이다. 로봇의 몸체와 다리들은 폴리프로필렌 재질로서 쾌속조형기술에 의하여 제조되었다. 중간다리와 전방 또는 후방다리를 연결하는 링크들은, 로봇의 무게에 대해 요구되는 강성과 신뢰성을 고려하여, 탄소 섬유 복합재로 만들어졌다.

도 6은 앞서 살펴본 도 4에서의 시뮬레이션 궤적이 본 발명으로 제안된 설계에 의하여 구현될 수 있음을 검증하고 있다.

밀리미터 스케일에서는 엑추에이터의 크기와 수가 그 크기로 인하여 제한된다. 더 많은 액추에이터는 더 많은 자유도를 부여하겠지만, 엑추에이터로 의하여 증가된 무게와 부피는 로봇의 유동성을 감소시킨다.

이러한 이유로, 본 발명에서는 곤충의 움직임에 영감받은 6족 움직임을 구현하기 위하여 오직 두 개의 엑추에이터만이 적용된다. 로봇의 각 측면에 있는 세 개의 다리들은, 각 측면에 있는 서보모터에 연결된 중간의 구동 링크에 의하여 움직이게 된다.

두 모터들 사이에 180° 위상차를 부과함에 의하여, 도 4에 도시된 지그재그 움직임이 구현된다.

또한, 서로 다른 방향으로 액추에이터들을 회전시킴으로써 로봇이 좌측 또는 우측으로 회전할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 적용 분야에 따라, 마이크로 카메라가 실시간 비디오 전송을 위하여 설치될 수 있으며, 전원으로 하나의 셀 Li-Po 배터리가 사용될 수 있다.

전체적인 로봇 무게는 4 g의 배터리를 포함하여 약 16 g이다. 이러한 구성들을 모두 장착한 실시예가 도 7에 도시되어 있다.

본 발명의 실시예에 의한 로봇이 실험실 환경에서 테스트 되었다. 평균 보행 속도는 4 cm/sec이었지만, 이는 엑추에이터 속도 또는 링크체 구조의 길이를 변화시킴에 의하여 변동될 수 있다.

도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이 전방/후방 보행 및 좌측/우측 회전이 모두 쉽게 가능하였다.

또한, 도 8c의 우측 하단 스크린은 로봇으로부터 실시간 전송된 비디오를 나타낸다.

이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (9)

1. 삭제
2. 6족 로봇으로서,
   2 개의 모터들을 포함하는 몸체부, 및
   상기 몸체부의 양 측면에 각각 형성되어 상기 2 개의 모터들 각각에 의해 구동되는 좌측 및 우측 다리부
   를 포함하여 이루어지고,
   상기 좌측 다리부 및 우측 다리부 각각은 동일한 링크체 구조로 이루어져 있으며, 각각 전방다리, 중간다리 및 후방다리로 이루어지고,
   상기 중간다리는, 4-바 링크체 구조로 이루어지며 별도의 연결링크들을 통하여 상기 전방 및 후방다리들에 각각 연결되어 상기 모터로부터의 구동력을 전달하되,
   상기 중간다리는 상기 모터와 연결되어 엑추에이터 기능을 하는 제1 링크, 일단이 상기 몸체부에 지지되는 제2 링크, 및 상기 제1, 2 링크를 서로 연결하고 그 일단이 지면에 접촉하도록 구성된 제3 링크를 포함하는 것을 특징으로 하는 6족 로봇.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 별도의 연결링크들은 상기 중간다리의 제3 링크에 연결되는 것을 특징으로 하는 6족 로봇.
   
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 몸체부의 양 측면 각각 설치되는 중간다리를 구동시키기 위한 상기 2 개의 모터들 사이에 180° 위상차를 부과함으로써 안정적인 움직임을 도모하는 것을 특징으로 하는 6족 로봇.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 몸체부의 양 측면 각각에 형성된 세 개 다리들이 연속적으로 지면에 접하되, 상기 전방다리와 후방다리가 지면에 먼저 접한 다음, 상기 중간다리가 지면에 접하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 6족 로봇.
   
6. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 몸체부의 양 측면 각각 설치되는 중간다리를 서로 다른 방향으로 회전시키도록 상기 모터들 각각을 제어함에 의하여, 상기 로봇을 좌측 또는 우측으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 6족 로봇.
   
7. 제2항에 있어서,
   상기 몸체부는 실시간 영상 송신이 가능한 카메라를 포함하는 것을 특징으로 하는 6족 로봇.
   
8. 제2항에 있어서,
   상기 몸체부는 쾌속조형기술에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 6족 로봇.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 중간다리와 상기 전후방다리를 연결하는 연결링크들은 탄소 섬유 복합재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 6족 로봇.

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