KR101484943B1 - 보행로봇 - Google Patents

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이연백
오연택
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Abstract

본 발명은 보행로봇 다리의 구동구조에 관한 것으로, 본 발명에 따른 보행로봇은 동체(胴體) 및 상기 동체에 연결되는 복수 개의 다리를 포함하고, 상기 다리들 중 적어도 하나의 다리는 대퇴(大腿)링크와, 상기 대퇴링크의 하부에 마련되는 하퇴(下腿)링크와, 상기 동체와 상기 대퇴링크를 연결하며 상기 동체에 대하여 상기 대퇴링크를 피치방향으로 회동시키는 피치(pitch)방향 고관절(股關節)과, 상기 대퇴링크와 상기 하퇴링크를 연결하며 상기 대퇴링크에 대하여 상기 하퇴링크를 피치방향으로 회동시키는 무릎관절을 포함하며, 상기 피치방향 고관절과 상기 무릎관절은 서로 연동되어 하나의 연동 액추에이터에 의해 구동된다.

Description

보행로봇{Walking Robot}
본 발명은 보행로봇에 관한 것으로, 구체적으로 피치방향 고관절 및 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 동체(胴體)와, 동체의 상단부에 마련되는 머리와, 동체의 상부 양측에 마련되는 한 쌍의 팔과, 동체의 하부 양측에 마련되는 한 쌍의 다리를 포함한다.
각 다리는 3자유도의 고관절을 통해 동체와 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 고관절 및 무릎관절의 반복적인 회동에 의해서 이루어지고, 발의 지면과의 접촉시에 지면으로부터 상당한 크기의 충격이 로봇에 가해진다. 이때, 피치방향 고관절, 무릎관절 등을 제어하여 어느 정도의 충격완화가 가능하다.
그러나, 종래의 보행로봇은 각 관절, 특히 피치방향 고관절 및 무릎관절이 성능이 상이한 별개의 액추에이터에 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 고관절 구동용 액추에이터에 큰 부하를 가하는 문제점이 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 보행로봇의 피치방향 고관절 및 무릎관절의 구동구조를 개선하여, 제어 메커니즘이 간단하고, 보행시 다리에서 발생하는 관성력을 감소시켜 보다 작은 출력으로 더욱 자연스러운 보행이 가능한 보행로봇을 제공하는 데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 보행로봇은 동체(胴體) 및 상기 동체에 연결되는 복수 개의 다리들을 포함하고, 상기 다리들 중 적어도 하나의 다리는 대퇴(大腿)링크와, 상기 대퇴링크의 하부에 마련되는 하퇴(下腿)링크와, 상기 동체와 상기 대퇴링크를 연결하며 상기 동체에 대하여 상기 대퇴링크를 피치방향으로 회동시키는 피치(pitch)방향 고관절(股關節)과, 상기 대퇴링크와 상기 하퇴링크를 연결하며 상기 대퇴링크에 대하여 상기 하퇴링크를 피치방향으로 회동시키는 무릎관절을 포함하며, 상기 피치방향 고관절과 상기 무릎관절은 서로 연동되어 하나의 연동 액추에이터에 의해 구동된다.
이때, 본 발명의 보행로봇은 상기 피치방향 고관절을 독립적으로 구동하는 독립 액추에이터를 더 포함할 수 있다.
또한, 태양기어와, 상기 태양기어의 외측에 마련되는 링기어와, 상기 태양기어 및 상기 링기어와 치합되어 자전 및 공전하는 복수 개의 유성기어들과, 상기 복 수 개의 유성기어들에 연결되는 캐리어를 구비하는 유성기어장치를 더 포함하며, 상기 연동 액추에이터의 구동력은 상기 링기어 및 상기 태양기어 중에서 하나를 통해 상기 유성기어장치로 입력되는 동시에 상기 무릎관절로 전달되고, 상기 독립 액추에이터의 구동력은 상기 링기어 및 상기 태양기어 중에서 나머지 하나를 통해 상기 유성기어장치로 입력되며, 상기 링기어 또는 상기 태양기어를 통해 입력된 구동력은 상기 캐리어를 통해 출력되어 상기 피치방향 고관절을 구동시킬 수 있다.
또한, 상기 유성기어는 태양기어와 치합되는 제1유성기어 및 링기어와 치합되는 제2유성기어를 구비하며, 상기 제1유성기어 및 사기 제2유성기어는 서로 축결합 될 수 있다.
또한, 입력축이 상기 유성기어의 출력축과 연결되고, 출력축이 상기 피치방향 고관절의 회전축과 연결되는 감속기를 더 포함할 수 있다.
또한, 입력축은 상기 연동 액추에이터의 회전축과 연결되고, 출력축은 상기 무릎관절의 회전축과 연결되는 감속기를 더 포함할 수 있다.
또한, 일측으로 상기 동체와 연결되고 타측으로 상기 대퇴링크와 회동 가능하도록 연결되는 프레임을 더 포함하며, 상기 유성기어장치는 상기 프레임에 의해 지지될 수 있다.
또한, 상기 독립 액추에이터는 상기 피치방향 고관절의 회전축에 인접하거나 상기 피치방향 고관절의 회전축 보다 상기 동체에 더 가까운 위치에 마련될 수 있다.
또한, 상기 연동 액추에이터는 상기 피치방향 고관절의 회전축에 인접하거나 상기 피치방향 고관절의 회전축 보다 상기 동체에 더 가까운 위치에 마련될 수 있다.
또한, 상기 피치방향 고관절과 상기 무릎관절은 각각의 회동방향이 상이하도록 연동될 수 있다.
또한, 상기 동체와 상기 피치방향 고관절 사이에 개재(介在)되는 하나 이상의 관절을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 보행로봇은 서로 연동되는 제1피치관절 및 제2피치관절을 구비하는 다리와, 상기 제1피치관절 및 상기 제2피치관절을 동시에 구동시키는 연동 액추에이터를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1피치관절을 독립적으로 구동하는 독립 액추에이터를 더 포함할 수 있다.
또한, 태양기어와, 상기 태양기어의 외측에 마련되는 링기어와, 상기 태양기어 및 상기 링기어와 치합되어 자전 및 공전하는 복수 개의 유성기어들과, 상기 복수 개의 유성기어들에 연결되는 캐리어를 구비하는 유성기어장치를 더 포함하며, 상기 연동 액추에이터의 구동력은 상기 링기어 및 상기 태양기어 중에서 하나를 통해 상기 유성기어장치로 입력되는 동시에 상기 제2피치관절로 전달되고, 상기 독립 액추에이터의 구동력은 상기 링기어 및 상기 태양기어 중에서 나머지 하나를 통해 상기 유성기어장치로 입력되며, 상기 링기어 또는 상기 태양기어를 통해 입력된 구동력은 상기 캐리어를 통해 출력되어 상기 제1피치관절을 구동시킬 수 있다.
또한, 상기 독립 액추에이터는 상기 제1피치관절의 회전축에 인접하거나 상 기 제1피치관절의 회전축 보다 상기 동체에 더 가까운 위치에 마련될 수 있다.
또한, 상기 연동 액추에이터는 상기 제1피치관절의 회전축에 인접하거나 상기 제1피치관절의 회전축 보다 상기 동체에 더 가까운 위치에 마련될 수 있다.
또한, 상기 제1피치관절은 피치방향 고관절이고, 상기 제2피치관절은 무릎관절일 수 있다.
또한, 동체와, 대퇴링크와, 하퇴링크와, 상기 동체와 상기 대퇴링크를 연결하는 고관절과, 상기 대퇴링크와 상기 하퇴링크를 연결하는 무릎관절을 포함하며, 상기 고관절은 요방향 고관절, 롤방향 고관절 및 피치방향 고관절을 포함하며, 상기 피치방향 고관절과 상기 무릎관절은 서로 연동될 수 있다.
또한, 제1입력축, 제2입력축 및 출력축을 포함하는 동력절환장치를 더 포함하며, 상기 제1입력축 또는 상기 제2입력축으로 입력된 출력은 상기 출력축으로 전달되어 상기 피치방향 고관절을 구동시킬 수 있다.
본 발명에 따른 보행로봇에서는 피치방향 고관절 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 액추에이터 중에서 하나의 액추에이터를 낮은 출력을 가지는 액추에이터로 대체할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 실시예에 따른 보행로봇의 다리관절구조를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 로봇은 동체(胴體)(1)의 하부 양측에 연결되는 다리(2L, 2R)들을 포함한다. 참조부호 중 "L"과 "R"은 각각 좌측과 우측을 나타내며, 이하 동일하다.
동체에는 팔, 머리 등의 링크가 부착되거나, 입력장치, 디스플레이장치 등의 별도 장치가 마련될 수 있다.
각각의 다리(2L, 2R)는 대퇴(大腿)링크(10L, 10R)와, 대퇴링크(10L, 10R)의 하부에 마련되는 하퇴(下腿)링크(20L, 20R)와, 하퇴링크(20L, 20R)의 하부에 마련되는 발(30L, 30R)과, 동체(1)와 대퇴링크(10L, 10R)를 연결하는 고관절(股關節)(40L, 40R)과, 대퇴링크(10L, 10R)와 하퇴링크(20L, 20R)를 연결하는 무릎관절(200L, 200R)과, 하퇴링크(20L, 20R)와 발(30L, 30R)을 연결하는 발목관절(70L, 70R)을 포함한다.
고관절(40L, 40R)은 동체(1)에 대하여 대퇴링크(10L, 10R)를 Z축 주위로 회전시키는 요(yaw)방향 고관절(50L, 50R)과, 동체(1)에 대하여 대퇴링크(10L, 10R)를 X축 주위로 회동시키는 롤(roll)방향 고관절(60L, 60R)과, 동체(1)에 대하여 대 퇴링크(10L, 10R)를 Y축 주위로 회동시키는 피치(pitch)방향 고관절(100L, 100R)을 구비한다. 이하에서, 요방향 회전(회동)은 Z축 주위의 회전(회동)을 의미하고, 롤방향 회전(회동)은 X축 주위의 회전(회동)을 의미하며, 피치방향 회전(회동)은 Y축 주위의 회전(회동)을 의미한다.
무릎관절(200L, 200R)은 대퇴링크(10L, 10R)에 대하여 하퇴링크(20L, 20R)를 Y축 주위로 회동시키는 피치방향 관절이다.
발목관절(70L, 70R)은 하퇴링크(20L, 20R)에 대하여 발(30L, 30R)을 X축 주위로 회동시키는 롤방향 발목관절(71L, 71R)과, 하퇴링크(20L, 20R)에 대하여 발(30L, 30R)을 Y축 주위로 회동시키는 피치방향 발목관절(72L, 72R)을 구비한다.
미설명 부호 80L 및 80R은 각각 발목관절(70L, 70R)과 발(30L, 30R) 사이에 마련되는 6축력 센서를 나타낸다. 6축력 센서(80L, 80R)는 3방향의 힘 성분(FX, FY, FZ) 및 3방향의 모멘트 성분(MX, MY, MZ)을 측정하여 다리(2L, 2R)의 착지유무 및 다리(2L, 2R)에 가해지는 상반력(床反力) 등을 검출한다. 미설명 부호 90은 동체(1)에 설치되어 Z축에 대한 경사 및 각속도를 검출하는 경사센서를 나타낸다. 또한, 각 관절들을 구동시키는 모터들에 부착된 로터리 인코더(미도시)에 의해, 각 모터의 회전량이 검출된다.
이러한 6축력 센서(80L, 80R), 경사센서(90) 및 로터리 인코더에서 생성된 데이터는 제어부(미도시)로 입력되고, 제어부는 상기 데이터에 기초하여 각 모터를 제어하며, 이에 의해, 로봇의 각종 동작이 구현된다.
이하에서는, 본 발명의 보행로봇에 의해 구현되는 각종 동작 중에서 보행동작과 관련하여, 고관절 및 무릎관절의 구동구조를 우측 다리(2R)를 예로 들어 설명한다. 물론, 상술되는 우측 다리(2R)의 구조는 좌측 다리(2L)에도 적용될 수 있음은 당연하다.
도 2는 본 실시예에 따른 보행로봇의 우측 다리의 고관절 및 무릎관절을 나타낸 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 우측 다리의 주요부를 분해하여 나타낸 사시도이며, 도 4는 도 2의 A-A선에서 바라본 단면도이다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 다리(2R)는 대퇴링크(10R)와, 대퇴링크(10R)의 하부에 마련되는 하퇴링크(20R)와, 하퇴링크(20R)의 하부에 마련되는 발(30R)과, 동체(1)와 대퇴링크(10R)를 연결하는 고관절(40R)과, 대퇴링크(10R)와 하퇴링크(20R)를 연결하는 무릎관절(200R)을 포함한다. 이때, 상기 고관절(40R)은 동체(1)에 대한 대퇴링크(10R)의 3자유도 운동이 가능하도록 요방향 고관절(50R), 롤방향 고관절(60R)과, 및 피치방향 고관절(100R)을 구비하고, 상기 무릎관절(200R)은 대퇴링크(10R)에 대한 하퇴링크(20R)의 피치방향 회동이 가능하도록 마련된다.
요방향 고관절(50R)은 동체(1)에 대하여 대퇴링크(10R)를 Z축 주위로 회전시키는 관절로서, 동체(1)에 지지되며 구동력을 발생시키는 액추에이터(52)와, 동체(1)에 지지되며 입력축(53i)이 상기 액추에이터(52)와 연결되고 출력축(53e)이 후술되는 롤방향 고관절용 프레임(61)에 연결되는 감속기(53)를 포함한다. 이때, 액추에이터(52)는 회전력을 발생시키는 전동모터이고, 감속기(53)는 공지의 하모닉 감속기가 되며, 이하에서 본 실시예의 보행로봇에 구비되는 액추에이터 및 감속기 에 대한 특별한 언급이 없는 한 동일하다.
요방향 고관절용 액추에이터(52)가 작동되면, 액추에이터(52)로부터 발생된 회전력이 감속기(53)로 전달되어 롤방향 고관절용 프레임(61) 이하의 구조체가 요방향으로 회전하게 된다.
롤방향 고관절(60R)은 대퇴링크(10R)를 X축 주위로 회동시키는 관절로서, 롤방향 고관절용 프레임(61)과, 롤방향 고관절용 프레임(61)에 의해 지지되며 구동력을 발생시키는 액추에이터(62)와, 롤방향 고관절용 프레임(61)에 의해 지지되며 입력축(63i)이 상기 액추에이터(62)와 연결되고 출력축(63e)이 후술되는 피치방향 고관절용 프레임(110)에 결합되는 감속기(63)를 구비한다.
이에 의해, 롤방향 고관절용 액추에이터(62)가 작동되면, 액추에이터(62)로부터 발생된 구동력이 롤방향 고관절(60R)의 감속기(63)로 전달되어 피치방향 고관절 프레임(110) 이하의 구조체가 롤방향으로 회동하게 된다.
피치방향 고관절(100R)은 피치방향 고관절용 프레임(110)과, 피치방향 고관절용 프레임(110)에 의해 지지되며 구동력을 발생시키는 연동 액추에이터(120) 및 독립 액추에이터(130)와, 연동 액추에이터(120) 또는 독립 액추에이터(130)로부터 발생된 구동력이 입력되는 제1, 2입력축(141, 142), 및 입력된 구동력이 출력되는 출력축(143)을 구비하는 유성기어장치(140)와, 피치방향 고관절용 프레임(110)에 의해 지지되며 입력축(150i)은 유성기어장치(140)의 출력축(143)과 기어결합되고 출력축(150e)은 피치방향 고관절(100R)의 회전축(100c)에 벨트 결합되는 감속기(150)를 포함한다. 미설명 부호 143g 및 150g는 유성기어장치(140)의 출력 축(143) 및 감속기(150)의 입력축(150i)에 각각 고정결합되어 서로 치합되는 기어들을 나타낸다.
본 실시예의 유성기어장치(140)는 제1입력축(141)이 축결합되는 태양기어(144)와, 태양기어(144)의 외측에 마련되며 제2입력축(142)이 축결합되는 링기어(145)와, 상기 태양기어(144) 및 상기 링기어(145)와 치합되어 자전 및 공전하는 복수 개의 유성기어(146)들과, 일측에는 상기 복수 개의 유성기어(146)들이 자전가능하도록 연결되며 타측에는 출력축(143)이 축결합되는 캐리어(147)를 구비한다. 각 유성기어(146)는 태양기어(144)와 치합되는 제1유성기어(146a), 및 링기어(145)와 치합되는 제2유성기어(146b)를 구비하고, 상기 제1유성기어(146a) 및 상기 제2유성기어(146b)는 서로 축결합되어 동일한 각속도로 자전한다.
유성기어장치(140)의 제1입력축(141)은 독립 액추에이터(130)의 회전축과 벨트결합되고, 유성기어장치(140)의 제2입력축(142)은 연동 액추에이터(120)의 회전축과 벨트결합되며, 상기한 바와 같이 유성기어장치(140)의 출력축(143)은 피치방향 고관절(100R)의 회전축(100a)과 연결되는 감속기(150)의 입력축(150i)과 기어결합된다. 이에 따라, 본 실시예의 유성기어장치(140) 제1입력축(141)으로 입력되는 구동력과 제2입력축(142)으로 입력되는 구동력을 출력축으로 선택적 전달하는 동력절환장치의 기능을 한다.
또한, 본 실시예의 유성기어장치(140)에서는 다음과 같은 관계가 성립한다.
Figure 112008038967151-pat00001
(식 1)
ωsun : 태양기어의 각속도
ωring : 링기어의 각속도
ωcarrier : 캐리어의 각속도
Nsun : 태양기어의 톱니수
Nring : 링기어의 톱니수
Nplanet-sun : 제1유성기어의 톱니수
Nplanet-ring : 제2유성기어의 톱니수
무릎관절(200R)은, 대퇴링크(10R)에 의해 지지되며 그 출력축(210e)이 무릎관절(200R)의 회전축(200a)과 연결되는 감속기(210)를 구비한다. 도시된 바와 같이, 연동 액추에이터(120)에 의해 구동되는 제2입력축(142)은 피치방향 고관절용 프레임(110)의 중심축(111)에 회전가능하도록 연결된 풀리(160h)를 통해 감속기(210)의 입력축(150i)과 벨트결합된다. 결과적으로, 감속기(210)의 입력축(210i)은 연동 액추에이터(120)의 회전축과 연결되고, 그 출력축(210e)은 무릎관절(200R)의 회전축(200a)과 연결되는 바, 무릎관절(200R)은 연동 액추에이터(120) 에 의해 구동된다. 이때, 피치방향 고관절용 프레임(110)의 중심축(111)과 감속기(210)의 입력축(210i)의 연결하는 벨트의 장력이 일정하게 유지되도록, 상기 피치방향 고관절용 프레임(110)의 중심축(111)은 피치방향 고관절(100R)의 회전축(100a)과 동일한 회전중심(100c)을 가지도록 마련됨이 바람직하다.
미설명 부호 160a 내지 160g는 독립 액추에이터(130)의 회전축, 연동 액추에이터(120)의 회전축, 제1입력축(141), 제2입력축(142), 피치방향 고관절(100R)의 회전축(100a) 및 감속기(210)의 입력축(210i)과 함께 회전되도록 상기 회전축들과 고정결합되는 풀리를 나타낸다. 이때, 풀리(160h)와 함께 풀리(160g)는 동력전달을 매개하도록 두 개의 풀리가 축결합된 구조를 가진다.
도 5 및 도 6은 본 실시예에 따른 보행로봇의 피치방향 고관절 및 무릎관절의 동작을 나타낸 도면이다.
이하에서, 본 실시예에 따른 보행로봇의 피치방향 고관절(100R) 및 무릎관절(200R)의 연동구조를 도 5 및 도 6과 함께 상기 (식. 1)을 이용하여 상술한다. 이해를 돕기 위해, 태양기어(144)는 독립 액추에이터(130)의 각속도와 동일한 각속도로 회전되도록 독립 액추에이터(130)의 회전축과 연결되고, 링기어(145)는 연동 액추에이터(120)의 각속도와 동일한 각속도로 회전되도록 연동 액추에이터(120)의 회전축과 연결되며, 동체에 대한 대퇴링크(10R)의 회동각(a1)은 캐리어(147)의 각속도에 비례하고, 대퇴링크(10R)에 대한 하퇴링크(20R)의 회동각(a2)은 링기어(144)의 각속도에 비례하도록 풀리, 기어 등이 연결된다고 가정한다.
독립 액추에이터(130)는 정지되고, 연동 액추에이터(120) 만이 작동될 경우 피치방향 고관절(100R) 및 무릎관절(200R)은 동시에 구동된다.
구체적으로, 연동 액추에이터(120)가 도 5에 도시된 바와 같이 시계 방향으로 구동될 경우, 링기어(145) 및 유성기어(146)는 각각 시계 방향으로 회전 및 공전하고, 유성기어장치(140)의 출력축(143)과 기어결합되는 감속기(150)의 입력축(150i) 및 출력축(150e)은 반시계방향으로 회동하게 되어 대퇴링크(10R)는 반시계방향으로 회동하게 된다. 이와 동시에, 링기어(145)의 제2입력축(142)과 풀리(160h) 및 감속기(210)를 통해 연결되는 하퇴링크(20R)는 시계방향으로 회동하게 된다. 이에 따라, 도 5에 도시된 바와 같이 다리의 운동이 구현된다.
예를 들어, 대퇴링크(10R)의 회동각(a1)의 크기가 하퇴링크(20R)의 회동각(a2)의 크기의 2배가 된다고 가정(즉, 대퇴링크의 회동각 및 하퇴링크의 회동각은 각각 캐리어의 각속도 및 링기어의 각속도에 비례한다고 가정하였는 바, ωring=2ㅧωcarrier의 관계가 성립한다)할 경우, (식. 1)로부터 다음과 같은 관계가 얻어진다. 이때, 독립 액추에이터(130)는 정지된 상태이므로 ωsun=0 이다.
Figure 112008038967151-pat00002
(식. 2)
다시 말해, (식. 2)와 같은 관계가 성립되도록 태양기어(144), 링기어(145) 및 제1, 2유성기어(146a, 146b)의 톱니수를 조정할 경우, 독립 액추에이터(130)가 정지된 상태에서 연동 액추에이터(120) 작동되면, 하퇴링크(20R)는 대퇴링크(10R) 회동각(a1)의 크기의 두 배가 되는 크기로 대퇴링크(10R)의 회동방향과 반대방향으로 회동한다. 이와 같이, 좌측 및 우측 다리의 관절이 작동되면, 로봇의 앉는 동작이 구현된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 연동 액추에이터(120)가 정지되고 독립 액추에이터(130)가 동작할 경우에는 독립 액추에이터(130)의 회전방향과 반대방향으로 대퇴링크(10R)가 회동하게 되고, 대퇴링크(10R)를 기준으로 볼 때 하퇴링크(20R)는 회동하지 않게 된다.
(식. 2)의 조건하에서, 독립 액추에이터(130) 및 연동 액추에이터(120)를 동시에 구동시킬 경우 (식. 1)로부터 다음과 같은 관계가 성립한다.
Figure 112008038967151-pat00003
(식. 3)
따라서, 독립 액추에이터(130) 및 연동 액추에이터(120)를 동시에 구동시켜 피치방향 고관절(100R) 및 무릎관절(200R)도 함께 회동시키는 것이 가능하게 되고, 복잡한 동작의 구현 및 정밀제어가 가능해진다.
상기한 바와 같이, 연동 액추에이터(120)로부터 발생된 구동력은 유성기어장치(140)를 통해 피치방향 고관절(100R)로 전달되는 동시에 풀리(160h)를 통해 무릎관절(200R)로 전달된다. 즉, 피치방향 고관절(100R)과 무릎관절(200R)이 서로 연동되어 하나의 연동 액추에이터(120)에 의해 구동된다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 보행로봇에서는 피치방향 고관절(100R) 및 무릎관절(200R)의 제어가 간단해 진다. 구체적으로, 달리기, 걷기, 앉기 등과 같이 피치방향 고관절(100R) 및 무릎관절(200R)이 동시에 구동되는 동작에서 하나의 액추에이터 만을 제어하여 동작의 구현이 가능해지므로, 제어 메커니즘이 간단해 진다. 특히, 달리기, 걷기 등의 보행동작 시, 하나의 액추에이터만을 제어하여 지면으로부터 전달되는 충격을 효과적으로 완화시키는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시예에 따른 보행로봇에서는 피치방향 고관절(100R)을 독립적으로 구동시키는 독립액추에이터(130) 뿐만 아니라 서로 연동된 피치방향 고관절(100R) 및 무릎관절(200R)을 구동시키는 연동 액추에이터(120)가 피치방향 고관절(100R)에 인접하게 배치되므로, 보행로봇의 보행시에 다리에서 발생하는 관성력이 크게 감소되어 다리의 구동에 필요한 출력이 감소하게 된다.
또한, 대퇴링크(10R) 및 하퇴링크(20R)의 피치방향 회동을 위한 두 개의 액추에이터 중에서 하나의 액추에이터를 낮은 출력을 가지는 액추에이터로 대체할 수 있다. 구체적으로, 본 실시예에 따른 보행로봇에서는 큰 수직하중 및 토크가 피치방향 고관절(100R)과 무릎관절(200R)에 가해지는 달리기, 앉기 등의 동작에서는 큰 출력을 가지는 연동 액추에이터(120)를 구동하고, 단순히 피치방향 고관절(100R)만을 구동시켜 대퇴링크(10R)를 회동시키는 경우에는 상대적으로 작은 출력을 가지는 독립 액추에이터(130)를 구동하여, 동작의 구현이 가능한 바, 독립 액추에이터(130)는 작은 출력을 가지는 모터로 대체할 수 있다.
본 실시예에서는 2족 보행로봇을 예로 들어 본 발명에 의한 2개의 서로 링크 연결된 피치관절 사이의 연동구조에 대하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로서 본 발명의 연동구조는 4족 보행로봇 등 다양한 종류의 보행로봇에 적용될 수 있다.
이외에도, 본 발명의 피치방향 고관절 및 무릎관절 사이의 연동구조는 다양한 형태로 변형실시될 수 있다.
예를 들어, 본 실시예에서는 피치방향 고관절(100R)은 요방향 고관절(50R) 및 롤방향 고관절(60R)을 통해서 동체(1)와 연결되지만, 동체(1)에 직접 연결될 수도 있음은 당연하다. 그리고, 동체(1) 및 피치방향 고관절(100R) 사이에 개재(介在)되는 관절의 수에는 제한이 없다.
또한, 본 실시예에서 독립 액추에이터(130) 및 연동 액추에이터(120)는 피치방향 고관절(100R)의 회전축(100a) 보다 동체(1)에 가까운 위치에 배치되지만, 피치방향 고관절(100R)의 회전축(100a)보다 동체(1)에 먼 위치에 배치될 수 있음은 물론이다. 다만, 보행시 다리에서 발생하는 관성력을 고려하여, 피치방향 고관절(100R)의 회전축(100a)에 인접하거나 피치방향 고관절(100R)의 회전축(100a) 보다 동체(1)에 가까운 위치에 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 본 실시예의 독립 액추에이터(130)는 태양기어(144)와 연결되고 연동 액추에이터(120)는 링기어(145)와 연결되지만, 연동 액추에이터(120)가 태양기어(144)와 연결되고 독립 액추에이터(130)가 링기어(145)와 연결될 수도 있다. 이 경우, 무릎관절(200R)은 태양기어(144)에 결합된 제1입력축(141)에 연결된다.
또한, 본 실시예의 보행로봇은 유성기어장치(140)의 출력축(143)과 피치방향 고관절(100R)의 회전축(100a)을 연결하는 감속기(150)를 구비하지만, 별도의 감속 기를 구비하지 않고 유성기어장치(140)를 감속기로 사용할 수도 있다. 다만, 이 경우에는 피치방향 고관절(100R)과 무릎관절(200R)의 회동방향이 반대로 되도록 별도의 동력전달구조가 추가되어야 한다.
또한, 회전축을 지지하는 베어링 등의 구성요소가 추가될 수 있음은 당연하다.
도 1은 본 실시예에 따른 보행로봇의 다리관절 구조를 나타낸 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 보행로봇의 우측 다리의 고관절 및 무릎관절을 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 우측 다리의 주요부를 분해하여 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 2의 A-A선에서 바라본 단면도이다
도 5 내지 도 6은 본 발명에 따른 보행로봇의 피치방향 고관절 및 무릎관절의 동작을 나타낸 도면이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*
1 동체 2L, 2R 다리
10L, 10R 대퇴링크 20L, 20R 하퇴링크
30L, 30R 발 40L, 40R 고관절
50L, 50R 요방향 고과절 60L, 60R 롤방향 고관절
100L, 100R 피치방향 고관절 200L, 200R 무릎관절
120 연동 액추에이터 130 독립 액추에이터
140 유성기어장치 144 태양기어
145 링기어 146 유성기어

Claims (19)

  1. 동체(胴體) 및 상기 동체에 연결되는 복수 개의 다리들을 포함하는 보행로봇에 있어서,
    상기 다리들 중 적어도 하나의 다리는 대퇴(大腿)링크와, 상기 대퇴링크의 하부에 마련되는 하퇴(下腿)링크와, 상기 동체와 상기 대퇴링크를 연결하며 상기 동체에 대하여 상기 대퇴링크를 피치방향으로 회동시키는 피치(pitch)방향 고관절(股關節)과, 상기 대퇴링크와 상기 하퇴링크를 연결하며 상기 대퇴링크에 대하여 상기 하퇴링크를 피치방향으로 회동시키는 무릎관절을 포함하며,
    상기 피치방향 고관절과 상기 무릎관절은 서로 연동되어 하나의 연동 액추에이터에 의해 구동되고,
    상기 연동 액추에이터는 상기 피치방향 고관절의 회전축에 인접하거나 상기 피치방향 고관절의 회전축 보다 상기 동체에 더 가까운 위치에 마련되고,
    상기 피치방향 고관절을 독립적으로 구동하는 독립 액추에이터를 포함하고,
    상기 독립 액추에이터의 구동력이 입력되는 제1입력축과, 상기 연동 액추에이터의 구동력이 입력되는 제2입력축과, 상기 제1입력축으로 입력되는 구동력 또는 상기 제2입력축으로 입력되는 구동력을 상기 피치방향 고관절에 전달하는 출력축을 갖는 유성기어장치를 포함하고,
    상기 무릎관절의 회전축은 상기 유성기어장치의 제2입력축과 함께 회전하도록 연결되는 것을 특징으로 하는 보행로봇.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유성기어장치는 태양기어와, 상기 태양기어의 외측에 마련되는 링기어와, 상기 태양기어 및 상기 링기어와 치합되어 자전 및 공전하는 복수 개의 유성기어들과, 상기 복수 개의 유성기어들에 연결되는 캐리어를 구비하고,
    상기 연동 액추에이터의 구동력은 상기 링기어 및 상기 태양기어 중에서 하나를 통해 상기 유성기어장치로 입력되는 동시에 상기 무릎관절로 전달되고, 상기 독립 액추에이터의 구동력은 상기 링기어 및 상기 태양기어 중에서 나머지 하나를 통해 상기 유성기어장치로 입력되며, 상기 링기어 또는 상기 태양기어를 통해 입력된 구동력은 상기 캐리어를 통해 출력되어 상기 피치방향 고관절을 구동시키는 것을 특징으로 하는 보행로봇.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 유성기어는 태양기어와 치합되는 제1유성기어 및 링기어와 치합되는 제2유성기어를 구비하며, 상기 제1유성기어 및 상기 제2유성기어는 서로 축결합 되는 것을 특징으로 하는 보행로봇.
  5. 제3항에 있어서,
    입력축이 상기 유성기어의 출력축과 연결되고, 출력축이 상기 피치방향 고관절의 회전축과 연결되는 감속기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보행로봇.
  6. 제3항에 있어서,
    입력축은 상기 연동 액추에이터의 회전축과 연결되고, 출력축은 상기 무릎관절의 회전축과 연결되는 감속기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보행로봇.
  7. 제3항에 있어서,
    일측으로 상기 동체와 연결되고 타측으로 상기 대퇴링크와 회동 가능하도록 연결되는 프레임을 더 포함하며,
    상기 유성기어장치는 상기 프레임에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 보행로봇.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 독립 액추에이터는 상기 피치방향 고관절의 회전축에 인접하거나 상기 피치방향 고관절의 회전축 보다 상기 동체에 더 가까운 위치에 마련되는 것을 특징으로 하는 보행로봇.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 피치방향 고관절과 상기 무릎관절은 각각의 회동방향이 상이하도록 연동되는 것을 특징으로 하는 보행로봇.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 동체와 상기 피치방향 고관절 사이에 개재(介在)되는 하나 이상의 관절을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보행로봇.
  12. 동체와,
    서로 연동되는 제1피치관절 및 제2피치관절을 구비하는 다리와,
    상기 제1피치관절 및 상기 제2피치관절을 동시에 구동시키는 연동 액추에이터를 포함하고,
    상기 연동 액추에이터는 상기 제1피치관절의 회전축에 인접하거나 상기 제1피치관절의 회전축 보다 상기 동체에 더 가까운 위치에 마련되고,
    상기 제1피치관절을 독립적으로 구동하는 독립 액추에이터를 포함하고,
    상기 독립 액추에이터의 구동력이 입력되는 제1입력축과, 상기 연동 액추에이터의 구동력이 입력되는 제2입력축과, 상기 제1입력축으로 입력되는 구동력 또는 상기 제2입력축으로 입력되는 구동력을 상기 제1피치관절에 전달하는 출력축을 갖는 유성기어장치를 포함하고,
    상기 제2피치관절의 회전축은 상기 유성기어장치의 제2입력축과 함께 회전하도록 연결되는 것을 특징으로 하는 보행로봇.
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서,
    상기 유성기어장치는 태양기어와, 상기 태양기어의 외측에 마련되는 링기어와, 상기 태양기어 및 상기 링기어와 치합되어 자전 및 공전하는 복수 개의 유성기어들과, 상기 복수 개의 유성기어들에 연결되는 캐리어를 구비하고,
    상기 연동 액추에이터의 구동력은 상기 링기어 및 상기 태양기어 중에서 하나를 통해 상기 유성기어장치로 입력되는 동시에 상기 제2피치관절로 전달되고, 상기 독립 액추에이터의 구동력은 상기 링기어 및 상기 태양기어 중에서 나머지 하나를 통해 상기 유성기어장치로 입력되며, 상기 링기어 또는 상기 태양기어를 통해 입력된 구동력은 상기 캐리어를 통해 출력되어 상기 제1피치관절을 구동시키는 것을 특징으로 하는 보행로봇.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 독립 액추에이터는 상기 제1피치관절의 회전축에 인접하거나 상기 제1피치관절의 회전축 보다 상기 동체에 더 가까운 위치에 마련되는 것을 특징으로 하는 보행로봇.
  16. 삭제
  17. 제12항에 있어서,
    상기 제1피치관절은 피치방향 고관절이고, 상기 제2피치관절은 무릎관절인 것을 특징으로 하는 보행로봇.
  18. 동체와, 대퇴링크와, 하퇴링크와, 상기 동체와 상기 대퇴링크를 연결하는 고관절과, 상기 대퇴링크와 상기 하퇴링크를 연결하는 무릎관절을 포함하는 보행로봇에 있어서,
    상기 고관절은 요방향 고관절, 롤방향 고관절 및 피치방향 고관절을 포함하며,
    상기 피치방향 고관절과 상기 무릎관절은 하나의 연동 액추에이터에 의해 서로 연동되고,
    상기 연동 액추에이터는 상기 피치방향 고관절의 회전축에 인접하거나 상기 피치방향 고관절의 회전축 보다 상기 동체에 더 가까운 위치에 마련되고,
    상기 피치방향 고관절을 독립적으로 구동하는 독립 액추에이터를 포함하고,
    상기 독립 액추에이터의 구동력이 입력되는 제1입력축과, 상기 연동 액추에이터의 구동력이 입력되는 제2입력축과, 상기 제1입력축으로 입력되는 구동력 또는 상기 제2입력축으로 입력되는 구동력을 상기 피치방향 고관절에 전달하는 출력축을 갖는 유성기어장치를 포함하고,
    상기 무릎관절의 회전축은 상기 유성기어장치의 제2입력축과 함께 회전하도록 연결되는 것을 특징으로 하는 보행로봇.
  19. 삭제
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