KR101715487B1

KR101715487B1 - 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발

Info

Publication number: KR101715487B1
Application number: KR1020150105885A
Authority: KR
Inventors: 구자춘; 김백철; 김성준; 이효주
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2015-07-27
Filing date: 2015-07-27
Publication date: 2017-03-13
Also published as: KR20170013461A

Abstract

본 발명은 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발은 발선단부에 마련된 복수의 발가락 사이간격이 발본체부와 발선단부의 사이각에 따라 조절되도록 함으로써, 보행 과정에서 안정적인 지지력을 제공할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발 {FOOT FOR LEGGED MOBILE ROBOT HAVING VARIABLE STRUCTURE}

본 발명은 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발선단부에 마련된 복수의 발가락 사이간격이 발본체부와 발선단부의 사이각에 따라 조절되도록 함으로써, 보행 과정에서 안정적인 지지력을 제공할 수 있는 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발에 관한 것이다.

현재까지 개발된 대부분의 휴머노이드 로봇 발은 단일강체로 이뤄져 있어 걸음궤적 생성에 있어 정상 인간과는 다른 보행 패턴을 보이고 있다. 따라서, 걸음 시 발바닥이 항상 수평을 이루고 있어 정상 인간 보행에서 입각기(stance phase) 기간 동안 발생하는 뒤꿈치 착지(heel strike), 발 평형(foot flat), 뒤꿈치 상승(heel off), 차고 나가기(toe off) 등의 일련의 인간의 걸음동작을 자연스럽게 발생시킬 수가 없다.

따라서, 종래의 로봇 발은 그 구조상 로봇 발이 지면과 안정된 접촉을 유지하는데 있어서 적응력이 떨어져 인간과 같은 능숙한 이동성을 구현할 수가 없었다.

최근, 미국 공개특허 US2011/0093091(2011.4.21)(특허문헌 1)과 같이 판 형태의 단순한 발 구조로부터 벗어나 인간의 발 형태를 기초로 하는 구조가 개발되고 있다.

도 1은 일반적인 보행 속도에 따른 발의 압력 분포를 나타낸 그래프이다. (The influence of walking speed and footwear on plantar pressures in older adults, Clinical Biomechanics, 2004)

사람은 보행 속도에 따라 지면과의 접촉 면적이 달라지고, 속도가 빠르면 가해지는 하중이 작아지고, 보행 주기의 각 단계별 진행속도가 빨라진다.

보행 속도가 느리면 이와 반대의 경향이 나타나는데, 느린 속도로 걸을 때가 빠르게 걸을 때의 압력 분포에 비해 더 고르게 분포된다.

즉, 빠른 속도로 보행할 때는 일반적인 걸음과 비교했을 때 발바닥에 표시된 1, 2, 15, 16번 위치의 압력분포가 더 높은 반면, 발의 중간 부분에 해당하는 6 내지 11번 위치의 압력 분포는 더 낮음을 알 수 있다. 이와 같이 빠르게 걸을 때에는 상대적으로 좁은 면적에 해당하는 앞발과 뒤꿈치의 접촉이 주를 이루고, 느린 보행 속도에서는 발의 전체적인 부분을 이용하여 걷는 것을 추측할 수 있다.

도 2는 일반적인 보행 속도에 따른 발의 최대 압력을 나타낸 것이다. (Human-like external function of the foot, and fully upright gait, confirmed in the 3.66 million year old Laetoli hominin footprints by topographic statistics, experimental footprintformation and computer simulation, Journal of the Royal Society Interface, 2011 April)

도 2에 나타난 바와 같이, 보행 속도가 빠를 때 Heel, Toes, Central Metatarsal 및 Medial Metatarsals의 발생 최대 압력이 증가한다. 즉, 보행 속도가 빨라질수록 앞발과 뒤꿈치를 주로 사용하는 것을 알 수 있다.

상기와 같이, 빠른 걸음걸이로 이동하는 과정에서 발의 압력이 발의 앞부분과 뒷부분으로 집중되는데, 선행기술 1과 같이 인간의 발을 기초로 로봇의 발 구조를 설계하는 경우, 발의 앞부분과 뒷부분의 면적이 좁기 때문에 보행과정에서 로봇이 쉽게 넘어지는 문제가 발생한다.

특허문헌 1. 미국 공개특허 US2011/0093091(2011.4.21)

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 발선단부에 마련된 복수의 발가락 사이간격이 발본체부와 발선단부의 사이각에 따라 조절되도록 함으로써, 보행 과정에서 안정적인 지지력을 제공할 수 있는 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발을 제공함에 있다.

또한, 보행 속도에 따라 발선단부에 마련된 복수의 발가락 사이간격이 조절되도록 할 수 있는 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발을 제공함에 있다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 발목 관절에 연결되는 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발에 있어서, 발목 관절에 연결되는 발본체부;와, 상기 발본체부의 앞부분에 회동가능하게 연결되는 발선단부;와, 상기 발선단부의 앞부분에 배치되며, 적어도 하나가 횡방향으로 슬라이딩 가능하게 배치되는 복수의 발가락부; 및 일단은 발본체부 또는 발선단부에 지지되고 타단은 슬라이딩 가능한 발가락부에 연결되어 상기 발본체부와 발선단부의 사이각에 따라 상기 복수의 발가락부 사이 간격을 조절하는 구동부;를 포함하는 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발에 의해 달성된다.

여기서, 상기 구동부는, 제1기어부가 고정되어 상기 발본체부의 일단부에 횡방향으로 축회전 가능하게 배치되는 볼스크류와, 상기 발선단부에 고정되어 상기 제1기어부와 맞물리는 제2기어부와, 상기 볼스크류에 맞물린 상태에서 상기 슬라이딩 가능하게 배치된 발가락부에 연결되는 볼너트를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 구동부는, 상기 볼스크류와 동일축선상에 배치되어 발본체부에 고정되는 제3기어부와, 상기 발선단부에 고정되어 제3기어부와 맞물리는 제4기어부와, 상기 제3기어부와 제4기어부의 축선에 각각 회동가능하게 연결되어 발본체부와 발선단부를 연결하는 연결부재를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제3기어부와 제1기어부, 상기 제2기어부와 제4기어부는 각각 동일 축선 상에 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1기어부와 제4기어부는 제2기어부와 제3기어부에 대하여 상대적으로 직경이 작게 설정되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 발본체부에는 볼너트가 볼스크류와 함께 회전하는 것을 방지하기 위한 스토퍼가 마련되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 스토퍼는 볼스크류와 나란하게 배치되어 발본체부 측에 지지되는 가이드와, 상기 볼너트에 형성되어 가이드와 맞물리는 결합부를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 발선단부에는 발가락부의 횡방향 슬라이딩을 안내하는 안내바가 마련되고, 상기 발가락부에는 상기 안내바가 관통하는 관통홀이 마련되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 발본체부는, 샤프트와, 상기 샤프트에 회동가능하게 연결되어 전방과 후방으로 각각 하향 경사배치되는 발후단부와 발중간부를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 발본체부는 발후단부와 발중간부의 사이각을 탄력적으로 유지하는 제1탄성부재를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 발본체부와 발선단부의 사이각을 탄력적으로 유지하는 제2탄성부재;를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 발선단부에 마련된 복수의 발가락 사이간격이 발본체부와 발선단부의 사이각에 따라 조절되도록 함으로써, 보행 과정에서 안정적인 지지력을 제공할 수 있는 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발이 제공된다.

또한, 보행 속도에 따라 발선단부에 마련된 복수의 발가락 사이간격이 조절되도록 할 수 있는 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발이 제공된다.

도 1은 일반적인 보행 속도에 따른 발의 압력 분포를 나타낸 그래프,
도 2는 일반적인 보행 속도에 따른 발의 최대 압력을 나타낸 표,
도 3은 본 발명 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발의 사시도,
도 4는 본 발명 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발의 분해사시도,
도 5는 본 발명 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발의 평단면도,
도 6은 도 5의 A-A'선 단면도,
도 7은 도 5의 B-B'선 단면도,
도 8은 본 발명 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발의 구동부에 따른 발가락부의 작용상태를 나타내는 도면이고,
도 9는 본 발명 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발의 발본체부의 작용상태를 나타내는 도면이다.

설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발에 대하여 상세하게 설명한다.

첨부도면 중, 도 3은 본 발명 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발의 사시도이고, 도 4는 본 발명 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발의 분해사시도이다.

상기 도면에서 도시하는 바와 같은 본 발명 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발은 발목 관절에 연결되는 것으로서, 크게 발본체부(110)와, 발선단부(120)와, 발가락부(130) 및 구동부(140)를 포함하여 구성된다.

상기 발본체부(110)는 횡방향(X축)으로 배치되어 발목 관절에 연결되는 샤프트(111)와, 상기 샤프트(111)에 회동가능하게 연결되어 전방과 후방으로 각각 하향 경사배치되는 발후단부(112)와 발중간부(113)를 포함하여 구성된다. 본 실시예에서는 상기 샤프트(111)가 로봇 다리의 발목 관절에 연결되는 것으로 예를 들어 설명하였으나, 로봇의 형태에 따라 발후단부(112)나 발중간부(113)가 로봇 다리의 발목 관절에 연결되는 것도 가능할 것이다. 한편, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 발본체부(110)에는 발후단부(112)와 발중간부(113)의 사이각을 탄력적으로 유지하기 위해 일단이 발후단부(112)에 고정되고 타단이 발중간부(113) 또는 발선단부(120)측에 고정되는 제1탄성부재(T1)가 마련될 수 있으며, 이러한 제1탄성부재(T1)로는 스프링이나 신축가능한 탄성밴드 등이 적용될 수 있다.

상기 발선단부(120)는 보행 사이클(gait cycle) 중, 앞발딛기(Push off)에 속하는 뒤꿈치 상승(heel off) 및 차고 나가기(toe off) 단계에서 바닥면에 안정적으로 지지된 상태를 유지할 수 있도록, 상기 발중간부(113)의 앞부분에 후술할 연결부재(147)를 통해 회동가능하게 연결된다.

상기 발가락부(130)는 복수 마련되어 상기 발선단부(120)의 앞부분에 배치되며, 적어도 하나가 횡방향으로 슬라이딩 가능하게 배치된다. 본 실시예에서는 설명의 편의를 위해 발가락부(130)가 발선단부(120)의 앞부분 일측에 고정되는 제1발가락(131)과, 타측에 슬라이딩 가능하게 배치되는 제2발가락(132)으로 구성되는 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 제2발가락(132)의 횡방향 슬라이딩을 위해, 상기 발선단부(120)에는 발가락부(130)의 슬라이딩을 안내하는 안내바(121)가 마련되고, 상기 제2발가락(132)에는 상기 안내바(121)가 관통하는 관통홀(132a)이 마련된다.

상기 구동부(140)는 상기 발본체부(110)와 발선단부(120)의 사이각에 따라 상기 제1발가락(131)과 제2발가락(132) 사이 간격을 조절하는 것으로서, 상기 발본체부(110)의 단부에 횡방향으로 축회전 가능하게 배치되는 볼스크류(142)와, 상기 볼스크류(142) 상에 고정되는 제1기어부(141)와, 상기 발선단부(120)에 고정되어 상기 제1기어부(141)와 맞물리는 제2기어부(143)와, 상기 볼스크류(142)에 맞물린 상태에서 상기 제2발가락(132)에 연결되는 볼너트(144)와, 상기 볼스크류(142)와 동일축선상에 배치되어 발본체부(110)에 고정되는 제3기어부(145)와, 상기 발선단부(120)에 고정되어 상기 제3기어부(145)와 맞물리는 제4기어부(146)와, 양단부가 상기 발중간부(113)와 발선단부(120)에 각각 회동가능하게 연결되는 연결부재(147)를 포함하여 구성된다. 한편, 상기 제1 내지 제4기어부(141,143,145,146) 및 연결부재(147)는 복수 마련되어 발본체부(110)와 발선단부(120)의 중앙 양측에 대칭되는 형태로 배치될 수 있다.

또한, 상기 발선단부(120)와 발후단부(112) 및 발가락부(130)의 저면부에는 바닥면과 탄력적으로 접촉하는 지지부재(미도시)가 마련되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 제3기어부(145)와 제1기어부(141), 상기 제2기어부(143)와 제4기어부(146)는 각각 동일 축선 상에 배치되고, 상기 제1기어부(141)와 제4기어부(146)는 제2기어부(143)와 제3기어부(145)에 대하여 상대적으로 직경이 작게 설정된다. 즉, 발선단부(120)가 바닥면에 지지된 상태에서 발본체부(110)가 회동하는 경우, 제3기어부(145)와 제4기어부(146)의 기어비에 따라 제4기어부(146)의 축선을 중심으로 하는 제3기어부(145)의 공전 이동거리가 결정되고, 제1기어부(141)와 제2기어부(143)의 기어비에 따라 상기 공전 이동거리에 따른 볼스크류(142)의 회전량이 결정된다.

따라서, 발본체부(110)가 회동하는 과정에서 발생하는 회전구동력이 제3,4기어부(145,146) 및 제1,2기어부(141,143)를 통해 볼스크류(142)에 전달되고, 볼스크류(142)가 회전함에 따라 볼너트(144)와 연결된 제2발가락(132)이 안내바(121)를 따라 슬라이딩하면서 제1발가락(131)과의 사이간격이 조절된다.

구체적으로, 2족 보행하는 이동 로봇이 한쪽 발만 바닥면에 지지하고 있는 상태, 즉 앞발딛기 영역에서는 발본체부(110)와 발선단부(120)의 사이각이 좁아지게 되는데, 이 과정에서 구동부(140)가 제1발가락(131)과 제2발가락(132)의 사이간격을 확장시키므로, 이동 로봇의 보행 중 앞발딛기 영역에서도 안정적인 지지상태가 유지된다.

한편, 본 실시예에서 언급한 '가변형 구조'란 로봇의 보행상태에 따라 제1발가락(131)과 제2발가락(132)의 사이간격이 가변되는 것을 의미한다.

상기 발본체부(110)에는 볼너트(144)가 볼스크류(142)와 함께 회전하는 것을 방지하기 위한 스토퍼가 마련되며, 스토퍼는 볼스크류(142)와 나란하게 배치되어 발본체부(110) 측에 지지되는 가이드(113a)와, 상기 볼너트(144)에 형성되어 가이드(113a)와 맞물리는 결합부(144a)를 포함하여 구성될 수 있다. 본 실시예에서는 상기 가이드(113a)는 봉의 형태로 이루어지고, 상기 결합부(144a)는 상기 봉 형태의 가이드(113a)가 삽입되는 홀의 형태로 이루어지는 것으로 예를 들어 설명하였으나, 가이드(113a)가 레일홈의 형태로 이루어지고 결합부(144a)가 레일홈에 삽입되는 돌기의 형태로 이루어지는 것도 가능할 것이다.

한편, 도 9에 도시된 바와 같이, 발본체부(110)와 발선단부(120)의 사이에는 상기 발본체부(110)와 발선단부(120)의 사이각을 탄력적으로 유지하기 위해 일단이 발중간부(113)에 고정되고 타단이 발선단부(120) 또는 발가락부(130)에 고정되는 제2탄성부재(T2)가 마련될 수 있다. 이러한 제2탄성부재(T2)로는 스프링이나 신축가능한 탄성밴드 등이 적용될 수 있다. 따라서, 보행 과정 중, 발선단부(120)만 바닥면에 지지되는 앞발딛기(Push off)단계로부터 발선단부(120)가 바닥면으로부터 이격되는 유각기(Swing phase)로 진입하는 경우, 발선단부(120)에는 하중이 가해지지 않게 되므로 제2탄성부재(T2)의 탄성력에 의해 발본체부(110)와 발선단부(120)의 사이각이 최초의 상태로 복원될 수 있다.

지금부터는 상술한 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.

첨부도면 중, 도 5는 본 발명 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발의 평단면도이고, 도 6은 도 5의 A-A'선 단면도이고, 도 7은 도 5의 B-B'선 단면도이고, 도 8은 본 발명 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발의 구동부에 따른 발가락부의 작용상태를 나타내는 도면이고이고, 도 9는 본 발명 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발의 발본체부의 작용상태를 나타내는 도면이다.

먼저, 도 5 내지 도 7에서 도시하는 바와 같이, 발본체부(110)의 샤프트(111)는 로봇 발목의 하단에 횡방향으로 배치되고, 발후단부(112)는 일단부가 상기 샤프트(111)에 회동가능하게 연결된 상태에서 타단부가 후방을 향해 하향 경사배치되어 바닥면에 지지되고, 발중간부(113)는 일단부가 상기 샤프트(111)에 회동가능하게 연결된 상태에서 타단부가 전방을 향해 하향 경사배치된다. 한편, 상기 발후단부(112)와 발중간부(113)는 소정의 사이각을 이루도록 배치되며, 상기 발후단부(112)와 발중간부(113)의 사이각은 제1탄성부재(T1, 도 9 참조)에 의해 탄력적으로 유지된다.

발선단부(120)는 연결부재(147)를 통해 발중간부(113)의 앞부분에 상하 방향으로 회동가능하게 연결된다.

발선단부(120)의 앞부분에 배치되는 복수의 발가락부(130) 중, 제1발가락(131)은 발선단부(120)측에 고정되고, 제2발가락(132)은 횡방향으로 배치되는 안내바(121)에 결합되어 안내바(121)를 따라 슬라이딩 가능한 상태가 된다. 상기 제2발가락(132)은 후술할 볼너트(144)에 연결되어 볼너트(144)와 함께 연동한다.

구동부(140)의 제3기어부(145)는 발중간부(113)에 고정되어 발선단부(120)에 고정된 제4기어부(146)와 맞물린다. 제4기어부(146)와 동일 축선 상에 배치되는 제2기어부(143)는 제3기어부(145)와 동일 축선 상에서 축회전 가능하게 배치된 제1기어부(141)와 맞물리고, 볼스크류(142)는 제1기어부(141)에 고정되어 제1기어부(141)와 함께 축회전한다.

상기와 같이 결합된 상태에서, 발본체부(110)가 회동하면 발본체부(110)로부터 제공되는 구동력이 제1 내지 제4기어부를 통해 볼스크류(142)로 전달되어 볼스크류(142)가 회전하고, 볼스크류(142)의 회전에 의해 볼스크류(142)와 맞물려있는 볼너트(144)가 볼스크류(142)를 따라 이동하면서 볼너트(144)와 연결된 제2발가락(132)이 발선단부(120)의 안내바(121)를 따라 슬라이딩한다.

여기서, 상기 종동측에 배치되는 제1기어부(141)와 제4기어부(146)는 구동측에 배치되는 제2기어부(143)와 제3기어부(145)에 비해 상대적으로 작은 직경으로 설정된다. 따라서, 발본체부(110)의 회동시 발본체부(110)의 회동각도에 따른 제3기어부(145)의 공전 이동거리가 증가하고, 상기 공전 이동거리에 따른 볼스크류(142)의 회전량이 증가하게 된다. 즉, 상기 제1기어부(141)와 제2기어부(143), 제3기어부(145)와 제4기어부(146)의 기어비를 조절하여 발본체부(110)의 회동에 따른 제2발가락(132)의 이동량을 제어할 수 있다. 한편, 상기 발중간부(113)와 발선단부(120)는 소정의 사이각을 이루도록 배치되며, 상기 발중간부(113)와 발선단부(120)의 사이각은 제2탄성부재(T2, 도 9 참조)에 의해 탄력적으로 유지된다.

도 8은 바닥면으로부터 발본체부(110)가 상승하여 발선단부(120)와 발가락부(130)가 바닥면에 지지된 상태를 나타낸 것으로, 이러한 상태는 보행 주기(Gait Cycle)에서 앞발딛기(Push off)에 속하는 뒤꿈치 상승(heel off) 및 차고 나가기(toe off) 단계에 해당한다.

즉, 이동 로봇의 보행과정 중 발본체부(110)가 바닥면으로 부터 상승하면, 발본체부(110)의 선단부에 회동가능하게 연결된 발선단부(120)와 발가락부(130)가 바닥면에 지지된 상태가 된다.

이때, 발본체부(110)가 회동하는 과정에서 발선단부(120)의 제4기어부(146)와 맞물린 제3기어부(145)가 제4기어부(146)를 중심으로 공전하면서 제4기어부(146)의 외주연을 따라 이동하게 되고, 제3기어부(145)의 공전에 의해 제2기어부(143)와 맞물린 제1기어부(141)가 회전함에 따라 볼스크류(142)가 일방향으로 회전한다.

상기와 같은 볼스크류(142)의 회전에 의해 볼너트(144)가 일측으로 이동하면서 제2발가락(132)가 제1발가락(131)로부터 멀어지는 방향으로 이동하게 되어, 제1발가락(131)과 제2발가락(132)의 사이간격(D)이 확장된다.

따라서, 인간 보행 주기를 모사하여 2족 보행 방식으로 이동하는 이동 로봇은, 바닥면과의 지지면적이 최소화되는 앞발딛기(Push off)의 뒤꿈치 상승(heel off) 및 차고 나가기(toe off) 단계에서 제1발가락(131)과 제2발가락(132)의 사이간격이 확장되어 발 앞부분의 지지 폭이 확대되므로 안정적인 지지력을 제공할 수 있게 된다.

또한, 상기 발본체부(110)와 발선단부(120)의 사이각은 제2탄성부재(T2, 도 9 참조)에 의해 탄력적으로 유지될 수 있으며, 상기 제2탄성부재(T2)는 발중간부(113)와 발선단부(120) 사이에서 인간의 단지신근(extensor digitorum brevis)과 단무지굴근(flexor hallucis brevis)과 같이, 일단이 발중간부(113)에 고정되고 타단이 발선단부(120) 또는 발가락부(130)에 고정되는 탄성밴드의 형태로 구성될 수 있다. 즉, 발선단부(120)에 가해지는 압력은 이동 로봇의 보행 속도에 따라 달라지고, 제2탄성부재의 이완은 발선단부(120)에 가해지는 압력에 따라 조절되므로, 발본체부(110)와 발선단부(120) 사이각은 보행 속도에 따라 조절된다. 따라서, 이동 로봇의 보행 속도가 빠를수록 발본체부(110)와 발선단부(120)의 사이각이 좁아지고, 발본체부(110)와 발선단부(120)의 사이각이 좁아질수록 제1발가락(131)과 제2발가락(132)의 사이간격이 확장되므로, 이동 로봇의 빠른 보행에도 안정적인 지지력을 제공할 수 있는 것이다.

한편, 도 9에서 도시하는 바와 같이, 상기 발후단부(112)와 발중간부(113)의 사이각(θ)은 제1탄성부재(T1)에 의해 탄력적으로 유지될 수 있으며, 상기 제1탄성부재(T1)는 발후단부(112)와 발중간부(113) 사이에서 인간의 족저근막(plantar aponeurosis) 또는 장족저인대(long plantar ligament)와 같이, 일단이 발후단부(112)에 고정되고 타단이 발중간부(113) 또는 발선단부(120)측에 고정되는 탄성밴드의 형태로 구성될 수 있다.

여기에서, 상기 발본체부(110)가 바닥면에 지지되지 않은 상태에서는, 상기 제1탄성부재(T1)가 수축된 상태가 되므로, 발후단부(112)와 발중간부(113)의 사이각(θ)이 줄어든 상태가 된다.

즉, 로봇의 보행 과정 중, 발본체부(110)가 바닥면에 접촉하여 이동 로봇의 하중에 의한 충격이 발목 관절을 통해 발본체부(110)로 전달되는 경우, 도 9의 (b)와 같이 제1탄성부재가 이완되면서 발후단부(112)와 발중간부(113)의 사이각(θ')이 확장되어 상기 충격을 상쇄시킨다. 따라서, 보행과정에서 발생하는 작은 충격에 의해 로봇의 동적 평형(dynamic equilibrium)이 무너지는 것을 방지하는 한편, 안정적인 보행이 이루어질 수 있도록 한다.

또한, 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 발본체부(110)가 바닥면에 접촉하면서 발선단부(120)와 발중간부(113)의 사이각이 확장되었을 때, 발가락부(130)가 바닥면에 지지될 수 있도록 발선단부(120)와 발중간부(113)의 사이각이 설정될 수 있다. 즉, 도 9의 (a)와 같이 발본체부(110)가 바닥면에 접촉되지 않은 상태에서는 발선단부(120)가 상측방향으로 소정각도 들어올려진 상태를 유지하다가, 도 9의 (b)와 같이 발본체부(110)가 바닥면에 접촉되면 발중간부(113)의 회동에 따라 발선단부(120)가 연동하여 하측방향으로 회동함으로써, 발가락부(130)가 바닥면에 지지되어 안정적인 지지력을 발휘할 수 있도록 하는 것이 바람직할 것이다.

상기와 같이 발선단부(120)는 바닥면에 지지된 상태에서 회동할 수 있도록, 발선단부(120)에 회동가능한 상태로 연결되어 바닥면에 지지되는 지지부재(미도시)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

110:발본체부, 111:샤프트, 112:발후단부,
113:발중간부, 113a:가이드, 120:발선단부,
121:안내바, 130:발가락부, 131:제1발가락,
132:제2발가락, 132a:관통홀, 140:구동부,
141:제1기어부, 142:볼스크류, 143:제2기어부,
144:볼너트, 144a:결합부, 145:제3기어부,
146:제4기어부, 147:연결부재

Claims

발목 관절에 연결되는 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발에 있어서,
발목 관절에 연결되는 발본체부;
상기 발본체부의 앞부분에 회동가능하게 연결되는 발선단부;
상기 발선단부의 앞부분에 배치되며, 적어도 하나가 횡방향으로 슬라이딩 가능하게 배치되는 복수의 발가락부; 및
일단은 발본체부 또는 발선단부에 지지되고 타단은 슬라이딩 가능한 발가락부에 연결되어 상기 발본체부와 발선단부의 사이각에 따라 상기 복수의 발가락부 사이 간격을 조절하는 구동부;를 포함하는 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발.
제 1항에 있어서,
상기 구동부는, 제1기어부가 고정되어 상기 발본체부의 일단부에 횡방향으로 축회전 가능하게 배치되는 볼스크류와, 상기 발선단부에 고정되어 상기 제1기어부와 맞물리는 제2기어부와, 상기 볼스크류에 맞물린 상태에서 상기 슬라이딩 가능하게 배치된 발가락부에 연결되는 볼너트를 포함하는 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발.
제 2항에 있어서,
상기 구동부는, 상기 볼스크류와 동일축선상에 배치되어 발본체부에 고정되는 제3기어부와, 상기 발선단부에 고정되어 제3기어부와 맞물리는 제4기어부와, 상기 제3기어부와 제4기어부의 축선에 각각 회동가능하게 연결되어 발본체부와 발선단부를 연결하는 연결부재를 포함하는 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발.
제 3항에 있어서,
상기 제3기어부와 제1기어부, 상기 제2기어부와 제4기어부는 각각 동일 축선 상에 배치되는 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발.
제 3항에 있어서,
상기 제1기어부와 제4기어부는 제2기어부와 제3기어부에 대하여 상대적으로 직경이 작게 설정되는 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발.
제 2항에 있어서,
상기 발본체부에는 볼너트가 볼스크류와 함께 회전하는 것을 방지하기 위한 스토퍼가 마련되는 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발.
제 6항에 있어서,
상기 스토퍼는 볼스크류와 나란하게 배치되어 발본체부 측에 지지되는 가이드와, 상기 볼너트에 형성되어 가이드와 맞물리는 결합부를 포함하는 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발.
제 1항에 있어서,
상기 발선단부에는 발가락부의 횡방향 슬라이딩을 안내하는 안내바가 마련되고, 상기 발가락부에는 상기 안내바가 관통하는 관통홀이 마련되는 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발.
제 1항에 있어서,
상기 발본체부는, 샤프트와, 상기 샤프트에 회동가능하게 연결되어 전방과 후방으로 각각 하향 경사배치되는 발후단부와 발중간부를 포함하는 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발.
제 9항에 있어서,
상기 발본체부는 발후단부와 발중간부의 사이각을 탄력적으로 유지하도록 일단이 발후단부에 고정되고 타단이 발중간부 또는 발선단부에 고정되는 제1탄성부재를 더 포함하는 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발.
제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발본체부와 발선단부의 사이각을 탄력적으로 유지하도록 일단이 발중간부에 고정되고 타단이 발선단부 또는 발가락부에 고정되는 제2탄성부재;를 포함하는 가변형 구조를 갖는 보행식 이동 로봇용 발.