KR101728604B1 - 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발 - Google Patents

Abstract

본 발명은 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발은, 발본체부의 저면부에 배치되어 바닥면과 접촉하는 접촉부재를 통해 요철이 형성된 불규칙한 바닥면에서도 로봇의 발이 수평을 유지할 수 있도록 함으로써 로봇의 보행 안정성을 확보할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발 {FOOT FOR LEGGED MOBILE ROBOT APPLICABLE TO IRREGULAR GROUND}

본 발명은 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 요철이 형성된 불규칙한 바닥면에서도 로봇의 발이 수평을 유지할 수 있도록 함으로써 로봇의 보행 안정성을 확보할 수 있는 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발에 관한 것이다.

일반적으로, 로봇은 산업의 자동화에 사용되거나 인류의 삶과 활동의 영역으로부터 분리된 환경에서 중요한 역할을 할 수 있도록 설계되어 왔다. 하지만, 최근에 로봇에 대한 필요성은 산업 자동화에서 인간형 로봇 시스템으로 변화해 오고 있다.

인간이 고령화되는 사회 환경이 증가됨에 따라서, 사무실, 가정 또는 병원과 같은 인간의 일상 환경에서 인간의 활동을 도울 수 있는 로봇의 출현을 인간은 더욱 기대하게 되었다. 따라서, 이러한 요구에 의하여 몇몇 인간형 로봇이 최근에 개발되어 지고 있는 추세이다.

한편, 이러한 인간형 로봇의 가장 중요한 조건 중의 하나는 로봇의 발이 로봇의 발바닥과 지면사이의 효율적인 상호작용을 보장할 수 있어야 한다. 즉, 로봇의 발바닥과 지면이 효율적으로 상호작용을 하지 않게 되면, 로봇의 발의 뒤꿈치가 지면을 차는 순간의 충격이 발생하고 이는 로봇의 발에 작용하게 되고, 더욱이 이는 발목 관절(ankle joint)을 통하여 로봇의 몸체에 작용하게 된다. 이러한 충격은 로봇의 동적 평형을 깨뜨림은 물론, 로봇의 걷는 자세(gait)에 불안정성을 유발시킨다. 더욱이, 충격은 로봇의 몸체로 전달되는 발의 진동을 발생하고 이는 로봇의 제어 안정성을 감소시키는 문제를 갖는다.

로봇의 발과 지면의 상호작용이 원활하지 않은 경우에 발생될 수 있는 또 다른 문제점은 로봇의 비젼 시스템에 의하여 인식할 수 없거나 로봇의 제어에 포함될 수 없는 실제 환경으로서 지면에 작은 장애물이 있거나 편평하지 않은 영역을 지나게 되는 경우에 발생된다. 이러한 장애물 및 편평하지 않은 영역으로 인하여 로봇의 발이 제어에 따라 지면의 원하는 영역에 발을 딛을 수 없게 되고, 이러한 환경을 미리 고려하지 않고 계산된 지면의 원하지 않는 영역에 발을 딛게 됨으로써, 로봇의 걷는 자세의 안정성과 자연스러움을 줄이게 된다.

이러한 문제점들을 개선하기 위하여 로봇의 발을 설계한 전형적인 종래의 기술중의 하나로서 "LEGGED WALKING ROBOT"라는 명칭으로 2002년 4월 23일 특허 허여된 미국특허 6,377,014 호에서는 발이 충격을 흡수할 수 있는 메카니즘을 갖는 로봇을 개시하고 있다.

미국특허 6,377,014 호에서는 로봇의 발이 제 1 탄성부와 제 2 탄성부를 포함하는 고무로 이루어진 발바닥을 구비하며, 더욱이 제 2 탄성부는 상대적으로 얇은 평탄한 중앙부 및 상대적으로 두껍게 형성되며 등간격의 다수의 돌출부로 형성된 발의 뒤꿈치 부분을 가지는 특별한 형상으로 디자인하려는 시도를 하였다.

하지만, 이러한 종래의 로봇 발바닥 구조는 요철이 형성된 불규칙한 지형에서 발바닥의 수평 유지가 어렵기 때문에, 로봇의 균형이 쉽게 무너져 원활한 보행이 불가능한 문제점이 있다.

특허문헌 1. 미국특허 제6,377,014호 (2002.04.23.공개)

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 요철이 형성된 불규칙한 바닥면에서도 로봇의 발이 수평을 유지할 수 있도록 함으로써 로봇의 보행 안정성을 확보할 수 있는 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발을 제공함에 있다.

또한, 요철이 형성된 불규칙한 바닥면에서도 바닥면과의 마찰력을 확보하여 로봇의 발이 쉽게 미끄러지는 것을 방지할 수 있는 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발을 제공함에 있다.

또한, 로봇의 보행 특성이나 자세에 따라 완충력을 능동적으로 조절함으로써 로봇의 보행이 보다 유연하게 이루어지도록 할 수 있는 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발을 제공함에 있다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 보행식 이동 로봇의 발목관절에 연결되는 발본체부; 및 상기 발본체부의 저면부에 배치되어 바닥면과 접촉하는 접촉부재;를 포함하며, 상기 접촉부재는, 저면부에 다수의 핀홀이 형성되고 내부에 압축공기가 수용되는 챔버; 및 상기 다수의 핀홀에 각각 수직방향으로 이동 가능하게 삽입되며, 상기 챔버 내부로 삽입된 단부가 압축공기의 압력에 의해 탄력적으로 지지되어 하측방향으로 돌출되는 다수의 지지핀;을 포함하는 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발에 의해 달성된다.

여기서, 상기 지지핀의 상단 테두리에는 지지핀이 핀홀로부터 이탈하는 것을 방지하는 스토퍼가 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 압축공기는 챔버 내에 배치되는 탄성재질의 밀폐튜브 내에 수용되고, 상기 다수의 지지핀의 상단은 밀폐튜브에 지지되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 압축공기의 압력을 조절하는 압력조절부;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 압력조절부는 공압 액추에이터로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 압력조절부와 밀폐튜브를 연결하는 연결관;을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 접촉부재는 복수 마련되어 상기 발본체부의 저면부에 이격 배치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 요철이 형성된 불규칙한 바닥면에서도 로봇의 발이 수평을 유지할 수 있도록 함으로써 로봇의 보행 안정성을 확보할 수 있는 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발이 제공된다.

또한, 요철이 형성된 불규칙한 바닥면에서도 바닥면과의 마찰력을 확보하여 로봇의 발이 쉽게 미끄러지는 것을 방지할 수 있는 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발이 제공된다.

또한, 로봇의 보행 특성이나 자세에 따라 완충력을 능동적으로 조절함으로써 로봇의 보행이 보다 유연하게 이루어지도록 할 수 있는 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발이 제공된다.

도 1은 본 발명 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발의 사시도,
도 2는 본 발명 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발의 분해사시도,
도 3은 본 발명 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발에 따른 접촉부재의 분해사시도,
도 4는 본 발명 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발의 단면도,
도 5는 본 발명 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발에 따른 접촉부재의 단면도이고,
도 6 내지 도 7은 본 발명 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발에 따른 접촉부재의 작용을 나타내는 단면도이다.

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 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발에 대하여 상세하게 설명한다.

첨부도면 중, 도 1은 본 발명 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발의 사시도이고, 도 2는 본 발명 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발의 분해사시도이고, 도 3은 본 발명 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발에 따른 접촉부재의 분해사시도이다.

상기 도면에서 도시하는 바와 같은 본 발명 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발은 발본체부(110)와, 접촉부재(120) 및 압력조절부(130)를 포함하여 구성된다.

상기 발본체부(110)는 보행식 이동 로봇의 발목관절에 연결되는 것으로, 발목 관절에 연결되는 샤프트(111), 상기 샤프트(111)에 회동가능하게 연결되어 전방과 후방으로 각각 하향 경사배치되는 발후단부(112)와 발중간부(113), 상기 발중간부(113)의 선단부에 연결되는 발선단부(114) 및 발선단부(114)의 선단부에 연결되는 발가락부(115)를 포함하여 구성된다. 한편, 본 실시예에서는 상기 발본체부(110)가 다수의 부재들로 연결 구성되는 것으로 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정하는 것은 아니며 다른 형태의 보행용 로봇의 발 구조가 적용되는 것도 가능할 것이다.

상기 접촉부재(120)는 복수 마련되어 상기 발본체부(110)의 발후단부(112)와 발선단부(114) 및 발가락부(115)의 저면부에 각각 배치되어 바닥면과 접촉하는 것으로서, 저면부에 다수의 핀홀(121a)이 형성되고 내부에 수용공간이 마련된 챔버(121)와, 상기 챔버(121)의 수용공간에 배치되며 내부에 압축공기(G)가 수용되는 탄성재질의 밀폐튜브(123)와, 상기 다수의 핀홀(121a)에 각각 수직방향으로 이동 가능하게 삽입되며, 상기 챔버(121) 내부로 삽입된 단부가 상기 밀폐튜브(123)에 지지되어 밀폐튜브(123)에 수용된 압축공기(G)의 압력에 의해 하측방향을 향해 탄력적으로 지지되는 다수의 지지핀(122)을 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 챔버(121)의 내부로 삽입된 지지핀(122)의 상단 테두리에는 지지핀(122)이 핀홀(121a)의 하측방향으로 이탈하는 것을 방지하는 스토퍼(122a)가 형성되며, 상기 핀홀(121a)의 내주면에는 지지핀(122)의 수직방향 이동을 안내할 수 있도록 소정의 길이를 갖는 관형으로 이루어지거나, 핀홀(121a)의 내주면에 부시(bush)를 추가로 배치할 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 챔버(121)가 원기둥 형태로 이루어지고, 다수의 지지핀(122)이 챔버(121)의 저면부에 원형으로 배열된 것으로 예를 들어 설명하였으나, 챔버(121)의 형상이나 크기, 지지핀(122)의 개수 및 배열구조는 로봇의 특성이나 보행 환경에 따라 적절하게 변경가능할 것이다.

상기 압력조절부(130)는 상기 압축공기(G)의 압력을 조절하는 것으로, 공압 액추에이터(pneumatic actuator)로 이루어지며, 로봇의 몸체부에 설치되고 연결관(131)을 통해 밀폐튜브(123)와 연결된다. 이러한 압력조절부(130)는 복수의 접촉부재(120)에 각각 마련되거나, 하나 이상의 압력조절부(130)가 연결관(131)을 통해 복수의 접촉부재(120)에 공급되는 압축공기(G)의 압력을 개별 또는 통합 제어할 수 있도록 구성될 수 있다.

지금부터는 상술한 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.

첨부도면 중, 도 4는 본 발명 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발의 단면도이고, 도 5는 본 발명 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발에 따른 접촉부재의 단면도이고, 도 6 내지 도 7은 본 발명 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발에 따른 접촉부재의 작용을 나타내는 단면도이다.

도 4에서 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(미도시)에 의해 탄력적으로 유지된다.

또한, 발선단부(114)는 연결부재를 통해 발중간부(113)의 앞부분에 상하 방향으로 회동가능하게 연결되고, 상기 발중간부(113)와 발선단부(114)의 사이각은 제2탄성부재(미도시)에 의해 탄력적으로 유지된다. 따라서, 발선단부(114)의 앞부분에 배치된 발가락부(115)는 로봇의 보행과정에서 제2탄성부재의 탄성력에 의해 바닥면에 탄력적으로 지지됨에 따라 로봇의 안정적인 보행이 가능하게 된다.

특히, 상기와 같이 구성된 발본체부(110)의 발후단부(112)와 발선단부(114) 및 발가락부(115)의 저면부에는 각각 접촉부재(120)가 배치되어 바닥면에 탄력적으로 접촉한다. 즉, 인간의 발 형태를 기초로 하는 발 구조는 보행과정에서 뒷꿈치와 앞꿈치 및 발가락에 압력분포가 집중되므로, 압력이 집중되는 위치에 각각 접촉부재(120)를 배치함으로써, 바닥면의 요철 형상에 능동적으로 적응하여 발본체부(110)가 수평을 유지할 수 있도록 한다.

구체적으로, 도 5에서 도시하는 바와 같이, 발본체부(110)가 바닥면에 접촉하지 않은 상태, 즉 발본체부(110)가 바닥면으로부터 이격된 상태에서는, 접촉부재(120)를 구성하는 챔버(121)의 수용공간에 수용된 밀폐튜브(123)는 내부에 채워진 압축공기(G)의 압력으로 인해 팽창된 상태를 유지한다. 따라서, 챔버(121)의 저면부에 수직방향으로 슬라이딩 가능하게 배치된 다수의 지지핀(122)들은 상단부가 팽창된 밀폐튜브(123)에 지지되어 모두 하측방향으로 탄력적으로 돌출된 상태가 유지된다.

한편, 상기와 같이 지지핀(122)이 하측방향으로 이동한 상태에서는, 지지핀(122) 상단의 스토퍼(122a)가 핀홀(121a)의 내측 개구 주변에 지지되어 지지핀(122)이 핀홀(121a)로부터 임의로 이탈하는 것이 방지된다.

상기와 같이 다수의 지지핀(122)이 밀폐튜브(123)에 의해 하측방향으로 탄력적으로 지지된 상태에서, 도 6에 도시된 바와 같이 로봇의 발본체부(110)가 평탄한 바닥면에 접촉하는 경우를 살펴보면 다음과 같다.

접촉부재(120)에 마련된 다수의 지지핀(122) 하단이 바닥면에 지지되는 것과 동시에, 챔버(121)에 로봇의 하중이 전달되면, 다수의 지지핀(122) 하단이 바닥면에 지지된 상태로 핀홀(121a) 내에서 상승하면서 지지핀(122)의 상단이 밀폐튜브(123)를 가압하여 챔버(121)와 지지핀(122)의 상단 사이에 위치한 밀폐튜브(123)가 압축된다.

이때, 지지핀(122) 하단이 접촉하는 바닥면이 평탄하므로 다수의 지지핀(122)이 전체적으로 동일한 높이로 상승하면서 밀폐튜브(123)를 압축하게 되며, 이 과정에서 발본체부(110)가 바닥면과 접촉하는 과정에서 발생하는 충격이 완화되므로, 보행과정에서 발생하는 작은 충격에 의해 로봇의 동적 평형(dynamic equilibrium)이 무너지는 것을 방지하여 안정적인 보행이 이루어질 수 있도록 한다.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 로봇의 발본체부(110)가 평탄하지 않은 바닥면에 접촉하는 경우에는, 접촉부재(120)에 마련된 다수의 지지핀(122)들은 각각 하단이 바닥면에 접촉하면서 바닥면의 요철 형상에 따른 챔버(121)와 바닥면의 사이간격에 따라 핀홀(121a) 내에서 수직방향으로 슬라이딩하여 수직방향 위치가 설정된다.

이어서, 발본체부(110)를 통해 챔버(121)에 로봇의 하중이 인가되면 다수의 지지핀(122)들은 각각의 수직방향 위치가 유지된 상태로 챔버(121) 수용공간에 수용된 밀폐튜브(123)를 가압하여 압축한다. 이때, 상기 밀폐튜브(123)는 내부에 압축공기(G)가 수용된 탄성재질로 이루어지는 것이므로, 로봇의 하중이 다수의 지지핀(122)에 균등하게 분산되어 지지되며, 이로 인해 지지핀(122)의 위치가 바닥면의 요철 형상에 따라 설정된 상태를 유지한 상태로 로봇의 하중을 지지하게 된다.

따라서, 로봇의 발본체부(110)에 마련된 다수의 지지핀(122)이 요철의 형상에 따라 수직방향 위치가 조절되어 바닥면에 지지되는 것이므로, 바닥면과의 접촉면적이 증대되어 안정적인 지지력을 제공할 뿐만 아니라, 보행과정에서 마찰력이 증대되어 발본체부(110)가 바닥면으로부터 미끄러지는 것을 방지할 수 있게 된다.

한편, 상기 밀폐튜브(123)에 의한 완충력은 내부에 수용된 압축공기(G)의 압력을 통해 조절될 수 있으며, 압축공기의 압력은 밀폐튜브(123)에 연결관(131)으로 연결된 압력조절부(130)로부터 제공되는 공압에 의해 조절된다. 이러한 압력조절부(130)에 의한 밀폐튜브(123)의 압력 조절은 로봇의 보행 특성이나 자세에 따라 능동적으로 조절함으로써 로봇의 보행이 보다 유연하게 이루어지도록 할 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, 114:발선단부, 115:발가락부,
120:접촉부재, 121:챔버, 122:지지핀,
122a:스토퍼, 123:밀폐튜브, 130:압력조절부,
131:연결관

Claims (7)

1. 보행식 이동 로봇의 발목관절에 연결되는 발본체부; 및
   복수 마련되고 상기 발본체부의 저면부에 이격 배치되어 바닥면과 접촉하는 접촉부재;를 포함하며,
   상기 접촉부재는,
   저면부에 다수의 핀홀이 형성되는 챔버;
   상기 챔버 내에 배치되고 내부에 압축공기가 수용되는 탄성재질의 밀폐튜브; 및
   상기 다수의 핀홀에 각각 수직방향으로 이동 가능하게 삽입되는 다수의 지지핀;을 포함하고,
   상기 지지핀은 상기 바닥면에 접촉하면서 상기 바닥면의 요철 형상에 따른 상기 챔버와 상기 바닥면 사이의 간격에 따라, 각각의 지지핀이 수직방향으로 슬라이딩하여 수직방향 위치가 설정되도록 마련되며, 상기 지지핀은 상기 챔버 내부로 삽입된 단부가 상기 밀폐튜브에 지지되어 상기 밀폐튜브에 수용된 압축공기의 압력에 의해 하측방향을 향해 탄력적으로 지지되는 것을 특징으로 하는, 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 지지핀의 상단 테두리에는 지지핀이 핀홀로부터 이탈하는 것을 방지하는 스토퍼가 형성되는 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   공압 액추에이터로 이루어져 상기 압축공기의 압력을 조절하는 압력조절부;를 포함하는 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발.
5. 삭제
6. 제 4항에 있어서,
   상기 압력조절부와 밀폐튜브를 연결하는 연결관;을 더 포함하는 불규칙한 바닥면에 적용 가능한 보행식 이동 로봇용 발.
7. 삭제

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