KR101853258B1 - 외골격 가변형 구형로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 상하 각 조인트의 양측으로 링크가 서로 교차되게 연결되어 구형을 이루는 외골격부; 외골격부의 내부에 배치되는 몸체부; 몸체부에 지지되며, 양측이 적어도 하나씩의 조인트를 각각 밀거나 당기도록 연결되어 외골격부를 수축 또는 팽창시킬 수 있는 부피조절부; 및 부피조절부의 양측을 축 회전시켜 외골격부를 지면에 대해 이동시킬 수 있는 구동부;를 포함하는 외골격 가변형 구형로봇이 제공된다.
이에 의하면, 외골격의 부피변화를 통해 다양한 지리, 지형적 변화에 대응함으로써 효과적인 기동성을 확보할 수 있다.

Description

외골격 가변형 구형로봇 {A spherical robot with variable exoskeleton}

본 발명은, 외골격 가변형 구형 로봇에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외골격의 부피 변화를 통해 지리, 지형적 변화에 대응하여 기동성 확보와 함께 험로 주행이 가능한 외골격 가변형 구형 로봇에 관한 것이다.

일반적으로 휴머로이드 로봇은, 직립 상태로 이동하기 때문에 이동속도가 느리고 장애물에 걸려 쉽게 넘어질 수 있으며, 아울러 좁은 공간에서의 이동이 매우 제한적이다.

이에 반해 구형 로봇은, 몸체가 구 형상으로 이루어져 이동이 휴머로이드 로봇에 비해 상대적으로 용이한 장점이 있다. 이에 따라 구형로봇은, 극지, 해저 및 행성 탐사용, 국방용, 교육용 및 사회 안전분야 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.

그럼에도 불구하고 구형로봇은, 미처 예상치 못한 여러 가지 주변환경(다양한 지리 및 지형적 변화) 및 장애물에 대해 신속 및 원활한 주행이 가능하도록 하는 메커니즘의 개선이 필요한 실정이다.

1. 한국등록특허공보 제10-1407114호, (공고일자: 2014년 06월 13일)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 외골격의 부피를 변화시켜 로봇의 기동성을 향상시킬 수 있도록 한 외골격 가변형 구형 로봇을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 외골격 가변 기능을 수행하기 위한 기계적 구성을 간소화함으로써 오동작 등을 최소화하며, 주행이 효과적으로 수행될 수 있는 외골격 가변형 구형 로봇을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따른 외골격 가변형 구형로봇은, 상하 각 조인트의 양측으로 링크가 서로 교차되게 연결되어 구형을 이루는 외골격부; 외골격부의 내부에 배치되는 몸체부; 몸체부에 지지되며, 양측이 적어도 하나씩의 조인트를 각각 밀거나 당기도록 연결되어 외골격부를 수축 또는 팽창시킬 수 있는 부피조절부; 및 부피조절부의 양측을 축 회전시켜 외골격부를 지면에 대해 이동시킬 수 있는 구동부;를 포함한다.

부피조절부는, 몸체부의 일측에 고정된 제1모터조립체와, 몸체부에 회전 가능하게 지지되며 양측이 대향된 한 쌍의 조인트의 내측과 연결되는 텔레스코픽 샤프트 및 제1모터조립체의 모터축과 텔레스코픽 샤프트의 양측을 연결하여 외골격부를 수축 또는 팽창시킬 수 있는 한 쌍의 관절링크를 포함하는 것을 특징으로 한다.

구동부는, 몸체부에 지지되는 구동모터와, 구동모터의 모터축에 일체로 결합된 제1기어 및 텔레스코픽 샤프트의 외주면에 일체로 결합되어 제1기어와 치합되는 제2기어를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 몸체부의 타측에 지지된 제2모터조립체와, 일측이 제2모터조립체의 모터축에 고정되며 타측에 추가 설치되는 진자로 구성된 방향전환부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 각 조인트의 외측에 곡면지게 각각 결합되는 패널조립체;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 외골격의 부피변화를 통해 다양한 지리, 지형적 변화에 대응함으로써 원활한 기동성을 확보할 수 있다.

또한, 텔레스코픽 샤프트, 관절링크를 이용하여 외골격 가변 기능을 수행하기 위한 기계적 구성을 간소화할 수 있는 장점이 있다.

또한, 기계적 구성의 간소화를 통해 오동작을 최소화할 수 있으며, 주행 안정성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 외골격 가변형 구형로봇의 외골격부가 수축된 상태를 보인 사시도이다.
도 2a는 도 1의 외골격부가 팽창된 상태를 보인 사시도이다.
도 2b는 도 2a의 외골격부 외형변화 상태(패널조립체, 내부 구성 생략)를 보인 사시도이다.
도 3은 도 2a의 몸체부, 부피조절부, 구동부, 방향전환부의 조립상태를 보인 사시도이다.
도 4는 도 3의 뒷부분을 보인 사시도이다.
도 5는 도 3의 텔레스코픽 샤프트를 분해해서 보인 사시도이다.
도 6은 도 3의 텔레스코픽 샤프트와 관절링크의 연결상태를 확대해 보인 사시도이다.
도 7은 도 3의 제1모터조립체와 한 쌍의 관절링크를 분해해서 보인 사시도이다.
도 8는 도 3의 방향전환부를 보인 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 외골격 가변형 구형로봇의 외골격부 팽창을 위한 부피조절부 작동과정을 보인 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 외골격 가변형 구형로봇의 부피 변화에 따른 구형 로봇의 작용을 보인 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 외골격 가변형 구형로봇에 대해 상세하게 살펴본다.

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 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 외골격 가변형 구형로봇의 외골격부가 수축된 상태를 보인 사시도이고, 도 2a는 도 1의 외골격부가 팽창된 상태를 보인 사시도이며, 도 2b는 도 2a의 외골격부 외형변화 상태(패널조립체, 내부 구성 생략)를 보인 사시도이며, 도 3은 도 2a의 몸체부, 부피조절부, 구동부, 방향전환부의 조립상태를 보인 사시도 및 도 4는 도 3의 뒷부분을 보인 사시도이다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 외골격 가변형 구형로봇(100)은, 외골격부(110); 몸체부(120); 부피조절부(130); 구동부(140); 방향전환부(150); 패널조립체(160); 및 제어부(170)를 포함한다.

여기서 외골격부(110)는, 도 2a 및 도 2b에 나타나 있듯이 상하 각 조인트(111)의 양측으로 링크(112)가 서로 교차되게 연결되어 구형을 이루어 외형(부피)이 수축 또는 팽창 가능하도록 형성된다. 이러한 외골격부(110)의 형상은, 호버만의 구를 응용하였으며, 외형(부피)이 수축 또는 팽창 가능한 구조이면 다양한 변형이 가능함은 물론이다.

몸체부(120)는, 외골격부(110)의 내부에 배치되되 구형로봇(100)의 무게 중심에 위치하도록 후술할 부피조절부(130)의 텔레스코픽 샤프트(132)가 관통하여 배치된다.

부피조절부(130)는, 몸체부(120)에 지지되며, 양측이 대향된 적어도 하나씩의 조인트(111)를 각각 밀거나 당기도록 연결되어 외골격부(110)를 수축 또는 팽창시킬 수 있다.

이를 위해 부피조절부(130)는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 몸체부(120)의 일측에 고정된 제1모터조립체(131)와, 몸체부(120)에 회전 가능하게 지지되며 양측이 대향된 한 쌍의 조인트(111)와 연결되는 텔레스코픽 샤프트(132) 및 제1모터조립체(131)의 모터축과 텔레스코픽 샤프트(132)의 양측을 연결하여 외골격부(110)를 수축 또는 팽창시킬 수 있는 한 쌍의 관절링크(133)를 포함할 수 있다.

제1모터조립체(131)는, 상하에 모터축이 각각 마련되고, 각 관절링크(133)의 일단이 각 모터축에 고정 결합되어 동력을 전달받게 된다. 이때, 제1모터조립체(131)의 각 모터축의 회전속도 및 회전량은 동일하되 서로 반대 방향으로 제어된다.

도 5는 도 3의 텔레스코픽 샤프트를 분해해서 보인 사시도이고, 도 6은 도 3의 텔레스코픽 샤프트와 관절링크의 연결상태를 확대해 보인 사시도이다.

텔레스코픽 샤프트(132)는, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 후술할 제2기어(143)가 연결되는 제1샤프트(132-1)와, 제1샤프트(132-1)의 내측에 삽입되어 왕복 운동 가능한 제2샤프트(132-2)와, 제2샤프트(132-2)의 내측에 삽입되어 왕복 운동 가능하며 일정하게 대향된 한 쌍의 조인트(111)와 연결되는 제3샤프트(132-3)으로 이루어질 수 있다. 제1샤프트(132-1) 및 제2샤프트(132-2)에는, 길이방향 양측으로 한 쌍의 장홀(132-1a)(132-2a)이 각각 형성된다. 또한, 제2샤프트(132-2) 및 제3샤프트(132-3)에는, 양측을 관통하는 핀홀(132-2b)(132-3a)이 각각 형성되어 각 샤프트의 회전을 연동시킬 수 있는 핀(도시 생략)이 삽입될 수 있다.

제2샤프트(132-2)와 제3샤프트(132-3)의 선단에는, 도 5에 도시된 바와 같이 베어링(B)이 각각 마련되어 관절링크(133)로부터 간섭받지 않고 축 회전을 가능케 한다.

도 7은 도 3의 제1모터조립체와 한 쌍의 관절링크를 분해해서 보인 사시도이다.

관절링크(133)는, 도 7에 도시된 바와 같이 제1모터조립체(131)의 상하에 각각 마련된 모터축에 결합되는 제1링크(133-1)와, 제1링크(133-1)와 연결된 제2링크(133-2)와, 제2링크(133-2)와 연결된 제3링크(133-3)로 이루어질 수 있다.

각 제3링크(133-3)에는, 길이방향으로 형성된 또 다른 장홀(133-3a)과 관통홀(133-3b)이 형성되며, 각 홀(133-3a)(133-3b)에 제2샤프트(132-2)와 제3샤프트(132-3)의 선단에 마련된 베어링(B)이 각각 결합된다.

구동부(140)는, 부피조절부(130)의 양측을 축 회전시켜 외골격부(110)를 지면에 대해 전후 이동시킬 수 있도록 한다.

이를 위해 구동부(140)는, 도 3에 도시된 바와 같이 몸체부(120)에 지지되는 구동모터(141)와, 구동모터(141)의 모터축에 일체로 결합된 제1기어(142) 및 텔레스코픽 샤프트(132)의 외주면에 일체로 결합되어 제1기어(142)와 치합되는 제2기어(143)를 포함한다.

도 8는 도 3의 방향전환부를 보인 사시도이다.

방향전환부(150)는, 도 8에 도시된 바와 같이 몸체부(120)에 지지되어 진자운동을 통한 외골격부(110)의 이동 방향을 전환할 수 있도록 구성된다.

이를 위해 방향전환부(150)는, 몸체부(120)의 타측(바람직하게는 무게중심을 고려하여 제1모터조립체(131)와 대향되게 위치)에 지지된 제2모터조립체(151)와, 일측(상부)이 제2모터조립체(151)의 모터축에 고정되며 타측(하부)에 무게추(W)가 설치되는 진자(152)를 포함한다. 이때 무게추(W)는, 전원 공급용 배터리가 이용될 수 있으며, 이동방향으로의 무게중심이동을 위해 적절한 중량값을 가지도록 함이 바람직하다.

패널조립체(160)는, 곡면진 판 형상으로서 그 내측이 각 조인트(111)의 외측에 각각 결합되어 이동시 지면과의 접촉을 통한 효과적인 구동을 가능케 하며, 그 외측에 지면과 접촉시 마찰력을 높이도록 다양한 형상의 패턴이 형성될 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 상술한 본 발명의 외골격 가변형 구형로봇(100)의 작용에 대해 살펴본다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 외골격 가변형 구형로봇의 부피조절부 작동과정을 보인 도면이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 외골격 가변형 구형로봇의 부피 변화에 따른 구형 로봇의 작용을 보인 도면이다.

장애물이 나타날 경우, 도 9에 도시된 바와 같이, 제어부(170)의 신호로 제1모터조립체(131)가 구동되며, 한 쌍의 관절링크(133)가 양측으로 전개하여 텔레스코픽 샤프트(132)를 양 방향으로 확장시키게 된다. 이에 의해, 외골격부(110)의 부피가 최대로 팽창하게 된다.

따라서, 도 10에 도시된 바와 같이 구형로봇(100)은, 부피가 작을 때는 넘지 못하는 장애물을 커진 부피로 인해 쉽게 넘을 수 있게 된다. 반대로, 좁은 지형을 통과할 경우, 도 1과 같이 외골격부(110)의 부피를 최소로 수축시켜서 대응하게 된다.

이때, 구형로봇(100)의 이동은, 제어부(170)의 신호에 의해 구동모터(141)가 작동되어 그 구동력이 몸체부(120)를 통해 방향전환부(150)를 이동방향으로 일정 각도로 회전시켜 구형로봇(100)의 무게중심을 전방으로 이동시키게 된다. 이는 최초 정지된 상태에서 패널조립체(160)와 지면과의 마찰력이 작용하게 되는데, 이동중심을 전방으로 이동시켜 외골격부(110)를 이동시킬 수 있는 회전 모멘트를 부여하는 과정이다.

이처럼 구형로봇(100)의 무게중심을 전방으로 이동시킨 상태에서 제어부(170)의 신호에 의해 구동모터(141)의 동력이 기어(142)(143)들의 맞물림을 통해 부피조절부(130)의 텔레스코픽 샤프트(132)를 회전시킴으로써 외골격부(110)의 회전이 가능하게 된다.

외골격부(110)의 회전에 따라, 패널조립체(160)가 지면과의 접촉을 통해 구형로봇(100)의 이동을 가능케 한다.

아울러, 구형로봇(100)의 방향전환은, 제어부(170)의 신호에 의해 제2모터조립체(151)의 구동력이 진자(152)를 회전시켜서 구형로봇(100)의 무게중심이 좌측 또는 우측으로 이동됨으로써 이루어질 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 외골격 가변형 구형로봇에 의하면, 외골격의 부피변화를 통해 다양한 지리, 지형적 변화에 대응함으로써 효과적인 기동성을 확보할 수 있다.

또한, 텔레스코픽 샤프트, 관절링크를 이용하여 외골격 가변 기능을 수행하기 위한 기계적 구성을 간소화할 수 있는 장점이 있다.

또한, 기계적 구성의 간소화를 통해 오동작을 최소화할 수 있으며, 주행 안정성을 향상시킬 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나 이에 한정되지 않으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.

100: 구형로봇 110: 외골격부
120: 몸체부 130: 부피조절부
140: 구동부 150: 방향전환부
160: 패널조립체 170: 제어부
W: 무게추

Claims (5)

1. 상하 각 조인트의 양측으로 링크가 서로 교차되게 연결되어 구형을 이루는 외골격부;
   상기 외골격부의 내부에 배치되는 몸체부;
   상기 몸체부에 지지되며, 양측이 적어도 하나씩의 조인트를 각각 밀거나 당기도록 연결되어 상기 외골격부를 수축 또는 팽창시킬 수 있는 부피조절부; 및
   상기 부피조절부의 양측을 축 회전시켜 상기 외골격부를 지면에 대해 이동시킬 수 있는 구동부;를 포함하며,
   상기 부피조절부는,
   상기 몸체부의 일측에 고정된 제1모터조립체와,
   상기 몸체부에 회전 가능하게 지지되며 양측이 대향된 상기 한 쌍의 조인트의 내측과 연결되는 텔레스코픽 샤프트 및
   상기 제1모터조립체의 모터축과 상기 텔레스코픽 샤프트의 양측을 연결하여 상기 외골격부를 수축 또는 팽창시킬 수 있는 한 쌍의 관절링크를 포함하며,
   상기 제1모터조립체와 대향되게 상기 몸체부의 타측에 지지된 제2모터조립체와, 일측이 상기 제2모터조립체의 모터축에 고정되며 타측에 무게추가 설치되는 진자로 구성된 방향전환부; 및
   각 조인트의 외측에 곡면지게 각각 결합되는 패널조립체;를 더 포함하는 외골격 가변형 구형로봇.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제1모터조립체는, 상하에 서로 반대 방향으로 제어되는 모터축이 각각 마련되고, 각 관절링크의 일단이 각 모터축에 고정 결합되어 동력을 전달받으며,
   상기 텔레스코픽 샤프트는, 상기 구동부의 제2기어가 연결되는 제1샤프트와, 상기 제1샤프트의 내측에 삽입되어 왕복 운동 가능한 제2샤프트와, 상기 제2샤프트의 내측에 삽입되어 왕복 운동 가능하며 대향된 한 쌍의 조인트와 연결되는 제3샤프트로 구성되되, 상기 제1샤프트 및 상기 제2샤프트에는, 길이방향 양측으로 한 쌍의 장홀이 각각 형성되고, 상기 제2샤프트 및 제3샤프트에는, 양측을 관통하는 핀홀이 각각 형성되어 각 샤프트의 회전을 연동시킬 수 있는 핀이 삽입될 수 있으며, 상기 제2샤프트와 제3샤프트의 선단에는, 베어링이 각각 마련되어 상기 관절링크로부터 간섭받지 않고 축 회전이 가능하며,
   상기 관절링크는, 상기 제1모터조립체의 상하에 각각 마련된 모터축에 결합되는 제1링크와, 상기 제1링크와 연결된 제2링크와, 상기 제2링크와 연결된 제3링크로 구성되되, 각 제3링크에는, 길이방향으로 형성된 또 다른 장홀과 관통홀이 형성되어 각 홀에 상기 제2샤프트와 제3샤프트의 선단에 마련된 베어링이 각각 결합되는 것을 특징으로 하는 외골격 가변형 구형로봇.
3. 제 2항에 있어서, 상기 구동부는,
   상기 몸체부에 지지되는 구동모터와,
   상기 구동모터의 모터축에 일체로 결합된 제1기어 및
   상기 텔레스코픽 샤프트의 외주면에 일체로 결합되어 상기 제1기어와 치합되는 제2기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 외골격 가변형 구형로봇.
4. 삭제
5. 삭제

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