KR101875911B1 - 가변형 다자유도 바퀴 모듈을 포함하는 이동 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가변형 다자유도 바퀴 모듈을 포함하는 이동 로봇에 관한 것으로, 기어박스(12)와, 기어박스(12)에 내장되는 액추에이터로 이루어지는 주구동부와, 주구동부로 구동되는 가변형 다자유도 바퀴모듈(100) 로 구성되며, 다자유도 바퀴모듈(100)은, 기어박스(12)에 수평으로 관통 설치되어 기어박스(12)에 내장된 액추에이터로 구동되는 주구동축(20)과, 주구동축(20)의 양 단에 각각 설치되어 주구동축(20)과 함께 회전되는 회전체로서 중심은 주구동축(20)의 단부에 결합되고 상기 중심으로부터 세 갈래로 분지되는 형태의 아암(112)이 형성되어 이루어지는 주회전체(110)와, 일단이 아암(112)의 단부에 삽입되게 설치되는 길이조절용 로드(124)와 길이조절용 로드(124)의 일단에 결합되어 길이조절용 로드(124)를 아암(112)의 단부로 삽입시키거나 인출시키는 구동부(122)로 이루어지는 선형구동수단(120) 및, 서로 이격되는 두 개의 구동바퀴(134-1)와 두 개의 구동바퀴(134-1)을 회전 가능하게 연결시키는 연결대(133) 및 두 개의 구동바퀴(134-1)를 모두 감싸는 벨트(134-2)로 이루어지는 캐터필러(134)와, 길이조절용 로드(124)의 타단과 연결대(133)의 중심을 연결시키면서 연결대(133)를 통하여 운동에너지를 구동바퀴(134-1)로 전달하여 구동바퀴(134-1)를 회전시킴으로써 캐터필러(134)를 구동시키는 캐터필러 구동부(132)로 이루어지는 평지이동수단(130)으로 구성된다.

Description

가변형 다자유도 바퀴 모듈을 포함하는 이동 로봇{Mobile robot comprising wheel module variable degrees of freedom}

본 발명은 이동 로봇에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 안정적으로 계단을 오르내릴 수 있도록 한 계단 이동이 용이한 구조의 가변형 다자유도 바퀴 모듈을 포함한 이동 로봇에 관한 것이다.

일반적으로, 모바일 로봇(mobile robot)은 소형으로 제작됨에 따라 계단을 오르거나 장애물을 극복하는 것에 대한 어려움을 가지고 있으며, 계단이나 장애물을 극복할 수 있도록 개발된 로봇들은 오히려 평지에서 부드럽고 빠른 모션을 수행하기 어려운 문제점을 가지고 있다.

한편, 종래 기술에 따른 모바일 로봇의 이동방식(locomotion)에 대해 간단히 살펴보면, 모바일 로봇의 이동방식은 크게 바퀴나 무한궤도 또는 다리를 이용한 이동방식으로 나누어 볼 수 있다.

전술한 바와 같은 모바일 로봇의 이동방식 중 바퀴를 이용한 이동방식은 효율적이면서 속도가 비교적 빠르다는 장점이 있고, 무한궤도를 이용한 이동방식은 지면에 접촉하는 면이 넓어서 험난한 지형이나 사막과 같은 환경에서도 안정적으로 주행할 수 있다는 장점이 있으며, 다리를 이용한 이동방식은 거친 지형이나 장애물에도 잘 적응할 수 있다는 장점이 있다.

반면, 전술한 방식 중 바퀴를 이용한 방식은 장애물이나 계단을 오르기가 어려우며, 무한궤도 방식은 지형에 미끄러져 자신의 정확한 위치를 예측하기 어려우며 마찰이 커서 비효율적인 측면을 가지고 있고, 다리를 이용한 방식은 일반적으로 복잡한 메커니즘을 가지고 있으며 동력소비가 크다는 단점이 있다.

따라서, 최근에는 각 이동방식의 장점만을 결합한 새로운 이동방식에 대한 연구가 많이 진행되고 있으며, 다양한 이동방식들이 결합된 형태인 소위 하이브리드 이동운동(hybrid locomotion)을 채택한 로봇들이 개발되고 있다. 특히, 계단을 극복하기 위한 이동로봇에는 주로 캐터필러를 사용해왔다.

그러나, 종래 기술에 따른 캐터필러를 이용한 구조는 계단과의 접촉면이 계단의 모서리 부분에 한정되어 미끄러지는 현상이 나타나게 된다. 이에 따라, 좌우 바퀴의 미끄러짐의 차이로 인해 이동로봇이 회전하는 경우도 발생하게 되어 제어에 어려움이 있다.

아울러, 종래 기술에 따른 캐터필러를 이용한 구조는 계단의 높이가 높아지면 이동로봇의 기울어지는 각이 증가하여 앞서와 같은 이동로봇의 문제점인 제어의 어려움이 더욱 크게 나타난다는 문제가 있다.

반면, 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 방안으로 접촉점을 늘리기 위해 캐터필러의 길이를 길게 하는 방법을 사용할 수 있으나, 이러한 방법은 로봇의 크기 및 구동력의 측면에서 단점으로 작용하며 평지에서의 회전에 방해가 된다는 문제를 야기하게 된다.

미국 공개특허 제2014-0239604호(2014.08.28.자 공개) 대한민국 공개특허 제2013-0130405호(2013.12.02.자 공개) 대한민국 공개특허 제2012-0053236호(2012.05.25.자 공개)

본 발명은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 이동로봇이 계단을 오르는 방법으로 사용되는 캐터필러 구조의 미끄러짐 현상을 방지하고 미끄러짐으로 인한 이동로봇의 원하지 않는 회전을 차단하여 이동로봇이 안정적으로 계단을 오르내릴 수 있도록 하고자 한 가변형 다자유도 바퀴 모듈을 포함하는 이동로봇을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명에 따른 기술의 다른 목적은 각각 회전하는 3개의 작은 캐터필러와 캐터필러를 회전시키는 구동부의 2중 구조를 구성하여 각 계단의 평평한 면에 일정면적을 밀착시킬 수 있는 구조를 이용하여 이동 로봇을 이동시킬 수 있는 마찰력을 확보할 수 있도록 함에 그 목적이 있다.

아울러, 본 발명에 따른 기술의 또 다른 목적은 계단의 구조 및 범위에 따른 높이 적응형 바퀴 구조를 통해 높낮이를 조절할 수 있도록 함으로써 다양한 높이의 계단에 적용이 가능하여 건물의 종류 및 환경에 구애받지 않고 이동 로봇을 사용할 수 있도록 함에 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해 구성되는 본 발명은 기어박스(12)와, 기어박스(12)에 내장되는 액추에이터로 이루어지는 주구동부와, 주구동부로 구동되는 가변형 다자유도 바퀴모듈(100)로 구성되되, 상기 다자유도 바퀴모듈(100)은, 상기 기어박스(12)에 수평으로 관통 설치되어 기어박스(12)에 내장된 액추에이터로 구동되는 주구동축(20)과, 상기 주구동축(20)의 양 단에 각각 설치되어 주구동축(20)과 함께 회전되는 회전체로서 중심은 주구동축(20)의 단부에 결합되고 상기 중심으로부터 세 갈래로 분지되는 형태의 아암(112)이 형성되어 이루어지는 주회전체(110)와, 일단이 상기 아암(112)의 단부에 삽입되게 설치되는 길이조절용 로드(124)와 길이조절용 로드(124)의 일단에 결합되어 길이조절용 로드(124)를 아암(112)의 단부로 삽입시키거나 인출시키는 구동부(122)로 이루어지는 선형구동수단(120) 및, 서로 이격되는 두 개의 구동바퀴(134-1)와 두 개의 구동바퀴(134-1)을 회전 가능하게 연결시키는 연결대(133) 및 두 개의 구동바퀴(134-1)를 모두 감싸는 벨트(134-2)로 이루어지는 캐터필러(134)와, 상기 길이조절용 로드(124)의 타단과 연결대(133)의 중심을 연결시키면서 연결대(133)를 통하여 운동에너지를 구동바퀴(134-1)로 전달하여 구동바퀴(134-1)를 회전시킴으로써 캐터필러(134)를 구동시키는 캐터필러 구동부(132)로 이루어지는 평지이동수단(130)으로 구성된다.

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본 발명의 기술에 따르면 이동로봇이 계단을 오르는 방법으로 사용되는 캐터필러 구조의 미끄러짐 현상을 방지하고 미끄러짐으로 인한 이동로봇의 원하지 않는 회전을 차단함으로써 이동로봇이 안정적으로 계단을 오르내릴 수 있도록 하는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 기술은 각각 회전하는 3개의 작은 캐터필러와 캐터필러를 회전시키는 구동부의 2중 구조를 구성하여 각 계단의 평평한 면에 일정면적을 밀착시킬 수 있는 구조를 이용하여 이동로봇을 이동시킬 수 있는 마찰력을 확보할 수 있다는 장점이 있다.

아울러, 본 발명에 따른 기술은 계단의 구조 및 범위에 따른 높이 적응형 바퀴 구조를 통해 높낮이를 조절할 수 있도록 함으로써 다양한 높이의 계단에 적용이 가능하여 건물의 종류 및 환경에 구애받지 않고 사용할 수 있다는 장점이 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 이동로봇의 사시도,
도 2 는 본 발명에 따른 이동로봇의 측면도,
도 3 은 본 발명에 따른 이동로봇의 계단이동 동작을 나타낸 측면도,
도 4 는 도 3의 동작을 세분하여 나타낸 측면도,

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 가변형 다자유도 바퀴 모듈을 포함하는 이동 로봇의 양호한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 이동로봇의 사시도, 도 2 는 본 발명에 따른 이동로봇의 측면도, 도 3 은 본 발명에 따른 이동로봇의 계단 이동을 보인 측면도, 도 4 는 도 3의 동작을 세분하여 나타낸 측면도이다.

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도 1 내지 도 4 에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 이동로봇(10)은 기어박스(12)와, 기어박스(12)에 내장되는 액추에이터로 이루어지는 주구동부와, 주구동부로 구동되는 가변형 다자유도 바퀴모듈(100) 로 구성된다.
여기서 상기 다자유도 바퀴모듈(100)은, 기어박스(12)에 수평으로 관통 설치되어 기어박스(12)에 내장된 액추에이터로 구동되는 주구동축(20)과, 주구동축(20)의 양 단에 각각 설치되어 주구동축(20)과 함께 회전되는 회전체로서 중심은 주구동축(20)의 단부에 결합되고 상기 중심으로부터 세 갈래로 분지되는 형태의 아암(112)이 형성되어 이루어지는 주회전체(110)와, 일단이 아암(112)의 단부에 삽입되게 설치되는 길이조절용 로드(124)와 길이조절용 로드(124)의 일단에 결합되어 길이조절용 로드(124)를 아암(112)의 단부로 삽입시키거나 인출시키는 구동부(122)로 이루어지는 선형구동수단(120) 및, 서로 이격되는 두 개의 구동바퀴(134-1)와 두 개의 구동바퀴(134-1)을 회전 가능하게 연결시키는 연결대(133) 및 두 개의 구동바퀴(134-1)를 모두 감싸는 벨트(134-2)로 이루어지는 캐터필러(134)와, 길이조절용 로드(124)의 타단과 연결대(133)의 중심을 연결시키면서 연결대(133)를 통하여 운동에너지를 구동바퀴(134-1)로 전달하여 구동바퀴(134-1)를 회전시킴으로써 캐터필러(134)를 구동시키는 캐터필러 구동부(132)로 이루어지는 평지이동수단(130)으로 구성된다.

전술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 이동 로봇(10)은 평지 이동은 물론, 계단의 이동이 가능하도록 한 구조의 다자유도 바퀴 모듈(100)을 포함하는 이동 로봇(10)에 관한 것이다. 여기서 가변형 다자유도 바퀴 모듈(100)은 평지를 이동하는 경우에는 주회전체(110)의 분지된 아암(112) 중 두 개의 아암(112)에 설치된 평지이동수단(130)의 구동을 통해 평지를 이동하는 반면, 계단을 이동하는 경우에는 주회전체(110)의 회전을 통해 계단을 오르거나 내려갈 수 있도록 함으로써 이동이 가능하도록 한다.

한편, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 구성에서 주회전체(110)는 이동로봇(10)의 기어박스(12) 내부에 설치되며, 주구동축(20)을 회전시키는 액추에이터인 주구동부(도시하지 않음)로 구동되는 주구동축(20) 양단 각각에 설치되어 주구동부의 정역 구동에 의해 전후로 회전되어 계단을 오르거나 내려갈 수 있도록 한다. 이때, 주회전체(110)는 3개의 아암(112)이 120도의 각도로 분지된 형태로 이루어진다.

그리고, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 구성에서 평지이동수단(130)은 서로 이격되는 두 개의 구동바퀴(134-1)와 두 개의 구동바퀴(134-1)을 회전 가능하게 연결시키는 연결대(133) 및 두 개의 구동바퀴(134-1)를 모두 감싸는 벨트(134-2)로 이루어지는 캐터필러(134)와, 상기 길이조절용 로드(124)의 타단과 연결대(133)의 중심을 연결시키면서 연결대(133)를 통하여 운동에너지를 구동바퀴(134-1)로 전달하여 구동바퀴(134-1)를 회전시킴으로써 캐터필러(134)를 구동시키는 캐터필러 구동부(132)로 이루어진다.

전술한 바와 같은 평지이동수단(130)의 구성에서 캐터필러(134)는 두 개의 구동바퀴(134-1)와, 두 개의 구동바퀴를 연결시키는 연결대(133)와, 두 개의 구동바퀴를 감싸는 벨트(134-2)로 구성된다. 여기서 벨트(134-2)는 두 개의 구동바퀴(134-1)를 모두 감싸는 형태로 설치되어, 마치 끝없이 깔리는 레일과 같은 작용을 함으로써, 끝없이 깔리는 레일과 같은 벨트(134-2)의 내주면 상에 구동바퀴(134-1)가 구르는 구조이다. 이와 같이 구성되는 캐터필러(134)는 캐어필러 구동부(132)로 구동된다.

그리고, 본 발명에 따른 이동 로봇(10)은 계단의 높낮이에 따라 주회전체(110)의 아암(112) 각각에 설치된 선형구동수단(120)을 통해 아암(112)의 길이가 가변됨으로써 계단의 높낮이에 상관없이 이동이 가능하다. 이때, 선형구동수단(120)은 주회전체(110)의 아암(112) 각각에 설치되어 구동부(122) 및, 구동부(122)에 의해 아암(112)의 길이방향으로 입출되는 길이조절용 로드(124)의 구성으로 이루어진다.

전술한 바와 같이 구성되는 본 발명에 따른 이동 로봇(10)의 평지 이동시에는 주회전체(110)를 구성하는 세 개의 아암(112) 중 두 개의 아암(112)에 구성된 캐터필러(134)의 구동에 따라 전후로의 이동이 이루어진다.

반면, 전술한 바와 같이 구성되는 본 발명에 따른 이동 로봇(10)은 지면에 캐터필러(134)를 통해 지지된 두 개의 아암(112) 중 하나의 아암(112)을 기준으로 주구동부의 전후 구동에 의해 주회전체(110)를 전후로 회전시킬 수 있도록 함으로써 계단을 오르거나 내려갈 수 있도록 한다.

한편, 주회전체(110)는 방사상 등간격의 3방향으로 분지된 아암(112)이 구비된 형태이다. 이때, 방사상 3방향으로 분지된 아암(112)은 상호 120도의 등간격으로 형성된다.

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전술한 바와 같이 구성된 주회전체(110)는 중심의 분지점이 이동로봇(10)의 기어박스(12) 내부에 설치되는 주구동부 상의 주구동축(20) 양단 각각에 설치되어 주구동부의 전역 회전에 따라 전후로 회전되어 계단을 오르거나 내려가 이동로봇(10)의 계단 이동이 가능하다.

다시 말해서, 주회전체(110)는 이동로봇(10)의 평지 이동시는 3개의 아암(112) 중 2개의 아암(112)이 지면에 지지되어 이동이 이루어지는 반면, 이동로봇(10)의 계단 이동시에는 지면에 지지된 2개의 아암(112) 중 전후 어느 하나가 회전 중심이 되어 주구동부의 정역 구동에 따라 회전이 이루어져 나머지 하나인 상부측의 아암(112)이 계단의 상부측 또는 하부측으로 회전 이동됨으로써 계단을 오르거나 내려갈 수 있도록 한다.

다음으로, 본 발명을 구성하는 선형구동수단(120)은 계단의 높낮이에 따라 길이조절용 로드(124)가 아암(112)으로부터 인출되는 길이를 가변시켜 계단의 용이한 이동이 가능하도록 하는 것으로, 이러한 선형구동수단(120)은 도 1 내지 도 4 에 도시된 바와 같이 주회전체(110)의 아암(112) 각각에 설치되어 길이방향으로 입출가능하게 구성되어지되 계단의 높낮이에 따라 길이가 가변되는 구성으로 이루어진다.

전술한 바와 같은 선형구동수단(120)의 구성을 살펴보면 주회전체(110)의 아암(112) 각각에 설치되어 제어부의 제어에 의해 정역 구동되는 구동부(122) 및 구동부(122)에 의해 아암(112) 각각으로부터 길이방향으로 입출되는 길이조절용 로드(124)의 구성으로 이루어진다.

한편, 전술한 바와 같이 구성된 선형구동수단(120)은 계단의 높낮이에 따라 구동부(120)의 구동을 통해 아암(112)으로부터 길이조절용 로드(124)를 인출시켜 아암(112)과 인출된 길이조절용 로드(124)의 전체 길이를 길게 함으로써 높은 계단을 이동할 수 있도록 함은 물론, 인출된 길이조절용 로드(124)를 아암(112)으로 진입시켜 아암(112)과 길이조절용 로드(124)의 전체 길이를 짧게 함으로써 낮은 계단을 이동할 수 있도록 한다.

다음으로, 본 발명을 구성하는 평지이동수단(130)은 이동로봇(10)의 평지 이동시 구동을 통해 이동이 가능하도록 하는 것으로, 이러한 평지이동수단(130)은 도 1 내지 도 4 에 도시된 바와 같이 주회전체(110)와 독립적으로 회전 가능하게 구성되어지되 선형구동수단(120) 각각의 끝단에 설치되어 캐터필러 구동부(132)의 구동에 의해 회전 이동할 수 있도록 하는 구성으로 이루어진다.

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전술한 바와 같은 평지이동수단(130)의 구성을 살펴보면 선형구동수단(120) 각각의 타단인 끝단에 설치되는 캐터필러 구동부(132) 및 캐터필러 구동부(132)의 구동축 상에 회전 가능하게 설치되어 구동을 통해 이동로봇을 이동시킬 수 있도록 하는 캐터필러(134)의 구성으로 이루어진다. 이때, 캐터필러(134)는 앞서도 기술한 바와 같이 앞뒤의 구동바퀴(134-1)에 쇠로 만든 긴 벨트(134-2)를 걸어 구동바퀴(134-1)를 구동시킴으로써 벨트(134-2)에 의해 펼쳐지는 끝없이 깐 레일 위로 구동바퀴(134-1)가 구르게 하는 구조로 이루어진다.

한편, 전술한 바와 같이 구성된 평지이동수단(130)의 구성에서 각각 독립적으로 구동되는 캐터필러(134)는 자세 회전이 가능하여 주구동축(20)의 구동과 상관없이 평지나 계단의 평평한 면과 평행한 상태를 유지할 수 있어 항상 면 접촉이 가능하고 회전을 이용하여 이동로봇(10)이 계단을 오르거나 내릴 때 주구동축(20)의 부담을 덜어준다. 이때, 주구동축(20)은 3개의 캐터필러(134)를 포함한 구동바퀴(134-1) 구조 전체를 움직여 이동로봇(10)이 계단을 올라서서나 내려갈 수 있도록 한다.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 이동 로봇(10)은 아암(112)의 길이 조절이 가능하므로 다양한 높이의 계단에 적용이 가능하여 건물의 종류 및 환경에 구애받지 않고 사용할 수 있다는 장점이 발현된다.

아울러, 본 발명에 따른 이동 로봇(10)은 자세 변환이 가능한 캐터필러(134)를 이용하여 마찰력을 확보함으로써 미끄러짐 현상이 방지되고 미끄러짐으로 인한 이동로봇(10)의 원하지 않는 회전이 차단되어 이동로봇(10)이 안정적으로 계단을 오르내릴 수 있도록 하는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 이동로봇(10)은 원하는 장소로 이동하는 시간을 단축시킬 수 있으며, 이동 로봇(10)에 부착된 센서(도시하지 않음) 및 구동부의 안정성을 높여 필요로 하는 정보를 얻는 시간 또한 단축시킬 수 있다.

본 발명은 전술한 실시 예에 국한되지 않고 본 발명의 기술사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.

10. 이동로봇 20. 주구동축
100. 다자유도 바퀴 모듈 110. 주회전체
112. 아암 120. 선형구동수단
122. 구동부 124. 길이조절용 로드
130. 평지이동수단 132. 캐터필러 구동부
133. 연결대 134. 캐터필러
134-1. 구동바퀴 134-2. 벨트

Claims (4)

1. 기어박스(12)와, 기어박스(12)에 내장되는 액추에이터로 이루어지는 주구동부와;
   주구동부로 구동되는 가변형 다자유도 바퀴모듈(100); 로 구성되되,
   상기 다자유도 바퀴모듈(100)은,
   상기 기어박스(12)에 수평으로 관통 설치되어 기어박스(12)에 내장된 액추에이터로 구동되는 주구동축(20)과,
   상기 주구동축(20)의 양 단에 각각 설치되어 주구동축(20)과 함께 회전되는 회전체로서 중심은 주구동축(20)의 단부에 결합되고 상기 중심으로부터 세 갈래로 분지되는 형태의 아암(112)이 형성되어 이루어지는 주회전체(110)와,
   일단이 상기 아암(112)의 단부에 삽입되게 설치되는 길이조절용 로드(124)와 길이조절용 로드(124)의 일단에 결합되어 길이조절용 로드(124)를 아암(112)의 단부로 삽입시키거나 인출시키는 구동부(122)로 이루어지는 선형구동수단(120) 및,
   서로 이격되는 두 개의 구동바퀴(134-1)와 두 개의 구동바퀴(134-1)을 회전 가능하게 연결시키는 연결대(133) 및 두 개의 구동바퀴(134-1)를 모두 감싸는 벨트(134-2)로 이루어지는 캐터필러(134)와, 상기 길이조절용 로드(124)의 타단과 연결대(133)의 중심을 연결시키면서 연결대(133)를 통하여 운동에너지를 구동바퀴(134-1)로 전달하여 구동바퀴(134-1)를 회전시킴으로써 캐터필러(134)를 구동시키는 캐터필러 구동부(132)로 이루어지는 평지이동수단(130)
   으로 구성되는 것을 특징으로 하는 가변형 다자유도 바퀴모듈(100)을 포함하는 이동로봇(10).
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