KR102068239B1 - 계단 등판을 위한 로봇 장치 - Google Patents

Abstract

계단 등판 기능을 갖는 로봇 장치에 있어서, 전륜; 후륜; 및 로봇 장치의 전방 사선으로 돌출된 등판 보조 부재를 포함하되, 등판 보조 부재의 하부면은, 로봇 장치가 전진 이동할 때 전륜보다 먼저 계단에 접촉하여 전륜이 상승되도록 하는 것을 특징으로 하는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 장치가 개시된다.

Description

계단 등판을 위한 로봇 장치{ROBOT APPARATUS FOR CLIMBING STAIRS}

본 발명은 로봇 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 계단 등판을 위한 로봇 장치에 관한 것이다.

도시 또는 실내에서 주행하는 로봇의 경우, 계단 등판 기능은 꼭 필요로 하는 사항이다. 최근에는 험한 지형을 주행할 수 있는 다양한 형태의 로봇이 개발되고 있다.

여러 형태의 로봇들을 2가지로 분류하면, 캐터필러(caterpillar) 구조와 휠 기반(wheel-based) 구조이다.

캐터필러 구조는 바퀴와 지면 사이의 직접적인 접촉이 없다는 것이 특징이다. 캐터필러는 고르지 않은 노면의 표면 영향을 완화시키기 때문에 비연속적인 노면(예를 들어, 홀(holes) 및 스텝(steps))을 주행하는데 효과가 있다. 그러나, 캐터필러 구조는 노면과의 과다한 접촉 면적으로 인해 불필요한 소음을 유발시키며, 또한 주행함에 따라 바닥에 손상을 줄 수 있다.

휠 기반 구조는 링크 메카니즘(linkage mechanism)을 채용하고, 주행 중에 바퀴가 항상 지면에 접촉하고 있다는 점에서 안정하다는 장점이 있다. 그러나 휠 기반 구조는 계단을 등판하기 위해 적합하지 않으며, 계단 등판을 위해서는 부가적으로 캐터필러를 필요로 한다는 점에서 실내에서 사용하기에 적당하지 않다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 장치는 모터 등과 같은 별도의 구동 장비 없이 계단을 등판하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 장치는 다양한 디멘션(dimension)을 갖는 계단을 안정적으로 등판하는 것을 목적으로 한다.

계단 등판 기능을 갖는 로봇 장치에 있어서, 전륜; 후륜; 및 상기 로봇 장치의 전방 사선으로 돌출된 등판 보조 부재를 포함하되, 상기 등판 보조 부재의 하부면은, 상기 로봇 장치가 전진 이동할 때 상기 전륜보다 먼저 상기 계단에 접촉하여 상기 전륜이 상승되도록 할 수 있다.

상기 로봇 장치는, 상기 전륜에 연결되어 상부 방향으로 연장되는 전방 프레임; 상기 후륜에 연결되어 상부 방향으로 연장되는 후방 프레임; 및 상기 전방 프레임과 상기 후방 프레임을 연결하는 연결 프레임을 더 포함할 수 있다.

상기 등판 보조 부재는, 상기 전방 프레임 또는 상기 전륜에 연결될 수 있다.

상기 로봇 장치는, 상기 계단의 폭 및 높이 중 적어도 하나를 측정하는 측정부; 및 상기 측정된 폭 및 높이 중 적어도 하나에 기초하여 상기 연결 프레임의 길이를 조절하는 제 1 구동부를 더 포함할 수 있다.

상기 로봇 장치는, 상기 계단의 폭 및 높이 중 적어도 하나를 측정하는 측정부; 및 상기 측정된 폭 및 높이 중 적어도 하나에 기초하여 상기 등판 보조 부재와 상기 전방 프레임 사이의 각도를 조절하는 제 2 구동부를 더 포함할 수 있다.

상기 등판 보조 부재의 하부면은, 수평면 또는 곡면으로 이루어질 수 있다.

상기 연결 프레임의 길이는, 상기 후륜이 제 1 계단상에 위치하고, 상기 전륜이 상기 제 1 계단보다 한 단계 높은 제 2 계단상에 위치하는 경우의 연결 프레임의 최대 길이와, 상기 후륜이 제 1 계단의 수직면에 접해있고, 상기 전륜이 상기 제 2 계단상에 위치하는 경우의 연결 프레임의 최소 길이 사이의 값을 가질 수 있다.

상기 등판 보조 부재와 상기 전방 프레임 사이의 각도는, 상기 전륜이 상기 계단의 수직면에 접하기 전에 상기 등판 보조 부재가 상기 계단에 먼저 접하는 경우의 최소 각도에 기초하여 결정된 값을 가질 수 있다.

상기 등판 보조 부재의 하부면은 수평면이되, 상기 등판 보조 부재의 하부면은 상기 로봇 장치의 측면 방향에서 상기 전륜의 접선을 이룰 수 있다.

상기 로봇 장치에서, 상기 등판 보조 부재의 단부와 전륜의 중심점 사이의 길이 및 상기 등판 보조 부재의 상부면과 상기 전방 프레임 사이의 각도는, 일정 수치 범위를 갖는 계단의 폭 및 길이에 기초하여 도출될 수 있다.

상기 전륜은, 제 1 서브 전륜; 및 서브 연결 프레임을 통해 상기 제 1 서브 전륜과 연결되는 제 2 서브 전륜을 포함하되, 상기 서브 연결 프레임은 상기 전방 프레임과 힌지 연결될 수 있다.

상기 로봇 장치는, 상기 제 1 서브 전륜에 연결되어 상부 방향으로 연장되는 제 1 서브 전방 프레임; 및 상기 제 2 서브 전륜에 연결되어 상부 방향으로 연장되는 제 2 서브 전방 프레임을 더 포함하되, 상기 등판 보조 부재와 상기 제 1 서브 전륜 사이의 각도는, 상기 제 1 서브 전륜이 상기 계단의 수직면에 접하기 전에 상기 등판 보조 부재가 상기 계단에 먼저 접하는 경우의 최소 각도에 기초하여 결정된 값을 가질 수 있다.

상기 연결 프레임의 길이는, 상기 후륜이 제 1 계단상에 위치하고, 상기 제 1 서브 전륜과 상기 제 2 서브 전륜이 상기 제 1 계단보다 한 단계 높은 제 2 계단상에 위치하는 경우의 연결 프레임의 최대 길이와, 상기 후륜이 제 1 계단의 수직면에 접하지 않고, 상기 제 1 서브 전륜과 상기 제 2 서브 전륜이 상기 제 2 계단에 위치하는 경우의 연결 프레임의 최소 길이 사이의 값을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 장치는 모터 등과 같은 별도의 구동 장비 없이 수동(passive) 부재만으로 계단을 등판할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 장치는 다양한 구조의 수동 부재를 통해 다양한 종류의 계단을 등판할 수 있다.

다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 장치가 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 장치가 등판하는 계단을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 장치의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 장치에 적용 가능한 등판 보조 부재를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 장치가 계단을 등판하는 과정을 도시하는 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 장치의 설계 값들을 도출하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 로봇 장치가 계단을 등판하는 과정을 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 장치의 측면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 장치에 적용 가능한 등판 보조 부재를 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 로봇 장치의 측면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 로봇 장치가 계단을 등판하는 과정을 도시하는 도면이다.
도 11a 내지 도 11c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 로봇 장치의 설계 값들을 도출하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조된 로봇 장치가 계단을 등판하는 과정을 도시하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 로봇 장치의 측면도이다.
도 14a 내지 도 14c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 로봇 장치의 설계 값들을 도출하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 15(a) 및 도 15(b)는 도 14a 내지 도 14c에 기초하여 도출되는 l의 최소 값들을 도시하는 그래프이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제 1, 제 2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.

또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

또한, 본 명세서에서 '~부(유닛)', '모듈' 등으로 표현되는 구성요소는 2개 이상의 구성요소가 하나의 구성요소로 합쳐지거나 또는 하나의 구성요소가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화될 수도 있다. 또한, 이하에서 설명할 구성요소 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성요소가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성요소 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성요소에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상에 따른 예시적인 실시예들에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 장치가 등판하는 계단을 도시하는 도면이다.

본 명세서에서는 하나의 수직면과 하나의 수평면이 하나의 계단을 이루는 것으로 설명한다. 즉, 도 1을 참조하면, 제 1 계단(S1)은 제 1 수직면(10a)과 제 1 수평면(10b)으로 이루어져 있으며, 제 2 계단(S2)은 제 2 수직면(20a)과 제 2 수평면(20b)으로 이루어져 있으며, 제 3 계단(S3)은 제 3 수직면(30a)과 제 3 수평면(30b)으로 이루어져 있다. 제 2 계단(S2)은 제 1 계단(S1)보다 한 단계 높이 위치하며, 제 3 계단(S3)은 제 1 계단(S1)보다는 두 단계 높이, 제 2 계단(S2)보다는 한 단계 높이 위치한다.

또한, 본 명세서에서 수직면이라는 용어가 해당 면이 지표면과 직각(90도)을 이루고 있다는 것을 의미하는 것은 아니며, 지표면을 기준으로 상부 방향으로 연장되는 면으로서 계단을 구성하는 면은 수직면에 해당할 수 있다. 마찬가지로, 본 명세서에서 수평면이라는 용어가 해당 면이 지표면과 평행(180도)을 이루고 있다는 것을 의미하는 것은 아니며, 수직면과 연결되어 측 방향으로 연장되는 면은 수평면에 해당할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 장치(200)의 측면도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 장치(200)는 전륜(210), 후륜(220) 및 등판 보조 부재(260)를 포함할 수 있다.

전륜(210)에는 상부 방향으로 연장되는 전방 프레임(230)이 연결되고, 후륜(220)에는 상부 방향으로 연장되는 후방 프레임(240)이 연결될 수 있다. 또한, 전방 프레임(230)과 후방 프레임(240)은 연결 프레임(250)을 통해 연결될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 장치(200)는 연결 프레임(250)의 중심점을 기준으로 대칭을 이룰 수 있으며, 전방 프레임(230)과 후방 프레임(240)은 평행할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 전륜(210) 및 후륜(220) 각각은 하나 이상의 바퀴를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전륜(210)이 한 개의 바퀴를 포함하고, 후륜(220)이 두 개의 바퀴를 포함할 수 있으며, 또는 전륜(210)이 두 개의 바퀴를 포함하고, 후륜(220)이 한 개의 바퀴를 포함할 수도 있다. 또는, 전륜(210)과 후륜(220) 모두 두 개의 바퀴를 포함할 수도 있다 (도 6 참조).

등판 보조 부재(260)는 로봇 장치(200)의 전방 사선으로 도출된다. 등판 보조 부재(260)는 로봇 장치(200)의 계단 등판을 보조하는데, 구체적으로, 로봇 장치(200)가 전진 이동할 때 하부면이 전륜(210)보다 먼저 계단에 접촉되어 전륜(210)이 상승되도록 한다. 다시 말하면, 등판 보조 부재(260)는 로봇 장치(200)가 계단으로 이동할 때, 전륜(210)과 계단 사이의 각도인 접근각(angle-of-attack)을 형성하는 역할을 한다.

등판 보조 부재(260)는 하나 또는 복수 개로서 로봇 장치(200)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 전륜(210)이 두 개의 바퀴로 이루어진 경우, 두 개의 등판 보조 부재(260) 각각이 각 바퀴에 대응되어 로봇 장치(200)에 결합될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는 캐터필러나 모터 등의 액티브(active) 장비를 포함하지 않고, 로봇 장치(200)에 고정된 등판 보조 부재(260)만으로 계단 등판을 효율적으로 할 수 있다.

도 2에는 도시되어 있지 않지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 장치(200)는 바퀴의 회전을 유도하는, 즉, 로봇 장치(200)가 전진 이동할 수 있게 하는 추진 장치(예를 들어, 모터, 배터리 등)를 더 포함할 수 있다.

도 2에서, 전륜(210)의 중심점과 등판 보조 부재(260)의 하부면을 연결하는 직선과, 전방 프레임(230) 사이의 각도는 θ로 참조되며, 전방 프레임(230)의 길이는 a, 후방 프레임(240)의 길이는 c로 참조된다. 또한, 전륜(210)과 후륜(220)의 반지름은 r로, 연결 프레임(250)의 길이는 b로 참조된다. a, b, c, r, θ는 로봇 장치(200)의 설계 값들이며, 이들 중 일부는 임의로 결정될 수도 있고, 다른 일부는 계단의 디멘션(dimension)에 따라 결정될 수도 있는데, 이에 대해서는 후술한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 장치(200)에 적용 가능한 등판 보조 부재(260)를 도시하는 도면이다.

도 3은 하부면(263)이 수평면인 등판 보조 부재(200)를 도시하고 있는데, 도 3에서 도면부호 261은 결합부이며, 등판 보조 부재(260)는 결합부(261)를 통해 로봇 장치(200)의 전방 프레임(230)이나, 전륜(210) 등에 결합될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 장치(200)가 계단을 등판하는 과정을 도시하는 도면이다.

도 4의 (2) 단계와 (3) 단계, 그리고 (5) 단계와 (6)단계에서 등판 보조 부재(260)가 전륜(210)을 상승시켜 계단을 등판할 수 있게 한다.

도 4에 도시된 각 등판 과정은, 전륜(210)과 후륜(220)이 동일한 계단상에 위치하지 않는 조건을 고려하여 도출된 것으로서, 각 등판 과정 중 일부를 반영하여 로봇 장치(200)의 설계 값들이 결정될 수 있다.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 장치(200)의 설계 값들을 도출하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.

로봇 장치(200)가 제 1 계단(S1)의 수직면에 진입할 때 전륜(210)이 제 1 계단(S1)에 접하기 전에 도 5a와 같이 등판 보조 부재(260)의 하부면이 제 1 계단(S1)에 먼저 접해야 한다. 전륜(210)이 제 1 계단(S1)에 접하기 전에 등판 보조 부재(260)의 하부면이 제 1 계단(S1)에 먼저 접하는 조건을 만족하는 θ₀를 θ의 최소값으로 결정한다.

도 5a의 도면에 기초하여 아래의 수학식 1 내지 수학식 3이 유도된다.

[수학식 1]

[수학식 2]

[수학식 3]

상기 수학식 3은 수학식 2를 수학식 1로 나눔으로써 성립한다. 본 발명의 일 실시예에서는 각도 θ를 도출하기 위해 최소값인 θ₀에 기 설정된 값의 여유분(Sc)을 고려할 수 있다. 여유분(Sc)를 고려하면 수학식 3은 아래의 수학식 4로 수정된다.

[수학식 4]

도 5b는 도 4의 (5) 단계의 상황으로서, 전륜(210)이 제 2 계단(S2)상에 위치하고, 후륜(220)은 제 1 계단(S1)상에 위치하는 경우이다.

도 5b의 기하학적 관계식을 이용하여 아래의 수학식 5 내지 수학식 7을 유도할 수 있다.

[수학식 5]

[수학식 6]

[수학식 7]

상기 수학식 5에서 bmax는 도 5b의 상황을 고려하여 도출된 연결 프레임(250)의 길이 b의 최대 값으로서, bmax는 뒤에서 계산된다. 도 5a와 관련하여 θ₀는 등판 보조 부재(260)와 전방 프레임(230) 사이의 최소 각도로서, 전방 프레임(230)이 전륜(210)의 수직 방향에 위치할 때의 각도이므로, θ에서 θ₁을 차감하면, θ₀와 동일해진다.

아래의 수학식 8은 상기 수학식 4 및 수학식 7에 의해 유도된다.

[수학식 8]

상기 수학식 8에서 h는 계단의 높이로서 기 결정되어 있는 값이며, r은 전륜(210) 및 후륜(220)의 반지름이고, Sc는 전술한 여유분으로서, 설계자에 의해 결정될 수 있는 값이다. 수학식 8의

는 상수 값으로 계산될 수 있고, θ1 역시 bmax를 고려하여 계산되는 값이므로, 설계자는 상기 수학식 8을 만족하는 각도 θ를 임의로 선정할 수 있다.

도 5b는 연결 프레임(250)의 최대 길이 상황으로서, 구체적으로, 후륜(220)의 중심점이 제 1 계단(S1)의 단부상에 위치하고, 전륜(210)은 제 2 계단(S2)상에 위치하되, 등판 보조 부재(260)가 제 3 계단(S3)에 접하고 있다.

도 5b의 기하학 관계에 의해 아래의 수학식 9 및 수학식 10이 유도된다.

[수학식 9]

[수학식 10]

연결 프레임(250)의 길이 b는 bmax의 이하 값이 되어야 하며, bmax의 여유분(Sc)을 고려하면 아래의 수학식 11이 유도된다.

[수학식 11]

도 5c는 연결 프레임(250)의 최소 길이 상황으로서, 구체적으로, 후륜(220)이 제 1 계단(S1)의 수직면에 접하고 있고, 전륜(210)의 중심점이 제 2 계단(S2)의 단부상에 위치하고 있다. 연결 프레임(250)의 길이 b는 도 5c의 상황에 따른 연결 프레임(250)의 최소 길이 bmin 이상이 되어야 한다.

도 5c의 기하학적 관계를 고려하여 아래의 수학식 12 및 수학식 13이 유도될 수 있다. 수학식 13에서는 여유분(Sc)를 더 고려하였다.

[수학식 12]

[수학식 13]

상기 수학식 11과 수학식 13을 고려하면, 연결 프레임의 길이 b는 bmin을 고려하여 도출되는 값과 bmax를 고려하여 도출되는 값 사이의 값을 갖게 된다. 수학식 11 및 수학식 13에서 w는 계단의 폭, r은 전륜(210)과 후륜(220)의 반지름, h는 계단의 높이, Sc는 여유분, θ-θ₁은 수학식 8에서 선택되는 값이므로, 설계자는 수학식 11과 수학식 13을 만족하는 범위 내에서 b를 임의로 선정할 수 있다.

한편, 도 2에서 전방 프레임(230)의 길이 a와 후방 프레임(240)의 길이 c는 계단 등판에 큰 영향을 미치지 않으므로, 설계자가 임의로 결정할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 로봇 장치가 계단을 등판하는 과정을 도시하는 도면으로서, 도 6의 각 단계와 도 4의 각 단계를 비교하면, 예상한 바와 같이, 로봇 장치가 계단 등판을 원활하게 하는 것을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 장치(700)의 측면도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 장치(700)는 도 2에 도시된 로봇 장치(200)와 마찬가지로, 전륜(210), 후륜(220) 및 등판 보조 부재(360)를 포함할 수 있다. 또한, 전륜(210)에는 상부 방향으로 연장되는 전방 프레임(230)이 연결되고, 후륜(220)에는 상부 방향으로 연장되는 후방 프레임(240)이 연결될 수 있다. 또한, 전방 프레임(230)과 후방 프레임(240)은 연결 프레임(250)을 통해 연결될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 장치(700)는 연결 프레임(250)의 중심점을 기준으로 대칭을 이룰 수 있으며, 전방 프레임(230)과 후방 프레임(240)은 서로 간에 평행할 수 있다.

도 2에 도시된 로봇 장치(200)와 비교하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 장치(700)의 등판 보조 부재(360)의 하부면이 곡면으로 이루어진 것을 알 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 등판 보조 부재(360)는 로봇 장치(700)의 전방 사선으로 도출되며, 로봇 장치(700)가 계단으로 이동할 때, 전륜(210)과 계단 사이의 각도인 접근각(angle-of-attack)을 형성하는 역할을 한다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 장치(700)에 적용 가능한 등판 보조 부재(360)를 도시하는 도면이다. 도 8에서 도면부호 361은 결합부이며, 등판 보조 부재(360)는 결합부(361)를 통해 로봇 장치(700)의 전방 프레임(230)이나, 전륜(210) 등에 결합될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 장치(700)는 등판 보조 부재(360)의 하부면이 곡면을 이루고 있으므로, 다양한 높이의 계단과 접촉하여 접근각을 형성할 수 있다. 즉, 다양한 종류의 계단을 등판하는데 효율적이다.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 로봇 장치(1000)의 측면도이다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 로봇 장치(1000)는 로커 보기(rocker-bogie) 구조로 구현될 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 로봇 장치(1000)는 전륜(1010), 후륜(1020), 전방 프레임(1030), 후방 프레임(1040) 및 연결 프레임(1050)을 포함하되, 상기 전륜(1010)은 제 1 서브 전륜(1011)과 제 2 서브 전륜(1012)을 포함할 수 있다. 또한, 제 1 서브 전륜(1011)에는 상부 방향으로 연장되는 제 1 서브 전방 프레임(1031)이 연결되고, 제 2 서브 전륜(1012)에는 상부 방향으로 연장되는 제 2 서브 전방 프레임(1032)이 연결되며, 제 1 서브 전방 프레임(1031)과 제 2 서브 전방 프레임(1032)은 서브 연결 프레임(1033)으로 연결될 수 있다. 전방 프레임(1030)은 서브 연결 프레임(1033)과 연결되며, 이때, 서브 연결 프레임(1033)은 전방 프레임(1030)에 대해 회전 가능하도록 힌지 연결될 수 있다. 후방 프레임(1040)의 길이는 전방 프레임(1030)의 길이와 제 1 서브 전방 프레임(1031)의 길이의 합, 또는 전방 프레임(1030)의 길이와 제 2 서브 전방 프레임(1032)의 길이의 합과 동일하게 구현될 수 있다.

상기 제 1 서브 전륜(1011), 제 2 서브 전륜(1012) 및 후륜(1020) 각각은 하나 이상의 바퀴를 포함할 수 있다.

등판 보조 부재(1060)는 로봇 장치(1000)의 전방 사선으로 도출된다. 등판 보조 부재(1060)는 로봇 장치(1000)의 계단 등판을 보조하는데, 구체적으로, 로봇 장치(1000)가 전진 이동할 때 하부면이 제 1 서브 전륜(1011)보다 먼저 계단에 접촉되어 제 1 서브 전륜(1011)이 상승되도록 할 수 있다. 다시 말하면, 등판 보조 부재(1060)는 로봇 장치(1000)가 계단으로 이동할 때, 제 1 서브 전륜(1011)과 계단 사이의 각도인 접근각(angle-of-attack)을 형성하는 역할을 한다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 로봇 장치(1000)가 계단을 등판하는 과정을 도시하는 도면이다.

도 10의 (2) 단계와 (3) 단계, 그리고 (5) 단계와 (6)단계에서 등판 보조 부재(1060)가 제 1 서브 전륜(1011)을 상승시켜 계단을 등판할 수 있게 한다.

도 10에 도시된 각 등판 과정은, 제 1 서브 전륜(1011), 제 2 서브 전륜(1012) 및 후륜(1020) 중 두 개의 륜이 동시에 계단의 수직면에 접하지 않는 조건을 고려하여 제안된 것이다.

도 11a 내지 도 11c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 로봇 장치(1000)의 설계 값들을 도출하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.

로봇 장치(1000)가 제 1 계단(S1)의 수직면에 진입할 때 제 1 서브 전륜(1011)이 제 1 계단(S1)에 접하기 전에 도 11a와 같이 등판 보조 부재(1060)의 하부면이 제 1 계단(S1)에 먼저 접해야 한다.

도 11a의 도면에 기초하면 아래의 수학식 14 내지 수학식 16이 도출된다.

[수학식 14]

[수학식 15]

[수학식 16]

상기 수학식 16에서 r은 제 1 서브 전륜(1011), 제 2 서브 전륜(1012) 및 후륜(1020)의 반지름이고, h는 계단의 높이로서 미리 결정되는 값이다. 설계자는 상기 수학식 16을 만족하는 θ를 임의로 선정할 수 있다.

도 11b는 연결 프레임(1050)의 길이 b의 최소 값을 도출하기 위한 상황을 도시하고 있는데, 두개의 륜이 동시에 계단의 수직면에 접하지 않아야 하므로, 후륜(1020)이 제 1 계단(S1)의 수직면에 접하기 전에 제 2 서브 전륜(1012)이 제 2 계단(S2)상에 위치하여야 한다. 구체적으로, 후륜(1020)이 제 1 계단(S1)에 접하기 전에 제 1 서브 전륜(1011)과 제 2 서브 전륜(1012) 모두가 제 2 계단(S2)상에 위치하여야 한다. 이 때, 제 2 서브 전륜(1012)의 중심점과 제 2 계단(S2)의 단부를 잇는 선은 수평면에 대해 45도의 각을 갖는다.

제 1 계단(S1)의 수직면의 하단 지점의 좌표를 (0, 0)으로 하였을 때의, 후륜(1020)의 중심점의 좌표, 제 2 서브 전륜(1012)의 중심점의 좌표 및 서브 연결 프레임(1033)과 전방 프레임(1030)이 접하는 지점(A)의 좌표는 도 11b에 도시되어 있다. 참고적으로, 도 11b에서 제 2 서브 전방 프레임(1032)의 길이 d는 제 2 서브 전방 프레임(1032)와 서브 연결 프레임(1033)이 접하는 지점으로부터 제 2 서브 전륜(1012)의 중심점 사이의 길이를 의미한다.

도 11b의 기하학적 관계에 따라 아래의 수학식 17 내지 수학식 20이 유도될 수 있다.

[수학식 17]

[수학식 18]

[수학식 19]

[수학식 20]

수학식 20에서 b의 최소 값이 결정될 수 있는데, 수학식 20에서 a는 서브 연결 프레임(1033)에서 제 2 서브 전방 프레임(1032)에 접하는 지점과 전방 프레임(1030)에 접하는 지점(A) 사이의 길이, h는 계단의 높이, d는 제 2 서브 전방 프레임(1032)의 길이, r은 각 륜의 반지름, w는 계단의 폭으로서 a, d, r은 설계자에 의해 미리 설정된 값이며, h와 w는 계단의 디메션으로서 미리 결정되어 있는 값이다. 따라서, 수학식 20을 정리하면 b > 상수 값으로 된다.

도 11c는 연결 프레임(1050)의 길이 b의 최대 값을 도출하기 위한 상황으로서, 두개의 륜이 동시에 계단의 수직면에 접하지 않아야 하므로, 제 1 서브 전륜(1011)이 제 3 계단(S3)에 접하기 전에 후륜(1020)이 제 1 계단(S1)상에 위치하여야 한다. 이 때, 등판 보조 부재(1060)의 하부면은 제 3 계단(S3)에 접하고, 후륜(1020)의 중심점과 제 1 계단(S1)의 단부를 잇는 선분은 수평면에 대해 45도의 각을 이룬다.

제 2 계단(S2)의 수직면의 하부 지점의 좌표를 (0,0)으로 하였을 때, 후륜(1020)의 중심점의 좌표, 제 1 서브 전륜(1011)의 중심점의 좌표 및 서브 연결 프레임(1033)과 전방 프레임(1030)이 접하는 지점(A)의 좌표는 도 11c에 도시되어 있다.

도 11c의 기하학적 관계를 고려하였을 때 아래의 수학식 21 내지 수학식 23이 유도될 수 있다.

[수학식 21]

[수학식 22]

[수학식 23]

수학식 23에서 b의 최대 값이 결정될 수 있는데, 수학식 23에서 w는 계단의 폭, l은 제 1 서브 전륜(1011)의 중심점과 계단에 접하는 등판 보조 부재(1060)의 지점 사이의 거리이며, θ는 수학식 16에서 결정되는 값이고, r은 각 륜의 반지름, c는 서브 연결 프레임(1033) 중 제 1 서브 전방 프레임(1031)에 접하는 지점과 전방 프레임(1030)에 접하는 지점(A) 사이의 길이, d는 제 2 서브 전방 프레임(1032)의 길이, h는 계단의 높이로서, 미리 결정되거나 계산될 수 있는 값들이다. 따라서, 수학식 23을 정리하면 b < 상수 값으로 된다.

설계자는 수학식 20과 수학식 23을 만족하는 b값들 중 어느 하나를 선정하여 연결 프레임(1050)의 길이로 선택할 수 있다.

도 12은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제조된 로봇 장치가 계단을 등판하는 과정을 도시하는 도면으로서, 도 12의 각 단계와 도 10의 각 단계를 비교하면, 예상한 바와 같이, 로봇 장치가 계단 등판을 원활하게 하는 것을 알 수 있다.

도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 로봇 장치(1300)의 측면도이다.

도 13에 도시된 로봇 장치(1300)는 도 2에 도시된 로봇 장치(200)와 유사하나, 측면 방향에서 볼 때, 등판 보조 부재(1360)의 상부면은 전륜(1310)의 중심점으로부터 연장되며, 하부면은 수평면으로서, 전륜(1310)의 접선을 이룬다. 도 2와 같이, 등판 보조 부재(260)의 하부면이 전륜(210)의 중심점으로부터 연장되어 있으면, 등판 보조 부재(260)의 하부면과 전륜(210) 사이의 공간이 계단의 단부에 끼어 등판이 용이하지 않을 수 있다.

도 13에 도시된 로봇 장치(1300)의 주요 설계 값들은 연결 프레임(1350)의 길이 b, 전륜(1310)의 중심점과 등판 보조 부재(1360)의 단부 사이의 길이 l, 및 전방 프레임(1330)과 등판 보조 부재(1360)의 상부면 사이의 각도 θ이다. 이들 설계 값들을 도출하는 방법에 대해서는 도 14a 내지 도 14c를 참조하여 설명한다.

도 14a 내지 도 14c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 로봇 장치(1300)의 설계 값들을 도출하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.

도 14a는 연결 프레임(1350)의 최대 길이 상황으로서, 구체적으로, 후륜(1320)의 중심점이 제 1 계단(S1)의 단부상에 위치하고, 전륜(1310)은 제 2 계단(S2)상에 위치하되, 등판 보조 부재(1360)가 제 3 계단(S3)에 접하고 있다.

또한, 도 14b는 연결 프레임(1350)의 최소 길이 상황으로서, 구체적으로, 후륜(1320)이 제 1 계단(S1)의 수직면에 접하고 있고, 전륜(1310)의 중심점이 제 2 계단(S2)의 단부상에 위치하고 있다.

연결 프레임(1350)의 길이 b는 도 14a 및 14b의 상황에 따른 길이 범위, 즉, 아래의 수학식 24를 만족하여야 한다.

[수학식 24]

상기 수학식 24로부터 연결 프레임(1350)의 최소 길이(bmin)와 최대 길이(bmax)를 아래의 수학식 25와 같이 도출할 수 있다.

[수학식 25]

수학식 24 및 수학식 25에서 w는 계단의 폭, h는 계단의 높이, r은 전륜(1310)과 후륜(1320)의 반지름을 의미한다. 설계자는 로봇 장치(1300)가 등판 하고자 하는 계단의 높이, 폭, 및 전륜(1310)과 후륜(1320)의 반지름을 이용하여 도출되는 수학식 25의 bmin과 bmax 사이의 값을 연결 프레임(1300)의 길이로 선정할 수 있다.

또한, θ의 결정을 위해 도 14a에서 등판 보조 부재(1360)의 하부면이 계단에 접하기 위해서는 아래의 수학식 26을 만족하여야 한다.

[수학식 26]

상기 수학식 26에서

는 로봇 장치(1300)가 회전한 각도를 나타낸다.

본 발명의 일 실시예에서는 로봇 장치(1300)가 다양한 종류의 계단을 등판할 수 있도록 하는 θ의 결정을 위해 계단의 폭과 계단의 높이를 아래의 수학식 27과 같이 일정 범위로 선정하였다. 아래의 폭 및 높이의 범위는 주택건설기준 등에 관한 규정에서 선정된 계단의 폭과 계단의 높이를 고려하여 도출된 것이다.

[수학식 27]

다양한 계단을 등판하기 위해서는 θ가

의 최대 값보다 커야 하며,

의 최대 값은 수학식 26에서 b가 가장 작고, h가 가장 클 때를 의미하며 이는 아래의 수학식 28로 표현될 수 있다.

[수학식 28]

수학식 28에서 hmax는 수학식 27에서 h의 최대 값을 의미하며, bmin(min)은 수학식 27의 w 값들과 h 값들을 수학식 25의 좌측 식에 대입한 경우 도출되는 bmin 값들 중 최소 값을 의미한다. 설계자는 수학식 28에서 도출되는

보다 큰 값을 θ로 선정할 수 있다.

다음은 도 14c를 참조하여, 전륜(1310)의 중심점과 등판 보조 부재(1360)의 단부 사이의 길이 l의 설계 값을 유도한다.

도 14c는 등판 보조 부재(1360)의 하부면이 계단에 접하고 있는 상황을 도시하고 있는데, 등판 보조 부재(1360)의 하부면이 계단에 접하기 위해서는 A 지점이 I 지점보다 높이 위치하여야 하며, 아래의 수학식 29 및 30이 유도될 수 있다.

[수학식 29]

[수학식 30]

수학식 30에서

를 유도할 수 있으며,

는 계단과 접하기 위해서 아래의 수학식 31과 같이, 90도보다 작아야 한다. 또한, 도 14c에서 아래의 수학식 32가 도출될 수 있다.

[수학식 31]

[수학식 32]

수학식 30, 31, 32를 이용하면 아래의 수학식 33이 도출될 수 있다.

[수학식 33]

또한, 수학식 33은 아래의 수학식 34로 유도될 수 있다.

[수학식 34]

아래의 수학식 35로 유도되는

의 최소 값을 이용하여 l의 최소 값(lmin,1)을 수학식 34로부터 아래의 수학식 36과 같이 유도할 수 있다.

[수학식 35]

[수학식 36]

상기 수학식 35에서 bmax는 수학식 27의 w 값들과 h값들을 수학식 25의 우측 식에 입력하였을 때 도출되는 bmax 값들을 의미한다.

또한, 수학식 29에서 로봇 장치(1300)가 첫 번째 계단을 등판하기 시작할 때의

는 0(즉, 로봇 장치(1300)가 회전하지 않은 상태)이므로, 이를 이용하면 l의 최소 값(lmin,2)이 아래의 수학식 37과 같이 유도될 수 있다.

[수학식 37]

수학식 27의 w 값들과 h 값들을 수학식 36과 수학식 37에 대입하여 도출되는 lmin,1과 lmin,2는 도 15(a)와 도 15(b)에 도시되어 있다. 도 15(a)는 w 및 h 값에 따른 lmin,1과 lmin,2를 3차원으로 도시한 그래프이고, 도 15(b)는 도 15(a)의 그래프를 2차원으로 표현한 것이다.

도 15(a) 및 도 15(b)에서 case 1의 값은 lmin,1 값들을 나타내고, case 2의 값은 lmin, 2 값들을 나타낸다.

설계자는 수학식 36과 37로부터 도출되는 l의 최소 값들 중(즉, lmin,1 값들과 lmin,2 값들) 최대의 값보다 큰 l을 선정함으로써, 다양한 종류의 계단을 등판할 수 있는 l을 설계할 수 있다.

한편, 상술한 로봇 장치(200, 700, 1000)에서는 연결 프레임의 길이(250, 1050), 및 등판 보조 부재(260, 360, 1060)와 전방 프레임(230, 1030) 사이의 각도가 중요 인자로서 작용하였다.

상술한 로봇 장치들(200, 700, 1000)은 등판하고자 하는 계단의 디멘션(예를 들어, 계단의 폭 및 높이 중 적어도 하나)을 측정하는 측정부와, 측정 결과에 기초하여 연결 프레임(250, 1050)의 길이를 조절하거나, 등판 보조 부재(260, 360, 1060)와 전방 프레임(230, 1030) 사이의 각도를 조절하는 구동부를 더 포함할 수 있다.

측정부는 예를 들어, 카메라, 적외선 센서, 레이져 센서 등을 포함할 수 있으며, 또한, 구동부는 예를 들어, 연결 프레임(250, 1050)의 길이를 조절하고, 등판 보조 부재(260, 360, 1060)를 회전시키기 위한 모터 및 기어 등을 포함할 수 있다.

측정부에 의해 측정된 계단의 디멘션에 따라 구동부는 연결 프레임(250, 1050)의 길이를 확장 또는 축소시키거나, 등판 보조 부재(260, 360, 1060)의 각도를 회전시켜 로봇 장치(200, 700, 1000)가 다양한 종류의 계단을 효율적으로 등판할 수 있게 한다.

또한, 도 13에 도시된 로봇 장치(1300)의 경우, l과 θ는 다양한 계단의 폭과 높이를 고려하여 도출된 값으로서, 다양한 종류의 계단을 등판할 수 있으나, 연결 프레임(1350)의 길이 b는 로봇 장치(1300)가 등판하고자 하는 계단의 폭과 높이를 고려하여 도출된 것이므로, 특정 계단에 적합한 수치라고 할 수 있다. 따라서, 도 13의 로봇 장치(1300)의 경우에는, 등판하고자 하는 계단의 디멘션(예를 들어, 계단의 폭 및 높이 중 적어도 하나)을 측정하는 측정부와, 측정 결과에 기초하여 연결 프레임(1350)의 길이를 조절하는 구동부를 더 포함할 수 있다.

측정부는 예를 들어, 카메라, 적외선 센서, 레이져 센서 등을 포함할 수 있으며, 또한, 구동부는 예를 들어, 연결 프레임의 길이를 조절하기 위한 모터 및 기어 등을 포함할 수 있다. 측정부에 의해 측정된 계단의 디멘션에 따라 구동부는 연결 프레임(1350)의 길이를 확장 또는 축소시켜 로봇 장치(1300)가 다양한 종류의 계단을 효율적으로 등판할 수 있게 한다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

200, 700, 1000, 1300: 로봇 장치
210, 1010, 1310: 전륜
220, 1020, 1320: 후륜
230, 1030, 1330: 전방 프레임
240, 1040, 1340: 후방 프레임
250, 1050, 1350: 연결 프레임
260, 360, 1060, 1360: 등판 보조 부재
261, 361: 결합부
1011: 제 1 서브 전륜
1012: 제 2 서브 전륜
1031: 제 1 서브 전방 프레임
1032: 제 2 서브 전방 프레임
1033: 서브 연결 프레임

Claims (10)

1. 계단 등판 기능을 갖는 로봇 장치에 있어서,
   전륜;
   후륜;
   상기 전륜에 연결되어 상부 방향으로 연장되는 전방 프레임;
   상기 후륜에 연결되어 상부 방향으로 연장되는 후방 프레임;
   상기 전방 프레임과 상기 후방 프레임을 연결하는 연결 프레임; 및
   상기 로봇 장치의 전방 사선으로 돌출되며, 적어도 상기 계단과의 접촉시에는 일정한 각도로 고정되는 등판 보조 부재를 포함하되,
   상기 등판 보조 부재의 하부면은, 상기 로봇 장치가 전진 이동할 때 상기 전륜보다 먼저 상기 계단에 접촉하고, 상기 계단과의 접점에서 슬라이딩하여 상기 전륜이 상승되도록 하는 것으로,
   상기 등판 보조 부재는
   상부면이 상기 전륜의 중심점으로부터 연장되고,
   하부면은 수평면이되, 상기 로봇 장치의 측면 방향에서 상기 전륜의 접선을 이루는 것을 특징으로 하는 로봇 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 계단의 폭 및 높이 중 적어도 하나를 측정하는 측정부; 및
   상기 측정된 폭 및 높이 중 적어도 하나에 기초하여 상기 연결 프레임의 길이를 조절하는 제1 구동부를 더 포함하고,
   상기 제1 구동부는
   상기 후륜이 제1 계단상에 위치하고 상기 전륜이 상기 제1 계단보다 한 단계 높은 제2 계단상에 위치하는 경우의 연결 프레임의 최대 길이와, 상기 후륜이 제1 계단의 수직면에 접해있고 상기 전륜이 상기 제2 계단상에 위치하는 경우의 연결 프레임의 최소 길이 사이의 값을 가지도록, 상기 연결 프레임의 길이를 조절하는 것을 특징으로 하는 로봇 장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 로봇 장치는,
   상기 측정된 폭 및 높이 중 적어도 하나에 기초하여, 상기 등판 보조 부재와 상기 전방 프레임 사이의 각도를 조절하는 제2 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 장치.
   
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 등판 보조 부재와 상기 전방 프레임 사이의 각도는,
   상기 전륜이 상기 계단의 수직면에 접하기 전에 상기 등판 보조 부재가 상기 계단에 먼저 접하는 경우의 최소 각도에 기초하여 결정된 값을 갖는 것을 특징으로 하는 로봇 장치.
   
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 로봇 장치에서, 상기 등판 보조 부재의 단부와 전륜의 중심점 사이의 길이 및 상기 등판 보조 부재의 상부면과 상기 전방 프레임 사이의 각도는,
   일정 수치 범위를 갖는 계단의 폭 및 길이에 기초하여 도출된 것을 특징으로 하는 로봇 장치.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 전륜은,
   제 1 서브 전륜; 및
   서브 연결 프레임을 통해 상기 제 1 서브 전륜과 연결되는 제 2 서브 전륜을 포함하되,
   상기 서브 연결 프레임은 상기 전방 프레임과 힌지 연결된 것을 특징으로 하는 로봇 장치.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 로봇 장치는,
   상기 제 1 서브 전륜에 연결되어 상부 방향으로 연장되는 제 1 서브 전방 프레임; 및
   상기 제 2 서브 전륜에 연결되어 상부 방향으로 연장되는 제 2 서브 전방 프레임을 더 포함하되,
   상기 등판 보조 부재와 상기 제 1 서브 전방 프레임 사이의 각도는, 상기 제 1 서브 전륜이 상기 계단의 수직면에 접하기 전에 상기 등판 보조 부재가 상기 계단에 먼저 접하는 경우의 최소 각도에 기초하여 결정된 값을 갖는 것을 특징으로 하는 로봇 장치.
   
10. 제8항에 있어서,
    상기 연결 프레임의 길이는,
    상기 후륜이 제 1 계단상에 위치하고, 상기 제 1 서브 전륜과 상기 제 2 서브 전륜이 상기 제 1 계단보다 한 단계 높은 제 2 계단상에 위치하는 경우의 연결 프레임의 최대 길이와, 상기 후륜이 제 1 계단의 수직면에 접하지 않고, 상기 제 1 서브 전륜과 상기 제 2 서브 전륜이 상기 제 2 계단에 위치하는 경우의 연결 프레임의 최소 길이 사이의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 로봇 장치.

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