KR102213377B1 - 고속 및 고토크 구동을 위한 로봇 다리 구조 - Google Patents

Abstract

고속 및 고토크 구동을 위한 로봇 다리 구조는 4개 링크와 4개 조인트를 포함하는 4절 링크 메커니즘부, 및 상기 4절 링크 메커니즘부의 4개 링크들 중 적어도 하나의 링크에 연결되고 고속 또는 고토크 구동을 위하여 링크의 길이를 조절하여 감속비를 가변하는 액츄에이터를 포함한다. 따라서, 고속 및 고토크 구동을 위한 로봇 다리 구조는 4절 링크 다리에서 링크 길이 조절을 통해 감속비를 가변시킴으로써 관절의 고속 또는 고토크를 발생시킬 수 있다.

Description

고속 및 고토크 구동을 위한 로봇 다리 구조 {ROBOT LEGS STRUCTURE FOR HIGH SPEED AND HIGH TORQUE}

본 발명은 보행 로봇의 고속 및 고토크 구동 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보행 로봇의 다리 관절을 구성하는 4절 링크에 리니어 액츄에이터를 적용하여 링크 길이를 조절함으로써 고속 및 고토크 구동할 수 있는 고속 및 고토크 구동을 위한 로봇 다리 구조에 관한 것이다.

로봇공학기술의 발달로 다용도의 로봇들의 수요가 산업 및 가정에서 증가하고 있다. 암을 이용해 생산력을 증대시키는 생산용 로봇, 복싱, 축구 등과 같이 운동을 수행하는 로봇에서부터 청소, 요리를 도와주는 가사 수행 로봇, 노래를 하거나 춤을 출 수 있는 엔터테인먼트용도의 인간 형상과 유사한 휴머노이드(Humanoid) 및 인명 구조와 재난지역 탐색용 로봇까지 그 분야와 종류가 다양하다.

한편, 지상에서 동작하는 로봇이 다른 장소로 이동하기 위해선 바퀴나 다리가 필요하다. 바퀴를 갖고 있는 로봇은 평평한 지형을 빠르게 움직일 수 있는 장점이 있지만 계단이나 울퉁불퉁한 지형을 만나면 이동하는 게 쉽지 않다. 반면 다리를 갖고 있는 로봇은 빠르게 이동하기는 힘들지만 계단이나 울퉁불퉁한 지형에선 바퀴 보다 훨씬 자유롭게 움직일 수 있다.

따라서, 다리로 이동하는 보행 로봇이 물건을 들고 계단을 오르고 주변을 걷거나 뛸 수 있는 역동적인 보행 연구와 개발이 활발히 진행 중이다.

한국등록특허 제10-0843863호는 보행식 이동 로봇 및 그 제어 방법, 보행식 이동 로봇을 위한 다리부 구조, 및 보행식 이동 로봇을 위한 가동 다리유닛에 관한 것으로, 2개 이상의 가동 다리를 구비한 보행식 이동 로봇이며, 기체의 피치축 모멘트 및 롤축 모멘트가 제로(0)가 되는 ZMP(Zero Moment Point)의 위치와 기체가 바닥면으로부터 받는 바닥 반력으로 정의되는 ZMP 거동 공간을 제어하는 ZMP 거동 공간 제어 수단을 구비하며, 상기 ZMP 거동 공간 제어 수단은 미리 ZMP 거동 공간에 상기 기체가 안정하도록 하는 소정의 왜곡 또는 상기 바닥 반력에 따라 상기 로봇의 변형력 또는 운동량의 크기 혹은 방향이 변화하도록 하는 소정의 특성을 부여하고 있는 것을 특징으로 한다.

한국등록특허 10-0843863 (2008.06.27 등록)

본 발명의 일 실시예는 보행 로봇의 다리 관절을 구성하는 4절 링크에 리니어 액츄에이터를 적용하여 링크 길이를 조절함으로써 고속 및 고토크 구동할 수 있는 고속 및 고토크 구동을 위한 로봇 다리 구조를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 연속적인 가변 감속을 통해 상황 변화에 따른 최적 감속비를 결정하여 효율적으로 저감속을 통해 빠른 움직임을 발생시키고 고감속을 통해 높은 토크를 발생시킬 수 있는 고속 및 고토크 구동을 위한 로봇 다리 구조를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 여자유도를 고려한 로봇 관절의 최적의 궤적을 생성하여 로봇 모션을 구현할 수 있는 고속 및 고토크 구동을 위한 로봇 다리 구조를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 4절 링크의 구조를 사용하여 동력을 전달하고 다리가 받는 전체 하중이 각 링크에게 나누어져 관절의 관성 모멘트를 최소화할 수 있는 고속 및 고토크 구동을 위한 로봇 다리 구조를 제공하고자 한다.

실시예들 중에서, 고속 및 고토크 구동을 위한 로봇 다리 구조는 4개 링크와 4개 조인트를 포함하는 4절 링크 메커니즘부, 및 상기 4절 링크 메커니즘부의 4개 링크들 중 적어도 하나의 링크에 연결되고 고속 또는 고토크 구동을 위하여 링크의 길이를 조절하여 감속비를 가변하는 액츄에이터를 포함한다.

상기 4절 링크 메커니즘부는 로봇의 골반 위치에 배치되고 동력원에 연결된 입력 링크, 상기 로봇의 무릎 위치에 배치되고 상기 입력 링크의 동력을 전달받는 출력 링크, 및 상기 입력 링크와 출력 링크를 연결하는 2개의 커플러를 포함할 수 있다.

상기 4절 링크 메커니즘부는 상기 입력 링크에 상기 액츄에이터가 연결되고 상기 액츄에이터의 작동에 의해 상기 입력 링크의 길이가 조절되어 상기 출력 링크의 감속비가 가변될 수 있다.

상기 4절 링크 메커니즘부는 상기 입력 링크의 길이가 길어지면 상기 감속비가 하향되어 저감속을 통해 상기 출력 링크를 고속 구동하여 상기 출력 링크에 있는 조인트(무릎 관절)에 빠른 움직임을 발생시킬 수 있다.

상기 4절 링크 메커니즘부는 상기 입력 링크의 길이가 짧아지면 상기 감속비가 상향되어 고감속을 통해 상기 출력 링크를 고토크 구동하여 상기 출력 링크에 있는 조인트(무릎 관절)에 고토크를 발생시킬 수 있다.

상기 액츄에이터는 소형 리니어 액츄에이터일 수 있다.

상기 액츄에이터는 상기 4개 링크들 중 적어도 하나의 링크에 연결되어 상기 4절 링크 메커니즘부의 자유도를 추가시켜 여자유도를 생성하고 생성된 여자유도를 상기 로봇 모션에 사용할 수 있다.

개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고속 및 고토크 구동을 위한 로봇 다리 구조는 보행 로봇의 다리 관절을 구성하는 4절 링크에 리니어 액츄에이터를 적용하여 링크 길이를 조절함으로써 관절의 고속 및 고토크를 구현할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고속 및 고토크 구동을 위한 로봇 다리 구조는 중립 감속비에서 연속적인 가변 감속을 통해 상황 변화에 따른 최적 감속비를 결정하여 효율적으로 저감속을 통해 빠른 움직임을 발생시키고 고감속을 통해 높은 토크를 발생시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고속 및 고토크 구동을 위한 로봇 다리 구조는 여자유도를 활용한 동력 전달을 통해 로봇 관절의 최적의 궤적을 생성하여 로봇 모션을 구현할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고속 및 고토크 구동을 위한 로봇 다리 구조는 4절 링크의 구조를 사용하여 동력을 전달하고 다리가 받는 전체 하중이 각 링크에게 나누어져 관절의 관성 모멘트를 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 및 고토크 구동을 위한 로봇 다리 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 있는 로봇 다리 구조에서 4절 링크의 링크 길이 조절 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1에 있는 로봇 다리 구조에서 고속 및 고토크 구동을 위한 연속 감속비 가변 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 고속 및 고토크 구동을 위한 로봇 다리 구조에서의 링크 길이에 따른 감속비를 나타내는 예시도이다.
도 5는 일 실시예에 따라 고속 및 고토크 구동을 위한 로봇 다리 구조에서의 로봇 모션을 나타내는 예시도이다.

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 및 고토크 구동을 위한 로봇 다리 구조를 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 로봇 다리(100)는 4절 링크(four-bar link) 구조로 설계된 휴머노이드 로봇 다리에 해당할 수 있고, 4절 링크 메커니즘부(110)에 액츄에이터(120)가 추가된 구조로 구성될 수 있다.

4절 링크 메커니즘부(110)는 4개의 링크(111~114)와 4개의 조인트(115~118)를 포함할 수 있다.

4개의 링크(111~114)는 입력링크(111), 출력링크(112), 입력링크(111)와 출력링크(112)를 연결해주는 커플러(113,114)로 이루어질 수 있다.

입력링크(111)는 동력원에 연결된 링크로, 입력링크(111)의 각속도나 각도에 따라 출력링크(112)와 커플러(113,114)의 움직임을 해석할 수 있다. 여기에서, 입력링크(111)는 골반에 가깝게 위치시키고, 출력링크(112)는 무릎에 가깝게 위치시킬 수 있다.

4개의 조인트(115~118)는 로봇 다리(100)의 관절에 해당할 수 있다.

일 실시예에 따른 로봇 다리(100)는 상단부의 4절 링크 메커니즘부(110)를 통해 하단부로 동력전달을 할 수 있다.

액츄에이터(120)는 4절 링크 메커니즘부(110)에 위치하여 4개 링크(111~114) 중 적어도 하나의 링크의 길이를 조절할 수 있다. 일 실시예에서, 액츄에이터(120)는 소형 모터와 볼 스크류를 통해 컴팩트하게 제작된 소형 리니어 액츄에이터로 구현될 수 있다. 액츄에이터(120)는 입력 링크(111)에 연결되어 입력 링크(111)의 길이를 상황 변화에 따라 증감시킬 수 있다. 여기에서, 입력 링크(111)의 길이에 따라 출력 링크(112)의 운동이 달라지게 된다. 액츄에이터(120)는 입력 링크(111)와 출력 링크(112)에 각각 연결되어 상단과 하단에서 각각 폭 방향으로 길이 조절할 수 있다. 액츄에이터(120)는 2개의 커플러(113,114) 중 적어도 하나에 연결되어 길이방향으로 길이 조절할 수도 있다. 액츄에이터(120)는 4절 링크들(111~114)의 길이 조절을 통해 연속적인 감속비를 가변을 할 수 있다.

일 실시예에 따른 로봇 다리(100)는 4절 링크 메커니즘부(110)의 링크들에 리니어 액츄에이터(120)를 추가함으로써, 중립 감속비를 능동적으로 바꾸어 고속 혹은 고토크 구동을 구현할 수 있다.

도 2는 도 1에 있는 로봇 다리 구조에서 4절 링크의 링크 길이 조절 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 로봇 다리(100)는 골반과 무릎 사이를 나타내는 상단부에 4절 링크의 구조를 설계할 수 있다. 4절 링크의 로봇 다리(100)는 입력 링크(111)에 액츄에이터(120)를 위치시키고 액츄에이터(120)의 작동에 의해 입력 링크(111)의 길이가 짧아지거나 길어지게 된다. 예컨대, 입력 링크(111)와 출력 링크(112)의 길이가 1:1인 경우는 해당 로봇이 똑바로 서있는 자세라 할 수 있고, 입력 링크(111)의 길이가 출력 링크(112)의 길이보다 짧아지거나 길어지는 경우는 해당 로봇이 움직이는 자세라 할 수 있다. 일 실시예에서, 액츄에이터(120)는 빠른 움직임이나 물건을 들어 올려 옮기는 등의 로봇 자세의 변화에 따라 입력 링크(111)의 길이를 증가시키거나 길이를 감소시킬 수 있고, 이에 따라 입력 각도가 변하게 된다. 4절 링크 메커니즘부(110)에서 입력 링크(111)의 길이가 길어지면 출력 각도에 비해 입력 각도가 작아져 속도 증폭이 나타날 수 있고, 입력 링크(111)의 길이가 짧아지면 출력 각도에 비해 입력 각도가 커져 토크 증폭이 나타날 수 있다.

도 3은 도 1에 있는 로봇 다리 구조에서 고속 및 고토크 구동을 위한 연속 감속비 가변 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 로봇 다리(100)는 상황 변화에 따라 요구되는 관절의 속도와 토크를 기반으로 하여 액츄에이터(120) 작동을 제어하여 링크 길이를 조절할 수 있다. 액츄에이터(120)는 페이로드(Payload) 변화에 따라 결정되는 최적의 감속비에 맞춰 4절 링크 메커니즘부(110)의 링크 길이 조절을 통해 관절의 고속 혹은 고토크 구현을 할 수 있도록 한다. 여기에서, 최적의 감속비는 페이로드(Payload) 변화에 따라 가변적인 로봇의 동역학 모델을 모델예측제어(MPC: Model Predictive Control)에 기반한 온라인 제어기를 이용해 결정되도록 할 수 있다. 액츄에이터(120)는 로봇의 감속비가 고정된 중립 감속비의 정상모드(Normal mode)에서 4절 링크 메커니즘부(110)의 링크 길이를 조절하여 감속비를 하향 혹은 상향되도록 하여 속도모드(Speed mode) 혹은 토크모드(Torque mode)로 동작시킬 수 있다. 일 실시예에서, 액츄에이터(120)가 입력 링크(111)에 위치하여 입력 링크(111)의 길이를 증가시키면 출력 링크(112)의 저감속을 통해 출력 관절의 빠른 움직임을 발생시킬 수 있다. 액츄에이터(120)가 입력 링크(111)의 길이를 감소시키면 출력 링크(112)의 고감속을 통해 출력 관절에 높은 토크를 발생시킬 수 있다.

도 4는 일 실시예에 따른 고속 및 고토크 구동을 위한 로봇 다리 구조에서의 링크 길이에 따른 감속비를 나타내는 예시도이다.

도 4에서, 일 실시예에 따른 고속 및 고토크 구동을 위한 로봇 다리 구조에서, 4절 링크 메커니즘부(110)에 추가된 액츄에이터(120)에 의한 링크의 길이 조절에 따른 감속비(Reduction ratio)는 다음 수학식으로 나타낼 수 있다.

[수학식1]

여기에서, R-R은 감속비, θ_Input는 입력 링크의 길이 조절에 따른 입력 관절의 각도, θ_Output는 출력 관절의 각도에 해당한다.

일 실시예에서, 출력 관절(116)의 출력각도(θ_Output)가 45°인 상태에서 입력 링크(111)의 길이가 길어지도록 조절되어 입력 관절(115)의 입력 각도(θ_Input)가 23.98°이 되면 이때의 감속비는 대략 0.5333으로 중립 감속비 "1" 보다 낮은 저감속으로 고속 구동을 구현할 수 있다.

일 실시예에서, 입력 링크(111)의 길이가 짧아지도록 조절되어 입력 관절(115)의 입력 각도(θ_Input)가 100.2°가 되면 이때의 감속비는 대략 2.22로 중립 감속비 "1" 보다 높은 고감속으로 고토크 구동을 구현할 수 있다.

도 5는 일 실시예에 따라 고속 및 고토크 구동을 위한 로봇 다리 구조에서의 로봇 모션을 나타내는 예시도이다.

도 5에서, 일 실시예에 따른 로봇 다리(100)는 4절 링크 메커니즘부(110)와 액츄에이터(120)를 포함하는 구조를 구현되어 로봇 관절의 최적의 궤적을 생성할 수 있다. 4절 링크들(111~114) 중 적어도 하나의 링크에 액츄에이터(120)를 연결하여 링크의 길이를 조절할 수 있다.

일 실시예에서, 액츄에이터(120)는 로봇의 골반에 있는 동력원에 연결된 입력 링크(111)에 연결되어 입력 링크(111)의 길이를 조절할 수 있지만, 이에 한정되지 않고 로봇의 무릎에 있는 입력 링크(111)의 동력을 전달받는 출력 링크(112)에 연결되어 출력 링크(112)의 길이를 조절할 수도 있고, 입력 링크(111)와 출력 링크(112)에 모두 연결되어 입력 링크(111)와 출력 링크(112)의 길이를 모두 조절할 수도 있다.

일 실시예에서, 액츄에이터(120)는 입력 링크(111)와 출력 링크(112)를 연결하는 2개의 커플러(113,114)) 중 적어도 하나의 커플러에 연결하여 링크의 길이를 상하로 조절할 수도 있다. 여기에서, 로봇 다리(100)는 상황에 따른 최적의 감속비가 모델예측제어(MPC) 알고리즘을 기반으로 선정되면 선정된 감속비를 링크 길이 조절을 통해 구현할 수 있다. 로봇 다리(100)는 액츄에이터(120)를 통해 4절 링크에 자유도가 추가됨에 따라 여자유도가 생성될 수 있다. 로봇 다리(100)는 생성되는 여자유도를 이용하여 보다 자연스러운 모션을 생성할 수 있다. 예컨대, 추가적인 토크 또는 속도 인가가 가능하고 스프링/댐퍼 효과를 추가할 수 있다.

결과적으로, 일 실시예에 따른 로봇 다리 구조는 로봇 다리를 구성하는 4절 링크들의 길이 조절을 통해 연속적 가변 감속을 할 수 있어 고속 혹은 고토크 로봇 모션을 수행할 수 있다.

상기에서는 본 출원의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 통상의 기술자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 로봇 다리
110: 4절 링크 메커니즘부
111: 입력 링크 112: 출력 링크
113,114: 커플러 115,116,117,118: 조인트(관절)
120: 액츄에이터

Claims (7)

1. 4개 링크와 4개 조인트를 포함하는 4절 링크 메커니즘부; 및
   상기 4절 링크 메커니즘부의 4개 링크들 중 적어도 하나의 링크에 연결되고 고속 또는 고토크 구동을 위하여 링크의 길이를 조절하여 감속비를 가변하는 액츄에이터를 포함하되,
   상기 4절 링크 메커니즘부는
   동력원에 연결된 입력 링크, 상기 입력 링크의 동력을 전달받는 출력 링크, 및 상기 입력 링크와 출력 링크를 연결하는 2개의 커플러를 포함하고,
   상기 액츄에이터는
   상기 출력 링크에 연결되어 상기 출력 링크의 길이를 조절하거나 또는 상기 입력 링크와 출력 링크에 연결되어 상기 입력 링크와 출력 링크의 길이를 조절하여 상기 입력 링크의 입력 각도에 대한 상기 출력 링크의 출력 각도를 변화시켜 감속비를 조정하는 것을 특징으로 하는 고속 및 고토크 구동을 위한 로봇 다리 구조.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 4절 링크 메커니즘부는
   상기 입력 링크의 길이가 상기 출력 링크의 길이 보다 길어지면 상기 감속비가 하향되어 저감속을 통해 상기 출력 링크를 고속 구동하여 상기 출력 링크에 있는 조인트(관절)에 빠른 움직임을 발생시키는 것을 특징으로 하는 고속 및 고토크 구동을 위한 로봇 다리 구조.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 4절 링크 메커니즘부는
   상기 입력 링크의 길이가 상기 출력 링크의 길이 보다 짧아지면 상기 감속비가 상향되어 고감속을 통해 상기 출력 링크를 고토크 구동하여 상기 출력 링크에 있는 조인트(관절)에 고토크를 발생시키는 것을 특징으로 하는 고속 및 고토크 구동을 위한 로봇 다리 구조.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 액츄에이터는
   소형 리니어 액츄에이터인 것을 특징으로 하는 고속 및 고토크 구동을 위한 로봇 다리 구조.
   
7. 제1항에 있어서, 상기 액츄에이터는
   상기 4개 링크들 중 적어도 하나의 링크에 연결되어 상기 4절 링크 메커니즘부의 자유도를 추가시켜 여자유도를 생성하고 생성된 여자유도를 상기 로봇 모션에 사용하는 것을 특징으로 하는 고속 및 고토크 구동을 위한 로봇 다리 구조.
   

Images