KR102403747B1 - 보행로봇의 레그모듈 - Google Patents

Abstract

베이스; 후단이 베이스에 연결되어 후단을 중심으로 회전되는 제1링크; 제1링크의 전단에 연결되며 하단에 발이 연결된 제2링크; 후단이 베이스에 연결되며 제1링크의 후단을 중심으로 원운동하고, 전단이 제2링크의 상단에 연결된 제3링크; 및 후단이 베이스에 연결되고, 복수의 링크로 구성되며, 전단이 발에 연결되어 발이 지면에 대하여 수직을 이루도록 가이드하는 링크조립체;를 포함하는 보행로봇의 레그모듈이 소개된다.

Description

보행로봇의 레그모듈 {LEG MODULE FOR WALKING ROBOT}

본 발명은 경사면을 오르거나 내려갈 수 있고, 경사면의 보행시에도 안정적인 보행을 유지하며, 지면이 토양일 경우 토양을 파고들며 보행을 하도록 하는 보행로봇의 레그모듈에 관한 것이다.

기존의 보행로봇의 경우 특수한 목적을 위해 개발된 경우가 많다. 안정적인 보행을 위해 보행로봇은 다리의 개수가 2개 이상인 다족 로봇인 경우가 많다.

다족로봇들의 경우 다리가 복수의 링크로 구성되며, 각각의 링크를 개별적으로 구동하기 위해 액추에이터가 다리의 관절마다 구비되어 다리의 무게가 무겁고 제어가 어려우며 속도가 느린 단점이 있었다.

또한, 산을 오르는 경우에는 경사면을 올라가야 하는데 이 경우 로봇의 균형을 유지하는 것이 매우 어려웠다.

또한 경사면의 경우 로봇이 하방을 향해 미끄러지기 때문에 산의 경우 보행로봇이 올라가거나 내려가는 것이 매우 어려운 문제가 있었다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

US 2020-0039590 A1

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 경사면을 오르거나 내려갈 수 있고, 경사면의 보행시에도 안정적인 보행을 유지하며, 지면이 토양일 경우 토양을 파고들며 보행을 하도록 하는 보행로봇의 레그모듈을 제공하고자 함이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 보행로봇의 레그모듈은, 베이스; 후단이 베이스에 연결되어 후단을 중심으로 회전되는 제1링크; 제1링크의 전단에 연결되며 하단에 발이 연결된 제2링크; 후단이 베이스에 연결되며 제1링크의 후단을 중심으로 원운동하고, 전단이 제2링크의 상단에 연결된 제3링크; 및 후단이 베이스에 연결되고, 복수의 링크로 구성되며, 전단이 발에 연결되어 발이 지면에 대하여 수직을 이루도록 가이드하는 링크조립체;를 포함한다.

베이스는 수직축을 기준으로 회전되며, 베이스의 회전시 레그모듈은 지면에 수평인 방향으로 회동될 수 있다.

베이스에는 구형 조인트가 마련되고, 제1링크의 후단은 구형 조인트의 중심을 관통하는 제1회전축을 통해 베이스에 연결될 수 있다.

제3링크의 후단은 구형 조인트의 외주면에 제2회전축을 통해 연결되며, 구형 조인트의 정지시에는 제3링크가 제2회전축을 기준으로 회전하고, 구형 조인트의 자전시에는 제3링크가 제1회전축을 기준으로 원운동할 수 있다.

제1링크의 회전시에는 발이 상하운동을 하고, 제3링크의 원운동시에는 발이 전후운동을 할 수 있다.

제1링크의 전단은 제2링크 중 하단보다 상단에 가까운 지점에 연결되고, 제2링크는 제1링크의 전단을 기준으로 시소운동을 수행할 수 있다.

제1링크의 전단은 제3회전축을 통해 제2링크에 연결될 수 있다.

링크조립체는 후방링크, 중앙링크 및 전방링크로 구성되고, 중앙링크는 중앙부가 제3회전축에 연결될 수 있다.

후방링크의 후단은 베이스에 연결되고, 후방링크의 전단은 중앙링크의 후방에 연결될 수 있다.

전방링크의 후단은 중앙링크의 전방에 연결되고, 전방링크의 전단은 발에 연결될 수 있다.

제2링크의 하단은 발의 중앙부에 연결되고, 전방링크의 전단은 발의 상부에 연결될 수 있다.

제1링크의 회전시 발은 상하운동을 하고, 발은 상하운동시 링크조립체에 의해 지면에 대하여 수직을 유지할 수 있다.

베이스는 수직축을 기준으로 회전되며, 베이스의 회전시 레그모듈은 지면에 수평인 방향으로 회동되며, 제1링크의 회전시 발은 상하운동을 하고, 발은 상하운동시 베이스의 수직축과 평행을 유지할 수 있다.

본 발명의 보행로봇의 레그모듈에 따르면, 경사면을 오르거나 내려갈 수 있고, 경사면의 보행시에도 안정적인 보행을 유지하며, 지면이 토양일 경우 토양을 파고들며 보행을 하도록 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행로봇의 레그모듈의 측면도.
도 2 내지 3은 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 보행로봇의 레그모듈의 사시도.
도 4 내지 6은 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 보행로봇의 움직임을 나타낸 도면.
도 7 내지 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행로봇의 또 다른 실시예를 나타낸 도면.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행로봇의 레그모듈의 측면도이고, 도 2 내지 3은 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 보행로봇의 레그모듈의 사시도이며, 도 4 내지 6은 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 보행로봇의 움직임을 나타낸 도면이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행로봇의 레그모듈의 측면도로서, 본 발명에 따른 보행로봇의 레그모듈은, 베이스(100); 후단이 베이스(100)에 연결되어 후단을 중심으로 회전되는 제1링크(500); 제1링크(500)의 전단에 연결되며 하단에 발(10)이 연결된 제2링크(720); 후단이 베이스(100)에 연결되며 제1링크(500)의 후단을 중심으로 원운동하고, 전단이 제2링크(720)의 상단에 연결된 제3링크(700); 및 후단이 베이스(100)에 연결되고, 복수의 링크로 구성되며, 전단이 발(10)에 연결되어 발(10)이 지면에 대하여 수직을 이루도록 가이드하는 링크조립체(900);를 포함한다.

본 발명의 경우 다족로봇에 적용이 가능하다. 특히 농작물을 경작하거나 파종을 하는 농업용 로봇에 적용이 가능하다. 농업용 로봇의 경우 평지만을 보행하는 것이 아니라 경사면을 보행하는 경우가 필요하다. 경사면의 경우에는 로봇이 보행시 경사면에서 균형을 유지하는 것이 중요하다. 따라서 본 발명의 경우 농업용 로봇이 경사면에서도 균형을 잘 유지하며 보행을 하도록 지지하는 역할을 수행한다.

본 발명의 경우 농업용 다족 보행로봇에 적용되는데, 로봇의 바디에는 레그마다 매칭된 복수의 베이스가 마련된다. 베이스에는 로봇의 레그를 구동하기 위한 액추에이터들이 집중되어 설치된다. 따라서 레그의 조인트들에는 액추에이터가 존재하지 않고, 그에 따라 레그의 중량이 가볍고 제어성이 증대된다.

한편, 베이스(100)에는 후단이 베이스(100)에 연결되어 후단을 중심으로 회전되는 제1링크(500)가 설치된다. 그리고 베이스(100)에는 구형 조인트(300)가 마련되고, 제1링크(500)의 후단은 구형 조인트(300)의 중심을 관통하는 제1회전축(502)을 통해 베이스(100)에 연결될 수 있다. 따라서 제1링크(500)는 제1회전축(502)을 통해 제자리에서 회전운동을 수행한다.

그리고 제1링크(500)의 전단에 연결되며 하단에 발(10)이 연결된 제2링크(720)가 마련된다. 따라서 제1링크(500)의 회전에 의해 제2링크(720)가 이동하고, 그에 따라 로봇의 발(10)이 이동하는 것이다. 제2링크(720)는 발(10)에 볼조인트를 통해 연결될 수 있다.

그리고 후단이 베이스(100)에 연결되며 제1링크(500)의 후단을 중심으로 원운동하고, 전단이 제2링크(720)의 상단에 연결된 제3링크(700)가 마련된다. 구체적으로, 제3링크(700)의 후단은 구형 조인트(300)의 외주면에 제2회전축(702)을 통해 연결된다. 제3링크(700)의 전단은 제2링크(720)의 상단에 회전축(704)으로 연결된다. 따라서 구형 조인트(300)의 정지시에는 제3링크(700)가 제2회전축(702)을 기준으로 제자리에서 회전하고, 구형 조인트(300)의 자전시에는 제3링크(700)가 제1회전축(502)을 기준으로 원운동할 수 있다.

즉, 제1링크(500)는 제1회전축(502)을 기준으로 회전하고, 제3링크(700)는 제1링크(500)의 회전시 제2회전축(702)을 기준으로 회전한다. 그리고 제3링크(700)는 구형 조인트(300)의 자전시 제2회전축(702)이 제1회전축(502)을 기준으로 원운동을 하게 된다. 따라서 베이스(100)에는 제1링크(500)의 회전을 위한 액추에이터와 구형 조인트(300)의 자전을 위한 액추에이터가 각각 마련된다. 그리고 제3링크(700)는 회전운동과 원운동을 모두 선택적으로 또는 동시에 수행할 수 있는 것이다.

한편, 로봇의 레그에는 링크조립체(900)가 마련된다. 링크조립체(900)는 후단이 베이스(100)에 연결되고, 복수의 링크로 구성되며, 전단이 발(10)에 연결되어 발(10)이 지면에 대하여 수직을 이루도록 가이드한다. 링크조립체(900) 역시 발(10)에 볼조인트를 통하여 연결될 수 있다.

도 2 내지 3은 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 보행로봇의 레그모듈의 사시도이고, 도 4 내지 6은 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 보행로봇의 움직임을 나타낸 도면이다.

로봇의 레그는 구조적인 특징으로 인하여, 제1링크(500)의 회전시에는 발(10)이 상하운동을 하고, 제3링크(700)의 원운동시에는 발(10)이 전후운동을 할 수 있다.

특히 제1링크(500)의 회전시 발(10)은 상하운동을 하고, 발의 상하운동시에는 링크조립체(900)에 의해 발(10)이 지면에 대하여 수직을 유지한 상태에서 상하운동을 수행할 수 있다. 발(10)이 수직을 유지한채로 상하운동을 할 경우에는 지면이 토양인 경우 발(10)이 지면을 파고들며 보행을 하게 되고, 그에 따라 로봇의 보행이 균형을 이루기가 수월해진다. 또는, 베이스(100)는 수직축(120)을 기준으로 회전되며, 베이스(100)의 회전시 레그모듈은 지면에 수평인 방향으로 회동된다. 그리고 제1링크(500)의 회전시 발(10)은 상하운동을 하고, 발(10)은 상하운동시 베이스의 수직축(120)과 평행을 유지하는 것으로 볼 수도 있다.

그리고 제1링크(500)의 전단은 제2링크(720) 중 하단보다 상단에 가까운 지점에 연결되고, 제2링크(720)는 제1링크(500)의 전단을 기준으로 지렛대원리를 이용한 시소운동을 수행할 수 있다. 제2링크(720)의 시소운동에 의하여 제3링크(700)의 원운동시에는 제2링크(720)의 독립적인 움직임이 가능하고, 그에 따라 발(10)의 전후운동이 가능해지는 것이다. 특히, 제3링크(700)의 후단은 구형 조인트(300)의 외주면에 제2회전축을 통해 연결되며, 구형 조인트(300)의 자전시에는 제3링크(700)가 제1회전축을 기준으로 원운동하기 때문에 제3링크(700)의 변위를 증대시킬 수 있고, 제3링크의 증대된 움직임을 통해 지렛대 원리로 제2링크(720)의 회전 토크가 증대되는바, 이러한 구조적인 이유로 인하여 제2링크(720)의 회전력이 배가되는 것이다.

구체적으로, 도 1을 참고하면, 구형 조인트(300)의 시계방향 자전시 제3링크(700)는 전방으로 움직이게 된다. 제3링크(700)의 전방으로의 움직임시에는 제2링크(720)의 시소운동에 의하여 제2링크(720)가 베이스(100)를 향하는 방향으로 회전되어 발(10)이 후방으로 움직이게 되는 것이다. 그리고 반대로, 구형 조인트(300)가 반시계방향으로 자전할 경우 발(10)은 베이스(100)로부터 멀어지게 된다. 따라서 구형 조인트(300)의 회전방향에 따라 발(10)의 위치가 베이스(100)에서 멀어지거나 가까워지도록 할 수 있다. 발(10)의 전후움직임을 조정하며 동시에 제1링크(500)를 회전시켜 발(10)이 베이스(100)에서 멀어진 위치에서 상하운동을 하며 보행을 하도록 할 수 있다. 발(10)이 베이스(100)에서 가까워진 위치에서 상하운동을 하며 보행을 하도록 하는 것이 가능하다.

그리고 제1링크(500)의 전단은 제3회전축(504)을 통해 제2링크(720)에 연결될 수 있다. 또한 링크조립체(900)는 후방링크(930), 중앙링크(910) 및 전방링크(920)로 구성되고, 중앙링크(910)는 중앙부가 제3회전축(504)에 연결될 수 있다. 그리고 후방링크(930)의 후단은 베이스(100)에 회전축(902)으로 연결되고, 후방링크(930)의 전단은 중앙링크(910)의 후방에 회전축(904)으로 연결될 수 있다. 또한 전방링크(920)의 후단은 중앙링크(910)의 전방에 회전축(922)으로 연결되고, 전방링크(920)의 전단은 발(10)에 볼조인트로 연결될 수 있다. 그리고 제2링크(720)의 하단은 발(10)의 중앙부에 연결되고, 전방링크(920)의 전단은 발(10)의 상부에 연결될 수 있다. 중앙링크(910)의 중앙부는 제3회전축(504)에 연결된다.

이러한 구조적인 연결관계를 통하여 제1링크(500)의 회전시 도 4 내지 6과 같이 로봇의 발(10)이 상하운동을 수행하며 동시에 발(10)의 각도가 지면에 수직인 방향을 유지하도록 함으로써 로봇의 발(10)이 지면을 파고들며 보행이 이루어지도록 할 수 있다.

그리고 베이스(100)는 수직축(120)을 기준으로 회전되며, 베이스(100)의 회전시 레그모듈은 지면에 수평인 방향으로 회동될 수 있다. 그에 따라 다족 로봇인 경우 각각의 레그 사이에 이루는 각도를 변경하고 발들 사이의 거리를 조정할 수 있게 된다.

도 7 내지 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행로봇의 또 다른 실시예를 나타낸 도면으로서, 이 경우는 링크의 형상이 좀 더 제작하기 쉬운 형상으로 변경된 것이다. 그리고 제1링크(100)의 경우 하나가 아닌 2개의 링크가 한 세트를 이루도록 한 것이다. 제2링크(720)와 제3링크(700) 및 링크조립체(900)의 경우는 끝단 또는 중앙에서 아치형의 곡선 형태를 반영하였다. 발이 단단한 지면에 닿을 경우 아치형의 곡선 부분은 스프링과 같이 탄성을 구비하여 충격을 완화할 수 있도록 한다.

본 발명의 보행로봇의 레그모듈에 따르면, 경사면을 오르거나 내려갈 수 있고, 경사면의 보행시에도 안정적인 보행을 유지하며, 지면이 토양일 경우 토양을 파고들며 보행을 하도록 할 수 있다.

특히, 경사면의 보행시 발들의 위치를 조정할 수 있어 균형감을 높일 수 있다. 또한 경사의 하방에 위치하는 레그의 경우 발을 베이스에서 멀어지도록 한 상태에서 하방으로 움직임으로써 로봇을 안정적으로 지지할 수 있도록 한다. 그리고 발이 항상 지면에서 수직인 방향을 향하도록 할 수 있어 발이 토양을 효과적으로 파고들도록 하여 경사면의 보행시 지지력이 향상되도록 할 수 있다.

본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

100 : 베이스 300 : 구형 조인트
500 : 제1링크 700 : 제3링크
900 : 링크조립체

Claims (13)

1. 베이스;
   후단이 베이스에 연결되어 후단을 중심으로 회전되는 제1링크;
   제1링크의 전단에 연결되며 하단에 발이 연결된 제2링크;
   후단이 베이스에 연결되며 제1링크의 후단을 중심으로 원운동하고, 전단이 제2링크의 상단에 연결된 제3링크; 및
   후단이 베이스에 연결되고, 복수의 링크로 구성되며, 전단이 발에 연결되어 발이 지면에 대하여 수직을 이루도록 가이드하는 링크조립체;를 포함하고,
   베이스에는 구형 조인트가 마련되고, 제1링크의 후단은 구형 조인트의 중심을 관통하는 제1회전축을 통해 베이스에 연결되며,
   제3링크의 후단은 구형 조인트의 외주면에 제2회전축을 통해 연결되며, 구형 조인트의 정지시에는 제3링크가 제2회전축을 기준으로 회전하고, 구형 조인트의 자전시에는 제3링크가 제1회전축을 기준으로 원운동하는 것을 특징으로 하는 보행로봇의 레그모듈.
2. 청구항 1에 있어서,
   베이스는 수직축을 기준으로 회전되며, 베이스의 회전시 레그모듈은 지면에 수평인 방향으로 회동되는 것을 특징으로 하는 보행로봇의 레그모듈.
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   제1링크의 회전시에는 발이 상하운동을 하고, 제3링크의 원운동시에는 발이 전후운동을 하는 것을 특징으로 하는 보행로봇의 레그모듈.
6. 청구항 1에 있어서,
   제1링크의 전단은 제2링크 중 하단보다 상단에 가까운 지점에 연결되고, 제2링크는 제1링크의 전단을 기준으로 시소운동을 수행하는 것을 특징으로 하는 보행로봇의 레그모듈.
7. 청구항 1에 있어서,
   제1링크의 전단은 제3회전축을 통해 제2링크에 연결된 것을 특징으로 하는 보행로봇의 레그모듈.
8. 청구항 7에 있어서,
   링크조립체는 후방링크, 중앙링크 및 전방링크로 구성되고, 중앙링크는 중앙부가 제3회전축에 연결된 것을 특징으로 하는 보행로봇의 레그모듈.
9. 청구항 8에 있어서,
   후방링크의 후단은 베이스에 연결되고, 후방링크의 전단은 중앙링크의 후방에 연결된 것을 특징으로 하는 보행로봇의 레그모듈.
10. 청구항 8에 있어서,
    전방링크의 후단은 중앙링크의 전방에 연결되고, 전방링크의 전단은 발에 연결된 것을 특징으로 하는 보행로봇의 레그모듈.
11. 청구항 10에 있어서,
    제2링크의 하단은 발의 중앙부에 연결되고, 전방링크의 전단은 발의 상부에 연결된 것을 특징으로 하는 보행로봇의 레그모듈.
12. 청구항 1에 있어서,
    제1링크의 회전시 발은 상하운동을 하고, 발은 상하운동시 링크조립체에 의해 지면에 대하여 수직을 유지하는 것을 특징으로 하는 보행로봇의 레그모듈.
13. 청구항 1에 있어서,
    베이스는 수직축을 기준으로 회전되며, 베이스의 회전시 레그모듈은 지면에 수평인 방향으로 회동되며, 제1링크의 회전시 발은 상하운동을 하고, 발은 상하운동시 베이스의 수직축과 평행을 유지하는 것을 특징으로 하는 보행로봇의 레그모듈.

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