KR102482096B1 - 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇 - Google Patents

레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇 Download PDF

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Abstract

본 발명은 필요에 따라 레그 모드 또는 휠 모드로 전환하여 다양한 지형을 안정적으로 이동할 수 있는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇에 관한 것으로, 본체부; 및 상기 본체부에 장착된 모터에 의해 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw) 방향 중 적어도 어느 하나의 방향으로 회전된 상태에서 이동가능한 이동부;를 포함하고, 상기 이동부는, 일측과 타측 사이에 상기 본체부에 의해 회전가능하게 연결된 제1 링크; 상기 제1 링크부의 하부에 위치하고, 상기 제1 링크부의 회전과 연동하여 동일 방향으로 회전하는 제2 링크; 상기 제1 및 제2 링크의 일측에 연결된 관절운동수단; 및 상기 제1 및 제2 링크의 타측에 연결된 휠운동수단;을 포함하며, 상기 본체부에 장착된 모터와 함께 작동하되, 레그 모드(Leg mode)에서는 상기 관절운동수단에 의해 이동부가 동작하고, 휠 모드(Wheel mode)에서는 상기 휠운동수단에 의해 이동부가 동작하는 것을 특징으로 한다.

Description

레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇{HYBRID ROBOT SWITCHABLE BETWEEN LEG MODE AND WHEEL MODE}
본 발명은 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 필요에 따라 레그 모드 또는 휠 모드로 전환하여 다양한 지형을 안정적으로 이동할 수 있는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇에 관한 것이다.
로봇은 스스로 보유한 능력을 통해 주어진 임무를 자동으로 처리하거나 조작에 따라 작동하는 기계이다. 최근 로봇을 응용한 분야가 확대되어 산업용 로봇, 의료용 로봇, 우주 항공 로봇 등이 개발되고, 일반 가정에서 사용할 수 있는 가정용 로봇도 만들어지고 있다. 이러한 로봇 중에서 자력으로 주행이 가능한 것을 이동 로봇이라고 한다.
과학기술의 발전, COVID-19, 인구 고령화, 인구 절감 등 다양한 사회적 요인으로 인해 인간을 도와 다양한 역할을 수행할 이동 로봇에 대한 필요성이 증대되고 있다.
현재, 세그웨이 형태의 이동 로봇이나 Omni-wheel을 이용한 바퀴형 이동 로봇이 개발되어 다양한 분야에서 활용되고 있다. 이러한 바퀴형 이동 로봇들은 다리형 이동 로봇 보다 이동 속도가 빠른 장점은 있지만 평평한 지형에서만 활용이 가능하며 계단 등 바퀴가 이동하기 어려운 지형에서는 활용되기 어럽다. 한편, 다리형 이동 로봇 중 휴머노이드 로봇이나 4족 로봇은 다양한 지형에서 이동이 가능하지만 바퀴형 이동 로봇 보다 이동 속도가 느리다.
따라서, 다양한 지형을 이동할 수 있으면서도 이동 속도를 증가시킬 수 있는 이동 로봇의 개발이 필요하다.
한국공개특허 제10-2019-0123679호(이동로봇과 이동로봇의 제어방법) 한국공개특허 제10-2020-0049117호(휴머노이드 로봇)
본 발명의 과제는 상술한 종래 기술이 가진 문제를 해결하기 위해 고안된 것으로, 다양한 지형을 빠른 속도로 이동할 수 있고, 가감속 운동에 대한 로봇의 동적 거동을 고려하며, 비정형 지형 조건에서도 로봇이 안정적으로 이동할 수 있는 새로운 형태의 발명을 제공함에 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇은, 본체부; 및 상기 본체부에 장착된 모터에 의해 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw) 방향 중 적어도 어느 하나의 방향으로 회전된 상태에서 이동가능한 이동부;를 포함하고, 상기 이동부는, 일측과 타측 사이에 상기 본체부에 의해 회전가능하게 연결된 제1 링크; 상기 제1 링크부의 하측에 위치하고, 상기 제1 링크부의 회전과 연동하여 동일 방향으로 회전하는 제2 링크; 상기 제1 및 제2 링크의 일측에 연결된 관절운동수단; 및 상기 제1 및 제2 링크의 타측에 연결된 휠운동수단;을 포함하며, 상기 본체부에 장착된 모터와 함께 작동하되, 레그 모드(Leg mode)에서는 상기 관절운동수단에 의해 이동부가 동작하고, 휠 모드(Wheel mode)에서는 상기 휠운동수단에 의해 이동부가 동작하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 본체부는, 요모터; 상기 요모터의 회전부위에 장착된 롤모터; 및 상기 롤모터의 회전부위에 장착되고, 상기 제1 링크를 회전시키는 피치모터;를 포함한다.
또한, 바람직하게는, 상기 본체부에는 요모터를 고정시키는 프레임이 장착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 피치모터는 피치 방향 회전축을 갖도록 상기 롤모터와 모터브라켓에 의해 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 관절운동수단은, 상기 제1 링크의 일측에 장착된 제1 관절구동모터; 상기 제1 관절구동모터에 의해 회전되도록 연결되는 링크마운트부; 일단이 상기 링크마운트부에 고정 연결되고, 타단이 상기 제2 링크의 일측과 회전가능하게 연결되는 제1 관절운동로드; 및 상기 제1 관절운동로드의 타단과 회전가능하게 연결되는 풋유닛;을 포함한다.
또한, 바람직하게는, 상기 제1 관절운동로드와 상기 풋유닛은 동일 중심축을 가지고 상기 제1 링크의 일측과 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 관절운동수단은, 상기 링크마운트에 장착된 제2 관절구동모터; 상기 제2 관절구동모터에 의해 회전되도록 연결되는 제3 링크; 및 일단이 상기 제3 링크와 회전가능하게 연결되고, 타단이 상기 풋유닛과 회전가능하게 연결되는 제2 관절운동로드;를 더 포함한다.
또한, 바람직하게는, 상기 제1 관절운동로드는 상기 풋유닛의 제1 지점과 연결되고, 상기 제2 관절운동로드는 상기 제1 지점과 일정거리 떨어진 상기 풋유닛의 제2 지점과 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 휠운동수단은, 양단이 상기 제1 및 제2 링크의 타측과 회전가능하게 연결되는 휠운동로드; 상기 제2 링크의 타측과 회전가능하게 연결되는 휠; 및 상기 휠을 구동하는 휠구동모터;를 포함한다.
또한, 바람직하게는, 상기 휠운동로드와 상기 휠은 동일 중심축을 가지고 상기 제2 링크의 타측과 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 휠운동수단은, 상기 휠에 고정된 풀리; 및 상기 풀리와 연결되고, 상기 휠구동모터에 의해 회전하는 벨트;를 더 포함한다.
또한, 바람직하게는, 상기 휠구동모터는 상기 휠과 동일 중심축을 가지고 상기 휠에 장착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 제2 링크는 2개로 구성되어 서로 대향되는 자세를 취하고, 상기 제2 링크 사이에는 스페이서가 장착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 스테이션 모드에서는 상기 이동부가 정지상태에 있도록 상기 제1 및 제2 링크를 지면과 평행하도록 회전시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 레그 모드와 휠모드로 전환이 가능하여, 로봇이 빠르게 이동할 수 있는 지형에서는 휠모드로 동작하고 휠모드로 주행할 수 없는 지형에서는 레그 모드로 동작함으로써, 로봇이 다양한 지형을 이동할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 로봇에 장착된 다양한 모터를 각각 제어하여 정형 또는 비정형 도로 주행, 장애물 회피, 커브 길 주행 등을 안정적으로 수행할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 로봇의 가감속 운동 시 동적 거동을 고려하여 본체부에 적재된 물건의 쏠림 현상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇의 전체적인 구성을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 상태에서 일부 구성을 분해한 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 A-A' 라인을 따라 절단된 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 좌측 이동부를 우측에서 비스듬하게 바라본 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 좌측 이동부를 좌측에서 비스듬하게 바라본 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 제2 링크와 결합된 구성을 분해한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇의 전체적인 구성을 나타낸 사시도이다.
도 8은 도 7에 도시된 상태에서 일부 구성을 분해한 분해 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 제2 링크와 결합된 구성을 분해한 사시도이다.
도 10a는 스테이션 모드를 나타내고, 도 10b는 레그모드를 나타내며, 도 10c는 휠모드를 나타낸 도면이다.
도 11은 레그 모드에서의 로봇의 동작 상태를 나타낸 도면이다.
도 12a 내지 도 12e는 휠 모드에서의 로봇의 동작 상태를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 본체부의 변형예를 나타낸 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
<본 발명의 제1 실시예에 따른 구성>
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇의 전체적인 구성을 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 상태에서 일부 구성을 분해한 분해 사시도이며, 도 3은 도 1의 A-A' 라인을 따라 절단된 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇은 본체부(100)와, 좌측 이동부(200) 및 우측 이동부(300)를 포함한다. 본 발명에 따른 하이브리드 로봇을 인체와 비교하면 본체부(100)는 몸통에 해당될 수 있고, 이동부(200, 300)는 다리에 해당될 수 있다. 여기서, 이동부(200, 300)의 개수에는 제한이 없으나 본 명세서에서는 본체부(100)를 기준으로 좌우측으로 2개의 이동부(200, 300)가 있는 것으로 설명한다.
본 발명의 제1 실시예에서 본체부(100)는 내부공간이 형성된 바디(101)와, 바디(101)에 형성된 개구를 개폐하는 바디커버(103)와, 바디(101)의 하부에 장착되는 힙커버(110)를 포함한다. 바디(101)의 내부공간에는 물건 등이 수용될 수 있다. 바디커버(103)에는 글래스(104)가 형성되어 바디(101)의 내부공간이 확인될 수 있다.
한편, 상술한 본체부(100)는 하나의 예에 불과하며, 사람, 물건 등을 적재할 수 있다면 다양한 형태로 변형이 가능하다.
힙커버(110)는 인체의 엉덩이 부위에 해당될 수 있다. 힙커버(110)의 내부에는 프레임(112)이 장착된다. 도 3을 참조하면, 프레임(112)은 힙커버(110)의 상측에 고정되어 있다. 다만, 힙커버(110)에 장착되는 프레임(112)의 위치에는 제한이 없다.
프레임(112)에는 좌우측 방향으로 2개의 요모터(115)가 장착된다. 요모터(115)는 요축(z)을 중심으로 요(yaw) 방향으로 회전하는 모터이다. 요모터(115)의 회전부위에는 롤모터(116)가 장착된다. 롤모터(116)는 롤축(x)축을 중심으로 롤(roll) 방향으로 회전하는 모터이다. 롤모터(116)의 회전부위에는 피치모터(118)가 장착된다. 피치모터(118)는 피치축(y)을 중심으로 피치(pitch) 방향으로 회전하는 모터이다. 여기서, 롤모터(116)와 피치모터(118)를 연결시키기 위해 모터브라켓(117)이 사용된다.
한편, 상술한 요모터(115), 롤모터(116) 및 피치모터(118)에 의해 이동부(200, 300)는 3축(x, y, z) 중 적어도 어느 하나의 축을 중심으로 회전하는 것이 가능하다.
이동부(200, 300)는 피치모터(118)의 회전부위에 연결된다. 본 발명에서 좌측 이동부(200)와 우측 이동부(300)의 구성은 동일하다. 따라서, 본 명세서에서는 설명의 편의를 위해 좌측 이동부(200)를 중심으로 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 좌측 이동부를 우측에서 비스듬하게 바라본 사시도이며, 도 5는 도 4에 도시된 좌측 이동부를 좌측에서 비스듬하게 바라본 사시도이다.
좌측 이동부(200)는 상기 요모터(115), 롤모터(116) 및 피치모터(118)의 회전 운동을 전달받아 특정 방향으로 회전된 자세를 취할 수 있다. 좌측 이동부(200)는 제1 링크(210), 제2 링크(250a, 250b), 관절운동수단 및 휠운동수단을 포함한다.
제1 링크(210)의 일측과 타측 사이에는 피치모터(118)가 연결된다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 링크(210)는 롤축(x) 방향으로 형성되어 피치모터(118)에 연결된다. 제1 링크(210)는 인체의 허벅지에 해당될 수 있다.
제2 링크(250a, 250b)는 제1 링크(210)의 하측에 위치하고, 후술할 제1 관절운동로드(223) 및 휠운동로드(243)와 연결되어 있다. 따라서, 제1 링크(210)가 회전하면 제2 링크(250a, 250b)도 연동하여 동일 방향으로 함께 회전한다. 제2 링크(250a, 250b)는 2개로 구성되어 서로 대향되는 자세를 취하면서 결합된다. 이때, 제2 링크(250a, 250b) 사이의 간격을 유지하기 위해 스페이서(249)가 장착된다.
제1 링크(210)의 일측에는 관절운동수단이 연결된다. 관절운동수단은 인체의 다리와 유사한 움직임을 수행하는 것으로, 제1 관절구동모터(220), 링크마운트부(221, 222), 제1 관절운동로드(223) 및 풋유닛(225)을 포함한다.
제1 관절구동모터(220)는 제1 링크(210)의 일측에 장착된다. 따라서, 제1 링크(210)가 회전하면 제1 관절구동모터(220)도 제1 링크(210)의 회전 경로를 따라 이동할 수 있다. 제1 관절구동모터(220)로는 축 방향 자속 모터가 사용될 수 있다. 제1 관절구동모터(220)는 인체의 무릎 관절에 해당될 수 있다.
링크마운트부(221, 222)는 제1 링크(210)의 일측과 연결된다. 링크마운트부(221, 222)는 링크마운트(221) 및 링크마운트커버(222)로 구성되는데, 링크마운트(221)와 링크마운트커버(222)는 서로 대향되는 자세를 취하면서 결합된다. 이때, 링크마운트부(221, 222)는 제1 링크(210)의 일측을 사이에 두고 서로 결합된다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 링크마운트커버(222)의 일단은 제1 관절구동모터(220)의 회전부위에 연결되고, 링크마운트(221)의 일단은 제1 관절구동모터(220)의 회전부위 반대면에 연결된다. 따라서, 제1 관절구동모터(220)가 구동되면 링크마운트부(221, 222)는 제1 관절구동모터(220)의 회전에 따라 함께 회전한다. 한편, 다른 실시예에서는 링크마운트(221)의 일단이 제1 관절구동모터(220)의 회전부위에 연결되고, 링크마운트커버(222)의 일단이 제1 관절구동모터(220)의 회전부위 반대면에 연결될 수 있다.
제1 관절운동로드(223)의 일단은 링크마운트부(221, 222)에 고정 연결되고, 타단은 제2 링크(250a, 250b)의 일측과 회전가능하게 연결된다. 이때, 제1 관절운동로드(223)의 타단에는 제2 링크(250a, 250b)와의 연결을 위해 조인트(224)가 형성된다. 제1 관절운동로드(223)는 인체의 아랫다리에 해당될 수 있고, 그 타단은 인체의 발목에 해당될 수 있다.
풋유닛(225)은 제1 관절운동로드(223)의 타단과 회전가능하게 연결된다. 이때, 제1 관절운동로드(223)와 연결되는 제2 링크(250a, 250b)의 일측과 풋유닛(225)은 동일 중심축을 가진다. 풋유닛(250) 상에서 제1 관절운동로드(223)와 연결되는 지점을 제1 지점이라 한다. 풋유닛(225)은 인체의 발에 해당될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 관절운동수단은 풋유닛(225)을 동작시키기 위해, 제2 관절구동모터(230) 및 제2 관절운동로드(233)를 더 포함한다.
제2 관절구동모터(230)는 링크마운트부(221, 222)에 장착된다. 따라서, 링크마운트부(221, 222)가 회전하면 제2 관절구동모터(230)도 링크마운트부(221, 222)의 회전 경로를 따라 이동할 수 있다. 제2 관절구동모터(230)로는 축 방향 자속 모터가 사용될 수 있다. 한편, 풋유닛(225)을 동작시킬 수 있다면 제2 관절구동모터(230)의 장착 위치에는 제한이 없다.
한편, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 관절구동모터(230)와 제2 관절운동로드(233)를 연결시키기 위해 제3 링크(235)가 사용된다. 여기서, 제3 링크(235)의 일단은 제2 관절구동모터(230)의 회전부위에 연결되고, 타단은 제2 관절운동로드(233)의 일단과 회전가능하게 연결된다. 제2 관절운동로드(233)의 타단은 풋유닛(225)과 회전가능하게 연결된다. 이때, 풋유닛(225) 상에서 제2 관절운동로드(233)와 연결되는 지점을 제2 지점이라 한다. 풋유닛(225) 상의 제2 지점은 제1 지점과 일정거리 떨어져 위치한다. 본 발명에서는 제2 지점이 제1 지점의 전방에 형성되나, 다른 실시예에서는 제1 지점이 제2 지점의 전방에 형성될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 제2 링크와 결합된 구성을 분해한 사시도이다.
한편, 제1 링크(210)의 타측에는 휠운동수단이 연결된다. 휠운동수단은 휠운동로드(243), 휠(247) 및 휠구동모터(240)를 포함한다.
휠운동로드(243)의 양단은 제1 링크(210)의 타측 및 제2 링크(250a, 250b)의 타측과 회전가능하게 연결된다. 이때, 휠운동로드(243)의 양단에는 조인트(244, 245)가 형성된다.
휠(247)은 그 중심에 휠샤프트(248)가 삽입됨으로써 제2 링크(250b)와 회전가능하게 연결된다. 이때, 휠운동로드(243)와 연결되는 제2 링크(250a, 250b)의 타측과 휠(247)은 휠샤프트(248)를 통해 동일 중심축을 가진다. 한편, 본 발명에서 휠(247)은 2개의 제2 링크(250a, 250b) 중 어느 하나의 제2 링크(250b) 일측에 형성되나 다른 하나의 제2 링크(250a) 반대측에 형성되거나 2개의 제2 링크(250a, 250b) 사이에 형성될 수도 있다.
휠구동모터(240)는 휠(247)을 구동시키기 위한 것으로 제2 링크(250a 250b)에 장착된다. 휠구동모터(240)로는 BLDC(Blushless DC)모터가 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 공지된 다양한 종류의 모터가 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에서 휠구동모터(240)가 휠(247)을 구동시키기 위해 풀리(242) 및 벨트(241)가 사용된다. 도 6을 참조하면, 풀리(242)는 휠(247)에 고정 장착된다. 그리고, 휠구동모터(240)의 구동축과 풀리(242)는 벨트(241)로 연결된다. 따라서, 휠구동모터(240)가 구동되면 벨트(241) 및 풀리(242)에 의해 휠(247)이 회전한다.
한편, 관절운동수단 및 휠운동수단이 제1 링크(210) 및 제2 링크(250a, 250b)에 모두 결합된 후 링크커버(260)가 제1 링크(210)에 장착된다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에서 제1 관절구동모터(220), 제2 관절구동모터(230) 및 휠구동모터(240)는 피치축(y)을 중심으로 회전하는 모터이다.
한편, 본 발명에서 관절운동수단이 전방에 위치하고 휠운동수단이 후방에 위치하나, 변형예에 따라 휠운동수단이 전방에 위치하고 관절운동수단이 후방에 위치할 수 있다.
<본 발명의 제2 실시예에 따른 구성>
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇의 전체적인 구성을 나타낸 사시도이고, 도 8은 도 7에 도시된 상태에서 일부 구성을 분해한 분해 사시도이며, 도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 제2 링크와 결합된 구성을 분해한 사시도이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇은 상술한 제1 실시예에서 설명한 부분과 이동부의 구성이 약간 상이하다. 따라서, 제1 실시예와 차이점이 있는 부분을 중심으로 설명한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇은 본체부(100)와, 좌측 이동부(1200) 및 우측 이동부(1300)를 포함한다. 제1 실시예에서 설명한 바와 같이 제2 실시예에서도 좌측 이동부(1200)를 중심으로 설명한다.
좌측 이동부(1200)는 제1 링크(1210), 제2 링크(1250a, 1250b) 및 관절운동수단과 휠운동수단을 포함한다.
제2 실시예에 따른 관절운동수단 중 제2 관절구동모터(1230)에 연결되는 제3 링크(1235) 및 제2 관절운동로드(1233a, 1233b)는 2개로 구성된다. 이때, 제2 관절운동로드(1233a, 1233b)는 제1 관절운동로드(1223)를 사이에 두고 양측에 형성된다. 제3 링크(1235) 중 어느 하나는 링크마운트(1221)와 회전가능하게 연결된다.
도 9를 참조하면, 제2 실시예에 따른 휠운동수단 중 휠(1247)을 구동하기 위한 휠구동모터(1240)는 그 회전부위가 휠(1247)에 고정 장착된다. 따라서, 제1 실시예에서와 달리 휠(1247)을 구동하기 위해 풀리 및 벨트와 같은 구성이 필요없다. 이때, 휠구동모터(1240)의 위치는 제1 실시예에서 설명한 바와 같다.
<본 발명의 동작 제어모드>
도 10a는 스테이션 모드를 나타내고, 도 10b는 레그모드를 나타내며, 도 10c는 휠모드를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇은 스테이션 모드(Station mode), 레그 모드(Leg mode) 및 휠 모드(Wheel mode)를 포함한다.
도 10a에 도시된 바와 같이, 스테이션 모드에서 제1 링크(210, 1210)는 지면과 평행한 상태를 유지하며, 풋유닛(225, 1225)과 휠(247, 1247)이 모두 지면에 닿을 수 있는 상태이므로 로봇이 안정적으로 서 있을 수 있다. 즉, 스테이션 모드는 로봇이 특정한 위치에 정지할 필요가 있을 때 필요한 모드이다.
도 10b에 도시된 바와 같이, 레그 모드에서는 풋유닛(225, 1225)이 하방으로 이동하고 휠(247, 1247)이 상방으로 이동하도록, 제1 링크(210, 1210)가 일 방향(도 10b에서 반시계 방향)으로 회전한 상태이다. 레그 모드에서는 로봇이 관절운동을 하면서 이동할 수 있다. 본 발명에서 레그 모드로 동작 시 로봇은 이족 운동을 하며, 걷거나 달릴 수 있다. 레그 모드는 휠 모드로 동작할 수 없는 지형을 이동할 때 필요한 모드이다. 예컨대, 계단 등과 같은 비정형 지형 조건에서 로봇은 휠 모드로 동작하는 것 보다 레그 모드로 동작하는 것이 안정적이다. 레그 모드에서의 로봇 동작 과정은 후술하기로 한다.
도 10c에 도시된 바와 같이, 휠 모드에서는 휠(247, 1247)이 하방으로 이동하고 풋유닛(225, 1225)이 상방으로 이동하도록, 제1 링크(210, 1210)가 타 방향(도 10에서 시계 방향)으로 회전한 상태이다. 휠 모드에서는 로봇이 휠운동을 하면서 이동할 수 있다. 휠 모드에서는 레그 모드에서 보다 더 빠른 속도로 로봇이 이동할 수 있다. 휠 모드에서의 로봇 동작 과정은 후술하기로 한다.
상술한 3가지 동작 제어모드 전환의 일 예로서, 로봇이 현재 지점에서 목표 지점까지 이동하는 동안, 정형 지형을 이동할 때는 휠 모드에서 빠른 속도로 이동하고, 비정형 지형을 이동할 때는 레그 모드로 전환하여 이동하며, 목표 지점에 도달하면 스테이션 모드로 전환하여 정지할 수 있다.
도 11은 레그 모드에서의 로봇의 동작 상태를 나타낸 도면이다.
우선, 도 11을 참조하여, 레그 모드에서 로봇의 동작 과정을 설명한다. 스테이션 모드에서 레그 모드로 전환되면 피치모터(118)가 일 방향으로 회전함으로써 제1 링크(210, 1210)도 함께 회전한다. 이때, 제1 링크(210, 1210) 및 제2 링크(250a, 250b, 1250a, 1250b)의 타측은 상방으로 이동하면서 휠(247, 1247)이 지면에서 떨어지게 된다. 이후, 좌우측 피치모터(118) 및 제1 관절구동모터(220)가 번갈아 구동되도록 제어하면 로봇의 관절운동이 수행된다. 이때, 제2 관절구동모터(230)가 구동되도록 제어하면 풋유닛(225, 1225)의 선단이 올라거가나 내려가면서 풋유닛(225, 1225)이 지면과 닿는 각도가 조절될 수 있다.
만일, 좌우측 방향으로 회전하는 경로가 나타나면 필요한 회전각만큼 요모터(115)가 구동되도록 제어함으로써 원하는 방향으로 로봇이 좌회전하거나 우회전하는 것이 가능하다.
로봇이 레그 모드로 동작 중 이동 경로 상에 장애물이 나타나는 경우, 상술한 요모터(115)를 동작시켜 회피할 수도 있다. 다른 방법으로 이동부(200, 300)가 서로 벌어지도록 롤모터(116)를 구동시키면 장애물이 좌우측 이동부(200, 300) 사이를 통과하게 된다.
도 12a 내지 도 12e는 휠 모드에서의 로봇의 동작 상태를 나타낸 도면이다.
다음으로, 도 12a 내지 도 12e를 참조하여, 휠 모드에서 로봇의 동작 과정을 설명한다. 스테이션 모드 또는 레그 모드에서 휠 모드로 전환되면 피치모터(118)가 타 방향으로 회전함으로써 제1 링크(210, 1210)도 함께 회전한다. 이때, 제1 링크(210, 1210) 및 제2 링크(250a, 250b, 1250a, 1250b)의 타측은 하방으로 이동하면서 휠(247, 1247)이 지면에서 닿게 되고, 풋유닛(225, 1225)은 지면에서 떨어지게 된다. 이후, 휠구동모터(240, 1240)가 구동되도록 제어하면 휠(247, 1247)이 회전하면서 로봇의 휠운동이 수행된다.
도 12a는 로봇이 휠 모드로 동작 시 우회전하는 상태를 나타낸 도면이다. 도 12a를 참조하면, 로봇이 휠 모드로 주행 중 우회전 코스를 만나면, 피치모터(118)를 통해 좌측 이동부(200)의 제1 링크(210, 1210)를 타 방향으로 회전시켜 좌측 이동부(200)의 길이를 길게 하고, 우측 이동부(300)의 제1 링크를 일 방향으로 회전시켜 우측 이동부(300)의 길이를 짧게 하면 로봇은 우회전하게 된다. 이와 같은 원리로 로봇이 좌회전하는 것도 통상의 기술자에게 충분히 이해 가능하다.
도 12b는 로봇이 휠 모드로 주행 시 요철 지형을 통과할 때 요철 형상에 맞추어 좌우측 이동부(200, 300)의 모터 회전을 각각 제어함으로써 동적 서스펜션(active suspension)의 효과가 나타남을 보여준다.
도 12c는 로봇이 휠 모드로 주행 시 좌측 이동부(200)와 우측 이동부(300)가 지나가는 지형의 높이가 다른 경우, 좌우측 이동부(200, 300)의 모터 회전을 각각 제어하는 상태가 도시되어 있다.
도 12d는 로봇이 휠 모드로 주행 시 가속하거나 감속하였을 때 본체부(100)의 회전 제어를 나타낸 도면이다. 로봇이 급 가감속하는 경우 본체부(100)가 쓰러지거나 본체부(100) 내부에 수용된 적재물이 어느 한 방향으로 쏠리는 현상이 나타날 수 있다. 이에 본 발명에서는 로봇이 휠 모드로 주행 시 가감속 여부를 판단하여 본체부(100) 내부에 수용된 적재물이 쏠리지 않도록 본체부(100)의 회전을 제어할 수 있다.
도 12e는 로봇이 휠 모드로 주행 시 장애물을 만난 경우 회피하는 상태가 도시되어 있다. 도 12e에 도시된 바와 같이, 로봇의 이동 경로 상에 장애물이 나타나는 경우, 좌우측 이동부(200, 300)가 서로 벌어지도록 롤모터(116)를 구동시키면 장애물이 좌우측 이동부(200, 300) 사이를 통과하게 된다.
한편, 앞에서 설명한 레그 모드 및 휠 모드에서 로봇의 동작은 일 실시예에 불과하며, 본 발명에 장착된 모터를 활용하여 다양한 변형 동작이 얼마든지 가능하다.
정리하면, 본 발명에 따른 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇은 평지, 경사지형, 커브 지형, 요철 지형 등 다양한 지형을 이동하는 것이 가능하며, 각 지형에 적합한 모드로 전환하여 이동하는 것이 가능하다.
도 13은 본 발명에 따른 본체부의 변형예를 나타낸 도면이다.
한편, 도 13에 도시된 바와 같이, 본체부(100)는 모듈 형태로 구성될 수 있고, 다수개의 본체부(100)를 적층시켜 결합시키는 것도 가능하다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100 : 본체부 101 : 바디
103 : 바디커버 104 : 글래스
110 : 힙커버 112 : 프레임
115 : 요모터 116 : 롤모터
117 : 모터브라켓 118 : 피치모터
200 : 좌측 이동부 210 : 제1 링크
220 : 제1 관절구동모터 221 : 링크마운트
222 : 링크마운트커버 223 : 제1 관절운동로드
224, 244, 245 : 조인트 225 : 풋유닛
230 : 제2 관절구동모터 233 : 제2 관절운동로드
235 : 제3 링크 240 : 휠구동모터
241 : 벨트 242 : 풀리
243 : 휠운동로드 247 : 휠
248 : 휠샤프트 250a, 250b : 제2 링크
260 : 링크커버

Claims (14)

  1. 본체부; 및
    상기 본체부에 장착된 모터에 의해 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw) 방향 중 적어도 어느 하나의 방향으로 회전된 상태에서 이동가능한 이동부;를 포함하고,
    상기 이동부는,
    일측과 타측 사이에 상기 본체부에 의해 회전가능하게 연결된 제1 링크;
    상기 제1 링크의 하측에 위치하고, 상기 제1 링크의 회전과 연동하여 동일 방향으로 회전하는 제2 링크;
    상기 제1 및 제2 링크의 일측에 연결된 관절운동수단; 및
    상기 제1 및 제2 링크의 타측에 연결된 휠운동수단;을 포함하며,
    상기 본체부에 장착된 모터와 함께 작동하되, 레그 모드(Leg mode)에서는 상기 관절운동수단에 의해 이동부가 동작하고, 휠 모드(Wheel mode)에서는 상기 휠운동수단에 의해 이동부가 동작하는 것을 특징으로 하는, 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 본체부는,
    요모터;
    상기 요모터의 회전부위에 장착된 롤모터; 및
    상기 롤모터의 회전부위에 장착되고, 상기 제1 링크를 회전시키는 피치모터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 본체부에는 요모터를 고정시키는 프레임이 장착되는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 피치모터는 피치 방향 회전축을 갖도록 상기 롤모터와 모터브라켓에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 관절운동수단은,
    상기 제1 링크의 일측에 장착된 제1 관절구동모터;
    상기 제1 관절구동모터에 의해 회전되도록 연결되는 링크마운트부;
    일단이 상기 링크마운트부에 고정 연결되고, 타단이 상기 제2 링크의 일측과 회전가능하게 연결되는 제1 관절운동로드; 및
    상기 제1 관절운동로드의 타단과 회전가능하게 연결되는 풋유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 관절운동로드와 상기 풋유닛은 동일 중심축을 가지고 상기 제1 링크의 일측과 연결되는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 관절운동수단은,
    상기 링크마운트에 장착된 제2 관절구동모터;
    상기 제2 관절구동모터에 의해 회전되도록 연결되는 제3 링크; 및
    일단이 상기 제3 링크와 회전가능하게 연결되고, 타단이 상기 풋유닛과 회전가능하게 연결되는 제2 관절운동로드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 관절운동로드는 상기 풋유닛의 제1 지점과 연결되고, 상기 제2 관절운동로드는 상기 제1 지점과 일정거리 떨어진 상기 풋유닛의 제2 지점과 연결되는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 휠운동수단은,
    양단이 상기 제1 및 제2 링크의 타측과 회전가능하게 연결되는 휠운동로드;
    상기 제2 링크의 타측과 회전가능하게 연결되는 휠; 및
    상기 휠을 구동하는 휠구동모터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 휠운동로드와 상기 휠은 동일 중심축을 가지고 상기 제2 링크의 타측과 연결되는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 휠운동수단은,
    상기 휠에 고정된 풀리; 및
    상기 풀리와 연결되고, 상기 휠구동모터에 의해 회전하는 벨트;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 휠구동모터는 상기 휠과 동일 중심축을 가지고 상기 휠에 장착되는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제2 링크는 2개로 구성되어 서로 대향되는 자세를 취하고, 상기 제2 링크 사이에는 스페이서가 장착되는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇.
  14. 제 1 항에 있어서,
    스테이션 모드에서는 상기 이동부가 정지상태에 있도록 상기 제1 및 제2 링크를 지면과 평행하도록 회전시키는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇.
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