KR20010001691A - 폐쇄 기구형 다리를 갖는 조향가능 다족보행장치 - Google Patents

Abstract

기존의 다족 보행체의 경우 각 다리를 각각의 관절에 설치된 모터등의 작동기를 통해 구동시켜 전체적 보행효과를 얻는 것이 일반적인 방식이다.이러한 방식은 다수의 작동기를 동시에 제어하기 위하여 복잡한 계층적 구조의 제어용 소프트및 하드 웨어가 설치되어야 하며 모터등의 작동기의 갯수가 많아져서 제작비용과 자체하중이 증가하게 된다. 이러한 특성은 다족 보행체의 산업현장에서의 보급이나 기타 다양한 분야로의 적용을 어렵게 하고 있다. 따라서 본 발명은 그러한 어려움을 극복하기 위하여 신개념의 폐쇄기구형 다리를 도입하므로써 소수의 작동기로도 전, 후진 보행 효과를 낼 수 있도록 고안되었으며 등판 능력과 아울러 조향능력도 가질 수 있도록 설계되었다.

Description

폐쇄기구형 다리를 갖는 조향가능 다족보행장치{A Steerable Multiple-Legged Walking System with Closed-ChainMechanism Legs}

본 발명품의 고안 배경

현재 연구되고 있는 다족 보행 시스템은 대개의 경우가 걸음새를 구현하는 방식으로 각각의 관절에 센서와 함께 모터 등의 작동기를 설치한 다리형태를 갖는다. 그런경우 각각의 작동기를 동시에 개별 및 통합 제어하기 위하여 마이크로 프로세서들을 채용한 계층구조의 제어기를 설치한다. 제어기는 일차적으로 스테핑 운동을 조합해 걸음새를 형성시키고 보행속도나 지형의 변화에 대처하도록 설계되는데 관절 각각의 자유도를 확보하기 위하여 작동기를 개별적으로 설치하는 경우에는 제어되어야 할 작동기의 수가 많기 때문에, 특히 고속보행시 걸음새의 안정성을 유지하는 것만으로도 제어기의 설계가 까다롭다. 또한 구동에 필요한 동적 데이터의 양과

처리시간이 문제가 되며 로봇의 자체하중도 그 만큼 증가하여 보행체의 제작비용과 에너지 소비의 증가문제를 야기 시킨다. 이에 보행동작을 간소화한 여러 모델에 관한 연구가 시도되고 있으나 걸음새를 기계적으로 구현할 메카니즘의 부재로 인하여아직 뚜렸한 성과가 없는 실정이다.

동물의 경우를 살펴보면 보행시 일정한 궤도를 가진 네 다리의 연동운동 패턴이 존재함을 알수있다. 이 패턴은 일반 보행시에 주기적이고 연속적으로 나타나는데 이러한 운동을 폐쇄 기구형 다리 등을 채용한 기계요소로 대체할 수 있다면 최소 개수의 작동기와 간소화된 제어기 구조로 안정된 4족 보행 시스템을 구현할 수 있을 것이다. 그 경우, 보행이 갖는 불규칙 지형에 대한 적응력과 더불어 바퀴달린 차량이 고른 지형에서 갖는 뛰어난 이동성, 대규모 운송능력, 소수의 작동기 사용으로 얻어지는 경제성, 속도의 가변이나 조향의 용이성, 그리고 에너지 효율의 향상을 동시에 기대할 수 있다.

이에 착안하여 본 발명품은 현재 다족보행을 위해 사용되고 있는 다수의 작동기를 폐쇄 기구로 대체한, 일체형 조향가능 다족 보행기구를 제안한다. 이러한 신 개념의 다족 보행시스템은 일차적으로 포유류의 보행형태를 기본으로 구성하여 걸음새와 보행형태에 따른 특징 등을 실험적으로 검증하였으나 동 개념을 응용하면 다양한 동물, 일례로 거미형의 다족보행 시스템도 쉽게 구성할 수 있다.

스테핑 패턴 구현용 폐쇄 기구형 다리

제안된 다족 보행기구는 동물의 보행과 동일한 네 단계로 이루어진 스테핑 패턴을 갖는다. 기존의 보행 로봇에서도 그러한 2차원 평면상의 움직임을 각각의 관절에 설치된 작동기의 구동으로 구현하고 있는데 보행시 다리 끝의 허공에서의 움직임을 살펴보면 대체로 타원형의 궤도를 형성하게 된다. 본 발명에서는 이 궤도를 기계적으로 구현하기 위하여 도1과 같은 6절 폐쇄 기구 시스템을 설계하였다.

[도1 6절링크로 구성된 폐쇄기구형 다리]

도1에 제시된 기구는 구동 크랭크의 회전시 하나의 일정한 패턴만을 출력하게 되는 데,의 변화에 따라

와

를 통하여 각 링크의 회전 각도를 구할수 있고 궁극적으로 다리끝점의 궤도를

로 부터 얻을 수 있다.

각각의 연결된 링크들이 무리없이 움직일 수 있도록와 링크길이에 관한 수치를 설계하여 위에서 소개한 [수학식 1, 2, 3]에 대입하고 [도1]의 크랭크를 등속

회전시키면 연산과정을 통하여 보행시의 기본적인 스테핑 패턴이 어떻게 형성되는지를 가시화할 수 있다.

걸음새의 형성

보행체의 걸음새는 각 다리의 스테핑 패턴이 나머지 다리들과 유기적으로 연동되어야만 형성되는데 모든 다리의 형태가 동일한 다족 보행체에 있어서 스테핑 패턴의 궤도를 같게 하고 간단히 위상차만을 변화시키면 보행효과를 얻을 수 있다.

도2는 네 무릎부위를 몸통 안쪽으로 설치한 형태의 4족보행 모델인데 이 모델에서 보여주는 것과 같이 다리 1과 다리 3은 구동 크랭크의 위상을 갖게 하고 나머지 두다리는 그들과 180의 위상차를 두어 한개의 주 구동모터와 동력전달계로 구동시키면 연속적 보행이 가능하다.

보행 형태의 변형

상기 구조의 6절 링크계를 조합한 스테핑 패턴 구현 장치는 몸체에 다리를 설치하는 위치와 방향에 따라 다양한 보행형태를 갖게 할 수 있는데, 그 중 4족 보행의 경우 다음의 네가지 형태가 대표적이다.

1)사람의 형태

앞다리의 무릎을 뒤로 하고 뒷다리의 무릎을 앞으로 향하도록 설치하는 경우

2)말의 형태

앞다리와 뒷다리의 무릎을 모두 앞으로 향하도록 설치하는 경우

3)개의 형태

앞다리와 뒷다리의 무릎을 모두 뒤로 향하도록 설치하는 경우

4)곤충의 형태

앞다리의 무릎을 앞으로 하고 뒷다리의 무릎을 뒤로 향하도록 설치하는 경우

이러한 예들은 6절 링크로 구현된 각각의 다리를 몸체에 설치하는 상대적 위치와 방향에 따라 전체적 보행형태가 가변적임을 보여준다. 그 중 도2는 사람의 관절형태와 같은 개념의 4족보행 시스템의 기본 모델이며 도3은 곤충중 거미형으로 변형된 보행 시스템을 보여주고 있다.

변형된 보행형태에서도 걸음새를 일으키는 기본 방식은 동일하다. 포유류와 마찬가지로 앞다리 1과 뒷다리 3의 위상을 같게 하고 나머지 두 다리의 위상을 같게 해서 두 다리군의 위상차를 180로 고정하여 구동시키면 연속 보행효과를 얻을 수 있다.

[도 2 사람의 관절구조와 유사한 4족 보행 시스템]

[도 3 거미의 관절구조와 유사한 4족 보행 시스템]

조향 메카니즘

본 발명에서의 조향 시스템은 다리 각각이 조향을 위해 독립적으로 움직이는 시스템이 아닌 어깨의 움직임에 의한 일체적 조향 시스템을 채택하고 있다. 본 보행시스템은 전체 다리로 형성되는 걸음새를 단일 모터와 기계적인 메카니즘으로 구현하였기 때문에 보행주기를 안정시킬 수 있고 조향시에도 이러한 특징이 이용된다.

즉, 도4에서와 같이 4족 보행의 경우 스테핑 운동이 이루어지는 동안 전반부에서 는 조향하려는 방향과 반대의 앞 다리(leg2)가 지면에 닿았을 때 양쪽 어깨를 개방하고 후반부에서는 조향방향과 동 방향의 다리(leg1)가 지면에 닿았을 때 양쪽 어깨를 닫는 동작을 시키면 조향이 이루어진다. 이 때 그러한 동작의 횟수를 목표 조향각의 크기에 따라 차등 반복하면 원하는 각도만큼 조향효과를 얻을 수 있다. 또한 조향각은 스테핑 패턴의 반복 횟수 외에도 솔레노이드와 같은 어깨 개폐용 작동기의 설치 위치나 스트로크의 조정에 의한 어깨 부위의 개폐각을 변화시켜 조절할 수 있다.

[도 4 조향동작의 주요 구성]

거미형과 같이 변형된 보행체에서도 동일한 조향방식이 사용가능하다.

*보행 및 조향기구의 폐쇄 구조화로 인한 다족 보행시스템의 간소함

*다족 보행시스템의 간소화로 인한 제작비 및 운영비의 절감

*간소화시킨 기계구조에 의한 보행시스템의 오류감소와 안정성 증대

Claims (4)

1. 위에서 언급한 폐쇄 기구형 다리를 이용한 일체화된 기계구조이며 주 작동

   기에 의해 연동해서 전, 후진하고 조향하는 다족 보행기구 및 방식으로 수

   학식 1, 수학식 2, 수학식 3을 통하여 설계되는 폐쇄 다절 링크구조의 다

   리를 채용한 보행기구
2. 상기 구조의 다리를 갖되 전체 다리를 두개의 군으로 구분하여 위상차를 이

   용하므로써 보행하는 방식
3. 상기 구조의 다리를 갖되 각 다리의 설치위치와 방향의 다양한 조합을 통한

   보행형태의 변형방식
4. 보행기구로서 주 작동기의 보행동작과 연동하여 어깨를 개폐하며 조향하는

   보행방식