KR20040045005A - 2각 보행식 인간형 로봇 - Google Patents

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KR20040045005A
KR20040045005A KR10-2004-7004510A KR20047004510A KR20040045005A KR 20040045005 A KR20040045005 A KR 20040045005A KR 20047004510 A KR20047004510 A KR 20047004510A KR 20040045005 A KR20040045005 A KR 20040045005A
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biped walking
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오쿠무라유
다와라데츠오
기타노히로아키
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도꾸리쯔교세이호징 가가꾸 기쥬쯔 신꼬 기꼬
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Abstract

예를 들면 전도 시의 방어 동작, 일어서기 동작이나 구르기 동작 등의 전신 운동을 용이하게 행할 수 있는 2각 보행식 인간형 로봇을 제공한다. 동체부(11)가 하방의 허리부(11b)와, 이 허리부에 대하여 2축 방향으로 요동 가능하게 장착한 상방의 가슴부(11a)와, 가슴부를 2축 방향으로 요동시키는 구동수단(11d, 11e)으로 구성되고, 즉 전후 방향으로 요동시키거나 또는 좌우 방향으로 선회시켜, 소위 전방 굽힘 및 허리 비틀기에 의해 가슴부 및 팔부로 이루어지는 상반신을 허리부(11b) 및 다리부(12)부터 이루어지는 하반신에 대하여 포괄적으로 움직일 수 있다. 또, 보행 제어 장치가 팔부(l3) 및 가슴부(11a)를 구동하여 이들 팔부 및 가슴부의 중량 및 관성모멘트를 이용하여 전신 운동을 행하게 하는 경우에는, 허리부(11b)에 대하여 팔부 및 가슴부를 요동 또는 선회시켜, 팔부 및 가슴부의 허리부에 대한 중량 및 관성모멘트를 이용하여, 예를 들면 도약이나 상반신을 이용한 운동의 삼차원 보상을 행하고 균형을 잡으면서 운동을 행할 수 있다.

Description

2각 보행식 인간형 로봇{BIPEDAL HUMANOID}
종래, 소위 2각 보행식 인간형 로봇은, 미리 설정된 보행 패턴(이하, 걸음걸이라고 함)데이터를 생성하여, 이 걸음걸이 데이터에 따라서 보행 제어를 하여, 소정의 보행 패턴으로 다리부를 동작 시킴으로써 2각 보행을 실현하도록 하고 있다.
그런데, 이러한 2각 보행식 인간형 로봇은, 예를 들면 바닥면 상황, 로봇 자체의 물리적 파라미터의 오차 등에 의해 보행 시의 자세가 불안정하게 되기 쉽고, 전도되는 위험성이 높다. 이로 인하여, 예를 들면 ZMP(발바닥 반발력과 중력의 합성모멘트가 제로가 되는 점) 등의 로봇의 상태량을 제어하여, 보행 안정성을 확보하도록 하고 있다.
그러나, 종래의 2각 보행식 인간형 로봇은, 일어선 자세로 보행하는 것을 전제로 설정되어 있고, 될 수 있는 한 전도되지 않도록 되어 있지만, 동체부는 보행 제어를 지원하는 것이며, 동체부를 팔부나 다리부와 연계시켜 행동하도록 되어 있지 않다.
이로 인하여, 종래의 2각 보행식 인간형 로봇은, 동체부, 다리부나 팔부를 전체로서 동작시키는 것 같은 전신 운동, 예를 들면 전도 시의 방어 동작이나, 전도된 상태로부터의 일어서기 동작, 또는 구르기나 도약과 같은 운동을 하도록 설계되어 있지 않다. 따라서, 이러한 전신 운동을 행하게 하기 위해서는, 동체부에서의 허리부의 자유도나 회전 각도 범위가 제한이 되어 버린다.
또, 2각 보행식 인간형 로봇이 전도를 반복하면, 각 부, 예를 들면 동체부, 팔부나 다리부의 말단이 손상을 받거나, 덜컹거림이 생기거나 하는 경우가 있다. 또한, 종래는, 각 부가 큰 자유도를 갖게 하기 위해서, 구동수단이나 센서를 위한 많은 배선이 있어서, 예를 들면 팔부나 다리부를 간단히 교환하는 것은 곤란했다.
본 발명은 2각 보행식 인간형 로봇에 관한 것으로서, 예를 들면 전도(顚倒) 시의 방어 동작, 전도된 상태로부터의 일어서기 동작, 또는 구르기나 도약 동작 등의 전신 운동을 행할 수 있는 2각 보행식 인간형 로봇에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 2각 보행식 인간형 로봇의 일 실시예의 외관을 나타내고, (A)은 개략 정면도, (B)는 개략 측면도이다.
도 2는 도 1의 2각 보행식 인간형 로봇의 기계적 구성을 나타내는 개략도이다.
도 3은 도 1의 2각 보행식 인간형 로봇의 전방 굽힘부 및 다리부의 각 관절부의 전방으로의 요동 한계를 나타내는 개략도이다.
도 4는 도 1의 2각 보행식 인간형 로봇의 전방 굽힘부 및 다리부의 각 관절부의 후방으로의 요동 한계를 나타내는 개략도이다.
도 5는 도 1의 2각 보행식 인간형 로봇의 전방 굽힘부의 각 관절부의 개략도이며, (A)는 좌측 방향으로의 선회 한계를, (B)은 우측 방향으로의 선회 한계를 각각 나타내고 있다.
도 6은 도 1의 2각 보행식 인간형 로봇의 동체부에서의 가슴부와 허리부의 연결기구의 구성을 나타내고, (A)은 정면도, (B)는 우측면도, (C)는 주허리부 단면도이다.
도 7는 도 6의 연결기구에서의 수직 회전축 및 수평 회전축의 위치 관계를 나타내는 개략 사시도이다.
도 8는 도 6의 연결기구에 있어서, 센서의 허리 프레임에의 배치를 나타내는 개략 사시도이다.
도 9는 도 1에 나타내는 2각 보행식 인간형 로봇의 전기적 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 10은 도 1의 2각 보행식 인간형 로봇의 물건을 줍는 동작을 차례로 나타내는 좌측면도이다.
도 11는 도 1의 2각 보행식 인간형 로봇의 구르기 동작을 차례로 나타내는평면도이다.
도 12는 도 1의 2각 보행식 인간형 로봇의 일어나기 동작을 차례로 나타내는 좌측면도이다.
도 13는 도 1의 2각 보행식 인간형 로봇의 도약 동작을 차례로 도시한 도면이다.
본 발명은, 이상의 점을 감안하여, 예를 들면 전도 시의 방어 동작, 일어서기 동작이나 구르기 동작 등의 전신 운동을 용이하게 할 수 있도록 한 2각 보행식 인간형 로봇을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 동체부와, 동체부의 하부 양측에 장착된 다리부와, 동체부의 상부 양측에 장착된 팔부와, 동체부의 상단에 장착된 머리부를 구비하고 있고, 상기 다리부가 동체부에 대하여 3축 방향으로 요동 가능하게 장착된 2개의 대퇴부와, 각 대퇴부의 하단에 대하여 각각 1축 방향으로 요동 가능하게 장착된 하퇴부와, 각 하퇴부의 하단에 대하여 2축 방향으로 요동 가능하게 장착된 발부를 포함하고 있으며, 상기 팔부가 동체부에 대하여 일단이 2축 방향으로 요동 가능하게 장착된 2개의 상부 팔부와, 각 상부 팔부의 타단에 대하여 각각 1축 방향으로 요동 가능하게 장착된 하부 팔부와, 각 하부 팔부에 대하여 1축 방향으로 요동 가능하게 장착된 손부를 포함하고 있고, 또한, 상기 다리부의 발부, 하퇴부, 대퇴부 그리고 상기 팔부의 손부, 하부 팔부 및 상부 팔부 그리고 가슴부를 각각 요동시키는 구동수단과, 각 구동수단을 각각 구동 제어하는 보행 제어 장치를 구비하고 있는 2각 보행식 인간형 로봇에 있어서, 상기 동체부가 하방의 허리부와, 상기 허리부에 대하여 2축 방향으로 요동 가능하게 장착된 상방의 가슴부와, 가슴부를 2축 방향으로 요동시키는 구동수단으로 구성되어 있고, 상기 보행 제어 장치가 각 구동수단을 서로 연계하고 구동 제어함으로써 로봇의 전신 운동을 행하게 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 2각 보행식 인간형 로봇은, 바람직하게는, 상기 보행 제어 장치가 상기 팔부 및 가슴부를 구동함으로써, 상기 팔부 및 가슴부의 중량 및 관성모멘트를 이용하여 전신 운동을 행하게 한다.
본 발명에 의한 2각 보행식 인간형 로봇은, 바람직하게는, 상기 가슴부를 지지하는 수직 회전축이 허리부에 대하여 전후 방향으로 요동 가능하게 지지된 요동 부재에 대하여 회전 가능하게 지지되어 있다.
본 발명에 의한 2각 보행식 인간형 로봇은, 바람직하게는, 상기 가슴부를 지지하는 수직 회전축이 가슴부와 일체로 형성된 편평한 회전 부재에 의해 구성되어 있어, 상기 회전 부재가 상기 요동 부재에 설치된 원환형의 가이드를 따라 안내되는 링 유닛에 의해 등각도 간격으로 유지된 복수개의 구형체에 의해서 방사상 방향(radial direction) 및 추진 방향(thrust direction)으로 지지되어 있다. 또,본 발명에 의한 2각 보행식 인간형 로봇은, 바람직하게는, 상기 회전 부재가 요동 부재에 설치된 구동수단의 출력축에 대하여 착탈 가능하게 장착되어 있다.
본 발명에 의한 2각 보행식 인간형 로봇은, 바람직하게는, 상기 가슴부를 전후 방향으로 요동 가능하게 지지하는 수평 회전축이 중심으로부터 전방으로 어긋나게 배치되어 있다.
본 발명에 의한 2각 보행식 인간형 로봇은, 바람직하게는, 상기 요동 부재를 전후 방향으로 요동 가능하게 지지하는 수평 회전축이 중심으로부터 전방으로 어긋나게 배치되어 있다.
본 발명에 의한 2각 보행식 인간형 로봇은, 바람직하게는, 상기 가슴부가 좌우 방향에 대해서 -45도 내지 +45도 이상의 각도 범위에서 선회 가능하다.
본 발명에 의한 2각 보행식 인간형 로봇은, 바람직하게는, 상기 가슴부가 전후 방향에 대해서 -10도 내지 +60도 이상의 각도 범위에서 전방 굽힘이 가능하고, 상기 대퇴부가 상기 허리부에 대하여 전후 방향에 대해서 -45도 내지 +60도 이상의 각도 범위에서 요동 가능하며, 상기 하퇴부가 대퇴부에 대하여 전후 방향에 대해서 -120도 내지 0도 이상의 각도 범위에서 요동 가능하다.
본 발명에 의한 2각 보행식 인간형 로봇은, 바람직하게는, 상기 로봇의 상태량을 검출하기 위한 센서가 상기 동체부의 허리부에 배치되어 있다.
본 발명에 의한 2각 보행식 인간형 로봇은, 바람직하게는, 상기 센서가 자이로 센서 및/또는 3축 가속도 센서로 구성되어 있다.
본 발명에 의한 2각 보행식 인간형 로봇은, 바람직하게는, 상기 센서가 상기센서의 계측 및 신호 처리용 마이크로프로세서 등의 회로부와 함께 하나의 모듈로서 구성되어 있고 상기 허리부 내에 수용되어 있다.
본 발명에 의한 2각 보행식 인간형 로봇은, 바람직하게는, 상기 각 구동수단 및 보행 제어 장치 등에 전기공급하기 위한 전원전지가 상기 가슴부앞쪽에 배치되어 있다.
상기 구성에 의하면, 2각 보행식 인간형 로봇이 전신 운동을 할 때, 보행 제어 장치가 각 구동수단을 서로 연계하여 구동 제어함으로써, 허리부에 대하여 가슴부를 2축 방향, 즉 전후 방향으로 요동시키거나 또는 좌우 방향으로 선회시켜, 소위 전방 굽힘 및 허리 비틀기에 의해, 가슴부 및 팔부로 이루어지는 상반신을 허리부 및 다리부로 이루어지는 하반신에 대하여 포괄적으로 움직일 수 있다. 따라서, 예를 들면 전도 시의 방어 동작, 일어서기 동작이나 구르기 동작 등의 전신 운동을 확실하게 할 수 있게 된다.
상기 보행 제어 장치가 팔부 및 가슴부를 구동함으로써, 이들 팔부 및 가슴부의 중량 및 관성모멘트를 이용하여 전신 연동을 행하게 하는 경우에는, 보행 제어 장치가, 각 구동수단에 의해 각 부를 구동할 뿐 아니라, 허리부에 대하여 팔부 및 가슴부를 요동 또는 선회시킴으로써, 이들 팔부 및 가슴부의 허리부에 대한 중량 및 관성모멘트를 이용하여, 보다 폭넓은 전신 운동, 예를 들면 도약을 행하게 할 수 있다.
또한, 이러한 팔부 및 가슴부의 중량 및 관성모멘트를 이용함으로써, 상반신을 이용한 운동의 삼차원 보상을 행하고, 균형을 잡으면서 운동을 할 수 있다.
상기 가슴부를 지지하는 회전축이, 허리부에 대하여 전후 방향으로 요동 가능하게 지지된 요동 부재에 대하여 회전 가능하게 지지되어 있는 경우에는, 요동 부재가 허리부에 대하여 전후 방향으로 요동함으로써, 상기 가슴부가 전후 방향으로 요동하는 동시에, 가슴부를 지지하는 회전축이 요동 부재에 대하여 회전함으로써, 상기 가슴부가 좌우 방향으로 선회한다.
상기 가슴부를 지지하는 수직 회전축이 가슴부와 일체로 형성된 편평한 회전 부재에 의해 구성되어 있어, 상기 회전 부재가, 상기 요동 부재에 설치된 원환형의 가이드를 따라 안내되는 링유닛에 의해 등각도 간격으로 유지된 복수개의 구형체에 의해서 방사상 방향 및 추진 방향에 지지되어 있는 경우에는, 가슴부가 요동 부재 그리고 허리부에 대하여 복수개의 구형체를 통하여 회전 가능하게 지지되기 때문에, 충분한 강성을 가지고 허리부에 대하여 방사상 방향 및 추진 방향으로 지지되는 동시에, 전후 방향으로 요동 가능하게 그리고 좌우 방향으로 선회 가능하게 지지된다. 또, 상기 회전 부재가 요동 부재에 설치된 구동수단의 출력축에 대하여 착탈 가능하게 장착되어 있는 경우에는, 가슴부가 용이하게 요동 부재 그리고 허리부로부터 분리 가능하다.
상기 가슴부를 전후 방향으로 요동 가능하게 지지하는 수평 회전축이 중심으로부터 전방으로 어긋나게 배치되어 있는 경우, 또는 상기 요동 부재를 전후 방향으로 요동 가능하게 지지하는 수평 회전축이 중심으로부터 전방으로 어긋나게 배치되어 있는 경우에는, 상기 가슴부가 전방으로 어긋나게 배치된 수평 회전축의 주위로 전후 방향으로 요동할 수 있기 때문에, 이 가슴부는 전방을 향해서 큰 각도로전방 굽힘을 할 수 있는 동시에, 전체가 소형으로 구성될 수 있다.
상기 가슴부가 좌우 방향에 대해서 -45도 내지 +45도 이상의 각도 범위에서 선회 가능한 경우에는, 예를 들면 위를 향한 자세로부터, 가슴부를 허리부에 대하여 상기 각도 범위에서 선회시킴으로써, 다리부의 허리부에 대한 선회 동작과 더불어, 구르기 동작을 용이하게 그리고 확실하게 할 수 있다.
상기 가슴부가 전후 방향에 대해서 -10도 내지 +60도 이상의 각도 범위에서 전방 굽힘이 가능하여, 상기 대퇴부가 허리부에 대하여 전후 방향에 대해서 -45도 내지 +60도 이상의 각도 범위에서 요동 가능하여, 상기 하퇴부가 대퇴부에 대하여 전후 방향에 대해서 -120도 내지 0도 이상의 각도 범위에서 요동 가능한 경우에는, 2각 보행식 인간형 로봇의 전도 시의 방어 동작 그리고 전도 상태로부터의 일어서기 동작 시에, 전술한 동작 범위에 의해 확실하게 일어서기 동작을 할 수 있다.
상기 로봇의 상태량을 검출하기 위한 센서가 각 구동수단에 의한 오차나 진동이 가슴부에 비교하여 적은 허리부에 배치되어 있는 경우는, 로봇의 상태량, 예를 들면 3축 방향의 방위 및 가속도를, 로봇의 보행 운동 등의 영향을 받지 않고 또 상반신의 운동의 간섭을 받지 않고 정확하게 검출할 수 있다. 이에 따라, 상반신의 움직임, 예를 들면 보행 시에 교대로 팔을 전후로 흔드는 등의 움직임을 이용한 보행 운동의 보상을 할 수 있게 된다.
상기 센서가 자이로 센서 또는 3축 가속도 센서, 또는 자이로 센서와 3축 가속도 센서로 구성되어 있는 경우에는, 로봇의 상태량으로서 자이로 센서에 의해 로봇의 동체부의 3축 방향 방위를 검출하고, 또한 3축 가속도 센서에 의해 로봇의 동체부의 3축 방향의 가속도를 검출할 수 있다.
상기 센서가 상기 센서의 계측 및 신호 처리용 마이크로프로세서 등의 회로부와 함께 하나의 모듈로서 구성되어 있어, 상기 허리부 내에 수용되어 있는 경우에는, 센서로부터의 검출 신호가 상기 모듈 내에서 처리되어, 예를 들면 전송에 알맞은 신호 레벨에 증폭되기 때문에, 상기 모듈로부터 보행 제어 장치까지의 배선의 안내/유도가 간략화된다.
상기 각 구동수단 및 보행 제어 장치 등에 전기공급하기 위한 전원전지가 가슴부앞쪽에 배치되어 있는 경우에는, 로봇의 무게중심을 높게 유지하면서, 전원전지가 로봇의 전신 운동을 방해하는 일은 없다. 또, 로봇이 전방으로 전도된 경우, 팔을 전방으로 신장하는 것에 의해, 전원전지에의 충격을 저감시킬 수 있는 동시에, 후방으로 전도된 경우에는, 전원전지의 중량에 의해서 일어서기 운동이 방해되는 일은 없다.
본 발명은, 이하의 상세한 설명 및 본 발명의 몇개의 실시예를 나타내는 첨부 도면에 따라 보다 잘 이해될 것이다. 또, 첨부 도면에 나타내는 실시예는 본 발명을 특정 또는 한정하는 것을 의도하는 것이 아니고, 단순히 본 발명의 설명 및 이해를 쉽게 하기 위한 것이다.
이하, 도면에 나타낸 바람직한 실시예에 따라, 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 2는 본 발명에 의한 2각 보행식 인간형 로봇의 일 실시예의 구성을 나타내고 있다. 도 1에 있어서, 2각 보행식 인간형 로봇(10)은 동체부(11)와, 동체부(11)의 하부 양측에 장착된 다리부(12L, 12R)와, 동체부의 상부 양측에 장착된 팔부(13L, 13R)와, 동체부의 상단에 장착된 머리부(14)를 포함하고 있다.
상기 동체부(11)는 상방의 가슴부(11a)와 하방의 허리부(11b)로 분할되어 있고, 가슴부(11a)가 전방 굽힘부(11c)에서 허리부(11b)에 대하여 전후 방향으로 요동 가능하게, 특히 전방으로 전방 굽힘이 가능하게, 그리고 좌우 방향으로 선회 가능하게 지지되어 있다. 또한, 상기 동체부(11)의 가슴부(11a)에는, 후술하는 보행 제어 장치(50)가 내장되어 있다. 또, 상기 전방 굽힘부(11c)는, 전후 요동용 관절부(11d) 및 좌우 선회용 관절부(11e)를 구비하고 있고, 각 관절부(11d 및 11e)는, 각각 관절 구동용 모터(도 2참조)에 의해 구성되어 있다.
상기 다리부(12L, 12R)는, 각각 대퇴부(15L, 15R), 하퇴부(16L, 16R) 및 발부(17L, 17R) 로 구성되어 있다.
여기에서, 상기 다리부(12L, 12R)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 각각 6개의 관절부, 즉 상방으로부터 순차적으로, 동체부(11)의 허리부(11b)에 대한 다리부 선회용 관절부(18L, 18R), 다리부의 롤 방향(x 축 주위)의 관절부(19L, 19R), 다리부의 피치 방향(y 축 주위)의 관절부(20L, 20R), 대퇴부(15L, 15R)와 하퇴부(16L, 16R)의 접속부분인 무릎부(21L, 21R)의 피치방향의 관절부(22L, 22R), 발부(17L, 17R)에 대한 발목부의 피치방향의 관절부(23L, 23R), 발목부의 롤 방향의 관절부(24L, 24R)를 구비하고 있다. 또, 각 관절부(18L, 18R, 내지 24L, 24R)는, 각각 관절 구동용 모터에 의해 구성되어 있다.
이와 같이 하여, 허리 관절은 상기 관절부(11d, lle)로 구성되고, 대퇴 관절은 상기 관절부(18L, 18R, 19L, 19R, 20L, 20R)로 구성되고, 또한 발관절은 관절부(23L, 23R, 24L, 24R) 로 구성된다. 이에 따라, 2각 보행식 인간형 로봇(10)의 좌우 양측의 다리부(12L, 12R)는 각각 6자유도가 부여되어, 각종 동작 중에 이들 l2개의 관절부를 각각 구동모터로 적절한 각도로 구동 제어함으로써, 다리부(12L, 12R) 전체에 원하는 동작을 부여하여, 예를 들면 임의로 삼차원 공간을 보행할 수 있다.
상기 팔부(13L, 13R)는 각각 상부 팔부(25L, 25R), 하부 팔부(26L, 26R) 및 손부(27L, 27R) 로 구성되어 있다.
여기에서, 상기 팔부(13L, 13R)의 상부 팔부(25L, 25R), 하부 팔부(26L, 26R) 및 손부(27L, 27R)는 전술한 다리부(12L, 12R)와 같이 하고, 도 2에 도시한바와 같이, 각각 5개의 관절부, 즉 상방으로부터 순차적으로, 어깨부에서 동체부(11)에 대한 상부 팔부(25L, 25R)의 피치방향의 관절부(28L, 28R), 롤 방향의 관절부(29L, 29R), 그리고 좌우 방향의 관절부(30L, 30R), 상부 팔부(25L, 25R)와 하부 팔부(26L, 26R)의 접속부분인 팔꿈치부(31L, 31R)에서 피치방향의 관절부(32L, 32R), 손목부에서 하부 팔부(26L, 26R)에 대한 손부(27L, 27R)의 피치방향의 관절부(33L, 33R)를 구비하고 있다. 또, 각 관절부(28L, 28R 내지 33L, 33R)는 각각 관절 구동용 모터에 의해 구성되어 있다.
이와 같이 하여, 2각 보행식 인간형 로봇(10)의 좌우 양측의 팔부(13L, 13R)는 각각 5자유도가 부여되어, 각종 동작 중에 이들 10개의 관절부를 각각 구동모터로 적절한 각도로 구동 제어함으로써, 팔부(13L, 13R) 전체에 원하는 동작을 부여할 수 있다.
여기에서, 상기 어깨부에서의 피치방향의 관절부(28L, 28R)는, 롤 방향의 관절부(29L, 29R) 및 좌우 방향의 관절부(30L, 30R)에 대하여 회전축이 전방으로 어긋나게 형성되고, 전방으로의 팔부(13L, 13R)의 진동 각도가 크게 설정되어 있다.
상기 머리부(14)는, 동체부(11)의 상부(11a)의 상단에 장착되어 있고, 예를 들면 시각으로서의 카메라나 청각으로서의 마이크가 탑재되어 있다.
여기에서, 상기 머리부(14)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 목의 피치방향의 관절부(35) 및 좌우 방향의 관절부(36)를 구비하고 있다. 또, 각 관절부(35, 36)는, 각각 관절 구동용 모터에 의해 구성되어 있다.
이와 같이 하여, 2각 보행식 인간형 로봇(10)의 머리부(14)는, 2자유도가 부여되어, 각종 동작 중에 이들 2개의 관절부(35, 36)를 각각 구동모터로 적절한 각도로 구동 제어함으로써, 머리부(14)를 좌우 방향 또는 전후 방향으로 움직일 수 있다. 여기에서, 상기 피치방향의 관절부(35)는, 좌우 방향의 관절부(36)에 대하여 회전축이 전방으로 어긋나게 형성되고, 전방으로의 머리부(14)의 요동 각도가 크게 설정되어 있다.
또한, 상기 2각 보행식 인간형 로봇(10)에서는, 동체부(11)의 전방 굽힘부(11c)의 관절부(11d)와, 다리부(12L, 12R)의 전후 방향의 관절부, 즉 대퇴 관절의 관절부(20L, 20R), 무릎부의 관절부(22L, 22R), 발목부의 관절부(23L, 23R)는, 도 3 및 도 4에 나타내는 각도 범위에서 요동 가능하게 지지되어 있다. 즉, 발목부의 관절부(23L, 23R)는 그 요동 각도θ1이 -20도 내지 +20도 이상의 각도 범위에서 요동 가능하다. 또, 무릎부의 관절부(22L, 22R)는 그 요동 각도θ2가 -120도 내지 0도 이상의 각도 범위에서 요동 가능하다. 또한, 허리 관절의 관절부(20L, 20R)는 그 요동 각도θ3이 -45도 내지 +60도 이상의 각도 범위에서 요동 가능하다. 또, 동체부(11)의 전방 굽힘부(11c)는, 그 요동 각도θ4가 -10도 내지 +60도 이상의 각도 범위에서 요동 가능하다.
이것에 대하여, 동체부(11)의 전방 굽힘부(11c)의 관절부(11e)는, 도 5에 나타내는 각도 범위에서 요동 가능하게 지지되어 있다. 즉, 전방 굽힘부(11c)의 관절부(11e)는, 그 요동 각도θ5가, 도 5(A)에 나타내는 좌측에 관해서 -45도 이상, 그리고 도 5(B)에 나타내는 우측에 관해서 +45도 이상의 각도 범위에서 선회 가능하다.
전술한 전방 굽힘부(11c)의 관절부(11d, 11e)의 요동 및 선회의 각도 범위를 실현하기 위해서, 허리부(11b)와 가슴부(11a)의 연결기구는, 도 6에 나타낸 바와 같이 구성되어 있다. 즉, 도 6에 있어서, 이 연결기구(40)는, 동체부(11)의 가슴부(11a)에 장착된 가슴 프레임(41)과, 허리부(11b)에 장착된 허리 프레임(42)과, 이들 가슴 프레임(4l)과 허리 프레임(42)을 서로 연결하는 요동 부재(43)로 구성되어 있다.
상기 가슴 프레임(4l)은, 그 하단에 수직 회전축(44a)(도 7참조)으로서 작용하는 회전 부재(44)를 구비하고 있다. 이 회전 부재(44)는, 직경이 큰 편평한 원판으로서 구성되어 있고, 복수개의 구형체(47a)를 등각도 간격으로 유지하는 링 유닛(47)의 내부 직경부를 내측으로부터 지지하도록 구성되어 있다.
상기 허리 프레임(42)은, 도 7에 도시한 바와 같이, 중심으로부터 전방으로 어긋난 위치에 형성된 수평 회전축(42a)를 구비하고 있고, 이 수평 회전축(42a)에 대하여 요동 부재(43)가 요동 가능하게 지지되어 있다.
상기 요동 부재(43)는, 허리 프레임(42) 내에 장착된 구동수단(45)에 따라 도 6에 나타내는 위치로부터, 화살표 A로 도시한 바와 같이 전방을 향해서 요동하도록 회전 구동된다. 그 때, 수평 회전축(42a)가 전방으로 어긋나 배치되어 있는 것에 의해, 전방으로 대한 요동범위가 증대되어, 요동 부재(43)가 전방을 향해서 크게, 예를 들면 +60도 이상 요동할 수 있게 되어 있다.
이러한 회전축을 어긋나게 하여 요동범위를 증대시키는 기구는, 또 팔꿈치부나 목부에도 채용되어 있다.
또한, 상기 허리 프레임(42)은, 그 상면에 원환형으로 형성된 가이드(46)를 따라, 링 유닛(47)에 의해 등각도 간격으로 유지된 복수개의 구형체(47a)를 구비하고 있다. 이 링 유닛(47)은, 그 내부 직경부에 상기 가슴 프레임(41)의 하면에 장착된 회전 부재(44)를 수용함으로써, 회전 부재(44) 그리고 가슴 프레임(41)을 추진 방향 및 방사상 방향으로 지지하도록 되어 있다. 따라서, 상기 링유닛(47)은, 가이드(46)와 함께 볼베어링을 구성하기 때문에, 가슴 프레임(41)이 장착된 가슴부(11a)는, 허리 프레임(42)이 장착된 허리부(11b)에 대하여 충분한 강성을 가지고 전후 방향 및 좌우 방향으로 원활히 요동 또는 선회 가능하게 지지된다.
또, 가슴 프레임(41)은, 회전 부재(44)가 링유닛(47)에 수용된 상태에서 고정나사(48)에 의해 요동 부재(43)를 통해서, 구동모터(41a)의 출력축(41b)에 대하여 고정된다. 따라서, 이 고정나사(48)를 분리함으로써, 가슴 프레임(41)은, 요동 부재(43)그리고 허리 프레임(42)으로부터 용이하게 분리할 수 있다.
또한, 상기 허리 프레임(42)에는, 도 8에 도시한 바와 같이, 로봇의 상태량, 즉 3축 방향 방위 및 가속도를 검출하기 위한 센서(49), 도시한 경우에는 3축 자이로 센서(49a) 및 3축 가속도 센서(49b)가 장착되어 있다. 또, 바람직하게는, 이들 센서(49a, 49b)는, 계측 및 신호 처리용 마이크로프로세서 등과 함께 하나의 모듈로서 구성되고, 허리 프레임(42), 즉 허리부(11b) 내에 수용된다. 이에 따라, 상기 모듈 내에서 센서로부터의 검출 신호가 처리되기 때문에, 배선이 간략화되는 것이 된다.
도 9는 도 1내지 도 8에 나타낸 2각 보행식 인간형 로봇(10)의 전기적 구성을 나타내고 있다. 도 9에 있어서, 2각 보행식 인간형 로봇(10)은 구동수단, 즉 전술한 각 관절부, 즉 관절 구동용 모터(11d, 11e, 18L, 18R) 내지(33L, 33R)를 구동 제어하는 보행 제어 장치(50)를 구비하고 있다.
상기 보행 제어 장치(50)는 상기 동체부(11)의 가슴부(11a) 내에 설치되어 있고, 제어부(51)와 모터 제어 유닛(52)로 구성되어 있다. 상기 제어부(51)는, 이전에 결정된 동작 패턴에 따라 각 관절 구동용 모터의 제어신호를 생성하도록 되어 있다. 상기 모터 제어 유닛(52)은, 제어부(51)로부터의 제어신호에 따라서 각 관절 구동용 모터를 구동 제어하도록 되어 있다. 또한, 상기 제어부(51)는, 전술한 허리 프레임(42) 내에 설치된 센서(49), 즉 3축 자이로 센서(49a) 및 3축 가속도 센서(49b)로부터의 로봇의 상태량의 검출 신호에 따라, 로봇의 현재의 상태(자세)를 판별하여, 이 상태에 대응하여 각 관절 구동용 모터를 서로 연계하여 구동 제어하도록 되어 있다.
상기 보행 제어 장치(50) 그리고 각 관절 구동용 모터는, 전원으로서의 전원전지(53)에 의해 전기공급되어, 작동하도록 되어 있다. 이 전원전지(53)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 2각 보행식 인간형 로봇(10)의 동체부(11)의 가슴부(11a)의 앞쪽에 배치되어 있다. 예를 들면, 전원전지(53)는, 예를 들면 가슴부(11a)의 전면에 설치된 개폐 가능한 패널의 내측에 형성되고, 내부에 설치된 전원 커넥터와 접속한다. 이에 따라, 전원전지(53)로부터 보행 제어 장치(50) 및 각 관절 구동용 모터에 전기공급이 행하여지는 동시에, 전지 교환시에는 상기 패널을 개방하면 용이하게 전지 교환을 할 수 있게 되어 있다.
본 발명의 실시예에 의한 2각 보행식 인간형 로봇(10)은 이상과 같이 구성되어 있고, 보통의 보행 동작은, 보행 제어 장치(50)의 제어부(51)가 이전에 결정된 보행 동작 패턴에 따라 제어신호를 생성하여, 모터 제어 유닛(52)에 출력한다. 이에 따라, 모터 제어 유닛(52)이 전방 굽힘부(11c) 및 각 관절부(18L, 18R 내지 33L, 33R)의 관절 구동용 모터를 구동 제어한다. 이와 같이 하여, 2각 보행식 인간형 로봇(10)은 보행 동작을 하는 것이 된다.
여기에서, 2각 보행식 인간형 로봇(10)이, 예를 들면 전방에 떨어져 있는 물건을 줍는 경우, 제어부(51)가 다리부(12L, 12R)와 팔부(13L, 13R) 그리고 전방 굽힘부(11c)의 각 관절부의 관절 구동용 모터를 서로 연계하여 구동 제어함으로써, 도 10(A)에 나타내는 직립한 상태로부터, 도 10(B)에 나타낸 바와 같이 앞으로 구부려 물건을 줍고, 그 후 도 10(C)에 나타낸 바와 같이 다시 직립한 상태로 되돌아간다.
이것에 대하여, 2각 보행식 인간형 로봇(10)이 구르기 동작을 하는 경우, 동일한 방식으로, 제어부(51)가 다리부(12L, 12R)와 팔부(13L, 13R) 그리고 전방 굽힘부(11c)의 각 관절부의 관절 구동용 모터를 서로 연계하여 구동 제어함으로써, 도 11(A)에 나타낸 바와 같이 위를 향해 누운 상태로부터, 도 11(B)에 나타낸 바와 같이 오른발(12R)의 무릎(21R)를 세운 후, 도 11(C)에 나타낸 바와 같이 오른발(12R)을 좌측으로 밀어낸다. 또한, 도 11(D)에 도시한 바와 같이, 허리부(11b)를 다리부(12L, 12R) 와 함께 선회시켜, 허리를 비틀면서 가슴부(11a)를 선회시키면, 도 11(E)에 도시한 바와 같이, 전체가 엎드려 구르기 동작이 완료한다.
또, 2각 보행식 인간형 로봇(10)이 일어서기 동작을 하는 경우, 동일하게 하여, 제어부(51)가, 다리부(12L, 12R)와 팔부(13L, 13R) 그리고 전방 굽힘부(11c)의 각 관절부의 관절 구동용 모터를 서로 연계하여 구동 제어함으로써, 도 12(A)에 나타낸 바와 같이 위를 향해 누운 상태로부터, 도 12(B)에 나타낸 바와 같이 양 무릎(2lL, 21R)를 가까이 당기면서, 가슴부(11a) 그리고 허리부(11b)를 일으킨다. 그 후, 도 12(C)에 도시한 바와 같이, 양 발부(17L, 17R)를 가까이 당겨 구부러진 상태로 되고, 마지막으로 팔부(13L, 13R) 및 가슴부(11a)에서 균형을 잡으면서, 양 다리부(12L, 12R)를 신장시켜 일어서기 동작이 완료한다.
또한, 2각 보행식 인간형 로봇(10)이 도약 동작을 하는 경우, 동일하게 하여, 제어부(51)가, 다리부(12L, 12R)와 팔부(13L, 13R) 그리고 전방 굽힘부(11c)의 각 관절부의 관절 구동용 모터를 서로 연계하여 구동 제어함으로써, 도 13(A)에 나타낸 바와 같이 직립한 상태로부터, 도 13(B)에 나타낸 바와 같이 양 다리부(12L, 12R)의 무릎부(21L, 21R)를 굽히는 동시에, 양 팔부(13L, 13R)를 뒤쪽으로 뺀 후, 도 13(C)에 나타낸 바와 같이 양 무릎부(21L, 21R) 및 양 발부(17L, 17R)를 늘리면서, 양 팔부(13L, l3R)를 전방으로 치켜들어, 무릎(21L, 21R)의 신장, 발부(17L, 17R)의 밟기, 그리고 양 팔부(13L, 13R)의 치켜들기에 의하여 동체부(11)에 가해지는 관성모멘트를 이용하여, 도 13(D)에 나타내도록, 다리부(12L, 12R)가 바닥면에서 멀어져 로봇(10) 전체의 부상 도약 동작이 완료한다.
이 경우, 도약 동작을 한층 더 용이하게 하기 위해서는, 인간형 로봇(10)의각 부의 중량배분이 중요해진다. 도약 동작을 위해서는, 예를 들면 로봇(10)의 전체 중량에 대하여, 동체부(11)의 가슴부(11a)와 머리부(14)로 이루어지는 상반신이 1/2 이상의 중량이며, 양 다리부(12L, 12R)가 1/3 이하의 중량이며, 또한 양 팔부(13L, 13R)가 1/10 이상의 중량이 되도록 하는 중량배분이 바람직하다. 이에 따라, 전술한 무릎(21L, 21R)의 신장, 발부(17L, 17R)의 밟기, 그리고 양 팔부(13L, 13R)의 치켜들기에 의하여 동체부(11)에 가해지는 관성모멘트를 이용하여, 각 관절부의 관절 구동용 모터로서 토크가 작은 모터를 사용하더라도 도약 동작을 행하게 하는 것이 가능하게 된다.
이와 같이 하여, 본 발명 실시형태에 의한 2각 보행식 인간형 로봇(10)에 의하면, 동체부(11)가 가슴부(11a)와 허리부(11b)로 이루어져, 가슴부(11a)가 허리부(11b)에 대하여 2축 방향으로 요동 및 선회 가능하여, 보행 제어 장치가 각 관절부의 관절 구동용 모터를 서로 연계하여 구동 제어함으로써, 예를 들면 전도 시의 방어 동작, 일어서기 동작이나 구르기 동작 등의 전신 운동을 확실하게 할 수 있다. 또, 팔부 및 가슴부의 중량 및 관성모멘트를 이용하여 전신 운동을 행하게 함으로써, 도약이나 밸런스를 취하면서 운동을 할 수 있다. 또한, 가슴부(11a)를 지지하는 수평 회전축이 전방으로 어긋나 배치되어 있는 것에 의해, 가슴부(11a)가 허리부(11b)에 대하여 전방으로 크게 요동하기 때문에, 전방 굽힘을 용이하게 할 수 있다. 또, 가슴부(11a)를 지지하는 수직축이 연결기구(40)에 의해 지지되어 있으므로써, 충분한 강성을 가지고 가슴부(11a)가 허리부(11b)에 대하여 2축 방향으로 요동 가능하게 지지된다.
또한, 상기 센서(49)가 요동 가능한 가슴부(11a), 다리부(12L, 12R) 및 팔부(13L, 13R)와 비교하여 움직임이 적은 허리부(11b)에 설치되어 있는 것에 의해, 보행 운동이나 다른 전신 운동을 포함하는 운동 중에, 이들 운동의 영향을 받지 않고 정확하게 로봇의 상태량을 검출할 수 있다.
또, 전원전지(53)가 가슴부(11a)의 앞쪽에 설치되어 있는 것에 의해, 로봇의 무게중심을 높게 유지하면서, 전원전지(53)가 로봇의 전신 운동을 방해하는 일은 없고, 로봇이 전방으로 전도된 경우, 팔을 전방으로 펴는 것에 의해 전원전지에 대한 충격을 저감시킬 수 있는 동시에, 후방으로 전도된 경우에는 전원전지의 중량에 의해서 일어서기 운동이 방해되는 일은 없다.
전술한 실시예에서는, 다리부(12L, 12R)는 6자유도를, 그리고 팔부(13L, 13R)는 5자유도를 가지고 있지만, 이것에 한정되지 않고 보다 작은 자유도 또는 보다 큰 자유도를 가질 수도 있다.
이상 기술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 2각 보행식 인간형 로봇이 전신 운동을 할 때, 보행 제어 장치가 각 구동수단을 서로 연계하여 구동 제어함으로써, 허리부에 대하여 가슴부를 2축 방향, 즉 전후 방향으로 요동시키거나, 또는 좌우 방향으로 선회시켜, 소위 전방 굽힘 및 허리의 비틀기에 의해 가슴부 및 팔부로 이루어지는 상반신을 허리부 및 다리부로 이루어지는 하반신에 대하여 포괄적으로 움직일 수 있다. 따라서, 예를 들면 전도 시의 방어 동작, 일어서기 동작이나 구르기 동작 등의 전신 운동을 확실하게 할 수 있게 된다.
상기 보행 제어 장치가, 상기 팔부 및 가슴부를 구동함으로써 이들 팔부 및 가슴부의 중량 및 관성모멘트를 이용하여 전신 운동을 행하게 하는 경우에는, 보행 제어 장치가 각 구동수단에 의해 각 부를 구동할 뿐만 아니고, 허리부에 대하여 팔부 및 가슴부를 요동 또는 선회시킴으로써, 이들 팔부 및 가슴부의 허리부에 대한 중량 및 관성모멘트를 이용하여 보다 폭넓은 전신 운동, 예를 들면 도약을 행하게 할 수 있다.
또한, 이러한 팔부 및 가슴부의 중량 및 관성모멘트를 이용함으로써, 상반신을 이용한 운동의 삼차원 보상을 행하고, 균형을 잡으면서 연동을 행할 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명에 의하면, 용이하게 전신 운동을 할 수 있도록 한 매우 우수한 2각 보행식 인간형 로봇이 제공된다.

Claims (15)

  1. 동체부와, 동체부의 하부 양측에 장착된 다리부와, 동체부의 상부 양측에 장착된 팔부와, 동체부의 상단에 장착된 머리부를 구비하고 있고,
    상기 다리부가 동체부에 대하여 3축 방향으로 요동 가능하게 장착된 2개의 대퇴부와, 각 대퇴부의 하단에 대하여 각각 1축 방향으로 요동 가능하게 장착된 하퇴부와, 각 하퇴부의 하단에 대하여 2축 방향으로 요동 가능하게 장착된 발부를 포함하고 있으며,
    상기 팔부가 동체부에 대하여 일단이 2축 방향으로 요동 가능하게 장착된 2개의 상부 팔부와, 각 상부 팔부의 타단에 대하여 각각 1축 방향으로 요동 가능하게 장착된 하부 팔부와, 각 하부 팔부에 대하여 1축 방향으로 요동 가능하게 장착된 손부를 포함하고 있고,
    또한, 상기 다리부의 발부, 하퇴부, 대퇴부 그리고 상기 팔부의 손부, 하부 팔부 및 상부 팔부 그리고 가슴부를 각각 요동시키는 구동수단과, 각 구동수단을 각각 구동 제어하는 보행 제어 장치를 구비하고 있는 2각 보행식 인간형 로봇에 있어서,
    상기 동체부가 하방의 허리부와, 상기 허리부에 대하여 2축 방향으로 요동 가능하게 장착된 상방의 가슴부와, 상기 가슴부를 2축 방향으로 요동시키는 구동수단으로 구성되어 있고,
    상기 보행 제어 장치가 각 구동수단을 서로 연계하여 구동 제어함으로써, 전신 운동을 행하게 하는 것을 특징으로 하는 2각 보행식 인간형 로봇.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보행 제어 장치가 상기 팔부 및 가슴부를 구동함으로써, 상기 팔부 및 가슴부의 중량 및 관성모멘트를 이용하여 전신 운동을 행하게 하는 것을 특징으로 하는 2각 보행식 인간형 로봇.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가슴부를 지지하는 수직 회전축이 허리부에 대하여 전후 방향으로 요동 가능하게 지지된 요동 부재에 대하여 회전 가능하게 지지되어 있는 것을 특징으로 하는 2각 보행식 인간형 로봇.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가슴부를 지지하는 수직 회전축이 가슴부와 일체로 형성된 편평한 회전 부재에 의해 구성되어 있고,
    상기 회전 부재가 상기 요동 부재에 설치된 원환형의 가이드를 따라 안내되는 링 유닛에 의해 등각도 간격으로 유지된 복수개의 구형체에 의해서 방사상 방향(radial direction) 및 스러스트 방향(thrust direction)으로 지지되어 있는 것을 특징으로 하는 2각 보행식 인간형 로봇.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 회전 부재가 요동 부재에 설치된 구동수단의 출력축에 대하여 착탈 가능하게 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 2각 보행식 인간형 로봇.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가슴부를 전후 방향으로 요동 가능하게 지지하는 수평 회전축이 중심으로부터 전방으로 어긋나게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 2각 보행식 인간형 로봇.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 요동 부재를 전후 방향으로 요동 가능하게 지지하는 수평 회전축이 중심으로부터 전방으로 어긋나게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 2각 보행식 인간형 로봇.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가슴부가 좌우 방향에 대해서 -45도 내지 +45도 이상의 각도 범위에서 선회 가능한 것을 특징으로 하는 2각 보행식 인간형 로봇.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가슴부가 전후 방향에 대해서 -10도 내지 +60도 이상의 각도 범위에서전방 굽힘이 가능하고,
    상기 대퇴부가 상기 허리부에 대하여 전후 방향에 대해서 -45도 내지 +60도 이상의 각도 범위에서 요동 가능하며,
    상기 하퇴부가 대퇴부에 대하여 전후 방향에 대해서 -120도 내지 0도 이상의 각도 범위에서 요동 가능한 것을 특징으로 하는 2각 보행식 인간형 로봇.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로봇의 상태량을 검출하기 위한 센서가 상기 동체부의 허리부에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 2각 보행식 인간형 로봇.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 센서가 자이로 센서로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 2각 보행식 인간형 로봇.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 센서가 3축 가속도 센서로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 2각 보행식 인간형 로봇.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 센서가 자이로 센서 및 3축 가속도 센서로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 2각 보행식 인간형 로봇.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 센서가 상기 센서의 계측 및 신호 처리용 마이크로프로세서 등의 회로부와 함께 하나의 모듈로서 구성되어 있고 상기 허리부 내에 수용되어 있는 것을 특징으로 하는 2각 보행식 인간형 로봇.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 각 구동수단 및 보행 제어 장치 등에 전기공급하기 위한 전원전지가 상기 가슴부 앞쪽에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 2각 보행식 인간형 로봇.
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