KR200472407Y1

KR200472407Y1 - 2족 보행 로봇

Info

Publication number: KR200472407Y1
Application number: KR2020130009096U
Authority: KR
Inventors: 강병욱
Original assignee: 주식회사 세인비앤티
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2014-04-24

Abstract

수레를 끄는 로봇으로 안정적인 보행이 가능하도록 하고, 보행 시 보폭의 손실이 없도록 하며 진동에 의한 충격을 감소시켜 기계적인 고장을 줄일 수 있는 2족 보행 로봇에 관한 것으로, 그 주요 구성은 발가락 부재; 선단에 상기 발가락 부재가 연결되는 발 부재를 구비하고, 상단에 링크 연결부가 구비된 정강이부로 이루어진 종아리 부재; 상기 발가락 부재와 상기 발 부재를 연결하는 축을 구비하고, 보행 시 발가락 부재의 꺾임을 복원시키는 복원 스프링이 갖추어진 발가락 관절부; 상기 종아리 부재의 링크 연결부와 몸통을 연결하는 연결 링크와 상기 링크 연결부의 선단과 캠을 연결하는 추진 링크 및 상기 캠과 연결되고 하단은 상기 연결 링크의 중앙 하부측에 연결된 절첩 링크로 구성된 링크 유닛; 상기 캠을 회전시켜 추진 링크와 절첩 링크를 회전시키며, 이들 링크의 회전에 의해 종아리 부재가 꺾이거나 펼쳐지며 보행이 이루어지도록 하는 동력부; 머리와 팔 부재가 조립된 몸통; 상기 몸통에 구비되며, 상기 팔 부재의 어깨 부위가 조립되며 스프링의 탄성력으로 충격을 완충시키는 제 1완충부; 상기 몸통과 링크부를 연결하되, 스프링의 탄성력으로 보행 따른 충격을 완충시키는 제 2 완충부;를 포함하는 구성으로 이루어진다.

Description

2족 보행 로봇{TWO-LEGGED WALKING ROBOT}

본 고안은 2족 보행 로봇에 관한 것이다.

더 상세하게는, 수레를 끄는 로봇으로 안정적인 보행이 가능하도록 하고, 보행 시 보폭의 손실이 없도록 하며 진동에 의한 충격을 감소시켜 기계적인 고장을 줄일 수 있는 2족 보행 로봇에 관한 것이다.

또한 본 고안은 수레에 탑승한 탑승자에게 안정적인 승차감을 제공하며, 운행 중 지면 또는 외부에서 가해지는 충격을 흡수하여 탑승자는 물론 로봇을 보호할 수 있는 2족 보행 로봇에 관한 것이다.

일반적으로, 산업용 및 보행 로봇은 여러 개의 관절로 구성되어 있다. 이 관절의 대다수는 링크와 모터를 이용하여 회전 운동을 직선으로 변환시켜 보행 및 파지 또는 운반이 이루어지도록 한다.

예를 들어, 국내 특허 공개 10-2009-0126690호의 보행 로봇은, 상체와 대퇴링크를 연결하는 제1피치방향 대퇴부관절과, 대퇴링크와 하퇴링크를 연결하는 무릎관절을 구비하는 보행로봇에 있어서, 상기 대퇴링크가 상기 상체에 대하여 피치방향으로 회전되도록 상기 제1피치방향 대퇴부관절을 구동하는 제1피치방향 엑츄에이터와, 상기 하퇴링크가 상기 대퇴링크에 대하여 피치방향으로 회전되도록 상기 제1피치방향 엑츄에이터의 구동력을 상기 무릎관절로 전달하는 동력전달장치를 구비한 것이다.

즉, 이 로봇은 대퇴링크와 하퇴링크, 전달링크 및 대퇴부 관절부가 연결된 4절 링크로 형태로, 대퇴부관절부가 회전하여, 보행이 이루어지는 로봇이다.

다른 형태로, 공개특허 특2003-0060833호의 로봇 매니퓰레이터가 있다. 이 형태는 하나의 슬라이딩 링크와 3개의 회동링크를 가지는 4절링크의 결합으로 구성되는 4관절 로봇 매니퓰레이터에 있어서, 고정지지된 베이스와; 상기 베이스와 연결되어 회동운동되는 제1관절과; 상기 제1관절과 슬라이딩 4절링크 결합된 제2관절과; 상기 제21링크와 링크축과 슬라이딩 링크축을 공유하는 슬라이딩 4절링크 결합된 제3관절과; 제3관절의 링크축에 슬라이딩 링크의 모터가 결합된 슬라이딩 4절링크 결합으로 된 제4관절과; 상기 제4관절의 제4 1링크에 수직 연장결합되어 제41링크에 의해 회동되는 축부재로 구성된 4관절 로봇 매니퓰레이터 및 그 4절링크의 결합을 특징으로 한다.

이와 같이, 2족 보행 또는 전기적 ·기계적 메커니즘에 의해서 팔이나 다리의 운동에 가깝게 운동할 수 있도록 만들어진 것을 의미하는 로봇 매니퓰레이터 등은 많은 경우 4절 링크가 이용 결합되어 사용되고 있다.

보행 로봇의 또 다른 형태로, 공개특허 10-2010-0030131호의 로봇은,

전기모터가 안착되는 베이스와; 베이스의 일측에 제 1힌지로 연결되어 회동하는 한쌍의 상박과; 상기 상박에 각각 하나씩 대응되며 상박의 하단부에 제 2힌지로 연결되어 회동하는 하박부와; 상기 하박부의 하당부에 연직방향으로 일정 면적을 갖는 평판부와; 상기 전기모터의 회전에 따른 힘을 전달박아 회전수는 낮추고 토오크는 높여 출력하는 감속기와; 상기 감속기와 연결되어진 크랭크암과; 상기 크랭크암에 일측이 연결되고 상기 상박의 일측에 연결되어 상기 크랭크암의 회전 방향에 따라 길어지거나 짧아지는 상박로드암; 및 상기 크랭크암에 일측이 연결되고 상기 하박의 일측에 연결되어 상기 크랭크암의 회전 방향에 따라 길어지거나 짧아지는 하박로드암으로 구성된다.

그런데 위와 같은 종래의 로봇은, 링크를 이용하여 보행은 할 수 있으나, 걸음 걸이가 불안하고, 보폭의 손실이 많은 문제가 있다.

종래의 로봇은, 지면과의 접지력을 향상시키기 위해 발 바닥을 평판 형태로 구성하고 있다.

이 평 발은 다리를 들어올리는 과정에서 수평 상태를 유지하면서 들어 올려진 상태에서 내딛는 것이 아니라, 링크가 하사점에서 상사점으로 이동하는 회전 각도에 따라 발뒤굼치가 먼저 들어 올려지고, 내딛을 때에는 선단이 먼저 지면에 닿게 된다. 즉, 종래의 로봇은 발을 내딛는 순간, 앞발은 발뒤굼치가, 디딤발은 선단이 부위만이 지면에 닿게 되어, 굴곡진 지면에서는 균형을 잡기 어렵고, 접지력이 떨어지며, 불안정한 보행이 이루어질 수밖에 없음은 물론 로봇이 흔들리고 넘어질 우려가 있다.

또한, 진행하는 앞발과 디딤 발이 최소 면적만 닿게 됨으로써 미끄러지고 따라서 보폭이 감소하는 문제가 있다.

본 고안은 이와 같은 종래의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 발가락 및 관절부를 구비하여 보행 시 접지력을 향상시키고, 보폭의 손실이 없으며, 흔들리거나 넘어질 우려가 없는 2족 보행 로봇을 제공하는 데 있다.

본 고안의 다른 목적은 수레의 승차감을 향상시키고, 지면 또는 외부 충격으로부터 로봇이 받는 충격을 감소시킬 수 있는 2족 보행 로봇을 제공하는 데 있다.

본 고안은 발가락 부재; 하단에 상기 발가락 부재가 연결되는 발 부재를 구비하고, 상단에 링크 연결부가 구비된 정강이부로 이루어진 종아리 부재; 상기 발가락 부재와 상기 발 부재를 연결하는 축을 구비하고, 보행 시 꺾임을 복원시키는 복원 스프링으로 구성된 발가락 관절부; 상기 링크 연결부와 몸통을 연결하는 연결 링크, 상기 링크 연결부의 선단과 캠을 연결하는 추진 링크, 상기 캠과 연결되고 하단은 상기 연결 링크의 중앙 하부측에 연결된 절첩 링크로 구성된 링크 유닛; 상기 캠을 회전시켜 추진 링크와 절첩 링크를 회전시키고, 이들 링크의 회전에 의해 종아리 부재가 꺾이거나 펼쳐지며 보행이 이루어지도록 하는 동력부; 머리와 팔 부재가 조립된 몸통; 상기 몸통에 구비되며, 상기 팔 부재의 어깨 부위가 조립되는 제 1완충부; 상기 몸통과 링크부를 연결하되, 보행 따른 충격을 완충시키는 제 2 완충부 : 및 상기 모터의 회전 속도를 제어하되, 머리부에 구비된 감지 센서의 신호에 따라 모터를 제어하여 보행 속도를 조절하는 마이컴;으로 구성된 기술적인 특징을 갖는 것으로 달성된다.

본 고안은 첫째, 발가락 부재를 구비하여 보행 시 디딤 면적을 확보하고, 로봇이 미끄러지거나 균형을 잃는 일이 없도록 하며, 보행이 자연스러운 효과를 갖는 고안이다.

둘째, 본 고안은 다리와 몸통, 팔과 몸통 사이에 완충부를 구비하여 보행 시 지면으로부터 혹은 외부 충격으로부터 로봇은 물론 탑승자를 보호할 수 있는 고안이다.

셋째, 본 고안은 디딤 발과 내딛는 발이 정확한 간격으로 유지될 수 있도록 구성하여 기 설정된 보폭에 손실이 발생하지 않도록 하며, 구조는 간단하면서 정확한 동작으로 보행할 수 있는 로봇이다.

도 1은 본 고안에 따른 로봇의 정면도,
도 2는 본 고안에 따른 로봇의 사시도,
도 3은 본 고안에 따른 로봇의 일측면도,
도 4는 본 고안에 따른 로봇의 정면도,
도 5는 본 고안에 따른 로봇의 요부 확대도,
도 6은 본 고안에 따른 로봇의 또 다른 요부 확대도,
도 7a, b는 본 고안에 따른 로봇에 적용되는 발 가락 부재의 확대도,
도 8은 본 고안에 따른 로봇에 적용되는 블록도,

이하 본 고안의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

설명에 앞서, 개시되는 실시 예들은 본 고안의 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로, 이에 의해 본 고안이 한정되지 않는다. 본 고안의 실시예들은 본 고안의 기술적 사상 및 범위 내에서 다른 형태로 변형될 수 있다. 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다. 본 명세서에서 다른 구성요소 '상에' 위치한다는 것은 일 구성요소 상에 다른 구성요소가 직접 위치한다는 의미는 물론, 상기 일 구성요소 상에 제 3의 구성요소가 더 위치할 수 있다는 의미도 포함한다.

본 명세서 각 구성요소 또는 부분 등을 제1, 제2 등의 표현을 사용하여 지칭하였으나, 이는 명확한 설명을 위해 사용된 표현으로 이에 의해 한정되지 않는다. 도면에 표현된 구성요소들의 두께 및 상대적인 두께는 본 고안의 실시예들을 명확하게 표현하기 위해 과장된 것일 수 있다. 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 고안의 실시 예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.

먼저, 본 고안에 첨부된 도 1은 본 고안에 따른 로봇의 정면도이고, 도 2는 본 고안에 따른 로봇의 사시도이며, 도 3은 본 고안에 따른 로봇의 일측면도를 도시한 것이다.

또한, 첨부된 도 4는 본 고안에 따른 로봇의 정면도이고, 도 5는 본 고안에 따른 로봇의 요부 확대도이며, 도 6은 본 고안에 따른 로봇의 또 다른 요부 확대도이고, 도 7a, b는 본 고안에 따른 로봇에 적용되는 발 가락 부재의 확대도를 나타낸 것이며, 도 8은 본 고안에 따른 로봇에 적용되는 블록도이다.

도면에서, 본 고안의 로봇(100)은, 수레를 끄는 2족 보행 로봇으로, 머리와 몸통과 팔과 다리를 갖는다.

상기 수레(10)는 2인용 또는 4인용으로 구성될 수 있으며, 본체(20)에 바퀴(30)가 마련되고, 탑승자가 앉을 수 있는 좌석(22)이 마련되며, 본체의 전방으로 로봇(100)과 연결될 수 있도록 하는 연결바(40)가 갖추어진 구성이다.

물론, 이러한 형태 및 도면에 도시된 수레의 형상은 하나의 실 예이고, 다른 형태 및 구성으로 제작될 수 있는 것은 당연한 것이다.

본 고안의 로봇(100)은, 머리(122)가 구비된 몸통(120)과, 이 몸체(120)의 어깨 부위에 팔 부재(140) 및 어깨 관절(160)이 갖추어진 구성이다.

상기 팔 부재(140)는 상완부와 팔뚝이 대략 "ㄴ"자 형상으로 꺾인 상태이고, 선단 즉 손 부위에 상기 연결바(40)가 연결되도록 하되, 경우에 따라서는 이 손 부위에 구멍을 형성하여 연결바(40)를 끼워 고정하는 방법도 있다.

상기 어깨 관절(160)은 단면은 후술하는 브라켓트(422)와 연결되고, 이 브라켓트(422)와 몸통(120) 사이에 제 1완충부(420)가 구비되는 구성이다. 이 완충부에 대해서는 후술한다.

상기 몸통(120)의 하부에는 보행이 이루어지도록 하는 보행 수단이 구비된다.

이 보행 수단은 왼 다리와 오른 다리로 구성된 2족 보행 형태이고, 각 다리는 동일한 구성으로 이루어진다. 즉 상기 오른 다리와 왼 다리 각각은 발가락 부재(320)와 종아리 부재(300) 및 넙 다리 부위에 해당하며 보행을 가능하게 하는 링크 유닛(200) 및 각각의 관절부로 구성된다.

상기 발가락 부재(320)는 본 고안의 주요 특징 중 하나이다.

이 발가락 부재(320)는 보행 시, 추진력을 향상시킴은 물론 보폭의 손실을 방지하고, 보행 모습 및 속도 유지가 안정적이며, 또한 접지력을 향상시킬 수 있다.

상기 발가락 부재(320)는 보행 환경이 달라지거나 지면이 고르지 않는 등의 상황에서도 꺾임 및 펼침 동작으로 대처가 가능하며 균형 유지에 도움을 줄 수 있는 것으로, 발가락 관절부(360)에 의해 발 부재(340)와 연결된다.

상기 발가락 관절부(360)는, 발가락 부재(320)의 후단부에 구비된 축공(364)과 발 부재(320)의 선단에 형성된 축 구멍(362)으로 구성되며, 이들을 관통하여 관절 중심을 이루는 축(366)으로 구성된다.

또한, 상기 발가락 부재의 선단에 형성된 구멍(322)에 스프링 걸이(322a)를 구비하고, 이 스프링 걸이(322a)와 발 부재(340) 선단 사이에 스프링(322b)을 설치하여 발가락 부재의 꺾임 시에는 다리 및 몸통을 지탱하도록 함과 아울러 용이하게 펼쳐질 수 있도록 한다.

상기 스프링(322b)은 설치되는 위치에 따라 인장 또는 압축 스프링으로 구성될 수 있다.

도면 322c는 논 슬립 부재이다. 이 논 슬립 부재는 삼각형상으로 뾰족하게 구성되어 접지력을 향상시키며, 아울러 미끄럼을 방지하는 것이다.

상기 종아리 부재(300)는 오른 다리 및 왼 다리 각각이 동일하게 2개의 정강이부(380)로 구성되며, 각 정강이부(380)의 하단에 상기 발 부재(340)가 일체로 구성되고, 상단부에는 링크 연결부(382)가 갖추어진 구성으로, 정강이부(380)가 후술하는 연결 링크의 양측에 맞대어진 상태로 조립되는 구성이다.

아울러, 상기 발가락 부재(320)는 도면과 같이 3개로 구성된다. 즉, 2개 발 부재 사이와 양측 발 부재에 맞대어져 조립되는 것으로, 안정적인 보행을 가능하게 한다.

상기 링크 유닛(200)은 몸통(120)과 연결되는 고정 링크(260)와 상기 링크 연결부(382)를 연결하는 연결 링크(220)와, 상단은 캠(280)과 연결되고 하단은 상기 링크 연결부(282)의 선단과 연결되는 추진 링크(240)로 구성된다.

상기 캠(280)은 구동 모터(282)와 연결된 구성이다.

상기 완충부(400)는 보행 시, 노면으로부터 혹은 외부 충격으로 로봇 및 수레에 탑승한 탑승자를 보호한다.

상기 완충부(400)는, 몸통과 팔 부재의 어깨 부위에 사이에 구비되는 제 1완충부(420)와 상기 링크 유닛(200) 상부에 설치되어 몸통(120)에 설치되는 제 2완충부(440)로 구성된다.

상기 제 1,2 완충부(420)(440)는 링크 유닛 또는 어깨와 연결되는 브라켓트(422)(442)와 이 브라켓트에 고정되는 고정축(424)(444) 및 완충 스프링(426)(446)으로 구성된다.

상기 각각의 브라켓트(422)(442)는 몸통(120)의 안쪽에 설치되고, 고정축(424)(444)을 상기 스프링(426)(446)이 탄성 지지하여 보행 중 지면에서 혹은 외부에서 충격이 가해지면, 이 스프링이 충격을 완충시킴으로써, 로봇은 물론 수레에 탑승한 탑승자를 보호하는 것이다.

상기 스프링(426)(446)은 도면과 같이 3방향 또는 2방향 또는 그 이상으로 지지될 수 있으며, 경우에 따라서는 완충 패드가 같이 구비될 수 있으며, 경우에 따라서는 상기 브라켓트에 직접 스프링으로 지지하여 충격을 흡수하는 방법도 있다. 또한, 제1, 2완충부는 수레에서 전달되는 충격을 완충시켜 로봇을 보호할 수 있는 것은 물론이다.

도면 중 202는 무릎 관절로써, 이를 중심으로 무릎이 꺾이거나 펼쳐지며 보행이 이루어진다.

본 고안은 상기 구동 모터(282)를 제어하는 마이컴(500)과 감지 센서(600)가 갖추어진 구성이다.

상기 마이컴(500)은 컨트롤러 즉 on/off 스위치를 포함하며, 이 스위치에 의해 모터가 동작하며, 또한 상기 감지 센서에서 입력된 신호에 따라 유선 또는 무선으로 모터를 제어하기도 한다. 즉 기 입력된 회전 속도 또는 컨트롤러에 의해 새로이 입력된 회전 속도에 따라 모터(282)를 제어하여 보행 속도를 조절한다.

다시 말해, 상기 감지 센서(600)는 지형을 감지할 수 있다. 즉 상기 마이컴은 로봇의 종앙리 부재 또는 수레의 바퀴 부분에 설치되어 전방의 경사도 및 걸림턱을 감지하여 마이컴에 입력하면, 마이컴은 지형 또는 굴곡지거나 또는 지면이 고르지 못한 것을 판단하고, 모터의 회전 속도를 저하시켜 보행 속도를 조절함으로써, 안전 운행이 가능하도록 한다.

상기 감지 센서의 다른 형태로, 탑승자를 감지할 수 있다. 즉, 수레에 사람이 탑승하여 완전히 착석이 이루어지면, 감지 센서는 그 신호를 마이컴에 입력하고, 마이컴은 모터를 회전시켜 운행하도록 하는 것이다. 물론, 착석이 이루어지지 않은 상태에서는 감지 센서는 동작하지 않는다.

다른 한편으로, 상기 마이컴에는 지형도가 입력될 수도 있다. 이 지형도는 3D 지형도 또는 수치 지형도로써, 마이컴은 이를 바탕으로 경사면, 굴곡면에서 속도가 조절될 수 있도록 하며, 아울러 거리 및 경로를 설정하여 운행할 수도 있다.

다음은 이와 같은 구성으로 이루어진 본 고안의 동작 과정을 설명한다.

수레(20)에 탑승자가 탑승하면, 외부 전원 또는 감지 센서의 신호에 따라 마이컴이 모터를 동작시킨다. 모터(282)가 동작하면 캠이 회동하여 이와 연결된 추진 링크(240)를 회전시킨다.

추진 링크(240)가 회전하면, 이 추진 링크와 연결된 링크 연결부(382)의 선단을 끌어올리고, 링크 연결부(382) 후단부는 후방측 무릎 관절부를 중심으로 꺽이면서 동시에 들어 올려진다.

즉 추진 링크(240)가 하사점에서 중간 그리고 상사점에 도달하면 다리는 완전히 들어 올려지고, 연속하여 회전하면, 발을 내 딛어 전진하게 되는 것이다.

이때, 발 부재(340)는 발가락 부재(320)가 먼저 지면에 닿게 되고 동시에 발가락 부재(320)가 꺾이면서 지탱함으로써, 발 부재가 밀려나거나 미끄러짐 없이 디디게 되는 것이다.

또한 발가락 부재(320)에 구비된 스프링(322b)이 발가락 부재를 복원 즉 항상 당기고 있으므로, 발가락 부재의 접지력을 향상되는 것은 당연한 것이다.

100 : 로봇 120 : 몸통
140: 팔 부재 200 : 링크 유닛
220 : 연결 링크 240 : 추진 링크
260 : 절첩 링크 280 : 캠
300 : 종아리 부재 320 : 발가락 부재
360 : 발가락 관절 400 : 완충부
500 : 마이컴

Claims

발가락 부재;
선단에 상기 발가락 부재가 연결되는 발 부재를 구비하고, 상단에 링크 연결부가 구비된 정강이부로 이루어진 종아리 부재;
상기 발가락 부재와 상기 발 부재를 연결하는 축을 구비하고, 보행 시 발가락 부재의 꺾임을 복원시키는 복원 스프링이 갖추어진 발가락 관절부;
상기 종아리 부재의 링크 연결부와 몸통을 연결하는 연결 링크와 상기 링크 연결부의 선단과 캠을 연결하는 추진 링크 및 상기 캠과 연결되고 하단은 상기 연결 링크의 중앙 하부측에 연결된 절첩 링크로 구성된 링크 유닛;
상기 캠을 회전시켜 추진 링크와 절첩 링크를 회전시키며, 이들 링크의 회전에 의해 종아리 부재가 꺾이거나 펼쳐지며 보행이 이루어지도록 하는 동력부;
머리와 팔 부재가 조립된 몸통;
상기 몸통에 구비되며, 상기 팔 부재의 어깨 부위가 조립되며 스프링의 탄성력으로 충격을 완충시키는 제 1완충부;
상기 몸통과 링크부를 연결하되, 스프링의 탄성력으로 보행 따른 충격을 완충시키는 제 2 완충부;를 포함하는 2족 보행 로봇.
제 1항에 있어서, 상기 종아리 부재는 2개의 정강이부로 구성되며, 각 정강이 부재의 하단에 발 부재가 구비되고, 이 발 부재의 선단에 발가락 관절에 의해 발가락 부재가 구비된 것을 포함하는 2족 보행 로봇.
제 2항에 있어서, 상기 발가락 부재는 3개로 구성되어 정강이부의 중앙과 외측면 각각에 맞대어진 상태로 조립되는 것을 포함하는 2족 보행 로봇.
제 1항에 있어서, 상기 발가락 관절부의 복원 스프링은 발가락 부재의 선단에 구비된 스프링 걸이와 발 부재의 선단 사이에 설치되는 것을 포함하는 2족 보행 로봇.
제 1항에 있어서, 상기 제1, 2완충부는 브라켓트를 구비하고, 이 브라켓트에 고정된 고정축이 구비되며, 상기 고정축 또는 브라켓트를 탄력 지지하는 스프링으로 구성된 것을 포함하는 2족 보행 로봇.
제 1항에 있어서, 상기 발가락 부재의 저면에 삼각형상이 연속적으로 배치되는 논 슬립 부재가 구비된 것을 더 포함하는 2족 보행 로봇.