KR20130014286A - 저전력 보행이 가능한 4족 로봇의 구현 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 4족 로봇 보행 시 사용되는 전력소비를 줄이기 위하여 2 자유도 갖는 허리관절에 관한 것으로서, 상기 4족 로봇은 2 자유도 허리관절을 단일 몸체를 상체, 하체 몸체부로 나누어 그 사이에 설치하는 것으로, 상체 하체 허리관절을 결합하는 고정대와 결합판을 가지며, 하체 몸체부에는 상체 몸체부와 결합되어 구동 모터 회전축으로부터 상하 방향 움직임이 가능하며, 하체 몸체부에는 상체 구동 모터와 하체 구동 모터와 결합판을 가지며 결합되고 하체 구동 모터 회전축으로부터 좌우 방향 움직임이 가능한 구조를 구비함으로써,
4족 로봇 보행 시 각각 다리 무릎을 덜 구부리게 됨으로써 한쪽 다리에만 집중되는 토크를 감소시켜 보다 작은 토크로 보행이 가능하며 전체적인 보행 궤적이 줄어들게 함으로써 4족 로봇 보행을 위한 전체 소비전력이 절감하는 것을 특징으로 한다.

Description

저전력 보행이 가능한 4족 로봇의 구현 방법 {A Method for Implemenlation of Quadruped Robot with Low Power Walking}

본 발명은 허리 관절을 갖는 4족 로봇에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 허리 관절을 갖지 않는 기존 4족 로봇의 보행속도, 자세, 전력소비 등을 개선한 것으로, 허리 관절에 상하 움직임이 가능한 자유도와 좌우 움직임이 가능한 자유도를 추가한 구조에 관한 것이다.

4족 로봇은 4개의 다리를 이용하여 연속적인 보행 패턴으로 걸음걸이가 수행되는 보행로봇이다. 일반적으로 4족 로봇은 인간을 대신하여 위험, 반복, 정밀, 대규모 다량의 작업을 수행한다. 상기 로봇은 로봇 기술의 발전에 기초하여 산업, 군사, 교육 등과 같은 다양한 분야에서 사용되고 있다.

4족 로봇은 평탄지형 및 비평탄 지형을 보행하며 주어진 작업을 수행하는 경우가 많으며 이러한 4족 로봇에 있어서 보행 속도, 패턴, 에너지 활용도는 필수적인 기술이다.

이에 따라 4족 로봇의 보행 속도, 패턴 및 에너지 활용에 대한 기술이 연구되고 있다.

특히, 비평탄 지형에서 보행을 할 때 로봇의 소비 에너지를 절약하여 오랜 시간 보행이 가능한 로봇 장치에 대한 기술이 연구되고 있다.

더욱이, 근래에 들어 열악한 환경에 사용자의 임무를 대신할 수 있도록 위험 지역에서 위험물 탐지와 사고 지역에서 인명 탐지용으로 사용할 수 있고, 야전에서 정찰, 감시, 폭발물 탐지용 등과 같은 군사용으로 사용될 수 있는 4족 보행 로봇이 개발되고 있다.

이와 같은 4족 로봇은 다음과 같은 구성을 갖는다.

종래의 4족 로봇은 단일 몸체와 4개의 다리에 각각의 자유도로 구성된다. 또한, 상기 4개의 다리는 각각의 자유도에 배치된 구동 모터에 의해 구동된다.

따라서, 모터는 외부지형에 따라 보행 패턴을 생성하며 몸체를 이동시킨다.

그러나, 종래의 상기 단일 몸체와 항상 무릎을 구부리고 있는 보행 자세 지니고 있어, 평지 보행이나 비평탄 지형을 보행할 때 경사면에 있는 다리가 무릎을 더 사용하기 때문에 많은 힘이 필요로 하기 때문에 구동 모터에 많은 토크가 발생하게 된다.

따라서, 소비전력이 높아져 오랜 시간 사용이 불가능한 문제점을 지닌다.

또한, 단일 몸체의 구조로 한정되어 있는 보행 패턴으로 자연스러운 보행과 빠른 보행이 불가능한 문제점을 갖는다.

한편, 근래에 들어 주행 로봇은 열악한 환경과 비좁은 지형에서 사용자의 임무를 대신하거나, 위험 지역에서 위험물을 탐지하고, 사고 지역에서 인명 탐지용으로 사용할 수 있도록 주변 상황을 관찰할 수 있는 로봇이 필요로 하고 있다.

또한, 바퀴 구동형은 비교적 적은 에너지로 평지에서의 이동이 용이하지만, 장애물이나 계단, 비평탄 지형에서는 이동성이 제약될 수 있다.

따라서, 상기 4족 로봇은 야전에서 정찰, 감시, 폭발물 탐지용으로 군사용으로 사용되는 경우에 정형화된 환경뿐만 아니라 불규칙한 환경에서도 이동이 용이한 기술이 요구되고 있다.

따라서, 본 발명의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 제 1목적은, 2 자유도 허리관절을 사용하는 동작을 적용하여, 평탄지형과 비평탄 지형에서 보행 시 앞으로 나가기 위한 다리 스윙으로 인한 구동 모터 토크와 경사가 있는 다리쪽 무릎에 많이 걸리는 구동 모터 토크를 분산 및 보행 중 무릎을 많이 사용하는 구간을 개선함으로써 전체 소비 전력을 줄임으로써 오랜 시간 사용이 가능한 4족 로봇을 제공함에 있다.

본 발명의 제 2목적은 보행 시 앞뒤 다리의 보폭을 2 자유도를 갖는 허리관절 동작을 적용하여 각각의 다리 보행 궤적을 넓게 이동함으로써 빠른 보행이 가능한 4족 로봇을 제공함에 있다.

본 발명의 제 3목적은 각각의 자유도인 구동 모터 토크를 줄여 제작비용을 절감할 수 있는 4족 로봇을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 단일 몸체를 가지고 있는 4족 로봇은 비평탄 지형에서 보행 시 경사가 있는 다리 쪽에 있는 구동 모터에 많은 토크가 인가되어 전력 소비가 발생하여 오랜 시간 사용이 불가능하였다. 따라서, 4족 로봇의 전체적인 전력소비를 줄이기 위한 구조에 있어서, 4족 로봇의 허리 상체 및 하체 몸체부 사이에 2 자유도 허리 관절이 구동 모터가 설치되며, 1 자유도를 갖는 구동 모터는 상체 몸체부에 결합판을 가지며, 나머지 자유도 구동 모터에 대해서는 하체 몸체부에 결합판을 지니고 있다. 또한, 구동 모터들은 서로 결합되어 고정이 되어 있다.

상체 몸체부 1 자유도 구동 모터는 좌우 움직임이 가능하고, 하체 몸체부 1 자유도 구동 모터는 상하 움직임이 가능하게 결합되어, 지형에 따라 허리의 움직임을 자유롭게 사용할 수 있어 4족 로봇에 소비되는 토크 및 소비 전력을 줄이는 것을 특징으로 한다.

또한, 토크 소비를 줄임으로써 4족 로봇의 제작비용이 절감되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 상체 몸체부와 하체 몸체부에는 로봇의 보행 시 서로 이탈되지 않도록 걸림시키는 이탈방지걸림대를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 2 자유도 허리관절을 갖는 4족 로봇 구조는, 비평탄 지형에서 보행 시 경사가 있는 다리쪽에 많은 토크가 발생하는 것을 2 자유도 구동 모터 허리 관절을 사용하여 각각의 다리의 무릎을 덜 구부리게 됨으로써 한쪽에만 치중되던 토크를 감소시켜 보다 작은 토크로 보행이 가능하며 전체적인 보행 궤적이 줄어들게 됨으로써 소비전력이 감소되고 오랜 시간 로봇 사용이 가능한 효과를 지닌다.

또한, 2 자유도 구동 모터 허리관절에 의한 좌우 방향과 상하 방향으로 대응되게 움직임으로써, 구동다리와 구동다리 사이의 보폭이 일반 단일 몸체를 가진 4족 로봇보다 보행 시 보폭 넓어져 빠른 보행 및 다양한 보행 자세를 취할 수 있는 효과를 제공한다.

도 1은 종래의 허리관절이 없는 4족 로봇의 상태도.
도 2는 본 발명에 따른 2자유도 허리관절을 가지는 4족 로봇 사시도.
도 3은 도 2에 따른 4족 로봇의 허리관전을 나타낸 분해 사시도.
도 4는 도 3에 따른 x축과 y축 방향으로 움직이는 상체 허리관절과 결합된 모습을 나타낸 분해 사시도.
도 5는 도 3에 따른 상하 방향으로 움직이는 하체 허리관절과 결합된 모습을 나타낸 분해 사시도.
도 6은 도 2에 따른 2자유도 상부 허리관절을 갖는 4족 로봇이 실제 사용되는 모습을 나타낸 실시도.
도 7은 도 2에 따른 2자유도 하부 허리관절을 갖는 4족 로봇이 실제 사용되는 모습을 나타낸 실시도.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니되고, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명에 의한 바람직한 실시 예의 허리 관절을 갖는 4족 로봇에 대한 사시도, 도 3, 도 4, 도 5는 도 2의 분해 사시도, 도 6은 본 발명의 의한 바람직한 실시 예의 허리관절을 사용하여 계단을 오르는 저전력 보행이 가능한 4족 로봇 실시도이다.

본 발명은 상체 허리관절(100)과 하체 허리관절(200)로부터 상체 몸체부(600), 하체 몸체부(700)으로 나눈다.

도시된 바와 같이 본 실시 예에 의한 저전력 보행이 가능한 4족 로봇은, 상체 허리 관절(100)은 상체 허리관절 결합판(300)과 결합되고 상체 구동 모터(500) 회전축에 의해 상체 허리 관절(200)이 좌우 방향 움직임이 가능하고, 하체 허리 관절(200)은 하체 허리 관절 결합판(310)과 결합되고 하체 구동 모토(510) 회전축에 의해 하체 허리 관절(200)이 상하 움직임이 가능하게 된다. 이때 상체 허리 관절 결합판(400)과 하체 허리 관절 결합판(310)은 십자가 형태로 결합된다. 또한, 상체 허리 관절(100)은 상체 몸체부 결합판(400)을 통해 상체 몸체부(600)와 결합되고, 하체 허리 관절(200)은 하체 몸체부 결합판(410)을 통해 하체 몸체부(700)와 결합되어, 상체 몸체부(600)와 하체 몸체부(700)로 독립적인 몸체를 지니며, 그 사이에는 좌우 방향을 담당하는 상체 허리관절(100)과 상하 방향을 담당하는 하체 허리 관절(200)의 구조를 지닌다.

상체 몸체부(600)에는 4족 로봇의 보행을 위한 제 1 구동다리(800), 제 2 구동다리(810) 구비하며, 이와 같이 하체 몸체부(700)에도 제 3 구동다리(830), 제 4 구동다리(840)를 구비하여 4족 로봇이 지형에 적합한 보행궤적을 생성하여 각각의 구동다리를 순서에 따라 보행을 한다.

비평탄 지형을 보행할 때 경사면에 있는 구동다리 무릎을 더 사용하기 때문에 많은 힘이 필요로 하기 때문에 많은 토크가 발생하여, 사용되는 토크만큼 소비전력도 많아지게 된다.

소비 전력을 줄이기 위해 한쪽 경사면 구동 다리에 치중되던 토크를 허리 관절 구동 모터로 분산하여 토크 사용량을 줄이고 또한 허리관절을 통해 보행 궤적의 안정화를 꾀하여 각각의 구동 다리의 토크 사용량을 줄일 수 있게 된다. 이를 통해 4족 로봇에 사용되는 전체 소비 전력은 감소한다.

토크 사용량을 줄이고 소비전력을 감소시키기 위하여 4족 로봇은 허리 관절을 갖는 몸체 구조를 지닌다. 다음과 같이 허리 관절 움직임은, 상체 허리관절(100)은 상체 구동 모터(500) 회전축으로부터 좌우 방향으로 움직이며, 평탄 지형 보행에서 기존 다리 보폭과 상체 허리 관절(100) 각을 포함하게 되므로 더 넓은 보폭으로 빠르게 보행을 할 수 있으며, 이를 통해 기존 4족 로봇 평탄 지형 보행에 있어 같은 보폭거리에 허리 관절 각을 포함한 4족 로봇 보행으로 이동거리 대비 소비전력 감소할 수 있다. 하체 허리관절(200)은 하체 구동 모터(510) 회전축으로부터 상하 방향으로 움직이며 비평탄 지형 보행에서 경사가 있는 다리쪽에 많은 토크가 발생되는 것을 하체 허리 관절(200)을 사용하여 한쪽 구동 다리 무릎이 덜 구부리게 되어 구부린 만큼 사용되는 토크를 감소시킬 수 있게 되어 보다 작은 토크로 보행이 가능하며 전체적인 보행 궤적이 줄어들게 됨으로써 소비 전력이 감소된다.

이러한, 상기 상체 허리관절(100), 하체 허리관절(200)로부터 구동다리와 구동다리 사이의 보폭이 넓어져 빠른 보행 및 다양한 보행 자세를 취할 수 있고, 보다 적은 토크로 보행이 가능하며 전체적인 보행 궤적이 줄어들게 됨으로써 전체 소비전력을 줄일 수 있다.

100 : 상체 허리 관절 200 : 하체 허리 관절
300 : 상체 허리 관절 결합판 310 : 하체 허리 관절 결합판
400 : 상체 몸체부 결합판 410 : 하체 몸체부 결합판
500 : 상체 구동 모터 510 : 하체 구동 모터
600 : 상체 몸체부 700 : 하체 몸체부
800 : 제 1 구동다리 810 : 제 2 구동다리
830 : 제 3 구동다리 840 : 제 4구동다리
900 : 계단

Claims (17)

1. 상기 4족 로봇 몸체 중앙에 각각의 상체 허리 관절과 하체 허리 관절을 설치하여 좌우/상하 방향으로 움직임이 가능한 상체 몸체부와 하체 몸체부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 저전력 보행이 가능한 4족 로봇.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 4족 로봇의 허리 관절은 적어도 1개 이상이 구비되는 것을 특징으로 하는 저전력 보행이 가능한 4족 로봇.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 4족 로봇의 허리 관절은 좌우/상하 움직임 가능하도록 2개가 배치되는 것을 특징으로 하는 저전력 보행이 가능한 4족 로봇.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 4족 로봇의 상체 허리 관절을 좌우 움직임이 가능하게 하는 상체 구동 모터를 가지는 것을 특징으로 하는 저전력 보행이 가능한 4족 로봇.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 4족 로봇의 하체 허리 관절을 상하 움직임이 가능하게 하는 하체 구동 모터를 가지는 것을 특징으로 하는 저전력 보행이 가능한 4족 로봇.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 상체 몸체부와 상체 구동 모터 사이에 두 부분을 결합시켜주기 위한 결합판이 구비되는 것을 특징으로 하는 저전력 보행이 가능한 4족 로봇.
7. 제 5항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 4족 로봇의 구동 모터는 구동이 가능한 DC모터나 서버모터인 것을 특징으로 하는 저전력 보행이 가능한 4족 로봇.
8. 제 1항에 있어서,
   상기 하체 몸체부와 하체 구동 모터 사이를 결합시켜주기 위한 결합판이 구비되는 것을 특징으로 하는 저전력 보행이 가능한 4족 로봇.
9. 제 1항에 있어서,
   상기 상체 허리 관절과 하체 허리 관절 사이를 결합시켜주기 위한 결합판이 구비되는 것을 특징으로 하는 저전력 보행이 가능한 4족 로봇.
10. 제 1항에 있어서,
    상기 상체 허리 관절과 하체 허리 관절 사이를 결합시켜주기 위한 결합판이 구비되는 것을 특징으로 하는 저전력 보행이 가능한 4족 로봇.
11. 제 6항 내지 어느 한 항에 있어서,
    상기 결합판은 결합물들의 이탈방지를 위한 철로 만들어진 결합판이나 알루미늄(Aluminum) 소재로 만들어진 결합판인 것을 특징으로 하는 저전력 보행이 가능한 4족 로봇.
12. 제 1항에 있어서,
    상기 4족 로봇 몸체는 외부의 충격을 견딜 수 있는 철이나 알루미늄(Aluminum) 소재인 것을 특징으로 하는 저전력 보행이 가능한 4족 로봇.
13. 제 1항에 있어서,
    상기 4족 로봇 발바닥 구조는 구동 모터를 포함하지 않고 막대 형태인 것을 특징으로 하는 저전력 보행이 가능한 4족 로봇.
14. 제 1항에 있어서,
    상기 4족 로봇 발바닥은 외부의 충격을 견딜 수 있는 철이나 알루미늄(Aluminum) 소재인 것을 특징으로 하는 저전력 보행이 가능한 4족 로봇.
15. 제 1항에 있어서,
    상기 4족 로봇의 다리는 보행궤적을 생성해주기 위해 다리당 적어도 3개 이상의 구동 모터를 구비되는 것을 특징으로 하는 저전력 보행이 가능한 4족 로봇.
16. 제 15항에 있어서,
    상기 4족 로봇의 다리당 구동 모터는 어깨 역할을 하는 구동 모터 1개와 무릎관절 역할을 하는 구동 모터 2개로 구비되는 것을 특징으로 하는 저전력 보행이 가능한 4족 로봇.
17. 제 1항에 있어서,
    상기 4족 로봇의 전체 구동모터는 적어도 14개 이상 구비되는 것을 특징으로 하는 저전력 보행이 가능한 4족 로봇.

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