KR20240073541A - 다리식 이동 로봇의 충격 완충 및 진동 저감 목 장치 - Google Patents

다리식 이동 로봇의 충격 완충 및 진동 저감 목 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다리식 이동 로봇의 충격 완충 및 진동 저감 목 장치가 개시된다. 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 다리식 이동 로봇의 충격 완충 및 진동 저감 목 장치는 복수개의 다리부가 몸체부를 지지하는 다리식 이동 로봇의 몸체부에 고정되어 충격과 진동을 흡수하는 완충장치; 상기 완충장치의 일부에 결합되어 카메라와 관성측정장치를 포함하여 구성되는 센서 플랫폼; 및 상기 센서 플랫폼 위에 장착되어 상기 다리식 이동 로봇의 이동에 의한 충격과 진동 흡수 주파수를 조정하는 가변 동흡진기; 를 포함하고, 상기 완충장치와 상기 가변 동흡진기는 상기 센서 플랫폼에 전달되는 충격과 진동을 저감시켜 상기 센서 플랫폼의 이동과 회전이 저감되도록 한다.

Description

다리식 이동 로봇의 충격 완충 및 진동 저감 목 장치 {NECK DEVICE FOR ABSORBING SHOCK AND SUPPRESSING VIBRATION FOR LEGGED MOBILE ROBOT}
본 발명은 다리식 이동 로봇의 충격 완충 및 진동 저감 목 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다리식 이동 로봇의 보행 중 발생하는 충격과 진동을 흡수하여 안정적인 시각 및 관성 센서 데이터를 얻기 위한 다리식 이동 로봇의 충격 완충 및 진동 저감 목 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 동흡진기는 진동 제어 분야에서 범용적으로 사용되는 고전적인 수단으로서, 상기 동흡진기는 구조물의 고유진동수에 동흡진기의 고유진동수를 튜닝하여 해당 구조물의 진동을 억제할 수 있도록 이루어진다.
현재, 가장 널리 사용되는 동흡진기는 가장 기본적인 형식인 외팔보에 질량을 부가하는 형태로 설계된다.
대한민국 등록특허공보 제10-1803742호에는 타원의 구속조건과 가변 길이형 외팔보 시스템을 이용한 동흡진기가 개시되어 있다.
종래 기술은 외팔보에 질량을 부가하는 형태로 설계된 동흡진기에서 외팔보의 구속조건을 타원 방정식을 이용하여 고유 진동수를 가변시킬 수 있도록 되어 있다.
종래의 동흡진기의 주파수 조정에 있어서는 외팔보의 구속조건을 타원 방정식을 이용하여 범위가 제한되며, 질량체나 질량체의 위치 변화에 따른 고유진동수의 변화가 커서 현장에서의 조정작업이 용이하지 못해 불편함이 따르는 문제점이 발생된다. 이에 따라 효율적인 진동제어가 어려운 문제가 있다.
한편, 근래에는 다리식 이동 로봇이 발전하면서 이에 대한 연구 개발이 진행되고 있다. 다리식 이동 로봇에는 다양한 센서들이 구비되어 활용도가 증대되고 있다.
예를 들어, 로봇에 카메라 센서와 관성측정장치(inertial measurement unit)를 사용한 시각 및 관성 정보기반 위치추정 방법은 각 정보의 상보적인 특성과 저렴한 가격 및 가벼운 무게로 로봇의 위치추정 시스템을 위해 많이 사용된다.
다리식 이동 로봇의 경우 보행에 있어 주기적인 다리와 지면 사이의 충격과 수직 움직임을 동반한다. 이때 발생하는 충격과 진동은 다리식 이동 로봇에 부착된 센서(카메라 센서, 관성측정장치)의 정보 획득을 방해하고 이를 통한 위치추정 시스템이 불안정하게 된다.
드론의 경우 유사한 진동 문제를 해결하기 위해 고무댐퍼, 나일론 링 등과 결합된 센서 플랫폼을 이용해 해결하고 있다. 이러한 방법은 한번 설치하고 나서 조정이 되지 않기 때문에 다리식 이동 로봇의 보행패턴에 따라 센서 플랫폼이 공진할 수 있다. 또한 진동흡수를 위해선 댐퍼의 강성이 낮을수록 유리한 반면, 충격이나 동적으로 움직일 때 댐퍼가 과도하게 변형될 수 있다. 이렇게 센서 플랫폼이 빠르게 움직이게 되면 카메라 센서에서 모션 블러가 생길 수 있고, 이는 위치추정에 이용되는 특징점 추출 및 추적 방법에 문제가 된다.
대한민국 등록특허공보 제10-1803742호
본 발명의 일 실시 예는 상기 종래 기술의 문제점을 극복하기 위하여 충격 완충 및 진동 저감을 하는 동시에 다리식 이동 로봇의 보행패턴에 맞추어 센서 플랫폼의 움직임을 안정화할 수 있는 다리식 이동 로봇의 충격 완충 및 진동 저감 목 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 복수개의 다리부가 몸체부를 지지하는 다리식 이동 로봇의 몸체부에 고정되어 충격과 진동을 흡수하는 완충장치; 상기 완충장치의 일부에 결합되어 카메라와 관성측정장치를 포함하여 구성되는 센서 플랫폼; 및 상기 센서 플랫폼 위에 장착되어 상기 다리식 이동 로봇의 이동에 의한 충격과 진동 흡수 주파수를 조정하는 가변 동흡진기; 를 포함하고, 상기 완충장치와 상기 가변 동흡진기는 상기 센서 플랫폼에 전달되는 충격과 진동을 저감시켜 상기 센서 플랫폼의 이동과 회전이 저감되도록 한다.
상기 완충장치는 상기 다리식 이동 로봇의 몸체부에 고정되는 고정판; 및 상기 고정판에 일측부분이 고정되고, 타측부분이 상기 센서 플랫폼에 고정되도록 복수개의 조인트와 연결 막대로 연결되는 복수개의 링키지; 를 포함한다.
상기 복수개의 링키지는 충격과 진동을 흡수하는 유압댐퍼와 스프링을 더 포함한다.
상기 가변 동흡진기는 상기 센서플랫폼에 결합되어 있는 액츄에이터; 상기 액츄에이터의 작동에 의해 회전되는 비틀림 스프링; 상기 비틀림 스프링에 연결되어 회전되는 가이드; 및 상기 가이드를 따라 이동되는 선형 스테핑 모터; 를 포함한다.
상기 가변 동흡진기는 상기 선형 스테핑 모터가 상기 가이드를 따라 이동함에 따라 상기 액츄에이터가 상기 가이드와 상기 선형 스테핑 모터가 수평을 이루도록 상기 비틀림 스프링을 회전시킨다.
본 발명에 따른 다리식 이동 로봇의 충격 완충 및 진동 저감 목 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 다리식 이동 로봇의 보행 중 발생하는 충격과 진동 흡수가 우수하여 안정적인 시각 및 관성 정보를 얻을 수 있다.
둘째, 고가의 진동 흡수 부재들에 비해 비용이 낮은 부재들을 이용하므로 다리식 이동 로봇의 제작 비용을 현저하게 절감하여 경제적이다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 다리식 이동 로봇의 충격 완충 및 진동 저감 목 장치의 구성을 나타내는 개략적인 모식도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 다리식 이동 로봇의 충격 완충 및 진동 저감 목 장치를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 다리식 이동 로봇의 충격 완충 및 진동 저감 목 장치의 전체 구성요소를 도식화하여 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 다리식 이동 로봇의 충격 완충 및 진동 저감 목 장치의 가변 동흡진기를 도식화하여 나타내는 모식도이다.
이하 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지는 않는다. 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시 예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있거나 접속되어 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 다리식 이동 로봇의 충격 완충 및 진동 저감 목 장치의 구성을 나타내는 개략적인 모식도이고, 도 2는 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 다리식 이동 로봇의 충격 완충 및 진동 저감 목 장치를 나타내는 모식도이며, 도 3은 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 다리식 이동 로봇의 충격 완충 및 진동 저감 목 장치의 전체 구성요소를 도식화하여 나타내는 모식도이고, 도 4는 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 다리식 이동 로봇의 충격 완충 및 진동 저감 목 장치의 가변 동흡진기를 도식화하여 나타내는 모식도이다.
도 1 내지 도 4를 함께 참조하면, 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 다리식 이동 로봇의 충격 완충 및 진동 저감 목 장치의 가변 동흡진기는 완충장치(100), 센서 플랫폼(200) 및 가변 동흡진기(300)를 포함하여 구성되어 있다.
본 발명에 따르면 완충장치(100)는 복수개의 다리부(12)가 몸체부(14)를 지지하여 이동하도록 구성되는 다리식 이동 로봇(10)의 몸체부(14)에 고정되어 충격과 진동을 흡수한다. 다리식 이동 로봇(10)의 다리부(12)는 관절모터와 지지바를 포함하여 몸체부(14)의 각각의 모서리 하측 부위에서 몸체부(14)를 지지하여 이동 가능하게 작동한다.
완충장치(100)는 고정판(110) 및 복수개의 링키지(120)를 포함하여 구성되어 있다.
고정판(110)은 판상형이며 상기 다리식 이동 로봇(10)의 몸체부(14)에 고정된다. 고정판(110)은 몸체부(14)의 길이 방향을 기준으로 단부측 상단에 결합되는 것이 바람직하다.
복수개의 링키지(120)는 각각 상기 고정판(110)에 일측부분이 고정되고, 타측부분이 상기 센서 플랫폼(200)에 고정되도록 복수개의 조인트와 연결 막대로 연결되어 있다.
복수개의 링키지(120)는 다리식 이동 로봇(10)의 이동에 따른 충격과 진동을 흡수하는 유압댐퍼와 스프링(130)을 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
센서 플랫폼(200)은 상기 완충장치(100)의 일부에 결합되어 카메라(210)와 관성측정장치(220)를 포함하여 구성되어 있다.
카메라(210)는 화상 또는 동영상 정보와 같은 시각 정보를 획득하며, 관성측정장치(220)는 상기 다리식 이동 로봇(10)이 이동함에 따라 위치 정보를 획득하게 된다.
센서 플랫폼(200)은 복수개의 링키지(120)에 연결되어 카메라(210)와 관성측정장치(220)가 전방을 향해 위치하는 것이 바람직하다. 카메라(210)가 위치하는 부분이 전방이고, 반대 방향이 후방이다.
가변 동흡진기(300)는 상기 센서 플랫폼(200) 위에 장착되어 상기 다리식 이동 로봇(10)의 이동에 의한 충격과 진동 흡수 주파수를 조정한다.
가변 동흡진기(300)는 액츄에이터(310), 비틀림 스프링(320), 가이드(330) 및 선형 스테핑 모터(340)를 포함하여 구성되어 있다.
액츄에이터(310)는 센서플랫폼(200)의 상측 부위에 결합부재(312)에 의해 결합되어 있다.
비틀림 스프링(320)은 상기 액츄에이터(310)의 회전 축에 결합되어 액츄에이터(310)의 작동에 의해 회전되되, 액츄에이터(310)에 의해 비틀림 스프링(320)의 일단이 힘을 받게 되어 비틀림 스프링(320)의 타단이 가이드(330)에 힘을 가하게 된다. 다리식 이동 로봇(10)이 작동 중에는 비틀림 스프링(320)의 탄성에 의해서만 가이드(330)의 움직임을 제어하게 된다.
가이드(330)는 일부분이 액츄에이터(310)에 의해 회전되는 비틀림 스프링(320)과 액츄에이터(310)가 고정되어 있는 결합부재(312)에 회전 가능하게 연결되어 있다. 그리고, 가이드(330), 카메라(210) 및 선형 스테핑 모터(340)는 평면을 기준으로 동일한 축에 위치하는 것이 바람직하다.
가이드(330)는 상기 비틀림 스프링(320)에 연결되어 회전된다. 즉, 가이드(330)는 상기 액츄에이터(310)의 회전 방향에 따라 액츄에이터(310)에 의해 비틀림 스프링(320)의 일단이 힘을 받게 되어 비틀림 스프링(320)의 타단에 의해 회전하게 된다.
선형 스테핑 모터(340)는 상기 가이드(330)를 따라 이동되도록 구성되어 있다. 선형 스테핑 모터(340)는 회전함에 따라 상기 가이드(330)의 가이드 봉(332)을 따라 이동하게 된다.
선형 스테핑 모터(340)에는 하중을 조절하는 질량추가 추가 장착되어 하중 조절을 할 수 있다.
가변 동흡진기(300)는 상기 선형 스테핑 모터(340)가 상기 가이드(330)를 따라 이동함에 따라 상기 액츄에이터(310)가 상기 가이드(330)와 상기 선형 스테핑 모터(340)가 수평을 이루도록 상기 비틀림 스프링(320)을 회전시킨다.
이에 따라, 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 다리식 이동 로봇의 충격 완충 및 진동 저감 목 장치의 가변 동흡진기는 상기 완충장치(100)와 상기 가변 동흡진기(300)는 다리식 이동 로봇(10)의 이동에 의해 상기 센서 플랫폼(200)에 전달되는 충격과 진동을 저감시켜 상기 센서 플랫폼(200)의 이동과 회전이 저감되도록 한다.
본 발명의 하나의 실시 예에 따른 다리식 이동 로봇의 충격 완충 및 진동 저감 목 장치는 전체 작동을 제어하도록 연산처리를 수행하는 마이크로프로세서를 포함하는 제어부와 전원을 공급하는 전원장치를 더 포함하여 구성될 수 있다.
도 1 내지 도 4를 함께 참조하여 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 다리식 이동 로봇의 충격 완충 및 진동 저감 목 장치의 작동 관계를 설명하면, 다리식 이동 로봇(10)이 이동을 하게 되면 충격과 진동이 완충장치(100)로 전해진다. 그리고, 완충장치(100)로 전해진 충격과 진동은 센서 플랫폼(200)과 가변 동흡진기(300)로 전해진다. 완충장치(100)와 가변 동흡진기(300)는 가해지는 충격과 진동을 흡수하게 된다.
가변 동흡진기(300)는 센서 플랫폼(200) 위에 장착되어 다리식 이동 로봇(10)의 이동에 의한 충격과 진동 흡수 주파수를 조정하게 된다.
가변 동흡진기(300)의 가이드(330)는 다른 질량에 비해 충분히 가벼워 값이 0으로 무시할 수 있다는 가정과 함께 다리식 이동 로봇의 충격 완충 및 진동 저감 목 장치 전체의 위치에너지(Potential Energy) V와 운동에너지(Kinetic Energy) T는 다음과 같이 각각 식 1 및 식 2로 나타낼 수 있다.
식 1:
식 2:
(여기서, u는 다리식 이동 로봇의 높이, y는 센서플랫폼의 높이, 은 센서플랫폼의 질량, 는 가변 동흡진기의 질량체 질량, k1은 완충장치의 스프링 강성, k2는 가변 동흡진기의 비틀림 스프링 강성, b는 완충장치의 댐퍼의 댐핑 상수, r은 가변 동흡진기의 비틀림 스프링 중심으로부터 질량체 무게중심까지의 거리, θ는 가변 동흡진기의 가이드 회전 각도, θm은 가변 동흡진기의 엑츄에이터 회전 각도)
여기서, 오일러-라그랑주 방정식(Euler-Lagrange equation) 으로 하기 식 3 및 식 4의 장치 전체의 동역학 시스템 수식을 구한다.
식 3:
식 4:
(여기서, : 일반화 좌표(generalized coordinates), L=T-V: 라그랑지안(Lagrangian), τ: 일반화 힘(generalized force))
가변 동흡진기는 평형상태(steady state)에서 가이드가 수평을 이루기 위해 θ=0이면, 엑츄에이터의 회전각도 θm을 구하여 (), 하기 식 5 및 식 6의 동역학 시스템 수식을 선형화한다. 가이드(330)의 회전각도는 충분히 작은 것으로 가정한다.
식 5:
식 6:
이어서, 상기 식 5 및 식 6의 동역학 시스템 수식을 통해 하기 식 7의 다리식 이동 로봇의 수직 움직임 입력 u에 대한 센서플랫폼의 움직임 출력 y의 전달함수(transfer function)를 구한다.
식 7:
입력 주파수 u에 대한 출력의 진폭은 로 결정되고, 이에 따라 주파수 에서 출력의 진폭이 0이 됨을 알 수 있다.
즉, 목표 입력 흡수 주파수 ωt에 대하여 질량체의 거리 r을 로 선정하면 출력의 진폭이 0이 된다.
이는 주파수가 빠를수록 () 질량체의 거리를 가깝게 두어야 하는 () 경향성을 보인다.
상기의 동역학 해석은 다리식 이동 로봇의 다양한 속도의 주기적인 보행패턴에 따른 움직임과 충격을 질량체의 거리를 주파수에 맞추어 변경하여 센서플랫폼의 움직임을 안정화할 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 다리식 이동 로봇의 충격 완충 및 진동 저감 목 장치는 다리식 이동 로봇의 보행 중 발생하는 충격과 진동 흡수가 우수하여 안정적인 시각-관성 정보를 얻을 수 있고, 다리식 이동 로봇의 제작 비용을 현저하게 절감하여 경제적인 효과를 제공한다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 여러 가지 실시 가능한 예 중에서 당 업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 실시 예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 제시된 실시 예에만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 부가 및 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시 예가 가능함을 밝혀둔다.
10: 다리식 이동 로봇
12: 다리부
14: 몸체부
100: 완충장치
110: 고정판
120: 링키지
130: 스프링
200: 센서 플랫폼
210: 카메라
220: 관성측정장치
300: 가변 동흡진기
310: 액츄에이터
312: 결합부재
320: 비틀림 스프링
330: 가이드
332: 가이드 봉
340: 선형 스테핑 모터

Claims (5)

  1. 복수개의 다리부가 몸체부를 지지하는 다리식 이동 로봇의 몸체부에 고정되어 충격과 진동을 흡수하는 완충장치;
    상기 완충장치의 일부에 결합되어 카메라와 관성측정장치를 포함하여 구성되는 센서 플랫폼; 및
    상기 센서 플랫폼 위에 장착되어 상기 다리식 이동 로봇의 이동에 의한 충격과 진동 흡수 주파수를 조정하는 가변 동흡진기; 를 포함하고,
    상기 완충장치와 상기 가변 동흡진기는 상기 센서 플랫폼에 전달되는 충격과 진동을 저감시켜 상기 센서 플랫폼의 이동과 회전이 저감되도록 하는 것을 특징으로 하는
    다리식 이동 로봇의 충격 완충 및 진동 저감 목 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 완충장치는,
    상기 다리식 이동 로봇의 몸체부에 고정되는 고정판; 및
    상기 고정판에 일측부분이 고정되고, 타측부분이 상기 센서 플랫폼에 고정되도록 복수개의 조인트와 연결 막대로 연결되는 복수개의 링키지; 를 포함하는 것을 특징으로 하는
    다리식 이동 로봇의 충격 완충 및 진동 저감 목 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수개의 링키지는 충격과 진동을 흡수하는 유압댐퍼와 스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    다리식 이동 로봇의 충격 완충 및 진동 저감 목 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변 동흡진기는,
    상기 센서플랫폼에 결합되어 있는 액츄에이터;
    상기 액츄에이터의 작동에 의해 회전되는 비틀림 스프링;
    상기 비틀림 스프링에 연결되어 회전되는 가이드; 및
    상기 가이드를 따라 이동되는 선형 스테핑 모터; 를 포함하는 것을 특징으로 하는
    다리식 이동 로봇의 충격 완충 및 진동 저감 목 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 가변 동흡진기는 상기 선형 스테핑 모터가 상기 가이드를 따라 이동함에 따라 상기 액츄에이터가 상기 가이드와 상기 선형 스테핑 모터가 수평을 이루도록 상기 비틀림 스프링을 회전시키는 것을 특징으로 하는
    다리식 이동 로봇의 충격 완충 및 진동 저감 목 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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