WO2011129536A2 - 로봇 목관절 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로봇 목관절 구조에 관한 것으로서, 로봇의 머리에 해당되는 헤드부(5)를 좌우로 축 회전시키는 축회전부(10); 상기 헤드부(5)가 좌우 축 회전 가능하도록 이 헤드부(5)를 떠받치는 헤드받침대(20); 상기 헤드받침대(20)의 저면 전방을 수직으로 떠받쳐 회전 중심 조인트 역할을 하는 수직받침축(30); 상기 헤드받침대(20)의 저면 후방에 연결되어 이 헤드받침대(20)를 전후 및 좌우로 회전시키는 승강회동부(40); 및 상기 수직받침축(30) 및 승강회동부(40)의 하단부를 떠받쳐 지지하는 메인받침대(50)를 포함하여 구성된다. 따라서, 헤드부를 좌우로 축 회전시키는 축회전부와, 이 축회전부와 연결되는 수직받침축과 두 개의 승강회동부를 통해 상기 헤드부가 전후회전 또는 좌우회전과 같은 자연스럽고 복합적인 움직임이 가능하도록 함으로써, 헤드부의 다양한 동작 표출에 따른 흥미와 관심을 유발하여 로봇을 통한 퍼포먼스 동안 사람들로 하여금 로봇에 대한 친밀감을 높일 수 있게 되고, 또한, 두 개의 승강회동부 및 단일 수직받침축을 이용하여 헤드부의 저면을 3점 지지 방식으로 떠받치도록 함으로써, 부품수가 간단하고 구조가 콤팩트하여 사람 크기의 목구조 형상에 삽입이 가능하게 되며, 전원 오프시에도 머리의 정위치를 유지할 수 있어 다양하고 안정적인 움직임과 함께 저렴한 제작비용 및 제품 고장의 최소화에 따라 제품의 신뢰성이 향상되도록 등의 효과를 얻는다.

Description

로봇 목관절 구조

본 발명은 로봇 목관절 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사람의 머리 움직임과 같은 동작 구현을 위해 헤드부를 좌우로 축 회전(제자리 돌리기)(rolling)시키는 축회전부와, 이 축회전부와 연결되어 회전 중심 조인트 역할을 하는 하나의 수직받침축과 두 개의 승강회동부를 통해 상기 헤드부가 전후회전(앞뒤로 숙이기)(pitching) 또는 좌우회전(yawing)과 같은 자연스럽고 복합적인 움직임이 가능하도록 함으로써, 사람의 머리 움직임과 유사한 로봇의 움직임이 가능하여 헤드부의 다양한 동작 표출에 따른 흥미와 관심을 유발하여 로봇을 통한 퍼포먼스 동안 사람들로 하여금 로봇에 대한 친밀감을 높일 수 있게 되고, 또한, 두 개의 승강회동부 및 하나의 수직받침축을 이용하여 헤드부의 저면을 3점 지지 방식으로 떠받치도록 함으로써, 부품수가 간단하고 구조가 콤팩트하여 사람 크기의 목 구조 형상에 삽입이 가능하게 되며, 전원 오프시에도 머리의 정 위치를 유지할 수 있어 헤드부의 다양하고 안정적인 움직임과 함께 저렴한 제작비용 및 제품 고장의 최소화에 따라 제품의 신뢰성이 향상되도록 하는 로봇 목관절 구조에 관한 것이다.

과학 기술이 발전함에 따라 사람과 유사한 모형을 만들어 사람과 같이 걷고, 말하는 등의 기능을 갖는 로봇들도 제시되고 있다.

*이에 더해, 로봇의 얼굴이 사람과 같이 웃는 등 표정을 짓거나 또는 목관절 구조를 적용하여 머리를 숙여 인사를 하거나 고개를 젓는 등의 섬세한 동작까지 따라할 정도의 기술에 도달하고 있다.

일례로 종래 기술 중 목관절 장치를 통해 머리를 움직이는 로봇에 대해 개략적으로 살펴보면 다음과 같다.

대한민국 공개특허 제2009-118542호에 의하면, 동체(胴體)와 머리를 연결하는 목관절 어셈블리를 가지는 인간형 로봇에 있어서, 상기 목관절 어셈블리는 상기 머리에 연결되어 상기 머리를 회전시키는 제1목관절장치와, 상기 머리와 제1목관절장치를 평행 이동시키는 제2목관절장치와, 상기 제2목관절장치를 요(yaw) 방향으로 회전시키는 제3목관절장치를 포함하는 구성으로 되어 있다.

이러한 종래 기술의 로봇에서 제1목관절장치는 롤 방향의 제1회전관절과 피치 방향의 제2회전관절을 포함하여 구성된다.

그리고, 제2목관절장치는 제1목관절장치와 머리를 전체적으로 평행 이동시킬 수 있도록 구성되며, 제2목관절장치를 이용하여 머리를 전방으로 평행 이동시킨 상태에서 제1목관절장치를 통해 머리를 움직이면 단순히 2~3 회전자유도만을 가지는 기존 로봇보다 다양한 동작과 제스처를 표현할 수 있다.

또한, 머리를 전방으로 이동시킨 상태에서는 머리를 상대적으로 더 많이 숙일 수 있게 되는데, 이는 로봇이 머리를 숙여 발의 바로 앞에 있는 장애물을 확인하는데 있어 매우 유용하다.

그리고, 제3목관절장치는 요 방향의 제3회전관절을 포함하며, 이 제3목관절장치는 제2목관절장치, 제1목관절장치 및 머리를 전체적으로 요 방향으로 회전시킨다.

그리고, 제3목관절장치를 통해 머리를 요 방향으로 회전시킨 후 제2목관절장치를 이용하여 머리를 이동시키면 머리를 좌측이나 우측으로 돌린 상태에서 머리를 좌우 방향으로 이동시키는 동작을 수행할 수 있다.

그러나, 이러한 종래 기술의 로봇은 머리를 회전시키거나 평행 이동시킬 수 있는 등의 움직임을 위해서 복수개의 목관절 장치가 필요하게 되는 등 그 구성이 복잡하게 되어 제작비용이 많이 소요됨은 물론 그 움직임 역시 상대방으로 하여금 기계적인 딱딱한 느낌을 갖게 하여 친근감이 떨어지고 전원이 오프되면 목이 기울어지는 등의 문제점을 갖고 있었다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 사람의 머리 움직임과 같은 동작 구현을 위해 헤드부를 좌우로 축 회전(제자리 돌리기)(rolling)시키는 축회전부와, 이 축회전부와 연결되어 회전 중심 조인트 역할을 하는 하나의 수직받침축과 두 개의 승강회동부를 통해 상기 헤드부가 전후회전(앞뒤로 숙이기)(pitching) 또는 좌우회전(yawing)과 같은 자연스럽고 복합적인 움직임이 가능하도록 함으로써, 사람의 머리 움직임과 유사한 로봇의 움직임이 가능하여 헤드부의 다양한 동작 표출에 따른 흥미와 관심을 유발하여 로봇을 통한 퍼포먼스 동안 사람들로 하여금 로봇에 대한 친밀감을 높일 수 있게 되고, 또한, 두 개의 승강회동부 및 하나의 수직받침축을 이용하여 헤드부의 저면을 3점 지지 방식으로 떠받치도록 함으로써, 부품수가 간단하고 구조가 콤팩트하여 사람 크기의 목 구조 형상에 삽입이 가능하게 되며, 전원 오프시에도 머리의 정 위치를 유지할 수 있어 헤드부의 다양하고 안정적인 움직임과 함께 저렴한 제작비용 및 제품 고장의 최소화에 따라 제품의 신뢰성이 향상되도록 로봇 목관절 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명에 따른 로봇 목관절 구조는 로봇의 머리에 해당되는 헤드부를 좌우로 축 회전시키는 축회전부; 상기 헤드부가 좌우 축 회전 가능하도록 이 헤드부를 떠받치는 헤드받침대; 상기 헤드받침대의 저면 전방을 수직으로 떠받쳐 회전 중심 조인트 역할을 하는 수직받침축; 상기 헤드받침대의 저면 후방에 연결되어 이 헤드받침대를 전후 및 좌우로 회전시키는 승강회동부; 및 상기 수직받침축 및 승강회동부의 하단부를 떠받쳐 지지하는 메인받침대를 포함하여 구성된다.

또한, 본 발명에 따른 로봇 목관절 구조에 있어서, 상기 축회전부의 좌우 축 회전 구조는, 상기 헤드부의 배면에 상하로 일정간격 이격되어 연결 고정되고 각각의 단부에 고정홀이 형성된 상, 하측브라켓이 마련되고, 상기 한 쌍의 브라켓 사이에 축회전부가 배치되고 상, 하단부에 각각 상기 상, 하측브라켓과 일체형으로 결합되어 축 회전되는 회전판이 마련되며, 상기 헤드받침대의 상면에 직립 고정되어 축회전부를 지지하는 지지판을 포함하여 구성된 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 로봇 목관절 구조에 있어서, 상기 승강회동부는 폭 방향으로 일정간격 이격된 한 쌍으로 이루어지고, 각각의 상단부에 상하로 출몰되면서 헤드받침대를 상하 좌우로 회전시키는 승강로드가 마련된 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 로봇 목관절 구조에 있어서, 상기 승강회동부의 하단부는 메인받침대와 핀조인트로 연결되어 전후로 축 회전 가능하게 된 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 로봇 목관절 구조에 있어서, 상기 승강회동부의 상단부는 헤드받침대의 저면에 오목부를 형성하고, 이들 오목부에 안착된 후 별도의 커버를 덮어씌워 고정 지지되는 볼조인트와 연결된 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 로봇 목관절 구조에 있어서, 상기 수직받침축의 상단부에 볼조인트가 연결되어 이 수직받침축에 대해서 상기 헤드받침대가 승강회동부의 작동에 따라 유동이 가능하도록 된 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 로봇 목관절 구조에 있어서, 상기 수직받침축의 상하단부 연결 구조는 헤드받침대의 저면에 오목부를 형성하고 이 오목부에 상기 볼조인트를 안착시킨 후 별도의 커버를 덮어씌워 그 상단부가 연결되도록 하고, 그 하단부는 메인받침대의 상면에 고정되도록 된 것이 바람직하다.

이상에서와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 목관절 구조는 사람의 머리 움직임과 같은 동작 구현을 위해 헤드부를 좌우로 축 회전(제자리 돌리기)(rolling)시키는 축회전부와, 이 축회전부와 연결되어 회전 중심 조인트 역할을 하는 하나의 수직받침축과 두 개의 승강회동부를 통해 상기 헤드부가 전후회전(앞뒤로 숙이기)(pitching) 또는 좌우회전(yawing)과 같은 자연스럽고 복합적인 움직임이 가능하도록 함으로써, 사람의 머리 움직임과 유사한 로봇의 움직임이 가능하여 헤드부의 다양한 동작 표출에 따른 흥미와 관심을 유발하여 로봇을 통한 퍼포먼스 동안 사람들로 하여금 로봇에 대한 친밀감을 높일 수 있게 되고, 또한, 두 개의 승강회동부 및 하나의 수직받침축을 이용하여 헤드부의 저면을 3점 지지 방식으로 떠받치도록 함으로써, 부품수가 간단하고 구조가 콤팩트하여 사람 크기의 목 구조 형상에 삽입이 가능하게 되며, 전원 오프시에도 머리의 정 위치를 유지할 수 있어 헤드부의 다양하고 안정적인 움직임과 함께 저렴한 제작비용 및 제품 고장의 최소화에 따라 제품의 신뢰성이 향상되도록 등의 효과를 얻는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 목관절 구조를 전방에서 바라본 사시도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 목관절 구조를 후방에서 바라본 사시도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 목관절 구조를 후방에서 바라본 분해사시도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 목관절 구조의 헤드부가 좌우로 축 회전되는 것을 나타낸 개략평면도이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 목관절 구조의 헤드부가 전후로 회동되는 것을 나타낸 개략측면도이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 목관절 구조의 헤드부가 좌우로 회동되는 것을 나타낸 개략측면도이다.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

5 : 헤드부 6 : 상측브라켓

6a : 고정홀 7 : 하측브라켓

7a : 고정홀 8 : 헤드커버

10 : 축회전부 11 : 회전판

20 : 헤드받침대 21 : 지지판

22 : 오목부 23 : 오목부

25 : 커버 30 : 수직받침축

40 : 승강회동부 41 : 승강로드

42 : 핀조인트 50 : 메인받침대

60 : 볼조인트 70 : 볼조인트

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명을 다음의 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 6에서 나타낸 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 목관절 구조는 로봇의 머리에 해당되는 헤드부(5)를 좌우로 축 회전시키는 축회전부(10)와, 상기 헤드부(5)가 좌우 축 회전 가능하도록 이 헤드부(5)를 떠받치는 헤드받침대(20)와, 이 헤드받침대(20)의 저면 전방을 수직으로 떠받쳐 회전 중심 조인트 역할을 하는 수직받침축(30)과, 상기 헤드받침대(20)의 저면 후방에 연결되어 이 헤드받침대(20)를 전후 및 좌우로 회전시키는 승강회동부(40) 및 상기 수직받침축(30)과 승강회동부(40)의 하단부를 떠받쳐 지지하는 메인받침대(50)를 포함하는 구성으로 되어 있다.

상기 축회전부(10)의 좌우 축 회전 구조는, 상기 헤드부(5)의 배면에 상하로 일정간격 이격되어 연결 고정되고 각각의 단부에 고정홀(6a,7a)이 형성된 상, 하측브라켓(6,7)이 마련되고, 상기 한 쌍의 브라켓(6,7) 사이에 축회전부(10)가 배치되고 상, 하단부에 각각 상기 상, 하측브라켓(6,7)과 일체형으로 결합되어 축 회전되는 회전판(11)이 마련되며, 상기 헤드받침대(20)의 상면에 직립 고정되어 축회전부(10)를 지지하는 지지판(21)을 포함하여 이루어진다.

상기 승강회동부(40)는 폭 방향으로 일정간격 이격된 한 쌍으로 이루어지고, 각각의 상단부에 상하로 출몰되면서 헤드받침대(20)를 상하 좌우로 회전시키는 승강로드(41)가 마련된 리니어모터를 사용한다.

그리고, 상기 승강회동부(40)의 하단부는 메인받침대(50)와 핀조인트로 연결되어 전후로 축 회전 가능하게 되고, 상기 승강회동부(40)의 상단부는 헤드받침대(20)의 저면에 오목부(22)를 형성하고, 이들 오목부(22)에 안착된 후 별도의 커버(25)를 덮어씌워 고정 지지되는 볼조인트(60)와 연결되어 상기 승강회동부(40)가 헤드받침대(20)와 메인받침대(50) 사이에서 상기 헤드부(5)의 움직임에 따라 어느 정도 미세하게 그 유동이 가능하도록 되어 있다.

여기서, 상기 커버(25)는 볼조인트(60) 보다 직경이 작고 승강로드(41)가 관통될 수 있도록 중앙에 관통공이 형성된 판재 구조로 되어 있다.

상기 수직받침축(30)은 헤드부(5)의 동작시 이 헤드부(5)가 중력 하중 등에 의해 바닥으로 떨어져 낙하되는 것을 방지함은 물론 헤드부(5)의 회전 중심 조인트 역할을 하기 위해 상기 헤드부(5)를 떠받치는 지지대 구조로서, 그 상단부에 볼조인트(70)가 연결되어 이 수직받침축(30)에 대해서 상기 헤드받침대(20)가 승강회동부(40)의 작동에 따라 어느 정도 미세하게 그 유동이 가능하도록 되어 있다.

그리고, 상기 수직받침축(30)의 상하단부 연결 구조는 헤드받침대(20)의 저면에 오목부(23)를 형성하고 이 오목부(23)에 상기 볼조인트(70)를 안착시킨 후 별도의 커버(25)를 덮어씌워 그 상단부가 연결되도록 하고, 그 하단부는 메인받침대(50)의 상면에 고정되도록 되어 있다.

여기서도, 상기 커버(25)의 표면 전방부에 볼조인트(70) 보다 직경이 작고 수직받침축(30)의 상단부는 관통될 수 있도록 하는 관통공이 형성되어 있다.

한편, 본 발명의 헤드부(5) 동작에 관여되는 축회전부(10) 및 승강회동부(40)는 별도의 콘트롤러(미도시)를 통해 동력을 공급받고 그 작동이 제어되는 것은 당연할 것이다.

미 설명 부호 8은 헤드부(5)를 배면을 덮어씌우는 헤드커버를 나타낸 것이다.

이러한 구성에 따른 본 발명의 일 실시예인 로봇 목관절 구조에 의한 헤드부(5)의 움직임을 살펴보면, 우선 도 4에서 나타낸 것과 같이, 헤드부(5)의 좌우 축 회전 동작은 콘트롤러를 통해 회전모터인 축회전부(10)가 작동하게 되면 이 회전모터의 회전축(미도시)과 연결되어 있는 회전판(11)이 축 회전되며, 이에 따라 회전판(11)과 일체형으로 연결되어 있는 상, 하측브라켓(6,7)이 일체로 축 회전되면서 결과적으로 헤드부(5)가 좌우로 축 회전되는 것이다.

그리고, 도 5에서 나타낸 것과 같이, 헤드부(5)의 전후 회전 동작은 콘트롤러를 통해 승강회동부(10)가 작동하게 되어 한 쌍의 승강로드(41)가 동시에 상방으로 돌출되면 헤드부(5)가 전방으로 회전되어 앞으로 수그러지게 되고, 이와 반대로 상기 승강로드(41)가 하방으로 몰입되면 상기 헤드부(5)는 잡아당겨져 후방으로 회전되면서 뒤로 고개를 젖히는 형상이 되면서 결과적으로 헤드부(5)가 전후로 회전되는 것이다.

또한, 도 6에서 나타낸 것과 같이, 헤드부(5)의 좌우 회전 동작은 콘트롤러를 통해 승강회동부(10)가 작동하게 되어 한 쌍의 승강로드(41) 중 정면에서 볼 때 좌측의 승강로드(41)는 하방으로 몰입되고 우측의 승강로드(41)는 상방으로 돌출되면 헤드부(5)는 좌측으로 회전이 되고, 이와 반대로 우측의 승강로드(41)가 하방으로 몰입되고 좌측의 승강로드(41)는 상방으로 돌출되면 헤드부(5)는 우측으로 회전이 되면서 고개를 좌우로 회전시키는 동작이 가능하게 되는 것이다.

그리고, 이렇게 단편적으로 각각의 동작만을 수행할 수도 있고, 또는 축회전부(10)와 승강회동부(40)를 동시에 작동시키고 각각의 승강로드(41)의 출몰 길이를 적절히 조절한다면 보다 복합적인 동작 표현도 가능하게 됨은 자명할 것이다.

이와 같이, 헤드부(5)의 움직임을 사람과 거의 흡사하게 표현할 수 있도록 함으로써, 보는 이로 하여금 흥미와 관심 등을 유발시켜 친근감을 느끼게 하며, 3점 지지 구조로 헤드부(5)를 떠받쳐 견고한 움직임이 가능하도록 함으로써 제품의 신뢰성도 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 상기 실시예를 기존의 공지기술과 단순히 주합 적용한 실시예는 물론 본 발명의 특허청구범위와 상세한 설명에서 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명을 단순 변형하여 이용할 수 있는 정도의 기술은 본 발명의 기술범위에 당연히 포함된다고 보아야 할 것이다.

Claims (7)

1. 로봇의 머리에 해당되는 헤드부(5)를 좌우로 축 회전시키는 축회전부(10);

   상기 헤드부(5)가 좌우 축 회전 가능하도록 이 헤드부(5)를 떠받치는 헤드받침대(20);

   상기 헤드받침대(20)의 저면 전방을 수직으로 떠받쳐 회전 중심 조인트 역할을 하는 수직받침축(30);

   상기 헤드받침대(20)의 저면 후방에 연결되어 이 헤드받침대(20)를 전후 및 좌우로 회전시키는 승강회동부(40); 및

   상기 수직받침축(30) 및 승강회동부(40)의 하단부를 떠받쳐 지지하는 메인받침대(50);

   를 포함하여 구성되는 로봇 목관절 구조.
2. 제1항에 있어서,

   상기 축회전부(10)의 좌우 축 회전 구조는,

   상기 헤드부(5)의 배면에 상하로 일정간격 이격되어 연결 고정되고 각각의 단부에 고정홀(6a,7a)이 형성된 상, 하측브라켓(6,7)이 마련되고,

   상기 한 쌍의 브라켓(6,7) 사이에 축회전부(10)가 배치되고 상, 하단부에 각각 상기 상, 하측브라켓(6,7)과 일체형으로 결합되어 축 회전되는 회전판(11)이 마련되며,

   상기 헤드받침대(20)의 상면에 직립 고정되어 축회전부(10)를 지지하는 지지판(21)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 로봇 목관절 구조.
3. 제1항에 있어서,

   상기 승강회동부(40)는 폭 방향으로 일정간격 이격된 한 쌍으로 이루어지고, 각각의 상단부에 상하로 출몰되면서 헤드받침대(20)를 상하 좌우로 회전시키는 승강로드(41)가 마련된 것을 특징으로 하는 로봇 목관절 구조.
4. 제3항에 있어서,

   상기 승강회동부(40)의 하단부는 메인받침대(50)와 핀조인트로 연결되어 전후로 축 회전 가능하게 된 것을 특징으로 하는 로봇 목관절 구조.
5. 제4항에 있어서,

   상기 승강회동부(40)의 상단부는 헤드받침대(20)의 저면에 오목부(22)를 형성하고, 이들 오목부(22)에 안착된 후 별도의 커버(25)를 덮어씌워 고정 지지되는 볼조인트(60)와 연결된 것을 특징으로 하는 로봇 목관절 구조.
6. 제4항에 있어서,

   상기 수직받침축(30)의 상단부에 볼조인트(70)가 연결되어 이 수직받침축(30)에 대해서 상기 헤드받침대(20)가 승강회동부(40)의 작동에 따라 유동이 가능하도록 된 것을 특징으로 하는 로봇 목관절 구조.
7. 제6항에 있어서,

   상기 수직받침축(30)의 상하단부 연결 구조는 헤드받침대(20)의 저면에 오목부(23)를 형성하고 이 오목부(23)에 상기 볼조인트(70)를 안착시킨 후 별도의 커버(25)를 덮어씌워 그 상단부가 연결되도록 하고, 그 하단부는 메인받침대(50)의 상면에 고정되도록 된 것을 특징으로 하는 로봇 목관절 구조.

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