WO2023008947A1 - 레그-휠 모드로 전환가능한 이동부 및 이를 포함하는 하이브리드 로봇 - Google Patents

레그-휠 모드로 전환가능한 이동부 및 이를 포함하는 하이브리드 로봇 Download PDF

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WO2023008947A1
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wheel
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leg
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joint
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PCT/KR2022/011185
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조백규
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국민대학교산학협력단
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J5/00—Manipulators mounted on wheels or on carriages
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
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    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/12—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements electric
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    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D57/00—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track
    • B62D57/02—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members

Definitions

  • the present invention relates to a moving unit switchable to a leg-wheel mode and a hybrid robot including the same, and more particularly, to a leg-wheel mode capable of stably moving on various terrains by switching to a leg mode or a wheel mode as necessary. It relates to a switchable moving unit and a hybrid robot including the same.
  • a robot is a machine that automatically handles given tasks through its own abilities or operates according to manipulation.
  • industrial robots, medical robots, space robots, etc. have been developed, and household robots that can be used in general households are also being produced.
  • household robots those capable of driving on their own are called mobile robots.
  • a Segway-type mobile robot or a wheel-type mobile robot using an omni-wheel has been developed and used in various fields.
  • These wheel-type mobile robots have the advantage of faster movement speed than leg-type mobile robots, but they can only be used on flat terrain and are difficult to use on terrain where wheels are difficult to move, such as stairs.
  • humanoid robots or quadrupedal robots can move in various terrains, but move at a slower speed than wheeled mobile robots.
  • the object of the present invention was devised to solve the problems of the prior art described above, and can move at high speed over various terrains, consider the dynamic behavior of the robot for acceleration and deceleration motion, and make the robot stable even under irregular terrain conditions. It is to provide a new type of invention that can be moved.
  • a hybrid robot capable of switching to a leg-wheel mode according to the present invention for achieving the above object includes a main body; And a moving part movable in a state of being rotated in at least one direction of roll, pitch, and yaw directions by a motor mounted on the main body; including, wherein the moving part comprises one side A first link rotatably connected by the main body between the other side; a second link located below the first link unit and rotating in the same direction in conjunction with the rotation of the first link unit; Joint exercise means connected to one side of the first and second links; and a wheel exercise means connected to the other side of the first and second links, and operates together with a motor mounted on the main body, but in a leg mode, the moving part is operated by the joint exercise means, In the wheel mode, the moving unit is operated by the wheel exercise means.
  • the main body unit includes a yaw motor; a roll motor mounted on a rotating part of the yaw motor; and a pitch motor mounted on a rotating part of the roll motor and rotating the first link.
  • a frame for fixing the yaw motor is mounted on the main body.
  • the pitch motor is connected to the roll motor by a motor bracket to have a pitch direction rotation shaft.
  • the joint exercise means a first joint drive motor mounted on one side of the first link; a link mount unit connected to be rotated by the first joint driving motor; a first articulation rod having one end fixedly connected to the link mount unit and the other end rotatably connected to one side of the second link; and a foot unit rotatably connected to the other end of the first joint motion rod.
  • the first joint motion rod and the foot unit have the same central axis and are connected to one side of the first link.
  • the joint exercise means includes a second joint drive motor mounted on the link mount; a third link connected to be rotated by the second joint driving motor; and a second joint motion rod having one end rotatably connected to the third link and the other end rotatably connected to the foot unit.
  • the first joint motion rod is connected to a first point of the foot unit
  • the second joint motion rod is connected to a second point of the foot unit separated from the first point by a predetermined distance.
  • the wheel movement unit includes a wheel movement rod having both ends rotatably connected to the other sides of the first and second links; a wheel rotatably connected to the other side of the second link; and a wheel driving motor for driving the wheel.
  • the wheel motion rod and the wheel are characterized in that they have the same central axis and are connected to the other side of the second link.
  • the wheel exercise means includes a pulley fixed to the wheel; and a belt connected to the pulley and rotated by the wheel driving motor.
  • the wheel driving motor has the same central axis as the wheel and is mounted on the wheel.
  • the second link is composed of two and takes a posture facing each other, characterized in that a spacer is mounted between the second links.
  • the first and second links are rotated parallel to the ground so that the moving part is in a stationary state.
  • the moving unit of the hybrid robot capable of switching to the leg-wheel mode according to the present invention for achieving the above object includes a first link; a second link located below the first link and rotating in the same direction in conjunction with the rotation of the first link; Joint exercise means connected to one side of the first and second links; and wheel exercise means connected to the other side of the first and second links, wherein the moving unit is operated by the joint exercise means in a leg mode and the wheel exercise means in a wheel mode. It is characterized in that it operates by.
  • the joint exercise means a first joint drive motor mounted on one side of the first link; a link mount unit connected to be rotated by the first joint driving motor; a first articulation rod having one end fixedly connected to the link mount unit and the other end rotatably connected to one side of the second link; and a foot unit rotatably connected to the other end of the first joint motion rod.
  • the first joint motion rod and the foot unit have the same central axis and are connected to one side of the first link.
  • the joint exercise means includes a second joint drive motor mounted on the link mount; a third link connected to be rotated by the second joint driving motor; and a second joint motion rod having one end rotatably connected to the third link and the other end rotatably connected to the foot unit.
  • the first joint motion rod is connected to a first point of the foot unit
  • the second joint motion rod is connected to a second point of the foot unit separated from the first point by a predetermined distance.
  • the second joint movement rod is characterized in that formed on both sides with the first joint movement rod interposed therebetween.
  • the wheel movement unit includes a wheel movement rod having both ends rotatably connected to the other sides of the first and second links; a wheel rotatably connected to the other side of the second link; and a wheel driving motor for driving the wheel.
  • the wheel motion rod and the wheel are characterized in that they have the same central axis and are connected to the other side of the second link.
  • the wheel exercise means includes a pulley fixed to the wheel; and a belt connected to the pulley and rotated by the wheel driving motor.
  • the wheel driving motor has the same central axis as the wheel and is mounted on the wheel.
  • the second link is composed of two and takes a posture facing each other, characterized in that a spacer is mounted between the second links.
  • a force sensor is mounted on the foot unit.
  • leg mode and wheel mode it is possible to switch between leg mode and wheel mode, so that the robot operates in wheel mode on terrain where it can move quickly and operates in leg mode on terrain where it cannot drive in wheel mode, so that the robot can move on various terrains.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the overall configuration of a hybrid robot capable of switching to a leg-wheel mode according to a first embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is an exploded perspective view in which some components are disassembled in the state shown in Figure 1;
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA' of FIG. 1 .
  • FIG. 4 is a perspective view of a left moving unit according to a first embodiment of the present invention viewed obliquely from the right side.
  • FIG. 5 is a perspective view of the left moving part shown in FIG. 4 obliquely from the left side.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of a configuration combined with a second link according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a perspective view showing the overall configuration of a hybrid robot capable of switching to a leg-wheel mode according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is an exploded perspective view in which some components are disassembled in the state shown in FIG. 7;
  • FIG. 9 is an exploded perspective view of a configuration combined with a second link according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 10A shows a station mode
  • FIG. 10B shows a leg mode
  • FIG. 10C shows a wheel mode.
  • 11 is a diagram showing an operating state of the robot in leg mode.
  • 12A to 12E are diagrams illustrating operating states of the robot in wheel mode.
  • FIG. 13 is a view showing a modified example of the body part according to the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the overall configuration of a hybrid robot capable of switching to a leg-wheel mode according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an exploded perspective view in which parts of the configuration shown in FIG. 1 are disassembled
  • FIG. is a cross-sectional view taken along line A-A' in FIG. 1 .
  • the hybrid robot capable of switching to the leg-wheel mode according to the first embodiment of the present invention includes a body part 100, a left moving part 200 and a right moving part 300. .
  • the body part 100 may correspond to the torso
  • the moving parts 200 and 300 may correspond to legs.
  • the number of moving parts 200 and 300 is not limited, but in this specification, it will be described that there are two moving parts 200 and 300 to the left and right with respect to the body part 100 .
  • the body portion 100 includes a body 101 having an inner space, a body cover 103 for opening and closing an opening formed in the body 101, and a body mounted on the lower part of the 101. It includes the hip cover 110. An object or the like may be accommodated in the inner space of the body 101 . Glass 104 is formed on the body cover 103 so that the inner space of the body 101 can be confirmed.
  • main body portion 100 is just one example, and can be transformed into various shapes as long as it can load people, objects, and the like.
  • the body unit 100 may be equipped with a hybrid robot according to the present invention, a network device for communication with the outside or internal communication, and a control unit for processing communication signals.
  • the network device may use various known industrial network protocols such as EtherCAT and CAN.
  • control unit may process signals from various sensors mounted on the robot as well as processing internal and external communication.
  • control unit may control operations of the moving unit, such as a station mode, a leg mode, and a wheel mode, which will be described later.
  • a battery for driving the hybrid robot according to the present invention is embedded in the main body.
  • the hip cover 110 may correspond to the buttocks of the human body. Inside the hip cover 110, the frame 112 is mounted. Referring to Figure 3, the frame 112 is fixed to the upper side of the hip cover (110). However, the position of the frame 112 mounted on the hip cover 110 is not limited.
  • Two yaw motors 115 are mounted on the frame 112 in the left and right directions.
  • the yaw motor 115 is a motor that rotates in a yaw direction around a yaw axis z.
  • a roll motor 116 is mounted on a rotating part of the yaw motor 115 .
  • the roll motor 116 is a motor that rotates in a roll direction around a roll axis (x) axis.
  • a pitch motor 118 is mounted on a rotating part of the roll motor 116 .
  • the pitch motor 118 is a motor that rotates in a pitch direction around a pitch axis y.
  • a motor bracket 117 is used to connect the roll motor 116 and the pitch motor 118.
  • the moving parts 200 and 300 are connected to the rotating part of the pitch motor 118.
  • the left moving unit 200 and the right moving unit 300 have the same configuration. Therefore, in this specification, for convenience of description, the left moving unit 200 will be mainly described.
  • FIG. 4 is a perspective view of the left moving unit according to the first embodiment of the present invention viewed obliquely from the right side
  • FIG. 5 is a perspective view of the left moving unit shown in FIG. 4 viewed obliquely from the left side.
  • the left movement unit 200 may receive rotational motion of the yaw motor 115, the roll motor 116, and the pitch motor 118 and take a posture rotated in a specific direction.
  • the left movement unit 200 includes a first link 210, second links 250a and 250b, joint exercise means, and wheel exercise means.
  • a pitch motor 118 is connected between one side and the other side of the first link 210 .
  • the first link 210 is formed in the roll axis (x) direction and connected to the pitch motor 118 .
  • the first link 210 may correspond to the human thigh.
  • the second links 250a and 250b are located below the first link 210 and are connected to a first joint motion rod 223 and a wheel motion rod 243 to be described later. Therefore, when the first link 210 rotates, the second links 250a and 250b also rotate in the same direction in conjunction with each other.
  • the second links 250a and 250b are composed of two and coupled while taking opposite postures. At this time, a spacer 249 is mounted to maintain a gap between the second links 250a and 250b.
  • the joint exercise unit performs movements similar to those of the human body, and includes a first joint drive motor 220, link mount units 221 and 222, a first joint exercise rod 223, and a foot unit 225. .
  • the first joint drive motor 220 is mounted on one side of the first link 210 . Therefore, when the first link 210 rotates, the first joint drive motor 220 may also move along the rotational path of the first link 210 .
  • An axial magnetic flux motor may be used as the first joint drive motor 220 .
  • the first joint driving motor 220 may correspond to a knee joint of a human body.
  • the link mounting units 221 and 222 are connected to one side of the first link 210 .
  • the link mount parts 221 and 222 are composed of a link mount 221 and a link mount cover 222, and the link mount 221 and the link mount cover 222 are coupled while taking opposite postures. At this time, the link mount units 221 and 222 are coupled to each other with one side of the first link 210 interposed therebetween.
  • one end of the link mount cover 222 is connected to a rotating part of the first joint drive motor 220, and one end of the link mount 221 is the first joint drive motor 220 ) is connected to the opposite side of the rotating part. Therefore, when the first joint drive motor 220 is driven, the link mount parts 221 and 222 rotate together according to the rotation of the first joint drive motor 220 .
  • one end of the link mount 221 is connected to the rotation part of the first joint drive motor 220, and one end of the link mount cover 222 is opposite to the rotation part of the first joint drive motor 220. can be connected to the surface.
  • first articulation rod 223 is fixedly connected to the link mounting parts 221 and 222, and the other end is rotatably connected to one side of the second links 250a and 250b.
  • a joint 224 is formed at the other end of the first joint motion rod 223 for connection with the second links 250a and 250b.
  • the first joint motion rod 223 may correspond to the lower leg of the human body, and the other end may correspond to the ankle of the human body.
  • the foot unit 225 is rotatably connected to the other end of the first joint motion rod 223 . At this time, one side of the second links 250a and 250b connected to the first joint motion rod 223 and the foot unit 225 have the same central axis. A point connected to the first joint motion rod 223 on the foot unit 250 is referred to as a first point.
  • the foot unit 225 may correspond to a human foot.
  • the joint motion means further includes a second joint drive motor 230 and a second joint motion rod 233 to operate the foot unit 225 .
  • the second joint drive motor 230 is mounted on the link mount units 221 and 222 . Accordingly, when the link mount units 221 and 222 rotate, the second joint drive motor 230 may also move along the rotation path of the link mount units 221 and 222 .
  • An axial magnetic flux motor may be used as the second joint drive motor 230 . Meanwhile, as long as the foot unit 225 can be operated, the mounting position of the second joint drive motor 230 is not limited.
  • a third link 235 is used to connect the second joint drive motor 230 and the second joint motion rod 233 .
  • one end of the third link 235 is connected to the rotating part of the second joint drive motor 230, and the other end is rotatably connected to one end of the second joint motion rod 233.
  • the other end of the second joint motion rod 233 is rotatably connected to the foot unit 225 .
  • a point connected to the second joint motion rod 233 on the foot unit 225 is referred to as a second point.
  • the second point on the foot unit 225 is located a certain distance from the first point.
  • the second point is formed in front of the first point, but in another embodiment, the first point may be formed in front of the second point.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of a configuration combined with a second link according to the first embodiment of the present invention.
  • the wheel movement means includes a wheel movement rod 243, a wheel 247, and a wheel driving motor 240.
  • Both ends of the wheel motion rod 243 are rotatably connected to the other side of the first link 210 and the other side of the second links 250a and 250b. At this time, joints 244 and 245 are formed at both ends of the wheel motion rod 243 .
  • the wheel 247 is rotatably connected to the second link 250b by inserting the wheel shaft 248 into its center. At this time, the other side of the second links 250a and 250b connected to the wheel movement rod 243 and the wheel 247 have the same central axis through the wheel shaft 248. Meanwhile, in the present invention, the wheel 247 is formed on one side of one of the two second links 250a and 250b, but is formed on the opposite side of the other second link 250a, or two second links 250a. It may be formed between two links 250a and 250b.
  • the wheel driving motor 240 is for driving the wheel 247 and is mounted on the second links 250a and 250b.
  • a BLDC (Blushless DC) motor may be used, but is not limited thereto, and various types of well-known motors may be used.
  • the pulley 242 and the belt 241 are used for the wheel driving motor 240 to drive the wheel 247.
  • a pulley 242 is fixedly mounted to a wheel 247 .
  • the driving shaft of the wheel driving motor 240 and the pulley 242 are connected by a belt 241. Accordingly, when the wheel driving motor 240 is driven, the wheel 247 is rotated by the belt 241 and the pulley 242 .
  • the link cover 260 is mounted on the first link 210 after the joint exercise means and the wheel exercise means are coupled to both the first link 210 and the second links 250a and 250b.
  • the first joint drive motor 220, the second joint drive motor 230, and the wheel drive motor 240 are motors that rotate around the pitch axis y.
  • the joint exercise means is located in the front and the wheel exercise means is located in the rear, but according to a modified example, the wheel exercise means is located in the front and the joint exercise means may be positioned in the rear.
  • a force sensor capable of sensing force or torque when the moving unit according to the present invention moves or is in a stationary state may be mounted.
  • a force-torque sensor (FT) sensor may be mounted on the foot unit 225, but the type and mounting position of the force sensor are not limited.
  • a sensor for sensing visual information such as a camera and a vision sensor, a sensor for measuring a distance to an obstacle, and an external impact are detected in the body part or moving part of the hybrid robot according to the present invention.
  • Various sensors necessary for driving the robot such as a sensor, an auditory sensor, an acceleration sensor, and an Inertial Measurement Unit (IMU) sensor, may be installed.
  • IMU Inertial Measurement Unit
  • FIG. 7 is a perspective view showing the overall configuration of a hybrid robot capable of switching to a leg-wheel mode according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is an exploded perspective view in which parts of the configuration shown in FIG. 7 are disassembled
  • FIG. is an exploded perspective view of a configuration combined with the second link according to the second embodiment of the present invention.
  • the hybrid robot capable of switching to the leg-wheel mode according to the second embodiment of the present invention has a slightly different configuration of the moving part from that described in the first embodiment. Therefore, the description will focus on the parts that differ from the first embodiment.
  • the hybrid robot capable of switching to the leg-wheel mode according to the second embodiment of the present invention includes a body part 100, a left moving part 1200 and a right moving part 1300. . As described in the first embodiment, the second embodiment will also be described centering on the left moving unit 1200.
  • the left moving unit 1200 includes a first link 1210, second links 1250a and 1250b, joint exercise means, and wheel exercise means.
  • the third link 1235 connected to the second joint drive motor 1230 and the second joint exercise rods 1233a and 1233b are composed of two pieces.
  • the second joint movement rods (1233a, 1233b) are formed on both sides with the first joint movement rod 1223 interposed therebetween. Any one of the third links 1235 is rotatably connected to the link mount 1221 .
  • a wheel driving motor 1240 for driving a wheel 1247 among wheel exercise means according to the second embodiment is fixedly mounted to the wheel 1247 at its rotational part. Therefore, components such as pulleys and belts are not required to drive the wheels 1247 unlike in the first embodiment. At this time, the position of the wheel driving motor 1240 is as described in the first embodiment.
  • FIG. 10A shows a station mode
  • FIG. 10B shows a leg mode
  • FIG. 10C shows a wheel mode.
  • a hybrid robot capable of switching to a leg-wheel mode according to the present invention includes a station mode, a leg mode, and a wheel mode.
  • the first links 210 and 1210 maintain a state parallel to the ground, and both the foot units 225 and 1225 and the wheels 247 and 1247 can contact the ground. Because of this state, the robot can stand stably. That is, the station mode is a mode required when the robot needs to stop at a specific location.
  • leg mode in the leg mode, the first links 210 and 1210 move in one direction (in FIG. 10B) so that the foot units 225 and 1225 move downward and the wheels 247 and 1247 move upward. counterclockwise).
  • leg mode the robot can move while performing joint motion.
  • the robot when operated in leg mode, the robot performs bipedal exercise and can walk or run.
  • Leg mode is a mode required when moving on terrain that cannot be operated in wheel mode. For example, in irregular terrain conditions such as stairs, it is more stable to operate the robot in leg mode than in wheel mode. The robot operation process in the leg mode will be described later.
  • the first links 210 and 1210 move in the other direction (in FIG. 10) so that the wheels 247 and 1247 move downward and the foot units 225 and 1225 move upward. clockwise) is rotated.
  • the robot In wheel mode, the robot can move while doing wheel motion. In wheel mode, the robot can move at a higher speed than in leg mode. The robot operation process in the wheel mode will be described later.
  • the robot while the robot is moving from the current point to the target point, it moves at high speed in wheel mode when moving on a regular terrain, and switches to leg mode when moving on an irregular terrain. When reaching the target point, it can switch to station mode and stop.
  • 11 is a diagram showing an operating state of the robot in leg mode.
  • the pitch motor 118 rotates in one direction so that the first links 210 and 1210 also rotate together. At this time, while the other sides of the first links 210 and 1210 and the second links 250a, 250b, 1250a and 1250b move upward, the wheels 247 and 1247 are separated from the ground. Thereafter, when the left and right pitch motors 118 and the first joint drive motor 220 are controlled to be alternately driven, joint motion of the robot is performed. At this time, when the second joint drive motor 230 is controlled to be driven, the contact angle of the foot units 225 and 1225 with the ground may be adjusted while the tips of the foot units 225 and 1225 are raised or lowered.
  • the robot can turn left or right in a desired direction by controlling the yaw motor 115 to be driven by a required rotation angle.
  • 12A to 12E are diagrams illustrating operating states of the robot in wheel mode.
  • the pitch motor 118 rotates in the other direction, so that the first links 210 and 1210 also rotate.
  • the wheels 247 and 1247 come into contact with the ground, and the foot units 225 and 1225 fall off the ground
  • wheel motion of the robot is performed while the wheels 247 and 1247 rotate.
  • FIG. 12A is a diagram illustrating a state in which the robot turns right when operating in wheel mode.
  • the first links 210 and 1210 of the left moving unit 200 are rotated in the other direction through the pitch motor 118 to rotate the left moving unit ( 200) is lengthened, and when the length of the right moving part 300 is shortened by rotating the first link of the right moving part 300 in one direction, the robot turns right. It is also understandable to those skilled in the art that the robot turns left by the same principle.
  • FIG. 12B shows that the effect of active suspension appears by controlling motor rotation of the left and right moving units 200 and 300 according to the uneven terrain when the robot travels in wheel mode and passes through the uneven terrain.
  • FIG. 12C shows a state in which motor rotation of the left and right moving parts 200 and 300 are respectively controlled when the robot travels in wheel mode and the heights of terrain passing by the left moving part 200 and the right moving part 300 are different.
  • 12D is a diagram illustrating rotation control of the main body 100 when the robot accelerates or decelerates while driving in wheel mode.
  • the main body 100 may collapse or the load accommodated inside the main body 100 may lean in one direction. Accordingly, in the present invention, the rotation of the main body 100 can be controlled so that the load accommodated inside the main body 100 does not tilt by determining whether the robot is accelerating or decelerating while driving in wheel mode.
  • FIG. 12E shows a state in which the robot avoids when it encounters an obstacle while driving in wheel mode.
  • the roll motor 116 is driven so that the left and right moving parts 200 and 300 are wide apart, the obstacle moves between the left and right moving parts 200 and 300. will pass through
  • the hybrid robot capable of switching to the leg-wheel mode according to the present invention is capable of moving on various terrains such as flat terrain, sloped terrain, curved terrain, and uneven terrain, and can move by switching to a mode suitable for each terrain. .
  • FIG. 13 is a view showing a modified example of the body part according to the present invention.
  • the main body portion 100 may be configured in the form of a module, it is also possible to laminate and combine a plurality of main body portions (100).

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Abstract

본 발명은 필요에 따라 레그 모드 또는 휠 모드로 전환하여 다양한 지형을 안정적으로 이동할 수 있는 레그-휠 모드로 전환가능한 이동부 및 이를 포함하는 하이브리드 로봇에 관한 것으로, 본체부; 및 상기 본체부에 장착된 모터에 의해 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw) 방향 중 적어도 어느 하나의 방향으로 회전된 상태에서 이동가능한 이동부;를 포함하고, 상기 이동부는, 일측과 타측 사이에 상기 본체부에 의해 회전가능하게 연결된 제1 링크; 상기 제1 링크부의 하부에 위치하고, 상기 제1 링크부의 회전과 연동하여 동일 방향으로 회전하는 제2 링크; 상기 제1 및 제2 링크의 일측에 연결된 관절운동수단; 및 상기 제1 및 제2 링크의 타측에 연결된 휠운동수단;을 포함하며, 상기 본체부에 장착된 모터와 함께 작동하되, 레그 모드(Leg mode)에서는 상기 관절운동수단에 의해 이동부가 동작하고, 휠 모드(Wheel mode)에서는 상기 휠운동수단에 의해 이동부가 동작하는 것을 특징으로 한다.

Description

레그-휠 모드로 전환가능한 이동부 및 이를 포함하는 하이브리드 로봇
본 발명은 레그-휠 모드로 전환가능한 이동부 및 이를 포함하는 하이브리드 로봇에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 필요에 따라 레그 모드 또는 휠 모드로 전환하여 다양한 지형을 안정적으로 이동할 수 있는 레그-휠 모드로 전환가능한 이동부 및 이를 포함하는 하이브리드 로봇에 관한 것이다.
로봇은 스스로 보유한 능력을 통해 주어진 임무를 자동으로 처리하거나 조작에 따라 작동하는 기계이다. 최근 로봇을 응용한 분야가 확대되어 산업용 로봇, 의료용 로봇, 우주 항공 로봇 등이 개발되고, 일반 가정에서 사용할 수 있는 가정용 로봇도 만들어지고 있다. 이러한 로봇 중에서 자력으로 주행이 가능한 것을 이동 로봇이라고 한다.
과학기술의 발전, COVID-19, 인구 고령화, 인구 절감 등 다양한 사회적 요인으로 인해 인간을 도와 다양한 역할을 수행할 이동 로봇에 대한 필요성이 증대되고 있다.
현재, 세그웨이 형태의 이동 로봇이나 Omni-wheel을 이용한 바퀴형 이동 로봇이 개발되어 다양한 분야에서 활용되고 있다. 이러한 바퀴형 이동 로봇들은 다리형 이동 로봇 보다 이동 속도가 빠른 장점은 있지만 평평한 지형에서만 활용이 가능하며 계단 등 바퀴가 이동하기 어려운 지형에서는 활용되기 어럽다. 한편, 다리형 이동 로봇 중 휴머노이드 로봇이나 4족 로봇은 다양한 지형에서 이동이 가능하지만 바퀴형 이동 로봇 보다 이동 속도가 느리다.
따라서, 다양한 지형을 이동할 수 있으면서도 이동 속도를 증가시킬 수 있는 이동 로봇의 개발이 필요하다.
본 발명의 과제는 상술한 종래 기술이 가진 문제를 해결하기 위해 고안된 것으로, 다양한 지형을 빠른 속도로 이동할 수 있고, 가감속 운동에 대한 로봇의 동적 거동을 고려하며, 비정형 지형 조건에서도 로봇이 안정적으로 이동할 수 있는 새로운 형태의 발명을 제공함에 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇은, 본체부; 및 상기 본체부에 장착된 모터에 의해 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw) 방향 중 적어도 어느 하나의 방향으로 회전된 상태에서 이동가능한 이동부;를 포함하고, 상기 이동부는, 일측과 타측 사이에 상기 본체부에 의해 회전가능하게 연결된 제1 링크; 상기 제1 링크부의 하측에 위치하고, 상기 제1 링크부의 회전과 연동하여 동일 방향으로 회전하는 제2 링크; 상기 제1 및 제2 링크의 일측에 연결된 관절운동수단; 및 상기 제1 및 제2 링크의 타측에 연결된 휠운동수단;을 포함하며, 상기 본체부에 장착된 모터와 함께 작동하되, 레그 모드(Leg mode)에서는 상기 관절운동수단에 의해 이동부가 동작하고, 휠 모드(Wheel mode)에서는 상기 휠운동수단에 의해 이동부가 동작하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 본체부는, 요모터; 상기 요모터의 회전부위에 장착된 롤모터; 및 상기 롤모터의 회전부위에 장착되고, 상기 제1 링크를 회전시키는 피치모터;를 포함한다.
또한, 바람직하게는, 상기 본체부에는 요모터를 고정시키는 프레임이 장착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 피치모터는 피치 방향 회전축을 갖도록 상기 롤모터와 모터브라켓에 의해 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 관절운동수단은, 상기 제1 링크의 일측에 장착된 제1 관절구동모터; 상기 제1 관절구동모터에 의해 회전되도록 연결되는 링크마운트부; 일단이 상기 링크마운트부에 고정 연결되고, 타단이 상기 제2 링크의 일측과 회전가능하게 연결되는 제1 관절운동로드; 및 상기 제1 관절운동로드의 타단과 회전가능하게 연결되는 풋유닛;을 포함한다.
또한, 바람직하게는, 상기 제1 관절운동로드와 상기 풋유닛은 동일 중심축을 가지고 상기 제1 링크의 일측과 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 관절운동수단은, 상기 링크마운트에 장착된 제2 관절구동모터; 상기 제2 관절구동모터에 의해 회전되도록 연결되는 제3 링크; 및 일단이 상기 제3 링크와 회전가능하게 연결되고, 타단이 상기 풋유닛과 회전가능하게 연결되는 제2 관절운동로드;를 더 포함한다.
또한, 바람직하게는, 상기 제1 관절운동로드는 상기 풋유닛의 제1 지점과 연결되고, 상기 제2 관절운동로드는 상기 제1 지점과 일정거리 떨어진 상기 풋유닛의 제2 지점과 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 휠운동수단은, 양단이 상기 제1 및 제2 링크의 타측과 회전가능하게 연결되는 휠운동로드; 상기 제2 링크의 타측과 회전가능하게 연결되는 휠; 및 상기 휠을 구동하는 휠구동모터;를 포함한다.
또한, 바람직하게는, 상기 휠운동로드와 상기 휠은 동일 중심축을 가지고 상기 제2 링크의 타측과 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 휠운동수단은, 상기 휠에 고정된 풀리; 및 상기 풀리와 연결되고, 상기 휠구동모터에 의해 회전하는 벨트;를 더 포함한다.
또한, 바람직하게는, 상기 휠구동모터는 상기 휠과 동일 중심축을 가지고 상기 휠에 장착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 제2 링크는 2개로 구성되어 서로 대향되는 자세를 취하고, 상기 제2 링크 사이에는 스페이서가 장착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 스테이션 모드에서는 상기 이동부가 정지상태에 있도록 상기 제1 및 제2 링크를 지면과 평행하도록 회전시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇의 이동부는, 제1 링크; 상기 제1 링크의 하부에 위치하고, 상기 제1 링크의 회전과 연동하여 동일 방향으로 회전하는 제2 링크; 상기 제1 및 제2 링크의 일측에 연결된 관절운동수단; 및 상기 제1 및 제2 링크의 타측에 연결된 휠운동수단;을 포함하며, 상기 이동부는 레그 모드(Leg mode)에서는 상기 관절운동수단에 의해 동작하고, 휠 모드(Wheel mode)에서는 상기 휠운동수단에 의해 동작하는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 관절운동수단은, 상기 제1 링크의 일측에 장착된 제1 관절구동모터; 상기 제1 관절구동모터에 의해 회전되도록 연결되는 링크마운트부; 일단이 상기 링크마운트부에 고정 연결되고, 타단이 상기 제2 링크의 일측과 회전가능하게 연결되는 제1 관절운동로드; 및 상기 제1 관절운동로드의 타단과 회전가능하게 연결되는 풋유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 제1 관절운동로드와 상기 풋유닛은 동일 중심축을 가지고 상기 제1 링크의 일측과 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 관절운동수단은, 상기 링크마운트에 장착된 제2 관절구동모터; 상기 제2 관절구동모터에 의해 회전되도록 연결되는 제3 링크; 및 일단이 상기 제3 링크와 회전가능하게 연결되고, 타단이 상기 풋유닛과 회전가능하게 연결되는 제2 관절운동로드;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 제1 관절운동로드는 상기 풋유닛의 제1 지점과 연결되고, 상기 제2 관절운동로드는 상기 제1 지점과 일정거리 떨어진 상기 풋유닛의 제2 지점과 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 제2 관절운동로드는 상기 제1 관절운동로드를 사이에 두고 양측에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 휠운동수단은, 양단이 상기 제1 및 제2 링크의 타측과 회전가능하게 연결되는 휠운동로드; 상기 제2 링크의 타측과 회전가능하게 연결되는 휠; 및 상기 휠을 구동하는 휠구동모터;를 포함한다.
또한, 바람직하게는, 상기 휠운동로드와 상기 휠은 동일 중심축을 가지고 상기 제2 링크의 타측과 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 휠운동수단은, 상기 휠에 고정된 풀리; 및 상기 풀리와 연결되고, 상기 휠구동모터에 의해 회전하는 벨트;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 휠구동모터는 상기 휠과 동일 중심축을 가지고 상기 휠에 장착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 제2 링크는 2개로 구성되어 서로 대향되는 자세를 취하고, 상기 제2 링크 사이에는 스페이서가 장착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 풋유닛에는 힘 센서가 장착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 레그 모드와 휠모드로 전환이 가능하여, 로봇이 빠르게 이동할 수 있는 지형에서는 휠모드로 동작하고 휠모드로 주행할 수 없는 지형에서는 레그 모드로 동작함으로써, 로봇이 다양한 지형을 이동할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 로봇에 장착된 다양한 모터를 각각 제어하여 정형 또는 비정형 도로 주행, 장애물 회피, 커브 길 주행 등을 안정적으로 수행할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 로봇의 가감속 운동 시 동적 거동을 고려하여 본체부에 적재된 물건의 쏠림 현상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇의 전체적인 구성을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 상태에서 일부 구성을 분해한 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 A-A' 라인을 따라 절단된 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 좌측 이동부를 우측에서 비스듬하게 바라본 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 좌측 이동부를 좌측에서 비스듬하게 바라본 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 제2 링크와 결합된 구성을 분해한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇의 전체적인 구성을 나타낸 사시도이다.
도 8은 도 7에 도시된 상태에서 일부 구성을 분해한 분해 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 제2 링크와 결합된 구성을 분해한 사시도이다.
도 10a는 스테이션 모드를 나타내고, 도 10b는 레그모드를 나타내며, 도 10c는 휠모드를 나타낸 도면이다.
도 11은 레그 모드에서의 로봇의 동작 상태를 나타낸 도면이다.
도 12a 내지 도 12e는 휠 모드에서의 로봇의 동작 상태를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 본체부의 변형예를 나타낸 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 레그-휠 모드로 전환가능한 이동부 및 이를 포함하는 하이브리드 로봇에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
<본 발명의 제1 실시예에 따른 구성>
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇의 전체적인 구성을 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 상태에서 일부 구성을 분해한 분해 사시도이며, 도 3은 도 1의 A-A' 라인을 따라 절단된 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇은 본체부(100)와, 좌측 이동부(200) 및 우측 이동부(300)를 포함한다. 본 발명에 따른 하이브리드 로봇을 인체와 비교하면 본체부(100)는 몸통에 해당될 수 있고, 이동부(200, 300)는 다리에 해당될 수 있다. 여기서, 이동부(200, 300)의 개수에는 제한이 없으나 본 명세서에서는 본체부(100)를 기준으로 좌우측으로 2개의 이동부(200, 300)가 있는 것으로 설명한다.
본 발명의 제1 실시예에서 본체부(100)는 내부공간이 형성된 바디(101)와, 바디(101)에 형성된 개구를 개폐하는 바디커버(103)와, 바디(101)의 하부에 장착되는 힙커버(110)를 포함한다. 바디(101)의 내부공간에는 물건 등이 수용될 수 있다. 바디커버(103)에는 글래스(104)가 형성되어 바디(101)의 내부공간이 확인될 수 있다.
한편, 상술한 본체부(100)는 하나의 예에 불과하며, 사람, 물건 등을 적재할 수 있다면 다양한 형태로 변형이 가능하다.
본체부(100)에는 본 발명에 따른 하이브리드 로봇과 외부와의 통신 또는 내부 통신을 위한 네트워크 장치, 통신 신호 처리를 위한 제어부가 장착될 수 있다. 네트워크 장치는 이더캣, CAN 등 공지된 다양한 산업용 네트워크 프로토콜이 사용될 수 있다.
한편, 제어부는 내외부 통신 처리뿐만 아니라, 로봇에 장착된 각종 센서의 신호를 처리할 수 있다. 또한, 제어부는 후술할 스테이션 모드(Station mode), 레그 모드(Leg mode) 및 휠 모드(Wheel mode) 등 이동부의 동작을 제어할 수 있다.
또한, 본체부에는 본 발명에 따른 하이브리드 로봇의 구동을 위한 배터리가 내장되어 있다.
힙커버(110)는 인체의 엉덩이 부위에 해당될 수 있다. 힙커버(110)의 내부에는 프레임(112)이 장착된다. 도 3을 참조하면, 프레임(112)은 힙커버(110)의 상측에 고정되어 있다. 다만, 힙커버(110)에 장착되는 프레임(112)의 위치에는 제한이 없다.
프레임(112)에는 좌우측 방향으로 2개의 요모터(115)가 장착된다. 요모터(115)는 요축(z)을 중심으로 요(yaw) 방향으로 회전하는 모터이다. 요모터(115)의 회전부위에는 롤모터(116)가 장착된다. 롤모터(116)는 롤축(x)축을 중심으로 롤(roll) 방향으로 회전하는 모터이다. 롤모터(116)의 회전부위에는 피치모터(118)가 장착된다. 피치모터(118)는 피치축(y)을 중심으로 피치(pitch) 방향으로 회전하는 모터이다. 여기서, 롤모터(116)와 피치모터(118)를 연결시키기 위해 모터브라켓(117)이 사용된다.
한편, 상술한 요모터(115), 롤모터(116) 및 피치모터(118)에 의해 이동부(200, 300)는 3축(x, y, z) 중 적어도 어느 하나의 축을 중심으로 회전하는 것이 가능하다.
이동부(200, 300)는 피치모터(118)의 회전부위에 연결된다. 본 발명에서 좌측 이동부(200)와 우측 이동부(300)의 구성은 동일하다. 따라서, 본 명세서에서는 설명의 편의를 위해 좌측 이동부(200)를 중심으로 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 좌측 이동부를 우측에서 비스듬하게 바라본 사시도이며, 도 5는 도 4에 도시된 좌측 이동부를 좌측에서 비스듬하게 바라본 사시도이다.
좌측 이동부(200)는 상기 요모터(115), 롤모터(116) 및 피치모터(118)의 회전 운동을 전달받아 특정 방향으로 회전된 자세를 취할 수 있다. 좌측 이동부(200)는 제1 링크(210), 제2 링크(250a, 250b), 관절운동수단 및 휠운동수단을 포함한다.
제1 링크(210)의 일측과 타측 사이에는 피치모터(118)가 연결된다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 링크(210)는 롤축(x) 방향으로 형성되어 피치모터(118)에 연결된다. 제1 링크(210)는 인체의 허벅지에 해당될 수 있다.
제2 링크(250a, 250b)는 제1 링크(210)의 하측에 위치하고, 후술할 제1 관절운동로드(223) 및 휠운동로드(243)와 연결되어 있다. 따라서, 제1 링크(210)가 회전하면 제2 링크(250a, 250b)도 연동하여 동일 방향으로 함께 회전한다. 제2 링크(250a, 250b)는 2개로 구성되어 서로 대향되는 자세를 취하면서 결합된다. 이때, 제2 링크(250a, 250b) 사이의 간격을 유지하기 위해 스페이서(249)가 장착된다.
제1 링크(210)의 일측에는 관절운동수단이 연결된다. 관절운동수단은 인체의 다리와 유사한 움직임을 수행하는 것으로, 제1 관절구동모터(220), 링크마운트부(221, 222), 제1 관절운동로드(223) 및 풋유닛(225)을 포함한다.
제1 관절구동모터(220)는 제1 링크(210)의 일측에 장착된다. 따라서, 제1 링크(210)가 회전하면 제1 관절구동모터(220)도 제1 링크(210)의 회전 경로를 따라 이동할 수 있다. 제1 관절구동모터(220)로는 축 방향 자속 모터가 사용될 수 있다. 제1 관절구동모터(220)는 인체의 무릎 관절에 해당될 수 있다.
링크마운트부(221, 222)는 제1 링크(210)의 일측과 연결된다. 링크마운트부(221, 222)는 링크마운트(221) 및 링크마운트커버(222)로 구성되는데, 링크마운트(221)와 링크마운트커버(222)는 서로 대향되는 자세를 취하면서 결합된다. 이때, 링크마운트부(221, 222)는 제1 링크(210)의 일측을 사이에 두고 서로 결합된다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 링크마운트커버(222)의 일단은 제1 관절구동모터(220)의 회전부위에 연결되고, 링크마운트(221)의 일단은 제1 관절구동모터(220)의 회전부위 반대면에 연결된다. 따라서, 제1 관절구동모터(220)가 구동되면 링크마운트부(221, 222)는 제1 관절구동모터(220)의 회전에 따라 함께 회전한다. 한편, 다른 실시예에서는 링크마운트(221)의 일단이 제1 관절구동모터(220)의 회전부위에 연결되고, 링크마운트커버(222)의 일단이 제1 관절구동모터(220)의 회전부위 반대면에 연결될 수 있다.
제1 관절운동로드(223)의 일단은 링크마운트부(221, 222)에 고정 연결되고, 타단은 제2 링크(250a, 250b)의 일측과 회전가능하게 연결된다. 이때, 제1 관절운동로드(223)의 타단에는 제2 링크(250a, 250b)와의 연결을 위해 조인트(224)가 형성된다. 제1 관절운동로드(223)는 인체의 아랫다리에 해당될 수 있고, 그 타단은 인체의 발목에 해당될 수 있다.
풋유닛(225)은 제1 관절운동로드(223)의 타단과 회전가능하게 연결된다. 이때, 제1 관절운동로드(223)와 연결되는 제2 링크(250a, 250b)의 일측과 풋유닛(225)은 동일 중심축을 가진다. 풋유닛(250) 상에서 제1 관절운동로드(223)와 연결되는 지점을 제1 지점이라 한다. 풋유닛(225)은 인체의 발에 해당될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 관절운동수단은 풋유닛(225)을 동작시키기 위해, 제2 관절구동모터(230) 및 제2 관절운동로드(233)를 더 포함한다.
제2 관절구동모터(230)는 링크마운트부(221, 222)에 장착된다. 따라서, 링크마운트부(221, 222)가 회전하면 제2 관절구동모터(230)도 링크마운트부(221, 222)의 회전 경로를 따라 이동할 수 있다. 제2 관절구동모터(230)로는 축 방향 자속 모터가 사용될 수 있다. 한편, 풋유닛(225)을 동작시킬 수 있다면 제2 관절구동모터(230)의 장착 위치에는 제한이 없다.
한편, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 관절구동모터(230)와 제2 관절운동로드(233)를 연결시키기 위해 제3 링크(235)가 사용된다. 여기서, 제3 링크(235)의 일단은 제2 관절구동모터(230)의 회전부위에 연결되고, 타단은 제2 관절운동로드(233)의 일단과 회전가능하게 연결된다. 제2 관절운동로드(233)의 타단은 풋유닛(225)과 회전가능하게 연결된다. 이때, 풋유닛(225) 상에서 제2 관절운동로드(233)와 연결되는 지점을 제2 지점이라 한다. 풋유닛(225) 상의 제2 지점은 제1 지점과 일정거리 떨어져 위치한다. 본 발명에서는 제2 지점이 제1 지점의 전방에 형성되나, 다른 실시예에서는 제1 지점이 제2 지점의 전방에 형성될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 제2 링크와 결합된 구성을 분해한 사시도이다.
한편, 제1 링크(210)의 타측에는 휠운동수단이 연결된다. 휠운동수단은 휠운동로드(243), 휠(247) 및 휠구동모터(240)를 포함한다.
휠운동로드(243)의 양단은 제1 링크(210)의 타측 및 제2 링크(250a, 250b)의 타측과 회전가능하게 연결된다. 이때, 휠운동로드(243)의 양단에는 조인트(244, 245)가 형성된다.
휠(247)은 그 중심에 휠샤프트(248)가 삽입됨으로써 제2 링크(250b)와 회전가능하게 연결된다. 이때, 휠운동로드(243)와 연결되는 제2 링크(250a, 250b)의 타측과 휠(247)은 휠샤프트(248)를 통해 동일 중심축을 가진다. 한편, 본 발명에서 휠(247)은 2개의 제2 링크(250a, 250b) 중 어느 하나의 제2 링크(250b) 일측에 형성되나 다른 하나의 제2 링크(250a) 반대측에 형성되거나 2개의 제2 링크(250a, 250b) 사이에 형성될 수도 있다.
휠구동모터(240)는 휠(247)을 구동시키기 위한 것으로 제2 링크(250a 250b)에 장착된다. 휠구동모터(240)로는 BLDC(Blushless DC)모터가 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 공지된 다양한 종류의 모터가 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에서 휠구동모터(240)가 휠(247)을 구동시키기 위해 풀리(242) 및 벨트(241)가 사용된다. 도 6을 참조하면, 풀리(242)는 휠(247)에 고정 장착된다. 그리고, 휠구동모터(240)의 구동축과 풀리(242)는 벨트(241)로 연결된다. 따라서, 휠구동모터(240)가 구동되면 벨트(241) 및 풀리(242)에 의해 휠(247)이 회전한다.
한편, 관절운동수단 및 휠운동수단이 제1 링크(210) 및 제2 링크(250a, 250b)에 모두 결합된 후 링크커버(260)가 제1 링크(210)에 장착된다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에서 제1 관절구동모터(220), 제2 관절구동모터(230) 및 휠구동모터(240)는 피치축(y)을 중심으로 회전하는 모터이다.
한편, 본 발명에서 관절운동수단이 전방에 위치하고 휠운동수단이 후방에 위치하나, 변형예에 따라 휠운동수단이 전방에 위치하고 관절운동수단이 후방에 위치할 수 있다.
한편, 본 발명에 개시된 이동부가 이동하거나 정지 상태에 있을 때 힘 또는 토크를 센싱할 수 있는 힘 센서가 장착될 수 있다. 본 발명에서는 FT(force-torque sensor) 센서가 풋유닛(225) 장착될 수 있으나, 힘 센서의 종류 및 장착 위치에는 제한이 없다.
또한, 본 발명에 따른 하이브리드 로봇의 본체부 또는 이동부에는 외부 환경 정보를 센싱하기 위해, 카메라, 비전센서 등 시각 정보를 센싱하기 위한 센서, 장애물과의 거리를 측정하기 위한 센서, 외부 충격을 감지하기 위한 센서, 청각센서, 가속도 센서, IMU(Inertial Measurement Unit) 센서 등 로봇의 구동에 필요한 각종 센서가 장착될 수 있다.
<본 발명의 제2 실시예에 따른 구성>
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇의 전체적인 구성을 나타낸 사시도이고, 도 8은 도 7에 도시된 상태에서 일부 구성을 분해한 분해 사시도이며, 도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 제2 링크와 결합된 구성을 분해한 사시도이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇은 상술한 제1 실시예에서 설명한 부분과 이동부의 구성이 약간 상이하다. 따라서, 제1 실시예와 차이점이 있는 부분을 중심으로 설명한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇은 본체부(100)와, 좌측 이동부(1200) 및 우측 이동부(1300)를 포함한다. 제1 실시예에서 설명한 바와 같이 제2 실시예에서도 좌측 이동부(1200)를 중심으로 설명한다.
좌측 이동부(1200)는 제1 링크(1210), 제2 링크(1250a, 1250b) 및 관절운동수단과 휠운동수단을 포함한다.
제2 실시예에 따른 관절운동수단 중 제2 관절구동모터(1230)에 연결되는 제3 링크(1235) 및 제2 관절운동로드(1233a, 1233b)는 2개로 구성된다. 이때, 제2 관절운동로드(1233a, 1233b)는 제1 관절운동로드(1223)를 사이에 두고 양측에 형성된다. 제3 링크(1235) 중 어느 하나는 링크마운트(1221)와 회전가능하게 연결된다.
도 9를 참조하면, 제2 실시예에 따른 휠운동수단 중 휠(1247)을 구동하기 위한 휠구동모터(1240)는 그 회전부위가 휠(1247)에 고정 장착된다. 따라서, 제1 실시예에서와 달리 휠(1247)을 구동하기 위해 풀리 및 벨트와 같은 구성이 필요없다. 이때, 휠구동모터(1240)의 위치는 제1 실시예에서 설명한 바와 같다.
<본 발명의 동작 제어모드>
도 10a는 스테이션 모드를 나타내고, 도 10b는 레그모드를 나타내며, 도 10c는 휠모드를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇은 스테이션 모드(Station mode), 레그 모드(Leg mode) 및 휠 모드(Wheel mode)를 포함한다.
도 10a에 도시된 바와 같이, 스테이션 모드에서 제1 링크(210, 1210)는 지면과 평행한 상태를 유지하며, 풋유닛(225, 1225)과 휠(247, 1247)이 모두 지면에 닿을 수 있는 상태이므로 로봇이 안정적으로 서 있을 수 있다. 즉, 스테이션 모드는 로봇이 특정한 위치에 정지할 필요가 있을 때 필요한 모드이다.
도 10b에 도시된 바와 같이, 레그 모드에서는 풋유닛(225, 1225)이 하방으로 이동하고 휠(247, 1247)이 상방으로 이동하도록, 제1 링크(210, 1210)가 일 방향(도 10b에서 반시계 방향)으로 회전한 상태이다. 레그 모드에서는 로봇이 관절운동을 하면서 이동할 수 있다. 본 발명에서 레그 모드로 동작 시 로봇은 이족 운동을 하며, 걷거나 달릴 수 있다. 레그 모드는 휠 모드로 동작할 수 없는 지형을 이동할 때 필요한 모드이다. 예컨대, 계단 등과 같은 비정형 지형 조건에서 로봇은 휠 모드로 동작하는 것 보다 레그 모드로 동작하는 것이 안정적이다. 레그 모드에서의 로봇 동작 과정은 후술하기로 한다.
도 10c에 도시된 바와 같이, 휠 모드에서는 휠(247, 1247)이 하방으로 이동하고 풋유닛(225, 1225)이 상방으로 이동하도록, 제1 링크(210, 1210)가 타 방향(도 10에서 시계 방향)으로 회전한 상태이다. 휠 모드에서는 로봇이 휠운동을 하면서 이동할 수 있다. 휠 모드에서는 레그 모드에서 보다 더 빠른 속도로 로봇이 이동할 수 있다. 휠 모드에서의 로봇 동작 과정은 후술하기로 한다.
상술한 3가지 동작 제어모드 전환의 일 예로서, 로봇이 현재 지점에서 목표 지점까지 이동하는 동안, 정형 지형을 이동할 때는 휠 모드에서 빠른 속도로 이동하고, 비정형 지형을 이동할 때는 레그 모드로 전환하여 이동하며, 목표 지점에 도달하면 스테이션 모드로 전환하여 정지할 수 있다.
<본 발명의 동작 제어과정>
도 11은 레그 모드에서의 로봇의 동작 상태를 나타낸 도면이다.
우선, 도 11을 참조하여, 레그 모드에서 로봇의 동작 과정을 설명한다. 스테이션 모드에서 레그 모드로 전환되면 피치모터(118)가 일 방향으로 회전함으로써 제1 링크(210, 1210)도 함께 회전한다. 이때, 제1 링크(210, 1210) 및 제2 링크(250a, 250b, 1250a, 1250b)의 타측은 상방으로 이동하면서 휠(247, 1247)이 지면에서 떨어지게 된다. 이후, 좌우측 피치모터(118) 및 제1 관절구동모터(220)가 번갈아 구동되도록 제어하면 로봇의 관절운동이 수행된다. 이때, 제2 관절구동모터(230)가 구동되도록 제어하면 풋유닛(225, 1225)의 선단이 올라거가나 내려가면서 풋유닛(225, 1225)이 지면과 닿는 각도가 조절될 수 있다.
만일, 좌우측 방향으로 회전하는 경로가 나타나면 필요한 회전각만큼 요모터(115)가 구동되도록 제어함으로써 원하는 방향으로 로봇이 좌회전하거나 우회전하는 것이 가능하다.
로봇이 레그 모드로 동작 중 이동 경로 상에 장애물이 나타나는 경우, 상술한 요모터(115)를 동작시켜 회피할 수도 있다. 다른 방법으로 이동부(200, 300)가 서로 벌어지도록 롤모터(116)를 구동시키면 장애물이 좌우측 이동부(200, 300) 사이를 통과하게 된다.
도 12a 내지 도 12e는 휠 모드에서의 로봇의 동작 상태를 나타낸 도면이다.
다음으로, 도 12a 내지 도 12e를 참조하여, 휠 모드에서 로봇의 동작 과정을 설명한다. 스테이션 모드 또는 레그 모드에서 휠 모드로 전환되면 피치모터(118)가 타 방향으로 회전함으로써 제1 링크(210, 1210)도 함께 회전한다. 이때, 제1 링크(210, 1210) 및 제2 링크(250a, 250b, 1250a, 1250b)의 타측은 하방으로 이동하면서 휠(247, 1247)이 지면에서 닿게 되고, 풋유닛(225, 1225)은 지면에서 떨어지게 된다. 이후, 휠구동모터(240, 1240)가 구동되도록 제어하면 휠(247, 1247)이 회전하면서 로봇의 휠운동이 수행된다.
도 12a는 로봇이 휠 모드로 동작 시 우회전하는 상태를 나타낸 도면이다. 도 12a를 참조하면, 로봇이 휠 모드로 주행 중 우회전 코스를 만나면, 피치모터(118)를 통해 좌측 이동부(200)의 제1 링크(210, 1210)를 타 방향으로 회전시켜 좌측 이동부(200)의 길이를 길게 하고, 우측 이동부(300)의 제1 링크를 일 방향으로 회전시켜 우측 이동부(300)의 길이를 짧게 하면 로봇은 우회전하게 된다. 이와 같은 원리로 로봇이 좌회전하는 것도 통상의 기술자에게 충분히 이해 가능하다.
도 12b는 로봇이 휠 모드로 주행 시 요철 지형을 통과할 때 요철 형상에 맞추어 좌우측 이동부(200, 300)의 모터 회전을 각각 제어함으로써 동적 서스펜션(active suspension)의 효과가 나타남을 보여준다.
도 12c는 로봇이 휠 모드로 주행 시 좌측 이동부(200)와 우측 이동부(300)가 지나가는 지형의 높이가 다른 경우, 좌우측 이동부(200, 300)의 모터 회전을 각각 제어하는 상태가 도시되어 있다.
도 12d는 로봇이 휠 모드로 주행 시 가속하거나 감속하였을 때 본체부(100)의 회전 제어를 나타낸 도면이다. 로봇이 급 가감속하는 경우 본체부(100)가 쓰러지거나 본체부(100) 내부에 수용된 적재물이 어느 한 방향으로 쏠리는 현상이 나타날 수 있다. 이에 본 발명에서는 로봇이 휠 모드로 주행 시 가감속 여부를 판단하여 본체부(100) 내부에 수용된 적재물이 쏠리지 않도록 본체부(100)의 회전을 제어할 수 있다.
도 12e는 로봇이 휠 모드로 주행 시 장애물을 만난 경우 회피하는 상태가 도시되어 있다. 도 12e에 도시된 바와 같이, 로봇의 이동 경로 상에 장애물이 나타나는 경우, 좌우측 이동부(200, 300)가 서로 벌어지도록 롤모터(116)를 구동시키면 장애물이 좌우측 이동부(200, 300) 사이를 통과하게 된다.
한편, 앞에서 설명한 레그 모드 및 휠 모드에서 로봇의 동작은 일 실시예에 불과하며, 본 발명에 장착된 모터를 활용하여 다양한 변형 동작이 얼마든지 가능하다.
정리하면, 본 발명에 따른 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇은 평지, 경사지형, 커브 지형, 요철 지형 등 다양한 지형을 이동하는 것이 가능하며, 각 지형에 적합한 모드로 전환하여 이동하는 것이 가능하다.
도 13은 본 발명에 따른 본체부의 변형예를 나타낸 도면이다.
한편, 도 13에 도시된 바와 같이, 본체부(100)는 모듈 형태로 구성될 수 있고, 다수개의 본체부(100)를 적층시켜 결합시키는 것도 가능하다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (26)

  1. 본체부; 및
    상기 본체부에 장착된 모터에 의해 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw) 방향 중 적어도 어느 하나의 방향으로 회전된 상태에서 이동가능한 이동부;를 포함하고,
    상기 이동부는,
    일측과 타측 사이에 상기 본체부에 의해 회전가능하게 연결된 제1 링크;
    상기 제1 링크의 하측에 위치하고, 상기 제1 링크의 회전과 연동하여 동일 방향으로 회전하는 제2 링크;
    상기 제1 및 제2 링크의 일측에 연결된 관절운동수단; 및
    상기 제1 및 제2 링크의 타측에 연결된 휠운동수단;을 포함하며,
    상기 본체부에 장착된 모터와 함께 작동하되, 레그 모드(Leg mode)에서는 상기 관절운동수단에 의해 이동부가 동작하고, 휠 모드(Wheel mode)에서는 상기 휠운동수단에 의해 이동부가 동작하는 것을 특징으로 하는, 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 본체부는,
    요모터;
    상기 요모터의 회전부위에 장착된 롤모터; 및
    상기 롤모터의 회전부위에 장착되고, 상기 제1 링크를 회전시키는 피치모터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 본체부에는 요모터를 고정시키는 프레임이 장착되는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 피치모터는 피치 방향 회전축을 갖도록 상기 롤모터와 모터브라켓에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 관절운동수단은,
    상기 제1 링크의 일측에 장착된 제1 관절구동모터;
    상기 제1 관절구동모터에 의해 회전되도록 연결되는 링크마운트부;
    일단이 상기 링크마운트부에 고정 연결되고, 타단이 상기 제2 링크의 일측과 회전가능하게 연결되는 제1 관절운동로드; 및
    상기 제1 관절운동로드의 타단과 회전가능하게 연결되는 풋유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 관절운동로드와 상기 풋유닛은 동일 중심축을 가지고 상기 제1 링크의 일측과 연결되는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 관절운동수단은,
    상기 링크마운트에 장착된 제2 관절구동모터;
    상기 제2 관절구동모터에 의해 회전되도록 연결되는 제3 링크; 및
    일단이 상기 제3 링크와 회전가능하게 연결되고, 타단이 상기 풋유닛과 회전가능하게 연결되는 제2 관절운동로드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 관절운동로드는 상기 풋유닛의 제1 지점과 연결되고, 상기 제2 관절운동로드는 상기 제1 지점과 일정거리 떨어진 상기 풋유닛의 제2 지점과 연결되는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 휠운동수단은,
    양단이 상기 제1 및 제2 링크의 타측과 회전가능하게 연결되는 휠운동로드;
    상기 제2 링크의 타측과 회전가능하게 연결되는 휠; 및
    상기 휠을 구동하는 휠구동모터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 휠운동로드와 상기 휠은 동일 중심축을 가지고 상기 제2 링크의 타측과 연결되는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 휠운동수단은,
    상기 휠에 고정된 풀리; 및
    상기 풀리와 연결되고, 상기 휠구동모터에 의해 회전하는 벨트;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 휠구동모터는 상기 휠과 동일 중심축을 가지고 상기 휠에 장착되는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제2 링크는 2개로 구성되어 서로 대향되는 자세를 취하고, 상기 제2 링크 사이에는 스페이서가 장착되는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇.
  14. 제 1 항에 있어서,
    스테이션 모드에서는 상기 이동부가 정지상태에 있도록 상기 제1 및 제2 링크를 지면과 평행하도록 회전시키는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇.
  15. 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇의 이동부에 있어서,
    상기 이동부는,
    제1 링크;
    상기 제1 링크의 하부에 위치하고, 상기 제1 링크의 회전과 연동하여 동일 방향으로 회전하는 제2 링크;
    상기 제1 및 제2 링크의 일측에 연결된 관절운동수단; 및
    상기 제1 및 제2 링크의 타측에 연결된 휠운동수단;을 포함하며,
    상기 이동부는 레그 모드(Leg mode)에서는 상기 관절운동수단에 의해 동작하고, 휠 모드(Wheel mode)에서는 상기 휠운동수단에 의해 동작하는 것을 특징으로 하는, 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇의 이동부.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 관절운동수단은,
    상기 제1 링크의 일측에 장착된 제1 관절구동모터;
    상기 제1 관절구동모터에 의해 회전되도록 연결되는 링크마운트부;
    일단이 상기 링크마운트부에 고정 연결되고, 타단이 상기 제2 링크의 일측과 회전가능하게 연결되는 제1 관절운동로드; 및
    상기 제1 관절운동로드의 타단과 회전가능하게 연결되는 풋유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇의 이동부.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1 관절운동로드와 상기 풋유닛은 동일 중심축을 가지고 상기 제1 링크의 일측과 연결되는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇의 이동부.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 관절운동수단은,
    상기 링크마운트에 장착된 제2 관절구동모터;
    상기 제2 관절구동모터에 의해 회전되도록 연결되는 제3 링크; 및
    일단이 상기 제3 링크와 회전가능하게 연결되고, 타단이 상기 풋유닛과 회전가능하게 연결되는 제2 관절운동로드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇의 이동부.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제1 관절운동로드는 상기 풋유닛의 제1 지점과 연결되고, 상기 제2 관절운동로드는 상기 제1 지점과 일정거리 떨어진 상기 풋유닛의 제2 지점과 연결되는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇의 이동부.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 제2 관절운동로드는 상기 제1 관절운동로드를 사이에 두고 양측에 형성되는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇의 이동부.
  21. 제 15 항에 있어서,
    상기 휠운동수단은,
    양단이 상기 제1 및 제2 링크의 타측과 회전가능하게 연결되는 휠운동로드;
    상기 제2 링크의 타측과 회전가능하게 연결되는 휠; 및
    상기 휠을 구동하는 휠구동모터;를 포함하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇의 이동부.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 휠운동로드와 상기 휠은 동일 중심축을 가지고 상기 제2 링크의 타측과 연결되는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇의 이동부.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 휠운동수단은,
    상기 휠에 고정된 풀리; 및
    상기 풀리와 연결되고, 상기 휠구동모터에 의해 회전하는 벨트;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇의 이동부.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 휠구동모터는 상기 휠과 동일 중심축을 가지고 상기 휠에 장착되는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇의 이동부.
  25. 제 20 항에 있어서,
    상기 제2 링크는 2개로 구성되어 서로 대향되는 자세를 취하고, 상기 제2 링크 사이에는 스페이서가 장착되는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환가능한 하이브리드 로봇의 이동부.
  26. 제 16 항에 있어서,
    상기 풋유닛에는 힘 센서가 장착되는 것을 특징으로 하는 레그-휠 모드로 전환 가능한 하이브리드 로봇의 이동부.
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