KR101264248B1

KR101264248B1 - 다리식 이동 로봇

Info

Publication number: KR101264248B1
Application number: KR1020110042775A
Authority: KR
Inventors: 스스무 미야자키
Original assignee: 혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2010-06-04
Filing date: 2011-05-06
Publication date: 2013-05-22
Also published as: JP2011251396A; JP5539040B2; KR20110133417A; US20110297461A1; US8387726B2

Abstract

로봇(1)은 상퇴 링크(32)와 하퇴 링크(34)를 연결하는 무릎관절(16)을 갖는 다리체(2)를 구비한다. 무릎관절(16)은 일단이 하퇴 링크(34)의 축(40)에 대하여 회전 자유롭게 연결되고, 타단이 상퇴 링크(32)의 축(42)에 회전 자유롭게 연결되는 연결 로드(44)와, 하퇴 링크(34)의 축(60)과 상퇴 링크(32)의 축(56) 사이의 거리를, 전동 모터(40)에 의한 구동력에 의해 변화시키는 거리변동 기구(50)를 구비한다. 무릎관절(16)의 굴곡각이 0도일 때, 축(40)과 축(42) 사이의 거리와 축(60)과 축(56) 사이의 거리의 합이 축(40)과 축(56) 사이의 거리보다도 작다.

Description

다리식 이동 로봇{LEGGED MOBILE ROBOT}

본 발명은 다리식 이동 로봇에 관한 것이다.

상체, 및, 상체와 상퇴(上腿) 링크를 연결하는 고관절과, 상퇴 링크와 하퇴 링크를 연결하는 무릎관절과, 하퇴 링크와 족평(足平)을 연결하는 발목관절을 갖는 다리체를 구비하고, 다리체를 구동하여 이동하는 다리식 이동 로봇이 알려져 있다.

예를 들면, 일본 특개 2004-298997호 공보에는, 대퇴 링크(상퇴 링크)와 하퇴 링크를 연결하는 무릎관절이 무릎 Y축(피칭축)을 갖고, 대퇴 링크에 배치된 전동 모터의 출력이 벨트 및 감속기를 통하여 무릎 Y축에 전달되는 것이 개시되어 있다. 하퇴 링크의 소정점은, 무릎 Y축을 회전중심으로 하여, 원 모양의 궤적을 그리고 대퇴 링크에 대하여 상대적으로 이동한다.

그렇지만, 상기 특허문헌 1에 개시된 바와 같은 다리식 이동 로봇에서는, 무릎관절이 거의 다 펴지면, 즉, 무릎관절의 관절각(굴곡각)이 0도 근방까지 신전(伸展)하면, 하퇴 링크에 구동력을 전달해도, 관절각은 거의 변화되지 않아, 구동 제어성이 손상된 상태에 빠진다. 그 때문에 구동 제어성이 양호한 관절각까지밖에 무릎관절을 신전시킬 수 없다.

따라서, 로봇이 직립 상태인 경우에도, 무릎관절을 어느 정도 굴곡시킬 필요가 있으므로, 무릎관절에 걸리는 토크가 커, 구동원이 대형화, 중량화 된다고 하는 문제가 생긴다. 또한, 고관절 및 발목관절을 굴곡·신전시키는 빈도가 많아진다고 하는 문제도 생긴다. 또한, 지지 다리의 무릎관절을 다 편 것에 가까운 상태로 할 수 없어, 무릎부가 전방으로 튀어나와, 미착지 다리의 무릎부와 간섭하기 쉬워진다. 이것에 따라, 보용의 자유도가 적고, 이동안정성(밸런스성)이 뒤떨어진다고 하는 문제가 생긴다.

본 발명은, 이상의 점을 감안하여, 구동 제어성이 양호한 무릎관절각을 증가시키는 것이 가능한 다리식 이동 로봇을 제공하는 것을 목적으로 한다.

(발명의 요약)

본 발명은, 상체, 및, 상기 상체와 상퇴 링크를 연결하는 고관절과, 상기 상퇴 링크와 하퇴 링크를 연결하는 무릎관절과, 상기 하퇴 링크와 족평을 연결하는 발목관절을 갖는 다리체를 구비하고, 이 다리체를 구동하여 이동하는 다리식 이동 로봇으로서, 일단이 상기 하퇴 링크의 제 1 축에 대하여 회전 자유롭게 연결되고, 타단이 상기 상퇴 링크의 제 2 축에 회전 자유롭게 연결되는 연결 로드와, 상기 하퇴 링크의 제 3 축과 상기 상퇴 링크의 제 4 축 사이의 거리를, 구동원에 의한 구동력에 의해 변화시키는 거리변동 기구를 구비하고, 상기 무릎관절의 굴곡각이 0도일 때, 상기 제 1 축과 상기 제 2 축 사이의 거리와 상기 제 2 축과 상기 제 4 축 사이의 거리의 합이 상기 제 3 축과 상기 제 4 축 사이의 거리보다도 작은 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 하퇴 링크는 상퇴 링크에 대하여 거리변동 기구에 의해 구동되고, 그 순간 회전중심은 제 2 축이 된다. 그리고, 무릎관절의 굴곡각이 0도일 때, 제 1 축과 제 2 축 사이의 거리와 제 2 축과 제 4 축 사이의 거리의 합이 제 3 축과 제 4 축 사이의 거리보다도 작다. 그 때문에 제 1 축을 중심으로 하여 상기 합을 반경으로 하는 원의 바닥에 제 4 축이 도달하지는 않는다.

따라서, 상퇴 링크의 소정점과 하퇴 링크의 소정점 사이의 거리를 무릎관절의 굴곡각으로 미분한 값이 무릎관절의 굴곡각이 0도일 때 0으로 되지 않는다. 이것에 의해, 상기 특허문헌 1에 개시된 바와 같은 다리식 이동 로봇과 달리, 무릎관절이 0도 근방일 때에도, 무릎관절각을 양호하게 구동 제어하는 것이 가능하게 된다.

그리고, 이것에 따라, 로봇이 직립 상태일 때, 무릎관절을 다 펴거나, 또는 다 편 것에 가까운 상태로 하는 것이 가능하게 되어, 무릎관절에 걸리는 토크가 감소되므로, 구동원을 소형화, 경량화할 수 있다. 또한, 고관절 및 발목관절을 굴곡·신전 구동시키는 빈도, 또는 그 구동 각도를 감소하는 것이 가능하게 된다.

또한, 지지 다리의 무릎관절을 다 펴거나, 또는 다 편 것에 가까운 상태로 하는 것이 가능하게 되어, 무릎부가 전방으로 튀어나오지 않아, 미착지 다리의 무릎부가 지지 다리의 무릎부에 간섭하는 것이 억제되므로, 걸음걸이의 자유도 및 이동안정성이 높아져, 다리식 이동 로봇은 다채로운 동작을 행하는 것이 가능하게 된다.

또한 본 발명에 있어서, 일단이 상기 하퇴 링크의 제 5 축에 대하여 회전 자유롭게 연결되고, 타단이 상기 상퇴 링크의 제 6 축에 회전 자유롭게 연결되는 연결 로드를 더 구비하는 것이 바람직하다. 이 경우, 이 연결 로드에 의해 상퇴 링크와 하퇴 링크와의 상대적으로 이동이 구속되어, 상대적으로 이동이 안정하게 된다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 거리변동 기구는, 상기 구동원에 의해 상기 제 3 축을 중심으로 회전구동되는 회전판과, 일단이 상기 회전판의 단부에 회전 자유롭게 연결되고, 타단이 상기 제 4 축에서 상기 하퇴 링크에 회전 자유롭게 연결되는 연결 로드를 구비하는 것이 바람직하다. 이 경우, 거리변동 기구를 간이하게 구성하는 것이 가능하게 된다. 단, 거리변동 기구의 구성은 이것에 한정되지 않고, 신축구동 로드나 캠 기구를 사용한 것이어도 된다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 2족 이동 로봇의 개략적인 구성을 도시하는 사시도.
도 2는 다리체의 일부를 도시하는 측면도.
도 3은 무릎관절의 링크 구성을 설명하는 도면.
도 4는 무릎관절각과 길이 변화와의 관계를 나타내는 그래프.
도 5는 무릎관절각과 속비(速比)와의 관계를 나타내는 그래프.

(실시예)

이하, 본 발명의 실시형태에 따른 다리식 이동 로봇에 대하여, 2족 이동 로봇(1)(이하, 단지 로봇(1)이라고 함)을 예로 들어 설명한다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 로봇(1)은 좌우 1쌍의 다리체(2R, 2L)와, 양다리체(2R, 2L)의 기단부(상단부)에 연결된 상체(4)를 구비하고 있고, 바닥에 닿는 다리체(2R, 2L)에 의해 상체(4)가 바닥면의 상방으로 지지되어 있다.

양다리체(2R, 2L)는 동일 구조이며, 각각 6개의 관절을 구비한다. 그 6개의 관절은 상체(4)측으로부터 차례로, 가랑이의 회선(回旋)용(상체(4)에 대한 요잉 방향의 회전용)의 관절(10R, 10L)과, 가랑이의 롤링 방향(X축 주위)의 회전용의 관절(12R, 12L)과, 가랑이의 피칭 방향(Y축 주위)의 회전용의 관절(14R, 14L)과, 무릎부의 피칭 방향의 회전용의 관절(16R, 16L)과, 발목부의 피칭 방향의 회전용의 관절(18R, 18L)과, 발목부의 롤링 방향의 회전용의 관절(20R, 20L)로 구성되어 있다.

또한, 본 실시형태의 설명에서는, 부호 R, L은 각각 우측 다리체, 좌측 다리체에 대응하는 것을 의미한다. 또한 X축 방향, Y축 방향은, 수평면상에서 서로 직교하는 2축 방향으로, X축 방향은 로봇(1)의 전후 방향(롤링축 방향), Y축 방향은 로봇(1)의 좌우 방향(피칭축 방향)에 상당한다. 또한 Z축 방향은 연직 방향(중력 방향)이며, 로봇(1)의 상하 방향(요잉축 방향)에 상당한다.

각 다리체(2R(L))의 관절(10R(L), 12R(L), 14R(L))에 의해 3자유도의 고관절이 구성되고, 관절(16R(L))에 의해 1자유도의 무릎관절이 구성되고, 관절(18R(L), 20R(L))에 의해 2자유도의 발목관절이 구성되어 있다.

그리고, 고관절(10R(L), 12R(L), 14R(L))과 무릎관절(16R(L))은 상퇴 링크(32R(L))로 연결되고, 무릎관절(16R(L))과 발목관절(18R(L), 20R(L))은 하퇴 링크(34R(L))로 연결되어 있다. 또한 각 다리체(2R(L))의 발목관절(18R(L), 20R(L))의 하부에, 각 다리체(2R(L))의 선단부(하단부)를 구성하는 족평(22R(L))이 부착되어 있다. 또한 각 다리체(2R(L))의 상단부(기단부)가 고관절(10R(L), 12R(L), 14R(L))을 통하여 상체(4)에 연결되어 있다.

각 다리체(2R(L))의 상기 구성에 의해, 각 다리체(2R(L))의 족평(22R(L))은 상체(4)에 대하여 6자유도를 갖는다. 그리고, 로봇(1)의 이동시에 양다리체(2R, 2L)를 합하여 6×2=12개의 관절을 각각 적당한 각도로 구동함으로써 양쪽 족평(22R, 22L)의 원하는 운동을 행할 수 있다. 이것에 의해, 로봇(1)은 보행동작이나 주행동작 등, 3차원 공간을 이동하는 운동을 행하는 것이 가능하게 되어 있다.

또한, 도시는 생략하지만, 본 실시형태에서는, 상체(4)의 상부의 양측부에는 좌우 1쌍의 팔이 부착됨과 아울러, 상체(4)의 상단부에는 머리부가 탑재되어 있다. 그리고, 각 팔은 그것에 구비하는 복수의 관절(어깨관절, 팔꿈치관절, 손목관절 등)에 의해, 이 팔을 상체(4)에 대하여 전후로 흔드는 등의 운동을 행하는 것이 가능하게 되어 있다. 단, 이들 팔체 및 머리부는 없어도 된다.

각 다리체(2R(L))의 발목관절(18R(L), 20R(L))과 족평(22R(L)) 사이에는 6축력 센서(36R(L))가 장착되어 있다. 이 6축력 센서(36R(L))는 바닥으로부터 족평(22R(L))을 통하여 각 다리체(2R(L))에 전달되는 상반력(床反力)의 3축 방향의 병진력 성분 및 3축 주위의 모멘트 성분을 검출하고, 그 검출신호를 도시하지 않은 제어 유닛에 출력한다.

다음에 다리체(2R(L))의 무릎관절(16R(L))의 구성에 대하여 설명한다. 다리체(2R(L))는 좌우 대칭이며, 여기에서는, 무릎관절(16R)에 대하여 설명한다. 또한, 다른 관절은, 예를 들면, 본원 출원인이 일본 특개 평3-184782호 등에서 제안한 공지 구조의 것 등, 임의의 구조이어도 된다.

도 2에 도시하는 바와 같이, 무릎관절(16R)은 일단이 하퇴 링크(34R)의 축(제 1 축)(40)에 대하여 회전 자유롭게 연결되고, 타단이 상퇴 링크(32R)의 축(제 2 축)(42)에 회전 자유롭게 연결되는 연결 로드(44)를 구비하고 있다. 축(40)의 축심(A) 및 축(42)의 축심(B)은 모두 Y축 방향에 평행하게 설치되어 있다.

또한, 무릎관절(16R)은 무릎관절(16R)을 굴곡·신전시키는 구동 기구(50)를 구비하고 있다. 이 구동 기구(50)는 하퇴 링크(34R)의 축(제 3 축)(52)과 상퇴 링크(32R)의 축(제 4 축)(54) 사이의 거리를 변화시키는 거리변동 기구이기도 하다.

구체적으로는, 구동 기구(50)는 상퇴 링크(32R)에 설치된 전동 모터(56)와, 전동 모터(56)의 출력이 벨트(58)를 통하여 감속 기구(60)로부터 전달되고, 축(54) 주위로 회전구동되는 회전판(62)과, 일단이 회전판(62)의 단부에 회전 자유롭게 연결되고, 타단이 축(52)에 회전 자유롭게 연결된 연결 로드(64)로 구성되어 있다.

축(52)의 축심(C) 및 축(54)의 축심(D)은 모두 Y축 방향에 평행하게 설치되어 있다. 그리고, 무릎관절의 관절각(굴곡각)θ이 0도일 때, 축(40)과 축(42) 사이의 거리와 축(42)과 축(54) 사이의 거리의 합이 축(52)과 축(54) 사이의 거리보다도 작게 되어 있다.

또한, 무릎관절(16R)은 일단이 하퇴 링크(34R)의 축(제 5 축)(70)에 대하여 회전 자유롭게 연결되고, 타단이 상퇴 링크(32R)의 축(제 6 축)(72)에 회전 자유롭게 연결되는 연결 로드(74)를 구비하고 있다. 축(70)의 축심(E) 및 축(72)의 축심(F)은 모두 Y축 방향에 평행하게 설치되어 있다.

다음에 무릎관절(16R)의 동작에 대하여 설명한다. 도 3의 모식도도 참조하여, 하퇴 링크(34R)는 점 A는 상퇴 링크(32R)의 점 B를 중심으로 회전 자유롭지만, 점 C는 구동 기구에 의해 상퇴 링크(32R)의 점 D로부터의 거리가 변화되도록 구성되어 있다. 또한, 하퇴 링크(34R)는, 상퇴 링크(32R)에 대한 상대변위에 상관없이, 상퇴 링크(32R)의 점 F로부터 점 E까지의 거리가 구속되어 일정하다.

이렇게 하여, 무릎관절(16R)은 굴신 가능하게 되어 있고, 하퇴 링크(34R)는 점 A를 순간적인 회전중심으로 하여 상퇴 링크(32R)에 대하여 상대 회전 구동되지만, 하퇴 링크(34R)의 상퇴 링크(32R)에 대한 상대변위는 일정하게 정해진다.

하퇴 링크(34R)의 하단점(H)(발목관절(18R)의 회전축심)의 이동궤적(80)은, 도 3에 가는 선으로 나타내는 바와 같이 점 B를 중심으로 한 대략 타원 형상이 된다. 한편, 상기 특허문헌 1에 기재된 바와 같이 상퇴 링크에 대한 하퇴 링크의 회전 중심이 일정한 종래의 로봇의 경우, 하퇴 링크의 하단점의 이동궤적(82)은 도 3에 점선으로 나타내는 바와 같이, 원형상으로 된다.

도 4에는, 상퇴 링크(32R)에 대한 하퇴 링크(34R)의 길이 변화와 무릎관절(16R)의 관절각(θ)과의 관계가 도시되어 있다. 여기에서, 상퇴 링크(32R)에 대한 하퇴 링크(34R)의 길이 변화는, 상퇴 링크(32R)의 상단점(G)(고관절(14R)의 회전축심)과 하퇴 링크(34R)의 하단점(H) 사이의 거리를 관절각(θ)으로 미분한 길이변화로 하고 있다.

종래의 로봇의 경우, 도 4에 점선으로 나타내는 바와 같이, 관절각(θ)이 0도일 때, 길이 변화는 0이 된다. 이것은, 관절각(θ)이 0도 근방일 때, 관절각(θ)을 변화시키도록 구동시켜도, 점 H가 거의 이동하지 않아, 구동 제어성이 뒤떨어지는 것을 의미한다. 따라서, 길이 변화가 소정 이상의 값이 되는 관절각(θ2) 이상의 범위에서 구동 제어를 행하고 있었다.

한편, 본 실시형태에 따른 로봇(1)의 경우, 도 4에 실선으로 나타내는 바와 같이, 관절각(θ)이 0도일 때, 길이 변화는 0이 되지 않는다. 이것은, 관절각(θ)이 0도 근방일 때, 관절각(θ)을 변화시키도록 구동시키면, 점 H가 이동하여, 구동 제어성이 양호한 것을 의미한다.

또한, 종래와 동일하게 길이 변화가 소정 이상의 값이 되는 관절각(θ1) 이상의 범위에서 제어를 행하면, 종래에 대하여 Δθ(=θ1-θ2)만큼, 구동 제어성이 양호한 관절각(θ)의 범위가 증가하여, 무릎관절(16R)를 보다 신전시키는 것이 가능하게 된다.

또한, 도 5에는, 무릎관절(16R)의 회전속도를 회전판(62)의 회전속도로 나눈 속비와 관적각(θ)과의 관계가 나타나 있다. 이것으로부터, 무릎관절(16R)은 무릎관절각(θ)이 0도 근방일 때, 속비가 증가하는 증속 기능을 갖는 것이 이해되고, 이것에 의해서도, 무릎관절(16R)의 구동 제어성은 양호하게 된다.

이상과 같이, 로봇(1)은, 종래의 로봇보다, Δθ만큼 더 관절각(θ)을 작게 하여 무릎관절(16)을 신전시킬 수 있다. 그 때문에 로봇(1)이 직립 상태일 때, 무릎관절(16)을 다 편 것에 가까워지는 것이 가능하게 되어, 무릎관절(16)에 걸리는 토크가 감소하므로, 전동 모터(56)를 소형화, 경량화할 수 있다.

또한, 고관절(14) 및 발목관절(18)을 굴곡·신전 구동시키는 빈도, 또는 그 구동 각도를 감소시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 지지 다리의 무릎관절(16)을 다 편 것에 가까운 상태로 하는 것이 가능하게 되어, 무릎부가 전방으로 튀어나오지 않고, 미착지 다리의 무릎부가 지지 다리의 무릎부에 간섭하는 것이 억제되어, 보용의 자유도 및 이동안정성이 높아져, 로봇(1)은 다채로운 동작을 행하는 것이 가능하게 된다.

또한, 이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 실시형태에서는, 구동기구를 크랭크·로드 기구로 구성한 경우에 대하여 설명했지만, 이것에 한정되지 않는다. 직동 구동 로드나 캠 기구를 사용하여 거리변동 기구를 구성해도 된다.

또한, 각 관절의 구성이나 관절축부의 배치는 실시형태에 한정되지 않는다. 예를 들면, 7자유도 이상이나 5자유도 이하의 자유도를 갖도록 관절축부를 구성해도 된다.

또한, 2족 이동 로봇에 한정되지 않는다. 예를 들면, 짐승이나 곤충 등을 모방한 4족 이동 로봇이나 6족 이동 로봇 등이어도 된다.

Claims

상체, 및, 상기 상체와 상퇴 링크를 연결하는 고관절과, 상기 상퇴 링크와 하퇴 링크를 연결하는 무릎관절과, 상기 하퇴 링크와 족평을 연결하는 발목관절을 갖는 다리체를 구비하고, 이 다리체를 구동하여 이동하는 다리식 이동 로봇으로서,
일단이 상기 하퇴 링크의 제 1 축에 대하여 회전 자유롭게 연결되고, 타단이 상기 상퇴 링크의 제 2 축에 회전 자유롭게 연결되는 연결 로드와,
상기 하퇴 링크의 제 3 축과 상기 상퇴 링크의 제 4 축 사이의 거리를 구동원에 의한 구동력에 의해 변화시키는 거리변동 기구를 구비하고,
상기 무릎관절의 굴곡각이 0도일 때, 상기 제 1 축과 상기 제 2 축 사이의 거리와 상기 제 2 축과 상기 제 4 축 사이의 거리의 합이 상기 제 3 축과 상기 제 4 축 사이의 거리보다도 작은 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제 1 항에 있어서, 상기 상퇴 링크의 소정점과 상기 하퇴 링크의 소정점 사이의 거리를 상기 무릎관절의 굴곡각으로 미분한 값이 상기 무릎관절의 굴곡각이 0도일 때 0이 되지 않도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제 1 항에 있어서, 일단이 상기 하퇴 링크의 제 5 축에 대하여 회전 자유롭게 연결되고, 타단이 상기 상퇴 링크의 제 6 축에 회전 자유롭게 연결되는 연결 로드를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제 2 항에 있어서, 일단이 상기 하퇴 링크의 제 5 축에 대하여 회전 자유롭게 연결되고, 타단이 상기 상퇴 링크의 제 6 축에 회전 자유롭게 연결되는 연결 로드를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제 1 항에 있어서,
상기 거리변동 기구는,
상기 구동원에 의해 상기 제 4 축을 중심으로 회전구동되는 회전판과,
일단이 상기 회전판의 단부에 회전 자유롭게 연결되고, 타단이 상기 제 4 축에서 상기 하퇴 링크에 회전 자유롭게 연결되는 연결 로드를 구비하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제 2 항에 있어서,
상기 거리변동 기구는,
상기 구동원에 의해 상기 제 4 축을 중심으로 회전구동되는 회전판과,
일단이 상기 회전판의 단부에 회전 자유롭게 연결되고, 타단이 상기 제 4 축에서 상기 하퇴 링크에 회전 자유롭게 연결되는 연결 로드를 구비하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제 3 항에 있어서, 상기 거리변동 기구는,
상기 구동원에 의해 상기 제 4 축을 중심으로 회전구동되는 회전판과,
일단이 상기 회전판의 단부에 회전 자유롭게 연결되고, 타단이 상기 제 4 축에서 상기 하퇴 링크에 회전 자유롭게 연결되는 연결 로드를 구비하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
제 4 항에 있어서,
상기 거리변동 기구는,
상기 구동원에 의해 상기 제 4 축을 중심으로 회전구동되는 회전판과,
일단이 상기 회전판의 단부에 회전 자유롭게 연결되고, 타단이 상기 제 4 축에서 상기 하퇴 링크에 회전 자유롭게 연결되는 연결 로드를 구비하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.