KR101298088B1 - 2자유도 피에조다리를 이용한 초소형 다족로봇 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 1회의 전압 공급으로 2자유도 동작을 실행할 수 있는 복수개의 피에조다리(Piezo-legs)와, 간단한 구조로 복잡한 행동패턴을 모델링할 수 있는 일체형 인공신경망 행동제어기를 이용한 초소형 다족로봇에 관한 것으로, 본 발명의 초소형 다족로봇은 본체와; 바이몰프 압전체(bimorph piezoelectric element)로 이루어지며, 상기 본체에 연결되어, 인가되는 전압에 의해 2방향으로의 형태적 변형을 통한 운동을 일으켜 바닥을 따라 이동하는 복수개의 피에조다리(piezo-legs)와; 외부센서로부터 전달된 외부 환경에 대한 정보와 상기 피에조다리가 바닥면에 닿으면서 전달되는 전기신호를 피드백하여 이동 패턴을 제어하는 인공신경망 행동제어기를 구비하여 상기 각각의 피에조다리에 인가되는 전압을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

2자유도 피에조다리를 이용한 초소형 다족로봇{Multi-legged Subminiature Robot Using 2DOF Piezo-legs}
본 발명은 초소형 다족로봇에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 1회의 전압 공급으로 2자유도 동작을 실행할 수 있는 복수개의 피에조다리(Piezo-legs)와, 간단한 구조로 복잡한 행동패턴을 모델링할 수 있는 인공신경망 행동제어기를 이용한 초소형 다족로봇에 관한 것이다.
최근 개발된 초소형 로봇들은 제어부의 작은 크기로 인하여 제한적인 기능과 임무수행능력을 가지고 있다. 초소형 다족로봇의 경우 피에조나 다른 원리를 이용한 간단한 구동 메커니즘은 대부분 상하 방향 또는 전후 방향으로의 1자유도를 가지기 때문에 정확한 제어나 험로에서의 이동이 쉽지 않은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 1회의 전압 공급으로 2자유도 동작을 실행할 수 있는 복수개의 피에조다리(Piezo-legs)와, 간단한 구조로 복잡한 행동패턴을 모델링할 수 있는 일체형 인공신경망 행동제어기를 이용하여 험로에서의 효율적인 이동을 구현할 수 있는 새로운 구동메커니즘과 제어 구조의 초소형 다족로봇을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 2자유도 피에조다리를 이용한 초소형 다족로봇은, 본체와; 바이몰프 압전체(bimorph piezoelectric element)로 이루어지며, 상기 본체에 연결되어, 인가되는 전압에 의해 2방향으로의 형태적 변형을 통한 운동을 일으켜 바닥을 따라 이동하는 복수개의 피에조다리(piezo-legs)와; 상기 각각의 피에조다리에 인가되는 전압을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 한 형태에 따르면, 상기 피에조다리는 상기 본체로부터 수평방향으로 연장되며 내측 단부가 상기 제어부와 전기적으로 연결되어 전압을 공급받는 수평부와, 상기 수평부의 외측 단부에서 임의의 각도로 비틀리면서 상하방향으로 연장된 수직부를 포함하여 구성된다.
본 발명의 다른 한 형태에 따르면, 본 발명의 초소형 다족로봇은 상기 본체의 일측에 설치되어 외부 환경을 인식하여 상기 제어부로 전달하는 외부센서를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어부는 상기 외부센서로부터 전달된 외부 환경에 대한 정보와 상기 피에조다리의 말단부가 바닥면에 닿으면서 전달되는 전기신호를 피드백하여 요구되는 이동 패턴에 따라 걸음걸이(gait) 패턴을 제어하는 인공신경망 행동제어기를 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 다족로봇이 바이몰프 압전체로 이루어진 복수개의 피에조다리(Piezo-legs)들의 복합적인 2자유도 운동에 의해 바닥면을 따라 이동하게 된다. 따라서, 편평한 바닥면은 물론 험로에서도 효율적으로 이동할 수 있게 된다.
특히, 본 발명의 다족로봇은 매우 간단한 구조로 매우 복잡한 함수를 모델링할 수 있는 인공신경망 행동제어기를 이용하여 행동패턴과 피에조다리의 동작을 동시에 제어하므로 효율적인 제어가 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 초소형 다족로봇의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1의 초소형 다족로봇의 피에조다리의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 3은 피에조압전체의 전압인가에 따른 형태 변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 초소형 다족로봇의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초소형 다족로봇의 구성을 나타낸다. 먼저 도 1을 참조하면 본 발명의 초소형 다족로봇은, 본체(10)와, 상기 본체(10)의 양측에 설치되며 상하 및 전후방향으로의 2자유도를 갖도록 되어 바닥면을 따라 이동하는 복수개(이 실시예에서 6개)의 피에조다리(20)(piezo-legs)와, 상기 본체(10)의 전방에 설치되어 물체를 파지하는 피에조 그립퍼(50)와, 상기 각각의 피에조다리(20) 및 피에조 그립퍼(50)에 인가되는 전압을 제어하는 제어부(30)를 포함한다.
상기 피에조다리(20)는 압전소자가 복수로 적층 형성된 바이몰프 압전체(bimorph piezoelectric element)로 이루어지며, 상기 제어부(30)로부터 인가되는 전압에 의해 상하 방향과 전후방향의 2방향으로의 형태적 변형을 통한 운동을 일으킨다.
도 2에 도시된 것과 같이, 이 실시예에서 상기 피에조다리(20)는 상기 본체(10)로부터 수평방향으로 연장되며 내측 단부가 상기 제어부(30)와 전기적으로 연결되어 전압을 공급받는 수평부(21)와, 상기 수평부(21)의 외측 단부에서 90도의 각도로 비틀리면서 상하방향으로 연장된 수직부(22)로 구성된다. 전압 공급시 상기 수평부(21)는 상하방향(화살표 A 방향)으로 움직이며, 수직부(22)는 전후방향(화살표 B 방향)으로 움직인다. 이와 같이 상기 피에조다리(20)들은 수평부(21)의 상하방향 운동과 수직부(22)의 전후방향 운동의 조합을 통해 험로에서도 효율적인 동작을 구현할 수 있다.
상기 피에조다리(20)의 보폭과 걸임걸이의 높이와 패턴은 적절한 압전 재료의 선택과, 상기 수평부(21)의 길이(L1) 및 수직부(22)의 길이(L2)의 최적화, 도 3에 도시된 것과 같은 바이몰프 압전체의 히스테리시스(Hysteresis)의 성질을 이용한 보폭(LS) 생성, 걸음패턴에서 허공에 떠서 이동하는 단계(swing phase)와 바닥에 닿아서 지지하여 본체를 전진시키는 단계(supporting phase) 간의 속도차이 생성 등의 파라미터 설정 등을 통해 최적화될 수 있다.
상기 피에조 그립퍼(50)는 피에조다리(20)와 마찬가지로 바이몰프 압전체를 이용하여 구성될 수 있으며, 집게 형태로 이루어져 상기 제어부(30)로부터 인가되는 전압에 의해 변형되면서 물체를 파지하는 작용을 수행한다.
한편, 상기 본체(10)의 일측에는 외부 환경을 인식하는 외부센서(40)가 상기 제어부(30)와 전기적으로 연결되도록 설치된다.
상기 제어부(30)는 상기 외부센서(40)로부터 전달된 외부 환경에 대한 정보와 상기 피에조다리(20)의 말단부가 바닥면에 닿으면서 전달되는 전기신호를 피드백(feedback)하여 요구되는 이동 패턴에 따라 걸음걸이(gait) 패턴을 제어하는 일체형의 인공신경망 행동제어기(31)를 구비한다. 인공신경망 행동제어기(31)는 매우 간단한 구조로 매우 복잡한 함수를 모델링할 수 있는 제어기로, 다족로봇의 모든 상위 및 하위 레벨의 제어는 이 인공신경망 행동제어기(31)를 통해 이루어진다. 상기 인공신경망 행동제어기(31)의 입력값은 외부센서(40) 데이터와 각각의 피에조다리(20)에서 직접적으로 전송되는 전기신호이며, 출력값은 제어부(30)에 구성된 전원공급기(32)에 전해지는 명령값이다.
이와 같이 본 발명의 제어부(30)는 상기 일체형 인공신경망 행동제어기(31)를 통해 전원공급기(32)로부터 피에조다리(20) 및 피에조 그립퍼(50)에 공급되는 전압을 제어하여 피에조다리(20)의 보폭과 보행 패턴, 동작 속도, 걸음의 높이, 피에조 그립퍼(50)의 파지 동작 및 해제 동작 등을 제어한다.
상기 제어부(30)에 구성되는 전원공급기(32)로는 배터리를 이용할 수도 있지만, 태양광 또는 태양열 등의 신재생 에너지를 이용하여 구성할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 초소형 다족로봇은 다음과 같이 작동한다.
제어부(30)의 전원공급기(32)를 통해 각각의 피에조다리(20)에 소정의 전압이 인가되면, 각각의 피에조다리(20)의 수평부(21) 및 수직부(22)가 각각 상하방향 및 전후방향으로 변형되면서 움직임이 발생하게 된다.
이 때, 상기 외부센서(40)는 외부 환경을 감지하여 상기 제어부(30)의 인공신경망 행동제어기(31)로 전달한다. 이와 동시에 상기 피에조다리(20)가 바닥면과 닿으면서 그 압력에 따른 전기신호가 상기 인공신경망 행동제어기(31)에 입력된다. 상기 인공신경망 행동제어기(31)는 상기 외부센서(40) 및 피에조다리(20)로부터 입력된 신호를 분석하여 외부 환경을 인식하고, 피에조다리(20)의 보폭과 보행 속도, 걸음 높이 등을 결정하여 명령값을 전원공급기(32)로 전달한다. 상기 전원공급기(32)는 상기 인공신경망 행동제어기(31)로부터 전달받은 명령값에 따라 각각의 피에조다리(20)에 정해진 전압을 인가하게 된다.
이와 같은 과정을 연속적으로 반복 수행하면서 다족로봇은 목표 지점까지 이동하며 정해진 작업을 수행한다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 다족로봇이 바이몰프 압전체로 이루어진 복수개의 피에조다리(20)들의 복합적인 2자유도 운동에 의해 바닥면을 따라 이동하게 된다. 따라서, 편평한 바닥면은 물론 험로에서도 효율적으로 이동할 수 있게 된다.
특히, 본 발명의 다족로봇은 매우 간단한 구조로 매우 복잡한 함수를 모델링할 수 있는 인공신경망 행동제어기(31)를 이용하여 피에조다리(20)의 동작을 제어하므로 정밀한 제어가 가능하다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
10 : 본체 20 : 피에조다리
21 : 수평부 22 : 수직부
30 : 제어부 31 : 인공신경망 행동제어기
32 : 전원공급기 40 : 외부센서
50 : 피에조 그립퍼

Claims (6)

  1. 본체(10)와;
    바이몰프 압전체(bimorph piezoelectric element)로 이루어지며, 상기 본체(10)에 연결되어, 인가되는 전압에 의해 2방향으로의 형태적 변형을 통한 운동을 일으켜 바닥을 따라 이동하는 복수개의 피에조다리(20)(piezo-legs)와;
    상기 각각의 피에조다리(20)에 인가되는 전압을 제어하는 제어부(30)를 포함하며;
    상기 피에조다리(20)는 상기 본체(10)로부터 수평방향으로 연장되며 내측 단부가 상기 제어부(30)와 전기적으로 연결되어 전압을 공급받는 수평부(21)와, 상기 수평부(21)의 외측 단부에서 임의의 각도로 비틀리면서 상하방향으로 연장된 수직부(22)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 2자유도 피에조다리를 이용한 초소형 다족로봇.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 수직부(22)는 상기 수평부(21)의 외측 단부에서 90도로 비틀린 것을 특징으로 하는 2자유도 피에조다리를 이용한 초소형 다족로봇.
  4. 제1항에 있어서, 상기 본체(10)의 일측에 설치되어 외부 환경을 인식하여 상기 제어부(30)로 전달하는 외부센서(40)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2자유도 피에조다리를 이용한 초소형 다족로봇.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제어부(30)는 상기 외부센서(40)로부터 전달된 외부 환경에 대한 정보와 상기 피에조다리(20)의 말단부가 바닥면에 닿으면서 전달되는 전기신호를 피드백(feedback)하여 이동 패턴을 제어하는 인공신경망 행동제어기(31)를 구비하는 것을 특징으로 하는 2자유도 피에조다리를 이용한 초소형 다족로봇.
  6. 제1항에 있어서, 상기 본체(10)의 일측에 상기 제어부(30)로부터 전압을 공급받아 형태적으로 변형되면서 물체를 파지하는 압전재료로 이루어진 피에조 그립퍼(50)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2자유도 피에조다리를 이용한 초소형 다족로봇.
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