KR102067221B1 - An ankle structure for humanoid robot using two cylindrical linear series elastic actuator parallely - Google Patents

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이학
이광진
윤정환
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경북대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 한 쌍의 탄성 액츄에이터를 병렬로 사용하여 로봇 발목 구조를 형성하는 휴머노이드 로봇 또는 보조 근력장치에 관한 것으로, 로봇의 발과, 상기 로봇의 발 상단에 병렬로 배치되는 한 쌍의 SEA와, 상기 한 쌍의 SEA와 각각 하나의 점으로 연결되어 3점지지 구조를 형성하고 상기 한 쌍의 SEA를 지지하는 생크부와, 상기 한 쌍의 SEA의 지지축과 상기 생크부의 지지축의 상단을 연결하는 제1 커플링과, 상기 로봇의 발을 통해 연결되고 상기 한 쌍의 SEA의 지지축과 상기 생크부의 지지축의 하단을 연결하는 제2 커플링을 포함하는 로봇 발목 구조체를 제공한다.The present invention relates to a humanoid robot or an auxiliary muscle device that uses a pair of elastic actuators in parallel to form a robot ankle structure, comprising: a foot of the robot, a pair of SEAs disposed in parallel on the top of the foot of the robot, Each of the pair of SEAs is connected to one point to form a three-point support structure, and the shank portion for supporting the pair of SEAs, connecting the support shaft of the pair of SEA and the upper end of the support shaft of the shank portion It provides a robot ankle structure comprising a first coupling and a second coupling connected via the foot of the robot and connecting the support shaft of the pair of SEA and the lower end of the support shaft of the shank portion.

Description

한 쌍의 탄성 액츄에이터를 병렬로 사용하는 로봇 발목 구조{An ankle structure for humanoid robot using two cylindrical linear series elastic actuator parallely}An ankle structure for humanoid robot using two cylindrical linear series elastic actuator parallely

본 발명은 액츄에이터에 관한 것으로, 보다 자세하게는 한 쌍의 탄성 액츄에이터를 병렬로 사용하여 로봇 발목 구조를 형성하는 휴머노이드 로봇 또는 보조 근력장치에 관한 것이다.The present invention relates to an actuator, and more particularly, to a humanoid robot or an auxiliary muscle power device that forms a robot ankle structure using a pair of elastic actuators in parallel.

현재 큰 관심을 받고 있는 로봇 분야는 많은 연구와 개발이 수행중이며, 산업 로봇 이외에도 인간을 대신하여 다양한 작업을 수행할 수 있는 원격 조정 로봇, 인간형 로봇, 보조근력장치 등의 필요성이 대두 되고 있다. In the robot field, which is currently receiving much attention, many researches and developments are being performed, and in addition to industrial robots, there is a need for remote control robots, humanoid robots, and auxiliary muscle devices that can perform various tasks on behalf of humans.

일반적으로 직렬 탄성 액츄에이터(series elastic actuator)는 액츄에이터와 탄성부재를 직렬로 연결하여 탄성부재의 변위로 힘을 측정할 수 있도록 하는 장치를 말하는데, 이러한 액츄에이터는 인간형 로봇, 보조근력장치에서 발목, 무릎, 팔에 사용되어 인간의 근육처럼 신축성 조절을 통해 높은 에너지 효율을 낼 수 있게 하는 핵심적인 요소에 해당된다.Generally, a series elastic actuator refers to a device that connects an actuator and an elastic member in series to measure a force by displacement of the elastic member. The actuator is an ankle, knee, Used in the arm, it is a key factor in enabling high energy efficiency through elastic control like human muscles.

한편, 인간형 로봇은 4륜 바퀴형 이동식 로봇에서 시작하였으나, 평탄한 면에서만 이동이 가능하고 계단, 문턱 등의 비평탄한 면을 통과할 수 없어 인간의 실생활에 널리 확장되어 사용되기 어렵다는 문제점이 있었다. 이러한 4륜 바퀴형 이동식 로봇의 단점을 보완하기 위해 2족 보행식 로봇 또는 그 이상의 다리를 가진 4족 또는 6족 보행식 로봇이 개발되어 왔다.On the other hand, the humanoid robot started from a four-wheeled mobile robot, but only a flat surface can be moved and cannot pass through uneven surfaces such as stairs and thresholds, there is a problem that it is difficult to be widely used in human life. In order to make up for the shortcomings of the four-wheeled mobile robot, a four-legged or six-legged walking robot has been developed.

대표적인 2족 보행식 로봇의 일 예로 소니에서 개발된 휴머노이드 로봇으로 휴머노이드 로봇의 보행에 관한 제어방법은 선행기술로서 일본 특개2001157973가 개시되어 있다.An example of a representative biped walking robot is a humanoid robot developed by Sony, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001157973 discloses a control method for walking a humanoid robot.

또한, 한국공개특허 10-2004-0068438호는 이동식 로봇의 보행장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 바퀴형 보행 및 다리형 보행을 결합한 이동식 로봇이 개시되어 있다.In addition, Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2004-0068438 relates to a walking apparatus and a method of a mobile robot, and discloses a mobile robot combining wheel walking and leg walking.

전술한 선행기술로서 현재 보행식 로봇은 다양한 지면에서 로봇 발을 지지하거나 자연스러운 걸음 동작 형성으로 로봇의 안정적인 걸음 동작을 형성하는 데 제약이 있으며, 이를 위한 로봇 발목 구조 및 안정적인 걸음 동작을 유지할 수 있는 액츄에이터의 개발이 요구되는 실정이다.As the aforementioned prior art, the current walking robot is limited in forming a stable walking motion of the robot by supporting the robot foot on various grounds or forming a natural walking motion, and an actuator capable of maintaining the robot ankle structure and stable walking motion for this purpose. Development of the situation is required.

일본공개특허 2001-157973호(2001년 6월 12일 공개)Japanese Laid-Open Patent 2001-157973 (published June 12, 2001) 한국공개특허 10-2004-0068438호(2004년 7월 31일 공개)Korean Patent Publication No. 10-2004-0068438 (published Jul. 31, 2004)

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 로봇 다리에 컴플라이언스 요소가 있는 SEA를 병렬 배치하여 보다 큰 출력을 얻을 수 있으며, 3점지지 구조를 형성하여 내충격성이 강하고 큰 하중 지탱 가능성이 높은 로봇 발목구조를 제공함을 목적으로 한다.The present invention has been made in order to solve the problems described above, it is possible to obtain a larger output by arranging the SEA with a compliance element on the robot leg in parallel, and to form a three-point support structure, the impact resistance is strong and bears a large load The goal is to provide a highly probable robot ankle structure.

또한, 로봇의 발목이 롤(Roll)/피치(Pitch)방향으로 회전이 가능하므로 다양한 지면에서 로봇 발이 지지할 수 있고 자연스러운 걸음 동작을 형성가능하게 함을 목적으로 한다.In addition, since the ankle of the robot can be rotated in a roll / pitch direction, the robot foot can be supported on various grounds and a natural step motion can be formed.

이를 위해, 본 발명은 로봇의 발과, 상기 로봇의 발 상단에 병렬로 배치되는 한 쌍의 SEA와, 상기 한 쌍의 SEA와 각각 하나의 점으로 연결되어 3점지지 구조를 형성하고 상기 한 쌍의 SEA를 지지하는 생크부와, 상기 한 쌍의 SEA의 지지축과 상기 생크부의 지지축의 상단을 연결하는 제1 커플링과, 상기 로봇의 발을 통해 연결되고 상기 한 쌍의 SEA의 지지축과 상기 생크부의 지지축의 하단을 연결하는 제2 커플링을 포함하는 로봇 발목 구조체를 제공한다.To this end, the present invention is a pair of SEA and a pair of SEA disposed in parallel on the top of the robot foot, and the pair of SEA is connected to each one point to form a three-point support structure and the pair A shank portion for supporting the SEA, a first coupling for connecting an upper end of the support shaft of the pair of SEAs and the support shaft of the shank portion, and a support shaft of the pair of SEAs connected through the feet of the robot; It provides a robot ankle structure comprising a second coupling connecting the lower end of the support shaft of the shank portion.

또한, 상기 로봇의 발과, 한 쌍의 SEA와, 생크부가 상단의 제1 커플링 및 하단의 제2 커플링을 통해 닫힌 체인 구조를 형성하는 것을 특징으로 한다.In addition, the foot of the robot, a pair of SEA, and the shank portion is characterized by forming a closed chain structure through the first coupling of the upper end and the second coupling of the lower end.

또한, 상기 생크부는, 생크 본체와, 상기 생크 본체와 상기 제1 커플링을 연결하는 T자형 SEA 브라켓과, 상기 생크 본체와 상기 제2 커플링을 연결하는 생크 브라켓을 포함할 수 있다.The shank unit may include a shank body, a T-shaped SEA bracket connecting the shank body and the first coupling, and a shank bracket connecting the shank body and the second coupling.

또한, 상기 제1 커플링의 일측은 상기 한 쌍의 SEA와 연결되고, 상기 제1 커플링의 타측은 제1 커플링 결합부를 통해 상기 T자형 SEA 브라켓과 결합되는 것을 특징으로 한다.In addition, one side of the first coupling is connected to the pair of SEA, the other side of the first coupling is characterized in that coupled to the T-shaped SEA bracket through the first coupling coupling portion.

또한, 상기 로봇 발은, 단면이 사각형태인 발판으로, 상기 발판에는 3점 지지 구조로서 상기 한 쌍의 SEA와 생크부의 결합을 위해 3개의 홀을 형성하는 것을 특징으로 한다.In addition, the robot foot is a scaffold having a rectangular cross section, and the scaffold has a three-point support structure, characterized in that forming three holes for coupling the pair of SEA and the shank portion.

또한, 상기 발판은 2중 발판 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.In addition, the scaffold is characterized in that it has a double scaffold structure.

또한, 상기 생크부와 연결되는 상기 제2 커플링은 상부에서 제2 커플링 결합부와 하부에서는 제1 발판 결합부를 통해 상기 발판에 지지되고, 상기 한 쌍의 SEA와 연결되는 상기 제2 커플링은 상부에서 상기 SEA와 하부에서는 2개의 제2 발판 결합부를 통해 상기 발판에 지지되는 것을 특징으로 한다.In addition, the second coupling connected to the shank portion is supported on the scaffold through a second coupling coupling portion at the top and a first scaffold coupling portion at the bottom, and the second coupling connected to the pair of SEAs. Silver is supported on the scaffold through the SEA at the top and two second scaffold couplings at the bottom.

또한, 상기 제1 커플링 및 상기 제2 커플링을 유니버셜 조인트로 구성될 수 있다.In addition, the first coupling and the second coupling may be configured as a universal joint.

또한, 상기 한 쌍의 SEA가 같은 방향 또는 같은 길이만큼 이동하게 되면 상기 로봇의 발이 피치(Pitch) 방향으로 회전하게 되고, 상기 한 쌍의 SEA가 각각 다른 방향으로 이동하게 되면 상기 로봇의 발이 롤(Roll) 방향으로 회전하게 되는 것을 특징으로 한다.Further, when the pair of SEAs move in the same direction or the same length, the feet of the robot rotate in the pitch direction, and when the pair of SEAs move in different directions, the feet of the robot roll ( It characterized in that the rotation in the roll) direction.

또한, 상기 SEA는, 직선왕복운동을 수행하는 로드부; 구동샤프트를 통해 상기 로드부에 구동력을 전달하는 구동모터; 및 상기 구동모터의 구동샤프트에 의한 회전운동을 상기 로드부의 직선왕복운동으로 변환하는 동력전달부를 포함하고, 상기 로드부는, 외부 커버로서 아웃터와 상기 아웃터에 삽입되는 몸체로서 이너를 구비하고, 상기 아웃터는 제1 중공부를 갖는 원통 형태이며, 상기 이너는 상기 아웃터의 제1 중공부에 삽입되고, 상기 제1 중공부보다 직경이 작은 제2 중공부를 갖는 원통 형태이고, 상기 제2 중공부의 일측면은 상기 로드부의 일단이 관통하는 제1 가이드홀이 형성되고, 상기 제2 중공부의 타측면은 개방되어 상기 동력전달부의 구성요소가 삽입되어 결합되어, 상기 제1 가이드홀의 중심축 방향으로 동심원을 갖는 상기 제2 중공부와 상기 제1중공부의 구조를 갖는 이중 실린더 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the SEA, the rod portion for performing a linear reciprocating motion; A drive motor transferring a driving force to the rod portion through a drive shaft; And a power transmission unit for converting the rotational motion by the drive shaft of the drive motor into a linear reciprocating motion of the rod part, wherein the rod part includes an outer as an outer cover and an inner as a body to be inserted into the outer, the outer Is a cylindrical shape having a first hollow portion, the inner is inserted into a first hollow portion of the outer portion, a cylindrical shape having a second hollow portion having a smaller diameter than the first hollow portion, and one side of the second hollow portion is A first guide hole through which one end of the rod portion penetrates is formed, and the other side surface of the second hollow portion is opened so that components of the power transmission unit are inserted and coupled to each other, thereby having a concentric circle in the direction of the central axis of the first guide hole. It is characterized in that it is configured in the form of a double cylinder having a structure of the second hollow portion and the first hollow portion.

또한, 상기 동력전달부는, 상기 로드부의 상기 이너에 삽입되는 볼너트와, 상기 볼너트와 결합하여 결합된 볼너트가 좌우로 직선왕복운동함에 따라 상기 로드부도 함께 직선왕복운동하게 하는 볼스크류를 포함할 수 있다.The power transmission unit may include a ball nut inserted into the inner portion of the rod part and a ball screw to linearly reciprocate the rod part as the ball nut coupled to the ball nut reciprocates linearly from side to side. can do.

또한, 상기 볼너트를 양측면에서 지지하는 스프링을 더 포함할 수 있다.In addition, it may further include a spring for supporting the ball nut on both sides.

본 발명은 로봇 다리에 컴플라이언스 요소가 있는 SEA를 병렬 배치하여 각 SEA의 동력이 작은 모터를 사용하더라도 한 쌍이 설치되므로 보다 큰 출력을 얻을 수 있으며, 3점지지 구조를 형성하여 내충격성이 강하고 큰 하중 지탱 가능성이 높은 발목구조를 얻을 수 있다. According to the present invention, a pair of SEAs having compliance elements are arranged in parallel on the robot leg, so that a pair is installed even when a motor with a small power of each SEA is installed, and thus, a larger output can be obtained. Ankle structure with high support potential can be obtained.

또한, 로봇의 발목이 롤(Roll)/피치(Pitch)방향으로 회전이 가능하므로 다양한 지면에서 로봇 발이 지지할 수 있고 자연스러운 걸음 동작을 형성가능하게 할 수 있다.In addition, since the ankle of the robot can be rotated in a roll / pitch direction, the robot foot can be supported on various grounds and a natural stepping motion can be formed.

이를 통해, 로봇의 안정적인 걸음 동작이 가능하며, 로봇 발 외에도 장애인을 위한 보조 근력장치에 사용되어 장애인의 삶의 질 향상에 도움을 줄 수 있어 확장 가능성이 있다.Through this, a stable step of the robot is possible, and in addition to the robot foot can be used in the auxiliary strength device for the disabled can help to improve the quality of life of the disabled has the possibility of expansion.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 로봇 발목 구조체를 나타낸 정면도,
도 2는 도 1의 로봇 발목 구조체의 우측면도,
도 3은 도 1의 로봇 발목 구조체를 대각선에서 본 도면,
도 4는 도 1의 로봇 발목 구조체의 구성요소를 나타낸 분해사시도,
도 5는 도 1의 로봇 발목 구조체에서 SEA의 움직임에 따른 발의 피치(Pitch) 방향 회전을 나타낸 도면,
도 6은 도 1의 로봇 발목 구조체에서의 SEA의 움직임에 따른 발의 롤(Roll) 방향 회전을 나타낸 도면,
도 7은 도 1의 로봇 발목 구조체에서 병렬로 배치되는 한 쌍의 직렬 탄성 액츄에이터(SEA)의 내부를 포함한 전체 구성을 나타낸 측단면도,
도 8은 도 7의 SEA의 분해 사시도,
도 9는 도 8에서 로드부만 따로 조립된 모습을 자세히 나타낸 분해사시도이다.1 is a front view showing a robot ankle structure according to a preferred embodiment of the present invention,
2 is a right side view of the robot ankle structure of FIG. 1, FIG.
3 is a view of the robot ankle structure of FIG. 1 viewed from a diagonal;
4 is an exploded perspective view showing the components of the robot ankle structure of Figure 1,
5 is a view showing the pitch direction rotation of the foot according to the movement of the SEA in the robot ankle structure of FIG.
6 is a view showing the roll (Roll) rotation of the foot according to the movement of the SEA in the robot ankle structure of Figure 1,
7 is a side cross-sectional view showing the overall configuration including the inside of a pair of series elastic actuators (SEA) arranged in parallel in the robot ankle structure of FIG.
8 is an exploded perspective view of the SEA of FIG.
FIG. 9 is an exploded perspective view showing in detail a state in which only the rod part is separately assembled in FIG.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 한 쌍의 직렬 탄성 액츄에이터((series elastic actuator, 이하 "SEA"라 한다)를 병렬로 사용하는 로봇 발목구조의 구성을 상세히 설명한다. 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지 않는다. 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시 예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the configuration of the robot ankle structure using a pair of series elastic actuator (hereinafter referred to as "SEA") in parallel in accordance with a preferred embodiment of the present invention. DETAILED DESCRIPTION Exemplary embodiments are provided so that those skilled in the art can easily understand the technical spirit of the present invention, and the present invention is not limited thereto. It may differ from the form actually implemented in the schematic diagram.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 로봇 발목 구조체(200)를 나타낸 정면도, 도 2는 도 1의 로봇 발목 구조체(200)의 우측면도, 도 3은 도 1의 로봇 발목 구조체(200)를 대각선에서 본 도면, 도 4는 도 1의 로봇 발목 구조체(200)의 구성요소를 나타낸 분해사시도, 도 5는 도 1의 로봇 발목 구조체(200)에서 SEA(100)의 움직임에 따른 로봇 발의 피치(Pitch) 방향 회전을 나타낸 도면이고, 도 6은 도 1의 로봇 발목 구조체(200)에서의 SEA(100)의 움직임에 따른 로봇 발의 롤(Roll) 방향 회전을 나타낸 도면이다.1 is a front view showing a robot ankle structure 200 according to a preferred embodiment of the present invention, Figure 2 is a right side view of the robot ankle structure 200 of Figure 1, Figure 3 is the robot ankle structure 200 of Figure 1 4 is an exploded perspective view showing components of the robot ankle structure 200 of FIG. 1, and FIG. 5 is a pitch of the robot foot according to the movement of the SEA 100 in the robot ankle structure 200 of FIG. 1. FIG. 6 is a diagram illustrating rotation in a pitch direction, and FIG. 6 is a diagram illustrating a rotation in a roll direction of the robot foot according to the movement of the SEA 100 in the robot ankle structure 200 of FIG. 1.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 로봇 발목 구조체(200)는 인간형 로봇 또는 2족 보행식 로봇에서 지면에 접촉하는 로봇의 발(240)과, 발(240) 상단에 병렬로 배치되는 한 쌍의 SEA(100)와, 한 쌍의 SEA(100)와 각각 하나의 점으로 연결되어 3점지지 구조를 형성하고 상기 한 쌍의 SEA(100)가 지면에 대하여 수직 상태를 유지하도록 지지하는 생크부(210)와, 상기 지면에 대해 한 쌍의 SEA(110)의 지지축과 상기 생크부(210)의 지지축의 상단을 연결하는 제1 커플링(220)과, 상기 로봇의 발(240)에 연결되고 상기 지면에 대해 한 쌍의 SEA(110)의 지지축과 상기 생크부(210)의 지지축의 하단을 연결하는 제2 커플링(230)을 구비한다. 1 to 4, the robot ankle structure 200 according to a preferred embodiment of the present invention is a foot 240 and the top of the foot 240 of the robot in contact with the ground in a humanoid robot or biped walking robot A pair of SEAs (100) disposed in parallel to each other, and a pair of SEAs (100) connected to each other to form a three-point support structure, and the pair of SEAs (100) are perpendicular to the ground. Shank portion 210 for supporting to maintain the, the first coupling 220 for connecting the upper end of the support shaft of the pair of SEA (110) and the support shaft of the shank portion 210 with respect to the ground; And a second coupling 230 connected to the foot 240 of the robot and connecting the support shaft of the pair of SEA 110 and the lower end of the support shaft of the shank 210 with respect to the ground.

여기서, 본 발명의 로봇 발목 구조체(200)은 인간형 로봇 또는 다족(2족 또는 그 이상의 다리를 가진 4족 또는 6족 등) 보행식 로봇에 적용할 수 있는 다리 구조에 관한 것이다.Here, the robot ankle structure 200 of the present invention relates to a leg structure that can be applied to a humanoid robot or a multi-legged walking robot (such as a group 4 or group 6 having two or more legs).

또한, 본 발명의 로봇 발목 구조체(200)는 컴플라이언스 요소가 장착된 직렬 탄성 액츄에이터(SEA)(100) 한 쌍을 병렬로 배치하고, 병렬로 배치된 한 쌍의 SEA(100)와 생크부(shank part)(210)가 각각이 하나의 점으로 연결되어 3점지지 구조를 형성하게 된다. 이러한 3점지지 구조는 최소의 지지점으로 지면에 대한 직립 상태 유지를 위한 안정성을 취하고, 3점 이상의 지지구조와 비교하여 보다 구속조건이 적어 더 자유로운 발목의 움직임이 가능한 장점이 있다.In addition, the robot ankle structure 200 of the present invention is arranged in parallel with a pair of series elastic actuator (SEA) 100 equipped with a compliance element, a pair of SEA (100) and the shank (shank) arranged in parallel Each part 210 is connected to one point to form a three point support structure. This three-point support structure has the advantage of taking stability for maintaining the upright state on the ground with a minimum support point, and compared to the support structure of three or more points, there are fewer constraints, and thus more free movement of the ankle is possible.

또한, 본 발명의 로봇 발목 구조체(200)는 병렬로 배치된 한 쌍의 SEA(100)와 이를 지지하는 생크부(210)가 제1 커플링(220) 및 제2 커플링(230)을 통해 닫힌 체인(closed chain) 구조를 형성하게 된다. 다만, 본 발명의 로봇 발목 구조체(200)는 지면 또는 표면에 접촉하면서 보행하거나 이동하는 형태이므로, 제2 커플링(230)은 로봇의 발(240)에 연결되어 지면에 안정되게 지지되고, 연결된 로봇의 발(240)을 통해 병렬로 배치된 한 쌍의 SEA(100)와 이를 지지하는 생크부(210)를 연결하게 된다. 또한, 로봇의 발(240)과, 한 쌍의 SEA(100)와, 이를 지지하는 생크부(210)가 상단의 제1 커플링(220) 및 하단의 제2 커플링(230)을 통해 closed chain 구조를 형성하게 된다. 이렇게 연결됨으로써 로봇 발(240), 생크부(210), 병렬로 배치된 한 쌍의 SEA(100)가 closed chain 구조를 가지게 되고 한 쌍의 SEA(100)의 움직임에 따라 로봇 발목의 움직임이 결정된다. In addition, the robot ankle structure 200 of the present invention is a pair of SEA (100) arranged in parallel and the shank portion 210 for supporting it through the first coupling 220 and the second coupling 230. It will form a closed chain structure. However, since the robot ankle structure 200 of the present invention is in the form of walking or moving while contacting the ground or the surface, the second coupling 230 is connected to the foot 240 of the robot to be stably supported on the ground, and The pair of SEAs 100 arranged in parallel with the foot 240 of the robot and the shank portion 210 supporting the pair are connected. In addition, the foot 240 of the robot, a pair of SEA (100), and the shank portion 210 for supporting it is closed through the first coupling 220 and the second coupling 230 of the lower end. It forms a chain structure. By this connection, the robot foot 240, the shank portion 210, a pair of SEA (100) arranged in parallel has a closed chain structure and the movement of the robot ankle is determined according to the movement of the pair of SEA (100) do.

보다 자세히 살펴보면, SEA(100)는 컴플라이언스 요소를 액츄에이터 내부에 결합한 선형 탄성 액츄에이터로서, 로드부의 몸체인 이너에 볼스크류, 볼너트, 볼너트의 앞뒤로 스프링을 결합하는 형태를 구현될 수 있고, SEA(100)의 자세한 구성은 도 7 내지 도 9을 참조하여 후술한다.In more detail, SEA (100) is a linear elastic actuator that couples the compliance element inside the actuator, it can be implemented to combine the spring of the ball screw, ball nut, ball nut back and forth to the inner body of the rod portion, SEA ( A detailed configuration of 100) will be described later with reference to FIGS. 7 to 9.

이러한 SEA(100)는 스프링을 통해 지면으로부터 가해지는 큰 충격을 흡수하여 내충격성이 늘어나고 큰 하중에 대한 지탱 가능성이 커진다. 또한, 지면으로부터의 충격으로 인하여 일시 흡수/저장된 에너지는 컴플라이언스 요소가 원래의 길이로 돌아올 때 에너지가 방출됨으로 그 에너지를 보상받아 더 효율적으로 힘을 사용할 수 있게 된다. 또한, 이너와 아웃터가 실린더 형태로 차지하는 공간이 줄어들어 공간 절약효과가 있어, 로봇 발목 구조체(200)에 적합한 소형화의 장점이 있다. The SEA 100 absorbs the large impact applied from the ground through the spring, thereby increasing the impact resistance and increasing the possibility of supporting the large load. In addition, the energy absorbed / stored temporarily by the impact from the ground is compensated for by the energy released when the compliance element returns to its original length so that the force can be used more efficiently. In addition, since the space occupied by the inner and the outer in the form of a cylinder is reduced, there is a space saving effect, and there is an advantage of miniaturization suitable for the robot ankle structure 200.

게다가, 본 발명의 로봇 발목 구조체(200)는 로봇 발(240) 상단에 한 쌍의 SEA(100)를 장착함으로써, 각각의 SEA의 출력이 낮더라도 더 높은 출력을 낼 수 있다.In addition, the robot ankle structure 200 of the present invention, by mounting a pair of SEA (100) on the top of the robot foot 240, it is possible to produce a higher output even if the output of each SEA is low.

생크부(210)는 로봇의 발(240) 상단에 병렬로 배치되는 한 쌍의 SEA(100)를 지지하고, SEA(100) 각각과 생크부(210)는 상호 3점지지 구조로 연결된다.Shank 210 supports a pair of SEA (100) arranged in parallel on the top of the foot 240 of the robot, each of the SEA (100) and the shank portion 210 is connected to each other in a three-point support structure.

또한, 생크부(210)는 로봇의 정강이 역할을 하고 그 단면이 사각형태를 갖는 생크 본체(213)와, 상기 제1 커플링(220)을 상기 생크 본체(213)에 지지하게 하면서 상기 생크 본체(213)와 상기 제1 커플링(220)을 연결하는 T자형 SEA 브라켓(211)과, 상기 제1 커플링(220)을 상기 T자형 SEA 브라켓(211)에 고정시키는 제1 커플링 결합부(212)와, 상기 제2 커플링(230)을 상기 생크 본체(213)에 지지하게 하면서 상기 생크 본체(213)와 상기 제2 커플링(230)을 연결하는 생크 브라켓(214)과, 상기 제2 커플링(230)을 상기 생크 브라켓(214)에 고정시키는 제2 커플링 결합부(215)를 구비한다. 이때, 생크 본체(213)는 지면에 안정된 지지 구조를 갖도록 단면이 사각형태가 바람직하고, SEA 브라켓(211)은 한면은 한 쌍의 SEA와 연결되고 다른 면은 하나의 생크 본체와 연결되므로 T자형이 바람직하며, 생크 브라켓(214)은 단면이 사각형태인 생크 본체(213)를 지지하므로 단면이 사각형태가 바람직하다. 그러나, 이러한 형태에 구속되는 것은 아니고 다양한 형태의 변경이 가능하다 할 것이다. In addition, the shank unit 210 supports the shank main body 213 and the shank main body 213 having a rectangular cross section and the first coupling 220 to the shank main body 213 while supporting the shank body. T-shaped SEA bracket 211 connecting 213 and the first coupling 220, and a first coupling coupling portion for fixing the first coupling 220 to the T-shaped SEA bracket 211 212, the shank bracket 214 connecting the shank body 213 and the second coupling 230 while supporting the second coupling 230 to the shank body 213, and A second coupling coupling part 215 secures the second coupling 230 to the shank bracket 214. At this time, the shank body 213 preferably has a rectangular cross section so as to have a stable support structure on the ground, and the SEA bracket 211 has one side connected to a pair of SEAs and the other side connected to a single shank body, thus having a T-shape. Preferably, the shank bracket 214 supports the shank main body 213 having a rectangular cross section, and thus preferably has a rectangular cross section. However, the present invention is not limited to this form and can be modified in various forms.

제1 커플링(220)은 일직선상에 있지않는 한 쌍의 SEA(100)와 한 쌍의 SEA(100)를 지지하는 생크부(210)의 두 개의 지지축을 연결하여 자유로이 회전하도록 하는 연결부이다. 이러한 제1 커플링(220)은 유니버셜 조인트(universal joint)가 사용되는 것이 바람직하며, 로봇 발(240)의 움직임에 따라 한 쌍의 SEA(100)의 지지축과 생크부(210)의 지지축이 상호 각도의 변화가 있더라도 회전 동력을 전달하는 조인트이다(서로 비스듬한 각도를 유지하면서 회전을 가능하게 한다). 또한, 제1 커플링(220)은 유니버셜 조인트 2개로 구성되어, 제1 커플링(220)의 일측은 한 쌍의 SEA(100)와 연결되고 제1 커플링(220)의 타측은 제1 커플링 결합부(212)를 통해 T자형 SEA 브라켓(211)과 결합된다. 이때, 제1 커플링 결합부(212)는 플랜지 형태가 바람직하고, 제1 커플링의 일측과 결합하는 SEA(100)의 이너(111) 단부도 플랜지 형태가 바람직하다. 즉, 플랜지는 부품의 보강을 위하여 원기둥 위에 둘러 붙인 자루 형태로 부품의 접속에 사용되는 것으로서, 유니버셜 조인트와의 결합에 용이한 장점이 있다.The first coupling 220 connects two support shafts of the shank portion 210 that supports the pair of SEAs 100 and the pair of SEAs 100 that are not in a straight line to freely rotate. The first coupling 220 is a universal joint is preferably used, the support shaft of the pair of SEA (100) and the support shaft of the shank portion 210 in accordance with the movement of the robot foot 240 It is a joint that transmits rotational power even if there is a change in the mutual angle (allowing rotation while maintaining an oblique angle to each other). In addition, the first coupling 220 is composed of two universal joints, one side of the first coupling 220 is connected to a pair of SEA (100) and the other side of the first coupling 220 is the first couple It is coupled to the T-shaped SEA bracket 211 through the ring coupling portion 212. At this time, the first coupling coupling portion 212 is preferably in the form of a flange, the end of the inner 111 of the SEA (100) coupled to one side of the first coupling is also preferably in the form of a flange. That is, the flange is used to connect the parts in the form of a bag enclosed on a cylinder for reinforcement of the parts, there is an advantage in easy coupling with the universal joint.

가령, 제1 커플링(220)은 유니버셜 조인트 2개 사용되므로, T자형 SEA 브라켓(211)의 양측 홀을 연결하여 2개의 유니버셜 조인트(220)와 2개의 플랜지(212)가 결합된다.For example, since the first coupling 220 is used as two universal joints, two universal joints 220 and two flanges 212 are coupled by connecting both holes of the T-shaped SEA bracket 211.

제2 커플링(230)도, 제1 커플링(220)과 같이, 일직선상에 있지않는 한 쌍의 SEA(100)와 한 쌍의 SEA(100)를 지지하는 생크부(210)의 두 개의 지지축을 연결하여 자유로이 회전하도록 하는 연결부이며, 제1 커플링(220)은 상단 연결부이고 제2 커플링(230)은 하단 연결부이다. 다만, 본 발명의 로봇 발목 구조체(200)는 지면 또는 표면에 접촉하면서 보행하거나 이동하는 형태이므로, 제2 커플링(230)은 하단 연결부로서 로봇의 발(240)에 연결되어 지면에 안정되게 지지되고, 연결된 로봇의 발(240)을 통해 병렬로 배치된 한 쌍의 SEA(100)와 이를 지지하는 생크부(210)를 연결하게 된다.The second coupling 230, like the first coupling 220, also has two pairs of shanks 210 that support a pair of SEAs 100 that are not in line and a pair of SEAs 100. It is a connecting portion to freely rotate by connecting the support shaft, the first coupling 220 is the upper connection portion and the second coupling 230 is the lower connection portion. However, since the robot ankle structure 200 of the present invention is in the form of walking or moving while contacting the ground or the surface, the second coupling 230 is connected to the foot 240 of the robot as a lower connecting portion and stably supported on the ground. Then, the pair of SEAs 100 arranged in parallel and the shank portion 210 supporting the same are connected through the feet 240 of the connected robots.

로봇 발(240)은 지면에 안정적인 지지를 위해 그 단면이 사각형태인 발판(241)으로, 사각 발판(241)에는 3점 지지 구조의 한 쌍의 SEA(100)와 생크부(210)의 결합을 위해 3개의 홀을 형성할 수 있다. 또한, 안정적인 지지 구조를 위해 단면이 정사각형의 제1 발판(241)와 상기 제1 발판(241)의 하부에 이를 지지하는 단면이 직사각형의 제2 발판(242)의 2중 발판으로 구성될 수 있다.The robot foot 240 is a scaffold 241 having a rectangular cross section for stable support on the ground, and the pair of SEA 100 and the shank portion 210 of the three-point support structure are coupled to the square scaffold 241. Three holes can be formed for this purpose. In addition, the cross-section supporting the lower portion of the first footrest 241 and the first footrest 241 of the square for the stable support structure may be composed of a double footrest of the rectangular second footrest 242. .

또한, 제2 커플링(230)은 3점 지지 구조의 한 쌍의 SEA(100)와 생크부(210)와 로봇 발(240)을 통해 결합되므로, 이를 위해 유니버셜 조인트 3개로 구성된다. 이때, 로봇 발(240)의 정사각형 제1 발판(241)의 3개 홀을 연결하여 제2 커플링(230)의 3개의 유니버셜 조인트와 결합되는데, 이를 위해 4개의 플랜지가 사용될 수 있다.In addition, since the second coupling 230 is coupled through the pair of SEA 100, the shank portion 210, and the robot foot 240 of the three-point support structure, the second coupling 230 includes three universal joints. In this case, the three holes of the square first footrest 241 of the robot foot 240 are connected to the three universal joints of the second coupling 230, and four flanges may be used for this purpose.

가령, 3점 지지 구조에서 생크부(210)와 연결되는 유니버셜 조인트는 상부에서 제2 커플링 결합부(215)와 하부에서는 제1 발판 결합부(243)를 통해 제1 발판(241)에 안정되게 지지될 수 있다. 또한, 3점 지지 구조에서 한 쌍의 SEA(100)과 연결되는 유니버셜 조인트 2개는 상부에서 SEA(100)의 이너(111) 단부와 하부에서는 2개의 제2 발판 결합부(244)를 통해 제1 발판(241)에 안정되게 지지될 수 있다. 이때, 제2 커플링 결합부(215), 제1 발판 결합부(243), 한 쌍의 제2 발판 결합부(244)는 플랜지 형태가 바람직하고, 제2 커플링의 일측과 결합하는 SEA(100)의 이너(111) 단부도 플랜지 형태가 바람직하다. For example, the universal joint connected to the shank portion 210 in the three-point support structure is stable to the first footrest 241 through the second coupling coupling portion 215 at the upper portion and the first footrest coupling portion 243 at the lower portion. Can be supported. In addition, the two universal joints connected to the pair of SEA 100 in the three-point support structure is formed through the inner 111 end of the SEA 100 at the top and two second scaffold couplings 244 at the bottom. 1 can be stably supported on the footrest 241. At this time, the second coupling coupling portion 215, the first foot coupling portion 243, the pair of second foot coupling portion 244 is preferably in the form of a flange, SEA (combined with one side of the second coupling) The inner end of the inner 111 of 100) is also preferably in the form of a flange.

도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 한 쌍의 SEA가 같은 방향(SEA의 전장이 늘어나거나 줄어드는 방향), 같은 길이만큼 이동하게 되면 로봇의 발(241, 242)이 피치(Pitch) 방향으로 회전하게 된다.Referring to FIGS. 5A to 5C, when the pair of SEAs move in the same direction (the direction in which the total length of the SEA increases or decreases) and the same length, the feet 241 and 242 of the robot rotate in the pitch direction. do.

도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 한 쌍의 SEA가 각각 다른 방향으로 이동하게 되면 로봇의 발이 롤(Roll) 방향으로 회전하게 된다. 6A to 6C, when the pair of SEAs move in different directions, the feet of the robot rotate in the roll direction.

이와 같이, 본 발명의 로봇 발목 구조체(200)는 두 방향(Roll, Pitch)으로 회전이 가능하기 때문에 지면이 고르지 못한 환경 등 다양한 지면에서도 발을 지지 할 수 있어서 안정적인 움직임을 가능하게 한다. 또한, 피치(Pitch) 방향으로 발을 상대적으로 움직일 수 있기 때문에 로봇의 보행에 있어서 뒤꿈치 착지, 발평형, 뒤꿈치 상승 등의 발동작이 가능하므로 보다 사람에 가까운 자연스러운 로봇의 걸음동작을 형성할 수 있다.As described above, since the robot ankle structure 200 of the present invention can be rotated in two directions (Roll, Pitch), the robot ankle structure 200 can support the foot in various grounds such as an uneven ground, thereby enabling stable movement. In addition, since the foot can be moved relatively in the pitch direction, a foot motion such as heel landing, foot balance, and heel lift is possible in the walking of the robot, so that a natural motion of the robot closer to a human can be formed.

또한, 발바닥 착지 시 자연스럽게 착지하므로 무릎에 가해지는 토크를 줄여준다. In addition, the landing on the sole naturally lands, thus reducing the torque applied to the knee.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 도 1 내지 도 6에서 설명한 로봇 발목 구조체(200)에 사용되는 SEA(100)의 구성을 상세히 설명한다.Hereinafter, a configuration of the SEA 100 used in the robot ankle structure 200 described with reference to FIGS. 1 to 6 will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 7은 도 1의 로봇 발목 구조체(200)에서 병렬로 배치되는 한 쌍의 직렬 탄성 액츄에이터(SEA)(100)의 내부를 포함한 전체 구성을 나타낸 측단면도, 도 8은 도 7의 SEA(100)의 분해 사시도, 도 9는 도 8에서 로드부(110)만 따로 조립된 모습을 자세히 나타낸 분해사시도이다.FIG. 7 is a side cross-sectional view showing the entire configuration including the inside of a pair of series elastic actuators (SEA) 100 arranged in parallel in the robot ankle structure 200 of FIG. 1, FIG. 8 is a SEA 100 of FIG. 7. 9 is an exploded perspective view showing a detailed assembly of the rod 110 separately from FIG. 8.

도 7 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 로봇 발목 구조체(200)에 사용되는 SEA(100)는, 크게, 로드부(110), 동력 전달부 및 구동모터(150)을 포함할 수 있다.7 to 9, the SEA 100 used in the robot ankle structure 200 of the present invention may largely include a rod unit 110, a power transmission unit, and a driving motor 150.

여기서, 동력전달부는 구동모터(150)의 구동샤프트(151)에 의한 회전운동을 로드부(110)의 직선왕복운동으로 변환하여 주며, 이를 위해, 볼너트(130), 스프링(120), 볼스크류(140), 지지부(160) 및 커플링(170)을 구비한다. 즉, 동력전달부는 구동모터(150)와 연결되어 회전하는 볼스크류(140)와, 볼스크류(140)의 회전 방향에 따라 좌 또는 우로 직선 운동하는 볼너트(130)와, 볼너트(130)를 양측면에서 지지하는 스프링(120)으로 구성된다.Here, the power transmission unit converts the rotational motion by the drive shaft 151 of the drive motor 150 into a linear reciprocating motion of the rod 110, for this purpose, ball nut 130, spring 120, ball A screw 140, a support 160, and a coupling 170 are provided. That is, the power transmission unit is connected to the drive motor 150, the ball screw 140 and the ball nut 130 and the ball nut 130 to move linearly to the left or right according to the rotation direction of the ball screw 140, the ball nut 130 It is composed of a spring 120 for supporting from both sides.

또한, 커플링(170)은 볼스크류(140)와 구동모터(150)의 구동샤프트(151) 사이에 배치되어, 상호 간의 마찰을 방지하면서 구동모터(150)의 회전력을 볼스크류(140)에 전달한다. 또한, 지지부(160)는 일단은 커플링(170)과 연결되어 타단은 볼스크류(140)와 연결되어 지지하며 상기 구동모터(150)와 일직선상에 배치되어 상기 구동모터(150)와의 결합을 강화시킨다.In addition, the coupling 170 is disposed between the ball screw 140 and the drive shaft 151 of the drive motor 150, the rotational force of the drive motor 150 to the ball screw 140 while preventing friction between each other. To pass. In addition, one end of the support unit 160 is connected to the coupling 170 and the other end is connected to and supported by the ball screw 140. The support unit 160 is disposed in line with the driving motor 150 to engage the driving motor 150. Strengthen.

또한, 구동모터(150)는 구동샤프트(151)을 통해 로드부(110)에 회전구동력을 전달하며, 구동샤프트(151)은 일측 단부가 커플링(170)에 연결되고, 타측 단부가 구동모터(150)와 연결된다.In addition, the drive motor 150 transmits a rotational driving force to the rod unit 110 through the drive shaft 151, the drive shaft 151 is one end is connected to the coupling 170, the other end is the drive motor Connected with 150.

또한, 로드부(110)은 전체적인 형상이 실린더의 원통형으로 형성되며, 외부 커버로서 아웃터(Outer)(112)와 상기 아웃터(110)에 삽입되는 몸체로서 이너(inner)(111)가 구비된다. 이때, 아웃터(112)는 제1 중공부를 갖는 원통 형태이며, 이너(111)는 아웃터(112)의 제1 중공부에 삽입되고, 상기 제1 중공부보다 직경이 작은 제2 중공부를 가지며, 상기 로드부(110)는 이중 실린더 형태이다. 여기서, 제2 중공부의 일측면은 로드부(110)의 일단이 관통하는 제1 가이드홀(미도시)이 형성되고, 제2 중공부가 제1 가이드홀의 중심축 방향을 따라 내부에 형성되어, 상기 로드부(110)는 제1 가이드홀의 중심축 방향을 동심원으로 하는 제2 중공부 및 상기 제2 중공부보다 반경이 큰 제2 중공부의 이중 실린더 구조이다. 또한, 제2 중공부의 타측면은 개방되어 볼너트(130), 볼너트(130)의 앞뒤로 스프링(120)을 넣고 결합할 수 있고, 제2 중공부의 타측면의 개방면은 가이드 판(132)을 통해 삽입되는 볼너트(130), 스프링(120)을 지지하면서 고정시킬 수 있다.In addition, the rod portion 110 is formed in a cylindrical shape of the cylinder, the outer cover (Outer 112) and the inner (Inner 111) is provided as a body to be inserted into the outer 110. At this time, the outer 112 is a cylindrical shape having a first hollow portion, the inner 111 is inserted into the first hollow portion of the outer 112, has a second hollow portion smaller in diameter than the first hollow portion, The rod unit 110 is in the form of a double cylinder. Here, one side of the second hollow portion is formed with a first guide hole (not shown) through which one end of the rod portion 110 passes, and the second hollow portion is formed along the direction of the central axis of the first guide hole, The rod part 110 has a double cylinder structure of a second hollow part having a concentric circle in the direction of the central axis of the first guide hole and a second hollow part having a larger radius than the second hollow part. In addition, the other side surface of the second hollow portion may be opened to couple the spring 120 into the ball nut 130 and the back and forth of the ball nut 130, and the open surface of the other side of the second hollow portion may be guide plates 132. It can be fixed while supporting the ball nut 130, the spring 120 is inserted through.

이를 통해, 로드부(110)를 이너와 아웃터의 이중 실린더 형태로 구성하여, 기존의 사각형 구조의 액츄에이터 형태와 비교하여 액츄에이터가 차지하는 공간을 줄인 만큼 재료 절감에 따른 원감 절감효과를 구현할 수 있고, 부피도 적게 들어 무게가 더 가벼우지므로 작은 무게에 따라 무게 대비 직렬탄성 액츄에이터의 출력효율도 증가시키게 된다.Through this, by configuring the rod 110 in the form of a double cylinder of the inner and the outer, as compared with the conventional rectangular actuator type to reduce the space occupied by the actuator, it is possible to implement the reduction of the original effect according to the material saving, volume The lower weight also makes the weight lighter, which increases the output efficiency of the series elastic actuator relative to the weight.

또한, 중심 부분이 비워져 있는 중공축의 형태이므로, 중심이 채워져 있는 형태보다 무게가 더 가벼우며, 중공축의 대칭 구조로 충격의 완화하여 오히려 구조적 강도를 강화시킬 수 있어, 강도와 무게감소 및 원가절감의 효과를 구현할 수 있다.In addition, since the central part is in the form of a hollow shaft, the weight is lighter than that of the center-filled form, and the symmetrical structure of the hollow shaft can be used to mitigate the impact, thereby reinforcing structural strength, thereby reducing the strength, weight, and cost. You can implement the effect.

또한, 실린더 형태의 액츄에이터는 굽힘 하중을 받을 때 원의 중심으로부터 굽힘 하중을 받는 부위까지 모두 동일한 거리상에 있으므로 동일한 굽힘 하중을 받지만, 사각형태인 경우에는 중심으로부터 굽힘 하중을 받는 부위까지 거리가 각각 다르므로 굽힘 하중을 받는 크기도 각각 다르며, 실린더 형태에 비해 더 큰 굽힘 하중을 받게 된다.In addition, the cylindrical actuators receive the same bending loads from the center of the circle to the sites receiving the bending loads when subjected to the bending loads, but in the case of the rectangular shape, the distances from the center to the sites receiving the bending loads are different. Therefore, the size of the bending load is also different, and the bending load is larger than the cylinder type.

또한, 볼스크류(140)는 일단에 형성되는 가이드 판(132)과 타단에 형성되는 지지부(160)를 통해 상기 로드부(110)에 결합될 수 있다. 이때, 상기 가이드 판(132)은 이너(111)의 단면에 대응되는 원통 형상으로 형성되어, 상기 볼너트(130) 및 스프링(120)이 삽입된 제2 중공부의 개방된 타측면을 폐쇄하며 지지한다. 또한, 가이드 판(132)의 크기는 상기 이너(111)의 단면과 실질적으로 동일하거나 작게 형성된다. 상기 가이드 판(132)은 그 중심에 제2 가이드홀을 형성하여 상기 제2 가이드홀을 통해 볼스크류(140)가 일방향을 따라서 이동하게 한다. 더하여, 가이드링(131)을 형성하여 상기 가이드링(131)을 통해 볼스크류(140)의 이동 경로를 가이드하도록 형성한다. 이때, 가이드링(131)의 중심축 방향, 제2 가이드홀의 중심축 방향과 제1 가이드홀의 중심축 방향은 평행하게 동일선상에 위치한다. 또한, 지지부(160)는 볼스크류(140)와 구동모터(150)의 센터링을 조정 및 지지하게 한다. 게다가, 커플링(170)의 양측에 베어링(미도시)을 배치하여 상기 베어링을 통해 각각의 회전운동이 원활하도록 할 수 있게 한다. 이에 따라, 상기 가이드 판(132)과 상기 지지부(160)에 의하여 볼너트(130)와 볼스크류(140)의 결합을 지지하며 흔들림을 방지할 수 있다. In addition, the ball screw 140 may be coupled to the rod 110 through a guide plate 132 formed at one end and a support 160 formed at the other end. At this time, the guide plate 132 is formed in a cylindrical shape corresponding to the cross section of the inner 111, closing and supporting the other open side surface of the second hollow portion in which the ball nut 130 and the spring 120 is inserted do. In addition, the size of the guide plate 132 is formed to be substantially the same as or smaller than the cross section of the inner 111. The guide plate 132 forms a second guide hole at its center to allow the ball screw 140 to move in one direction through the second guide hole. In addition, the guide ring 131 is formed to guide the movement path of the ball screw 140 through the guide ring 131. In this case, the central axis direction of the guide ring 131, the central axis direction of the second guide hole, and the central axis direction of the first guide hole are located on the same line in parallel. In addition, the support 160 adjusts and supports the centering of the ball screw 140 and the driving motor 150. In addition, bearings (not shown) are disposed on both sides of the coupling 170 to allow smooth rotation of the respective rotational movements through the bearings. Accordingly, the guide plate 132 and the support unit 160 may support the coupling of the ball nut 130 and the ball screw 140 to prevent shaking.

또한, 로드부(110)는 구동모터(150)의 구동력을 동력전달부로부터 전달받아 원통형 아웃터(112)의 내외부로 슬라이드 이동되어 직선왕복운동을 수행한다. 이때, 아웃터(112)는 상기 가이드링(131)을 통해 이너(111)가 제1 중공부에서 직선왕복운동하는 것을 가이드한다.In addition, the rod unit 110 receives the driving force of the drive motor 150 from the power transmission unit slides to the inside and outside of the cylindrical outer 112 to perform a linear reciprocating motion. At this time, the outer 112 guides the inner reciprocating linear movement in the first hollow portion through the guide ring 131.

또한, 스프링(120)는 볼너트(130)의 양측면에서 앞뒤로 구비되어, 로드부(110) 전체가 볼너트(130)가 앞뒤로 동작함에 따라 함께 움직이게 된다. 이에 스프링(120)은 신축성으로 인해 로드부(110)로부터 가해지는 외부 충격을 잘 흡수하여, 외부 충격으로부터 유입되는 에너지를 일시 저장 및 방출을 통해 에너지 효율을 높여준다.In addition, the spring 120 is provided back and forth on both sides of the ball nut 130, the entire rod portion 110 is moved together as the ball nut 130 moves back and forth. Accordingly, the spring 120 absorbs the external shock applied from the rod part 110 due to its elasticity, thereby increasing energy efficiency through temporarily storing and releasing energy introduced from the external shock.

또한, 이너(111)의 외주면에 소정 길이의 돌기(미도시)를 형성하고, 상기 돌기가 상기 가이드링(131)에 결착되어, 이너(111)가 자체로 회전운동하는 것을 방지하고 직선운동을 도모할 수 있다. 이때, 상기 가이드링(131)은 상기 이너(111) 외주면의 돌기와 결착되므로, 이너(111)의 회전을 방지하는 리미터(limiter)로서 역할을 수행할 수 있다. In addition, a protrusion (not shown) having a predetermined length is formed on an outer circumferential surface of the inner 111, and the protrusion is bound to the guide ring 131, thereby preventing the inner 111 from rotating in itself and performing a linear movement. We can plan. At this time, the guide ring 131 is bound with the protrusion of the outer peripheral surface of the inner 111, it can serve as a limiter (limiter) to prevent the rotation of the inner 111.

이처럼, 본 발명은 로봇의 엔드이펙터(end-effector)에 사용되는 강성 액츄에이터와 달리 컴플라이언스 요소를 액츄에이터 내부에 결합한 선형 탄성 액츄에이터로서, 로드부의 몸체인 이너에 볼스크류, 볼너트, 볼너트의 앞뒤로 스프링을 결합하는 형태를 구현하여 조립하기 간단한 장점이 있다.As described above, the present invention is a linear elastic actuator in which a compliance element is coupled inside the actuator, unlike the rigid actuator used for the end-effector of the robot, and the spring of the ball screw, the ball nut, the ball nut, and the front and rear of the ball There is a simple advantage to assemble by implementing a form that combines.

또한, 이너와 아웃터가 실린더 형태이며, 이너가 아웃터의 내벽에서 삽입 또는 인출되어 직선운동함으로써, 실린더 구조로 차지하는 공간이 줄어들어 공간 절약효과가 있다. 이에 따라, 도 1 내지 도 6에서 설명한 인간형 로봇의 다리 구조체(200)에 적합한 소형화를 구현할 수 있다.In addition, the inner and the outer are in the form of a cylinder, and the inner is inserted or withdrawn from the inner wall of the outer to move linearly, the space occupied by the cylinder structure is reduced and there is a space saving effect. Accordingly, miniaturization suitable for the leg structure 200 of the humanoid robot described with reference to FIGS. 1 to 6 can be implemented.

이하, 본 발명의 도 7 내지 도 9에서 설명한 SEA(직렬 탄성 액츄에이터)의 동작을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the operation of the SEA (serial elastic actuator) described in Figures 7 to 9 of the present invention will be described in detail.

먼저, SEA(100)는, 구동모터(150)와 볼스크류(140) 축이 커플링(170)으로 연결되어 있으므로, 구동모터(150)에 볼스크류(140)가 구동샤프트(151)을 통해 연결되어 회전하고, 볼스크류(140)에 장착된 볼너트(130)가 볼스크류(140) 회전 방향에 따라 좌 또는 우로 직선운동하게 된다. 또한, 볼스크류(140)의 직선운동이 있는 경우 볼너트(130)와, 볼너트(130)를 지지하는 스프링(120)을 통해 볼너트(130)가 앞뒤 또는 좌우로 동작함에 따라 로드부(110)도 볼너트(130)와 동일한 방향으로 직선운동을 하게 된다. 여기서, 상기 로드부(110)에 가해지는 외력의 크기는 스프링(140)의 변위를 통해 측정될 수 있고, 스프링(140)의 변위를 측정하는 위치센서와 상기 센서를 통해 로드부(110)의 이동거리를 측정하는 제어부를 더 구비할 수 있다. 또한, 상기 위치센서와 제어부는 일체형으로 모듈화하여 형성될 수 있다.First, since the drive motor 150 and the ball screw 140 shaft are connected to the coupling 170 by the SEA 100, the ball screw 140 is connected to the drive motor 150 through the drive shaft 151. Connected to rotate, the ball nut 130 mounted on the ball screw 140 is linearly moved left or right according to the rotation direction of the ball screw 140. In addition, when there is a linear movement of the ball screw 140, the ball nut 130 and the rod nut (130) as the ball nut 130 is moved back and forth or left and right through the spring 120 for supporting the ball nut 130 110 is also a linear motion in the same direction as the ball nut 130. Here, the magnitude of the external force applied to the rod 110 may be measured through the displacement of the spring 140, the position sensor for measuring the displacement of the spring 140 and of the rod 110 through the sensor A control unit for measuring the moving distance may be further provided. In addition, the position sensor and the control unit may be formed integrally modular.

또한, 지지부(160)는 볼스크류(140)와 구동모터(150)의 센터링을 조정 및 지지하게 한다. 게다가, 커플링(170)의 양측에 베어링(미도시)을 배치하여 상기 베어링을 통해 각각의 회전운동이 원활하도록 할 수 있게 한다.In addition, the support 160 adjusts and supports the centering of the ball screw 140 and the driving motor 150. In addition, bearings (not shown) are disposed on both sides of the coupling 170 to allow smooth rotation of the respective rotational movements through the bearings.

또한, 볼스크류(140)는 상기 볼스크류의 타단에 형성되는 가이드 판(132)을 더 구비할 수 있다. 이때, 상기 가이드 판(132)은 볼스크류(140)의 이동 경로를 가이드 하도록 형성하고, 상기 가이드 판에 의하여 상기 볼스크류(140)의 흔들림을 방지할 수 있다. 이를 통해 상기 가이드 판 및 지지부를 통해 흔들림 또는 미끄럼을 방지하고 상기 스프링을 통해 충격 완화 및 소음을 방지할 수 있다.In addition, the ball screw 140 may further include a guide plate 132 formed at the other end of the ball screw. At this time, the guide plate 132 is formed to guide the movement path of the ball screw 140, it is possible to prevent the shaking of the ball screw 140 by the guide plate. This prevents shaking or slipping through the guide plate and the support and prevents shock and noise through the spring.

위에서 설명된 본 발명의 실시 예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.The embodiments of the present invention described above are disclosed for the purpose of illustration, and those skilled in the art may make various modifications, changes, and additions within the spirit and scope of the present invention. Changes, changes, and additions should be considered to be within the scope of the claims.

100: 직렬 탄성 액츄에이터(SEA)
200: 로봇 발목 구조체
210: 생크부
220: 제1 커플링
230: 제2 커플링
240: 로봇 발100: series elastic actuator (SEA)
200: robot ankle structure
210: shank part
220: first coupling
230: second coupling
240: robot foot

Claims (12)

단면이 사각형태인 발판으로서 로봇의 발과,
상기 로봇의 발 상단에 병렬로 배치되는 한 쌍의 SEA와,
상기 한 쌍의 SEA와 각각 하나의 점으로 연결되어 3점지지 구조를 형성하고 상기 한 쌍의 SEA를 지지하는 생크부와,
상기 한 쌍의 SEA의 지지축과 상기 생크부의 지지축의 상단을 연결하는 제1 커플링과,
상기 로봇의 발을 통해 연결되고 상기 한 쌍의 SEA의 지지축과 상기 생크부의 지지축의 하단을 연결하는 제2 커플링을 포함하고,
상기 생크부는, 생크 본체와, 상기 생크 본체와 상기 제1 커플링을 연결하는 T자형 SEA 브라켓과, 상기 제1 커플링을 상기 T자형 SEA 브라켓에 고정시키는 제1 커플링 결합부와, 상기 생크 본체와 상기 제2 커플링을 연결하는 생크 브라켓과, 상기 제2 커플링을 상기 생크 브라켓에 고정시키는 제2 커플링 결합부를 포함하고,
상기 제1 커플링은 유니버셜 조인트 2개로 구성되어, 일측은 상기 한 쌍의 SEA와 연결되고, 타측은 상기 제1 커플링 결합부를 통해 상기 T자형 SEA 브라켓과 결합되고,
상기 제2 커플링은 상기 발판에 형성된 3개의 홀과 연결되는 유니버셜 조인트 3개로 구성되어,
상기 생크부와 연결되는 제1 유니버셜 조인트는 상부에서 상기 제2 커플링 결합부와 연결되고 하부에서는 제1 발판 결합부를 통해 상기 발판에 안정되게 지지되고,
상기 한 쌍의 SEA과 연결되는 제2 및 제3 유니버셜 조인트는 상부에서 상기 한 쌍의 SEA와 연결되고 하부에서는 2개의 제2 발판 결합부를 통해 상기 발판에 안정되게 지지되는 것을 특징으로 하는 로봇 발목 구조체.The foot of the robot is a rectangular cross section,
A pair of SEAs arranged in parallel on the top of the robot,
A shank portion connected to the pair of SEAs by a single point to form a three-point support structure and supporting the pair of SEAs;
A first coupling connecting an upper end of the support shaft of the pair of SEAs and the support shaft of the shank portion;
A second coupling connected through a foot of the robot and connecting a lower end of a support shaft of the pair of SEAs and a support shaft of the shank portion,
The shank portion includes a shank body, a T-shaped SEA bracket connecting the shank body and the first coupling, a first coupling coupling portion fixing the first coupling to the T-shaped SEA bracket, and the shank. A shank bracket for connecting the body and the second coupling, and a second coupling coupling portion for fixing the second coupling to the shank bracket,
The first coupling is composed of two universal joints, one side is connected to the pair of SEA, the other side is coupled to the T-shaped SEA bracket through the first coupling coupling portion,
The second coupling is composed of three universal joints connected to the three holes formed in the scaffold,
The first universal joint connected to the shank portion is connected to the second coupling coupling portion at the upper portion and is stably supported on the scaffolding through the first foot coupling portion at the lower portion,
The second and third universal joints connected to the pair of SEAs are connected to the pair of SEAs at the top and at the bottom of the robot ankle structure, which is stably supported on the scaffolds through two second scaffold couplings. . 제1항에 있어서,
상기 제1 커플링 결합부와, 제2 커플링 결합부와, 제1 발판 결합부와, 제2 발판 결합부는 플랜지 형태인 것을 특징으로 하는 로봇 발목 구조체.The method of claim 1,
And the first coupling coupling part, the second coupling coupling part, the first foot coupling part, and the second foot coupling part are in the form of a flange. 제1항에 있어서,
상기 발판은 단면이 정사각형의 제1 발판과
상기 제1 발판의 하부에 이를 지지하는 단면이 직사각형의 제2 발판을 구비한 2중 발판 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 로봇 발목 구조체.The method of claim 1,
The scaffold has a square cross-section with the first scaffold
Robotic ankle structure, characterized in that the cross-section supporting the lower portion of the first scaffold having a double scaffold structure having a rectangular second scaffold. 제1항에 있어서,
상기 한 쌍의 SEA가 같은 방향 또는 같은 길이만큼 이동하게 되면 상기 로봇의 발이 피치(Pitch) 방향으로 회전하게 되고, 상기 한 쌍의 SEA가 각각 다른 방향으로 이동하게 되면 상기 로봇의 발이 롤(Roll) 방향으로 회전하게 되는 것을 특징으로 하는 로봇 발목 구조체.The method of claim 1,
When the pair of SEAs move in the same direction or the same length, the feet of the robot rotate in the pitch direction, and when the pair of SEAs move in different directions, the feet of the robot roll. Robot ankle structure, characterized in that to rotate in the direction. 제1항에 있어서,
제1항에 있어서,
상기 SEA는,
직선왕복운동을 수행하는 로드부;
구동샤프트를 통해 상기 로드부에 구동력을 전달하는 구동모터; 및
상기 구동모터의 구동샤프트에 의한 회전운동을 상기 로드부의 직선왕복운동으로 변환하는 동력전달부를 포함하고,
상기 로드부는, 외부 커버로서 아웃터와 상기 아웃터에 삽입되는 몸체로서 이너를 구비하고,
상기 아웃터는 제1 중공부를 갖는 원통 형태이며, 상기 이너는 상기 아웃터의 제1 중공부에 삽입되고, 상기 제1 중공부보다 직경이 작은 제2 중공부를 갖는 원통 형태이고,
상기 제2 중공부의 일측면은 상기 로드부의 일단이 관통하는 제1 가이드홀이 형성되고, 상기 제2 중공부의 타측면은 개방되어 상기 동력전달부의 구성요소가 삽입되어 결합되어, 상기 제1 가이드홀의 중심축 방향으로 동심원을 갖는 상기 제2 중공부와 상기 제1중공부의 구조를 갖는 이중 실린더 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 로봇 발목 구조체.The method of claim 1,
The method of claim 1,
The SEA,
A rod unit performing a linear reciprocating motion;
A drive motor transferring a driving force to the rod portion through a drive shaft; And
It includes a power transmission unit for converting the rotational motion by the drive shaft of the drive motor into a linear reciprocating motion of the rod,
The rod portion has an outer as an outer cover and an inner as a body inserted into the outer,
The outer is in the form of a cylinder having a first hollow portion, the inner is inserted into the first hollow portion of the outer, the cylindrical shape having a second hollow portion having a smaller diameter than the first hollow portion,
One side surface of the second hollow portion is formed with a first guide hole through which one end of the rod portion penetrates, and the other side surface of the second hollow portion is opened so that components of the power transmission unit are inserted and coupled to each other. The robot ankle structure, characterized in that it is configured in the form of a double cylinder having the structure of the second hollow portion and the first hollow portion having a concentric circle in the central axis direction. 제5항에 있어서,
상기 동력전달부는,
상기 로드부의 상기 이너에 삽입되는 볼너트와, 상기 볼너트와 결합하여 결합된 볼너트가 좌우로 직선왕복운동함에 따라 상기 로드부도 함께 직선왕복운동하게 하는 볼스크류를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 발목 구조체.The method of claim 5,
The power transmission unit,
The robot ankle comprising a ball nut inserted into the inner portion of the rod portion, and a ball screw coupled to the ball nut to linearly reciprocate the rod portion as the ball nut reciprocates from side to side. Structure. 제6항에 있어서,
상기 볼너트를 양측면에서 지지하는 스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 발목 구조체.The method of claim 6,
Robot ankle structure further comprises a spring for supporting the ball nut on both sides. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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