KR102067221B1 - 한 쌍의 탄성 액츄에이터를 병렬로 사용하는 로봇 발목 구조 - Google Patents

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.

Description

한 쌍의 탄성 액츄에이터를 병렬로 사용하는 로봇 발목 구조{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.

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.

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.

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.

대표적인 2족 보행식 로봇의 일 예로 소니에서 개발된 휴머노이드 로봇으로 휴머노이드 로봇의 보행에 관한 제어방법은 선행기술로서 일본 특개2001157973가 개시되어 있다.

또한, 한국공개특허 10-2004-0068438호는 이동식 로봇의 보행장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 바퀴형 보행 및 다리형 보행을 결합한 이동식 로봇이 개시되어 있다.

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.

일본공개특허 2001-157973호(2001년 6월 12일 공개) 한국공개특허 10-2004-0068438호(2004년 7월 31일 공개)

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.

또한, 로봇의 발목이 롤(Roll)/피치(Pitch)방향으로 회전이 가능하므로 다양한 지면에서 로봇 발이 지지할 수 있고 자연스러운 걸음 동작을 형성가능하게 함을 목적으로 한다.

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.

또한, 상기 로봇의 발과, 한 쌍의 SEA와, 생크부가 상단의 제1 커플링 및 하단의 제2 커플링을 통해 닫힌 체인 구조를 형성하는 것을 특징으로 한다.

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.

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.

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.

또한, 상기 발판은 2중 발판 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

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.

또한, 상기 제1 커플링 및 상기 제2 커플링을 유니버셜 조인트로 구성될 수 있다.

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.

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.

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.

또한, 상기 볼너트를 양측면에서 지지하는 스프링을 더 포함할 수 있다.

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.

또한, 로봇의 발목이 롤(Roll)/피치(Pitch)방향으로 회전이 가능하므로 다양한 지면에서 로봇 발이 지지할 수 있고 자연스러운 걸음 동작을 형성가능하게 할 수 있다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 한 쌍의 SEA가 각각 다른 방향으로 이동하게 되면 로봇의 발이 롤(Roll) 방향으로 회전하게 된다.

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.

또한, 발바닥 착지 시 자연스럽게 착지하므로 무릎에 가해지는 토크를 줄여준다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 도 1 내지 도 6에서 설명한 로봇 발목 구조체(200)에 사용되는 SEA(100)의 구성을 상세히 설명한다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

이하, 본 발명의 도 7 내지 도 9에서 설명한 SEA(직렬 탄성 액츄에이터)의 동작을 상세하게 설명한다.

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.

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.

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.

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.

100: 직렬 탄성 액츄에이터(SEA)
200: 로봇 발목 구조체
210: 생크부
220: 제1 커플링
230: 제2 커플링
240: 로봇 발

Claims (12)

1. 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.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 커플링 결합부와, 제2 커플링 결합부와, 제1 발판 결합부와, 제2 발판 결합부는 플랜지 형태인 것을 특징으로 하는 로봇 발목 구조체.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 제6항에 있어서,
   상기 볼너트를 양측면에서 지지하는 스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 발목 구조체.
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