KR20090066950A - 자유도 변경이 가능한 모듈형 보행로봇 다리 - Google Patents

Abstract

로봇 보행에 필요한 최소자유도인 2자유도 구조부터 여유자유도를 갖는 그 이상의 다자유도 구조까지 자유도 변경이 가능한 모듈형 보행로봇 다리를 제공한다. 상기 보행로봇 다리는, 어느 한 아암 선단으로부터 일체로 뻗은 종동 링크; 및 구동모듈의 동력 전달축을 측방에 노출가능하게 탑재한 상기 아암 선단과 이웃하는 다른 아암 선단의 구동 조인트부;를 포함하며, 상기 종동 링크와 구동 조인트부는 이들 사이에 개입되는 연결기재를 통해 상대운동이 가능하게 연결되어 하나의 아암과 이와 이웃하는 다른 아암이 상기 연결기재를 피봇점으로 상호 굴절될 수 있으며, 상기 연결기재는 상기 종동 링크 및 구동 조인트부와 각각 분리 또는 결합이 가능하여 하나의 아암과 이와 이웃하는 다른 아암 또한 상기 연결기재를 매개로 상호 분리 또는 결합 가능한 구조로 된 것을 구성의 요지로 한다.

Description

자유도 변경이 가능한 모듈형 보행로봇 다리{The degree of freedom changing possible Module type biped robot arm}

본 발명은 보행로봇 다리에 관한 것으로, 상세하게는 로봇 보행에 필요한 최소자유도인 2자유도 구조부터 여유자유도를 갖는 그 이상의 다자유도 구조까지 자유도 변경이 가능한 모듈형 보행로봇 다리에 관한 것이다.

전기적 혹은 자기적인 작용을 이용하여 인간의 동작처럼 운동을 행하는 기계 장치인 것을「로봇」이라 한다. 로봇의 어원은, 슬라브어의 " ROBOTA(노예 기계)" 에서 유래되는 것이라 일컬어지고 있다. 일본에서 로봇이 보급되기 시작한 것은 1960년대 말부터이지만, 그 대부분은 공장에 있어서의 생산 작업의 자동화 및 무인화 등을 목적으로 한 머니퓰레이터나 반송 로봇 등의 산업용 로봇(industrial robot)이었다.

아암식 로봇과 같이, 어느 특정한 장소에 고정 설치하여 이용하는 고정 타입의 로봇은, 부품의 조립 및 선별 작업 등 고정적으로 장소가 한정된 작업 공간에서 만 활동한다. 이에 반해, 이동식 로봇은 작업 공간이 특정 공간에 한정되지 아니하며, 소정의 경로 상 또는 무경로 상을 자유자재로 이동하여, 소정의 혹은 임의의 인적 작업을 대행하거나, 인간이나 개 혹은 그 밖의 생명체로 치환되는 여러 가지의 폭 넓은 서비스를 제공할 수 있는 장점을 가진다.

그 중에서도 다리식 이동 로봇은 크롤러식(무한궤도)이나 타이어식의 로봇에 비해 불안정하고, 기체의 자세 제어나 보행 제어에 상당한 어려움이 있지만, 계단이나 사다리의 승강이나 장해물을 타고 넘는 동작이 가능하다는 등 정지 및 부정지의 구별에 상관없는 유연한 보행 및 주행 동작을 실현할 수 있다는 점에서 매우 우수하다.

최근에는 인간과 같은 2족 직립 보행을 행하는 동물의 신체 메카니즘이나 동작을 모델로 하여 디자인된「인간형」혹은 「인간형의 로봇(humanoid robot)」 등 다리식 이동 로봇에 관한 연구 개발이 상당 수준에 이르러, 실용화로의 기대도 높아지 고 있다. 대표적인 예로서, 소니 가부시끼가이샤에서 개발된 2족 보행의 인간형 로봇 " SDR-3X"가 그것이다.

다리식 이동 로봇의 용도 중 하나로서, 산업 활동 및 생산 활동 등에 있어서의 각종 난작업의 지원이나 대행을 들 수 있다. 예를 들어, 원자력 발전 플랜트나 화력 발전 플랜트, 석유 화학 플랜트에 있어서의 보수 작업 및 제조 공장에 있어서의 부품의 반송 및 조립 작업, 고층 빌딩에 있어서의 청소, 화재 현장 그 밖에 있어서의 구조 등과 같은 인간에게 있어서 위험한 작업이나 난작업을 다리식 이동 로봇으로 대행해 줄 수 있다.

또한, 다리식 이동 로봇의 다른 용도로서, 상술한 작업 지원이라기보다도, 생활 밀착형, 즉 인간과의「공생」혹은「엔터테인먼트」라고 하는 용도를 들 수 있다. 이러한 종류의 로봇은, 인간 혹은 개(동물) 등의 비교적 지능이 높은 다리식 보행 동물의 동작 메커니즘이나 사지를 이용한 풍부한 감정 표현을 모방한다. 또한, 미리 입력된 행동 패턴을 간단히 충실하게 실행할 뿐만 아니라, 상대의 말이나 태도(「칭찬함」혹은「꾸짖음」,「때림」등)에 대해 동적으로 대응하며 생생한 응답 표현을 구현하기에 이르렀다.

위와 같은 다리식 이동 로봇은, 예를 들어 몸통 부분의 좌우에 균등한 가동 다리가 부착된 구조를 장비함으로써, 인간의 주거 공간에서 최적의 작업을 행할 수 있다. 단, 작업 공간 내에서의 물체의 파지나 특정 대상물의 조작, 혹은 상반신을 이용한 제스쳐나 댄스 등, 보다 고도의 기능이나 행동을 실현하기 위해서는 상지의 운동이 필요하며, 또한 상지 선단부의 손부에도 손가락 끝 동작을 실현하는 다관절 만곡 기구를 탑재하는 것이 바람직하다.

혹은, 대부분의 4족 보행 동물이 갖는 꼬리나, 기린의 목, 코끼리의 코 등 다관절로 만곡 가능한 기구는 로봇의 의사적인 감정이나 정서를 해동으로 표출함에 있어서 매우 도움이 된다.

그런데, 종래 일반 족형로봇의 경우, 자유도를 결정짓는 관절부가 상당히 복잡한 구성으로 이루어져 있어, 하드웨어적으로 다리의 자유도를 한번 결정하면 이를 변경하기가 쉽지 않았다. 즉, 필요에 따라 자유도를 변경하려면 하드웨어의 많은 부분에 있어 재설계가 요구될 수 밖에 없었다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 로봇 다리의 자유도를 결정짓는 관절부 구성이 간단하면서도 분해 또는 조립이 용이하여, 하드웨어 적인 재설계 없이도 로봇 다리의 자유도를 쉽게 변경할 수 있는 자유도 변경이 가능한 모듈형 보행로봇 다리를 제공하는 데에 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 기술적 수단으로서 본 발명은, 어느 한 아암 선단으로부터 일체로 뻗은 종동 링크; 및 구동모듈의 동력 전달축을 측방에 노출가능하게 탑재한 상기 아암 선단과 이웃하는 다른 아암 선단의 구동 조인트부;를 포함하며, 상기 종동 링크와 구동 조인트부는 이들 사이에 개입되는 연결기재를 통해 상대운동이 가능하게 연결되어 하나의 아암과 이와 이웃하는 다른 아암이 상기 연결기재를 피봇점으로 상호 굴절될 수 있고, 상기 연결기재는 상기 종동 링크 및 구동 조인트부와 각각 분리 또는 결합이 가능하여 하나의 아암과 이와 이웃하는 다른 아암 또한 상기 연결기재를 매개로 상호 분리 또는 결합 가능한 구조로 된 자유도 변경이 가능한 모듈형 보행로봇 다리를 제공한다.

여기서, 상기 종동 링크는 상기 구동 조인트부를 그 사이에 위치 시킬 수 있도록, 한 쌍의 판상형 연결구가 일정 이격거리를 두고 상호 마주하듯 아암 선단으로부터 일체로 뻗은 구조를 가지도록 구성함이 바람직하다.

그리고, 본 발명에 있어서 상기 연결기재로는, 하나의 아암과 다른 아암이 상호 굴절가능하게 연결되는 관절부에 대한 동적특성 측정기능을 가진 원호상의 토크 셀을 적용함이 바람직하다.

상기한 구성의 본 발명의 실시예에 의하면, 로봇 관절을 형성하는 어느 한 아암 선단의 종동 링크와 다른 아암 선단의 구동모듈을 탑재한 조인트부가 연결기재를 통해 상호 분리 또는 결합가능한 형태로 연결됨에 따라, 하드웨어 적인 재설계 없이도 족형로봇에 필요한 최소자유도인 2자유도 구조부터 여유자유도를 가지는 그 이상의 다자유도 구조까지 쉽게 변경이 가능하다는 효과가 발현된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 자유도 변경이 가능한 모듈형 보행로봇 다리의 전반적인 구성을 개략적으로 나타낸 측면 구성도이며, 도 2는 본 발명의 구성에 있어 요부인 도 1에 따른 보행로봇 다리의 관절부를 분해 도시한 사시도이다.

도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 자유도 변경이 가능한 모듈형 보행로봇의 다리는 어느 아암(10a) 선단에 형성된 종동 링크(20) 및 상기 아암(10a)과 굴절가능하게 연결되는 다른 아암(10b) 선단에 형성되며 구동모듈을 탑 재한 구동 조인트부(30)를 포함한다.

상기 종동 링크(20)와 구동 조인트부(30)는 이들 사이에 개입되는 연결기재(40)를 통해 상대운동이 가능하게 연결되어 하나의 아암(10a)과 이와 이웃하는 다른 아암(10b)이 상기 연결기재(40)를 피봇점으로 상호 굴절될 수 있으며, 연결기재(40)는 상기 종동 링크(20) 및 구동 조인트부(30)와 각각 분리 또는 결합이 가능한 구조를 가진다. 따라서 하나의 아암(10a)과 이와 이웃하는 다른 아암(10b) 또한 상기 연결기재(40)를 매개로 상호 분리 또는 결합될 수 있다.

구체적으로, 종동 링크(20)는 도 2에서와 같이, 구동 조인트부(30)를 그 사이에 위치 시킬 수 있도록, 한 쌍의 판상형 연결구(22)가 일정 이격거리를 두고 상호 마주하듯 아암(10a) 선단으로부터 일체로 뻗은 구조를 가진다. 상기 각각의 연결구(22)에는 상기 연결기재(40) 중앙부가 외부로 노출될 수 있을 정도의 적당한 직경을 가진 구멍(220)이 뚫려 있으며, 상기 구멍(220) 주변을 따라서는 조립 시 볼트와 같은 체결부재 관통을 위한 복수의 관통구멍(222)이 일정간격으로 이격 형성되어 있다.

연결기재(40)는 하나의 아암 선단에 형성된 상기 종동 링크(20)와 상기 아암(10a)과 굴절가능하게 연결되는 다른 아암(10b) 선단의 상기 구동 조인트부(30)를 상호 연결하기 위한 매개로서, 상기 연결구(22)에 형성된 관통구멍(222)과 동일한 간격으로 이격 형성된 복수의 제1 체결구멍(422)을 테두리에 가지며, 중앙에는 원호상으로 배열된 복수의 제2 체결구멍(424)을 가진 구성으로 이루어진다.

위와 같은 연결기재(40)로는 바람직하게, 하나의 아암과 다른 아암이 상호 굴절가능하게 연결되는 관절부에 대한 동적특성, 구체적으로는, 상기 종동 링크와 연결을 위한 연결부품 예로서, 볼트 축부에 작용하는 축력, 조임에 의해 볼트에 작용하는 압축력 및 굴절가능한 관절부의 전반적인 비틀림 및 회동각도 등을 측정할 수 있는 기능을 가진 원호상의 토크 셀이 적용될 수 있다.

구동 조인트부(30)는 상기 종동 링크(20)와 굴절가능하게 연결되는 이웃하는 다른 아암(10b) 선단에 형성되는 것으로, 로봇 아암의 스윙동작 시 동력원이 되는 구동모듈(미도시)을 내부에 탑재하고 있다. 이때 상기 구동모듈은 그 동력 전달축(32)이 상기 구동 조인트부(30)의 양 측방으로 노출되는 형태로 탑재되고, 구동 조인트부 양 측방으로 노출된 동력 전달축(32)으로는 상기 연결기재(40)가 축동력이 전달가능한 형태로 연결된다.

축동력 전달 가능한 구조를 구현하기 위해, 위와 같은 동력 전달축(32)에는 연결기재(40)의 상기 제2 체결구멍(424)과 일치하도록 원호상으로 배열된 복수의 조립구멍(324)이 구비되며, 따라서 조립 시 상기 제2 체결구멍(424)을 관통해 조립구멍(324)으로 결합되는 체결부재, 예컨대, 볼트(B)로서 상기 두 구성요소는 상호 연결될 수 있다.

상기한 구성요소를 포함하는 본 발명에 따른 자유도 변경이 가능한 모듈형 보행로봇의 다리를 조립함에 있어서는, 우선 도 3의 (a)에서와 같이, 어느 한 아암(10a)의 종동 링크 연결구(22) 중앙에 형성된 구멍(220)을 통해 연결기재(40) 중앙부가 외부로 노출되도록 상기 연결구(22) 내면에 연결기재(40)를 밀착시킨 상태에서, 체결부재 예로서, 볼트(B)의 몸통이 연결구(22)에 형성된 관통구멍(222)을 관통하여 제1 체결구멍(422)에 체결되어 고정될 수 있도록, 상기 체결부재를 이용하여 상기 연결구(22)에 연결기재(40)를 장착시킨다.

다음으로, 도 3의 (b)에서와 같이, 연결기재(40) 중앙에 원호상으로 배열된 제2 체결구멍(424)이 상기 구동 조인트부(30) 양 측방으로 노출된 동력 전달축(32) 선단면에 형성된 원호상 배열을 가진 조립구멍(324)과 상호 일치하도록 상기 연결구(22) 내면에 결함된 연결기재(40) 사이로 다른 아암(10b) 선단에 형성된 상기 구동 조인트부(30)를 위치시킨 상태에서, 체결부재 예로서, 볼트(B)를 이용하여 상기 연결기재(40)와 구동 조인트부(30)를 상호 연결시키면, 도 3의 (c)에서와 같이 하나의 아암(10a)과 다른 아암(10b)이 상기한 구성요소를 포함하는 관절부에 의해 상대운동 즉, 굴절운동이 가능한 형태로 연결된다.

상기한 본 발명의 실시예에 따르면, 종동 링크(20), 구동 조인트부(30) 및 상기 종동 링크(20)와 구동 조인트부(30)를 연결하는 매개인 연결기재(40)로서 하나의 로봇 관절이 구현되며, 종동 링크(20) 및 구동 조인트부(30)가 연결기재(40)와 결합 또는 분리되는 것에 의해, 굴절가능하게 연결되는 두개의 아암을 필요에 따라 상호 분리 또는 결합시킬 수 있다. 이에 따라, 하드웨어 적인 재설계 없이도 도 4의 예시한 몇가지 실시형태에서와 같이, 보행로봇에 필요한 최소자유도인 2자유도 구조부터 여유자유도를 가지는 그 이상의 다자유도 구조까지 보행로봇의 자유도를 용이하게 변경시킬 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 범위가 미친다고 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 자유도 변경이 가능한 모듈형 보행로봇 다리의 전반적인 구성을 개략적으로 나타낸 측면 구성도.

도 2는 본 발명의 구성에 있어 요부인 도 1에 따른 보행로봇 다리의 관절부를 분해 도시한 사시도.

도 3은 본 발명에 따른 보행로봇 다리의 조립 과정을 나타낸 도면.

도 4는 본 발명에 따른 보행로봇 다리의 다양한 실시예를 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

10a, 10b...아암 20...종동 링크

30...구동 조인트부 40...연결기재

22...연결구 32...동력 전달축

220...구멍 222...관통구멍

324...조립구멍 422...제1 체결구멍

424...제2 체결구멍

Claims (4)

1. 어느 한 아암 선단으로부터 일체로 뻗은 종동 링크; 및

   구동모듈의 동력 전달축을 측방에 노출가능하게 탑재한 상기 아암 선단과 이웃하는 다른 아암 선단의 구동 조인트부;를 포함하며,

   상기 종동 링크와 구동 조인트부는 이들 사이에 개입되는 연결기재를 통해 상대운동이 가능하게 연결되어 하나의 아암과 이와 이웃하는 다른 아암이 상기 연결기재를 피봇점으로 상호 굴절될 수 있으며,

   상기 연결기재는 상기 종동 링크 및 구동 조인트부와 각각 분리 또는 결합이 가능하여 하나의 아암과 이와 이웃하는 다른 아암 또한 상기 연결기재를 매개로 상호 분리 또는 결합 가능한 구조로 된 것을 특징으로 하는 자유도 변경이 가능한 모듈형 보행로봇 다리.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 종동 링크는,

   한 쌍의 판상형 연결구가 일정 이격거리를 두고 상호 마주하듯 아암 선단으로부터 일체로 뻗은 구조로 된 것을 특징으로 하는 자유도 변경이 가능한 모듈형 보행로봇 다리.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 종동 링크 각각의 연결구에는 상기 연결기재 중앙부가 외부로 노출 가능하도록 구멍이 뚫려 있으며, 상기 구멍 주변을 따라서는 복수의 관통구멍이 일정간격으로 이격 형성되어 있고,

   연결기재는 상기 연결구에 형성된 관통구멍과 동일한 간격으로 이격 형성된 복수의 제1 체결구멍을 테두리에 가지며, 중앙에는 원호상으로 배열된 복수의 제2 체결구멍을 구비하고,

   구동 조인트부 측방으로 노출된 동력 전달축에는 상기 제2 체결구멍과 일치하도록 원호상으로 배열된 복수의 조립구멍이 형성됨을 특징으로 하는 자유도 변경이 가능한 모듈형 보행로봇 다리.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   연결기재는,

   하나의 아암과 다른 아암이 상호 굴절가능하게 연결되는 관절부에 대한 동적특성 측정기능을 가진 원호상의 토크 셀인 것을 특징으로 하는 자유도 변경이 가능한 모듈형 보행로봇 다리.

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