KR20130073591A - 지지모듈 및 이를 포함하는 로봇 - Google Patents

지지모듈 및 이를 포함하는 로봇 Download PDF

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KR20130073591A
KR20130073591A KR1020110141530A KR20110141530A KR20130073591A KR 20130073591 A KR20130073591 A KR 20130073591A KR 1020110141530 A KR1020110141530 A KR 1020110141530A KR 20110141530 A KR20110141530 A KR 20110141530A KR 20130073591 A KR20130073591 A KR 20130073591A
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김주형
노경식
서기홍
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삼성전자주식회사
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Abstract

안정적으로 보행할 수 있도록 개선된 구조를 가지는 로봇을 개시한다.
로봇은 보행 가능한 로봇에 있어서 몸체(body)부와, 몸체부와 연결되며, 몸체부를 이동 가능하게 지지하는 적어도 하나 이상의 레그(leg)부와, 레그부의 하단에 결합되는 발(foot)과, 발의 하단에 결합되는 적어도 하나의 지지모듈을 포함하고, 지지모듈은, 발의 하단에 결합되는 제1강체(rigid body)와, 제1강체의 적어도 일부분에 결합되어 제1강체의 적어도 일부분과 함께 공간부를 형성하는 공간형성체와, 공간부 내에 위치하며, 지지모듈이 지면과 접촉하여 공간부의 부피가 미리 정해진 크기 이하로 줄어드는 경우 밀집되어(jammed) 로봇의 하중을 지지하는 제2강체(rigid body)를 형성하는 복수의 입자(hard particles)를 포함한다.

Description

지지모듈 및 이를 포함하는 로봇{SUPPORTING MODULE AND ROBOT HAVING THE SAME}
본 발명은 로봇의 하중을 지지하는 지지모듈 및 이를 포함하는 로봇에 관한 것이다.
족형 로봇은 고정되어 있는 산업용 로봇 팔이나 바퀴로 이동하는 로봇과는 다르게 지면과 로봇의 관계가 매 걸음마다 바뀐다. 일반적으로, 족형 로봇이 넘어지지 않고 서 있거나 이동하기 위해서는 로봇의 다리들이 지면에 닿아 있는 점(Contact point)들이 생성하는 지지면(Support Polygon) 안에 COM(Center of Mass)이 위치하거나 ZMP(Zero Moment Point)가 위치해야한다. 또한, 발이 땅에 닿을 때의 움직임에 따라 충격이 생기고 이 충격에 의해 균형을 잃을 수 있기 때문에 이 충격 잘 제어하고 지지면을 잘 유지하는 것이 중요하다.
이전의 족형 로봇의 발바닥 구조는 하나의 평평한 판(주로 고강도 금속 소재)에 충격 흡수 가능한 소재의 면이 붙어 있는 것, 다각형(삼각이나 사각) 형태의 발 모서리 쪽만 돌출되어 있는 것 등이 있으며, 보행하는 동작의 다양한 차이에 따라 그 형태와 소재의 특성도 다양하게 다른 경향이 나타난다. 그 중 모서리만 돌출 되어 있는 발의 경우 돌출부의 길이변화가 가능한 메커니즘을 이용하거나 센서를 부착하여 지면 적합성을 좋게 하고 지면과 발 사이의 힘을 측정할 수 있는 형태도 있다.
강도 높은 하나의 평평한 판으로 되어 있는 발의 경우 지면과 접촉시의 충격이 그대로 로봇 관절들에 전달되어 안정성에 좋지 않은 영향을 준다. 이러한 충격을 줄이기 위한 소재로 발을 제작하면 약간의 진동에도 로봇이 흔들릴 수 있다. 또 발의 면 전체가 땅에 닿는 구조의 경우 돌출된 작은 부분에 의해 지지면이 형성되지 못할 수 있으며 이를 피하기 위한 3점 혹은 4점 지지의 발은 지지면이 너무 좁다는 문제가 있다.
본 발명의 일 측면은 안정적으로 보행할 수 있도록 개선된 구조를 가지는 로봇을 제공한다.
본 발명의 사상에 따른 로봇은 보행 가능한 로봇에 있어서 몸체(body)부;와, 상기 몸체부와 연결되며, 상기 몸체부를 이동 가능하게 지지하는 적어도 하나 이상의 레그(leg)부;와, 상기 레그부의 하단에 결합되는 발(foot);과, 상기 발의 하단에 결합되는 적어도 하나의 지지모듈을 포함하고, 상기 지지모듈은, 상기 발의 하단에 결합되는 제1강체(rigid body);와, 상기 제1강체의 적어도 일부분에 결합되어 상기 제1강체의 적어도 일부분과 함께 공간부를 형성하는 공간형성체;와, 상기 공간부 내에 위치하며, 상기 지지모듈이 지면과 접촉하여 상기 공간부의 부피가 미리 정해진 크기 이하로 줄어드는 경우 밀집되어(jammed) 상기 로봇의 하중을 지지하는 제2강체(rigid body)를 형성하는 복수의 입자(hard particles);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 공간형성체는 지면과 접촉하는 과정에서 지면의 형상에 대응하는 형상으로 변형 가능하며, 어느 방향으로도 줄어들거나 늘어나지 않는 재질로 형성될 수 있다.
상기 공간부의 부피는 상기 지지모듈이 가압되지 않은 상태에서 최대일 수 있다.
상기 복수의 입자 사이에는 공극(air gap)이 형성되고, 상기 공극이 상기 공간부 내에서 차지하는 부피가 클수록 상기 제2강체가 형성되기 위한 압력은 크고, 상기 공극이 상기 공간부 내에서 차지하는 부피가 작을수록 상기 제2강체가 형성되기 위한 압력은 작을 수 있다.
또한, 본 발명의 사상에 따른 지지모듈은 구조물을 지지하는 지지모듈에 있어서, 상기 지지모듈은, 제1강체(rigid body);와, 상기 제1강체의 적어도 일부분에 결합되어 상기 제1강체의 적어도 일부분과 함께 공간부를 형성하는 공간형성체;와, 상기 공간부 내에 위치하며, 상기 지지모듈이 가압되어 상기 공간부의 부피가 미리 정해진 크기 이하로 줄어드는 경우 밀집되어(jammed) 제2강체(rigid body)를 형성하는 복수의 입자(hard particles);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 공간형성체는 어느 방향으로도 줄어들거나 늘어나지 않는 재질로 형성될 수 있다.
상기 공간부의 부피는 상기 지지모듈이 가압되지 않은 상태에서 최대일 수 있다.
상기 복수의 입자 사이에는 공극(air gap)이 형성되고, 상기 공극이 상기 공간부 내에서 차지하는 부피와, 상기 제2강체가 형성되기 위한 압력은 서로 비례할 수 있다.
상기 지지모듈은 적어도 셋 이상이 상기 구조물에 결합되어 상기 구조물을 지지하고, 상기 구조물의 무게중심은 상기 적어도 셋 이상의 지지모듈이 형성하는 지지면 내에 위치할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 로봇의 레그부에 장착되는 지지모듈이 지면과 접촉하는 과정에서 로봇에 가해지는 충격을 흡수하고, 일정 이상의 압력이 가해지면 강체를 형성하게 되므로, 로봇이 안정적으로 보행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지지모듈을 도시한 도면.
도 2a 내지 도 2c는 지지모듈이 강체를 형성한 모습을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지지모듈이 결합된 로봇을 도시한 도면.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 지지모듈이 로봇의 발에 결합된 모습을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 지지모듈이 로봇의 핸드에 결합된 모습을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 지지모듈이 일반적인 구조물을 지지하는 모습을 도시한 도면.
이하에서는 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지지모듈을 도시한 도면이고, 도 2a 내지 도 2c는 지지모듈이 강체를 형성한 모습을 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 2c에 도시된 바와 같이, 지지모듈(100)은 지지하고자 하는 대상물(M)과 연결되는 제1강체(rigid body)(110)와, 제1강체(110)의 하부에 결합되는 공간형성체(120)와, 제1강체(110) 및 공간형성체(120)에 의해 형성되는 공간부(130)와, 공간부(130) 내에 위치하는 복수의 단단한 입자들(hard particles)(140)를 포함하여 구성된다.
제1강체(110)는 외부의 힘에 의해 그 형상이 쉽게 변형되지 않도록 강성을 가지는 강철, 알루미늄, 플라스틱 등의 재질로 마련될 수 있다.
공간형성체(120)는 제1강체(110)의 하면의 적어도 일부분에 결합되어 제1강체(110)와 함께 공간부(130)를 형성하며, 외부의 힘에 의해 그 형상이 자유롭게 변형 가능하면서도 자제적으로는 어느 방향으로도 줄어들거나 늘어나지 않는 재질로 마련될 수 있다.
복수의 단단한 입자들(140)은 공간부(130) 내에 위치하며, 복수의 단단한 입자들(140) 사이에는 공극(air gap)(150)이 형성된다. 복수의 단단한 입자(140)들 사이에 충분한 공극(150)이 형성된 경우, 복수의 단단한 입자들(140)은 외부의 힘에 대응하여 탄력이나 부드러움을 가지게 되고, 공극(150)이 줄어들게 됨에 따라 강성을 가지게 되어 단단한 지지체를 형성하게 된다.
도 1에 도시된 바와 같이 지지모듈(100)에 외부의 힘이 가해지지 않는 경우, 공간형성체(120)는 대략 반원형의 형상을 가지게 되며, 이 때 공간부(130)의 부피는 최대가 된다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 지지모듈(100)이 지면과 접하는 등의 외부의 힘에 의해 가압되면 외부의 힘에 의해 그 형상이 자유롭게 변형 가능하게 마련되는 공간형성체(120)에 의해 공간부(130)의 부피가 점차 줄어들게 되고, 공간부(130) 내부의 공극(150)이 줄어들게 된다. 공간부(130) 내부의 부피가 일정 크기 이하가 되고, 따라서 공간부(130) 내부의 공극(150)이 공간부(130) 내에서 차지하는 부피가 일정 크기 이하가 되면 공간부(130) 내부의 복수의 단단한 입자들(140)이 밀집(jammed)되어 어느 방향으로도 움직일 수 없는 상태가 된다. 이 때 복수의 단단한 입자들(140)은 강성을 가지는 제2강체(140a)를 형성한다. 이와 같이 공간부(130)의 부피에 따라 공간부(130) 내부에 위치하는 복수의 단단한 입자들(140)이 밀집되어 단단한 강체를 형성하는 현상을 파티클 재밍(particle jamming)이라고 한다.
지지모듈에 외부의 힘이 가해지지 않았을 때의 공간부(130)의 최대부피와, 공간부(130) 내부의 공극(150)의 부피를 조절하여 지지모듈에 가해지는 외부의 힘의 크기에 따라 파티클 재밍(particle jamming)이 일어나는 시점을 조절할 수 있으며, 공간부(130) 내부의 공극(150)의 부피는 공간부(130) 내부에 위치하는 복수의 단단한 입자(140)들의 개수 또는 부피를 통해 조절할 수 있다.
공극(150)의 부피가 클수록 파티클 재밍(particle jamming)이 발생되기 위한 외부의 압력을 크고, 공극(150)의 부피가 작을수록 파티클 재밍(particle jamming)이 발생되기 위한 외부의 압력은 작다. 즉, 공극(150)의 부피가 클수록 복수의 단단한 입자들(140)이 제2강체(140a)를 형성하기 위한 외부의 압력이 크고, 공극(150)의 부피가 작을수록 복수의 단단한 입자들(140)이 제2강체(140a)를 형성하기 위한 외부의 압력이 작다.
도 2b 및 도 2c는 각각 지지모듈(100)이 수직으로 하중을 지지하지 않거나, 지지모듈(100)과 접하는 지면이 평평하지 않은 경우, 지지모듈(100)이 강성을 가지게 되는 모습을 나타낸 것으로, 파티클 재밍(particle jamming)이 발생하지 않는 초기 단계에서는 지지모듈(100)은 지지모듈(100)에 가해지는 하중의 방향이나 지지모듈(100)과 접하는 지면의 형태에 대응하여 부드럽고 탄력있게 동작하며, 일정 크기 이상의 하중이 작용하여 공간부(130) 내부의 부피가 일정 크기 이하가 되고, 따라서 공간부(130) 내부의 공극(150)이 공간부(130) 내에서 차지하는 부피가 일정 크기 이하가 되면 파티클 재밍(particle jamming)이 발생하여 강성을 가지게 됨으로써 각종 구조물을 지지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지지모듈이 결합된 로봇을 도시한 도면이고, 도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 지지모듈이 로봇의 발에 결합된 모습을 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 지지모듈이 로봇의 핸드에 결합된 모습을 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 로봇(1)은 몸체(body)부(10)와, 몸체부(10)와 연결되며 몸체부(10)를 이동 가능하게 지지하는 적어도 하나 이상의 레그(leg)부(12)와, 레그부(12)의 하단에 결합되는 발(14)과, 몸체부(10)에 회전 가능하게 연결되는 암(arm)부(16)와, 암부(16)의 일단에 결합되는 핸드(hand)(18)를 포함하여 구성되며, 지지모듈(100)은 로봇(1)의 발(14) 또는 핸드(18)에 부착될 수 있다.
로봇(1)의 발(14)에 부착된 지지모듈(100)은 로봇(1)이 보행할 때 지면과 접촉하는 과정에서 로봇(1)에 가해지는 충격을 흡수하면서, 로봇(1)을 안정적으로 지지한다. 즉, 지지모듈(100)이 지면과 접촉하는 초기 단계에서는 지지모듈(100)은 파티클 재밍(particle jamming)이 발생하지 않으므로 지지모듈(100)과 접하는 지면에 대응하여 부드럽고 탄력있게 동작하면서 로봇(1)에 가해지는 충격을 흡수하고, 지지모듈(100)이 지면과 접촉한 상태가 일정 시간 유지되는 경우에는 파티클 재밍(particle jamming)이 발생하여 강성을 가지는 지지체를 형성하게 되므로 로봇(1)을 안정적으로 지지한다.
도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이, 복수의 지지모듈(100)은 로봇(1)의 하중을 안정적으로 분산할 수 있도록 발(14)의 꼭지점을 형성하는 부분이나 관절 부위에 결합되어 로봇(1)을 지지할 수 있으며, 이 때 로봇(1)의 무게중심(Center Of Mass, COM)(19)은 지지모듈(100)이 형성하는 지지면 내에 위치하게 된다.
도 5에 도시된 바와 같이,로봇(1)의 핸드(18)에 부착된 지지모듈(100)은 특히 핸드(18)를 통해 물체 등을 집을 때, 물체에 손상을 가하지 않도록 하면서도 핸드(18)에 물체가 단단히 지지되도록 한다. 즉, 지지모듈(100)이 물체와 접촉하는 초기 단계에서는 지지모듈(100)은 파티클 재밍(particle jamming)이 발생하지 않으므로 지지모듈(100)과 접하는 물체의 형상에 대응하여 부드럽고 탄력있게 동작하면서 물체에 가해지는 충격을 흡수하고, 지지모듈(100)이 물체와 접촉한 상태가 일정 시간 유지되는 경우에는 파티클 재밍(particle jamming)이 발생하여 강성을 가지는 지지체를 형성하게 되므로 물체를 안정적으로 지지한다.
지지모듈(100)은 로봇 뿐만 아니라 일반적인 구조물을 지지하는 용도로 넓게 사용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 지지모듈이 일반적인 구조물을 지지하는 모습을 도시한 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 지지모듈(100)은 초기 단계에서 구조물(2) 및 지면의 형상에 대응하여 구조물(2)과 지면사이에 위치하고, 구조물(2)에 의해 일정 크기 이상의 하중이 가해지는 경우, 파티클 재밍(particle jamming)이 발생하여 강성을 가지는 지지체를 형성함으로써 구조물(2)을 안정적으로 지지하게 된다.
지지모듈(100)은 적어도 셋 이상이 구조물(2)에 부착되어 구조물(2)을 지지할 수 있고, 구조물(2)의 무게중심(Center Of Mass, COM)(2a)은 지지모듈(100)이 형성하는 지지면 내에 위치하게 된다.
앞서 설명한 바와 같이, 지지모듈(100)은 파티클 재밍(particle jamming) 원리를 이용한 구조를 가지므로 지지모듈(100)과 접촉하는 지지물의 형상 또는 그 일부분의 형상에 관계 없이 항상 안정적으로 지지물을 지지할 수 있다.
1 : 로봇 2 : 구조물
10 : 몸체 12 : 레그부
14 : 발 16 : 암부
18 : 핸드 100 : 지지모듈
110 : 제1강체 120 : 공간형성체
130 : 공간부 140 : 입자들
140a : 제2강체 150 : 공극

Claims (9)

  1. 보행 가능한 로봇에 있어서
    몸체(body)부;와,
    상기 몸체부와 연결되며, 상기 몸체부를 이동 가능하게 지지하는 적어도 하나 이상의 레그(leg)부;와,
    상기 레그부의 하단에 결합되는 발(foot);과,
    상기 발의 하단에 결합되는 적어도 하나의 지지모듈을 포함하고, 상기 지지모듈은,
    상기 발의 하단에 결합되는 제1강체(rigid body);와,
    상기 제1강체의 적어도 일부분에 결합되어 상기 제1강체의 적어도 일부분과 함께 공간부를 형성하는 공간형성체;와,
    상기 공간부 내에 위치하며, 상기 지지모듈이 지면과 접촉하여 상기 공간부의 부피가 미리 정해진 크기 이하로 줄어드는 경우 밀집되어(jammed) 상기 로봇의 하중을 지지하는 제2강체(rigid body)를 형성하는 복수의 입자(hard particles);를
    포함하는 것을 특징으로 하는 로봇.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 공간형성체는 지면과 접촉하는 과정에서 지면의 형상에 대응하는 형상으로 변형 가능하며, 어느 방향으로도 줄어들거나 늘어나지 않는 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 로봇.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 공간부의 부피는 상기 지지모듈이 가압되지 않은 상태에서 최대인 것을 특징으로 하는 로봇.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 입자 사이에는 공극(air gap)이 형성되고,
    상기 공극이 상기 공간부 내에서 차지하는 부피가 클수록 상기 제2강체가 형성되기 위한 압력은 크고,
    상기 공극이 상기 공간부 내에서 차지하는 부피가 작을수록 상기 제2강체가 형성되기 위한 압력은 작은 것을 특징으로 하는 로봇.
  5. 구조물을 지지하는 지지모듈에 있어서, 상기 지지모듈은,
    제1강체(rigid body);와,
    상기 제1강체의 적어도 일부분에 결합되어 상기 제1강체의 적어도 일부분과 함께 공간부를 형성하는 공간형성체;와,
    상기 공간부 내에 위치하며, 상기 지지모듈이 가압되어 상기 공간부의 부피가 미리 정해진 크기 이하로 줄어드는 경우 밀집되어(jammed) 제2강체(rigid body)를 형성하는 복수의 입자(hard particles);를
    포함하는 것을 특징으로 하는 지지모듈.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 공간형성체는 어느 방향으로도 줄어들거나 늘어나지 않는 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 지지모듈.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 공간부의 부피는 상기 지지모듈이 가압되지 않은 상태에서 최대인 것을 특징으로 하는 지지모듈.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 복수의 입자 사이에는 공극(air gap)이 형성되고,
    상기 공극이 상기 공간부 내에서 차지하는 부피와, 상기 제2강체가 형성되기 위한 압력은 서로 비례하는 것을 특징으로 하는 지지모듈.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 지지모듈은 적어도 셋 이상이 상기 구조물에 결합되어 상기 구조물을 지지하고, 상기 구조물의 무게중심은 상기 적어도 셋 이상의 지지모듈이 형성하는 지지면 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 지지모듈.
KR1020110141530A 2011-12-23 2011-12-23 지지모듈 및 이를 포함하는 로봇 KR20130073591A (ko)

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