KR100812818B1

KR100812818B1 - 로봇의 다리

Info

Publication number: KR100812818B1
Application number: KR1020060112459A
Authority: KR
Inventors: 박종현; 권오흥; 연제성; 윤정한
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2006-11-14
Filing date: 2006-11-14
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2026-11-14

Abstract

본 발명은 로봇의 다리에 관한 것으로, 골반 프레임과, 슬관절 프레임과, 발 프레임과, 일단부는 골반 프레임에 각각 스페리컬 결합되고, 타단부는 슬관절 프레임의 일면에 각각 스페리컬 결합되는 세 개의 대퇴체인과, 일단부는 골반 프레임에 고정되고, 타단부는 슬관절 프레임의 일면에 고정되는 대퇴중심체인과, 일단부는 슬관절 프레임의 타면에 힌지 결합되고, 타단부는 발 프레임에 스페리컬 결합되는 제1 하퇴체인과, 일단부는 슬관절 프레임의 타면에 유니버설 결합되고, 타단부는 발 프레임에 스페리컬 결합되는 제2 하퇴체인과, 일단부는 슬관절 프레임의 타면에 유니버설 결합되고, 타단부는 발 프레임에 유니버설 결합되는 제3 하퇴체인을 포함하되, 세 개의 대퇴체인, 제2 하퇴체인 및 제3 하퇴체인 각각의 일단부 및 타단부 사이는 프리즈매틱 결합되고, 대퇴중심체인의 일단부 및 타단부 사이는 스페리컬 결합되는 로봇의 다리를 제공함으로써, 재질의 사용에 제약이 감소되고, 적은 동력으로 큰 출력을 얻을 수 있으며, 기계적 견고성이 향상되고, 작동오차가 감소되는 효과를 얻을 수 있다.

2족 보행, 로봇, 다리, 병렬 기구

Description

로봇의 다리{LEG OF ROBOT}

도 1은 직렬 링크 구조의 다리를 갖는 로봇을 도시한 사시도.

도 2는 도 1에 도시된 로봇의 다리 부분의 자유도 구성 모델을 도시한 사시도.

도 3은 본 발명의 실시예가 적용된 2족 보행 로봇을 도시한 사시도.

도 4는 도 3에 도시된 2족 보행 로봇을 다른 각도에서 본 사시도.

도 5는 본 발명의 실시예의 대퇴부를 설명하기 위한 부분 사시도.

도 6은 본 발명의 실시예의 대퇴부의 작동을 시뮬레이션 한 결과를 나타낸 그래프.

도 7은 본 발명의 실시예의 하퇴부를 설명하기 위한 부분 사시도.

도 8은 본 발명의 실시예의 하퇴부의 작동을 시뮬레이션 한 결과를 나타낸 그래프.

도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예가 적용된 2족 보행 로봇의 작동을 시뮬레이션 한 결과를 나타낸 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

본체 : 201 골반 프레임 : 202

대퇴부 : 205 대퇴중심체인 : 210

제2 대퇴체인 : 220 제3 대퇴체인 : 230

제4 대퇴체인 : 240 슬관절 프레임 : 206

하퇴부 : 207 제1 하퇴체인 : 250

제2 하퇴체인 : 260 제3 하퇴체인 : 270

제4 하퇴체인 : 280 발 : 290

본 발명은 로봇의 다리에 관한 것이다.

2족 보행 로봇의 다리에는 복수의 링크(link)가 직렬로 연결된 직렬 링크 구조 및 복수의 링크가 병렬로 연결된 병렬 기구 구조가 연구 및 적용되고 있다. 이들 중 6 자유도(Degrees of Freedom)를 갖는 직렬 링크 구조가 가장 널리 적용되어 왔다. 병렬 기구 구조가 적용된 2족 보행 로봇의 다리는 3 내지 5자유도를 갖고 있어 움직임에 제한을 받거나, 6 자유도를 갖지만 사람의 무릎에 해당되는 관절이 없어 걸음걸이가 부자연스러운 경우가 있었다.

도 1에는 다리에 직렬 링크 구조가 적용된 2족 보행 로봇이 도시되어 있고, 도 2에는 도 1에 도시된 로봇의 다리 부분의 자유도 구성 모델이 도시되어 있다. 도 1 및 도 2를 함께 참조하여 직렬 링크 구조가 적용된 2족 보행 로봇의 다리를 설명하기로 한다. 단, 두 다리는 상응하는 구조 및 작동을 하므로, 좌측다리를 대표로 설명하고 우측 다리에 대한 설명은 생략하기로 한다.

도 2에 함께 도시된 직교좌표계의 X축은 로봇의 전진방향과 같고 롤(Roll)의 기준축(이하 '롤축'으로 칭함) 이고, Y축은 로봇이 보행하는 수평면상에서 X축과 수직한 축으로 피치(Pitch)의 기준축(이하 '피치축'으로 칭함)이며, Z축은 X축 및 Y축에 수직한 요(Yaw)축(이하 '피치축'으로 칭함)이다.

2족 보행 로봇(10)은 상체부(1)의 하부에 위치하는 골반(11)에 우측다리(2) 및 좌측다리(3)가 연결되고, 두 다리(2, 3)의 작동에 의해 2족 보행 로봇(10)이 이동된다. 좌측다리(2)의 경우, 골반(11) 및 대퇴링크(13)는 고관절 롤축(12X), 고관절 피치축(12Y) 및 고관절 요축(12Z)이 포함되는 고관절(12)에 의해 3 자유도를 갖게 결합된다. 대퇴링크(13) 및 하퇴링크(15)는 슬관절 피치축(14Y)이 포함되는 슬관절(14)에 의해 1 자유도를 갖게 결합된다. 하퇴링크(15) 및 발(17)은 발목관절 롤축(16X) 및 발목관절 피치축(16Y)이 포함되는 발목관절(16)에 의해 2 자유도를 갖게 결합된다. 따라서, 다리는 6 자유도를 갖게 된다.

두 다리(2, 3)는 골반(11), 대퇴링크(13), 하퇴링크(15) 및 발(17)이 순차적으로 연결되는 직렬 링크 구조를 갖는다. 발목관절(16)에는 발(17)의 하중만이 작용되지만, 고관절(12)에는 대퇴링크(13), 슬관절(14), 하퇴링크(15), 발목관절(16) 및 발(17)의 하중이 모두 작용된다.

이와 같이, 직렬 링크 구조는 본체에 가까운 곳에 설치된 링크일수록 말단부 링크로부터 누적된 하중이 모두 작용되므로, 본체에 가까운 링크일수록 강성을 증가시키기 위해 링크가 대형화되거나 경량재질을 사용해야 하는 등의 문제가 있다. 또한, 관절을 작동시키는 구동장치에는 측정오차가 존재하므로, 관절의 수가 많고 말단부 링크에 가까울수록 링크들의 위치 해석에 각 관절들의 측정오차들이 누적된다는 문제가 있다.

따라서 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술들의 단점을 극복하기 위한 것으로, 걸음걸이가 인간과 유사하고, 견고성 및 내구성이 향상되면서도 상대적으로 작은 구동장치를 사용할 수 있으며, 구조적으로 안정하고, 관절들의 측정오차가 누적되지 않는 로봇의 다리를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 골반 프레임과, 슬관절 프레임과, 발 프레임과, 일단부는 골반 프레임에 각각 스페리컬 결합되고, 타단부는 슬관절 프레임의 일면에 각각 스페리컬 결합되는 세 개의 대퇴체인과, 일단부는 골반 프레임에 고정되고, 타단부는 슬관절 프레임의 일면에 고정되는 대퇴중심체인과, 일단부는 슬관절 프레임의 타면에 힌지 결합되고, 타단부는 발 프레임에 스페리컬 결합되는 제1 하퇴체인과, 일단부는 슬관절 프레임의 타면에 유니버설 결합되고, 타단부는 발 프레임에 스페리컬 결합되는 제2 하퇴체인과, 일단부는 슬관절 프레임의 타면에 유니버설 결합되고, 타단부는 발 프레임에 유니버설 결합되는 제3 하퇴체인을 포함하되, 세 개의 대퇴체인, 제2 하퇴체인 및 제3 하퇴체인 각각의 일단부 및 타단부 사이는 프리즈매틱 결합되고, 대퇴중심체인의 일단부 및 타단부 사이는 스페리컬 결합되는 로봇의 다리가 제공된다.

골반 프레임 및 세 개의 대퇴체인의 일단부 사이의 세 개의 스페리컬 결합들 은 삼각형으로 배치될 수 있고, 슬관절 프레임의 일면 및 세 개의 대퇴체인의 타단부 사이의 세 개의 스페리컬 결합들은 삼각형으로 배치될 수 있으며, 삼각형으로 배치되는 세 개의 스페리컬 결합들은 삼각형의 중심점에 대하여 수평으로 45도 회전되어 배치될 수 있다. 세 개의 스페리컬 결합들은 삼각형의 중심점에 대하여 140도, 140도 및 80도의 각도로 배치될 수 있고, 일단부는 슬관절 프레임의 타면에 유니버설 결합되고, 타단부는 발 프레임에 스페리컬 결합되는 제4 하퇴체인이 더 포함될 수 있다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 로봇의 다리에 대해 상세하게 설명한다. 단, 본 발명에 의한 로봇의 다리는 좌측다리 및 우측 다리가 상응하는 구조 및 작동을 하므로 좌측다리를 설명하는 것으로 로봇의 두 다리 전체에 대한 설명을 갈음하기로 하며, 본 발명의 사상을 흐릴 수 있다고 판단되는 공지기술에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다. 또한, 동일하거나 대응하는 구성요소에 대한 중복 설명은 생략하기로 한다.

도 3에는 본 발명의 실시예가 적용된 2족 보행 로봇의 전방 대각선 방향 사시도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3에 도시된 2족 보행 로봇의 후방 대각선 방향 사시도가 도시되어 있다. 도 3 및 도 4를 함께 참조하여 설명하기로 한다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 2족 보행 로봇(200)에는 본체(201), 좌측다리(203), 우측 다리(204)가 포함된다. 여기서, 좌측다리(203)에는 대퇴부(205), 슬관절 프레임(206), 하퇴부(207) 및 발(290)이 포함된다.

대퇴부(205)에는 골반 프레임(202), 대퇴중심체인(210), 제2 대퇴체인(220), 제3 대퇴체인(230), 제4 대퇴체인(240) 및 슬관절 상부 프레임(206a)이 포함된다. 하퇴부(207)에는 슬관절 하부 프레임(206b), 제1 하퇴체인(250), 제2 하퇴체인(260), 제3 하퇴체인(270), 제4 하퇴체인(280) 및 발 프레임(290a)이 포함된다.

본체(201)에는 골반 프레임(202)이 견고하게 고정 설치된다.

대퇴중심체인(210)은, 상부링크(211)의 일단부가 골반 프레임(202)에 고정되고, 상부링크(211)의 타단부는 하부링크(213)의 일단부와 스페리컬 결합(spherical joint, 212)되며, 하부링크(213)의 타단부는 슬관절 상부 프레임(206a)에 고정되는 구조를 갖는다.

여기서, 상부링크(211)의 타단부 및 하부링크(213)의 일단부 간의 스페리컬 결합은, 상부링크(211)의 타단부 및 하부링크(213)의 일단부가 구면대우(spherical pair)의 관계에 있음을 지칭하는 것이며, 이하 구면대우의 관계에 있는 두 부재의 결합을 스페리컬 결합으로 칭하기로 한다.

제2 대퇴체인(220)은, 상부링크(221)의 일단부가 골반 프레임(202)에 스페리컬 결합(223)되고, 하부링크(222)의 일단부가 슬관절 상부 프레임(206a)에 스페리컬 결합(224)되며, 상부링크(221) 및 하부링크(222)는 프리즈매틱 결합(prismatic joint)되는 구조를 갖는다.

여기서, 상부링크(221) 및 하부링크(222) 간의 프리즈매틱 결합은, 상부링크(221) 및 하부링크(222)가 축방향으로 신축할 수 있도록 결합된 것을 지칭한다. 도시되지는 않았으나, 상부링크(221)의 일부분은 하부링크(222)에 축방향으로 형성 된 통공에 삽입되어 있다. 따라서, 상부링크(221)가 하부링크(222) 내부로 더 삽입되면 제2 대퇴체인(200)의 길이가 축소되고, 하부링크(222) 내부에 삽입되어 있던 상부링크(221)의 일부분이 외부로 이동되면 제2 대퇴체인(200)의 길이가 신장된다. 이러한 제2 대퇴체인(200)의 신장 및 축소는 유압 또는 공기압 등 유체의 압력을 이용한 구동장치(도시되지 않음) 또는 리니어 모터와 같이 전자기력에 의해 직선운동을 할 수 있는 구동장치(도시되지 않음)를 설치함으로써 제어할 수 있다. 이하, 이렇게 두 부재가 축방향으로 신축할 수 있게 결합된 것을 프리즈매틱 결합으로 칭하기로 한다.

한편, 프리즈매틱 결합을 작동시키는 구동장치(도시되지 않음)는 프리즈매틱 결합 부근에 설치되거나 본체(201)에 설치될 수 있으며, 구동장치(도시되지 않음)를 제어하기 위한 컴퓨터 등의 제어장치(도시되지 않음)도 본체(201)에 설치될 수 있다.

제3 대퇴체인(230)은, 상부링크(231)의 일단부가 골반 프레임(202)에 스페리컬 결합(233)되고, 하부링크(232)의 일단부가 슬관절 상부 프레임(206a)에 스페리컬 결합(234)되며, 상부링크(231) 및 하부링크(232)는 프리즈매틱 결합되는 구조를 갖는다.

제4 대퇴체인(240)은, 상부링크(241)의 일단부가 골반 프레임(202)에 스페리컬 결합(243)되고, 하부링크(242)의 일단부가 슬관절 상부 프레임(206a)에 스페리컬 결합(244)되며, 상부링크(241) 및 하부링크(242)는 프리즈매틱 결합되는 구조를 갖는다.

이상과 같이, 대퇴부(205)에 포함되는 대퇴중심체인(210), 제2 대퇴체인(220), 제3 대퇴체인(230) 및 제4 대퇴체인(240)은 골반 프레임(202) 및 슬관절 상부 프레임(206a)을 병렬로 연결하는 병렬 기구 구조를 형성한다. 단, 제2 대퇴체인(220), 제3 대퇴체인(230) 및 제4 대퇴체인(240)과 골반 프레임(202)과의 스페리컬 결합(223, 233, 243)은 골반 프레임(202) 상에서 삼각형을 형성하고, 슬관절 상부 프레임(206a)과의 스페리컬 결합(224, 234, 244)은 슬관절 상부 프레임(206a) 상에서 삼각형을 형성하는데, 이에 대하여는 뒤에서 상세히 설명하기로 한다.

제1 하퇴체인(250)은, 링크(251)의 일단부는 슬관절 하부 프레임(206b)에 힌지 결합(hinge joint, 253)되고, 타단부는 발 프레임(290a)에 스페리컬 결합(254)되는 구조를 갖는다.

제2 하퇴체인(260)은, 상부링크(261)의 일단부가 슬관절 하부 프레임(206b)에 유니버설 결합(universal joint, 263)되고, 하부링크(262)의 일단부가 발 프레임(290a)에 스페리컬 결합(264)되며, 상부링크(261) 및 하부링크(262)가 프리즈매틱 결합되는 구조를 갖는다.

제3 하퇴체인(270)은, 상부링크(271)의 일단부가 슬관절 하부 프레임(206b)에 유니버설 결합(273)되고, 하부링크(272)의 일단부가 발 프레임(290a)에 유니버설 결합(274)되며, 상부링크(271) 및 하부링크(272)가 프리즈매틱 결합되는 구조를 갖는다.

제4 하퇴체인(280)은, 상부링크(281)의 일단부가 슬관절 하부 프레임(206b)에 유니버설 결합(283)되고, 하부링크(282)의 일단부가 발 프레임(290a)에 스페리 컬 결합(284)되며, 상부링크(281) 및 하부링크(282)가 프리즈매틱 결합되는 구조를 갖는다.

이상과 같이, 하퇴부(207)에 포함되는 제1 하퇴체인(250), 제2 하퇴체인(260), 제3 하퇴체인(270) 및 제4 하퇴체인(280)은 슬관절 하부 프레임(206b)및 발 프레임(290a)을 병렬로 연결하는 병렬 기구 구조를 형성한다. 단, 제2 하퇴체인(260), 제3 하퇴체인(270) 및 제4 하퇴체인(280)과 슬관절 하부 프레임(206b)과의 유니버설 결합(263, 273, 283)은 슬관절 하부 프레임(206b) 상에서 삼각형을 형성하고, 발 프레임(290a)과의 스페리컬 결합(264, 284) 및 유니버설 결합(274)은 발 프레임(290a) 상에서 삼각형을 형성하는데, 이에 대하여는 뒤에서 상세히 설명하기로 한다.

한편, 슬관절 상부 프레임(206a) 및 슬관절 하부 프레임(206b)은 서로 고정되어 있으며, 슬관절 상부 프레임(206a) 및 슬관절 하부 프레임(206b)이 일체로 형성되는 것도 가능하다. 발 프레임(290a)의 저면에는 바닥판(290b)이 결합되어 발 프레임(290a)과 함께 2족 보행 로봇(200)의 발(290)을 형성하고, 발 프레임(290a)과 바닥판(290b)이 일체로 형성되는 것도 가능하다.

상술한 바와 같은 구조를 갖는 좌측다리(203)는 다음과 같이 작동된다. 우선, 도 5를 참조하여 대퇴부(205)의 작동을 설명하기로 하며, 도 3 및 도 4를 함께 참조하기로 한다.

도 5에는 도 3 및 도 4의 대퇴부(205)가 단순화되어 도시되어 있다. 여기서, 이중원으로 표시된 것은 스페리컬 결합을 나타낸 기호이다.

도 5를 참조하면, B₁, B₂, 및 B₃가 형성하는 평면은 골반 프레임(202)에 해당되고, B₁, B₂, 및 B₃는 각각 스페리컬 결합(223, 233, 243)에 해당된다. A₁, A₂, 및 A₃가 형성하는 평면은 슬관절 상부 프레임(206a)에 해당되고, A₁, A₂, 및 A₃는 각각 스페리컬 결합(224, 234, 244)에 해당된다. A₁과 B₁, A₂와 B₂ 및 A₃와 B₃가 형성하는 선분은 각각 제2 대퇴체인(220), 제3 대퇴체인(230) 및 제4 대퇴체인(240)에 해당된다. O는 대퇴중심체인(210)의 스페리컬 결합(212)에 해당된다.

인간은 걷는 경우에는 주로 골반과 대퇴부를 연결하는 3 자유도의 회전 관절인 고관절이 이용된다. 따라서, 대퇴부(205)가 3 자유도를 갖도록 하면 2족 보행 로봇(200)의 걸음걸이가 인간의 걸음걸이와 유사해 질 수 있다. 따라서, 3 자유도를 갖는 대퇴부(205)의 작동을 해석하면 다음과 같다.

참고로, 설명 중에 사용될 아래첨자 i는 1, 2 또는 3을 대체하는 기호이고, x, y, z 및 u, v, w는 골반 프레임(205)에 부여한 기준 좌표계(X, Y, Z) 및 슬관절 상부 프레임(206a)에 부여한 고정 좌표계(U, V, W)의 방향을 의미한다. 또한, '체인'은 제2 대퇴체인(220), 제3 대퇴체인(230) 및 제4 대퇴체인(240)을 지칭한다.

먼저, 대퇴부(205)의 기구학적인 관계로 다음의 식이 구해지는데, d_i는 A_i 및 B_i 사이의 거리를 의미한다.

<수학식 1>

여기서,

가 된다. 여기서,

는

가 형성하는 평면(삼각형)에서 형성하는 평면(삼각형)까지의 변환행렬(transform matrix)를 나타내고,

는

가 형성하는 평면(삼각형)에 부여된 기준좌표계에 의한 위치벡터(position vector)이다.

역기구학(inverse kinematics)을 이용한 유도를 위하여 <수학식 1>의 양변에 내적(dot product)을 취하면,

가 된다. 다음으로, 이 시스템의 자코비안(Jacobian)을 구하기 위하여 i번째 링크에 대한 폐루프 방정식(loop-closure equation)은 다음과 같다.

<수학식 2>

여기서, 각 링크에 관한 속도 벡터 루프 방정식을 얻기 위하여 <수학식 2>를 시간에 대하여 미분하면,

가 된다. 여기서,

는 기준좌표계에 대한

방향의 단위벡터이고,

는

이다. 또한

는 고정좌표계에 관련된 i번째 링크의 각속도벡터이다. 따라서, 대퇴부(205)의 자코비안은 다음과 같다.

여기서,

이다. 여기서,

는 자코비안 행렬이다.

자코비안 행렬

는 n차원의 조인트 속도(joint velocity)를 끝단 속도(end-effector velocity)로 전환하며, 기구적 형상에 의존한다. 자코비안 행렬은 병렬 기구 구조의 분석과 설계에 사용될 수 있으며, 등방성 지수(isotropic index)의 측정을 통해서 분석된다. 등방성 지수는 다음과 같이 정의된다.

여기서,

와

는 각각 자코비안 매트릭스의 최대 특이값과 최소 특이값을 의미한다. 따라서, 등방성 지수(

)가 1에 가까워질수록 모든 방향으로 균일하게 움직일 수 있다는 것을 의미한다.

도 6에는 본 발명의 실시예의 대퇴부의 작동을 시뮬레이션 한 결과를 나타낸 그래프가 도시되어 있다. 도 3 및 도 4를 함께 참조하여 설명하기로 한다.

대퇴부(205)가 인간의 대퇴부와 가장 유사하게 작동되도록 하기 위해 제2 대퇴체인(220), 제3 대퇴체인(230) 및 제4 대퇴체인(240)의 위치를 변경시키면서 등방성 지수를 측정하는 시뮬레이션을 시행한 결과는 도 6과 같다.

그래프 (a)는 제2 대퇴체인(220), 제3 대퇴체인(230) 및 제4 대퇴체인(240)의 스페리컬 결합들(223, 233, 243)이 골반 프레임(202)에 정삼각형으로 배치되고, 다른 스페리컬 결합들(224, 234, 244)이 슬관절 상부 프레임(206a)에 정삼각형으로 배치되며, 골반 프레임(202)은 스페리컬 결합들(224, 234, 244)이 꼭지점이 되는 정삼각형의 중심점을 기준으로 요축에 대하여 45도 회전된 경우, 즉 2족 보행 로봇(200)의 진행방향에 대하여 수평으로 45도 회전된 경우의 대퇴부(205)의 전후 좌우 운동 범위를 나타낸 것이다. 여기서, 회전된 방향은 좌측 및 우측 모두 가능하다.

따라서, 스페리컬 결합들(223, 233, 243)은 골반 프레임(202)에 형성된 가상 의 중심점(도시되지 않음)을 기준으로 각각 120도의 각도로 일정한 거리에 배치되고, 다른 스페리컬 결합들(224, 234, 244)도 슬관절 상부 프레임(206a)에 형성된 가상의 중심점(도시되지 않음)을 기준으로 각각 120도의 각도로 일정한 거리에 배치된다.

이때, 골반 프레임(202)을 요축에 대하여 45도 회전시키는 이유는, 인간의 대퇴부가 대퇴골을 축으로 수평방향의 회전을 할 수 있는 것과 같이, 대퇴부(205)도 수평방향으로 회전할 수 있게 하기 위한 것이다.

그래프 (a)는 상술한 바와 같은 구조의 대퇴부(205)를 피치축, 요축 및 롤축 방향으로 작동시켰을 때의 운동 정도를 나타낸 것으로, 전후 좌우의 운동 범위가 대칭이다.

그래프 (b)는 스페리컬 결합들(224, 234, 244)이 슬관절 상부 프레임(206a)의 중심점에 대하여 각각 140도, 140도, 80도의 각도로 비대칭 하게 배치되고, 골반 프레임(202)이 상술한 바와 같은 요축에 대하여 45도 회전된 경우의 대퇴부(205)의 전후 좌우 운동을 나타낸 것이다.

이 경우에는 전후 방향, 즉 2족 보행 로봇(200)의 진행방향으로 대퇴부(205)의 운동 범위가 증가되되, 등방성 지수는 그래프 (a)에 도시된 시뮬레이션 결과와 거의 동일하게 유지되는 것을 알 수 있으며, 인간의 대퇴부 움직임과 유사함을 알 수 있다.

그래프 (c)는 스페리컬 결합들(224, 234, 244)이 슬관절 상부 프레임(206a)의 중심점에 대하여 각각 160도, 160도, 40도의 각도로 더욱 비대칭 하게 배치되 고, 골반 프레임(202)이 상술한 바와 같은 요축에 대하여 45도 회전된 경우의 대퇴부(205)의 전후 좌우 운동을 나타낸 것이다.

이 경우에는 전후 방향, 즉 2족 보행 로봇(200)의 진행방향으로 대퇴부(205)의 운동 범위가 감소되고, 등방성 지수도 동일하게 유지되지 않은 것을 알 수 있다.

따라서, 그래프 (a), 그래프 (b) 및 그래프 (c)에 도시된 시뮬레이션 결과와 같이 스페리컬 결합들(224, 234, 244)의 슬관절 상부 프레임(206a) 상에 배치되는 각도를 조절함으로써, 2족 보행 로봇(200)의 걸음걸이에 가장 적합한 배치를 찾을 수 있다.

다음으로, 도 7을 참조하여 인간의 하퇴부에 해당되는 하퇴부(207)의 작동을 설명하기로 하며, 도 3 및 도 4를 함께 참조하기로 한다. 여기서, 이중원은 스페리컬 결합을, 원은 유니버설 결합을, 원통은 힌지 결합을 나타내는 기호이다.

도 7에는 도 3 및 도 4의 하퇴부(207)가 단순화되어 도시되어 있다. 도 7을 참조하면, O, A₁ 및 A₂가 형성하는 평면은 슬관절 하부 프레임(206b)에 해당되고, O, A₁ 및 A₂는 각각 힌지 결합(253) 및 유니버설 결합(263, 273)에 해당된다. P, B₁ 및 B₂가 형성하는 평면은 발 프레임(290a)에 해당되고, P, B₁, 및 B₂는 각각 스페리컬 결합(254, 264) 및 유니버설 결합(274)에 해당된다. O와 P, A₁와 B₁ 및 A₂와 B₂가 형성하는 선분은 각각 제1 하퇴체인(250), 제2 하퇴체인(260) 및 제3 하퇴체인(270)에 해당된다.

인간이 걷는 경우에 하퇴부는 주로 무릎 관절의 피치 방향 운동 및 발목의 피치와 롤 방향 운동을 하게 된다. 따라서, 하퇴부(207)가 인간의 하퇴부와 같이 작동될 수 있도록 하면 2족 보행 로봇(200)의 걸음걸이가 인간과 유사해 질 수 있다. 하퇴부(207)의 작동을 해석하면 다음과 같다. 단, 제4 하퇴체인(280)은 하퇴부(207)의 균형을 맞추기 위하여 부가한 피동(passive) 체인이므로, 해석에서 제외한다.

먼저, 도 7의 기하학적 관계로부터 다음의 식이 얻어진다.

<수학식 3>

여기서,

이다.

이 식으로부터 역기구학을 구하면,

<수학식 4>

가 된다.

<수학식 4>를 이용하여 하퇴부(207)의 작동을 시뮬레이션 할 수 있다.

도 8에는 본 발명의 실시예의 하퇴부의 작동을 시뮬레이션 한 결과를 나타낸 그래프가 도시되어 있다.

도 8을 참조하면, 하퇴부(207)가 작동하는 과정에서 발 프레임(290a)이 바닥면과 수평을 유지한다는 것을 알 수 있다. 이는 슬관절 하부 프레임(206b) 및 발 프레임(290a)을 연결하는 제1 하퇴체인(250), 제2 하퇴체인(260) 및 제3 하퇴체인(270)의 자유도가 각각 4 자유도, 5 자유도 및 6 자유도로서 비대칭을 형성하기 때문으로, 3 자유도의 병렬 기구 구조로는 구현하기 어려운 작동이다.

도 9에는 본 발명의 실시예가 적용된 2족 보행 로봇의 작동을 시뮬레이션 한 결과를 측면도로 나타낸 그래프가 도시되어 있고, 도 10에는 도 9와 같은 결과를 사시도로 나타낸 그래프가 도시되어 있다. 도 9 및 도 10을 함께 참조하여 설명하기로 한다.

도 9 및 도 10을 참조하면, 우측 다리(204)가 바닥면을 지지한 상태에서 좌측다리(203)가 이동하는 모습이 나타나 있다. 좌측다리(203)가 바닥면으로부터 들려져서 다시 바닥면과 접하게 되는 동안, 슬관절 프레임(206)을 중심으로 대퇴부(205) 및 하퇴부(207)가 굴신(屈伸)되어 인간의 무릎과 같은 기능을 하고, 발(290)은 바닥면과 수평을 유지하는 것을 알 수 있다. 발(290)이 바닥면에 대하여 수평을 유지하게 하면, 바닥면의 요철이나 경사가 있을 경우 발(290)을 피치 방향이나 롤 방향으로 움직여 대응하기 적합해진다.

상술한 바와 같이 병렬 기구 구조를 갖는 2족 보행 로봇(도 3의 200)의 다리(도 3의 203, 204)는 직렬 링크 구조에 비해 작은 액츄에이터(actuator)로 큰 부하를 다룰 수 있고, 다리(도 3의 203, 204)의 경량화가 가능하다는 장점이 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 직렬 링크 구조의 다리를 갖는 로봇을 다시 예로 들어 설명 하면, 골반(11)에 대하여 대퇴링크(13)가 3 자유도 운동을 할 수 있도록 고관절 롤 구동장치(12Xa), 고관절 피치 구동장치(12Ya) 및 고관절 요 구동장치(도시되지 않음)가 설치되고, 하퇴링크(15)에 대하여 대퇴링크(13)가 1 자유도 운동을 할 수 있도록 슬관절 피치 구동장치(14Ya)가 설치되며, 하퇴링크(15)에 대하여 발(17)이 2 자유도 운동을 할 수 있도록 발목관절 롤 구동장치(16Xa) 및 발목관절 피치 구동장치(16Ya)가 설치된다.

이때, 발목관절 롤 구동장치(16Xa) 및 발목관절 피치 구동장치(16Ya)는 하퇴링크(15)에 설치되고, 고관절 롤 구동장치(12Xa), 고관절 피치 구동장치(12Ya) 및 슬관절 피치 구동장치(14Ya)는 대퇴링크(13)에 설치된다.

따라서, 2족 보행 로봇(10)의 이동 중 좌측다리(3)가 들어올려지는 경우, 고관절 피치 구동장치(12Ya)는 대퇴링크(13), 슬관절 피치축(14Y), 슬관절 피치 구동장치(14Ya), 하퇴링크(15), 발목관절 롤축(16X), 발목관절 피치축(16Y), 발목관절 롤 구동장치(16Xa), 발목관절 피치 구동장치(16Ya) 및 발(17)의 하중을 모두 들어올릴 수 있는 출력이 필요하게 되며, 이 하중은 대퇴링크(13)에 인장 및 압축응력 외에 굽힘응력 또한 작용되게 하므로 대퇴링크(13)에 높은 강성이 필요하게 된다.

반대로, 2족 보행 로봇(10)의 이동 중 우측다리(2)가 들어올려지는 경우, 발목관절(16)에는 발(17) 이외의 모든 하중이 가해지므로, 발목관절 롤 구동장치(16Xa) 및 발목관절 피치 구동장치(16Ya)는 발(17) 이외의 모든 하중을 극복할 수 있는 출력이 필요하게 된다. 특히, 상체부(1)의 하중에 크거나 2족 보행 로봇(10)이 화물을 운반하는 경우 등 발목관절(16)에 더 큰 하중에 가해지는 경우에 는 발목관절 롤 구동장치(16Xa) 및 발목관절 피치 구동장치(16Ya)에 더 큰 출력이 필요하게 되므로, 다리(2, 3)가 대형화되거나 마그네슘 등의 경량재질을 사용해야 하는 제약이 따른다.

이와 같이, 직렬 링크 구조는 관절의 수가 많아질수록 말단부 링크의 하중이 본체에 가까운 링크에 누적되어 가해지고, 링크에 굽힘응력이 작용되므로 높은 강성이 요구되며, 작동오차가 누적되어 말단부 링크에 가까워질수록 위치오차가 증가되거나 운동에 의한 관성 또한 누적되어 로봇이 보행 중에 흔들린다는 단점이 있다.

반면, 도 3 및 도 4에 도시된 본 발명의 실시예가 적용된 2족 보행 로봇(200)의 좌측다리(203)를 예로 들어 비교하면 다음과 같다.

대퇴중심체인(210) 및 제1 하퇴체인(250)는 인간의 대퇴골 및 경골과 같이 대퇴부(205) 및 하퇴부(207)에 가해지는 하중을 지지하고 각각의 작동범위를 정한다. 제2 대퇴체인(220), 제3 대퇴체인(230), 제4 대퇴체인(240), 제2 하퇴체인(260) 및 제3 하퇴체인(270)과 같이 프리즈매틱 결합된 것은 인간의 대퇴부 및 하퇴부의 근육과 같이 신축을 통해 대퇴부(205) 및 하퇴부(207)를 작동시킨다.

따라서, 대퇴부(205)에는 제2 대퇴체인(220), 제3 대퇴체인(230) 및 제4 대퇴체인(240)이 병렬로 연결되므로, 직렬 링크 구조와는 달리 본체(201)에 가까이 있는 체인들(210, 220, 230, 240)에 본체(201)와 먼 체인들(250, 260, 270, 280) 및 발(290)의 무게가 분산되고, 유압 또는 공압을 이용하는 구동장치(도시되지 않음)가 사용될 경우에는 그 무게가 체인들(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280)에 누적되지 않으므로, 직렬 링크 구조가 적용된 다리(도 1의 2, 3)과 동일한 출력의 구동장치(도시되지 않음)를 사용할 경우, 2족 보행 로봇(200)은 더 큰 부하를 다룰 수 있게 된다.

또한, 직렬 링크 구조가 적용된 다리(도 1의 2, 3)과 동일한 재질로 다리(203, 204)가 제작될 경우, 상술한 바와 같이 하중이 분산되므로 기계적 견고성이 향상된다. 그리고, 직렬 링크 구조와 같이 다수의 링크가 체인을 형성하지 않으므로, 작동오차가 적게 누적되어 다리(203, 204)의 위치를 제어할 경우 오차가 현저하게 줄어든다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였지만, 해당기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 본 발명에 의하면, 로봇의 다리에 병렬 기구 구조를 적용함으로써, 재질의 사용에 제약이 감소되고, 적은 동력으로 큰 출력을 얻을 수 있으며, 기계적 견고성이 향상되고, 작동오차가 감소되는 효과를 얻을 수 있다.

Claims

골반 프레임(202)과;

슬관절 프레임(206)과;

발 프레임(290a)과;

일단부는 상기 골반 프레임(202)에 각각 스페리컬 결합(223, 233, 243)되고, 타단부는 상기 슬관절 프레임(206)의 일면에 각각 스페리컬 결합(224, 234, 244)되는 세 개의 대퇴체인(220, 230, 240)과;

일단부는 상기 골반 프레임(202)에 고정되고, 타단부는 상기 슬관절 프레임(206)의 일면에 고정되는 대퇴중심체인(210)과;

일단부는 상기 슬관절 프레임(206)의 타면에 힌지 결합(253)되고, 타단부는 상기 발 프레임(290a)에 스페리컬 결합(254)되는 제1 하퇴체인(250)과;

일단부는 상기 슬관절 프레임(206)의 타면에 유니버설 결합(263)되고, 타단부는 상기 발 프레임(290a)에 스페리컬 결합(264)되는 제2 하퇴체인(260)과;

일단부는 상기 슬관절 프레임(206)의 타면에 유니버설 결합(273)되고, 타단부는 상기 발 프레임(290a)에 유니버설 결합(274)되는 제3 하퇴체인(270)을 포함하되,

상기 세 개의 대퇴체인(220, 230, 240), 상기 제2 하퇴체인(260) 및 상기 제3 하퇴체인(270) 각각의 일단부 및 타단부 사이는 프리즈매틱 결합되고, 상기 대퇴중심체인(210)의 일단부 및 타단부 사이는 스페리컬 결합(212)되며, 상기 골반 프레임(202) 및 상기 세 개의 대퇴체인(220, 230, 240)의 일단부 사이의 세 개의 상기 스페리컬 결합들(223, 233, 243)은 삼각형으로 배치되는 것을 특징으로 하는 로봇의 다리.
삭제
제1항에 있어서,

상기 슬관절 프레임(206)의 일면 및 상기 세 개의 대퇴체인(220, 230, 240)의 타단부 사이의 세 개의 상기 스페리컬 결합들(224, 234, 244)은 삼각형으로 배치되는 것을 특징으로 하는 로봇의 다리.
제3항에 있어서,

상기 슬관절 프레임(206)의 일면 및 상기 세 개의 대퇴체인(220, 230, 240)의 타단부 사이의 상기 세 개의 스페리컬 결합들(224, 234, 244)은 그 중심점에 대하여 세 꼭지점이 각각 140도, 140도 및 80도인 삼각형으로 배치되는 것을 특징으로 하는 로봇의 다리.
제1항에 있어서,

일단부는 상기 슬관절 프레임(206)의 타면에 유니버설 결합(283)되고, 타단부는 상기 발 프레임(290a)에 스페리컬 결합(284)되는 제4 하퇴체인(280)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 다리.
제1항에 있어서,

상기 프리즈매틱 결합을 신축시키는 구동장치가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 로봇의 다리.