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KR20110109936A - 다리식 이동 로봇 및 요동 구조 - Google Patents

다리식 이동 로봇 및 요동 구조 Download PDF

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KR20110109936A
KR20110109936A KR1020110027528A KR20110027528A KR20110109936A KR 20110109936 A KR20110109936 A KR 20110109936A KR 1020110027528 A KR1020110027528 A KR 1020110027528A KR 20110027528 A KR20110027528 A KR 20110027528A KR 20110109936 A KR20110109936 A KR 20110109936A
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KR
South Korea
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cover
foot
leg
rod
mobile robot
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KR1020110027528A
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테츠야 이시카와
유스케 야마모토
타이치 야마모토
스스무 미야자키
Original Assignee
혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
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Publication date
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Abstract

다리식 이동 로봇에 있어서, 로드와 간섭하지 않고 발목관절을 적절하게 가릴 수 있는 다리식 이동 로봇을 제공한다.
다리식 이동 로봇(1)은 하퇴부(52R, 52L)에 고정되고, 하퇴부(52R, 52L)를 덮는 하퇴 커버(52aR, 52aL)와, 로드(64)의 외측에 위치시키고 족부(53R, 53L)에 연결된 하부 커버(82)와, 족부(53R, 53L)와 함께 요동하는 요동 부재(43cR, 43cL)에 암(72)을 통하여 요동 자유롭게 연결되고, 또한 하퇴부(52R, 52L)에 설치된 상하 방향으로 연장되는 가이드(71)를 따라, 하퇴 커버(52aR, 52aL)와 하부 커버(82) 사이를 이동하기 자유로운 상부 커버(81)를 구비한다.

Description

다리식 이동 로봇 및 요동 구조{LEGGED MOBILE ROBOT AND SWING STRUCTURE}
본 발명은 다리식 이동 로봇, 특히 발목관절 부분을 덮는 외장 구조, 및 요동 구조에 관한 것이다.
종래, 대퇴부의 하단에 무릎관절을 통하여 연결되는 하퇴부와, 하퇴부의 하단에 발목관절을 통하여 연결되는 족부와, 하단이 족부에 연결되고 하퇴부측으로 연장되는 로드를 진퇴시킴으로써 발목관절을 통하여 족부를 하퇴부에 대하여 요동시키는 요동 기구를 갖는 다리체를 구비하는 다리식 이동 로봇에 있어서, 다리체의 발목관절의 부분을 덮는 외장 구조로서 부분 구면 형상 커버를 구비하는 것이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
특허문헌 1의 발목관절은, 족부를 하퇴부에 대하여 피칭 방향으로 요동 자유롭게 하는 발목 피칭 관절과, 롤링 방향으로 요동 자유롭게 하는 발목 롤링 관절로 구성된다. 하퇴부에는 전동 모터가 설치되어 있고, 이 전동 모터의 구동력이 벨트를 통하여 발목관절의 발목 피칭 관절 부분에 설치된 감속기에 전달됨으로써, 족부가 하퇴부에 대하여 피칭 방향으로 요동한다.
하퇴부는, 그 내부구조를 덮어 가리는 하퇴 커버를 구비하고, 전동 모터, 감속기 및 발목 피칭 관절의 축 방향의 양단 부분은 하퇴 커버로 덮여 가려져 있다. 발목 피칭 관절의 축 방향 중앙 부분은 족부의 상측에 부착된 부분 구면 형상 커버로 덮여 있다. 이 커버 내에는 발목 롤링 관절이 배치되어 있다.
이와 같이, 특허문헌 1의 것에서는 발목관절을 하퇴 커버 및 부분 구면 형상 커버로 덮음으로써, 발목관절의 내부구조를 노출시키지 않고, 발목관절 부분의 외관을 양호하게 유지하고 있다.
여기에서, 특허문헌 1의 발목관절 구조에서는, 피칭 방향 요동축에 감속기를 부착하기 위하여, 다리체를 가동시킬 때, 접지측의 질량이 커, 다리체에 큰 관성력이 생긴다. 따라서, 다리체를 구동시키는 전동 모터는 용량이 큰 것을 사용할 필요가 있어, 소형화 및 전력소비량 삭감의 관점에서 문제가 있다.
이것을 해결하기 위하여, 감속기를 발목관절보다도 상방에 배치하고, 감속기와 족부를 로드로 연결해서, 감속기의 회전에 따라 로드를 상하로 진퇴시켜, 족부를 하퇴부에 대하여 피칭 방향으로 요동시키도록 구성한 것도 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 2). 이것에 의하면, 다리체의 접지측의 질량을 작게 할 수 있어, 다리체를 구동시키는 전동 모터의 소형화 및 전력소비량의 삭감을 도모할 수 있다.
특허문헌 1: 일본 특개 2002-210682호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 제4255663호 공보
그렇지만, 발목관절로 족부를 요동시키기 위하여, 상기 특허문헌 2에 개시되는 바와 같이, 로드의 진퇴에 의해 족부를 피칭 방향으로 요동시키는 기구를 사용한 경우, 족부에 연결된 로드가 족부로부터 하퇴부측으로 연장되게 된다. 이 때문에, 종래의 구면 형상 커버로 이루어지는 외장 구조에서는, 로드와 구면 형상의 외장이 간섭해 버린다.
본 발명은, 로드를 진퇴시킴으로써 족부를 요동시키는 요동 기구를 사용해도, 로드와의 간섭을 방지함과 아울러, 발목관절을 그 가동범위를 제한하지 않고 적절하게 덮을 수 있는 외장 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 발목관절 이외의 관절에 있어서, 로드를 진퇴시킴으로써 제 1 부재에 대하여 제 2 부재를 요동시키는 요동 기구를 사용해도, 로드와의 간섭을 방지함과 아울러, 관절을 그 가동범위를 제한하지 않고 적절하게 덮을 수 있는 외장 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
[1] 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 대퇴부의 하단에 무릎관절을 통하여 연결되는 하퇴부와, 이 하퇴부의 하단에 발목관절을 통하여 연결되는 족부와, 하단이 상기 족부에 연결되고 상기 하퇴부측으로 연장되는 로드를 진퇴시킴으로써 발목관절을 통하여 상기 족부를 상기 하퇴부에 대하여 요동시키는 요동 기구를 갖는 다리체를 구비하는 다리식 이동 로봇으로서, 상기 하퇴부에 고정되고, 이 하퇴부를 덮는 하퇴 커버와, 상기 로드의 외측에 위치시켜 상기 족부에 연결한 하부 커버와, 상기 족부와 함께 상기 발목관절의 요동하는 요동 부재에 암을 통하여 요동 자유롭게 연결되고, 또한 상기 하퇴부에 설치된 상하 방향으로 연장되는 가이드를 따라, 상기 하퇴 커버와 상기 하부 커버 사이를 이동하기 자유로운 상부 커버를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의하면, 상부 커버는, 족부와 함께 요동하는 요동 부재에 연결됨과 아울러, 하퇴부에 설치된 가이드에 의해 이동이 규제되면서, 하퇴 커버와 하부 커버 사이를 이동한다. 그 때문에 하퇴부에 대하여 족부가 요동해도, 하퇴부에 고정된 하퇴 커버와 족부에 연결된 하부 커버 사이의 간극을 상부 커버에 의해 덮어 가리는 것이 가능하게 된다. 따라서, 로드가 커버에 간섭하지 않아, 발목관절을 적절하게 덮어 가릴 수 있어, 발목관절 부분의 외관을 양호하게 유지할 수 있다.
[2] 본 발명에 있어서, 상기 하부 커버는 상기 족부에 요동 자유롭게 연결됨과 아울러, 가압 수단에 의해 외측으로 가압되고, 상기 암은 상기 요동 부재에 고정되고, 상기 상부 커버는 상기 암에 요동 자유롭게 연결되고, 또한, 상기 하부 커버의 상단부는 상기 상부 커버의 하단부 내면을 따라 슬라이딩 자유롭게 구성되는 것이 바람직하다.
이 경우, 본 발명은, 대퇴부의 하단에 무릎관절을 통하여 연결되는 하퇴부와, 하퇴부의 하단에 발목관절을 통하여 연결되는 족부와, 하단이 족부에 연결되고 하퇴부측으로 연장되는 로드를 진퇴시킴으로써 발목관절을 통하여 족부를 하퇴부에 대하여 요동시키는 요동 기구를 갖는 다리체를 구비하는 다리식 이동 로봇에 있어서, 다리체의 발목관절 부분을 덮는 외장 구조이며, 로드의 외측에 위치시키고 족부에 요동 자유롭게 연결된 하부 커버와, 하부 커버를 외측으로 가압하는 가압 수단과, 발목관절의 피칭 방향으로 요동하는 요동 부재에 고정된 암과, 이 암에 요동 자유롭게 연결되고, 또한 하퇴부에 설치된 상하 방향으로 연장되는 가이드를 따라 상하 방향으로 이동할 수 있는 상부 커버를 구비하고, 하부 커버의 상단부는 상부 커버의 하단부 내면을 따라 슬라이딩 자유롭게 구성되는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의하면, 상부 커버는 족부의 요동을 따라 암으로 밀고 당겨져서 가이드를 따라 상하 방향으로 이동한다. 또한, 하부 커버는, 가압 수단에 의해 외측으로 가압되어, 그 상단부가 상부 커버의 하단부 내면으로 밀어 붙여져 있기 때문에, 족부의 요동에 관계없이, 하퇴부에 대한 각도의 변화를 억제할 수 있다. 따라서, 하퇴부에 대하여 족부가 요동해도, 발목관절의 가동범위를 제한하지 않고, 발목관절을 적절하게 덮어 가릴 수 있고, 발목관절 부분의 외관을 양호하게 유지할 수 있다.
[3] 본 발명에 있어서, 상기 하부 커버는 상기 족부에 고정되고, 상기 암은 상기 요동 부재에 요동 자유롭게 연결되고, 상기 상부 커버는 상기 암에 연결되는 것이 바람직하다.
이러한 구성에 의하면, 간이한 구성으로 발목관절을 적절하게 덮어 가릴 수 있어, 발목관절 부분의 외관을 양호하게 유지할 수 있다.
[4] 본 발명에 있어서, 로드를, 족부의 발목관절과 연결되는 부분보다도 피칭 방향 전방측에서 연결하는 것이 바람직하다. 로드를, 족부의 후방측에서 연결하는 것도 생각할 수 있지만, 다리체를 무릎관절에서 굴곡시킨 경우에, 로드의 상단부가 대퇴부에 접촉하여 무릎관절의 가동범위가 제한될 우려가 있다.
본 발명과 같이, 로드를 족부의 전방측에서 연결하면, 로드와 대퇴부가 접촉하지 않아, 무릎관절의 가동범위가 제한되는 것을 방지할 수 있다.
[5] 본 발명에 있어서, 상기 족부의 상기 로드가 접속되는 측과 반대측의 부분에 고정되는 반구 형상의 제 1 커버와, 상기 제 1 커버의 외측 또는 내측에 배치되고, 또한, 상기 하퇴부의 하단부에 롤링 방향으로 요동 자유롭게 설치되는 반구 형상의 제 2 커버와, 상기 제 1 커버와 상기 제 2 커버 사이에 배치됨과 아울러, 피칭 방향으로 요동 자유롭게 되도록 제 1 커버에 설치되는 반구 형상의 중간 커버를 구비하고, 이 중간 커버의 상단부에는, 상기 제 2 커버의 하단부에 걸어지는 걸림부가 설치되는 것도 바람직하다.
이러한 구성에 의하면, 제 1 커버와 제 2 커버와 중간 커버가 벨로스 형상으로 슬라이드 함으로써, 로드가 배치되는 측과 반대측의 발목관절의 부분을 적절하게 덮어 가릴 수 있다.
[6] 또한 본 발명은, 관절을 통하여 제 1 부재의 하단에 제 2 부재가 연결되고, 하단이 상기 제 2 부재에 연결되고 상기 제 1 부재측으로 연장되는 로드를 진퇴 시킴으로써 관절을 통하여 상기 제 1 부재를 상기 제 2 부재에 대하여 요동시키는 요동 기구를 갖는 요동 구조이며, 상기 제 1 부재에 고정되고, 이 제 1 부재를 덮는 제 1 부재 커버와, 상기 로드의 외측에 위치시켜 상기 제 2 부재에 연결한 하부 커버와, 상기 제 2 부재와 함께 요동하는 요동 부재에 암을 통하여 요동 자유롭게 연결되고, 또한 상기 제 1 부재에 설치된 상하 방향으로 연장되는 가이드를 따라, 상기 제 1 부재와 상기 하부 커버 사이를 이동하기 자유로운 상부 커버를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의하면, 상부 커버는, 제 2 부재와 함께 요동하는 요동 부재에 연결됨과 아울러, 제 1 부재에 설치된 가이드에 의해 이동이 규제되면서, 제 1 부재 커버와 하부 커버 사이를 이동한다. 그 때문에 제 1 부재에 대하여 제 2 부재가 요동해도, 제 1 부재에 고정된 제 1 부재 커버와 제 2 부재에 연결된 하부 커버 사이의 간극을 상부 커버에 의해 덮어 가리는 것이 가능하게 된다. 따라서, 로드가 커버에 간섭하지 않고, 관절을 적절하게 덮어 가릴 수 있어, 관절 부분의 외관을 양호하게 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 요동 구조는, 상기한 바와 같이, 다리식 이동 로봇의 발목관절에 적용한 것에 한정되지 않고, 손목관절 등 로봇의 관절, 나아가서는, 로봇 이외의 것에 구비되는 관절에도 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태의 발목관절의 외장 구조를 사용한 다리식 이동 로봇의 개략적인 구성을 도시하는 사시도.
도 2는 실시형태의 다리식 이동 로봇의 다리체의 내부기구를 모식적으로 도시하는 정면도.
도 3은 실시형태의 다리식 이동 로봇의 다리체의 내부구조를 모식적으로 도시하는 측면도.
도 4는 실시형태의 외장 구조를 도시하는 단면도.
도 5는 실시형태의 족부를 피칭방향 전방으로 요동시킨 상태를 도시하는 단면도.
도 6은 실시형태의 족부를 피칭방향 후방으로 요동시킨 상태를 도시하는 단면도.
도 7은 실시형태의 족부를 롤링 방향으로 요동시킨 상태를 도시하는 정면도.
도 8은 별 실시형태의 외장 구조를 도시하는 단면도.
도 9는 다른 실시형태의 족부를 피칭 방향 전방으로 요동시킨 상태를 도시하는 단면도.
도 10은 다른 실시형태의 족부를 피칭 방향 후방으로 요동시킨 상태를 도시하는 단면도.
도 1에 개략적인 구성을 도시하는 다리식 이동 로봇(1)(이하, 단지 로봇(1)이라고 함)을 사용하여, 본 발명의 실시형태를 설명한다. 로봇(1)은 상체(2)와, 이 상체(2)로부터 하방으로 연장하여 설치되는 좌우 한 쌍의 다리체(3R, 3L)를 구비한다. 상체(2)는 바닥에 접촉하는 다리체(3R, 3L)에 의해 바닥면의 상방에 지지된다.
다리체(3R, 3L)는 상체(2)에 고관절(41R, 41L)을 통하여 상단부가 연결되는 대퇴부(51R, 51L)과, 대퇴부(51R, 51L)의 하단부에 무릎관절(42R, 42L)을 통하여 상단부가 연결되는 하퇴부(52R, 52L)와, 하퇴부(52R, 52L)의 하단부에 발목관절(43R, 43L)을 통하여 연결되는 족부(53R, 53L)를 구비한다.
고관절(41R, 41L)은 요잉 관절(41aR, 41aL)과, 가랑이 롤링 관절(41bR, 41bL)과, 가랑이 피칭 관절(41cR, 41cL)로 구성되고, 3 자유도를 갖는다. 요잉 관절(41aR, 41aL)은 가랑이 롤링 관절(41bR, 41bL)을 상체(2)에 대하여 요잉 방향(선회 방향, Z축을 중심으로 회전하는 방향)으로 회동 자유롭게 연결되어 있다.
가랑이 롤링 관절(41bR, 41bL)은 가랑이 피칭 관절(41cR, 41cL)을 요잉 관절(41aR, 41aL)에 대하여 롤링 방향(좌우 방향, X축을 중심으로 회전하는 방향)으로 요동 자유롭게 연결되어 있다. 가랑이 피칭 관절(41cR, 41cL)은 대퇴부(51R, 51L)를 가랑이 롤링 관절(41bR, 41bL)에 대하여 피칭 방향(전후 방향, Y축을 중심으로 회전하는 방향)으로 요동 자유롭게 연결되어 있다.
무릎관절(42R, 42L)은 1 자유도를 갖는 것으로, 하퇴부(52R, 52L)를 대퇴부(51R, 51L)에 대하여 피칭 방향으로 요동 자유롭게 연결되어 있다.
발목관절(43R, 43L)은 발목 피칭 관절(43aR, 43aL)과, 발목 롤링 관절(43bR, 43bL)로 구성되고, 2 자유도를 갖는다. 발목 피칭 관절(43aR, 43aL)은 발목 롤링 관절(43bR, 43bL)을 하퇴부(52R, 52L)에 대하여 피칭 방향으로 요동 자유롭게 연결되어 있다. 발목 롤링 관절(43bR, 43bL)은 족부(53R, 53L)를 발목 피칭 관절(43aR, 43aL)에 대하여 롤링 방향으로 요동 자유롭게 연결되어 있다.
또한, 본 실시형태의 설명에서는, 부호 R, L은 각각 우측 다리체, 좌측 다리체에 대응하는 것을 의미한다. 또한, X축, Y축, Z축은 지지다리 좌표계의 3개의 좌표축을 의미한다. 이 지지다리 좌표계의 X축 방향, Y축 방향은, 수평면상에서 서로 직교하는 2축 방향이며, X축 방향은 로봇(1)의 전후 방향(롤링축 방향), Y축 방향은 로봇(1)의 좌우 방향(피칭축 방향)에 상당한다. 또한, Z축 방향은 연직 방향(중력 방향)이며, 로봇(1)의 상하 방향(요잉축 방향)에 상당한다.
각 관절(41R∼43R, 41L∼43L)은 액추에이터(전동 모터)에 의해 회전구동된다. 그리고, 로봇(1)은 각 관절(41R∼43R, 41L∼43L)을 적당하게 구동시켜, 다리체(3R, 3L)에 원하는 운동을 시킴으로써, 보행동작이나 주행동작 등, 3차원 공간을 이동할 수 있다.
상체(2)의 내부에는 로봇(1)의 동작 제어를 행하는 제어 유닛(21)이 격납되어 있다. 도 1에서는, 편의상, 제어 유닛(21)을 상체(2)의 외부에 기재하고 있다.
다리체(3R, 3L)에는 발목관절(43R, 43L)과 족부(53R, 53L) 사이에 위치시켜 6축력 센서(31R, 31L)가 끼워 설치되어 있다. 이 6축력 센서(31R, 31L)는 바닥으로부터 족부(53R, 53L)에 전달되는 상반력의 X축, Y축, Z축의 3축 방향의 힘 성분 및 3축 주위의 모멘트 성분을 검출하고, 검출신호를 제어 유닛(21)에 출력한다.
또한, 상체(2)에는, 연직 방향(중력 방향)에 대한 상체(2)의 경사각(롤링 방향 및 피칭 방향의 경사각)과 그 변화속도(각속도)를 계측하기 위한 경사 센서(22)가 탑재되어 있다. 이 경사 센서(22)는, 보다 상세하게는, 가속도 센서와 자이로 센서 등의 레이트 센서(각속도 센서)로 구성되고, 이들 센서의 검출신호를 제어 유닛(21)에 출력한다.
또한, 각 관절(41R∼43R, 41L∼43L)을 회전구동하는 전동 모터에는, 각 관절의 회전각을 검출하기 위한 인코더(로터리 인코더)가 부설되고, 이 인코더의 검출신호가 제어 유닛(21)에 출력된다. 제어 유닛(21)은, 입력된 검출신호에 기초하여 각 관절(41R∼43R, 41L∼43L)을 구동하는 전동 모터를 제어한다.
도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 각 대퇴부(51R, 51L)에는 발목관절(43R, 43L)용의 좌우 한 쌍의 전동 모터(61Ra, 61Rb, 61La, 61Lb)가 각각 설치되어 있다. 전동 모터(61Ra, 61Rb, 61La, 61Lb)의 출력축에는, 구동 풀리(62a)가 설치되고, 구동 풀리(62a)의 구동력은 벨트(62b)를 통하여 무릎관절(42R, 42L)과 동축 위에 설치된 종동(이동) 풀리(62c)에 전달된다.
종동(이동) 풀리(62c)에는, 전방을 향하여 연장되는 크랭크 암(63)이 연결되어 있다. 크랭크 암(63)의 선단에는, 로드(64)의 일단이 볼 조인트(64a)를 통하여 요동 자유롭게 연결되어 있다. 로드(64)의 타단은 족부(53R, 53L)의 발목관절(43R, 43L)이 연결된 부분보다도 전방의 부분에 2 자유도를 갖는 조인트(64b)를 통하여 피칭 방향 및 롤링 방향으로 요동 자유롭게 연결되어 있다.
이것에 의해, 전동 모터(61Ra, 61Rb, 61La, 61Lb)를 구동시킴으로써, 로드(64)를 상승시켜 족부(53R, 53L)를 발목관절(43R, 43L)을 지지점으로 하퇴부(52R, 52L)에 대하여 요동시킬 수 있다.
또한, 로드(64)의 하단부가 족부(53R, 53L)의 발목관절(43R, 43L)과 연결된 부분보다도 전방측에 연결되고, 로드(64)의 상단부가 전방을 향하여 뻗는 크랭크 암(63)의 선단에 연결되어 있다. 이 때문에, 무릎관절(42R, 42L)에서 하퇴부(52R, 52L)가 대퇴부(51R, 51L)에 대하여 피칭 방향 후방측으로 요동할 때, 로드(64)와 대퇴부(51R, 51L)가 접촉하지 않아, 무릎관절(42R, 42L)의 가동범위가 제한되는 것을 방지할 수 있다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 하퇴부(52R, 52L)의 전방측에는 상하 방향으로 연장되는 가이드(71)가 설치되어 있다. 가이드(71)에는, 롤러(81a)를 통하여 상부 커버(81)가 요동 자유롭고 또한 가이드(71)를 따라 상하 방향으로 이동 자유(승강 자유)롭게 설치되어 있다.
발목관절(43R, 43L)의 발목 피칭 관절(43aR, 43aL)에서, 하퇴부(52R, 52L)에 대하여 피칭 방향으로 요동하는 대략 ＋자 형상의 요동 부재(43cR, 43cL)에는, 전방을 향하여 연장되는 상부 커버(81)용의 암(72)이 설치되어 있다. 암(72)의 선단에는 상부 커버(81)용의 고정 부재(81b)이 피칭 방향으로 요동 자유롭게 연결되어 있다.
이 고정 부재(81b)는 대략 Y자 형상으로 형성되고, 상방좌우 양측으로 연장되는 상단부(81c)에서 상부 커버(81)의 내측에 나사(73)로 고정되어 있다. 실시형태의 상부 커버(81)는 고정 부재(81b)를 통하여 암(72)에 요동 자유롭게 연결되어 있다. 상부 커버(81)의 하단부에는, 전방을 향하여 튀어나오도록 만곡하는 만곡부(81d)가 형성되어 있다. 또한, 하퇴부(52R, 52L)에는 하퇴 커버(52aR(52aL))이 고정되어 있고, 하퇴 커버(52aR(52aL))는 로드(64)의 전방측을 덮고 있다.
족부(53R, 53L)에는, 로드(64)의 전방에 위치되어, 대략 반구체 형상의 하부 커버(82)가 피칭 방향으로 요동 자유롭게 연결되어 있다. 하부 커버(82)는 비틀림 스프링(74)(가압 수단)에 의해 족부(53R, 53L)에 대하여 피칭 방향 외측으로 가압되어 있다. 하부 커버(82)의 상단은 상부 커버(81)의 만곡부(81d)의 내면에 맞닿고 만곡부(81d)의 내면을 슬라이딩 자유롭게 되어 있다.
이것에 의해, 로드(64) 및 발목관절(43R, 43L)의 전방측은, 하퇴 커버(52aR(52aL)), 하부 커버(82), 및 하퇴 커버(52aR(52aL))와 하부 커버(82) 사이에 배치되는 상부 커버(81)에 의해 덮어진다.
족부(53R, 53L)에는, 로드(64)가 접속되는 측(전방)과 반대측(후방)의 부분에, 반구 형상의 제 1 커버(91)가 형성되어 있다. 또한, 하퇴부(52R, 52L)의 하단부에는, 제 1 커버(91)의 내측에 배치되는 반구 형상의 제 2 커버(92)가 롤링 방향으로 요동 자유롭게 설치되어 있다. 또한, 제 1 커버(91)에는, 제 2 커버(92)와의 사이에 위치되고, 반구 형상의 중간 커버(93)가 피칭 방향으로 요동 자유롭게 설치되어 있다.
중간 커버(93)의 상단부에는 내측으로 돌출하는 걸림부(93a)가 설치되어 있다. 이 걸림부(93a)는, 제 2 커버(92)의 하단부에 설치된, 외측으로 돌출하는 돌기부(92a)에 걸림이 자유롭게 되어 있다.
이것에 의해, 발목관절(43R, 43L)의 후방측은 제 1 커버(91), 제 2 커버(92), 및 제 1 커버(91)와 제 2 커버(92) 사이에 배치되는 중간 커버(93)에 의해 덮어진다.
실시형태의 다리식 이동 로봇(1)은, 전동 모터(61Ra, 61Rb(61La, 61Lb))를 구동시켜, 한 쌍의 로드(64)를 상방으로 끌어당김으로써, 도 5에 도시하는 바와 같이, 족부(53R(53L))를 하퇴부(52R(52L))에 대하여 피칭 방향 전방으로 요동시킬 수 있다.
이 때, 상부 커버(81)는 족부(53R(53L))와 함께 피칭 방향 전방으로 요동하는 암(72)에 고정 부재(81b)를 통하여 상방으로 눌리고, 가이드(71)를 따르도록 하여 상방으로 이동되고, 그 상단 부분이 하퇴부(52R(52L))의 하퇴 커버(52aR(52aL)) 내에 수용된다.
하부 커버(82)는, 족부(53R(53L))의 요동에 따라 상방으로 밀리고, 상부 커버(81)의 만곡부(81d)의 내면을 상방을 향하여 슬라이딩하면서, 상방으로 이동한다. 이 때, 하부 커버(82)는 비틀림 스프링(74)(가압 수단)에 의해, 피칭 방향 전방측으로 가압되고, 그 상단부가 상부 커버(81)의 만곡부(81d)의 내면에 맞닿은 상태가 유지된다.
이 때문에, 하부 커버(82)는 족부(53R(53L))의 피칭 방향의 요동에 관계없이, 하퇴부(52R(52L))에 대한 피칭 방향의 각도가 거의 변화되지 않는다.
이 때, 중간 커버(93)는 자중에 의해 제 1 커버(91)와 함께 하방으로 요동하는데, 걸림부(93a)가 돌기부(92a)에 걸어진 지점에서 중간 커버(93)의 하방으로의 요동이 저지되어, 제 1 커버(91)와 제 2 커버(92)의 간극을 덮어 가린다. 또한, 중간 커버(93)가 자중에 의해 하방으로 적절하게 요동할 수 없는 경우에는, 중간 커버(93)를 하방으로의 가압하는 비틀림 스프링 등의 가압 수단을 사용하거나, 또는, 중간 커버(93)의 하단부에 제 1 커버(91)의 상단부와 걸어지는 걸림부를 설치하면 된다.
반대로, 한 쌍의 로드(64)를 하방으로 누르면, 도 6에 도시하는 바와 같이, 족부(53R(53L))는 하퇴부(52R(52L))에 대하여 피칭 방향 후방으로 요동시킬 수 있다. 이 때, 상부 커버(81)는, 족부(53R(53L))와 함께 피칭 방향 후방으로 요동하는 암(72)에 끌어 당겨지고, 가이드(71)를 따르도록 하여 하방으로 이동한다. 하부 커버(82)는 족부(53R(53L))에 끌어 당겨져, 하방으로 이동한다. 이 경우에도, 하부 커버(82)의 하퇴부(52R(52L))에 대한 피칭 방향의 각도는 거의 변화되지 않는다.
이 때, 중간 커버(93)는, 그 하단이 족부(53R(53L))와 접촉하고, 족부(53R(53L))의 요동에 따라, 제 2 커버(92)의 외면을 슬라이딩하도록 밀어 올려진다.
또한, 한 쌍의 로드(64) 중, 일방을 상방으로 끌어당기고, 타방을 하방으로 누르면, 족부(53R, 53L)를 롤링 방향으로 요동시킬 수 있다. 도 2 및 도 7을 참조하여, 우측의 다리체(3R)를 예로 이것을 상세히 설명하면, 내측(좌측)의 전동 모터(61Ra)를 구동시켜 내측의 로드(64)를 하방으로 누르고, 외측(우측)의 전동 모터(61Rb)를 구동시켜 외측의 로드(64)를 상방으로 끌어당기면, 도 7(a)에 도시하는 바와 같이, 도 7(b)의 상태로부터 족부(53R)가 롤링 방향 외측으로 외전(外轉)한다.
반대로, 내측의 로드(64)를 상방으로 끌어당기고 외측의 로드(64)를 하방으로 누르면, 도 7(c)에 도시하는 바와 같이, 도 7(b)의 상태로부터 족부(53R)가 롤링 방향 내측으로 내전(內轉)한다.
실시형태에서는, 전동 모터(61Ra, 61Rb, 61La, 61Lb), 구동 풀리(62a), 벨트(62b), 종동(이동) 풀리(62c), 크랭크 암(63) 및 로드(64)에 의해, 본 발명의 요동 기구가 구성된다.
본 실시형태에 의하면, 상부 커버(81) 및 하부 커버(82)는, 상하 방향으로 이동하지만, 족부(53R, 53L)의 피칭 방향으로의 요동에 관계없이, 하퇴부(52R, 52L)에 대한 피칭 방향의 각도를 거의 바꾸지 않고 유지시킬 수 있다.
따라서, 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 피칭 방향 전방측으로 약 60도, 피칭 방향 후방측으로 약 15도의 합계 75도의 넓은 가동범위에서 족부(53R, 53L)를 요동시킬 수 있는 다리식 이동 로봇(1)에 있어서, 상부 커버(81) 및 하부 커버(82)와 로드(64)가 간섭함으로써 발목관절의 가동범위가 제한되는 것을 방지할 수 있어, 상부 커버(81)와 하부 커버(82)의 2개의 커버로 한 쌍의 로드(64) 및 발목관절(43R, 43L)의 전방을 적절하게 덮어 가릴 수 있다.
또한, 발목관절(43R, 43L)의 부분을 전방측에서 본 경우, 상부 커버(81)와 하부 커버(82) 2개밖에 보이지 않기 때문에, 외관을 깔끔하게 할 수 있어, 의장성을 향상시켜, 친화성을 높일 수 있다.
또한, 하부 커버(82)가 대략 반구체형 형상으로 형성되어 있기 때문에, 도 7 에 도시한 바와 같이, 족부(53R, 53L)가 롤링 방향으로 요동할 때에도, 2개의 커버(81, 82)로 한 쌍의 로드(64) 및 발목관절(43R, 43L)의 전방을 적절하게 덮어 가릴 수 있다.
또한, 로드(64)가 배치되어 있지 않은 측인 후방측에서는, 제 1 커버(91), 제 2 커버(92) 및 중간 커버(93) 3개의 커버가 벨로스 형상으로 슬라이드 함으로써 발목관절(43R, 43L)의 후방을 적절하게 덮어 가릴 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 로드(64)를 족부(53R, 53L)의 전방에 연결시키고 있지만, 로드(64)를 족부(53R, 53L)의 후방에 연결한 것이어도, 마찬가지로 본 발명을 적용할 수 있다. 이 경우, 상부 커버(81) 및 하부 커버(82)를 발목관절(43R, 43L)의 후방측에 배치하고, 제 1 커버(91), 제 2 커버(92) 및 중간 커버(93)를 발목관절(43R, 43L)의 전방측에 배치하면 된다.
다음에 본 발명의 다른 실시형태를 설명한다. 본 실시형태에 있어서는, 로드(65)를 족부(53R, 53L)의 후방에 연결하고 있다.
도 8에 도시하는 바와 같이, 하퇴부(52R, 52L)의 후방측에는, 개략 상하 방향으로 연장되는 가이드(75)가 설치되어 있다. 가이드(75)에는, 롤러(85a)를 통하여 상부 커버(85)가 요동 자유롭게 또한 가이드(75)를 따라 개략 상하 방향으로 이동 자유롭게(승강 자유롭게) 설치되어 있다.
발목관절(43R, 43L)의 발목 피칭 관절(43aR, 43aL)에서, 하퇴부(52R, 52L)에 대하여 피칭 방향으로 요동하는 대략 ＋자 형상의 요동 부재(43cR, 43cL)의 후단부에는, 상방을 향하여 연장되는 상부 커버(85)용의 대략 L자 형상의 암(76)의 하단이 피칭 방향으로 요동 자유롭게 연결되어 있다. 그리고, 암(76)의 선단에는, 상부 커버(85)의 상하 방향 대략 중간부의 후방측에 형성된 연결부(85b)가 롤링 방향으로 요동 자유롭게 연결되어 있다. 이와 같이, 상부 커버(85)는, 요동 부재(43cR, 43cL)에 대하여, 암(76)을 통하여 피칭 방향 및 롤링 방향으로 요동 자유롭게 연결되어 있다.
족부(53R, 53L)에는, 로드(65)의 후방에 위치되고, 대략 반구체 형상의 하부 커버(86)가 형성되어 있다. 또한, 하퇴부(52R, 52L)에는 하퇴 커버(52aR(52aL))가 고정되어 있고, 하퇴 커버(52aR(52aL))는 로드(65)의 후방측을 덮고 있다.
이것에 의해, 로드(65) 및 발목관절(43R, 43L)의 후방측은 하퇴 커버(52aR(52aL)), 하부 커버(86), 및 하퇴 커버(52aR(52aL))와 하부 커버(86) 사이에 배치되는 상부 커버(85)에 의해 덮어진다.
족부(53R, 53L)에는, 로드(65)가 접속되는 측(후방)과 반대측(전방)의 부분에, 반구 형상의 제 1 커버(95)가 형성되어 있다. 또한, 하퇴부(52R, 52L)의 하단부에는, 제 1 커버(95)의 내측에 배치되는 반구 형상의 제 2 커버(96)가 롤링 방향으로 요동 자유롭게 설치되어 있다. 또한, 제 1 커버(95)에는, 제 2 커버(96)와의 사이에 위치되고, 반구 형상의 중간 커버(97)가 피칭 방향으로 요동 자유롭게 설치되어 있다.
중간 커버(97)의 상단부에는 내측으로 돌출하는 걸림부(97a)가 설치되어 있다. 이 걸림부(97a)는, 제 2 커버(96)의 하단부에 설치된, 외측으로 돌출하는 돌기부(96a)에 걸림이 자유롭게 되어 있다.
이것에 의해, 발목관절(43R, 43L)의 전방측은 제 1 커버(95), 제 2 커버(96), 및 제 1 커버(95)와 제 2 커버(96) 사이에 배치되는 중간 커버(97)에 의해 덮어진다.
실시형태의 다리식 이동 로봇(1)은, 전동 모터(61Ra, 61Rb(61La, 61Lb))를 구동시켜, 한 쌍의 로드(65)를 하방으로 누름으로써, 도 9에 도시하는 바와 같이, 족부(53R(53L))를 하퇴부(52R(52L))에 대하여 피칭 방향 전방으로 요동시킬 수 있다.
이 때, 하부 커버(86)는, 족부(53R(53L))의 요동에 따라 하방으로 요동하여, 하퇴 커버(52aR(52aL))와의 사이에 간극이 발생한다. 그러나, 상부 커버(85)가, 족부(53R(53L))와 함께 피칭 방향 하방으로 요동하는 요동 부재(43cR, 43cL)에 암(76)을 통하여 눌려지고, 가이드(75)를 따르도록 하여 하방으로 이동한다. 이것에 의해, 상부 커버(85)는 하부 커버(86)와 하퇴 커버(52aR(52aL)) 사이에 발생한 간극을 덮어 가린다.
이 때, 중간 커버(97)는, 그 하단이 족부(53R(53L))와 접촉하고, 족부(53R(53L))의 요동에 따라, 제 2 커버(96)의 외면을 슬라이딩하도록 밀어 올려진다.
반대로, 한 쌍의 로드(65)를 상방으로 끌어당기면, 도 10에 도시하는 바와 같이, 족부(53R(53L))는 하퇴부(52R(52L))에 대하여 피칭 방향 후방으로 요동시킬 수 있다.
이 때, 하부 커버(86)는 족부(53R(53L))의 요동에 따라 상방으로 요동하고, 하퇴 커버(52aR(52aL))와의 사이에 간극은 발생하지 않는다. 그리고, 상부 커버(85)는, 족부(53R(53L))와 함께 피칭 방향 상방으로 요동하는 암(76)을 통하여 상방으로 눌려지고, 가이드(75)를 따르도록 하여 상방으로 이동한다. 이것에 의해, 상부 커버(85)는 하부 커버(86)와 하퇴 커버(52aR(52aL)) 사이에 수용된다.
이 때, 중간 커버(97)는, 자중에 의해 제 1 커버(95)와 함께 하방으로 요동하는데, 걸림부(97a)가 돌기부(96a)에 걸어진 지점에서 중간 커버(97)의 하방으로의 요동이 저지되고, 제 1 커버(95)와 제 2 커버(96)와의 간극을 덮어 가린다.
본 실시형태에 의하면, 상부 커버(85)는, 상하 방향으로 이동하지만, 족부(53R, 53L)의 피칭 방향으로의 요동에 관계없이, 하퇴부(52R, 52L)에 대한 피칭 방향의 각도를 거의 바꾸지 않고 유지시킬 수 있다.
따라서, 도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이, 넓은 가동범위에서 족부(53R, 53L)를 요동시킬 수 있는 다리식 이동 로봇(1)에 있어서, 상부 커버(85) 및 하부 커버(86)와 로드(65)가 간섭함으로써 발목관절의 가동범위가 제한되는 것을 방지할 수 있어, 상부 커버(85)와 하부 커버(86)의 2개의 커버로 한 쌍의 로드(65) 및 발목관절(43R, 43L)의 후방을 적절하게 덮어 가릴 수 있다.
또한, 발목관절(43R, 43L)의 부분을 후방측에서 본 경우, 상부 커버(85)와 하부 커버(86)의 2개밖에 보이지 않기 때문에, 외관을 깔끔하게 할 수 있어, 의장성을 향상시켜, 친화성을 높일 수 있다.
또한, 하부 커버(86)가 대략 반구체 형상으로 형성되어 있기 때문에, 족부(53R, 53L)가 롤링 방향으로 요동할 때에도, 2개의 커버(85, 86)로 한 쌍의 로드(65) 및 발목관절(43R, 43L)의 후방을 적절하게 덮어 가릴 수 있다.
또한, 로드(65)가 배치되어 있지 않은 측인 전방측에서는, 제 1 커버(95), 제 2 커버(96) 및 중간 커버(97) 3개의 커버가 벨로스 형상으로 슬라이드 함으로써 발목관절(43R, 43L)의 후방을 적절하게 덮어 가릴 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 로드(65)를 족부(53R, 53L)의 후방에 연결시키고 있지만, 로드(65)를 족부(53R, 53L)의 전방에 연결한 것이어도, 마찬가지로 본 발명을 적용할 수 있다. 이 경우, 상부 커버(85) 및 하부 커버(86)를 발목관절(43R, 43L)의 후방측에 배치하고, 제 1 커버(95), 제 2 커버(96) 및 중간 커버(97)를 발목관절(43R, 43L)의 후방측에 배치하면 된다.
또한, 각 관절의 구성이나 관절의 배치는 각 실시형태에 한정되지 않는다. 예를 들면, 발목관절(43R(43L))은 족부(53R, 53L)를 롤링 방향으로 요동시키지 않는 것이어도 된다.
또한 본 발명은, 관절을 통하여 제 1 부재의 하단에 제 2 부재가 연결되고, 하단이 제 2 부재에 연결되어 제 1 부재측으로 연장되는 로드를 진퇴시킴으로써 관절을 통하여 제 1 부재를 제 2 부재에 대하여 요동시키는 요동 기구를 갖는 요동 구조이며, 제 1 부재에 고정되고, 이 제 1 부재를 덮는 제 1 부재 커버와, 로드의 외측에 위치시키고 제 2 부재에 연결된 하부 커버와, 제 2 부재와 함께 요동하는 요동 부재에 암을 통하여 요동 자유롭게 연결되고, 또한 제 1 부재에 설치된 상하 방향으로 연장되는 가이드를 따라, 제 1 부재와 상기 하부 커버 사이를 이동하기 자유로운 상부 커버를 구비하는 것이면 된다.
또한, 본 발명의 요동 구조는, 상기한 바와 같이, 다리식 이동 로봇의 발목관절에 적용한 것에 한정되지 않고, 손목관절 등 로봇의 관절, 나아가서는 로봇 이외의 것에 구비되는 관절에도 적용할 수 있다.
1 다리식 이동 로봇(요동 구조)
2 상체
21 제어 유닛
22 경사 센서
3R, 3L 다리체
31R, 31L 6축력 센서
41R, 41L 고관절
42R, 42L 무릎관절
43R, 43L 발목관절(관절)
43aR, 43aL 발목 피칭 관절
43bR, 43bL 발목 롤링 관절
43cR, 43cL 요동 부재
51R, 51L 대퇴부
52R, 52L 하퇴부(제 1 부재)
52aR, 52aL 하퇴 커버(제 1 부재 커버)
53R, 53L 족부(제 2 부재)
61Ra, 61Rb, 61La, 61Lb 전동 모터
62a 구동 풀리
62b 벨트
62c 종동(이동) 풀리
63 크랭크 암
64, 65 로드
64a, 65a 볼 조인트
64b, 65b 조인트
71, 75 가이드
72, 76 암
73 나사
74 비틀림 스프링(가압 수단)
81, 85 상부 커버
81a, 85a 롤러
81b 고정 부재
81c 상단부
81d 만곡부
82, 86 하부 커버
91, 95 제 1 커버
92, 96 제 2 커버
92a, 96a 돌기부
93, 97 중간 커버
93a, 97a 걸림부

Claims (7)

  1. 대퇴부의 하단에 무릎관절을 통하여 연결되는 하퇴부와, 이 하퇴부의 하단에 발목관절을 통하여 연결되는 족부와, 하단이 상기 족부에 연결되고 상기 하퇴부측으로 연장되는 로드를 진퇴시킴으로써 발목관절을 통하여 상기 족부를 상기 하퇴부에 대하여 요동시키는 요동 기구를 갖는 다리체를 구비하는 다리식 이동 로봇으로서,
    상기 하퇴부에 고정되고, 이 하퇴부를 덮는 하퇴 커버와,
    상기 로드의 외측에 위치시켜 상기 족부에 연결한 하부 커버와,
    상기 족부와 함께 요동하는 요동 부재에 암을 통하여 요동 자유롭게 연결되고, 또한 상기 하퇴부에 설치된 상하 방향으로 연장되는 가이드를 따라, 상기 하퇴 커버와 상기 하부 커버 사이를 이동하기 자유로운 상부 커버를 구비하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 하부 커버는 상기 족부에 요동 자유롭게 연결됨과 아울러, 가압 수단에 의해 외측으로 가압되고, 상기 암은 상기 요동 부재에 고정되고, 상기 상부 커버는 상기 암에 요동 자유롭게 연결되고, 또한, 상기 하부 커버의 상단부는 상기 상부 커버의 하단부 내면을 따라 슬라이딩 자유롭게 구성되는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 하부 커버는 상기 족부에 고정되고, 상기 암은 상기 요동 부재에 요동 자유롭게 연결되고, 상기 상부 커버는 상기 암에 연결되는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 로드는 상기 족부의 상기 발목관절과 연결되는 부분보다도 피칭 방향 전방측에서 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 족부의 상기 로드가 접속되는 측과 반대측의 부분에 고정되는 반구 형상의 제 1 커버와,
    상기 제 1 커버의 외측 또는 내측에 배치되고, 또한, 상기 하퇴부의 하단부에 롤링 방향으로 요동 자유롭게 설치되는 반구 형상의 제 2 커버와,
    상기 제 1 커버와 상기 제 2 커버 사이에 배치됨과 아울러, 피칭 방향으로 요동 자유롭게 되도록 제 1 커버에 설치되는 반구 형상의 중간 커버를 구비하고,
    이 중간 커버의 상단부에는, 상기 제 2 커버의 하단부에 걸어지는 걸림부가 설치되는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 족부의 상기 로드가 접속되는 측과 반대측의 부분에 고정되는 반구 형상의 제 1 커버와,
    상기 제 1 커버의 외측 또는 내측에 배치되고, 또한, 상기 하퇴부의 하단부에 롤링 방향으로 요동 자유롭게 설치되는 반구 형상의 제 2 커버와,
    상기 제 1 커버와 상기 제 2 커버 사이에 배치됨과 아울러, 피칭 방향으로 요동 자유롭게 되도록 제 1 커버에 설치되는 반구 형상의 중간 커버를 구비하고,
    이 중간 커버의 상단부에는, 상기 제 2 커버의 하단부에 걸어지는 걸림부가 설치되는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇.
  7. 관절을 통하여 제 1 부재의 하단에 제 2 부재가 연결되고, 하단이 상기 제 2 부재에 연결되고 상기 제 1 부재측으로 연장되는 로드를 진퇴시킴으로써 관절을 통하여 상기 제 1 부재를 상기 제 2 부재에 대하여 요동시키는 요동 기구를 갖는 요동 구조로서,
    상기 제 1 부재에 고정되고, 이 제 1 부재를 덮는 제 1 부재 커버와,
    상기 로드의 외측에 위치시켜 상기 제 2 부재에 연결한 하부 커버와,
    상기 제 2 부재와 함께 요동하는 요동 부재에 암을 통하여 요동 자유롭게 연결되고, 또한 상기 제 1 부재에 설치된 상하 방향으로 연장되는 가이드를 따라, 상기 제 1 부재와 상기 하부 커버 사이를 이동하기 자유로운 상부 커버를 구비하는 것을 특징으로 하는 요동 구조.
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