KR101466719B1 - Gear connection mechanism of walking robot, and driving force transfer mechanism of walking robot, and two degree-of-freedom mechanism of walking robot, and biomimetic walking robot having kinetic waling funciton of the same mechanism - Google Patents

Gear connection mechanism of walking robot, and driving force transfer mechanism of walking robot, and two degree-of-freedom mechanism of walking robot, and biomimetic walking robot having kinetic waling funciton of the same mechanism Download PDF

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KR101466719B1 KR1020120087410A KR20120087410A KR101466719B1 KR 101466719 B1 KR101466719 B1 KR 101466719B1 KR 1020120087410 A KR1020120087410 A KR 1020120087410A KR 20120087410 A KR20120087410 A KR 20120087410A KR 101466719 B1 KR101466719 B1 KR 101466719B1
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Abstract

본 발명은 생체모방형 사족 보행 로봇에 관한 것으로, 몸체와 4개의 다리부를 포함하는 생체모방형 사족 보행 로봇에 있어서, 각각의 상기 다리부는 무릎 관절이 상기 몸체의 안쪽으로 꺾이도록 구현되되, 상기 무릎 관절의 하단부분에 오프셋(offset) 구조를 구비하고 탄성 메카니즘을 구비한 정강이부를 포함하며,상기 탄성 메카니즘은 발과 연결되는 제1 링크, 상기 제1 링크로부터 상기 발과 멀어지는 방향으로 연장되는 제2 링크, 지면 반발력을 흡수하도록 상기 제1 링크 및 상기 제2 링크에 각각 장착되며 상기 정강이부의 길이방향을 따라 서로 이격되는 제1 스프링과 제2 스프링, 일단은 상기 제1 스프링과 연결되며 상기 제2 스프링을 내장하는 외부 링크, 상기 외부 링크와 상기 무릎 관전 사이에 배치되어 지면 반발력을 추가적으로 흡수하는 제3 스프링 및 상기 제3 스프링에 의해 보상되는 지면 반박력을 저장하도록 상기 제3 스프링을 내장하며 상기 외부링크와 상기 무릎 관절이 접촉하는 것을 방지하는 에어 댐퍼를 포함하는 것을 특징으로 한다.A biomechanical quadruped walking robot comprising a body and four legs, wherein each of the legs is configured such that a knee joint is folded toward the inside of the body, A first link having an offset structure at a lower portion of the joint and having an elastic mechanism, the elastic mechanism including a first link connected to the foot, a second link extending from the first link in a direction away from the foot, A first spring and a second spring mounted on the first link and the second link so as to absorb a ground reaction force and spaced apart from each other along the longitudinal direction of the shank, one end connected to the first spring, An outer link incorporating a spring, a third spring disposed further between the outer link and the knee gauge, Ring and is characterized in that it comprises an air damper for preventing the said third internal said third spring to store half a force is compensated by a spring, and the outer link and the knee joint contact.

Description

보행 로봇의 기어 체결, 관절의 구동력 전달 및, 2자유도 구현 메커니즘과, 이를 적용한 생체모방형 사족 보행 로봇{GEAR CONNECTION MECHANISM OF WALKING ROBOT, AND DRIVING FORCE TRANSFER MECHANISM OF WALKING ROBOT, AND TWO DEGREE-OF-FREEDOM MECHANISM OF WALKING ROBOT, AND BIOMIMETIC WALKING ROBOT HAVING KINETIC WALING FUNCITON OF THE SAME MECHANISM}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a mechanism for realizing a gear engagement of a walking robot, a driving force transmission of a joint, and a two-degree of freedom, and a biomechanical walking robot using the same, FREEDOM MECHANISM OF WALKING ROBOT, AND BIOMIMETIC WALKING ROBOT HAVING KINETIC WALING FUNCITON OF THE SAME MECHANISM}

본 발명은 생체모방형 사족 보행 로봇에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 보행 로봇의 기어 체결, 관절의 구동력 전달 및, 2자유도 구현 메커니즘을 적용한 생체모방형 사족 보행 로봇에 관한 것이다.The present invention relates to a biomechanical quadrupedal walking robot, and more particularly, to a biomechanical quadrupedal robot to which a gearing of a walking robot, a driving force transmission of a joint, and a mechanism for implementing a two degree of freedom are applied.

최근 다양한 환경에서 뛰어난 이동능력과 환경적응능력을 갖는 로봇 개발의 필요성이 증가함에 따라 사족 보행 로봇의 중요성 또한 높아지고 있다. 이러한 관심에 따라 많은 연구그룹에서 사족 보행 로봇의 개발이 활발하게 이루어지고 있으며, 이중 특히, 민/군 환경에 적용 가능한 용도로 급속도로 개발되어 지고 있다. 하지만, 이렇게 기존에 개발된 대다수의 로봇들은 실제 적용 단계에서 갖는 구조적인 단점들로 인하여 안정적인 구현이 어려워 실적용은 아직 미흡한 상태이다.Recently, the importance of quadruped robots is increasing as the necessity of development of robots having excellent mobility and environment adaptability in various environments increases. Due to this interest, many research groups have been actively developing quadrupedal robots, which are being developed rapidly for applications in civil / military environments. However, most of the robots developed in this way are difficult to implement due to the structural shortcomings of the application.

이러한 단점을 극복하기 위해 현재 사족 보행 로봇을 개발하는 많은 연구자들은 자연계에 존재하는 사족 보행 동물을 모티브로 설계/개발하고 있다. 이를 일컬어 생체모방형 설계 방법이라고 하며, 이는 기존에 개발된 로봇들이 실제 적용 단계에서 갖는 구조적이거나 구동적인 단점을 극복하는 방법으로 현재 많은 주목을 받고 있다. 하지만, 이러한 노력에도 불구하고 사족 보행 동물의 구조적/형태학적 해석을 바탕으로 하지 않고, 단순히 동물의 외부 모습만을 모사해 사족 보행 로봇을 개발하여, 로봇들의 성능이 기존에 개발된 로봇들에 비하여 크게 향상되었다고 보기 힘든 문제가 있었다.
To overcome these shortcomings, many researchers developing quadruped walking robots are currently designing / developing quadruped walking animals in nature. This is called biomimetic design method, and it is getting much attention as a way to overcome the structural or driving disadvantages that existing robots have in actual application stage. In spite of these efforts, however, it is not based on the structural / morphological interpretation of quadrupedal animals, but simply developed the quadruped robot by simulating the external appearance of the animal. There was a problem that was not seen as improved.

도 1은 종래 기술에 따른 생체 모방형 사족 보행 로봇을 도시한 사시도이다. 이는 한국특허공개공보 제2007-0070825호에 개시된 것으로, 사족 보행 로봇의 다리 메커니즘을 개시한다.1 is a perspective view showing a conventional biomechanical quadrupedial walking robot. This is disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 2007-0070825, and discloses a leg mechanism of a quadrupedal walking robot.

도 1에 따른 사족 보행 로봇은 앞다리가 지지하는 힘을 내고 뒷다리가 추진하는 힘을 낼 수 있도록, 측면에서 바라볼 때 앞다리(100)와 뒷다리(200)는 각각 허벅지(140)(240)와 장딴지(170)(290)가 결합된 구성으로 되어 있되, 몸체부의 안쪽으로 꺾이는 구성을 갖도록 몸체부와 허벅지 사이 및 허벅지와 장딴지 사이에는 힌지운동용 관절이 설치되어 있다. 그리고, 상기 앞다리(100)의 상부에는 발(150)사이의 폭을 조절하기 위한 쇄골관절(130)이 설치되어 있으며, 상기 뒷다리(200)의 하단에는 발목 힌지(280)를 경유하여 발(250)이 설치되어 있고, 상기 발목 힌지(280) 부분에는 클러치(600)와 스프링(700b)이 장착되어 있어 보행시 발이 땅에 닿아 충격을 받을 때는 스프링이 충격을 흡수하고 땅을 박찰 때만 클러치로 동력을 전달하여 움직이도록 구성된 것을 특징으로 한다.1, the front leg 100 and the rear leg 200 are provided with the thighs 140 and 240, respectively, when viewed from the side so as to exert a force supported by the front legs and to exert a force propelled by the rear legs. (170) and (290), and a hinge joint is provided between the body and the thigh, and between the thigh and the calf to have a configuration in which the body is folded inward. A clavicle joint 130 for adjusting the width between the feet 150 is provided on the upper part of the front leg 100. A lower end of the hind leg 200 is connected to an ankle hinge 280, A clutch 600 and a spring 700b are mounted on the ankle hinge 280 so that the spring absorbs the impact when the foot is hit by the ground when the foot is walked, So as to move.

그러나 이와 같은 종래의 사족 보행 로봇은 사족 보행 로봇의 외형만을 모사한 다리 구조로 인해서 보행 로봇의 구동범위에 한계가 있었으며, 다리의 자유도가 부족해 동적 보행만 가능하고, 정적 보행이 안되는 문제가 있었다.However, such a conventional quadruped walking robot has a limitation in the driving range of the walking robot due to the leg structure simulating only the external shape of the quadruped walking robot, and there is a problem that static walking is not possible because only a dynamic walking is possible due to lack of freedom of legs.

그리고, 종래의 사족 보행 로봇의 구조는 보행시 발생하는 지면 반발력을 충분히 감소시키지 못하고 몸체로 직접 전달하는 문제가 있었다.In addition, the conventional quadrupedal walking robot has a problem in that it does not sufficiently reduce the ground reaction force generated during walking, but directly transmits it to the body.

또한, 구동용 모터들(300a,300c,300d)이 몸체의 외부로 돌출되어 있어 보행 로봇의 무게 중심점을 맞추기 힘든 문제가 있었다.Further, since the driving motors 300a, 300c and 300d protrude to the outside of the body, there is a problem that it is difficult to adjust the center of gravity of the walking robot.

따라서, 본 발명에 따른 사족 보행 로봇은 동적 보행뿐만 아니라 정적 보행이 모두 가능하도록 다자유도를 구비한 생체 모방형 사족 보행 로봇을 제공하고자 한다.Therefore, the quadruped walking robot according to the present invention is intended to provide a biomechanical quadruped walking robot having multiple degrees of freedom so that both the dynamic walking as well as the static walking can be performed.

그리고, 본 발명은 무릎 관절 하단부분에 오프셋(offset) 구조를 형성하여 보행 로봇의 발끝의 구동 범위를 크게 함으로써, 보행 방향의 구동 범위를 증가시킬 수 있는 사족 보행 로봇을 제공하고자 한다.The present invention provides a quadruped walking robot capable of increasing the driving range in the walking direction by forming an offset structure in the lower part of the knee joint to increase the driving range of the toe of the walking robot.

또한, 본 발명의 다른 목적은 보행 로봇 다리의 정강이 부분에 지면 반발 저감 장치의 탄성 매커니즘을 적용함으로써, 보행 로봇의 보행시 지면을 지탱하고 미는 힘에 대한 반발력을 몸체로 전달하지 않고 분산시킬 수 있는 사족 보행 로봇을 제공하고자 한다.It is another object of the present invention to provide a walking robot which is capable of dispersing a repulsive force for supporting and pushing the floor of a walking robot without transmitting it to the body by applying an elastic mechanism of the floor reaction- A quadruped walking robot.

또한, 본 발명의 다른 목적은 보행 로봇의 다리에 지면 접촉력을 측정하는 로드셀(load-cell) 센서를 구비함으로써, 사족 보행 로봇을 보다 안정적으로 제어할 수 있는 환경을 제공하고자 한다.Another object of the present invention is to provide an environment in which a quadruped walking robot can be more stably controlled by providing a load-cell sensor for measuring the ground contact force on the legs of the legged mobile robot.

또한, 본 발명의 다른 목적은 보행 로봇의 관절 구동 모터를 지그 형태로 기어를 체결하는 메커니즘을 적용함으로써, 기어 체결에 대한 오차를 줄여주고, 구동시 기어들에 의하여 발생하는 구동 전단력과 횡단력에 위한 기어 위치 오차를 크게 줄여줄 수 있으며, 보행 로봇에 큰 외력이 발생할 때도 버틸 수 있을 만큼의 튼튼한 구조를 제공하고자 한다.It is another object of the present invention to provide a method and apparatus for reducing the error in gear engagement by applying a mechanism for fastening a gear in the form of a jig to a joint drive motor of a walking robot, And it is intended to provide a robust structure that can be held even when a large external force is applied to the walking robot.

또한, 본 발명의 다른 목적은 능동 기어를 구동력 전달을 위한 능동 링크로 체결하는 구동력 전달 매커니즘을 적용함으로써, 관절의 다음 링크에 기어의 구동력이 직접 전달될 수 있는 구조를 제공하고자 한다.It is another object of the present invention to provide a structure in which a driving force of a gear can be directly transmitted to a next link of a joint by applying a driving force transmission mechanism for coupling an active gear with an active link for transmitting driving force.

또한, 본 발명의 다른 목적은 하나 이상의 구동용 모터를 결합하는 2자유도 구현 메커니즘을 적용함으로써, 보행 로봇의 모터들을 몸체 내부에 위치시키고, 다리의 무게를 줄이며, 몸체의 무게 중심을 맞출 때에도 훨씬 유리한 컴팩트한 구조를 제공하고자 한다.It is a further object of the present invention to provide a two-degree-of-freedom implementation mechanism for coupling one or more drive motors, by locating the motors of a walking robot inside the body, reducing the weight of the legs, Thereby providing an advantageous compact structure.

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상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 생체모방형 사족 보행 로봇은 각각의 상기 다리부는 무릎 관절이 상기 몸체의 안쪽으로 꺾이도록 구현되되, 상기 무릎 관절의 하단부분에 오프셋(offset) 구조를 구비하고 탄성 메카니즘을 구비한 정강이부를 포함하며, 상기 탄성 메카니즘은 발과 연결되는 제1 링크, 상기 제1 링크로부터 상기 발과 멀어지는 방향으로 연장되는 제2 링크, 지면 반발력을 흡수하도록 상기 제1 링크 및 상기 제2 링크에 각각 장착되며 상기 정강이부의 길이방향을 따라 서로 이격되는 제1 스프링과 제2 스프링, 일단은 상기 제1 스프링과 연결되며 상기 제2 스프링을 내장하는 외부 링크, 상기 외부 링크와 상기 무릎 관전 사이에 배치되어 지면 반발력을 추가적으로 흡수하는 제3 스프링 및 상기 제3 스프링에 의해 보상되는 지면 반발력을 저장하도록 상기 제3 스프링을 내장하며 상기 외부링크와 상기 무릎 관절이 접촉하는 것을 방지하는 에어 댐퍼를 포함하고, 상기 무릎 관절의 구동을 위한 제1 구동부와, 어깨 관절의 앞뒤 움직임을 구동하는 제2 구동부 및 어깨 관절의 좌우 움직임을 구동하는 제3 구동부를 구비하는 구동부를 더 포함하며, 상기 무릎 관절 또는 상기 어깨 관절은, 상기 무릎 관절 또는 상기 어깨 관절을 구동시키기 위한 모터; 상기 모터에 체결된 기어의 양단에 연결되되, 상기 기어의 회전방향과 수직인 방향으로 각각 회전하는 능동기어와 수동기어; 상기 능동기어와 수동기어 사이에 배치되되, 상기 능동기어에 체결되어 상기 능동기어의 회전방향으로 회전하며, 관절 프레임이 체결되는 샤프트; 및 상기 능동기어 또는 상기 샤프트에 체결되고 상기 관절 프레임에 연결되며, 상기 능동기어의 회전방향으로 회전하여 상기 관절 프레임에 상기 능동기어 또는 상기 샤프트의 회전력을 직접 전달하는 능동 링크;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above-mentioned objects, the biomechanical quadruped walking robot of the present invention is characterized in that each of the legs has an offset structure at the lower end portion of the knee joint, Wherein the elastic mechanism includes a first link connected to the foot, a second link extending from the first link in a direction away from the foot, a second link extending from the first link in a direction away from the foot, A first spring and a second spring which are respectively mounted on the first and second links and spaced apart from each other along the longitudinal direction of the shank part, an outer link connected to the first spring and having the second spring incorporated therein, A third spring which is disposed between the first spring and the second spring and further absorbs the repulsive force when the surface is disposed, A first driver for driving the knee joint, and an air damper for preventing the knee joint from contacting the external link, And a driving unit having a driving unit and a third driving unit for driving left and right movement of the shoulder joint, wherein the knee joint or the shoulder joint includes: a motor for driving the knee joint or the shoulder joint; An active gear and a manual gear which are connected to both ends of a gear coupled to the motor and rotate in a direction perpendicular to the rotational direction of the gear; A shaft disposed between the active gear and the manual gear, the shaft being coupled to the active gear to rotate in the rotational direction of the active gear and to fasten the joint frame; And an active link coupled to the active gear or the shaft and connected to the joint frame and rotating in the rotational direction of the active gear to directly transmit the rotational force of the active gear or the shaft to the joint frame. .

또한, 상기 다리부는 로드셀 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.Further, the leg portion may include a load cell sensor.

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또한, 상기 탄성 매커니즘은 흡수된 상기 지면 반발력이 복구되도록 밀어주는 제4 스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The elastic mechanism may further include a fourth spring for urging the ground surface repulsive force to be absorbed to be restored.

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또한, 상기 제2 구동부와 제3구동부는 각각의 모터들이 쌍으로 결합되는 것을 특징으로 한다.The second driving unit and the third driving unit are characterized in that the respective motors are coupled in pairs.

또한, 상기 제1 내지 제3 구동부는 하나 이상의 모터가 하나 이상의 모터가 관절 구동 위한 모터에 기어를 체결하되, 기어 프레임과 지그 프레임 사이에 모터의 샤프트를 배치하고, 상기 기어 프레임과 지그 프레임이 지그 체결부로 연결되는 보행 로봇의 기어 체결 메커니즘에 의해서 기어에 체결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 샤프트는 반원 모양 또는 사각형 모양으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 샤프트는 하나 이상의 개구부가 형성되며, 상기 개구부를 통해 기어 체결부가 지그 프레임, 모터의 샤프트 및, 기어 프레임에 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 샤프트는 상기 능동기어, 상기 수동기어 및, 상기 능동 링크의 중심 축에 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수동기어와 상기 관절 프레임 사이에는 베어링이 삽입되어, 상기 수동기어에 의한 회전력을 흡수하는 것을 특징으로 한다.Also, the first to third driving units may be configured such that one or more motors engage gears to motors for driving one or more motors, wherein a shaft of the motor is disposed between the gear frame and the jig frame, And is fastened to the gear by a gear engaging mechanism of a walking robot connected to the engaging portion.
Further, the shaft is formed in a semicircular shape or a square shape.
Further, the shaft is formed with at least one opening, and the gear engagement portion is connected to the jig frame, the shaft of the motor, and the gear frame through the opening.
In addition, the shaft is disposed on the active gear, the manual gear, and the central axis of the active link.
Further, a bearing is inserted between the manual gear and the joint frame to absorb the rotational force of the manual gear.

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또한, 상기 제2 구동부와 제3 구동부는 상기 제2 구동부와 제3 구동부는, 제1 관절을 구동시키는 제1 모터; 제2 관절을 구동시키는 제2 모터; 상기 제1 모터와 제2 모터가 체결되는 프레임부; 및 상기 제2 모터와 함께 상기 프레임부에 연결되되, 상기 제1 모터에 체결된 제1기어와 맞물려 회전하여 상기 제2 모터를 회전시키는 능동 기어;를 포함하는 보행 로봇의 2자유도 구현 메커니즘에 의해 몸체의 내부에 내장되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 모터 및 제2 모터는 보행 로봇의 몸체에 내장되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 기어 및 능동 기어는 헬리컬 기어인 것을 특징으로 한다.The second driving unit and the third driving unit may include a first motor for driving the first joint, the second driving unit and the third driving unit; A second motor for driving the second joint; A frame portion to which the first motor and the second motor are fastened; And an active gear connected to the frame unit together with the second motor, the active gear rotating in engagement with a first gear engaged with the first motor to rotate the second motor. And is embedded in the inside of the body.
The first motor and the second motor are embedded in the body of the walking robot.
Further, the first gear and the active gear are helical gears.

상술한 바와 같이, 본 발명의 사족 보행 로봇은 동적 보행뿐만 아니라 정적 보행이 모두 가능하도록 다자유도를 구비한 생체 모방형 사족 보행 로봇을 제공한다.As described above, the quadruped walking robot of the present invention provides a biomechanical quadruped robot having multiple degrees of freedom to enable both dynamic walking and static walking.

또한, 본 발명의 생체 모방형 사족 보행 로봇은 무릎 관절 하단부분에 오프셋(offset) 구조를 형성하여 보행 로봇의 발끝의 구동 범위를 크게 함으로써, 보행 방향의 구동 범위를 증가시킬 수 있는 환경을 제공한다.Further, the biomechanical quadrupedal walking robot of the present invention forms an offset structure in the lower part of the knee joint, thereby increasing the driving range of the toe of the walking robot, thereby providing an environment capable of increasing the driving range in the walking direction .

또한, 본 발명의 생체 모방형 사족 보행 로봇은 보행 로봇 다리의 정강이 부분에 지면 반발 저감 장치의 탄성 매커니즘을 적용함으로써, 보행 로봇의 보행시 지면을 지탱하고 미는 힘에 대한 반발력을 몸체로 전달하지 않고 분산시킬 수 있는 환경을 제공한다.The biomechanical quadrupedal walking robot of the present invention is characterized in that the elastic mechanism of the floor reaction force reducing device is applied to the shank portion of the walking robot leg so that the repulsive force against the force of pushing and supporting the walking floor of the walking robot is not transmitted to the body Thereby providing an environment for dispersing.

또한, 본 발명의 생체 모방형 사족 보행 로봇은 보행 로봇의 다리에 지면 접촉력을 측정하는 로드셀(load-cell) 센서를 구비함으로써, 사족 보행 로봇을 보다 안정적으로 제어할 수 있는 환경을 제공한다.In addition, the biomechanical quadrupedal walking robot of the present invention includes a load-cell sensor for measuring the ground contact force on the legs of the walking robot, thereby providing an environment in which the quadruped walking robot can be more stably controlled.

또한, 본 발명의 생체 모방형 사족 보행 로봇은 보행 로봇의 관절 구동 모터를 지그 형태로 기어를 체결하는 메커니즘을 적용함으로써, 기어 체결에 대한 오차를 줄여주고, 구동시 기어들에 의하여 발생하는 구동 전단력과 횡단력에 위한 기어 위치 오차를 크게 줄여줄 수 있으며, 보행 로봇에 큰 외력이 발생할 때도 버틸 수 있을 만큼의 튼튼한 환경을 제공한다.In addition, the biomechanical walking robot of the present invention reduces the error in gear engagement by applying a mechanism for fastening a gear to the joint drive motor of the walking robot in the form of a jig, And the gear position error for the transverse force can be greatly reduced, and a robust environment is provided so that the robot can stand even when a large external force is generated.

또한, 본 발명의 생체 모방형 사족 보행 로봇은 능동 기어를 구동력 전달을 위한 능동 링크로 체결하는 구동력 전달 매커니즘을 적용함으로써, 관절의 다음 링크에 기어의 구동력이 직접 전달될 수 있는 환경을 제공한다.In addition, the biomechanical walking robot of the present invention provides an environment in which a driving force of a gear can be directly transmitted to a next link of a joint by applying a driving force transmission mechanism for coupling an active gear with an active link for transmitting driving force.

또한, 본 발명의 생체 모방형 사족 보행 로봇은 하나 이상의 구동용 모터를 결합하는 2자유도 구현 메커니즘을 적용함으로써, 보행 로봇의 모터들을 몸체 내부에 위치시키고, 다리의 무게를 줄이며, 몸체의 무게 중심을 맞출 때에도 훨씬 유리한 컴팩트한 환경을 제공한다.In addition, the biomechanical walking robot of the present invention can be applied to a two-degree-of-freedom mechanism for coupling at least one driving motor to position motors of a walking robot inside a body, reduce the weight of a leg, It provides a much more compact and compact environment.

도 1은 종래 기술에 따른 생체 모방형 사족 보행 로봇을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 보행 로봇의 기어 체결 메커니즘을 도시한 사시도 및 분해사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 보행 로봇 관절의 구동력 전달 메커니즘을 도시한 사시도 및 분해사시도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 보행 로봇 관절의 구동력 전달 메커니즘을 도시한 사시도 및 분해사시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 보행 로봇의 2자유도 구현 메커니즘을 도시한 분해사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 사족 보행 로봇의 사시도이다.
도 7(a)는 도 6에 따른 사족 보행 로봇의 측면도이고, 도 7(b)는 도 2에 따른 사족 보행 로봇의 정면도이다.
도 8(a)는 도 6의 앞다리 구조를 도시한 사시도이고, 도 8(b)는 정면도이다.
도 9(a)는 도 6의 앞다리 구조를 도시한 사시도이고, 도 9(b)는 정면도이다.
도 10은 지면 반발력을 완화하기 위한 사족 보행 동물의 다리 구조를 도시한 도면이다.
도 11은 도 6에 따른 사족 보행 로봇에서 오프셋(offset) 구조를 구비한 다리부의 움직임을 도시한 도면이다.
도 12는 도 6에 따른 사족 보행 로봇에서 탄성 매커니즘을 구비한 정강이부를 도시한 도면이다.
도 13은 도 6에 따른 탄성 매커니즘의 분해사시도이다.1 is a perspective view showing a conventional biomechanical quadrupedial walking robot.
2 is a perspective view and an exploded perspective view showing a gear locking mechanism of a walking robot according to an embodiment of the present invention.
3 is a perspective view and an exploded perspective view showing a driving force transmitting mechanism of a joint of a walking robot according to a first embodiment of the present invention.
4 is a perspective view and an exploded perspective view showing a driving force transmission mechanism of a joint of a walking robot according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an exploded perspective view illustrating a mechanism for implementing a two-degree-of-freedom of a walking robot according to an embodiment of the present invention.
6 is a perspective view of a quadruped walking robot according to the present invention.
Fig. 7 (a) is a side view of the quadruped walking robot shown in Fig. 6, and Fig. 7 (b) is a front view of the quadruped walking robot shown in Fig.
Fig. 8 (a) is a perspective view showing the front leg structure of Fig. 6, and Fig. 8 (b) is a front view.
Fig. 9 (a) is a perspective view showing the front leg structure of Fig. 6, and Fig. 9 (b) is a front view.
10 is a view showing a bridge structure of a quadruped walking animal for alleviating the ground repulsion force.
FIG. 11 is a view showing movement of a leg having an offset structure in the quadruped walking robot according to FIG.
FIG. 12 is a view showing a shank part having an elastic mechanism in the quadruped walking robot according to FIG. 6;
13 is an exploded perspective view of the elastic mechanism according to Fig.

본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 서술하는 실시예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 구성 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.The embodiments of the present invention can be modified into various forms and the scope of the present invention should not be interpreted as being limited by the embodiments described below. The present embodiments are provided to enable those skilled in the art to more fully understand the present invention. Therefore, the shapes and the like of the components in the drawings are exaggerated in order to emphasize a clearer explanation.

이하 첨부된 도 2 내지 도 13을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 13 attached hereto.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 보행 로봇의 기어 체결 메커니즘을 도시한 사시도 및 분해사시도이다.2 is a perspective view and an exploded perspective view showing a gear locking mechanism of a walking robot according to an embodiment of the present invention.

일반적으로 모터에 기어를 체결하기 위해서, 모터의 사프트와 기어의 프레임을 끼우고, 그 사이에 키를 억지로 끼움으로써 기어를 체결한다. 이와 같은 종래 기술은 모터가 돌아가면서 상기 키와 마찰이 발생되어 헐거워지고, 백래쉬가 생겨 보행 로봇의 구동 제어에 오차가 발생하게 된다.Generally, in order to fasten the gear to the motor, the frame of the gear of the motor and the gear of the motor are fitted, and the gear is tightened by forcing the key therebetween. In such a conventional technique, as the motor rotates, friction with the key is generated and loosened, backlash occurs, and an error occurs in the drive control of the walking robot.

따라서, 도 2는 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 보행 로봇의 기어 체결 메커니즘에 관한 것이다. Accordingly, FIG. 2 relates to a gear engagement mechanism of a walking robot for solving such a problem.

본 발명의 기어 체결 메커니즘은 보행 로봇의 모터(10)에 기어(20)를 체결할 때, 기어 프레임(22)과 지그 프레임(24)을 사이에 모터의 샤프트(12)를 배치하고, 지그 체결부(26)로 기어 프레임(22)과 지그 프레임(24)을 연결한다. 본 발명의 일실시예에 따라 지그 체결부(26)는 볼트와 너트를 이용해 체결될 수 있다. 여기서, 모터의 샤프트(12)의 양단에는 기어 프레임(22)과 지그 프레임(24)이 배치되어, 면 접촉을 통해 결합한다.The gear engagement mechanism of the present invention is characterized in that when the gear 20 is fastened to the motor 10 of the walking robot, the shaft 12 of the motor is disposed between the gear frame 22 and the jig frame 24, And connects the gear frame 22 and the jig frame 24 to each other. According to one embodiment of the present invention, the jig fastening portion 26 can be fastened using bolts and nuts. Here, the gear frame 22 and the jig frame 24 are disposed at both ends of the shaft 12 of the motor, and are engaged through surface contact.

또한, 모터의 샤프트(12)는 반원 모양이나 양면이 평평하도록 사각형 또는 팔각형 형태로 가공되고, 샤프트(12)의 형태와 동일한 모양의 프레임을 형성한 기어와 체결될 수 있다. 여기서, 모터의 샤프트(12)는 사각으로 형성하고, 모서리부분을 다듬어주는 형태로, 다양한 변경이 가능하다.Further, the shaft 12 of the motor is formed into a quadrangular or octagonal shape so as to have a semicircular shape or a flat surface on both sides, and can be fastened to a gear having the same shape as the shape of the shaft 12. Here, the shaft 12 of the motor is formed in a rectangular shape, and corner portions are trimmed, and various modifications are possible.

여기서, 모터의 샤프트(12)에는 하나 이상의 개구부(12a)를 형성하고, 기어 체결부(28)로 지그 프레임(24), 모터의 샤프트(12) 및, 기어 프레임(22)에 개구부(12a)를 통해 연결함으로써, 더욱 견고하게 모터(10)에 기어(20)를 체결할 수 있다.At least one opening 12a is formed in the shaft 12 of the motor and the jig frame 24, the shaft 12 of the motor, and the opening 12a are formed in the gear frame 22 by the gear engaging portion 28, The gear 20 can be fastened to the motor 10 more firmly.

이로 인해, 본 발명의 기어 체결 메커니즘은 면접촉에 의한 결합뿐만 아니라, 기어 체결부(28)의 조립에 의한 결합에 의해서 기어 체결의 오차를 줄일 수 있게 된다.As a result, the gear engagement mechanism of the present invention can reduce an error in gear engagement by not only engagement by surface contact but also engagement by assembly of the gear engagement portion 28.

따라서, 본 발명의 기어 체결 메커니즘은 보행 로봇에 사용되는 구동용 모터를 지그 체결부(26)와 기어 체결부(28)를 통해 기어에 연결함으로써, 보행 로봇의 구동시 모터 샤프트의 마모로 발생하는 기어 체결에 대한 오차를 줄일 수 있다.Therefore, in the gear locking mechanism of the present invention, the driving motor used in the walking robot is connected to the gear via the jig fastening portion 26 and the gear fastening portion 28, An error in the gear engagement can be reduced.

그리고, 본 발명의 기어 체결 메커니즘은 보행 로봇의 구동시 기어들의 체결 불량에 의하여 발생하는 구동 전단력과 횡단력에 위한 기어 위치의 오차를 크게 줄일 수 있는 구조를 갖게 된다. The gear locking mechanism of the present invention has a structure capable of greatly reducing the errors in the gear position for the driving shear force and the transverse force caused by the failure of fastening of the gears when the walking robot is driven.

따라서, 본 발명의 기어 체결 매커니즘은 모터의 사프트와 기어의 프레임간의 마찰력 발생을 최소화하고, 마찰력으로 마모가 발생 되어도 수리를 통해 지속적인 보정이 가능하게 된다.Therefore, the gear locking mechanism of the present invention minimizes the generation of frictional force between the shaft of the motor and the frame of the gear, and even if wear occurs due to frictional force, it can be continuously corrected through repair.

본 발명은 이러한 기어 체결 메커니즘을 통해 보행 로봇 즉, 이족 보행이나 사족 보행 로봇의 다리 관절 등에 적용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 기어 체결 메커니즘은 외부로부터의 큰 외력이 발생해도 견뎌낼 수 있게 보다 견고한 보행 로봇을 설계할 수 있으며, 로봇 보행시의 안정성을 향상시킬 수 있게 된다.
The present invention can be applied to a walking robot such as a bipedal walking or a leg joint of a quadruped walking robot through such a gear tightening mechanism. Therefore, the gear locking mechanism of the present invention can design a more robust walking robot to withstand a large external force from the outside, and can improve the stability in walking the robot.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 보행 로봇 관절의 구동력 전달 메커니즘을 도시한 사시도 및 분해사시도이며, 도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 보행 로봇 관절의 구동력 전달 메커니즘을 도시한 사시도 및 분해사시도이다.FIG. 3 is a perspective view and an exploded perspective view showing a driving force transmitting mechanism of a walking robot according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a view showing a driving force transmitting mechanism of a joint of a walking robot according to a second embodiment of the present invention A perspective view and an exploded perspective view.

일반적으로 모터에 기어를 체결하기 위해서, 모터의 사프트와 기어의 프레임을 끼우고, 그 사이에 키를 억지로 끼움으로써 기어를 체결한다. 이와 같은 종래 기술은 모터가 돌아가면서 상기 키와 마찰이 발생되어 헐거워지고, 백래쉬가 생겨 보행 로봇의 구동 제어에 오차가 발생하게 된다.Generally, in order to fasten the gear to the motor, the frame of the gear of the motor and the gear of the motor are fitted, and the gear is tightened by forcing the key therebetween. In such a conventional technique, as the motor rotates, friction with the key is generated and loosened, backlash occurs, and an error occurs in the drive control of the walking robot.

도 3과 도 4를 참조하면, 모터(30)가 구동되어 모터용 기어(32)가 회전하면, 기어의 양단에 체결된 능동기어(34a)와 수동기어(34b)가 회전한다. 또한, 능동기어(34a)와 수동기어(34b)는 모터용 기어(32)의 회전방향과 수직인 방향으로 각각 회전하되, 능동기어(34a)의 회전과 수동기어(34b)의 회전은 서로 반대 방향으로 회전하게 된다. 여기서, 능동기어(34a)는 기어가 돌아가면서 관절 또는 관절 프레임(48a,48d)로 동력을 전달하는 기어이며, 수동기어(34b)는 좌우로 링크가 밀리는 걸 막기 위해서 고정해주는 기어이다.3 and 4, when the motor 30 is driven and the motor gear 32 rotates, the active gear 34a and the passive gear 34b fastened to both ends of the gear rotate. The active gear 34a and the manual gear 34b are rotated in a direction perpendicular to the rotational direction of the motor gear 32 so that the rotation of the active gear 34a and the rotation of the manual gear 34b are opposite to each other Direction. Here, the active gear 34a is a gear that transmits power to the joint or joint frames 48a and 48d as the gear rotates, and the passive gear 34b is a gear that fixes the link to prevent the link from being pushed right and left.

그리고, 능동기어(34a) 또는 수동기어(34b)와 체결된 샤프트(40)가 능동기어(34a) 또는 수동기어(34b)의 회전에 따라 회전한다. 본 발명의 도 3과 도 4는 샤프트(40)가 능동기어(34a)와 체결되고, 능동기어(34a)의 회전 방향에 따라 회전함을 보여준다.The shaft 40 engaged with the active gear 34a or the manual gear 34b rotates in accordance with the rotation of the active gear 34a or the manual gear 34b. 3 and 4 of the present invention show that the shaft 40 is engaged with the active gear 34a and rotates in accordance with the rotational direction of the active gear 34a.

관절 프레임(48a,48d)이 샤프트(40)의 양 끝단에 체결되고, 샤프트(40)의 회전을 따라 회전함으로써, 관절이나 관절 프레임으로 모터(30)의 회전에 따른 구동력을 전달하게 된다.The joint frames 48a and 48d are fastened to both ends of the shaft 40 and rotate along the rotation of the shaft 40 to transmit the driving force according to the rotation of the motor 30 to the joint or joint frame.

여기서, 본 발명의 구동력 전달 메커니즘은 능동 링크(36)를 능동기어(34a)나 샤프트(40)에 직접 체결되고, 이와 함께 관절 프레임(48a,48d)과도 연결함으로써, 능동 링크(36)나 샤프트(40)의 회전력을 관절 프레임(48a,48d)에 직접 전달하는 역활을 수행한다.The driving force transmission mechanism of the present invention is such that the active link 36 is directly coupled to the active gear 34a or the shaft 40 and is also connected to the joint frames 48a and 48d, And directly transmits the rotational force of the joint frame 40 to the joint frames 48a and 48d.

또한, 상기 샤프트(40)는 능동기어(34a), 수동기어(34b) 및 능동 링크(36)의 중심 축에 배치될 수 있으며, 수동기어(34b)와 관절 프레임(48a) 사이에는 베어링(44)이 삽입되어, 상기 수동기어(34b)에 의한 회전력을 흡수할 수 있다.The shaft 40 may be disposed on the central axis of the active gear 34a, the passive gear 34b and the active link 36 and the bearing 44a may be disposed between the passive gear 34b and the joint frame 48a. So that the rotational force of the manual gear 34b can be absorbed.

그러나, 본 발명의 능동 링크(36)가 없다면, 샤프트(40)가 회전될 때, 샤프트(40)의 끝단에 연결된 액티브키(46)가 회전하게 되며, 액티브키(46)의 회전으로 가공 오차나 조립 오차로 에러가 발생된다. 특히 종래에는 이때 발생된 오차로 공차가 누적되어 점차 상기와 같은 에러가 커지는 문제가 발생되었다. However, if there is no active link 36 of the present invention, when the shaft 40 is rotated, the active key 46 connected to the end of the shaft 40 is rotated, and when the active key 46 is rotated, Or an assembly error occurs. Particularly in the past, there has been a problem that the tolerance is accumulated due to the error generated at this time, and the above-mentioned error gradually increases.

따라서, 도 3과 도 4는 상기와 같이 액티브 키(46)가 회전하여 발생되는 문제점을 해결할 수 있는 보행 로봇 관절의 구동력 전달 메커니즘에 관한 것이다. Therefore, FIGS. 3 and 4 relate to a driving force transmission mechanism of a joint of a walking robot capable of solving the problem that the active key 46 is rotated as described above.

능동 링크(36)는 기어와 샤프트의 체결 또는, 샤프트와 연결 링크 체결에서 나오는 에러를 감소시키며, 능동기어(34a)나 샤프트(40)에서 돌아가는 동력을 보행 로봇의 관절에 바로 전달할 수 있다.The active link 36 can reduce the errors in the engagement of the gear and the shaft or in the shaft and connection linkage and can transfer power to the joints of the walking robot directly from the active gear 34a or the shaft 40. [

따라서, 본 발명의 보행 로봇 관절의 구동력 전달 메커니즘은 보행 로봇이 기어를 통하여 관절을 구동시킬 때 능동기어(34a)나 샤프트(40)에 연결된 능동 링크(36)를 구동력 전달 부품으로 사용하여 관절에 직접 구동력을 전달시킬 수 있는 구조를 갖게 된다.Therefore, the driving force transmission mechanism of the walking robot of the present invention uses the active link 34 connected to the active gear 34a or the shaft 40 as a driving force transmitting component when the walking robot drives the joint through the gear, And has a structure capable of directly transmitting the driving force.

그리고, 본 발명은 이러한 구동력 전달 매커니즘을 통해 보행 로봇 즉, 이족 보행이나 사족 보행 로봇의 무릎 관절 또는 상기 어깨 관절 등에 적용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 구동력 전달 메커니즘은 기어를 통하여 구동력을 전달시키는 보행 로봇에서 종래와 같이 에러가 커지는 문제를 해결하며, 구동력 전달 효율을 향상시킨다.
The present invention can be applied to a walking robot, such as a knee joint of the bipedal walking or quadruped walking robot, or the shoulder joint, through such a driving force transmitting mechanism. Therefore, the driving force transmission mechanism of the present invention solves the problem of a large error as in the conventional art in a walking robot that transmits a driving force through a gear, and improves driving force transmission efficiency.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 보행 로봇의 2자유도 구현 메커니즘을 도시한 분해사시도이다.FIG. 5 is an exploded perspective view illustrating a mechanism for implementing a two-degree-of-freedom of a walking robot according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 본 발명의 보행 로봇의 2자유도 구현 메커니즘은 프레임부(60)에 제1 모터(50a,50d) 및 제2 모터(50b,50c)가 각각 쌍으로 연결된다. 여기서, 제1 모터(50a,50d)는 보행 로봇의 제1 관절을 구동시키는 모터이며, 제2 모터(50b,50c)는 제2 관절을 구동시키는 모터이다.Referring to FIG. 5, the two-degree-of-freedom mechanism of the walking robot of the present invention includes a first motor 50a and a second motor 50b and a second motor 50b connected to the frame 60 in pairs. Here, the first motors 50a and 50d are motors for driving the first joints of the walking robot, and the second motors 50b and 50c are motors for driving the second joints.

그리고, 제1 모터의 제1 기어(52)는 능동 기어(54)와 맞물리도록 연결되며, 제2 모터(50b)가 능동 기어(54)와 함께 프레임부(60)에 연결된다. 제1 기어(52)와 능동 기어(54)는 헬리컬 기어로 연결될 수 있다. The first gear 52 of the first motor is connected to be engaged with the active gear 54 and the second motor 50b is connected to the frame portion 60 together with the active gear 54. The first gear 52 and the active gear 54 may be connected to each other by a helical gear.

또한, 본 발명은 제2 모터(50b)가 자유롭게 움직이도록 베어링(58)이 삽입되고, 상기 베어링(58)을 잡아주기 위한 캡(56)을 포함할 수 있다.The present invention may also include a cap 56 for inserting and holding the bearing 58 so that the second motor 50b is free to move.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 구성을 통해 제1 모터(50a)의 구동으로 제1 기어(52)가 회전하며, 이와 맞물린 능동 기어(54)가 회전한다. 그리고, 능동 기어(54)의 회전은 같은 방향으로 제2 모터(50b)를 회전시킨다.Accordingly, in the present invention, the first gear 52 is rotated by driving the first motor 50a through the above-described structure, and the active gear 54 engaged with the first gear 52 rotates. Then, the rotation of the active gear 54 rotates the second motor 50b in the same direction.

보행 로봇의 2자유도 구현 메커니즘은 하나 이상의 모터들(50a,50b,50c,50d)을 쌍으로 묶어서 압축해서 간결하게 체결함으로써, 좁은 공간에서 2자유도를 구현하게 된다.The two-degree-of-freedom implementation mechanism of the walking robot combines one or more motors 50a, 50b, 50c, and 50d in pairs to compress and tighten them to achieve two degrees of freedom in a narrow space.

그리고, 이와 같은 2자유도 구현 메커니즘은 이족 보행이나 사족 보행 로봇의 어깨 관절들에 적용하여, 보행 로봇의 모터들을 몸체 내부에 위치시킬 수 있는 구조를 갖고 있다. The mechanism for implementing the two degree of freedom is applied to the shoulder joints of bipedal walking or quadruped walking robots, so that the motors of the walking robot can be positioned inside the body.

참고로, 2자유도 구현 메커니즘이 사족 보행 로봇에 적용되면, 제1 모터(50a,50d)가 어깨 관절의 앞뒤 움직임을 구동시키고, 제2 모터(50b,50c)가 어깨 관절의 좌우 움직임을 구동하도록 구현할 수 있다.When the two degree of freedom mechanism is applied to the quadruped walking robot, the first motors 50a and 50d drive the forward and backward movements of the shoulder joints and the second motors 50b and 50c drive the left and right movements of the shoulder joints. .

따라서, 본 발명의 2자유도 구현 메커니즘을 보행 로봇에 적용함으로써, 다리 관절을 제외한 보행 로봇의 모터들을 몸체 내부에 위치시켜 다리의 무게를 줄이며, 몸체의 무게 중심을 맞출 때에도 훨씬 유리한 컴팩트한 환경을 제공한다. 또한, 본 발명은 다리의 무게를 줄임으로써 다리의 구동 에너지 손실을 줄일 수 있게 된다.
Therefore, by applying the two-degree-of-freedom implementation mechanism of the present invention to a walking robot, it is possible to reduce the weight of the leg by locating the motors of the walking robot except the leg joints in the body, to provide. Further, the present invention can reduce the loss of driving energy of the legs by reducing the weight of the legs.

도 6은 본 발명에 따른 사족 보행 로봇의 사시도이다. 그리고, 도 7(a)는 도 6에 따른 사족 보행 로봇의 측면도이고, 도 7(b)는 도 2에 따른 사족 보행 로봇의 정면도이다.6 is a perspective view of a quadruped walking robot according to the present invention. Fig. 7 (a) is a side view of the quadruped walking robot shown in Fig. 6, and Fig. 7 (b) is a front view of the quadruped walking robot shown in Fig.

우선, 본 발명의 생체 모방형 사족 보행 로봇의 구동은 다자유도를 구현해 정적 보행과 동적 보행 모두를 수행할 수 있다. 여기서, 정적 보행은 한발씩 걷는 움직임의 보행을 말하며, 동적 보행은 다리가 지면으로부터 2개 이상 떨어져 뛰는 움직임의 보행을 말한다.First, the biomimetric quadruped walking robot of the present invention can realize both the static walking and the dynamic walking by realizing the degree of freedom. Here, static walking refers to a walking motion of a foot, and dynamic walking refers to a movement of a motion in which a leg jumps away from the ground by two or more.

그리고, 본 발명은 사족 보행 로봇이 진행 방향인 앞쪽을 무겁게 하여, 무게 중심이 앞쪽에 있도록 함으로써, 보행적으로 우월한 기능을 수행한다. In addition, according to the present invention, the quadruped walking robot heavily increases the forward direction of the quadruped walking robot so that the center of gravity of the quadruped walking robot is forward, thereby performing a superior function in a pedestrian manner.

도 6의 따른 본 발명의 생체 모방형 사족 보행 로봇(100)은 몸체(110)와 다리부(120,130)를 포함한다.The biomechanical walking robot 100 of FIG. 6 includes a body 110 and legs 120 and 130.

몸체(110)에는 제어부(미도시), 송수신부(미도시), 배터리부(미도시), 구동부(미도시)와, 각종 센서들(미도시)이 포함된다. 제어부는 생체 모방형 사족 보행 로봇의 전체적인 구동을 제어하며, 송수신부는 외부와 통신을 하기 위한 통신 수단이다. 그리고, 구동부는 구동용 모터(150c,150d,150e,150f)를 포함하여, 어깨 관절의 앞뒤 움직임과 좌우 움직임을 구동하기 위한 수단이다.The body 110 includes a controller (not shown), a transceiver (not shown), a battery (not shown), a driver (not shown), and various sensors (not shown). The control unit controls overall operation of the biometric-type quadruped walking robot, and the transceiver unit is a communication unit for communicating with the outside. The driving unit includes driving motors 150c, 150d, 150e, and 150f, and is a means for driving forward and backward motion and leftward and rightward motion of the shoulder joint.

여기서, 본 발명의 구동부는 일실시예에 따라 총 12개의 모터가 포함될 수 있다. 몸체에 내장되는 8개의 모터는 각각 앞다리와 뒷다리의 어깨 관절의 앞뒤 움직임과 좌우 움직임을 구동시키며, 각각의 다리에 포함된 4개의 모터는 무릎 관절의 움직임을 구동시킨다. Here, the driving unit of the present invention may include twelve motors in total according to one embodiment. The eight motors in the body drive the forward and backward movements of the shoulder joints of the forelegs and hind legs, respectively, and the four motors included in each leg drive the movement of the knee joints.

따라서, 본 발명의 사족 보행 로봇은 4개의 무릎 관절용 모터들을 제외한, 나머지 8개의 모터들을 몸체 안에 위치시켜 다리의 무게를 줄여 다리의 구동 에너지 손실을 줄이며, 몸체의 무게 중심점을 맞추기에도 유리한 효과를 갖게 된다. Therefore, the quadruped walking robot of the present invention has the effect of reducing the weight of the legs by reducing the weight of the legs by positioning the remaining eight motors except the four knee joint motors in the body, and advantageously adjusting the center of gravity of the body .

또한, 각종 센서에는 사족 보행 로봇의 위치 정보, 이동 속도, 경로 등을 파악하기 위해 사용되는 항법 장치의 일부인 IMU 센서를 포함할 수 있으며, 여기서, IMU 센서는 하나 이상의 가속도 센서와 하나 이상의 자이로 센서를 포함할 수 있다.In addition, various sensors may include an IMU sensor, which is part of a navigation device used to determine position information, movement speed, path, etc. of a quadruped walking robot, wherein the IMU sensor includes one or more acceleration sensors and one or more gyro sensors .

그리고, 다리부(120,130)는 앞다리(120)와 뒷다리(130)가 각각 쌍으로 구현되어, 총 4개의 다리를 가진다. The legs 120 and 130 are paired with the front leg 120 and the rear leg 130, and have four legs in total.

도 8(a)는 도 6의 앞다리 구조를 도시한 사시도이고, 도 8(b)는 정면도이다.그리고, 도 9(a)는 도 6의 앞다리 구조를 도시한 사시도이고, 도 9(b)는 정면도이다.Fig. 8A is a perspective view showing the front leg structure of Fig. 6, and Fig. 8B is a front view. Fig. 9A is a perspective view showing the front leg structure of Fig. Is a front view.

각각의 다리부(120)는 어깨 관절(121), 허벅지부(122), 무릎 관절(123), 정강이부(124) 및, 발(125)를 포함한다. Each leg 120 includes a shoulder joint 121, a thigh 122, a knee joint 123, a shank 124, and a foot 125.

앞다리(120) 및 뒷다리(130)의 어깨 관절(121,131)은 각각 모두가 앞뒤 움직임과 좌우 움직임을 가지도록 구현될 수 있다. 그리고, 이러한 특징은 보행 로봇의 구동 범위와 구동 성능을 향상시키게 된다.The shoulder joints 121 and 131 of the front leg 120 and the hind leg 130 may be configured to have forward and backward movement and left and right movement, respectively. This feature improves the driving range and driving performance of the walking robot.

각각의 허벅지부(122)에는 무릎 관절(123)의 구동용 모터(150a)가 포함될 수 있다. 또한, 각각의 정강이부(124)나 무릎 관절(123)에는 로드셀(load-cell) 센서를 포함한다.Each of the thighs 122 may include a motor 150a for driving the knee joint 123. In addition, each of the shank 124 and the knee joint 123 includes a load-cell sensor.

즉, 정강이부(124)나 무릎관절(123)에는 지면 반발력 저감 장치(또는 탄성 매커니즘)가 배치된다. 여기서, 지면 반발력 저감 장치는 본 발명의 일실시예에 따라 로드셀 센서(load-cell sensor)를 포함하며, 지면 접촉력을 측정하여 로봇의 안정성 제어를 돕기 위함이다.That is, a ground reaction force reduction device (or an elastic mechanism) is disposed on the shank 124 and the knee joint 123. Here, the ground reaction force reduction apparatus includes a load-cell sensor according to an embodiment of the present invention, and measures the ground contact force to assist the stability control of the robot.

도 10은 지면 반발력을 완화하기 위한 사족 보행 동물의 다리 구조를 도시한 도면이다. 10 is a view showing a bridge structure of a quadruped walking animal for alleviating the ground repulsion force.

사족 보행 동물은 보행시 지면을 지탱하고 미는 힘에 대한 반발력을 몸체에 전달하지 않으려고 분산시키며, 이를 수동적으로 해결할 수 있는 구조적인 부분을 지니고 있다. 그리고, 이는 도 10과 같으며, 위치는 다리의 발목에 위치하여 있다.
The quadruped walking animal has a structural part that can passively solve it, while dispersing it in order not to transmit the reaction force to the body to support the ground during walking. This is shown in FIG. 10, and the position is located at the ankle of the leg.

또한, 본 발명의 사족 보행 로봇은 각각의 다리부(120,130)는 무릎 관절(123,133)이 상기 몸체의 안쪽으로 꺾이도록 구현되며, 상기 무릎 관절의 하단부분에 오프셋(offset) 구조를 가지게 된다.Each of the legs 120 and 130 of the quadruped walking robot according to the present invention is configured such that the knee joints 123 and 133 are bent toward the inside of the body and have an offset structure at the lower end of the knee joint.

도 11은 도 6에 따른 사족 보행 로봇에서 오프셋(offset) 구조를 구비한 다리부의 움직임을 도시한 도면이다. FIG. 11 is a view showing movement of a leg having an offset structure in the quadruped walking robot according to FIG.

도 11에 도시된 사족 보행 로봇의 다리 구조는 무릎 관절(123) 하단 부분에서 오프셋의 형태를 가지고 있다. 본 발명은 오프셋을 통해 로봇의 보행 방향의 구동 범위를 증가시킬 수 있다. The leg structure of the quadruped walking robot shown in FIG. 11 has an offset form at the lower end of the knee joint 123. The present invention can increase the driving range in the walking direction of the robot through the offset.

도 11(a)는 사족 보행 로봇의 앞다리(120)의 무릎 관절(123)이 앞으로 접혀질 때에 각도 f 만큼 접혀지고, 도 11(c)는 뒤로 접혀질 때 각도 g 만큼 접혀질 수 있음을 보여준다. 이는 보행 로봇의 보행 방향 구동 범위를 증가시키기 위하여 구성한 것으로, 로봇이 큰 바위 또는 지면에 내려앉는 구동을 할 경우 발끝의 구동 범위가 크게 할 수 있게 된다.11 (a) shows that the knee joint 123 of the front leg 120 of the quadruped walking robot is folded by an angle f when folded forward and folded by an angle g when folded backward as shown in FIG. 11 (c) . This is configured to increase the walking direction of the walking robot. When the robot is driven to descend on a large rock or the ground, the driving range of the toe can be increased.

따라서, 본 발명의 생체 모방형 사족 보행 로봇은 무릎 관절 하단부분에 오프셋(offset) 구조를 형성하여 보행 로봇의 발끝의 구동 범위를 크게 함으로써, 보행 방향의 구동 범위를 증가시킬 수 있음을 보여 준다.
Thus, the biomimetic quadrupedal walking robot of the present invention has an offset structure at the lower part of the knee joint, thereby increasing the driving range of the toes of the walking robot, thereby increasing the driving range in the walking direction.

그리고, 본 발명의 생체 모방형 사족 보행 로봇은 각각의 정강이부(124)나 무릎 관절(123)에 탄성 메커니즘을 구비하게 된다.The biomechanical quadrupedal walking robot of the present invention is provided with an elastic mechanism in each of the shank 124 and the knee joint 123.

도 12는 도 6에 따른 사족 보행 로봇에서 탄성 매커니즘을 구비한 정강이부를 도시한 도면이며, 도 13은 도 6에 따른 탄성 매커니즘의 분해사시도이다.FIG. 12 is a view showing a shank portion having an elastic mechanism in the quadruped walking robot shown in FIG. 6, and FIG. 13 is an exploded perspective view of the elastic mechanism according to FIG.

탄성 매커니즘은 지면 반발력을 흡수하여 사족 보행 로봇의 구동에 따른 충격이 몸체로 전달되는 것을 최소화하게 된다.The elastic mechanism absorbs the ground repulsive force and minimizes the impact on the body due to the driving of the quadruped walking robot.

도 12 및 도 13을 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 탄성 매커니즘은 복수 개의 스프링과 연결 링크 등을 포함한다.12 and 13, the elastic mechanism according to an embodiment of the present invention includes a plurality of springs, connection links, and the like.

제1 스프링(171)과 제2 스프링(172)은 지면 반발력을 흡수하며, 제1 스프링(171)가 제1 링크(161)에 연결되고, 제2 스프링(172)이 제2 링크(162)와 각각 연결된다. 그리고, 외부 링크인 제3 링크(163)에 제2 스프링(172)이 내장된다. The first spring 171 and the second spring 172 absorb the ground repelling force and the first spring 171 is connected to the first link 161 and the second spring 172 is connected to the second link 162, Respectively. The second spring 172 is embedded in the third link 163, which is an external link.

또한, 제3 스프링(173)이 제3 링크(163)와 무릎 관절(123)의 관절 프레임(123a) 사이에 배치되어, 지면 반발력을 추가적으로 흡수한다. 에어 댐퍼(164)는 제3 스프링(173)을 내장하며, 제3 링크(163)가 로드셀(165) 또는 관절 프레임(123a)과 접촉되는 것을 방지한다.The third spring 173 is disposed between the third link 163 and the joint frame 123a of the knee joint 123 to further absorb the ground reaction force. The air damper 164 houses the third spring 173 and prevents the third link 163 from contacting the load cell 165 or the joint frame 123a.

그러므로, 제3 스프링(173)은 지면 반발력이 큰 경우에 가동범위가 구속되지 않도록 하며, 제3 스프링(173)을 내장한 에어 댐퍼(164)는 제3 스프링(173)이 로드셀(165)에 막혀서 눌리지 못하는 것을 방지한다.The third spring 173 prevents the movable range from being constrained when the ground reaction force is large and the air damper 164 having the third spring 173 incorporated therein prevents the third spring 173 from contacting the load cell 165 Prevents being clogged and unable to be depressed.

이와 같이, 본 발명의 탄성 메커니즘은 제3 스프링(173)을 통해 제1 스프링(171) 및 제2 스프링(172)에 흡수된 지면 반발력에만 구속되지 않게 보상하고, 그 주위에 에어 댐퍼(164)를 외장하여 제3 스프링(173)에 의해 보상된 지면 반발력을 저장하는 기능을 수행한다.As described above, the elastic mechanism of the present invention compensates only the ground surface reaction force absorbed by the first spring 171 and the second spring 172 through the third spring 173, and the air damper 164 is disposed around the third spring 173, And stores the ground repulsion force compensated by the third spring 173.

따라서, 본 발명의 탄성 메커니즘은 제1 스프링(171)과 제2 스프링(172)에 보행 로봇의 구동에 따른 운동에너지가 저장되고, 이때의 운동에너지를 에어 댐퍼(164)가 흡수하게 된다.Therefore, in the elastic mechanism of the present invention, kinetic energy due to the driving of the walking robot is stored in the first spring 171 and the second spring 172, and the kinetic energy at this time is absorbed by the air damper 164.

그리고, 제4 스프링(174)은 복수 개가 형성되어, 흡수된 지면 반발력이 복구되도록 밀어주는 기능을 수행한다.A plurality of fourth springs 174 are formed to perform a function of pushing back the absorbed floor reaction force.

여기서, 제4 스프링(174)은 지면 반발력의 흡수와 관계없이, 에어 댐퍼(164)가 위로 올라가고, 제1 스프링(171)과 제2 스프링(172)에 의해서 지면 반발력이 흡수된게 복구될 때, 에어 댐퍼(164)가 밀려 내려오지 않을 수 있으므로, 에어 댐퍼(164)가 원래 위치로 밀어주는 역활을 하게 된다.Here, when the air damper 164 is lifted up and restored by the first spring 171 and the second spring 172 to absorb the ground reaction force, regardless of the absorption of the ground surface reaction force, , The air damper 164 may not be pushed down, so that the air damper 164 is pushed to the original position.

또한, 본 발명의 생체 모방형 사족 보행 로봇은 보행 로봇의 관절 구동 모터를 지그 형태로 기어를 체결하는 도 2에 따른 기어 체결 메커니즘을 적용함으로써, 기어 체결에 대한 오차를 줄여주고, 구동시 기어들에 의하여 발생하는 구동 전단력과 횡단력에 위한 기어 위치 오차를 크게 줄여줄 수 있으며, 보행 로봇에 큰 외력이 발생할 때도 버틸 수 있을 만큼의 튼튼한 환경을 제공한다.The biomechanical quadrupedal walking robot according to the present invention reduces the error in gear engagement by applying the gear locking mechanism according to Fig. 2, which clamps the gear in the form of a jig to the joint driving motor of the walking robot. It is possible to greatly reduce the gear position error due to the driving shear force and the transverse force generated by the walking robot and to provide a robust environment for the walking robot to stand even when a large external force is generated.

그리고, 본 발명의 생체 모방형 사족 보행 로봇은 능동 기어를 구동력 전달을 위한 능동 링크로 체결하는 도 3 및 도 4에 구동력 전달 매커니즘을 적용함으로써, 관절의 다음 링크에 기어의 구동력이 직접 전달될 수 있는 환경을 제공한다.In addition, the biomechanical walking robot of the present invention uses the driving force transmission mechanism shown in Figs. 3 and 4 for fastening the active gear to the active link for transmitting the driving force, so that the driving force of the gear can be directly transmitted to the next link of the joint Environment.

그리고, 본 발명의 생체 모방형 사족 보행 로봇은 하나 이상의 구동용 모터를 결합하는 도 5에 따른 2자유도 구현 메커니즘을 적용함으로써, 보행 로봇의 모터들을 몸체 내부에 위치시키고, 다리의 무게를 줄이며, 몸체의 무게 중심을 맞출 때에도 훨씬 유리한 컴팩트한 환경을 제공한다.
The biomimetric quadrupedal walking robot of the present invention is a two-degree-of-freedom mechanism for combining one or more driving motors to position the motors of the walking robot inside the body, reduce the weight of the legs, It provides a more compact and compact environment for centering the body.

이상에서, 본 발명에 따른 생체모방형 보행 로봇의 구성 및 작용을 상세한 설명과 도면에 따라 도시하였지만, 이는 실시예를 들어 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. Change is possible.

100: 사족 보행 로봇 110: 몸체
120: 앞다리 130: 뒷다리
121,131: 어깨 관절 122,132: 허벅지부
123,133: 무릎 관절 124,134: 정강이부
125,135: 발 100: Quadruped walking robot 110: Body
120: Front leg 130: Hind leg
121,131: Shoulder joint 122, 132: Thigh
123,133: knee joint 124,134:
125,135: Foot

Claims (20)

몸체와 4개의 다리부를 포함하는 생체모방형 사족 보행 로봇에 있어서,
각각의 상기 다리부는 무릎 관절이 상기 몸체의 안쪽으로 꺾이도록 구현되되, 상기 무릎 관절의 하단부분에 오프셋(offset) 구조를 구비하고 탄성 메카니즘을 구비한 정강이부를 포함하며,
상기 탄성 메카니즘은 발과 연결되는 제1 링크, 상기 제1 링크로부터 상기 발과 멀어지는 방향으로 연장되는 제2 링크, 지면 반발력을 흡수하도록 상기 제1 링크 및 상기 제2 링크에 각각 장착되며 상기 정강이부의 길이방향을 따라 서로 이격되는 제1 스프링과 제2 스프링, 일단은 상기 제1 스프링과 연결되며 상기 제2 스프링을 내장하는 외부 링크, 상기 외부 링크와 상기 무릎 관전 사이에 배치되어 지면 반발력을 추가적으로 흡수하는 제3 스프링 및 상기 제3 스프링에 의해 보상되는 지면 반발력을 저장하도록 상기 제3 스프링을 내장하며 상기 외부링크와 상기 무릎 관절이 접촉하는 것을 방지하는 에어 댐퍼를 포함하고,
상기 무릎 관절의 구동을 위한 제1 구동부와, 어깨 관절의 앞뒤 움직임을 구동하는 제2 구동부 및 어깨 관절의 좌우 움직임을 구동하는 제3 구동부를 구비하는 구동부를 더 포함하며,
상기 무릎 관절 또는 상기 어깨 관절은,
상기 무릎 관절 또는 상기 어깨 관절을 구동시키기 위한 모터;
상기 모터에 체결된 기어의 양단에 연결되되, 상기 기어의 회전방향과 수직인 방향으로 각각 회전하는 능동기어와 수동기어;
상기 능동기어와 수동기어 사이에 배치되되, 상기 능동기어에 체결되어 상기 능동기어의 회전방향으로 회전하며, 관절 프레임이 체결되는 샤프트; 및
상기 능동기어 또는 상기 샤프트에 체결되고 상기 관절 프레임에 연결되며, 상기 능동기어의 회전방향으로 회전하여 상기 관절 프레임에 상기 능동기어 또는 상기 샤프트의 회전력을 직접 전달하는 능동 링크;를 포함하는 생체모방형 사족 보행 로봇.A biomechanical quadrupedal walking robot comprising a body and four legs,
Wherein each of the legs includes a shank portion having an offset structure at a lower end portion of the knee joint and being provided with an elastic mechanism such that the knee joint is folded inwardly of the body,
The elastic mechanism includes a first link connected to the foot, a second link extending from the first link in a direction away from the foot, a first link mounted on the first link and a second link adapted to absorb a ground reaction force, A first spring and a second spring spaced apart from each other along the longitudinal direction, an outer link connected to the first spring and incorporating the second spring, and further absorbing a repulsive force when disposed between the outer link and the knee gauge And an air damper that houses the third spring to store the ground repelling force compensated by the third spring and prevents the outer link from contacting the knee joint,
A driving unit including a first driving unit for driving the knee joint, a second driving unit for driving forward and backward movement of the shoulder joint, and a third driving unit for driving left and right movement of the shoulder joint,
The knee joint or the shoulder joint,
A motor for driving the knee joint or the shoulder joint;
An active gear and a manual gear which are connected to both ends of a gear coupled to the motor and rotate in a direction perpendicular to the rotational direction of the gear;
A shaft disposed between the active gear and the manual gear, the shaft being coupled to the active gear to rotate in the rotational direction of the active gear and to fasten the joint frame; And
And an active link coupled to the active gear or the shaft and connected to the joint frame and rotating in the rotational direction of the active gear to directly transmit the rotational force of the active gear or the shaft to the joint frame. Four-legged walking robot. 제 1항에 있어서,
상기 다리부는 로드셀 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체모방형 사족 보행 로봇.The method according to claim 1,
Wherein the leg portion includes a load cell sensor. 제 1항에 있어서,
상기 탄성 매커니즘은
흡수된 상기 지면 반발력이 복구되도록 밀어주는 제4 스프링;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체모방형 사족 보행 로봇.The method according to claim 1,
The elastic mechanism
And a fourth spring for pushing the ground surface repulsive force to be restored. 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 제2 구동부와 제3 구동부는
각각의 모터들이 쌍으로 결합되는 것을 특징으로 하는 생체모방형 사족 보행 로봇.The method according to claim 1,
The second driving unit and the third driving unit
And each of the motors is coupled in a pair. 제 1항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 구동부는,
하나 이상의 모터가 관절 구동 위한 모터에 기어를 체결하되, 기어 프레임과 지그 프레임 사이에 모터의 샤프트를 배치하고, 상기 기어 프레임과 지그 프레임이 지그 체결부로 연결되는 보행 로봇의 기어 체결 메커니즘에 의해서 기어에 체결되는 것을 특징으로 하는 생체모방형 사족 보행 로봇.The method according to claim 1,
The first, second,
Wherein at least one motor is coupled to a motor for driving the joint, wherein a shaft of the motor is disposed between the gear frame and the jig frame, and the gear frame and the jig frame are connected to the gear by a gear- Wherein the first and second protrusions are engaged with each other. 제 6항에 있어서,
상기 샤프트는 반원 모양 또는 사각형 모양으로 형성되는 것을 특징으로 하는 생체모방형 사족 보행 로봇.The method according to claim 6,
Wherein the shaft is formed in a semicircular shape or a square shape. 제 7항에 있어서,
상기 샤프트는 하나 이상의 개구부가 형성되며, 상기 개구부를 통해 기어 체결부가 지그 프레임, 모터의 샤프트 및, 기어 프레임에 연결되는 것을 특징으로 하는 생체모방형 사족 보행 로봇.8. The method of claim 7,
Wherein the shaft is formed with at least one opening, and the gear engagement portion is connected to the jig frame, the shaft of the motor, and the gear frame through the opening. 삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 샤프트는 상기 능동기어, 상기 수동기어 및, 상기 능동 링크의 중심 축에 배치되는 것을 특징으로 하는 보행 생체모방형 사족 보행 로봇.The method according to claim 1,
Wherein the shaft is disposed on a center axis of the active gear, the manual gear, and the active link. 제 11항에 있어서,
상기 수동기어와 상기 관절 프레임 사이에는 베어링이 삽입되어, 상기 수동기어에 의한 회전력을 흡수하는 것을 특징으로 하는 보행 생체모방형 사족 보행 로봇.12. The method of claim 11,
Wherein a bearing is inserted between the passive gear and the joint frame to absorb the rotational force of the passive gear. 제 1항에 있어서,
상기 제2 구동부와 제3 구동부는,
제1 관절을 구동시키는 제1 모터;
제2 관절을 구동시키는 제2 모터;
상기 제1 모터와 제2 모터가 체결되는 프레임부; 및
상기 제2 모터와 함께 상기 프레임부에 연결되되, 상기 제1 모터에 체결된 제1기어와 맞물려 회전하여 상기 제2 모터를 회전시키는 능동 기어;를 포함하는 보행 로봇의 2자유도 구현 메커니즘에 의해 몸체의 내부에 내장되는 것을 특징으로 하는 생체모방형 사족 보행 로봇.The method according to claim 1,
The second driving unit and the third driving unit may include:
A first motor for driving the first joint;
A second motor for driving the second joint;
A frame portion to which the first motor and the second motor are fastened; And
And an active gear connected to the frame unit together with the second motor, the active gear rotating in engagement with the first gear engaged with the first motor to rotate the second motor. Wherein the body is embedded inside the body. 제 13항에 있어서,
상기 제1 모터 및 제2 모터는 보행 로봇의 몸체에 내장되는 것을 특징으로 하는 생체모방형 사족 보행 로봇.14. The method of claim 13,
Wherein the first motor and the second motor are housed in a body of the walking robot. 제 14항에 있어서,
상기 제1 기어 및 능동 기어는 헬리컬 기어인 것을 특징으로 하는 생체모방형 사족 보행 로봇.15. The method of claim 14,
Wherein the first gear and the active gear are helical gears. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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