KR101311985B1 - 로봇 목관절 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로봇 목관절 구조에 관한 것으로서, 로봇의 헤드플레이트; 상기 헤드플레이트를 지지하여 좌우방향으로 기울기 운동시키는 요잉구동부; 상기 요잉구동부 및 헤드플레이트를 지지하여 전후방향으로 기울기 운동시키는 피칭구동부; 및 상기 피칭구동부, 요잉구동부 및 헤드플레이트를 지지하여 제자리에서 축 회동시키는 롤링구동부;를 포함하는 구조를 제공함으로써, 사람의 머리 움직임과 같은 동작 구현을 위해 헤드플레이트를 제자리 돌리기(rolling), 앞뒤로 숙이기(pitching) 또는 좌우로 기울기(yawing)와 같은 복합적인 움직임이 가능하도록 함으로써, 사람의 머리 움직임과 유사한 동작과 표현이 가능하고, 다양한 퍼포먼스를 통한 흥미와 관심을 유발시켜 사람들로 하여금 로봇에 대한 친밀감을 높일 수 있게 된다.

Description

로봇 목관절 구조{Robot neck joint structure}

본 발명은 로봇 목관절 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사람의 머리 움직임과 같은 동작 구현을 위해 헤드플레이트를 사람의 머리 움직임과 같은 동작 구현을 위해 헤드플레이트를 제자리 돌리기(rolling), 앞뒤로 숙이기(pitching) 또는 좌우로 기울기(yawing)와 같은 복합적인 움직임이 가능하도록 함으로써, 사람의 머리 움직임과 유사한 동작과 표현이 가능하고, 다양한 퍼포먼스를 통한 흥미와 관심을 유발시켜 사람들로 하여금 로봇에 대한 친밀감을 높일 수 있도록 하는 로봇 목관절 구조에 관한 것이다.

과학 기술이 발전함에 따라 사람과 유사한 모형을 만들어 사람과 같이 걷고, 말하는 등의 기능을 갖는 로봇들도 제시되고 있다.

이에 더해, 로봇의 얼굴이 사람과 같이 웃는 등 표정을 짓거나 또는 목관절 구조를 적용하여 머리를 숙여 인사를 하거나 고개를 젓는 등의 섬세한 동작까지 따라할 정도의 기술에 도달하고 있다.

일례로 종래 기술 중 목관절 장치를 통해 머리를 움직이는 로봇에 대해 개략적으로 살펴보면 다음과 같다.

대한민국 공개특허 제2009-118542호에 의하면, 동체(胴體)와 머리를 연결하는 목관절 어셈블리를 가지는 인간형 로봇에 있어서, 상기 목관절 어셈블리는 상기 머리에 연결되어 상기 머리를 회전시키는 제1목관절장치와, 상기 머리와 제1목관절장치를 평행 이동시키는 제2목관절장치와, 상기 제2목관절장치를 요(yaw) 방향으로 회전시키는 제3목관절장치를 포함하는 구성으로 되어 있다.

이러한 종래 기술의 로봇에서 제1목관절장치는 롤 방향의 제1회전관절과 피치 방향의 제2회전관절을 포함하여 구성된다.

그리고, 제2목관절장치는 제1목관절장치와 머리를 전체적으로 평행 이동시킬 수 있도록 구성되며, 제2목관절장치를 이용하여 머리를 전방으로 평행 이동시킨 상태에서 제1목관절장치를 통해 머리를 움직이면 단순히 2~3 회전자유도만을 가지는 기존 로봇보다 다양한 동작과 제스처를 표현할 수 있다.

또한, 머리를 전방으로 이동시킨 상태에서는 머리를 상대적으로 더 많이 숙일 수 있게 되는데, 이는 로봇이 머리를 숙여 발의 바로 앞에 있는 장애물을 확인하는데 있어 매우 유용하다.

그리고, 제3목관절장치는 요 방향의 제3회전관절을 포함하며, 이 제3목관절장치는 제2목관절장치, 제1목관절장치 및 머리를 전체적으로 요 방향으로 회전시킨다.

그리고, 제3목관절장치를 통해 머리를 요 방향으로 회전시킨 후 제2목관절장치를 이용하여 머리를 이동시키면 머리를 좌측이나 우측으로 돌린 상태에서 머리를 좌우 방향으로 이동시키는 동작을 수행할 수 있다.

그러나, 이러한 종래 기술의 로봇은 머리를 회전시키거나 평행 이동시킬 수 있는 등의 움직임을 위해서 복수 개의 목관절 장치가 필요하게 되는 등 그 구성이 복잡하게 되어 제작비용이 많이 소요됨은 물론 그 움직임 역시 상대방으로 하여금 기계적인 딱딱한 느낌을 갖게 하여 친근감이 떨어지고 전원이 오프되면 목이 기울어지는 등의 문제점을 갖고 있었다.

본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 사람의 머리 움직임과 같은 동작 구현을 위해 헤드플레이트를 제자리 돌리기(rolling), 앞뒤로 숙이기(pitching) 또는 좌우로 기울기(yawing)와 같은 복합적인 움직임이 가능하도록 함으로써, 사람의 머리 움직임과 유사한 동작과 표현이 가능하고, 다양한 퍼포먼스를 통한 흥미와 관심을 유발시켜 사람들로 하여금 로봇에 대한 친밀감을 높일 수 있도록 하는 로봇 목관절 구조를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 구조가 간단하고 콤팩트하여 사람의 형상을 본 떠서 만든 휴먼로봇의 제작에 적합하고, 부품수를 최소화하여 경제적이며, 제품의 잔고장을 최소화할 수 있고, 이에 따라 제품의 신뢰성이 향상되는 로봇 목관절 구조를 제공함에 있다.

본 발명의 일측면에 따르면, 로봇의 헤드플레이트; 상기 헤드플레이트를 지지하여 좌우방향으로 기울기 운동시키는 요잉구동부; 상기 요잉구동부 및 헤드플레이트를 지지하여 전후방향으로 기울기 운동시키는 피칭구동부; 및 상기 피칭구동부, 요잉구동부 및 헤드플레이트를 지지하여 제자리에서 축 회동시키는 롤링구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 목관절 구조가 제공될 수 있다.

여기서, 상기 요잉구동부는, 헤드플레이트를 지지하는 요잉브라켓; 상기 요잉브라켓에 설치되어 동력을 제공하는 제1액츄에이터; 및 상기 제1액츄에이터의 출력축이 기어로 맞물려 공전되며, 제1액츄에이터와 함께 회전하는 요잉브라켓의 회전 중심축을 제공하는 제1샤프트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 요잉구동부는 제1액츄에이터의 출력을 검출 및 제어하기 위한 센서부를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 피칭구동부는, 요잉구동부를 지지하는 피칭브라켓; 상기 피칭브라켓에 설치되어 동력을 제공하는 제2액츄에이터; 및 상기 제2액츄에이터의 출력축에 기어로 맞물려 회전되며, 함께 회전되는 요잉구동부 및 헤드플레이트의 회전 중심축을 제공하는 제2샤프트;를 포함할 수 있다.

이때, 상기 피칭구동부는 제2액츄에이터의 출력을 검출 및 제어하기 위한 센서부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제2샤프트를 제1샤프트와 직교되도록 결합할 수 있다.

그리고, 상기 롤링구동부는, 피칭구동부를 지지하는 롤링브라켓; 상기 롤링브라켓에 설치되어 동력을 제공하는 제3액츄에이터; 및 상기 제3액츄에이터의 출력축에 일단이 기어로 맞물려 회전되며, 타단이 피칭브라켓에 결합되어 함께 회전하는 피칭구동부, 요잉구동부 및 헤드플레이트의 회전 중심축을 제공하는 제3샤프트;를 포함할 수 있다.

이때, 상기 롤링구동부는 제3액츄에이터의 출력을 검출 및 제어하기 위한 센서부를 더 포함할 수 있다.

이상에서와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 목관절 구조는 사람의 머리 움직임과 같은 동작 구현을 위해 헤드플레이트를 제자리 돌리기(rolling), 앞뒤로 숙이기(pitching) 또는 좌우로 기울기(yawing)와 같은 복합적인 움직임이 가능하도록 함으로써, 사람의 머리 움직임과 유사한 동작과 표현이 가능하고, 다양한 퍼포먼스를 통한 흥미와 관심을 유발시켜 사람들로 하여금 로봇에 대한 친밀감을 높일 수 있게 되는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 구조가 간단하고 콤팩트하여 사람의 형상을 본 뜬 휴먼로봇의 제작에 적합하고, 부품수를 최소화하여 경제적이며, 제품의 잔고장을 최소화할 수 있고, 이에 따라 제품의 신뢰성이 향상되는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 목관절 구조를 전방에서 바라본 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 목관절 구조를 후방에서 바라본 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 목관절 구조의 분해사시도.
도 4는 본 발명의 로봇 목관절 구조에 따른 로봇 헤드부의 요잉동작을 도시한 개략도.
도 5는 본 발명의 로봇 목관절 구조에 따른 로봇 헤드부의 피칭동작을 도시한 개략도.
도 6은 본 발명의 로봇 목관절 구조에 따른 로봇 헤드부의 롤링동작을 도시한 개략도.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명을 다음의 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 목관절 구조를 전방에서 바라본 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 목관절 구조를 후방에서 바라본 사시도이다.

도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 목관절 구조는 로봇의 헤드플레이트(5)와, 상기 헤드플레이트(5)를 지지하여 좌우방향으로 기울기 운동시키는 요잉구동부(10)와, 상기 요잉구동부(10) 및 헤드플레이트(5)를 지지하여 전후방향으로 기울기 운동시키는 피칭구동부(30), 및 상기 피칭구동부(30), 요잉구동부(10) 및 헤드플레이트(5)를 지지하여 제자리에서 축 회동시키는 롤링구동부(50)를 포함한다.

이하, 도 3을 참조하여 각 구성요소에 대해 보다 자세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 목관절 구조의 분해사시도이다.

도 3을 참조하면, 헤드플레이트(5)가 구비된다. 상기 헤드플레이트(5)는 전방에 휴먼로봇의 헤드부(1)(도4 내지 도6 참조)를 구성하기 위한 구조물로 사용된다.

이때, 헤드부는 사람의 이목구비(耳目口碑)를 본떠서 형상화하거나 그 기능을 모방하여 형성될 수 있다.

이와 같은 헤드플레이트(5)는 금속 판체로 제작될 수 있고, 판형으로 제작될 수 있고, 특히 "T"자나 "I"자 형태로도 제작될 수 있다.

상기 헤드플레이트(5)는 요잉구동부(10)에 의해 좌우 기울기 운동이 가능한 상태로 설치된다.

상기 요잉구동부(10)에 대해 설명하면 다음과 같다.

상기 요잉구동부(10)는, 헤드플레이트(5)를 지지하는 요잉브라켓(11)이 구비된다. 상기 요잉브라켓(11)은 하부로 개방된 "ㄷ"자 형상의 지지구조로 이루어질 수 있는데, 단일형태의 브라켓은 물론 다수의 브라켓이 조립된 구조로 이루어질 수 있다.

이때, 요잉브라켓(11)의 "ㄷ"자 형상의 홈 내부에는 제1액츄에이터(13)와, 제1샤프트(14)가 평행하게 설치된다.

상기 제1액츄에이터(13)는 모터가 이용될 수 있다.

또한, 상기 제1액츄에이터(13)의 출력단에는 구동기어(13a)가 설치될 수 있고, 상기 제1액츄에이터(13)의 하부에 평행하게 설치되는 제1샤프트(14)의 일단에는 구동기어(13a)와 대합되는 피동기어(14a)가 설치될 수 있다.

이때, 상기 제1액츄에이터(13)의 출력을 검출 및 제어하기 위한 센서부(미도시)가 더 설치될 수 있는데, 상기 센서부는 포텐셜미터 또는 엔코더가 이용될 수 있다.

상기 제1샤프트(14)는 양측단이 요잉브라켓(11) 사이에 회전가능하게 베어링 결합되어 있고, 제1액츄에이터(13)의 양측단은 요잉브라켓(11) 사이에 고정된 상태이다.

이와 같은 상태에서 제1액츄에이터(13)의 구동기어(13a)가 회전하게 되면, 제1샤프트(14)가 피동기어(14a)와 함께 회전하게 되는데, 이때, 제1샤프트(14)의 몸체의 회전을 제한시킴으로써, 상대적으로 제1액츄에이터(13)를 포함하는 요잉구동부(10) 및 헤드플레이트(5) 전체가 회전하게 된다.

이때, 상기 제1샤프트(14)는 제1액츄에이터(13)와 함께 회전하는 요잉브라켓(11)의 회전 중심축을 제공하게 된다.

상기 제1샤프트(14)의 몸체는 도1에서 보는 바와 같이 회전반경에 피칭구동부(30)의 제2샤프트(34)가 설치되어 축고정되도록 함으로써, 회전이 방지된다.

상기 피칭구동부(30)의 구성에 대해 자세히 설명한다.

상기 피칭구동부(30)는 요잉구동부(10)를 지지하는 피칭브라켓(31)이 구비된다.

상기 피칭브라켓(31)은 상부로 개구된 "ㄷ"자 형상의 지지구조로 이루어질 수 있는데, 단일형태의 브라켓은 물론 다수의 브라켓이 조립된 구조로 이루어질 수 있다.

이때, 상기 피칭브라켓(31)의 "ㄷ"자 형상의 홈 내부에는 제2샤프트(34)와 제2액츄에이터(33)가 수직방향에 평행하게 설치된다.

상기 제2액츄에이터(33)는 피칭브라켓(31)에 설치되어 동력을 제공하게 되는데, 상기 제2액츄에이터(33)는 모터가 이용될 수 있다.

이때, 상기 제2액츄에이터(33)의 출력단에는 구동기어(33a)가 설치될 수 있고, 상기 제2액츄에이터(33)의 상부에 평행하게 설치되는 제2샤프트(34)의 일단에는 구동기어(33a)와 대합되는 피동기어(34a)가 설치될 수 있다.

이때, 상기 제2액츄에이터(33)의 출력을 검출 및 제어하기 위한 센서부(미도시)가 더 설치될 수 있는데, 상기 센서부는 포텐셜미터 또는 엔코더가 이용될 수 있다.

상기 제2샤프트(34)는 양측단이 피칭브라켓(31) 사이에 회전가능하게 베어링 결합되어 있고, 제2액츄에이터(33)의 양측단은 피칭브라켓(31) 사이에 고정된 상태이다.

이와 같은 상태에서 제2액츄에이터(33)의 구동기어(33a)가 회전하게 되면, 제2샤프트(34)가 피동기어(34a)와 함께 회전하게 되는데, 이때, 제2샤프트(34)의 몸체와 결합된 제1샤프트(14) 및 요잉구동부(10)와 헤드플레이트(5)가 함께 회전하게 된다.

이와 같은 상기 피칭구동부(30)는 제자리 축 회전이 가능한 상태로 롤링구동부(50) 상에 지지 설치된다.

이하, 상기 롤링구동부(50)에 대해 설명하면 다음과 같다.

상기 롤링구동부(50)는 피칭구동부(30)를 지지하는 롤링브라켓(51)이 구비된다. 상기 롤링브라켓(51)은 평판형태로 제작될 수 있고, 상기 롤링브라켓(51)의 저부에 제3액츄에이터(53)가 설치되어 동력을 제공하게 된다.

이때, 상기 제3액츄에이터(53)의 출력단에는 구동기어(53a)가 형성되어 있고, 상기 제3액츄에이터(53)로부터 동력을 전달받아 회전하는 제3샤프트(54)가 롤링브라켓(51) 상부로 관통되어 연장 설치된다.

이때, 상기 제3샤프트(54)는 롤링브라켓(51) 상에 베어링블록(55)을 이용해 견고히 축 고정될 수 있다.

또한, 상기 롤링브라켓(51)의 입력단에는 상기 제3액츄에이터(53)의 구동기어(53a)와 맞물려 회전되는 피동기어(54a)가 설치된다.

상기 제3사프트(54)의 출력단에는 피칭브라켓(31)이 결합되어 함께 회전하게 되며, 이때, 피칭구동부(30), 요잉구동부(10) 및 헤드플레이트(5)의 회전 중심축을 제공하게 된다.

이때, 상기 롤링구동부(50)는 제3액츄에이터(53)의 출력을 검출 및 제어하기 위한 센서부(미도시)를 더 설치할 수 있는데, 상기 센서부는 포텐셜미터 또는 엔코더가 이용될 수 있다.

이상에서와 같은 구성을 갖는 본 발명의 로봇 목관절 구조는 도 4 내지 도 6에서와 같이 로봇의 헤드부(1)에 적용되어 사람의 머리 움직임과 같은 동작 구현할 수 있게 된다.

도 4는 본 발명의 로봇 목관절 구조에 따른 로봇 헤드부의 요잉동작을 도시한 개략도이고, 도 5는 본 발명의 로봇 목관절 구조에 따른 로봇 헤드부의 피칭동작을 도시한 개략도며, 도 6은 본 발명의 로봇 목관절 구조에 따른 로봇 헤드부의 롤링동작을 도시한 개략도이다.

이처럼, 본 발명은 제자리 돌리기(rolling), 앞뒤로 숙이기(pitching) 또는 좌우로 기울기(yawing)와 같은 복합적인 움직임이 가능하도록 함으로써, 사람의 머리 움직임과 유사한 동작과 표현이 가능하고, 다양한 퍼포먼스를 통한 흥미와 관심을 유발시켜 사람들로 하여금 로봇에 대한 친밀감을 높일 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 구조가 간단하고 콤팩트하여 사람의 형상을 본 뜬 휴먼로봇의 제작에 적합하고, 부품수를 최소화하여 경제적이며, 제품의 잔고장을 최소화할 수 있고, 이에 따라 제품의 신뢰성이 향상되는 이점을 갖게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 상기 실시예를 기존의 공지기술과 단순히 주합 적용한 실시예는 물론 본 발명의 특허청구범위와 상세한 설명에서 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명을 단순 변형하여 이용할 수 있는 정도의 기술은 본 발명의 기술범위에 당연히 포함된다고 보아야 할 것이다.

5: 헤드플레이트 10: 요잉구동부
11: 요잉브라켓 13: 제1액츄에이터
13a: 구동기어 14: 제1샤프트
14a: 피동기어 30: 피칭구동부
31: 피칭브라켓 33: 제2액츄에이터
33a: 구동기어 34: 제2샤프트
34a: 피동기어 50: 롤링구동부
51: 롤링브라켓 53: 제3액츄에이터
53a: 구동기어 54: 제3샤프트
54a: 피동기어 55: 베어링블록

Claims (8)

1. 로봇의 헤드플레이트(5); 상기 헤드플레이트(5)를 지지하여 좌우방향으로 기울기 운동시키는 요잉구동부(10); 상기 요잉구동부(10) 및 헤드플레이트(5)를 지지하여 전후방향으로 기울기 운동시키는 피칭구동부(30); 및 상기 피칭구동부(30), 요잉구동부(10) 및 헤드플레이트(5)를 지지하여 제자리에서 축 회동시키는 롤링구동부(50);를 포함하는 로봇 목관절 구조로서,
   상기 요잉구동부(10)는, 헤드플레이트(5)를 지지하는 요잉브라켓(11); 상기 요잉브라켓(11)에 설치되어 동력을 제공하는 제1액츄에이터(13); 및 상기 제1액츄에이터(13)의 출력축이 기어로 맞물려 공전되며, 제1액츄에이터(13)와 함께 회전하는 요잉브라켓(11)의 회전 중심축을 제공하는 제1샤프트(14);를 포함하며, 상기 피칭구동부(30)는, 요잉구동부(10)를 지지하는 피칭브라켓(31); 상기 피칭브라켓(31)에 설치되어 동력을 제공하는 제2액츄에이터(33); 및 상기 제2액츄에이터(33)의 출력축에 기어로 맞물려 회전되며, 함께 회전되는 요잉구동부(10) 및 헤드플레이트(5)의 회전 중심축을 제공하는 제2샤프트(34);를 포함하고, 상기 롤링구동부(50)는, 피칭구동부(30)를 지지하는 롤링브라켓(51); 상기 롤링브라켓(51)에 설치되어 동력을 제공하는 제3액츄에이터(53); 및 상기 제3액츄에이터(53)의 출력축에 일단이 기어로 맞물려 회전되며, 타단이 피칭브라켓(31)에 결합되어 함께 회전하는 피칭구동부(30), 요잉구동부(10) 및 헤드플레이트(5)의 회전 중심축을 제공하는 제3샤프트(54);를 포함하며, 상기 제2샤프트(34)를 제1샤프트(14)와 직교되도록 결합하는 것을 특징으로 하는 로봇 목관절 구조.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 요잉구동부(10)는 제1액츄에이터(13)의 출력을 검출 및 제어하기 위한 센서부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 목관절 구조.
   
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 피칭구동부(30)는 제2액츄에이터(33)의 출력을 검출 및 제어하기 위한 센서부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 목관절 구조.
   
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 롤링구동부(50)는 제3액츄에이터(53)의 출력을 검출 및 제어하기 위한 센서부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 목관절 구조.

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