KR100986814B1

KR100986814B1 - 조향유닛

Info

Publication number: KR100986814B1
Application number: KR1020080073375A
Authority: KR
Inventors: 오준호; 최동일
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2008-07-28
Filing date: 2008-07-28
Publication date: 2010-10-08
Also published as: KR20100012067A

Abstract

본 발명은 이륜자기균형 이동차에 관한 것으로서, 이륜자기균형 이동차에 구비되는 조향유닛은, 상기 이륜자기균형 이동차의 핸들바와 연결되는 상부; 상기 이륜자기균형 이동차의 지지대와 연결되는 하부; 및, 상기 상부와 하부를 연결하며, 상기 핸들바의 돌림방향 및 크기를 감지하는 센서가 구비되는 중앙부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명은 탑승자가 조향하고자 하는 방향과 조향부를 비트는 방향이 동일하기 때문에 방향전환 조작이 직관적이며 용이한 효과가 있다.

이륜자기균형 이동차, 토션센서(torsion sensor), 스트레인 게이지(strain gage), 휘스톤 브릿지(wheatstone bridge)

Description

조향유닛{steering unit}

본 발명은 이륜자기균형 이동차에 관한 것으로서, 특히 탑승자가 파지하는 핸들그립 및 이를 구비하는 핸들바를 비트는 조작만으로 안정적으로 조향제어가 가능하고, 노이즈에 강하도록 설계되며, 속도의 변화에 대해서 조향게인(steering gain)을 조절하여 항상 동일한 크기의 황가속력을 가지도록 구현되어 탑승자의 안정을 도모한 조향유닛 및 이를 포함하는 이륜자기균형 이동차에 관한 것이다.

이륜자기균형 이동차는 병렬로 위치한 두 개의 바퀴와 이를 구동하는 전기모터에 의해 소정의 속도로 이동 가능한 직립식 이동장치로서, 내장된 자이로센서를 이용한 제어 알고리즘에 의해 넘어지지 않고 스스로 균형을 유지하는 특징이 있다.

도 1은 종래의 이륜자기균형 이동차의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 종래의 이륜자기균형 이동차는 크게 조향부(100), 구동부(120), 샷시부(130)로 구성된다.

조향부(100)는 탑승자가 파지하는 핸들그립(101)과, 이륜자기균형 이동차의 구동 및 조향을 조작하는 핸들바(102)와, 핸들바(102)와 지지대(106)를 연결하는 핸들스텀(104)을 포함한다.

여기서, 조향부(100)는 샷시부(130)에서 연장되는 지지대(106)를 통해 샷시부(130)와 연결된다.

구동부(120)는 일반적인 이륜 이동차에 구비되는 것과 유사한 타이어 및 휠과, 타이어를 회전하기 위한 하나 이상의 전동모터 및, 각 구성요소간의 회전이나 동력을 전달시켜주는 풀리(pulley)를 포함한다.

샷시부(130)는 탑승자가 올라타는 발판과, 상기 발판의 배면에 배치된 구동을 위한 전자 제어장치, 전원 공급장치 및, 균형을 유지하기 위한 자이로 센서 등을 포함한다.

전술한 이륜자기균형 이동차는 조향방식에 있어서, 조향부의 핸들그립의 일단에 구비되어 탑승자가 다이얼을 돌려 진행하고자 하는 방향을 선택하는 다이얼 방식과, 조향부 전체를 좌 또는 우로 기울여 방향을 선택하는 기울기 방식이 있다.

다이얼 방식은 주행중에 핸들그립을 잡고 있어 손이 자유롭지 못한 탑승자는 다이얼 조작에 어려움이 있으며, 다이얼의 회전방향에 따른 이륜자기균형 이동차의 조향방향이 직관적이지 않아, 조작 실수로 다이얼을 과도하게 돌려 예기치 못한 위험한 상황이 발생할 수 있는 문제점이 있다.

기울기 방식은 탑승자가 조향부 전체를 좌우로 기울여 조향방향을 선택하기 때문에 직립상태인 탑승자는 몸 전체가 조향방향으로 기울게 되는데 조향부가 고정되지 않아 도로표면이 좋지 않은 곳에서 빠른 속도로 주행 중인 이동차의 탑승자가 몸이 기울어질 경우 예기치 못한 상황이 발생할 수 있으며, 장시간 사용시 쉽게 피 로감을 느낄 수 있는 문제점이 있다.

또한, 이륜자기균형 이동차는 상대적으로 느린 속력으로 주행중일 경우와 빠른 속력으로 주행중일 경우에 탑승자의 동일한 조향조작에 따라 동일한 정도만큼 조향이 된다면, 빠른 속력으로 주행중인 이동차의 경우에는 갑작스러운 원심력에 의해 탑승자가 낙상하는 상황이 발생할 수 있는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 주행 중인 이륜자기균형 이동차를 직관적이고 안정되게 조향조작 할 수 있도록 하는 조향유닛 및 이를 포함하는 이륜자기균형 이동차를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 이동차의 속력에 따라 조향량이 조절되도록 제어함으로서, 조향시 갑작스러운 원심력에 의해 탑승자가 낙상하는 상황을 방지하는 조향유닛 및 이를 포함하는 이륜자기균형 이동차를 제공하는 데 다른 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 이륜자기균형 이동차의 조향유닛으로서, 상기 이륜자기균형 이동차의 핸들바와 연결되는 상부; 상기 이륜자기균형 이동차의 지지대와 연결되는 하부; 및, 상기 상부와 하부를 연결하며, 상기 핸들바의 돌림방향 및 크기를 감지하는 센서가 구비되는 중앙부를 포함하고, 상기 중앙부는 원통형으로 형성되며, 상기 중앙부의 외측 지름(ro)은, 내측 지름(ri), 길이(ℓ), 돌림힘(τ), 상기 중앙부의 최대변형각도(θ), 상기 핸들바의 길이(L), 영(Young)'s 상수(E), 상기 센서의 소재밀도(ρ)라 할 때,

,

의 관계로부터 결정되는 것을 특징으로 한다.

상기 센서는, 상기 중앙부의 표면에 45°방향으로 엇갈려 부착되어 휘스톤 브릿지(Wheatstone Bridge) 회로를 구성하는 4개의 스트레인 게이지인 것을 특징으로 한다.

상기 중앙부는, 상기 하부의 내측을 통과하여 상기 센서와 외부에 구비되는 회로를 전기적으로 연결하는 전선이 삽입되는 홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.

삭제

상기 중앙부는, 적어도 상기 상부 및 하부보다 외측 지름이 작은 것을 특징으로 한다.

상기 중앙부는, 상기 상부 및 하부와 연결되는 부분이 필렛(filet) 처리되는 것을 특징으로 한다.

상기 하부는, 외부에 구비되는 회로의 일단이 끼워지는 요(凹)부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

삭제

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

이하에서는 설명의 편의상 도 1의 식별번호를 함께 참조하여 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 이륜자기균형 이동차의 조향유닛과 지지대가 결합된 형태를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 조향유닛의 보다 상세한 형태를 도시한 도면이다.

도시한 바와 같이, 본 발명의 이륜자기균형 이동차의 조향유닛(200)은 내측으로 소정의 이격공간이 형성되는 굴곡이 있는 원통형으로서, 조향부(100)의 핸들바(102)와 결합된 핸들스텀(104)과 지지대(106)를 기계적으로 연결하며 지지대(106)의 내측으로 삽입된다. 이러한 조향유닛(200)은 핸들스텀(104)과 지지대(106)를 유격없이 안정적으로 고정하기 위해서 튼튼하면서도 가벼운 알루미늄 합금소재인 것이 바람직하다.

조향유닛(200)의 구조를 살펴보면 핸들스텀(104)이 결합되는 상부(210)와, 센서가 구비되는 중앙부(220)와, 증폭회로와 결합되는 하부(230)를 포함한다.

조향유닛(200)의 상부(210)는 핸들스텀(104)의 내측으로 삽입되어 결합된다. 상부(210)의 내측으로는 핸들바(102) 또는 핸들스텀(104)과 구동부(120)와의 전기적 연결을 위한 전선이 삽입되는 소정의 이격공간(212)이 형성된다.

조향유닛(200)의 중앙부(220)는 내측으로 이격공간을 가지며, 상부(210)와 하부(230)를 연결한다. 이러한 중앙부(220)는 조향에 의해 비틀림이 쉽게 발생하도록 적어도 상부(210) 및 하부(230) 보다 외측지름(ro)이 작도록 형성된다. 상부(210) 및 하부(230)와의 결합부분 즉, 지름이 작아지는 부분은 비틀림에 취약하지 않도록 필렛(filet) 처리하는 것이 바람직하다. 중앙부(220)의 외측으로 토션센서가 부착된다. 여기서, 토션센서는 서로 전기적으로 연결되는 하나 이상의 스트레인게이지(strain gage)이며, 전술한 중앙부(220)의 외측지름(ro) 및, 스트레인게이지의 부착형태에 대해서는 후술하도록 한다.

전술한 토션센서는 조향유닛(200)의 하부(230)와 결합하는 증폭회로와 전기적으로 연결되며, 이를 위해 중앙부(220)에는 하부(230)와 결합되는 부분의 일단에 스트레인게이지와 증폭회로를 전기적으로 연결하는 전선이 하부(230)의 내측으로 삽입되는 홀(222)이 형성된다.

여기서, 중앙부(220)의 내측지름(ri)은 적어도 핸들바(102) 또는 핸들스텀(104)과 구동부(120)와의 전기적 연결을 위한 전선이 지나갈 수 있을 정도의 크기로 형성된다.

또한 중앙부(220)의 길이(ℓ)는 중앙부(220)에 비틀림을 측정하기 위한 토션센서를 배치 및 부착하기 용이한 값을 가진다.

조향유닛(200)의 하부(230)에는 토션센서로부터 감지된 감지결과를 증폭하기 위한 증폭회로가 장착되는 슬릿형태의 회로결합부(232)와, 증폭회로를 고정시키기 위한 고정나사가 끼워지는 고정나사부(235)와, 조향유닛과 지지대(106)를 고정시키기 위한 지지대결합홀(238)이 포함된다.

전술한 구조는 보다 정확한 비틀림에 대한 감지결과를 획득하기 위한 것으로, 중앙부(130)에 부착되는 토션센서가 스트레인게이지일 경우, 생성하는 감지결과의 최대 및 최소값 차이가 10mV 내지 20mV로서 매우 작다. 따라서, 증폭회로를 더 구비하여 이를 통해 감지결과의 크기를 증폭하여 구동부(120)로 전송한다.

이때, 증폭회로의 감지결과 증폭시 노이즈의 간섭으로 인하여 오차가 발생할 수 있으며, 이에 따라 증폭회로는 토션센서와 가장 근접한 위치에 구비되어야 한다.

따라서, 증폭회로는 하부(230)의 일단에 기판 일부가 삽입되고, 증폭회로와 토션센서는 중앙부(220)의 홀(222)을 지나는 전선을 통해 최단거리로서 전기적으로 연결된다.

또한, 전술한 바와 같이, 조향유닛(200)의 중앙부(220) 및 하부(230)는 지지대(106)의 내측으로 삽입되어 지지대결합홀(238)을 통해 고정되게 된다.

이때, 하부(230)와 지지대(106)를 안정적으로 고정하고 탈착을 용이하게 하기 위해, 지지대(106)에는 지지대결합홀(238)과 매칭되는 홀을 더 형성하고, 이에 결합부재(도 4의 439)를 삽입하는 형태로 하부(230)와 지지대(106)를 고정 할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 의한 조향부의 일부를 나타내는 도면이고, 도 5 는 지지대에서 분리된 조향유닛을 나타내는 도면이다.

도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 조향부는 핸들바(402)와 지지대(406)가 핸들스텀(404)에 의해 결합되며, 조향유닛은 핸들스텀(404)의 내측으로 삽입되고, 지지대(406)와 결합부재(439)에 의해 결합되어 외부로 드러나지 않는 형태이다. 즉, 본 발명에 따르면 조향유닛은 이에 부착되는 토션센서(526) 및, 조향유닛의 일부와 결합되고 토션센서(526)와 전기적으로 연결되는 증폭회로(550)는 지지대(406)의 내부로 실장되어, 토션센서(526) 및, 증폭회로(550)가 외부의 충격으로부터 보호된다.

또한, 외부에서 보았을 때 단순히 핸들스텀(404, 504) 및 지지대(406)만 외부로 노출되므로 시각적으로도 단정한 느낌을 줄 수 있다.

또한, 조향유닛의 상부(510)는 핸들스텀(404, 504)의 내측으로 완전히 삽입되어 고정되며, 중앙부(520)의 외측으로 센서인 스트레인 게이지(526)가 45°방향으로 엇갈려 부착된다. 또한, 하부(530)의 일단으로 증폭회로(550)가 구비되어 전기적으로 연결된다. 이를 위해 하부(530)에는 증폭회로(550)의 일부가 끼워질 수 있도록 요(凹)부가 형성될 수 있다.

여기서, 핸들바(402)의 길이를 L, 탑승자로부터 가해질 수 있는 힘이 F라고 하면, 돌림힘(τ)은 하기의 수학식 1을 만족한다.

또한, 조향유닛을 구성하는 부분 중, 중앙부(도 3의 220)가 돌림힘에 의해 주로 비틀리는 부분이며, 이 부분의 최대 변형 각도(θ)를 적절히 선택하면 하기의 수학식 2에 의해 전술한 중앙부(도 3의 220)의 바람직한 외측 지름(ro)의 크기가 결정될 수 있다.

상기 수학식 2에서, E는 영(Young)'s 상수, ρ는 센서의 소재밀도, ℓ은 중앙부의 길이이다.

이에 따라, 전술한 수학식 1, 2에 의해 중앙부(도 3의 220)의 외측지름(ro)이 결정된다.

도 6 내지 도 8은 각각 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 조향유닛에 부착되는 센서의 부착형태 및, 센서의 전기적 연결형태를 개략적으로 도시한 도면이다.

도시한 바와 같이, 센서는 4개의 스트레인 게이지로 구성되며 각 스트레인 게이지는 45° 방향으로 엇갈려 배치된 휘스톤 브릿지(Wheatstone Bridge)형태로 연결된다.

이러한 스트레인 게이지의 배치에 따라, 조향유닛으로 반시계 방향의 돌림 힘이 가해지면 제1 및, 제3 스트레인 게이지(sg1, sg3)는 순수한 인장력을 받게 되고, 제2 및 제4 스트레인 게이지(sg2, sg4)는 순수한 압축력을 받게 된다.

따라서, 변화되는 스트레인 게이지의 저항값에 따라 SEN_UP 단자 및 SEN_DN 단자간에 전압차가 발생하게 된다. 증폭회로는 이 전압차를 감지결과로서 입력받아 증폭하여 제어신호를 생성하고, 구동부(도 1의 120)로 전송하게 된다.

이후, 구동부(도 1의 120)는 상기 제어신호의 값을 게인값(gain)과 승산하여 모터를 구동하게 된다. 이때 안정적인 조향을 위해 게인값은 이륜자기균형 이동차의 현재 주행속도에 대응하여 다른 값을 가지도록 설정된다.

보다 상세하게는, 바퀴의 반지름이 R_W, 각속도가 ω, 두 바퀴간의 각속도 차이가 Δ, 두 바퀴간의 간격 2D이고, 현재 V의 속도로 주행중인 이륜자기균형 이동차가 회전반경 R로 조향할 때, 두 바퀴의 속도가 각각 V₁, V₂이면 속도와 거리관계로부터 하기의 수학식 3을 만족한다.

,

이때, 이동차에 가해지는 횡가속력

이 상수라고 하면 하기의 수학식 4가 유도된다.

상기 수학식 4에 나타낸 바와 같이, 각속도(ω)는

이므로 ωΔ가 상수이면 횡가속력이 상수가 된다.

따라서, 두 바퀴의 각속도의 차이 Δ가 속도 V에 반비례하면 횡가속력이 일정하게 되고 상대적으로 빠른 속도에서도 안전한 조향이 가능하게 된다. 이에 따라 가변 조향 게인 K_δ'는 하기의 수학식 5를 만족한다.

도 9는 수학식 5에 따라 이륜자기균형 이동차의 속력과 조향 게인값의 관계를 그래프로 도시한 도면으로서, 도시한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 조향유닛을 포함하는 이륜자기균형 이동차는 주행속도(V)가 점점 빨라짐에 따라 게인(K_δ')값이 점점 비선형으로 작아지는 형태로 제어된다.

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 이륜자기균형 이동차의 조향유닛을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 3은 조향유닛의 상세한 형태를 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 의한 조향부의 일부를 나타내는 도면이다.

도 5는 지지대에서 분리된 조향유닛을 나타내는 도면이다.

도 9는 이륜자기균형 이동차의 속력과 증폭회로의 게인의 관계를 그래프로 도시한 도면이다.

Claims

이륜자기균형 이동차의 조향유닛으로서,

상기 이륜자기균형 이동차의 핸들바(102)와 연결되는 상부(210);

상기 이륜자기균형 이동차의 지지대(106)와 연결되는 하부(230); 및,

상기 상부(210)와 하부(230)를 연결하며, 상기 핸들바(102)의 돌림방향 및 크기를 감지하는 센서(526)가 구비되는 중앙부(220)를 포함하고,

상기 중앙부(220)는 원통형으로 형성되며, 상기 중앙부(220)의 외측 지름(ro)은, 내측 지름(ri), 길이(ℓ), 돌림힘(τ), 상기 중앙부(220)의 최대변형각도(θ), 상기 핸들바의 길이(102)(L), 영(Young)'s 상수(E), 상기 센서(526)의 소재밀도(ρ)라 할 때,

,

의 관계로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 조향유닛.
제 1 항에 있어서,

상기 센서(526)는,

상기 중앙부(220)의 표면에 45° 방향으로 엇갈려 부착되어 휘스톤 브릿지(Wheatstone Bridge) 회로를 구성하는 4개의 스트레인 게이지인 것을 특징으로 하는 조향유닛.
제 1 항에 있어서,

상기 중앙부(220)는,

상기 하부(230)의 내측을 통과하여 상기 센서(526)와 외부에 구비되는 회로를 전기적으로 연결하는 전선이 삽입되는 홀(222)이 형성되는 것을 특징으로 하는 조향유닛.
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제 1 항에 있어서,

상기 중앙부(220)는,

적어도 상기 상부(210) 및 하부(230)보다 외측 지름이 작은 것을 특징으로 하는 조향유닛.
제 1 항에 있어서,

상기 중앙부(220)는,

상기 상부(210) 및 하부(230)와 연결되는 부분이 필렛(filet) 처리되는 것을 특징으로 하는 조향유닛.
제 1 항에 있어서,

상기 하부(230)는,

외부에 구비되는 회로의 일단이 끼워지는 요(凹)부(232)가 형성되는 것을 특징으로 하는 조향유닛.
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