KR101131125B1 - unicycle robot - Google Patents

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KR101131125B1
KR101131125B1 KR1020100015783A KR20100015783A KR101131125B1 KR 101131125 B1 KR101131125 B1 KR 101131125B1 KR 1020100015783 A KR1020100015783 A KR 1020100015783A KR 20100015783 A KR20100015783 A KR 20100015783A KR 101131125 B1 KR101131125 B1 KR 101131125B1
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wheel
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drive unit
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황종명
이호원
최성희
김성하
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 자동 주행 및 피치(pitch)-롤(roll)-요(yaw) 운동에 대한 자세 제어가 가능하도록 하여 주행시 중심을 잃지 않고 정확하고 안정적으로 주행할 수 있도록 한 외바퀴 로봇에 관한 것으로, 본 발명의 외바퀴 로봇은 하부프레임과 상부프레임과 복수개의 수직 연결바아와 마운트브라켓과 한 쌍의 피치축 프레임을 포함하여 구성된 본체와; 상기 본체의 하측에 연결되어 지면을 따라 전후방향으로 구름 운동하는 하나의 휠과; 상기 휠의 회전을 제어함으로써 본체의 피치방향 운동 및 자세를 제어하는 휠 구동유닛과; 상기 본체에 수직한 축을 중심으로 회전하도록 설치되어 좌우방향으로의 회전관성을 이용하여 본체의 좌우 방향 전환을 제어하는 요(yaw)방향 전환용 디스크와; 상기 디스크를 회전시키는 디스크 구동유닛과; 상기 본체의 상측에 전후방향으로 연장된 수평축을 중심으로 회전하도록 설치되어 회전 관성에 의해 본체의 좌우방향 자세를 제어하는 롤(roll)제어용 로터와; 상기 롤제어용 로터의 회전을 제어하는 로터 구동유닛과; 상기 본체의 주행 중 자세를 실시간으로 감지하는 자세감지센서와; 상기 자세감지센서에서 제공되는 로봇의 자세 정보에 따라 상기 휠 구동유닛과 디스크 구동유닛 및 로터 구동유닛을 선택적으로 제어하는 제어보드를 포함하는 구성된 것을 특징으로 한다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a unicycle robot that enables accurate and stable driving without losing center of gravity by enabling posture control for automatic driving and pitch-roll-yaw movement. The unicycle robot of the present invention includes: a main body including a lower frame, an upper frame, a plurality of vertical connecting bars, a mount bracket, and a pair of pitch axis frames; A wheel connected to the lower side of the main body and rolling in the front and rear directions along the ground; A wheel driving unit controlling the pitch direction movement and posture of the main body by controlling the rotation of the wheel; A yaw direction switching disk which is installed to rotate about an axis perpendicular to the main body and controls the left and right direction switching of the main body by using rotational inertia in the left and right directions; A disk drive unit for rotating the disk; A roll control rotor installed on the upper side of the main body so as to rotate about a horizontal axis extending in the front-rear direction and controlling the left and right postures of the main body by rotational inertia; A rotor drive unit for controlling rotation of the roll control rotor; A posture detection sensor configured to detect a posture of the main body while driving in real time; And a control board for selectively controlling the wheel driving unit, the disk driving unit, and the rotor driving unit according to the attitude information of the robot provided by the attitude detecting sensor.

Description

외바퀴 로봇{unicycle robot}Unicycle robot

본 발명은 외바퀴 로봇(unicycle robot)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자동 주행 및 피치(pitch)-롤(roll)-요(yaw) 운동에 대한 자세 제어가 가능하도록 하여 주행시 중심을 잃지 않고 정확하고 안정적으로 주행할 수 있도록 한 외바퀴 로봇에 있어서 진동 및 소음을 최소화할 수 있는 구조를 갖는 외바퀴 로봇에 관한 것이다. The present invention relates to a unicycle robot, and more particularly, it is possible to control the attitude of the automatic driving and the pitch-roll-yaw movement so that it is accurate without losing the center of the driving. The present invention relates to a unicycle robot having a structure capable of minimizing vibration and noise in a unicycle robot that can stably run.

주지하는 바와 같이, 로봇은 산업 현장에서 각종 작업을 자동화하거나 인간이 수행하기 힘든 일을 대신 수행하기 위한 목적, 일상 생활에서 인간의 활동을 보조하기 위한 목적 등으로 사용될 뿐만 아니라, 의료용이나 오락용 등 다양한 목적으로 사용되고 있으며, 최근들어 각종 로봇에 대한 연구 및 개발이 더욱 가속화되고 있는 추세이다.As is well known, robots are not only used for the purpose of automating various tasks in the industrial field or performing tasks that are difficult for humans to perform, but also for the purpose of assisting human activities in daily life. It is used for various purposes, and in recent years, research and development on various robots have been further accelerated.

이러한 다양한 로봇 중 외바퀴로 주행이 가능한 로봇이 개발된 바 있는데, 기존의 외바퀴 주행 로봇은 프레임에 장착된 외바퀴와 강성 몸체, 헤드 부위에 설치된 제어보드와 가변 중심체 등으로 구성된다.Among these various robots, a robot capable of driving with a unicycle has been developed. The existing unicycle traveling robot is composed of a unicycle mounted on a frame, a rigid body, a control board installed at a head part, and a variable center body.

그러나, 기존의 외바퀴 로봇의 본체를 구성하는 프레임의 구조가 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw) 운동을 발생시키는 구동장치들을 고려하지 않고 설계되어 있기 때문에 외바퀴 로봇을 주행하는 도중 진동 및 소음이 발생하게 되고, 프레임의 내구성이 저하되며, 자세 안정성이 나빠져 제어가 어려운 문제가 있다.
However, since the structure of the frame constituting the body of a conventional unicycle robot is designed without considering driving devices that generate roll, pitch, and yaw motion, vibration during driving of the unicycle robot is performed. And noise is generated, the durability of the frame is lowered, there is a problem that posture stability is difficult to control.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw) 운동을 발생시키는 구동장치들과의 역학적 관계를 고려하여 프레임 구조를 설계하여 주행 중 진동 및 소음 발생을 최소화할 수 있는 외바퀴 로봇을 제공함에 있다.
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to design a frame structure in consideration of the mechanical relationship with the driving devices for generating roll, pitch, and yaw motion. By providing a unicycle robot that can minimize the generation of vibration and noise while driving.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 형태에 따르면, 본 발명은 본체와, 상기 본체의 하측에 연결되어 지면을 따라 전후방향으로 구름 운동하는 하나의 휠과, 상기 휠의 회전을 제어함으로써 본체의 피치방향 운동 및 자세를 제어하는 피치(pitch)방향 구동유닛과, 상기 본체에 수직한 축을 중심으로 회전하도록 설치되어 좌우방향으로의 회전관성을 이용하여 본체의 좌우 방향 전환을 제어하는 요(yaw)방향 전환용 디스크와, 상기 디스크를 회전시키는 디스크 구동유닛과, 상기 본체의 상측에 전후방향으로 연장된 수평축을 중심으로 회전하도록 설치되어 회전 관성에 의해 본체의 좌우방향 자세를 제어하는 롤(roll)제어용 로터와, 상기 롤제어용 로터의 회전을 제어하는 로터 구동유닛과, 상기 본체의 주행 중 자세를 실시간으로 감지하는 자세감지센서와, 상기 자세감지센서에서 제공되는 로봇의 자세 정보에 따라 상기 휠 구동유닛과 요방향 전환유닛 및 로터 구동유닛을 선택적으로 제어하는 제어보드를 포함하는 외바퀴 로봇에 있어서, 상기 본체는, 상기 요방향 전환용 디스크와 디스크 구동유닛이 설치되는 하부프레임과, 상기 하부프레임의 양측면부에서 하측으로 수직하게 연장되며 하단부가 상기 휠 구동유닛에 연결되는 한 쌍의 피치축 프레임과, 상기 하부프레임의 상부에 일정 거리 이격되게 결합되며 상부면에 상기 롤제어용 로터와 로터 구동유닛이 설치되는 상부프레임과, 상기 하부프레임과 상부프레임을 연결하는 복수개의 수직 연결바아와, 상기 롤제어용 로터의 반대편에서 상기 하부프레임과 상부프레임을 서로 연결하도록 설치되며 상기 제어보드가 결합되는 마운트브라켓을 포함하여 구성되며; 상기 수직 연결바아와 마운트브라켓은 상기 하부프레임과 상부프레임의 중심에 대해 좌우 대칭으로 배치된 것을 특징으로 하는 외바퀴 로봇을 제공한다.
According to an aspect of the present invention for achieving the above object, the present invention is connected to the lower side of the main body, by one wheel for rolling movement in the front and rear direction along the ground, and by controlling the rotation of the wheel A pitch direction driving unit for controlling the pitch direction movement and posture of the main body, and installed to rotate about an axis perpendicular to the main body to control the left and right direction switching of the main body using rotational inertia in the left and right directions ( yaw) a disk for turning a direction, a disk drive unit for rotating the disk, and a roll for rotating the disk about a horizontal axis extending in the front and rear direction and controlling the posture of the main body by rotational inertia ( roll) rotor, a rotor drive unit for controlling the rotation of the roll control rotor, and a posture for detecting the attitude of the main body in real time while driving The unidirectional robot comprising a finger sensor and a control board for selectively controlling the wheel driving unit, the yaw direction switching unit and the rotor driving unit according to the attitude information of the robot provided by the attitude detecting sensor. A lower frame having a yaw direction switching disk and a disk driving unit installed thereon, a pair of pitch axis frames extending vertically from both side portions of the lower frame downwardly and connected to the wheel driving unit at a lower end thereof; The upper frame is coupled to the upper spaced apart a predetermined distance and the upper frame is installed on the upper surface of the roll control rotor and the rotor drive unit, a plurality of vertical connecting bar connecting the lower frame and the upper frame, and the opposite side of the roll control rotor Mount bra which is installed to connect the lower frame and the upper frame to each other and the control board is coupled It is configured, including; The vertical connection bar and the mounting bracket provide a unicycle robot, characterized in that disposed symmetrically with respect to the center of the lower frame and the upper frame.

이러한 본 발명에 따르면, 상기 외바퀴 로봇의 제어보드가 결합되는 마운트브라켓이 롤제어용 로터의 반대편에 결합되어 롤제어용 로터로 인한 하중 편향을 보상하며, 외바퀴 로봇이 좌우 대칭을 이루게 되므로 주행 중 진동 및 소음 발생을 최소화할 수 있으며, 자세 안정성이 향상되어 제어 특성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다. According to the present invention, the mounting bracket to which the control board of the unicycle robot is coupled is coupled to the opposite side of the roll control rotor to compensate for the load deflection caused by the roll control rotor, so that the unicycle symmetrical vibration and noise during driving The occurrence can be minimized, and postural stability can be improved, thereby achieving an effect of improving control characteristics.

또한, 마운트브라켓이 보강대 역할도 겸하여 롤제어용 로터의 회전에 의해 발생하는 횡력과 평형 비틀림에도 견고하게 견딜 수 있는 효과도 있다.
In addition, the mount bracket also serves as a reinforcing rod, and also has the effect of being able to withstand the lateral force and the balance torsion caused by the rotation of the roll control rotor.

도 1은 본 발명에 따른 외바퀴 로봇의 정면에서 본 사시도이다.
도 2는 도 1의 외바퀴 로봇의 후면에서 본 사시도이다.
도 3은 도 1의 외바퀴 로봇의 측면도이다.
도 4는 도 1의 외바퀴 로봇의 피치축 프레임을 나타낸 사시도이다. 1 is a perspective view from the front of the unicycle robot according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of the rear robot of FIG. 1.
3 is a side view of the unicycle robot of FIG.
4 is a perspective view illustrating a pitch axis frame of the unicycle robot of FIG. 1.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 외바퀴 로봇의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the unicycle robot according to the present invention.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 외바퀴 로봇은 본체(10)와, 상기 본체(10)의 하측에 연결되어 지면을 따라 전후방향으로 구름 운동하는 하나의 휠(20)과, 상기 휠(20)의 회전을 제어함으로써 본체(10)의 피치방향(pitch) 운동 및 자세를 제어하는 휠 구동유닛(30)과, 상기 본체(10)에 수직한 축을 중심으로 회전하도록 설치되어 좌우방향으로의 회전관성을 이용하여 본체의 좌우 방향 전환을 제어하는 요(yaw)방향 전환용 디스크(40)와, 상기 요방향 전환용 디스크(40)를 회전시키는 디스크 구동유닛(50)과, 상기 본체(10)의 상측에 전후방향으로 연장된 수평한 회전축(61)을 중심으로 회전하도록 설치되어 회전 관성에 의해 본체(10)의 좌우방향 자세를 제어하는 롤(roll)제어용 로터(60)와, 상기 롤제어용 로터(60)의 회전을 제어하는 로터 구동유닛(70)과, 상기 본체(10)의 임의의 위치에 설치되며 본체(10)의 주행 중 본체가 전후방향으로 쓰러지려는 피치방향 자세와 본체가 좌우방향으로 틀어진 요방향 자세 및 본체가 좌우방향으로 쓰러지려는 롤 자세를 실시간으로 감지하는 자세감지센서(81)와, 상기 자세감지센서(81)에서 제공되는 로봇의 자세 정보에 따라 상기 휠 구동유닛(30)과 디스크 구동유닛(50) 및 로터 구동유닛(70)을 선택적으로 제어하는 제어보드(80)를 포함하여 구성된다. 1 to 4, the unicycle robot of the present invention includes a main body 10, one wheel 20 connected to the lower side of the main body 10 to roll back and forth along the ground, and the wheels. The wheel drive unit 30 which controls the pitch movement and posture of the main body 10 by controlling the rotation of the main body 10, and is installed to rotate about an axis perpendicular to the main body 10 in the horizontal direction Yaw direction switching disk 40 for controlling the left and right direction switching of the main body using the rotational inertia of the main body, a disk drive unit 50 for rotating the yaw direction switching disk 40, and the main body ( A roll control rotor 60 installed to rotate about a horizontal rotating shaft 61 extending in the front-rear direction on the upper side of 10) to control the posture of the main body 10 by rotational inertia; Rotor drive unit 70 for controlling the rotation of the roll control rotor 60 and the main body 10 Posture detection to detect in real time the pitch direction posture that the main body is to fall in the front and rear direction, the yaw direction posture in which the main body is turned left and right, and the roll posture in which the main body is to fall in the left and right direction while the main body 10 is running. A control board for selectively controlling the wheel drive unit 30, the disk drive unit 50, and the rotor drive unit 70 according to the sensor 81 and the attitude information of the robot provided from the posture detection sensor 81. It comprises 80.

상기 본체(10)는 하부프레임(11)과, 상기 하부프레임(11)의 상부에 일정 거리 이격되게 결합되는 상부프레임(12)과, 상기 하부프레임(11)과 상부프레임(12)을 상호 연결하는 복수개의 수직 연결바아(13)와, 상기 롤제어용 로터(60)의 반대편에서 상기 하부프레임(11)과 상부프레임(12)을 서로 연결하도록 설치되는 마운트브라켓(14)과, 상기 하부프레임(11)의 양측면부에서 하측으로 수직하게 연장되는 한 쌍의 피치축 프레임(15)을 포함하여 구성되며, 본체(10)는 자세 안정성을 향상시키기 위하여 좌우가 대칭으로 이루어진다. The main body 10 has a lower frame 11 and an upper frame 12 coupled to the upper portion of the lower frame 11 by a predetermined distance, and the lower frame 11 and the upper frame 12 are interconnected. A plurality of vertical connecting bars 13 and a mounting bracket 14 installed to connect the lower frame 11 and the upper frame 12 to each other on the opposite side of the roll control rotor 60, and the lower frame ( 11) comprises a pair of pitch axis frame 15 extending vertically from both side portions of the lower side, the main body 10 is made symmetrical to the left and right to improve posture stability.

상기 하부프레임(11)은 알루미늄 등의 금속으로 된 사각 플레이트 형태로 이루어진다. 상기 하부프레임(11)의 상면에는 상기 디스크 구동유닛(50)이 결합된다. 상기 하부프레임(11)에는 상기 자세감지센서(81) 등을 결합하기 위한 복수개의 탭홀(11a)이 형성되는 것이 바람직하다. The lower frame 11 is formed in the form of a square plate made of metal such as aluminum. The disk drive unit 50 is coupled to an upper surface of the lower frame 11. Preferably, the lower frame 11 is provided with a plurality of tap holes 11a for coupling the posture detection sensor 81 and the like.

상기 상부프레임(12) 역시 하부프레임(11)과 마찬가지로 알루미늄 등의 금속으로 된 사각 플레이트 형태로 이루어지며, 그 상부면에는 상기 롤제어용 로터(60)를 구동시키기 위한 로터 구동유닛(70)이 설치된다. 상기 로터 구동유닛(70)은 상부프레임(12)의 상부면에 설치된 모터브라켓(16)에 결합되어 지지되며, 롤제어용 로터(60)는 상기 상부프레임(12)과의 간섭을 피하기 위하여 상부프레임(12)의 전단부 외측에 위치된다. 상기 모터브라켓(16)은 상기 로터 구동유닛(70) 외에도 자세감지센서(81) 등의 센서를 설치할 수 있는 공간을 제공하는 기능도 제공한다. Like the lower frame 11, the upper frame 12 is also made of a square plate made of metal such as aluminum, and a rotor driving unit 70 for driving the roll control rotor 60 is installed on the upper surface thereof. do. The rotor driving unit 70 is supported by being coupled to the motor bracket 16 installed on the upper surface of the upper frame 12, the roll control rotor 60 is the upper frame to avoid interference with the upper frame 12 It is located outside the front end of (12). The motor bracket 16 also provides a function of providing a space for installing a sensor such as a posture detection sensor 81 in addition to the rotor driving unit 70.

그리고, 상기 피치축 프레임(15)은 알루미늄 등의 금속으로 된 T자형 바아 형태로 이루어지며, 그 하단부가 상기 휠(20)의 회전축(21) 양단에 연결되어 휠(20)을 지지한다. 상기 피치축 프레임(15)에는 서스펜션 스프링과 같은 유연한 구조물이 설치되지 않는 것이 바람직한데, 이는 주행중 서스펜션 스프링 등에 의해 발생하는 상하 및/또는 전후, 좌우로 발생하는 진동을 최소화하기 위함이다. The pitch shaft frame 15 is formed in the form of a T-shaped bar made of metal such as aluminum, and a lower end thereof is connected to both ends of the rotation shaft 21 of the wheel 20 to support the wheel 20. It is preferable that a flexible structure such as a suspension spring is not installed in the pitch shaft frame 15, in order to minimize vibrations generated up and down and / or front and rear, left and right generated by a suspension spring or the like while driving.

또한, 상기 피치축 프레임(15)의 하단부에는 도 4에 도시된 것처럼 상기 휠(20)의 회전축(21)이 삽입되어 고정되는 축고정홀(15a)이 전방 또는 후방으로 절개되게 형성된다. 이와 같이 전방 또는 후방으로 개방된 축고정홀(15a)을 통해 휠(20)의 회전축(21)을 삽입하여 연결하면, 휠(20) 또는 휠 구동유닛(30)의 교체나 수리 등의 작업을 수행할 때 휠(20)을 분리시키거나 결합시키기가 용이해지는 이점을 얻을 수 있다. In addition, as shown in FIG. 4, the lower end of the pitch shaft frame 15 is formed such that the shaft fixing hole 15a to which the rotating shaft 21 of the wheel 20 is inserted and fixed is cut forward or rearward. When the rotary shaft 21 of the wheel 20 is inserted and connected through the shaft fixing hole 15a opened in the front or rear in this way, work such as replacing or repairing the wheel 20 or the wheel drive unit 30 is performed. When performed, it is possible to obtain an advantage that the wheel 20 is easily separated or coupled.

상기 수직 연결바아(13)는 금속으로 된 직사각형의 바아로 이루어지며, 하단부 및 상단부 각각이 상기 하부프레임(11)과 상부프레임(12)에 볼트 또는 스크류 등의 체결수단에 의해 단단히 체결된다. 그리고, 수직 연결바아(13)의 중간부분에는 하부프레임(11)과 상부프레임(12)의 외측면을 둘러싸는 보호커버(미도시)를 결합하기 위한 복수개의 탭홀(13a)이 형성되어 있다. The vertical connection bar 13 is formed of a rectangular bar made of metal, and the lower end and the upper end are respectively fastened to the lower frame 11 and the upper frame 12 by fastening means such as bolts or screws. In addition, a plurality of tab holes 13a are formed at a middle portion of the vertical connection bar 13 to couple a protective cover (not shown) surrounding the outer surface of the lower frame 11 and the upper frame 12.

상기 마운트브라켓(14)은 직사각형의 금속 프레임으로 이루어지며, 2개가 하부프레임(11)과 상부프레임(12)의 중앙선을 기준으로 좌우 대칭으로 배치된다. 상기 마운트브라켓(14)의 내측에는 상기 제어보드(80)가 결합된다. The mount bracket 14 is made of a rectangular metal frame, two of which are arranged symmetrically with respect to the center line of the lower frame 11 and the upper frame 12. The control board 80 is coupled to the inside of the mount bracket 14.

한편, 본 발명의 외바퀴 로봇은 상기 휠(20)의 회전축 중심에서부터 본체(10)의 무게중심(G)까지의 수직 거리(L)와 상기 본체(10)의 무게중심(G)에서부터 상기 롤제어용 로터(60)의 회전축(61) 중심까지의 수직 거리(L)는 동일한 것이 바람직하다. 이와 같이 휠(20)의 회전축 중심에서부터 본체(10)의 무게중심(G)까지의 수직 거리(L)와 본체(10)의 무게중심(G)에서부터 롤제어용 로터(60)의 회전축(61) 중심까지의 수직 거리(L)를 1:1이 되도록 하면, 자세 제어가 용이해지는 이점을 얻을 수 있다. On the other hand, the unicycle robot of the present invention for the roll control from the vertical distance (L) from the center of the rotation axis of the wheel 20 to the center of gravity (G) of the main body 10 and the center of gravity (G) of the main body 10 It is preferable that the vertical distance L to the center of the rotating shaft 61 of the rotor 60 is the same. In this way, the vertical distance (L) from the center of the rotation axis of the wheel 20 to the center of gravity (G) of the body 10 and the rotation axis (61) of the roll control rotor (60) from the center of gravity (G) of the body (10) When the vertical distance L to the center is set to 1: 1, the advantage of easy posture control can be obtained.

또한, 상기 본체(10)의 무게중심(G)은 휠(20)의 회전축(21) 중심으로부터 롤제어용 로터(60)의 반대 방향, 즉 후방으로 일정 거리(Os) 치우쳐서 위치된 것이 바람직하다. 이는 롤제어용 로터(60)가 본체(10)의 전방에 치우쳐 위치하기 때문에 본체(10)가 전방으로 기울어지는 힘을 어느 정도 상쇄하여 균형을 쉽게 유지하기 위함이다. In addition, it is preferable that the center of gravity G of the main body 10 is positioned at a predetermined distance Os from the center of the rotation shaft 21 of the wheel 20 in the opposite direction of the roll control rotor 60, that is, rearward. This is because the roll control rotor 60 is located in front of the main body 10 to offset the force of the main body 10 to the front to some extent to maintain the balance easily.

상기 휠 구동유닛(20)은 상기 휠(20)의 중심부에 일체로 구성된 외전형모터(outer rotor type motor)로 이루어진다. 그리고, 상기 디스크 구동유닛(30)은 하부프레임(11)의 상부면에 고정되게 설치되는 DC모터로 이루어지며, 상기 로터 구동유닛(40)은 상부프레임(12)의 상단에 설치되어 상기 롤제어용 로터(60)를 시계방향 또는 반시계방향으로 선택적으로 회전시키는 DC모터로 이루어진다. The wheel driving unit 20 is composed of an outer rotor type motor integrally configured at the center of the wheel 20. In addition, the disk drive unit 30 is made of a DC motor is fixed to the upper surface of the lower frame 11, the rotor drive unit 40 is installed on the upper end of the upper frame 12 for the roll control It consists of a DC motor which selectively rotates the rotor 60 clockwise or counterclockwise.

상기 롤제어용 로터(60)의 양단부에는 회전 관성력을 증대시키기 위하여 무게추(62)가 장착되어 있다. On both ends of the roll control rotor 60, a weight 62 is mounted to increase the rotational inertia force.

상기 자세감지센서(81)는 자이로센서(gyro sensor) 및/또는 기울기 센서 등을 이용하여 구성할 수 있으며, 상기 하부프레임(11) 또는 상부프레임(12), 마운트브라켓(14)에 설치될 수 있다. The posture detection sensor 81 may be configured using a gyro sensor and / or an inclination sensor, and may be installed in the lower frame 11 or the upper frame 12 and the mount bracket 14. have.

상기 제어보드(80)는 예컨대 마이크로 콘트롤러 등의 전자부품이 실장된 PCB 기판으로 이루어질 수 있으며, 상기 자세감지센서(81)와 휠(20)을 구동시키기 위한 휠 구동유닛(30), 디스크 구동유닛(50), 로터 구동유닛(70)과 전기적으로 연결되어 로봇의 주행 및 자세를 제어한다. The control board 80 may be formed of, for example, a PCB board on which electronic components such as a micro controller are mounted, and includes a wheel driving unit 30 and a disk driving unit for driving the attitude sensor 81 and the wheel 20. 50, electrically connected to the rotor drive unit 70 controls the running and attitude of the robot.

상기와 같이 구성된 외바퀴 로봇은 다음과 같이 동작한다. The unicycle robot configured as described above operates as follows.

상기 제어보드(80)가 미리 입력되어 있는 자율 주행 프로그램에 따라 상기 휠 구동유닛(30)에 소정의 제어신호를 인가하면, 휠(20)이 회전 운동하면서 로봇이 전방 또는 후방으로 주행하기 시작한다. When the control board 80 applies a predetermined control signal to the wheel driving unit 30 according to the autonomous driving program input in advance, the robot 20 starts to move forward or backward while the wheel 20 rotates. .

이와 같이 로봇이 주행하는 과정에서 여러가지 요인에 의해 로봇이 균형을 잃게 되는데, 만약 로봇이 전후방향, 즉 피치방향으로 쓰러지려고 하게 되면, 자세감지센서(81)가 이를 감지하여 상기 제어보드(80)에 전달하고, 이 정보에 근거하여 상기 제어보드(80)가 휠 구동유닛(30)에 신호를 보내어 휠(20)을 기울어지는 반대 방향으로 연속 회전시켜 로봇이 쓰러지지 않고 피치방향 균형을 유지하도록 제어한다.As such, the robot loses its balance due to various factors in the process of driving the robot. If the robot tries to fall in the front-back direction, that is, the pitch direction, the attitude sensor 81 detects this and the control board 80 And the control board 80 sends a signal to the wheel drive unit 30 based on this information to continuously rotate the wheel 20 in an inclined opposite direction so that the robot does not fall and maintains the balance in the pitch direction. do.

그리고, 로봇이 좌우방향으로 쓰러지려고 하는 경우(물론, 이러한 로봇의 자세에 대한 정보는 자세감지센서(81)에 의해 실시간으로 감지되어 제어보드(80)로 전달된다)에는 제어보드(80)가 상기 로터 구동유닛(70)에 소정의 제어신호를 인가하여 롤제어용 로터(60)를 시계방향 또는 반시계방향으로 고속으로 회전시키고, 이로써 쓰러지는 방향의 반대방향으로 회전관성력이 발생하도록 하여 로봇이 좌우방향으로 쓰러지는 것을 방지한다. And, if the robot is going to fall in the left and right direction (of course, information about the attitude of the robot is detected in real time by the posture detection sensor 81 is transmitted to the control board 80) control board 80 is By applying a predetermined control signal to the rotor driving unit 70, the roll control rotor 60 is rotated at a high speed in a clockwise or counterclockwise direction, thereby causing the rotational inertia force to be generated in a direction opposite to the falling direction, so that the robot is left and right. To prevent falling in a direction.

이와 같이 상기 로봇은 주행 과정에서 상기 자세감지센서(81)에 의해 제공되는 자세 정보에 따라 상기 휠(20)과 롤제어용 로터(60)의 회전 방향을 수시로 가변시키면서 로봇의 피치방향 자세 및 롤방향 자세를 안정적으로 제어한다. As such, the robot may vary the rotational direction of the wheel 20 and the roll control rotor 60 from time to time according to the attitude information provided by the attitude sensor 81 during the driving process. Stable control of posture.

한편, 상기 외바퀴 로봇이 주행 중 좌 또는 우 방향으로 방향전환을 수행하고자 할 경우에는, 상기 제어보드(80)에서 디스크 구동유닛(50)에 소정의 제어신호를 인가하면, 요방향 전환용 디스크(40)가 수직한 축을 중심으로 좌측방향 또는 우측방향으로 순간적으로 고속 회전하게 되고, 이로 인해 회전관성이 발생하여 본체(10)가 요방향 전환용 디스크(40)의 회전방향과 동일한 방향으로 회전하여 방향이 전환된다. On the other hand, when the unicycle robot wants to change direction in the left or right direction while driving, when a predetermined control signal is applied to the disc drive unit 50 in the control board 80, the disc for yaw direction switching ( 40 is instantaneously rotated at a high speed in the left or right direction about the vertical axis, which causes a rotational inertia to rotate the main body 10 in the same direction as the rotation direction of the yaw direction switching disk 40 The direction is reversed.

이와 같은 본 발명의 외바퀴 로봇은 본체(10)를 구성하는 하부프레임(11)과 상부프레임(12), 수직 연결바아(13), 마운트브라켓(14), 피치축 프레임(15) 등이 구동유닛들과의 역학적 관계를 고려하여 설계되어 있으므로, 주행 중 외란을 최소화하여 진동 및 소음을 억제할 수 있고, 자세 제어가 더욱 용이해지는 이점을 얻을 수 있다. As described above, the unicycle robot includes a lower frame 11 and an upper frame 12, a vertical connecting bar 13, a mounting bracket 14, a pitch shaft frame 15, and the like that constitute the main body 10. Since it is designed in consideration of the mechanical relationship with the field, it is possible to minimize the disturbance during driving to suppress the vibration and noise, it is possible to obtain the advantage that the posture control becomes easier.

전술한 본 발명에 따른 외바퀴 로봇에 대한 실시예는 단지 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시 목적으로 제시된 것으로 본 발명은 이에 국한되지 않으며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 첨부된 특허청구범위에 기재된 기술 사상의 범주 내에서 다양한 변경 및 실시가 가능할 것이다.
Exemplary embodiments of the unicycle robot according to the present invention are presented for illustrative purposes only to help understanding of the present invention, and the present invention is not limited thereto, and those skilled in the art to which the present invention pertains have attached patents. Various changes and implementations may be made within the scope of the technical idea described in the claims.

10 : 본체 11 : 하부프레임
12 : 상부프레임 13 : 수직 연결바아
14 : 마운트브라켓 15 : 피치축 프레임
16 : 모터브라켓 20 : 휠
21 : 회전축 30 : 휠 구동유닛
40 : 요방향 전환용 디스크 50 : 디스크 구동유닛
60 : 롤제어용 로터 61 : 회전축
62 : 무게추 70 : 로터 구동유닛
80 : 제어보드 81 : 자세감지센서
G : 무게중심10: main body 11: lower frame
12: upper frame 13: vertical connection bar
14: mount bracket 15: pitch axis frame
16: motor bracket 20: wheel
21: rotating shaft 30: wheel drive unit
40: disc for yaw direction 50: disk drive unit
60: roll control rotor 61: rotating shaft
62: weight 70: rotor drive unit
80: control board 81: posture detection sensor
G: center of gravity

Claims (4)

본체(10)와, 상기 본체(10)의 하측에 연결되어 지면을 따라 전후방향으로 구름 운동하는 하나의 휠(20)과, 상기 휠(20)의 회전을 제어함으로써 본체의 피치방향 운동 및 자세를 제어하는 휠 구동유닛(30)과, 상기 본체(10)에 수직한 축을 중심으로 회전하도록 설치되어 좌우방향으로의 회전관성을 이용하여 본체의 좌우 방향 전환을 제어하는 요(yaw)방향 전환용 디스크(40)와, 상기 디스크(40)를 회전시키는 디스크 구동유닛(50)과, 상기 본체(10)의 상측에 전후방향으로 연장된 수평한 축(61)을 중심으로 회전하도록 설치되어 회전 관성에 의해 본체(10)의 좌우방향 자세를 제어하는 롤(roll)제어용 로터(60)와, 상기 롤제어용 로터(60)의 회전을 제어하는 로터 구동유닛(70)과, 상기 본체(10)의 임의의 위치에 설치되며 본체(10)의 주행 중 본체가 전후방향으로 쓰러지려는 피치방향 자세와 본체가 좌우방향으로 틀어진 요방향 자세 및 본체가 좌우방향으로 쓰러지려는 롤 자세를 실시간으로 감지하는 자세감지센서(81)와, 상기 자세감지센서(81)에서 제공되는 로봇의 피치방향 자세와 요방향 자세 및 롤 자세 정보에 따라 상기 휠 구동유닛(30)과 디스크 구동유닛(50) 및 로터 구동유닛(70)을 선택적으로 제어하는 제어보드(80)를 포함하는 외바퀴 로봇에 있어서,
상기 본체(10)는, 상기 요방향 전환용 디스크(40)와 디스크 구동유닛(50)이 설치되는 하부프레임(11)과, 상기 하부프레임(11)의 양측면부에서 하측으로 수직하게 연장되며 하단부가 상기 휠(20)의 회전축 양단에 연결되는 한 쌍의 피치축 프레임(15)과, 상기 하부프레임(11)의 상부에 일정 거리 이격되게 결합되며 상부면에 상기 롤제어용 로터(60)와 로터 구동유닛(70)이 설치되는 상부프레임(12)과, 상기 하부프레임(11)과 상부프레임(12)을 연결하는 복수개의 수직 연결바아(13)와, 상기 롤제어용 로터(60)의 반대편에서 상기 하부프레임(11)과 상부프레임(12)을 서로 연결하도록 설치되며 상기 제어보드(80)가 결합되는 마운트브라켓(14)을 포함하여 구성되며;
상기 수직 연결바아(13)와 마운트브라켓(14)은 상기 하부프레임(11)과 상부프레임(12)의 중심에 대해 좌우 대칭으로 배치된 것을 특징으로 하는 외바퀴 로봇.
Pitch direction movement and posture of the main body by controlling the rotation of the main body 10, one wheel 20 connected to the lower side of the main body 10 in the forward and backward direction along the ground, and the wheel 20, Wheel drive unit 30 for controlling the yaw direction is installed to rotate about the axis perpendicular to the main body 10, the yaw direction for controlling the left and right direction switching of the main body using the rotational inertia in the left and right direction The disk 40, the disk drive unit 50 for rotating the disk 40, and is installed to rotate about the horizontal axis 61 extending in the front and rear direction on the upper side of the main body 10 is rotated inertia The roll control rotor 60 for controlling the posture of the main body 10 in the left and right directions, the rotor drive unit 70 for controlling the rotation of the roll control rotor 60, and the main body 10. It is installed at an arbitrary position and the body is to fall down in the front and rear direction while the body 10 is running. Posture detection sensor 81 for detecting the posture of the tooth and the posture of the main body is twisted in the left and right direction, and the roll posture to fall in the left and right direction in real time, and the pitch direction of the robot provided from the posture detection sensor 81 In the unicycle robot comprising a control board 80 for selectively controlling the wheel drive unit 30, the disk drive unit 50 and the rotor drive unit 70 according to the posture, yaw direction posture and roll posture information,
The main body 10 has a lower frame 11 on which the yaw direction switching disk 40 and the disk drive unit 50 are installed, and extends vertically downward from both side portions of the lower frame 11. A pair of pitch shaft frames 15 connected to both ends of the rotating shaft of the wheel 20 and the upper portion of the lower frame 11 at a predetermined distance, and the roll control rotor 60 and the rotor on the upper surface thereof. On the opposite side of the upper frame 12, the drive unit 70 is installed, a plurality of vertical connecting bar 13 connecting the lower frame 11 and the upper frame 12, and the roll control rotor 60 It is installed to connect the lower frame (11) and the upper frame (12) to each other and comprises a mounting bracket (14) to which the control board (80) is coupled;
The vertical connecting bar (13) and the mounting bracket 14 is a unicycle robot, characterized in that arranged in the left and right symmetry with respect to the center of the lower frame (11) and the upper frame (12).
제1항에 있어서, 상기 휠(20)의 회전축(21) 중심에서부터 본체(10)의 무게중심(G)까지의 수직 거리(L)와 상기 본체의 무게중심(G)에서부터 상기 롤제어용 로터(60)의 회전축(61) 중심까지의 수직 거리(L)는 동일한 것을 특징으로 하는 외바퀴 로봇.
According to claim 1, wherein the vertical distance (L) from the center of the rotation axis 21 of the wheel 20 to the center of gravity (G) of the body 10 and the center of gravity (G) of the body from the roll control rotor ( A unicycle robot, characterized in that the vertical distance (L) to the center of the rotation axis 61 of the 60 is the same.
제1항에 있어서, 상기 피치축 프레임(15)의 하단부에는 상기 휠(20)의 회전축(21)이 삽입되어 고정되는 축고정홀(15a)이 전방 또는 후방으로 절개되게 형성된 것을 특징으로 하는 외바퀴 로봇.
The wheel according to claim 1, wherein a shaft fixing hole (15a) in which the rotating shaft (21) of the wheel (20) is inserted and fixed to the lower end of the pitch shaft frame (15) is cut forward or rearward. robot.
제1항에 있어서, 상기 본체의 무게중심(G)은 상기 휠(20)의 회전축(21) 중심으로부터 롤제어용 로터(60)의 반대 방향으로 일정 거리 치우쳐서 위치된 것을 특징으로 하는 외바퀴 로봇.The unidirectional robot according to claim 1, wherein the center of gravity (G) of the main body is located at a predetermined distance in a direction opposite to the roll control rotor (60) from the center of the rotation axis (21) of the wheel (20).
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