KR101269628B1 - 볼 세그웨이 - Google Patents

Abstract

본 발명은 볼 세그웨이에 관한 것으로서, 특히 사용자가 탑승이 가능하도록 상판과 하판으로 구성되고, 사용자가 탑승이 가능하도록 상판과 하판으로 구성되고, 상기 상판에 전원스위치가 마련되는 핸들과 배터리가 장착되며, 상기 하판에는 중앙부에 배출홀이 형성되고, 저면에 4방향으로 설치되는 복수의 구동 모터와, 상기 구동 모터에 의해 회전되고, 상기 배출홀을 통해 상부가 일부 배출되는 볼이 장착되는 기구부와; 외부의 제어에 따라 상기 기구부의 구동 모터를 제어하는 모터 컨트롤러와; 3축 가속도센서, 3축 각속도센서 그리고 3축 지자기센서를 통해 상기 기구부의 기울기를 실시간으로 측정하여 해당 신호를 출력하는 IMU 컨트롤러와; 현재 상태와, 안정도와, 속도와, 주행 방향 및 배터리 잔량을 실시간으로 디스플레이하고, 상기 기구부의 핸들 일측에 설치되는 LCD; 및 상기 IMU 컨트롤러에서 실시간으로 전송되는 신호를 통해 상기 모터 컨트롤러를 제어하여 중심을 잡고 이동시키는 메인 컨트롤러로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면 바퀴형태가 아닌 하나의 볼 형태의 바퀴를 장착하여 볼만으로도 이동이 가능하도록 하여 디자인적 측면이나 실용적인 측면에서 다양한 형태의 제품을 제공할 수 있다.

Description

볼 세그웨이{BALL SEGWAY}

본 발명은 볼 세그웨이에 관한 것으로서, 상세하게는 바퀴형태가 아닌 하나의 볼 형태의 바퀴를 장착하여 볼만으로도 이동이 가능하도록 하는 볼 세그웨이에 관한 것이다.

현재 그린 캠페인과 맞물려 친 환경적 이동수단이 각광 받고 있다. 그 과정에서 탄생한 세그웨이나 전동 자전거와 스쿠터 등이 시중에서 팔리고 있다.

상기 세그웨이(Segway)는 미국의 발명가인 '딘 카멘(Dean Kamen)'이 2001년 12월 공개한 1인용 스쿠터로서, 자동으로 중심을 잡고 몸의 움직임만으로 전진·후진·회전이 가능한 최첨단 스쿠터를 말한다.

세그웨이는 바퀴 두개가 달려 있는 킥보드 모양의 스쿠터로, 사용자는 디지털 열쇠를 꼽은 뒤 발판 위에 올라선 뒤 원하는 방향으로 몸을 조금씩 기울이기만 하면 저절로 움직인다. 브레이크가 따로 없고 말을 세울 때 고삐를 당기고 몸을 뒤로 기울이는 것처럼 하면 제자리에 서며, 전기동력을 사용하며 첨단 마이크로프로세서가 자이로스코프와 동체 사이에서 제어·명령 기능을 담당하며, 최대 시속 19㎞(12마일)의 속도를 낼 수 있다.

그러나, 이러한 세그웨이는 한 개 또는 두 개의 바퀴를 사용하여야만 하고, 그 형태에 큰 변화를 주지 못하여 디자인적 측면이나 실용적인 측면에서 다양한 형태의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 요구에 부응하기 위한 것으로, 바퀴형태가 아닌 하나의 볼 형태의 바퀴를 장착하여 볼만으로도 이동이 가능하도록 하는 볼 세그웨이를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,

사용자가 탑승이 가능하도록 상판과 하판으로 구성되고, 상기 상판에 전원스위치가 마련되는 핸들과 배터리가 장착되며, 상기 하판에는 중앙부에 배출홀이 형성되고, 저면에 4방향으로 설치되는 복수의 구동 모터와, 상기 구동 모터에 의해 회전되고, 상기 배출홀을 통해 상부가 일부 배출되는 볼이 장착되는 기구부와; 외부의 제어에 따라 상기 기구부의 구동 모터를 제어하는 모터 컨트롤러와; 3축 가속도센서, 3축 각속도센서 그리고 3축 지자기센서를 통해 상기 기구부의 기울기를 실시간으로 측정하여 해당 신호를 출력하는 IMU 컨트롤러와; 현재 상태와, 안정도와, 속도와, 주행 방향 및 배터리 잔량을 실시간으로 디스플레이하고, 상기 기구부의 핸들 일측에 설치되는 LCD; 및 상기 IMU 컨트롤러에서 실시간으로 전송되는 신호를 통해 상기 모터 컨트롤러를 제어하여 중심을 잡고 이동시키는 메인 컨트롤러로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 기구부는 상기 상판과 하판이 지지대에 의해 상호 이격되고, 상기 상판의 저면에 상기 볼과 접촉되는 복수의 보조 롤러와; 상기 하판의 저면에서 상기 구동 모터가 결합되도록 수직으로 설치되는 고정 패널과; 상기 고정 패널에 의해 상기 구동 모터와 기어에 의해 연결되고, 상기 볼과 면접되는 구동 롤러와; 상기 고정 패널의 저면에 설치되어 전복을 방지하는 전복 방지 롤러; 및 상기 볼에 한쌍이 설치되어 상기 볼의 회전 속도와 회전 방향을 측정하는 로터리 엔코더를 포함한다.

여기에서 또한, 상기 모터 컨트롤러는 H-브리지 회로를 구성하여 상기 기구부의 구동 모터의 정역을 제어하고, 상기 기구부의 기울기 정도에 따라 상기 구동 모터의 속도를 제어하며, 각 구동 모터의 회전 정도를 제어하여 진행 방향을 제어한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명인 볼 세그웨이에 따르면, 바퀴형태가 아닌 하나의 볼 형태의 바퀴를 장착하여 볼만으로도 이동이 가능하도록 하여 디자인적 측면이나 실용적인 측면에서 다양한 형태의 제품을 제공할 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 볼 세그웨이의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 볼 세그웨이의 구성을 나타낸 정면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 볼 세그웨이의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 발명에 따른 볼 세그웨이의 구성중 LCD의 구성을 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 볼 세그웨이의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 볼 세그웨이의 구성을 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 볼 세그웨이의 구성을 나타낸 정면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 볼 세그웨이의 구성을 나타낸 블록도이고, 도 5는 본 발명에 따른 볼 세그웨이의 구성중 LCD의 구성을 나타낸 도면이다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 볼 세그웨이(1)는 기구부(10)와, 모터 컨트롤러(20)와, IMU 컨트롤러(30)와, LCD(40)와, 메인 컨트롤러(50)로 구성된다.

먼저, 기구부(10)는 사용자가 탑승이 가능하도록 상판(11)과 하판(12)으로 구성되고, 상판(11)에는 전원스위치(미도시)가 마련되는 핸들(13)과 배터리(BATT)가 장착되며, 하판(12)에는 중앙부에 배출홀(12a)이 형성되고, 하판(12)에서 4방향으로 설치되는 복수의 구동 모터(14)와, 구동 모터(14)에 의해 회전되고, 배출홀(11a)을 통해 상부가 일부 배출되는 볼(B)이 장착된다. 이때, 볼(B)은 표면에 우레탄을 코팅하여 하기에서 설명할 구동 롤러(17)와의 마찰력을 극대화시키는 것이 바람직하다.

여기에서, 기구부(10)는 상판(11)과 하판(12)이 지지대(12b)에 의해 상호 이격되고, 상판(11)의 저면에 볼(B)과 접촉되는 복수의 보조 롤러(15)와, 하판(12)의 저면에서 구동 모터(14)가 결합되도록 수직으로 설치되는 고정 패널(16)과, 고정 패널(16)에 의해 구동 모터(14)와 기어(14a)에 의해 연결되고, 볼(B)과 면접되며, 우레탄과 같은 재질로 형성되는 구동 롤러(17)와, 고정 패널(16)의 저면에 설치되어 전복을 방지하는 전복 방지 롤러(18)와, 볼(B)에 한쌍이 설치되어 볼(B)의 회전 속도와 회전 방향을 측정하는 로터리 엔코더(19)를 더 구비한다.

그리고, 모터 컨트롤러(20)는 H-브리지 회로를 구성하여 하기에서 설명할 메인 컨트롤러(50)의 제어에 따라 기구부(10)의 구동 모터(14)를 PWM 제어를 통해 정역으로 제어하고, 기구부(10)의 기울기 정도에 따라 구동 모터(14)의 속도를 제어하며, 각 구동 모터(14)의 회전 정도를 제어하여 진행 방향을 제어한다. 여기에서, 모터 컨트롤러(20)는 DSP를 이용하여 PWM 파형을 발생 시키고, H-브리지 회로를 통해 DC 모터인 구동 모터(14)로 PWM 파형을 펌프한다.

또한, IMU 컨트롤러(30)는 3축 가속도센서(31), 3축 각속도센서(33) 및 3축 지자기센서(35)를 통해 기구부(10)의 기울기를 실시간으로 측정하여 해당 신호를 출력한다. 여기에서, IMU 컨트롤러(30)는 볼 세그웨이가 넘어지지 않고 서있으려면 끊임없이 볼 세그웨이의 기울어진 각도를 측정해서 그에 반응해야 한다. 그러기 위해서 자세 측정장치인 AHRS를 제작한다. AHRS(Attitude and Heading Reference System)는 볼 세그웨이의 롤(Roll), 피치(Pitch) 그리고 요(Yaw)값을 추정하는 장비이다. 이를 위해서 3축 가속도센서, 3축 각속도센서 그리고 3축 지자기센서가 필요로 하게 된다. 본 프로젝트에선 기울어진 각도를 정밀하게 측정해야 되므로 여러 보정 알고리즘을 통해서 고 신뢰성의 AHRS을 제작하는 것을 목표로 한다. 시중에서 쉽게 구입이 가능한 MEMS 기반의 가속도기, 지자기 등을 통해서 장비의 자세를 측정하는 방법은 아래 그림의 수식과 같다. 하지만 가속도와 지자기 만으로 자세를 측정하는 것은 많은 오차를 포함하게 된다 예를 들어 가속도기는 중력 가속도 뿐만 아니라 로봇의 움직임에 따라 발생되는 가속도 역시 측정하게 되므로 정확한 자세를 측정하는데 어려움을 겪게 된다. 이러한 오류를 제거하기 위해 각속도기를 복합적으로 사용함으로써 움직임으로 발생되는 가속도 값을 제거하게 된다. 이들 가속도기와 각속도기를 결합하는 방식으로는 선형 칼만 필터(Kalman Filter)를 이용하게 된다.

또, LCD(40)는 현재 상태와, 안정도와, 속도와, 주행 방향 및 배터리 잔량을 실시간으로 디스플레이하고, 탑승자가 확인할 수 있도록 기구부(10)의 핸들(13) 일측에 설치된다.

한편, 메인 컨트롤러(50)는 IMU 컨트롤러(30)에서 실시간으로 전송되는 신호를 통해 모터 컨트롤러(20)를 제어하여 중심을 잡고 로터리 엔코더(18)를 통해 측정되는 속도를 통해 탑승자의 핸들(13) 기울기 변환에 대응되도록 이동시킨다. 여기에서, 메인 컨트롤러(50)는 퍼지추론을 통해 무게 중심을 잡는다.

이하, 본 발명에 따른 볼 세그웨이의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 이동 방식은 탑승자가 전진을 하고 싶으면 핸들을 잡은 상태로 앞쪽으로 무게중심을 살짝 옮겨 주면 해당 방향으로 이동에 필요한 구동 모터(14)들이 회전되어 볼(B)이 회전되고, 이로 인해 전진을 하게 된다.

이러한 상태에서, 좌회전 또는 우회전이 필요할 시에는 탑승자가 좌우로 살짝 무게중심을 옮겨 주면 IMU 컨트롤러(30)가 이를 감지하고, 메인 컨트롤러(50)가 모터 컨트롤러(20)를 제어하여 해당 방향으로 회전되도록 한다.

한편, 사람이 타고 다니는 개인이동수단인 만큼 탑승자에게 현재 상태를 보여주는 것이 필요하다.

기본적으로 LCD(40)는 도 5에 도시된 바와 같이 현재 상태와, 안정도와, 속도와, 주행 방향 및 배터리 잔량을 디스플레이한다.

현재 상태는 주행 중, 정지 중, 충전 중 이렇게 3가지 상태로 텍스트로 표시되고, 안정도는 바깥 두꺼운 원과 그 안쪽에 그려져 있는 원 그리고 사방으로 그려진 점선으로 표시하고, 속에 채워진 원이 안쪽 원에 존재 할 때는 넘어지지 않고 주행 가능한 상태임을 표시하고 채워진 원이 안쪽 원을 넘어설 시 경고 비프음을 내며 차량이 넘어질 가능성이 있음을 경고하는 데, 만약 채워진 원이 바깥 원을 넘을 시 차량이 넘어지게 될 가능성 아주 높음을 나타내게 된다.

그리고, LCD(40)는 속도를 3단계(2, 4, 6㎞/h)로 디스플레이하고, 이동 방향은 빈사각 박스에 색을 채워 넣어 표시하는 방식이다.

본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

10 : 기구부 20 : 모터 컨트롤러
30 : IMU 컨트롤러 40 : LCD
54 : 메인 컨트롤러

Claims (3)

1. 사용자가 탑승이 가능하도록 상판과 하판으로 구성되고, 상기 상판에 전원스위치가 마련되는 핸들과 배터리가 장착되며, 상기 하판에는 중앙부에 배출홀이 형성되고, 저면에 4방향으로 설치되는 복수의 구동 모터와, 상기 구동 모터에 의해 회전되고, 상기 배출홀을 통해 상부가 일부 배출되되 표면에 우레탄이 코팅되는 볼이 장착되며, 상기 상판과 하판이 지지대에 의해 상호 이격되고, 상기 상판의 저면에 상기 볼과 접촉되는 복수의 보조 롤러와, 상기 하판의 저면에서 상기 구동 모터가 결합되도록 수직으로 설치되는 고정 패널과, 상기 고정 패널에 의해 상기 구동 모터와 기어에 의해 연결되고, 상기 볼과 면접되는 구동 롤러와, 상기 고정 패널의 저면에 설치되어 전복을 방지하는 전복 방지 롤러 및 상기 볼에 한쌍이 설치되어 상기 볼의 회전 속도와 회전 방향을 측정하는 로터리 엔코더를 구비하는 기구부와;
   외부의 제어에 따라 상기 기구부의 구동 모터를 제어하되, H-브리지 회로를 구성하여 상기 기구부의 구동 모터의 정역을 제어하고, 상기 기구부의 기울기 정도에 따라 상기 구동 모터의 속도를 제어하며, 각 구동 모터의 회전 정도를 제어하여 진행 방향을 제어하는 모터 컨트롤러와;
   3축 가속도센서, 3축 각속도센서 그리고 3축 지자기센서를 통해 상기 기구부의 기울기를 AHRS(Attitude and Heading Reference System)를 이용하여 실시간으로 측정하여 해당 신호를 출력하는 IMU 컨트롤러와;
   현재 상태와, 안정도와, 속도와, 주행 방향 및 배터리 잔량을 실시간으로 디스플레이하되, 현재 상태는 주행 중, 정지 중, 충전 중 이렇게 3가지 상태로 텍스트로 표시되고, 안정도는 바깥 두꺼운 원과 그 안쪽에 그려져 있는 원 그리고 사방으로 그려진 점선으로 표시하고, 속에 채워진 원이 안쪽 원에 존재 할 때는 넘어지지 않고 주행 가능한 상태임을 표시하고 채워진 원이 안쪽 원을 넘어설 시 경고 비프음을 내며 차량이 넘어질 가능성이 있음을 경고하며, 속도를 3단계(2, 4, 6㎞/h)로 디스플레이하고, 이동 방향은 빈사각 박스에 색을 채워 넣어 표시하고, 상기 기구부의 핸들 일측에 설치되는 LCD; 및
   상기 IMU 컨트롤러에서 실시간으로 전송되는 신호를 통해 상기 모터 컨트롤러를 제어하여 중심을 잡고 상기 로터리 엔코더를 통해 측정되는 속도를 통해 탑승자의 상기 핸들 기울기 변환에 대응되도록 이동시키며, 퍼지추론을 통해 무게 중심을 잡는 메인 컨트롤러로 이루어지는 것을 특징으로 하는 볼 세그웨이.
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