KR101413608B1

KR101413608B1 - 자전거 로봇의 균형제어장치

Info

Publication number: KR101413608B1
Application number: KR1020120142010A
Authority: KR
Inventors: 이장명; 황요섭; 김현우; 김윤기; 이석인
Original assignee: 부산대학교 산학협력단
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2014-07-08
Also published as: KR20140075034A

Abstract

본 발명은 자전거 로봇의 균형제어장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 본체의 기울기를 감지하여 좌우 균형을 유지하는 목표 기울기에 대응되게 보상하는 제어를 통해서 자전거 로봇이 좌우로 쓰러지지 않고 균형을 유지하면서 안정적으로 주행할 수 있도록 하는 자전거 로봇의 균형제어장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 선단과 후단에 각각 앞바퀴와 뒷바퀴가 설치된 자전거 로봇의 본체에 설치된 자이로센서; 상기 본체에 상기 뒷바퀴의 바퀴축과 직교하는 방향으로 설치된 회전축; 상기 회전축을 회전 운동시키는 제어모터; 상기 회전축에 축설되어 일체로 회전 운동하여 회전 관성을 통해 상기 본체의 기울기를 조절하는 디스크; 및 상기 본체에 설치되어 상기 자이로센서에서 감지된 상기 본체의 기울기에 따라 상기 제어모터의 작동을 제어하여 상기 디스크의 회전속도와 회전방향에 의한 회전 관성을 통해 상기 본체의 기울기를 변화시켜 상기 본체의 좌우 균형을 유지시키는 균형제어유닛;을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 자전거 로봇의 균형제어장치를 기술적 요지로 한다.

Description

자전거 로봇의 균형제어장치{Balancing control apparatus for bicycle robot}

본 발명은 자전거 로봇의 균형제어장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 본체의 기울기를 감지하여 좌우 균형을 유지하는 목표 기울기에 대응되게 보상하는 제어를 통해서 자전거 로봇이 좌우로 쓰러지지 않고 균형을 유지하면서 안정적으로 주행할 수 있도록 하는 자전거 로봇의 균형제어장치에 관한 것이다.

[문헌 1] 국내 특허공개 제10-2012-0116046호, 2012.10.22.자 공개.

이륜 자전거 로봇(이하 모두 "자전거 로봇"이라 함)은 본체의 선단과 후단에 각각 앞바퀴와 뒷바퀴가 회전 가능하게 앞바퀴축과 뒷바퀴축을 매개로 하여 동일선상으로 설치되는 것으로, 본체에 설치된 구동모터에 의해 뒷바퀴축이 회전되면서 뒷바퀴가 전방으로 회전 운동하여 주행하는 장치이다.

이러한 자전거 로봇은 자동 주행이 가능하므로 본체에 카메라를 장착하여 사람의 접근이 불가능한 협소한 장소나 위험한 장소에서 설정된 속도로 달리면서 촬영을 하거나 탐색을 하는 등의 다양한 목적으로 사용하기 위해 개발되고 있다.

여기서 자전거 로봇은 안정적인 자동 주행이 가능하도록 본체의 주행 방향을 결정하는 조향 제어와 본체의 좌우 균형을 유지시켜 좌우로의 쓰러짐을 방지하는 균형 제어가 필요하다.

상기 조향 제어는 앞바퀴의 앞바퀴축을 조향제어수단을 통해 전방을 기준하여 수평면상에서 일측 방향 혹은 타측 방향으로 회전시킴으로써 가능하게 된다. 상기 균형 제어는 본체의 실제 기울기가 목표 기울기에 대응되도록 균형제어수단을 통해 본체의 무게 중심을 변경시킴으로써 가능하게 된다.

즉, 전기한 조향 제어는 간단하지만, 후기한 균형 제어는 간단하지 않다. 왜냐하면 균형 제어를 위해서는 본체의 실제 기울과 목표 기울기의 차이를 통해 본체의 무게 중심을 좌측 혹은 우측으로 변경해야 하므로 복잡한 모델링과 수학식이 수반되어 자전거 로봇에 적용하기에는 높은 난이도가 요구되고 많은 어려움이 뒤따르게 된다.

이를 위해 종래에는 문헌 1과 같이 자전거 로봇의 실제 기울기를 기울기센서를 통해 감지한 후 실제 기울기와 목표 기울기가 일치하도록 무게추가 양단에 설치된 회전바를 일측 혹은 타측으로 일정 각도만큼 회전시킴으로써 자전거 로봇의 무게 중심을 변화시켜 좌우 균형을 이루도록 하였다.

그러나 문헌 1은 회전바의 회전각도를 통해 자전거 로봇의 무게 중심을 변화시키는 것이므로, 자전거 로봇의 실제 기울기와 목표 기울기 차이가 클 때 회전바의 회전각도를 크게 주더라도 자전거 로봇의 좌우 균형을 유지할 수 없는 문제점이 있다.

따라서 상기한 문헌 1의 문제점을 해소하기 위해서는 MCU를 이용한 모바일 타입의 자전거 로봇에 적용할 수 있도록 간단한 기계 구조와 제어 알고리즘을 통해 우수한 성능을 갖는 균형제어장치에 대한 연구 개발이 절실하다.

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서, 복잡한 모델링이나 구조적인 분석 없이 간단한 기계 구조와 제어 알고리즘을 통해 MCU를 이용한 모바일 타입의 자전거 로봇이 좌우 균형을 유지하면서 안정적으로 주행할 수 있도록 하는 자전거 로봇의 균형제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자전거 로봇의 균형제어장치는, 선단과 후단에 각각 앞바퀴와 뒷바퀴가 설치된 자전거 로봇의 본체에 설치된 자이로센서; 상기 본체에 상기 뒷바퀴의 바퀴축과 직교하는 방향으로 설치된 회전축; 상기 회전축을 회전 운동시키는 제어모터; 상기 회전축에 축설되어 일체로 회전 운동하여 회전 관성을 통해 상기 본체의 기울기를 조절하는 디스크; 및 상기 본체에 설치되어 상기 자이로센서에서 감지된 상기 본체의 기울기에 따라 상기 제어모터의 작동을 제어하여 상기 디스크의 회전속도와 회전방향에 의한 회전 관성을 통해 상기 본체의 기울기를 변화시켜 상기 본체의 좌우 균형을 유지시키는 균형제어유닛;을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 균형제어유닛은, 상기 자이로센서에서 감지된 상기 본체의 기울기를 입력받는 입력부; 상기 입력부에 입력된 상기 기울기를 기설정된 목표 기울기와 비교하여 오차각도를 산출하는 비교부; 상기 비교부에서 산출된 상기 오차각도에 대응되게 상기 디스크의 회전방향과 회전속도를 결정하는 처리부; 및 상기 처리부에서 결정된 상기 디스크의 회전방향과 회전속도에 대응되게 상기 제어모터를 작동시키는 출력부;를 포함하여 구성되어, 상기 본체의 기울기가 목표 기울기와 일치될 때까지 상기 디스크의 회전속도와 회전방향을 결정하여 상기 제어모터의 작동을 제어함을 특징으로 한다.

상기 처리부는, 상기 본체가 우측으로 기울어져 상기 오차각도가 발생하는 경우에 상기 회전축의 회전방향은 상기 본체의 주행 방향에 대한 시계방향으로 결정하며 상기 회전축의 회전속도는 상기 오차각도의 크기에 비례하게 결정하고, 상기 본체가 좌측으로 기울어져 상기 오차각도가 발생하는 경우에 상기 회전축의 회전방향은 상기 본체의 주행 방향에 대한 반시계방향으로 결정하며 상기 회전축의 회전속도는 상기 오차각도의 크기에 비례하게 결정함을 특징으로 한다.

상기 디스크는, 소정의 두께를 갖는 원판 형태로 구성되되, 중심축이 상기 회전축과 일체로 설치됨을 특징으로 한다.

상기한 구성에 의한 본 발명은, MCU를 이용한 모바일 타입의 자전거 로봇이 자동 주행하는 동안 좌우로 기울어지면서 균형을 잡지 못하고 쓰러지는 폐단을 최소화하여 주행 안정성과 신뢰성을 크게 높일 수 있는 효과가 있고, 이를 통해 자전거 로봇의 주행 성능이 향상되어 자전거 로봇의 사용 범위를 더욱 다양화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자전거 로봇의 균형제어장치를 적용한 자전거 로봇에 대한 예시도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자전거 로봇의 균형제어장치의 균형제어유닛에 대한 구성 블럭도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자전거 로봇의 균형제어장치에 대한 제어 순서도.

본 발명에 따른 자전거 로봇의 균형제어장치는, MCU를 이용한 모바일 타입의 자전거 로봇에 설치되는 것으로, 자전거 로봇이 좌측 또는 우측으로 쓰러지지 않고 좌우 균형을 유지하면서 안정적으로 자동 주행할 수 있도록 하는 장치이다.

특히, 본 발명에 따른 자전거 로봇의 균형제어장치는, 복잡한 모델링이나 구조적인 분석 없이 간단한 기계 구조와 제어 알고리즘을 통해 우수한 균형 제어 성능을 발휘하는 것이 특징이다.

이러한 특징은 본체의 기울기를 감지하는 자이로센서, 본체의 바퀴축과 직교되게 설치된 회전축, 회전축을 회전시키는 제어모터, 회전축에 축설되어 회전축과 일체로 회전하는 디스크, 및 본체의 기울기에 따라 제어모터의 회전속도와 회전방향을 제어하여 본체의 좌우 균형이 유지시키는 균형제어유닛을 포함한 구성에 의해 달성된다.

즉, 자이로센서를 이용하여 본체의 기울기를 실시간으로 감지하고, 균형제어유닛을 통해 자이로센서에서 감지된 본체의 실제 기울기와 좌우 균형이 유지되는 목표 기울기를 비교한 후 그 차이를 보상할 수 있도록 디스크의 회전방향과 회전속도를 결정하여 제어모터를 구동시키는 구성에 의해 달성된다.

따라서 자전거 로봇은 디스크의 회전방향과 회전속도에 따른 본체의 실제 기울기를 변화시킴으로써 불안정한 노면 등에서도 좌측이나 우측으로 쓰러질 우려를 최소화할 수 있다.

이에 따라 자전거 로봇은 안정적인 주행이 가능하게 되므로 다양한 작업을 수행하는 자전거 로봇의 기능을 더욱 향상시킬 수 있고 신뢰성도 더욱 높일 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자전거 로봇의 균형제어장치를 적용한 자전거 로봇에 대한 예시도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자전거 로봇의 균형제어장치의 균형제어유닛에 대한 구성 블럭도이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자전거 로봇의 균형제어장치에 대한 제어 순서도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자전거 로봇의 균형제어장치는, 본체(110)의 선단과 후단에 각각 앞바퀴(120)와 뒷바퀴(130)가 설치되어 구동모터(140)의 작동에 따라 뒷바퀴(130)가 회전 운동하면서 주행하는 자전거 로봇에 설치되는 것으로, 도 1에 도시된 바와 같이 자이로센서(210), 회전축(220), 제어모터(230), 디스크(240), 및 균형제어유닛(250)을 포함하여 구성된다.

먼저, 상기 자이로센서(210)는 자전거 로봇(100)의 본체(110)에 설치되는 것으로, 이는 본체(110)의 실제 기울기를 감지하는 역할을 한다.

즉, 자이로센서(210)는 주행 중에 있는 본체(110)가 지면과 수직을 이루는 수직선을 0°로 하여 우측(1~90°)으로 기울어져 있는지 혹은 좌측(-1~-90°)으로 기울어져 있는지를 실시간으로 감지하는 것이다.

다음으로, 상기 회전축(220)은 자전거 로봇(100)의 본체(110)에 설치되되 뒷바퀴(130)의 바퀴축과 직교하는 방향으로 설치되는 것으로, 이는 디스크(240)의 회전 중심이 되는 회전축 역할을 한다.

다음으로, 상기 제어모터(230)는 자전거 로봇(100)의 본체(110)에 설치되는 것으로, 이는 회전축(220)을 회전 운동시키는 역할을 하는 것이다.

즉, 제어모터(230)는 자전거 로봇(100)의 진행 방향을 대하여 회전축(220)을 시계방향으로 회전 운동시키거나 반시계방향으로 회전 운동시키는 것이다.

다음으로, 상기 디스크(240)는 회전축(220)에 축설되어 제어모터(230)의 작동에 따라 회전축(220)과 일체로 회전 운동하는 것으로, 이는 회전 운동에 의해 발생하는 회전 관성을 통해 본체(110)의 무게 중심을 변화시키는 역할을 한다.

즉, 디스크(240)는 회전방향과 회전속도에 따라 본체(110)가 좌측 혹은 우측으로 기울어지면 좌측 혹은 우측으로 쏠려 있는 기울기를 변화시켜 좌우 균형을 이루면서 안정적으로 주행 가능하게 한다.

이때 디스크(240)는 회전 관성을 효과적으로 발휘할 수 있도록 어느 정도의 중량을 갖도록 소정의 두께를 가진 원판 형태로 구성되는 것이 바람직하다. 그리고 디스크(240)의 중심축은 회전축(220)과 일체로 설치되어 구성되는 것이 바람직하다.

다음으로, 상기 균형제어유닛(250)은, 자전거 로봇(100)의 본체(110)에 설치되는 것으로, 이는 자이로센서(210)에서 감지된 본체(110)의 기울기에 따라 상기 제어모터(230)의 작동을 제어하여 디스크(240)의 회전속도와 회전방향을 결정함으로써 상기 본체(110)의 좌우 균형을 유지시키는 역할을 한다.

여기서 균형제어유닛(250)은 도 2에 도시된 바와 같이 입력부(251), 비교부(252), 처리부(253), 및 출력부(254)로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 입력부(251)는 자이로센서(210)에서 실시간으로 감지된 본체(110)의 실제 기울기를 입력받는 것이다. 즉, 자전거 로봇(100)의 주행 방향에 대하여 본체(110)가 우측 방향으로 기울어진 상태라면 1~90°의 각도가 입력되고 좌측 방향으로 기울어진 상태라면 -1~-90°의 각도가 입력된다.

상기 비교부(252)는 입력부(251)에 입력된 본체(110)의 실제 기울기와 기설정된 목표 기울기와 비교하여 오차각도를 산출하는 것이다. 이때 목표 기울기는 자전거 로봇(100)의 본체(110)가 좌우로 쓰러지지 않고 안정적으로 주행 가능한 기울기로서, 기울어짐이 허용되지 않을 때는 정확하게 0°로 구성되고 어느 정도의 기울어짐이 허용될 때는 넓게 -5~5°등으로 구성된다.

상기 처리부(253)는 비교부(252)에서 산출된 오차각도에 대응되게 디스크(240)의 회전방향과 회전속도를 결정하는 것이다. 즉, 본체(110)의 실제 기울기와 목표 기울기 간의 오차각도를 없애기 위하여 본체(110)의 실제 기울기가 목표 기울기와 일치하도록 디스크(240)의 회전방향과 회전속도를 결정한다.

예를 들어, 목표 기울기가 0°일 때 본체(110)의 실제 기울기가 30°이면 회전축(220)의 회전방향은 시계방향으로 결정되고 회전축(220)의 회전속도는 오차각도인 30°에 비례하는 속도로 결정된다. 이와 달리, 본체(110)의 실제 기울기가 -30이면 회전축(220)의 회전방향은 반시계방향으로 결정되고 회전축(220)의 회전속도는 오차각도인 30°에 비례하는 속도로 결정된다.

상기 출력부(254)는 처리부(253)에서 결정된 디스크(240)의 회전방향과 회전속도에 대응되게 제어모터(230)를 작동시키는 것이다. 즉, 출력부(254)는 제어모터(230)를 작동시켜 회전축(220)과 함께 디스크(240)를 회전 운동시킴으로써 디스크(240)의 회전 관성을 통해 본체(110)의 기울기를 변화시켜 본체(110)의 실제 기울기가 목표 기울기에 대응되게 한다.

예를 들어, 목표 기울기가 0°일 때 본체(110)의 실제 기울기가 30°이면 오차각도인 30°를 극복할 수 있는 출력으로 디스크(240)를 시계방향으로 회전 운동시키게 된다. 이와 달리, 본체(110)의 실제 기울기가 -30이면 디스크(240)를 오차각도인 30°를 극복할 수 있는 출력으로 디스크(240)를 반시계방향으로 회전 운동시키게 된다.

따라서 상기균형제어유닛(250)의 제어 동작에 따라 본체(110)의 실제 기울기가 목표 기울기와 일치될 때까지 디스크(240)의 회전방향과 회전속도를 결정하여 제어모터(230)의 작동을 제어함으로써 자전거 로봇(100)은 쓰러지지 않고 안정적으로 주행할 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명에 따른 자전거 로봇의 균형제어장치는, 본체의 실제 기울기를 실시간으로 감지하여 목표 기울기와 대응되도록 디스크의 회전방향과 회전속도를 제어하여 본체의 기울기를 변화시킴에 따라 자동 주행시 좌우로의 쓰러짐을 최소화하여 안정적인 주행을 가능하게 함으로써 자전거 로봇의 주행 성능과 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

상기한 실시예는 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야에 대한 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형된 다른 실시예가 가능하다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위에는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 상기의 실시예 뿐만 아니라 다양하게 변형된 다른 실시예가 포함되어야 한다.

100: 자전거 로봇 110: 본체
120: 앞바퀴 130: 뒷바퀴
140: 구동모터
200: 균형제어장치 210: 자이로센서
220: 회전축 230: 제어모터
240: 디스크 250: 균형제어유닛
251: 입력부 252: 비교부
253: 처리부 254: 출력부

Claims

선단과 후단에 각각 앞바퀴(120)와 뒷바퀴(130)가 설치된 자전거 로봇(100)의 본체(110)에 설치된 자이로센서(210);
상기 본체(110)에 상기 뒷바퀴(130)의 바퀴축과 직교하는 방향으로 설치된 회전축(220);
상기 회전축(220)을 회전 운동시키는 제어모터(230);
상기 회전축(220)에 축설되어 일체로 회전 운동하여 회전 관성을 통해 상기 본체(110)의 기울기를 조절하는 디스크(240); 및
상기 본체(110)에 설치되어 상기 자이로센서(210)에서 감지된 상기 본체(110)의 기울기에 따라 상기 제어모터(230)의 작동을 제어하여 상기 디스크(240)의 회전속도와 회전방향에 의한 회전 관성을 통해 상기 본체(110)의 기울기를 변화시켜 상기 본체(110)의 좌우 균형을 유지시키는 균형제어유닛(250);을 포함하여 구성되되,
상기 균형제어유닛(250)은,
상기 자이로센서(210)에서 감지된 상기 본체(110)의 기울기를 입력받는 입력부(251);
상기 입력부(251)에 입력된 상기 기울기를 기설정된 목표 기울기와 비교하여 오차각도를 산출하는 비교부(252);
상기 비교부(252)에서 산출된 상기 오차각도에 대응되게 상기 디스크(240)의 회전방향과 회전속도를 결정하는 처리부(253); 및
상기 처리부(253)에서 결정된 상기 디스크(240)의 회전방향과 회전속도에 대응되게 상기 제어모터(230)를 작동시키는 출력부(254);로 구성되어,
상기 본체(110)의 기울기가 목표 기울기와 일치될 때까지 상기 디스크(240)의 회전속도와 회전방향을 결정하여 상기 제어모터(230)의 작동을 제어함을 특징으로 하는 자전거 로봇의 균형제어장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 처리부(253)는,
상기 본체(110)가 우측으로 기울어져 상기 오차각도가 발생하는 경우에 상기 회전축(220)의 회전방향은 상기 본체(110)의 주행 방향에 대한 시계방향으로 결정하며 상기 회전축(220)의 회전속도는 상기 오차각도의 크기에 비례하게 결정하고,
상기 본체(110)가 좌측으로 기울어져 상기 오차각도가 발생하는 경우에 상기 회전축(220)의 회전방향은 상기 본체(110)의 주행 방향에 대한 반시계방향으로 결정하며 상기 회전축(220)의 회전속도는 상기 오차각도의 크기에 비례하게 결정함을 특징으로 하는 자전거 로봇의 균형제어장치.
제1항에 있어서,
상기 디스크(240)는,
소정의 두께를 갖는 원판 형태로 구성되되, 중심축이 상기 회전축(220)과 일체로 설치됨을 특징으로 하는 자전거 로봇의 균형제어장치.