KR101803533B1 - 진동 저감형 메카넘 바퀴 및 그 제작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진동을 저감시키도록 구동 중 롤러가 지면과 동일한 반경을 가지도록 설계된 진동 저감형 메카넘 바퀴 및 그 제작 방법에 관한 것으로,
상기 메카넘 바퀴는, 휠바디; 및 상기 휠바디의 원주를 따라 일정 경사각을 가지며 등 간격으로 장착되는 다수의 롤러;를 포함하고, 상기 롤러의 지면 접촉점들은 상기 롤러축에서 메카넘 바퀴가 형성하는 실린더의 원주까지의 거리(dn)가 최단거리가 되는 점들이 되도록 구성되어,
진동을 최소화시키고, 이에 따른 고장 발생 및 안전사고의 발생을 최소화시키는 효과를 제공한다.

Description

진동 저감형 메카넘 바퀴 및 그 제작 방법{MECANUM WHEELS REDUCED VIBRATION AND THE MANUFACTURE METHOD THEREOF}

본 발명은 메카넘 휠에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 진동을 저감시키도록 구동 중 롤러가 지면과 동일한 반경을 가지도록 설계된 진동 저감형 메카넘 바퀴 및 그 제작 방법에 관한 것이다.

최근 들어 이동로봇의 적용 분야가 넓어지며, 이동로봇에 대한 기대 수준이 높아지고 있다. 장애인이나 환자, 노약자를 돕기 위한 서비스 로봇이나, 복잡하고 좁은 환경에서 다양한 작업을 해야 하는 로봇 등이 그 예이다. 이 중 바퀴형의 이동 로봇은 현재 가장 다양하게 사용되고 있는 형태로서 전방향 주행을 위해 전방향 바퀴인 메카넘 휠이 적용되는 경우가 일반적이다.

상기 메카넘휠은 한국등록특허 1307990호에 개시된 바와 같이, 휠바디의 외주면 둘레를 따라 45도 경사를 이루는 롤러(20)들이 장착되도록 구성된다.

이러한 구성에 의해 상기 전방향 바퀴로서의 메카넘휠은 전방향 주행을 가능하게 한다. 전방향 바퀴가 가질 수 있는 특성을 일반형 바퀴와 비교해보면 이동에 대한 직진성, 바퀴의 수명, 전 방향 이동능력, 진동, 바퀴의 효율 등 여러 가지의 특성이 있다. 이렇게 다양한 특성 중 진동특성은 사람이 느끼는 승차감, 민감한 반송 물을 운반하는 산업로봇에서는 반송물의 안정성, 로봇을 구성하는 구성품의 수명 등에 영향을 미친다.

도 1은 종래기술에 따라 설계된 메카넘 바퀴(1)의 구조를 나타내는 도면이다.

도 1과 같이, 종래기술의 메카넘 바퀴(1)의 휠 바디(10)의 원주 둘레에 경사를 이루며 등 간격으로 다수의 롤러(20)들이 장착된다.

이때, 롤러들은 도 1의 (b)와 같이 접촉면을 잇는 점들이 이루는 선은 원주(C)로부터 어긋나게 제작되는 경우가 자주 발생한다. 이와 같이 롤러(20)들의 접촉점들이 휠바디(10)의 중심을 중심으로 하는 원주(C)를 벗어나게 제작되는 경우 진동을 유발시키는 원인으로 작용하는 문제점을 가진다.

한국등록특허 1307990호

따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 메카넘 바퀴(100)의 롤러(120)들의 접촉점들이 휠바디(110)의 중심을 중심으로 하는 원주(C)에 위치하도록 제작되는 롤러를 구비한 메카넘 휠(100) 및 그 제작 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 메카넘 바퀴는, 휠바디; 및 상기 휠바디의 원주를 따라 일정 경사각을 가지며 등 간격으로 장착되는 다수의 롤러;를 포함하고, 상기 롤러의 지면 접촉점들은 상기 롤러축에서 메카넘 바퀴가 형성하는 실린더의 원주까지의 거리(dn)가 최단거리가 되는 점들이 되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 롤러는, 상기 롤러축을 x축으로 하고, 상기 실린더의 원주의 접선 방향을 y축으로 하며, 롤러축에 법선인 방향을 z축으로 할 때, 상기 롤러의 x축 위치에 따라 상기 원주까지의 거리가 최단이 되는 상기 dn을 각각의 x축의 위치에서의 롤러 반지름으로 가지도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 휠바디의 중심축을 X축으로 하고, 상기 X축을 법선으로 하는 평면 상에서 상기 휠바디의 중심을 지나는 서로 직각인 축을 Y축과 Z축으로 하고, 상기 실린더의 반경을 R, 휠바디의 축(Ax)에서 롤러축(ax)까지의 거리를 h, 롤러의 반경을 r, 휠바디의 축(Ax)과 롤러축(ax)이 이루는 각도를 θ라 할 때, 롤러의 중심을 원점으로 하는 롤러축(x=ax) 상의 임의점 xa(a, 0, 0)에서의 롤러의 반경 r은,

인 것을 특징으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 메카넘 바퀴 제작 방법은, 휠바디; 및 상기 휠바디의 원주를 따라 일정 경사각을 가지며 등 간격으로 장착되는 다수의 롤러;를 포함하는 메카넘 바퀴의 제작 방법에 있어서, 상기 롤러의 지면 접촉점들은 상기 롤러축에서 메카넘 바퀴가 형성하는 실린더의 원주까지의 거리(dn)가 최단거리가 되는 점들이 되도록 제작될 수 있다.

상기 롤러는, 상기 롤러축을 x축으로 하고, 상기 실린더의 원주의 접선 방향을 y축으로 하며, 롤러축에 법선인 방향을 z축으로 할 때, 상기 롤러의 x축 위치에 따라 상기 원주까지의 거리가 최단이 되는 상기 dn을 각각의 x축의 위치에서의 롤러 반지름으로 가지도록 제작되는 것을 특징으로 한다.

상기 메카넘 바퀴 제작 방법은, 상기 휠바디의 중심축을 X축으로 하고, 상기 X축을 법선으로 하는 평면 상에서 상기 휠바디의 중심을 지나는 서로 직각인 축을 Y축과 Z축으로 하고, 상기 실린더의 반경을 R, 휠바디의 축(Ax)에서 롤러축(ax)까지의 거리를 h, 롤러의 반경을 r, 휠바디의 축(Ax)과 롤러축(ax)이 이루는 각도를 θ라 할 때, 롤러의 중심을 원점으로 하는 롤러축(x=ax) 상의 임의점 xa(a, 0, 0)에서의 롤러의 반경 r은,

에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.

상술한 구성의 본 발명은, 롤러들이 지면에 접촉되는 경우 메카넘 바퀴가 형성하는 원주 둘레 상에서 롤러들이 지면과 접촉하게 되어, 주행 중의 진동을 최소화시키며, 진동의 최소화에 의해 고장이나 안전사고 발생을 최소화시키는 효과를 제공한다.

도 1은 종래기술의 메카넘 바퀴(1)의 구조를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따르는 메카넘 바퀴(100)의 정면도(도 1 (a))와 측면도(도 1 (b)).
도 3은 롤러(120)들의 지면 접촉점들이 이루는 접촉라인(P)을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명에 의해 제작된 메카넘 바퀴(100)에서 원주둘레(C)와 롤러(120)의 접촉라인(P)이 일치된 상태를 나타내는 도면.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서에서 단어 "예시적인" 은 "예로서, 일례로서, 또는 예증으로서 역할을 한다."라는 것을 의미하기 위해 이용된다. "예시적"으로서 본 명세서에서 설명된 임의의 양태들은 다른 양태들에 비해 반드시 선호되거나 또는 유리하다는 것으로서 해석되어야 하는 것만은 아니다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따르는 메카넘 바퀴(100)의 정면도(도 1 (a))와 측면도(도 1 (b))이고, 도 3은 롤러(120)들의 지면 접촉점들이 이루는 접촉라인(P)을 나타내는 도면이며, 도 4는 본 발명에 의해 제작된 메카넘 바퀴(100)에서 원주둘레(C)와 롤러(120)의 접촉라인(P)이 일치된 상태를 나타내는 도면이다.

도 2와 같이, 상기 메카넘 바퀴(100)의 휠바디(110)의 원주둘레를 따라 다수의 롤러(120)들이 휠바디축(Ax = X)과 롤러축(ax = x)이 일정 각도 θ를 이루면서 등 간격으로 배치 구성된다. 이때, 메카넘 바퀴(100)가 형성하는 전체 실린더(Cy)의 원주의 반경은 R이된다. 그리고 롤러(120)는 롤러축을 x축(ax)으로 하고, 실린더(Cy)의 원주의 접선 방향을 y축으로 하며, 롤러축(ax)에 법선인 방향을 z축으로 할 때, 상기 롤러(120)의 x축 위치에 따라 롤러축(ax)으로부터 실린더(Cy)의 원주까지의 거리(dn)가 최단이 되는 상기 dn을 각각의 x축의 위치에서의 롤러 반지름(r)으로 가지도록 구성된다.

구체적으로, 휠바디(110)의 중심축(휠바디 축(Ax))을 X축으로 하고, X축을 법선으로 하는 평면 상에서 휠바디(110)의 중심을 지나는 서로 직각인 축을 Y축과 Z축으로 하고, 실린더(Cy)의 반경을 R, 휠바디축(Ax)에서 롤러축(ax)까지의 거리를 h, 롤러의 반경을 r, 휠바디축(Ax)과 롤러축(ax)이 이루는 각도를 θ라 할 때, 롤러의 중심을 원점으로 하는 롤러축(x=ax) 상의 임의점 xa(a, 0, 0)에서의 롤러의 반경 r은,

에 의해 설정된다.

또한, 본 발명의 메카넘 바퀴(100) 제작 방법은, 휠바디; 및 휠바디(110)의 원주를 따라 일정 경사각을 가지며 등 간격으로 장착되는 다수의 롤러(120)를 포함하는 메카넘 바퀴(100)의 제작 방법에 있어서, 상기 롤러(120)의 지면 접촉점들은 상기 롤러축에서 메카넘 바퀴가 형성하는 실린더의 원주까지의 거리(dn)가 최단거리가 되는 점들이 되도록 제작되어, 롤러(120)의 지면 접촉점들이 접촉라인(P)을 이루도록 이루어진다.

이 경우, 롤러(120)는, 상기 롤러축(ax)을 x축으로 하고, 상기 실린더(Cy)의 원주의 접선 방향을 y축으로 하며, 롤러축에 법선인 방향을 z축으로 할 때, 상기 롤러의 x축 위치에 따라 상기 실린더(Cy)위 원주(C)까지의 거리가 최단이 되는 상기 dn을 각각의 x축의 위치에서의 롤러 반지름으로 가지도록 제작되는 것을 특징으로 한다.

이 경우, 휠바디축(Ax)을 X축으로 하고, 상기 X축을 법선으로 하는 평면 상에서 상기 휠바디의 중심을 지나는 서로 직각인 축을 Y축과 Z축으로 하고, 상기 실린더의 반경을 R, 휠바디의 축(Ax)에서 롤러축(ax)까지의 거리를 h, 롤러의 반경을 r, 휠바디의 축(Ax)과 롤러축(ax)이 이루는 각도를 θ라 할 때, 롤러의 중심을 원점으로 하는 롤러축(x=ax) 상의 임의점 xa(a, 0, 0)에서의 롤러의 반경 r은,

에 의해 결정됨은 상술한 바와 같다.

구체적으로, 실린더의 원 방정식은 Y²+Z² =R²(수학식 1)가 된다. 그리고 롤러축(ax)에서의 좌표는 롤러(120)의 중심을 원점으로 하는 경우 x축에서 xa(a, 0, 0)가 된다. 따라서 롤러(120)의 반경 r은 y² + z² = r²(수학식 2)이 된다.

수학식 1을 좌표변환하고, 수학식 2에 대입하면,

(수학식 3)이 된다.

우변을 d로 치환하면, 실린더(Cy)에서 롤러 축까지 최단거리가 되어야 하므로,

(수학식 4)를 만족해야 한다.

이를 4차방정식으로 정리하여 해를 구하면,

의 해가 구해지며, 롤러축(ax)에 대한 각 x축의 위치에서의 반지름이 계산되어 진다.

상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100: 메카넘 바퀴
110: 휠바디
120: 롤러
C: 원주
Cy: 실린더
Ax: 휠바디축
ax: 롤러축
P: 접촉라인

Claims (6)

1. 휠바디; 및
   상기 휠바디의 원주를 따라 일정 경사각을 가지며 등 간격으로 장착되는 다수의 롤러;를 포함하고,
   상기 롤러의 지면 접촉점들은 상기 롤러축에서 메카넘 바퀴가 형성하는 실린더의 원주까지의 거리(dn)가 최단거리가 되는 점들이 되도록 구성되고,
   상기 롤러축을 x축으로 하고, 상기 실린더의 원주의 접선 방향을 y축으로 하며, 롤러축에 법선인 방향을 z축으로 할 때, 상기 롤러의 x축 위치에 따라 상기 원주까지의 거리가 최단이 되는 상기 dn을 각각의 x축의 위치에서의 롤러 반지름으로 가지도록 구성되며,
   상기 휠바디의 중심축을 X축으로 하고, 상기 X축을 법선으로 하는 평면 상에서 상기 휠바디의 중심을 지나는 서로 직각인 축을 Y축과 Z축으로 하고, 상기 실린더의 반경을 R, 휠바디의 축(Ax)에서 롤러축(ax)까지의 거리를 h, 롤러의 반경을 r, 휠바디의 축(Ax)과 롤러축(ax)이 이루는 각도를 θ라 할 때,
   롤러의 중심을 원점으로 하는 롤러축(x=ax) 상의 임의점 xa(a, 0, 0)에서의 롤러의 반경 r은,
   

   

   
   인 것을 특징으로 하는 메카넘 바퀴.
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3. 삭제
4. 휠바디; 및 상기 휠바디의 원주를 따라 일정 경사각을 가지며 등 간격으로 장착되는 다수의 롤러;를 포함하는 메카넘 바퀴의 제작 방법에 있어서,
   상기 롤러의 지면 접촉점들은 상기 롤러축에서 메카넘 바퀴가 형성하는 실린더의 원주까지의 거리(dn)가 최단거리가 되는 점들이 되도록 제작되고,
   상기 롤러축을 x축으로 하고, 상기 실린더의 원주의 접선 방향을 y축으로 하며, 롤러축에 법선인 방향을 z축으로 할 때, 상기 롤러의 x축 위치에 따라 상기 원주까지의 거리가 최단이 되는 상기 dn을 각각의 x축의 위치에서의 롤러 반지름으로 가지도록 구성되며,
   상기 휠바디의 중심축을 X축으로 하고, 상기 X축을 법선으로 하는 평면 상에서 상기 휠바디의 중심을 지나는 서로 직각인 축을 Y축과 Z축으로 하고, 상기 실린더의 반경을 R, 휠바디의 축(Ax)에서 롤러축(ax)까지의 거리를 h, 롤러의 반경을 r, 휠바디의 축(Ax)과 롤러축(ax)이 이루는 각도를 θ라 할 때,
   롤러의 중심을 원점으로 하는 롤러축(x=ax) 상의 임의점 xa(a, 0, 0)에서의 롤러의 반경 r은,
   

   

   
   인 것을 특징으로 하는 메카넘 바퀴 제작방법.
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