KR101912997B1 - 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠 - Google Patents

전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제1 모터가 내장된 휠과, 상기 휠의 외측에 설치된 하우징과, 상기 하우징의 양측에 각각 설치된 속이 빈 발판을 포함하되, 상기 발판 내부에는 전기기계식 자이로스코프 조립품이 설치되고, 상기 전기기계식 자이로스코프 조립품은 제2 모터와 상기 제2 모터의 구동하에 고속회전하여 수평면 내에서 토크를 발생시키는 회전자를 포함하는 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠을 제공한다. 본 발명은 구조가 간단하고, 초보자로 하여금 아무런 부가 보조력이 없이도 빠른 속도로 승차할 수 있도록 하며 사용 시간이 길어짐에 따라 좌우 방향에서 양호한 자체 평형을 실현할 수 있도록 한다.

Description

전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠{electromechanical gyroscope balancing unicycle}
본 발명은 전동 외발휠의 기술분야에 관한 것으로, 특히는 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠에 관한 것이다.
전동 외발휠은 전력으로 구동되고 자체 평형 능력으로 제어되는 일종의 교통수단이다. 사회가 급속히 발전하고 있는 오늘 날, 교통 체증은 수많은 대도시 및 중도시에서 나타나는 보편적인 현상으로, 유행을 따르면서 편리한 전동 외발휠은 사람들로 하여금 복잡한 도시를 쉽고 유쾌히 오가며 빠르고 편리한 출퇴근을 즐기게 한다. 전동 외발휠은 에너지를 절약하고, 친환경적이며, 편리한 신세대 교통수단이다. 3-4 시간의 충전으로 15-30 km를 운행할 수 있으므로, 단거리 운행에 매우 편리하여 공공버스와 지하철을 대체할 수 있다. 전동 외발휠은 크기가 작고 휴대하기 편리하며 차량 트렁크에 직접 넣을 수 있으며, 집 또는 사무실에 가져갈 수도 있다. 환경 오염이 날로 심해지는 상황 하에서, 전동 외발휠은 새로운 형태의 친환경적인 교통 수단으로 녹색 교통과 저탄소 환경 보호의 생활 개념을 홍보하고 있다.
기존의 전동 외발휠은 대부분 자이로스코프(자이로스코프는 고속회전체의 각운동량 민감성 하우징이 관성 공간에 대해 그 자신의 자전축에 직교하는 하나 또는 두개의 축에 대해 회전하는 각운동 검출 장치이다)로 앞뒤의 안정성을 유지하고 있으나, 좌우 방향에서의 평형은 달성할 수 없으며 운행 과정에서 신체를 제어하는 것을 통하여 좌우 평형을 유지할 수 밖에 없으므로 초보자로서는 조종하기가 어렵다. 좌우 방향에서의 평형 문제를 해결하기 위하여, 시장에는 휠, 스탠더(stander) 및 스탠더의 하단부의 좌우 양측에 설치되는 발판을 포함하되, 스탠더의 내부에는 휠의 바로 위에 위치한 플라이휠, 제1 모터, 제2 모터, 제1 자이로스코프, 제2 자이로스코프, 제1 가속도계, 제2 가속도계 및 제어부가 더 설치되며, 제1 모터는 휠이 회전되도록 구동시키고, 제2 모터는 플라이휠이 회전되도록 구동시키며, 제1 자이로스코프와 제1 가속도계는 플라이휠의 좌측에 설치되고, 제2 자이로스코프와 제2 가속도계는 플라이휠의 우측에 설치되며, 제1 자이로스코프, 제2 자이로스코프, 제1 가속도계 및 제2 가속도계는 모두 플라이휠의 각도를 측정하기 위한 것이며, 제어부는 검출된 각도에 따라 플라이휠의 회전을 제어하여 좌우 평형을 달성하는 전동 외발휠이 출현하게 되었다.
상기 전동 외발휠은 비록 좌우 평형을 일정한 정도에서 실현할 수 있음에도 불구하고, 여전히 아래의 결함들이 존재하고 있다. 우선, 이러한 외발휠은 구조가 복잡하고 설치하여야 할 자이로스코프와 가속도계의 수량이 많아 제어부의 동작 부하가 증가되며 휠과 플라이휠의 동작을 정확히 산출하고 제어하기 위하여 제어부의 성능에 대해서도 비교적 더 높게 요구되야 하지만, 제어부의 성능이 높을수록 제어부의 가격도 비싸지므로 눈에 보이지 않게 제품의 원가가 높아지게 되었다. 더욱이, 이러한 외발휠은 휠의 바로 위에 설치된 플라이휠로 좌우 평형을 제어하는 것이고, 이의 전제조건은 플라이휠의 중력 중심과 휠의 중력 중심이 동일한 직선상에 위치해야만 잘 제어할 수 있다는 것이다. 하지만 실제 사용 과정에서 제품 구조는 시간의 흐름에 따라 느슨해지므로 플라이휠을 항상 휠의 바로 위에 유지시키는 것은 달성하기 어렵다. 따라서, 사용 시간이 계속적으로 증가됨에 따라, 외발휠의 좌우 평형 기능은 점차적으로 저하된다.
본 발명은 구조가 간단하고, 초보자로 하여금 아무런 부가 보조력이 없이도 빠른 속도로 승차할 수 있도록 하며 사용 시간이 길어짐에 따라 좌우 방향에서 양호한 자체 평형을 실현할 수 있도록 하는 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 아래와 같은 기술적 방안을 사용한다.
전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠은, 제1 모터가 내장된 휠, 휠의 외측에 설치된 하우징, 및 하우징의 양측에 각각 설치된 중공 발판을 포함하되, 발판 내부에는 전기기계식 자이로스코프 조립품이 설치되고, 전기기계식 자이로스코프 조립품은 제2 모터와 제2 모터의 구동하에 고속회전하여 수평면 내에서 토크를 발생시키는 회전자를 포함한다.
본 발명의 비교적 바람직한 실시예에 있어서, 상기 회전자는 원반상의 금속부재이고, 제2 모터는 회전자의 축 중심 위치에 끼워넣어 진다.
본 발명의 비교적 바람직한 실시예에 있어서, 상기 하우징은 대칭되게 설치된 2개의 하프 하우징(half housing)을 포함하고, 2개의 하프 하우징으로 이루어진 제1 챔버 내부에는 휠이 수용된다.
본 발명의 비교적 바람직한 실시예에 있어서, 상기 하프 하우징은 메인 하우징과 메인 하우징의 휠로부터 멀어지는 일측에 설치된 커버 플레이트를 포함하고, 메인 하우징과 커버 플레이트로 이루어진 제2 챔버 내부에는 전지 팩과 제어판이 설치된다.
본 발명의 비교적 바람직한 실시예에 있어서, 상기 2개의 메인 하우징의 각자의 상부에는 서로 대응되는 관통홀이 각각 설치된다.
본 발명의 비교적 바람직한 실시예에 있어서, 상기 커버 플레이트의 외부 표면에는 정강이 보호대가 설치된다.
본 발명의 비교적 바람직한 실시예에 있어서, 상기 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠은 하우징의 둘레를 따라 2개의 메인 하우징 사이에 순차적으로 설치되는 제동등, 충전 인터페이스, 스위치, USB 인터페이스 및 조명등을 더 포함한다.
본 발명의 비교적 바람직한 실시예에 있어서, 상기 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠은 하우징과 연결되는 풀 로드(pull rod)를 더 포함한다.
본 발명의 비교적 바람직한 실시예에 있어서, 상기 휠은 제1 모터의 축 중심에 설치되는 지지축을 더 포함하며 지지축은 제1 모터의 표면으로부터 휠의 양측으로 연장 돌출된다.
본 발명의 비교적 바람직한 실시예에 있어서, 상기 지지축의 양 단부에는 각각 L자형 연결부재가 설치되고, L자형 연결부재는 하우징과 발판을 지지축의 양 단부에 연결하여 고정시킨다.
본 발명은 아래와 같은 유익한 기술적 효과를 구비한다.
본 발명의 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠은 중공 발판 내부에 설치된 전기기계식 자이로스코프 조립품을 통해 외발휠의 운행 과정에서 전, 후, 좌, 우 방향에서의 전방위의 자체 평형을 실현한다. 본 발명의 자이로스코프 조립품은 제2 모터와 제2 모터의 구동하에 고속회전하여 수평면 내에서 토크를 발생시키는 회전자를 포함하며, 회전자는 자이로스코프 작용에 의해 고속회전하는 과정에서 그가 위치한 수평면 내에서 외발휠의 전, 후, 좌, 우 방향을 포함하는 각 방향을 따라 모두 토크를 발생시킴으로써 외발휠의 차량 본체가 전, 후, 좌, 우 방향에서 평형을 유지하도록 한다. 본 발명의 외발휠은 사용자가 신체를 제어하여 좌우 방향에서의 평형을 조정할 필요가 없고, 사용자가 신체 중력 중심을 이용하여 차량 본체의 운동방향과 운동속도만 조정하면 되고, 더욱이 본 발명의 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠은 구조가 간단하고 제어하기 쉽다.
이하, 본 발명의 실시예의 기술적 방안을 더욱 명확히 설명하기 위하여 실시예에 이용될 첨부 도면들에 대해 간단히 설명하기로 한다. 하기 첨부 도면들은 다만 본 발명의 일부 실시예들을 도시하였을 뿐 청구 범위에 대한 한정으로 보아서는 아니되며, 해당 기술분야의 당업자는 이러한 첨부 도면들을 기반으로 하여 독창적인 노력을 들이지 않고서도 다른 관련된 도면들을 여전히 얻을 수도 있음은 당연한 것이다.
도 1은 본 발명의 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠의 구조적 분해도이다.
도 2는 본 발명의 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠이 운행 과정에서 받는 작용력의 분포도로서, 질량이 동일하므로 도면에서는 다만 대응되는 가속도로 표시하였고, 여기서 α는 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠의 경사 각도이고, a는 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠의 가속도이며, g는 9.8 m/s2인 중력 가속도이다.
이하, 본 발명의 실시예들의 목적, 기술적 방안 및 장점들이 더욱 명확해지도록 하기 위하여 본 발명의 실시예들 중의 첨부 도면을 결합하여 본 발명의 실시예들 중의 기술적 방안에 대한 명확하고 완전한 설명을 진행하기로 한다. 설명된 실시예들은 본 발명의 일부 실시예들일 뿐, 모든 실시예들이 아님은 자명한 것이다. 통상적으로, 본 명세서의 첨부 도면에서 설명되고 표시되는 본 발명의 실시예들의 부재들은 여러 다른 구성방식으로 설치되거나 설계될 수 있다.
따라서, 이하 첨부 도면에서 제공한 본 발명의 실시예들에 대한 상세한 설명은 본 발명이 보호하고자 하는 범위를 한정하기 위한 것이 아니라, 다만 본 발명에서 선택된 실시예들을 나타내기 위한 것이다. 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명 중의 실시예들을 기초로 독창적인 노력을 들이는 것 없이 획득한 모든 다른 실시예들은 모두 본 발명의 보호 범위에 속한다.
본 발명의 설명에 있어서, "중심", "상", "하", "좌", "우", "수직", "수평", "내부", "외부" 등의 용어들이 가리키는 방위 또는 위치 관계는 첨부 도면에 도시된 방위 또는 위치 관계를 기초로 하거나, 해당 발명의 제품이 사용시 통상적으로 설치되는 방위 또는 위치 관계이며, 이는 다만 본 발명의 설명의 편의성 및 설명의 간략화를 위해 사용되었을 뿐, 장치 또는 소재가 반드시 특정된 방위를 구비하고 특정된 방위로 구성되고 조작되는 것을 가리키거나 암시하는 것이 아니므로, 이를 본 발명을 한정하기 위한 것으로 이해하여서는 안된다. 또한, "제1", "제2", "제3" 등 용어들은 다만 설명을 구분하기 위한 것일 뿐, 상대적인 중요성을 가리키거나 암시하는 것으로 이해하여서는 안된다.
또한, "수평", "수직", "드리움(overhanging)" 등의 용어들은 부재가 절대적으로 수평되거나 드리우는 것을 요구하는 것이 아니라, 약간 기울어질 수도 있다. 예를 들어, "수평"은 다만 "수직"에 대해 더욱 수평되었음을 의미하고, 해당 구조가 완전하게 수평으로 되어야 함을 표시하는 것이 아니며, 오히려 약간 기울어질 수도 있다. 본 발명의 설명에 있어서, 명확히 달리 규정되거나 정의되지 않은 한, "배치", "설치", "연결", "접속" 등의 용어는 광의적인 의미로 이해하여야 한다. 예를 들어, 고정 연결되거나 착탈 가능하게 연결되거나 또는 일체적으로 연결될 수 있으며, 기계적으로 연결되거나 전기적으로 연결될 수 있으며, 직접적으로 연결되거나 또는 중간 매체를 통해 간접적으로 연결되거나 또는 두개의 소자 내부를 연통시킬 수 있다. 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 구체적인 상황에 따라 상기 용어들이 본 발명에서의 구체적인 의미를 이해할 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 본 발명의 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠(100)의 구조적 분해도를 참조하면, 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠은 휠(101), 하우징(102), 발판(103), 전기기계식 자이로스코프 조립품(104), 제어판(105), 전지 팩(106), 제동등(107), 충전 인터페이스(108), 스위치(109), USB 인터페이스(110), 조명등(111) 및 풀 로드(112)를 포함한다. 하우징(102)은 휠(101)의 외측에 설치되고, 두 개의 발판(103)은 하우징(102)의 양측에 대칭되게 설치되며, 두개의 전기기계식 자이로스코프 조립품(104)은 각각 두개의 발판(103) 내부에 설치된다. 제어판(105)과 전지 팩(106)은 하우징(102) 내부에 설치된다. 제동등(107), 충전 인터페이스(108), 스위치(109), USB 인터페이스(110) 및 조명등(111)은 하우징(102)의 둘레를 따라 설치되며, 각각 전지 팩(106)과 연결된다. 풀 로드(112)는 하우징(102)과 연결된다.
휠(101)은 제1 모터(1011), 팽창된 타이어(1012), 지지축(1013) 및 L자형 연결부재(1014)를 포함한다. 제1 모터(1011)는 휠(101)이 회전되도록 구동시키기 위해 휠(101)의 축 중심에 내부적으로 설치된다. 바람직하게, 제1 모터(1011)는 무브러시 직류 모터(brushless DC motor)이다. 팽창된 타이어(1012)는 제1 모터(1011)의 외측에 끼워넣어진다(nested). 지지축(1013)은 제1 모터(1011)의 표면에서 휠(101)의 양측으로 연장 돌출된다. 지지축(1013)은 하우징(102)을 지지하여 고정하고 하우징(102)의 양측에 설치된 발판(103)을 설치하기 위한 것이다. 뿐만 아니라, 지지축(1013)은 제1 모터(1011)가 자체를 중심으로 회전하는 회전축이기도 하다. 두 개의 L자형 연결부재(1014)는 지지축(1013)의 양단에 설치되어 하우징(102)과 발판(103)을 지지축(1013)의 양단에 연결하여 고정시키기 위한 것이다.
L자형 연결부재(1014)는 직육면체 형상의 수직 암과 수평 암 두부분으로 구성된다. L자형 연결부재(1014)의 수직 암에는 제1 장착홀이 구비되며, 제1 장착홀의 형상과 크기는 지지축(1013)의 형상과 크기에 매칭된다. L자형 연결부재(1014)는 제1 장착홀을 통해 지지축(1013)의 양측에 걸리게 된다. L자형 연결부재(1014)의 수평 암과 수직 암은 서로 수직되고, 수평 암의 길이는 수직 암의 길이보다 현저히 작다. 수직 암으로부터 멀리 떨어진 수평 암의 단부에는 발판(103)을 연결하기 위한 제2 장착홀이 구비된다. 바람직하게, 발판(103)은 제2 장착홀 내부에 힌지된다. 장착된 상태에서, L자형 연결부재(1014)의 수직 암은 제1 모터(1011)의 지지축(1013)에 수직되는 표면과 평행되며, 수평 암은 휠(101)의 양측으로부터 외부로 돌출 연장된다.
하우징(102)은 대칭되게 설치된 2개의 하프 하우징(1021)을 포함하고, 2개의 하프 하우징(1021)으로 이루어진 제1 챔버 내부에는 휠(101)이 수용된다. 제1 챔버는 휠(101)을 수용하기에 충분한 공간을 구비한다. 하우징(102)은 휠(101)과 매칭되는 형상을 유지한다. 하우징(102)의 형상은 대체적으로 원형이다. 도 1 및 도2 를 결합하면, 2개의 하프 하우징(1021)에서 휠(101)의 상부에 위치한 부분이 서로 연결되며, 2개의 하프 하우징(1021)에서 휠(101)의 하부에 위치한 부분은 서로 접촉되지 않으며, 휠의 하측에서 하나의 개구를 형성함으로써 휠(101)이 하우징(102)으로부터 부분적으로 노출되어 지면 상에서 운행하도록 하게 한다.
다시 도 1을 참조하면, 하프 하우징(1021)은 메인 하우징(1022)과 커버 플레이트(1023)를 포함한다. 2개의 메인 하우징(1022) 사이에는 휠(101)이 설치되고, 커버 플레이트(1023)는 메인 하우징(1022)의 휠로부터 멀어지는 일측에 설치된다. 메인 하우징(1022)과 커버 플레이트(1023)로 이루어진 제2 챔버 내부에는 전지 팩(106)과 제어판(105)이 설치된다. 전지 팩(106)은 제어판(105), 제1 모터(1011), 제2 모터(1041), 제동등(107) 및 조명등(111) 등에 전기 에너지를 제공하며, USB 인터페이스를 통해 휴대폰과 같은 모바일 장치에 대한 충전을 수행할 수 있다.
본 발명의 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠(100)은 휠(101)이 홀로 독립된 챔버 내부에 위치하도록 메인 하우징(1022)을 통해 하우징(102) 내부의 다른 부재, 특히 전지 팩(106)과 제어판(105) 등의 전기적 부재로부터 휠(101)을 이격함으로써 전지 팩(106)과 다른 부재 사이에 연결된 배선들이 휠의 회전 과정에서 휠(101)에 감기는 것을 회피할 수 있으며, 비가 내리는 날씨에도 하우징(102)의 내부에서는 건조한 부분과 습기찬 부분으로 구분될 수 있다. 이는 휠의 안전 사용 성능을 개선하는데 유리하고 외발휠의 사용 수명을 연장시킨다. 또한, 메인 하우징(1022)과 커버 플레이트(1023)를 휠(101)의 양측에 한층한층씩 설치하는 것은 제품의 조립과 분해에 매우 편리하다. 2개의 메인 하우징(1022)의 각각의 상부에는 서로 대응되는 관통홀(1024)이 각각 설치되어 있다. 관통홀(1024)은 대체적으로 타원형 형태이고, 타고 다닐 필요가 없을 경우 사용자가 들고 다니기 편하도록 2개의 메인 하우징(1022) 상에 각각 설치된 관통홀(1024)은 하나의 타원형 홀을 구성한다.
커버 플레이트(1023)의 외부 표면에는 정강이 보호대(1025)가 설치된다. 바람직하게, 정강이 보호대(1025)는 커버 플레이트(1023)의 외부 표면안에 끼워넣어진다. 바람직하게, 정강이 보호대(1025)는 커버 플레이트(1023)의 상반부에 설치된다. 정강이 보호대(1025)는 PU 가죽(극세섬유 강화 가죽)을 사용하여 제조되어 다리를 보호하고 승차 과정에 다리에 지지력을 제공함으로써 다리에 대한 압력을 감소시키고 승차 과정에서의 편안함을 향상시킨다.
발판(103)은 하우징(102)의 양측에 설치되고 하우징(102)의 하측에 설치된다. 발판(103)은 중공 발판이고, 자이로스코프 상부 받침대(1031) 및 자이로스코프 하부 받침대(1032)를 포함한다. 아래쪽으로 내려다 보았을 경우, 자이로스코프 상부 받침대(1031)와 자이로스코프 하부 받침대(1032)는 서로 매칭되는 장방형 또는 정방형 형상을 유지하고 동일한 크기를 유지한다. 자이로스코프 상부 받침대(1031)와 자이로스코프 하부 받침대(1032)는 각자의 외주 변두리에 대응되게 설치된 버클 구조로 연결 고정된다. 자이로스코프 상부 받침대(1031)는 밟기 위한 제1 상부 표면을 포함하고, 제1 상부 표면은 수평 방향으로 설치된다. 제2 상부 표면과 제3 상부 표면은 제1 상부 표면의 양측에서 아래로 각각 연장되고, 제2 상부 표면과 제3 상부 표면은 서로 평행된다. 자이로스코프 하부 받침대(1032)는 제1 상부 표면에 대응되는 제1 하부 표면을 포함한다. 제2 하부 표면과 제3 하부 표면은 제1 하부 표면의 양측에서 경사지게 위로 연장되고, 제2 하부 표면과 제3 하부 표면은 서로 대응된다. 장착된 상태에서, 제2 상부 표면과 제3 상부 표면은 각각 제2 하부 표면과 제3 하부 표면 사이에 위치된다. 제1 상부 표면, 제2 상부 표면, 제3 상부 표면, 제1 하부 표면, 제2 하부 표면 및 제3 하부 표면을 통하여 전기기계식 자이로스코프 조립품(104)을 수용하기 위한 제3 챔버가 규정된다.
도 1 및 도 3을 결합하면, 발판(103) 내부에는 전기기계식 자이로스코프 조립품(104)이 설치된다. 각 발판(103) 내부에는 적어도 하나의 전기기계식 자이로스코프 조립품(104)이 설치된다. 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 실제 상황에 따라 전기기계식 자이로스코프 조립품(104)의 수량을 증가할 수 있으며, 전기기계식 자이로스코프 조립품(104)의 수량을 증가한 후 발판(103)의 크기도 상응하게 증가된다. 전기기계식 자이로스코프 조립품(104)은 제2 모터(1041)와 제2 모터(1041)의 구동하에 고속회전하여 수평면 내에서 토크를 발생시키는 회전자(1042)를 포함한다. 회전자(1042)는 원반상의 금속부재이고, 제2 모터(1041)는 회전자의 축 중심 위치에 끼워넣어진다.
제2 모터(1041)의 회전축은 자이로스코프 하부 받침대(1032)에 고정되고, 전력 구동하에서 제2 모터(1041)는 고속회전하며 그와 연결되는 회전자(1042)도 고속회전하게 된다. 제2 모터(1041)와 회전자(1042)는 대체적으로 장난감 자이로스코프 형태로 구성되고, 회전자(1042)는 제2 모터(1041)의 구동하에 고속회전하며, 회전자(1042)는 자이로스코프 작용에 의해 고속회전하는 과정에 그가 위치한 수평면 내에서 각 방향을 따라 토크를 발생하여 각 방향에서 차량에 가해지는 작용력이 균형을 이룰수 있게 함으로써 차량을 전체적으로 평형시킨다.
제2 모터(1041)와 회전자(1042)는 발판(103) 내부에 쌍을 이루며 설치된다. 즉, 하나의 회전자(1042)는 하나의 제2 모터(1041)와 대응된다. 바람직하게, 제2 모터(1041)는 고속 무브러시 직류 모터이다. 본 발명의 제2 모터(1041)는 체적이 작고, 회전속도가 18000-20000 r/min에 달할 수 있다. 바람직하게, 회전자(1042)는 철합금으로 제조된 원반상의 구조이다.
제어판(105)은 제1 모터(1011)와 제2 모터(1041)의 회전을 제어한다. 제어판(105)은 메인 하우징(1022)과 커버 플레이트(1023)로 이루어진 제2 챔버 내부에 설치되며 제1 모터(1011)와 제2 모터(1041)에 각각 연결된다.
제어판(105)에는 블루투스 모듈과 가속도 센서(미도시)가 설치된다.
블루투스 모듈은 모바일 장치(예를 들어 휴대폰 또는 리모콘)와 연결되며, 모바일 장치가 송신하는 명령에 따라 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠(100)을 부드러운 승차 모드, 편안한 승차 모드 또는 폭발적인 승차 모드로 설정한다.
부드러운 승차 모드는 저속 운행 모드로서, 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠(100)을 저속으로 달리며, 일반적으로 10 km/h 이하의 속도로 달린다. 부드러운 승차 모드는 도로 상황이 비교적 좋지 못한 상황, 예를 들어 비 내리는 도로, 교통체증이 심한 도로, 평탄치 않는 도로에 적용되며, 또한 사람이 비교적 많은 교차로, 예를 들어 사거리, 학교 길목에도 적용된다.
편안한 승차 모드는 중속 운행 모드로서, 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠(100)을 중속으로 달리며, 일반적으로 10-25 km/h 내의 속도로 달린다. 편안한 승차 모드는 일반적인 도로 상황에 적합하며, 부드러운 승차 모드와 폭발적인 승차 모드 사이에 처하게 된다.
폭발적인 승차 모드는 고속 운행 모드로서, 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠(100)을 고속으로 달리며, 일반적으로 25 km/h 이상의 속도로 달린다. 그러나, 안전을 위하여 생산 과정에 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠(100)의 최고 운행 속도를 40 km/h로 설정한다. 폭발적인 승차 모드는 도로 상황이 비교적 양호한 상황, 예를 들어 행인과 차량이 비교적 적은 평평하고 똑바른 도로에 적용된다.
부드러운 승차 모드, 편안한 승차 모드 및 폭발적인 승차 모드는 모두 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠(100)의 자동 운행 모드이다. 사용자가 자동 운행 모드를 가동하지 않을 경우, 사용자는 여전히 운동방향에서의 신체의 중력 중심을 조정함으로써, 예를 들어 신체를 앞으로 기울이거나 뒤로 기울임으로써 스스로 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠(100)의 차량 속도를 제어한다. 사용자가 자동 운행 모드를 가동할 경우, 즉, 상기 3가지 모드 중의 어느 하나를 선택할 경우, 제어판(105)은 제1 모터(1011)의 회전을 제어하여 차량 속도를 설정된 모드와 매칭되는 속도로 조정한다. 제1 모터(1011)의 회전속도가 변화할 경우, 제2 모터(1041)도 대응되게 분명하게 관련된 변경이 야기된다. 즉, 제1 모터(1011)의 회전속도가 증가하면, 제2 모터(1041)도 회전 속도를 상응하게 증가하고, 이와 반대인 경우에도 마찬가지다.
운행 과정에서, 현재 차량 속도가 현재 승차 모드 하에서 소정의 임계값을 초과할 경우, 제동등(107)은 반짝이기 시작하여 사용자에게 과속을 경고하고, 제어판(105)은 제1 모터(1011)를 제어하여 차량 속도를 저감시킨다. 이러한 소정의 임계값도 사용자가 휴대폰의 응용 프로그램을 통해 설정할 수 있다.
본 발명의 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠(100)은 블루투스 모듈을 통해 휴대폰 등 모바일 장치에 데이터, 예를 들어 차량 속도, 시스템 온도, 전지 팩(106)의 잔여 전기량 등을 전송할 수 있다.
가속도 센서는 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠(100)의 운행 가속도를 검출하기 위한 것이다. 가속도 센서는 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠(100)의 운행 가속도를 연속적으로 검출하고, 검출된 가속도를 제어판(105)에 피드백한다. 바람직하게, 가속도 센서의 검출 주기는 2ms이다.
제어판(105)은 가속도 센서가 피드백한 가속도에 의해 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠(100)의 경사 각도를 산출하고, 경사 각도에 의해 제1 모터(1011)의 회전 방향을 제어한다. 외발휠이 앞으로 나아가는 방향을 정방향으로 하고, 가속도 센서로 검출한 가속도를 도 4에 도시된 바와 같이 수평 방향과 수직 방향으로 분해하여 역삼각 함수 α=arcsin(a/g)에 따라 산출한다. 여기서, α는 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠의 경사 각도이고, a는 가속도 센서로 검출한 가속도이며, g는 중력 가속도 g=9.8 m/s2이다.
산출된 경사 각도가 0보다 클 경우, 차량 본체가 앞으로 경사졌음을 의미하고, 이때 제어판(105)은 제1 모터(1011)가 뒤로 회전하도록 제어한다. 산출된 경사 각도가 0일 경우, 즉, 검출된 운행 가속도가 0일 경우, 차량 본체가 평형상태에 있음을 의미한다. 산출된 경사 각도가 0보다 작을 경우, 차량 본체가 뒤로 경사졌음을 의미하고, 제어판(105)은 제1 모터(1011)가 앞으로 회전하도록 제어한다. 본 발명은 제어판(105)과 가속도 센서를 통해 전후 방향에서 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠(100)의 자체 평형을 제어한다.
전지 팩(106)은 메인 하우징(1022)과 커버 플레이트(1023)로 이루어진 제2 챔버 내부에 설치된다. 전지 팩(106)은 제1 모터(1011), 제2 모터(1041), 제어판(105), 및 제어판(105) 상의 가속도 센서와 블루투스 모듈에 각각 연결되어 전기 에너지를 제공한다. 전지 팩(106)은 충방전 기능을 구비한 축전지 팩이다.
바람직하게, 전지 팩(106)은16개의 18650 전지를 사용하고, 전지의 전압은 53-67.2 V에 달할 수 있다.
조명등(111)은 광선이 좋지 않은 도로에서 운행할 때 사용자에게 조명을 제공한다.
바람직하게, 조명등(111) 내부에는 감광성 센서가 내장되고, 감광성 센서는 외부 환경의 광선 변화를 감지할 수 있으며, 수집된 광선이 소정의 임계값보다 작거나 클 경우, 조명등(111)은 자동적으로 켜지거나 꺼지게 되며 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠(100)이 더욱 편리하고 지능화되게 한다.
이하, 도4를 결합하여 본 발명의 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠(100)의 작동원리를 설명하기로 한다.
사용자는 스위치(109)로 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠(100)을 작동시키고, 제어판(105)으로 발판(103) 내부에 설치된 적어도 하나의 전기기계식 자이로스코프 조립품(104)의 고속회전을 제어한다. 전기기계식 자이로스코프 조립품(104)의 회전자(1042)는 자이로스코프 작용에 의해 고속회전 과정에 그가 위치한 수평면 내에서 각 방향을 따라 토크를 발생하여 각 방향에서 차량에 가해지는 작용력이 균형을 이룰 수 있게 함으로써 차량을 전체적으로 평형시킨다. 가속도 센서는 검출된 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠(100)의 가속도를 펄스 신호(PWM)의 형식으로 제어판(105)에 발송하고, 제어판(105)은 수신된 가속도 값을 표시하는 펄스 신호(PWM)와 역삼각 함수 α=arc sin(g/a)에 따라 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠의 경사 각도를 산출해 낸다. 산출해 낸 경사 각도가 0보다 클 경우, 차량 본체가 앞으로 경사졌음을 의미하고, 이때 제어판(105)은 제1 모터(1011)가 뒤로 회전하도록 제어한다. 산출된 경사 각도가 0일 경우, 즉, 검출된 운행 가속도가 0일 경우, 차량 본체가 평형상태에 처해 있음을 의미한다. 산출된 경사 각도가 0보다 작을 경우, 차량 본체가 뒤로 경사졌음을 의미하고, 제어판(105)은 제1 모터(1011)가 앞으로 회전하도록 제어한다. 제1 모터(1011)가 앞으로 또는 뒤로 회전하는 것을 조정함으로써, 전후 방향에서 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠(100)의 평형을 제어한다.
바람직하게, 제동등(107), 충전 인터페이스(108), 스위치(109), USB 인터페이스(110) 및 조명등(111)은 하우징의 둘레를 따라 두 개의 메인 하우징 사이에 순차적으로 설치된다. 하우징(102)의 상부(top part)에 설치된 관통홀(1024)을 경계 포인트로, 제동등(107)과 충전 인터페이스(108)는 하우징(102)의 둘레를 따라 관통홀(1024)의 뒤측에 순차적으로 설치되고, 스위치(109), USB 인터페이스(110) 및 조명등(111)은 하우징(102)의 둘레를 따라 관통홀(1024)의 앞측에 순차적으로 설치된다.
풀 로드(112)는 하우징(102)의 후측 하부에 연결된다. 풀 로드(112)는 신축 가능한 풀 로드로서, 그 길이는 신축 조정이 가능하다. 수축된 풀 로드(112)의 최단길이는 휠의 높이에 매칭된다.
상기 설명은 다만 본 발명의 바람직한 실시예일 뿐, 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명에 대해 여러가지 변화 및 변형을 실시할 수 있다. 본 발명의 의도 및 원리 내에서 수행한 임의의 수정, 균등한 대체 및 개진 등은 모두 본 발명의 보호 범위내에 포함된다.
100 --- 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠
101 --- 휠
102 --- 하우징
103 ---발판
104 --- 전기기계식 자이로스코프 조립품
105 --- 제어판
106 --- 전지 팩
107 --- 제동등
108 --- 충전 인터페이스
109 --- 스위치
110 --- USB 인터페이스
111 --- 조명등
112 --- 풀 로드
1011 --- 제1 모터
1012 --- 팽창된 타이어
1013 --- 지지축
1014 --- L자형 연결부재
1021 --- 하프 하우징
1022 --- 메인 하우징
1023 --- 커버 플레이트
1024 --- 관통홀
1025 --- 정강이 보호대
1031 --- 자이로스코프 상부 받침대
1032 --- 자이로스코프 하부 받침대
1041 --- 제2 모터
1042 --- 회전자

Claims (10)

  1. 제1 모터가 내장된 휠,
    상기 휠의 외측에 설치된 하우징, 및
    상기 하우징의 양측에 각각 설치된 중공 발판을 포함하되,
    상기 발판 내부에는 전기기계식 자이로스코프 조립품(assembly)이 설치되고,
    상기 전기기계식 자이로스코프 조립품은 제2 모터와 상기 제2 모터의 구동하에 고속회전하면서 수평면 내에서 토크를 발생시키는 회전자를 포함하며,
    상기 제2 모터는 상기 회전자의 축 중심 위치에 끼워넣어지는(nested) 것을 특징으로 하는 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전자는 원반상의 금속부재인 것을 특징으로 하는 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 하우징은 대칭되게 설치된 2개의 하프 하우징을 포함하고,
    2개의 상기 하프 하우징으로 이루어진 제1 챔버 내부에는 상기 휠이 수용되는 것을 특징으로 하는 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 하프 하우징은 메인 하우징과 상기 메인 하우징의 상기 휠로부터 멀어지는 일측에 설치된 커버 플레이트를 포함하고,
    상기 메인 하우징과 상기 커버 플레이트로 이루어진 제2 챔버 내부에는 전지 팩과 제어판이 설치되는 것을 특징으로 하는 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠.
  5. 제4항에 있어서,
    2개의 상기 메인 하우징은 각각의 상부(top part)에 서로 대응되는 관통홀이 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 커버 플레이트의 외부 표면에는 정강이 보호대(shin pad)가 설치되는 것을 특징으로 하는 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 하우징의 둘레를 따라 2개의 상기 메인 하우징 사이에 순차적으로 설치되는 제동등, 충전 인터페이스, 스위치, USB 인터페이스 및 조명등을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징과 연결되는 풀 로드(pull rod)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 휠은,
    상기 제1 모터의 축 중심에 설치되는 지지축을 더 포함하며 상기 지지축은 상기 제1 모터의 표면으로부터 상기 휠의 양측으로 연장 돌출되는 것을 특징으로 하는 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 지지축의 양단에는 각각 L자형 연결부재가 설치되고, 상기 L자형 연결부재는 상기 하우징과 상기 발판을 상기 지지축의 양단에 고정 연결시키는 것을 특징으로 하는 전기기계식 자이로스코프 평형 외발휠.
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