KR102032859B1 - 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전방향으로 이동 가능한 전방향(Omni-directional) 이동로봇에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 전방향 이동을 구현하기 위하여는 기존의 메카넘 휠(Mecanum Wheel)과 같이 특수한 형태나 구조의 바퀴를 이용해야 함으로 인해 일반 바퀴에 비하여 구조가 복잡해지고 제작비용이 증가하며, 이물질 등이 바퀴 사이로 들어갈 수 있으므로 실외에서의 주행이 용이하지 않은 데 더하여, 이동 및 주행속도에 제한이 있었던 종래기술의 전방향 이동로봇들의 문제점을 해결하기 위해, 두 개의 차동 바퀴를 이용하여 바퀴의 각도를 조향하고 각각의 바퀴를 개별적으로 구동하는 것에 의해 바퀴의 구조적인 변경 없이 일반적인 주행용 바퀴를 이용하여 전방향 이동이 가능하도록 구성됨으로써, 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 전방향 이동을 구현 가능한 동시에, 다양한 이동 동작에 대한 제어가 직관적이고 용이하게 이루어질 수 있으므로 다양한 산업분야에 폭넓게 적용 가능할 뿐만 아니라, 고속 주행이 가능하여 전기차 및 자율주행차와 같은 자동차 분야에도 적용 가능하도록 구성되는 전방향 이동로봇이 제공된다.

Description

차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇{Omni-directional mobile robot with differential drive wheels}

본 발명은 전후좌우 및 대각선을 포함하는 전방향으로 이동 가능한 전방향(Omni-directional) 이동로봇에 관한 것으로, 더 상세하게는, 예를 들면, 기존의 메카넘 휠(Mecanum Wheel) 등과 같이, 전방향 이동을 구현하기 위하여는 특수한 형태나 구조의 바퀴를 이용해야 함으로 인해 일반 바퀴에 비하여 구조가 복잡해지고, 또한, 그러한 구조적인 특성상 이물질 등이 바퀴 사이로 들어갈 수 있으므로 실외에서의 주행이 용이하지 않은 데 더하여, 일반적인 바퀴에 비하여 이동의 제약이나 고속주행이 어려운 등의 문제가 있었던 종래기술의 전방향 이동로봇들의 문제점을 해소하여, 종래의 일반적인 바퀴를 이용하여도 전방향 이동이 가능하도록 구성되는 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇에 관한 것이다.

또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 전방향 이동을 구현하기 위하여 바퀴의 구조를 변경하거나 특수한 형태의 바퀴를 사용함으로 인해 일반 바퀴에 비해 구조가 복잡해지고 제작비용이 증가하는 것에 더하여, 전방향 이동을 위하여는 네 개의 바퀴가 항상 동시에 지면에 닿아 있어야 하므로 로봇의 이동 및 주행속도에 제한이 있었던 종래기술의 전방향 이동로봇들의 문제점을 해결하기 위해, 두 개의 차동 바퀴를 이용하여 바퀴의 각도를 조향하고 각각의 바퀴를 개별적으로 구동하는 것에 의해 일반적인 주행용 바퀴를 이용하여 전방향 이동이 가능하도록 구성됨으로써, 바퀴의 구조적인 변경 없이 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 전방향 이동을 구현 가능한 동시에, 고속 주행이 가능할 뿐만 아니라, 다양한 이동 동작에 대한 제어가 직관적이고 용이하게 이루어질 수 있도록 구성되는 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇에 관한 것이다.

아울러, 본 발명은, 바퀴의 구조를 변경하거나 특수한 형태의 바퀴를 사용하지 않고 일반적인 형태의 주행용 바퀴를 사용하여 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 전방향 이동을 구현 가능한 동시에, 고속 주행이 가능하며, 다양한 이동 동작에 대한 제어가 직관적이고 용이하게 이루어질 수 있도록 구성됨으로써, 물류나 서비스 분야에 적용되는 로봇이나, 또는, 전방향 이동이 가능한 스케이트 보드와 같은 레저용 상품 등의 다양한 분야에 적용 가능한 데 더하여, 전기차나 자율주행차 등의 자동차 분야에도 적용 가능하여 기술의 활용성 및 시장성이 높은 장점을 가지는 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇에 관한 것이다.

종래, 자동차와 같은 일반적인 형태의 바퀴 구조와 조향장치를 가지는 이동로봇은 전후진 주행은 가능하나 측면 방향으로는 이동이 불가능하여 로봇의 동작에 제한이 많고, 로봇의 운동을 제어하기 위한 알고리즘이 복잡한 문제가 있었다.

즉, 예를 들면, 기존의 이동로봇을 통하여 평행주차와 같은 동작을 구현하려는 경우 매우 복잡한 주행 경로를 생성해야 하며, 이를 정확히 제어하는 것도 쉽지 않은 문제가 있다.

이에, 최근에는, 전후좌우 및 대각선을 포함하는 360°전방향으로 이동 가능한 전방향 이동로봇에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 이와 같이 전방향 이동로봇을 이용하면 전진 또는 후진으로 원하는 위치에 도달한 후 측면으로 이동하는 단 2가지의 동작만으로 평행주차를 매우 간단하게 구현할 수 있다.

여기서, 상기한 바와 같은 전방향 이동로봇들은, 예를 들면, 메카넘 휠(Mecanum Wheel)이나, 얼터네이트 휠(Alternate wheel), 스웨디쉬 휠(Swedish wheel), 또는, 오소고널 휠(Orthogonal wheel) 등과 같이, 대부분 일반적인 바퀴가 아닌 다양한 형태의 특별한 바퀴를 통하여 전방향 이동을 구현하도록 구성되어 있다.

더 상세하게는, 상기한 바와 같은 메카넘 휠 및 이를 이용한 전방향 이동로봇에 대한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1133994호 및 한국 등록특허공보 제10-1133996호에 따르면, 서로 독립된 복수 개의 구동모터가 구비된 운송장치의 각 구동모터에 개별적으로 장착되어 운송장치를 전방향으로 이동시키는 메카넘 휠에 관한 기술내용이 제시된 바 있다.

또한, 한국 등록특허공보 제10-1307990호에 따르면, 휠 바디(wheel body)의 외주면 둘레를 따라 결합되는 롤러들의 조립작업 및 롤러의 위치조정이 용이하게 이루어져 작업의 편의성을 높여줄 수 있고, 안정적인 주행이 이루어질 수 있도록 구성되는 메카넘 휠의 조립구조에 관한 기술내용이 제시된 바 있다.

아울러, 한국 등록특허공보 제10-1803533호에 따르면, 메카넘 휠의 롤러들의 접촉점들이 휠 바디의 중심을 중심으로 하는 원주에 위치하도록 하여 구동중 롤러가 지면과 동일한 반경을 가지도록 제작되는 것에 의해 진동을 저감시키도록 구성되는 진동 저감형 메카넘 바퀴 및 그 제작 방법에 관한 기술내용이 제시된 바 있다.

상기한 바와 같이, 종래, 메카넘 휠 등을 이용한 전방향 이동로봇에 대하여 여러 가지 기술내용이 제시된 바 있으나, 종래의 전방향 이동로봇들은 다음과 같은 문제점이 있는 것이었다.

즉, 종래의 전방향 이동로봇들은, 상기한 바와 같이 메카넘 휠 등과 같은 특수한 형태의 바퀴를 사용하여 전방향 이동을 구현하도록 구성됨으로 인해, 특수한 형태를 가지는 각각의 바퀴에 대한 회전운동을 조합하여 이동로봇의 동작을 구현해야 하므로 제어를 위한 알고리즘이 복잡해지는 것뿐만 아니라 이동로봇 자체의 구성이 복잡해지고 제작비용이 증가하게 되는 문제가 있었다.

더욱이, 종래의 전방향 이동로봇들은, 메카넘 휠 등과 같은 특수한 형태의 바퀴를 이용함으로 인해 이물질 등이 바퀴 사이로 들어갈 수 있으므로 실외에서의 주행이 용이하지 않은 데 더하여, 바퀴의 특수한 형태로 인해 고속 주행이 어렵다는 큰 단점이 있으며, 이러한 문제점들은 전방향 이동로봇의 발전 가능성을 제한하는 요인이 되고 있다.

이에, 상기한 바와 같이 메카넘 휠 등과 같은 특수한 형태의 바퀴를 사용하지 않고 일반적인 구조의 바퀴를 이용하여 전방향 이동이 가능한 로봇이 개발된다면 제어가 용이하고 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 제작 가능한 동시에, 고속 주행이 가능하므로 전방향 이동로봇의 적용범위를 획기적으로 확대할 수 있을 것으로 기대된다.

즉, 상기한 바와 같이, 전방향 이동을 구현하기 위하여 메카넘 휠과 같은 특수한 형태의 바퀴를 사용함으로 인해 일반 바퀴에 비해 구조가 복잡해지고 제작비용이 증가하며, 이물질 등이 바퀴 사이로 들어갈 수 있으므로 실외에서의 주행이 용이하지 않은 데 더하여, 전방향 이동을 위하여는 네 개의 바퀴가 항상 동시에 지면에 닿아 있어야 하므로 이동 및 주행속도에 제한이 있었던 종래기술의 전방향 이동로봇들의 문제점을 해결하기 위해서는, 바퀴의 구조를 변경하거나 특수한 형태의 바퀴를 사용하지 않고 일반적인 형태의 주행용 바퀴를 사용하여 전방향 이동을 구현 가능하도록 구성됨으로써, 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 용이하게 제작 가능하고, 다양한 이동 동작에 대한 제어가 직관적이고 용이하게 이루어질 수 있는 동시에, 고속 주행이 가능하도록 구성되는 새로운 구조의 전방향 이동로봇을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제시되지 못하고 있는 실정이다.

[선행기술문헌]

1. 한국 등록특허공보 제10-1133994호 (2012.03.30.)

2. 한국 등록특허공보 제10-1133996호 (2012.03.30.)

3. 한국 등록특허공보 제10-1307990호 (2013.09.06.)

4. 한국 등록특허공보 제10-1803533호 (2017.11.24.)

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 예를 들면, 메카넘 휠 등과 같이, 특수한 형태의 바퀴를 사용함으로 인해 일반 바퀴에 비하여 구조가 복잡해지고, 구조적인 특성상 이물질 등이 바퀴 사이로 들어갈 수 있으므로 실외에서의 주행이 용이하지 않은 데 더하여, 일반적인 바퀴에 비하여 이동의 제약이나 고속주행이 어려운 등의 문제가 있었던 종래기술의 전방향 이동로봇들의 문제점을 해결하기 위해, 바퀴의 구조를 변경하거나 특수한 형태의 바퀴를 사용하지 않고 일반적인 형태의 주행용 바퀴를 사용하여도 전방향 이동이 가능하도록 구성되는 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇을 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 전방향 이동을 구현하기 위하여 바퀴의 구조를 변경하거나 특수한 형태의 바퀴를 사용함으로 인해 일반 바퀴에 비해 구조가 복잡해지고 제작비용이 증가하는 것에 더하여, 전방향 이동을 위하여는 네 개의 바퀴가 항상 동시에 지면에 닿아 있어야 하므로 로봇의 이동 및 주행속도에 제한이 있었던 종래기술의 전방향 이동로봇들의 문제점을 해결하기 위해, 두 개의 차동 바퀴를 이용하여 바퀴의 각도를 조향하고 각각의 바퀴를 개별적으로 구동하는 것에 의해 일반적인 주행용 바퀴를 이용하여 전방향 이동을 구현 가능하도록 구성됨으로써, 바퀴의 구조적인 변경 없이 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 전방향 이동을 구현 가능한 동시에, 고속 주행이 가능할 뿐만 아니라, 다양한 이동 동작에 대한 제어가 직관적이고 용이하게 이루어질 수 있도록 구성되는 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇을 제공하고자 하는 것이다.

아울러, 본 발명의 또 다른 목적은, 상기한 바와 같이 바퀴의 구조를 변경하거나 특수한 형태의 바퀴를 사용하지 않고 일반적인 형태의 주행용 바퀴를 사용하여 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 전방향 이동을 구현 가능한 동시에, 고속 주행이 가능하며, 다양한 이동 동작에 대한 제어가 직관적이고 용이하게 이루어질 수 있도록 구성됨으로써, 물류나 서비스 분야에 적용되는 로봇이나, 또는, 전방향 이동이 가능한 스케이트 보드와 같은 레저용 상품 등의 다양한 분야에 적용 가능한 데 더하여, 전기차나 자율주행차 등의 자동차 분야에도 적용 가능하여 기술의 활용성 및 시장성이 높은 장점을 가지는 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇을 제공하고자 하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 전방향 이동을 구현하기 위하여 바퀴의 구조를 변경하거나 특수한 형태의 바퀴를 사용함으로 인해 일반적인 튜브형 바퀴에 비해 구조가 복잡해지고 제작비용이 증가하며, 이물질이 바퀴 사이로 들어갈 수 있으므로 실외에서의 주행이 용이하지 않은 데 더하여, 이동 및 주행속도에 제한이 있었던 종래기술의 전방향 이동로봇들의 문제점을 해결하기 위해 일반적인 튜브형 바퀴를 이용하여 전방향 이동이 가능하도록 구성되는 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇에 있어서, 이동로봇의 외관을 형성하는 프레임; 상기 이동로봇의 전후진, 제자리 회전 및 선회 운동이 가능하도록 두 개의 차동바퀴를 포함하여 상기 프레임의 하부에 설치되는 구동부; 상기 이동로봇의 이동방향을 제어하도록 상기 차동바퀴의 각도를 조절하기 위해 상기 프레임의 상부에 설치되는 조향부; 및 상기 이동로봇의 전체적인 동작을 제어하고, 장애물 및 주변환경을 감지하기 위한 복수의 센서를 포함하여 상기 프레임의 일측에 설치되는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇이 제공된다.

여기서, 상기 이동로봇은, 주행을 원활히 하고 자체 무게를 지지하기 위한 보조바퀴로서 상기 프레임의 하단에 구비되는 복수의 볼캐스터 또는 캐스터 바퀴; 및 충격을 흡수하기 위해 각각의 상기 볼캐스터의 상부 및 상기 차동바퀴의 상부에 각각 설치되는 서스펜션을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 조향부는, 상기 차동바퀴의 각도를 조절하기 위해 상기 프레임의 상부에 설치되어 각도 및 각속도를 검출하는 로터리 엔코더; 일측은 커플링을 이용하여 상기 로터리 엔코더에 연결되고, 타측은 회전을 위해 복수의 베어링을 사용하여 상기 차동바퀴에 연결되어, 상기 차동바퀴와 상기 로터리 엔코더를 서로 연결하면서 상기 차동바퀴의 각도를 회전시키는 샤프트; 및 상기 차동바퀴의 조향이 끝난 후에 상기 샤프트가 회전되는 것을 방지하도록 상기 샤프트의 회전을 정지시키기 위한 전자클러치 또는 전자브레이크를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

더욱이, 상기 제어부는, 상기 이동로봇에 전원을 공급하기 위한 전원부; 상기 이동로봇의 이동거리와 주행상태 및 주변 상황을 감지하기 위한 초음파센서 및 적외선센서를 포함하는 복수의 센서를 포함하여 이루어지는 센서부; 상기 센서부를 통해 감지된 데이터 및 각종 제어신호를 처리하고 상기 이동로봇의 전체적인 동작을 제어하는 제어기; 사용자가 상기 이동로봇의 이동 및 위치를 제어할 수 있도록 하기 위한 사용자 인터페이스를 제공하는 인터페이스부; 및 상기 차동바퀴를 구동하고 각도를 조향하기 위한 각각의 모터를 제어하는 모터드라이버부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전원부는, 상기 제어기와 상기 로터리 엔코더의 전원을 공급하기 위한 제 1 배터리; 및 상기 이동로봇의 각도 조향과 이동을 위한 상기 모터드라이버와 상기 전자브레이크의 전원공급을 위한 제 2 배터리를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 센서부는, 상기 이동로봇의 정면 및 측면에 각각 설치되는 복수의 초음파센서를 포함하여, 상기 이동로봇의 이동거리와 목표지점에 도달했을 때 상기 이동로봇의 기울기를 감지하도록 구성됨으로써, 상기 이동로봇이 각각의 센서를 통해 장애물 및 주변환경에 대한 데이터를 취득하고, 취득된 센서 데이터들을 통합하여 주변상황을 인지하고 자율주행이 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

더욱이, 상기 제어기는, 상기 센서부를 통해 감지된 거리와 상기 로터리 엔코더에서 전송되는 현재 각도를 별도의 디스플레이에 표시하며, 블루투스(Bluetooth)를 포함하는 무선통신 모듈을 통하여 외부 기기와 통신하여 상기 인터페이스부를 통해 상기 이동로봇을 원격으로 구동하고 제어하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 인터페이스부는, 상기 이동로봇의 제어를 위한 기능이 설정된 복수의 버튼을 포함하여 이루어지는 사용자 인터페이스를 사용자의 스마트폰이나 태블릿 PC를 포함하는 개인 휴대용 단말기를 통해 표시하도록 구성됨으로써, 상기 사용자의 개인 휴대용 단말기와 상기 이동로봇이 블루투스 통신을 포함하는 무선통신 방식으로 연결되고, 사용자가 자신의 개인 휴대용 단말기에 표시되는 사용자 인터페이스를 통하여 원하는 동작에 해당하는 버튼을 누르면, 선택된 버튼에 설정된 명령이 상기 이동로봇으로 전송되어 수신된 명령에 해당하는 동작이 수행되는 것에 의해, 별도의 조종기나 제어장치를 구비할 필요 없이 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 상기 이동로봇을 원격으로 용이하게 제어할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 제어기는, 상기 로터리 엔코더로부터 수신된 현재 각도데이터 값과, 상기 인터페이스부를 통해 얻어진 목표위치 값과 현재 위치값의 차이를 K(K는 상수)배 하여 구해지는 오차값을 상기 모터드라이버부로 전송하고, 상기 모터드라이버부는, 상기 제어기로부터 수신된 데이터에 근거하여, 오차가 클수록 상기 차동바퀴를 빠르게 구동하고 오차가 점점 줄어들수록 상기 차동바퀴를 천천히 구동하며, 오차가 0이 되면 상기 차동바퀴의 구동을 정지하는 속도제어를 수행하도록 구성됨으로써, 상기 차동바퀴의 차동 구동과 상기 조향부를 통하여 회전되는 상기 차동바퀴의 회전각도 조절을 조합하는 것에 의해 특수한 형태의 바퀴를 사용하지 않고 일반 바퀴를 이용하여 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 전방향 이동을 구현할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

더욱이, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇의 제어방법에 있어서, 사용자가 자신의 개인 휴대용 단말기에 표시되는 사용자 인터페이스를 통하여 시동버튼을 누르면 상기 이동로봇의 동작이 개시되는 단계; 상기 사용자가 상기 사용자 인터페이스를 통하여 원하는 각도를 입력하면, 상기 이동로봇의 로터리 엔코더를 통하여 현재위치의 각도에 대한 데이터가 상기 이동로봇의 제어기로 송신되고, 목표각도와 현재각도의 차이에 K배 한 오차값이 상기 이동로봇의 모터드라이버부에 전송되어, 오차값에 근거한 속도제어를 통하여 상기 이동로봇의 차동바퀴를 구동하고 상기 이동로봇의 전자브레이크를 이용하여 샤프트를 고정시키는 것에 의해 상기 이동로봇의 각도가 제어되는 단계; 상기 사용자가 상기 사용자 인터페이스를 통해 원하는 위치를 입력하면, 상기 이동로봇의 센서부에 구비된 센서를 이용하여 해당 위치까지 이동한 후, 현재 좌표가 목표좌표가 될 때까지 피드백을 통하여 거리와 각도를 수정하면서 이동을 계속하는 단계; 및 목표위치에 도달하거나 상기 사용자 인터페이스를 통해 종료명령이 수신되면 이동을 멈추고 동작을 종료하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇의 제어방법이 제공된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 두 개의 차동 바퀴를 이용하여 바퀴의 각도를 조향하고 각각의 바퀴를 개별적으로 구동하는 것에 의해 바퀴의 구조적인 변경 없이 일반적인 주행용 바퀴를 이용하여 전방향 이동이 가능하도록 구성되는 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇이 제공됨으로써, 예를 들면, 메카넘 휠 등과 같이, 전방향 이동을 구현하기 위하여 바퀴의 구조를 변경하거나 특수한 형태의 바퀴를 사용함으로 인해 일반 바퀴에 비해 구조가 복잡해지고 제작비용이 증가하며, 구조적인 특성상 이물질 등이 바퀴 사이로 들어갈 수 있으므로 실외에서의 주행이 용이하지 않은 데 더하여, 일반적인 바퀴에 비하여 이동의 제약이나 고속주행이 어려운 등의 문제가 있었던 종래기술의 전방향 이동로봇들의 문제점을 해결하여, 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 전방향 이동을 구현 가능한 동시에, 고속 주행이 가능할 뿐만 아니라, 다양한 이동 동작에 대한 제어가 직관적이고 용이하게 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 바퀴의 구조를 변경하거나 특수한 형태의 바퀴를 사용하지 않고 일반적인 형태의 주행용 바퀴를 사용하여 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 전방향 이동을 구현 가능한 동시에, 고속 주행이 가능하며, 다양한 이동 동작에 대한 제어가 직관적이고 용이하게 이루어질 수 있도록 구성되는 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇이 제공됨으로써, 물류나 서비스 분야에 적용되는 로봇이나, 또는, 전방향 이동이 가능한 스케이트 보드와 같은 레저용 상품 등의 다양한 분야에 적용 가능한 데 더하여, 고속 주행이 가능하므로 전기차나 자율주행차 등의 자동차 분야에도 적용 가능하여 기술의 활용성 및 시장성이 높은 장점 또한 가지는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇이 전방향 이동을 구현하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇이 전방향 이동을 구현하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇이 전방향 이동을 구현하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇이 전방향 이동을 구현하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇의 제어부의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 7은 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇의 인터페이스부를 통해 표시되는 사용자 인터페이스 화면의 표시예를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7에 나타낸 사용자 인터페이스를 통하여 원격으로 이동로봇의 제어가 이루어지는 과정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇을 실제로 제작한 모습을 나타내는 도면이다.
도 10은 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇의 동작 알고리즘을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.

여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.

또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.

계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.

먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇(10)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇(10)은, 크게 나누어, 이동로봇의 외관을 형성하는 프레임(20), 두 개의 차동 바퀴를 포함하여 전후진, 제자리 회전 및 선회 등의 운동이 가능하도록 이루어지는 구동부(30), 구동부(30)의 차동 바퀴의 방향(각도)을 조절하여 이동방향을 제어하기 위한 조향부(40), 이동로봇(10)의 안전한 운행 및 자율주행이 가능하도록 장애물 및 주변환경을 감지하기 위한 각종 센서를 포함하고 상기한 각 부의 동작을 제어하여 이동로봇(10)의 전체적인 동작을 제어하기 위한 제어부(50)를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기한 프레임(20)은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 이동로봇을 형성하는 각각의 부품들이 장착될 수 있도록 사각형의 틀 형태로 형성될 수 있으며, 바람직하게는, 알루미늄 프로파일로 형성됨으로써 조립이 간편한 동시에 무게를 최대한 줄일 수 있도록 구성될 수 있다.

또한, 상기한 프레임(20)의 하부에는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 충격을 흡수하기 위한 서스펜션(21) 및 주행을 원활히 하기 위한 보조바퀴로서 볼캐스터(22) 또는 캐스터 바퀴가 더 설치될 수 있다.

여기서, 도 1에 나타낸 실시예에서는 상기한 프레임(20)이 알루미늄 프로파일을 이용하여 사각형의 틀 형태로 형성되는 경우를 예로 하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 경우로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 본 발명은, 도 1에 나타낸 사각형 틀 형태 이외에, 예를 들면, 일반적인 자동차와 같은 형상으로 형성될 수도 있는 등, 필요에 따라 얼마든지 다른 형태로 구성될 수 있는 것임에 유념해야 한다.

아울러, 상기한 구동부(30)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 제어부(50)의 제어에 따라 각각 구동되는 두 개의 차동바퀴(31, 32)를 포함하여 구성됨으로써, 각각의 차동바퀴(31, 32)를 구동하는 것에 의해 전진, 후진, 제자리 회전, 선회 등의 운동을 구현하도록 구성될 수 있다.

여기서, 상기한 바와 같이 두 개의 차동바퀴를 이용하여 전진, 후진, 제자리 회전, 선회 등의 운동을 구현하는 구체적인 구성 및 방법은 당업자에게 자명한 내용이므로, 여기서는 설명을 간략히 하기 위해 종래기술을 참조하여 당업자가 용이하게 이해하고 실시할 수 있는 내용에 대하여는 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.

더욱이, 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기한 차동바퀴(31, 32)의 상부에도 충격을 흡수하기 위한 서스펜션(21)이 설치될 수 있다.

또한, 상기한 조향부(40)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 각도 및 각속도를 검출할 수 있는 로터리 엔코더(41)와, 구동부(30)와의 접속을 연결하거나 끊을 수 있는 전자클러치 또는 전자브레이크(42)를 포함하여 차동바퀴(31, 32)의 각도를 조절하는 것에 의해 이동로봇의 이동방향을 제어할 수 있도록 구성될 수 있다.

여기서, 로터리 엔코더는 기계적 이동량 또는 변위를 검출하여 전기적 신호로 변환시키는 광센서로서 회전축이 1회전 할 때 발생하는 아날로그신호를 디지털신호로 변환시켜 출력하며, 본 실시예에서는 EP58SC10-1024-2R-N-5 로터리 엔코더가 사용되었으나, 반드시 이러한 구성으로만 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 적절한 형태 및 규격의 엔코더를 사용할 수 있다.

더 상세하게는, 본 실시예에서는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 로터리 엔코더(41)를 커플링을 이용하여 샤프트(43)에 연결하고, 샤프트(43)의 회전을 위해 2개의 베어링을 사용하여 로터리 엔코더와 샤프트(43) 및 차동바퀴(31, 32)를 서로 연결하였으며, 이때, 조향이 끝난 후 베어링 때문에 샤프트(43)가 회전하는 것을 방지하기 위해 전자브레이크(42)를 설치하였다.

따라서 상기한 바와 같은 차동바퀴(31, 32) 및 조향부(40)의 구성을 통하여, 후술하는 바와 같이 2개의 DC 모터를 통해 차동 구동되는 차동바퀴(31, 32)의 차동 구동과 조향부(40)를 통하여 회전되는 차동바퀴(31, 32)의 회전각도 조절을 조합하는 것에 의해 특수한 형태의 바퀴를 사용하지 않고 일반 바퀴를 이용하여 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 전방향 이동을 구현할 수 있다.

더 상세하게는, 도 2 내지 도 5를 참조하면, 도 2 내지 도 5는 각각 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇이 전방향 이동을 구현하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

즉, P제어를 이용하여 차동바퀴(31, 32)의 DC 모터를 각각 구동시키면 현재 각도가 로터리 엔코더에서 제어부로 2진수 디지털 코드의 형태로 보내지며, 제어부는 2진수 데이터를 각도로 변환하여 현재 위치값과 목표위치값 오차에 근거하여 모터의 속도를 제어하고, 목표위치에 도달하게 되면 오차가 0이므로 모터가 더 이상 구동되지 않고 멈추도록 한다.

여기서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 차동바퀴(31, 32)가 정면을 바라볼 때를 기준으로 하여 180°로 설정하면, 차동바퀴(31, 32)의 각도가 180°일 때 이동로봇을 전진 및 후진시키면 로봇을 위에서 바라봤을 때 도 2의 화살표와 같이 이동로봇이 전후로 이동하게 된다.

또한, 도 3에 나타낸 바와 같이, 차동바퀴(31, 32)의 방향이 정면을 바라볼 때를 180°로 할 때 +45° 방향으로 이동되어 차동바퀴(31, 32)의 각도가 225°일 때 이동로봇을 전진 및 후진시키면, 로봇을 위에서 바라봤을 때 도 3의 화살표와 같이 이동로봇이 왼쪽 대각선 방향으로 전진 및 후진하게 된다.

아울러, 도 4에 나타낸 바와 같이, 차동바퀴(31, 32)의 방향이 정면을 바라볼 때를 180°로 할 때 -45° 방향으로 이동되어 차동바퀴(31, 32)의 각도가 135°일 때 이동로봇을 전진 및 후진시키면, 로봇을 위에서 바라봤을 때 도 4의 화살표와 같이 이동로봇이 오른쪽 대각선 방향으로 전진 및 후진하게 된다.

더욱이, 도 5에 나타낸 바와 같이, 차동바퀴(31, 32)의 방향이 정면을 바라볼 때를 180°로 할 때 +90°, -90° 방향으로 이동되어 차동바퀴(31, 32)의 각도가 270°, 90°일 때 이동로봇을 전진 및 후진시키면, 로봇을 위에서 바라봤을 때 도 5의 화살표와 같이 이동로봇이 직각(좌우) 방향으로 전진 및 후진하게 된다.

따라서 상기한 바와 같이 하여 차동바퀴(31, 32)와 로터리 엔코더(41)를 통해 특수한 형태의 바퀴가 아닌 일반적인 바퀴를 이용하여 전방향 이동을 구현할 수 있으며, 이때, 이동로봇이 전진 또는 후진할 때 샤프트(43)가 회전하게 되면 직진성이 떨어지므로, 상기한 바와 같이 전자브레이크(42)를 사용하여 원하는 각도만큼 조향 후 베어링과 샤프트를 고정시키도록 구성될 수 있다.

계속해서, 도 6을 참조하면, 도 6은 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇의 제어부(50)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 제어부(50)는, 이동로봇에 전원을 공급하기 위한 전원부(51), 이동로봇의 이동거리와 주행상태 및 주변 상황을 감지하기 위해 초음파센서 등을 포함하여 이루어지는 센서부(52), 센서부(52)를 통해 감지된 데이터 및 각종 제어신호를 처리하는 제어기(53), 블루투스(Bluetooth) 등과 같은 무선통신을 이용하여 사용자가 이동 및 위치를 제어할 수 있도록 하기 위한 사용자 인터페이스를 제공하는 인터페이스부(54) 및 차동바퀴(31, 32)를 구동하는 모터 등과 같은 각각의 모터를 제어하는 모터드라이버부(55)를 포함하여 구성될 수 있다.

더 상세하게는, 먼저, 상기한 전원부(51)는, 제어기(53)와 로터리 엔코더(41)의 전원을 공급하기 위한 제 1 배터리와, 이동로봇의 각도 조향과 이동을 위한 모터드라이버와 전자브레이크의 전원공급을 위한 제 2 배터리를 포함하여 2중 전원 구조로 구성될 수 있다.

또한, 상기한 센서부(52)는, 예를 들면, 이동로봇의 정면 및 측면에 각각 설치되는 복수의 초음파센서를 포함하여, 이동로봇의 이동거리와 목표지점에 도달했을 때 이동로봇의 기울기 등을 감지하도록 구성될 수 있다.

여기서, 본 실시예에서는, 초음파 센서로서 SRF-04 센서가 사용되었으나 반드시 이러한 구성으로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 상기한 센서부(52)는, 이동로봇(10)이 장애물 등과 같은 주변 환경을 감지하고 상황을 판단하여 자율적인 주행을 할 수 있도록 하기 위해, 상기한 초음파센서나 적외선센서와 같은 거리계 감지센서 이외에 필요에 따라 적절한 용도 및 개수의 센서를 사용하여, 다양한 센서를 통해 주변 환경에 대한 데이터를 취득하고, 취득된 센서 데이터들을 통합하여 주변상황을 인지하고 자율적인 주행을 할 수 있도록 구성될 수 있다.

아울러, 상기한 제어기(53)는 이동로봇의 전체적인 동작을 제어하기 위한 MCU로서, 본 실시예에서는 NUCLEO-F401RE 보드를 사용하였으며, 초음파센서를 통해 감지된 거리와 로터리 엔코더에서 보내주는 로봇의 현재 각도를 Text LCD를 통해 확인할 수 있고, 블루투스(Bluetooth) 모듈로 스마트폰과 통신하여 후술하는 바와 같은 사용자 인터페이스를 통해 이동로봇을 원격으로 용이하게 구동하고 제어할 수 있도록 구성될 수 있다.

더 상세하게는, 도 7 및 도 8을 참조하면, 도 7은 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇의 인터페이스부(54)를 통해 표시되는 사용자 인터페이스 화면의 표시예를 나타내는 도면이고, 도 8은 도 7에 나타낸 사용자 인터페이스를 통하여 원격으로 이동로봇의 제어가 이루어지는 과정을 개략적으로 나타내는 도면이다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇은, 이동로봇을 원격으로 용이하게 조종할 수 있도록 하기 위해, 도 7에 나타낸 바와 같이, 이동로봇의 제어를 위한 각종 버튼과 기능을 설정하여 이루어지는 사용자 인터페이스를 사용자의 스마트폰이나 태블릿 PC 등과 같은 개인 휴대용 단말기를 통해 표시하고, 사용자 단말기와 이동로봇이 블루투스 통신과 같은 무선통신 방식으로 연결되도록 구성될 수 있다.

따라서 사용자는, 도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 자신의 스마트폰 등에 표시되는 사용자 인터페이스를 통하여 원하는 동작에 해당하는 버튼을 누르면 그에 해당하는 명령이 블루투스 통신으로 이동로봇으로 전송되고, 이동로봇의 제어부는 수신된 명령에 해당하는 제어명령을 전달하여 이동로봇이 해당 동작을 수행하게 되는 것에 의해, 별도의 조종기나 제어장치를 구비할 필요 없이 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 이동로봇을 원격으로 용이하게 제어할 수 있도록 구성될 수 있다.

다음으로, 모터드라이버부(55)에 대하여 설명하면, 본 실시예에서 차동바퀴(31, 32)의 각도 조향과 이동로봇의 이동을 위한 구동모터로서 모터, 감속기, 엔코더가 결합된 형태의 DC모터가 사용되었으며, 제어기(54)에서 P제어를 이용하여 로터리 엔코더(41)에서 얻어진 현재 각도데이터 값과 블루투스 통신을 통해 얻어진 목표위치 값 차이를 K(여기서, K는 상수)배 만큼 한 오차값을 모터드라이버부(55)에 전송하면, 모터드라이버부(55)에서는 오차가 크면 차동바퀴(31, 32)를 빠르게 구동하고, 오차가 점점 줄어들수록 차동바퀴(31, 32)를 천천히 구동하며, 오차가 0이 되면 모터의 구동을 멈추도록 속도제어를 행한다.

상기한 바와 같이 하여 본 발명의 실시예에 따른 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇을 구현할 수 있으며, 즉, 도 9를 참조하면, 도 9는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇을 실제로 제작한 모습을 나타내는 도면이다.

계속해서, 도 10을 참조하여, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 전방향 이동로봇의 동작 알고리즘에 대하여 설명한다.

즉, 도 10을 참조하면, 도 10은 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇의 동작 알고리즘을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.

도 10에 나타낸 바와 같이, 먼저, 사용자가 자신의 스마트폰 등에 표시되는 사용자 인터페이스를 통하여 시동버튼을 누르면 이동로봇의 동작이 개시되고, 이때, 차동바퀴(31, 32)의 초기위치는 도 2에 나타낸 바와 같이 현재 위치에서 정면인 180°인 상태로 구동된다.

다음으로, 사용자가 원하는 각도(90° ~ 270°)를 입력하면 P제어를 이용하여 이동로봇의 각도가 제어되며, 이를 위해, 로터리 엔코더(41)를 이용하여 현재위치의 각도에 대한 바이너리 코드(Binary Code)를 제어기(54)로 송신하고, P제어를 이용하여 목표각도와 현재각도의 차이에 K(K는 상수)배 한 오차값이 모터드라이버부(55)에 전송되며, 이러한 오차값에 근거하여 속도제어를 이용해 차동바퀴(31, 32)를 구동시키게 된다.

이때, 차동바퀴(31, 32)를 서로 반대 방향으로 구동하며, 오차가 클수록 모터의 회전속도는 빨라지고, 오차가 줄어들수록 모터의 회전 속도는 느려지며, 오차가 0이 되면 모터는 정지하게 되고, 정지한 후 베어링에 의한 샤프트(43)의 회전을 멈추기 위해 전자브레이크(42)를 이용하여 샤프트를 고정시킨다.

이어서, 사용자가 인터페이스를 통해 원하는 위치를 입력하면, 이동로봇은 초음파 센서 등과 같이 센서부(52)에 구비된 각종 센서를 이용하여 해당 위치까지 이동한 후, 측면의 초음파 센서와 정면의 초음파 센서를 이용하여 로봇의 기울어진 각도를 계산하여, 현재 이동로봇의 (X, Y) 좌표가 목표좌표인 (Xd, Yd)가 될 때까지 피드백을 통하여 거리와 각도를 수정하면서 이동을 계속하고, 목표위치에 도달하거나 종료명령이 수신되면 이동을 멈추고 동작을 종료한다.

상기한 바와 같이 하여 종래의 메카넘 휠의 단점인 고속주행과 야외에서 이동시의 단점을 보완하기 위해 메카넘 휠이나 바퀴 구조를 변경하지 않고 일반 튜브형 바퀴 2개를 이용하여 전방향 이동이 가능한 전방향 이동로봇을 구현할 수 있으며, 이에 더하여, 본 발명자들은, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇의 실제 성능을 검증하기 위해 추측항법(Dead-reckoning), 초음파를 이용한 피드백(feedback) 위치제어, 위치오차와 방향오차가 있을 때의 경우에 대하여, 일반 2륜 이동로봇인 차륜 구동로봇과 본 발명의 전방향 이동로봇을 이용하여 각각 목표지점까지 얼마나 오차 없이 이동하는지 실험을 실시한 결과, 메카넘 휠이나 바퀴구조의 변경 없이 일반 튜브형 바퀴 2개를 사용하여도 전방향 이동이 가능함을 확인할 수 있었고, 일반 2륜 이동로봇에 비해 본 발명의 전방향 이동로봇이 목표지점까지 더 잘 찾아갈 수 있음을 확인할 수 있었다.

따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇을 구현할 수 있다.

또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇을 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 두 개의 차동바퀴를 이용하여 바퀴의 각도를 조향하고 각각의 바퀴를 개별적으로 구동하는 것에 의해 바퀴의 구조적인 변경 없이 일반적인 주행용 바퀴를 이용하여 전방향 이동이 가능하도록 구성되는 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇이 제공됨으로써, 예를 들면, 메카넘 휠과 같이, 전방향 이동을 구현하기 위하여 바퀴의 구조를 변경하거나 특수한 형태의 바퀴를 사용함으로 인해 일반 바퀴에 비해 구조가 복잡해지고 제작비용이 증가하며, 구조적인 특성상 이물질 등이 바퀴 사이로 들어갈 수 있으므로 실외에서의 주행이 용이하지 않은 데 더하여, 일반적인 바퀴에 비하여 이동의 제약이나 고속주행이 어려운 등의 문제가 있었던 종래기술의 전방향 이동로봇들의 문제점을 해결하여, 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 전방향 이동을 구현 가능한 동시에, 고속 주행이 가능할 뿐만 아니라, 다양한 이동 동작에 대한 제어가 직관적이고 용이하게 이루어질 수 있다.

아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 바퀴의 구조를 변경하거나 특수한 형태의 바퀴를 사용하지 않고 일반적인 형태의 주행용 바퀴를 사용하여 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 전방향 이동을 구현 가능한 동시에, 고속 주행이 가능하며, 다양한 이동 동작에 대한 제어가 직관적이고 용이하게 이루어질 수 있도록 구성되는 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇이 제공됨으로써, 물류나 서비스 분야에 적용되는 로봇이나, 또는, 전방향 이동이 가능한 스케이트 보드와 같은 레저용 상품 등의 다양한 분야에 적용 가능한 데 더하여, 고속 주행이 가능하므로 전기차나 자율주행차 등의 자동차 분야에도 적용 가능하여 기술의 활용성 및 시장성이 높은 장점 또한 가지는 것이다.

즉, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명에 따른 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇을 자동차 분야에 적용하는 것에 의해 전방향 이동이 가능한 자율주행 자동차를 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 용이하게 구현할 수 있으며, 이에 더하여, 기존의 자동차의 경우에도, 본 발명의 실시예에 따른 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇을 설치하는 것에 의해, 예를 들면, 평행주차와 같은 복잡한 이동도 직진과 직각이동의 간단한 제어만으로 용이하게 구현할 수 있으므로, 운전자의 편의성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 운전자 없이 스스로 운행하는 자율제어 차량의 제작이나 주행 알고리즘의 개발에도 유용하게 적용될 수 있다.

이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.

10. 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇
20. 프레임 21. 서스펜션
22. 볼캐스터 30. 구동부
31. 차동바퀴 32. 차동바퀴
40. 조향부 41. 로터리 엔코더
42. 전자브레이크 43. 샤프트
50. 제어부 51. 전원부
52. 센서부 53. 제어기
54. 인터페이스부 55. 모터드라이버부

Claims (10)

1. 전방향 이동을 구현하기 위하여 바퀴의 구조를 변경하거나 특수한 형태의 바퀴를 사용함으로 인해 일반적인 튜브형 바퀴에 비해 구조가 복잡해지고 제작비용이 증가하며, 이물질이 바퀴 사이로 들어갈 수 있으므로 실외에서의 주행이 용이하지 않은 데 더하여, 이동 및 주행속도에 제한이 있었던 종래기술의 전방향 이동로봇들의 문제점을 해결하기 위해 일반적인 튜브형 바퀴를 이용하여 전방향 이동이 가능하도록 구성되는 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇에 있어서,
   이동로봇의 외관을 형성하는 프레임;
   상기 이동로봇의 전후진, 제자리 회전 및 선회 운동이 가능하도록 두 개의 차동바퀴를 포함하여 상기 프레임의 하부에 설치되는 구동부;
   상기 이동로봇의 이동방향을 제어하도록 상기 차동바퀴의 각도를 조절하기 위해 상기 프레임의 상부에 설치되는 조향부; 및
   상기 이동로봇의 전체적인 동작을 제어하고, 장애물 및 주변환경을 감지하기 위한 복수의 센서를 포함하여 상기 프레임의 일측에 설치되는 제어부를 포함하여 구성되고,
   상기 조향부는,
   상기 차동바퀴의 각도를 조절하기 위해 상기 프레임의 상부에 설치되어 각도 및 각속도를 검출하는 로터리 엔코더;
   일측은 커플링을 이용하여 상기 로터리 엔코더에 연결되고, 타측은 회전을 위해 복수의 베어링을 사용하여 상기 차동바퀴에 연결되어, 상기 차동바퀴와 상기 로터리 엔코더를 서로 연결하면서 상기 차동바퀴의 각도를 회전시키는 샤프트; 및
   상기 차동바퀴의 조향이 끝난 후에 상기 샤프트가 회전되는 것을 방지하도록 상기 샤프트의 회전을 정지시키기 위한 전자클러치 또는 전자브레이크를 포함하여 구성되며,
   상기 제어부는,
   상기 이동로봇에 전원을 공급하기 위한 전원부;
   상기 이동로봇의 이동거리와 주행상태 및 주변 상황을 감지하기 위한 초음파센서 및 적외선센서를 포함하는 복수의 센서를 포함하여 이루어지는 센서부;
   상기 센서부를 통해 감지된 데이터 및 각종 제어신호를 처리하고 상기 이동로봇의 전체적인 동작을 제어하는 제어기;
   사용자가 상기 이동로봇의 이동 및 위치를 제어할 수 있도록 하기 위한 사용자 인터페이스를 제공하는 인터페이스부; 및
   상기 차동바퀴를 구동하고 각도를 조향하기 위한 각각의 모터를 제어하는 모터드라이버부를 포함하여 구성되고,
   상기 전원부는,
   상기 제어기와 상기 로터리 엔코더의 전원을 공급하기 위한 제 1 배터리; 및
   상기 이동로봇의 각도 조향과 이동을 위한 상기 모터드라이버와 상기 전자브레이크의 전원공급을 위한 제 2 배터리를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 이동로봇은,
   주행을 원활히 하고 자체 무게를 지지하기 위한 보조바퀴로서 상기 프레임의 하단에 구비되는 복수의 볼캐스터 또는 캐스터 바퀴; 및
   충격을 흡수하기 위해 각각의 상기 볼캐스터의 상부 및 상기 차동바퀴의 상부에 각각 설치되는 서스펜션을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서,
   상기 센서부는,
   상기 이동로봇의 정면 및 측면에 각각 설치되는 복수의 초음파센서를 포함하여, 상기 이동로봇의 이동거리와 목표지점에 도달했을 때 상기 이동로봇의 기울기를 감지하도록 구성됨으로써,
   상기 이동로봇이 각각의 센서를 통해 장애물 및 주변환경에 대한 데이터를 취득하고, 취득된 센서 데이터들을 통합하여 주변상황을 인지하고 자율주행이 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇.
   
7. 제 1항에 있어서,
   상기 제어기는,
   상기 센서부를 통해 감지된 거리와 상기 로터리 엔코더에서 전송되는 현재 각도를 별도의 디스플레이에 표시하며, 블루투스(Bluetooth)를 포함하는 무선통신 모듈을 통하여 외부 기기와 통신하여 상기 인터페이스부를 통해 상기 이동로봇을 원격으로 구동하고 제어하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇.
   
8. 제 1항에 있어서,
   상기 인터페이스부는,
   상기 이동로봇의 제어를 위한 기능이 설정된 복수의 버튼을 포함하여 이루어지는 사용자 인터페이스를 사용자의 스마트폰이나 태블릿 PC를 포함하는 개인 휴대용 단말기를 통해 표시하도록 구성됨으로써,
   상기 사용자의 개인 휴대용 단말기와 상기 이동로봇이 블루투스 통신을 포함하는 무선통신 방식으로 연결되고, 사용자가 자신의 개인 휴대용 단말기에 표시되는 사용자 인터페이스를 통하여 원하는 동작에 해당하는 버튼을 누르면, 선택된 버튼에 설정된 명령이 상기 이동로봇으로 전송되어 수신된 명령에 해당하는 동작이 수행되는 것에 의해, 별도의 조종기나 제어장치를 구비할 필요 없이 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 상기 이동로봇을 원격으로 용이하게 제어할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇.
   
9. 제 1항에 있어서,
   상기 제어기는,
   상기 로터리 엔코더로부터 수신된 현재 각도데이터 값과, 상기 인터페이스부를 통해 얻어진 목표위치 값과 현재 위치값의 차이를 K(K는 상수)배 하여 구해지는 오차값을 상기 모터드라이버부로 전송하고,
   상기 모터드라이버부는,
   상기 제어기로부터 수신된 데이터에 근거하여, 오차가 클수록 상기 차동바퀴를 빠르게 구동하고, 오차가 점점 줄어들수록 상기 차동바퀴를 천천히 구동하며, 오차가 0이 되면 상기 차동바퀴의 구동을 정지하는 속도제어를 수행하도록 구성됨으로써,
   상기 차동바퀴의 차동 구동과 상기 조향부를 통하여 회전되는 상기 차동바퀴의 회전각도 조절을 조합하는 것에 의해 특수한 형태의 바퀴를 사용하지 않고 일반 바퀴를 이용하여 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 전방향 이동을 구현할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇.
   
10. 청구항 1항, 2항, 6항 내지 청구항 9항 중 어느 한 항에 기재된 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇의 제어방법에 있어서,
    사용자가 자신의 개인 휴대용 단말기에 표시되는 사용자 인터페이스를 통하여 시동버튼을 누르면 상기 이동로봇의 동작이 개시되는 단계;
    상기 사용자가 상기 사용자 인터페이스를 통하여 원하는 각도를 입력하면, 상기 이동로봇의 로터리 엔코더를 통하여 현재위치의 각도에 대한 데이터가 상기 이동로봇의 제어기로 송신되고, 목표각도와 현재각도의 차이에 K배 한 오차값이 상기 이동로봇의 모터드라이버부에 전송되어, 오차값에 근거한 속도제어를 통하여 상기 이동로봇의 차동바퀴를 구동하고 상기 이동로봇의 전자브레이크를 이용하여 샤프트를 고정시키는 것에 의해 상기 이동로봇의 각도가 제어되는 단계;
    상기 사용자가 상기 사용자 인터페이스를 통해 원하는 위치를 입력하면, 상기 이동로봇의 센서부에 구비된 센서를 이용하여 해당 위치까지 이동한 후, 현재 좌표가 목표좌표가 될 때까지 피드백을 통하여 거리와 각도를 수정하면서 이동을 계속하는 단계; 및
    목표위치에 도달하거나 상기 사용자 인터페이스를 통해 종료명령이 수신되면 이동을 멈추고 동작을 종료하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 차동 구동바퀴를 구비한 전방향 이동로봇의 제어방법.
    

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