KR102415855B1 - 전방향 이동 바퀴 및 이를 이용한 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전방향 이동 바퀴 및 이를 이용한 로봇에 관한 것으로, 상기 전방향 이동 바퀴는 양단이 개방된 원통형의 바디와, 상기 바디에 적어도 일부가 수용되고, 상기 바디의 개방된 양단에 각각 고정되어 제1 회전축을 중심으로 회전하는 내부 휠과, 상기 바디의 외측에 구비되고 상기 제1 회전축과 교차되는 제2 회전축을 중심으로 회전하는 외부 휠을 포함하고, 상기 내부 휠 및 외부 휠의 최외곽 지점은 상기 바디의 중심으로부터 동일한 거리에 형성된다.

Description

전방향 이동 바퀴 및 이를 이용한 로봇{OMNI-DIRECTIONALLY MOVABLE WHEEL AND ROBOT USING THE SAME}

본 발명은 모든 방향으로 자유롭게 이동할 수 있는 전방향 이동 바퀴 및 이를 이용한 로봇에 관한 것이다.

최근, 사람들의 편의를 위해 많은 일들을 할 수 있는 로봇의 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 이들 로봇은 원하는 위치에 도달하기 위하여 복잡한 경로를 거치는 경우가 많다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 전방향 구동방식이 개발되었는데, 전방향 구동방식이란 로봇 등의 운동 능력을 향상시켜 2차원 평면에서 3자유도(전후, 좌우, 회전)의 운동이 가능하도록 함으로써, 임의의 자세에서 임의의 방향으로 주행이 가능한 것을 의미한다.

이러한 전방향 구동방식에는 여러 가지가 있는데, 그 중 오프-센터 휠 메커니즘(Off-Centered Wheel Mechanism)은 종래의 바퀴를 사용하는 대표적인 메커니즘으로서 전방향 구동을 하기 위하여 각 바퀴에 바퀴의 중심과 일정한 거리가 있도록 조향축을 설치하고, 각 바퀴를 조향 및 구동하여 전방향으로 구동하는 방식이다.

또한, 전방향 구동을 위하여 특수하게 설계된 바퀴들로는 옴니 휠(omnidirectional wheel), 유니버설 휠(Universal Wheel), 메카넘 휠(Mecanum Wheel), 더블 휠(Double Wheel), 얼터닛 휠(Alternate Wheel), 하프 휠(Half Wheel), 오쏘고날 휠(Orthogonal Wheel), 볼 휠(Ball Wheel) 등의 여러 방식이 있다.

상기 방식 중 옴니 휠 방식에 의하면 작은 단턱이 형성되어 있는 곳은 쉽게 이동하지 못하는 문제가 있다. 뿐만 아니라, 지면과 접촉하는 지점이 다수 존재하여 구동시에 진동이 많이 발생하게 된다.

또한, 옴니 볼 방식에서는 배럴 휠(barrel wheel)의 전후로 외부 휠(outer wheel)의 회전 방향이 역전될 때 충격 또는 진동이 발생되고, 배럴 휠의 폭이 작을수록 배럴 휠의 부근에서 회전 방향 역전에 의한 충격도 커지는 문제가 있었다.

본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 전방향으로 이동이 가능한 바퀴 및 이를 이용한 전방향 이동 로봇을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 양단이 개방된 원통형의 바디와, 상기 바디에 적어도 일부가 수용되고, 상기 바디의 개방된 양단에 각각 고정되어 제1 회전축을 중심으로 회전하는 내부 휠과, 상기 바디의 외측에 구비되고 상기 제1 회전축과 교차되는 제2 회전축을 중심으로 회전하는 외부 휠을 포함하고, 상기 내부 휠 및 외부 휠의 최외곽 지점은 상기 바디의 중심으로부터 동일한 거리에 형성되는 전방향 이동 바퀴가 제공될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 내부 휠은 바디의 개방단부에 각각 형성되는 제1 및 제2 내부 휠을 포함하고, 상기 제1 및 제2 내부 휠과 외부 휠 사이에 배치되고, 상기 바디의 외부에 형성되며 결합에 의해 상기 외부 휠과 대응되는 형상을 형성하는 제1 및 제2 프레임을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 바디의 외주면 중 상부 및 하부에는 내측으로 리세스되는 제1 및 제2 리세스부가 형성되고, 상기 제1 및 제2 프레임은 각각 상기 제1 및 제2 리세스부에 안착될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1 및 제2 프레임은 중공형의 반구(球)의 일부를 절개한 형상일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1 및 제2 리세스부는 서로 마주보는 위치에 각각 제1 및 제2 관통홀이 형성되고, 상기 제1 및 제2 내부 휠은 각각 상기 제1 및 제2 관통홀을 통해 제1 및 제2 핀에 의해 상기 바디에 고정될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 바디의 원주면의 상단 및 하단에서 내부를 향하여 돌출되는 평면 형상의 제1 및 제2 밑면부가 형성되고, 양단이 상기 제1 및 제2 밑면부에 결합되어 바퀴에 가해지는 동력을 전달하는 동력 전달부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 동력 전달부는, 상기 제1 및 제2 밑면부에 결합되는 평면 형상의 제1 및 제2 결합부와, 상기 제1 및 제2 결합부를 연결하는 연결부, 및 상기 연결부에 고정되어 동력을 전달하는 구동축을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1 및 제2 내부 휠은 타원 형상일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1 회전축과 제2 회전축은 서로 직교할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 바디의 중심 지점으로부터 상기 제1 내부 휠 또는 제2 내부 휠의 노출되는 양단에 이르는 선이 이루는 각(α)의 크기는 60~90°일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 외부 휠은 구(球) 형상에서 상측 및 하측에서 상기 제2 회전축과 수직인 면으로 절단한 형상일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1 프레임의 표면에는 홈이 형성되고, 상기 제1 프레임이 결합부재에 의해 제2 프레임과 결합될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 동력 전달부는 "C" 형상일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 내부 휠의 표면에는 상기 제1 회전축과 평행한 방향으로 다수의 홈이 형성되고, 상기 외부 휠의 표면에는 상기 제2 회전축과 평행한 방향으로 다수의 홈이 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 구동축에 의한 회전에 의해 능동 모션(active motion)이 구현되고, 상기 능동 모션에 의한 불연속점의 개수는 4개일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 내부 휠의 최대 직경은 상기 외부 휠의 반경과 동일할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 전방향으로 이동 가능한 다수의 바퀴와, 상기 바퀴에 동력을 전달하여 상기 바퀴를 회전시켜 능동 모션을 발생시키는 구동부와, 상기 구동부에 연결되어 상기 구동부를 지지하는 지지부재를 포함하고, 상기 다수의 바퀴는 적어도 세 개를 포함하여 이루어지고, 각각의 바퀴는 양단이 개방된 원통형의 바디와, 상기 바디에 적어도 일부가 수용되고, 상기 바디의 개방된 양단에 각각 고정되어 제1 회전축을 중심으로 회전하는 내부 휠과, 상기 바디의 외측에 구비되고 상기 제1 회전축과 교차되는 제2 회전축을 중심으로 회전하는 외부 휠을 포함하고, 상기 내부 휠 및 외부 휠의 최외곽 지점은 상기 바디의 중심으로부터 동일한 거리에 형성되는 것을 특징으로 하는 전방향 이동 로봇이 제공될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 바퀴는 상기 구동축의 회전에 의한 능동 모션(active motion)과 상기 능동 모션에 의한 수동 모션(passive motion)의 조합에 의해 전방향(omni-directional)으로 이동할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 바퀴 중 적어도 하나는 능동 모션에 따라 이동할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 지지부재는 상기 구동부의 상부 및 하부에서 상기 구동부에 고정되는 상판 및 하판을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 이동 단말기 및 그 제어 방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 지면과 접촉하는 부분들이 동일한 원을 형성하도록 함으로써 회전시에 발생하는 충격 또는 진동을 억제할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 뼈대 역할을 하는 바디가 원통형으로 함으로써 제작의 난이도를 낮출 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 지면과의 접촉시에 불연속점의 개수를 4개로 함으로써 충격의 빈도를 낮출 수 있는 효과가 있다.

나아가, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 내부 휠의 반경의 크기를 외부 휠의 절반 정도의 크기로 함으로써 내부 휠의 회전속도가 낮아지고, 외부 휠의 회전속도 최대치도 낮아지도록 함으로써 지면과의 접촉되는 휠의 변경에 따른 충격을 완화시킬 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시예와 같은 특정 실시예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 바퀴의 사시도이다.
도 2는 도 1의 분해사시도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예와 관련된 바퀴의 결합 순서를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바퀴를 제1 방향에서 바라보았을 때의 평면도이다.
도 5는 도 4의 AA를 따라서 취한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 바퀴를 제2 방향에서 바라보았을 때의 평면도이다.
도 7은 도 6의 BB를 따라서 취한 단면도이다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 일 실시예와 관련된 바퀴의 능동 모션을 설명하기 위한 도면이다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 일 실시예와 관련된 바퀴의 수동 모션을 설명하기 위한 도면이다.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른 바퀴의 각도에 따른 외부 휠의 속도 변화를 나타내는 그래프이고, 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 바퀴의 각도에 따른 내부 휠의 속도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 바퀴를 이용한 로봇의 사시도이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 모션을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

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.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 이동이 가능한 바퀴(100) 및 이를 이용한 로봇(200)에 대하여 설명하기로 한다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

먼저, 도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 전방향으로 이동이 가능한 바퀴(100)의 사시도이고, 도 2는 도 1의 분해사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 이동 바퀴(100)는 양단이 개방된 속이 빈 원통형의 바디(110)와, 내부 휠(120), 외부 휠(130)을 포함하여 이루어진다.

상기 바디(110)는 속이 빈 중공 형태이고, 상기 바퀴(100) 및 바퀴(100)가 사용되는 이동 로봇(200)의 중량을 지지해야하는 경우가 있으므로 PC(polycarbornate), 카본 필터(carbon filter) 또는 금속 재질 중 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 내부 휠(120)은 적어도 일부가 외부 휠(130)의 내부에 수용되어 회전하며, 상기 바디(110)에 적어도 일부가 수용되고, 상기 바디(110)의 개방된 양단에 각각 고정되어 제1 회전축(R11,R12)을 중심으로 회전한다. 상기 외부 휠(130)은 상기 내부 휠(120)과 교차되는 방향으로 배치되고 제2 회전축(R2)을 중심으로 회전한다.

상기 내부 휠(120)은 상기 바디(110)의 개방된 양단에 구비되는 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)을 포함하여 형성되므로, 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)은 각각의 회전축을 갖는다. 즉, 상기 제1 내부 휠(120a)는 제1 회전축(R11)을 중심으로 회전하고, 제2 내부 휠(120b)는 제1 회전축(R12)을 중심으로 회전한다. 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)의 회전축(R11,R12)은 서로 평행하므로 이하에서는 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)의 회전축을 제1 회전축(R11,R12)이라고 명명하고, 상기 외부 휠(130)의 회전축을 제2 회전축(R2)이라고 명명하여 설명하기로 한다. 이때, 상기 제1 회전축(R11,R12)과 제2 회전축(R2)은 일예로서 서로 수직으로 형성될 수 있다. 상기 제2 회전축(R2)은 상기 바디(110)가 임의의 축을 중심으로 회전하여 형성된다고 할 때 회전의 중심이 되는 축이 되고, 상기 제1 회전축(R11,R12)은 상기 제2 회전축(R2)과 수직으로 형성되는 축을 의미한다. 즉, 도 1에서 y방향이 제1 회전축(R11,R12)의 방향이고, z 방향이 제2 회전축(R2)의 방향이다.

본 발명의 일 실시예에서의 전방향 이동 바퀴(100)는 능동 모션(active motion)과 수동 모션(passive motion)에 의해 이동하게 되고, 전방향 이동 바퀴(100)를 이용한 이동 로봇(200)은 상기 능동 모션과 수동 모션의 조합에 의해 전방향(omni-directional)으로 이동가능하게 된다. 즉, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 내부 휠(120) 및 외부 휠(130)의 회전의 조합에 의해 전방향(omni-directional)으로 회전이 가능하게 된다.

이때, 상기 능동 모션은 후술하는 구동부(230a,230b,230c)에 의해 동력이 전달되어 상기 바퀴(100)에 연결되는 구동축(164)이 회전함으로써 바퀴(100)가 회전하는 것을 의미하고, 상기 수동 모션은 구동력이 없이 상기 능동 모션에 의해 수동적으로 회전 또는 병진 운동이 발생되는 것을 의미한다. 다만, 상기 수동 모션은 사용자 등에 의한 외력에 의해 피동적으로 움직이는 것을 의미하는 것이 아니라 능동 모션의 결과로서 수동적으로 이동하는 것을 의미한다.

즉, 어느 하나의 바퀴(100)가 1차적으로 능동 모션에 의해 움직이면, 다른 바퀴(100)가 2차적으로 상기 수동 모션에 의해 움직이게 된다. 다만, 상기 능동 모션이 발생한 이후에 시간 간격을 두고 수동 모션이 발생하는 것을 의미하는 것은 아니고 상기 능동 모션이 수동 모션을 발생시키며 능동 모션과 수동 모션은 동시에 발생되는 것으로 이해될 수 있다. 이는 다수의 전방향 이동 바퀴(100)를 구비하는 경우에 보다 명확하게 이해될 수 있다. 이에 대하여는 후술하기로 한다.

이때, 상기 바디(110)의 개방단은 원통의 밑면에 해당하는 부분이고, 대략 상기 내부 휠(120)의 절반이 각각 수용될 수 있다.

상기 내부 휠(120)과 외부 휠(130)은 지면과 직접 접촉하는 부분으로, 지면과의 마찰이 필수적으로 필요하므로 최외곽은 마찰력이 큰 고무, 우레탄 등의 재질을 사용한다. 상기 내부 휠(120)과 외부 휠(130)은 일반적인 자동차 등의 타이어로 이해될 수 있다.

상기 외부 휠(130)은 상기 원통형 바디(110)의 외측에 형성되는데, 반드시 상기 바디(110)의 외주면에 접촉되도록 형성되는 것은 아니다. 상기 외부 휠(130)을 수용하기 위해서는 상기 외부 휠(130)의 내주면과 밀착 접촉될 수 있는 프레임(140)이 구비되어야 한다. 즉, 상기 바퀴(100)는 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)과 외부 휠(130) 사이에 배치되고, 상기 바디(110)의 외부에 형성되며 결합에 의해 상기 외부 휠(130)과 대응되는 형상을 형성하는 제1 및 제2 프레임(140a,140b)을 더 포함한다.

상기 외부 휠(130)은 구(球) 형상에서 상측 및 하측에서 상기 제2 회전축(R2)과 수직인 면(xy면)으로 절단한 형상을 갖는다. 상기 제1 및 제2 프레임(140a,140b)은 결합에 의해 상기 외부 휠(130)과 대응되는 형상이 되어야 한다. 따라서, 상기 제1 및 제2 프레임(140a,140b)은 상기 외부 휠(130)과 유사하게 속이 빈 구의 상측 및 하측에서 상기 제2 회전축(R2)과 수직인 면으로 절단된다. 이후, 상기 제2 회전축(R2)과 수직인 면으로 가운데를 절단함으로써 제1 프레임(140a)과 제2 프레임(140b)이 서로 동일한 크기를 갖도록 분할 형성된다. 즉, 상기 제1 및 제2 프레임(140a,140b)은 속이 빈 반구에서 단부가 절개된 형상이고, 상기 외부 휠(130)을 지지하기 위한 것이므로 PC(polycarbornate), 카본 필터(carbon filter) 또는 금속 재질 중 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 제1 및 제2 프레임(140a,140b)을 결합하기 위하여 제1 프레임(140a)의 표면에는 홈(141)이 형성되고, 볼트와 같은 결합부재(143)에 의해 제2 프레임(140b)과 결합되게 된다.(도 3b 참조) 이와 같이, 상기 프레임을 제1 및 제2 프레임(140a,140b)으로 분할 형성하는 이유는 상기 프레임이 대략 구 형상이어서 체결하기가 곤란하기 때문이다.

상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)은 대략 타원 형상이고, 양단이 절단되어 상기 바디(110)의 상단 및 하단에 결합되어 제1 회전축(R11,R12)을 중심으로 회전하도록 되어 있다. 이때, 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)은 적어도 일부가 상기 바디(110)의 내부에 수용된다. 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)의 양단이 쉽게 상기 바디(110)에 수용될 수 있도록 상기 바디(110)의 내주면 일부가 평면으로 형성된다.

상기 바디(110)의 외주면(원주면) 중 상부 및 하부에는 바디(110)의 내측으로 리세스되는 제1 및 제2 리세스부(111a,111b)가 형성된다. 상기 제1 및 제2 리세스부(111a,111b)에는 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)이 결합되며, 상기 제1 및 제2 프레임(140a,140b)이 각각 안착된다. 상기 제1 및 제2 리세스부(111a,111b)는 상기 바디(110)의 원주를 따라 형성된다.

이때, 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)이 바디(110)에 결합되도록 하기 위하여 상기 제1 및 제2 리세스부(111a,111b)에는 서로 마주보는 위치에 한 쌍의 관통홀(150)이 형성되는데, 각각 제1 및 제2 관통홀(115a,115b)이 형성된다. 이때, 마주보는 위치에 형성되는 관통홀의 크기는 서로 다를 수 있다.

상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)은 각각 상기 제1 및 제2 관통홀(115a,115b)을 통해 제1 및 제2 핀(117a,117b)에 의해 상기 바디(110)에 고정된다. 상기 제1 및 제2 핀(117a,117b)의 헤드부(head portion)는 상기 제1 및 제2 관통홀(115a,115b)보다 크게 형성되어 상기 제1 및 제2 핀(117a,117b)의 몸체부(body portion)만 상기 바디(110)에 삽입되고, 상기 제1 및 제2 핀(117a,117b)의 단부는 각각 상기 바디(110)의 외측에서 바디(110)에 체결되는 제1 및 제2 결합부재(118a,118b)에 결합되어 상기 제1 및 제2 핀(117a,117b)이 상기 바디(110)에 고정되게 된다. 상기 결합부재(118)는 상기 핀(117)을 수용할 수 있는 것이면 된다.

또한, 타원형의 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)이 상기 바디(110)의 개방된 단부에 안착되면, 상기 바디(110)의 원주면과 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b) 사이에 빈 공간이 발생하게 된다. 상기 빈 공간에는 먼지 등의 이물질이 유입될 수 있으므로, 상기 공간을 줄이는 것이 필요하다. 이를 위하여 상기 바디(110)의 상단 및 하단은 원주면으로부터 내부를 향하여 돌출되는 제1 및 제2 밑면부(113a,113b)가 형성되어 있다. 상기 한 쌍의 밑면부(113)는 대략 활꼴 또는 초승달의 형상이다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서는 양단이 상기 제1 및 제2 밑면부(113a,113b)에 결합되어 바퀴(100)에 전해지는 동력을 전달하는 동력 전달부(160)를 더 포함한다. 상기 동력 전달부(160)는 모터에 의해 회전력이 전달되는 것을 의미할 뿐만 아니라, 수동 모션에 의한 동력 전달도 포함한다. 즉, 상기 동력 전달부(160)는 능동 모션에 의한 동력 전달과 수동 모션에 따른 동력을 전달한다. 상기 제1 및 제2 밑면부(113a,113b)가 평면으로 형성되므로 상기 동력 전달부(160)가 고정될 수 있는 면적이 마련된다.

상기 동력 전달부(160)는 상기 제1 및 제2 밑면부(113a,113b)에 결합되는 평면 형상의 제1 및 제2 결합부(161,162)와, 상기 제1 및 제2 결합부(161,162)를 연결하는 연결부(163)와, 상기 연결부(163)에 고정되어 동력을 전달하는 구동축(164)을 포함하여 이루어진다. 상기 제1 및 제2 결합부(161,162)와 연결부(163)는 일체로 형성될 수 있고, 상기 구동축(164) 또한 상기 연결부(163)와 일체로 형성될 수 있다. 상기 동력 전달부(160)는 상기 바디(110)에 결합되면서 상기 외부 휠(130)과는 이격되어야 하므로, 상기 연결부(163)는 상기 외부 휠(130)과 대응되는 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 구동축(164)은 모터를 구비하는 구동부(230a,230b,230c)에 연결된다.

상기 동력 전달부(160)는 상기 바퀴(100)의 일 지점에만 연결되는 것이 아니라 바퀴(100)의 양단에서 고정됨으로써 결합 강도를 향상시킬 수 있다. 즉, 상기 바디(110)의 상단 및 하단에 고정됨으로써 상기 바디(110)에 견고하게 연결될 수 있다. 상기 동력 전달부(160)는 대략 "C" 형상으로 되어 있다.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 바퀴(100)의 결합과정의 일부를 예시한 것인데, 모든 부품들이 분해된 상태(도 2 참조)와 체결된 상태(도 1 참조)를 도시하지 않았다. 도 3a는 제1 내부 휠(120a)이 원통형의 바디(110)의 상단으로 삽입된 상태를 도시한 것이다. 도 3a에 도시된 결합상태 이후에는 바디(110)의 하단에 제2 내부 휠(120b)이 삽입된 다음 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)이 제1 및 제2 핀(117a,117b)에 의해 고정된다. 상기 제1 내부 휠(120a)은 타원 형상이므로 단축(a)과 장축(b)을 갖는데, 제1 회전축(R11,R12)이 상기 제1 리세스부(111a)에 걸쳐져야 하므로 외부에 노출되는 부분은 단축(a)의 절반보다는 다소 작다. 이때, 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)은 서로에 영향을 미치지 않으면서 회전해야 하므로 상기 바디(110) 내에서 서로 접촉되지 않도록 한다.(도 7 참조) 즉, 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)의 단축(a)의 크기는 최대 상기 외부 휠(130)의 반경의 크기일 수 있다.

도 3b에는 도 3a에 제1 및 제2 프레임(140a,140b)이 결합된 것을 도시한 것이다. 상기 제1 및 제2 프레임(140a,140b)은 상기 바디(110)의 상측 및 하측, 보다 구체적으로는 상기 바디(110)의 제1 및 제2 리세스부(111a,111b)에 체결된다. 상기 제1 및 제2 프레임(140a,140b)은 접착제 등에 의해 결합시킬 수도 있으나, 본 발명의 일 실시예에서는 제1 프레임(140a)에 다수 형성된 홈(141)을 통하여 볼트 등의 결합부재(143)에 의해 상기 제1 및 제2 프레임(140a,140b)을 결합한다.

도 3c는 도 3b의 상태에 외부 휠(130)이 끼워진 상태를 도시한 것이다. 상기 외부 휠(130)은 지면과 접촉하는 부분의 대부분을 차지하며 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)과는 수직으로 형성된다. 또한, 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)과 외부 휠(130)은 지면과의 접촉시 미끄럼을 방지하기 위하여 홈(125,135,도 2 참조)이 형성된다. 상기 홈(125,135)은 일정한 간격으로 다수 형성되며 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)에서는 상기 제1 회전축(R11,R12)과 평행한 방향으로 형성되고, 외부 휠(130)에서는 상기 제2 회전축(R2)과 평행한 방향으로 형성된다. 이와 같이 홈(125,135)을 형성함으로써 바퀴(100)가 지면과의 접촉시 마찰력을 향상시켜 미끄럼 없이 회전할 수 있게 된다.

다만, 상기 홈(125,135)의 형성 방향을 반드시 상기와 같이 한정할 필요는 없고, 상기 홈(125,135)의 방향을 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)에서는 상기 제1 회전축(R11,R12)과 수직한 방향으로 형성되고, 외부 휠(130)에서는 상기 제2 회전축(R2)과 수직한 방향으로 형성할 수도 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바퀴(100)를 제1 방향에서 바라보았을 때의 평면도이고, 도 5는 도 4의 AA를 따라서 취한 단면도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 바퀴(100)를 제2 방향에서 바라보았을 때의 평면도이고, 도 7은 도 6의 BB를 따라서 취한 단면도이다.

도 4 및 도 6의 AA, BB선은 제2 회전축(R2)으로 이해될 수 있으며, 도 4는 동력 전달부(160)의 좌측 또는 우측에서 바라본 도면이고, 도 6은 동력 전달부(160)의 반대쪽에서 바라본 도면이다. 또한, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바퀴(100)를 xz 평면을 포함하여 절단한 단면도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 바퀴(100)를 yz 평면을 포함하여 절단한 단면도이다. 본 발명의 일 실시예에서는 능동 모션 또는 수동 모션에 따라 회전시 충격 또는 진동을 최소화하기 위하여 도 5 및 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)의 최외곽의 지점은 상기 바디(110)의 중심(O)으로부터 동일한 거리에 형성된다. 다시 말해, 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)의 최외곽의 지점은 상기 외부 휠(130)의 외주면을 연장하여 형성되는 곡면상에 존재하도록 한다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)의 최대 직경(2r)이 상기 외부 휠(130)의 반경(R)이 되도록 할 수 있으며, 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)의 최대 직경(2r)을 상기 외부 휠(130)의 반경(R)과 동일하게 하는 것이 바람직하다. 이는 상기 바디(110)의 내부에 구조물이 없고 비어 있기 때문에 가능한 것이다. 이때, 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)의 최대 직경이란, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 바퀴(100)를 바퀴(100)의 중심(O)을 포함하는 zx평면으로 절단한 경우의 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)의 직경을 의미한다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 회전축(R2)을 따라 형성되는 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b) 중 제1 회전축(R11,R12)으로부터 가장 멀리 떨어진 지점(T1,T2)은 상기 외부 휠(130)의 연장면과 접하게 된다. 이때, 상기 외부 휠(130)의 연장면이라 함은 상기 외부 휠(130)을 구의 상부 및 하부를 활꼴 모양으로 절단하여 형성된 것으로 볼 때, 절단되어 분리되기 전 상태의 구의 표면을 의미한다. 즉, 상기 활꼴의 원호 부분의 표면을 의미한다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)은 외부 휠(130)의 연장면에 내접하여 상기 제1 내부 휠(120a)과 외부 휠(130)의 연장면은 접점(T1)에서 접하고, 제2 내부 휠(120b)과 외부 휠(130)의 연장면은 접점(T2)에서 접하게 된다. 이는 도 7에서 보다 명확해진다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 바퀴(100)를 yz 평면을 포함하여 절단한 단면도이다. 본 발명의 일 실시예에서는 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 바퀴(100)를 제1 회전축(R11,R12)과 제2 회전축(R2)을 포함하는 평면(yz평면)을 포함하여 절단하면, 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)과 외부 휠(130)은 원의 일부를 형성한다. 상기 구동축(164)은 x축을 중심으로 회전하여 능동 모션을 구현하므로 상기 능동 모션이 발생되는 경우에는 상기 yz 평면에 형성되는 부분은 상기 능동 모션에 의한 회전시에 지면과 접촉하는 부분이다. 이때, 지면과의 접촉하는 부분이 연속성을 갖도록 하기 위하여 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)과 외부 휠(130)의 최외곽 부분이 하나의 원을 형성하도록 하는 것이 바람직하다. 다만, 이러한 경우에도 불연속 점이 발생하게 되는데, 이는 도 7에 도시된 바와 같이, X1,X2,X3,X4이다. 즉, 본 발명의 일 실시예에서 능동 모션에 의한 불연속점의 개수는 4개 뿐이다.

상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)의 지면과의 접촉 부분은 상기 구 형상에서 절단된 활꼴의 원호 부분과 대응되는 형상을 갖는다. 따라서 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)의 지면과의 접촉 부분은 대략 상기 절단된 활꼴의 원호 부분과 유사하다. 다만, 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)이 절단된 활꼴의 기능을 대체할 뿐동일한 형상을 갖는 것은 아니다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 바퀴(100)가 x축을 중심으로 회전시에 바퀴(100)의 외형이 원형을 유지하여 지면과의 접촉 부분이 자연스럽게 연결되도록 하였다. 이때, 상기 바퀴(100)가 x축을 중심으로 회전시에 지면과의 접촉부분 중 불연속 지점은 X1,X2,X3,X4이다. 이들 지점은 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)과 외부 휠(130)의 경계 지점에 형성된다.

한편, 상기 불연속 지점들은 지면과 접촉하는 부분이 상기 제1 내부 휠(120a) 또는 제2 내부 휠(120b)로부터 외부 휠(130)로 전환되는 시점, 또는 지면과 접촉하는 부분이 외부 휠(130)로부터 제1 내부 휠(120a) 또는 제2 내부 휠(120b)로 전환되는 시점에 나타난다.

상기 제1 또는 제2 내부 휠(120a,120b)이 지면과 접촉하여 이동하는 경우에는 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)의 단축(a) 및 장축(b)이 작아질수록 동일한 속도로 이동하기 위해서는 보다 큰 회전속도를 가져야 한다. 예를 들면, 상기 외부 휠(130)의 회전 반경이 R이라 하고, 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)의 회전 반경을 r이라 할 때, 상기 바퀴(100)가 x축 방향으로 속력 V로 이동하기 위해서는 외부 휠(130)보다 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)의 회전 속도가 커야 한다. 이때, 상기 외부 휠(130)의 회전속도를 Rpm1이라 하고, 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)의 회전 속도를 Rpm2라 하면, Rpm1<Rpm2를 만족한다. 또한, r의 크기가 작아질수록 동일하게 V의 속력을 내기 위해서는 Rpm2는 더욱 커져야 한다. 이와 같이, 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)의 회전 반경이 작아질수록 외부 휠(130)과의 회전 속도의 차이가 커지게 된다. 따라서, 지면과의 접촉 부분이 제1 내부 휠(120a) 또는 제2 내부 휠(120b)과 외부 휠(130)간의 전환 시점에서 회전 속도들(Rpm1,Rpm2)의 차이에 따른 덜컹거리는 충격 또는 진동을 최소화하기 위해서는 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)의 회전 반경의 크기를 상기 외부 휠(130)의 회전 반경의 크기와 비슷하게 할 필요가 있다.

한편, 도 7에서의 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)의 외부에 노출되어 지면과 접촉하는 부분은 대략 활꼴이어야 하므로 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)의 단축(a)의 크기는 장축(b)의 크기와 무관하게 조절할 수는 없다.

본 발명의 일 실시예에서는 도 7에서 바퀴(100)의 중심을 0라 하고, 상기 O지점으로부터 상기 제1 내부 휠(120a) 또는 제2 내부 휠(120b)의 노출되는 양단에 이르는 선이 이루는 각을 α라 하면 상기 α의 크기는 60~90°를 만족한다. 이때의 양단은 대략적으로 상기 바디(110)에 고정되는 부분을 의미한다. 또한, 상기 바퀴(100)의 중심은 바디(110)의 중심과 동일하다.

만약, α의 크기가 60°보다 작은 경우에는 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)의 회전 반경이 작아져서 지면과의 접촉 부분이 외부 휠(130)에서 제1 내부 휠(120a) 또는 제2 내부 휠(120b)로의 전환시에 바퀴(100) 전체에 충격을 발생시키게 된다. 이런 경우에는 상기 바퀴(100)를 이용하여 로봇(200)을 사용할 때 충격에 의해 원하지 않은 흔들림을 발생시켜 불편을 초래할 수 있다.

반면, 상기 α의 크기가 90°보다 큰 경우에는 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)이 상기 바디(110) 내로 깊숙이 삽입되어 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)이 상기 바디(110) 내에서 서로 중첩되도록 형성될 수 있다. 이를 피하기 위하여 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)의 단축(a)의 크기를 작게 하면 상기 외부 휠(130)에서 상기 제1 내부 휠(120a) 또는 제2 내부 휠(120b)로 전환시에 바퀴(100)의 지면으로부터의 최대 높이가 달라지게 된다. 즉, 상기 제1 내부 휠(120a) 또는 제2 내부 휠(120b)의 단축(a)을 작게 하면 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)과 외부 휠(130)은 하나의 원을 형성할 수 없게 되어 능동 모션시에 바퀴(100)의 중심이 지면으로부터 일정한 높이에서 형성되지 않아 덜컹거리는 느낌을 발생시키거나 울퉁불퉁한 지표면을 따라 이동하는 것과 같은 문제가 발생된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 α의 크기를 60~90°로 한정한다.

이때, 상기 α의 크기는 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)의 직경(단축,a) 및 폭(장축,b)과 관련된다. 즉, 상기 α의 크기가 커질수록 단축(a) 및 장축(b)의 크기는 증가하고, α의 크기가 작아질수록 단축(a) 및 장축(b)의 크기는 작아진다. 본 발명의 일 실시예에서는 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)의 직경(단축,a) 및 폭(장축,b)를 최대한 크게 설계함으로써 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)과 외부 휠(130)의 회전속도 차이를 최대한 낮게 하였다. 이에 의해 일 방향으로 진행하는 도중에 지면과 접촉하는 휠의 변경시에 발생되는 충격을 완화하였다. 이에 대하여는 후술하기로 한다.

도 7에 도시된 바와 같이 상기 바디(110)와 제1 및 제2 프레임(140a,140b) 사이에는 제1 및 제2 부싱(150a,150b,bushing)이 구비된다.

도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 일 실시예와 관련된 바퀴(100)의 능동 모션(active motion)을 설명하기 위한 도면이고, 도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 일 실시예와 관련된 바퀴(100)의 수동 모션(passive motion)을 설명하기 위한 도면이다. 상기 능동 모션에 의한 바퀴(100)의 이동 방향은 도 1에서의 A1 또는 A2 방향이고, 수동 모션에 의한 바퀴(100)의 이동 방향은 도 1에서의 P1 또는 P2 방향이다.

먼저, 도 8a 내지 도 8d는 도 1에서의 A1 방향으로의 능동 모션을 설명하기 위한 도면이다. 상기 능동 모션은 모터 등에 의해 구동되어 구동축(164)을 중심으로 바퀴(100)가 회전하는 것이다. 즉, x축을 중심으로 회전하여 바퀴(100)가 y축 방향으로 이동하는 것을 도시한 것이다. 도 8a에서는 제2 내부 휠(120b)의 노출되는 부분 중 중앙부(도 7의 T2 참조)가 지면에 접촉되어 있는 상태를 도시한 것으로, 제2 내부 휠(120b)과 지면과의 접촉에 의해 바퀴(100)가 이동하는 상태이다. 도 8b는 지면과의 접촉 부분이 제2 내부 휠(120b)에서 외부 휠(130)로 전환되는 시점을 나타낸 것으로, 지면과의 접촉 부분은 도 7의 X3 부분이다. 이때, 지면과의 접촉 부분이 제2 내부 휠(120b)에서 외부 휠(130)로 바뀌었으므로 약간의 충격이 발생한다. 도 8c는 지면과의 접촉 부분이 외부 휠(130)로 완전히 전환된 상태에서의 회전 상태를 도시한 것이다. 이때도 지면과의 접촉에 의한 충격을 최소화하기 위하여 상기 외부 휠(130)의 표면은 동일한 회전 반경으로 회전되어야 한다. 이를 위하여 상기 외부 휠(130)은 앞서 설명한 바와 같이 구의 일부를 절개한 상태로 이해할 수 있다. 도 8d는 지면과의 접촉 부분이 외부 휠(130)에서 제1 내부 휠(120a)로 전환되는 시점을 도시한 것으로, 바퀴(100)의 지면과의 접촉 부분은 도 7에서의 X4부분이다. 이때, 외부 휠(130)의 회전 반경이 크기 때문에 동일한 속도를 위한 제1 내부 휠(120a)의 회전 속도는 외부 휠(130)의 회전 속도보다 커야 한다. 상기 제1 내부 휠(120a)의 회전 속도를 최소화하기 위하여 본 발명의 일 실시예에서는 상기 제1 내부 휠(120a)의 단축(a) 및 장축(b)의 크기를 최대한 크게 하였다.

또한, 도 9a 내지 도 9d에서는 바퀴(100)가 x축 방향으로 전진하는 수동 모션하는 것을 도시한 것이다.

이를 보다 구체적으로 살펴보면, 도 9a는 제2 내부 휠(120b)의 최외곽부(도 7의 T2 참조)가 지면에 접촉하면서 제2 내부 휠(120b)이 제1 회전축(R11,R12)을 중심으로 회전하는 상태를 도시한 것이다. 만약, 구동축(164)의 회전이 없다면 x축 방향으로 전진하게 된다.

도 9b는 x축 방향으로 전진하기 위한 수동 모션 상태를 도시한 것이다. 도 9b는 앞서 설명한 도 8b와 동일한 상태로 지면과의 마찰 부분이 제2 내부 휠(120b)에서 외부 휠(130)로 전환된 상태에서 x축 방향으로 전진하는 것을 도시한 것이다. 즉, 지면과 마찰하는 부분이 도 7에 도시된 X3 지점인 상태를 도시한 것이다. 도 9c는 지면과의 마찰 부분이 외부 휠(130)로 완전히 전환된 상태에서 x축 방향으로 전진하는 것을 도시한 것이다. 이때는 도 9b에 도시된 바와 동일하게 외부 휠(130)이 지면과 접촉하면서 제2 회전축(R2)을 중심으로 회전한다. 또한, 도 9d는 지면과의 접촉 부분이 외부 휠(130)에서 제1 내부 휠(120a)로 전환된 상태를 도시한 것으로, 지면과의 접촉 부분이 도 7에 도시된 X4 지점인 상태를 도시한 것이다.

도 9a 내지 도 9d는 능동 모션을 고려하지 않고, 수동 모션만을 고려한 것으로 도 9a 내지 도 9d에 도시된 각각의 상태에서 능동 모션에 의한 회전이 없다면 도 9a 내지 도 9d에 도시된 상태로 x축을 따라 전진하게 된다. 이때, 도 8a 내지 도 8d에 도시된 능동 모션이 이루어지는 동안 x축으로 전진하도록 하는 외력이 가해진다면 상기 바퀴(100)는 xy평면을 따라 이동하게 될 것이다.

이하에서는 상기 바퀴(100)가 수동 모션에 의한 이동시 구동축(164)이 회전하는 경우에 대하여 설명하기로 한다.

도 9a 내지 도 9d에 도시된 바와 같이, 능동 모션이 없다면 바퀴(100)가 지면과 접촉하는 휠의 종류는 변하지 않으나, 능동 모션을 하는 바퀴(100)가 있다면 이는 다른 바퀴(100)에 영향을 미치게 된다.

다시 도 1 및 도 7을 참조하여 지면과의 접촉하는 부분이 외부 휠(130)에서 상기 제2 내부 휠(120b)로 전환된 다음, 제2 내부 휠(120b)에서 외부 휠(130)으로 전환되는 경우를 살펴본다. 상기 바퀴(100)는 x방향으로 전진하면서 x축을 중심으로 회전하는 경우에 지면과의 접촉 부분은 X3, X4에서 불연속하게 된다. 이때, x축을 따라 전진하는 속도가 V이고, 이를 위한 외부 휠(130)의 회전속도가 Rpm1이고, 제2 내부 휠(120b)의 회전속도는 Rpm2라고 가정한다. 상기 바퀴(100)가 x축 방향으로 전진하고 있으므로, 상기 바퀴(100)가 x축을 중심으로 회전함에 따라 외부 휠(130)의 회전속도는 +Rpm1에서 -Rpm1으로 변하게 된다. 이때, 상기 제2 내부 휠(120b)의 회전속도는 +Rpm2로 X3 부분에서는 비록 회전속도는 다소 차이가 있을 수 있으나 회전 방향이 동일하여 큰 충격이 발생하지는 않는다. 그러나, X4 부분에서는 상기 외부 휠(130)의 회전방향이 앞선 X3 부분에서의 회전 방향과 반대 방향이어야 한다. 이때, 상기 제2 내부 휠(120b)의 부분이 작을수록 짧은 시간 내에 외부 휠(130)의 회전 방향이 반대로 바뀌어야 하고, 이러한 경우에는 바퀴(100)에 충격 또는 진동을 발생시키게 된다.

만약, 상기 제2 내부 휠(120b)이 지면과 접촉하는 부분이 작은 경우에는 상기 외부 휠(130)의 회전 방향이 순간적으로 변하게 되므로, 본 발명의 일 실시예에서는 이를 억제하기 위하여 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)의 단축(a) 및 장축(b)의 크기를 최대한 크게 하여 외부 휠(130)의 회전관성을 감소시켰다. 이에 의해 외부 휠(130)의 회전 방향 역전에 따른 충격을 완화하였다.

도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른 바퀴(100)의 각도에 따른 외부 휠(130)의 속도 변화를 나타내는 그래프이고, 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 바퀴(100)의 각도에 따른 내부 휠(120)의 속도 변화를 나타내는 그래프이다.

즉, 도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 지면과 접촉하는 바퀴(100)의 위치 변화에 따른 외부 휠(130)과 내부 휠(120)의 회전 속도를 나타내는 그래프이다. 보다 구체적으로는 도 7에 도시된 바와 같이 바디(110)의 중심 지점(O)를 지나는 제2 회전축(R2)(z축)으로부터 θ각도만큼 떨어진 지점이 지면과 접촉하면서 이동하는 경우의 외부 휠(130) 또는 내부 휠(120)의 각속도를 도시한 그래프이다. 도 10a 및 도 10b는 상기 α의 크기를 80°로 형성한 경우로서 바퀴(100)가 x축 방향으로 수동 모션하는 경우에 대한 것이다.

먼저, 도 10a를 살펴보면, 지면과의 접촉하는 부분이 상기 제2 회전축(R2)의 전후로 40°가 이격될 때까지는 외부 휠(130)은 지면과 접촉하지 않아, 외부 휠(130)은 정지해 있다. 반면, 상기 제2 회전축(R2)으로부터 ±40°이상의 범위에서는 외부 휠(130)은 회전하게 된다. 또한, 도 10b를 참조하면, 지면과의 접촉하는 부분이 상기 제2 회전축(R2)의 전후로 ±40°의 범위내에서는 내부 휠(120)이 회전하고, ±40°이상의 범위에서는 내부 휠(120)은 정지하게 된다.

이때, 도 10a에 도시된 바와 같이, 제2 회전축(R2)과의 사잇각이 음(-)인 경우와, 제2 회전축(R2)과의 사잇각이 양(+)인 경우의 각속도가 각각 음과 양의 값을 갖는다. 만약, 능동 모션 없이 수동 모션만 작용하고, 바퀴(100)가 x축 방향으로 전진하는 동안 ±y축 방향으로 기울이면, 지면과 접촉하는 부분이 내부 휠(120)에서 외부 휠(130)로 전환된다. 이때, +y방향으로 기울이면 내부 휠(120)의 우측에 위치하는 외부 휠(130)의 일 지점이 지면과 접촉하게 되고, -y방향으로 기울이면 내부 휠(120)의 좌측에 위치하는 외부 휠(130)의 일 지점이 지면과 접촉하게 된다. 외부 휠(130)로 전환되면서 최초 접촉되는 지점을 시점으로 외부 휠(130)이 회전하게 되는데, 내부 휠(120)을 기울이는 방향에 따라 외부 휠(130)의 접촉 지점이 상이하게 되어 외부 휠(130)의 회전 방향이 상이하게 된다. 이와 같은 결과에 의해 상기 도 10a에서와 같이 ±40°의 근처에서 지면과 접촉하는 휠의 종류가 달라지게 되며, 일 방향을 향하여 계속 전진하는 경우에는 외부 휠(130)의 회전방향이 달라지게 된다. 이는 마치 회전하는 원통의 좌측 및 우측에서 바라볼 때 원통의 회전방향이 반대인 것과 마찬가지이다. 즉, 좌측에서 바라볼 때 시계 방향으로 회전하는 것을 우측에서 바라보면 반시계 방향으로 회전하는 것과 같은 원리이다.

또한, 도 10b에서 ±40°의 근처에서 지면과 접촉하는 휠의 종류가 달라지는데, -40°~+40°의 범위에서는 내부 휠(120)이 지면과 접촉하면서 회전한다.

도 10a 및 도 10b를 종합하여 살펴보면, -40°이상에서는 외부 휠(130)만이 지면과 접촉하고, -40°~+40°의 범위에서는 내부 휠(120)만이 지면과 접촉하며, +40°이상의 범위에서는 외부 휠(130)만이 지면과 접촉하게 된다. 이와 같이, ±40°의 근처에서 지면과 접촉하는 휠의 종류가 달라짐으로써 바퀴(100)에는 충격이 발생하게 되며, 본 발명의 일 실시예에서는 이러한 충격을 완화시키기 위하여 내부 휠(120)의 크기를 제안한 바 있다. 즉, 바퀴(100)의 중심을 0라 하고, 상기 O지점으로부터 상기 제1 내부 휠(120a) 또는 제2 내부 휠(120b) 중 외부에 노출되는 부분의 양단에 이르는 선이 이루는 각을 α라 할 때 상기 α의 크기는 60~90°를 만족하도록 하였다.

또한, 도 10a에서는 외부 휠(130)이 지면과 접촉하는 경우에 외부 휠(130)의 회전속도의 변화는 크지 않으나, 도 10b에서 내부 휠(120)이 지면과 접촉하는 경우에 내부 휠(120)의 회전속도의 변화는 상대적으로 크다. 이는 외부 휠(130)의 회전 반경은 거의 변하지 않으나, 내부 휠(120)의 회전 반경은 계속하여 변하는 것을 의미한다. 도 5를 다시 참조하면, 외부 휠(130)의 회전 반경은 지면과의 접촉 위치에 따라 회전 반경이 조금씩 변할 수 있음을 알 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서의 회전 반경은 바퀴(100)의 제1 회전축(R11,R12) 또는 제2 회전축(R2)으로부터 지면과 접촉하는 부분까지의 거리를 의미한다.

이와 유사하게 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)의 반경은 r인데, 지면과 접촉하는 위치 및 상태에 따라서 회전 반경이 상이하게 된다. 예를 들면, 도 5의 T1, T2의 지점이 지면과 접촉하면서 회전하면 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)의 회전 반경은 r이다. 그러나, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 내부 휠(120a) 중 제2 회전축(R2)으로부터 θ만큼 떨어진 지점이 지면과 접촉하면서 회전하게 되면, 제1 내부 휠(120a)은 제1 회전축(R11,R12)을 중심으로 회전하므로, 이때의 회전 반경은 ½(a1)이 되어 r(=½(a))보다 작아지게 된다. 그러나, 제1 내부 휠(120a)의 지면과의 접촉 지점이 T1 근처로 이동함에 따라 회전 반경은 ½(a1)에서 ½(a)로 점점 커져서 제1 내부 휠(120a)의 회전속도는 점차 작아지게 되어 T1 지점을 지날 때는 가장 낮은 회전속도를 갖게 된다. 이후 T1을 지나 상기 제2 회전축(R2)으로부터 점점 멀어지게 되면 다시 제1 내부 휠(120a)의 회전 반경은 점점 작아지게 되고, 회전속도는 점점 증가하게 된다.

이와 같이, 바퀴(100)의 접촉 지점이 달라짐에 따라 바퀴(100)의 회전 반경이 달라지면서 회전 속도가 달라지게 된다. 본 발명의 일 실시예에서는 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)의 지름과 폭을 최대한 크게 설계하여 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)과 외부 휠(130)의 회전속도를 최대한 낮게 유지하여 지면에 접촉하는 휠의 변경에 따른 충격을 완화시켰다. 즉, 상기 제1 및 제2 내부 휠(120a,120b)의 폭을 최대한 크게 설계하여 외부 휠(130)의 크기와 회전관성을 최소화함으로써 외부 휠(130)의 회전 방향 역전에 따른 충격을 최소화하였다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서는 전방향으로 이동가능한 바퀴(100)를 이용한 로봇(200)을 제공한다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 바퀴(100)를 이용한 로봇(200)의 사시도이고, 도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 모션을 설명하기 위한 도면이다.

도 11 내지 도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 이동 로봇(200)은 적어도 세 개 이상의 바퀴(100)를 구비하고, 상기 바퀴(100)는 각각 상기 바퀴(100)에 동력을 전달하여 바퀴(100)를 회전시켜 능동 모션을 발생시키는 구동부(230a,230b,230c)를 구비한다. 이때, 상기 바퀴(100)는 각각 능동 모션 및 수동 모션으로 이동할 수 있다. 도 11 내지 도 13에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 이동 바퀴(100)를 이용한 전방향 이동 로봇(200)의 개념적인 예시도로서, 상기 전방향 이동 로봇(200)을 구현하기 위해서는 추가적인 구성이 더 필요하다. 예를 들면, 상기 구동부(230a,230b,230c)에 전원을 공급하는 전원 공급부와, 상기 로봇(200)에 부착되는 몸체(몸통, 팔, 다리 등) 등의 구성에 대하여는 생략하였다.

본 발명의 일 실시예에서는 상기 바퀴(100)가 세 개인 경우를 예시하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 네 개 이상의 바퀴(100)를 구비할 수도 있다.

이때, 상기 바퀴(100) 중 적어도 하나는 능동 모션에 따라 이동하고, 나머지는 수동 모션에 따라 이동할 수 있고, 이와 반대로 상기 바퀴(100) 중 적어도 하나는 수동 모션에 따라 이동하고, 나머지는 능동 모션에 따라 이동할 수도 있다. 뿐만 아니라, 두 개 이상의 바퀴(100)가 능동 모션으로 이동하는 경우, 어느 하나의 바퀴(100)에서는 능동 모션 뿐만 아니라 수동 모션이 동시에 발생할 수도 있다. 즉, 제1 및 제2 바퀴(100a,100b)가 능동 모션으로 이동하는 경우, 제2 바퀴(100b)의 능동 모션에 의해 제1 바퀴(100a)가 수동 모션으로 이동하는 경우도 발생할 수 있다.

도 11에서는 제1 내지 제3 바퀴(100a,100b,100c)가 상판(210) 및 하판(220) 사이에 구비되는 제1 내지 제3 구동부(230a,230b,230c)에 결합되고, 상기 제1 내지 제3 구동부(230a,230b,230c)는 상판(210) 및 하판(220)에 결합된 것을 도시하였다.

본 발명의 일 실시예에서는 제1 내지 제3 바퀴(100a,100b,100c)가 지지부재와 연결되어 지지부재에 의해 지지되는데, 상기 지지부재는 상기 구동부(230a,230b,230c)의 상부 및 하부에서 상기 구동부(230a,230b,230c)에 고정되는 상판(210) 및 하판(220)을 포함하여 이루어진다. 상기 전방향 이동 로봇(200)은 이동 중 충격을 흡수할 수 있는 현가장치 없이 구현될 수도 있다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 내지 제3 바퀴(100a,100b,100c)를 이용하여 직진하는 이동 로봇(200)을 예시한 것인데, 제1 및 제3 바퀴(100a,100c)는 능동 모션으로 이동하고 제2 바퀴(100b)는 상기 제1 및 제3 바퀴(100a,100c)의 능동 모션에 의해 수동적으로 이끌려가는 수동 모션에 의해 이동하는 것을 도시한 것이다. 이때, 상기 로봇(200)을 이동시키고자 하는 방향은 제2 바퀴(100b)가 이동하는 방향으로 제2 바퀴(100b)에 표시된 화살표 방향이다. 상기 제1 및 제3 바퀴(100a,100c)에 표시된 화살표 방향은 제1 및 제3 바퀴(100a,100c)의 회전에 의한 병진운동 방향이다. 도 12 및 도 13에서의 화살표는 제1 내지 제3 바퀴(100a,100b,100c)의 이동 방향을 의미한다.

도 12에서 상기 제1 바퀴(100a)는 오른쪽으로 이동하려고 하는 반면, 제3 바퀴(100c)는 왼쪽으로 이동하려고 하므로, 제1 바퀴(100a)와 제3 바퀴(100c)는 서로를 향해 작용하는 힘이 상쇄되고 이동 로봇(200)을 이동시키고자 하는 방향으로의 합력만 남게 된다.

이와 같이, 상기 제1 및 제3 바퀴(100a,100c)는 이동하고자 하는 방향을 향하여 회전하도록 하는데, 예를 들면, 도 12에서 제1 바퀴(100a)는 시계 방향으로 회전하도록 하고, 제3 바퀴(100c)는 반시계 방향으로 회전하도록 하면 제1 바퀴(100a)와 제3 바퀴(100c)는 제1 바퀴(100a)와 제3 바퀴(100c)의 합력에 의해 이동하게 되며, 제2 바퀴(100b)는 상기 합력에 의해 합력이 작용하는 방향으로 수동 모션으로 이동하게 된다. 결국, 상기 수동 모션에 의해 이동하는 제2 바퀴(100b)의 이동 방향이 이동 로봇(200)의 이동 방향이 된다. 이때, 상기 제1 및 제3 바퀴(100a,100c)의 회전력이 동일한 경우를 예시한 것이다.

만약, 상기 제1 및 제3 바퀴(100a,100c)의 회전력이 상이하면 이동 로봇(200)은 어느 한 쪽으로 치우치게 된다. 이러한 경우에는 회전력이 큰 쪽으로 치우쳐서 이동하거나 회전하게 되며 제2 바퀴(100b)는 상기 제1 및 제3 바퀴(100a,100c)에 작용하는 합력의 방향으로 수동 모션으로 이동하게 된다.

또한, 도 13은 제1 내지 제3 바퀴(100a,100b,100c)를 이용하여 회전하는 이동 로봇(200)을 예시한 것이다. 상기 이동 로봇(200)이 제자리에서 회전하기 위해서는 제1 내지 제3 바퀴(100a,100b,100c)의 회전 방향 및 회전 속도가 모두 동일해야 한다. 이는 제1 내지 제3 바퀴(100a,100b,100c)의 회전력이 동일한 경우로 이해될 수 있다. 즉, 도 13에 도시된 바와 같이 제1 내지 제3 바퀴(100a,100b,100c)가 반시계 방향으로 회전하면 그 결과로서 이동 로봇(200)은 반시계 방향으로 회전하게 된다. 이와는 반대로 제1 내지 제3 바퀴(100a,100b,100c)를 시계 방향으로 회전시키면 이동 로봇(200)은 제자리에서 시계 방향으로 회전하게 된다. 그러나, 서로 인접하여 배치된 바퀴(100)가 서로 반대되는 방향으로 회전하게 되면 나머지 하나의 회전 방향에 의해 이동 로봇(200)의 이동 방향이 결정되게 된다. 예를 들면, 도 13에서 제1 바퀴(100a)의 회전 방향이 도 13에 도시된 것과는 반대로 시계 방향(오른쪽 방향)으로 회전하게 되면 제1 및 제3 바퀴(100a,100c)에 작용하는 합력은 도 12에 도시된 것과 마찬가지로 윗 방향으로 향하는 힘만 남게 된다. 이러한 경우에는 윗 방향으로 작용하는 힘(제1 및 제3 바퀴(100a,100c)에 작용하는 힘의 합력)과 제2 바퀴(100b)에 작용하는 힘의 합력에 의해 이동 로봇(200)의 이동 방향이 결정된다.

이와 같이 이동 로봇(200)이 제자리에서 회전하도록 하기 위해서는 제1 내지 제3 바퀴(100a,100b,100c)의 회전 반경이 동일해야 하며, 바퀴(100)의 개수가 늘어남에 따라 적은 회전에도 외부 휠(130)의 회전 방향이 역전됨에 따라 발생되는 충격이 발생 빈도가 빈번해지므로 제1 내지 제3 바퀴(100a,100b,100c)의 회전시에 진동을 감소시키는 게 중요하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이동 로봇(200)은 제1 내지 제3 바퀴(100a,100b,100c)에 대하여 각각 능동 모션을 제어할 수 있으며, 이동 로봇(200)의 전,후,좌,우로의 이동인 병진 운동(도 1에서의 A1,A2,P1,P2 참조)과 제자리에서 회전하는 회전 운동을 제어할 수 있다. 이때, 상기 병진 운동은 2 자유도(degree of freedom)운동이라 할 수 있고, 상기 회전 운동은 1자유도 운동이라고 할 수 있다.

도 11 내지 13에서는 전방향 이동 바퀴(100)를 이용한 이동 로봇(200)의 일 예일 뿐이어서 본 발명의 일 실시예에서의 전방향 이동 바퀴(100)를 이용하여 어떻게 구성하든지 본 발명의 권리범위에 속한다 할 것이다.

상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (20)

1. 양단이 개방된 원통형의 바디;
   상기 바디에 적어도 일부가 수용되고, 상기 바디의 개방된 양단에 각각 고정되어 제1 회전축을 중심으로 회전하는 내부 휠; 및
   상기 바디의 외측에 구비되고 상기 제1 회전축과 교차되는 제2 회전축을 중심으로 회전하는 외부 휠을 포함하고,
   상기 내부 휠 및 외부 휠의 최외곽 지점은 상기 바디의 중심으로부터 동일한 거리에 형성되며,
   상기 내부 휠은 바디의 개방단부에 각각 형성되는 제1 및 제2 내부 휠을 포함하고,
   상기 제1 및 제2 내부 휠과 외부 휠 사이에 배치되고, 상기 바디의 외부에 형성되며 결합에 의해 상기 외부 휠과 대응되는 형상을 형성하는 제1 및 제2 프레임을 더 포함하며,
   상기 바디의 외주면 중 상부 및 하부에는 내측으로 리세스되는 제1 및 제2 리세스부가 형성되고, 상기 제1 및 제2 프레임은 각각 상기 제1 및 제2 리세스부에 안착되며,
   상기 제1 및 제2 프레임은 중공형의 반구(球)의 일부를 절개한 형상이고,
   상기 제1 및 제2 리세스부는 서로 마주보는 위치에 각각 제1 및 제2 관통홀이 형성되고,
   상기 제1 및 제2 내부 휠은 각각 상기 제1 및 제2 관통홀을 통해 제1 및 제2 핀에 의해 상기 바디에 고정되는 것을 특징으로 하는 전방향 이동 바퀴.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 내부 휠은 타원 형상이고,
   상기 바디의 중심 지점으로부터 상기 제1 내부 휠 또는 제2 내부 휠의 노출되는 양단에 이르는 선이 이루는 각(α)의 크기는 60~90°이며,
   상기 제1 프레임의 표면에는 홈이 형성되고, 상기 제1 프레임이 결합부재에 의해 제2 프레임과 결합되는 것을 특징으로 하는 전방향 이동 바퀴.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 바디는 원주면의 상단 및 하단에서 내부를 향하여 돌출되는 평면 형상의 제1 및 제2 밑면부가 형성되고,
   양단이 상기 제1 및 제2 밑면부에 결합되어 바퀴에 가해지는 동력을 전달하는 동력 전달부를 더 포함하며,
   상기 동력 전달부는,
   상기 제1 및 제2 밑면부에 결합되는 평면 형상의 제1 및 제2 결합부;
   상기 제1 및 제2 결합부를 연결하는 연결부; 및
   상기 연결부에 고정되어 동력을 전달하는 구동축을 포함하고,
   상기 동력 전달부는 "C" 형상이며,
   상기 구동축에 의한 회전에 의해 능동 모션(active motion)이 구현되고,
   상기 능동 모션에 의한 불연속점의 개수는 4개인 것을 특징으로 하는 전방향 이동 바퀴.
7. 삭제
8. 삭제
9. 제1항에 있어서,
   상기 제1 회전축과 제2 회전축은 서로 직교하는 것을 특징으로 하는 전방향 이동 바퀴.
10. 삭제
11. 제1항에 있어서,
    상기 외부 휠은 구(球) 형상에서 상측 및 하측에서 상기 제2 회전축과 수직인 면으로 절단한 형상인 것을 특징으로 하는 전방향 이동 바퀴
12. 삭제
13. 삭제
14. 제1항에 있어서,
    상기 내부 휠의 표면에는 상기 제1 회전축과 평행한 방향으로 다수의 홈이 형성되고, 상기 외부 휠의 표면에는 상기 제2 회전축과 평행한 방향으로 다수의 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 전방향 이동 바퀴.
15. 삭제
16. 제1항에 있어서,
    상기 내부 휠의 최대 직경은 상기 외부 휠의 반경과 동일한 것을 특징으로 하는 전방향 이동 바퀴.
17. 전방향으로 이동 가능한 다수의 바퀴;
    상기 바퀴에 동력을 전달하여 상기 바퀴를 회전시켜 능동 모션을 발생시키는 구동부;
    상기 구동부에 연결되어 상기 구동부를 지지하는 지지부재를 포함하고,
    상기 지지부재는,
    상기 구동부의 상부 및 하부에서 상기 구동부에 고정되는 상판 및 하판을 포함하며,
    상기 다수의 바퀴는 적어도 세 개를 포함하여 이루어지고,
    각각의 바퀴는,
    양단이 개방된 원통형의 바디;
    상기 바디에 적어도 일부가 수용되고, 상기 바디의 개방된 양단에 각각 고정되어 제1 회전축을 중심으로 회전하는 내부 휠; 및
    상기 바디의 외측에 구비되고 상기 제1 회전축과 교차되는 제2 회전축을 중심으로 회전하는 외부 휠을 포함하고,
    상기 내부 휠 및 외부 휠의 최외곽 지점은 상기 바디의 중심으로부터 동일한 거리에 형성되며,
    상기 내부 휠은 바디의 개방단부에 각각 형성되는 제1 및 제2 내부 휠을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 내부 휠과 외부 휠 사이에 배치되고, 상기 바디의 외부에 형성되며 결합에 의해 상기 외부 휠과 대응되는 형상을 형성하는 제1 및 제2 프레임을 더 포함하며,
    상기 바디의 외주면 중 상부 및 하부에는 내측으로 리세스되는 제1 및 제2 리세스부가 형성되고, 상기 제1 및 제2 프레임은 각각 상기 제1 및 제2 리세스부에 안착되며,
    상기 제1 및 제2 프레임은 중공형의 반구(球)의 일부를 절개한 형상이고,
    상기 제1 및 제2 리세스부는 서로 마주보는 위치에 각각 제1 및 제2 관통홀이 형성되며,
    상기 제1 및 제2 내부 휠은 각각 상기 제1 및 제2 관통홀을 통해 제1 및 제2 핀에 의해 상기 바디에 고정되며,
    상기 바퀴는 능동 모션(active motion)과 상기 능동 모션에 의한 수동 모션(passive motion)의 조합에 의해 전방향(omni-directional)으로 이동하는 전방향 이동 로봇.
18. 삭제
19. 제17항에 있어서,
    상기 바퀴 중 적어도 하나는 능동 모션에 따라 이동하는 것을 특징으로 하는 전방향 이동 로봇.
20. 삭제

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