KR20030044193A - 무단변속 기능을 갖는 전방향 차량 - Google Patents

무단변속 기능을 갖는 전방향 차량 Download PDF

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Abstract

무단변속 기능을 갖는 전방향 차량은 몸체와 다수의 전방향 바퀴, 전방향 바퀴를 몸체에 지지하는 지지부로 이루어지고, 다수의 전방향 바퀴 중에서 하나 이상의 전방향 바퀴의 지지부에 전방향 바퀴가 조향할 수 있도록 하는 조향부가 설치되고, 설치된 모든 조향부의 조향을 동기화하는 동기부가 설치되고, 상기 조향부의 회전 중심인 조향축이 각각 독립적으로 설치되어 조향부가 설치된 전방향 바퀴의 조향에 의해서 무단변속할 수 있다.

Description

무단변속 기능을 갖는 전방향 차량 {Omni-directional vehicle with continuous variable transmission}
본 발명은 무단변속 기능을 갖는 전방향 차량(omni-directional vehicle)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다수의 전방향 바퀴를 사용한 전방향 차량에서 전방향 바퀴를 조향하여 무단변속 기능을 수행하는 전방향 차량에 관한 것이다.
본 발명에서 차량은 사람이나 물건을 이동시키는 기구를 칭한다. 자동차를 비롯하여 자율적으로 움직이는 이동로봇이나 전동 휠체어 등이 그 대표적인 예이다. 현재 적용되어 이용되고 있는 차량은 대체로 독립적인 두 바퀴 구동방식(Independent two driving wheel mechanism)이나 조향-구동 방식(Steering and driving Mechanism)으로 구동되는데, 이러한 기존의 차량은 움직임에 제약이 있다. 앞으로 움직이던 상태에서 차체를 회전시키지 않고는 바로 옆으로 이동할 수 없는 것이 대표적인 움직임의 제약이다. 이러한 움직임의 제약으로 자동차의 주차 시와 같이 협소한 공간에서의 움직임이 어렵고, 원하는 위치에 도달하기 위하여 복잡한 경로의 계산이 필요하게 된다.
이러한 단점을 보완하기 위해서 개발된 것이 전방향 차량이다. 전방향 차량은 차량의 운동능력을 향상시켜 2차원 평면에서 3자유도(전후, 좌우, 회전)의 운동이 가능해서 임의의 자세에서 임의의 방향으로 주행이 가능하다.
지금까지 이러한 전방향 차량을 위한 여러 종류의 전방향 메커니즘이 연구되었다. 현재까지 개발된 전방향 메커니즘은 크게 종래의 차량용 바퀴를 사용하는 방법과 전방향 구동을 위하여 특수하게 설계된 바퀴를 사용하는 방법으로 분류할 수 있다. 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 전방향 구동을 하게 된다.
이에 대하여 전방향 구동을 위하여 특수하게 설계된 바퀴를 사용하는 메커니즘도 많이 개발되었다. 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. 이들의 형태는 다양하지만, 공통적으로 바퀴의 회전을 통해서 구동력을 전달하는 능동 모드와 구동력을 전달하지 않고 자유롭게 회전할 수 있는 수동 모드의 두 가지 모드를 갖는다. 이렇게 능동과 수동 모드를 갖고 전방향 구동에 이용될 수 있는 바퀴를 통칭하여 전방향 바퀴라고 부르기로 한다.
전방향 차량에 사용된 다양한 종류의 전방향 바퀴가 도 1에 도시되어 있다. 도 1의 (a)에 도시된 전방향 바퀴는 유니버설 휠이다. 유니버설 휠은 전방향 바퀴 중 가장 고전적인 것으로서, 서로 다른 회전축을 자유롭게 회전할 수 있는 여러 개의 수동롤러로 구성된다. 여기서, 각 수동롤러의 회전축은 바퀴의 원주와 접하는 방향으로 구성된다. (b)에 도시된 메카넘 휠은 각 롤러를 바퀴 주위에 45도 기울여 배치한 것이고, (c)에 도시된 더블 휠은 바퀴 2개를 겹쳐서 배치한 것이다. (d)에 도시된 얼터닛 휠은 작은 롤러와 큰 롤러를 번갈아 배치한 것이고, (e)에 도시된하프 휠은 기존 롤러 형태의 반을 절단한 형태의 롤러를 겹쳐서 배치한 것이다. (f)에 도시된 오쏘고날 휠은 롤러 2개의 회전 축을 수직으로 배치한 것이다. (g)에 도시된 볼 휠은 구 형태의 바퀴를 사용하여 능동 모드와 수동 모드를 구현한 것이다. 이러한 전방향 바퀴는 종래의 차량용 바퀴와 다르게 앞에서 설명한 바와 같이 능동 모드로 구동력을 전달하는 방향과 수동 모드로 외부의 힘에 의해 자유롭게 회전하여 진행하는 방향을 동시에 갖는다.
이러한 전방향 바퀴를 사용한 전방향 차량은 바퀴의 배치 형상에 따라서 차량 속도비를 변화시킬 수 있다. 그 예로 도 2의 (a)와 같이 두 개의 빔(12)이 중앙에 설치된 공통의 조향축(11)에 대하여 회전을 하고, 두 빔은 기어에 의해 좌우 대칭으로 움직이도록 구속되고, 각 빔의 끝에는 볼 휠(13)과 모터가 설치되어 전방향 구동을 수행하는 구조가 미국 특허 5927423에 등록되었다. 이러한 구조에서 조향축을 중심으로 빔이 도 2의 (b)나 (c)와 같이 회전하면 차량에 대한 볼 휠의 능동 모드와 수동 모드의 방향이 바뀌게 된다. 이는 진행하고자 하는 방향의 속도비를 수정하는 기능을 수행하여 무단변속기로서 작용한다.
무단변속기는 바퀴의 회전속도에 대한 차량의 속도의 비율인 속도비와 바퀴 구동력에 대한 차량의 구동력의 비인 구동력비를 연속적으로 변화시킬 수 있는 변속기이다. 이러한 무단변속기는 변화할 수 있는 속도비의 범위가 넓으면, 동일한 액추에이터를 사용하여 발생시킬 수 있는 최대 속도와 최대 구동력 등을 증가시킬 수 있다.
그러나 미국 특허 5927423의 구조는 두 빔(12)이 공통된 조향축(11)을 갖고회전하므로 구조적으로 조향각의 범위가 제한된다. 즉, 빔이 회전하면 바퀴가 지면과 접하는 4점이 이루는 형상이 변화하고, 빔의 회전각이 일정한 값 이상이 되면 지면과 접하는 형상의 폭이나 길이가 줄어들어서 차량의 안정성을 확보할 수 없게 된다. 따라서 차량의 안정성을 확보하기 위하여 빔의 회전 범위가 제한되므로 무단변속기의 속도비의 범위가 제한되어 최대 속도 및 최대 구동력과 관련된 성능이 제한된다.
따라서, 위에 서술한 종래의 기술에서 무단변속 기능을 갖는 전방향 차량의 단점을 보완하여 전방향 차량의 안정성을 확보하며 무단변속기의 속도비의 범위를 증대할 수 있는 구조가 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 전방향 바퀴의 조향축을 각 바퀴에 독립적으로 설치하여 무단변속 기능의 속도비의 범위를 증대시키고, 이를 통해서 차량 전체의 성능을 향상시킬 수 있는 무단변속 기능을 갖는 전방향 차량을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래 기술에 따른 전방향 차량에 사용된 다양한 종류의 전방향 바퀴의 개략도.
도 2는 종래 기술에 따른 중앙에 조향축이 설치된 전방향 차량의 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 전방향 차량의 제 1 실시 예를 나타낸 개략도.
도 4는 본 발명에 따른 전방향 바퀴와 모터, 전방향 바퀴를 지지하는 지지부를 나타낸 정면도.
도 5는 본 발명에 따른 전방향 바퀴의 지지부가 조향할 수 있도록 설치된 조향부를 나타낸 정면도와 평면도.
도 6은 본 발명에 따른 제 1 실시예의 전방향 차량의 좌표계를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따른 조향각에 대한 속도비의 변화를 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명에 따른 조향각에 대한 구동력비의 변화를 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명에 따른 제어부의 구성을 나타낸 개략도.
도 10은 본 발명에 따른 전방향 차량의 제 2 실시예를 나타낸 개략도.
도 11은 본 발명에 따른 전방향 차량의 제 2 실시예의 풀리와 타이밍 벨트로 이루어진 동기부를 나타낸 개략도.
도 12는 본 발명에 따른 전방향 차량의 제 3 실시예를 나타낸 개략도.
도 13는 본 발명에 따른 전방향 차량의 제 4 실시예를 나타낸 개략도.
도 14은 본 발명에 따른 전방향 차량의 제 5 실시예를 나타낸 개략도.
도 15은 본 발명에 따른 전방향 차량의 제 6 실시예를 나타낸 개략도.
도 16은 본 발명에 따른 전방향 차량의 제 7 실시예를 나타낸 개략도.
도 17는 본 발명에 따른 전방향 차량의 제 8 실시예를 나타낸 개략도.
도 18은 본 발명에 따른 전방향 차량의 제 9 실시예를 나타낸 개략도.
도 19은 본 발명에 따른 전방향 차량의 제 10 실시예를 나타낸 개략도.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10. 몸체
11. 조향축
12. 빔
13. 볼 휠
14. 조향링크
15. 연결링크
16. 오프셋 링크
17. 리니어 가이드
18. 조향링크 회전관절
19. 전방향 바퀴
20. 허브
21. 베어링
22. 커플링
23. 모터
24. 엔코더
25. 감속기
26. 스프링
27. 평행링크 회전관절
28. 평행링크
29. 현가장치 지지링크
30. 기어
31. 풀리
32. 타이밍 벨트
33. 조향각용 엔코더
34. 조향용 모터
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 무단변속 기능을 갖는 전방향 차량은 몸체와 다수의 전방향 바퀴, 전방향 바퀴를 몸체에 지지하는 지지부로 이루어지고, 다수의 전방향 바퀴 중에서 하나 이상의 전방향 바퀴의 지지부에전방향 바퀴가 조향할 수 있도록 하는 조향부가 설치되고, 설치된 모든 조향부의 조향을 동기화하는 동기부가 설치되고, 상기 조향부의 회전 중심인 조향축이 각각 독립적으로 설치되어 조향부가 설치된 전방향 바퀴의 조향에 의해서 무단변속할 수 있다.
이러한 전방향 차량에는 전방향 바퀴를 구동하기 위한 액추에이터와 액추에이터를 제어하기 위한 제어부가 설치되는 것이 바람직하다. 여기서, 액추에이터는 전기로 구동되는 전기 모터이거나, 유압에 의해 구동되는 유압 모터, 공압에 의해 구동되는 공압 모터 등 저장된 에너지를 회전운동 에너지로 변환할 수 있는 모든 수단을 의미한다.
이 때, 전방향 바퀴의 속도나 위치 등을 피드백 제어하기 위해 전방향 바퀴의 속도나 위치 등의 회전 정보를 측정하기 위한 센서와 전방향 바퀴를 구동하는 액추에이터의 구동력을 피드백 제어하기 위하여 이를 측정하기 위한 센서가 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 동기화된 조향각을 피드백 제어하기 위하여 동기화된 조향각을 측정하기 위한 센서가 추가로 설치되는 것이 바람직하다.
상기 조향부에 대한 조향에서 전방향 바퀴의 움직임으로 조향이 어렵거나 불가능할 때에는 조향부의 조향을 위해서 별도의 액츄에이터를 설치하여 직접 조향하는 것이 바람직하다.
또한, 전방향 차량의 운동 중에 조향을 원하지 않을 때 조향각을 고정할 수 있는 고정 장치가 추가로 설치되는 것이 바람직하다.
전방향 바퀴를 4개 설치하고, 4개의 전방향 바퀴의 지지부에 조향부를 설치하여 전방향 바퀴의 움직임을 제어함으로써 조향을 수행할 수 있다.
바람직하게, 상기 조향축은 전방향 바퀴가 지면과 접촉하는 점을 지나도록 설치되어 전방향 바퀴의 구동과 독립적으로 조향될 수도 있고, 전방향 바퀴가 지면과 접촉하는 점과 일정한 거리를 갖도록 설치되어 전방향 바퀴의 구동이 조향에 영향을 미칠 수도 있다.
바람직하게, 상기 동기부는 조향링크, 연결링크, 리니어 가이드로 이루어지거나, 기어열로 이루어지거나, 풀리와 타이밍 벨트로 이루어지는 등 조향부를 동시에 움직이도록 구성할 수 있는 기구부로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 전방향 바퀴가 4개 이상 사용되는 전방향 차량에서는 전방향 바퀴의 지지부에 현가장치가 설치되는 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다
도 3은 본 발명에 따른 전방향 차량의 제 1 실시예를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 제 1 실시예는 4개의 전방향 바퀴(19)로 이루어지고, 4개의 바퀴가 모두 조향되며, 조향축(11)과 바퀴 중심간에 오프셋 링크(16)에 의해 일정한 거리를 갖는 구조로 구성된다. 이 때, 전방향 바퀴(19)는 상기 모든 종류의 전방향 바퀴가 모두 사용 가능하며, 서로 다른 종류의 전방향 바퀴가 동시에 사용될 수도 있다. 각 전방향 바퀴에 바퀴를 차량의 몸체에 고정하는 지지부가 설치되고, 몸체의 모서리 부분에 지지부가 회전할 조향부가 각각의 조향축(11)을 갖도록 설치된다. 이 때 조향부는 동기부에 의해 1자유도의 조향 운동을 하게 된다. 여기서, 동기부는 연결링크(15)와 리니어 가이드(17)로 구성되며, 4바퀴의 조향링크(14)는 연결링크에 의해 서로 연결되고, 연결링크(15)의 운동은 리니어 가이드(17)에 의해 구속되어 1자유도의 운동을 하게 된다. 도 3의 (a)의 형상에서 조향이 되면 도 3(b)나 도 3(c)와 같은 형상으로 전방향 바퀴의 위치와 각이 변화하게 되어 이를 통해서 무단변속을 수행할 수 있게 된다. 또한, 이러한 조향각은 조향축의 한 곳에 연결된 조향각용 엔코더(33)에 의해 측정된다.
도 4는 상기 전방향 바퀴(19)와 모터(23), 전방향 바퀴를 지지하는 지지부를 나타낸 도면이다. 전방향 바퀴의 허브(20)가 베어링(21)으로 지지되고, 바퀴의 회전축과 모터(23)의 회전축이 일치하도록 모터(23)가 설치되어 커플링(22)을 통해서 모터축과 바퀴축이 연결된다. 이러한 바퀴와 모터를 지지하는 지지부에서 현가 장치는 평행링크(28)와 스프링(26)으로 구성되었다. 스프링은 스프링과 댐퍼로 이루어지거나 고무 등으로 구성된 충격 흡수장치로 대체될 수도 있다.
도 5는 전방향 바퀴의 지지부가 조향할 수 있도록 설치된 조향링크(14)로 구성된 조향부를 나타낸 것이다. 몸체의 조향축(11)에 대하여 회전하고, 연결링크(15)와 리니어 가이드(17)로 구성된 동기부 와 연결되어 1자유도의 조향을 수행하게 된다.
이렇게 구성된 제 1실시예에 대하여 무단변속 기능 및 전방향 이동에 대하여 상세히 설명한다.
공지의 기술인 도 2와 본 발명의 제 1실시예인 도 3을 비교해 보자. 이 두 메커니즘에서 대각선으로 마주 보는 두 바퀴의 중심을 잇는 선이 몸체의 대각선 상에 위치하는 초기 위치로부터의 회전을 바퀴의 조향각 f로 정의한다. 도 2의 구조에서는 바퀴 모듈의 회전 축인 조향축이 두 빔의 교차점이 된다. 따라서 조향각이 커지면 바퀴와 지면과의 접촉점들로 구성되는 사각형의 한 변이 지나치게 작아져서 주행 안정성이 저하되는 문제가 발생하므로, 조향각의 회전 범위가 제한되고, 이로 인해서 무단변속을 통하여 발생시킬 수 있는 속도비의 범위가 제한된다는 단점을 갖게 된다. 이에 비하여, 도 3의 제안된 구조에서는 바퀴 모듈의 회전 축이 몸체의 중앙이 아니라, 몸체의 네 모서리 근처에 위치하므로, 조향각이 커지더라도 구조적으로 매우 안정되는 특성을 갖는다. 따라서, 본 발명의 구조에서는 조향각이 넓은 범위를 갖게 되어, 무단변속으로 발생할 수 있는 속도비의 범위가 대폭 증가된다.
상기와 같은 장점을 갖는 본 발명의 제 1 실시예에 대하여 기구학적 해석을 하여보자. 도 6는 4개의 바퀴를 갖는 전방향 차량의 좌표계를 나타낸다. 이 그림은도 3의 구조를 설명의 편의를 위하여 단순화하여 그린 것으로, 궁극적으로는 도 3과 동일한 기구학적 관계를 갖는다. 먼저 차량을 강체 운동이라 가정하고, 그림과 같이 평면상에 기준좌표계O-XY, 차량의 무게중심에 이동좌표계o-xy을 설정한다. 한편,y축과 로봇 몸체의 대각선이 이루는 각θ는 몸체의 모양에 따라서 그 값이 결정된다.(즉, 정사각형의 몸체에 대하여θ= 45o)
각 바퀴에서의 속도는 차량의 속도로부터 다음과 같이 구할 수 있다.
where,
여기서,v 1,v 2,v 3,v 4는 각 바퀴의 속도,v x ,v y 는 차량의 무게중심에서의 속도 벡터의x및y축 방향의 성분,는 기준좌표계에서 차량 몸체의 각속도, 는 조향 각속도를 각각 나타낸다. 한편, 이 식에서 0<φ+θ<90o이면 C≠0, S≠0가 되어, 위의 행렬은 역행렬이 존재하는데, 이 역행렬이 차량의 속도와 바퀴의 속도와의 관계를 나타내는 자코비안(Jacobian)에 해당한다.
이 자코비안을 이용하여 차량 속도와 바퀴 속도 간에는 다음과 같은 관계가 성립된다.
where
이 식에서 보듯이 4개 바퀴의 속도를 제어하면 차량의 속도 및 가변 기구부의 각속도를 완전히 결정할 수 있다.
한편, 본 발명의 전방향 차량의 힘과 모멘트는 각 바퀴에 작용하는 구동력F i 에 의해서 앞에서 구한 속도 관계와 유사하게 다음과 같이 나타낼 수 있다.
where
이 때,F x ,F y 는 전방향 차량의 무게중심에 작용하는 힘의x및y방향의 성분,T z 는 로봇의 무게중심을 지나는 수직축에 대한 모멘트를 각각 나타낸다. 또한,T φ 는 바퀴 모듈을 조향축 주위로 회전시키는 데 소요되는 토크를 나타낸다. 식에서F v 은 바퀴 구동력의 벡터 합으로 주어진다. 따라서, 임의의 방향으로 차량을 구동하는 힘, 모멘트와 바퀴 모듈을 조향하는 모멘트는 구동력의 조합에 의해 생성될 수 있다.
전방향 차량에서 속도비에 대하여 정의해 보자. 전방향 차량은 2차원 평면에서 3자유도를 가지므로 속도비를 단순한 속도비로 정의하기는 어렵다. 따라서 다음과 같이 놈(norm)의 개념을 사용하여 속도비를 정의한다.
이 때, 놈은 각 성분의 제곱을 합한 다음에 제곱근을 취하면 구할 수 있다. 각 바퀴의 속도가 동일한 경우에도 조향각에 의해 속도비가 변화될 수 있음에 유의해야 한다. 도 7은L o,l, θ가 각각 0.283m, 0.190m, 45o인 경우에x,y,z축 방향의 운동에 대하여 조향각에 대한 속도비의 변화를 나타낸 것이다. 병진운동과 관계되는x축 방향과y축 방향의 두 속도비는 0.5에서 무한대까지 조향각에 민감하게 변화하지만, 회전운동과 관계된 속도비는 거의 일정한 것을 알 수 있다. 예를 들어, 조향각이 -25o~ +25o의 범위를 갖는다면, 차량의y방향 속도비는 그림의 X로 표시된 것과 같이 1.46에서 0.532의 범위에서 변화된다. 그림에서 볼 수 있듯이, 조향각의 범위가 커질수록 속도비의 범위도 커진다는 점을 알 수 있다.
한편, 바퀴의 구동력 벡터에 대한 차량에 작용하는 힘 벡터의 비인 구동력 비(force ratio)도 앞에서 살펴본 속도비와 유사한 방식으로 다음과 같이 나타낼 수 있다.
식에서 알 수 있듯이 구동력 비는 속도비의 역수와 같다. 도 8은 조향각의 함수로 구동력 비를 나타낸 것이다. 조향각의 변화에 의해 한 방향에서 구동력 비가 최대가 되면 다른 방향에서 최소가 된다. 따라서 차량의 운동에 필요한 구동력을 보장하는 범위에서 조향각이 결정되어야 한다.
도 9는 바람직한 제어부의 구성 예를 보여준다. 각 전방향 바퀴는 액추에이터인 모터에 의해 구동되고, 각 액추에이터는 드라이버에 의해 구동된다. 각 액추에이터는 위치, 속도, 구동력을 엔코더 계수기, 전류 센서로부터 측정하여 피드백 제어되는 것이 바람직하다. 각 드라이버는 마스터 제어기의 명령을 추종하고, 마스터 제어기는 차량이 이동할 경로로부터 각 드라이버에 명령을 인가하고, 통신을 통해서 차량이 수행하여야 할 일을 지시 받는다. 본 실시예에서는 마스터 제어기로 DSP(TMS320C32)가 사용되었고, 각 모터를 구동하기 위한 드라이버는 80196KC가 사용되었다. PC와 마스터 제어기는 직렬통신을 통해 연결되고, 사용자에 의해 PC에서 마스터 제어기로 수행할 일이 인가된다. 마스터 제어기에서 경로 등을 계산하여 이에 맞는 각 모터의 회전속도와 토크를 드라이버에 인가하고, 드라이버는 이를 추종하는 구조로 구성되어 있다.
마스터 제어기와 액추에이터 드라이버의 피드백 제어는 하나의 제어기에 의해 수행될 수도 있고, 마스터 제어기에 수행할 일을 인가하는 것은 조이스틱과 같은 인터페이스 회로를 추가하여 사람이 직접 마스터 제어기에 수행할 일을 인가할 수도 있다. 또한, 공지의 기술인 무선통신을 이용하여 마스터 제어기와 사용자나 PC간의 통신은 무선으로 수행될 수도 있다.
도 10은 본 발명에 따른 전방향 바퀴를 조향하여 무단변속 기능을 갖는 전방향 차량의 제 2실시예를 나타낸다. 동기부가 풀리(31)와 타이밍 벨트(32)로 구성된 것을 제외하고는 제 1실시예와 동일하게 구성되어 있다. 도 11은 풀리와 타이밍 벨트로 구성된 동기부와 조향각용 엔코더(33)의 개략적인 모습을 나타낸 것이다. 각조향축(11-1 ~ 11-4)은 도 10의 조향축(11-1 ~ 11-4)과 번호를 맞추어 나타내었다. 각 조향축이 적절한 방향으로 회전하도록 구성되고, 조향각용 엔코더(33)는 타이밍 벨트와 풀리로 연결되어 회전각을 측정하게 된다.
도 12는 본 발명에 따른 무단변속 기능을 갖는 전방향 차량의 제 3실시예를 나타낸다. 조향축이 전방향 바퀴의 중심과 일치되게 설치되고, 조향용 액추에이터(34)가 추가로 설치된 것을 제외하고는 제 1실시예와 동일하게 구성되어 있다. 이 때, 조향용 액추에이터(34)는 조향각용 엔코더(33)와 동일한 축에 연결되도록 설치되었다. 이렇게 조향축이 전방향 바퀴의 중심과 일치하는 경우에는 제 1실시예에서와 같이 전방향 바퀴의 구동에 의해 조향토크를 생성할 수 없으므로 별도의 조향용 액추에이터가 설치된다. 또한, 바퀴가 지면과 닿는 형상이 조향각에 영향을 받지 않고 일정하다.
도 13은 본 발명에 따른 전방향 바퀴(19)를 조향하여 무단변속 기능을 갖는 전방향 차량의 제 4실시예를 나타낸다. 동기부가 풀리와 타이밍 벨트로 구성된 것을 제외하고는 제 3실시예와 동일하게 구성되어 있다.
도 14는 본 발명에 따른 전방향 바퀴(19)를 조향하여 무단변속 기능을 갖는 전방향 차량의 제 5실시예를 나타낸다. 전방향 바퀴(19)가 4개 설치되고, 이중에서 2개의 전방향 바퀴의 지지부에만 조향부가 설치되는 구성을 나타낸다. 또한, 조향축(11)은 전방향 바퀴의 중심과 일정한 거리를 갖도록 설치된다. 조향부가 설치된 2개의 전방향 바퀴는 동기부에 의해 동기화된 조향을 하지만, 조향부가 설치되지 않은 2개의 전방향 바퀴는 고정된 조향각을 갖는다. 이러한 제 5실시예에 따르면 2개의 전방향 바퀴의 조향에 의해 무단변속 기능이 수행된다. 이 때, 별도의 조향용 액추에이터(34)가 설치되어 조향을 수행하게 된다.
도 15는 본 발명에 따른 전방향 바퀴(19)를 조향하여 무단변속 기능을 갖는 전방향 차량의 제 6실시예를 나타낸다. 조향축(11)이 전방향 바퀴(19)의 중심과 일치되게 설치되고, 조향용 액추에이터(34)가 추가로 설치된 것을 제외하고는 제 5실시예와 동일하게 구성되어 있다. 또한, 바퀴가 지면과 닿는 형상이 조향각에 영향을 받지 않고 일정하다.
도 16은 본 발명에 따른 전방향 바퀴(19)를 조향하여 무단변속 기능을 갖는 전방향 차량의 제 7실시예를 나타낸다. 3개의 전방향 바퀴(19)가 설치되고, 이중에서 2개의 전방향 바퀴에 조향부가 설치되고, 조향축(11)은 전방향 바퀴(19)의 중심과 일정한 거리를 갖도록 설치된다. 상기 조향부는 연결링크(15)와 리니어 가이드(17)에 의해 구성된 동기부에 동기화된 조향을 하게 된다. 또한, 전방향 바퀴의 조향을 위해 조향용 액추에이터(34)가 설치된다. 다른 1개의 전방향 바퀴는 고정된 조향각을 갖는다.
도 17은 본 발명에 따른 전방향 바퀴(19)를 조향하여 무단변속 기능을 갖는 전방향 차량의 제 8실시예를 나타낸다. 동기부가 풀리(31)와 타이밍 벨트(32)로 구성된 것을 제외하고는 제 7실시예와 동일하게 구성되어 있다.
도 18은 본 발명에 따른 전방향 바퀴(19)를 조향하여 무단변속 기능을 갖는 전방향 차량의 제 9실시예를 나타낸다. 조향축(11)이 전방향 바퀴(19)의 중심과 일치되게 설치된 것을 제외하고는 제 8실시예와 동일하게 구성되어 있다. 이렇게 조향축(11)이 전방향 바퀴의 중심과 일치하게 설치되면 바퀴의 구동에 의해 조향 토크가 발생하지 않으므로 차량의 구동과 조향이 독립적으로 수행되어 조향을 제어하는 것이 보다 용이한 장점이 있다. 또한, 바퀴가 지면과 닿는 형상이 조향각에 영향을 받지 않고 일정하다.
도 19는 본 발명에 따른 전방향 바퀴(19)를 조향하여 무단변속 기능을 갖는 전방향 차량의 제 10실시예를 나타낸다. 동기부가 풀리(31)와 타이밍 벨트(32)로 구성된 것을 제외하고는 제 9실시예와 동일하게 구성되어 있다.
제 2 실시예에서 제 10 실시예까지의 모든 전방향 차량은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 제 1 실시예와 같이 기구학과 동역학을 해석하여 각 전방향 바퀴를 제어하여 차량을 전방향 구동할 수 있고, 전방향 바퀴를 조향하여 무단변속 기능을 수행할 수 있고, 제 1실시예와 유사하므로 반복된 설명을 피하기 위하여 본 명세서에서는 첨가하지 않았다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 발명에 따른 전방향 차량은 설치된 전방향 바퀴 중에서 조향이 되는 바퀴 각각에 조향축을 설치하여 전방향 바퀴가 조향이 되더라도 차량의 안정성에 영향을받지 않으므로 조향각의 범위를 넓게 사용할 수 있다. 따라서 전방향 바퀴의 조향에 따른 무단변속 기능의 속도비의 범위도 넓어지므로 동일한 액추에이터를 사용한 차량에 대하여 최대 속도와 최대 구동력을 증가시켜서 전방향 차량의 성능을 향상시키게 된다.
또한, 조향축이 바퀴가 지면과 접촉하는 점을 지나는 경우에는 조향을 위한 액추에이터를 별도로 설치하여 차량의 주행과 독립적으로 조향을 제어할 수 있다.

Claims (8)

  1. 몸체;
    다수의 전방향 바퀴;
    상기 전방향 바퀴를 구동하기 위한 액추에이터;
    상기 전방향 바퀴의 회전 정보를 측정하기 위한 센서;
    상기 액추에이터를 제어하기 위한 제어부;
    전방향 바퀴를 몸체에 지지하는 지지부로 이루어진 전방향 차량에 있어서,
    하나 이상의 전방향 바퀴의 지지부에 전방향 바퀴가 조향할 수 있도록 하는 조향부가 설치되고,
    설치된 모든 조향부의 조향을 동기화하는 동기부가 설치되고,
    상기 조향부의 회전 중심인 조향축이 각각 독립적으로 설치되어
    조향부가 설치된 전방향 바퀴의 조향에 의해서 무단변속할 수 있는 것을 특징으로 하는 전방향 차량.
  2. 1항에 있어서,
    전방향 바퀴를 구동하는 액추에이터의 구동력을 측정하기 위한 센서가 추가로 설치된 것을 특징으로 하는 전방향 차량.
  3. 1항에 있어서,
    동기화된 조향각을 측정하기 위한 센서가 추가로 설치된 것을 특징으로 하는 전방향 차량.
  4. 1항에 있어서,
    동기화된 조향부의 조향을 위한 별도의 액추에이터가 추가로 설치된 것을 특징으로 하는 전방향 차량.
  5. 1항에 있어서,
    동기화된 조향부의 조향을 원하지 않을 때 조향각을 고정할 수 있는 고정부를 추가로 설치된 것을 특징으로 하는 전방향 차량.
  6. 1항에 있어서,
    조향축이 전방향 바퀴가 지면과 접촉하는 점을 지나도록 설치되어 전방향 바퀴의 구동과 독립적으로 조향이 가능한 것 특징으로 하는 전방향 차량.
  7. 1항에 있어서,
    조향축이 전방향 바퀴가 지면과 접촉하는 점과 일정한 거리를 갖도록 설치되어 전방향 바퀴의 구동이 조향에 영향을 미치는 것을 특징으로 하는 전방향 차량.
  8. 1항에 있어서,
    지지부에 현가장치가 추가로 설치된 것을 특징으로 하는 전방향 차량
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