KR20090075444A

KR20090075444A - Single wheel robot capable automatic driving and motion control

Info

Publication number: KR20090075444A
Application number: KR1020080001296A
Authority: KR
Inventors: 이장명; 김홍철; 임훈
Original assignee: 부산대학교 산학협력단
Priority date: 2008-01-04
Filing date: 2008-01-04
Publication date: 2009-07-08
Also published as: KR100919670B1

Abstract

A single-wheel robot capable of automatically driving and controlling posture is provided to maintain balance stably in the long time use and to enable direction change. A single-wheel robot capable of automatically driving and controlling posture comprises a pitch direction driving unit(20), a yaw direction conversion unit(30), a roll direction posture control unit(40), a posture sensing unit(50), a controller. The pitch direction driving unit comprises one wheel(21) which is connected to the bottom of the main body and rolls along the surface and controls rotation of the wheel and pitch direction movement and posture of the main body. The left and right direction change of the main body is controlled by using rotational inertia moment generated by torque. The roll direction posture control unit maintains left and right balance and is installed on the top of the main body.

Description

Single wheel robot capable automatic driving and motion control}

본 발명은 외바퀴 로봇에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자동 주행 및 피치-롤-요 운동에 대한 자세 제어가 가능하도록 하여 주행시 중심을 잃지 않고 정확하고 안정적으로 주행할 수 있도록 한 외바퀴 로봇에 관한 것이다. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a unicycle robot, and more particularly, to a unicycle robot capable of precisely and stably running without losing a center during driving by enabling posture control for automatic driving and pitch-roll-yaw motion.

주지하는 바와 같이, 로봇은 산업 현장에서 각종 작업을 자동화하거나 인간이 수행하기 힘든 일을 대신 수행하기 위한 목적, 일상 생활에서 인간의 활동을 보조하기 위한 목적 등으로 사용될 뿐만 아니라, 의료용이나 오락용 등 다양한 목적으로 사용되고 있으며, 최근들어 각종 로봇에 대한 연구 및 개발이 더욱 가속화되고 있는 추세이다.As is well known, robots are not only used for the purpose of automating various tasks in the industrial field or performing tasks that are difficult for humans to perform, but also for the purpose of assisting human activities in daily life. It is used for various purposes, and in recent years, research and development on various robots have been further accelerated.

이러한 다양한 로봇 중 외바퀴로 주행이 가능한 로봇이 개발된 바 있는데, 기존의 외바퀴 주행 로봇은 프레임에 장착된 외바퀴와 강성 몸체, 헤드 부위에 설치된 제어기와 가변 중심체 등으로 구성된다.Among these various robots, a robot capable of driving with a unicycle has been developed. The existing unicycle traveling robot is composed of a unicycle mounted on a frame, a rigid body, a controller installed at a head part, and a variable center body.

그러나, 기존의 외바퀴 로봇은 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw) 운동이 상호 연동되지 않는 각각의 독립적인 방향 제어와 PD 제어를 적용하여 중심을 유지하는 메커니즘을 가지고 있기 때문에 일정 시간이 경과하면 일정한 오차가 누적되고, 이로 인하여 발산값이 나타나게 되어 시스템이 안정성을 상실하여 균형을 유지하지 못하고 넘어지는 문제가 발생한다.However, since the existing unicycle robot has a mechanism to maintain the center by applying the independent direction control and PD control in which roll, pitch, and yaw motions do not interoperate with each other, If this elapses, a certain error accumulates, which causes the divergence value to appear, which causes the system to lose stability and fall out of balance.

또한, 기존의 외바퀴 로봇은 전후 주행은 가능하지만 좌우로 회전하여 방향을 전환하는 것은 불가능하므로 원하는 방향으로 주행할 수 없는 문제도 있다. In addition, the existing unicycle robot is capable of traveling back and forth, but it is impossible to switch the direction by rotating from side to side, there is a problem that can not travel in the desired direction.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 주행 중 자유롭게 좌우로 회전하여 방향 전환이 가능하며, 장시간 사용시에도 안정적으로 균형을 유지할 수 있는 외바퀴 로봇을 제공함에 있다. The present invention is to solve the conventional problems as described above, an object of the present invention is to provide a unicycle robot that can be rotated left and right freely while traveling, and can maintain a stable balance even when used for a long time.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 형태에 따르면, 본체와; 상기 본체의 하측에 연결되어 지면을 따라 전후방향으로 구름 운동하는 하나의 휠을 구비하며, 상기 휠의 회전을 제어함으로써 본체의 피치방향 운동 및 자세를 제어하는 피치(pitch)방향 구동유닛과; 상기 본체의 상측에 설치되어 좌우방향으로의 회전력에 의해 발생하는 회전관성을 이용하여 본체의 좌우 방향 전환을 제어하는 요(yaw)방향 전환유닛과; 상기 본체의 상측에 설치되어 본체의 좌우 방향 균형을 유지시키는 롤(roll)방향 자세제어유닛과; 상기 본체의 주행 중 자세를 실시간으로 감지하는 자세감지센서 및; 상기 자세감지센서에서 제공되는 로봇의 자세 정보에 따라 상기 피치방향 구동유닛과 요방향 전환유닛 및 롤방향 자세제어유닛을 선택적으로 제어하는 제어기를 포함하여 구성된 자동 주행 및 자세제어가 가능한 외바퀴 로봇이 제공된다.According to an aspect of the present invention for achieving the above object, a main body; A pitch direction driving unit having one wheel connected to the lower side of the main body and rolling in the front and rear direction along the ground, and controlling the pitch direction movement and posture of the main body by controlling the rotation of the wheel; A yaw direction switching unit installed at an upper side of the main body to control the left and right direction switching of the main body by using the rotational inertia generated by the rotational force in the left and right directions; A roll direction posture control unit installed at an upper side of the main body to maintain a left and right balance of the main body; A posture detection sensor for detecting a posture of the main body in real time; Provided is a unicycle robot capable of automatic driving and attitude control, including a controller for selectively controlling the pitch direction driving unit, yaw direction switching unit, and roll direction attitude control unit according to the attitude information of the robot provided by the attitude sensor. do.

본 발명의 다른 한 형태에 따르면, 하부프레임과; 상기 하부프레임의 상측에 복수개의 연결바아에 의해 서로 일정 거리를 유지하도록 결합된 중간프레임과; 상기 중간프레임의 상측에 수직하게 결합되는 상부프레임과; 상기 하부프레임의 하측 에 연결되어 지면을 따라 전후방향으로 구름 운동하는 하나의 휠을 구비하며, 상기 휠의 회전을 제어함으로써 로봇의 피치방향 운동 및 자세를 제어하는 피치(pitch)방향 구동유닛과; 상기 하부프레임과 중간프레임의 사이에 설치되어, 좌우방향으로의 회전력에 의해 발생하는 회전관성을 이용하여 로봇의 좌우 방향 전환을 제어하는 요(yaw)방향 전환유닛과; 상기 상부프레임에 설치되어, 좌우 방향으로 선택적으로 발생하는 회전관성력에 의해 로봇의 좌우 방향 균형을 유지하도록 하는 롤(roll)방향 자세제어유닛과; 상기 하부프레임과 중간프레임과 상부프레임과 복수개의 연결바아 중 적어도 어느 하나에 설치되어 로봇의 주행 중 자세를 감지하는 자세감지센서 및; 상기 자세감지센서에서 제공되는 로봇의 자세 정보에 따라 상기 피치방향 구동유닛과 요방향 전환유닛 및 롤방향 자세제어유닛을 선택적으로 제어하는 제어기를 포함하여 구성된 자동 주행 및 자세제어가 가능한 외바퀴 로봇이 제공된다.According to another aspect of the invention, the lower frame; An intermediate frame coupled to maintain a predetermined distance from each other by a plurality of connection bars on an upper side of the lower frame; An upper frame coupled perpendicularly to an upper side of the intermediate frame; A pitch direction driving unit having one wheel connected to the lower side of the lower frame and rolling in the front and rear direction along the ground, and controlling the pitch direction movement and posture of the robot by controlling the rotation of the wheel; A yaw direction switching unit installed between the lower frame and the intermediate frame, the yaw direction switching unit controlling rotation of the robot in the left and right directions by using rotational inertia generated by rotational force in the left and right directions; A roll direction posture control unit installed on the upper frame to maintain the left and right balance of the robot by rotational inertia forces selectively generated in the left and right directions; A posture detection sensor installed on at least one of the lower frame, the middle frame, the upper frame, and a plurality of connection bars to detect a posture of the robot while driving; Provided is a unicycle robot capable of automatic driving and attitude control, including a controller for selectively controlling the pitch direction driving unit, yaw direction switching unit, and roll direction attitude control unit according to the attitude information of the robot provided by the attitude sensor. do.

이러한 본 발명에 따르면, 제어기에 미리 입력된 자율 주행 프로그램과 자세감지센서에 의해 실시간으로 감지되는 로봇의 자세 정보에 기반하여 피치방향 구동유닛과 롤방향 자세제어유닛 및 요방향 전환유닛의 작동을 제어하고, 이로써 주행 및 피치방향 자세제어, 롤방향 자세제어를 안정적으로 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 좌우 방향으로의 방향 전환을 정확하고 안정적으로 수행할 수 있다. According to the present invention, the operation of the pitch direction drive unit, the roll direction attitude control unit and the yaw direction switching unit are controlled based on the attitude information of the robot sensed in real time by the autonomous driving program and the attitude sensor which are input in advance to the controller. As a result, the driving and pitch direction attitude control and the roll direction attitude control can be stably performed, and the direction switching to the left and right directions can be performed accurately and stably.

또한, 본 발명의 한 형태에 따르면, 외바퀴 로봇의 기구부 중 가장 무거운 허브모터 휠이 로봇의 하단에 위치하게 되므로 로봇의 전체적인 무게중심이 낮아져 더욱 안정된 주행 성능 및 자세 제어 능력을 제공할 수 있다. In addition, according to an aspect of the present invention, since the heaviest hub motor wheel of the mechanism of the unicycle robot is located at the bottom of the robot, the overall center of gravity of the robot can be lowered to provide more stable driving performance and attitude control capability.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 외바퀴 로봇의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the unicycle robot according to the present invention.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 외바퀴 로봇의 구조를 개략적으로 나타낸 도면들로, 본 발명의 외바퀴 로봇은 사각 플레이트 형태의 하부프레임(11)과, 상기 하부프레임(11)의 하측에 연결되어 전후방향('피치방향'이라고도 함)으로 구름 운동하며 피치방향 운동 및 자세를 제어하는 피치방향 구동유닛(20)과, 상기 하부프레임(11)의 상측에 구성되어 좌우 방향 전환을 제어하는 요방향 전환유닛(30)과, 상기 하부프레임(11)의 상측에 연결되는 사각 플레이트 형태의 중간프레임(12)과, 상기 중간프레임(12)의 상측에 수직하게 고정되는 상부프레임(13)와, 상기 상부프레임(13)에 설치되어 좌우 방향 균형을 유지하도록 하는 롤방향 자세제어유닛(40)과, 상기 외바퀴 로봇의 주행 중 자세를 감지하는 자세감지센서(50) 및, 상기 자세감지센서(50)에서 제공되는 로봇의 자세에 따라 상기 피치방향 구동유닛(20)과 요방향 전환유닛(30) 및 롤방향 자세제어유닛(40)을 선택적으로 제어하는 제어기(61)를 포함하여 구성된다.1 to 3 are diagrams schematically showing the structure of a unicycle robot according to an embodiment of the present invention, the unicycle robot of the present invention is the lower frame 11 of the rectangular plate form, and the lower frame of the Pitch direction drive unit 20 is connected to the lower side and the pitch direction drive unit 20 to control the pitch direction movement and posture while rolling in the front-rear direction (also called 'pitch direction'), and the upper and lower sides of the lower frame 11 is switched The yaw direction switching unit 30 to control, the intermediate frame 12 of the rectangular plate form connected to the upper side of the lower frame 11, and the upper frame 13 fixed perpendicularly to the upper side of the intermediate frame 12 ), A roll direction attitude control unit 40 installed on the upper frame 13 to maintain the left and right balance, a posture detection sensor 50 for detecting a posture of the unicycle robot, and the posture detection Provided by Sensor 50 It is configured to include a controller 61 for selectively controlling the pitch direction drive unit 20 and the yaw direction switching unit 30 and the roll direction of the posture control unit 40 in accordance with the posture of the robot.

상기 하부프레임(11)과 중간프레임(12)과 상부프레임(13)은 경량의 알루미늄으로 만들어질 수 있지만, 반드시 이에 한정하지는 않으며, 알루미늄 이외의 금속 또는 합성수지 재질로도 만들어질 수 있다.The lower frame 11, the intermediate frame 12, and the upper frame 13 may be made of lightweight aluminum, but are not necessarily limited thereto, and may be made of metal or synthetic resin other than aluminum.

상기 하부프레임(11)과 중간프레임(12)은 각 모서리부에 수직하게 결합되는 복수개(이 실시예에서 4개)의 연결바아(14)에 의해 일정한 거리를 유지하며 상호 고정된다. 또한, 중간프레임(12)과 상부프레임(13)의 결합 부위에는 중간프레임(12)에 대한 상부프레임(13)의 결합 강도를 증대시키기 위한 복수개의 보강지지대(15)들이 고정된다. The lower frame 11 and the intermediate frame 12 are fixed to each other at a constant distance by a plurality of connecting bars 14 (four in this embodiment) coupled perpendicularly to each corner portion. In addition, a plurality of reinforcing supports 15 are fixed to the coupling portion of the intermediate frame 12 and the upper frame 13 to increase the coupling strength of the upper frame 13 to the intermediate frame 12.

그리고, 상기 피치방향 구동유닛(20)은 상기 하부프레임(11)에 상하로 이동 가능하게 연결되는 한 쌍의 샤프트(22)와, 상기 샤프트(22)의 하단에 연결되어 수평축(24)을 중심으로 피치방향으로 구름운동하는 허브모터 휠(21)(Hub Motor Wheel)과, 상기 하부프레임(11)에 대해 상기 샤프트(22)를 탄성적으로 지지하며 현가장치의 기능을 하는 서스펜션 스프링(23)으로 구성된다. And, the pitch direction drive unit 20 is a pair of shafts 22 which are connected to the lower frame 11 so as to be movable up and down, and connected to the lower end of the shaft 22 to the center of the horizontal axis 24 Hub motor wheel 21 (Hub Motor Wheel) rolling in the pitch direction with the support, and the suspension spring 23 to elastically support the shaft 22 relative to the lower frame 11 and to function as a suspension device It consists of.

여기서, 상기 허브모터 휠(21)은 휠(wheel) 내부에 외전형모터(outer rotor type motor)가 일체로 구성된 구조로, 상기 샤프트(22)의 하단에 고정되는 스테이터(211)와, 그 중심부가 상기 수평축(24)과 고정되게 연결되며 상기 스테이터(211)의 외주를 따라 마주보도록 설치된 복수개의 마그네트(213)를 구비하여 스테이터(211)와 마그네트(213) 간에 형성되는 전자기장에 의해 회전하는 아웃터로터(212)와, 상기 아웃터로터(212)의 외주부를 따라 부착되어 지면과 접촉하는 타이어(214)로 구성될 수 있다. Here, the hub motor wheel 21 has a structure in which an outer rotor type motor is integrally formed inside the wheel, and includes a stator 211 fixed to the lower end of the shaft 22, and a central portion thereof. Is fixedly connected to the horizontal axis 24 and provided with a plurality of magnets 213 installed to face the outer periphery of the stator 211 to rotate by an electromagnetic field formed between the stator 211 and the magnet 213 The rotor 212 and the tire 214 attached to the outer circumference of the outer rotor 212 and in contact with the ground may be configured.

미설명부호 25는 샤프트(22)에 대해 수평축(24)을 회전가능하게 지지하는 베어링이다. Reference numeral 25 is a bearing for rotatably supporting the horizontal axis 24 with respect to the shaft 22.

또한, 이 실시예에서 상기 요방향 전환유닛(30)은 하부프레임(11)의 상부면에 고정되게 설치되는 요방향 제어용 DC모터(31)와, 상기 요방향 제어용 DC모 터(31)의 상측에 축결합되어 회전하는 원반형의 회전디스크(32)를 포함하여 구성된다. In addition, in this embodiment, the yaw direction switching unit 30 is the yaw direction control DC motor 31 is fixed to the upper surface of the lower frame 11 and the upper side of the yaw direction control DC motor 31. It is configured to include a disk-shaped rotating disk 32 which is rotated axially coupled to.

상기 회전디스크(32)는 수직한 축을 중심으로 좌 또는 우 방향으로 회전하고, 이 때 발생하는 회전관성에 의해 로봇을 좌우 방향으로 전환시키는 기능을 수행한다. 상기 회전디스크(32)는 금속 재질로 이루어지는 것이 바람직하나, 그 재질에 제한을 두지는 않는다.The rotating disk 32 rotates in a left or right direction about a vertical axis, and performs a function of switching the robot in the left and right directions by the rotational inertia generated at this time. The rotating disk 32 is preferably made of a metal material, but is not limited to the material.

그리고, 상기 롤방향 자세제어유닛(40)은 상부프레임(13)의 상단에 설치되는 롤방향 제어용 DC모터(41)와, 상기 롤방향 제어용 DC모터(41)에 전후방향으로 연장된 수평한 축에 축결합되어 시계방향 또는 반시계방향으로 선택적으로 회전하는 회전바아(42)를 포함하여 구성된다. In addition, the roll direction control unit 40 is a horizontal axis extending in the front-rear direction to the roll direction control DC motor 41 and the roll direction control DC motor 41 is installed on the upper end of the upper frame (13) And a rotating bar 42 axially coupled to and selectively rotating in a clockwise or counterclockwise direction.

상기 회전바아(42)는 회전에 의해 로봇의 좌측 또는 우측 방향으로 회전관성력을 발생시킴으로써 로봇의 좌우 균형을 유지하는 기능을 수행한다. 상기 회전바아(42)가 회전할 때 회전관성력을 높이기 위하여 회전바아(42)의 양단에 무게추(43)가 추가로 장착될 수도 있다. The rotation bar 42 serves to maintain the left and right balance of the robot by generating a rotational inertia force in the left or right direction of the robot by the rotation. When the rotary bar 42 rotates in order to increase the rotational inertia, the weight 43 may be further mounted on both ends of the rotary bar 42.

한편, 상기 자세감지센서(50)는 자이로센서(gyro sensor) 및/또는 기울기 센서 등을 이용하여 구성할 수 있으며, 로봇의 연결바아(14)에 설치되는 것이 바람직하나, 그 설치 위치에 제한을 두지는 않는다. On the other hand, the posture detection sensor 50 can be configured using a gyro sensor (gyro sensor) and / or the tilt sensor, and the like, it is preferable to be installed in the connection bar 14 of the robot, but the limitation on the installation position Do not leave.

상기 제어기(61)는 예컨대 PCB 기판(60) 상에 장착되는 마이크로 콘트롤러 등으로 이루어질 수 있으며, 상기 자세감지센서(50)와 허브모터 휠(21)의 스테이터(211), 요방향 제어용 DC모터(31), 롤방향 제어용 DC모터(41)와 전기적으로 연결 되어 로봇의 주행 및 자세를 제어한다. 상기 PCB 기판(60)은 로봇의 임의의 위치에 장착될 수 있으며, 이 PCB 기판(60)에는 상기 제어기(61)를 비롯하여 전원공급장치 및/또는 유무선에 의한 원격조작을 위한 통신키트 등 각종 전자부품들이 장착된다. The controller 61 may be formed of, for example, a microcontroller mounted on the PCB substrate 60, the stator 211 of the attitude sensor 50 and the hub motor wheel 21, the DC motor for yaw direction control ( 31) is electrically connected to the DC motor 41 for controlling the roll direction to control the running and posture of the robot. The PCB board 60 may be mounted at any position of the robot, and the PCB board 60 includes various types of electronic devices such as the controller 61 and a communication kit for remote operation by a power supply device and / or wired or wireless. The parts are mounted.

한편, 도면에 도시하지는 않았으나, 상기 하부프레임(11)에는 로봇이 정지 상태에서 직립 자세를 유지하도록 하기 위한 복수개의 보조휠이 추가적으로 장착될 수 있으며, 이 보조휠(미도시)들은 상하로 높이 조절이 가능하게 구성됨이 바람직하다.On the other hand, although not shown in the drawings, the lower frame 11 may be additionally equipped with a plurality of auxiliary wheels for maintaining the upright posture in the robot stationary state, these auxiliary wheels (not shown) to adjust the height up and down It is preferred that this is possible.

상기와 같이 구성된 외바퀴 로봇은 다음과 같이 동작한다. The unicycle robot configured as described above operates as follows.

상기 제어기(61)가 미리 입력되어 있는 자율 주행 프로그램에 따라 상기 허브모터 휠(21)에 소정의 제어신호를 인가하면, 허브모터 휠(21)이 회전 운동하면서 로봇이 원하는 전후방향으로 주행하기 시작한다. When the controller 61 applies a predetermined control signal to the hub motor wheel 21 according to an autonomous driving program input in advance, the hub motor wheel 21 starts to move in the desired front and rear direction while the hub motor wheel 21 rotates. do.

이와 같이 로봇이 주행하는 과정에서 여러가지 요인에 의해 로봇이 균형을 잃게 되는데, 만약 로봇이 전후방향, 즉 피치방향으로 쓰러지려고 하게 되면, 자세감지센서(50)가 이를 감지하여 상기 제어기(61)에 전달하고, 이 정보에 근거하여 상기 제어기(61)가 허브모터 휠(21)을 기울어지는 반대 방향으로 연속 회전시켜 로봇이 쓰러지지 않고 피치방향 균형을 유지하도록 제어한다.As such, the robot loses its balance due to various factors while the robot is traveling. If the robot tries to fall in the front-back direction, that is, the pitch direction, the attitude sensor 50 detects this and sends it to the controller 61. On the basis of this information, the controller 61 continuously rotates the hub motor wheel 21 in the inclined opposite direction to control the robot to maintain its pitch balance without falling down.

그리고, 로봇이 좌우방향으로 쓰러지려고 하는 경우(물론, 이러한 로봇의 자세에 대한 정보는 자세감지센서(50)에 의해 실시간으로 감지되어 제어기(61)로 전달된다)에는 제어기(61)가 상기 롤방향 제어용 DC모터(41)에 소정의 제어신호를 인가하여 회전바아(42)를 시계방향(도면상 우측방향으로의 회전관성력을 발생시킴) 또는 반시계방향(도면상 좌측방향으로 회전관성력을 발생시킴)으로 고속으로 회전시키고, 이로써 쓰러지는 방향의 반대방향으로 회전관성력이 발생하도록 하여 로봇이 좌우방향으로 쓰러지는 것을 방지한다. And, if the robot is going to fall in the left-right direction (of course, the information about the attitude of the robot is detected in real time by the posture detection sensor 50 is transmitted to the controller 61), the controller 61 is the roll A predetermined control signal is applied to the direction control DC motor 41 to generate the rotation bar 42 in a clockwise direction (generating rotational inertia force in the right direction on the drawing) or counterclockwise (rotational inertial force in the left direction on the drawing). Rotational inertia force in the opposite direction to the falling direction, thereby preventing the robot from falling down in the left and right directions.

이와 같이 상기 로봇은 주행 과정에서 상기 자세감지센서(50)에 의해 제공되는 자세 정보에 따라 상기 허브모터 휠(21)과 회전바아(42)의 회전 방향을 수시로 가변시키면서 로봇의 피치방향 자세 및 롤방향 자세를 안정적으로 제어한다. As described above, the robot may vary the rotational direction of the hub motor wheel 21 and the rotation bar 42 in accordance with the attitude information provided by the attitude sensor 50 during the driving process, and the pitch direction attitude and roll of the robot may be changed. Stable posture control.

한편, 상기 로봇이 주행 중 좌 또는 우 방향으로 방향전환을 수행하고자 할 경우에는, 상기 제어기(61)에서 요방향 제어용 DC모터(31)에 소정의 제어신호를 인가하면, 회전디스크(32)가 수직한 축을 중심으로 좌측방향 또는 우측방향으로 순간적으로 고속 회전하게 되고, 이로 인해 회전관성이 발생하여 로봇 전체가 회전디스크(32)의 회전방향과 동일한 방향으로 회전하여 방향이 전환된다. On the other hand, when the robot intends to change direction in the left or right direction while driving, when the controller 61 applies a predetermined control signal to the yaw control DC motor 31, the rotating disk 32 Rotational inertia is instantaneously rotated at a high speed in the left or right direction about the vertical axis, and thus rotation inertia occurs, and the entire robot is rotated in the same direction as the rotational direction of the rotating disk 32 to switch directions.

상기와 같이 로봇이 주행할 때, 노면과 허브모터 휠(21) 간에 충격이나 외란이 발생하게 되면, 상기 서스펜션 스프링(23)이 이를 흡수하여 로봇이 더욱 안정된 주행과 자세 제어를 수행할 수 있도록 되어 있다. When the robot travels as described above, if an impact or disturbance occurs between the road surface and the hub motor wheel 21, the suspension spring 23 absorbs it so that the robot can perform more stable driving and attitude control. have.

이와 같이, 본 발명의 외바퀴 로봇은 상기 제어기(61)에 미리 입력된 자율 주행 프로그램과 상기 자세감지센서(50)에 의해 감지된 로봇의 자세 정보에 기반하여 상기 허브모터 휠(21)과 롤방향 제어용 DC모터(41) 및 요방향 제어용 DC모터(31)의 작동을 제어하고, 이로써 주행 및 피치방향 자세제어, 롤방향 자세제어, 요방향 전환을 안정적으로 수행할 수 있다. As such, the unidirectional robot of the present invention has the hub motor wheel 21 and the roll direction based on the autonomous driving program input to the controller 61 and the attitude information of the robot sensed by the attitude sensor 50. By controlling the operation of the control DC motor 41 and the yaw direction control DC motor 31, it is possible to stably perform the running and pitch direction attitude control, roll direction attitude control, yaw direction switching.

특히, 본 발명의 외바퀴 로봇은 가장 무거운 허브모터 휠(21)이 로봇의 하단 에 위치하므로 로봇의 전체적인 무게중심이 낮아져 더욱 안정된 주행 성능 및 자세 제어 능력을 제공할 수 있다. In particular, in the unicycle robot of the present invention, since the heaviest hub motor wheel 21 is located at the bottom of the robot, the overall center of gravity of the robot can be lowered to provide more stable driving performance and attitude control capability.

전술한 실시예에 따른 외바퀴 로봇은 로봇의 본체가 개별체로 이루어진 하부프레임(11)과 중간프레임(12) 및 상부프레임(13)으로 이루어지나, 이와 다르게 단일체의 프레임을 사용하여 본체를 구성할 수도 있을 것이다. In the unicycle robot according to the above-described embodiment, the main body of the robot is composed of a lower frame 11, an intermediate frame 12, and an upper frame 13, each of which is made of an individual body. Alternatively, the main body robot may be configured using a single frame. There will be.

그리고, 전술한 실시예의 외바퀴 로봇은 요방향 전환유닛(30)이 롤방향 자세제어유닛(40)의 하측에 구성되지만, 이와 반대로 요방향 전환유닛이 롤방향 자세제어유닛의 상측에 구성될 수도 있을 것이다. In addition, in the unicycle robot of the above-described embodiment, the yaw direction switching unit 30 is configured below the roll direction attitude control unit 40, but on the contrary, the yaw direction switching unit may be configured above the roll direction attitude control unit. will be.

또한, 전술한 실시예의 외바퀴 로봇은 피치방향 주행 및 자세 제어를 위한 피치방향 구동유닛(20)으로서 허브모터를 이용한 허브모터 휠(21)을 적용하고 있지만, 이와 다른 형태의 직접구동모터와 휠을 사용하여 피치방향 구동유닛을 구성할 수 있을 것이다. In addition, although the unicycle robot of the above-described embodiment applies the hub motor wheel 21 using the hub motor as the pitch direction driving unit 20 for the pitch direction driving and attitude control, the direct drive motor and the wheel of the other type are different. It may be used to configure the pitch direction drive unit.

또한, 롤방향 자세제어를 위해 기다란 바아형태의 회전바아(42)를 적용하여 좌우방향으로의 회전관성력을 발생시키고 있으나, 이와 다르게 원반형 디스크 등을 이용하여 회전관성력을 발생시킬 수도 있을 것이다. In addition, although the rotation bar 42 of the elongated bar shape is applied for the roll direction posture control, the rotational inertia force in the left and right directions may be generated. Alternatively, the rotational inertia force may be generated by using a disc or the like.

이외에도 본 발명에 따른 주행 및 자세제어가 가능한 외바퀴 로봇은 본 발명의 청구범위에 기재된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 동일하거나 유사한 균등물을 이용하여 다양하게 변경 및 실시가 가능할 것이다.In addition, the unicycle robot capable of driving and posture control according to the present invention may be variously modified and implemented using the same or similar equivalents within the scope without departing from the technical spirit described in the claims of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 외바퀴 로봇을 개략적으로 나타낸 사시도1 is a perspective view schematically showing a unicycle robot according to an embodiment of the present invention

도 2는 도 1의 외바퀴 로봇의 제어 메커니즘을 개략적으로 나타낸 블록도2 is a block diagram schematically showing a control mechanism of the unicycle robot of FIG.

도 3은 도 1의 외바퀴 로봇의 피치방향 구동유닛의 구성을 개략적으로 나타낸 요부 단면도3 is a cross-sectional view illustrating main parts of the pitch direction driving unit of the unicycle robot of FIG. 1.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

11 : 하부프레임 12 : 중간프레임11: lower frame 12: middle frame

13 : 상부프레임 14 : 연결바아13: upper frame 14: connecting bar

20 : 피치방향 구동유닛 21 : 허브모터 휠20: pitch direction drive unit 21: hub motor wheel

22 : 샤프트 23 : 서스펜션 스프링22: shaft 23: suspension spring

30 : 요방향 전환유닛 31 : 요방향 제어용 DC모터30: yaw direction switching unit 31: DC motor for yaw direction control

32 : 회전디스크 40 : 롤방향 자세제어유닛32: rotating disc 40: roll direction attitude control unit

41 : 롤방향 제어용 DC모터 42 : 회전바아41: DC motor for rolling direction control 42: rotary bar

50 : 자세감지센서 61 : 제어기50: attitude sensor 61: controller

Claims

A main body;

A pitch direction driving unit having one wheel connected to the lower side of the main body and rolling in the front and rear direction along the ground, and controlling the pitch direction movement and posture of the main body by controlling the rotation of the wheel;

A yaw direction switching unit installed at an upper side of the main body to control the left and right direction switching of the main body by using the rotational inertia force generated by the rotational force in the left and right directions;

A roll direction posture control unit installed at an upper side of the main body to maintain a left and right balance of the main body;

A posture detection sensor for detecting a posture of the main body in real time;

And a controller for selectively controlling the pitch direction driving unit, the yaw direction switching unit, and the roll direction attitude control unit according to the attitude information of the robot provided by the attitude detecting sensor.

According to claim 1, The pitch direction drive unit, the shaft is connected to the lower side of the main body to be movable up and down, and as the wheel is rotatably connected to the lower end of the shaft via a horizontal axis, the hub motor is integrally A unicycle robot capable of automatic driving and attitude control, comprising a built-in hub motor wheel.

The stator of claim 2, wherein the hub motor wheel comprises: a stator fixed to the shaft and receiving a control signal from the controller; And an outer rotor rotating by an electromagnetic field formed between the magnet and the magnet, and a tire attached to an outer circumference of the outer rotor to contact the ground.

The unidirectional robot according to claim 2, wherein the pitch direction drive unit further comprises a suspension device that elastically supports the shaft with respect to the main body.

According to claim 1, wherein the yaw direction switching unit, coupled to the vertical axis of the yaw direction control motor and the yaw direction control motor that is fixed to the upper portion of the main body to rotate to selectively rotate in the left or right direction A unicycle robot capable of automatic driving and attitude control, comprising a disk.

The unidirectional robot capable of automatic driving and posture control according to claim 1, wherein the roll direction control unit maintains the left and right balance of the main body by the rotational inertia force selectively generated in the left and right directions.

The main body according to claim 6, wherein the roll direction control unit is axially coupled to a roll direction control motor provided at an upper end of the main body and a horizontal axis extending in the front-rear direction to the roll direction control motor. A unicycle robot capable of automatic driving and attitude control, comprising a rotating bar generating a rotational inertia force in a left direction or a right direction of the.

8. The wheel according to claim 7, wherein the roll direction attitude control unit further comprises a weight installed at both ends of the rotation bar to increase the rotational inertia force of the rotation bar. robot.

The unidirectional robot according to claim 1, wherein the posture detection sensor comprises a gyro sensor or a tilt sensor.

The automatic driving and posture control of claim 1, further comprising a plurality of auxiliary wheels installed at a lower side of the main body to support the robot in an upright state when the robot is stopped. Unicycle robot.

According to claim 1, wherein the main body is a lower frame, an intermediate frame coupled to maintain a predetermined distance from each other by a plurality of connecting bars on the upper side of the lower frame, and the upper frame coupled to the upper side of the upper middle frame Configured;

The yaw direction switching unit is installed between the lower frame and the intermediate frame, the unidirectional robot capable of automatic driving and attitude control, characterized in that the roll direction attitude control unit is installed on the upper frame.

A lower frame;

An intermediate frame coupled to maintain a predetermined distance from each other by a plurality of connection bars on an upper side of the lower frame;

An upper frame coupled perpendicularly to an upper side of the intermediate frame;

The hub is configured to be connected to the lower side of the main body to be movable up and down, and a hub motor wheel rotatably connected to the lower end of the shaft via a horizontal axis, the hub motor is integrally built, the hub A pitch direction driving unit for controlling the pitch direction movement and posture of the robot by controlling rotation of the motor wheel;

A yaw direction switching unit installed between the lower frame and the intermediate frame to control the left and right direction switching of the main body by using the rotational inertia force generated by the rotational force in the left and right directions;

A roll direction posture control unit installed on the upper frame to maintain the left and right balance of the main body by the rotational inertia force generated in the left and right directions;

A posture detection sensor installed on at least one of the lower frame, the middle frame, the upper frame, and a plurality of connection bars to detect a posture of the robot while driving;

The yaw direction switching unit of claim 12, coupled to a vertical axis of the yaw direction control motor and the yaw direction control motor, which are fixedly installed between the lower frame and the intermediate frame. A unidirectional robot capable of automatic driving and posture control, comprising a rotating disk selectively rotating in a direction to generate a rotational inertia force.

The roll direction attitude control unit of claim 12, wherein the roll direction control unit is axially coupled to a roll direction control motor provided at an upper end of the upper frame and a horizontal shaft extending in a front-rear direction to the roll direction control motor. A unidirectional robot capable of automatic driving and attitude control, comprising a rotating bar that generates rotational inertia in the left or right direction of the main body depending on the direction.