KR20090091258A - 이동시 자동 자세제어 기능을 가진 종방향 2륜형 전동스쿠터 - Google Patents

Abstract

본 고안은 이동을 위한 모터가 장착된 구동바퀴가 탑승체의 전후방에 위치하고, 방향전환을 위한 방향 전환장치, 방향과 속도를 제어하기 위한 핸들장치, 그리고 탑승체의 착석을 위한 좌석공간, 스쿠터의 이동형 수납을 위한 수납장치 등으로 구성되어 지며, 구동용 바퀴 사이에는 충전용 배터리가 설치되어지고, 탑승자의 조작에 따라 몸체의 이동 및 중심을 잡기 위한 전자제어장치를 탑재하고, 상기 핸들장치에는 탑승체의 안전을 위한 와어이식 디스크 브레이크 구동 장치가 설치되어 있고, 탑승자는 상기 핸들장치의 가속 장치 조작으로 이동을 명령할 수 있고, 이때 이동중 방향 전환장치가 수시로 좌우로 움직이며 탑승체의 중심을 잡기 위해 동작하고, 동시에 방향전환을 위한 동작도 수행이 가능하며, 이는 기존의 좌우에 구동바퀴가 장착된 세그웨이의 방식과 구분되는 구조이며, 본 고안의 내용에 따라 브레이크 장치가 강제 구동되어도 탑승체의 안전이 보장되는 장점을 가졌으며, 모든 방향에 걸쳐 방향전환이 가능한 형태의 구성을 지닌 2륜 전동 스쿠터 장치이다.

스쿠터, 자동 자세제어, 2륜형 스쿠터

Description

이동시 자동 자세제어 기능을 가진 종방향 2륜형 전동 스쿠터 {A 2-wheel electric scooter with automatic stability control method on moving }

본 발명은 2륜형 직립식 전동 스쿠터의 대표적인 좌우륜 구동 방식의 단점인 급정지와 회전시 발생할 수 있는 관성 등의 영향을 전후륜식 구조를 도입함으로서 안전사고에 대한 문제를 해결할 수 있으며, 기존의 자전거와 같은 형태를 갖으므로 더욱 친근감을 갖고 탑승할 수 있으며, 전기모터를 사용하여 친환경적인 제품으로서 더욱 그 효용성이 높다고 하겠다. 전 후륜을 구동하여 전진과 후진을 제어하고 또한 탑승체의 직립을 도와주도록 하는 구동 모터[도3의 7]의 제어기술, 탑승체의 기울어짐을 감지할 수 있는 센서와 [도3]의 20,21부분에 위치한 탑승체의 기울어진 각도와 방향을 측정하는 센서의 데이터에 따라 구동 모터의 구동바퀴의 상단에서 진행 방향을 제어하는 조향용 모터와 탑승체가 쓰러지지 않도록 적절한 속도와 위치를 제어할 수 있는 구동용 모터의 제어기술 등이 포함된다.

직립식 전동스쿠터의 대명사인 세그웨이는 본체 내에 내장한 다수의 자세 제어용 자이로센서로부터 전송받은 기울어짐 양에 따라 속도를 제어하고 직립성을 유지한다. 이러한 자세 제어 기술은 학술적으로 흔히 시행하는 도립진자(펜들럼) 제 어에서 유래하며, 여기에 탑승체라는 부하(load)를 추가한 것으로 간주하면 된다. 이렇게 제어하기 위하여 DC 모터등의 제어기술이 필요하며, 본체의 기울어짐을 측정할 수 있는 센서제어기술이 추가로 요구된다. 이러한 정밀 제어기술은 구현과정이 어렵고 까다로운 편이며, 이를 일반 탑승자가 사용하는 이동수단으로서 사용하기 위하여 수많은 검증과정과 안정성 검사를 해야 할 것이다.

[세그웨이는 무게와 성능에 따라 다양한 종류가 있다. 한 사람이 서서 타며 전기 충전 배터리에 의해 움직인다. 배터리 사용 시간은 2~6시간이다. 평균속도 시속 13㎞, 최고 시속 19㎞이며, 24㎞ 거리까지 달릴 수 있다. 바퀴는 2개이고 센서가 탑승자의 무게중심 이동을 100분의 1초 단위로 측정해 방향과 속도를 결정한다.

특히 오뚝이 처럼 균형 메커니즘을 이용해 탑승자가 넘어지지 않도록 제작되었고, 몸을 앞뒤로 기울이기만 하면 자동으로 앞뒤로 나아가거나 방향전환이 되고 정지할 수 있기 때문에 브레이크가 필요없다. 일반용인 29㎏짜리는 2002년 말부터 개당 3,000달러 정도에 판매되었다.] (두산백과사전)

본 발명은 [도2],[도6]등에서 보는 바와 같이 전후 종방향 일렬로 배치된 두개의 구동 바퀴와 구동바퀴 상단에 위치한 구동모터의 방향을 제어하는 모터 부분을 가진 구조로 이루어져 있으며, 이를 적절히 제어함으로써 탑승체가 전복되지 않고 균형을 유지하며 원하는 방향으로 진행하도록 하는 구조와 제어장치를 구비한 전기 동력 스쿠터에 관한 것이다. 이렇게 종으로 배치된 2개의 구동 바퀴를 각각의 바퀴에 장착된 구동 모터와 방향 전환을 위한 모터를 제어하여 탑승체가 쓰러지지 않고 균형을 유지하며 다양한 방향으로 진행이 가능하다.

본 고안과 비교되는 기존에 알려진 스쿠터는 전기적인 동력으로 몸체를 균형을 유지하며 탑승자가 무게 중심을 이동함으로써 그 균형을 유지하며 진행하는 형태이다. 이미 국외에서 발표된 세그웨이는 스스로 중심을 잡는 방식을 도입하였으며,이를 이용해 근거리 이동수단으로 획기적인 발명을 거듭하였으나, 고가인 점과 지형적인 제약, 그리고 브레이크가 장착되어 있지 않아 안전사고의 위험을 가진점 등 그 실용성에 있어 의문점이 제시되어 왔고, 상당한 시간이 지난 이 시점에서도 그 수요량은 미비하다.

이는 상기한 기존 제품의 획기적인 발명에도 불구하고 쉽게 접근하지 못하는 것은 고가인점 외에 생소한 형태를 가진 이동 방식이라는 것과 안전성에 대한 문제 가 제기 될 수도 있다는 점일 것이다.

상기한 제품은 갑자기 정지해야 하는 급박한 상황의 경우에도, 전후방으로의 진행을 위해 몸을 뒤로 움직이며 중심을 이동시켜 정지하는 방식이므로 여기에 브레이크등의 장치를 설치해 적용한다면 탑승자가 전방으로 이탈되는 형태를 가질수 밖에 없고, 실제로 브레이크 시스템을 적용하지 못하고 있다. 일례로 네덜란드에서는 세그웨이가 브레이크를 장착하지 않은 운송수단이므로 도로를 주행할 수 없다고 발표하고 경찰은 단속까지 하고 있다고 한다.

이러한 문제점은 절대적인 안전성이 보장되야 할 개인 이동장비로서는 크게 부족하다고 하겠다.

따라서 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 고안의 목적은 [도2],[도3],[도4]에서 보는 바와 같이 구동을 위하여 사용되는 구동축을 앞뒤로 위치하여 일반적인 자전거와 같은 배치를 이루게 하며, 조작을 위한 핸들장치에 위치한 브레이크[도4의 10] 시스템을 사용하여 정지를 위한 동작을 할 수 있다. 이러한 구조속에서 본 고안이 제시했던 바와 같이 스쿠터의 이동 중 중심을 잡기 위해 동작하는[도7]에서와 같이 2개의 조향용 모터[도2의 5][도3의 5]제어 장치가 스쿠터와 탑승체의 무게 중심의 이동과 탑승체가 조작함에 따라 진행하고자 하는 방향에 반응하 여 적절히 회전함으로써 무게 중심을 잃지 않고 진행할 수 있도록 하는 구조와 제어장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 스쿠터의 이동에 필요한 모터의 속도를 제어하고 이와 함께 조향을 위한 장치의 회전 각도를 제어할 수 있어야 하며, 이는 탑승체의 방향제어를 위한 명령값과 비교하여 적절한 제어가 필요하다. 따라서 탑승체의 기울어짐을 측정할 수 있는 구조와 센서입력 장치를 구비해야 하며, 탑승체가 원하는 진행방향을 알 수 있도록 하는 방향제어 입력 장치, 그리고 이러한 입력장치를 데이터를 처리하여 구동부의 속도와 회전 방향, 조향부의 회전각도를 상황에 맞게 제어할 수 있도록 하는 제어장치를 가진 구조로 구성되어야 할 것이다.

본 발명에서 사용되는 스쿠터의 이동용 구동모터로는 DC모터를 사용하며, 회전각도를 결정하는 조향용 모터도 DC모터를 사용한다. 스쿠터의 조작을 위해 준비된 핸들[도2의 1][도4의 1]이 회전하는 지지 부분에는 속도를 결정하는 각도센서가 부착되어 있고, [도4]의 10과 같이 브레이크를 잡을 수 있는 핸드브레이크 레버가 존재하고, 탑승체의 균형을 유지하기 위하여 가속도 센서를 통하여 탑승체와 스쿠터의 기울어짐을 측정하며 모터의 제어장치(모터 컨트롤러)와 사용자 조작을 전체적으로 제어하는 고속 디지털 시그널 프로세서(DSP)를 사용하여 탑승체의 안전을 보장하고 이동을 원할히 할 수 있도록 한다.

탑승자가 좌석 전방에 위치한 방향 조작 레버를 전진 방향으로 이동하게 되면 본 발명에서 제안한 스쿠터는 전진을 하게 된다. 조작레버의 기울어짐 양을 측정하여 속도를 높이고 낮출 수 있으며, 정지를 하게 되면 구동모터 상단에 장착된 조향모터가 탑승체의 전방에 대해 수직인 방향 즉 좌우방향으로 회전하여 무게 중심을 잡고 제자리에 정지한다. 이러한 동작은 스쿠터의 속도가 0에 가까울때 해야 하며, 그전에 탑승자가 브레이크를 사용하게 되면, 자세 제어 모드가 해제되며, 탑승자는 일반 자전거와 동일하게 다리를 사용하여 쓰러지지 않도록 지지해야 한다. 다시 탑승자가 전방으로 무게 중심을 이동하면 조향용 모터가 전진 방향으로 바퀴를 조정하며, 전진방향에 가까워 지면 구동모터가 동작하기 시작하여 속도를 높이게 된다.

그림에서 보는 바와 같이 탑승체는 언제든 안전사고에 대비하여 브레이크를 사용하여 제동할 수 있으며, 이때 스쿠터의 구동 모터의 제어는 풀어지며, 브레이크에 의해 정지 할 수 있다.

본 발명에서 제안한 스쿠터는 [도2],[도3],[도4]와 같은 구조를 가지며, 정지시에는 [도5]와 같이 조향용 모터는 탑승자와 직각인 방향으로 바퀴를 향하게 제 어하고, 구동용 모터는 탑승체가 쓰러지지 않도록 본체에 장착된 각속도센서와 자이로 센서의 데이터를 분석하여 [도5]의 13과 같이 구동모터를 좌우로 적절히 제어하게 되며, 전진시에는 조향용 모터를 빠르게 전진 방향으로 제어하여, [도6]과 같이 진행할 수 있도록 한다. 이때 조향용 모터의 초기 방향전환 위치는 탑승체의 무게 중심이 쏠린 방향으로 시작하여 탑승체의 중심을 잡은 후에 전진방향과 평행한 방향으로 제어하여 진행하도록 제어하며, 이때의 조향모터는 가능한 빠른 속도로 제어하여 탑승체가 안정되게 전진할 수 있도록 하고, 일단 전진방향으로 진행한 후 방향 전환을 위해서는 [도7]과 같이 탑승체와 조작핸들과 좌석을 전환하고자 하는 방향으로 이동시켜 스쿠터의 [도10]의 제어기에 센서값을 전달하고, 이 센서의 데이터를 처리하여 조향 모터의 각도를 제어한다. 또한 스쿠터 전체가 쓰러지려는 경우는 [도8]의 16과 같이 쓰러지는 방향으로 조향모터를 제어하여 진행하도록 하고, 일정시간 주행하여 탑승체의 중심이 잡히게 되면 17과 같이 다시 전방으로 조향 모터를 제어하며, 원래 진행 궤적으로 돌아오기 위해서는 18과 같이 다시 방향을 전환하고 19에서 처럼 전진방향으로 재진행하면 된다. 총 4개의 DC모터를 제어하기 위해 [도9]에서와 같이 고성능 DSP 프로세서를 사용하여 정밀 각도 제어 및 센서데이터 처리를 하게 되고, 어느 순간에라도 브레이크가 작동하게 되면 구동모터의 제어를 차단하여 언제는 정지할 수 있도록 한다. 브레이크가 잡히지 않은 상황에서 조작핸들을 정지 방향으로 위치시키면 구동 모터를 제어하여 속도를 줄인 후 무게 중심을 유지하기 위해 빠른 속도로 조향용 모터를 제어하여 자세 제어 형태로 돌아가도록 한다. [도2]의 9는 각종 모터 및 센서를 구동하기 위한 배터리와 제어기가 장착된 제어 모듈 박스이며, [도2]의 12는 바퀴에 장착된 디스크 브레이크이며, [도2]의 4는 탑승자의 안정감을 위해 충격감쇠장치를 나타내었고, [도4]의 11은 발을 얹기 위한 장치이다.

[도1] 은 본 발명이 제안한 스쿠터의 블록도

[도2] 은 본 발명이 제안한 스쿠터의 전진상태에서의 측면 구조도

[도3] 은 본 발명이 제안한 스쿠터의 정지상태에서의 측면 구조도

[도4] 은 본 발명이 제안한 스쿠터의 전진상태에서의 정면 구조도

[도5] 은 본 발명이 제안한 스쿠터의 정지 상태에서 스쿠터의 모습과 구동바퀴의 정렬 형태

[도6] 은 본 발명이 제안한 스쿠터의 전진 상태에서의 모습과 구동바퀴의 정렬형태

[도7] 은 본 발명이 제안한 스쿠터의 방향 전환 상태에서의 바퀴의 모습과 탑승체의 모습

[도8] 은 본 발명이 제안한 스쿠터가 이동중 쓰러질려는 상태에서의 구동 모터의 방향과 궤적 형태를 표시한 그림

[도9] 은 본 발명이 제안한 스쿠터의 모터와 센서를 제어하기 위한 주 제어장치의 회로도 그림

[도10] 은 본 발명이 제안한 스쿠터의 모터를 구동 시키기 위한 파워 앰프 회로도 그림

Claims (4)

1. 종방향 2륜형 이동장치의 이동 중 자세 제어를 위해 탑승체의 기울어짐을 측정하고 그 방향으로 조향모터를 제어하고 구동모터를 구동하여 진행 방향으로 진행하며 탑승체가 쓰러지지 않고 전후진을 할수 있도록 하는 제어방법 및 제어장치
2. 청구항 1에서 제시한 제어방법 및 제어장치를 구비한 전동 스쿠터
3. 종방향 2륜의 형태를 지닌 스쿠터로서 이동중 자세제어를 위하여 조향 및 구동 모터를 제어하고, 이로써 탑승체가 쓰러지지 않고 원하는 방향으로 진행 하도록 하는 제어 방법 및 제어장치
4. 청구항 3에서 제시한 제어방법 및 제어장치를 구비한 전동 스쿠터

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