KR20100038861A - 전방향 바퀴 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구름운동하게 되는 바퀴에 관련되는 기술이며 보다 구체적으로는 방향전환이 자유롭도록 하나의 바퀴가 다수개의 내측롤러와 외측롤러의 조합으로 이루어지는 전방향 바퀴로서, 허브 주위로 다수의 연결부재가 결합되며 상기 각 연결부재들을 이용하여 내측롤러와 외측롤러가 차례대로 형성되도록 구성되는 전방향 바퀴에 있어서, 상기 내측롤러와 외측롤러는 구름운동 되도록 상기 연결부재와 샤프트로 결합되되, 상기 샤프트에 대해 베어링을 매개로 연결되며 외주면에는 연속 또는 단속적인 제1요철부가 형성되는 스포터와; 상기 제1요철부와 반대로 형성되는 제2요철부가 구비되어 상기 스포터 외주면에 결합되어 지면과 접촉하게 되는 타이어;로 구성되어 슬립방지 및 진동감소의 효과를 제공할 수 있는 전방향 바퀴에 관한 것이다.

전방향 바퀴, 로봇, 자주식, 내측롤러, 외측롤러, 연결부재, 우레탄, 스포터, 타이어

Description

전방향 바퀴{OMNI-DIRECTIONAL WHEEL}

본 발명은 구름운동하게 되는 바퀴에 관련되는 기술이며 보다 구체적으로는 방향전환이 자유롭도록 하나의 바퀴가 다수개의 내측롤러와 외측롤러의 조합으로 이루어지는 전방향 바퀴에 관련되는 것이다.

인류의 획기적인 발명품 중의 하나로 회전되는 바퀴를 들 수 있을 것이며, 이러한 바퀴는 여전히 각종 산업분야에서 사용되고 있다. 점차 바퀴의 구조, 재질 등이 개선되면서 내구성이 높고 우수한 특성을 갖는 바퀴들이 출현 되고 있다.

새로운 미래산업으로 로봇산업은 어떠한 타 산업보다도 주목을 받고 있으며 이미 여러 선진국에서는 인간과 대화를 나누며 보행이 가능한 로봇들도 소개되고 있다.

특히, 산업현장에서는 각종 로봇이 인간의 노동력을 대체하여 복잡한 조립작업이나 용접 등 다양한 목적으로 활용이 되고 있다. 하지만 알려진 대부분의 산업용 로봇들은 주어진 프로그램에 따라 고정된 자리에서 반복적인 조립작업등을 하고 있다.

본 발명은 특히 스스로 이동할 수 있는 로봇 등에 적용되는 전방향 바퀴에 관련되는 것이며, 상기 전방향 바퀴는 이미 여러 종류가 알려져 있다.

대표적으로 대한민국 특허등록번호 418427호의 "수동롤러를 갖는 전방향 바퀴"(이하, 종래기술이라 한다)가 있으며, 상기 기술에서 언급되는 종래기술로는 유니버설 휠 메커니즘, 메카눔 휠, 더블 휠, 얼터네이트 휠, 하프 휠 등이 소개되고 있다. 도1은 종래기술에 따른 전방향 바퀴의 부분 단면도를 보여준다.

알려진 전방향 바퀴에 있어서 해결했어야 했던 주요한 관심사는 이동 중 진동을 감소시킬 수 있도록 바퀴를 구성하는 것이었다. 상기 종래기술에서도 진동을 감소시키고자 내측롤러와 외측롤러의 사이에 간격이 없도록 연속적인 바깥 원주를 형성시키도록 하고 있다. 한편 상기 내측롤러와 외측롤러는 간격이 없도록 형성되므로 경계부에서는 상호 선접촉을 이루게 된다. 하지만 상기 내측롤러와 외측롤러가 각각의 회전축을 중심으로 회전할 때 상호간에 선접촉하는 포인트는 각 회전축에서의 거리가 다르므로 선속도가 회전축에서의 반지름에 비례하게 된다. 따라서 내측롤러와 외측롤러의 접촉부분에서의 선속도 차이로 인해 상호간에 슬립이 발생하게 되는 문제점이 있었다.

또한, 상기 종래기술의 경우 제조상의 편의를 고려하여 탄성부재인 우레탄(본 발명의 타이어에 상당함)의 가운데 부분은 두껍고 점차 양단으로 갈수록 두께가 얇아지는 형상을 갖는 것으로 하고 있다. 이러한 형상의 우레탄을 갖춘 내측롤러와 외측롤러는 회전할 경우 지면과 접촉되는 우레탄의 두께가 지속적으로 변화하므로 주기적인 진동을 더욱 야기한다는 문제점도 있었다.

그리고 종래기술에서의 내측롤러와 외측롤러는 매끈한 실린더의 외면에 탄성 부재로서 우레탄이 결합되어 있으므로 하중이 작용하는 상태에서 회전시에는 실린더와 우레탄 간에 미세한 슬립이 발생 된다는 문제점도 있었다.

따라서 본 발명에서는 전방향바퀴로서 진동을 최소화할 수 있는 구조를 갖는 내측롤러와 외측롤러를 제공하고자 하며, 동시에 내측롤러와 외측롤러 상호간에 슬립이 발생되거나 내측롤러 또는 외측롤러를 구성하는 타이어가 스포터에 대해 슬립되는 현상을 방지할 수 있는 특성을 갖는 전방향 바퀴를 제공하고자 한다.

제시한 바와 같은 과제 달성을 위한 본 발명은, 허브 주위로 다수의 연결부재가 결합되며 상기 각 연결부재들을 이용하여 내측롤러와 외측롤러가 차례대로 형성되도록 구성되는 전방향 바퀴에 있어서, 상기 내측롤러와 외측롤러는 구름운동 되도록 상기 연결부재와 샤프트로 결합되되, 상기 샤프트에 대해 베어링을 매개로 연결되며 외주면에는 연속 또는 단속적인 제1요철부가 형성되는 스포터와; 상기 제1요철부와 반대로 형성되는 제2요철부가 구비되어 상기 스포터 외주면에 결합되어 지면과 접촉하게 되는 타이어;로 구성되는 것을 특징으로 하는 전방향 바퀴를 제안한다.

바람직하게 상기 타이어는 내경면과 외경면이 가상적인 동심원상을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 전방향 바퀴를 제안한다.

바람직하게 상기 외측롤러는 스포터의 측면 경사부 각도는 타이어의 측면 경사부 각도보다 큰 각을 형성하여 내측롤러의 타이어와 외측롤러의 타이어간 간격을 최소화시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 전방향 바퀴를 제안한다.

더욱 바람직하게 내측롤러의 설치를 위한 샤프트는 연결부재의 좌우측면에 돌출되는 결합단에 삽입되는 중공원통체로서 볼트로서 연결부재와 고정설치되며, 그 외주면에 베어링이 결합되어 내측롤러가 설치되도록 함을 특징으로 하는 전방향 바퀴를 제안한다.

본 발명에 의한 전방향 바퀴는 이웃하는 내측롤러와 외측롤러간 슬립이 발생되지 않는다는 효과가 있으며, 내측롤러 및 외측롤러를 이루는 타이어와 스포터 사이에서의 슬립발생 문제도 해결할 수 있다.

그리고 본 발명의 전방향 바퀴를 구성하는 내측롤러와 외측롤러의 타이어는 전체에 걸쳐 균일한 두께를 이루고 있어 중심부와 양단부간 타이어의 두께 차이로 인해 야기될 수 있는 진동 문제를 해결할 수 있다는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 의한 전방향 바퀴에 대해 보다 상세한 설명을 하기로 하며 본 발명의 기술적 사상에 대한 이해를 돕기 위한 수단으로 첨부되는 관련도면을 참조하기로 한다. 단, 제시되는 도면들은 실시 가능한 하나의 예를 보여주는 것임을 지적한다.

도2는 전방향 바퀴의 바람직한 실시예에 대한 부분 절개 단면도이며, 도3은 연결부재의 확대 단면도이고, 도4는 상기 연결부재에 대한 부분 절개 사시도에 해당된다. 도5는 외측롤러의 주요부를 보여주는 확대 단면도이다.

본 발명에 따른 전방향 바퀴는 기본적으로 하나의 허브(H)를 가지며 상기 허브 주위로 다수의 연결부재(C)가 일정한 간격을 유지하면서 결합된다. 상기 연결부재(C)를 이용하여 내측롤러(100) 및 외측롤러(200)가 회전될 수 있도록 연결시켜 전방향 바퀴를 구성하게 된다.

상기 연결부재(C)는 대략 전체적으로 Y 자와 같은 형상을 이루며 이웃하는 연결부재 사이에 외측롤러(200)가 설치되고 상기 각 연결부재(C)의 상단부에 수평한 방향으로 하나씩의 내측롤러(100)가 결합된다. 즉, 상기 연결부재(C)에 샤프트(S)를 설치하고 상기 샤프트에 내측롤러(100)와 외측롤러(200)를 설치하게 되는 것이다.

내측롤러(100)의 설치를 위한 샤프트(S)는 도시된 바와 같이 길다란 봉상부재로서 연결부재(C)의 상단부에 샤프트를 설치하도록 한다. 구분을 위해 내측롤러(100)의 설치를 위한 샤프트(S)를 제1샤프트(S1)라 하며, 외측롤러(200)의 설치를 위한 샤프트를 제2샤프트(S2)라 한다.

상기 연결부재(C) 상단부에 제1샤프트(S1)를 설치하되 상기 제1샤프트(S1)에 대해 내측롤러(100)가 회전될 수 있도록 연결하여야 한다. 이를 위해 상기 제1샤프트(S1)에 베어링(B)을 결합시키고 상기 베어링 외면에 내측롤러(100)를 결합하도록 한다.

한편, 상기 연결부재(C)의 좌우 측면은 이웃하는 타 연결부재의 좌우 측면과 접촉되는데 이 부위를 이용하여 외측롤러(200)를 설치하게 된다. 보다 구체적으로 각 연결부재(C)의 좌우 측면에는 도면과 같이 돌출되는 결합단(C1)이 형성되며, 이웃하는 연결부재(C)는 상기 결합단(C1)끼리 접촉하는 형태로 결합이 된다. 상기 결합단(C1)에 외측롤러(200)의 설치를 위한 샤프트(S)로서 제2샤프트(S2)가 설치되는데, 상기 제1샤프트(S1)와 달리 제2샤프트(S2)는 내부가 빈 중공원통체로서 제1샤프트(S1)에 비교하여 매우 짧은 것으로 한다. 상기 제2샤프트(S2)의 내경면으로 결합단(C1)이 끼워지게 되며 어느 일측 연결부재(C)에 대해 볼트(A)를 이용하여 고정 설치된다. 상기 제2샤프트(S2)의 외주면으로 베어링(B)이 결합되며 상기 베어링에는 외측롤러(200)가 설치되어 회전이 이루어질 수 있는 구조를 이루게 되는 것이다.

상술한 바와 같이 내측롤러(100)와 외측롤러(200)는 연결부재(C)에 대해 샤프트(S) 및 베어링(B)을 매개로 하여 회전가능하도록 결합이 되며, 보다 구체적으로 상기 내측롤러(100)와 외측롤러(200)는 스포터(110,210)와 타이어(120,220)로 구성된다. 즉, 내측롤러(100)와 외측롤러(200)는 동일한 구성요소로 이루어지되 그 형상에 있어 차이를 갖게 된다.

특히, 본 발명에 있어서 상기 스포터(110,210)는 그 외주면에 연속적으로 혹은 단속적으로 함몰되는 제1요철부(G1)가 갖추어진다. 제1요철부(G1)의 위치나 갯수는 필요에 맞게 다양하게 변화를 줄 수 있는 것이다.

한편, 상기 스포터(110,210)의 외주면에는 타이어(120,220)가 결합되는데 상기 타이어(120,220)의 내경면에는 상기 제1요철부(G1)와 반대로 제2요철부(G2)가 형성된다. 상기 타이어(120,220)는 우레탄과 같은 소재로서 제작하는 것이 바람직하다. 상기 스포터(110,210)와 타이어(120,220)에 형성되는 제1요철부(G1)와 제2요철부(G2)가 상호 이가 맞도록 하여 조립하면 내측롤러(100) 또는 외측롤러(200)가 형성된다.

바람직하게 상기 타이어(120,220)는 종래기술과 달리 내경면과 외경면이 가상적인 동심원상을 따라 형성되는 것으로 하여 중심부와 양단부간 두께 차이가 없도록 구성함이 적합하다. 타이어의 위치에 따른 두께 차이가 있게 되면 지면과의 접촉시에 주기적인 진동이 유발될 수 있으므로 본 발명에서는 타이어의 전체적인 두께를 동일하도록 한다.

한편, 더욱 바람직하게 상기 외측롤러(200)의 경우에는 스포터(210)의 측면 경사부 각도와 타이어(220)의 측면 경사부 각도를 달리하는 것으로 한다. 도시된 바와 같이 스포터(210)의 측면 경사부 각도는 타이어(220)의 측면 경사부 각도보다 큰 각을 형성하도록 하여 이웃하는 내측롤러(100)의 타이어(120)와의 간격을 최소화시킬 수 있도록 한다.

즉, 본 발명에서는 내측롤러와 외측롤러의 타이어간 간격을 두어 슬립이 발생되지 않도록 하되 지면과의 접촉시에는 진동을 줄일 수 있도록 하기 위해 외측롤러의 타이어의 측면 경사부를 완만하게 하여 이웃하는 내측롤러의 타이어와의 간격을 최소화하도록 하는 것이다.

본 발명에 따른 전방향 바퀴는 각종 로봇 특히 인공지능을 갖춘 자주식 로봇의 이동을 위한 이동수단으로 활용이 될 수 있으며, 도6은 본 발명에 따른 전방향 바퀴를 적용한 하나의 예를 보여주는 개략적인 저면도에 해당된다. 자주식 로봇 의 하부면에 본 발명에 의한 전방향 바퀴(W)를 등간격으로 3개를 배치하도록 하고 각각 구동모터(M)를 구비하게 된다. 각 전방향 바퀴는 개별적인 모터와 연결되어 회전되므로 이들 모터의 동작을 제어하여 로봇이 어떠한 방향으로도 자유롭게 이동될 수 있도록 구현할 수 있다.

본 발명에 의한 전방향 바퀴는 종래의 기술과 달리 이웃하는 내측롤러와 외측롤러간 슬립을 줄일 수 있고, 타이어와 스포터간 슬립을 방지하고 동시에 진동을 더욱 감소시킬 수 있어 자주식 이동 로봇분야에 널리 적용될 것으로 기대되는 기술이다.

도1은 종래기술에 따른 전방향 바퀴의 부분 단면도.

도2는 전방향 바퀴의 바람직한 실시예에 대한 부분 절개 단면도.

도3은 연결부재의 확대 단면도.

도4는 상기 연결부재에 대한 부분 절개 사시도.

도5는 외측롤러의 주요부를 보여주는 확대 단면도.

도6은 본 발명에 따른 전방향 바퀴를 적용한 하나의 예를 보여주는 개략적인 저면도.

<도면에 사용된 주요부호에 대한 설명>

100 : 내측롤러 200 : 외측롤러

110,210 : 스포터 120,220 : 타이어

H : 허브 C : 연결부재

C1 : 결합단 S : 샤프트

S1 : 제1샤프트 S2 : 제2샤프트

B : 베어링 A : 볼트

W : 전방향바퀴 M : 구동모터

Claims (4)

1. 허브 주위로 다수의 연결부재가 결합되며 상기 각 연결부재들을 이용하여 내측롤러와 외측롤러가 차례대로 형성되도록 구성되는 전방향 바퀴에 있어서,

   상기 내측롤러와 외측롤러는 구름운동 되도록 상기 연결부재와 샤프트로 결합되되,

   상기 샤프트에 대해 베어링을 매개로 연결되며 외주면에는 연속 또는 단속적인 제1요철부가 형성되는 스포터와;

   상기 제1요철부와 반대로 형성되는 제2요철부가 구비되어 상기 스포터 외주면에 결합되어 지면과 접촉하게 되는 타이어;로 구성되는 것을 특징으로 하는 전방향 바퀴.
2. 제1항에 있어서,

   상기 타이어는,

   내경면과 외경면이 가상적인 동심원상을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 전방향 바퀴.
3. 제2항에 있어서,

   상기 외측롤러는,

   스포터의 측면 경사부 각도는 타이어의 측면 경사부 각도보다 큰 각을 형성 하여 내측롤러의 타이어와 외측롤러의 타이어간 간격을 최소화시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 전방향 바퀴.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,

   내측롤러의 설치를 위한 샤프트는,

   연결부재의 좌우측면에 돌출되는 결합단에 삽입되는 중공원통체로서 볼트로서 연결부재와 고정설치되며, 그 외주면에 베어링이 결합되어 내측롤러가 설치되도록 함을 특징으로 하는 전방향 바퀴.

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