KR20110088827A - Self-stabilized vehicle having three wheels - Google Patents

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KR20110088827A
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김미애
정찬규
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김미애
정찬규
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Abstract

PURPOSE: A self-stabilizing three-wheeled vehicle is provided to keep balanced using an auxiliary wheel without a high-price sensor and a control mechanism. CONSTITUTION: A self-stabilizing three-wheeled vehicle comprises a chassis part(100), a steering part(200), a driving part(300), a stage adjusting part, a control part, and a power supply part. The chassis part comprises a stage(120) which is coupled to a hinge located on the upper front side of a platform and equipped with a retractable guide plate on the bottom and one or more auxiliary wheels(130) installed on the rear lower side of the platform. The steering part comprises a T-shaped steering handle(210) which is fixed to the underside of the chassis part in the front of the hinge, a torque sensor which is installed in the steering handle in order to sense the lateral steering force applied to the steering handle, and a moment sensor which is installed at the joint of the chassis part and the steering handle in order to sense the moment applied in the longitudinal direction of the steering handle. The driving part comprises two DC motors which are respectively fixed to both sides of the internal space of the chassis part and a pair of drive wheels(320) which are driven with the power transmitted from the DC motors. The stage adjusting part comprises a ball screw which is coupled to the underside of the chassis part, a drive motor which rotates the ball screw forward and reversely, and a guide block which is coupled to the ball screw and equipped with a roller contacting the guide plate. The control part comprises a microprocessor which independently drives the two DC motors according to signals of the torque sensor and the moment sensor and controls the drive motor in order to make the stage horizontal to the gravity direction. The power supply part includes a battery which supplies power to the steering part, the driving part, the stage adjusting part, and the control part.

Description

삼륜 자가균형 이동차{Self-stabilized vehicle having three wheels}Self-stabilized vehicle having three wheels}

본 발명은 자가균형 이동차에 관한 것으로서, 특히 탑승자의 전후방향의 체중이동과 좌우로 가하는 약간의 조향력에 의해 직관적으로 운전된다는 모바일 역진자의 장점은 그대로 가지면서도 고가의 센서와 제어기구를 배제한 채 보조휠에 의해 자가균형 이동차가 정적으로도 균형상태를 유지할 수 있도록 함으로써 주행 안정성 및 가격 경쟁력을 크게 제고하는 동시에, 자가균형 이동차가 경사로를 주행하는 동안에도 탑승자는 중력방향에 대하여 항상 수평을 유지하도록 함으로써 탑승자의 안정성과 편의성을 극대화한 삼륜 자가균형 이동차에 관한 것이다.The present invention relates to a self-balancing mobile vehicle, and in particular, the mobile reverse pendulum, which is intuitively driven by the weight movement in the front and rear direction of the occupant and a slight steering force applied to the left and right, is left as it is, but without the expensive sensors and control mechanisms. The wheels allow the self-balancing vehicle to remain statically balanced, greatly improving driving stability and price competitiveness, while also ensuring that the occupant is always horizontal to the direction of gravity even while the self-balancing vehicle is driving down the ramp. The present invention relates to a three-wheel self-balancing vehicle that maximizes the stability and convenience of the occupant.

최근 에너지 고갈 및 환경오염이 사회적 문제로 대두되고 있는 가운데 자동차의 연소방식, 연료공급방식, 배기가스처리 등 친환경 엔진 개발 및 성능 향상을 위한 노력이 많이 이루어지고 있다. 하지만 기존의 운송수단은 연료, 특히 화석연료를 사용하기 때문에 언제나 환경에 대한 규제가 적용되기 마련이다. 이에 최근에는 연료 절약형으로 하이브리드 자동차에 이에 연료전지를 탑재한 자동차 및 전기자동차가 상용화되고 있다. 그러나 이런 새로운 타입의 운송수단은 정부의 보조금이 없다면 화석연료를 사용하는 기존의 자동차와 상업적으로 경쟁하기가 어려울 정도로 높은 가격을 형성하고 있다. 특히 연료전지를 탑재한 자동차와 전기자동차는 완충에 필요한 시간이 길고, 충전을 위한 인프라가 아직 미성숙 단계에 있으며, 일 회 완충에 의해 주행할 수 있는 거리에서도 경쟁력이 떨어져 제한적인 용도로 사용될 뿐이어서 아직은 널리 보급되기에 좀 더 시간이 필요한 실정이다. 아울러 시간이 갈수록 심화되는 교통체증 문제로 인해 많은 국가에서는 도로가 포화상태에 이르고 있다. 이에 가격이 저렴하고 편리하게 이용할 수 있는 대체 운송수단으로 자전거를 많이 이용하고 있으나, 모든 사람에게 운전이 용이하지 않고, 오르막길이 많은 거리를 운행하거나, 장거리 이동시에는 신체적 피로가 누적되어 이동 거리에 있어 어느 정도 제한을 받게 된다.Recently, energy depletion and environmental pollution have emerged as social issues, and efforts have been made to develop and improve eco-friendly engines such as combustion, fuel supply, and exhaust gas treatment of automobiles. However, because existing vehicles use fuels, especially fossil fuels, environmental regulations are always applied. Recently, fuel-saving hybrid vehicles and electric vehicles equipped with fuel cells have been commercialized. However, this new type of transportation is priced so high that it would be difficult to commercially compete with existing cars using fossil fuels without government subsidies. In particular, fuel cell-powered cars and electric vehicles have a long time to fully charge, the infrastructure for charging is still immature, and they are used for limited use because they are not competitive in the distance that can be driven by a single charge. It still needs more time to be widespread. In addition, roads are becoming saturated in many countries due to the increasing traffic jams over time. The bicycles are used as an alternative means of transportation that are inexpensive and easy to use, but they are not easy to drive to all people, and the roads are driven uphill or physical fatigue is accumulated when traveling long distances. There will be some restrictions.

이러한 문제들을 해결하기 위한 하나의 대안으로서, 2001년 미국의 발명가 딘 카멘(Dean Kamen)은 자전거를 대신할 차세대 운송수단인 세그웨이(Segway)를 상업화하기 시작하였다. 세그웨이는 지금까지의 모바일 운송수단의 상식을 벗어난 이동수단으로서, 자전거의 구조와는 달리 양 옆으로 부착된 두 개의 바퀴만으로도 오뚝이처럼 스스로 균형을 잡으며 넘어지지 않고 주행할 수 있다는 특징이 있다. 또한 브레이크나 가속 페달 없이 사람의 신체 기울임으로 전후 방향의 주행이 가능하기 때문에 탑승자는 마치 걷는 것과 매우 유사한 느낌의 중심이동으로 운전하게 된다. 이러한 세그웨이는 성능이 우수하여 미국의 나사(NASA)를 포함한 많은 연구기관에서 모바일 플랫폼으로 사용되고 있는 실정이다. 하지만 다수의 고가 센서와 마이크로 프로세서를 사용하므로 가격이 비싸다는 단점으로 인해 대중적으로 사용하기에는 아직 어려움이 있다. 이에 따라 저가의 상용화된 센서를 이용하는 동시에 신호처리를 통해 센서의 성능을 향상시키고, 고급 제어기인 신경망 제어기를 이용하여 시스템의 안정성을 높이는 연구가 속속 진행되고 있다.As an alternative to solving these problems, in 2001, American inventor Dean Kamen began commercializing Segway, the next-generation vehicle to replace a bicycle. Segway is a movement beyond the common sense of the mobile transportation so far, unlike the structure of the bicycle, the two wheels attached to both sides of the self-balanced like a tower and can be driven without falling. In addition, since the vehicle can be moved forward and backward by tilting the body without brake or accelerator pedal, the occupant is driven by the center movement of feeling very similar to walking. The Segway is excellent in performance and is being used as a mobile platform in many research institutes including NASA in the United States. However, due to the high cost of using many expensive sensors and microprocessors, it is still difficult to use them publicly. Accordingly, research is being conducted to improve the performance of the sensor through signal processing and to improve the stability of the system by using a neural network controller, which is an advanced controller.

한편 상용화된 세그웨이의 기본적인 원리를 설명한다면, 세그웨이는 기본적으로 모바일 역진자(Mobile inverted pendulum) 로봇의 일종으로 볼 수 있다. 즉 정적으로는 불균형하지만 동적으로는 균형을 이루는 움직이는 역진자 로봇이면서 운송수단으로 사용되는 것이다. 이하에서는 세그웨이가 상품명임을 고려해 이를 모바일 역진자로 칭하여 설명한다.Segway is basically a kind of mobile inverted pendulum robot. In other words, it is a moving inverted pendulum robot that is statically imbalanced but dynamically balanced. Hereinafter, considering that Segway is a brand name, it will be described as a mobile reverse pendulum.

모바일 역진자는 마주보는 두 개의 직류모터로 각각 구동되는 한 쌍의 바퀴로 플랫폼의 균형잡기 및 이동을 하는데, 각각의 모터에는 인코더가 부착되어 실시간으로 위치를 측정하게 된다. 또한 자이로 센서와 기울기 센서를 이용하여 플랫폼의 각도를 측정할 수 있다. 자이로 센서는 근본적으로 각속도를 측정하는 것이기 때문에, 측정된 각속도를 마이크로프로세서를 통하여 실시간으로 적분하면 기울기 정보를 알 수 있다. 그러나 자이로 센서는 시간이 지남에 따라 양자화, 온도, A/D 변환 등의 요인에 의해 누적오차가 발생하므로, 자이로 센서만에 의하여 모바일 역진자의 수평유지를 제어하면 초기에는 균형이 잘 잡힌 채 오뚝이처럼 서 있지만, 시간이 지남에 따라 늘어나는 자이로 센서의 누적오차에 의해 점차적으로 한쪽 방향으로 기울어지게 된다. 이에 반해 기울기 센서는 내부구조가 액체 또는 스프링 형태로 되어 있어 외부의 작은 충격에도 가속도 성분이 더해져 외란에 민감하게 반응하기 때문에 실질적인 기울기 값을 획득하기에는 다소 어려운 점이 많지만, 기울기 센서는 지구의 중력에 대해 절대적인 기울기 값을 측정할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 역진자 모바일은 자이로 센서와 기울기 센서를 상호 융합하여 실시간 자이로 센서의 누적오차를 보상하여 안정적으로 모바일 역진자를 제어한다.The mobile reverse pendulum balances and moves the platform with a pair of wheels, each driven by two opposing DC motors. Each motor is attached to an encoder to measure its position in real time. Gyro and tilt sensors can also be used to measure the angle of the platform. Since the gyro sensor essentially measures the angular velocity, the slope information can be obtained by integrating the measured angular velocity in real time through a microprocessor. However, since the gyro sensor accumulates errors due to factors such as quantization, temperature, and A / D conversion over time, if the horizontal maintenance of the mobile reverse pendulum is controlled by the gyro sensor alone, However, due to the cumulative error of the gyro sensor that increases over time, it is gradually inclined in one direction. On the other hand, the tilt sensor is a liquid or spring type internal structure, the acceleration component is added to the external shock and sensitive to disturbance, so it is often difficult to obtain the actual tilt value, but the tilt sensor is absolute to the gravity of the earth. The advantage is that the slope value can be measured. Therefore, the inverted pendulum mobile controls the mobile inverted pendulum stably by compensating the gyro sensor and the tilt sensor to compensate for the accumulated error of the real-time gyro sensor.

이러한 모바일 역진자는 동적인 균형(Dynamic stabilization)을 맞추는 기술을 적용하여 양쪽에 부착된 두 개의 바퀴만으로도 넘어지지 않고 주행할 수 있다. 인간의 귓속 달팽이관이 기울어짐을 감지하듯이 자이로 센서와 기울기 센서, 그리고 소프트웨어와의 조합으로 실시간에 기울어짐을 인식하고 직류모터를 제어하여 스스로 균형을 잡는다. 가속장치나 제동장치는 따로 없으며, 사람이 모바일 역진자에 올라탄 채 몸을 앞으로 기울이면 전진하게 되고, 똑바로 서면 정지하고, 뒤로 몸을 기울이면 후진하게 된다. 또한 탑승자가 잡은 핸들을 좌우로 틀면 이에 따라 방향을 전환할 수 있다. 양옆으로 마주보는 두 개의 바퀴가 독립적으로 구동되기 때문에 정지해 있을 때에는 제자리에서 360°회전도 가능하다.These mobile reverse pendulums use dynamic stabilization technology to allow the two wheels to run without falling. As human cochlea detects tilt, the combination of gyro sensor, tilt sensor and software recognizes tilt in real time and balances DC motor by controlling DC motor. There are no accelerators or brakes, and when a person is in a mobile reverse pendulum, he tilts forward and moves forward, stops straight, and backwards backwards. In addition, by turning the steering wheel of the occupant to the left and right, the direction can be switched accordingly. Two wheels facing each other are driven independently, allowing 360 ° rotation in place when stationary.

이처럼 혁신적인 개념을 가진 모바일 역진자는 새로운 운송수단으로서 많은 각광을 받고 있으며, 세계적으로 많은 연구자가 이를 좀더 대중화시키기 위한 노력을 경주하고 있다. 이러한 노력은 한편으로는 앞서 언급한 바와 같이 제어에 관련된 부품의 개수를 줄이고 소프트웨어적으로 보다 정교하게 제어함으로써 가격을 낮추기 위한 방향으로 나가기도 하고, 다른 한편으로는 기구학적인 개선을 통하여 탑승자가 보다 편안하게 운전할 수 있으면서도 보다 오랫동안 구동될 수 있도록 개선하는 등 여러 가지 관점에서 진행되고 있다.The mobile reverse pendulum with this innovative concept is gaining a lot of attention as a new means of transportation, and many researchers around the world are trying to make it more popular. This effort, on the one hand, reduces the number of components involved in the control and moves towards lower prices by more precise control in software, and on the other hand, the kinematic improvements make the passenger more comfortable. It is being progressed from various points of view, such as being able to drive a car and improving it for a longer time.

하지만 모바일 역진자는 탑승자의 전후방향의 체중이동과 좌우로 가하는 약간의 조향력에 의해 운전되기 때문에 매우 직관적인 운전이 가능하다는 장점을 가지지만, 기본적으로 동적으로는 균형상태에 있을지라도 정적으로는 불균형상태에 있기 때문에 제어부에 오류가 생기는 경우에는 탑승자가 부상을 당할 가능성이 내재되어 있다. 또한 고가의 센서와 고속 실시간 연산이 가능한 마이크로프로세서가 탑재되어야 하기 때문에 가격이 비싸다는 점은 여전히 모바일 역진자의 접근성을 제한하는 요인으로 남아 있다.However, the mobile reverse pendulum has the advantage of being very intuitive because it is driven by the weight movement of the occupant in the front and rear and slight steering force applied to the left and right, but it is statically imbalanced even though it is basically balanced dynamically. In the event of an error in the control unit, there is an inherent possibility of injury to the occupant. In addition, the high price still remains a factor limiting the accessibility of the mobile reverse pendulum due to the need for expensive sensors and microprocessors capable of high-speed real-time operation.

아울러 모바일 역진자는 기본적으로 지면과 평행하게 플랫폼의 기울기를 유지하는데, 이러한 특성은 평지에서는 관계없지만 경사로에서는 탑승자가 자세를 유지하는데 불편함을 초래한다. 즉 모바일 역진자는 탑승자가 서 있는 상태에서 전후로 기울이는 무게중심의 이동에 따라 전진과 후진을 하는데, 오르막 경사에서는 탑승자가 상당히 앞으로 몸을 기울여야만 전진이 가능하기 때문에 발목 부분에 상당한 긴장이 생기게 되고, 내리막 경사에서의 앞으로 기울어진 자세는 돌발적인 상황에 대처하기 어렵게 만들 뿐만 아니라 심리적인 불안감을 일어나게 한다.In addition, the mobile reverse pendulum basically maintains the platform's inclination parallel to the ground. This characteristic is irrelevant on the flat, but it causes inconvenience for the occupant to maintain the posture on the slope. In other words, the mobile reverse pendulum moves forward and backward according to the movement of the center of gravity tilted forward and backward while the occupant is standing. On the uphill slope, since the occupant must lean forward, forward movement is possible, which causes considerable tension on the ankle. Forward leaning on the slope not only makes it difficult to cope with sudden situations, but also causes psychological anxiety.

본 발명은 탑승자의 전후방향의 체중이동과 좌우로 가하는 약간의 조향력에 의해 직관적으로 운전된다는 모바일 역진자의 장점은 그대로 가지면서도 고가의 센서와 제어기구를 배제한 채 보조휠에 의해 자가균형 이동차가 정적으로도 균형상태를 유지할 수 있도록 함으로써 주행 안정성 및 가격 경쟁력이 크게 제고된 삼륜 자가균형 이동차를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention has the advantages of the mobile reverse pendulum, which is intuitively driven by the weight movement of the occupant in the front and rear and slight steering force applied to the left and right, but the self-balancing vehicle is statically controlled by the auxiliary wheel without the costly sensor and control mechanism. It is an object of the present invention to provide a three-wheeled self-balancing vehicle with improved driving stability and price competitiveness by maintaining a balanced state.

또한 본 발명은 자가균형 이동차가 경사로를 주행하는 동안에도 탑승자는 중력방향에 대하여 항상 수평을 이루는 자세를 유지하도록 함으로써 탑승자의 안정성과 편의성이 극대화된 삼륜 자가균형 이동차를 제공하는 것을 또 하나의 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a three-wheeled self-balancing vehicle that maximizes the stability and convenience of the occupant by allowing the occupant to maintain a posture that is always horizontal with respect to the gravity direction even while the self-balancing vehicle is traveling on a slope. It is done.

본 발명에 따른 삼륜 자가균형 이동차는, 자가균형 이동차의 플랫폼을 이루며, 상기 플랫폼의 전방 상면에 위치한 고정힌지에 회동가능하게 결합되고 하부에는 돌출길이가 선형적으로 변하는 가이드 플레이트가 구비된 발판과, 상기 플랫폼 후방 하면에 장착된 적어도 하나 이상의 보조휠을 포함하는 샤시부;와, 상기 고정힌지의 전방으로 상기 샤시부의 하면에 고정된 T-자형의 조향핸들과, 상기 조향핸들에 가해지는 좌우방향의 조향력을 감지하도록 상기 조향핸들에 설치된 토크 센서와, 상기 조향핸들의 전후방향으로 가해지는 모멘트를 감지하도록 상기 조향핸들과 상기 샤시부의 연결부위에 설치된 모멘트 센서를 포함하는 조향부;와, 상기 샤시부의 내부공간의 양 측면에 각각 고정된 두 개의 직류모터와, 상기 직류모터로부터 동력을 전달받아 구동되는 한 쌍의 구동휠을 포함하는 구동부;와, 상기 샤시부의 하면에 회전가능하게 고정된 볼 스크류와, 상기 볼 스크류를 정역회전시키는 구동모터와, 상기 볼 스크류에 나사결합되어 상기 볼 스크류의 회전에 따라 전후방향으로 병진이송되고 상기 가이드 플레이트에 접하는 롤러가 장착된 가이드 블록을 포함하는 발판가변부;와, 상기 조향핸들에 가해지는 힘의 크기와 방향을 상기 토크 센서와 모멘트 센서로부터 입력되는 신호로 판단한 후 상기 두 개의 직류모터를 독립적으로 구동하여 상기 샤시부의 전후좌우 및 회전운동을 제어하고, 상기 샤시부에 고정된 기울기 센서로부터 입력되는 신호로 상기 샤시부가 지면에 대하여 이루는 경사각을 판단한 후 상기 구동모터를 제어하여 상기 발판이 중력방향에 대하여 수평을 이루도록 제어하는 마이크로프로세서를 포함하는 제어부; 및 상기 조향부, 구동부, 발판가변부 및 제어부에 전원을 공급하는 배터리를 포함하는 전원부를 포함한다.The three-wheel self-balancing vehicle according to the present invention forms a platform of the self-balancing vehicle, and is provided with a scaffold having a guide plate that is rotatably coupled to a fixed hinge located at a front upper surface of the platform and a protrusion length is linearly changed at a lower portion thereof. A chassis having at least one auxiliary wheel mounted to the rear surface of the platform; and a T-shaped steering wheel fixed to the lower surface of the chassis in front of the fixed hinge; and a left and right direction applied to the steering handle. A steering part including a torque sensor installed at the steering wheel to detect steering force of the steering wheel, and a moment sensor installed at a connection portion of the steering wheel and the chassis part to sense a moment applied to the front and rear directions of the steering wheel; and the chassis Two DC motors fixed to both sides of the negative inner space, and receives power from the DC motor A driving part including a pair of driving wheels moving together; a ball screw rotatably fixed to a lower surface of the chassis; a driving motor for forward and reverse rotation of the ball screw; and screwed to the ball screw. A footrest variable portion including a guide block having translation rollers transversely moved forward and backward according to rotation and contacting the guide plate, and the magnitude and direction of the force applied to the steering wheel are input from the torque sensor and the moment sensor. After judging by a signal, the two DC motors are independently driven to control the front, rear, right, left, and rotational movements of the chassis, and the tilt angle formed by the chassis with respect to the ground is determined by a signal input from a tilt sensor fixed to the chassis. My to control the drive motor so that the scaffold is horizontal with respect to the direction of gravity A control unit including a croprocessor; And a power supply unit including a battery for supplying power to the steering unit, the driving unit, the scaffold variable unit, and the control unit.

이때 상기 가이드 플레이트가 발판의 평면과 이루는 각도가 φ이고, 상기 샤시부가 지면에 대하여 이루는 각도가 θ2일 때, 상기 가이드 플레이트 돌출의 시작점을 기준으로 하는 상기 롤러의 회전중심의 거리(X)가 b/tan(θ1)으로 정해지는 위치에 있도록 상기 제어부가 상기 구동모터를 제어한다 (여기서 b는 롤러의 회전중심이 거리 X에 있을 때의 가이드 플레이트의 돌출길이이고, θ1=φ-θ2임).At this time, when the angle of the guide plate and the plane of the scaffold is φ and the angle of the chassis to the ground is θ 2 , the distance (X) of the center of rotation of the roller relative to the starting point of the protrusion of the guide plate is The control unit controls the drive motor to be at a position defined by b / tan (θ 1 ) (where b is the protruding length of the guide plate when the center of rotation of the roller is at a distance X, and θ 1 = φ-θ 2 ).

본 발명의 실시예에서 상기 가이드 플레이트는 상기 고정힌지에 인접한 위치로부터 시작하여 1차함수에 따라 선형적으로 증가하는 돌출길이를 가진다.In the embodiment of the present invention, the guide plate has a protruding length that increases linearly with the first function starting from the position adjacent to the fixed hinge.

아울러 상기 가이드 블록의 롤러가 상기 가이드 플레이트의 중간 영역에 있을 때 상기 발판이 중력방향에 대하여 수평을 이루는 것이 바람직하다.Further, when the roller of the guide block is in the middle region of the guide plate, it is preferable that the scaffold is horizontal with respect to the direction of gravity.

그리고 상기 가이드 플레이트의 말단에는 상기 롤러의 이동을 제한하는 스토퍼가 더 구비될 수 있다.And the end of the guide plate may be further provided with a stopper for limiting the movement of the roller.

한편 상기 보조휠은 하나가 구비되고, 상기 하나의 보조휠은 상기 구동휠과 이등변삼각형을 이루도록 배치될 수 있다.Meanwhile, one auxiliary wheel may be provided, and one auxiliary wheel may be disposed to form an isosceles triangle with the driving wheel.

또한 상기 보조휠은 상기 샤시부의 이동방향을 따라 자유롭게 회전할 수 있도록 구성될 수도 있다.In addition, the auxiliary wheel may be configured to rotate freely along the moving direction of the chassis.

본 발명의 실시예에서 상기 직류모터로부터 상기 구동휠에 전달되는 동력은 2단의 풀리-벨트에 의하여 감속되어 전달된다.In an embodiment of the present invention, the power transmitted from the DC motor to the driving wheel is decelerated and transmitted by two stage pulley-belts.

그리고 상기 전원부는 상기 직류모터의 후방에 배치되는 것이 바람직하다.The power supply unit is preferably disposed at the rear of the DC motor.

또한 상기 가이드 블록은 상기 전원부에 오프 신호가 입력되면 상기 발판이 중력방향에 대하여 수평을 이루는 위치로 이동한다.In addition, the guide block is moved to a position where the scaffold is horizontal to the direction of gravity when the off signal is input to the power supply.

한편 본 발명의 실시예에서 상기 토크 센서는 휘트스톤 브리지를 이루는 4개의 스트레인 게이지가 상기 조향핸들의 외면을 따라 90°간격으로 상기 조향핸들의 조향축에 대해 45°각도의 지그재그를 이루도록 배치된다.Meanwhile, in the embodiment of the present invention, the torque sensor is arranged such that four strain gauges forming a Wheatstone bridge form a zigzag of 45 ° with respect to the steering shaft of the steering wheel at 90 ° intervals along the outer surface of the steering wheel.

그리고 상기 모멘트 센서는 상기 샤시부의 전후방향을 따라 상기 조향핸들을 사이에 두고 대향하는 한 쌍의 스트레인 게이지로 이루어진다.The moment sensor includes a pair of strain gauges facing each other with the steering wheel in the front and rear directions of the chassis.

여기서 상기 제어부는 상기 토크 센서로 감지된 조향력의 크기와 방향에 따라 상기 두 개 구동모터 각각의 구동력을 독립적으로 제어한다.The control unit independently controls the driving force of each of the two driving motors according to the magnitude and direction of the steering force detected by the torque sensor.

또한 상기 제어부는 상기 모멘트 센서로 감지된 힘의 크기에 비례하여 상기 구동모터의 구동력을 제어한다.In addition, the controller controls the driving force of the driving motor in proportion to the magnitude of the force detected by the moment sensor.

본 발명에 따른 삼륜 자가균형 이동차는 탑승자의 전후방향의 체중이동과 좌우로 가하는 약간의 조향력에 의해 직관적으로 운전된다는 모바일 역진자의 장점은 그대로 가지면서도 고가의 센서와 제어기구를 배제한 채 보조휠에 의해 자가균형 이동차가 정적으로도 균형상태를 유지할 수 있기 때문에 주행 안정성 및 가격 경쟁력이 크게 제고된다는 이점이 있다.The three-wheel self-balancing vehicle according to the present invention has the advantage of the mobile reverse pendulum that is intuitively driven by the weight movement in the front and rear direction of the occupant and the slight steering force applied to the left and right, but without the expensive sensor and control mechanism by the auxiliary wheel Since the self-balancing vehicle can be statically balanced, driving stability and price competitiveness are greatly improved.

특히 본 발명에 따른 삼륜 자가균형 이동차는 경사로를 주행하는 동안에도 탑승자가 서 있는 발판만은 중력방향에 대하여 항상 수평을 유지하도록 제어되기 때문에 탑승자의 안정성과 편의성이 극대화된다는 장점을 가진다.In particular, the three-wheel self-balancing vehicle according to the present invention has the advantage that the stability of the occupant is maximized because only the foothold on which the occupant stands is controlled to always be horizontal with respect to the direction of gravity even while driving the ramp.

도 1은 본 발명에 따른 삼륜 자가균형 이동차의 전체적인 모습을 보여주는 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 삼륜 자가균형 이동차에서 발판을 분리한 상태를 보여주는 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 삼륜 자가균형 이동차의 샤시부 내부의 모습을 보여주는 사시도.
도 4는 도 3에 도시된 삼륜 자가균형 이동차의 구동부의 모습을 자세하게 보여주는 사시도.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명에 따른 삼륜 자가균형 이동차가 주행하는 중에 경사로를 만났을 때 발판의 경사도가 가변되는 모습을 보여주는 도면.
도 6은 발판가변부의 작동원리를 설명하기 위한 개념도.
도 7은 본 발명에 따른 삼륜 자가균형 이동차의 조향부에 포함된 토크 센서의 설치구조를 보여주는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 삼륜 자가균형 이동차의 조향부에 포함된 모멘트 센서의 설치구조를 보여주는 도면.1 is a perspective view showing the overall appearance of a three-wheel self-balancing vehicle according to the present invention.
2 is a perspective view showing a state in which the footrest is separated from the three-wheel self-balancing vehicle shown in FIG.
Figure 3 is a perspective view showing the inside of the chassis of the three-wheel self-balancing vehicle according to the present invention.
4 is a perspective view showing in detail the state of the drive unit of the three-wheel self-balancing mobile vehicle shown in FIG.
Figures 5a to 5b is a view showing a state in which the inclination of the footrest is variable when meeting the ramp while driving the three-wheel self-balancing mobile vehicle according to the present invention.
6 is a conceptual diagram for explaining the operation principle of the scaffold variable portion.
7 is a view showing the installation structure of the torque sensor included in the steering portion of the three-wheel self-balancing vehicle according to the present invention.
8 is a view showing the installation structure of the moment sensor included in the steering portion of the three-wheel self-balancing vehicle according to the present invention.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 삼륜 자가균형 이동차의 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 일실시예를 설명함에 있어서 당업자라면 자명하게 이해할 수 있는 공지의 구성에 대한 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않도록 생략될 것이다. 또한 도면을 참조할 때에는 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있음을 고려하여야 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the three-wheel self-balancing vehicle according to the present invention. In the description of one embodiment of the present invention, descriptions of well-known configurations that will be obvious to those skilled in the art will be omitted so as not to obscure the subject matter of the present invention. In addition, when referring to the drawings, it should be considered that the thickness of the lines or the size of the components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of description.

한편 본 발명의 일실시예를 설명하며 사용된 전후, 좌우, 상하 등의 상대적인 위치와 방향을 지시하는 용어는 본 발명이 운송수단인 삼륜 자가균형 이동차에 관한 것임을 고려하여 탑승자의 시점을 기준으로 하여 설명될 것이다. 다만 이러한 상대적인 위치의 정의는 발명의 본질적인 부분에는 변경이 없이 이와 동등한 배치로 변경될 수도 있음을 유념해야 한다.Meanwhile, terms used to describe one embodiment of the present invention and to indicate relative positions and directions such as front, rear, left and right, used up and down based on the viewpoint of the occupant considering that the present invention relates to a three-wheel self-balancing vehicle, which is a vehicle. Will be explained. It should be noted, however, that such definitions of relative positions may be altered in an equivalent arrangement without changing the essential parts of the invention.

아울러 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능 또는 형상을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions or shapes in the present invention, which may vary according to the intention or custom of a user or an operator. Therefore, the definitions of these terms should be interpreted based on the contents throughout the specification.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 삼륜 자가균형 이동차(10)는 크게 이동차(10)의 몸체인 플랫폼을 이루고 각종 장치가 장착되는 샤시부(100)와, 탑승자가 조향핸들(210)에 가하는 전후좌우 방향의 힘을 감지하여 이동차(10)의 운동을 제어할 수 있도록 하는 조향부(200)와, 이동차(10)에 추진력을 제공하는 구동부(300)와, 이동차(10)에 장착된 각종 장치의 동작을 제어하는 제어부(500) 및 전원공급을 위한 배터리(610)가 구비된 전원부(600)를 포함하며, 특히 본 발명은 탑승자가 선 자세로 올라타는 발판(120)의 수평을 유지시키는 발판가변부(400)를 포함한다.As shown in Figures 1 to 4, the three-wheel self-balancing mobile vehicle 10 according to the present invention constitutes a platform that is largely the body of the mobile vehicle 10, the chassis 100 and the various devices are mounted, the occupant A steering unit 200 for controlling the movement of the vehicle 10 by sensing force in the front, rear, left, and right directions applied to the steering wheel 210, and a driving unit 300 for providing driving force to the vehicle 10; In addition, the control unit 500 for controlling the operation of the various devices mounted on the vehicle 10 and the power supply unit 600 is provided with a battery 610 for supplying power, in particular the present invention the occupant in a standing posture The scaffold 120 includes a scaffold variable portion 400 to maintain the horizontal level.

샤시부(100)는 자가균형 이동차(10)의 플랫폼을 이루는데, 플랫폼의 전방 상면에는 고정힌지(110)에 회동가능하게 결합되어 피봇운동을 할 수 있는 발판(120)이 구비된다. 발판(120)은 이동차(10)에 올라 탄 사람이 딛고 서 있는 부분으로서, 그 하부에는 돌출길이가 선형적으로 변하는 가이드 플레이트(122)가 구비되어 있다.Chassis unit 100 forms a platform of the self-balancing moving vehicle 10, the front upper surface of the platform is provided with a footrest 120 that can be pivotally coupled to the fixed hinge 110 to pivot. The footrest 120 is a part on which the person who rides on the moving vehicle 10 stands, and the lower part of the footrest 120 is provided with a guide plate 122 having a protruding length linearly.

그리고 플랫폼 후방 하면에는 적어도 하나 이상의 보조휠(130)이 장착된다. 보조휠(130)은 이동차(10)의 측면에 서로 마주보도록 구비되는 구동휠(320)과 협력하여 이동차(10)의 균형을 잡아주기 위한 것이다. 따라서 보조휠(130) 자체에는 구동력이 없으며, 구동휠(320)의 움직임에 따라 자유롭게 회전한다. 한편 상기 보조휠(130)이 하나가 구비되는 경우에는 보조휠(130)이 구동휠(320)과 이등변삼각형을 이루도록 배치하여 균형이 잘 잡히도록 하고, 또한 보조휠(130)은 샤시부(100)의 이동방향을 따라 지면에 대해 시계방향 또는 반시계방향으로 자유롭게 회전할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.And at least one auxiliary wheel 130 is mounted on the lower rear surface of the platform. The auxiliary wheel 130 cooperates with the driving wheel 320 provided to face each other on the side of the vehicle 10 to balance the vehicle 10. Therefore, the auxiliary wheel 130 does not have a driving force itself, and rotates freely according to the movement of the driving wheel 320. Meanwhile, when the auxiliary wheel 130 is provided with one, the auxiliary wheel 130 is disposed to form an isosceles triangle with the driving wheel 320 so that the balance is well balanced, and the auxiliary wheel 130 is provided with the chassis 100. It is preferably configured to be able to rotate freely clockwise or counterclockwise with respect to the ground along the direction of movement.

조향부(200)는 고정힌지(110)의 전방에 위치하고 샤시부(100)의 하면에 고정된 T-자형의 조향핸들(210)을 포함한다. 탑승자는 조향핸들(210)에 힘을 가하여 이동차(10)가 원하는 방향과 속도로 운전되도록 조종하게 되는데, 조향핸들(210)에는 이러한 탑승자의 의도를 파악하기 위한 두 개의 센서가 장착된다. 이러한 두 개의 센서는 모두 기본적으로 스트레인 게이지를 이용하는 것인데, 조향핸들(210) 자체는 움직이지 않게 고정되어 있고 다만 스트레인 게이지로 측정되는 변형률에 따라 조향핸들(210)에 가해지는 힘과 토크를 측정하게 된다.The steering unit 200 includes a T-shaped steering wheel 210 positioned in front of the fixed hinge 110 and fixed to the lower surface of the chassis unit 100. The occupant is steered to apply the force to the steering wheel 210 to drive the vehicle 10 to drive in the desired direction and speed, the steering wheel 210 is equipped with two sensors to determine the intention of such a passenger. Both of these sensors basically use a strain gauge, but the steering wheel 210 itself is immovably fixed, but only to measure the force and torque applied to the steering wheel 210 according to the strain measured by the strain gauge. do.

여기서 두 개의 센서 중 하나는 조향핸들(210)에 가해지는 좌우방향의 조향력을 감지하도록 조향핸들(210)에 설치된 토크 센서(220)다. 도 7은 본 발명에 적용된 토크 센서(220)를 개략적으로 보여준다. 토크 센서(220)는 휘트스톤 브리지를 이루는 4개의 스트레인 게이지(222)가 조향핸들(210)의 외면을 따라 90°간격으로 조향핸들(210)의 조향축에 대해 45°각도의 지그재그를 이루도록 배치된다. 이와 같이 4개의 스트레인 게이지(222)가 배치되면, 서로 대향하는 2개의 스트레인 게이지는 쌍을 이루어 한 쌍(예를 들면, 1/3 스트레인 게이지)은 순수한 압축력을 나머지 한 쌍은 순수한 인장력(예를 들면, 2/4 스트레인 게이지)을 받게 된다. 휘트스톤 브리지 회로는 인장·압축 상태의 스트레인 게이지(222) 사이의 값 차이에 따라 비틀림 토크의 크기와 방향을 감지하게 된다.Here, one of the two sensors is a torque sensor 220 installed in the steering wheel 210 to detect the steering force in the left and right directions applied to the steering wheel 210. 7 schematically shows a torque sensor 220 applied to the present invention. The torque sensor 220 is arranged such that four strain gauges 222 forming a Wheatstone bridge form a zigzag of 45 ° with respect to the steering axis of the steering wheel 210 at 90 ° intervals along the outer surface of the steering wheel 210. do. When four strain gauges 222 are arranged in this manner, two opposing strain gauges are paired so that a pair (for example, 1/3 strain gauge) has a pure compressive force and the other pair has a pure tensile force (for example, For example, 2/4 strain gage). The Wheatstone bridge circuit senses the magnitude and direction of the torsional torque in accordance with the difference in value between the strain gauges 222 in the tension and compression state.

그리고 나머지 하나의 센서는 조향핸들(210)의 전후방향으로 가해지는 모멘트를 감지하도록 조향핸들(210)과 샤시부(100)의 연결부위에 설치된 모멘트 센서(230)이다. 도 8에 도시된 것처럼, 모멘트 센서(230)는 샤시부(100)의 전후방향을 따라 조향핸들(210)을 사이에 두고 대향하는 한 쌍의 스트레인 게이지(232)로 이루어져 있다. 따라서 조향핸들(210)에 전후방향의 힘이 가해지면 스트레인 게이지(232)는 서로 인장/압축 상태에 놓이게 되고, 이때의 값의 차이를 이용하여 모멘트의 방향과 크기를 측정하게 된다.The other sensor is a moment sensor 230 installed at a connection portion between the steering wheel 210 and the chassis 100 to sense the moment applied in the front-rear direction of the steering wheel 210. As illustrated in FIG. 8, the moment sensor 230 includes a pair of strain gauges 232 facing each other with the steering wheel 210 interposed in the front-rear direction of the chassis 100. Therefore, when the force in the front and rear direction is applied to the steering wheel 210, the strain gauges 232 are placed in the tension / compression state with each other, by using the difference in the value to measure the direction and magnitude of the moment.

구동부(300)는 샤시부(100)의 내부공간의 양 측면에 각각 고정된 두 개의 직류모터(310)와, 직류모터(310)로부터 동력을 전달받아 각각 독립적으로 구동되는 한 쌍의 구동휠(320)을 포함한다. 직류모터(310)는 전원부(600)에 구비된 배터리(610)로부터 직류전원을 공급받아 정역회전되는데, 충분한 구동력을 얻을 수 있도록 직류모터(310)의 회전이 감속된 후 구동휠(320)에 전달되는 것이 바람직하다. 본 발명의 실시예에서 이러한 감속기구는 2단의 풀리-벨트(330) 타입으로 구성되었다. 여기서 2단의 풀리-벨트(330)의 각 단을 이루는 벨트는 아이들 롤러(Idle-roller)에 의해 장력이 조절되는 것이 바람직하다.The driving unit 300 includes two DC motors 310 fixed to both sides of the inner space of the chassis unit 100 and a pair of driving wheels driven independently from each other by receiving power from the DC motor 310. 320). The DC motor 310 is supplied with DC power from the battery 610 included in the power supply unit 600, and is rotated forward and backward. After the rotation of the DC motor 310 is decelerated to obtain sufficient driving force, the driving wheel 320 is applied to the DC motor 310. It is preferred to be delivered. In the embodiment of the present invention, such a reduction mechanism is composed of a two-stage pulley-belt 330 type. Here, the belt forming each stage of the two-stage pulley-belt 330 is preferably tensioned by the idle roller (Idle-roller).

한편 발판가변부(400)는 고정힌지(110)를 기준으로 피봇운동을 하는 발판(120)의 경사도를 가변시키는 구성요소이다. 발판가변부(400)는 샤시부(100)의 하면에 회전가능하게 고정된 볼 스크류(410)와, 볼 스크류(410)를 정역회전시키는 구동모터(420)와, 볼 스크류(410)에 나사결합되어 볼 스크류(410)의 회전에 따라 전후방향으로 병진이송되고 발판(120)의 아래로 돌출된 가이드 플레이트(122)에 접하는 롤러(432)가 장착된 가이드 블록(430)을 포함한다. 이러한 구성을 갖는 발판가변부(400)에 의해 발판(120)의 경사도가 가변되는 원리가 도 5a 내지 도 5b에 나타나 있다.On the other hand, the footrest variable unit 400 is a component that changes the inclination of the footrest 120 to the pivoting movement relative to the fixed hinge (110). The footrest variable unit 400 includes a ball screw 410 rotatably fixed to the lower surface of the chassis 100, a drive motor 420 for rotating the ball screw 410 forward and backward, and a screw to the ball screw 410. The guide block 430 is coupled to the roller 432 in contact with the guide plate 122 protruding in the forward and backward direction as the ball screw 410 rotates and protrudes down the footrest 120. The principle in which the inclination of the footrest 120 is varied by the footrest variable unit 400 having such a configuration is shown in FIGS. 5A to 5B.

도 5a는 평지를 주행할 때를, 도 5b와 도 5c는 각각 오르막길과 내리막길을 주행할 때의 상태를 보여준다. 도 5a에 도시된 것처럼 가이드 블록(430)의 롤러(432)가 가이드 플레이트(122)의 중간 영역에 있을 때 발판(120)이 중력방향에 대하여 수평을 이루고 있다면(이 상태를 중립상태라 칭한다), 가이드 블록(430)이 중립상태로부터 벗어나 전후방향으로 이송되면 발판(120)의 경사가 가변된다(도 5b 및 도 5c 참조). 이는 가이드 플레이트(122)의 돌출길이가 선형적으로 변하는 형상을 가지기 때문이며, 본 발명의 실시예에서는 탑승자의 체중이 가해진 발판(120)을 보다 작은 동력으로도 쉽게 상승시킬 수 있도록 고정힌지(110)를 기준으로 하여 후방으로 갈수록 가이드 플레이트(122)의 돌출길이가 증가되도록 하였다. 이러한 구성에 의하면 중립상태에서 가이드 블록(430)이 후진하면 발판(120)이 상승하고, 전진하면 발판(120)이 하강된다.FIG. 5A shows a state when driving on a flat surface, and FIGS. 5B and 5C show a state when driving uphill and downhill, respectively. If the scaffold 120 is horizontal with respect to the gravity direction when the roller 432 of the guide block 430 is in the middle region of the guide plate 122 as shown in FIG. 5A (this state is called a neutral state) When the guide block 430 is moved out of the neutral state in the front-rear direction, the inclination of the scaffold 120 is changed (see FIGS. 5B and 5C). This is because the protrusion length of the guide plate 122 has a linearly changing shape, and in the embodiment of the present invention, the fixed hinge 110 can easily lift the footrest 120 to which the weight of the occupant is applied even with a smaller power. The protrusion length of the guide plate 122 was increased toward the rear with respect to. According to this configuration, when the guide block 430 moves backward in the neutral state, the scaffold 120 rises, and when the guide block 430 moves forward, the scaffold 120 descends.

여기서 가이드 블록(430)의 이송거리, 다시 말하면 발판(120)의 승·하강 정도는 이동차(10)가 주행하는 길의 경사도와 연관되어 제어되어야만 발판(120)의 수평이 정확히 유지될 수 있다. 도 6은 가이드 블록(430)의 이송거리, 보다 정확하게는 가이드 블록(430)이 볼 스크류(410) 상의 어느 지점에 있어야 발판(120)의 수평이 유지되는지를 설명하기 위한 개념도이다. 가이드 플레이트(122)가 발판(120)의 평면과 이루는 각도가 φ이고, 샤시부(100)가 지면에 대하여 이루는 각도, 즉 지면의 경사가 θ2라고 한다면, 가이드 플레이트(122) 돌출의 시작점을 기준으로 하는 롤러(432)의 회전중심의 거리(X)는 b/tan(θ1)으로 정해지는 위치에 있어야 발판(120)의 수평이 유지된다. 여기서 b는 롤러(432)의 회전중심이 거리 X에 있을 때의 가이드 플레이트(122)의 돌출길이이고, θ1=φ-θ2를 의미하는데, b의 값은 X의 위치에 따라 결정된 함수이기 때문에 롤러(432)의 회전중심의 거리(X)는 계산이 가능하다. 설명되지 않은 부호 a는 고정힌지(110)의 축심으로부터 가이드 플레이트(122) 돌출의 시작점까지의 거리를 의미하는데, 만일 1차원 좌표인 롤러(432) 회전중심의 거리(X)의 기준점을 고정힌지(110)의 축심으로 할 때에는 b/tan(θ1)의 값에 a를 더해주면 된다. 그리고 본 발명의 실시예에서 지면의 경사 θ2는 샤시부(100)에 고정된 기울기 센서(510)로부터 측정되며, 도시되지는 않았지만 볼 스크류(410) 상에서의 가이드 블록(430)의 절대위치는 포텐시오미터 등의 공지된 기술을 이용하여 측정될 수 있다.In this case, the transport distance of the guide block 430, that is, the degree of lifting and lowering of the footrest 120 may be controlled in association with the inclination of the road on which the moving vehicle 10 travels so that the level of the foothold 120 may be accurately maintained. . FIG. 6 is a conceptual diagram for explaining a feeding distance of the guide block 430, more precisely, at which point on the ball screw 410, the scaffold 120 is maintained horizontally. If the angle formed by the guide plate 122 with the plane of the scaffold 120 is φ, and the angle formed by the chassis 100 with respect to the ground, that is, the inclination of the ground is θ 2 , the starting point of the protrusion of the guide plate 122 is determined. The distance X of the center of rotation of the roller 432 as a reference should be in a position defined by b / tan (θ 1 ) to keep the scaffold 120 horizontal. Where b is the protruding length of the guide plate 122 when the center of rotation of the roller 432 is at a distance X, and means θ 1 = φ-θ 2 , and the value of b is a function determined according to the position of X. Therefore, the distance X of the center of rotation of the roller 432 can be calculated. Unexplained symbol a means the distance from the axis of the fixed hinge 110 to the starting point of the protrusion of the guide plate 122, if the reference point of the distance (X) of the center of rotation of the roller 432, which is one-dimensional coordinates is fixed In the case of the axis center of (110), a can be added to the value of b / tan (θ 1 ). And in the embodiment of the present invention the inclination θ 2 of the ground is measured from the inclination sensor 510 fixed to the chassis portion 100, although not shown, the absolute position of the guide block 430 on the ball screw 410 is It can be measured using a known technique such as a potentiometer.

본 발명의 실시예에서 가이드 플레이트(122)는 고정힌지(110)에 인접한 위치로부터 시작하여 1차함수에 따라 선형적으로 증가하는 돌출길이를 가지도록 구성되었다. 그러나 가이드 플레이트(122)의 돌출길이는 반드시 1차함수여야 할 필요는 없으며, 선형적으로 증가하는 어떠한 함수, 예를 들면 포물면이나 타원면의 함수를 가져도 가능하다. 이러한 경우에도 가이드 플레이트(122) 돌출의 시작점을 기준으로 하는 롤러(432)의 회전중심의 거리(X)가 b/tan(θ1)으로 정해지는 것은 변함없으며, 단지 X의 위치에 따라 결정되는 b의 값이 달라질 뿐이다.In the embodiment of the present invention, the guide plate 122 is configured to have a protrusion length that increases linearly with the first function starting from the position adjacent to the fixed hinge 110. However, the protruding length of the guide plate 122 does not necessarily have to be a first order function, but may have any function that increases linearly, for example, a parabolic or ellipsoidal function. Even in this case, the distance X of the center of rotation of the roller 432 relative to the starting point of the protrusion of the guide plate 122 is not changed to b / tan (θ 1 ), and is determined only by the position of X. the value of b is only different.

아울러 가이드 플레이트(122)의 말단에는 롤러(432)의 이동을 제한하는 스토퍼(124)가 더 구비되어, 롤러(432)가 가이드 플레이트(122)와의 접촉면으로부터 이탈되는 것이 방지되도록 하는 것이 바람직하다.In addition, a stopper 124 for limiting the movement of the roller 432 is further provided at the end of the guide plate 122, so that the roller 432 is prevented from being separated from the contact surface with the guide plate 122.

제어부(500)는 위에서 설명된 각종 센서(220, 230, 510)로부터 측정된 신호를 바탕으로 하여 각각의 구동기구(310, 420)를 제어하는 마이크로프로세서를 포함하는 구성요소이다. 우선 제어부(500)는 조향핸들(210)에 가해지는 힘의 크기와 방향을 토크 센서(220)와 모멘트 센서(230)로부터 입력되는 신호로 판단한 후 구동휠(320)을 돌리는 두 개의 직류모터(310)를 독립적으로 구동하여 샤시부(100)의 전후좌우 및 회전운동을 제어한다. 특히 제어부(500)는 토크 센서(220)로 감지된 조향력의 크기와 방향에 따라 두 개 구동모터(420) 각각의 구동력을 독립적으로 제어한다. 조향력이 큰 경우라면 좌우 구동휠(320)의 속도차를 크게 하여 조향각을 크게 할 수 있으며, 만일 정지상태, 즉 모멘트 센서(230)에 감지된 신호가 없거나 매우 작은 경우에 조향력이 가해지면 양쪽 구동휠(320)을 서로 반대방향으로 구동시켜 제자리에서 360°회전할 수도 있다.The controller 500 is a component including a microprocessor that controls each of the driving mechanisms 310 and 420 based on the signals measured from the various sensors 220, 230, and 510 described above. First, the control unit 500 determines the magnitude and direction of the force applied to the steering wheel 210 as a signal input from the torque sensor 220 and the moment sensor 230, and then rotates the two driving motors 320. 310 is independently driven to control the front, rear, left and right and rotational movement of the chassis unit 100. In particular, the controller 500 independently controls the driving force of each of the two driving motors 420 according to the magnitude and direction of the steering force detected by the torque sensor 220. If the steering force is large, the steering angle can be increased by increasing the speed difference between the left and right driving wheels 320. If the steering state is applied when the signal is not detected or is very small in the moment sensor 230, both driving is performed. The wheels 320 may be rotated 360 ° in place by driving the wheels in opposite directions.

그리고 제어부(500)는 상기 모멘트 센서(230)로 감지된 힘의 크기에 비례하여 구동모터(420)의 구동력을 제어한다. 이는 이동차(10)의 속도제어에 관한 것으로서, 조향핸들(210)의 전후방향으로 가해지는 힘이 클수록 빠른 속도로 움직이게 한다.The controller 500 controls the driving force of the driving motor 420 in proportion to the magnitude of the force detected by the moment sensor 230. This relates to the speed control of the vehicle 10, and the greater the force applied in the front-rear direction of the steering wheel 210, the faster it moves.

또한 제어부(500)는 샤시부(100)에 고정된 기울기 센서(510)로부터 입력되는 신호를 바탕으로 하여 샤시부(100)가 지면에 대하여 이루는 경사각을 판단하고, 전술한 계산식 b/tan(θ1)에 따른 지점(X)에 가이드 블록(430)이 위치하도록 발판가변부(400)의 구동모터(420)를 제어한다. 이에 따라 발판(120)은 중력방향에 대하여 수평을 이루도록 제어되고, 탑승자는 경사로를 주행하는 때에도 항상 편안한 자세를 유지할 수 있게 된다.In addition, the control unit 500 determines the inclination angle of the chassis unit 100 with respect to the ground based on a signal input from the tilt sensor 510 fixed to the chassis unit 100, and the above-described equation b / tan (θ). 1 ) the driving motor 420 of the scaffold variable portion 400 is controlled such that the guide block 430 is positioned at the point X according to FIG. Accordingly, the footrest 120 is controlled to be horizontal with respect to the direction of gravity, and the occupant can maintain a comfortable posture at all times even when traveling on a slope.

전원부(600)는 조향부(200), 구동부(300), 발판가변부(400) 및 제어부(500)에 전원을 공급하는 배터리(610)를 포함한다. 본 발명의 실시예에서 전원부(600)는 직류모터(310)의 후방에 배치되어 전체적으로 무게균형을 이룬다. 그리고 제어부(500)는 전원부(600)에 오프 신호가 입력되면 발판(120)이 중력방향에 대하여 수평을 이루는 위치(중립상태)에 있도록 가이드 블록(430)을 이송하는 것이 바람직하다. 이는 외부의 이물질이 승강 또는 하강된 발판(120)과 샤시부(100)의 상면 사이의 틈으로 빗물이나 각종 이물질이 침투하는 것을 최대한 방지하기 위함이다.The power supply unit 600 includes a steering unit 200, a driving unit 300, a scaffold variable unit 400, and a battery 610 for supplying power to the control unit 500. In the embodiment of the present invention, the power supply unit 600 is disposed at the rear of the DC motor 310 to achieve a weight balance as a whole. In addition, when the OFF signal is input to the power supply unit 600, the control unit 500 may transfer the guide block 430 such that the footrest 120 is in a position (neutral state) horizontal to the gravity direction. This is to prevent rainwater or various foreign substances from penetrating into the gap between the scaffold 120 and the upper surface of the chassis 100 in which the foreign matter is lifted or lowered.

이상 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 또 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments illustrated in the drawings, this is merely exemplary, and various modifications and equivalent other embodiments are possible from those skilled in the art. I will understand the point. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the claims.

10 : 삼륜 자가균형 이동차
100 : 샤시부 110 : 고정힌지
120 : 발판 122 : 가이드 플레이트
124 : 스토퍼 130 : 보조휠
200 : 조향부 210 : 조향핸들
220 : 토크 센서 222 : 토크 센서의 스트레인 게이지
230 : 모멘트 센서 232 : 모멘트 센서의 스트레인 게이지
300 : 구동부 310 : 직류모터
320 : 구동휠 330 : 2단 풀리-벨트
400 : 발판가변부 410 : 볼 스크류
420 : 구동모터 430 : 가이드 블록
432 : 롤러 500 : 제어부
510 : 기울기 센서 600 : 전원부
610 : 배터리10: three wheel self balancing vehicle
100: chassis 110: fixed hinge
120: scaffold 122: guide plate
124: stopper 130: auxiliary wheel
200: steering unit 210: steering wheel
220: torque sensor 222: strain gauge of the torque sensor
230: moment sensor 232: strain gauge of the moment sensor
300: driving unit 310: DC motor
320: driving wheel 330: two-stage pulley-belt
400: scaffold variable portion 410: ball screw
420: drive motor 430: guide block
432: roller 500: control unit
510: tilt sensor 600: power supply
610: Battery

Claims (14)

자가균형 이동차의 플랫폼을 이루며, 상기 플랫폼의 전방 상면에 위치한 고정힌지에 회동가능하게 결합되고 하부에는 돌출길이가 선형적으로 변하는 가이드 플레이트가 구비된 발판과, 상기 플랫폼 후방 하면에 장착된 적어도 하나 이상의 보조휠을 포함하는 샤시부;
상기 고정힌지의 전방으로 상기 샤시부의 하면에 고정된 T-자형의 조향핸들과, 상기 조향핸들에 가해지는 좌우방향의 조향력을 감지하도록 상기 조향핸들에 설치된 토크 센서와, 상기 조향핸들의 전후방향으로 가해지는 모멘트를 감지하도록 상기 조향핸들과 상기 샤시부의 연결부위에 설치된 모멘트 센서를 포함하는 조향부;
상기 샤시부의 내부공간의 양 측면에 각각 고정된 두 개의 직류모터와, 상기 직류모터로부터 동력을 전달받아 구동되는 한 쌍의 구동휠을 포함하는 구동부;
상기 샤시부의 하면에 회전가능하게 고정된 볼 스크류와, 상기 볼 스크류를 정역회전시키는 구동모터와, 상기 볼 스크류에 나사결합되어 상기 볼 스크류의 회전에 따라 전후방향으로 병진이송되고 상기 가이드 플레이트에 접하는 롤러가 장착된 가이드 블록을 포함하는 발판가변부;
상기 조향핸들에 가해지는 힘의 크기와 방향을 상기 토크 센서와 모멘트 센서로부터 입력되는 신호로 판단한 후 상기 두 개의 직류모터를 독립적으로 구동하여 상기 샤시부의 전후좌우 및 회전운동을 제어하고, 상기 샤시부에 고정된 기울기 센서로부터 입력되는 신호로 상기 샤시부가 지면에 대하여 이루는 경사각을 판단한 후 상기 구동모터를 제어하여 상기 발판이 중력방향에 대하여 수평을 이루도록 제어하는 마이크로프로세서를 포함하는 제어부; 및
상기 조향부, 구동부, 발판가변부 및 제어부에 전원을 공급하는 배터리를 포함하는 전원부;
를 포함하는 삼륜 자가균형 이동차.A platform comprising the platform of the self-balancing vehicle, which is rotatably coupled to the fixed hinge located on the front upper surface of the platform and provided with a guide plate having a linearly changed protrusion length at the bottom thereof, and at least one mounted on the rear lower surface of the platform. Chassis unit including the above auxiliary wheel;
A T-shaped steering wheel fixed to the lower surface of the chassis in front of the fixed hinge, a torque sensor installed on the steering wheel to sense steering force in left and right directions applied to the steering wheel, and the steering wheel in the front and rear directions A steering part including a moment sensor installed at a connection portion of the steering wheel and the chassis to sense an applied moment;
A driving unit including two DC motors fixed to both sides of the inner space of the chassis and a pair of driving wheels driven by power from the DC motor;
A ball screw rotatably fixed to the lower surface of the chassis, a drive motor for forward and reverse rotation of the ball screw, and screwed to the ball screw to be translated in a forward and backward direction according to the rotation of the ball screw and in contact with the guide plate. Footrest variable portion including a guide block mounted with a roller;
After judging the magnitude and direction of the force applied to the steering wheel by the signals input from the torque sensor and the moment sensor, the two DC motors are driven independently to control the front, rear, right, left, and rotational movements of the chassis. A controller including a microprocessor configured to control the driving motor to be horizontal with respect to the direction of gravity after determining the inclination angle of the chassis with respect to the ground by a signal input from a tilt sensor fixed to the controller; And
A power supply unit including a battery for supplying power to the steering unit, the driving unit, the scaffold variable unit and the control unit;
Three-wheeled self-balancing mobile vehicle comprising a. 제1항에 있어서,
상기 가이드 플레이트가 발판의 평면과 이루는 각도가 φ이고, 상기 샤시부가 지면에 대하여 이루는 각도가 θ2일 때, 상기 가이드 플레이트 돌출의 시작점을 기준으로 하는 상기 롤러의 회전중심의 거리(X)가 b/tan(θ1)으로 정해지는 위치에 있도록 상기 제어부가 상기 구동모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 삼륜 자가균형 이동차.
(여기서 b는 롤러의 회전중심이 거리 X에 있을 때의 가이드 플레이트의 돌출길이이고, θ1=φ-θ2임)The method of claim 1,
When the angle of the guide plate to the plane of the foot plate is φ and the angle of the chassis to the ground is θ 2 , the distance X of the center of rotation of the roller relative to the starting point of the protrusion of the guide plate is b. and the control unit controls the drive motor to be in a position defined by / tan (θ 1 ).
(Where b is the protruding length of the guide plate when the center of rotation of the roller is at distance X, θ 1 = φ-θ 2 ) 제2항에 있어서,
상기 가이드 플레이트는 상기 고정힌지에 인접한 위치로부터 시작하여 1차함수에 따라 선형적으로 증가하는 돌출길이를 가지는 것을 특징으로 하는 삼륜 자가균형 이동차.The method of claim 2,
And the guide plate has a protruding length that increases linearly with the first function starting from a position adjacent to the fixed hinge. 제2항에 있어서,
상기 가이드 블록의 롤러가 상기 가이드 플레이트의 중간 영역에 있을 때 상기 발판이 중력방향에 대하여 수평을 이루는 것을 특징으로 하는 삼륜 자가균형 이동차.The method of claim 2,
And the scaffold is horizontal with respect to the direction of gravity when the roller of the guide block is in the middle region of the guide plate. 제2항에 있어서,
상기 가이드 플레이트의 말단에 상기 롤러의 이동을 제한하는 스토퍼가 더 구비된 것을 특징으로 하는 삼륜 자가균형 이동차.The method of claim 2,
Three-wheel self-balancing vehicle, characterized in that the stopper is further provided to limit the movement of the roller at the end of the guide plate. 제1항에 있어서,
상기 보조휠은 하나가 구비되고, 상기 하나의 보조휠은 상기 구동휠과 이등변삼각형을 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 삼륜 자가균형 이동차.The method of claim 1,
The auxiliary wheel is provided with one, the one auxiliary wheel is a three-wheel self-balanced mobile vehicle, characterized in that arranged to form an isosceles triangle with the drive wheel. 제1항에 있어서,
상기 보조휠은 상기 샤시부의 이동방향을 따라 자유롭게 회전할 수 있는 것을 특징으로 하는 삼륜 자가균형 이동차.The method of claim 1,
The auxiliary wheel is a three-wheel self-balanced moving vehicle, characterized in that freely rotated along the moving direction of the chassis. 제1항에 있어서,
상기 직류모터로부터 상기 구동휠에 전달되는 동력은 2단의 풀리-벨트에 의하여 감속되어 전달되는 것을 특징으로 하는 삼륜 자가균형 이동차.The method of claim 1,
The power transmitted from the DC motor to the driving wheel is decelerated by the two-stage pulley-belt, characterized in that the transfer vehicle. 제1항에 있어서,
상기 전원부는 상기 직류모터의 후방에 배치되는 것을 특징으로 하는 삼륜 자가균형 이동차.The method of claim 1,
The power supply unit is a three-wheel self-balancing vehicle, characterized in that disposed behind the DC motor. 제1항에 있어서,
상기 가이드 블록은 상기 전원부에 오프 신호가 입력되면 상기 발판이 중력방향에 대하여 수평을 이루는 위치로 이동하는 것을 특징으로 하는 삼륜 자가균형 이동차.The method of claim 1,
And the guide block moves to a position where the scaffold is horizontal with respect to the direction of gravity when the OFF signal is input to the power supply unit. 제1항에 있어서,
상기 토크 센서는 휘트스톤 브리지를 이루는 4개의 스트레인 게이지가 상기 조향핸들의 외면을 따라 90°간격으로 상기 조향핸들의 조향축에 대해 45°각도의 지그재그를 이루도록 배치된 것을 특징으로 하는 삼륜 자가균형 이동차.The method of claim 1,
The torque sensor is a three-wheel self-balanced movement characterized in that the four strain gauges constituting a Wheatstone bridge is arranged in a zigzag of 45 ° angle to the steering shaft of the steering wheel at a 90 ° interval along the outer surface of the steering wheel car. 제1항에 있어서,
상기 모멘트 센서는 상기 샤시부의 전후방향을 따라 상기 조향핸들을 사이에 두고 대향하는 한 쌍의 스트레인 게이지로 이루어진 것을 특징으로 하는 삼륜 자가균형 이동차.The method of claim 1,
The moment sensor is a three-wheel self-balancing vehicle, characterized in that composed of a pair of strain gauges facing each other with the steering wheel in the front and rear directions of the chassis. 제1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 토크 센서로 감지된 조향력의 크기와 방향에 따라 상기 두 개 구동모터 각각의 구동력을 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 삼륜 자가균형 이동차.The method of claim 1,
The control unit is a three-wheel self-balancing vehicle, characterized in that to independently control the driving force of each of the two drive motors in accordance with the magnitude and direction of the steering force detected by the torque sensor. 제1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 모멘트 센서로 감지된 힘의 크기에 비례하여 상기 구동모터의 구동력을 제어하는 것을 특징으로 하는 삼륜 자가균형 이동차.
The method of claim 1,
The control unit is a three-wheel self-balancing vehicle, characterized in that for controlling the driving force of the drive motor in proportion to the magnitude of the force detected by the moment sensor.
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