KR20110096371A

KR20110096371A - 외바퀴 로봇

Info

Publication number: KR20110096371A
Application number: KR1020100015783A
Authority: KR
Inventors: 이장명; 황종명; 이호원; 최성희; 김성하
Original assignee: 부산대학교 산학협력단
Priority date: 2010-02-22
Filing date: 2010-02-22
Publication date: 2011-08-30
Also published as: KR101131125B1

Abstract

본 발명은 자동 주행 및 피치(pitch)-롤(roll)-요(yaw) 운동에 대한 자세 제어가 가능하도록 하여 주행시 중심을 잃지 않고 정확하고 안정적으로 주행할 수 있도록 한 외바퀴 로봇에 관한 것으로, 본 발명의 외바퀴 로봇은 하부프레임과 상부프레임과 복수개의 수직 연결바아와 마운트브라켓과 한 쌍의 피치축 프레임을 포함하여 구성된 본체와; 상기 본체의 하측에 연결되어 지면을 따라 전후방향으로 구름 운동하는 하나의 휠과; 상기 휠의 회전을 제어함으로써 본체의 피치방향 운동 및 자세를 제어하는 피치(pitch)방향 구동유닛과; 상기 본체에 수직한 축을 중심으로 회전하도록 설치되어 좌우방향으로의 회전관성을 이용하여 본체의 좌우 방향 전환을 제어하는 요(yaw)방향 전환용 디스크와; 상기 디스크를 회전시키는 디스크 구동유닛과; 상기 본체의 상측에 전후방향으로 연장된 수평축을 중심으로 회전하도록 설치되어 회전 관성에 의해 본체의 좌우방향 자세를 제어하는 롤(roll)제어용 로터와; 상기 롤제어용 로터의 회전을 제어하는 로터 구동유닛과; 상기 본체의 주행 중 자세를 실시간으로 감지하는 자세감지센서와; 상기 자세감지센서에서 제공되는 로봇의 자세 정보에 따라 상기 휠 구동유닛과 디스크 구동유닛 및 로터 구동유닛을 선택적으로 제어하는 제어보드를 포함하는 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

외바퀴 로봇{unicycle robot}

본 발명은 외바퀴 로봇(unicycle robot)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자동 주행 및 피치(pitch)-롤(roll)-요(yaw) 운동에 대한 자세 제어가 가능하도록 하여 주행시 중심을 잃지 않고 정확하고 안정적으로 주행할 수 있도록 한 외바퀴 로봇에 있어서 진동 및 소음을 최소화할 수 있는 구조를 갖는 외바퀴 로봇에 관한 것이다.

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.

이러한 다양한 로봇 중 외바퀴로 주행이 가능한 로봇이 개발된 바 있는데, 기존의 외바퀴 주행 로봇은 프레임에 장착된 외바퀴와 강성 몸체, 헤드 부위에 설치된 제어보드와 가변 중심체 등으로 구성된다.

그러나, 기존의 외바퀴 로봇의 본체를 구성하는 프레임의 구조가 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw) 운동을 발생시키는 구동장치들을 고려하지 않고 설계되어 있기 때문에 외바퀴 로봇을 주행하는 도중 진동 및 소음이 발생하게 되고, 프레임의 내구성이 저하되며, 자세 안정성이 나빠져 제어가 어려운 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw) 운동을 발생시키는 구동장치들과의 역학적 관계를 고려하여 프레임 구조를 설계하여 주행 중 진동 및 소음 발생을 최소화할 수 있는 외바퀴 로봇을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 형태에 따르면, 본 발명은 본체와, 상기 본체의 하측에 연결되어 지면을 따라 전후방향으로 구름 운동하는 하나의 휠과, 상기 휠의 회전을 제어함으로써 본체의 피치방향 운동 및 자세를 제어하는 피치(pitch)방향 구동유닛과, 상기 본체에 수직한 축을 중심으로 회전하도록 설치되어 좌우방향으로의 회전관성을 이용하여 본체의 좌우 방향 전환을 제어하는 요(yaw)방향 전환용 디스크와, 상기 디스크를 회전시키는 디스크 구동유닛과, 상기 본체의 상측에 전후방향으로 연장된 수평축을 중심으로 회전하도록 설치되어 회전 관성에 의해 본체의 좌우방향 자세를 제어하는 롤(roll)제어용 로터와, 상기 롤제어용 로터의 회전을 제어하는 로터 구동유닛과, 상기 본체의 주행 중 자세를 실시간으로 감지하는 자세감지센서와, 상기 자세감지센서에서 제공되는 로봇의 자세 정보에 따라 상기 휠 구동유닛과 요방향 전환유닛 및 로터 구동유닛을 선택적으로 제어하는 제어보드를 포함하는 외바퀴 로봇에 있어서, 상기 본체는, 상기 요방향 전환용 디스크와 디스크 구동유닛이 설치되는 하부프레임과, 상기 하부프레임의 양측면부에서 하측으로 수직하게 연장되며 하단부가 상기 휠 구동유닛에 연결되는 한 쌍의 피치축 프레임과, 상기 하부프레임의 상부에 일정 거리 이격되게 결합되며 상부면에 상기 롤제어용 로터와 로터 구동유닛이 설치되는 상부프레임과, 상기 하부프레임과 상부프레임을 연결하는 복수개의 수직 연결바아와, 상기 롤제어용 로터의 반대편에서 상기 하부프레임과 상부프레임을 서로 연결하도록 설치되며 상기 제어보드가 결합되는 마운트브라켓을 포함하여 구성되며; 상기 수직 연결바아와 마운트브라켓은 상기 하부프레임과 상부프레임의 중심에 대해 좌우 대칭으로 배치된 것을 특징으로 하는 외바퀴 로봇을 제공한다.

이러한 본 발명에 따르면, 상기 외바퀴 로봇의 제어보드가 결합되는 마운트브라켓이 롤제어용 로터의 반대편에 결합되어 롤제어용 로터로 인한 하중 편향을 보상하며, 외바퀴 로봇이 좌우 대칭을 이루게 되므로 주행 중 진동 및 소음 발생을 최소화할 수 있으며, 자세 안정성이 향상되어 제어 특성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 마운트브라켓이 보강대 역할도 겸하여 롤제어용 로터의 회전에 의해 발생하는 횡력과 평형 비틀림에도 견고하게 견딜 수 있는 효과도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 외바퀴 로봇의 정면에서 본 사시도이다.
도 2는 도 1의 외바퀴 로봇의 후면에서 본 사시도이다.
도 3은 도 1의 외바퀴 로봇의 측면도이다.
도 4는 도 1의 외바퀴 로봇의 피치축 프레임을 나타낸 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 외바퀴 로봇의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 외바퀴 로봇은 본체(10)와, 상기 본체(10)의 하측에 연결되어 지면을 따라 전후방향으로 구름 운동하는 하나의 휠(20)과, 상기 휠(20)의 회전을 제어함으로써 본체(10)의 피치방향(pitch) 운동 및 자세를 제어하는 휠 구동유닛(30)과, 상기 본체(10)에 수직한 축을 중심으로 회전하도록 설치되어 좌우방향으로의 회전관성을 이용하여 본체의 좌우 방향 전환을 제어하는 요(yaw)방향 전환용 디스크(40)와, 상기 요방향 전환용 디스크(40)를 회전시키는 디스크 구동유닛(50)과, 상기 본체(10)의 상측에 전후방향으로 연장된 수평한 회전축(61)을 중심으로 회전하도록 설치되어 회전 관성에 의해 본체(10)의 좌우방향 자세를 제어하는 롤(roll)제어용 로터(60)와, 상기 롤제어용 로터(60)의 회전을 제어하는 로터 구동유닛(70)과, 상기 본체(10)의 주행 중 자세를 실시간으로 감지하는 자세감지센서(81)와, 상기 자세감지센서(81)에서 제공되는 로봇의 자세 정보에 따라 상기 휠 구동유닛(30)과 디스크 구동유닛(50) 및 로터 구동유닛(70)을 선택적으로 제어하는 제어보드(80)를 포함하여 구성된다.

상기 본체(10)는 하부프레임(11)과, 상기 하부프레임(11)의 상부에 일정 거리 이격되게 결합되는 상부프레임(12)과, 상기 하부프레임(11)과 상부프레임(12)을 상호 연결하는 복수개의 수직 연결바아(13)와, 상기 롤제어용 로터(60)의 반대편에서 상기 하부프레임(11)과 상부프레임(12)을 서로 연결하도록 설치되는 마운트브라켓(14)과, 상기 하부프레임(11)의 양측면부에서 하측으로 수직하게 연장되는 한 쌍의 피치축 프레임(15)을 포함하여 구성되며, 본체(10)는 자세 안정성을 향상시키기 위하여 좌우가 대칭으로 이루어진다.

상기 하부프레임(11)은 알루미늄 등의 금속으로 된 사각 플레이트 형태로 이루어진다. 상기 하부프레임(11)의 상면에는 상기 디스크 구동유닛(50)이 결합된다. 상기 하부프레임(11)에는 상기 자세감지센서(81) 등을 결합하기 위한 복수개의 탭홀(11a)이 형성되는 것이 바람직하다.

상기 상부프레임(12) 역시 하부프레임(11)과 마찬가지로 알루미늄 등의 금속으로 된 사각 플레이트 형태로 이루어지며, 그 상부면에는 상기 롤제어용 로터(60)를 구동시키기 위한 로터 구동유닛(70)이 설치된다. 상기 로터 구동유닛(70)은 상부프레임(12)의 상부면에 설치된 모터브라켓(16)에 결합되어 지지되며, 롤제어용 로터(60)는 상기 상부프레임(12)과의 간섭을 피하기 위하여 상부프레임(12)의 전단부 외측에 위치된다. 상기 모터브라켓(16)은 상기 로터 구동유닛(70) 외에도 자세감지센서(81) 등의 센서를 설치할 수 있는 공간을 제공하는 기능도 제공한다.

그리고, 상기 피치축 프레임(15)은 알루미늄 등의 금속으로 된 T자형 바아 형태로 이루어지며, 그 하단부가 상기 휠(20)의 회전축(21) 양단에 연결되어 휠(20)을 지지한다. 상기 피치축 프레임(15)에는 서스펜션 스프링과 같은 유연한 구조물이 설치되지 않는 것이 바람직한데, 이는 주행중 서스펜션 스프링 등에 의해 발생하는 상하 및/또는 전후, 좌우로 발생하는 진동을 최소화하기 위함이다.

또한, 상기 피치축 프레임(15)의 하단부에는 도 4에 도시된 것처럼 상기 휠(20)의 회전축(21)이 삽입되어 고정되는 축고정홀(15a)이 전방 또는 후방으로 절개되게 형성된다. 이와 같이 전방 또는 후방으로 개방된 축고정홀(15a)을 통해 휠(20)의 회전축(21)을 삽입하여 연결하면, 휠(20) 또는 휠 구동유닛(30)의 교체나 수리 등의 작업을 수행할 때 휠(20)을 분리시키거나 결합시키기가 용이해지는 이점을 얻을 수 있다.

상기 수직 연결바아(13)는 금속으로 된 직사각형의 바아로 이루어지며, 하단부 및 상단부 각각이 상기 하부프레임(11)과 상부프레임(12)에 볼트 또는 스크류 등의 체결수단에 의해 단단히 체결된다. 그리고, 수직 연결바아(13)의 중간부분에는 하부프레임(11)과 상부프레임(12)의 외측면을 둘러싸는 보호커버(미도시)를 결합하기 위한 복수개의 탭홀(13a)이 형성되어 있다.

상기 마운트브라켓(14)은 직사각형의 금속 프레임으로 이루어지며, 2개가 하부프레임(11)과 상부프레임(12)의 중앙선을 기준으로 좌우 대칭으로 배치된다. 상기 마운트브라켓(14)의 내측에는 상기 제어보드(80)가 결합된다.

한편, 본 발명의 외바퀴 로봇은 상기 휠(20)의 회전축 중심에서부터 본체(10)의 무게중심(G)까지의 수직 거리(L)와 상기 본체(10)의 무게중심(G)에서부터 상기 롤제어용 로터(60)의 회전축(61) 중심까지의 수직 거리(L)는 동일한 것이 바람직하다. 이와 같이 휠(20)의 회전축 중심에서부터 본체(10)의 무게중심(G)까지의 수직 거리(L)와 본체(10)의 무게중심(G)에서부터 롤제어용 로터(60)의 회전축(61) 중심까지의 수직 거리(L)를 1:1이 되도록 하면, 자세 제어가 용이해지는 이점을 얻을 수 있다.

또한, 상기 본체(10)의 무게중심(G)은 휠(20)의 회전축(21) 중심으로부터 롤제어용 로터(60)의 반대 방향, 즉 후방으로 일정 거리(Os) 치우쳐서 위치된 것이 바람직하다. 이는 롤제어용 로터(60)가 본체(10)의 전방에 치우쳐 위치하기 때문에 본체(10)가 전방으로 기울어지는 힘을 어느 정도 상쇄하여 균형을 쉽게 유지하기 위함이다.

상기 휠 구동유닛(20)은 상기 휠(20)의 중심부에 일체로 구성된 외전형모터(outer rotor type motor)로 이루어진다. 그리고, 상기 디스크 구동유닛(30)은 하부프레임(11)의 상부면에 고정되게 설치되는 DC모터로 이루어지며, 상기 로터 구동유닛(40)은 상부프레임(12)의 상단에 설치되어 상기 롤제어용 로터(60)를 시계방향 또는 반시계방향으로 선택적으로 회전시키는 DC모터로 이루어진다.

상기 롤제어용 로터(60)의 양단부에는 회전 관성력을 증대시키기 위하여 무게추(62)가 장착되어 있다.

상기 자세감지센서(81)는 자이로센서(gyro sensor) 및/또는 기울기 센서 등을 이용하여 구성할 수 있으며, 상기 하부프레임(11) 또는 상부프레임(12), 마운트브라켓(14)에 설치될 수 있다.

상기 제어보드(80)는 예컨대 마이크로 콘트롤러 등의 전자부품이 실장된 PCB 기판으로 이루어질 수 있으며, 상기 자세감지센서(81)와 휠(20)을 구동시키기 위한 휠 구동유닛(30), 디스크 구동유닛(50), 로터 구동유닛(70)과 전기적으로 연결되어 로봇의 주행 및 자세를 제어한다.

상기와 같이 구성된 외바퀴 로봇은 다음과 같이 동작한다.

상기 제어보드(80)가 미리 입력되어 있는 자율 주행 프로그램에 따라 상기 휠 구동유닛(30)에 소정의 제어신호를 인가하면, 휠(20)이 회전 운동하면서 로봇이 전방 또는 후방으로 주행하기 시작한다.

이와 같이 로봇이 주행하는 과정에서 여러가지 요인에 의해 로봇이 균형을 잃게 되는데, 만약 로봇이 전후방향, 즉 피치방향으로 쓰러지려고 하게 되면, 자세감지센서(81)가 이를 감지하여 상기 제어보드(80)에 전달하고, 이 정보에 근거하여 상기 제어보드(80)가 휠 구동유닛(30)에 신호를 보내어 휠(20)을 기울어지는 반대 방향으로 연속 회전시켜 로봇이 쓰러지지 않고 피치방향 균형을 유지하도록 제어한다.

그리고, 로봇이 좌우방향으로 쓰러지려고 하는 경우(물론, 이러한 로봇의 자세에 대한 정보는 자세감지센서(81)에 의해 실시간으로 감지되어 제어보드(80)로 전달된다)에는 제어보드(80)가 상기 로터 구동유닛(70)에 소정의 제어신호를 인가하여 롤제어용 로터(60)를 시계방향 또는 반시계방향으로 고속으로 회전시키고, 이로써 쓰러지는 방향의 반대방향으로 회전관성력이 발생하도록 하여 로봇이 좌우방향으로 쓰러지는 것을 방지한다.

이와 같이 상기 로봇은 주행 과정에서 상기 자세감지센서(81)에 의해 제공되는 자세 정보에 따라 상기 휠(20)과 롤제어용 로터(60)의 회전 방향을 수시로 가변시키면서 로봇의 피치방향 자세 및 롤방향 자세를 안정적으로 제어한다.

한편, 상기 외바퀴 로봇이 주행 중 좌 또는 우 방향으로 방향전환을 수행하고자 할 경우에는, 상기 제어보드(80)에서 디스크 구동유닛(50)에 소정의 제어신호를 인가하면, 요방향 전환용 디스크(40)가 수직한 축을 중심으로 좌측방향 또는 우측방향으로 순간적으로 고속 회전하게 되고, 이로 인해 회전관성이 발생하여 본체(10)가 요방향 전환용 디스크(40)의 회전방향과 동일한 방향으로 회전하여 방향이 전환된다.

이와 같은 본 발명의 외바퀴 로봇은 본체(10)를 구성하는 하부프레임(11)과 상부프레임(12), 수직 연결바아(13), 마운트브라켓(14), 피치축 프레임(15) 등이 구동유닛들과의 역학적 관계를 고려하여 설계되어 있으므로, 주행 중 외란을 최소화하여 진동 및 소음을 억제할 수 있고, 자세 제어가 더욱 용이해지는 이점을 얻을 수 있다.

전술한 본 발명에 따른 외바퀴 로봇에 대한 실시예는 단지 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시 목적으로 제시된 것으로 본 발명은 이에 국한되지 않으며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 첨부된 특허청구범위에 기재된 기술 사상의 범주 내에서 다양한 변경 및 실시가 가능할 것이다.

10 : 본체 11 : 하부프레임
12 : 상부프레임 13 : 수직 연결바아
14 : 마운트브라켓 15 : 피치축 프레임
16 : 모터브라켓 20 : 휠
21 : 회전축 30 : 휠 구동유닛
40 : 요방향 전환용 디스크 50 : 디스크 구동유닛
60 : 롤제어용 로터 61 : 회전축
62 : 무게추 70 : 로터 구동유닛
80 : 제어보드 81 : 자세감지센서
G : 무게중심

Claims

본체와, 상기 본체의 하측에 연결되어 지면을 따라 전후방향으로 구름 운동하는 하나의 휠과, 상기 휠의 회전을 제어함으로써 본체의 피치방향 운동 및 자세를 제어하는 피치(pitch)방향 구동유닛과, 상기 본체에 수직한 축을 중심으로 회전하도록 설치되어 좌우방향으로의 회전관성을 이용하여 본체의 좌우 방향 전환을 제어하는 요(yaw)방향 전환용 디스크와, 상기 디스크를 회전시키는 디스크 구동유닛과, 상기 본체의 상측에 전후방향으로 연장된 수평축을 중심으로 회전하도록 설치되어 회전 관성에 의해 본체의 좌우방향 자세를 제어하는 롤(roll)제어용 로터와, 상기 롤제어용 로터의 회전을 제어하는 로터 구동유닛과, 상기 본체의 주행 중 자세를 실시간으로 감지하는 자세감지센서와, 상기 자세감지센서에서 제공되는 로봇의 자세 정보에 따라 상기 휠 구동유닛과 디스크 구동유닛 및 로터 구동유닛을 선택적으로 제어하는 제어보드를 포함하는 외바퀴 로봇에 있어서,
상기 본체는, 상기 요방향 전환용 디스크와 디스크 구동유닛이 설치되는 하부프레임과, 상기 하부프레임의 양측면부에서 하측으로 수직하게 연장되며 하단부가 상기 휠의 회전축 양단에 연결되는 한 쌍의 피치축 프레임과, 상기 하부프레임의 상부에 일정 거리 이격되게 결합되며 상부면에 상기 롤제어용 로터와 로터 구동유닛이 설치되는 상부프레임과, 상기 하부프레임과 상부프레임을 연결하는 복수개의 수직 연결바아와, 상기 롤제어용 로터의 반대편에서 상기 하부프레임과 상부프레임을 서로 연결하도록 설치되며 상기 제어보드가 결합되는 마운트브라켓을 포함하여 구성되며;
상기 수직 연결바아와 마운트브라켓은 상기 하부프레임과 상부프레임의 중심에 대해 좌우 대칭으로 배치된 것을 특징으로 하는 외바퀴 로봇.
제1항에 있어서, 상기 휠의 회전축 중심에서부터 본체의 무게중심까지의 수직 거리와 상기 본체의 무게중심에서부터 상기 롤제어용 로터의 회전축 중심까지의 수직 거리는 동일한 것을 특징으로 하는 외바퀴 로봇.
제1항에 있어서, 상기 피치축 프레임의 하단부에는 상기 휠의 회전축이 삽입되어 고정되는 축고정홀이 전방 또는 후방으로 절개되게 형성된 것을 특징으로 하는 외바퀴 로봇.
제1항에 있어서, 상기 본체의 무게중심은 상기 휠의 회전축 중심으로부터 롤제어용 로터의 반대 방향으로 일정 거리 치우쳐서 위치된 것을 특징으로 하는 외바퀴 로봇.