KR20120053236A

KR20120053236A - 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴, 바퀴조립체 및 이를 구비한 이동 로봇

Info

Publication number: KR20120053236A
Application number: KR1020100114401A
Authority: KR
Inventors: 양현석; 곽명남
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2010-11-17
Filing date: 2010-11-17
Publication date: 2012-05-25
Also published as: KR101211786B1

Abstract

본 발명은 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴는, 휠(210); 휠의 가장자리 내측에 설치되며, 회동에 의해 자유단부가 휠 외측으로 돌출되도록 일측부가 상기 휠에 축결합되는 스포크; 및 모터의 동력을 휠에 전달하는 휠 기어부와, 스포크)의 일측부에 전달하는 스포크 기어부와, 모터와 휠 기어부 및 스포크 기어부 사이에서 휠 기어부 및 스포크 기어부에 선택적으로 연결되는 이동 기어부가 구비되는 기어박스;를 포함한다.

Description

평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴, 바퀴조립체 및 이를 구비한 이동 로봇{transformation wheel that is practicable on a flatland and stairway, wheel assembly and mobile robot}

본 발명은 평지와 계단을 주행가능한 바퀴, 바퀴조립체 및 이를 구비한 이동 로봇에 관한 것이다.

대부분의 모바일 로봇(mobile robot)은 대체로 소형으로 제작됨에 따라 계단을 오르거나 장애물을 극복하는 것에 대한 어려움을 가지고 있으며, 계단이나 장애물을 극복할 수 있도록 개발된 로봇들은 오히려 평지에서 부드럽고 빠른 모션을 수행하기 어려운 문제점을 가지고 있다..

기존 모바일 로봇의 이동방식(locomotion)에 대해 간단히 살펴보기로 한다. 모바일 로봇의 이동방식은 크게 바퀴, 무한궤도, 다리를 이용한 이동방식으로 나누어 볼 수 있다.

바퀴를 이용한 이동방식은 효율적이면서 속도가 비교적 빠르며, 무한궤도를 이용한 이동방식은 지면에 접촉하는 면이 넓어서 험난한 지형이나 사막과 같은 환경에서도 안정적으로 주행할 수 있고, 다리를 이용한 이동방식은 거친 지형이나 장애물에도 잘 적응할 수 있다는 장점이 있다.

반면에, 바퀴를 이용한 방식은 장애물이나 계단을 오르기가 어려우며, 무한궤도 방식은 지형에 미끄러져 자신의 정확한 위치를 예측하기 어려우며 마찰이 커서 비효율적인 측면을 가지고 있고, 다리를 이용한 방식은 일반적으로 복잡한 메커니즘을 가지고 있으며 동력소비가 크다는 단점이 있다.

이에 따라, 최근에는 각 이동방식의 장점만을 결합한 새로운 이동방식에 대한 연구가 많이 진행되고 있으며, 다양한 이동방식들이 결합된 형태인, 소위 하이브리드 이동운동(hybrid locomotion)을 채택한 로봇들이 개발되고 있다.

본 발명은, 바퀴, 다리를 이용한 각 이동방식의 장점만을 구현가능하도록 바퀴와 다리의 이동방식을 결합한 하이브리드 타입(hybrid type)의 휠(transformable wheel)을 제시함으로써, 주위 환경에 따라 평지 및 계단을 모두 효율적으로 주행할 수 있도록 하는 변형 바퀴, 바퀴조립체 및 이를 구비한 이동 로봇을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은, 휠(210); 상기 휠(210)의 가장자리 내측에 설치되며, 회동에 의해 자유단부가 상기 휠(210) 외측으로 돌출되도록 일측부가 상기 휠(210)에 축결합되는 스포크(220); 및 모터(410)의 동력을 상기 휠(210)에 전달하는 휠 기어부(231)와, 상기 스포크(220)의 일측부에 전달하는 스포크 기어부(232)와, 상기 모터(410)와 상기 휠 기어부(231) 및 스포크 기어부(232) 사이에서 상기 휠 기어부(231) 및 스포크 기어부(232)에 선택적으로 연결되는 이동 기어부(233)가 구비되는 기어박스(230);를 포함하여 구성되는 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴를 기술적 요지로 한다.

여기서, 상기 스포크(220)는, 상기 휠(210)의 가장자리 내측에 자유단부가 위치한 상태에서 다수가 연속된 원형을 이루도록, 상기 휠(210)의 가장자리부 형상에 대응되는 호(arc)형상을 가질 수 있다.

그리고, 상기 스포크(220)는, 동일한 형상을 가지는 다수가 상기 휠(210)의 회전축을 기준으로 방사방향으로 동일한 거리에 배치되며, 상기 기어박스의 스포크 기어부(232)에 의해 다수가 동일한 변위로 동시에 회동될 수 있다.

또한, 상기 기어박스(230)는, 상기 기어박스의 휠 기어부(231)에 구비되며, 상기 휠(210)의 회전축과 동축상에 연결되는 제1기어(231a); 상기 기어박스의 스포크 기어부(232)에 구비되며, 상기 스포크(220) 일측부의 회동축과 동축상에 연결되는 피니언(232c); 상기 기어박스의 스포크 기어부(232)에 구비되며, 상기 휠(210)의 회전축과 동축상에서 상기 피니언(232c)에 기어 접속되는 선기어(232b); 및 상기 기어박스의 스포크 기어부(232)에 구비되며, 상기 선기어(232b)의 회전축과 동축상에 연결되고, 상기 제1기어(231a)와 동일한 기어치 형상, 갯수로, 상기 제1기어(231a)와 동축상에 설치되는 제2기어(232a);를 포함하여 구성될 수 있다.

그리고, 상기 제1기어(231a)와 제2기어(232a)는, 상기 휠(210)의 회전축 및 선기어(232b)의 회전축과 동축상에서, 기어치가 형성되지 않은 단면부끼리 면(面)하고 기어치가 형성된 외주면이 서로 연속되게 배치될 수 있다.

또한, 상기 기어박스(230)는, 상기 기어박스의 이동 기어부(233)에 구비되며, 상기 제1기어(231a), 제2기어(232a)에 동시 접속 가능한 폭을 가지고 상기 모터(410)의 회전축에 연결되며, 상기 제1기어(231a)와 제2기어(232a) 전부에 접속된 상태에서, 상기 제2기어(232a)측으로 이동되어 상기 제2기어(232a)에만 접속된 상태로 전환되는 이동 기어(233a);를 더 포함하여 구성될 수 있다.

그리고, 본 발명은, 베이스(100); 상기 베이스(100)상에 회전가능하게 고정 설치되는 상기 변형 바퀴(200); 상기 베이스(100)에 고정설치되며, 상기 변형 바퀴의 이동 기어부(233)에 구비되는 기어를 직선변위로 이동가능한 동력을 제공하는 솔레노이드(310)가 구비되는 이동 액츄에이터(300); 및 상기 베이스(100)에 고정설치되며, 상기 변형 바퀴의 이동 기어부(233)에 회전축이 연결되는 모터(410)가 구비되는 회전 액츄에이터(400);를 포함하여 구성되는 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴조립체를 다른 기술적 요지로 한다.

여기서, 상기 이동 액츄에이터(300)는, 일측부가 상기 솔레노이드(310)의 이동축에 연결되고 타측부가 상기 이동 기어부(233)까지 연장형성되는 연장구(321)와, 상기 연장구(321)의 타측부에 연결되고 상기 이동 기어부(233)측으로 돌출되어 상기 이동 기어부(233)의 기어에 접속 또는 고정되는 기어접속구(322)가 구비되는 변위전달구(320);를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 변위전달구의 기어접속구(322)는, 상기 연장구(321)의 타측부에 연결형성되고, 상기 솔레노이드(310) 이동축의 직선 이동변위를 따라 연장형성되는 연결부(322a); 및 상기 이동 기어부(233)의 기어의 일단면, 타단면에 각각 접속되도록 상기 연결부(322a)의 일측부, 타측부에서 상기 이동 기어부(233)측으로 돌출되어, 상기 솔레노이드(310) 이동축의 이동방향에 따라 상기 이동 기어부(233)의 기어의 일단면 또는 타단면을 가압하는 가압돌출부(322b);를 포함하여 구성될 수 있다.

그리고, 본 발명은, 베이스(100); 주행방향의 좌, 우측에서 상기 베이스(100)상에 회전가능하게 고정 설치되는 제1항에 의한 변형 바퀴(200); 및 주행방향의 전, 후방부에 위치하는 한쌍의 상기 베이스(100)를 연결하는 프레임(500);을 포함하여 구성되는 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴를 구비한 이동 로봇을 또 다른 기술적 요지로 한다.

여기서, 상기 프레임(500)은, 계단, 장애물과 같은 양각 단차와의 간섭을 회피하도록 중앙부가 상측으로 굴곡된 원호 형상을 가질 수 있다.

또한, 상기 베이스(100)에 고정설치되며, 상기 변형 바퀴의 이동 기어부(233)에 구비되는 기어를 직선변위로 이동가능한 동력을 제공하는 솔레노이드(310)가 구비되는 이동 액츄에이터(300); 및 상기 베이스(100)에 고정설치되며, 상기 변형 바퀴의 이동 기어부(233)에 회전축이 연결되는 모터(410)가 구비되는 회전 액츄에이터(400);를 더 포함하여 구성될 수 있다.

그리고, 상기 프레임(500)은, 진행방향의 전방에 위치하는 상기 베이스(100)에 연결되고, 후방측으로 연장형성되는 전방 프레임부(510); 진행방향의 후방에 위치하는 상기 베이스(100)에 연결되고, 전방측으로 연장형성되는 후방 프레임부(530); 및 상기 전방 프레임부(510)와 후방 프레임부(530)에 양단부가 연결되며, 상기 전방 프레임부(510)와 후방 프레임부(530)간의 충격력 전달을 감쇄하는 서스펜션을 제공하는 연결 프레임부(520);를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 연결 프레임부(520)는, 금속과 같이 탄성을 가지는 소재로 구성되며, 상기 전방 프레임부(510), 후방 프레임부(530)에 비해 얇은 두께를 가지는 납작한 막대형상을 가질 수 있다.

그리고, 상기 연결 프레임부(520)는, 상기 전방 프레임부(510), 후방 프레임부(530)간의 간격을 조정가능하도록, 직선 변위를 가지는 실린더 부재나, 솔레노이드 부재를 포함하여 구성될 수 있다.

상술한 바와 같은 구성에 의한 본 발명은, 원형의 휠(wheel) 내측으로부터 다양한 회전각으로 펼쳐질 수 있는 원호(arc)형상의 스포크(spoke)를 구비하고, 솔레노이드 액츄에이터부에 의해, 선-피니언(sun-pinion) 기어 구조로 휠(wheel)의 회전축에 연결된 스포크와 휠에 동력을 선택적으로 전달하며, 바퀴방식과 다리방식간의 전환이 간단하고 명확하게 이루어질 수 있도록 한다.

스포크의 출몰 여부 또는 출몰 정도에 따라 바퀴방식과 다리방식간의 전환이 연속적으로 이루어질 수 있을 뿐 아니라, 단차의 형태나 크기 등 지형의 변화정도에 따라 원호형상을 가지는 스포크 출몰 길이 내지 각도를 연속적으로 변화시키면서 효율적으로 주행할 수 있다.

바퀴형태를 상시 유지하면서 다수의 스포크를 동시에 출몰조정시키는 작동원리를 간단한 구조로 견고하게 구현하므로, 기존의 바퀴방식이 장애물이나 계단을 오르기 어렵고, 다리방식이 복잡한 메커니즘을 가지고 있고 동력소비가 큰 단점을 극복하는 한편, 평지 주행에 유리한 바퀴방식과 계단 및 장애물 주행에 유리한 다리방식의 장점만을 구현할 수 있다.

도 1 - 본 발명의 일실시예에 따른 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴를 구비한 이동 로봇을 도시한 사시도
도 2 - 도 1에서 스포크가 바퀴 외부로 돌출된 상태를 도시한 사시도
도 3 - 도 2를 저면측에서 도시한 사시도
도 4 - 도 2의 정면도
도 5 - 도 2의 좌측면도
도 6 - 도 2의 평면도
도 7 - 도 2의 저면도
도 8 - 본 발명의 일실시예에 따른 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴를 도시한 요부 투시사시도
도 9 - 본 발명의 일실시예에 따른 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴조립체를 도시한 정면도
도 10 - 도 9의 요부 정면투시도
도 11 - 바퀴 구동방식과 다리 구동방식으로의 변환과정을 순차적으로 도시한 요부 사시도
도 12 - 본 발명의 일실시예에 따른 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴를 구비한 이동 로봇이 바퀴 구동방식과 다리 구동방식으로 연속적으로 전환되며 주행되는 일례를 순차적으로 도시한 개략도

(motor)본 발명은, 원형의 휠(wheel) 내측으로부터 다양한 회전각으로 펼쳐질 수 있는 원호(arc)형상의 스포크(spoke)를 구비하여, 바퀴방식과 다리방식간의 전환 및 스포크 출몰 길이 내지 각도조정이 지형에 맞추어 연속적으로 이루어질 수 있도록 하는 변형 바퀴, 바퀴조립체 및 이를 구비한 이동 로봇에 관한 것이다.

도 1 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴를 구비한 이동 로봇에 관한 도면이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴, 도 9 내지 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴조립체에 관한 도면이다.

이하에서는, 도 8 내지 도 11에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴, 바퀴조립체를 구비한 이동로봇을 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴를 구비한 이동 로봇을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에서 스포크가 바퀴 외부로 돌출된 상태를 도시한 사시도이며, 도 3, 4, 5, 6, 7은 각각 도 2를 저면측에서 도시한 사시도, 정면도, 좌측면도, 평면도, 저면도이다.

도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴를 구비한 이동 로봇은, 베이스(100), 변형 바퀴(200), 이동 액츄에이터(300), 회전 액츄에이터(400), 프레임(500)으로 이루어진 구조를 가진다.

상기 베이스(100)는, 상기 변형 바퀴(200)를 회전가능하게 고정 설치가능한 골조를 제공하는 구성요소로, 상기 이동 액츄에이터(300), 회전 액츄에이터(400)가 탑재되며, 상기 변형 바퀴(200), 이동 액츄에이터(300), 회전 액츄에이터(400)를 설치, 지지가능하다면, 특정한 소재, 구조, 형상으로 한정되지 않는다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴, 즉, 상기 이동 로봇에 구비되는 상기 변형바퀴(200)를 도시한 요부 투시사시도이다.

도 9, 10은 각각 본 발명의 일실시예에 따른 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴조립체를 도시한 정면도, 요부 정면투시도이며, 도 11은 바퀴 구동방식과 다리 구동방식으로의 변환과정에서 변형 바퀴와 변형 바퀴조립체의 구조를 순차적으로 도시한 요부 사시도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴조립체는, 베이스(100), 변형 바퀴(200), 이동 액츄에이터(300), 회전 액츄에이터(400)로 이루어진 구조를 가진다.

상기 변형 바퀴(200)는, 평지 및 계단 모두에서 효율적인 주행이 가능하도록 변형되는 바퀴로서, 도 8을 참조하면, 원형의 휠(wheel)(210)과, 상기 휠(210) 외측으로 출몰되는 보조다리가 되는 스포크(spoke)(220), 상기 휠(210)과 스포크(220)의 회전, 구동을 위한 동력을 전달하는 기어박스(230)로 이루어진다.

상기 휠(210)은, 본 발명의 일시예에 따르면, 상기 스포크(220), 기어박스(230)의 일부를 내부에 수용하면서 커버링하는 하우징을 제공가능한 구조를 가지나, 원형의 가장자리 둘레형상을 가지는 일반적인 바퀴를 포함하여, 바퀴 구동방식을 구현할 수 있다면 특정한 소재, 구조, 형상으로 한정되지 않는다.

상기 스포크(220)는, 상기 휠(210)의 가장자리 내측에 설치되되, 회동에 의해 자유단부가 상기 휠(210) 외측으로 돌출되도록 일측부가 상기 휠(210)에 축결합되며, 본 발명의 일실시예에서는, 상기 휠(210)의 가장자리 내측에 자유단부가 위치한 상태에서 다수가 연속된 원형을 이루도록, 상기 휠(210)의 가장자리부 형상에 대응되는 호(arc)형상을 가진다.

상기 스포크(220)는, 본 발명의 일실시예에 따른 호(arc)형상을 포함하여 동일한 형상을 가지는 다수가, 상기 휠(210)의 회전축을 기준으로 방사방향으로 동일한 거리에 배치되며, 상기 기어박스의 스포크 기어부(232)에 의해 다수가 동일한 변위로 동시에 회동된다.

상기 스포크(220)의 자유단부는 상기 스포크(220)가 상기 휠(210) 외부로 펼텨진 상태에서 지면에 직접 접촉하게 되는 부분으로, 고무와 같은 마찰소재로 구성하면 미끄럼을 방지할 수 있으며, 지면과의 접촉부가 호형상으로 형성됨에 따라

계단이나 장애물의 보조다리의 형상은 평시에 원형의 바퀴 안에 내장될 수 있도록 하였으며

본 발명의 일실시예에서 상기 스포크(220)는 상기 휠(210)의 회전축으로부터 120°각도에 해당되는 호형상을 이루며, 방사방향으로 동일한 거리상에 배치되는 3개가 구비되나, 3개 미만이거나 3개를 초과한 갯수로 구성될 수도 있으며, 전체 각도의 합이 360°를 초과하여 상기 휠(210) 내측으로 접혀진 상태에서 상호간에 일부가 겹쳐진 형상을 가지게 되거나, 전체 각도의 합이 360°미만으로 상호 이격되게 배치되는 실시예들을 포함하여 특정한 구조와 형상으로 한정되지 않는다.

상기 기어박스(230)는, 모터(motor)(410)의 동력을 상기 휠(210)에 전달하는 휠 기어부(231)와, 상기 스포크(220)의 일측부에 전달하는 스포크 기어부(232)와, 상기 모터(410)와 상기 휠 기어부(231) 및 스포크 기어부(232) 사이에서 상기 휠 기어부(231) 및 스포크 기어부(232)에 선택적으로 연결되는 이동 기어부(233)로 이루어진다.

상기 휠 기어부(231)에는, 상기 휠(210)의 회전축과 동축상에 연결되는 제1기어(231a)가 구비되며, 상기 스포크 기어부(232)에는, 상기 스포크(220)의 회동축과 동축상에 연결되는 피니언(232c)과, 상기 휠(210)과 동축상에서 상기 피니언(232c)에 기어 접속되는 선기어(232b)와, 상기 선기어(232b)의 회전축(S1)(도 10 참고)과 동축상에 연결되는 제2기어(232a)가 구비된다.

상기 휠(210)과 제1기어(231a)의 회전축 내지 회전중심부에는 상기 선기어의 회전축(S1)이 관통가능한 홀(도면부호 미표기)이 형성되고, 상기 선기어의 회전축(S1)은 상기 홀을 관통하여 설치됨에 따라, 상기 휠(210)의 회전축 내지 회전중심부상에 위치하게 된다.

상기 선기어의 회전축(S1)의 일단부에는 상기 선기어(232b)가 연결되고, 타단부에는 상기 제2기어(232a)가 연결되며, 이에 따라, 상기 휠(210)과 제1기어(231a)간의 연결부는, 상기 선기어(232b)와 제2기어(232a) 사이에 위치하게 된다.

상기 제1기어(231a)와, 제2기어(232a)는, 서로 동일한 기어치 형상, 갯수를 가지는 동일한 기어부재로 구성되며, 기어치가 형성되지 않은 단면부끼리 면(面)하고 기어치가 형성된 외주면이 서로 연속되도록, 상기 휠(210)의 회전축 및 선기어(232b)의 회전축과 동축상에서 일렬로 배치된다.

도 9, 10을 참조하면, 상기 기어박스의 이동 기어부(233)에는, 상기 제1기어(231a), 제2기어(232a)에 동시 접속 가능한 폭을 가지고 상기 모터(410)의 회전축에 연결되는 이동 기어(233a)가 구비된다.

상기 이동 기어(233a)는, 상기 제1기어(231a)와 제2기어(232a) 전부에 접속된 상태에서 상기 휠(210)과 선기어(232b)를 동일한 회전각변위로 회전시키게 되며, 상기 제2기어(232a)에만 접속된 상태에서 상기 선기어(232b)만을 회전시키게 된다.

상기 피니언(232c)의 회전축(S1)은 상기 휠(210)상에 고정 설치되어, 상기 휠(210) 회전 시, 상기 피니언(232c)은 상기 휠(210)의 회전각변위에 해당되는 만큼 원호형상의 궤적을 이루며 이동하게 된다.

이에 따라, 상기 휠(210)의 회전없이 상기 선기어(232b)만 회전 중인 상태에서는, 상기 피니언(232c)이 고정된 위치에서 상기 선기어(232b)에 맞물려 회전하게 되지만, 상기 휠(210)과 선기어(232b)가 동일한 회전각변위로 회전 중인 상태에서는, 상기 피니언(232c)이 상기 선기어(232b)의 회전각변위에 해당되는 만큼 원호형상의 궤적을 이루며 이동하게 되므로, 회전되지 않는다.

예를 들어, 상기 이동 기어(233a)가 상기 제1기어(231a), 제2기어(232a) 전부에 접속된 상태로 90°회전하는 경우, 상기 휠(210)이 90°회전함과 동시에, 상기 휠(210)에 고정된 상기 피니언(232c)은 상기 휠(210)의 90°에 해당되는 만큼의 원호형상의 궤적을 이루며 이동하고, 이와 동시에 상기 선기어(232b) 또한 90°회전한 상태가 되므로, 상기 선기어(232b)와 피티언(232c)간의 접속지점이 이동없이 동일하게 유지된다.

상기 이동 액츄에이터(300)는, 상기 이동 기어(233a)를 직선변위로 이동시키는 동력을 제공하는 솔레노이드(solenoid)(310)를 구비하여 상기 베이스(100)에 고정설치되며, 본 발명의 일실시예에서는 변위전달구(320)를 추가로 구비하여 상기 솔레노이드(210)의 이동축(도면부호 미표기)과 동축상에 위치하지 않는 상기 이동 기어(233a)측으로 이동력을 전달한다.

상기 솔레노이드(310)에 대해서는 공지기술을 따르므로 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

상기 변위전달구(320)는, 연장구(321)와 기어접속구(322)로 이루어지며, 상기 연장구(321)는 일측부가 상기 솔레노이드(310)의 이동축에 연결되고 타측부가 상기 이동 기어(233a)까지 연장형성되며, 상기 기어접속구(322)는 상기 연장구(321)의 타측부에 연결되고 상기 이동 기어부(233)측으로 돌출되어 상기 이동 기어부(233)의 기어에 접속 또는 고정된다.

상기 기어접속구(322)는, 연결부(322a)와 가압돌출부(322b)로 이루어지며, 상기 연결부(322a)는 상기 솔레노이드(310) 이동축의 직선 이동변위를 따라 연장형성되고 중앙부가 상기 연장구(321)의 타측부에 연결되며, 상기 가압돌출부(322b)는 상기 연결부(322a)의 일측부, 타측부에서 상기 이동 기어부(233)측으로 돌출되어 형성된다.

상기 가압돌출부(322b)는, 상기 연결부(322a)의 일측부, 타측부에서 각각 상기 이동 기어(233a)측으로 돌출된 2개소에서, 상기 이동 기어(233a)의 일단면, 타단면에 각각 접속되어, 상기 솔레노이드(310)의 이동축이 일측으로 이동하면 2개소 중 타측이 상기 이동 기어(233a)의 타단면을 일측측으로 가압하여 밀어내며, 상기 솔레노이드(310)의 이동축이 반대로 이동하면 2개소 중 일측이 상기 이동 기어(233a)의 일단면을 타측측으로 가압하여 밀어내게 된다.

도 9, 10에는, 상기 솔레노이드(310)의 이동축이 솔레노이드 본체(도면부호 미표기) 외부로 신장되지 않고, 상기 이동 기어(233a)가 상기 기어접속구(322)에 의해 좌, 우측 이동이 구속된 상태에서 상기 제2기어(232a)에만 접속되어 있는, 도 11의 (b)에 도시된 바아 같은 상태가 도시되어 있다.

도 9, 10, 도 11의 (b)에 도시된 바와 같은 상태에서, 상기 솔레노이드(310)를 작동시키면, 상기 기어접속구(322)가 상기 솔레노이드(310)의 이동축에 연동하여 직선이동되면서 상기 이동 기어(233a)를 상기 제1기어(231a)측으로 밀어, 상기 이동 기어(233a)는, 도 11의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 제1기어(231a), 제2기어(232a)에 함께 맞물린 상태가 된다.

상기 회전 액츄에이터(400)는, 상기 이동 기어(233a)를 회전시키는 동력을 제공하는 상기 모터(410)를 구비하여 상기 베이스(100)에 고정설치되며, 본 발명의 일실시예에서 상기 모터(410)는 상기 이동 기어(233a)의 회전중심에 회전축(도면부호 미표기)이 연결되어 상기 이동 기어(233a)에 회전력을 직접 전달하게 된다.

상기와 같이 상기 이동 액츄에이터(300), 회전 액츄에이터(400)를 사용함으로써, 간단한 구조로, 상기 스포크(220)가 상기 휠(210) 내측으로 접혀진 바퀴 구동방식과, 상기 스포크(220)가 펼쳐진 다리 구동방식간의 전환을 구현가능하며, 하나의 모터만으로 구현가능함에 따라 그 제어 또한 용이하게 이루어질 수 있다.

본 발명의 일실예에서 상기 프레임(500)은, 주행방향의 좌, 우측에 상기 변형 바퀴(200)가 회전가능하게 고정 설치된 상태로, 주행방향의 전, 후방부에 위치하는 한쌍의 상기 베이스(100)를 연결한다.

상기 프레임(500)은, 계단, 장애물과 같은 양각 단차와의 간섭을 회피하도록 중앙부가 상측으로 굴곡된 원호 형상을 가지며, 전방측으로부터 전방 프레임부(510), 연결 프레임부(520), 후방 프레임부(530)가 연속적으로 연결된 구조를 가진다.

상기 전방 프레임부(510)는, 진행방향의 전방에 위치하는 상기 베이스(100)에 연결되고, 후방측으로 연장형성되며, 상기 후방 프레임부(530)는, 진행방향의 후방에 위치하는 상기 베이스(100)에 연결되고, 전방측으로 연장형성되고, 상기 연결 프레임부(520)는, 상기 전방 프레임부(510)와 후방 프레임부(530)에 양단부가 연결된다.

상기 연결 프레임부(520)는, 상기 전방 프레임부(510)와 후방 프레임부(530)에 양단부가 연결되는 구조를 가지는 것만으로도, 상기 전방 프레임부(510)와 후방 프레임부(530)를 연결하는 버팀대인 동시에, 상기 전방 프레임부(510)와 후방 프레임부(530)간의 충격력 전달을 감쇄하는 현가(懸架)기능을 하는 서스펜션을 제공하게 된다.

상기 연결 프레임부(520)를 금속과 같이 탄성을 가지는 소재로 구성하고, 상기 전방 프레임부(510), 후방 프레임부(530)에 비해 얇은 두께를 가지는 납작한 막대형상으로 형성하는 간단한 구조만으로, 판스프링과 같은 원리로 서스펜션 기능을 구현할 수 있다.

상기 연결 프레임부(520)를 구성함에 있어서, 직선 변위를 가지는 실린더 부재나, 솔레노이드 부재를 구비하면, 길이의 신축 변형정도에 따라 상기 전방 프레임부(510), 후방 프레임부(530)간의 간격을 조정할 수도 있다.

평지에서는, 도 11의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 스포크(220)가 상기 휠(210) 내부로 접혀진 상태에서, 상기 이동 기어(233a)가 상기 제1기어(231a), 제2기어(232a) 모두에 맞물려 상기 휠(210)과 선기어(232b)를 함께 회전시키며, 바퀴 구동방식으로 운행될 수 있다.

계단이나 장애물이 있는 경우, 도 11의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 이동 기어(233a)가 상기 제2기어(232a)에만 맞물리도록, 상기 솔레노이드(310)를 작동시킨 후, 상기 모터(410)를 구동시키면, 도 11의 (c), (d)에 도시된 바와 같이, 상기 피니언(232c)이 회전되면서 상기 스포크(220)를 상기 휠(210) 외부로 펼치게 된다.

상기 스포크(220)를 원하는 각도나 길이(도 11에서는 90°)로 펼친 후에는, 도 11의 (e)에 도시된 바와 같이, 상기 이동 기어(233a)가 상기 제1기어(231a), 제2기어(232a) 모두에 맞물리도록 상기 솔레노이드(310)를 작동시킨다.

상기 이동 기어(233a)가 상기 제1기어(231a), 제2기어(232a) 모두에 맞물린 상태에서, 상기 모터(410)를 구동시키면, 상기 휠(210)과 선기어(232b)는 함께 회전하게 되며, 상기 스포크(220)는, 도 11의 (f), (g)에 도시된 바와 같이, 각도를 그대로 유지하면서, 다리 구동방식으로 운행될 수 있다.

도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴를 구비한 이동 로봇이, 바퀴 구동방식과 다리 구동방식으로 연속적으로 전환되며 주행되는 일례를 순차적으로 도시한 개략도이다.

상기 이동 로봇은, 도 12에 도시된 바와 같이, 바퀴 구동방식과 다리 구동방식으로 상기 변형 바퀴(200)의 형태를 연속적으로 전환하면서, 평지를 주행중인 상태에서, 전방에 계단을 승월한 후, 다시 평지를 주행할 수 있다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 상기 스포크(220)의 출몰 여부 또는 출몰 정도에 따라 바퀴방식과 다리방식간의 전환이 연속적으로 이루어질 수 있을 뿐 아니라, 단차의 형태나 크기 등 지형의 변화정도에 따라 원호형상을 가지는 상기 스포크(220) 출몰 길이 내지 각도를 연속적으로 변화시키면서 효율적으로 주행할 수 있다.

바퀴형태를 상시 유지하면서 다수의 상기 스포크(220)를 동시에 출몰조정시키는 작동원리를 간단한 구조로 견고하게 구현하므로, 기존의 바퀴방식이 장애물이나 계단을 오르기 어렵고, 다리방식이 복잡한 메커니즘을 가지고 있고 동력소비가 큰 단점을 극복하는 한편, 평지 주행에 유리한 바퀴방식과 계단 및 장애물 주행에 유리한 다리방식의 장점만을 구현할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 상기 실시예들을 기존의 공지기술과 단순히 조합적용한 실시예와 함께 본 발명의 특허청구범위와 상세한 설명에서 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 변형하여 이용할 수 있는 기술은 본 발명의 기술범위에 당연히 포함된다고 보아야 할 것이다.

100 : 베이스 200 : 변형 바퀴
210 : 휠 220 : 스포크
230 : 기어박스 231 : 휠 기어부
231a : 제1기어 232 : 스포크 기어부
232a : 제2기어 232b : 선기어
232c : 피니언 233 : 이동 기어부
233a : 이동 기어 300 : 이동 액츄에이터
310 : 솔레노이드 320 : 변위전달구
321 : 연장구 322 : 기어접속구
322a : 연결부 322b : 가압돌출부
400 : 회전 액츄에이터 410 : 모터
500 : 프레임 510 : 전방 프레임부
520 : 연결 프레임부 530 : 후방 프레임부
S1 : 선기어의 회전축 S2 : 피니언의 회전축

Claims

휠(210);
상기 휠(210)의 가장자리 내측에 설치되며, 회동에 의해 자유단부가 상기 휠(210) 외측으로 돌출되도록 일측부가 상기 휠(210)에 축결합되는 스포크(220); 및
모터(410)의 동력을 상기 휠(210)에 전달하는 휠 기어부(231)와, 상기 스포크(220)의 일측부에 전달하는 스포크 기어부(232)와, 상기 모터(410)와 상기 휠 기어부(231) 및 스포크 기어부(232) 사이에서 상기 휠 기어부(231) 및 스포크 기어부(232)에 선택적으로 연결되는 이동 기어부(233)가 구비되는 기어박스(230);
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴.
제1항에 있어서, 상기 스포크(220)는,
상기 휠(210)의 가장자리 내측에 자유단부가 위치한 상태에서 다수가 연속된 원형을 이루도록, 상기 휠(210)의 가장자리부 형상에 대응되는 호(arc)형상을 가지는 것을 특징으로 하는 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴.
제1항에 있어서, 상기 스포크(220)는,
동일한 형상을 가지는 다수가 상기 휠(210)의 회전축을 기준으로 방사방향으로 동일한 거리에 배치되며, 상기 기어박스의 스포크 기어부(232)에 의해 다수가 동일한 변위로 동시에 회동되는 것을 특징으로 하는 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴.
제1항에 있어서, 상기 기어박스(230)는,
상기 기어박스의 휠 기어부(231)에 구비되며, 상기 휠(210)의 회전축과 동축상에 연결되는 제1기어(231a);
상기 기어박스의 스포크 기어부(232)에 구비되며, 상기 스포크(220) 일측부의 회동축과 동축상에 연결되는 피니언(232c);
상기 기어박스의 스포크 기어부(232)에 구비되며, 상기 휠(210)의 회전축과 동축상에서 상기 피니언(232c)에 기어 접속되는 선기어(232b); 및
상기 기어박스의 스포크 기어부(232)에 구비되며, 상기 선기어(232b)의 회전축과 동축상에 연결되고, 상기 제1기어(231a)와 동일한 기어치 형상, 갯수로, 상기 제1기어(231a)와 동축상에 설치되는 제2기어(232a);
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴.
제4항에 있어서,
상기 제1기어(231a)와 제2기어(232a)는, 상기 휠(210)의 회전축 및 선기어(232b)의 회전축과 동축상에서, 기어치가 형성되지 않은 단면부끼리 면(面)하고 기어치가 형성된 외주면이 서로 연속되게 배치되는 것을 특징으로 하는 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 기어박스(230)는,
상기 기어박스의 이동 기어부(233)에 구비되며, 상기 제1기어(231a), 제2기어(232a)에 동시 접속 가능한 폭을 가지고 상기 모터(410)의 회전축에 연결되며, 상기 제1기어(231a)와 제2기어(232a) 전부에 접속된 상태에서, 상기 제2기어(232a)측으로 이동되어 상기 제2기어(232a)에만 접속된 상태로 전환되는 이동 기어(233a);
를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴.
베이스(100);
상기 베이스(100)상에 회전가능하게 고정 설치되는 제1항에 의한 변형 바퀴(200);
상기 베이스(100)에 고정설치되며, 상기 변형 바퀴의 이동 기어부(233)에 구비되는 기어를 직선변위로 이동가능한 동력을 제공하는 솔레노이드(310)가 구비되는 이동 액츄에이터(300); 및
상기 베이스(100)에 고정설치되며, 상기 변형 바퀴의 이동 기어부(233)에 회전축이 연결되는 모터(410)가 구비되는 회전 액츄에이터(400);
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴조립체.
제7항에 있어서, 상기 이동 액츄에이터(300)는,
일측부가 상기 솔레노이드(310)의 이동축에 연결되고 타측부가 상기 이동 기어부(233)까지 연장형성되는 연장구(321)와, 상기 연장구(321)의 타측부에 연결되고 상기 이동 기어부(233)측으로 돌출되어 상기 이동 기어부(233)의 기어에 접속 또는 고정되는 기어접속구(322)가 구비되는 변위전달구(320);
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴조립체.
제8항에 있어서, 상기 변위전달구의 기어접속구(322)는,
상기 연장구(321)의 타측부에 연결형성되고, 상기 솔레노이드(310) 이동축의 직선 이동변위를 따라 연장형성되는 연결부(322a); 및
상기 이동 기어부(233)의 기어의 일단면, 타단면에 각각 접속되도록 상기 연결부(322a)의 일측부, 타측부에서 상기 이동 기어부(233)측으로 돌출되어, 상기 솔레노이드(310) 이동축의 이동방향에 따라 상기 이동 기어부(233)의 기어의 일단면 또는 타단면을 가압하는 가압돌출부(322b);
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴조립체.
베이스(100);
주행방향의 좌, 우측에서 상기 베이스(100)상에 회전가능하게 고정 설치되는 제1항에 의한 변형 바퀴(200); 및
주행방향의 전, 후방부에 위치하는 한쌍의 상기 베이스(100)를 연결하는 프레임(500);
을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴를 구비한 이동 로봇.
제10항에 있어서, 상기 프레임(500)은,
계단, 장애물과 같은 양각 단차와의 간섭을 회피하도록 중앙부가 상측으로 굴곡된 원호 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴를 구비한 이동 로봇.
제10항에 있어서,
상기 베이스(100)에 고정설치되며, 상기 변형 바퀴의 이동 기어부(233)에 구비되는 기어를 직선변위로 이동가능한 동력을 제공하는 솔레노이드(310)가 구비되는 이동 액츄에이터(300); 및
상기 베이스(100)에 고정설치되며, 상기 변형 바퀴의 이동 기어부(233)에 회전축이 연결되는 모터(410)가 구비되는 회전 액츄에이터(400);
를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴를 구비한 이동 로봇.
제10항에 있어서, 상기 프레임(500)은,
진행방향의 전방에 위치하는 상기 베이스(100)에 연결되고, 후방측으로 연장형성되는 전방 프레임부(510);
진행방향의 후방에 위치하는 상기 베이스(100)에 연결되고, 전방측으로 연장형성되는 후방 프레임부(530); 및
상기 전방 프레임부(510)와 후방 프레임부(530)에 양단부가 연결되며, 상기 전방 프레임부(510)와 후방 프레임부(530)간의 충격력 전달을 감쇄하는 서스펜션을 제공하는 연결 프레임부(520);
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴를 구비한 이동 로봇.
제13항에 있어서, 상기 연결 프레임부(520)는,
금속과 같이 탄성을 가지는 소재로 구성되며, 상기 전방 프레임부(510), 후방 프레임부(530)에 비해 얇은 두께를 가지는 납작한 막대형상을 가지는 것을 특징으로 하는 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴를 구비한 이동 로봇.
제13항에 있어서, 상기 연결 프레임부(520)는,
상기 전방 프레임부(510), 후방 프레임부(530)간의 간격을 조정가능하도록, 직선 변위를 가지는 실린더 부재나, 솔레노이드 부재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴를 구비한 이동 로봇.