KR20130108779A - 속도에 따라 차륜간 거리가 자동 조절되는 병렬형 이륜 구조의 자세제어 기반 전동 이동장치 - Google Patents

속도에 따라 차륜간 거리가 자동 조절되는 병렬형 이륜 구조의 자세제어 기반 전동 이동장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바퀴(101), 바퀴커버(102), 자이로센서, 전동모터, 컨트롤러 및 프로세서를 포함하는 본체(103), 본체 손잡이(103a), 슬라이더홈(104)으로 구성된 차륜부(100) 한 쌍과, 슬라이더홈(104)을 따라 이동하는 수직이동부(201), 전동모터와 힌지에 의해 X자형 접철이 가능한 자동접철부(202)로 구성된 차륜연결부(200)와,
본체 외측면의 발판함입부(301), 발판(302)로 구성된 발판부(300) 한 쌍을 포함하여 구성되어, 본체의 자이로센서를 통해 앞뒤와 좌우 기울임을 감지하여 컨트롤러를 통해 전동모터를 제어함으로써 바퀴를 구동하는 것을 특징으로 하는 속도에 따라 차륜간 거리가 자동 조절되는 병렬형 이륜 구조의 자세제어 기반 전동 이동장치가 개시된다.

Description

속도에 따라 차륜간 거리가 자동 조절되는 병렬형 이륜 구조의 자세제어 기반 전동 이동장치 {Attitude control based electric vehicle with parallelled wheel self-controlling the distance of them according to the speed}
본 발명은 자이로센서에 의해 평행상태를 감지하여 좌우륜을 자동 제어하는 전동 이동장치의 좌우측 바퀴가 병렬형으로 배치되어 속도에 따라 바퀴간의 거리가 자동 조절되며 기울임과 충격흡수가 가능한 전동 이동장치에 관한 기술이다.
센서기술이 발전하고, 차량 보급이 한계에 이르러, 4륜 자동차의 형태가 아닌 개인형 교통 수단의 개발이 증가하고 있다. 새그웨이(Segway)라는 1인승 승용장치가 등장하여 조향핸들을 통해 방향을 전환하는 기존의 승용구의 인식을 깨고, 방향 조작을 인체의 중심이동을 통해 제어하는 방식이 보급되었다. 이와 관련한 기술이 바로 공개특허 특2003-0083680 ‘개인용 운반장치의 제어’기술이다. 3축 센서를 활용하여 평행상태를 감지하고 수직상태의 기준값에서 전후좌우의 기울기에 의해 구동방향과 구동량을 조절하여 자동으로 전후진과 좌우회전되는 방식이다. 조향을 신체 중심이동만으로 하는 불완전성을 보완하기 위한 기술로, 공개특허 10-2010-0110761 ‘조향유닛을 포함하는 이륜자기균형 이동차’기술이 있다. 균형상태를 유지함을 통해 방향을 전환함과 동시에 핸들바를 돌려 차체의 방향을 전환할 수도 있도록 한 기술이다. 이러한 기술을 통해 개인이 1인승 교통수단으로 이용할 수 있는 승용장치로 활용될 수 있으나, 이러한 개인용 이동장치는 주된 교통수단으로써의 역할보다는 대중교통수단 이용 전후의 보조적 수단으로 활용되는 것이 적합한 바, 이동과 휴대가 간편할 수 있는 접이식 구조이면 그 유용성이 훨씬 증가할 것이다. 또한, 좌우 병렬형태의 이륜으로 스스로 균형을 잡는 형태의 이동장치가 속도가 증가함에 따라 비교적 고속에서 직진을 유지하는 데 있어서 사용자에게 불안감을 줄 수 있으며, 작은 장애물로 인해 방향을 이탈하거나 전복될 수 있는 바, 직진성이 중요한 고속에서와 방향전환이 중요한 저속에서의 구동 형태를 달리한다면 사용자 입장에서 보다 편이성과 안전성이 향상됨을 느낄 수 있을 것이다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 좌우 한쌍의 바퀴가 병렬형태로 구비되며, 두 바퀴사이를 연결하되 속도가 낮을 경우, 두 바퀴의 거리를 벌여 방향 전환의 안정성을 향상하고, 속도가 높을 경우, 두 바퀴를 밀착시켜 일륜과 같은 직진성을 갖도록 하는 자세 제어 기반의 전동 이동장치의 구조를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명인 속도에 따라 차륜간 거리가 자동 조절되는 병렬형 이륜 구조의 자세제어 기반 전동 이동장치는 바퀴(101), 바퀴커버(102), 자이로센서, 전동모터, 컨트롤러 및 프로세서를 포함하는 본체(103), 본체 손잡이(103a), 슬라이더홈(104)으로 구성된 차륜부(100) 한 쌍과, 슬라이더홈(104)을 따라 이동하는 수직이동부(201), 전동모터와 힌지에 의해 X자형 접철이 가능한 자동접철부(202)로 구성된 차륜연결부(200)와,
본체 외측면의 발판함입부(301), 발판(302)로 구성된 발판부(300) 한 쌍을 포함하여 구성된다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은, 좌우 한쌍의 바퀴가 병렬형태로 구비되며, 두 바퀴사이를 연결하되 속도가 낮을 경우, 두 바퀴의 거리를 벌여 방향 전환의 안정성을 향상하고, 속도가 높을 경우, 두 바퀴를 밀착시켜 일륜과 같은 직진성을 갖도록 가변성을 갖으며, 좌우 바퀴가 각각 완충부를 갖어 노면상태에 구애됨 없이 안정감 있는 주행이 가능함으로써, 편안하고 안전하게 신체의 균형을 조절하여 제어가 가능하고 쉽게 휴대할 수 있어서 대중교통 수단의 이용 전후에 쉽게 활용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 이동장치의 분해도
도 2는 본 발명에 의한 이동장치의 사시도
도 3은 본 발명에 의한 이동장치의 차륜연결부 상세도
도 4는 본 발명에 의한 이동장치의 차륜연결부 설명 도면
도 5는 본 발명에 의한 이동장치의 제어계통 블록도
도 6은 본 발명에 의한 이동장치의 제어 흐름을 나타내는 순서도
도 7은 본 발명에 의한 이동장치의 주행 시 정면도
도 8은 본 발명에 의한 이동장치의 장애물을 통과할 때의 도면
도 9는 본 발명에 의한 이동장치의 발판 구조 도면
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 이동장치의 분해도이다. 바퀴(101), 바퀴커버(102)가 본체(103)에 고정된다. 본체에는 자이로센서(010), 전동모터(013, 014), 배터리(020), 컨트롤러(012) 및 프로세서(011)가 포함되어 자이로센서를 통해 기울임을 파악하며, 프로세서가 기울임 정도에 따라 컨트롤러에 회전 제어하게 된다. 본체(103)의 상단에 본체 손잡이(103a)가 구비되며, 본체 내측 측면에의 슬라이더홈(104)이 구성된다. 본체와 연결된 장치들이 차륜부(100)를 형성하고, 좌우 대칭 형태로 병렬된다. 상기 슬라이더홈(104)을 따라 이동하도록 수직이동부(201)가 구비되며, 수직이동부의 내측으로 전동모터(015)와 힌지에 의해 접철이 가능한 구조의 자동접철부(202)가 구성되어 차륜연결부(200)가 형성된다. 좌우측의 차륜부(100)사이에 차륜연결부가 구비된다. 본체 외측면에 페달형태의 발판(302)이 접혀서 수납되도록 형성된 공간인 발판함입부(301)가 구비되어 발판부(300)를 형성한다. 본체 손잡이(103a) 상단에 결합되는 손잡이 연결봉(401), 핸들그립(402)으로 구성된 손잡이부(400)가 구비된다. 손잡이부는 손잡이(103a)의 상단에 결합되며 착탈이 가능한 구조로 결합된다. 필요에 따라서 손잡이부를 결합할 수도, 제거할 수도 있는 구조이다.
도 2는 본 발명에 의한 이동장치의 사시도이다. 우측의 도면이 도 1에서 설명한 이동장치가 결합된 구조의 사이도이며, 중앙의 도면은 좌우측의 차륜부가 차륜연결부(200)에 의해 당겨져서 밀착된 구조의 사시도이다. 좌측의 도면은 손잡이부가 제거된 구조의 사시도이다.
도 3은 본 발명에 의한 이동장치의 차륜연결부 상세도이다. 자동접철부(202)가 접혀졌을 때 차륜연결부(200)에 함입되기 위한 공간인 접철수납부(201a)가 수직이동부(201)의 내측 측면에 구비된다. 접철수납부(201a)의 측면에 자동접철부(202)가 슬라이드 되도록 유도하는 공간인 접철 슬라이더홈(204)이 형성된다. 차륜부의 슬라이더홈(104) 내측에서 이동되도록 하는 구조의 수직이동 슬라이더(203)가 수직이동부의 외측 양면에 구성된다. 수직이동부(201)는 외측으로는 수직이동 슬라이더(203)에 의해 차륜부 슬라이더홈과 연결되고, 내측으로는 접철수납부(201a)의 접철 슬라이더홈(204)을 통해 자동접철부(202)와 연결되는 구조이다. 수직이동부(201)의 상하부에 용수철 또는 쇽업(shock-up)장치로 형성되는 완충부(205)를 더 포함함으로써, 평행한 한쌍의 바퀴가 연결된 본체(103)를 완충부(205)의 지지와 완충에 의해 기울이거나, 노면의 장애물에 의한 충격을 감소해주는 구조가 형성된다.
도 4는 본 발명에 의한 이동장치의 차륜연결부 설명 도면이다. 좌측의 도면과 같이 자동접철부(202)가 펼쳐진 상태에서 차륜연결부(200)의 자동접철부(202)의 일측 또는 양측을 요철구조로 하여 접철 슬라이더홈(204)에 위치하고, 자동접철부(202)를 힌지와 전동모터에 연결하여 제어부를 통해 회전시키면, 중앙이나 우측 도면과 같이 좌우측의 수직이동부(201)를 끌어당겨, 자동접철부(202)가 밀착되면서 수직이동부(201)가 구비된 좌우측의 차륜부가 맞닿게 되는 구조이다. 자동접철부(202)의 일측이 모터에 의해 회전하게 되고, 자동접철부 두 개의 구조물(202a, 202b)이 힌지로 연결되어 회전력에 의해 부채꼴로 펼쳐지거나 포개어지게 된다. 펼쳐지거나 포개어지는 동작이 바퀴 회전 중에 발생하므로, 바퀴를 구동하는 전동모터와 별도로 차륜 회전 모터를 구비하여 자동접철부(202)를 회전시키며, 회전속도는 낮고 회전력은 강력하여 부드럽지만 견고하게 밀거나 당기는 동작을 수행하여야 좌우측의 차륜부(100)간격 조절이 원활할 수 있다.
도 5는 본 발명에 의한 이동장치의 제어계통 블록도이다. 제어계통의 자이로센서(gyro sensor)는 본체의 상단부나 손잡이(103a)의 내부에 위치하여 차체의 전후좌우 방향으로의 기울임 각도를 감지하게 된다. 자이로 센서는 각도를 감지하는 센서로 각이 변화하는 정도를 감지하는 센서이다. 본 발명에 의한 이동장치를 구성하기 위해서는 X, Y, Z축 중 2축 이상을 감지하여야 한다. 자이로센서를 통해 감지된 기울임 각도를 프로세서(011)에 제공하여, 기울임 방향이나 정도에 따라 구동해야 할 대상을 판단하고, 컨트롤러(012)를 통해 구동 모터를 작동토록 제어한다. 구동되는 모터는 우륜용(013), 좌륜용(014), 차륜 접철용(015) 등 세 개의 모터에 전달되어, 속도와 방향전환, 좌우측 바퀴의 거리 자동 조절 기능을 수행하게 된다. 배터리(020)가 차체 본체의 내부에 구비되어 제어계통에 전력을 공급하여 전동으로 구동할 수 있도록 하며, 충전이 가능하여 지속적으로 사용할 수 있도록 한다.
도 6은 본 발명에 의한 이동장치의 제어 흐름을 나타내는 순서도이다. 스위치를 켜서 작동을 시작하면, 자이로센서가 감지를 개시(S001)한다. 센서의 기울임 방향이 앞쪽인지 확인(S002)하여 앞쪽에 해당하면, 그 기울임 각도의 정도에 맞춰 좌우륜의 구동모터 속도를 동일하게 증가시켜 차체가 전방으로 진행되도록 한다. 속도가 증가되면 회전수를 확인하여 일정속도 이상인지를 판단(S003)한다. 프로세서에 설정되어 있는 기준속도 이상이면 자동접철부를 작동하여 좌우측의 차륜부가 끌어당겨 밀착되도록 한다. 이는 저속에 비해 일정속도 이상일때는 직진성이 더 중요하기 때문에 두바퀴 간의 거리를 최소화하여 일륜과 유사한 구동방식을 구현하기 위함이다. 센서에 의해 차체가 뒤쪽으로 기울어짐으로 확인(S004)되면, 속도를 감소한다. 만약, 속도가 없는 정지상태일 경우에는 역회전을 하여 후진하도록 한다. 속도가 변화함에 따라 다시 속도를 확인(S005)하여, 기준속도 이하이면, 다시 자동접철부를 작동하여 좌우측의 차륜부가 펼쳐지도록 한다. 속도가 낮아지면 중심을 잡아 제어하는 것이 비교적 힘들고, 직진성 보다는 좌우회전이 더 중요함에 따른 판단이다. 좌측으로 기울어질 경우(S006)에는 좌측의 바퀴 속도를 감소하고 우측 바퀴 속도를 증가시켜 좌측으로 방향 전환되도록 하며, 우측으로 기울어질 경우(S007)에는 우측의 바퀴 속도를 감소하고 좌측 바퀴 속도를 증가시켜 우측으로 방향 전환토록 제어한다. 회전속도가 없는 정지 상태에서는 기울이는 방향의 바퀴를 정지해두고 바깥쪽 방향의 바퀴 속도를 증가한다. 비단 앞쪽을 향해서 좌우로 기울이는 것 뿐만 아니라, 뒤쪽으로 몸을 기울이며 좌우로 기울일 수도 있기 때문에 전후진을 모두 고려하여 방향전환 하도록 제어한다. 움직임이 당분간 없으면(S008) 감지를 지속적으로 유지하면서 대기한다. 종료스위치를 누르면(S009), 자동접철부를 작동하여 좌우측의 차륜부 폭이 좁혀져 밀착되어 포개어지도록 위치시킨 후에 종료한다. 이는 사용을 종료하면 휴대나 보관을 위해 차체의 부피가 작아져야 하기 때문이다.
도 7은 본 발명에 의한 이동장치의 주행 시 정면도이다. 상단의 도면<A>는 저속에서 주행되는 모습의 정면도이다. 좌측은 직진할 때의 정면도이고, 우측은 방향전환을 위해 기울이는 형태의 정면도이다. 본 발명에 의한 이동장치는 수직이동부(201)의 상하단에 완충부(205)가 구비되어, 좌우측의 차륜부(100)가 평행한 상태에서 그 높이를 달리할 수 있다. 이에 의해 탑승한 사람이 몸을 좌우로 기울이게 되면 자연스럽게 틸팅(tilting)되는 효과를 갖게 된다. 하단의 도면<B>는 일정속도 이상으로 주행되는 모습의 정면도이다. 일정속도 이상이면 직진성이 더 중요하므로 자동접철부(202)가 회전에 의해 좁혀지면서 좌우측의 차륜부(100)간격을 좁혀 서로 밀착되도록 한다. 거리는 밀착되지만 수직이동부(201)의 완충부(205)가 좌우 차륜부 내측면에 각각 구비되어 있기 때문에 틸팅 기능을 계속 제공할 수 있다.
도 8은 본 발명에 의한 이동장치의 장애물을 통과할 때의 도면이다. 도 7에서 좌우 방향전환을 할 때와 동일하게, 본체 내측면의 슬라이더홈(104)에 위치하는 수직이동부(201)가 상하이동하면서, 수직이동 슬라이더(203)과 완충부(205)에 의해 지지된다. 이는 탑승자가 좌우로 몸을 기울일 때 일정한 힘으로 지지하면서 기울이도록 함과 동시에, 도면에서와 같이 한쪽 바퀴에만 장애물이 걸릴 때는 장애물에 걸린 바퀴만 장애물을 넘어갈 수 있도록 상하 이동할 수 있도록 한다. 이러한 구조를 통해 탑승한 사람은 장애물을 지날 때에도 바르게 서서 이동할 수 있는 것이다.
도 9는 본 발명에 의한 이동장치의 발판 구조 도면이다. 지금까지 설명한 본 발명에 의한 이동장치는 병렬한 두 개의 바퀴를 갖는 구조에 탑승자가 올라타서 몸을 이동시켜 차체가 기울어지는 방향과 정도에 따라 속도를 조절하는 구조이다. 탐승자가 이동장치를 작동시키기 위해서는 본 이동장치에 올라타야 하는데, 처음 올라타거나, 사용을 종료하고 내릴 때를 위해 발판(302)이 고정용 받침대를 갖는 구조이다. 발판에 슬라이드 홈이나 돌출부와 같은 요철부를 구비하고, 슬라이드가 끝나는 지점에 스토퍼 역할의 돌출부를 구비한다. 발판슬라이더 회전부(302a)는 발판의 요철부를 따라 바깥쪽으로 슬라이드되다가 스토퍼 역할의 돌출부에 의해 이동을 정지한다. 정지한 지점을 회전축으로 하여 아래 방향으로 회전하여 지면에 닿도록 함으로써, 좌우측의 차륜부(100)를 지지하게 된다. 이와 같이 좌우측에서 지지하는 상태에서 발판에 발을 올려 올라탄 후, 작동을 시작하기 전에 발판슬라이더 회전부(302a)를 다시 접어 발판(302)에 고정시키고 본 이동장치의 주행을 시작한다. 이처럼, 좌우의 차륜부가 저속이나 정지 상태에서 서로 펼쳐진 구조를 유지함으로써 처음 올라타거나, 사용 후 내릴 때 보다 안정적으로 사용할 수 있는 특징이 있다. 아울러 발판에 신발이 미끌어져 실족하지 않도록 우레탄이나 실리콘 또는 요철구조로 미끄럼을 방지하고, 본체의 외측면에 발목이나 종아리가 닿는 지점에 밀착효과를 높이기 위한 미끄럼방지부(303)를 더 구비하여 진행중에 탑승자의 자세 변화에도 안정적으로 탑승을 유지할 수 있도록 한다.
전술한 본 발명에 따른 속도에 따라 차륜간 거리가 자동 조절되는 병렬형 이륜 구조의 자세제어 기반 전동 이동장치에 대한 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
010 : 자이로센서
011 : 프로세서
012 : 컨트롤러
013 : 우륜 구동 모터
014 : 좌륜 구동 모터
015 : 차륜 접철 모터
020 : 배터리
100 : 차륜부
101 : 바퀴
102 : 바퀴커버
103 : 본체
103a : 손잡이
104 : 슬라이더홈
200 : 차륜연결부
201 : 수직이동부
201a : 접철수납부
202 : 자동접철부
203 : 수직이동 슬라이더
204 : 접철 슬라이더홈
205 : 완충부
300 : 발판부
301 : 발판함입부
302 : 발판
302a : 발판슬라이더 회전부
303 : 미끄럼방지부
400 : 손잡이부
401 : 손잡이연결봉
402 : 핸들그립

Claims (6)

  1. 바퀴(101), 바퀴커버(102), 자이로센서(010), 전동모터(013, 014), 배터리(020), 컨트롤러(012) 및 프로세서(011)를 포함하는 본체(103), 본체 손잡이(103a), 본체 내측의 슬라이더홈(104)으로 구성된 차륜부(100) 한 쌍과;
    상기 슬라이더홈(104)을 따라 이동하는 수직이동부(201), 전동모터(015)와 힌지에 의해 접철이 가능한 구조의 자동접철부(202)로 구성된 차륜연결부(200)와;
    본체 외측면의 발판함입부(301), 발판(302)로 구성된 발판부(300) 한 쌍;을 포함하여 구성됨으로써, 본체의 자이로센서를 통해 앞뒤와 좌우 기울임을 감지하여 컨트롤러를 통해 전동모터를 제어, 바퀴를 구동하는 것을 특징으로 하는 속도에 따라 차륜간 거리가 자동 조절되는 병렬형 이륜 구조의 자세제어 기반 전동 이동장치
  2. 제 1항에 있어서,
    본체 손잡이(103a) 상단에 결합되는 손잡이 연결봉(401), 핸들그립(402)으로 구성된 손잡이부(400) 한 쌍;을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 속도에 따라 차륜간 거리가 자동 조절되는 병렬형 이륜 구조의 자세제어 기반 전동 이동장치
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 차륜연결부(200)가 자동접철부(202)가 접혀졌을 때 함입되기 위한 공간인 접철수납부(201a); 차륜부의 슬라이더홈(104) 내측에서 이동되도록 하는 구조의 수직이동 슬라이더(203); 자동접철부(202)가 접철수납부(201a)내측으로 슬라이드 되도록 하는 접철 슬라이더홈(204); 및 수직이동부(201)의 상하부에 용수철 또는 쇽업(shock-up)장치로 형성되는 완충부(205);를 더 포함하여, 평행한 한쌍의 바퀴가 연결된 본체(103)를 완충부(205)의 지지와 완충에 의해 기울이거나, 노면의 장애물에 의한 충격을 감소해주는 것을 특징으로 하는 속도에 따라 차륜간 거리가 자동 조절되는 병렬형 이륜 구조의 자세제어 기반 전동 이동장치
  4. 제 1항 및 3항에 있어서,
    상기 차륜연결부(200)의 자동접철부(202)가 접철 슬라이더홈(204)을 따라 이동하도록 자동접철부의 일측 또는 양측을 요철구조로 하여 접철 슬라이더홈(204)에 위치하고, 자동접철부(202)를 힌지와 전동모터에 연결하여 제어부를 통해 회전시킴으로써, 자동접철부(202)가 펼쳐지거나 평평하게 포개지는 것을 특징으로 하는 속도에 따라 차륜간 거리가 자동 조절되는 병렬형 이륜 구조의 자세제어 기반 전동 이동장치
  5. 제 1, 3, 4항에 있어서,
    상기 차륜연결부(200)의 자동접철부(202)를 회전시키는 힌지와 전동모터를 본체의 프로세서가 일정 속도 이상일 때 두바퀴간의 거리를 자동으로 좁혀 밀착되도록 컨트롤러를 통해 제어하고, 일정 속도 이하일 때 다시 넓혀지도록 컨트롤하는 것을 특징으로 하는 속도에 따라 차륜간 거리가 자동 조절되는 병렬형 이륜 구조의 자세제어 기반 전동 이동장치
  6. 제 1항에 있어서,
    발판부(300)의 발판(302)이 슬라이드 형태로 외측으로 밀어내고, 스토퍼 형태로 정지시켜, 정지된 지점을 중심삼아 아래로 회전이 가능한 구조의 발판슬라이더 회전부(302a);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 속도에 따라 차륜간 거리가 자동 조절되는 병렬형 이륜 구조의 자세제어 기반 전동 이동장치
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