KR20140070129A - 차량기반 주행 로봇 플랫폼 - Google Patents

Abstract

본 발명인 차량기반 주행 로봇 플랫폼은 지능형 로봇 시스템 구현을 위한 일반적인 메인 컨트롤러 구성을 쉽게 적용해 볼 수 있는 교육용 또는 연구용 플랫폼이다. 본 발명은 네 바퀴의 속도 차에 의해 전진, 후진, 회전 등을 수행할 수 있기 때문에 Differential Skid Steer Platform이라고도 불리운다. 본 발명은 전기식 구동모듈 및 제어장치에 전력을 공급하는 전력 공급원; 상기 전력 공급원으로부터 전력을 공급받아 구동되며, 회전축을 포함하는 스마트 모터; 상기 스마트 모터에 각각 연결되어 회전하는 바퀴축을 포함하는 바퀴; 상기 바퀴의 전자식 및 유압식 제동이 가능한 브레이크; 상기 바퀴를 제어하는 전동식 동력 조향시스템(MDPS); 및 상기 전동식 동력 조향시스템 및 브레이크를 제어하는 메인 컨트롤러; 를 포함하되, 상기 모터 및 바퀴는, 서로 분리가 가능하여, 분리 교체가 가능한 분리형 모듈인 것을 특징으로 한다.

Description

차량기반 주행 로봇 플랫폼{TRAVELLING ROBOT PLATFORM BASED ON VEHICLE}

본 발명은 지능형 시스템 구현을 위한 일반적인 컨트롤러 구성을 쉽게 적용해 볼 수 있는 교육용 또는 연구용 플랫폼에 관한 것으로서, 특히 네 바퀴의 속도차에 의해 전진, 후진 및 회전 등을 수행할 수 있는 유도성 스키드 조향 플랫폼(differential skid steer platform)에 관한 것이다.

차량의 전기 주행 제어장치는 전기로 운용되는 자동차를 제어하기 위한 장치이다. 전기로 운용되는 자동차는 주로 모터를 구동하여 바퀴를 회전시켜 차체를 움직인다. 이때, 많은 전력을 사용하며, 다양한 구성 요소들에 대한 제어가 필요하다. 따라서, 메인 컨트롤러와 전원 공급 장치를 포함한 다양한 구성 요소들 사이의 연결이 필요하다. 이러한 차량의 전기 주행 제어장치는 산업용 플랜트 또는 무인 자율 차량 또는 로봇 등의 모터를 구동하여 운용되는 다양한 시스템에 적용 가능하다.

본 발명의 목적은 복수의 전동식 동력 조향시스템에 의하여 각각의 바퀴를 따로 제어할 수 있는 모듈형 차량기반 주행 로봇 플랫폼에 관한 기술을 제공하는 것이다.

본 발명은, 외부 원격 컨트롤러로부터 제어 명령을 받아 전동식 동력 조향시스템(MDPS) 및 브레이크를 제어하는 메인컨드롤러 및 전원장치를 포함하는 제 1모듈; 및 상기 제 1모듈에 추가적으로 연결되는 적어도 하나 이상의 제 2모듈; 을 포함하되, 상기 제 1모듈 및 제 2모듈은, 상기 전동식 동력 조향시스템(MDPS)에 의하여 제어되는 바퀴; 상기 바퀴에 연결되어 상기 전원장치로부터 공급받은 전력에 의해 회전하는 스마트 모터; 상기 메인 컨트롤러의 제어에 의하여 바퀴를 제동하는 브레이크; 및 상기 바퀴의 방향을 제어하는 전동식 동력 조향 시스템(MDPS); 을 포함하고, 상기 각 모듈의 바퀴는 해당 모듈에 구비된 전동식 동력 조향시스템(MDPS)의 제어에 의해 독립적으로 방향이 제어되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 브레이크는, 독립적인 제동이 가능한 전기 및 유압식의 하이브리드 브레이크인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전원장치는, 스마트 모터 동력용 배터리 및 제어계통 전원용 배터리를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 바퀴 및 스마트 모터는, 서로 분리가 가능하여 개별 교체가 가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 차량기반 주행 로봇 플랫폼은, 상기 모터의 회전축과 상기 바퀴의 바퀴축을 서로 90도의 각도를 이루면서 연결시키는 연결모듈; 을 더 포함하되 상기 연결모듈은, 속력을 감속하기 위한 앵글타입의 감속기인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 바퀴는, 상기 바퀴축의 길이 조정을 함으로써, 차량기반 주행 로봇 플랫폼의 전폭 및 휠폭 조정이 가능한 것이 바람직하다.

위와 같은 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 현재 상용되는 부품의 조합으로 전기식으로 제어되는 차량기반 주행 로봇 플랫폼을 구성할 수 있다.

둘째, 동력원인 모터와 이에 연결된 바퀴가 일체형이 아니어서, 모터와 바퀴 중에서 어느 하나의 부품을 교체할 필요가 있는 경우에, 일체형과 달리 모터와 바퀴 모두를 교체할 필요가 없이 해당 부품만 교체가 가능하여 부품 조달에 경제성이 인정된다.

셋째, 제 1모듈의 바퀴 및 n개의 제 2모듈의 바퀴를 제어하는 전동식 동력 조향시스템(MDPS)이 나뉘어져 있어서 제 1모듈의 바퀴 및 n개의 제 2모듈의 바퀴를 따로 제어가능하기 때문에 주행시 회전반경의 크기를 다양하게 조절할 수 있어서, 주행속도 또는 장소적 제한 요소가 있는 경우에도 적절한 회전이 가능하다.

네째, 메인 컨트롤러에 의하여 제어되는 브레이크는 전자식으로도 유압식 작동이 가능한 하이브리드식 브레이크다.

다섯째, 적재되는 짐의 중량에 따라 다양한 바퀴 수의 플랫폼 형성이 가능하다.

여섯째, 본체와 바퀴를 연결하는 링크의 길이를 조절할 수 있어서, 차체의 변경 없이도 전폭, 휠폭의 조정이 가능하다.

또한, 본 발명은 차량기반 로봇 플랫폼으로서 사용자가 원하는 기능을 얼마든지 추가시켜 사용자 환경에 맞는 주행기반 로봇을 만들 수 있으며 기본 기능으로 원격 조종을 제공함으로써, 운전자의 도움 없이 사람이나 물자를 원하는 시간에 원하는 장소로 운송시킬 수 있을 뿐만 아니라, 운전자가 직접 관여하기 힘든 위험한 상황, 이를테면 군사용, 첩보용, 산업용, 농업용의 주행 로봇으로서 반복 순환하는 일에 사람의 도움이 없이 임무를 수행할 수 있다는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량기반 주행 로봇 플랫폼의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량기반 주행 로봇 플랫폼의 구성에 관한 블록선도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량기반 주행 로봇 플랫폼의 제어에 관한 블록선도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 커브 주행에서의 바퀴 구성을 도시하고 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시에를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성 요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸치 내용을 토대로 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량기반 주행 로봇 플랫폼의 사시도이다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 메인 컨트롤러(111), 두 개의 전동식 동력 조향시스템(MDPS)(112, 113)을 구비하는 전기 주행 제어장치(110)가 세로로 긴 육면체 형태의 프레임 내부에 구비될 수 있다. 프레임 내부 중앙에는 메인 컨트롤러(111)가 구비되고 메인 컨트롤러 전, 후로 스마트 모터가 연결된 바퀴축에 가깝게 전동식 동력 조향시스템(MDPS)(112, 1113)이 육면체 형태의 프레임 내부의 전부, 후부에 구비될 수 있다.

도 2는 본 발명인 차량기반 주행 로봇 플랫폼의 구성 요소의 배치를 도시하고 있다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 차량기반 주행 로봇 플랫폼은 메인 컨트롤러(111), 제 1모듈 전동식 동력 조향시스템(MDPS)(112) 및 제 2모듈 전동식 동력 조향시스템(113)이 구비된 전기 주행 제어장치(110), 네 개의 스마트 모터(121, 122, 123, 124), 네 개의 브레이크(131, 132, 133, 134) 및 두 개의 전지(141, 142)를 포함한다. 전기 주행 제어장치(110)인 메인 컨트롤러(111)와 두 개의 전동식 동력 조향시스템(MDPS)(121)은 CAN(Controller Area Network)에 의하여 연결된다.

메인컨트롤러(111)는 임베디드 실시간 제어 시스템(embedded real time controlling system)으로 FPGA(Field Programmable Gate Arrary)를 이용하여 메인 컨트롤러와 연결되어 있는 하위 시스템을 제어한다.. FPGA(Field Programmable Gate Arrary)는 일반 사용자가 프로그램 가능한 Gate Array라고 할 수 있으며 임베디드 시스템의 Gate Logic을 구현하여 하드웨어를 제어할 수 있는 일종의 개발 플랫폼이다. 따라서 메인컨트롤러와 전동식 동력 조향시스템(MDPS)과 스마트 모터, 브레이크 등 하위 장치들을 컨트롤 할 수 있으며 메인컨트롤러의 FPGA 프로그램 구현은 UDP(user datagram protocol)을 통해 상위 제어기, 즉 PC와 같은 상용 컴퓨터로 메인컨트롤러의 프로그램을 할 수 있다.

전동식 동력 조향장치인 MDPS(Motor Driven Power Steering)는 전기모터를 이용해 조향력을 향상시킬 수 있는 전동 보조 조향 배력장치이다. MDPS는 기존의 유압식과는 달리 주행조건에 따라 전기모터가 자동으로 제어기능을 발휘함으로써 조향의 성능은 물론 주행 감각적인 측면에서도 향상을 가져온다.

도 2에서 메인 컨트롤러(111)와 전동식 동력 조향장치(112, 113)는 CAN으로 연결되어 있으며 12V의 제어용 전지가 전원으로 사용된다. 반면에 메인 컨트롤러(111)는 스마트모터(131, 132, 133, 134)를 RS232 직렬 통신에 의하여 제어를 하며 36V의 구동용 전지가 전원으로 사용된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예인 4륜의 차량기반 주행 로봇 플랫폼을 도시하고 있다. 4륜 중에서 전륜은 제 1모듈 전동식 동력 조향시스템(MDPS)에 의하여 제어되며 후륜은 제 2모듈 전동식 동력 조향시스템(MDPS)에 의하여 제어된다. 모듈형 플랫폼을 직렬로 추가하는 경우 바퀴의 수가 증가될 수 있는데, 각각의 모듈형 플랫폼에는 해당 모듈에 구비되어 있는 바퀴의 제어를 위한 전동식 동력 조향시스템(MDPS)를 구비하고 있는 것이 바람직하다. 전륜, 후륜 및 추가되는 바퀴의 전체적인 전자적 조향은 메인 컨트롤러에 의하여 제어된다.

상기 전륜 또는 후륜의 조향을 제어하는 전동식 동력 조향시스템(MDPS)이 각기 따로 구비되므로 차량기반 주행 로봇 플랫폼의 커브 주행시 전류 및 후륜의 각도를 다르게 제어할 수 있으므로 효과적이다.

도 4는 속도별로 제 1모듈 전동식 동력 조향시스템(MDPS) 및 제 2모듈 전동식 동력 조향 시스템(MDPS)에 의한 전륜 및 후륜의 제어 특성을 도시하고 있다. 도면에서 상부가 전륜이고 하부가 후륜이다. 저속에서 회전 반경을 가장 작게 하여 커브 주행이 가능하다. 중속에서는 전륜만을 제어하여 커브 주행을 하는 경우이다. 고속의 경우 전류 및 후륜의 조향을 모두 같은 각도로 제어하여 차량기반 주행 로봇 플랫폼은 직선 주행을 하게 된다. 엄밀히 말하면 차체의 길이 방향이 아닌 차체의 사선 방향으로 주행이 가능하게 된다.

본 발명의 일 실시에에 있어서, 스마트 모터의 회전축은 바퀴와 일체로 구성되지 않고 스마트 모터와 바퀴가 분리되어 있어서 교체형인 것이 특징이다. 따라서 스마트 모터 또는 바퀴를 교체해야 하는 경우 일체형과 달리 교체 대상이 되는 어느 하나의 부품만 교체할 수 있어서 경제성이 있는 것이 특징이다.

또 하나의 특징으로는 스마트 모터의 회전축과 바퀴의 축이 하나의 축상에 구비되지 않는 것이 특징이다. 즉 스마트 모터와 해당 바퀴의 축은 서로 90도 각도를 이루면서 연결 모듈에 의하여 연결되며 연결 모듈은 모터의 회전 동력을 바퀴에 전달하는 역할을 한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 연결 모듈은 감속기 형태로 구현될 수 있다. 상기 감속기는 앵글 타입의 감속기인 것이 바람직하다.

각각의 바퀴에 구비되는 브레이크는 바퀴의 조향 제어와 함께 제동 제어도 독립적으로 가능하다. 상기 브레이크는 전자식 또는 유압식으로 작동이 가능한 것이 특징이다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 전륜 및 후륜의 바퀴와 차체를 연결하는 링크의 길이를 조절하는 것이 가능하다. 따라서 다양한 크기 또는 폭의 타이어의 사용이 가능하고 휠폭 또는 전폭이 조정 가능한 장점이 있다.

메인 컨트롤러는 전력 분산장치를 제어한다. 전력 분산장치는 전륜 및 후륜에 연결된 스마트 모터에 공급되는 전력을 분배하는 역할을 한다.

한편, 차량기반 주행 로봇 플랫폼의 전기 주행 제어장치(100)는 별도로 구비되는 수신기에 의하여 외부의 이동식 제어기와 무선으로 연결될 수 있다. 이때, 수신기는 RF(Radio Frequency) 대역의 전파를 사용하는 RF 수신기가 될 수 있다. 이 경우, RF 수신기에 의하여 외부의 이동식 제어기와 무선으로 연결되어, 이동식 제어기로부터 주행 명령을 전달받을 수 있다.

실제 각 모듈을 사용하여 본 발명의 일 실시예로 구현이 가능하다. 도 3은 일 실시예에 사용된 보드 및 반도체 소자 및 제어 방식을 도시하고 있다. 스마트 모터의 제어에 RS 232 방식의 통신방식이 사용되고, 전동식 동력 조향시스템(MDPS)에는 CAN이 연결되어 있으며 메인 컨트롤러와의 원격 조종은 RF 방식에 의하며 디지털 출력으로 아날로그 회로를 제어하기 위하여 펄스폭 변조방식(PWN: Pulse Width Modulation)을 사용한다.

본 실시예는 전기 주행 제어장치가 구비된 무인 차량에 적용되는 것으로 설명하였다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 원격 조정할 수 있는 플랫폼에도 당연히 적용 가능하다. 용도 면에서는 산업용 플랜트 및 로봇 시스템을 포함한 농업용 기계, 정보 수집용 차량에까지 CAN 시스템에 적용 가능하다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

100: 차량기반 주행 로봇 플랫폼
110: 전기 주행 제어장치
111: 메인 컨트롤러
112: 제 1모듈 전동식 동력 조향시스템
113: 제 2모듈 전동식 동력 조향시스템
121, 122, 123, 124: 스마트 모터
131, 132, 133, 134: 브레이크
141: 12V의 전원계통 전원용 전지
142: 36V의 스마트 모터 동력용 전지

Claims (4)

1. 외부 원격 컨트롤러로부터 제어 명령을 받아 전동식 동력 조향시스템(MDPS) 및 브레이크를 제어하는 메인컨드롤러 및 전원장치를 포함하는 제 1모듈; 및
   상기 제 1모듈에 추가적으로 연결되는 적어도 하나 이상의 제 2모듈; 을 포함하되,
   상기 제 1모듈 및 제 2모듈은,
   상기 전동식 동력 조향시스템(MDPS)에 의하여 제어되는 바퀴;
   상기 바퀴에 연결되어 상기 전원장치로부터 공급받은 전력에 의해 회전하는 스마트 모터;
   상기 메인 컨트롤러의 제어에 의하여 바퀴를 제동하는 브레이크; 및
   상기 바퀴의 방향을 제어하는 전동식 동력 조향 시스템(MDPS); 을 포함하고,
   상기 각 모듈의 바퀴는 해당 모듈에 구비된 전동식 동력 조향시스템(MDPS)의 제어에 의해 독립적으로 방향이 제어되는 것을 특징으로 하는
   차량기반 주행 로봇 플랫폼.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 브레이크는,
   독립적인 제동이 가능한 전기 및 유압식의 하이브리드 브레이크인 것을 특징으로 하는
   차량기반 주행 로봇 플랫폼.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 전원장치는,
   스마트 모터 동력용 배터리 및 제어계통 전원용 배터리를 포함하는 것을 특징으로 하는
   차량기반 주행 로봇 플랫폼.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 바퀴 및 스마트 모터는,
   서로 분리가 가능하여 개별 교체가 가능한 것을 특징으로 하는
   차량기반 주행 로봇 플랫폼.

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