KR20160141556A - 다기능 이동이 가능한 로봇 바퀴장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차동기어를 이용한 동기식 로봇 바퀴 장치를 도시한 것으로, 그 목적은 실내 및 실외에서 거의 전방향에 유사하게 이동이 가능하고, 취급 하중이 크며, 미끄럼 발생을 최소화할 수 있는 다기능 이동이 가능한 로봇 바퀴장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 로봇 내부에 설치되는 드라이브 모터와 스티어링 모터에 의해 로봇하부에 설치된 다수개의 바퀴장치가 작동되는 이동로봇에 있어서; 상기 바퀴장치는 드라이브 모터와 직접 연결·설치되는 제 1 베벨기어 및 제 1 베벨기어와 연결된 제 1 벨트에 의해 드라이브 모터의 구동력을 동시 전달받는 바퀴 구동축과; 상기 바퀴 구동축 하부에 설치되는 구동 베벨기어와; 상기 구동베벨기어 일측에 체결되어 구동 베벨기어와 일체형으로 회전되는 차동기어부와; 상기 구동베벨기어와 차동기어부가 내부에 위치하도록 설치되는 바퀴 케이스부와; 상기 바퀴 케이스 상부에 설치되고, 바퀴구동축에 베어링 지지되며, 스티어링 모터와 직접 연결·설치되는 제 2 베벨기어 및 제 2 베벨기어와 연결된 제 2 벨트에 의해 스티어링 모터의 구동력을 동시 전달받는 바퀴 회전부와; 상기 구동베벨기어와 차동기어부 및 바퀴 케이스를 관통하고, 회전가능하도록 베어링에 의해 연결·설치되는 회전축과; 상기 바퀴 케이스 양측에 위치하도록 회전축의 양단부에 설치되는 바퀴를 포함하여 구성되어 센서 정보에 따라 자율주행하는 이동로봇을 거의 전방향에 유사하게 이동·가능하도록 한 다기능 이동이 가능한 로봇 바퀴장치를 제공함에 있다.

Description

다기능 이동이 가능한 로봇 바퀴장치{ROBOT WHEELE QUIPMENT HAVING MULTI-MOVEMENT}

본 발명은 차동기어를 이용한 동기식 로봇 바퀴 장치를 도시한 것으로, 센서 정보에 따라 자율주행하는 이동로봇을 모터와 벨트에 의해 거의 전방향에 유사하게 이동이 가능하도록 한 준전방향(Semiomnidirectional)으로 이동할 수 있는 다기능 이동이 가능한 로봇 바퀴장치에 관한 것이다.

일반적으로 연구용, 의료용, 방법용 및 가정용으로 활용되는 이동로봇은 주위환경과 필요에 의하여 전방향(어느방향으로나) 이동이 가능해야 한다.

종래에 사용되고 있는 이동로봇의 전방향 바퀴는 바퀴와 지면이 점접촉에 의해 전방향으로 이동되도록 되어 있어 바닥이 편편한 실내에서는 별 무리가 없으나, 바닥이 고르지 못한 실외에서는 사용할 수가 없었으며, 점접촉에 의해 주행 되므로, 주행시 바퀴의 미끄러짐 현상이 발생되는 문제점이 있었다.

또한, 상기와 같은 문제점을 해소하고자 출원된 미국특허 4,657,104 는 일반적인 로울러를 설치하여 주행시 바퀴의 미끄러짐 현상을 방지하였으나, 이동로봇의 바퀴장치에 하나의 바퀴만 설치되어 있어, 이동로봇의 가속 및 감속시, 이동로봇의 균형에 문제가 발생되었다.

또한, 미국특허 5,609,216 은 상기 미국특허 4,657,104의 단점을 보완한 것으로, 바퀴장치에 설치된 두 개의 회전축에 의해 두 개의 바퀴가 구동되도록 되어 있다. 즉, 상기 회전축은 2중축으로 구성되어 있으며, 두 개의 바퀴는 각각의 베벨기어에 의해 각각의 회전축에 연결되고, 하나의 바퀴 구동축에 의해 2중축으로 구성된 회전축이 서로 반대방향으로 회전하게 된다. 이와 같이 서로 반대방향으로 회전하는 회전축중 중심부에 위치한 제 1 회전축에 의해 일측 바퀴가 구동되고, 상기 제 1 회전축 바깥부에 위치한 제2 회전축에 의해 또다른 바퀴가 구동되어 두 개의 바퀴가 서로 동일한 방향으로 구동하도록 되어 있다.

그러나, 상기 미국특허 5,609,216 은 한 개의 동력축과 2개의 베벨기어를 사용하여 각기 다른 바퀴에 동력이 전달되도록 바퀴 어셈블리 내부가 모두 2중축 구조를 구비하므로, 그 구조가 매우 복잡하고, 제품 단가가 높으며, 로봇무게가 크게 증가하여 배터리 소모량이 많아지는 문제점이 있었다. 또한, 바퀴 어셈블리의 구조가 모듈화되어 있지 않고 일체형으로 구성되어 있어 조립이 용이하지 못하며, 조립후 고장가능성이 높았다.

또한, 상기 동력전달축과 연결되는 2개의 베벨기어는 바퀴의 회전방향이 서로 반대방향이 되도록 동력전달 축의 상/하부에 치합되어 있으므로, 동력전달축에 의해 동력전달시 두 개의 바퀴는 동일한 속도로 회전하게 된다. 즉, 상기 이동로봇의 회전(방향전환)시에는 스티어링 모터 및 드라이브 모터를 같이 구동시켜주어야만 이동로봇이 원활하게 회전하는 불편함이 있는등 여러가지 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 실내 및 실외에서 거의 전방향에 유사하게 이동이 가능하고, 취급 하중이 크며, 미끄럼 발생을 최소화함과 동시에, 매우 경제적인 다기능 이동이 가능한 로봇 바퀴장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 로봇 내부에 설치되는 드라이브 모터와 스티어링 모터에 의해 로봇하부에 설치된 다수개의 바퀴장치가 작동되는 이동로봇에 있어서;

상기 바퀴장치는 드라이브 모터와 직접 연결·설치되는 제 1 베벨기어 및 제 1 베벨기어와 연결된 제 1 벨트에 의해 드라이브 모터의 구동력을 동시 전달받는 바퀴 구동축과;

상기 바퀴 구동축 하부에 설치되는 구동 베벨기어와; 상기 구동베벨기어 일측에 체결되어 구동 베벨기어와 일체형으로 회전되는 차동기어부와; 상기 구동베벨기어와 차동기어부가 내부에 위치하도록 설치되는 바퀴 케이스부와;

상기 바퀴 케이스 상부에 설치되고, 바퀴구동축에 베어링 지지되며, 스티어링 모터와 직접 연결·설치되는 제 2 베벨기어 및 제 2 베벨기어와 연결된 제 2 벨트에 의해 스티어링 모터의 구동력을 동시 전달받는 바퀴 회전부와; 상기 구동베벨기어와 차동기어부 및 바퀴 케이스를 관통하고, 회전가능하도록 베어링에 의해 연결·설치되는 회전축과; 상기 바퀴 케이스 양측에 위치하도록 회전축의 양단부에 설치되는 바퀴를 포함하여 구성되어 센서 정보에 따라 자율주행하는 이동로봇을 거의 전방향에 유사하게 이동·가능하도록 한 다기능 이동이 가능한 로봇 바퀴장치를 제공함에 있다.

이와 같이 본 발명은 센서 정보에 따라 자율주행하는 이동로봇에 두 개의 모터를 설치하고, 상기 모터의 구동력을 각각의 벨트에 의해 고무 바퀴 및 바퀴 케이스에 전달하도록 되어 있어 실내·외에서 거의 전방향에 유사하게 이동이 가능하다. 또한, 상기 바퀴 케이스내에 차동기어부를 설치하여 이동 로봇의 진행 방향 변경시 바퀴 케이스 양측에 설치된 각각의 바퀴가 서로 다른 속도로 회전되므로 고무 바퀴의 미끄럼 발생을 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명은 차동기어에 의해 스티어링 모터가 작동할 시, 드라이브 모터에 관계없이 2개의 바퀴가 용이하게 회전되므로, 이동로봇의 방향전환을 위하여 스티어링 모터와 드라이브 모터를 동시에 작동시킬 필요가 없는 등 많은 효과가 있다.

도 1 은 본 발명의 개략도
도 2 는 본 발명에 따른 로봇 바퀴 개략도
도 3 은 본 발명에 따른 동기식 로봇 바퀴의 작동상태도
도 4 는 본 발명에 따른 로봇 바퀴 상부 구성도
도 5 는 본 발명에 따른 로봇 바퀴 구성도

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용이 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 개략도를 도시한 것으로, 본 발명은 이동 로봇의 바퀴(40)를 구동시키는 드라이브 모터(10)와, 상기 모터(10)의 구동력을 제 1 베벨기어벨트(14)와 풀리(11,11`,11″)에 의해 다수개의 바퀴구동축(12,12`,12″)에 동시 전달하는 제 1 벨트(13)와, 상기 이동 로봇의 진행방향을 변경하는 스티어링 모터(20)와, 상기 스티어링 모터(20)의 구동력을 제 2 베벨기어(24)와 풀리(21,22`,22″)에 의해 다수개의 바퀴 케이스부(22,22`,22″)에 동시 전달하는 제 2 벨트(23)와, 상기 스티어링 모터(20)의 구동력을 풀리(21,22`,22″)에 의해 전달받아 이동로봇의 회전시 양쪽 바퀴(40)를 서로 다른 속도로 회전시켜 주는 차동기어부(30)로 구성되어 있다.

상기 드라이브 모터(10)는 이동 로봇의 구동축(12,12`,12″)을 회전시켜 바퀴(40)를 작동시키는 것으로, 도 4 에 도시된 바와 같이 일측 바퀴 구동축(12)에 설치된 제 1 베벨기어(14)와 연결되도록 이동 로봇하단(50) 내부에 설치된다. 이때 상기 제 1 베벨기어(14)는 제 1 풀리(11)에 연결되어 있으며, 상기 제1 베벨기어(14)와 제 1 풀리(11)는 동일 구동축(12)을 구비한다.

상기 제 1 벨트(13)는 드라이브 모터(10)의 구동력을 다수개의 바퀴 구동축(12,12`,12″)에 동시에 전달하는 것으로, 일측 바퀴 구동축(12)에 설치된 제 1 베벨기어(14)에 연결·설치되어있는 제 1 풀리(11)와, 또다른 바퀴 구동축(12`,12″)에 설치된 제 1`풀리(11`) 및 제 1″풀리(11″)를 서로 연결하여 드라이브 모터(10)에 의한 제 1 베벨기어(14)의 작동시, 상기 제 1 베벨기어(14)와 동시 회전하는 제 1 풀리(11)에 의해 모터(10)의 구동력을 제 1`풀리(11`) 및 제 1″풀리(11″)에 전달한다.

상기 스티어링 모터(20)는 이동 로봇의 고무바퀴(40)와 고무바퀴(40) 사이에 설치된 바퀴 케이스(22,22`,22″)를 회전시켜 이동 로봇의 진행 방향을 변경하는 것으로, 도 4 에 도시된 바와 같이 이동 로봇의 일측 바퀴 케이스(22`)와 연결된 바퀴 회전부(25`)에 설치되어 있는 제 2 베벨기어(24)와 연결되도록 이동 로봇 하단(50) 내부 일측에 설치되어 있다. 상기 제 2 베벨기어(24)는 제 2` 풀리(21`)에 연결되어 있으며, 제 2 베벨기어(24)와 제 2` 풀리(21`)는 동일 회전축을 구비한다.

상기 제 2 벨트(23)는 스티어링 모터(20)의 구동력을 다수개의 바퀴 케이스(22,22`,22″) 및 어퍼 바디축(60)에 동시 전달하는 것으로, 이동 로봇의 일측 바퀴 회전부(25`)에 설치된 제 2 베벨기어(24)와 연결되도록 설치된 제 2` 풀리(21`)와, 이동 로봇의 또다른 바퀴 회전부(25,25″)에 설치된 제 2 풀리 및 제 2″풀리(도시없음)를 서로 연결하여 스티어링 모터(20)에 의한 제 2 베벨기어(24)의 작동시, 상기 제 2 베벨기어(24)와 동시 회전하는 제 2` 풀리(21`)에 의해 모터(20)의 구동력을 제 2 풀리 및 제 2″풀리(도시없음)에 전달하고, 이동 로봇의 중심부에 위치한 어퍼 바디 축(60)에 모터(20)의 구동력을 전달하여 이동 로봇의 진행 방향과 이동 로봇 어퍼 바디의 방향을 동일하게 한다.

상기 차동기어부(30)는 이동 로봇의 고무바퀴(40)와 고무바퀴(40) 사이에 설치되어 있는 바퀴 케이스(22,22`,22″)내부에 설치되는 것으로, 스티어링 모터(20)에 의한 회전부(25,25`,25″) 및 바퀴 케이스(22,22`,22″)의 회전시 즉, 이동 로봇의 진행 방향 변경시 바퀴 케이스(22,22`,22″) 양쪽에 설치된 고무바퀴(40)와 고무바퀴(40)를 서로 다른 속도로 회전시킨다.

도 2 는 본 발명에 따른 로봇 바퀴 개략도를 도시한 것으로, 드라이브 모터(10)의 구동력이 제 1 베벨기어(14)와 제 1 풀리(11) 및 제 1 벨트(13)에 의해 각각의 바퀴 구동축(12,12`,12″)에 전달되면, 상기 드라이브 모터(10)의 구동력은 바퀴 구동축(12,12`,12″) 하부에 설치된 구동 베벨기어(15)를 통해 바퀴 케이스(22,22`,22″) 양쪽에 설치된 고무 바퀴(40)에 전달된다. 즉, 이동 로봇의 하단 내부에 설치된 드라이브 모터(10)가 작동하면, 드라이브 모터(10)의 구동력은 제 1 베벨기어(14)에 전달되고, 상기 제 1 베벨기어(14)의 구동력은 일측 바퀴 구동축(12)에 전달됨과 동시에, 상기 제 1 베벨기어(14)에 설치된 제 1 풀리(11) 및 제 1 벨트(13)를 통해 또다른 바퀴 구동축(12`,12″)의 제 1`,1″풀리(11`,11″)에 동시 전달되어 각각의 바퀴 구동축(12,12`,12″) 하부에 설치된 구동 베벨기어(15)에 전달된다.

도 3 은 본 발명에 따른 동기식 로봇 바퀴의 작동상태도를 도시한 것으로, 이동 로봇의 하단(50) 내부에 설치된 스티어링 모터(20)가 작동되면 상기 스티어링 모터(20)의 구동력은 제 1 베벨기어(14)가 설치되지 않은 일측 바퀴의 바퀴 회전부(25`)에 설치된 제 2 베벨기어(24)에 전달되고, 상기 제 2 베벨기어(24)의 구동력은 바퀴 회전부(25`)에 의해 바퀴 케이스(22`)에 전달됨과 동시에, 상기 제 2 베벨기어(24)와 연결되어 설치된 제 2` 풀리(21`) 및 제 2 벨트(23)를 통해 또 다른 바퀴 회전부(25,25″)의 제 2 풀리 및 제 2″풀리(도시없음)에 동시 전달된다. 상기 바퀴 회전부(25,25`,25″)는 바퀴 케이스(22,22`,22″)에 볼트결합되어 있으므로, 스티어링 모터(20)의 회전력이 바퀴 케이스(22,22`,22″)에 전달되어 이동로봇 진행 방향이 변경된다. 이때 상기 스티어링 모터(20)의 회전력은 제 2 벨트(23)에 의해 어퍼 바디 축(60)에도 전달되어 이동 로봇의 진행방향 변경시 이동 로봇 어퍼 바디의 방향이 진행방향과 동일하게 된다.

도 5 는 본 발명에 따른 로봇 바퀴 구성도를 도시한 것으로, 바퀴 케이스(22,22`,22″)내로 구동 베벨기어(15)가 설치된 이동로봇의 바퀴 구동축(12,12`,12″) 하부가 삽입되고, 상기 구동 베벨기어(15)에 의해 작동되는 고무 바퀴(40)가 회전축(17)에 의해 바퀴 케이스(22,22`,22″) 양쪽에 설치되며, 상기 구동 베벨기어(15) 일측에 차동기어부(30)가 체결되어 있다.

상기 차동기어부(30)는 구동 베벨기어(15)에 일측면이 체결되는 기어박스(34)와, 상기 기어박스(31)내로 삽입된 회전축(17)에 각각 설치되는 제 2, 3 기어(32,33)와, 상기 기어박스(34)와 베어링(35)에 의해 지지되고, 제 2, 3 기어(32,33)의 상부 일측에 양측이 치합되는 제 1 기어(31)와, 상기 제 1 기어(31)의 기어박스(34) 이탈을 방지하는 방지대(36)로 구성되어 있다.

또한, 상기 바퀴 구동축(12,12`,12″)과 회전축(17)은 바퀴 케이스(22,22`,22″)와 베어링(18,19)에 의해 지지되고, 구동 베벨기어(15) 일측에 체결된 차동기어부(30)는 회전축(17)과 베어링(16)에 의해 지지되며, 상기 바퀴 케이스(22,22`,22″) 상부는 회전부(25,25`,25″)와 볼트결합되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 이용하여 이동 로봇을 이동시키고자 할 경우, 드라이브 모터(10)를 작동시키면, 상기 드라이브 모터(10)의 구동력은 제 1 베벨기어(14)와 제 1, 1`, 1″풀리(11,11`,11″) 및 제 1 벨트(13)를 통해 각각의 바퀴 구동축(12,12`,12″)에 전달되고, 상기 바퀴 구동축(12,12`,12″)은 모터(10)의 구동력을 전달받아 바퀴 구동축(12,12`,12″) 하단부에 설치된 구동 베벨기어(15) 및 구동 베벨기어(15) 일측에 설치된 차동기어부(30)의 기어박스(34)를 동일한 방향으로 회전시킨다. 이와 같이 차동기어부(30)가 회전하게 되면, 기어박스(34)에 베어링 지지된 제 1 기어(31)가 회전축(17)을 중심으로 공전하여 회전축(17)에 설치된 제 2, 3 기어(32,33)를 동일한 방향으로 회전시키게 되므로, 회전축(17)의 양단에 설치된 고무 바퀴(40)가 동일한 방향으로 작동하게 된다.

또한, 본 발명을 이용하여 이동 로봇의 진행방향을 변경하고자 할 경우, 스티어링 모터(20)를 작동시키면, 상기 스티어링 모터(20)의 구동력은 제 2 베벨기어(24)와 제 2`풀리(21`), 제 2 풀리(21), 제 2″풀리(도시없음) 및 제 2 벨트(23)를 통해 각각의 바퀴 케이스(22`,22,22″) 상부에 체결된 회전부(25`,25,25″)에 전달되고, 상기 회전부(25`,25,25″)는 모터(20)의 구동력을 바퀴 케이스(22`,22,22″)에 전달하여 이동 로봇의 진행방향을 변경한다. 또한 상기 제 2 벨트(23)는 이동 로봇의 어퍼 바디와 연결된 어퍼 바디 축(60)과 연결되어 있으므로, 이동 로봇의 진행방향 변경시 어퍼 바디 역시, 로봇의 진행방향과 동일한 방향으로 향하게 된다. 이때 상기 바퀴 케이스(22,22`,22″) 양쪽에 설치된 고무 바퀴(40)는 차동기어부(30)에 의해 이동 로봇의 진행방향 변경시, 변경되는 방향에 따라 내측 바퀴의 회전력이 외측 바퀴의 회전력보다 감소된다. 즉, 이동 로봇의 진행 방향 변경시 바퀴 케이스(22,22`,22″) 양쪽에 설치된 고무 바퀴(40)가 서로 다른 속도로 작동하므로, 미끄러지지 않고 원활하게 회전한다.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조해 설명했지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

(10) : 드라이브 모터 (11) : 제 1 풀리
(11`) : 제 1` 풀리 (11″): 제 1″풀리
(12,12`,12″): 바퀴 구동축 (13) : 제 1 벨트
(14) : 제 1 베벨기어 (15) : 구동 베벨기어
(16,18,19): 베어링 (17) : 회전축
(20) : 스티어링 모터 (21) : 제 2 풀리
(21`) : 제 2` 풀리 (22,22`,22″): 바퀴 케이스부
(23) : 제 2 벨트 (24) : 제 2 베벨기어
(25,25`,25″): 바퀴 회전부 (30) : 차동 기어부
(31) : 제 1 기어 (32) : 제 2 기어
(33) : 제 3 기어 (34) : 기어박스
(35) : 베어링 (36) : 방지대
(40) : 바퀴 (50) : 이동 로봇 하단
(60) : 어퍼 바디 축

Claims (2)

1. 로봇 내부에 설치되는 드라이브 모터와 스티어링 모터에 의해 로봇하부에 설치된 다수개의 바퀴장치가 작동되는 이동로봇에 있어서;
   상기 바퀴장치는 드라이브 모터와 직접 연결·설치되는 제 1 베벨기어 및 제 1 베벨기어와 연결된 제 1 벨트에 의해 드라이브 모터의 구동력을 동시 전달받는 바퀴 구동축과,
   상기 바퀴 구동축 하부에 설치되는 구동 베벨기어와,
   상기 구동베벨기어 일측에 체결되어 구동베벨기어와 일체형으로 회전되는 차동기어부와,
   상기 구동베벨기어와 차동기어부가 내부에 위치하도록 설치되는 바퀴 케이스부와,
   상기 바퀴 케이스 상부에 설치되고, 바퀴구동축에 베어링 지지되며, 스티어링 모터와 직접 연결·설치되는 제 2 베벨기어 및 제 2 베벨기어와 연결된 제 2 벨트에 의해 스티어링 모터의 구동력을 동시 전달받는 바퀴 회전부와,
   상기 구동베벨기어와 차동기어부 및 바퀴 케이스를 관통하고, 회전가능하도록 베어링에 의해 연결·설치되는 회전축과,
   상기 바퀴 케이스 양측에 위치하도록 회전축의 양단부에 설치되는 바퀴를 포함하여 구성되어 센서 정보에 따라 자율주행하는 이동로봇을 거의 전방향에 유사하게 이동·가능하도록 한 것을 특징으로 하는 다기능 이동이 가능한 로봇 바퀴장치.
2. 제 1 항에 있어서;
   상기 차동기어부는 구동 베벨기어에 일측면이 체결되는 기어박스와,
   상기 기어박스내로 삽입된 회전축에 일정간격을 유지하고 각각 설치되는 제2, 3 기어와,
   상기 기어박스와 베어링에 의해 지지되고, 양측에 제 2, 3 기어의 상부 일측이 치합되는 제 1 기어와,
   상기 제 1 기어의 기어박스 이탈을 방지하는 방지대로 구성된 것을 특징으로 하는 다기능 이동이 가능한 로봇 바퀴장치.

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