KR20170099683A - 안정된 자세를 유지하는 볼 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안정된 자세를 유지하는 볼 로봇을 개시한다.
본 발명은, 드로이드 프레임의 하부에 자유롭게 회전 가능하게 위치되는 볼과; 볼의 인접된 드로이드 프레임상에 마련되며, 볼상에 자유로운 회전력을 부여하도록 볼의 상부에 3군데 등간격으로 배치되는 옴니휠 어셈블리와; 드로이드 프레임상에 마련되며, 옴니휠 어셈블리상에 가변적인 회전력을 부여하도록 모터와 감속기로 이루어진 구동수단과; 드로이드 프레임의 하부에 90도 등간격으로 마련되며, 볼의 균형을 회복시키기 위한 복원력을 발생시키는 CMG 유닛;을 포함하여 된 것을 특징으로 하는 것으로서, 옴니휠 어셈블리를 구성하는 대, 소 구동롤러를 통해 효율적인 힘의 전달과 회전력을 부여할 수 있게 되며 특히, 제자리 회전 등과 같은 다양한 방향성을 제시할 수 있는 효과가 있다.
또한 CMG 유닛을 통해 볼의 균형성을 확보할 수 있게 됨으로써 안정성을 동시에 도모할 수 있는 효과가 있다.

Description

안정된 자세를 유지하는 볼 로봇{Ball robot tmaintaining stable posture}

본 발명은 볼 로봇에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 슬립이 발생되지 않도록 회전력을 볼에 공급할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 방향으로 볼에 회전력을 부여할 수 있도록 함으로써 다양한 방향성을 제시할 수 있는 것은 물론이고, 특히 균형성을 확보함으로써 안정성까지 확보할 수 있는 안정된 자세를 유지할 수 있는 볼 로봇에 관한 것이다.

일반적으로, 볼-로봇 혹은 볼-봇은 로봇이 구체(볼) 상단부에 위치하여 구체를 제어함으로 전 방향 이동성을 가지는 로봇을 통칭한다.

이때 구체와 지면의 접지면은 협소하며 전 방향 이동성을 가지기 때문에 주로 공간 제약이 심한 실내 환경에서의 편리한 이동을 목표로 이용된다.

구체위에서 로봇이 구체를 제어하기 위해 3개 혹은 4개의 휠이 구체에 위치하게 된다.

이때 접지면을 밀어주기 위해 쓰이는 휠은 일반 휠 혹은 옴니 휠을 사용하며, 이 휠을 구동하기 위한 모터가 위치하게 된다.

이러한 기구적 구조는 균형적으로 불안한 모습을 보이나 안정성을 향상시키기 위해 상단부 몸체의 각 방향의 기울기와 속도 및 가속도를 측정할 수 있는 자이로스코프를 사용하여 로봇에 장착된 제어 컴퓨터에 입력한다.

이들은 로봇을 구동하기 위해 공을 어떻게 움직여야 하는지 계산하고 하단의 모터들을 움직이게 된다.

하지만 이러한 일반적인 휠이나 옴니휠을 이용한 방법은 공에 모터의 힘 전달이 용이하지 않거나 불필요한 슬립이 많이 일어나는 문제점이 생기는 것은 물론이고, 회전 등 다양한 방향성을 제시할 수 없는 문제점이 내재되어 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 특허출원 제10-2014-0044007호를 통해 메카넘 휠을 이용한 볼 로봇이 제안되어 있다.

이는 도 1에 나타내 보인 바와 같이 메카넘 휠을 이용한 볼-로봇은 볼-로봇 몸체 하부에 형성되되 전방향 회전가능한 볼과, 각각의 중앙에는 각각의 구동을 위한 구동모터의 구동축이 형성되되 구동축의 둘레를 따라 구동축의 각도와과 다른 각도를 가지는 복수개의 롤러들이 형성되는 것이며 볼의 원주를 따라 기설정된 간격으로 각각 이격되어 구비되는 복수개의 메카넘 휠들과, 적어도 두개의 축 방향에 대한 기울기를 측정할 수 있는 기울기 센서와, 기울기 센서의 출력에 따라 메카넘 휠들을 구동하는 제어부를 포함한다.

이에 따른 메카넘 휠을 이용한 볼-로봇은 Roll축과 Pitch축 각각 2개씩 4개의 DC모터가 각각 독립적으로 동작하며 이것에 연결된 메카넘 휠이 회전하여 제어된다.

상기 기울기 센서는 로봇의 Roll축과 Pitch축 기울기를 측정할 수 있는 센서일 수 있다.

이에 따른 메카넘 휠을 이용한 볼-로봇에 있어서, 구체인 볼의 중심과 복수개의 메카넘 휠의 구동축이 일치되는 것이 바람직하다.

이와 같은 종래 메카넘 휠을 이용한 볼 로봇의 경우에는 통상의 볼 로봇에 비할 때 슬립의 감소와 힘 전달 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

하지만 이와 같은 장점에도 불구하고 메카넘 휠을 이용한 볼 로봇은 제자리 회전과 같은 방향의 다양성이 떨어지는 것은 물론이고, 효율적인 힘의 전달이 떨어지는 문제점은 그대로 내재하고 있다.

이외에도 오직 기울기 센서를 통해 메카넘 휠을 제어하는 것이기 때문에 균형성 즉, 볼의 안전성을 추구하지 못하는 문제점이 야기된다.

따라서 사용자의 볼 로봇을 직접 구동할 시에는 불균형성에 의한 안전사고가 발생될 치명적인 문제점이 내재되어 있다.

상술한 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은, 3쌍의 옴니휠 어셈블리를 통해 제자리 회전은 물론이고 다양하게 방향성을 제시할 수 있을 뿐만 아니라 슬립의 억제 및 효과적인 힘의 전달을 꾀할 수 있으며, 특히 Control Moment Gyroscope unit(이하 CMG 유닛이라 약칭함)을 통해 볼의 균형성을 확보할 수 있도록 함으로써 안전성을 동시에 도모할 수 있는 안정성을 구비한 볼 로봇을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 안정된 자세를 유지하는 볼 로봇은, 드로이드 프레임의 하부에 자유롭게 회전 가능하게 위치되는 볼과; 상기 볼의 인접된 드로이드 프레임상에 마련되며, 볼상에 자유로운 회전력을 부여하도록 볼의 상부에 3군데 등간격으로 배치되는 옴니휠 어셈블리와; 상기 드로이드 프레임상에 마련되며, 옴니휠 어셈블리상에 가변적인 회전력을 부여하도록 모터와 감속기로 이루어진 구동수단과; 상기 드로이드 프레임의 하부에 90도 등간격으로 마련되며, 볼의 균형을 회복시키기 위한 복원력을 발생시키는 4 개의 CMG 유닛;을 포함하여 된 것을 그 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 한 특징은, 상기 옴니휠 어셈블리는 드로이드 프레임상에 고정 설치되는 옴니휠 프레임과; 상기 옴니휠 프레임의 외주변을 따라 소직경과 대직경이 교호적으로 배열 설치되어 모터로 부터의 회전력을 축 방향으로 전달하는 대, 소 구동롤러;로 이루어지되, 상기 각 대, 소 구동롤러는 각각 케이싱을 중심으로 베어링을 통해 케이싱상에 회전 가능하게 축 지지되어 축 방향과 수직되는 방향으로 회전 가능하게 설치되는 것에 있다.

본 발명의 바람직한 다른 한 특징은, 상기 CMG 유닛은 드로이드 프레임상에 고정 설치되며, 일측에는 짐볼 모터와 감속기가 마련된 CMG 프레임과; 상기 CMG 프레임상에 짐볼 회전축을 통해 회전 가능하게 위치되는 짐볼 프레임과; 상기 짐볼 프레임상에 마운트된 베어링에 의해 회전 가능하게 지지되며, 플라이휠 모터와 감속기를 통해 회전력을 전달받는 플라이휠과; 상기 CMG 프레상에 위치된 짐볼 모터와 감속기로 부터의 회전력을 짐볼 회전축에 전달하기 위한 타이밍 벨트와 스프로킷;을 포함하여 된 것에 있다.

제안되는 실시예에 의하면, 옴니휠 어셈블리를 구성하는 대, 소 구동롤러를 통해 효율적인 힘의 전달과 회전력을 부여할 수 있게 되며, 특히 제자리 회전 등과 같은 다양한 방향성을 제시할 수 있는 효과가 있다.

또한 CMG 유닛을 통해 볼의 균형성을 확보할 수 있게 됨으로써 안전성을 동시에 도모할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 메카닉 휠을 이용한 볼 로봇의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 안전성이 구비된 볼 로봇의 요부 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 안전성이 구비된 볼 로봇에 있어서 옴니휠 어셈블리를 발췌하여 나타낸 평면도.
도 4는 CMG 유닛을 발췌하여 나타낸 구성도.
도 5는 CMG 유닛의 배치 및 동작 모식도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 볼 로봇 구동장치를 상세히 설명한다.

먼저 도 2는 본 발명에 따른 안전성이 구비된 볼 로봇의 요부 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 안전성이 구비된 볼 로봇에 있어서 옴니휠 어셈블리를 발췌하여 나타낸 평면도, 도 4는 CMG 유닛을 발췌하여 나타낸 구성도이고, 도 5는 CMG 유닛의 배치 및 동작 모식도이다.

도시되어진 바와 같이, 본 발명에 따른 안전성이 구비된 볼 로봇은, 드로이드 프레임(110)의 하부에 자유롭게 회전 가능하게 위치되는 볼(100)을 구비한다.

그리고 이 볼(100)과 인접된 드로이드 프레임(110)의 상부측에는 볼(100)에 자유로운 회전력을 부여하기 위한 것으로서 옴니휠 어셈블리(200)가 3곳 등간격으로 배치된다.

이 옴니휠 어셈블리(200)의 상세 구조를 보면, 드로이드 프레임상에 고정 설치되는 옴니휠 프레임(210)과, 옴니휠 프레임(210)의 외주변을 따라 소직경과 대직경이 교호적으로 배열 설치되어 모터로 부터의 회전력을 축 방향으로 전달하는 대,소 구동롤러(220)(230);로 이루어진다.

또한 드로이드 프레임(110)상에는 옴니휠 어셈블리(200)상에 가변적인 회전력을 부여하기 위한 것으로서, 모터(310)와 감속기(320)로 이루어지는 구동수단이 위치된다.

한편, 상술한 드로이드 프레임(110)의 하부에는 90도 등간격으로 CMG 유닛이 위치되는 바, 이 CMG 유닛은 볼의 균형을 회복시키기 위한 복원력을 발생시키는 기능을 수행한다.

이러한 CMG 유닛의 상세 구조를 보면, 드로이드 프레임(110)상에는 일측에 짐볼 모터(410)와 감속기(420)가 마련된 CMG 프레임(430)이 고정 설치된다.

이 CMG 프레임(430)상에는 짐볼 회전축(441)을 통해 짐볼 프레임(440)이 회전 가능하게 축 지지된다.

또한 짐볼 프레임(440)상에는 베어링(B)에 의해 플라이휠(450)이 회전 가능하게 지지되는 바, 이 플라이휠(450)은 플라이휠 모터(451)와 감속기(452)를 통해 회전력을 전달받는다.

그리고 CMG 프레임(430)상에 위치된 짐볼 모터(410)와 감속기(420)를 짐볼 회전축(441)에 전달하기 위한 것으로서, 타이밍 벨트(T)와 스프로킷(S)이 마련된다.

이와 같은 본 발명은 먼저 옴니휠 어셈블리(200)의 구조적 특징에 의하면, 도 3에서와 같이 대, 소 구동롤러(220,230)의 외각 원주 라인이 끊어짐이 없는 원형되는 것은 물론이고, 케이싱의 구조에 의해 외곽 라인은 정확한 원형의 접촉면을 만들어 낼수 있게 되며, 이 접촉면에 볼이 마찰되어 볼(100)을 소망하는 회전 방향으로 회전시킬 수 있게 된다.

한편, 상술한 대,소 구동롤러(220,230)을 축 방향 및 이와 수직되는 방향으로 회전 가능하게 설치됨에 의해서 다양한 회전 방향을 갖게 된다.

그리고 CMG 유닛을 통한 균형성 확보 즉, 안전성을 확보하는 것을 설명하면 다음과 같다.

CMG는 플라이휠 모터(451)와 짐벌 모터(410) 부분으로 구성되어 있으며 플라이휠(450)을 고속회전시켜 각운동량을 발생시킨 상태에서 짐벌 회전축(441)을 회전시켜 플라이휠(450)의 각운동량 벡터 방향을 바꾸면 자이로스코픽 효과에 의해 복원토크를 발생시키는 기능을 수행하게 된다.

즉, 자체적으로 발생하는 각운동량 상쇄시키기 위해 드로이드 프레임(110)의 맞은편 방향에 역방향의 각운동량이 발생되도록 대칭으로 CMG 유닛이 장착되어 도합 4개의 CMG 유닛(CMG1,CMG2,CMG3,CMG4)이 사용된다.

프레임의 기울어진 각도에 따라 쌍으로 이루어진 CMG pair의 짐볼모터를 회전속도를 제어하여 복원토크를 발생시킨다.

따라서 각 CMG 유닛들은 도 6에서와 같이 드로이드 프레임(110)의 4지점에 마운트 되며(그림의 경우는 짐볼이 회전하여 플라이휠 회전축이 수평이 된 상태) 서로 대칭으로 구동된다.

따라서 도 5에서 플라이휠(450)의 회전속도 벡터를 화살표로 표시하고 볼(100)의 회전속도 벡터를 화살표 (g _i ,i=1,2,3,4)로 나타내었을때 한 방향의 복원 토크만 나타내기 위해 대칭 CMG인 CMG2와 CMG4를 고려해보면,

각 CMG의 플라이휠(450) 화전속도 벡터와 볼(100) 회전속도 벡터가 주어지면 발생되는 토크는 두 벡터의 cross product로 나타난다.

즉, 발생 토크는 아래 식으로 주어지며 그림에서는 화살표로 나타내었다.

두 CMG 유닛의 토크의 분력은 점선으로 표시된 두 개의 벡터로 표시되며, 수직 방향의 토크는 서로 상쇄시켜 없앨 수 있고, y 방향으로의 토크를 만들 수 있다.

동일하게 CMG1과 CMG3를 사용하면 x 방향의 토크를 만들 수 있고 이때 CMG pair의 합력에 의해 발생되는 각 방향의 토크는 볼(100)의 회전 방향을 변경하면 발생하는 토크의 방향을 변경할 수 있게 된다.

일례로, 그림에서 나타낸 것 같이 CMG2와 CMG4에 의해 만들어진 토크의 합력 t _y 는 (-y) 방향이고 이 토크는 볼드로이드 프레임을 y축으로 회전하며 복원하는 토크가 된다.

즉, 볼드로이드가 x축 방향으로 기울어짐(pitching)이 발생하면 CMG2와 CMG4의 잠볼 속도를 제어함으로서 이 기울어짐을 복귀시키는 토크를 발생시킬 수 있다.

마찬가지로 CMG1과 CMG3를 사용하면 x축 방향의 기울어짐(rolling)에 대해서도 복원시키는 토크를 발생시킬 수 있게되는 것으로서, 균형성을 통한 안전성을 확보할 수 있게 되는 것이다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 될 것이다.

Claims (3)

1. 드로이드 프레임의 하부에 자유롭게 회전 가능하게 위치되는 볼과;
   상기 볼의 인접된 드로이드 프레임상에 마련되며, 볼상에 자유로운 회전력을 부여하도록 볼의 상부에 3군데 등간격으로 배치되는 옴니휠 어셈블리와;
   상기 드로이드 프레임상에 마련되며, 옴니휠 어셈블리상에 가변적인 회전력을 부여하도록 모터와 감속기로 이루어진 구동수단과;
   상기 드로이드 프레임의 하부에 90도 등간격으로 마련되며, 볼의 균형을 회복시키기 위한 복원력을 발생시키는 CMG 유닛;을 포함하여 된 것을 특징으로 하는 안정성을 구비한 볼 로봇.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 옴니휠 어셈블리는, 드로이드 프레임상에 고정 설치되는 옴니휠 프레임과;
   상기 옴니휠 프레임의 외주변을 따라 소직경과 대직경이 교호적으로 배열 설치되어 모터로 부터의 회전력을 축 방향으로 전달하는 대, 소 구동롤러;로 이루어지되,
   상기 각 대, 소 구동롤러는 각각 케이싱을 중심으로 베어링을 통해 케이싱상에 회전 가능하게 축 지지되어 축 방향과 수직되는 방향으로 회전 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 안전성을 구비한 볼 로봇.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 CMG 유닛은, 드로이드 프레임상에 고정 설치되며, 일측에는 짐볼 모터와 감속기가 마련된 CMG 프레임과;
   상기 CMG 프레임상에 짐볼 회전축을 통해 회전 가능하게 위치되는 짐볼 프레임과;
   상기 짐볼 프레임상에 마운트된 베어링에 의해 회전 가능하게 지지되며, 플라이휠 모터와 감속기를 통해 회전력을 전달받는 플라이휠과;
   상기 CMG 프레상에 위치된 짐볼 모터와 감속기로 부터의 회전력을 짐볼 회전축에 전달하기 위한 타이밍 벨트와 스프로킷;을 포함하여 된 것을 특징으로 하는 안전성을 구비한 볼 로봇.

Images