KR20180089938A - 가변형 바퀴 - Google Patents

Abstract

외부 구동 수단과 연결되는 구동축 부재와, 상기 구동축 부재와 결합되어 회전하는 회전 부재와, 상기 회전 부재에 링크 결합되어 외측방향으로 가변하는 가변 부재와, 접지력 향상을 위해 상기 가변 부재의 외측에 구비되는 접지 부재와, 상기 구동축 부재와 결합되어 상기 가변 부재의 측면을 보호하는 보호 부재를 포함하며, 상기 회전 부재는, 상기 구동축 부재가 관통 결합되는 회전몸체, 제 1 회전플레이트 및 제 2 회전플레이트를 포함하되, 상기 회전몸체 및 제 1 회전플레이트 사이에 제 2 회전플레이트가 배치되고, 상기 가변 부재는, 상기 제 2 회전플레이트에 일단이 연결된 링크와, 상기 링크의 타단에 결합되는 가변날개를 포함하되, 상기 가변날개는 날개회전축을 축으로 하여 일정 각도만큼 외측으로 펼쳐지며, 상기 가변 부재 및 접지 부재에 전달되는 가변력과 바퀴의 회전에 따른 수직항력의 크기 차이에 따라 가변회전하거나 바퀴회전하는 가변형 바퀴를 제공한다.

Description

가변형 바퀴{The variable wheel}

본 발명은 가변형 바퀴에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구동되는 외부 환경에 따라 구조가 변형되는 가변형 바퀴에 관한 것이다.

로봇의 기계장치(mechanism)는 기능적 요소로부터 매니퓰레이션(manipulation)과 이동성(mobility)에 관한 것으로 크게 구분할 수 있다.

로봇의 적용 분야는 산업용뿐만 아니라 방재용, 수중작업용, 우주용, 원자력용과 같은 극한 작업용과 군사용에서까지 이루어지고 있으므로, 이에 필요한 평행주행 장치, 무한궤도 이동체, 경량 저소음 이동체 기술 등 이동성에 대한 기계장치 기술의 개발이 요구되고 있다.

산업 로봇의 경우 대부분 실내의 산업현장에서 구동하므로 장애물 극복보다는 정밀함을 요구하는 경량 저소음 이동체 기술을 요구한다. 실외 현장에서 구동하는 산업 로봇의 경우 이동이 가능한 지역 내에서 사용자가 조종하는 거대한 바퀴 또는 무한궤도의 바퀴를 사용하는 것이 일반적이며 사용자가 근거리에서 조종하므로, 장애물을 넘기 위한 구성 요소는 필요성이 적다고 볼 수 있다.

그러나 탐사로봇이나 극한 작업용 또는 군사용의 경우 사용자가 직접 조종하기 힘든 영역이 있으며, 이동하는 구간이 평탄한 지역일 가능성이 낮으므로 장애물에 대해 스스로 극복할 수 있는 능력이 구비되어야 한다.

상기의 문제를 해결하기 위하여 다수의 원형 바퀴 또는 곤충 다리를 모방한 이동 수단을 구비하는 방법들이 있으나, 이는 복잡한 구동과 제어장치를 가져야 하며, 극한 환경에서 구동부 또는 제어장치의 결함이 발생할 경우 이동 자체가 어려운 문제가 야기될 수 있다.

한국 공개특허 제 10-2016-0041117호(공개일 : 2016. 04. 18.)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 원형의 형태로 에너지 효율성을 극대화하고, 장애물 극복 시 일시적으로 변형되는 구조를 가지는 가변형 바퀴를 제공하는 것에 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 외부 구동 수단과 연결되는 구동축 부재와, 상기 구동축 부재와 결합되어 회전하는 회전 부재와, 상기 회전 부재에 링크 결합되어 외측방향으로 가변하는 가변 부재와, 접지력 향상을 위해 상기 가변 부재의 외측에 구비되는 접지 부재와, 상기 구동축 부재와 결합되어 상기 가변 부재의 측면을 보호하는 보호 부재를 포함하며, 상기 회전 부재는, 상기 구동축 부재가 관통 결합되는 회전몸체, 제 1 회전플레이트 및 제 2 회전플레이트를 포함하되, 상기 회전몸체 및 제 1 회전플레이트 사이에 제 2 회전플레이트가 배치되고, 상기 가변 부재는, 상기 제 2 회전플레이트에 일단이 연결된 링크와, 상기 링크의 타단에 결합되는 가변날개를 포함하되, 상기 가변날개는 날개회전축을 축으로 하여 일정 각도만큼 외측으로 펼쳐지며, 상기 가변 부재 및 접지 부재에 전달되는 가변력과 바퀴의 회전에 따른 수직항력의 크기 차이에 따라 가변회전하거나 바퀴회전하는 가변형 바퀴를 제공한다.

상기 링크는, 상기 제 2 회전 플레이트와 원주상 등각도 간격으로 일단이 연결된다.

상기 가변날개는, 상기 날개 회전축이 위치하는 날개부와, 상기 날개부와 연결되는 지주부로 구성된 복수의 날개판의 결합으로 이루어지되, 상기 접지 부재의 폭에 대응하도록 복수의 날개판이 결합된다.

상기 지주부의 끝단 길이를 서로 다르게 구성하여 가변회전 시 상기 가변날개는, 지면과 접촉하는 영역이 톱니구조로 형성된다.

상기 접지 부재는, 고무 또는 합성수지의 에어리스 구조로 이루어진다.

상기 접지 부재는, 측면에 기하학적 무늬의 관통구조를 가진다.

본 발명에 따른 가변형 바퀴는 험지 이동이나 탐사작업에는 일시적으로 가변형 회전을 수행하는 바퀴의 구조를 가짐으로써 이동성이 높고 구동 에너지 효율을 조절할 수 있는 장점이 있다.

도 1a는 본 발명의 실시예 1에 따른 보호 부재를 제거한 가변형 바퀴의 결합상태를 나타낸 사시도,
도 1b는 본 발명의 실시예 1에 따른 보호 부재를 제거한 가변형 바퀴의 가변상태를 나타낸 사시도,
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 가변형 바퀴의 분해 사시도,
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 도 1b의 X를 나타낸 확대도,
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 도 2의 Y를 나타낸 확대도,
도 5a는 본 발명의 실시예 1에 따른 가변형 바퀴의 결합상태를 나타낸 도면,
도 5b는 본 발명의 실시예 1에 따른 가변형 바퀴의 가변상태를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1a는 본 발명의 실시예 1에 따른 보호 부재를 제거한 가변형 바퀴의 결합상태를 나타낸 사시도이고, 도 1b는 본 발명의 실시예 1에 따른 보호 부재를 제거한 가변형 바퀴의 가변상태를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 가변형 바퀴의 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 도 1b의 X를 나타낸 확대도이고, 도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 도 2의 Y를 나타낸 확대도이다.

도 1a 내지 도 4를 참조하면, 상기 가변형 바퀴는 외부 구동 수단과 연결되는 구동축 부재(10)와, 상기 구동축 부재(10)와 결합되어 회전하는 회전 부재(20)와, 상기 회전 부재(20)에 링크 결합되어 외측방향으로 가변하는 가변 부재(30)와, 접지력 향상을 위해 상기 가변 부재(30)의 외측에 구비되는 접지 부재(40)와, 상기 구동축 부재(10)와 결합되어 상기 가변 부재(30)의 측면을 보호하는 보호 부재(50)를 포함하며, 상기 회전 부재(20)는, 상기 구동축 부재(10)가 관통 결합되는 회전몸체(21), 제 1 회전플레이트(25) 및 제 2 회전플레이트(23)를 포함하되, 상기 회전몸체(21) 및 제 1 회전플레이트(25) 사이에 제 2 회전플레이트(23)가 배치되고, 상기 가변 부재(30)는, 상기 제 2 회전플레이트(23)에 일단이 연결된 링크(31)와, 상기 링크(31)의 타단에 결합되는 가변날개(33)를 포함하되, 상기 가변날개(33)는 날개회전축(35)을 축으로 하여 일정 각도만큼 외측으로 펼쳐지며, 상기 가변 부재(30) 및 접지 부재(40)에 전달되는 가변력과 바퀴의 회전에 따른 수직항력의 크기 차이에 따라 가변회전하거나 바퀴회전을 한다.

즉, 상기 가변형 바퀴는 상기 구동축 부재(10), 회전 부재(20), 가변 부재(30), 접지 부재(40), 및 보호 부재(50)로 구성되고, 상기 가변 부재(30) 및 접지 부재(40)는 가변구성단위(A, B, C)를 이루게 되는데, 3개의 가변구성단위(A, B, C)는 상기 회전 몸체(21)를 둘러싸는 구조로 회전 부재(20)과 밀착되어 바퀴의 형상을 구비하며, 상기 가변구성단위(A, B, C)에 전달되는 가변력과 상기 바퀴의 회전으로 인한 수직항력의 크기 차이에 따라 가변회전 또는 바퀴회전을 할 수 있다.

상기 구동축 부재(10)는 외부 구동 수단과 연결이 되어, 상기 회전 부재(20) 및 상기 보호 부재(50)를 관통결합됨으로써, 구동력을 제공할 수 있다.

상기 구동축 부재(10)와 결합되어 회전하는 회전 부재(20)는 상기 회전몸체(21), 제 1 회전 플레이트(25), 및 제 2 회전 플레이트(23)로 구성된다.

상기 회전몸체(21)는 상기 가변형 바퀴의 폭에 따라 다수 개의 회전 몸체 구성요소가 결합되어 이루어진다. 상기 제 1 회전 플레이트(25)는 상기 회전몸체(21)와 결합하고 상기 구동축 부재(50)이 중심에 관통되어 외측에 위치하고, 상기 회전몸체(21)와 상기 제 1 회전 플레이트(25) 사이에는 제 2 회전 플레이트(23)가 위치한다. 상기 제 1 회전 플레이트(25) 또는 상기 제 2 회전 플레이트(23)는 상기 회전 몸체(21)의 회전력을 지지하고, 상기 가변 부재(30)과 상기 구동축 부재(10)를 연결하는 역할을 수행한다.

상기 회전 부재(20)에 링크 결합되어 외측방향으로 가변하는 가변 부재(30)는 링크(31), 가변날개(33), 날개회전축(35)으로 구성된다.

상기 링크(31)는 상기 제 2 회전플레이트(23)에 일단이 연결되되, 상기 제 2 회전 플레이트(23)와 원주상 등각도 간격으로 링크축(31a)을 중심으로 상기 제 2 회전 플레이트(23)와 연결된다.

상기 링크(31)의 타단에는 가변날개(33)가 연결되되, 상기 링크(31)와 상기 가변 날개(33)는 날개 회전축(35)으로 연결된다. 상기 가변날개(33)는 날개회전축(35)을 축으로 하여 일정 각도만큼 외측으로 펼쳐지며, 이로 인해 가변회전 또는 바퀴회전을 수행할 수 있게 된다. 즉, 상기 링크(31)와 상기 제 2 회전 플레이트(23)를 통해 상기 가변 날개(33)와 상기 회전 부재(20)가 연결되어 회전을 할 수 있게 된다.

상기 가변날개(33)는, 상기 날개 회전축(35)이 위치하는 날개부(33a)와 상기 날개부(33a)와 연결되는 지주부(33b)로 구성된 날개판(33p)의 결합으로 이루어지되, 상기 접지 부재(40)의 폭에 대응하도록 다수의 날개판(33p)이 결합된다. 상기 날개판(33p)의 결합은 날개판 결합구(37)를 통해 결합될 수 있다. 상기 날개판 결합구(37)의 단면은 필요에 따라 다각형의 형태를 가질 수 있으며, 잦은 가변에도 상기 날개판(33p)의 결속력을 유지하기 위해 원형의 단면보다는 다각형의 형태를 가지는 것이 바람직하다.

상기 지주부(33b)는 상기 지주부(33b)의 끝단 길이를 서로 다르게 구성함(33b-1, 33b-2)으로써 가변회전 시 상기 가변 날개(33)의 지면과 접촉하는 영역이 톱니구조로 형성될 수도 있다. 따라서 외부 장애물로 인한 가변회전 시 지면과 접촉하는 영역이 톱니구조로 이루어지므로, 지면과의 지지력이 향상되어 가변회전에 도움을 줄 수 있다.

접지력 향상을 위해 상기 가변 부재의 외측에 구비되는 접지 부재(40)는 탈착부(41), 접지부(43) 및 측면부(45)로 구성된다. 상기 측면부(45)는 기하학적 무늬의 관통구조(45a)를 가지며, 상기 접지부(43)는 탄성력을 구비한다. 상기 접지 부재(40)은 고무 또는 합성수지의 에어리스 구조로 이루어진다. 상기 측면부(45)의 관통구조(45a)는 사선무늬 이외에 다각형의 구조를 가질 수 있으며, 이는 접지부(43)가 요구하는 탄성력의 크기에 따라 다양한 구조를 가질 수 있다.

상기 가변형 바퀴가 작동하는 환경에 따라 상기 가변형 바퀴는 접지되는 표면의 형태, 즉 상기 접지부(43) 표면의 형태가 다른 접지 부재를 교체한다. 따라서 작동 환경에 대한 변수를 최소화함으로써 상기 가변형 바퀴의 수행 능력을 향상시킬 수 있다.

상기 구동축 부재(10)와 결합되어 상기 가변 부재(30)의 측면을 보호하는 보호 부재(50)는 상기 제 1 플레이트(25) 또는 상기 제 2 플레이트(23)와 결합되고 상기 구동축 부재(10)는 그 중심을 관통한다. 상기 보호 부재(50)의 형태는 장착되는 로봇 또는 이동기구의 장착 위치에 따라 도면과 같이 내측과 외측이 서로 다른 형태로 구비될 수 있다. 상기 보호 부재(50)는 가변회전 또는 바퀴회전 시 외부의 위험물 또는 자갈이나 모래와 같은 외부 환경으로부터 상기 가변형 바퀴를 보호하는 역할을 수행한다.

도 5a는 본 발명의 실시예 1에 따른 가변형 바퀴의 결합상태를 나타낸 도면이고, 도 5b는 본 발명의 실시예 1에 따른 가변형 바퀴의 가변상태를 나타낸 도면이다.

도 2, 도 5a 및 도 5b를 참조하여, 본 발명의 실시예 1에 따른 가변형 바퀴의 동작과정을 설명하면, 상기 가변형 바퀴는 상기 가변구성단위(A, B, C)에 전달되는 가변력과 상기 바퀴의 회전으로 인한 수직항력의 크기 차이에 따라 가변회전 또는 바퀴회전을 수행한다.

즉, 상기 회전몸체(21)가 회전하면 상기 가변구성단위(A, B, C)의 링크(31)는 상기 링크축(31a)을 통해 상기 회전몸체(21) 회전력에 의한 가변력을 받게 되고, 상기 가변구성단위(A, B, C)의 링크(31)와 각각 연결된 상기 가변날개(33)는 끌어 당겨지게 된다. 장애물이 없는 경우에는 지표면의 중력과 상기 중력을 떠받치는 지표면간의 수직항력의 저항 때문에 상기 가변형 바퀴의 가변은 일어나지 않고 원형의 바퀴형태로 동작한다.

그러나 상기 가변형 바퀴들이 굴곡이 심한 지표면 또는 돌이나 계단과 같은 장애물의 저항을 받는 경우 상기 가변형 바퀴의 회전은 순간 멈추게 되고, 상기 회전몸체(21)에 가해지는 외부 구동 수단의 토크는 증가하게 된다. 상기 외부 구동장치에서 시작해서 상기 회전몸체(21)를 거쳐 상기 가변구성단위(A, B, C)의 링크(31)를 통해 가해지는 상기 토크로 인한 가변력이 상기 수직항력을 초과하게 되면서, 상기 가변구성단위(A, B, C)가 외부로 펼쳐지게 된다. 상기 가변구성단위(A, B, C)가 펼쳐지게 되면 그순간 정지해 있던 상기 가변형 바퀴는 펼쳐진 상기 가변구성단위(A, B, C)에 의해 일정 높이로 상승하게 되고, 상기 가변구성단위(A, B, C)와 상기 장애물들 간의 접촉면적이 줄어들면서 저항력이 낮아지게 된다. 또한 상기 가변날개의 지주부(33b)의 끝단은 장애물을 누르는 힘을 가짐으로써 장애물을 넘어설 수 있다.

상기 가변형 바퀴는 축소된 접촉면적에 따라 줄어든 저항력 및 상기 가변구성단위(A, B, C)의 넓어진 회전 반경으로 인해 가변회전하며 전진하게 된다. 상기 장애물을 극복하게 되면 상기 가변형 바퀴는 상기 외부 구동 수단과 상기 회전몸체(21)에 의한 가변력보다 수직항력의 힘이 커지게 되고, 상기 가변구성단위(A, B, C)는 상기 수직항력에 의해 상기 회전몸체(21)의 외측에 밀착하면서 다시 원형의 바퀴 형태를 이루게 된다. 따라서 상기 가변형 바퀴는 주위 환경에 따라 가변회전과 바퀴회전을 자율적으로 변경함으로써 이동성이 높고, 구동 에너지 효율 조절이 가능한 효과가 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10; 구동축 부재, 20; 회전 부재,
21; 회전 몸체, 30; 가변 부재,
31; 링크, 33; 가변 날개,
35; 회전축, 40; 접지 부재,
50; 보호 부재, A, B, C; 가변구성단위

Claims (6)

1. 외부 구동 수단과 연결되는 구동축 부재와,
   상기 구동축 부재와 결합되어 회전하는 회전 부재와,
   상기 회전 부재에 링크 결합되어 외측방향으로 가변하는 가변 부재와,
   접지력 향상을 위해 상기 가변 부재의 외측에 구비되는 접지 부재와,
   상기 구동축 부재와 결합되어 상기 가변 부재의 측면을 보호하는 보호 부재를 포함하며,
   상기 회전 부재는, 상기 구동축 부재가 관통 결합되는 회전몸체, 제 1 회전플레이트 및 제 2 회전플레이트를 포함하되, 상기 회전몸체 및 제 1 회전플레이트 사이에 제 2 회전플레이트가 배치되고,
   상기 가변 부재는, 상기 제 2 회전플레이트에 일단이 연결된 링크와, 상기 링크의 타단에 결합되는 가변날개를 포함하되, 상기 가변날개는 날개회전축을 축으로 하여 일정 각도만큼 외측으로 펼쳐지며,
   상기 가변 부재 및 접지 부재에 전달되는 가변력과 바퀴의 회전에 따른 수직항력의 크기 차이에 따라 가변회전하거나 바퀴회전하는 가변형 바퀴.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 링크는, 상기 제 2 회전 플레이트와 원주상 등각도 간격으로 일단이 연결되는 가변형 바퀴.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 가변날개는, 상기 날개 회전축이 위치하는 날개부와, 상기 날개부와 연결되는 지주부로 구성된 복수의 날개판의 결합으로 이루어지되, 상기 접지 부재의 폭에 대응하도록 복수의 날개판이 결합되는 가변형 바퀴.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 지주부의 끝단 길이를 서로 다르게 구성하여 가변회전 시 상기 가변날개는 지면과 접촉하는 영역이 톱니구조로 형성되는 가변형 바퀴.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 접지 부재는, 고무 또는 합성수지의 에어리스 구조로 이루어진 가변형 바퀴.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 접지 부재는, 측면에 기하학적 무늬의 관통구조를 가지는 가변형 바퀴.

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