KR20180119207A - 회전위치 검출장치, 방법 및 회전위치 검출을 통한 동작 재생 모듈 - Google Patents

회전위치 검출장치, 방법 및 회전위치 검출을 통한 동작 재생 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회전위치 검출 장치, 방법 및 회전위치 검출을 통한 동작 재생 모듈에 관한 것으로, 본 발명에 따르면 2개의 회전위치 검출 센서를 이용하여 360도 전체 영역은 물론 다회전 동작까지 정확하게 검출할 수 있고, 검출된 회전위치를 저장하고 필요시 그대로 재생시킬 수 있다.

Description

회전위치 검출장치, 방법 및 회전위치 검출을 통한 동작 재생 모듈{Device and method for detecting rotation position, and actuating module using rotation position detection}
본 발명은 회전위치 검출장치, 방법 및 회전위치 검출을 통한 동작 재생 모듈에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 2개의 회전위치 검출 센서를 이용하여 정확하게 회전 위치를 검출하여 저장하고 재생시킬 수 있도록 하는 기술에 대한 것이다.
회전각을 검출하는 장치로는 엔코더 센서 또는 포텐셔미터(potentiometer, 전위차계) 등이 있다. 엔코더 센서는 정확한 회전각 및 다회전 동작까지 정확하게 측정할 수 있지만 매우 고가이기 때문에 유아용 교구 등에 사용하기에는 무리가 있다. 반면 회전각에 따라 다른 저항값을 가지는 원리의 포텐셔미터를 이용할 경우 매우 낮은 단가로 회전각을 측정할 수 있다.
하지만 포텐셔미터의 특성상 일부 영역에서는 회전각 측정이 불가능하다는 단점이 있다. 예컨대 0도에서 350도까지는 선형적인 변화를 보임으로써 회전각(회전위치) 측정이 가능하지만, 기준위치인 0도(또는 360도) 직전에서는 불규칙한 출력이 발생하여 회전각을 정확히 측정하지 못하는 것이다.
즉, 기존의 포텐셔미터는 일정 영역 이내(예컨대 350도 이내)에서의 회전 위치 검출만 가능한 것이고 360도 회전이나 다회전의 경우 회전 위치를 정확하게 측정할 수 없다는 문제점이 있다.
한편 엔코더센서 또는 포텐셔미터를 이용하여 회전 위치를 측정하는 종래기술로는 대한민국등록특허 제10-1597622호(2016.02.19. '위치 측정 모듈') 등이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 2개의 회전위치 검출 센서를 이용하여 360도 전체 영역은 물론 다회전 동작까지 정확하게 검출할 수 있도록 하는 회전위치 검출 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 상기 회전위치 검출 장치를 통해 검출된 회전위치를 저장하고 필요시 그대로 재생시킬 수 있도록 하는 동작 재생 모듈을 제공하는 데 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 회전위치 검출 장치는, 회전축과 연결되어 상기 회전축의 위치에 따라 서로 다른 값을 출력하는 제1센서; 상기 제1센서에 연결된 상기 회전축의 연장선 상에서 연결되어 상기 회전축의 위치에 따라 서로 다른 값을 출력하되, 상기 제1센서와 점대칭을 이루어 상기 제1센서와 180도의 위상 차이를 갖도록 설치되는 제2센서; 및 상기 제1센서의 출력값 또는 상기 제2센서의 출력값을 통해 상기 회전축의 위치값을 결정하여 출력하되, 상기 제1센서 또는 상기 제2센서의 출력값이 비선형성을 가질 경우 상대방 센서의 출력값을 통해 상기 회전축의 위치값을 결정하는 제어부;를 포함한다.
여기서, 상기 제1센서 및 제2센서에서 출력된 값을 디지털 변환하여 상기 제어부에 입력하는 컨버터; 상기 제어부에서 결정된 상기 회전축의 위치값을 저장하는 메모리;를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 회전위치 검출 방법은, 동일 회전축 상에 연결되어 있되 180도의 위상 차이를 갖도록 설치되는 제1센서와 제2센서에서 상기 회전축의 위치에 따른 서로 다른 값을 출력하는 (a)단계; 제어부에서 상기 제1센서 및 제2센서 측으로부터 출력값을 입력 받는 (b)단계; 및 상기 제어부에서 상기 제1센서 및 제2센서의 출력값을 통해 상기 회전축의 위치값을 결정하여 출력하되, 상기 제1센서 또는 제2센서의 출력값이 비선형성을 가질 경우 상대방 센서의 출력값을 통해 상기 회전축의 위치값을 결정하는 (c)단계;를 포함한다.
여기서, 상기 (a)단계 이후, 상기 제1센서 및 제2센서에서 출력된 값을 디지털 변환하는 (d)단계; 및 상기 (c)단계 이후, 상기 (c)단계에서 결정된 상기 회전축의 위치값을 메모리에 저장하는 (e)단계;를 더 포함하되, 상기 (b)단계에서 상기 제어부는 상기 (d)단계에서 디지털 변환된 상기 제1센서 및 제2센서의 출력값을 입력 받을 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 회전위치 검출을 통한 동작 재생 모듈은, 사용자의 명령을 입력 받는 스위치; 외부 기구와 결합되는 결합부; 상기 결합부와 연결되는 회전축; 회전 동력을 발생시켜 상기 회전축 측으로 회전력을 전달하는 모터; 및 상기 회전축과 연결되어 회전위치를 검출하여 저장하거나, 저장된 회전위치를 로딩하여 상기 모터를 작동시키는 회전위치 검출 장치;를 포함함으로써, 상기 스위치를 통해 저장 명령이 입력된 후 상기 외부 기구를 작동시켜 상기 결합부와 연결된 상기 회전축을 회전시키면, 상기 회전위치 검출 장치에서 상기 회전축의 회전위치를 검출하여 저장하고, 상기 스위치를 통해 재생 명령이 입력되면, 상기 회전위치 검출 장치에서 저장된 회전위치가 로딩되어 상기 모터가 작동하여 상기 회전축 및 상기 결합부에 회전력이 전달되어 상기 외부 기구를 작동시킬 수 있다.
또한, 상기 회전위치 검출 장치는, 상기 회전축과 연결되어 상기 회전축의 위치에 따라 서로 다른 값을 출력하는 제1센서; 상기 제1센서에 연결된 상기 회전축의 연장선 상에서 연결되어 상기 회전축의 위치에 따라 서로 다른 값을 출력하되, 상기 제1센서와 점대칭을 이루어 상기 제1센서와 180도의 위상 차이를 갖도록 설치되는 제2센서; 및 상기 스위치를 통해 저장 명령이 입력되면 상기 제1센서의 출력값 또는 상기 제2센서의 출력값을 통해 상기 회전축의 위치값을 결정하여 출력하여 메모리에 저장하되, 상기 제1센서 또는 상기 제2센서의 출력값이 비선형성을 가질 경우 상대방 센서의 출력값을 통해 상기 회전축의 위치값을 결정하고, 상기 스위치를 통해 재생 명령이 입력되면, 상기 메모리에 저장된 회전위치를 로딩하여 상기 모터가 작동하도록 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 동작 재생 모듈에서 회전위치 검출 장치는 서로 위상을 달리하는 2개의 센서를 이용하고 기 저장된 알고리즘에 의해 최종적으로 회전축의 위치값을 결정한 후 저장하는 것이기 때문에, 특정 센서의 비선형 구간에서 출력값이 불규칙하더라도 정확하게 회전축의 회전 위치를 결정할 수 있다.
즉 고가의 엔코더 센서가 없더라도 정확한 회전 위치 검출이 가능하기 때문에, 유아용 교구 등에도 손쉽게 적용할 수 있으며, 이에 따라 사용자가 외력을 가하여 동작을 입력하면, 이를 기억한 후 모터를 작동시켜 그대로 재생토록 할 수 있다. 즉 별도의 프로그래밍 지식이 없더라도 블록이나 완구의 작동을 메모리시킨 후 작동되도록 하여, 블록 완구 등을 통해 과학적 원리를 이해하고 창의력을 발전시킬 수 있는 것이다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 동작 재생 모듈을 설명하기 위한 사시도.
도2는 도1에 도시된 동작 재생 모듈에서 한쪽 케이스를 제거하고 내부를 바라본 사시도.
도3은 도1에 도시된 동작 재생 모듈에서 회전위치 검출 장치와 기어박스를 도시한 사시도.
도4는 도1에 도시된 동작 재생 모듈에서 회전위치 검출 장치와 기어박스의 분해 사시도.
도5는 도1에 도시된 동작 재생 모듈에서 회전위치 검출 장치와 기어박스를 측면에서 바라본 도면.
도6은 도1에 도시된 동작 재생 모듈에서 회전위치 검출 장치의 각 센서 설치 상태를 설명하기 위한 도면.
도7은 도1에 도시된 동작 재생 모듈의 블록도.
도8은 도1에 도시된 동작 재생 모듈에서 회전위치 검출 장치에 설치된 센서와 각 센서의 절대 회전각을 가상으로 도시한 도면.
도9는 본 발명의 실시예에 따른 회전위치 검출 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도10은 도9에 도시된 회전위치 검출 방법 중 회전축의 위치값을 결정하는 구체적인 알고리즘을 설명하기 위한 흐름도.
도11은 도1에 도시된 동작 재생 모듈에서 저장된 데이터를 이용하여 동작이 재생되는 과정을 설명하기 위한 흐름도.
도12는 도1에 도시된 동작 재생 모듈에서 모터구동부를 설명하기 위한 블록도.
도13은 도11에 도시된 동작 재생 과정에서 회전 방향과 각도를 결정하는 구체적인 알고리즘을 설명하기 위한 흐름도.
도14는 동작 재생 예시를 설명하기 위한 도면.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 다만 발명의 요지와 무관한 일부 구성은 생략 또는 압축할 것이나, 생략된 구성이라고 하여 반드시 본 발명에서 필요가 없는 구성은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 결합되어 사용될 수 있다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 동작 재생 모듈을 설명하기 위한 사시도이고, 도2는 도1에 도시된 동작 재생 모듈에서 한쪽 케이스를 제거하고 내부를 바라본 사시도이며, 도3은 도1에 도시된 동작 재생 모듈에서 회전위치 검출 장치와 기어박스를 도시한 사시도이고, 도4는 도1에 도시된 동작 재생 모듈에서 회전위치 검출 장치와 기어박스의 분해 사시도이며, 도5는 도1에 도시된 동작 재생 모듈에서 회전위치 검출 장치와 기어박스를 측면에서 바라본 도면이고, 도6은 도1에 도시된 동작 재생 모듈에서 회전위치 검출 장치의 각 센서 설치 상태를 설명하기 위한 도면이며, 도7은 도1에 도시된 동작 재생 모듈의 블록도이고, 도8은 도1에 도시된 동작 재생 모듈에서 회전위치 검출 장치에 설치된 센서와 각 센서의 절대 회전각을 가상으로 도시한 도면이다.
도1 내지 도8에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 회전위치 검출을 통한 동작 재생 모듈(10)(이하 '동작 재생 모듈(10)'이라고 함)은 케이스(11), 결합부(12), 스위치(13), USB포트(14), 회전위치 검출 장치(20), 모터(30), 모터구동부(32), 감속기어(33) 및 기어박스(34)를 포함한다.
케이스(11)는 다른 구성들을 실장하기 위해 마련되며, 케이스(11) 전면으로 결합부(12)가 마련되어 있고, 측면에는 스위치(13)와 USB포트(14)가 마련되어 있다.
본 발명의 실시예에 따른 동작 재생 모듈(10)은 블록 완구나 다른 조립 모듈 등의 외부 기구와 결합되어, 외력에 의한 블록 완구의 회전이나 다른 조립 모듈의 회전 작동을 입력받을 수 있다. 즉 결합부(12)를 통해 다른 블록 완구나 조립 모듈과 결합되어 회전 작동을 입력 받는 것이며, 또한 동작 재생 모듈(10) 내에 구비된 모터(30)의 회전이 결합부(12)를 통해 연결된 다른 블록 완구나 조립 모듈 측으로 출력될 수도 있다. 더불어 케이스(11)에 마련된 USB포트(14)를 통해 다른 조립 모듈이나 동작 재생 모듈(10)과 통신 채널을 연결하고 동작 상태를 동기화하여 연계 동작을 실시할 수도 있다.
또한 케이스(11) 외부에 마련된 스위치(13)는 동작 기록 또는 동작 재생을 위해 마련되며, 이에 대한 설명은 이후 다시 하도록 한다.
케이스(11) 내부에는 회전위치 검출 장치(20)와 모터(30)를 구동시키기 위한 구성들이 모듈화 되어 조립되어 있다.
먼저 회전위치 검출 장치(20)는 PCB(21), 제1센서(22), 제2센서(23), 회전축(24), 제어부(25), 컨버터(26) 및 메모리(27)를 포함한다.
PCB(21)에는 제1센서(22), 제2센서(23), 제어부(25), 컨버터(26) 및 메모리(27)가 설치된다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 PCB(21)를 기준으로 우측(결합부(12)가 마련되어 있는 방향)을 전면이라고 하고, 좌측을 후면이라고 간주토록 한다.
PCB(21)의 전면에는 제1센서(22)가 설치되고, 후면에는 제2센서(23)가 설치되는데, 각각의 센서(22,23)들은 180도의 위상 차이를 갖도록 설치된다. 센서(22,23)의 설치 상태는 도4 내지 도6, 그리고 도8을 통해 더욱 정확하게 확인할 수 있다. 도4 내지 도6, 및 도8에서 PCB(21) 기준으로 결합부(12) 방향에 설치되는 제1센서(22)를 먼저 살펴보면, 제1센서(22)에서 외부 전압을 인가하고 가변된 저항에 따라 전압이 출력되는 3개의 단자가 모여 있는 부분을 뒷면이라 하고, 반대쪽 면을 윗면이라 하며, 3개의 단자가 돌출된 부분을 아래쪽이라 하고 반대 방향을 위쪽이라고 하며, 제1센서(22)의 회전 중심에서 3개의 단자가 모여 있는 방향을 0도라고 정의하자. 이 경우 도8을 기준으로 제1센서(22)는 윗면이 결합부(12)를 향하게 되고, 뒷면은 PCB(21)를 향하게 된다. 또한 제1센서(22)의 위쪽은 도면상 12시 방향을 향하게 설치되고, 3개의 단자가 돌출된 아래쪽은 6시 방향을 향하게 설치된다.
이 상태에서 제1센서(22)를 윗면에서 바라보았을 시 3개의 단자 중 우측에 있는 단자에 5V를 인가하고 좌측에 있는 단자에 그라운드(0V)를 연결하면, 회전부(22a)의 회전 위치에 따라 가운데 단자에서 서로 다른 전압이 출력되는데, 그라운드(0V)에 가까운 방향으로 회전부(22a)가 위치하면 낮은 전압이 출력되고, 기준 전압(5V)이 인가된 단자 방향으로 회전부(22a)가 위치하면 높은 전압이 출력된다. 출력되는 전압이 높아지는 경우를 절대 회전각도 높아진다고 정의 한다면, 제1센서(22)가 도8과 같이 설치되었을 경우, 6시 방향을 0도로 기준 잡고 시계 방향으로 회전하면서 90도(1.25V 출력), 180도(2.5V 출력), 270도(3.75V 출력)로 각각 절대 회전각을 잡을 수 있다.
한편 제2센서(23)는 제1센서(22)와 점대칭을 이루도록 PCB(21)의 반대편에 설치된다. 즉, 제2센서(23)의 뒷면이 PCB(21)와 결합부(12)를 향해 설치되고, 3개의 단자가 도면상 12시 방향을 향하도록 설치되는 것이다. 단 제2센서(23)에 인가되는 전압의 위치가 달라진다. 즉 제1센서(22)에서는 3개의 단자를 6시 방향에 두고 윗면에서 바라보았을 시 우측 단자에 5V의 전압을 인가하였지만, 제2센서(23)에서는 3개의 단자를 6시 방향에 두고 윗면에서 바라보았을 시 좌측 단자에 5V의 전압을 인가한다. 따라서 도8과 같이 제2센서(23)의 3개의 단자가 12시 방향을 향하게 되고, 제2센서(23)를 뒷면에서 바라 본다면, 도면상 12시 방향이 기준인 0도가 되고, 시계 방향으로 회전하면서 90도(1.25V 출력), 180도(2.5V 출력), 270도(3.75V 출력)로 각각 절대 회전각을 잡을 수 있다.
도8에서는 각 센서(22,23)의 가상적인 절대 회전각과, 회전부(22a,23a)가 각각의 회전각에 위치하였을 때 출력되는 전압값을 병기하여 표시하였는데, 구분을 위해 제2센서(23)의 값들에는 밑줄을 표시하였다. 도8을 통해 확인할 수 있듯이, 제1센서(22)와 제2센서(23)의 설치 상태와 인가되는 전압의 방향 차이를 둠에 따라, 결합부(12)에서 제1센서(22)와 제2센서(23)를 바라본다면, 공통적으로 시계 방향으로 회전하면서 절대 회전각을 가지되, 각 센서(22,23)들은 180도의 위상 차이를 가지게 된다.
한편 제1센서(22) 및 제2센서(23)에는 회전축(24)이 결합되는 회전부(22a,23a)가 앞뒤를 관통하여 형성되어 있는데, 제1센서(22) 및 제2센서(23)가 PCB(21)에 설치되면, 각 센서(22,23)의 회전부(22a,23a)가 PCB(21)를 거쳐 서로 연통되어 있다. 즉 제1센서(22) 및 제2센서(23)의 회전부(22a,23a)는 동일한 회전축(24)에 결합되어 함께 회전하게 된다. 물론 회전부(22a,23a)는 원활한 회전력 전달을 위해 원형이 아닌 형태를 가지며, 회전축(24)이 회전부(22a,23a)에 결합되는 부분의 단면은 회전부(22a,23a)의 단면 형태에 대응하도록 설계된다.
센서(22,23)의 회전부(22a,23a)에 결합되는 회전축(24)은 감속기어(33)들을 통해 모터(30)의 모터축(31)과 연동되어 있다. 또한 회전축(24)은 결합부(12)와도 연동되어 있다. 따라서 결합부(12)에 외부의 블록이나 조립 모듈이 결합되어 있다면 블록이나 조립 모듈의 회전 작동이 결합부(12)와 회전축(24)을 통해 센서(22,23)의 회전부(22a,23a)에 전달되고, 또한 회전동력을 발생시키는 모터(30)가 작동하게 되면 감속기어(33)를 통해 회전축(24)과 결합부(12)를 통해 외부의 블록이나 조립 모듈로 회전력이 전달될 수 있다.
감속기어(33) 및 모터(30)는 기어박스(34)에 의해 보호되며, 모터(30)는 모터구동부(32)에 의해 작동된다. 모터구동부(32)는 제어부(25)의 제어 신호에 따라 PWM 방식으로 모터(30)를 구동시킬 수 있다.
앞에서 설명한 바 있지만, 센서(22,23)는 회전 위치에 따른 저항 값을 가지는 포텐셔미터가 사용된다. 센서(22,23)에서 측정한 회전위치는 3개의 단자 중 가운데 단자에서 전압값으로 출력된다. 예컨대 센서(22,23)의 3개 단자에서 양쪽 단자에 5V의 전압을 인가하면 회전부(22a,23a)의 위치(이는 회전축(24)의 위치에 대응함)에 따라 센서(22,23)가 서로 다른 저항값을 가지게 되고, 이에 따라 센서(22,23)의 출력단(3개의 단자 중 가운데 단자)에서 측정되는 전압값도 달라지게 된다. 5V의 외부 전압을 인가할 경우 센서(22,23)는 이론적으로 0V에서 5V의 절대 전압을 출력할 수 있다. 앞서 정의한 바에 따르면, 절대 회전각이 커질수록 출력 전압도 높아지게 된다.
도8은 제1센서(22)와 제2센서(23)의 설치 상태와 각 센서(22,23)에서의 절대 회전각을 가상으로 도시한 것이다. 제1센서(22)의 아래쪽, 즉 6시 방향을 기준 위치인 0도라고 가정하였을 때, 시계 방향으로 90도, 180도, 270도의 절대 회전각을 가정할 수 있다. 만약 제1센서(22)에 5V의 전압을 인가한 후(전압의 인가 방향은 앞에서 설명하였음) 회전부(22a)를 회전시키면, 이론적으로 회전부(22a)의 위치가 0도일 때 0V의 전압이 출력되고, 90도일 때 1.25V, 180도일 때 2.5V, 270도일 때 3.75V, 그리고 360도 직전일 때 5V에 근접하는 전압이 출력된다. 즉 회전부(22a)의 회전에 따라 선형적인 전압 출력을 확인할 수 있는 것이다. 하지만 완전히 한바퀴를 돌아 다시 0도가 될 때에는 다시 0V의 전압이 출력되어야 하는데 이러한 경계 지점에서는 불완전한 출력이 발생한다.
이를 위해 본 발명에서는 PCB(21)의 후면으로 제1센서(22)와 점대칭을 이루도록 제2센서(23)를 추가 설치하고, 전압을 반대로 인가하였다. 따라서 제2센서(23)에서는 도8을 기준으로 12시 방향이 기준 위치인 0도가 되고, 결합부(12)에서 제2센서(23)를 바라보았을 시, 시계 방향으로 90도, 180도, 270도의 절대 회전각을 갖게 된다.
따라서 회전축(24)이 회전하여 제1센서(22)의 회전부(22a)가 90도 위치에 있다면, 제2센서(23)의 회전부(23a)는 270도 위치에 있게 되고, 제1센서(22)의 회전부(22a)가 각각 180도, 270도, 360도 위치에 있다면, 제2센서(23)의 회전부(23a)는 0도, 90도, 180도 위치에 있게 된다. 즉 각 센서(22,23)에서 측정이 불완전한 영역은 0도 부근인데, 회전축(24)이 제1센서(22)의 0도 부근에 위치할 경우에는 제2센서(23)에서는 선형 구간인 180도 부근에 위치하게 되고, 반대로 회전축(24)이 제2센서(23)의 0도 부근에 위치할 경우에는 제1센서(22)에서는 180도 부근에 위치하게 되어 상호 보완을 통해 올바른 회전위치 측정이 가능한 것이다. 물론 2개 센서(22,23)에서 측정한 값을 통해 회전축(24)의 회전위치를 결정하기 위해서는 제어부(25)에서의 연산이 필요하다. 이에 대해서는 도9 내지 도10을 통해 자세히 설명토록 한다.
컨버터(26)는 센서(22,23)에서 출력된 전압값을 디지털 변환하여 제어부(25)에 입력하기 위해 마련된다. 예컨대 센서(22,23)에 인가되는 전압이 5V라면, 0V 내지 5V의 출력값이 1024개로 표본화(디지털화) 되어 0도 내지 360도 사이의 절대 회전각을 표시할 수 있다.
메모리(27)는 제어부(25)에서 센서(22,23)들의 측정값을 비교한 후 결정된 값, 즉 회전축(24)의 위치값을 저장하기 위해 마련된다.
제어부(25)는 제1센서(22) 및 제2센서(23)를 통해 측정되어 컨버터(26)에서 변환된 디지털 값을 입력 받은 후, 제1센서(22) 또는 제2센서(23)에서 선형적인 값을 갖는 구간에서는 제1센서(22) 또는 제2센서(23)의 값을 회전축(24)의 위치값으로 결정하여 메모리(27)에 저장하고, 두 개의 센서(22,23) 중 어느 하나의 센서(22,23)에서 비선형적인 모습을 보인다면, 선형적인 모습을 갖는 센서(22,23)의 값을 이용하여 연산을 통해 회전축(24)의 위치값을 결정하게 된다.
이하에서는 도9 내지 도10을 통해 본 발명의 실시예에 따른 회전위치 검출 방법을 설명토록 한다. 즉 도1 내지 도8에 도시된 동작 재생 모듈(10)에서 회전위치 검출 장치(20)가 회전위치를 검출하는 과정을 설명하고자 한다.
먼저 도1에 도시된 동작 재생 모듈(10)의 결합부(12)에 다른 블록 완구가 결합되어 있는 상태라고 가정한다. 이후 사용자가 블록 완구를 수동으로 작동시킬 때, 작동 과정이 저장되도록 하고자 한다면 케이스(11)에 설치된 스위치(13)를 눌러 저장 명령을 입력함으로써 동작 기록이 시작<S905>되도록 할 수 있다.
이후 사용자가 동작 재생 모듈(10)의 결합부(12)에 결합된 블록 완구를 작동시키면, 회전축(24)이 회전하게 되고, 회전축(24)과 연동된 제1센서(22)의 회전부(22a) 및 제2센서(23)의 회전부(23a)가 함께 회전<S910>하게 된다. 이에 따라 제1센서(22) 및 제2센서(23)는 각 회전부(22a,23a)의 위치에 따른 고유의 저항값을 가지게 될 것이고, 센서(22,23)에 인가된 전압에 따라 서로 다른 전압을 출력<S915>하게 된다.
센서(22,23)에서 출력된 전압값은 컨버터(26)에서 디지털 변환<S920>된 후 제어부(25)에 입력되고, 제어부(25)에서는 각 센서(22,23)들의 측정값을 통해(디지털 변환된 것 활용) 회전축(24)의 위치값을 결정<S925>한 후 메모리(27)에 저장<S930>한다.
제어부(25)는 50ms 주기당 한번씩 데이터를 기록할 수 있으며, 기록된 데이터는 추후 저장된 동작을 재생시킬 때 사용된다. 또한 메모리(27)에 저장되는 데이터의 용량은 메모리(27)의 저장용량, 데이터 기록 주기 및 전체 저장 시간에 따라 다르다.
한편 제어부(25)가 회전축(24)의 위치값을 결정하는 구체적인 알고리즘이 도10에 도시되어 있다. 즉 도9의 과정에서 제1센서(22) 및 제2센서(23)의 측정값이 디지털 변환<S920>된 후 제어부(25)로 입력되면, 제어부(25)는 센서들(22,23) 중 기 지정된 어느 하나의 센서(22,23)를 기준으로 하여 회전축(24)의 위치값을 결정한다. 본 실시예에서는 제2센서(23)를 기준으로 회전축(24)의 위치값을 결정한다고 가정한다. 즉 도8을 기준으로 제2센서(23)의 기준 위치(0도)가 12시 방향을 향하고 있기 때문에, 제2센서(23)를 기준으로 회전축의 위치값을 결정한다면 이해가 더 수월하다.
이에 따라 제어부(25)는 입력된 센서값 중 제2센서(23)의 값(디지털 변환된 값)이 90도 이상인지(16진수로 0xff, 정수로 255보다 큰지) 확인<S1005>한다. 최초 비교 대상을 90도로 설정한 이유는 90도 이상의 범위에서는 제2센서(23)의 출력이 안정적으로 선형을 이루기 때문이다. 만약 제2센서(23)의 값이 90도 이상일 경우 제어부(25)는 회전축(24)의 위치값을 제2센서(23)의 값으로 결정<S1010>한다.
반면 제2센서(23)의 값이 90도 미만일 경우<S1005>, 제어부(25)는 제1센서(22)의 값이 90도보다 크고(16진수로 0x100, 정수로 256보다 큰지) 180도보다 작은지(16진수로 0x200, 정수로 512보다 작은지) 확인<S1015>하고, 만약 제1센서(22)의 값이 90도보다 크고 180도보다 작다면<S1015>, 제어부(25)는 [270도(0x300) + 제1센서 값 - 90도(0x100)]의 연산식에 의하여 회전축(24)의 위치값을 결정<S1020>한다. 물론 결정된 값은 기준 센서인 제2센서(23)에서의 위치값이다.
반면 제1센서(22)의 값이 90도에서 180도 내의 범위가 아닐 경우<S1015>, 제어부(25)는 제1센서(22)의 값이 180도 이상이고(16진수로 0x1ff, 정수로 511보다 큰지) 270도보다 작은지(16진수로 0x300, 정수로 768보다 작은지)) 확인<S1025>한다. 만약 제1센서(22)의 값이 180도에서 270도 범위 이내라면, 제어부(25)는 제1센서(22)의 값에서 180도(16진수로 0x200, 정수로 512)를 뺀 값을 회전축(24)의 위치값으로 결정<S1030>한다. 물론 이 경우에도 결정된 값은 기준 센서인 제2센서(23)에서의 위치값이다.
반면 제1센서(22)의 값이 180도에서 270도 내의 범위도 아닐 경우<S1025>라면 제어부(25)는 제2센서(23)의 값을 회전축(24)의 위치값으로 결정<S1035>한다.
이러한 알고리즘을 적용하여 다양한 경우에 대하여 결과가 도출되는 예시를 표로 정리하면 아래와 같다.
순번 제1센서 각
(실제각도)		 제2센서 각
(실제각도)		 결정과정 제어부 결정값
(제2센서 기준)
1 5 185 제2센서 값 185
2 85 265 제2센서 값 265
3 95 275 제2센서 값 275
4
 175
 355
 (제2센서가 정상 출력일 경우)
제2센서 값		 355
(제2센서가 90도 이하로 출력될 경우) 0x300 + 제1센서 값 - 0x100 355
5 185 5 제1센서 값 - 0x200 5
6 265 85 제1센서 값 - 0x200 85
7 275 95 제2센서 값 95
8 355 175 제2센서 값 175
표1은 실제 회전축 위치에 따라 제어부에서 결정되는 회전축의 위치값에 대한 몇가지 예시를 정리한 것이다.
위의 표1에 도시된 예시와 같이 회전축(24)이 제1센서(22)와 제2센서(23)에서 실제로 위치하는 각도를 도10에 도시한 알고리즘에 대입할 경우 제어부(25)에서 결정되는 회전축(24)의 위치값을 확인할 수 있다.
즉, 제2센서(23)에서 측정된 값이 90도 이상일 경우(순번 1, 2, 3, 7, 8)에는 제2센서(23)의 값이 그대로 회전축(24)의 위치값으로 결정되는 것을 확인할 수 있고, 제2센서(23)에서 측정된 값이 90도 미만일 경우에는 제1센서(22)의 값에서 180도를 뺀 값이 제2센서(23)에서 회전축(24)의 위치값으로 결정된 것을 확인할 수 있다. 즉 제1센서(22)와 제2센서(23)는 180도의 위상 차이를 가지고 있기 때문에 제2센서(23)의 값이 90도 미만일 경우 보다 정확한 제1센서(22)의 값에서 180도를 빼면 정확하게 제2센서(23)에서 차지하는 회전축(24)의 위치값을 도출할 수 있는 것이다.
여기서 눈여겨봐야 할 사항은 표1에서 순번 4에 해당하는 경우이다. 즉 제2센서(23)에서 회전축(24)의 위치가 355도를 가리키고 있을 경우인데, 앞서 설명한 바와 같이 포텐셔미터에서 360도 직전에는 5V의 출력이 0V로 급변해야 하는 구간이기 때문에 출력값을 그대로 활용하여서는 안 된다. 즉 출력값이 정상일 수도 있지만, 급격하게 전압이 떨어져서 비정상적인 출력이 이루어질 수도 있는 것이다.
하지만 도10의 알고리즘을 적용한다면 어떠한 경우에도 올바른 위치값을 획득할 수 있다. 즉 제2센서(23)에서 회전축(24)이 355도 위치에 있고, 정상적인 출력이 이루어지고 있다면 제어부(25)는 제2센서(23)의 값 자체를 위치값으로 결정하면 된다.
반면 제2센서(23)에서 회전축(24)이 355도 위치에 있으나, 출력값이 급격하게 떨어져 90도 이하의 출력이라고 잘못 나타내고 있다면, 제어부(25)는 도10의 S1005, S1015, S1020의 흐름을 따라감으로써, 제1센서(22)의 값을 활용하여 제2센서(23)에서 차지하는 위치값을 결정할 수 있다. 즉 [270도(0x300) + 제1센서 값 - 90도(0x100)]의 연산식을 통해 355도라는 값을 결정할 수 있는 것이다. 이는 제2센서(23)가 정상적인 출력을 가질 때의 값과 동일하다.
도11은 도9 및 도10의 과정을 통해 기록된 데이터를 이용하여 도1에 도시된 동작 재생 모듈(10)이 재생되는 과정을 설명하기 위한 흐름도이고, 도12는 도11에 도시된 동작 재생 모듈(10)에서 모터구동부(32)를 설명하기 위한 블록도이다.
도12를 먼저 참조하면, 모터(30)는 PWM으로 구동되고, 재생을 위한 모터(30)각의 위치는 궤적 재생부(Trajectory Extraction)에서 추출되고, 제어부(25)의 다회전 처리 알고리즘(Multi - turn Compensation)을 통하여 PID제어기로 입력됨으로써 모터(30)를 PWM으로 제어하게 된다. 또한 회전축(24)에 부착된 센서들(22,23)을 이용하여 절대각을 측정하고 다시 제어 입력으로 되돌리는 구조를 사용하였다. 모터(30) 제어 알고리즘은 5ms 간격으로 수행되게 하고, 궤적 추출 알고리즘은 50ms 간격으로 처리할 수 있다.
다시 도11을 참조하면 도1에 도시된 동작 재생 모듈(10)을 이용하여 도9 및 도10의 과정으로 사용자가 수동으로 입력한 회전위치가 메모리(27)에 저장된 이후, 저장된 동작을 재생시키기 위해 사용자는 스위치(13)를 다시 조작<S1105>한다. 기록과 저장에 대한 명령 입력은 별도의 스위치(13)를 구비함으로써 행해질 수도 있지만, 하나의 스위치(13)로 토글 동작이나 누르는 시간의 차이 등을 두도록 함으로써 충분히 설계 변경 가능하다.
스위치(13)의 조작으로 재생 명령이 입력되면<S1105>, 제어부(25)는 궤적 재생부와 연계하여 메모리(27)에 저장된 데이터를 로딩<S1110>한다. 저장된 데이터는 시간적으로 먼저 저장된 데이터부터 순차적으로 로딩될 수 있다.
이후 제어부(25)는 직전 값과 이후 값의 차이를 통해 동작 회전 방향과 각도를 결정<S1115>한다. 최초 작동의 경우 직전 값은 현재 센서(22,23)의 위치를 기준으로 한다. 앞선 설명에서는 제2센서(23)를 기준으로 회전축(24)의 위치값을 저장하였기 때문에 재생시에는 제2센서(23)를 기준으로 동작 회전 방향과 각도를 결정하게 된다.
제어부(25)에서 동작 회전 방향과 각도가 결정되면, 결정된 데이터가 모터구동부(32)로 입력<S1120>되고, PWM 신호가 출력<S1125>되어 모터(30)가 회전<S1130>함으로써 회전축(24)도 함께 작동<S1135>하게 된다.
이때 회전축(24)이 작동하면 회전축(24)과 연동되어 있는 제1센서(22) 및 제2센서(23)의 회전부(22a,23a)도 회전하게 되어 제1센서(22) 및 제2센서(23)의 회전위치가 출력된다. 이렇게 제1센서(22) 및 제2센서(23)의 측정값은 다시 제어부(25)로 입력<S1140>되는데, 이렇게 실시간 측정된 센서(22,23)의 측정값은 S1115 과정에서 직전 값으로 활용된다.
도11의 과정에서 동작 회전 방향과 각도를 결정<S1115>할 때에는 다회전 동작인지를 확인하기 위한 알고리즘이 적용된다. 이에 대한 구체적인 설명이 도13에 도시되어 있다.
즉 도13을 참조하면, 제어부(25)는 회전 방향과 각도 결정을 위해 메모리(27)에서 로딩된 값(이후 값)과 센서(22,23)를 통해 실시간 측정된 값(직전 값)의 차이값을 구한다<S1305>. 여기서 기준 센서는 제2센서(23)라고 가정한다.
이후 제어부(25)는 이렇게 산출된 차이값이 180도(디지털 변환된 정수 값으로 512)보다 큰지 확인<S1310>하고, 만약 차이값이 180도보다 클 경우 회전 방향과 각도를 [차이값 - 1024(360도)]의 연산식으로 결정<S1315>한다.
반면 차이값이 180도 이하일 경우<S1310>에는, 차이값이 -180도(디지털 변환된 정수 값으로 -512)보다 작은지 확인<S1320>하고, 차이값이 -180도보다 작을 경우 제어부(25)는 회전 방향과 각도를 [차이값 + 1024(360도)]의 연산식으로 결정<S1325>한다.
반면 차이값이 -180도보다 작지 않을 경우<S1320>, 제어부(25)는 회전 방향과 각도를 차이값으로 결정<S1330>한다.
도13의 알고리즘은 도14에 도시된 몇가지 예시를 적용해 봄으로써 더욱 자세하게 이해할 수 있다.
도14에서는 제2센서(23)를 기준으로 동작 재생 모듈(10)에서 회전이 재생되는 과정을 설명하기 위한 것이다. 도14의 (a)는 제2센서(23)의 190도 위치(직전 값)에서 170도 위치(이후 값)로 -20도(반시계 방향 20도) 회전시키고자 하는 경우이고, 도14의 (b)는 350도 위치(직전 값)에서 10도 위치(이후 값)로 +20도(시계 방향 20도) 회전시키고자 하는 경우이며, 도14의 (c)는 10도 위치(직전 값)에서 350도 위치(이후 값)로 -20도(반시계 방향 20도) 회전시키고자 하는 경우를 나타낸 것이다.
여기서 도14의 (a)는 한바퀴 이내에서 동작이 이루어지는 것이어서 큰 문제가 발생하지 않지만, 도14의 (b)나 (c)의 경우 실제 차이는 20도 밖에 나지 않지만 차분을 계산하면 340도 혹은 -340도가 되기 때문에 다회전을 시도할 시 정확한 회전 데이터를 알 수 없어서 재생에 문제가 발생할 수 있다.
하지만 도13에 도시된 과정을 통해 직전 값과 이후 값의 차이를 구하고 그 차이가 180도 이상 나는지 확인한 후 보정하는 알고리즘을 적용하면 정확한 회전 방향과 각도를 결정할 수 있다. 실제 도14에 도시된 각각의 예시를 알고리즘에 적용하여 회전 방향과 각도를 구하면 아래의 표와 같다.
예시 번호 직전 값 이후 값 차이값 결정된 회전 방향과 각도
(a) 190 170 -20 -20 (S1330 단계에 의함)
(b) 350 10 -340 +20 (S1325 단계에 의함)
(c) 10 350 340 -20 (S1315 단계에 의함)
표2는 동작 재생시 회전 방향과 각도 결정 과정에 대한 몇 가지 예시를 정리한 것이다.
위의 표2에서 확인할 수 있듯이, 메모리(27)에 기록된 데이터를 추출하여 재생시킬 때, 한바퀴 이내에서 동작하는 과정은 물론 한바퀴를 넘어가는 기준 위치 지점에서의 이동시에도 도13의 알고리즘을 적용하면 정확하게 회전 방향과 각도를 산출할 수 있음을 알 수 있다.
여기서 의문이 드는 경우가 있을 수 있다. 예컨대 직전 값 20도에서 시계 방향으로 350도를 회전시켜 이후 값 10도로 회전시키고자 한다면, 도13의 알고리즘으로 오류가 발생하지 않을까 하는 우려이다. 이 경우를 도13의 알고리즘에 적용한다면, 이후 값에서 직전 값을 뺀 차이값이 -10도이기 때문에 S1330의 단계에 의하여 -10도가 회전 방향과 각도로 결정되어 실제 +350도와 다르게 산출될 것이다.
하지만 이상에서 자세히 설명한 바와 같이, 제어부(25)는 50ms 단위로 데이터를 기록하거나 추출토록 하고 있다. 즉 기존에 회전축(24)의 회전 반경을 크게하여 20도에서 시계 방향으로 350도를 회전시킴으로써 10도로 위치시켰다고 할 경우, 수동으로 동작시킨 350도의 회전이 50ms 이내에서 한번에 이루어지는 것은 불가능하다. 즉 20도와 10도에서만 샘플링이 일어나는 것이 아니고, 그 사이에 수 많은 샘플링(최소 180도 이내에 한번은 발생함)이 이미 이루어졌기 때문에 동작 재생시 오류가 발생할 가능성은 없다. 즉 20도에서 350도 회전하여 10도로 이동하는 경우 10도를 이후 값으로 바로 추출하는 것이 아니라 20도 이후에 수 많은 짧은 각도들이 먼저 추출되어 이후 값으로 적용되는 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 동작 재생 모듈(10)에서 회전위치 검출 장치(20)는 서로 위상을 달리하는 2개의 센서(22,23)를 이용하고 기 저장된 알고리즘에 의해 최종적으로 회전축(24)의 위치값을 결정한 후 저장하는 것이기 때문에, 특정 센서의 비선형 구간에서 출력값이 불규칙하더라도 정확하게 회전축(24)의 회전 위치를 결정할 수 있다.
즉 고가의 엔코더 센서가 없더라도 정확한 회전 위치 검출이 가능하기 때문에, 유아용 교구 등에도 손쉽게 적용할 수 있으며, 이에 따라 사용자가 외력을 가하여 동작을 입력하면, 이를 기억한 후 모터(30)를 작동시켜 그대로 재생토록 할 수 있다. 즉 별도의 프로그래밍 지식이 없더라도 블록이나 완구의 작동을 메모리시킨 후 작동되도록 하여, 블록 완구 등을 통해 과학적 원리를 이해하고 창의력을 발전시킬 수 있는 것이다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면, 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 발명의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
10 : 동작 재생 모듈
11 : 케이스
12 : 결합부
13 : 스위치
14 : USB포트
20 : 회전위치 검출 장치
21 : PCB
22 : 제1센서
22a : 회전부
23 : 제2센서
23a : 회전부
24 : 회전축
25 : 제어부
26 : 컨버터
27 : 메모리
30 : 모터
31 : 모터축
32 : 모터구동부
33 : 감속기어
34 : 기어박스

Claims (6)

  1. 회전축과 연결되어 상기 회전축의 위치에 따라 서로 다른 값을 출력하는 제1센서;
    상기 제1센서에 연결된 상기 회전축의 연장선 상에서 연결되어 상기 회전축의 위치에 따라 서로 다른 값을 출력하되, 상기 제1센서와 점대칭을 이루어 상기 제1센서와 180도의 위상 차이를 갖도록 설치되는 제2센서; 및
    상기 제1센서의 출력값 또는 상기 제2센서의 출력값을 통해 상기 회전축의 위치값을 결정하여 출력하되, 상기 제1센서 또는 상기 제2센서의 출력값이 비선형성을 가질 경우 상대방 센서의 출력값을 통해 상기 회전축의 위치값을 결정하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전위치 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1센서 및 제2센서에서 출력된 값을 디지털 변환하여 상기 제어부에 입력하는 컨버터;
    상기 제어부에서 결정된 상기 회전축의 위치값을 저장하는 메모리;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전위치 검출 장치.
  3. 동일 회전축 상에 연결되어 있되 180도의 위상 차이를 갖도록 설치되는 제1센서와 제2센서에서 상기 회전축의 위치에 따른 서로 다른 값을 출력하는 (a)단계;
    제어부에서 상기 제1센서 및 제2센서 측으로부터 출력값을 입력 받는 (b)단계; 및
    상기 제어부에서 상기 제1센서 및 제2센서의 출력값을 통해 상기 회전축의 위치값을 결정하여 출력하되, 상기 제1센서 또는 제2센서의 출력값이 비선형성을 가질 경우 상대방 센서의 출력값을 통해 상기 회전축의 위치값을 결정하는 (c)단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전위치 검출 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 (a)단계 이후, 상기 제1센서 및 제2센서에서 출력된 값을 디지털 변환하는 (d)단계; 및
    상기 (c)단계 이후, 상기 (c)단계에서 결정된 상기 회전축의 위치값을 메모리에 저장하는 (e)단계;를 더 포함하되,
    상기 (b)단계에서 상기 제어부는 상기 (d)단계에서 디지털 변환된 상기 제1센서 및 제2센서의 출력값을 입력 받는 것을 특징으로 하는 회전위치 검출 방법.
  5. 사용자의 명령을 입력 받는 스위치;
    외부 기구와 결합되는 결합부;
    상기 결합부와 연결되는 회전축;
    회전 동력을 발생시켜 상기 회전축 측으로 회전력을 전달하는 모터; 및
    상기 회전축과 연결되어 회전위치를 검출하여 저장하거나, 저장된 회전위치를 로딩하여 상기 모터를 작동시키는 회전위치 검출 장치;를 포함함으로써,
    상기 스위치를 통해 저장 명령이 입력된 후 상기 외부 기구를 작동시켜 상기 결합부와 연결된 상기 회전축을 회전시키면, 상기 회전위치 검출 장치에서 상기 회전축의 회전위치를 검출하여 저장하고, 상기 스위치를 통해 재생 명령이 입력되면, 상기 회전위치 검출 장치에서 저장된 회전위치가 로딩되어 상기 모터가 작동하여 상기 회전축 및 상기 결합부에 회전력이 전달되어 상기 외부 기구를 작동시키는 것을 특징으로 하는 회전위치 검출을 통한 동작 재생 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 회전위치 검출 장치는,
    상기 회전축과 연결되어 상기 회전축의 위치에 따라 서로 다른 값을 출력하는 제1센서;
    상기 제1센서에 연결된 상기 회전축의 연장선 상에서 연결되어 상기 회전축의 위치에 따라 서로 다른 값을 출력하되, 상기 제1센서와 점대칭을 이루어 상기 제1센서와 180도의 위상 차이를 갖도록 설치되는 제2센서; 및
    상기 스위치를 통해 저장 명령이 입력되면 상기 제1센서의 출력값 또는 상기 제2센서의 출력값을 통해 상기 회전축의 위치값을 결정하여 출력하여 메모리에 저장하되, 상기 제1센서 또는 상기 제2센서의 출력값이 비선형성을 가질 경우 상대방 센서의 출력값을 통해 상기 회전축의 위치값을 결정하고, 상기 스위치를 통해 재생 명령이 입력되면, 상기 메모리에 저장된 회전위치를 로딩하여 상기 모터가 작동하도록 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전위치 검출을 통한 동작 재생 모듈.
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