KR20180132595A - 자주식 트롤리 조립체 - Google Patents

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KR20180132595A
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trolley
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로랜드 앤더슨
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키틴지 인베스트먼트 에이비
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Abstract

배터리(156)와; 전기 모터(151, 152;1)로 구동되는 적어도 하나의 바퀴(111, 112)로, 이 전기 모터가 상기 배터리(156)로 전력이 공급되는 바퀴와; 적어도 하나의 트롤리 바퀴(111, 112)의 회전 위치 또는 회전 속도를 감지하도록 구성된 회전 위치 또는 속도 센서(9)와; 사용자 인터페이스(153)와; 그리고 상기 사용자 인터페이스(153)로부터의 입력에 기반하여 전기 모터(151, 152; 1)를 조절하여 상기 바퀴(111, 112)의 회전을 특정한 구동 패턴에 따라 변화시키도록 구성된 제어 유닛(150)을 구비하는 자주식 트롤리 조립체(100). 본 발명은 제어 유닛(150)이 적어도, 상기 위치 또는 속도 센서(9)로 판독한 정보에 기반한 피드백 지원 추진 구동 패턴과; 자유 굴림 구동 패턴과; 그리고 요동 구동 패턴을 구현하도록 구성되고, 상기 모든 구동 패턴들은 상기 전기 모터에 대한 다른 구동 전압 패턴들을 사용하여 구현되며, 전기 모터가, 고정자(2)가 회전자(3) 자극(6)들의 대응 수효의 정수배가 아닌 수효의 고정자(2) 자극(7)들을 구비하고, 고정자(20 자극(7)들이 전기 모터의 각 방향으로 차례로 장착된 자기적 및 전기적으로 동일한 적어도 세 부분집합(8)으로 구분되는 방식인 것을 특징으로 한다.

Description

자주식 트롤리 조립체
본 발명은 자주식(self-propelling) 트롤리 조립체(trolley assembly)에 관한 것으로, 특히 아동용 유모차(stroller) 또는 액체 샘플용 수송 트롤리에 관한 것이다.
트롤리의 사용자는 그 조종이 문제될 수 있음을 종종 경험한다. 오르막을 밀거나 끌 때, 또는 거의 평지 상에 무거운 짐을 운반할 때, 사용자는 강한 스트레스를 경험할 수 있다. 내리막에 트롤리를 밀 때도 마찬가지로, 트롤리를 놓쳐 가속되지 않도록 하기 위해 상당한 힘이 든다. 많은 경우에 트롤리를 인체공학적으로 바르게 또는 무해한 자세로 밀거나 끄는 것이 어렵거나 불가능하고, 또는 트롤리의 사용자가 그러한 자세를 취할 만큼 강하지 못할 수 있다.
특히 아동용 유모차와, 의료 또는 제약 산업에서 사용되는 것과 같은 액체 샘플을 위한 수송 트롤리에서는 이러한 트롤리의 사용자가 트롤리를 파지(hold)하지 못해 놓치면 안전의 위험이 상당하다.
트롤리를 자주식(self-propelled)으로 하면 필요한 미는 힘(pushing force)을 감소시킴으로써 일반적으로 덜 노력을 들이고 이러한 트롤리를 밀거나 당길 수 있어 또한 바람직하다.
아동용 유모차와 액체 샘플의 수송 트롤리는 수송중인 아동과 액체 샘플을 요동(rock)시킬 수 있으면 바람직할 것인데 - 전자는 아동을 달래기 위해서이고, 후자는 샘플이 침전되지 않도록 하기 위한 것이다. 이러한 요동이 다른 요동 프로그램을 사용할 수 있어서 상황에 따라 적절한 요동 운동을 선택할 수 있으면 바람직할 것이다.
이와 동시에, 예를 들어 사용자가 운동을 더 하고자 할 때나 좁은 공간에서 조종할 때는 트롤리가 통상적인 모터 없는(non-motorized) 바퀴 트롤리로 작용하는 분리된 자유 굴림(free-wheeling) 모드를 제공할 필요가 있다.
이 모든 목적들은 유연성과 높은 안전 기준 모두를 제공하면서 간단하고 튼튼하지만 에너지 효율적인 구조를 사용하여 달성되어야 하며, 이와 동시에 트롤리 조립체가 환경적으로 친화적이고 제조가 원가 효율적이어야 한다.
상기 문제들의 일부에 대한 해법을 제공하면서 다양한 자주식(self-propelled) 트롤리들이 제안되었다. 이들 중 일부는 속도 제어를 가지는 아동용 트롤리를 개시하는 US 8499898 B2와; 아동용 트롤리에 사용되는 요동 기능을 개시하는 WO 2014013482 A1과; 각각 트롤리의 분리 가능한 모터를 개시하는 US 5937961 A 및US8033348 B1과; 그리고 구동축에 배치된 모터를 개시하는 EP 2019016 A2를 포함한다.
본 발명은 전술한 문제들을 해결한다.
이에 따라 본 발명은 배터리와; 전기 모터로 구동되는 적어도 하나의 바퀴로, 이 전기 모터가 상기 배터리로 전력을 공급 받는 바퀴와; 적어도 하나의 트롤리 바퀴의 회전 위치 또는 회전 속도를 감지(sense)하도록 배치된 회전 위치 또는 속도 센서와; 사용자 인터페이스와; 그리고 상기 사용자 인터페이스로부터의 입력에 기반하여 전기 모터를 조절하여 상기 바퀴의 회전을 특정한 구동 패턴에 따라 변화시키도록(affect) 구성된 제어 유닛(control unit)을 구비하는 자주식 트롤리 조립체에 관련되는데, 이 트롤리 조립체는 제어 유닛이 상기 위치 또는 속도 센서로부터 판독된 정보에 기반하여 적어도 피드백 지원(feedback assisted) 추진 구동 패턴(propulsion drive pattern)과; 자유 굴림(free-wheeling) 구동 패턴과; 그리고 요동(rocking) 구동 패턴을 구현하도록 구성되고, 상기 모든 구동 패턴들은 상기 전기 모터에 대한 다른 구동 전압 패턴들에 의해 구현되며, 그리고 전기 모터가, 고정자(stator)가 회전자(rotor) 자극(pole)들의 대응 수효의 정수배(integer multiple)가 아닌 수효의 고정자 자극들을 구비하고, 고정자 자극들이 전기 모터의 각 방향(angular direction)의 둘레에 차례로 장착된 적어도 세 자기적 및 전기적으로 동일한 부분집합(subset)들로 구분되는 방식인 것을 특징으로 한다.
이하에서, 본 발명이 본 발명의 예시적 실시예들과 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명될 것인데, 도면에서:
도 1은 본 발명에 따른 트롤리 조립체의 모터의 개략 측면도; 그리고
도 2는 본 발명에 따른 트롤리의 개괄도.
본 발명은 특정한 방식의 전기 모터, 즉 고정자가 복수의 고정자 자극을 가지고 회전자가 복수의 회전자 자극들을 가지는 무 브러쉬(brushless) 전기 모터를 사용하고 있다. 이 방식의 모터에서는 고정자가 로터 자극들의 대응 수효의 정수배가 아닌 수효의 고정자 자극들을 구비하며, 고정자 자극들이 전기 모터의 각 방향 둘레에 차례로 장착된 자기적 및 전기적으로 동일한 세 부분집합들로 구분된다. 바람직하기로, 고정자 자극들은 고정자 둘레를 따라 등거리로(equidistantly) 배열된다. 이에 따라 회전자 자극들도 회전자 둘레를 따라 바람직하기로 등거리로 배열된다.
바람직하기로, 모터는 트롤리의 각 바퀴를 직접 구동하도록 배치된다. 예를 들어, 모터가 바퀴 축에 장착되어 상기 축에 대해 바퀴를 구동할 수 있는데, 바람직하기로 거의 동일한 두 모터들이 축의 양측에 장착되어 각각 한 바퀴를 구동할 수 있다. 이 경우, 트롤리의 선회 시에 적절한 자동 추진(auto-propulsion)을 제공하면서, 각 해당 바퀴에 관련된 위치 센서 데이터를 사용하는 후술할 피드백 제어 기구가 각 구동되는 바퀴에 개별적으로 수행되는 것이 바람직하다. 이와는 달리, 상기 방식의 모터가 두 바퀴를 동시에 추진하는 바퀴 축을 구동하도록 장착될 수도 있다. 하나보다 많은 바퀴 축에 장착된 바퀴 역시 대응하는 방식으로 구동될 수 있다. 이에 따라 하나부터 적어도 네 모터들이 한 트롤리에 사용될 수 있는 것으로 예측할 수 있다. 바람직하기로 모든 모터들은 동일한 제어 유닛(후술함)에 제어되고 이와 통신한다.
본 발명자는 본 발명 방식의 트롤리 조립체를 추진하는데 이러한 전기 모터를 사용하면 수많은 이점들이 달성된다는 것을 발견하였다.
첫째, 이러한 모터는 미끄러짐(cogging)이 거의 없어 바퀴의 부드러운 회전을 제공한다.
둘째, 모터 자체의 회전 위치 피드백을 감안한 피드백 알고리듬에 기반하여 광범위한 회전 속도 및 패턴의 변화들(spectrum)에 걸쳐 모터가 정밀하게 제어될 수 있다.
셋째, 모터가 트롤리를 제동할 때 발전기로 사용되어 생성된 전류를 사용하여 배터리를 재충전할 수 있게 해준다.
넷째, 모터가 후술하는 바와 같이 자유 굴림 기능 역시 허용한다.
이와 동시에, 통상적인 스테핑 모터(stepping motor) 또는 다른 어떤 방식의 통상적인 무 브러쉬 모터 등 자주식 트롤리 조립체에 사용되기에 적합한 많은 방식의 전기 모터들이 있다. 이에 반해 본 발명자는 상기 특정한 방식의 모터가 여기 기재된 다양한 트롤리 기능들에 특히 잘 맞고 최소한의 가동 부품들과 마모 특성을 가지는 매우 단순하지만 튼튼한 구조를 제공한다는 것을 발견하였다.
전술한 방식의 모터는 EP 0996217 B1로 공지된 것과 같은 바, 이는 이러한 모터에 대한 정보를 가지는 문헌으로 본원에 구체적으로 언급되었다. EP 0996217 B1의 도 1은 편집된 형태로 본원의 도 1로 도시되었는데, 고정자(2)와 회전자(3)를 가지는 이런 모터(1)를 개략적으로 도시한다. 도면에서 회전자(3)가 고정자(2)를 둘러싸고 있지만 역전된 구조로 구현될 수도 있다.
고정자(2)에는 고정자 자극(7)들이 배치되고 회전자(3)에는 회전자 자극(6)들이 배치된다. 자극(6, 7)들 사이에는 공기 갭(air gap) 등의 갭이 존재하여 자극(6, 7)들은 서로 물리적으로 접촉하지 않는다. 이는 모터(1)가 거의 마찰 없이 회전할 수 있게 해준다.
회전자 자극(7)들은 바람직하기로 영구자석들인 교번하는 S극(south pole; 4)과 N극(north pole; 5)의 쌍들로 구분된다.
모터는 바람직하기로, 모터 내부의 AC/DC 컨버터를 사용하거나 제어 장치(후술함)의 일부로 구성되거나 제어 장치로 제어되는 외부 부품인 이러한 컨버터를 사용하여 교류가 공급되도록 구성된다. 도 1에 도시된 예시적 실시예에서, 모터는 삼상(three-phase) AC 모터이다.
더 구체적으로, 고정자 자극(7)은 다음에 따른 DC 전압으로 상기 AC/DC 컨버터(위상 변위 회로를 구비할 수 있다)로 전원이 공급된다:
자극 참조번호 위상
A1, A3 0°
A2 180°
B1, B3 120°
B2 300°
C1, C3 240°
C2 60°
일반적으로 문헌 EP 0291219 A1에는 여기에 구체적으로 참조한 모터(1)의 자극 배치와 자극들에 대한 전력 공급의 상세에 관해, 위상 값의 선택 방법과 고정자 자극(7)들의 수효와 회전자 자극(6)들의 수효가 설명되어 있다.
동일한 참조부호(A1, A3, A2, 등)를 가지는 모든 자극들은 직렬로 연결되거나, 바람직하기로 병렬로 연결될 수 있다.
본 발명의 목적에 중요한 것은 고정자(2)가 회전자 자극(6)의 수효(이 실시예에서는 40개의 자극(6)들)의 정수배(integer multiple)가 아닌 수효의 고정자 자극(7)들(이 실시예에서 45개의 자극(7)들)을 가지며, 고정자 자극(7)들이 모터(1)의 각 방향으로 차례로 장착되는 자기적 및 전기적으로 동일한 적어도 세 부분집합(8), 또는 동질 영역(coherent zone)들로 구분된다는 점이다. 이는 또한 고정자(2)가 그 자극(7)들에 대해 5중(five-fold) 회전 대칭으로 배치되었다고 표현할 수도 있다. 도 1에서, 부분집합(8)은 다섯 개지만, 적어도 세 개인 한 더 많거나 적은 수효로도 구현될 수 있다.
이와 같이 다른 수의 자극(6, 7)들을 고정자 자극(7)의 부분집합(8) 배열과 조합하면, 모터(1)에 낮은 미끄러짐(cogging)을 제공하면서 본 발명 목적에 대한 이러한 모터의 모든 바람직한 특징들을 본 발명자의 실용 시험에서 특히 효율, 평활도, 잡음 수준과 정확도에 있어 매우 유용함이 입증된 방식으로 지지한다.
뿐만 아니라, 모터(1)는 도 1에 개략적으로 도시된 홀(hall) 효과 위치 센서(9)를 사용하여 지지한다. 위치 센서(9)는 모터의 회전 위치를 감지하도록 구성되거나 직접 현재의 회전 속도에 대한 값을 제공하는 로직(logic)을 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 트롤리(100)를 간단한 개괄로 도시한다. 전술한 바와 같이, 트롤리(100)는 아동용 유모차(trolley or stroller)가 될 수 있고, 이와는 달리 의료, 약학 또는 생화학 분야에 사용되는 생물학적 또는 화학적 시험관 샘플 등의 액체 샘플들의 수송 트롤리가 될 수도 있다. 전자의 경우, 트롤리(100)의 주 몸체(main body; 120)는 아동용 좌석 또는 베드(bed)를 구비할 수 있고; 후자의 경우 주 몸체(120)는 시험관 등을 지지하는 구획을 구비할 수 있다.
트롤리(100)는 본 발명에 따른 자주식 트롤리 조립체를 구성하는데, 배터리(156)와; 적어도 하나의 각 전기 모터(151, 152)로 구동되는 적어도 하나의 바퀴 축(wheel axis; 110)을 구비하며, 이 전기 모터(151, 152)들의 하나 또는 둘 모두는(is or are) 배터리(156)로 전력을 공급 받는다. 트롤리(100)의 배면에서 본 도 2에는 하나의 바퀴 축(110)만이 도시되어 있다. 그러나 전형적으로 두 바퀴 축이 존재하고, 각각 하나 또는 두 모터들로 구동되도록 구현된다. 전술한 바와 같이, 하나의 전기 모터가 전체 축(110)을 추진할 수도 있다.
전술한 회전 위치 또는 속도 센서(9)가 바람직하기로 상기 모터(151, 152)들 중의 적어도 하나, 바람직하기로 각 모터(151, 152)에 설치되어 전술한 방식으로 상기 모터(151, 152)의 위치 또는 속도를 개별적으로 측정하고, 적어도 하나의 트롤리(100) 바퀴(111, 112) 또는 축(110)의 회전 위치 또는 회전 속도를 감지하도록 배치된다.
바람직하기로 기능 스위치(157), 데드맨 스위치(dead man's switch; 154), 그리고 사용자 속도 설정 제어부(155)를 구비하는 사용자 인터페이스(153)는 바람직하기로 트롤리(100)의 핸들바(handle bar; 130) 상에 배치된다. 트롤리가 모터(151, 152) 전력을 사용하여 추진되려면 후술하는 바와 같이 데드맨 스위치(154)를 바람직하기로 파지(hold) 또는 눌러야 한다. 레버(lever) 또는 회전 핸들(turnable handle) 등이 될 수 있는 속도 설정 제어부(155)는 사용자가 트롤리(100)를, 연속적인 허용 가능한 간격 내의 특정한 값 또는 소정 속도들의 이산된 세트(discreet set) 중의 한 값 등의 원하는 속도로 설정할 수 있도록 하기 위해 배치된다.
트롤리(100)는 또한 상기 주 몸체(120)와 섀시(chassis; 101)를 구비한다.
트롤리(100)의 제어 유닛(150)이 상기 사용자 인터페이스(153)로부터의 입력에 기반하여 전지 모터(151, 152)를 조절하여 상기 바퀴 또는 바퀴들(111, 112)의 회전을 구동 패턴들의 세트 중의 특정한 하나에 따라 변화시키도록 배치되는데, 구동 패턴들은 바람직하기로 적어도 세 가지이다.
더 구체적으로, 본 발명에 따르면 제어 유닛(150)은 적어도, 상기 위치 또는 속도 센서 또는 센서들(9)로 판독된 정보에 기반한 피드백 지원 추진 구동(feedback assisted propulsion) 패턴과; 자유 굴림(free-wheeling) 구동 패턴과; 그리고 요동(rocking) 구동 패턴을 구현하도록 구성된다. 아래에 예시하는 바와 같은 다른 구동 패턴도 존재할 수 있다.
본 발명에 따르면 또한 상기 모든 구동 패턴들이 제어 유닛(150)에서 전기 모터(151, 152)에 공급되는 전압 패턴들을 제어하여 다른 구동 패턴들에 대해 다른 구동 전압 패턴들이 전기 모터(151, 152)에 제공됨으로써 구현된다. 이러한 구동 전압 패턴들은 바람직하기로 제어 유닛(150) 내에 배치된 일반적인 프로그램 가능한 하드웨어 회로에 소프트웨어로 구현되는데, 이 하드웨어 회로는 메모리와, 마이크로프로세서와, 그리고 전기적 통신 수단을 구비한다. 제어 유닛(150)은 무선 또는 유선 디지털 인터페이스 등의 통상적인 통신 수단을 사용하여 사용자 인터페이스(153), 모터(151, 152) 등과 통신하도록 구현된다.
중요하기로, 전기 모터(151, 152), 그리고 모든 전기 모터들은 트롤리(100)의 전술한 방식의 하나 또는 몇 바퀴(111, 112)를 추진하는 데 사용되는데, 여기서 고정자는 회전자 자극의 대응 수효의 정수배가 아닌 수효의 고정자 자극을 구비하고, 고정자 자극들은 적기 모터(151, 152)의 각 방향 둘레로 차례로 장착된 자기적 및 전기적으로 동일한 적어도 세 부분집합들로 구분된다.
이러한 트롤리 조립체는 매우 간단하고 튼튼한 구조를 제공하는데, 이는 또한 유연하고 광범위한 구동 기능의 다양성(flora)과 이에 따른 사용자의 편의성 역시 제공한다. 이와 동시에, 사용에 안전하며 원할 때는 종래의 비구동 트롤리로도 용이하게 사용할 수 있다. 특히 모터(151,152)는 기어박스를 필요로 하지 않는데, 이것이 바람직하다.
바람직한 실시예에 의하면, 위치 또는 속도 센서(9)는 홀 효과 센서로, 제어 유닛(150)에 회전 모터 위치 또는 속도 정보를 제공하도록 구성된다.
전술한 바와 같이, 제어 유닛(150)은 상기 적어도 하나의 모터(151, 152)를 통해 트롤리(100)의 바퀴(111, 112)에 힘을 부과함으로써 트롤리(100)의 복수의 구동 패턴들을 구현하도록 구성된다.
이러한 구동 패턴 중의 하나는 사용자가 설정 가능한 속도 구동 패턴이다. 바람직하기로, 이 패턴에서 사용자는 제어부(155)를 통해 원하는 트롤리 속도(speed or velocity)를 설정한다. 예를 들어 상기 제어부(155)가 설정되거나 및/또는 별도의 전력 제어부(power control)가 켜져 작동되면 제어 유닛(10)은 센서(9)를 사용하여 트롤리(100)의 속도를 계속 측정하고, 이를 상기 사용자 설정 속도와 비교하고, 피드백 루프(feedback loop)에 따라 배터리(156)로부터 모터(151, 152)에 공급되는 전압을 조정함으로써 상기 사용자 설정 속도를 달성한다. 제어부(155)를 사용하는 사용자 설정 속도는 “5m/s" 등의 수치 값으로 규정되거나, 사용자가 예를 들어 “저속”, “중속”, “고속”으로부터 값을 선택할 수 있고, 이 값은 이어서 트롤리(100)의 특정한 속도로 변환된다.
이 사용자 설정 가능한 속도 구동 패턴 피드백 루프는 바람직하기로 판독된 속도가 감소하거나 및/또는 사용자 설정 속도 미만일 때 모터(151, 152)에 공급되는 전압을 올리거나 그 역의 과정을 포함한다. 바람직하기로 PID 제어 루프 등의 제어 루프는 전술한 소프트웨어를 제어 유닛(150) 내에 내장하여 구현하는데, 이 소프트웨어는 트롤리(100)의 속도를 가능한 한 사용자 설정 속도에 가깝게 유지하는 것을 목표로 한다. 이러한 피드백 루프의 구현은 종래대로 할 수 있다.
그러나 제어 유닛(150)은 전술한 바와 같이 다른 자극들에 인가되는 위상 차이를 가지는 가변 전압을 사용하여 전술한 바와 같이 고정자(2)의 자극(7)들의 각각에 인가되는 전압을 제어함으로써 모터(151, 152)를 제어한다. 이는 부드럽고 연속적인 조절 가능한 피드백 제어를 제공하여 결과적으로 기분 좋은 사용자 경험을 제공한다.
상기 전압 제어 피드백 제어 루프의 하류(downstream) 등에 상기 전압 제어 피드백 제어 루프와 병렬 또는 바람직하기로 직렬로 사용자 설정 가능한 속도 구동 패턴 피드백 제어 루프는 검출된 모터(151, 152) 전류의 현재 사용량에 기반한 모터(151, 152) 전력 소모량 조절 피드백 루프를 더 구비하는데, 전류 사용량이 증가하면 전력 소모량이 증가한다. 종래대로의 구성일 수 있는 이 추가적인 피드백 제어 루프는 바람직하기로 모터(151, 152) 자체 내부의 모터(151, 152) 제어 회로 내에 구현된다.
이에 따라, 제어 유닛(150)은 지속적으로 모터(151, 152)에 공급되는 전압을 조절하여 사용자 설정 속도를 달성한다. 이와 동시에, 모터(151, 152)의 전류 사용량이 감시되어 순간적으로 사용된 전류에 기반하여 모터(151, 152)의 순간 전력 소모량이 조절된다. 이 두 피드백 제어 루프의 조합은 트롤리(100) 속도의 매우 효율적이지만 부드러운 제어를 제공한다. 모터(151, 152)의 전력 소모량에 대한 후자의 피드백 제어 루프는 모터(151, 152)에 전력이 공급되는 한, 다른 구동 패턴들에도 사용되는 것이 바람직하다. 사실, 동일한 모터 전류 대 전력 피드백 루프는 제어 유닛(150)에 의해 현재 실행되는 구동 패턴의 방식에 무관하게 동일한 방법으로 작동될 수 있다.
이에 따라, 사용자 설정 가능한 피드백 제어는 사용자가 설정한 트롤리(100) 속도에 자동으로 도달하여 유지한다. 그러나 사용자가 사용자 설정 속도보다 트롤리(100)를 더 빠르게 밀려고 시도하거나 내리막을 주행할 때는 트롤리(100)는 사용자 설정 속도 이상으로 가속되는데, 상기 사용자 설정 가능한 속도 구동 패턴의 피드백 제어 루프가 제동 기구(braking mechanism)의 맞물림(engaging) 과정을 구비하는 것이 바람직하다. 이 제동 기구는 바람직하기로 사용자 설정 속도가 소정의 상대 또는 절대 값을 초과하면 자동으로 작동된다. 일부 실시예들에서, 소정 값은 절대값 “제로(zero)"가 될 수 있는데, 이는 트롤리(100)의 검출된 속도가 사용자 설정 속도를 초과하자마자 제동 기구가 자동으로 작동됨을 의미한다. 트롤리 속도 역시 센서(9)를 사용하여 판독되도록 구현될 수 있다.
이러한 제동 기구의 한 바람직한 예에서, 모터(151, 152)가 발전기 모드로 구동되도록 구성된다. 이 발전기 모드는 모터(151, 152) 및/또는 제어 유닛(150)에 연계하여 배치된 모터(151, 152) 제어 회로에 의한 능동 제어(active control)를 포함하는데, 이 능동 제어는 제어 유닛(150)이 모터(151, 152)의 고정자(2)에 대한 모터(151, 152) 회전자(3)의 강제 회전에 기인한 유도 전류의 방향을 능동적으로 제어하여, 상기 전류를 배터리(156)에 공급하여 배터리(156)를 재충전한다. 달리 말해, 제어 유닛(150)이 모터(151, 152) 회전의 함수로 패턴 내의 고정자(2) 자극(7)들에 대한(to and from) 전류의 방향을 설정하도록 구성되는데, 이는 모터(151, 152)를 구동할 때는 공급 전류에 해당하고, 순 전류(net current)가 고정자(2) 자극(7)로부터 인출되어 이를 충전하도록 배터리(156)에 공급될 수 있다. 이에 따라, 이 바람직한 경우의 상기 제동 기구는 제어 유닛(150)이 모터(151, 152)를 발전기 모드로 전환시켜 생성된 전압을 사용하여 배터리(156)를 재충전하는 과정을 구비한다.
이러한 제동 기구의 다른 바람직한 예는 트롤리(100)가 제어 유닛(150)에 의해 작동되도록 구성된 기계적 브레이크(도시 안 됨)를 구비하는 것인데, 상기 제동 기구가 전술한 바와 같이 트롤리(100) 속도가 사용자 설정 속도를 초과할 때 상기 기계적 브레이크를 작동시키는 과정을 구비한다. 이러한 기계적 브레이크의 한 바람직한 실시예는 스프린트(sprint) 등인데, 상기 제어 유닛(150)에 의해 인가된 전자기력에 밀려, 예를 들어 적어도 하나의 구동 모터(151, 152)에서 회전자(3)가 고정자(2)에 대해 회전하지 못하도록 차단하는 등 적어도 하나의 바퀴(111, 112)의 회전을 기계적으로 차단하는 위치로 진입한다. 이 방법은 검출된 트롤리(100) 속도가 사용자 설정 속도에 따라 결정될 어떤 최고 속도를 초과하면 즉각적인 정지가 이뤄진다. 기계적 브레이크는 또한 마찰 브레이크를 구비할 수 있다.
바람직하기로, 발전기 모드 제동 기구가 기계적 브레이크와 조합되어, 발전기 모드 제동 기구가 작동되었지만 트롤리(100) 속도가 여전히 어떤 소정 값 이상일 때 기계적 브레이크가 작동되는데, 이 값은 사용자 설정 속도에 좌우될 것이다,
다른 구동 패턴은 자유 굴림(free-wheeling) 구동 패턴인데, 여기서 제어 유닛(150)은 어떤 추진력을 바퀴(111, 112)에 부과하지 않으며, 이와 동시에 모터(151, 1520의 내부 구동 마찰을 최소화시키도록 구성된다. 이에 따라 트롤리(100)는 종래의 모터 추진이 아닌 트롤리처럼 거동한다. 자유 굴림 구동 패턴은 바람직하기로 제어 유닛(150)이 모터(151, 152)를 대응 자유 굴림 구동 모드로 작동시키는데, 이는 바람직하기로 모터(151, 152)에 공급되는 전압을 단순히 끄는(switch off) 것에 의해 구현된다.
특히 자유 굴림 구동 패턴은 모터(151, 152) 등 어떤 부품을 기계적으로 분리(disengage)함으로써 개시되지 않는 것이 바람직하다. 그 대신 트롤리(100)가 자유 굴림될 때 회전자(3)는 바람직하기로 고정자(2)에 대해 회전하도록 구성된다.
특히 바람직한 실시예에 따르면, 자유 굴림 구동 패턴은 제어 유닛(50)에 대한 주 전력이 꺼진 동안 작동된다. 이는 전술한 방식의 모터에 의해 이뤄지는데, 자극(6, 7)들에 전압을 공급하지 않을 때 매우 낮은 마찰의 자유 굴림이 가능하다. 자유 굴림 구동 패턴은 또한 제어 유닛(150)에 대한 일반적 전력이 켜져 있을 때 능동적으로 스위치를 조작함으로써 작동될 수 있다. 제어 유닛(150)에 대한 전력이 켜진 결과로 피드백 지원 구동 패턴이 자동으로 작동되는 것이 훨씬 더 바람직하다.
일반적으로 사용자 설정 속도가 0(zero)으로 설정된 경우, 제어 유닛(150)은 바람직하기로 상기 제동 기구들 중의 적어도 어느 하나를 트롤리(100)에 적용하여 어떤 힘으로 밀거나 당김 없이 움직이지 않도록 고정하거나 사용자 설정 속도를 0이 아닌 값으로 설정하도록 구성된다.
바람직하기로, 적어도 하나의 바퀴 축(110)이 이러한 축(110) 상의 각 바퀴(111, 112)에 하나의 모터(151, 152)를 구비하는 경우, 이러한 각 모터(151, 152)는 제어 유닛(150)에 의해 개별적으로 제어되어 피드백 제오 추진 모드 동안 상기 사용자 설정 속도를 해당 바퀴(111, 112)에 대해 유지한다.
예를 들어 제어부(157)을 사용하여 선택 가능한, 다른 방식의 피드백 제어 구동 패턴이 존재할 수 있다. 예를 들어, 최저 속도 구동 패턴 역시 전술한 사용자 설정 속도 구동 패턴에 해당하는 방법으로 제어 유닛(150)에 의해 구현될 수 있다.
뿐만 아니라 바람직한 실시예에서, 제어 유닛(150)의 제어에 의한 모터(151, 152) 구동력은 핸들바를 돌리는 등 인터페이스(153)에 포함된 사용자 제어에 인가된 0이 아닌 토크(torque)에 관해 제어 유닛(150)에 정보를 제공하는 토크 센서에 적어도 부분적으로 기반하여 인가된다. 이 경우, 제어 유닛(150)은 0이 아닌 토크가 감지되는 한, 모터(151, 152)가 0이 아닌 구동력을 인가하도록 제어한다. 바람직하기로 (사용자에 의해) 인가된 이러한 토크는, 더 높은 토크를 트롤리(100)의 현재 회전 속도보다 더 높은 속도로 해석하는 제어 유닛(150) 내의 변환 알고리듬(translation algorithm)에 의해 선택된 속도로 변환된다. 달리 말해, 사용자는 토크를 더 또는 덜 인가함으로써 현재 측정된 트롤리 속도와 비교한 상대적 값으로 설정 트롤리 속도를 제어할 수 있다.
이 대신 또는 이에 부가하여, 트롤리(100) 핸들바(130) 내에 배치된 것 등의 미는 힘(push force) 센서가 사용자에 의해 트롤리(100)에 인가된 미는 힘을 직접 감지하도록 구성되고, 사용자에 의해 0이 아닌 미는 힘이 인가되는 경우에만 제어 유닛(150)이 모터(151, 152)를 통해 바퀴(111, 112)에 구동력을 인가하도록 한다. 미는 힘 센서는 데드맨 스위치와 동일하거나 이를 대신하여 사용될 수 있다. 전술한 제동 기구 역시 적어도 소정의 최소 크기로 이러한 토크나 미는 힘이 인가되지 않는 경우, 트롤리(100)가 정차(park)되었을 때 안전 기구로 작동된다.
한 바람직한 실시예에서, 상기 토크 센서는 후진 및 전진 방향 간을 구별하도록 구성됨으로써 상기 피드백 지원 추진 구동 패턴 동안 토크 센서에 의해 감지된 방향에 따라 각 모터(151, 152)가 후진 또는 전진으로 구동되도록 구성된다.
이와는 달리 또는 이에 부가하여, 제어 유닛(150)이 바람직하기로 상기 위치 또는 속도 센서(9)에 의해 제공된 정보에 기반하여 트롤리(100)의 굴림 방향을 감지하고, 상기 피드백 지원 추진 구동 패턴을 상기 감지된 굴림 방향으로 구현하도록 구성된다.
바람직하기로, 사용자가 설정 가능한 피드백 추진 피드백 패턴은 전진 또는 후진 추진에 대해 전적으로 또는 거의 동일하게 구현된다. 이에 따라, 사용자가 트롤리(100)를 전방으로 이송시키다 끄는 힘(pulling force)을 사용하여 트롤리(100)를 정지시킨 뒤 트롤리(100)가 후진 운동을 하도록 더 끌면, 제어 유닛(1500이 자동으로 굴림 방향의 이 변화를 검출하여 트롤리(100)의 후진 운동을 달성 및 유지할 목적으로 모터(151, 152)를 대신 조절한다. 목적한 후진 운동 속도는 사용자 설정 전진 속도와 동일하거나 전진 추진의 경우에 대해한 사용자 설정 속도보다 더 낮은 소정의 속도 이에 비례하는 더 낮은 속도가 될 수 있다. 이에 따라, 사용자가 다시 트롤리(100)를 정지시키고 전방으로 밀기 시작하면, 제어 유닛(150)이 이를 다시 자동으로 검출하여 전술한 바와 같은 사용자 설정 전진 속도를 목표로 하는 조절로 전환한다.
프로그램 스위치(157)가 사용자가 다른 구동 패턴들 간을 전환시키는 데 사용될 수 있으면 바람직하다. 이러한 추가적 구동 패턴의 하나는 전술한 요동(rocking) 구동 패턴인데, 이는 적어도 하나의 모터(151, 152)가 소정의 회전 패턴에 따라 시간의 함수로 트롤리(100)를 전방 및 후방으로 추진하도록 제어 유닛(150)이 제어함으로써 구현된다.
바람직하기로, 일단 트롤리(100)가 정지(standstill)했을 때 스위치(157)를 사용하여 선택 가능한 등의 몇 가지 이러한 요동 구동 패턴들이 존재한다. 이러한 각 요동 구동 패턴은 바람직하기로 트롤리(100)를 한 방향으로 어떤 거리만큼 전진 또는 후진시킨 다음, 트롤리(100)를 반대 방향으로 어떤 거리만큼 구동하는 과정을 무한히 또는 사용자가 스위치(157)를 사용하는 등 사용자가 요동 구동 패턴을 종료할 때까지의 소정의 최대 시간 주기 동안 반복한다.
바람직하기로, 이러한 다른 요동 구동 패턴들은 양 방향으로의 다른 구동 거리와, 구동 방향과 구동 속도를 전환할 때의 가속도의 다른 조합들을 구비한다. 한 바람직한 실시예에 따르면, 바람직하기로 양방향으로 비교적 긴 구동 거리를 가지는 부드럽고 느린 요동 패턴으로부터, 바람직하기로 양방향으로 비교적 짧은 구동 거리를 가지는 더 거칠고 빠르며 변화스러운 요동 패턴까지 점진적으로 변화되는 적어도 세 다른 요동 구동 패턴들이 존재한다. 바람직하기로, 일련의 요동 프로그램들은 바람직하기로 연계되어 감소하는 요동 주파수와 바람직하기로 전환 간의 굴림 속도 역시 가지는, 5cm 미만의 전진/후진 운동으로부터 20cm보다 큰 전진/후진 운동까지 변화하도록 구현될 수 있다.
정상적으로, 요동 구동 패턴은 트롤리(100)의 직선 전진 및 후진 구동 운동을 포함한다. 그러나 바람직한 한 실시예에 따르면, 적어도 하나의 요동 구동 패턴은 반대측 바퀴(151) 또는 바퀴를 다른 속도 또는 다른 방향으로 구동하면서 한 바퀴(151) 또는 트롤리(100)의 일측의 바퀴들만을 한 방향으로 구동하여 바람직하기로 트롤리(100)의 신속한 변화 형태의 측방향 회전 운동을 포함한다. 이러한 측방향 회전은 요동 구동 패턴 중의 하나 또는 그 자체로 구현될 수 있지만 바람직하기로 순수한 전진/후진 운동에 기반한 다른 요동 구동 패턴의 일부로 구현된다. 예를 들어, 다섯 번의 전진/후진 요동마다 또는 불규칙한 간격으로 하나 또는 복수의 측방향 변화가 제어 유닛(150)에 의해 트롤리(100)에 부과될 수 있다. 이는 덜 예측 가능하고 덜 균일한 요동 기능을 제공하는데, 이것이 아동이나 생물학적 샘플 등에 더 유용할 것이다.
여기 설명되는 모든 구동 패턴들의 경우와 마찬가지로 상기 요동 구동 패턴도 이들 프로그램들 간의 기능 차이에 관련된 소프트웨어로 구현, 바람직하기로 순전히 소프트웨어로 구현되어 제어 유닛(150)에 의해 동일한 하드웨어를 사용하여 실행된다.
전술한 바와 같이, 트롤리(100)에는 바람직하기로 데드맨 스위치(154)가 설치된다. 제어 유닛(150)은 제어 유닛(150)에 전력이 공급되고 상기 위치 또는 속도 센서로부터의 정보가 트롤리가 현재 운동 중임을 나타낼 때 데드맨 스위치(154)가 작동되는 경우 상기 방식의 제동 기구를 작동시키도록 구성된다.
이상에서 바람직한 실시예들이 설명되었다. 그러나 당업계에 통상의 기술을 가진 자라면 본 발명의 기본적 개념을 벗어나지 않고도 여러 가지 변경을 가할 수 있음이 자명하다.
예를 들어, 전술한 기능들의 대부분과, 적어도 배터리(156)와, 제어 유닛(150)과, 그리고 모터(151, 152)는 축(110) 내에 수납될(encapsulated) 수 있고, 이는 적절한 방법으로 핸들바(130) 상에 장착된 외부 사용자 인터페이스(153)에 연결될 수 있다. 이러한 방법으로, 기존의 트롤리의 기존의 축이 본 발명의 기능을 가지는 축으로 교체될 수 있다. 결과적으로, 기존의 트롤리가 용이하게 업그레이드되어 본 발명에 따른 트롤리(100)가 될 수 있다.
전술한 것들 이외에도 더 많은 구동 패턴들이 존재할 수 있다. 예를 들어, 한 구동 패턴은 작동되었을 때 트롤리(100)를 소정 거리만큼 전진시킨 뒤 정지한다. WiFi 인터넷 연결 등의 무선 연결 등 그 자체로 통상적인 방법을 통하고 제어 유닛(150)을 사용하여 소프트웨어를 업그레이드함으로써 트롤리(100)에 다이브 패턴(dive pattern)들이 추가될 수 있다.
요동 구동 패턴을 구현할 때 트롤리(100)가 정차 위치로부터 너무 멀리 이동하지 않도록 하기 위해 바람직하기로 이러한 요동 구동 패턴은 언제나 30분 이하의 최대 시간 주기 동안 실행된다. 그러나 특정한 기구를 사용하여 트롤리(100)가 거의 동일한 위치에 유지되고 이 위치 주변에서 요동이 수행되는 것도 가능하다. 에들은 하방을 관찰하는 디지털 카메라를 배치하여 트롤리(100)가 운동하는 바닥을 포착하고; 통상적인 화상 해석 알고리듬을 사용하여 결정된 고정 기준 위치에 대한 트롤리(100)의 위치를 지속적 또는 단속적으로 판단하며; 그리고 요동 운동 동안 바퀴(151, 152)에 보정 조정(correcting adjustment)들을 부과하여 시간이 경과해도 트롤리(100)를 상기 고정 기준 위치에 대해 대략 동일한 위치에 유지시킨다.
뿐만 아니라, 트롤리(100)의 동일한 섀시(101) 상에 교체 가능한 주 몸체(120)를 구비하여, 다른 세트의 구동 패턴에 대한 지지부를 설치할 필용 없이 사용자가 아동을 지지하는 주 몸체(120)와 쇼핑 캐리지 주 몸체(120) 간을 전환시킬 수 있게 할 수 있다.
일반적으로 모터에 외부적으로 인가되는 토크를 감지하여 추진 피드백 기구에 사용되도록 모터에 설치되는 토크 센서는 없다. 그 이유는 전술한 모터 전류 대 전력 피드백 루프가, 간접적으로 감지된 외부 인가 모터 토크, 즉 측정된 모터 전류를 통해 간접적으로 측정된 토크에 기반한 피드백 루프로 효율적으로 작용할 것이기 때문이다.
이에 따라, 본 발명은 설명된 실시예들로 한정되지 않으며, 첨부된 청구항들의 범위 내에서 변화될 수 있다.

Claims (16)

  1. 배터리(156)와; 전기 모터(151, 152; 1)로 구동되는 적어도 하나의 바퀴(111, 112)로, 이 전기 모터(151, 152; 1)가 상기 배터리(156)로 전력이 공급되는 바퀴와; 적어도 하나의 트롤리 바퀴(111, 112)의 회전 위치 또는 회전 속도를 감지하도록 구성된 회전 위치 또는 회전 속도 센서(9)와; 사용자 인터페이스(153)와; 그리고 상기 사용자 인터페이스(153)로부터의 입력에 기반하여 전기 모터(151, 152; 1)를 조절하여 상기 바퀴(111, 112)의 회전을 특정한 구동 패턴에 따라 변화시키도록 구성된 제어 유닛(150)을 구비하는 자주식 트롤리 조립체(100)에서,
    제어 유닛(150)이 적어도, 상기 위치 또는 속도 센서(9)로 판독한 정보에 기반한 피드백 지원 추진 구동 패턴과; 자유 굴림 구동 패턴과; 그리고 요동 구동 패턴을 구현하도록 구성되고,
    상기 모든 구동 패턴들은 상기 전기 모터(151, 152; 1)에 대한 다른 구동 전압 패턴들을 사용하여 구현되며,
    전기 모터(151, 152; 1)가, 고정자(2)가 회전자(3) 자극(7)들의 대응 수효의 정수배가 아닌 수효의 고정자(2) 자극(7)들을 구비하고, 고정자(20 자극(7)들이 전기 모터(151, 152; 1)의 각 방향으로 차례로 장착된 자기적 및 전기적으로 동일한 적어도 세 부분집합(8)으로 구분되는 방식인 것을
    특징으로 하는 자주식 트롤리 조립체.
  2. 청구항 1에서,
    위치 또는 속도 센서(9)가 홀 효과 센서이며, 제어 유닛(150)에 회전 모터(151, 152; 1)의 위치 또는 속도 정보를 제공하도록 구성되는 것을
    특징으로 하는 자주식 트롤리 조립체.
  3. 청구항 1에서,
    자주식 트롤리(100)가 아동용 유모차인 것을
    특징으로 하는 자주식 트롤리 조립체.
  4. 청구항 1에서,
    자주식 트롤리(100)가 액체 샘플들의 수송 트롤리인 것을
    특징으로 하는 자주식 트롤리 조립체.
  5. 선행하는 항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    제어 유닛(150)이 사용자 설정 가능한 속도 구동 패턴을 구현하도록 구성되는데, 여기서 제어 유닛(150)이 트롤리(100)의 속도를 지속적으로 측정하여 이를 사용자 설정 속도와 비교하고 피드백 루프에 따라 배터리(156)로부터 모터(151, 152; 1)에 공급되는 전압을 조절함으로써 상기 사용자 설정 속도를 달성하는 것을
    특징으로 하는 자주식 트롤리 조립체.
  6. 청구항 5에서,
    상기 사용자 설정 가능한 속도 구동 패턴의 피드백 제어 루프가 또한 검출된 모터(151, 152; 1) 전류 사용량에 기반하여 모터(151, 152; 1) 전력 소모량을 조절함으로써 전류 사용량이 증가되면 전력 소모량이 증가하는 과정을 구비하는 것을
    특징으로 하는 자주식 트롤리 조립체.
  7. 청구항 5 또는 6에서,
    상기 사용자 설정 가능한 속도 구동 패턴의 피드백 제어 루프가 또한 사용자 설정 속도가 소정의 상대 또는 절대값만큼 초과되었을 때 제동 기구의 맞물림 과정을 구비하는 것을
    특징으로 하는 자주식 트롤리 조립체.
  8. 청구항 7에서,
    모터(151, 152; 1)가 발전기 모드로 구동되도록 구성되고, 상기 제동 기구가 모터(151, 152; 1)를 발전기 모드로 전환하여 생성된 전압으로 배터리(156)를 재충전하는 과정을 구비하는 것을
    특징으로 하는 자주식 트롤리 조립체.
  9. 청구항 8에서,
    발전기 모드가, 제어 유닛(150)이 모터(151, 152; 1) 회전자(3)의 모터(151, 152; 1) 고정자(2)에 대한 강제 회전에 의한 유도 전류의 방향을 능동적으로 제어하여 배터리(156)를 재충전하도록 상기 전류를 배터리(156)에 공급함으로써 구현되는 것을
    특징으로 하는 자주식 트롤리 조립체.
  10. 청구항 7-9 중의 어느 한 항에 있어서,
    트롤리(100)가 제어 유닛(150)에 의해 작동되는 기계적 브레이크를 구비하고, 상기 제동 기구가 상기 기계적 브레이크를 작동시키는 과정을 구비하는 것을
    특징으로 하는 자주식 트롤리 조립체.
  11. 선행하는 항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    모터(151, 152; 1)가 자유 굴림 모드로 구동되도록 구성되고, 제어 유닛(150)이 상시 자유 굴림 구동 패턴을 구현하는 동안 상기 자유 굴림 모드를 작동시키도록 구성되는 것을
    특징으로 하는 자주식 트롤리 조립체.
  12. 청구항 11에서,
    자유 굴림 모드가 모터(151, 152; 1)에 공급되는 전압을 끔으로써 구현되는 것을
    특징으로 하는 자주식 트롤리 조립체.
  13. 선행하는 항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    제어 유닛(150)이 트롤리 조립체의 후방 및 전방 방향 회전을 구별하도록 구성되고, 모터(151, 152; 1)가 상기 피드백 지원 추진 구동 패턴 동안 감지된 회전 방향에 따라 후진 및 전진 구동되도록 구성되는 것을
    특징으로 하는 자주식 트롤리 조립체.
  14. 선행하는 항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    제어 유닛(150)이 상기 센서(9) 정보에 기반하여 트롤리(1000의 회전 방향을 감지하도록 구성되고, 상기 감지된 회전 방향으로 상기 피드백 지원 추진 구동 패턴을 구현하는 것을
    특징으로 하는 자주식 트롤리 조립체.
  15. 선행하는 항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 요동 구동 패턴이, 제어 유닛(150)이 모터(151, 152; 1)가 트롤리 조립체(100)를 시간의 함수인 소정의 회전 패턴으로 후방 및 전방으로 추진하도록 제어함으로써 구현되는 것을
    특징으로 하는 자주식 트롤리 조립체.
  16. 선행하는 항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    트롤리(100)가 데드맨 스위치를 구비하고, 제어 유닛에 전력이 공급되고 상기 위치 또는 속도 센서(9)로부터의 정보가 트롤리(100)가 현재 이동함을 나타낼 때 데드맨 스위치가 작동되는 경우 제어 유닛(150)이 제동 기구를 적용하도록 구성되는 것을
    특징으로 하는 자주식 트롤리 조립체.
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