KR20220064285A - 강성 가변 바퀴 및 이를 포함하는 이동 장치 - Google Patents

강성 가변 바퀴 및 이를 포함하는 이동 장치 Download PDF

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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 강성 가변 바퀴는, 타이어; 및 강성 영역과 연성 영역을 가지며 상기 타이어의 내측에 위치되는 복수의 복합 루프를 포함하며, 상기 복합 루프의 상기 강성 영역에 의하여 상기 타이어의 하중이 지지되는 강성 모드와 상기 타이어의 하중이 상기 연성 영역에 의하여 지지되어 상기 타이어의 변형이 가능한 유연 모드로 전환 가능한 타이어 지지 모듈;을 포함하며, 상기 복수의 복합 루프 각각은, 상기 강성 영역이 상기 타이어의 내주면에 대향하도록 배치된 제1 강성 영역을 포함하며, 상기 연성 영역이, 상기 제1 강성 영역의 일 단부에 배치되며, 상기 제1 강성 영역보다 낮은 강성을 가지는 제1 연성 영역과, 상기 제1 강성 영역의 타 단부에 배치되며, 상기 제1 강성 영역보다 낮은 강성을 가지는 제2 연성 영역을 포함할 수 있다.

Description

강성 가변 바퀴 및 이를 포함하는 이동 장치{Stiffness variable wheel and moving device including the same}
본 개시는 다양한 지형을 이동할 수 있는 강성 가변 바퀴 및 이를 포함하는 이동 장치에 관한 것이다.
기존의 바퀴는 물건을 최소한의 힘을 들여 이동시킬 수 있다. 그러나, 기존 바퀴는 편평하지 않은 지형에서 이동성이 매우 좋지 않다. 이러한 점을 고려하여, 평지뿐만 아니라 비포장 도로, 둔턱, 계단 등 다양한 지형 지대를 이동할 수 있도록 하기 위해 무한궤도, 2족 또는 4족 보행 형태의 이동수단이 개발되고 있다.
다만, 무한 궤도나 2족 또는 4족 보행 로봇의 경우 기존의 바퀴에 비해 다양한 지형 지대를 이동할 수는 있으나 기본적으로 기존 바퀴가 가지고 있는 빠른 이동 효율성을 따라가지 못한다.
무한궤도의 경우 계단을 오르기 위해서는 계단에 맞추어 형태를 변형하는 등의 준비과정에 많은 시간이 소요되고, 평지에서는 마찰 면적이 높아 이동 효율성이 떨어진다.
2족 또는 4족 보행 로봇의 경우 인간이 갈 수 있는 대부분의 다양한 지형을 이동할 수 있지만, 상업화가 되기에는 기술적 수준이 높고 많은 수의 액추에이터가 사용되어야 하므로 제작 단가가 높다는 문제점이 있다.
본 개시는 다양한 지형지물을 통과할 수 있으면서 이동 효율성이 높은 바퀴 및 이를 포함하는 이동 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 실시예에 따른 강성 가변 바퀴는,
타이어; 및
강성 영역과 연성 영역을 가지며 상기 타이어의 내측에 위치되는 복수의 복합 루프를 포함하며, 상기 복합 루프의 상기 강성 영역에 의하여 상기 타이어의 하중이 지지되는 강성 모드와 상기 타이어의 하중이 상기 연성 영역에 의하여 지지되어 상기 타이어의 변형이 가능한 유연 모드로 전환 가능한 타이어 지지 모듈;을 포함하며,
상기 복수의 복합 루프 각각은, 상기 강성 영역이 상기 타이어의 내주면에 대향하도록 배치된 제1 강성 영역을 포함하며, 상기 연성 영역이, 상기 제1 강성 영역의 일 단부에 배치되며, 상기 제1 강성 영역보다 낮은 강성을 가지는 제1 연성 영역과, 상기 제1 강성 영역의 타 단부에 배치되며, 상기 제1 강성 영역보다 낮은 강성을 가지는 제2 연성 영역을 포함할 수 있다.
상기 타이어 지지 모듈은, 상기 복합 루프의 일 단부를 지지하며, 가압 위치와 해제 위치로 이동 가능한 제1 루프 클램프; 상기 복합 루프의 타 단부를 지지하는 제2 루프 클램프; 및 상기 제1 루프 클램프의 상기 가압 위치 또는 상기 해제 위치로 이동에 연동하여, 상기 타이어 지지 모듈이 상기 강성 모드로 전환되도록 상기 복합 루프를 외측으로 가압하는 상태와, 상기 타이어 지지 모듈이 상기 유연 모드로 전환하도록 상기 복합 루프의 수축을 허용하는 상태로 전환 가능한 루프 링크;를 포함할 수 있다.
상기 강성 영역은, 상기 제1 연성 영역의 단부에 배치되며, 상기 제1 연성 영역보다 높은 강성을 가지며, 상기 제1 루프 클램프에 의해 지지되는 제2 강성 영역과, 상기 제2 연성 영역의 단부에 배치되며, 상기 제2 연성 영역보다 높은 강성을 가지며, 상기 제2 루프 클램프에 의해 지지되는 제3 강성 영역을 더 포함할 수 있다.
상기 강성 모드일 때, 상기 타이어의 하중이 상기 제1 강성 영역에 의해 지지되며, 상기 유연 모드일 때, 상기 타이어의 하중이 상기 제1 연성 영역에 의해 지지될 수 있다.
상기 제1 강성 영역의 강성은 상기 제1 연성 영역의 강성의 4배 ~ 5배일 수 있다.
상기 제1 연성 영역의 곡률 반경은 상기 제1 강성 영역의 곡률 반경보다 작을 수 있다.
상기 복수의 복합 루프는 상기 바퀴의 폭 방향을 따라 부분적으로 중첩되도록 배열될 수 있다.
상기 복수의 복합 루프 각각은 섬유 보강 플라스틱을 포함할 수 있다.
상기 타이어 지지 모듈은 상기 제2 루프 클램프와 타이어를 연결하는 타이어 링크;를 더 포함하며, 상기 제2 연성 영역은 상기 제2 루프 클램프에 인접하도록 배치되며, 상기 제2 연성 영역의 길이는 상기 제1 연성 영역의 길이보다 짧을 수 있다.
상기 유연 모드일 때, 상기 타이어 링크는 반경 방향을 중심으로 소정 범위에서 틸팅(tilting) 가능하다.
상기 제1 루프 클램프는 상기 타이어의 반경 방향을 따라 이동 가능하며, 상기 제2 루프 클램프는 상기 타이어의 반경 방향 및 상기 반경 방향에 대하여 기울어진 방향으로 이동 가능하다.
상기 루프 링크는 접힘 가능한 링크 구조를 가지며, 상기 강성 모드일 때 상기 루프 링크는 펼쳐진 상태가 되며, 상기 유연 모드일 때 상기 루프 링크는 접힌 상태가 될 수 있다.
상기 복수의 복합 루프는 상기 타이어의 원주 방향과 폭 방향으로 배열될 수 있다.
상기 제1 루프 클램프 및 상기 제2 루프 클램프를 이동 가능하도록 지지하는 휠 플레이트와, 상기 휠 플레이트의 중심에 배치되며, 상기 휠 플레이트에 대해 제1 방향 및 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로 회전 가능한 휠 허브와, 일 단부가 상기 휠 허브에 회동 가능하게 연결되며, 타 단부가 상기 제1 루프 클램프에 회동 가능하게 연결된 휠 링크를 더 포함할 수 있다.
상기 휠 허브가 상기 제1 방향으로 회전할 때, 상기 휠 링크가 상기 바퀴의 중심으로부터 멀어지도록 이동하며, 상기 제1 루프 클램프는 상기 타이어의 내주면에 접근하는 상기 가압 위치로 이동하며, 상기 휠 허브가 상기 제2 방향으로 회전할 때, 상기 휠 링크가 상기 바퀴의 중심에 가까워지도록 이동하며, 상기 제1 루프 클램프는 상기 타이어의 내주면으로부터 멀어지는 상기 해제 위치로 이동할 수 있다.
상기 타이어를 상기 유연 모드에서 상기 강성 모드로 변환할 때, 상기 휠 허브를 상기 제1 방향으로 회전시키도록 동력을 전달하며, 상기 타이어를 상기 강성 모드에서 상기 유연 모드로 변환할 때, 상기 휠 허브를 상기 제2 방향으로 회전시키도록 동력을 전달하는 허브 모듈;을 포함할 수 있다.
상기 타이어는 플렉시블한 에어리스 타이어를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 이동 장치는,
베이스;
상기 베이스의 하부에 설치되며, 복수 개의 상술한 강성 가변 바퀴; 및
상기 복수 개의 강성 가변 바퀴를 구동시키는 구동 모터;를 포함할 수 있다.
상기 강성 가변 바퀴는, 전방에 배치된 제1 가변 바퀴와, 후방에 배치된 제2 가변 바퀴를 포함하며, 상기 베이스는 상기 제1 가변 바퀴와 상기 제2 가변 바퀴 사이의 휠 베이스 길이를 조절하도록 구성될 수 있다.
상기 베이스는, 상기 제1 가변 바퀴가 설치된 제1 베이스 프레임과, 상기 제2 가변 바퀴가 설치되며, 상기 제1 베이스 프레임에 대해 이동 가능한 제2 베이스 프레임과, 상기 제2 베이스 프레임을 상기 제1 베이스 프레임에 대해 상대 이동시키기 위한 휠베이스 모터를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 실시예들에 관한 강성 가변 바퀴는 복수의 루프 구조물을 이용한 타이어 지지 모듈의 기구적 전환을 통해, 복잡한 알고리즘에 의한 제어 없이도 다양한 지형지물을 통과할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 개시의 일 실시예에 의한 강성 가변 바퀴를 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 1의 강성 가변 바퀴의 분리 사시도이다.
도 4는 도 1의 강성 가변 바퀴에서 타이어 지지 모듈이 강성 모드일 때를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 1의 강성 가변 바퀴에서 타이어 지지 모듈이 유연 모드일 때를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 실시예에 따른 복합 루프를 확대 도시한 도면이다.
도 7은 타이어 지지 모듈이 강성 모드일 때, 복합 루프의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 8 및 도 9는 타이어 지지 모듈이 유연 모드일 때, 복합 루프의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 허브 모듈과 휠 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 일 실시예에 따른 이동 장치를 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 12 및 도 13은 일 실시예에 따른 이동 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 14 및 도 15는 실시예에 따른 이동 장치가 계단을 오르는 과정을 개념적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 실시예에 따른 이동 장치의 휠 베이스 길이를 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 실시예 1에 따른 이동 장치가 계단을 오르는 과정을 나타낸 모습니다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명에 따른 예시적 실시예를 상세하게 설명한다. 각 도면에서 제시된 동일한 참조번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다.
“제1”, “제2” 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. “및/또는” 이라는 용어는 복수의 관련된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 항목들 중의 어느 하나의 항목을 포함한다.
본 출원서에서 사용한 용어는 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
도 1 및 도 2는 본 개시의 일 실시예에 의한 강성 가변 바퀴를 나타내는 사시도이다. 도 3은 도 1의 강성 가변 바퀴의 분리 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 의한 강성 가변 바퀴(1)는 타이어(100), 타이어 지지 모듈(200), 허브 모듈(400) 및 휠 모듈(300)을 포함할 수 있다.
강성 가변 바퀴(1)에는 구동력을 제공하는 구동 모터(500)가 설치될 수 있다. 구동 모터(500)는 바퀴를 회전시키기 위한 휠 모터(502)와 바퀴의 구조적 강성을 가변시키기 위한 허브 모터(501)을 포함할 수 있다.
타이어(100)는 강성 가변 바퀴(1)의 외주면을 형성하는 것으로서, 기존의 공압식 타이어와 달리 공기 주입 없이 완충 작용을 할 수 있다. 즉, 타이어(100)는 플렉시블한 에어리스 타이어(airless tire)로 형성될 수 있다.
이를 위해, 타이어(100)는 고무, 실리콘 등과 같은 탄성재료로 형성하여 다양한 형태로 변형될 수 있도록 형성된다. 또한, 타이어(100)는 원형 메시(circular mesh) 구조로 형성될 수 있다.
예를 들면, 타이어(100)는 내피(110)와 외피(120)를 포함할 수 있다. 내피(110)는 원형의 띠 형상일 수 있다. 외피(120)는 원형 띠 형상일 수 있다. 외피(120)는 내피(110)의 외측에 위치된다.
외피(120)는 지면과 접촉된다. 외피(120)의 외주면에는 복수의 돌기(121)가 형성될 수 있다. 본 실시예의 경우에는 복수의 돌기(121)는 외피의 폭 방향으로 연장된 직육면체로 형성되어 있으나, 복수의 돌기(121)의 형상은 이에 한정되지 않는다. 복수의 돌기(121)는 지면과의 마찰력을 증가시킬 수 있는 한 다양한 형태로 형성될 수 있다.
내피(110)의 내주면에는 복수의 돌기(111)가 형성될 수 있다. 복수의 돌기(111)는 내피의 폭 방향으로 연장된 구조를 가질 수 있으나, 그 형상은 이에 한정되지 않는다. 복수의 돌기(111)는 복합 루프와 접촉 가능한 구조라면 다양한 형태로 형성될 수 있다.
내피(110)에는 복수의 관통부(130, 160)가 마련된다. 복수의 관통부(130, 160)는 내피(110)의 폭방향으로 관통되어 형성될 수 있다. 복수의 관통부(130, 160)는 외피(120)의 내주면과 접촉되게 형성될 수 있으며, 외피(120)의 내주면으로부터 이격될 수도 있다. 복수의 관통부(130, 160)의 형상은 다양할 수 있다. 예를 들어, 관통부(130)는 원형 단면을 가질 수 있다. 관통부(160)는 사각 단면을 가질 수 있다. 일 예로서, 복수의 관통부(160)는 타이어(100)의 두께 방향을 기준으로 하여 외피(120)에 인접한 위치와 내피(110)의 내주면에 인접한 위치에 형성될 수 있다. 외피(120)에 인접한 위치에 형성되는 복수의 관통부(160)는 외피(120)의 내주면과 접할 수 있다. 다시 말하면, 관통부(160)의 사각 단면의 일면이 외피(120)의 내주면일 수 있다. 복수의 관통부(130)는 타이어(100)의 두께 방향을 기준으로 하여 복수의 관통부(160) 사이에 형성될 수 있다. 일 예로서, 외피(120)와 인접한 위치에 원주 방향으로 배열되는 복수의 관통부(160) 사이에 복수의 관통부(130)가 형성되고, 내피(110)의 내주면에 인접한 위치에 원주 방향으로 배열되는 복수의 관통부(160) 사이에 복수의 관통부(130)가 형성될 수 있다. 복수의 관통부(130, 160)의 형상, 크기, 배열은 도면에 도시된 예에 한정되지 않는다. 복수의 관통부(130) 사이의 간격, 복수의 관통부(160) 사이의 간격은 일정할 수 있으며, 불규칙할 수도 있다. 일 예로서, 타이어(100)는 내피(110), 외피(120), 및 내피(110)와 외피(120) 사이의 중간피(150)를 포함할 수도 있다. 이 경우, 전술한 복수의 관통부(130, 160)는 중간피(150)에 형성될 수 있다.
내피(110)와 외피(120)는 고무, 실리콘 등과 같은 탄성재료로 형성될 수 있다. 일 예로서, 내피(110)와 외피(120) 의 재질로 쇼어 A 경도가 20인 실리콘일 수 있다. 내피(110)와 외피(120)의 두께는 특별히 한정되지 않는다. 내피(110)는 외피(120)보다 두꺼울 수 있으며, 그 반대일 수도 있다. 외피(120)에 외력이 가해지는 경우 타이어(100)는 외력에 따라 변형될 수 있다.
타이어(100)를 고무 또는 실리콘으로 사출하여 제작할 때, 실리콘 또는 고무 몰딩 액에 글래스 마이크로 벌룬(glass microballoon)을 첨가하여 타이어(100)의 강성을 증가시키고 경량화를 할 수 있다.
타이어 지지 모듈(200)은 타이어(100)의 내측에 배치되며, 타이어(100)에 가해지는 하중을 지지할 수 있다. 타이어 지지 모듈(200)은 복수 개로서, 바퀴의 폭 방향을 따라 배열될 수 있다.
타이어 지지 모듈(200)은, 실시예에 따른 강성 가변 바퀴(1)의 구조적 특성이 변하도록 구성될 수 있다. 타이어 지지 모듈(200)은 강성 영역(211)과 연성 영역(212)을 가지며 타이어(100)의 내측에 위치되는 복수의 복합 루프(210)를 포함할 수 있다. 타이어 지지 모듈(200)은 복합 루프(210)의 강성 영역(211)에 의하여 타이어(100)의 하중이 지지되는 강성 모드와 타이어(100)의 하중이 연성 영역(212)에 의하여 지지되어 타이어(100)의 변형이 가능한 유연 모드로 전환될 수 있다. 예를 들어, 타이어 지지 모듈(200)은 제1, 제2 루프 클램프(221, 222) 및 루프 링크(230)를 포함할 수 있다.
복수의 복합 루프(210)는 타이어(100)의 내측에, 타이어(100)의 내주면에 대향하도록 배치된다. 복수의 복합 루프(210)는 바퀴의 원주 방향과 폭 방향을 따라 배열될 수 있다. 복수의 복합 루프(210)는 바퀴의 폭 방향을 따라 부분적으로 중첩될 수 있다.
복수의 복합 루프(210) 각각은 강성이 다른 영역을 가질 수 있다. 복합 루프(210)에서 일부 영역은 소정 크기의 강성을 가지는 강성 영역(211)이며, 다른 영역은 강성 영역(211)보다 강성이 낮은 연성 영역(212)일 수 있다.
복합 루프(210)는 질량 대비 높은 강성과, 소성 변형 없이 높은 탄성 복원력을 가질 수 있다. 예를 들어, 복합 루프(210)는 섬유 보강 플라스틱을 포함할 수 있다. 섬유 보강 플라스틱의 예로서, 탄소 섬유 강화 플라스틱, 유리 섬유 강화 플라스틱 등이 사용될 수 있다.
복합 루프(210)는 곡률 반경이 다른 영역을 가질 수 있다. 예를 들어, 복합 루프(210)에서 강성 영역(211)의 곡률 반경과 연성 영역(212)의 곡률 반경이 다를 수 있다. 예를 들어, 복합 루프(210)에서 강성 영역(211)의 곡률 반경이 연성 영역(212)의 곡률 반경보다 클 수 있다.
제1, 제2 루프 클램프(221, 222)는 복합 루프(210)의 양 단부를 각각 지지할 수 있다. 제1 루프 클램프(221)는 복합 루프(210)의 일 단부를 지지할 수 있다. 제1 루프 클램프(221)는 가압 위치와 해제 위치로 이동될 수 있다. 제2 루프 클램프(222)는 복합 루프(210)의 타 단부를 지지할 수 있다.
서로 인접한 두 복합 루프(210)의 타 단부는 동일한 제2 루프 클램프(222)에 지지될 수 있다. 다시 말하면, 하나의 제2 루프 클램프(222)는 서로 인접한 두 복합 루프(210)의 타 단부를 지지할 수 있다.
타이어 지지 모듈(200)은, 제2 루프 클램프(222)와 타이어(100)를 연결하는 타이어 링크(240)를 더 포함할 수 있다. 타이어 링크(240)의 일 단부는 타이어(100)에 연결되며, 타 단부는 제2 루프 클램프(222)에 연결될 수 있다.
타이어 링크(240)는 타이어(100)에 회동 가능하게 연결될 수 있다. 그에 따라, 타이어(100)가 변형될 때 타이어(100) 형상에 따라 타이어 링크(240)가 자연스럽게 회동될 수 있다.
루프 링크(230)는 복합 루프(210)의 일부를 지지하며, 복합 루프(210)를 타이어(100)의 내주면에 선택적으로 가압하도록 구성될 수 있다. 루프 링크(230)는 타이어 지지 모듈(200)이 강성 모드(202)로 전환되도록 복합 루프(210)를 외측으로 가압하는 상태와, 타이어 지지 모듈(200)이 유연 모드(201)로 전환하도록 복합 루프(210)의 수축을 허용하는 상태로 전환될 수 있다. 예를 들어, 루프 링크(230)는 제1 루프 클램프(221)의 가압 위치와 해제 위치로의 이동에 연동하여 복합 루프(210)를 외측으로 가압하는 상태와 복합 루프(210)의 수축을 허용하는 상태로 전환될 수 있다. 유연 모드(201)에서 복합 루프(210)의 강성 영역(211)은 타이어(100)로부터 이격될 수도 있다.
예를 들어, 루프 링크(230)는 접힘 가능한 구조, 예를 들어 관절부에 의하여 연결된 한 쌍의 링크 구조일 수 있다. 루프 링크(230)가 펼쳐질 때, 복합 루프(210)는 루프 링크(230)에 의해 외측으로 가압되어, 타이어(100)의 내주면을 접촉 및 가압할 수 있다. 반면, 루프 링크(230)가 접힐 때, 복합 루프(210)는 루프 링크(230)에 의한 가압이 해제되어, 타이어(100)의 내주면으로부터 이격될 수 있다. 다시 말하면, 루프 링크(230)가 접힐 때에, 타이어(100)는 부분적으로 반경 방향으로의 수축 변형이 가능하다.
타이어 지지 모듈(200)은 복합 루프(210)의 양 단부를 지지하는 제1, 제2 루프 클램프(221, 222)가 위치 이동됨에 따라, 복합 루프(210)의 반경 방향의 위치 및 형상이 가변된다. 이에 따라서, 타이어 지지 모듈(200)은 강성 가변 바퀴(1)가 높은 강성을 갖는 강성 모드(202)와 강성 가변 바퀴(1)가 낮은 강성을 갖는 유연 모드(201)로 전환될 수 있다.
도 4는 도 1의 강성 가변 바퀴(1)에서 타이어 지지 모듈(200)이 강성 모드(202)일 때를 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 도 1의 강성 가변 바퀴(1)에서 타이어 지지 모듈(200)이 유연 모드(201)일 때를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 타이어 지지 모듈(200)이 강성 모드(202)일 때, 타이어 지지 모듈(200)에 의해 타이어(100)의 형상이 예를 들어 원형으로 유지된다. 복수의 복합 루프(210)는 타이어(100)의 내주면을 접촉 및 지지한다. 복합 루프(210)는 타이어(100)의 내주면에 직접 접촉하거나 타이어(100)의 내주면에 형성된 돌기(111)를 통해 접촉한다.
제1 루프 클램프(221)는 휠 모듈(300)에 의해 가압되어 가압 위치에 고정된 상태이다. 루프 링크(230)가 설치된 루프 마운트(360)에 의해, 제1 루프 클램프(221)는 회전이 제한된 상태이다. 루프 링크(230)는 제1 루프 클램프(221)에 의해 가압되어 펼쳐진 상태가 된다. 루프 링크(230)는 펼쳐지면서 복합 루프(210)의 강성 영역(211)을 외측으로 가압한다. 타이어(100)의 내주면은 복합 루프(210)의 강성 영역(211)에 의하여 지지되며, 외측으로 가압된다. 복합 루프(210)의 강성 영역(211)은 높은 강성을 가지고 있기 때문에, 복합 루프(210)의 강성 영역(211)에 의해 지지된 타이어(100)는 그 형상이 예를 들어 원형으로 유지된다.
도 5를 참조하면, 타이어 지지 모듈(200)이 유연 모드(201)일 때, 복합 루프(210)의 일 단부를 지지하는 제1 루프 클램프(221)는, 휠 모듈(300)에 의해, 바퀴의 중심을 향해 이동된 해제 위치에 위치된다. 제1 루프 클램프(221)가 해제 위치로 이동함에 따라, 제1 루프 클램프(221)에 의하여 루프 링크(230)에 가해지는 가압력이 해제되며, 루프 링크(230)는 접힌 상태로 전환가능하다. 복합 루프(210)가 바퀴의 중심을 향해 수축됨에 따라서 루프 링크(230)는 펼쳐진 상태에서 접힌 상태로 전환된다. 그에 따라, 복수의 복합 루프(210) 중 적어도 일부는 타이어(100)로부터 이격되며, 복합 루프(210)와 타이어(100)의 내주면 사이에 공간이 존재한다. 복합 루프(210)와 타이어(100)의 내주면 사이에 공간으로 인해, 타이어(100)는 형상이 쉽게 변형될 수 있다.
타이어(100)에 하중이 작용하면, 타이어(100)에 연결된 타이어 링크(240)에 하중이 전달된다. 타이어 링크(240)에 전달된 하중은 제2 루프 클램프(222)를 거쳐 복합 루프(210)로 전달된다.
타이어 링크(240)를 통하여 복합 루프(210)로 전달된 하중은 복합 루프(210)에서 상대적으로 강성이 낮은 연성 영역(212, 213)에 집중되며, 그에 따라 복합 루프(210)의 연성 영역(212, 213)이 구부러질 수 있다. 복합 루프(210)의 연성 영역(212, 213)이 구부러지는 과정에서 타이어(100)에 가해진 하중이 흡수될 수 있다. 복합 루프(210)의 연성 영역(212, 213)이 구부러지면서, 제2 루프 클램프(222) 및 타이어 링크(240)가 반경 방향 및 반경 방향에 대하여 기울어진 방향으로 이동되고, 타이어(100)의 형상이 변형된다.
도 6은 실시예에 따른 복합 루프(210)를 확대 도시한 도면이다. 도 7은 타이어 지지 모듈(200)이 강성 모드(202)일 때, 복합 루프(210)의 작동을 설명하기 위한 도면이며, 도 8 및 도 9는 타이어 지지 모듈(200)이 유연 모드(201)일 때, 복합 루프(210)의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 복합 루프(210)는 강성 영역과 연성 영역을 포함한다. 강성 영역은 제1 강성 영역(211)을 포함할 수 있다. 연성 영역은 제1 강성 영역(211)의 일 단부에 배치된 제1 연성 영역(212)과, 제1 강성 영역(211)의 타 단부에 배치된 제2 연성 영역(213)을 포함할 수 있다. 강성 영역은 제1 연성 영역(212)의 단부에 배치된 제2 강성 영역(214)과 제2 연성 영역(213)의 단부에 배치된 제3 강성 영역(215)을 더 포함할 수 있다.
제1 강성 영역(211)은 타이어(100)의 내주면에 대향하도록 배치된다. 제1 강성 영역(211)은 소정 크기 이상의 강성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 강성 영역(211)은 높은 강성을 가지는 섬유 강화 플라스틱을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 강성 영역(211)은 제1 강성을 가지는 복수의 제1 탄소 섬유 강화 플라스틱층(2101)과 제2 강성을 가지는 복수의 제2 탄소 섬유 강화 플라스틱층(2102)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 강성 영역(211)은 각각 300 g/m2의 강성을 가지는 두 개의 제1 탄소 섬유 강화 플라스틱층(2101)과 각각 200 g/m2의 강성을 가지는 두 개의 제2 탄소 섬유 강화 플라스틱층(2102)을 포함할 수 있다. 다만, 제1 강성 영역(211)의 구조 및 재질은 이에 한정되지 아니하며, 높은 강성을 가지면서 소성 변형 없이 높은 탄성 복원력을 갖는 구조 및 재질이라면 다양하게 변형될 수 있다.
제1 연성 영역(212)은 제1 강성 영역(211)보다 낮은 강성을 가질 수 있다. 제1 연성 영역(212)은 제1 강성 영역(211)의 강성의 1/2배~ 1/5배일 수 있다. 즉, 제1 강성 영역(211)의 강성은 제1 연성 영역(212)의 강성의 2배~ 5배일 수 있다. 예를 들어, 제1 연성 영역(212)의 강성은 제1 강성 영역(211)의 강성의 1/4배~ 1/5배일 수 있다. 즉, 제1 강성 영역(211)의 강성은 제1 연성 영역(212)의 강성의 4배~ 5배일 수 있다.
제1 연성 영역(212)은 제1 강성을 가지는 제1 탄소 섬유 강화 플라스틱층(2101)과 제2 강성을 가지는 제2 탄소 섬유 강화 플라스틱층(2102)과, 이들 사이에 배치되며 제1 강성 및 제2 강성보다 작은 강성을 가지는 수지층(2103)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 연성 영역(212)은 300 g/m2의 강성을 가지는 제1 탄소 섬유 강화 플라스틱층(2101)과 200 g/m2의 강성을 가지는 제2 탄소 섬유 강화 플라스틱층(2102)과, 이들 사이에 배치된 에폭시 수지층(2103)을 포함할 수 있다. 제1 연성 영역(212)의 구조 및 재질은 이에 한정되지 아니하며, 높은 강성 및 높은 탄성 복원력을 가지면서도 제1 강성 영역(211)의 강성보다 낮은 강성을 가지는 구조 및 재질이라면 다양하게 변형될 수 있다.
제1 연성 영역(212)의 길이는 제1 강성 영역(211)의 길이보다 짧을 수 있다. 제1 연성 영역(212)의 길이는 후술할 제2 연성 영역(213)의 길이보다 길 수 있다.
제1 연성 영역(212)의 곡률 반경은 제1 강성 영역(211)의 곡률 반경보다 작을 수 있다.
제2 연성 영역(213)은 제1 강성 영역(211)보다 낮은 강성을 가질 수 있다. 제2 연성 영역(213)은 제1 강성 영역(211)의 강성의 1/2배~ 1/5배일 수 있다. 즉, 제1 강성 영역(211)의 강성은 제2 연성 영역(213)의 강성의 2배~ 5배일 수 있다. 예를 들어, 제2 연성 영역(213)의 강성은 제1 강성 영역(211)의 강성의 1/4배~ 1/5배일 수 있다. 즉, 제1 강성 영역(211)의 강성은 제2 연성 영역(213)의 강성의 4배~ 5배일 수 있다.
제2 연성 영역(213)은 제1 강성을 가지는 제1 탄소 섬유 강화 플라스틱층(2101)과 제2 강성을 가지는 제2 탄소 섬유 강화 플라스틱층(2102)과, 이들 사이에 배치되며 제1 강성 및 제2 강성보다 작은 강성을 가지는 수지층(2103)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 연성 영역(213)은 300 g/m2의 강성을 가지는 제1 탄소 섬유 강화 플라스틱층(2101)과 200 g/m2의 강성을 가지는 제2 탄소 섬유 강화 플라스틱층(2102)과, 이들 사이에 배치된 에폭시 수지층(2103)을 포함할 수 있다. 제2 연성 영역(213)의 층 구조 및 재질은 제1 연성 영역(212)의 층 구조 및 재질과 동일할 수 있다. 다만, 제2 연성 영역(213)의 층 구조 및 재질은 이에 한정되지 아니하며, 높은 강성 및 높은 탄성 복원력을 가지면서도 제1 강성 영역(211)의 강성보다 낮은 강성을 가지는 구조 및 재질이라면 다양하게 변형될 수 있다.
제2 연성 영역(213)의 길이는 제1 강성 영역(211)의 길이보다 짧을 수 있다. 제2 연성 영역(213)의 길이는 제1 연성 영역(212)의 길이보다 짧을 수 있다.
제2 연성 영역(213)의 곡률 반경은 제1 강성 영역(211)의 곡률 반경보다 작을 수 있다. 제2 연성 영역(213)의 곡률 반경은 제1 연성 영역(212)의 곡률 반경보다 작을 수 있다.
제2 강성 영역(214)은 제1 연성 영역(212)의 일 단부에 배치되며, 제1 연성 영역(212)보다 높은 강성을 가질 수 있다. 제2 강성 영역(214)은 제1 강성 영역(211)보다 낮은 강성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 강성 영역(214)은 제1 강성을 가지는 제1 탄소 섬유 강화 플라스틱층(2101)과 제2 강성을 가지는 제2 탄소 섬유 강화 플라스틱층(2102)과, 이들 사이에 배치되며 제1 강성 및 제2 강성보다 작은 강성을 가지는 유리 섬유 강화 플라스틱층(2104)을 포함할 수 있다. 다만, 제2 강성 영역(214)의 재질 및 강성은 이에 한정되지 아니하며, 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 제2 강성 영역(214)은 제1 강성 영역(211)과 동일한 강성을 가질 수도 있다. 제2 강성 영역(214)의 단부는 제1 루프 클램프(221)에 의해 지지될 수 있다.
제3 강성 영역(215)은 제2 연성 영역(213)의 일 단부에 배치되며, 제2 연성 영역(213)보다 높은 강성을 가질 수 있다. 제3 강성 영역(215)은 제1 강성을 가지는 제1 탄소 섬유 강화 플라스틱층(2101)과 제2 강성을 가지는 제2 탄소 섬유 강화 플라스틱층(2102)과, 이들 사이에 배치되며 제1 강성 및 제2 강성보다 작은 강성을 가지는 유리 섬유 강화 플라스틱층(2104)을 포함할 수 있다. 다만, 제3 강성 영역(215)의 재질 및 강성은 이에 한정되지 아니하며, 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 제3 강성 영역(215)은 제1 강성 영역(211)과 동일한 강성을 가질 수도 있다. 제3 강성 영역(215)은 제2 루프 클램프(222)에 의해 지지될 수 있다.
제3 강성 영역(215)의 길이는 제2 강성 영역(214)의 길이보다 짧을 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 타이어 지지 모듈(200)이 유연 모드(201)에서 강성 모드(202)로 전환될 때, 제1 루프 클램프(221)는 바퀴의 바깥 방향을 향해 가압 위치로 이동한다. 그 과정에서 제1 루프 클램프(221)는 루프 링크(230)와 간섭되며, 루프 링크(230)를 접힌 상대로부터 펼쳐진 상태로 전환시킨다. 루프 링크(230)는 펼쳐지면서 복합 루프(210)를 타이어(100)의 내주면 쪽으로 민다. 그에 따라, 복합 루프(210)의 제1 강성 영역(211)이 타이어(100)의 내주면에 접촉되고 타이어(100)의 내주면을 외측으로 가압하여, 타이어(100)를 본래 형태인 예를 들어 원형으로 회복시킨다.
타이어 지지 모듈(200)이 강성 모드(202)일 때, 타이어(100)의 하중은 제1 강성 영역(211)에 의해 지지된다. 그에 따라, 강성 가변형 바퀴는 상대적으로 높은 강성을 가지며, 타이어(100)의 형상을 유지한다.
도 8을 참조하면, 타이어 지지 모듈(200)이 강성 모드(202)에서 유연 모드(201)로 전환될 때, 제1 루프 클램프(221)는 바퀴의 중심을 향해 해제 위치로 이동한다. 그 과정에서 제1 루프 클램프(221)에 의하여 루프 링크(230)에 가해진 가압력이 해제되며, 루프 링크(230)는 접힌 위치로 전환될 수 있는 상태가 된다.
도 9를 참조하면, 타이어 지지 모듈(200)이 유연 모드(201)일 때, 타이어(100)에 가해진 하중은 타이어 링크(240)로 전달된다. 타이어 링크(240)로 전달된 하중은 제2 루프 클램프(222)를 통해 복합 루프(210)로 전달된다. 복합 루프(210)로 전달된 하중은 상대적으로 강성이 낮은 제1, 제2 연성 영역(212, 213)에 집중되어, 제1, 제2 연성 영역(212, 213)이 휘어질 수 있다.
제1 연성 영역(212)이 휘어짐에 따라, 타이어 링크(240)는 반경 방향으로 이동 가능하며, 길이가 상대적으로 짧은 제2 연성 영역(213)이 휘어짐에 따라 타이어 링크(240)는 반경 방향과 소정 각도를 이루는 방향으로 기울어지게 이동될 수 있다. 복합 루프(210)의 제1 연성 영역(212)과 제2 연성 영역(213)이 휘어짐에 따라, 타이어 링크(240)는 반경 방향으로 이동은 물론 반경 방향에 대하여 소정 범위에서 틸팅(tilting) 가능하다. 예를 들어, 타이어 링크(240)는 반경 방향을 기준으로 10 도 이하의 범위에서 틸팅될 수 있다. 이를 통해, 타이어 링크(240)는 외부 지형에 맞게 반경 방향으로 유연하게 움직일 수 있다. 그에 따라, 타이어(100)가 외부 지형에 맞추어 형태를 자유롭게 변화하며 접지력을 향상시킬 수 있다.
도 3 내지 도 5를 다시 참조하면, 휠 모듈(300)은 허브 모듈(400)로부터 전달된 동력을 타이어 지지 모듈(200)에 전달하는 것으로서, 휠 플레이트(310), 휠 허브(320) 및 휠 링크(330)를 포함한다.
휠 플레이트(310)는 제1 루프 클램프(221) 및 제2 루프 클램프(222)를 이동 가능하도록 지지할 수 있다. 휠 플레이트(310)는 제1 루프 클램프(221)의 반경 방향으로 이동을 가이드하기 위한 가이드 장공(311)과, 제2 루프 클램프(222)의 이동을 허용하는 타원형 개구(312)를 포함한다. 가이드 장공(311)은 반경 방향을 따라 연장되며, 타원형 개구(312)는 반경 방향을 따라 장변이 배치된 형태일 수 있다.
휠 허브(320)는 휠 플레이트(310)의 중심에 배치되며, 휠 플레이트(310)에 대해 회전할 수 있다. 휠 허브(320)는 제1 방향 및 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로 회전할 수 있다.
휠 링크(330)는 일 단부가 휠 허브(320)에 회동 가능하게 연결되며, 타 단부가 제1 루프 클램프(221)에 회동 가능하게 연결된다.
휠 링크(330)와 제1 루프 클램프(221)는 바퀴의 폭 방향을 따라 연장된 숄더 볼트(313)에 의해 연결될 수 있다. 숄더 볼트(313)는 가이드 장공(311)을 따라 이동할 수 있다.
도 4를 참조하면, 휠 허브(320)가 제1 방향, 예를 들어, 반시계 방향으로 회전할 때, 휠 링크(330)는 바퀴의 중심으로부터 멀어지도록 이동한다. 이 때, 휠 링크(330)에 연결된 제1 루프 클램프(221)는 타이어(100)의 내주면에 접근하는 방향으로 이동한다. 그에 따라, 타이어 지지 모듈(200)은 유연 모드(201)에서 강성 모드(202)로 전환될 수 있다.
도 5를 참조하면, 휠 허브(320)가 제2 방향, 예를 들어, 시계 방향으로 회전할 때, 휠 링크(330)는 바퀴의 중심에 가까워지도록 이동한다. 이 때, 휠 링크(330)에 연결된 제1 루프 클램프(221)는 타이어(100)의 내주면으로부터 멀어지는 방향으로 이동한다. 그에 따라, 타이어 지지 모듈(200)은 강성 모드(202)에서 유연 모드(201)로 전환될 수 있다.
도 10은 허브 모듈(400)과 휠 모듈(300)을 설명하기 위한 도면이다. 도 10을 참조하면, 허브 모듈(400)은 타이어(100)의 회전 중심에 배치되며, 동력을 휠 모듈(300)로 전달하도록 구성된다.
타이어 지지 모듈(200)을 유연 모드(201)에서 강성 모드(202)로 변환할 때, 허브 모듈(400)은 휠 허브(320)를 제1 방향으로 회전시키도록 동력을 전달할 수 있다. 타이어 지지 모듈(200)을 강성 모드(202)에서 유연 모드(201)로 변환할 때, 허브 모듈(400)은 휠 허브(320)를 제2 방향으로 회전시키도록 동력을 전달할 수 있다.
허브 모듈(400)은 허브 하우징(410)과, 허브 하우징(410)에 회전 가능하게 설치된 허브 샤프트(420)를 포함한다. 허브 샤프트(420)는 허브 모터(501; 도 2 참조)에 연결되며, 허브 모터(501)의 회전에 의해 회전한다.
허브 샤프트(420)는 휠 샤프트(340)에 결합될 수 있다. 허브 샤프트(420)의 회전에 의해 휠 샤프트(340)가 회전하게 되면, 플래닛 기어(352)와 기어 캐리어(353)가 회전하게 된다. 휠 허브(320)는 기어 캐리어(353)에 결합될 수 잇다. 그에 따라, 기어 캐리어(353)의 회전에 의해, 휠 허브(320)가 회전하게 되며, 휠 허브(320)에 연결된 휠 링크(330)가 바퀴의 중심으로부터 멀어지거나 바퀴의 중심에 가까워지도록 이동한다. 그에 따라, 숄더 볼트(313)에 의해 휠 링크(330)에 연결된 제1 루프 클램프(221)가 이동하면서, 복합 루프(210)의 배열이 달라지게 된다.
한편, 허브 모듈(400)은 휠 모터(502; 도 2 참조)의 동력을 휠 모듈(300) 또는 타이어 지지 모듈(200)로 전달할 수 있다. 예를 들어, 허브 모듈(400)은 허브 하우징(410)에 대해 회전 가능한 허브 기어(421)와, 허브 기어 마운트(422)를 통해 허브 기어(421)에 결합된 허브 플레이트(430)를 더 포함할 수 있다. 허브 플레이트(430)에는 슬라이딩 이동 가능한 허브 마운트 슬라이드(442)가 설치될 수 있다. 허브 마운트 슬라이드(442)에는 제1 루프 클램프(221)에 배치된 숄더 볼트(313)가 결합된다.
휠 모터(502)의 동력은 허브 기어 트랜스퍼(450)를 통해 허브 기어(421)로 전달되며, 그에 따라 허브 기어(421)에 결합된 허브 플레이트(430) 및 허브 마운트 슬라이드(442)가 회전한다. 허브 마운트 슬라이드(442)가 회전하면서, 허브 마운트 슬라이드(442)에 연결된 숄더 볼트(313)가 회전한다. 숄더 볼트(313)의 회전에 의해, 휠 플레이트(310)가 회전되어, 강성 가변 바퀴(1)가 회전한다. 이 때, 허브 모터(501)는 허브 모터 마운트(441)를 통해 허브 기어(421)와 결합되어, 강성 가변 바퀴(1)와 함께 회전한다. 허브 샤프트(420)는 허브 모터(501)와 커플링(411)을 통해 결합되며, 베어링(412)을 통해 허브 기어 마운트(422)에 대해 회전 가능하게 결합된다.
상술한 실시예에서는 허브 모듈(400)의 예시적인 구성을 설명하였으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 허브 모듈(400)의 구성은 휠 모터(502) 및 허브 모터(501)의 동력을 전달하기 위한 구조라면, 다양하게 변형될 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 이동 장치(1000)를 개념적으로 나타낸 도면이며, 도 12 및 도 13은 일 실시예에 따른 이동 장치(1000)를 설명하기 위한 도면이다. 도 12, 13에서는 편의상 센서(3) 및 프로세서(4)에 대한 도시를 생략하였다.
도 11을 참조하면, 이동 장치(1000)는 베이스(2), 복수 개의 강성 가변 바퀴(1) 및 구동 모터(500)를 포함한다. 이동 장치(1000)는 구동 모터(500)를 제어하는 프로세서(4) 및 지면 상태 또는 수평 상태를 검출하는 센서(3)를 더 포함할 수 있다.
도 11 내지 도 13을 참조하면, 베이스(2)에는 복수 개의 강성 가변 바퀴(1)가 설치될 수 있다. 복수 개의 강성 가변 바퀴(1)는 상술한 실시예들에 따른 강성 가변 바퀴(1)일 수 있다. 복수 개의 강성 가변 바퀴(1)는 전방에 배치된 한 쌍의 제1 가변 바퀴(11)와 후방에 배치된 한 쌍의 제2 가변 바퀴(12)를 포함할 수 있다. 복수 개의 강성 가변 바퀴(1)는 4개 일 수 있으나, 이에 한정되지 아니하며, 3개 이상이라면 자유롭게 변형될 수 있다.
구동 모터(500)는 프로세서(4)와 전기적으로 연결되며, 프로세서(4)의 제어에 따라 강성 가변 바퀴(1)의 작동을 제어할 수 있다. 구동 모터(500)는 강성 가변 바퀴(1)를 회전시키기 위한 동력을 제공하는 휠 모터(502)와, 강성 가변 바퀴(1)의 강성을 조절하는 허브 모터(501)를 포함할 수 있다. 휠 모터(502)는 허브 모터(501)에 비해 고속 회전이 가능할 수 있다. 허브 모터(501)는 휠 모터(502)에 비해 높은 토크를 제공할 수 있다.
센서(3)는 프로세서(4)와 전기적으로 연결된다. 센서(3)는 강성 가변 바퀴(1)가 주행하는 지면의 상태를 검출하여 지면의 상태 정보를 프로세서(4)로 전달할 수 있다. 센서(3)는 비전 센서를 사용할 수 있다.
프로세서(4)는 구동 모터(500) 중 휠 모터(502)를 제어하여 가변 바퀴(1)를 회전시키거나 정지시킬 수 있다. 또한, 프로세서(4)는 센서(3)로부터 입력되는 지면 상태 정보에 따라 구동 모터(500) 중 허브 모터(501)를 제어하여, 가변 바퀴의 강성을 제어할 수 있다.
예를 들면, 센서(3)로부터 입력되는 지면 상태 정보가 평평한 도로인 경우에는 프로세서(4)는 구동 모터(500)의 허브 모터(501)를 제어하여 타이어(100)가 원형 상태를 유지하도록 한다. 타이어(100)가 원형 상태가 아닌 경우, 프로세서(4)는 구동 모터(500)의 허브 모터(501)를 제어하여, 휠 모듈(300)을 제1 방향으로 회전시켜, 타이어 지지 모듈(200)을 강성 모드(202)로 전환시킬 수 있다. 타이어(100)가 원형 상태인 경우, 프로세서(4)는 구동 모터(500)의 휠 모터(502)만 제어하여 강성 가변 바퀴(1)를 회전시킨다.
센서(3)로부터 입력되는 지면 상태 정보가 계단인 경우에는 프로세서(4)는 구동 모터(500)의 허브 모터(501)를 제어하여 타이어(100)가 계단에 대응하여 변형될 수 있도록 한다. 즉, 프로세서(4)는 허브 모터(501)를 제어하여 타이어 지지 모듈(200)을 유연 모드(201)로 전환시켜, 강성 가변 바퀴(1)의 구조적 강성을 낮춘다. 그러면, 타이어(100)의 형상이 계단의 형상에 따라 변형될 수 있다.
이 상태에서 프로세서(4)가 구동 모터(500)의 휠 모터(502)를 작동시키면, 가변 바퀴(1)가 회전하면서 계단을 올라갈 수 있다.
프로세서(4)는 4개의 구동 모터(500)에 전기적으로 연결되어, 4개의 강성 가변 바퀴(1)의 작동을 제어할 수 있다.
프로세서(4)가 4개의 구동 모터(500)의 휠 모터(502)를 제어하면, 이동 장치(1000)를 이동시키거나 정지시킬 수 있다. 또한, 프로세서(4)가 4개의 강성 가변 바퀴(1)의 허브 모터(501)를 제어하면, 이동 장치(1000)가 지면의 상태에 따라 강성 가변 바퀴(1)의 강성을 변화시킬 수 있다. 4개의 강성 가변 바퀴(1)의 강성을 낮게 한 상태로 4개의 구동 모터(500)를 작동시키면, 이동 장치(1000)는 비포장도로, 둔턱, 계단 등과 같은 다양한 지형 지물을 쉽게 이동할 수 있다.
예를 들어, 타이어 지지 모듈(200)이 유연 모드(201)일 때 타이어(100)의 접지 면적은 타이어 지지 모듈(200)이 강성 모드(202)일 때의 접지 면적보다 증가하게 된다. 예를 들어, 타이어 지지 모듈(200)이 유연 모드(201)일 때 타이어(100)의 접지 면적은 타이어 지지 모듈(200)이 강성 모드(202)일 때의 접지 면적 대비 10배 이상 커질 수 있다. 그로 인해, 바닥과의 접지력이 증가하게 되므로, 급경사를 통과하더라도 바퀴의 접지력 부족으로 인해 미끄러지는 것을 줄일 수 있다.
또한, 강성 가변 바퀴(1)가 타이어(100) 형태를 변형하여 타이어(100)의 접지 면적을 증가시킴으로써, 자갈이나 모래 등이 존재하는 비포장 도로를 주행하더라도, 바퀴가 모래 속에 빠지거나 바위 틈에 걸리는 등의 문제를 방지할 수 있다.
도 14 및 도 15는 실시예에 따른 이동 장치(1000)가 계단을 오르는 과정을 개념적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 이동 장치(1000)가 계단(O)에 접근함에 따라, 프로세서(4)는 구동 모터(500)의 허브 모터(501)를 제어하여, 타이어 지지 모듈(200)을 유연 모드(201)로 전환한다. 이를 통해, 제1 가변 바퀴(11) 및 제2 가변 바퀴(12)의 강성을 낮춘다. 제1 가변 바퀴(11) 및 제2 가변 바퀴(12)는 외부 형상에 따라 형상이 가변된다. 프로세서(4)는 휠 모터(502)를 제어하여, 제1 가변 바퀴(11) 및 제2 가변 바퀴(12)를 회전시킨다.
제1, 제2 가변 바퀴(11, 12)는 형태가 변형된 상태에서 회전함에 따라, 제1, 제2 가변 바퀴(11, 12)는 계단(O)과의 접촉 면적이 증가한 상태에서, 계단(O)에 힘이 작용하게 된다.
도 14를 참조하면, 제2 가변 바퀴(12)는 베이스(2)를 통해 제1 가변 바퀴(11)에 미는 힘을 제공하게 된다. 제1 가변 바퀴(11)는 제2 가변 바퀴(12)가 계단(O)을 올라 충분한 면적을 확보할 때까지, 베이스(2)를 통해 제1 가변 바퀴(11)에 미는 힘을 제공할 수 있다. 그에 따라, 이동 장치(1000)의 제1 가변 바퀴(11)가 계단(O)을 용이하게 오를 수 있다.
도 15를 참조하면, 계단(O)을 오른 제1 가변 바퀴(11)는 계단(O)과 충분한 접촉 면적을 확보할 수 있다. 제1 가변 바퀴(11)는 베이스(2)를 통해 제2 가변 바퀴(12)에 당기는 힘을 제공하게 된다. 제1 가변 바퀴(11)는 제2 가변 바퀴(12)가 계단(O)을 올라 충분한 면적을 확보할 때까지, 베이스(2)를 통해 제2 가변 바퀴(12)에 당기는 힘을 제공할 수 있다. 그에 따라, 이동 장치(1000)의 제2 가변 바퀴(12) 역시 계단(O)을 용이하게 오를 수 있다.
도면상 도시하지 않았으나, 이동 장치(1000)가 계단(O)을 내려가는 과정은 제1, 제2 가변 바퀴(12)는 형태가 변형된 상태에서 계단과 접촉 면적이 증가한 상태에서 계단(O)을 내려가게 된다. 이동 장치(1000)가 계단(O)을 내려가는 과정은 계단(O)을 오르는 과정과 유사하게 진행되므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
실시예에 따른 이동 장치(1000)는 계단(O)을 올라가기에 적합하도록 설계될 수 있다.
다시 도 12 및 도 13을 참조하면, 이동 장치(1000)의 베이스(2)는 제1 가변 바퀴(11)와 제2 가변 바퀴(12) 사이의 휠 베이스 길이(W)를 조절하도록 구성될 수 있다. 이를 통해, 이동 장치(1000)를 계단(O)에 맞춰 휠 베이스 길이(W)를 조절할 수 있다.
예를 들어, 베이스(2)는 제1 베이스 프레임(21)과, 제1 베이스 프레임(21)에 대해 전후 방향으로 이동 가능한 제2 베이스 프레임(22)과, 제2 베이스 프레임(22)을 제1 베이스 프레임(21)에 대해 상대 이동시키기 위한 휠베이스 모터(23)를 포함한다.
제1 베이스 프레임(21)에는 제1 가변 바퀴(11)가 설치되며, 제2 베이스 프레임(22)에는 제2 가변 바퀴(12)가 설치된다. 휠 베이스 모터(23)에 의해, 제1 베이스 프레임(21)과 제2 베이스 프레임(22)의 전후 방향으로 위치가 달라지며, 휠 베이스 길이(W)가 조절된다.
센서(3)는 계단의 높이와 깊이를 검출할 수 있다. 이동 장치(1000)는 센서(3)를 통해 검출된 계단의 높이와 길이를 고려하여, 휠 베이스 길이(W)를 조절할 수 있다. 도 16을 참조하면, 인식된 계단(O)의 높이가 H, 깊이가 L, 제1, 제2 가변 바퀴(11, 12)의 반경이 R일 때, 휠 베이스 길이(W)는 아래 식 (1)에 대응되도록 조절할 수 있다.
휠 베이스 길이(W) =
Figure pat00001
... 식 (1)
프로세서(4)는 계단의 높이와 깊이를 고려하여, 휠 베이스 길이(W)를 조절할 수 있다.
강성 가변 바퀴(1)가 계단을 오르는데 적합하도록, 강성 가변 바퀴(1)의 크기 및 변형량을 설계할 수 있다.
예를 들어, 강성 가변 바퀴(1)의 직경(2R)은 계단(O)의 높이(H)의 150 % 이상일 수 있다. 예를 들어, 계단(O)의 깊이(L)가 260 mm이며 높이(H)가 180 mm일 때, 강성 가변 바퀴(1)의 직경(2R)은 280 mm로 설계될 수 있다.
예를 들어, 강성 가변 바퀴(1)의 강성이 낮을 때 강성 가변 바퀴(1)의 변형량은 강성 가변 바퀴(1)의 반경(R)의 20% 이상일 수 있다.
더불어, 이동 장치(1000)는 계단을 오르는 과정에서, 이동 장치(1000)에 적재된 짐이 수평을 유지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 이동 장치(1000)는 짐이 적재되는 적재부(25)와, 적재부(25)가 수평을 유지하기 위한 수평 유지 모터(26)를 더 포함할 수 있다.
이동 장치(1000)가 계단을 오르는 과정에서, 베이스(2)가 기울어지더라도, 적재부(25)는 수평 유지 모터(26)에 의해 수평을 유지할 수 있다. 그에 따라, 이동 장치(1000)가 계단을 오르는 과정에서, 짐이 이동 장치(1000) 밖으로 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 개시의 일 실시예에 의한 강성 가변 바퀴(1)는 이동용 로봇, 개인용 모빌리티 플랫폼 등과 같이 다양한 이동 장치에 적용될 수 있다.
이하, 실시예 1을 들어 본 발명에 관하여 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
본 발명의 이동 장치(1000)의 실시예로서, 상술한 실시예에 따른 강성 가변 바퀴(1)를 사용하였다. 타이어 지지 모듈(200)이 강성 모드(202)일 때, 강성 가변 바퀴(1)의 직경은 280 mm, 폭은 70 mm이며, 휠 베이스 거리는 470 mm ~ 580 mm이며, 이동 장치(1000)에 사용된 배터리는 무게 17 kg, 25.2 V, 40 Ah의 리튬 이온 배터리를 탑재하였으며, 이동 장치에 적재된 짐의 무게는 12 Kg로 실험해 보았다.
도 17은 실시예 1에 따른 이동 장치가 계단을 오르는 과정을 나타낸 모습니다. 도 17을 참조하면, 이동 장치는 강성 가변 바퀴(1)의 형태가 변형 가능한 상태로 계단에 진입하였다. 강성 가변 바퀴(1)가 형상 변형이 가능하기 때문에, 타이어(100)와 계단의 접촉 면적이 증가하였으며, 충분한 접지력을 바탕으로 계단을 올라갈 수 있었다. 또한, 이동 장치는 휠 베이스 길이를 조절하고, 적재부의 각도를 조절함으로써, 적재부 상의 짐을 떨어뜨리지 않고 안정적으로 계단을 올라갈 수 있음을 확인할 수 있었다.
발명의 이해를 위하여, 도면에 도시된 바람직한 실시예들에서 참조 부호를 기재하였으며, 상기 실시예들을 설명하기 위하여 특정 용어들을 사용하였으나, 상기 특정 용어에 의해 발명이 한정되는 것은 아니며, 발명은 당업자에 있어서 통상적으로 생각할 수 있는 모든 구성 요소들을 포함할 수 있다.
발명에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시예들로서, 어떠한 방법으로도 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, “필수적인”, “중요하게” 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다. 여기에서 사용되는 “포함하는”, “구비하는” 등의 표현은 기술의 개방형 종결부의 용어로 이해되기 위해 사용된 것이다.
발명의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 “상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한 발명에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 마지막으로, 본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한 기술이 속한 분야의 통상의 지식을 갖는 자는 발명의 범위와 사상에서 벗어나지 않으면서도 다양한 수정과 변경이 용이하게 이루어질 수 있음을 명확히 알 수 있다.
1 : 강성 가변 바퀴 11 : 제1 가변 바퀴
12 : 제2 가변 바퀴 2 : 베이스
21 : 제1 베이스 프레임 22 : 제2 베이스 프레임
23 : 휠 베이스 모터 25 : 적재부
26 : 수평 유지 모터 3 : 센서
4 : 프로세서 100 : 타이어
110 : 내피 111 : 내부 돌기
120 : 외피 121 : 외부 돌기
130 : 관통부 200 : 타이어 지지 모듈
201 : 유연 모드 202 : 강성 모드
210 : 복합 루프 211 : 제1 강성 영역
212 : 제1 연성 영역 213 : 제2 연성 영역
214 : 제2 강성 영역 215 : 제3 강성 영역
221 : 제1 루프 클램프 222 : 제2 루프 클램프
230 : 루프 링크 240 : 타이어 링크
300 : 휠 모듈 310 : 휠 플레이트
311 : 가이드 장공 312 : 타원형 개구
313 : 숄더 볼트 320 : 휠 허브
330 : 휠 링크 340 : 휠 샤프트
352 : 플래닛 기어 353 : 기어 캐리어
360 : 루프 마운트 400 : 허브 모듈
500 : 구동 모터 501 : 허브 모터
502 : 휠 모터 1000 : 이동 장치

Claims (20)

  1. 타이어; 및
    강성 영역과 연성 영역을 가지며 상기 타이어의 내측에 위치되는 복수의 복합 루프를 포함하며, 상기 복합 루프의 상기 강성 영역에 의하여 상기 타이어의 하중이 지지되는 강성 모드와 상기 타이어의 하중이 상기 연성 영역에 의하여 지지되어 상기 타이어의 변형이 가능한 유연 모드로 전환 가능한 타이어 지지 모듈;을 포함하며,
    상기 복수의 복합 루프 각각은,
    상기 강성 영역이 상기 타이어의 내주면에 대향하도록 배치된 제1 강성 영역을 포함하며,
    상기 연성 영역이,
    상기 제1 강성 영역의 일 단부에 배치되며, 상기 제1 강성 영역보다 낮은 강성을 가지는 제1 연성 영역과,
    상기 제1 강성 영역의 타 단부에 배치되며, 상기 제1 강성 영역보다 낮은 강성을 가지는 제2 연성 영역을 포함하는 강성 가변 바퀴.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 타이어 지지 모듈은,
    상기 복합 루프의 일 단부를 지지하며, 가압 위치와 해제 위치로 이동 가능한 제1 루프 클램프;
    상기 복합 루프의 타 단부를 지지하는 제2 루프 클램프; 및
    상기 제1 루프 클램프의 상기 가압 위치 또는 상기 해제 위치로 이동에 연동하여, 상기 타이어 지지 모듈이 상기 강성 모드로 전환되도록 상기 복합 루프를 외측으로 가압하는 상태와, 상기 타이어 지지 모듈이 상기 유연 모드로 전환하도록 상기 복합 루프의 수축을 허용하는 상태로 전환 가능한 루프 링크;를 포함하는 강성 가변 바퀴.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 강성 영역은,
    상기 제1 연성 영역의 단부에 배치되며, 상기 제1 연성 영역보다 높은 강성을 가지며, 상기 제1 루프 클램프에 의해 지지되는 제2 강성 영역과,
    상기 제2 연성 영역의 단부에 배치되며, 상기 제2 연성 영역보다 높은 강성을 가지며, 상기 제2 루프 클램프에 의해 지지되는 제3 강성 영역을 더 포함하는, 강성 가변 바퀴.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 강성 모드일 때, 상기 타이어의 하중이 상기 제1 강성 영역에 의해 지지되며,
    상기 유연 모드일 때, 상기 타이어의 하중이 상기 제1 연성 영역에 의해 지지되는, 강성 가변 바퀴.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 강성 영역의 강성은 상기 제1 연성 영역의 강성의 4배 ~ 5배인, 강성 가변 바퀴.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연성 영역의 곡률 반경은 상기 제1 강성 영역의 곡률 반경보다 작은, 강성 가변 바퀴.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 복합 루프는 상기 바퀴의 폭 방향을 따라 부분적으로 중첩되도록 배열된, 강성 가변 바퀴.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 복합 루프 각각은 섬유 보강 플라스틱을 포함하는, 강성 가변 바퀴.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 타이어 지지 모듈은 상기 제2 루프 클램프와 타이어를 연결하는 타이어 링크;를 더 포함하며,
    상기 제2 연성 영역은 상기 제2 루프 클램프에 인접하도록 배치되며,
    상기 제2 연성 영역의 길이는 상기 제1 연성 영역의 길이보다 짧은, 강성 가변 바퀴.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 유연 모드일 때, 상기 타이어 링크는 반경 방향을 중심으로 소정 범위에서 틸팅(tilting) 가능한, 강성 가변 바퀴.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 루프 클램프는 상기 타이어의 반경 방향을 따라 이동 가능하며,
    상기 제2 루프 클램프는 상기 타이어의 반경 방향 및 상기 반경 방향에 대하여 기울어진 방향으로 이동 가능한, 강성 가변 바퀴.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 루프 링크는 접힘 가능한 링크 구조를 가지며,
    상기 강성 모드일 때 상기 루프 링크는 펼쳐진 상태가 되며,
    상기 유연 모드일 때 상기 루프 링크는 접힌 상태가 되는, 강성 가변 바퀴.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 복합 루프는 상기 타이어의 원주 방향과 폭 방향으로 배열된, 강성 가변 바퀴.
  14. 제2항에 있어서,
    상기 제1 루프 클램프 및 상기 제2 루프 클램프를 이동 가능하도록 지지하는 휠 플레이트;
    상기 휠 플레이트의 중심에 배치되며, 상기 휠 플레이트에 대해 제1 방향 및 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로 회전 가능한 휠 허브;
    일 단부가 상기 휠 허브에 회동 가능하게 연결되며, 타 단부가 상기 제1 루프 클램프에 회동 가능하게 연결된 휠 링크;를 더 포함하는, 강성 가변 바퀴.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 휠 허브가 상기 제1 방향으로 회전할 때, 상기 휠 링크가 상기 바퀴의 중심으로부터 멀어지도록 이동하며, 상기 제1 루프 클램프는 상기 타이어의 내주면에 접근하는 상기 가압 위치로 이동하며,
    상기 휠 허브가 상기 제2 방향으로 회전할 때, 상기 휠 링크가 상기 바퀴의 중심에 가까워지도록 이동하며, 상기 제1 루프 클램프는 상기 타이어의 내주면으로부터 멀어지는 상기 해제 위치로 이동하는, 강성 가변 바퀴.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 타이어를 상기 유연 모드에서 상기 강성 모드로 변환할 때, 상기 휠 허브를 상기 제1 방향으로 회전시키도록 동력을 전달하며, 상기 타이어를 상기 강성 모드에서 상기 유연 모드로 변환할 때, 상기 휠 허브를 상기 제2 방향으로 회전시키도록 동력을 전달하는 허브 모듈;을 포함하는, 강성 가변 바퀴.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 타이어는 플렉시블한 에어리스 타이어를 포함하는, 강성 가변 바퀴.
  18. 베이스;
    상기 베이스의 하부에 설치되며, 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 복수 개의 강성 가변 바퀴; 및
    상기 복수 개의 강성 가변 바퀴를 구동시키는 구동 모터;를 포함하는, 이동 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 강성 가변 바퀴는, 전방에 배치된 제1 가변 바퀴와, 후방에 배치된 제2 가변 바퀴를 포함하며,
    상기 베이스는 상기 제1 가변 바퀴와 상기 제2 가변 바퀴 사이의 휠 베이스 길이를 조절하도록 구성된, 이동 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 베이스는,
    상기 제1 가변 바퀴가 설치된 제1 베이스 프레임과,
    상기 제2 가변 바퀴가 설치되며, 상기 제1 베이스 프레임에 대해 이동 가능한 제2 베이스 프레임과,
    상기 제2 베이스 프레임을 상기 제1 베이스 프레임에 대해 상대 이동시키기 위한 휠베이스 모터를 포함하는, 이동 장치.
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KR1020210094477A KR20220064285A (ko) 2020-11-11 2021-07-19 강성 가변 바퀴 및 이를 포함하는 이동 장치

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