KR20070004096A - 이동로봇을 위한 연쇄형 더블 트랙 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 계단을 포함하는 험한 지형을 주행하는 운반체를 위한 주행 메커니즘의 설계에 관한 것이다.

본 발명에 따른 연쇄형 더블 트랙 메커니즘은 전,후 트랙 주행부와; 일체형의 컨트롤 박스와; 컨트롤 박스 전,후단에 설치되어 트랙 각도를 조정하기 위한 한 쌍의 각도 조정 플리퍼 및 각도 조정 트랙에 설치되어 내부에 수납되는 고속 주행용 바퀴로 구성된다.

본 발명에 따른 연쇄형 더블 트랙 메커니즘은 복잡한 지형 적응 메커니즘을 필요로 하지 않기 때문에 전체 구조가 간단하고 제어가 매우 쉽다는 이점이 있다.

Description

이동로봇을 위한 연쇄형 더블 트랙 장치 { Link-type double track mechanism for mobile robot }

본 발명은 계단과 같은 불균일한 지형을 이동하는 이동 차량을 위한 구동 메커니즘의 설계에 관한 것이다.

불균일한 지형에서의 이동을 실현하기 위해서, 종래의 통상적인 메커니즘은 지형의 형상에 적합하도록 트랙의 형상을 수정하기 위해서 별도의 장치 및 구동원을 추가시켰다.

그러나 종래의 메커니즘은 전체적인 구조가 복잡하며 에너지 효율이 낮은 문제점을 가지고 있다. 뿐만 아니라, 트랙의 형상이 변화함에 따라 구동 속도는 감소하고 구동원을 제어하는 것이 복잡해지는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안되었다. 본 발명의 목적은 트랙 형 이동 장치가 별도의 장비나 구동원을 구비하지 않고도 계단과 같은 불균일한 지형에 뛰어난 적응성을 가질 수 있도록, 구동 메커니즘을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 의한 연쇄형 더블 트랙 장치의 전체 구조를 나타내는 도면이다.

도 2는 계단을 오르는 단일 트랙 이동 장치의 일예를 나타내는 도면이다.

도 3은 계단을 오르는 연쇄형 더블 트랙 메커니즘을 갖는 이동 장치의 일예를 보여주는 도면이다.

도 4는 각도 조정용 플리퍼를 사용함으로써 계단을 오르는 과정을 나타내는 도면이다.

도 5는 각도 조정용 플리퍼의 구조와 삼각 트랙의 구조를 비교한 것을 나타내는 도면이다.

도 6은 두개 트랙의 상대적인 이동을 나타내는 도면이다.

도 7은 회전각도 제한 메커니즘의 구조를 나타내는 도면이다.

도 8은 고속 주행 모드 메커니즘을 나타낸 도면이다

도 9는 각도 조정용 플리퍼와 고속 주행용 바퀴의 구동 메커니즘을 설명하기 위해 나타낸 것이다.

도 10은 본 발명의 응용 예를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구현에 있어 그 구조와 구동 원리를 상세하게 설명한다.

본 발명은 계단과 같은 불균일한 지형을 이동할 수 있는 이동 장치에 적용될 수 있는 구동 메커니즘에 관한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 연쇄형 더블 트랙 장치는, 전방 및 후방의 트랙 주행부(1, 2); 일체형의 콘트롤 박스(3); 트랙의 각도를 조정하기 위해 콘트롤 박스(3)의 전단부와 후단부에 설치된 한 쌍의 각도 조정용 플리퍼(4, 5); 및 각도 조정용 플리퍼(4, 5)에 장착되어 내부에 수납된 고속 주행용 바퀴(6, 7)를 구비한다.

트랙 주행부(1, 2)는 회전 조인트에 의해 양 트랙부(1,2)를 동시에 구동하는 구동 풀리에 연결된 축에 부착되어 자유롭게 회전할 수 있다.

이와 같은 자유 회전 능력을 이용하여, 본 발명의 트랙 장치는 별도의 구동원이 없이도 지면에 의한 중력의 영향을 받아 수동적으로 적응할 수 있다. 그 결과 계단과 같은 불균일한 지형 상에서의 이동 능력이 현저하게 향상된다.

도 2는 탱크와 같은 기존 단일 트랙 메커니즘을 가진 이동 장치가 계단을 올라가는 경우에 유발되는 불안정한 상태의 예를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이 D는 트랙의 회전방향을 나타내고, B는 트랙의 기준 좌표계를 나타낸다. 그리고 rm은 B에서 표시된 무게중심 또는 동역학적 관점에서 zero-moment-point(ZMP)의 위치 벡터를 나타낸다. L은 트랙부의 지지면을 나타내는 것이다. 도 2에서는 전체적인 구조가 2차원 평면에 표시되었으므로 L은 직선으로 표현된다. A는 이동장치의 무게 중심 또는 동역학적 관점에서 zero-moment-point(ZMP)의 지지면에 투영된 것을 나타낸다. 이동 장치의 안정적 이동을 위해서 A는 반드시 L안에 있어야 한다.

도 2의 (A)는 이동 장치가 계단을 오르는 초기 상태를 보여준다. 도시된 바 와 같이 A가 L영역의 내부에 위치하고 있기 때문에 안정적으로 이동할 수 있다. 반면에 도 2의 (B)에서는 A는 L의 영역 밖으로 벗어난 결과 이동장치는 전복되어 있다.

단일 트랙 메커니즘에 있어서도, 턱이 너무 높지 않거나 무게 중심이 현저히 낮은 경우에는 전복되는 상황을 예방할 수 있다. 그러나 이동 장치의 무게 중심을 낮추려는 경우에 기구적인 설계의 한계가 있으며, 야외에 있는 턱의 높이는 일반적으로 불균일하다. 결과적으로, 단일 트랙 메커니즘을 가진 이동 장치가 이동하는데 있어 제약을 피할 수 없다.

도 3은 본 발명에 의한 연쇄형 더플 트랙 메커니즘을 갖는 이동 수단이 턱을 올라가는 것을 나타내고 있다. 도 3은 (A)에서 (D)까지 순차적으로 턱을 넘어가는 과정을 보여주고 있는데 기호의 표현은 도 2에 나타낸 것과 동일하다. 도 3(B)는 트랙부(1)가 구동 풀리(7)의 축을 중심으로 회전하면서 벽면을 타고 턱을 넘어 이동하는 것을 나타낸다. 도 3(C)는 트랙부(1, 2)의 상대적인 운동이 회전각도 제한 메카니즘에 의해 정지된 경우, 단일 트랙 이동 장치와 같이 양 트랙부(1, 2)가 지면에 대해 동시에 회전하고 있는 것을 나타낸다. 도 3(D)는 트랙부(1)가 턱을 완전히 넘어 갔을 때 L의 길이가 확장된 효과를 보여주고 있다.

도시된 바와 같이 본 발명에 의한 연쇄형 더블 트랙 메커니즘을 가진 이동 장치는 도 2에서 도시된 불안정한 상항을 극복할 수 있다. 이와 같은 지형 적응은 다중 조인트 구동부의 장점으로 볼 수 있으나, 만약 조인트의 개수가 많아지면 그 구조는 더욱 복잡해 진다. 만약, 사용자가 별도의 구동 장치를 사용하는 종래의 2 또는 3 트랙 이동 장치에 도 3(D)와 같은 지형 적응 능력을 부여하기를 원한다면 수많은 주변 정보를 필요로 할 뿐만 아니라 이동 장치를 통제하는 것이 대단히 어려워진다. 따라서, 이동 장치는 고속 주행을 할 수 없게 된다.

본 발명은 구조와 제어를 용이하게 할 수 있기 위해, 수동형 조인트를 가짐으로써 지면에 수동적으로 적응하는 트랙부(1, 2)를 구비한다. 이러한 수동적인 적응 능력을 갖는 구조로 인해, 이동장치는 지형 순응에 대한 사용자의 통제 없이 고속으로 주행할 수 있다.

도 4는 각도 조절용 플리퍼을 사용한 트랙 메커니즘이 계단을 오르는 과정을 나타낸 것이다. 도 4(A)에 도시된 바와 같이 트랙 메커니즘이 계단을 만나게 되는 경우, 그 메커니즘의 높이는 계단의 높이보다 낮아지게 됨에 따라 통상적인 방법으로는 그 계단을 넘어갈 수 없다. 이러한 어려운 문제점을 극복하기 위해서 트랙의 전단부의 높이가 도 4(B)에 도시된 바와 같이 계단의 높이보다 높아지도록, 메커니즘은 먼저 트랙의 전면부에 설치된 플리퍼의 각도 조정용 트랙의 각도를 조정한 후에 계단에 접근해야 한다. 일단 이러한 일련의 과정을 이용해서 구동 트랙(1)이 계단을 넘었다면, 그 메커니즘은 도 4(C)에 도시된 바와 같이 각도 조절용 플리퍼를 원상복귀시킨 후 다음 계단을 계속 올라간다.

일반적인 계단 오름의 경우, 구동 트랙(1, 2)은 각도 조절용 플리퍼를 고정된 위치에 유지시킨 채, 계단 형상에 적응하면서 계단을 넘어가게 된다.

도 5에 도시된 바와 같이 구동 트랙(1)과 각도 조정용 플리퍼(4)가 특정한 각도에서 고정되어 있는 경우, 트랙 메커니즘은 고정된 삼각 트랙의 메커니즘과 동일한 방식으로 작용한다. 일반적으로 다양한 지형 타입에 순응하기 위해 구동 트랙(1)과 각도 조정용 플리퍼(4)를 조합하여 사용하는 것이 가장 효율적이다. 하지만, 각도 조정용 플리퍼(4)가 특수한 지형의 특정한 각도에 고정된 채 이동 장치가 움직이는 경우에는, 트랙 메커니즘을 단순화하기 위해 도 5에 도시된 바와 같이 구동 트랙(1)과 각도 조정용 플리퍼(4)는 삼각 트랙으로 대치될 수 있다.

도 6은 도 5에서 설명한 고정된 삼각 트랙을 적용하는 경우, 트랙부(1, 2)의 상대적인 운동에 의해 발생하는 아이들 폴리(8)의 움직임을 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 구동 풀리(7)의 고정 또는 이동에 관계없이 양 트랙 프레임 간에 상대적인 회전이 발생한다. 구동 풀리(7)가 고정된 경우, 트랙부가 회전을 한다면 아이들 풀리(8)는 회전한다. 따라서, 비록 구동 풀리(7)가 고정되어 있더라고 상대적인 운동을 하는데 지장이 없다. 여기서, 아이들 풀리(8)의 회전량은 수학식 1에서 보는 바와 같이 구동 풀리(7)와 아이들 풀리(8)의 지름비에 트랙부의 회전 변위를 곱한 것으로 계산된다.

[수학식 1]

한편,

는 구동 풀리에 의해 변화된 아이들 풀리(8)의 회전 각도를 나타 낸다.

는 트랙부의 상대적인 회전 변위에 선형적으로 종속하는 값을 말하는데,

로 나타낼 수 있다.

도 7은 구동 트랙(1, 2)의 몸체를 연결하는 자유 회전 축 사이에 설치되는 회전 각도 제한 메커니즘의 구조를 나타낸다. 도 7에 도시된 바와 같이, 버팀자(11)는 구동 트랙(1)에 연결되어 있고, 멈춤자(10)는 구동 트랙(2)에 설치되어 있지만, 설치되는 위치는 여기에 한정되지 않는다. 일반적인 구동 실행에 있어, 버팀자(11)는 자유 회전을 할 수 있도록 움직이는 범위 내에서 멈춤자(10)와 접촉하지 않는다. 그러나 구동 트랙의 몸체에 설치된 모터(13)에서 발생된 토크가 기어(12)를 통하여 멈춤자(10)의 각도를 회전 시키는 경우에는, 버팀자(11)의 회전 범위가 제한된다. 또한, 사용자가 설정된 각도이상으로 멈춤자(10)를 회전시키는 경우, 버팀자(11)와 접촉을 한 후도 계속 회전을 하게 되어 사용자는 구동 트랙(1, 2) 사이의 각도를 원하는 각도로 조정할 수 있다.

도 8은 트랙형 메커니즘의 고속 주행에 의해 발생되는 큰 저항력을 극복하기 위하여, 메커니즘을 고속 주행 모드가 되도록 설정한 것을 나타내고 있다. 각도 조정용 플리퍼(4, 5)가 불균일한 지형에 적응하기 위해 평상시의 각도 범위 내에 있을 때에는, 일체형 고속 주행용 바퀴가 작동하지 않는다. 그러나 도 8에서 도시된 바와 같이, 각도 조정용 플리퍼(4, 5)가 특정 각도 이상으로 접히는 경우, 일체형 고속 주행용 바퀴는 몸체 외부로 돌출된다. 이때, 사용자가 구동 트랙(1, 2) 사이의 자유 회전축에 설치된 브레이크를 작동시키고, 각도 조정용 플리퍼(4, 5)를 연속적으로 회전시키는 경우, 구동 트랙(1, 2)은 지면으로부터 이격되고 고속 주행용 바퀴만 지면에 접촉하게 된다. 그 결과 이동 장치는 통상적인 트랙 모드보다 이러한 고속 주행 모드에서 더 빠른 속도로 이동할 수 있다.

도 9는 각도 조정용 플리퍼와 도 8에 도시된 고속 주행 바퀴의 구동 메커니즘을 상세히 설명하기 위한 도면이다. 만약 각도 조정용 플리퍼가 일반적인 각도 범위(3)에서 주행한다면, 일체형 고속 주행 바퀴는 작동되지 않는다. 일반적인 각도 범위(3)는 이동 장치가 일반적으로 다양한 계단을 오르기 위한 충분한 각도를 포함한다. 만약, 각도 조정용 플리퍼가 (1)의 각도 범위 내에서 회전을 한다면 일체형의 고속 주행 바퀴는 몸체 외부로 돌출된다. 이때, 각도 조정용 플리퍼가 (1)의 범위를 갖고 이동한 각운동량은 고속 주행 바퀴가 (2)의 범위를 갖고 이동한 각운동량과 동일하다

도 10은 본 발명의 다양한 응용예 예컨대, 원격통제로봇에 이용되기 위해, 팬 틸트 카메라(1)와 로봇팔(2)이 설치된 것을 나타낸다. 도 10 (C)는 군사 또는 레저용 차량으로 개발된 것을 나타내는데, 탑승한 운전자(3)가 조정레버(3)를 사용하여 차량을 운전하는 것을 도시하고 있다.

본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식과 기술을 가진 자는 본 발명의 범위 내에서 부가적인 수정과 응용을 할 수 있을 것이므로, 본 발명은 상기에서 구체화되고 설명된 것에 한정 되는 것이 아니다.

상기에서 언급한 바와 같이 본 발명에 의한 연쇄형 더블 트랙 메커니즘은 복잡한 지형 순응 메커니즘을 필요로 하지 않으며, 전체적인 구조가 간단하고 제어가 용이하다는 장점이 있다. 상기에서 언급된 연쇄형 더플 트랙을 적용한 로봇은 화재현장에 인명 구조, 건물 내부의 무인 감시, 경찰 업무 대행, 원자로 검사, 장애인 보조 등과 같은 민간 분야에서 뿐만 아니라, 지뢰 탐지 및 제거, 적지 탐사 등의 군사 분야에서 응용될 수 있다.

또한, 본 발명은 건물 내부/외부에서 유용하게 이용 가능한 진보된 서비스용 로봇에 응용될 수 있다.

또한, 이동 차량으로 설계되는 경우 민간용의 레저용 차량은 물론 군의 정찰용 차량으로 응용되어 수입 대체 및 수출 대체 효과를 기대할 수 있다.

Claims (16)

1. 험한 지형에서의 고속 주행을 위한 연쇄형 더블 트랙 장치에 있어서,

   상대 회전 운동이 가능한 전방 트랙부(1) 및 후방 트랙부(2)와;

   일체형인 컨트롤 박스와;

   고속 주행용 바퀴가 장착되어 있고 상기 컨트롤 박스의 전단 및 후단에 설치되는, 트랙 각도를 조정하기 위한 한 쌍의 각도 조정 플리퍼와;

   상기 트랙부들의 지면 접촉 면적을 줄이기 위한 구조; 및

   상기 트랙부들의 상대 회전 운동 범위를 제한하기 위한 구조를 포함하고,

   주행 중에 전복되더라도 정상적으로 주행할 수 있도록 상하 대칭 구조로 되어 있고,

   상기 전후방 트랙부의 자유로운 상대 회전 운동을 이용하여 별도의 구동원 없이 중력에 의해 지면에 수동적으로 적응할 수 있고,

   내부에 설치된 상기 고속 주행용 바퀴를 이용하여 특정 지형에서 고속으로 주행할 수 있는 것을 특징으로 하는 고속 주행용 연쇄형 더블 트랙 장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 고속 주행용 연쇄형 더블 트랙 장치는,

   주행에 필요한 모든 기계적인 운동 범위가 상하로 동일하도록 설계된 것을 특징으로 하는 고속 주행용 연쇄형 더블 트랙 장치.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 고속 주행용 연쇄형 더블 트랙 장치는 상하 대칭적인 외부 형상으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 고속 주행용 연쇄형 더블 트랙 장치.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 전방 트랙부 및 상기 후방 트랙부는 일반적인 회전 조인트에 의해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 고속 주행용 연쇄형 더블 트랙 장치.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 전방 트랙부 및 상기 후방 트랙부는 하나의 동력 전달 축에 부착된 두 개의 구동 풀리에 의해 각각 구동되고, 상기 회전 조인트는 상기 전방 트랙부와 상기 후방 트랙부가 상기 동력 전달 축을 중심으로 상대 회전 운동을 수행하도록 설치된 것을 특징으로 하는 고속 주행용 연쇄형 더블 트랙 장치.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 트랙부의 각각의 내부에 설치되고, 구동기와 감속기를 갖는 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 주행용 연쇄형 더블 트랙 장치.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 트랙부들의 지면 접촉 면적을 줄이기 위한 구조는 상기 트랙부들의 상대 회전을 일으키기 위하여 회전 조인트부에 액츄에이터가 설치되어 구성됨으로써 상기 트랙부 사이의 상대 회전 중심을 지면으로부터 들어 올려 상기 트랙부들의 지면 접촉 면적을 줄이는 것을 특징으로 하는 고속 주행용 연쇄형 더블 트랙 장치.
8. 청구항 7에 있어서,

   상기 회전 조인트부에 설치되는 상기 액츄에이터는 모터, 감속기 및 웜 기어를 구비하는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 주행용 연쇄형 더블 트랙 장치.
9. 청구항 1에 있어서,

   상기 트랙부들의 상대 회전 운동 범위를 제한하기 위한 구조는 상기 전후방 트랙부 사이에 연결되고 상대 회전 운동을 수행할 수 있는 회전 운동 축의 전방 트랙 측에 버팀자(11)가 설치되고, 상기 회전 운동 축의 후방 트랙 측에 멈춤자(10)가 설치되어 구성됨으로써, 상기 버팀자와 상기 멈춤자의 접촉에 의해 상기 전방 트랙부의 상대 회전 범위가 제한되는 것을 특징으로 하는 고속 주행용 연쇄형 더블 트랙 장치.
10. 청구항 9에 있어서,

    상기 멈춤자는 회전 각도가 조정될 수 있도록 구동부에 연결되는 것을 특징 으로 하는 고속 주행용 연쇄형 더블 트랙 장치.
11. 청구항 10에 있어서,

    상기 전방 및 후방 트랙부의 상대 회전을 위한 회전 조인트의 회전 범위는 상기 버팀자에 대한 상기 멈춤자의 상대 각도가 변경됨으로써 조정되는 것을 특징으로 하는 고속 주행용 연쇄형 더블 트랙 장치.
12. 청구항 1에 있어서,

    고속 주행용 바퀴를 갖는 상기 각도 조정 플리퍼들은,

    일반적인 평지에서 주행할 경우에는 구동접지력을 확보하고 직진성을 유리하게 하기 위하여 상기 플리퍼들의 트랙이 지면과 접촉을 유지하는 지면 접촉 모드와;

    계단 같은 험한 지형에서 주행할 경우에는 지형 높이 차를 극복하기 위한 주행 안내 기능을 수행할 수 있도록 상기 플리퍼의 트랙을 지형의 상태에 맞는 일정 각도로 유지하는 각도 유지 모드; 및

    고속 주행을 위해 상기 플리퍼를 특정 각도 이상으로 회전시킴으로써 상기 고속 주행용 바퀴를 돌출시켜 지면과 접촉하게 하는 고속 주행용 모드 중 선택된 모드의 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 고속 주행용 연쇄형 더블 트랙 장치.
13. 청구항 12에 있어서,

    주행 안내 기능을 수행하는 상기 플리퍼는 주행하고 있는 지형에 적합한 안내 각도를 선택할 수 있도록 상기 전방 트랙부에 대한 상대 각도를 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 고속 주행용 연쇄형 더블 트랙 장치.
14. 청구항 12에 있어서,

    상기 고속 주행용 바퀴는 통상적인 주행 안내를 위한 일반 각도 범위내에서 주행할 때는 내부에 수납되어 있고, 상기 플리퍼가 특정 회전 각도 한계를 초과하여 회전할 경우 내부 링크 구조에 의해 상기 고속 주행용 바퀴가 외부로 돌출되어 지면과 접촉하는 것을 특징으로 하는 고속 주행용 연쇄형 더블 트랙 장치.
15. 청구항 1에 있어서,

    회전 트랙의 회전축 내부에 상기 고속 주행용 바퀴의 구동을 위한 동력 전달축을 설치하고 상기 두 축의 회전 중심을 일치시킴으로써, 구동기로부터 상기 고속 주행용 바퀴로의 동력 전달이 회전 트랙의 각도에 무관하게 항상 가능한 것을 특징으로 하는 고속 주행용 연쇄형 더블 트랙 장치.
16. 청구항 15에 있어서,

    상기 전방 트랙부에 설치된 하나의 구동기는 좌측의 전,후 고속 주행용 바퀴에 동력을 전달하고, 상기 후방 트랙부에 설치된 다른 하나의 구동기는 우측의 전,후 고속 주행용 바퀴에 동력을 전달하는 것을 특징으로 하는 고속 주행용 연쇄형 더블 트랙 장치.

Images