KR20110088827A - 삼륜 자가균형 이동차 - Google Patents

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KR20110088827A
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김미애
정찬규
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김미애
정찬규
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Abstract

개시된 자가균형 이동차는 탑승자의 전후방향의 체중이동과 좌우로 가하는 약간의 조향력에 의해 직관적으로 운전된다는 모바일 역진자의 장점은 그대로 가지면서도 고가의 센서와 제어기구를 배제한 채 보조휠에 의해 자가균형 이동차가 정적으로도 균형상태를 유지할 수 있도록 함으로써 주행 안정성 및 가격 경쟁력을 크게 제고하는 동시에, 자가균형 이동차가 경사로를 주행하는 동안에도 탑승자가 서 있는 발판만은 중력방향에 대하여 항상 수평을 유지하도록 제어함으로써 탑승자의 안정성과 편의성을 극대화한 삼륜 자가균형 이동차에 관한 것이다.

Description

삼륜 자가균형 이동차{Self-stabilized vehicle having three wheels}
본 발명은 자가균형 이동차에 관한 것으로서, 특히 탑승자의 전후방향의 체중이동과 좌우로 가하는 약간의 조향력에 의해 직관적으로 운전된다는 모바일 역진자의 장점은 그대로 가지면서도 고가의 센서와 제어기구를 배제한 채 보조휠에 의해 자가균형 이동차가 정적으로도 균형상태를 유지할 수 있도록 함으로써 주행 안정성 및 가격 경쟁력을 크게 제고하는 동시에, 자가균형 이동차가 경사로를 주행하는 동안에도 탑승자는 중력방향에 대하여 항상 수평을 유지하도록 함으로써 탑승자의 안정성과 편의성을 극대화한 삼륜 자가균형 이동차에 관한 것이다.
최근 에너지 고갈 및 환경오염이 사회적 문제로 대두되고 있는 가운데 자동차의 연소방식, 연료공급방식, 배기가스처리 등 친환경 엔진 개발 및 성능 향상을 위한 노력이 많이 이루어지고 있다. 하지만 기존의 운송수단은 연료, 특히 화석연료를 사용하기 때문에 언제나 환경에 대한 규제가 적용되기 마련이다. 이에 최근에는 연료 절약형으로 하이브리드 자동차에 이에 연료전지를 탑재한 자동차 및 전기자동차가 상용화되고 있다. 그러나 이런 새로운 타입의 운송수단은 정부의 보조금이 없다면 화석연료를 사용하는 기존의 자동차와 상업적으로 경쟁하기가 어려울 정도로 높은 가격을 형성하고 있다. 특히 연료전지를 탑재한 자동차와 전기자동차는 완충에 필요한 시간이 길고, 충전을 위한 인프라가 아직 미성숙 단계에 있으며, 일 회 완충에 의해 주행할 수 있는 거리에서도 경쟁력이 떨어져 제한적인 용도로 사용될 뿐이어서 아직은 널리 보급되기에 좀 더 시간이 필요한 실정이다. 아울러 시간이 갈수록 심화되는 교통체증 문제로 인해 많은 국가에서는 도로가 포화상태에 이르고 있다. 이에 가격이 저렴하고 편리하게 이용할 수 있는 대체 운송수단으로 자전거를 많이 이용하고 있으나, 모든 사람에게 운전이 용이하지 않고, 오르막길이 많은 거리를 운행하거나, 장거리 이동시에는 신체적 피로가 누적되어 이동 거리에 있어 어느 정도 제한을 받게 된다.
이러한 문제들을 해결하기 위한 하나의 대안으로서, 2001년 미국의 발명가 딘 카멘(Dean Kamen)은 자전거를 대신할 차세대 운송수단인 세그웨이(Segway)를 상업화하기 시작하였다. 세그웨이는 지금까지의 모바일 운송수단의 상식을 벗어난 이동수단으로서, 자전거의 구조와는 달리 양 옆으로 부착된 두 개의 바퀴만으로도 오뚝이처럼 스스로 균형을 잡으며 넘어지지 않고 주행할 수 있다는 특징이 있다. 또한 브레이크나 가속 페달 없이 사람의 신체 기울임으로 전후 방향의 주행이 가능하기 때문에 탑승자는 마치 걷는 것과 매우 유사한 느낌의 중심이동으로 운전하게 된다. 이러한 세그웨이는 성능이 우수하여 미국의 나사(NASA)를 포함한 많은 연구기관에서 모바일 플랫폼으로 사용되고 있는 실정이다. 하지만 다수의 고가 센서와 마이크로 프로세서를 사용하므로 가격이 비싸다는 단점으로 인해 대중적으로 사용하기에는 아직 어려움이 있다. 이에 따라 저가의 상용화된 센서를 이용하는 동시에 신호처리를 통해 센서의 성능을 향상시키고, 고급 제어기인 신경망 제어기를 이용하여 시스템의 안정성을 높이는 연구가 속속 진행되고 있다.
한편 상용화된 세그웨이의 기본적인 원리를 설명한다면, 세그웨이는 기본적으로 모바일 역진자(Mobile inverted pendulum) 로봇의 일종으로 볼 수 있다. 즉 정적으로는 불균형하지만 동적으로는 균형을 이루는 움직이는 역진자 로봇이면서 운송수단으로 사용되는 것이다. 이하에서는 세그웨이가 상품명임을 고려해 이를 모바일 역진자로 칭하여 설명한다.
모바일 역진자는 마주보는 두 개의 직류모터로 각각 구동되는 한 쌍의 바퀴로 플랫폼의 균형잡기 및 이동을 하는데, 각각의 모터에는 인코더가 부착되어 실시간으로 위치를 측정하게 된다. 또한 자이로 센서와 기울기 센서를 이용하여 플랫폼의 각도를 측정할 수 있다. 자이로 센서는 근본적으로 각속도를 측정하는 것이기 때문에, 측정된 각속도를 마이크로프로세서를 통하여 실시간으로 적분하면 기울기 정보를 알 수 있다. 그러나 자이로 센서는 시간이 지남에 따라 양자화, 온도, A/D 변환 등의 요인에 의해 누적오차가 발생하므로, 자이로 센서만에 의하여 모바일 역진자의 수평유지를 제어하면 초기에는 균형이 잘 잡힌 채 오뚝이처럼 서 있지만, 시간이 지남에 따라 늘어나는 자이로 센서의 누적오차에 의해 점차적으로 한쪽 방향으로 기울어지게 된다. 이에 반해 기울기 센서는 내부구조가 액체 또는 스프링 형태로 되어 있어 외부의 작은 충격에도 가속도 성분이 더해져 외란에 민감하게 반응하기 때문에 실질적인 기울기 값을 획득하기에는 다소 어려운 점이 많지만, 기울기 센서는 지구의 중력에 대해 절대적인 기울기 값을 측정할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 역진자 모바일은 자이로 센서와 기울기 센서를 상호 융합하여 실시간 자이로 센서의 누적오차를 보상하여 안정적으로 모바일 역진자를 제어한다.
이러한 모바일 역진자는 동적인 균형(Dynamic stabilization)을 맞추는 기술을 적용하여 양쪽에 부착된 두 개의 바퀴만으로도 넘어지지 않고 주행할 수 있다. 인간의 귓속 달팽이관이 기울어짐을 감지하듯이 자이로 센서와 기울기 센서, 그리고 소프트웨어와의 조합으로 실시간에 기울어짐을 인식하고 직류모터를 제어하여 스스로 균형을 잡는다. 가속장치나 제동장치는 따로 없으며, 사람이 모바일 역진자에 올라탄 채 몸을 앞으로 기울이면 전진하게 되고, 똑바로 서면 정지하고, 뒤로 몸을 기울이면 후진하게 된다. 또한 탑승자가 잡은 핸들을 좌우로 틀면 이에 따라 방향을 전환할 수 있다. 양옆으로 마주보는 두 개의 바퀴가 독립적으로 구동되기 때문에 정지해 있을 때에는 제자리에서 360°회전도 가능하다.
이처럼 혁신적인 개념을 가진 모바일 역진자는 새로운 운송수단으로서 많은 각광을 받고 있으며, 세계적으로 많은 연구자가 이를 좀더 대중화시키기 위한 노력을 경주하고 있다. 이러한 노력은 한편으로는 앞서 언급한 바와 같이 제어에 관련된 부품의 개수를 줄이고 소프트웨어적으로 보다 정교하게 제어함으로써 가격을 낮추기 위한 방향으로 나가기도 하고, 다른 한편으로는 기구학적인 개선을 통하여 탑승자가 보다 편안하게 운전할 수 있으면서도 보다 오랫동안 구동될 수 있도록 개선하는 등 여러 가지 관점에서 진행되고 있다.
하지만 모바일 역진자는 탑승자의 전후방향의 체중이동과 좌우로 가하는 약간의 조향력에 의해 운전되기 때문에 매우 직관적인 운전이 가능하다는 장점을 가지지만, 기본적으로 동적으로는 균형상태에 있을지라도 정적으로는 불균형상태에 있기 때문에 제어부에 오류가 생기는 경우에는 탑승자가 부상을 당할 가능성이 내재되어 있다. 또한 고가의 센서와 고속 실시간 연산이 가능한 마이크로프로세서가 탑재되어야 하기 때문에 가격이 비싸다는 점은 여전히 모바일 역진자의 접근성을 제한하는 요인으로 남아 있다.
아울러 모바일 역진자는 기본적으로 지면과 평행하게 플랫폼의 기울기를 유지하는데, 이러한 특성은 평지에서는 관계없지만 경사로에서는 탑승자가 자세를 유지하는데 불편함을 초래한다. 즉 모바일 역진자는 탑승자가 서 있는 상태에서 전후로 기울이는 무게중심의 이동에 따라 전진과 후진을 하는데, 오르막 경사에서는 탑승자가 상당히 앞으로 몸을 기울여야만 전진이 가능하기 때문에 발목 부분에 상당한 긴장이 생기게 되고, 내리막 경사에서의 앞으로 기울어진 자세는 돌발적인 상황에 대처하기 어렵게 만들 뿐만 아니라 심리적인 불안감을 일어나게 한다.
본 발명은 탑승자의 전후방향의 체중이동과 좌우로 가하는 약간의 조향력에 의해 직관적으로 운전된다는 모바일 역진자의 장점은 그대로 가지면서도 고가의 센서와 제어기구를 배제한 채 보조휠에 의해 자가균형 이동차가 정적으로도 균형상태를 유지할 수 있도록 함으로써 주행 안정성 및 가격 경쟁력이 크게 제고된 삼륜 자가균형 이동차를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한 본 발명은 자가균형 이동차가 경사로를 주행하는 동안에도 탑승자는 중력방향에 대하여 항상 수평을 이루는 자세를 유지하도록 함으로써 탑승자의 안정성과 편의성이 극대화된 삼륜 자가균형 이동차를 제공하는 것을 또 하나의 목적으로 한다.
본 발명에 따른 삼륜 자가균형 이동차는, 자가균형 이동차의 플랫폼을 이루며, 상기 플랫폼의 전방 상면에 위치한 고정힌지에 회동가능하게 결합되고 하부에는 돌출길이가 선형적으로 변하는 가이드 플레이트가 구비된 발판과, 상기 플랫폼 후방 하면에 장착된 적어도 하나 이상의 보조휠을 포함하는 샤시부;와, 상기 고정힌지의 전방으로 상기 샤시부의 하면에 고정된 T-자형의 조향핸들과, 상기 조향핸들에 가해지는 좌우방향의 조향력을 감지하도록 상기 조향핸들에 설치된 토크 센서와, 상기 조향핸들의 전후방향으로 가해지는 모멘트를 감지하도록 상기 조향핸들과 상기 샤시부의 연결부위에 설치된 모멘트 센서를 포함하는 조향부;와, 상기 샤시부의 내부공간의 양 측면에 각각 고정된 두 개의 직류모터와, 상기 직류모터로부터 동력을 전달받아 구동되는 한 쌍의 구동휠을 포함하는 구동부;와, 상기 샤시부의 하면에 회전가능하게 고정된 볼 스크류와, 상기 볼 스크류를 정역회전시키는 구동모터와, 상기 볼 스크류에 나사결합되어 상기 볼 스크류의 회전에 따라 전후방향으로 병진이송되고 상기 가이드 플레이트에 접하는 롤러가 장착된 가이드 블록을 포함하는 발판가변부;와, 상기 조향핸들에 가해지는 힘의 크기와 방향을 상기 토크 센서와 모멘트 센서로부터 입력되는 신호로 판단한 후 상기 두 개의 직류모터를 독립적으로 구동하여 상기 샤시부의 전후좌우 및 회전운동을 제어하고, 상기 샤시부에 고정된 기울기 센서로부터 입력되는 신호로 상기 샤시부가 지면에 대하여 이루는 경사각을 판단한 후 상기 구동모터를 제어하여 상기 발판이 중력방향에 대하여 수평을 이루도록 제어하는 마이크로프로세서를 포함하는 제어부; 및 상기 조향부, 구동부, 발판가변부 및 제어부에 전원을 공급하는 배터리를 포함하는 전원부를 포함한다.
이때 상기 가이드 플레이트가 발판의 평면과 이루는 각도가 φ이고, 상기 샤시부가 지면에 대하여 이루는 각도가 θ2일 때, 상기 가이드 플레이트 돌출의 시작점을 기준으로 하는 상기 롤러의 회전중심의 거리(X)가 b/tan(θ1)으로 정해지는 위치에 있도록 상기 제어부가 상기 구동모터를 제어한다 (여기서 b는 롤러의 회전중심이 거리 X에 있을 때의 가이드 플레이트의 돌출길이이고, θ1=φ-θ2임).
본 발명의 실시예에서 상기 가이드 플레이트는 상기 고정힌지에 인접한 위치로부터 시작하여 1차함수에 따라 선형적으로 증가하는 돌출길이를 가진다.
아울러 상기 가이드 블록의 롤러가 상기 가이드 플레이트의 중간 영역에 있을 때 상기 발판이 중력방향에 대하여 수평을 이루는 것이 바람직하다.
그리고 상기 가이드 플레이트의 말단에는 상기 롤러의 이동을 제한하는 스토퍼가 더 구비될 수 있다.
한편 상기 보조휠은 하나가 구비되고, 상기 하나의 보조휠은 상기 구동휠과 이등변삼각형을 이루도록 배치될 수 있다.
또한 상기 보조휠은 상기 샤시부의 이동방향을 따라 자유롭게 회전할 수 있도록 구성될 수도 있다.
본 발명의 실시예에서 상기 직류모터로부터 상기 구동휠에 전달되는 동력은 2단의 풀리-벨트에 의하여 감속되어 전달된다.
그리고 상기 전원부는 상기 직류모터의 후방에 배치되는 것이 바람직하다.
또한 상기 가이드 블록은 상기 전원부에 오프 신호가 입력되면 상기 발판이 중력방향에 대하여 수평을 이루는 위치로 이동한다.
한편 본 발명의 실시예에서 상기 토크 센서는 휘트스톤 브리지를 이루는 4개의 스트레인 게이지가 상기 조향핸들의 외면을 따라 90°간격으로 상기 조향핸들의 조향축에 대해 45°각도의 지그재그를 이루도록 배치된다.
그리고 상기 모멘트 센서는 상기 샤시부의 전후방향을 따라 상기 조향핸들을 사이에 두고 대향하는 한 쌍의 스트레인 게이지로 이루어진다.
여기서 상기 제어부는 상기 토크 센서로 감지된 조향력의 크기와 방향에 따라 상기 두 개 구동모터 각각의 구동력을 독립적으로 제어한다.
또한 상기 제어부는 상기 모멘트 센서로 감지된 힘의 크기에 비례하여 상기 구동모터의 구동력을 제어한다.
본 발명에 따른 삼륜 자가균형 이동차는 탑승자의 전후방향의 체중이동과 좌우로 가하는 약간의 조향력에 의해 직관적으로 운전된다는 모바일 역진자의 장점은 그대로 가지면서도 고가의 센서와 제어기구를 배제한 채 보조휠에 의해 자가균형 이동차가 정적으로도 균형상태를 유지할 수 있기 때문에 주행 안정성 및 가격 경쟁력이 크게 제고된다는 이점이 있다.
특히 본 발명에 따른 삼륜 자가균형 이동차는 경사로를 주행하는 동안에도 탑승자가 서 있는 발판만은 중력방향에 대하여 항상 수평을 유지하도록 제어되기 때문에 탑승자의 안정성과 편의성이 극대화된다는 장점을 가진다.
도 1은 본 발명에 따른 삼륜 자가균형 이동차의 전체적인 모습을 보여주는 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 삼륜 자가균형 이동차에서 발판을 분리한 상태를 보여주는 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 삼륜 자가균형 이동차의 샤시부 내부의 모습을 보여주는 사시도.
도 4는 도 3에 도시된 삼륜 자가균형 이동차의 구동부의 모습을 자세하게 보여주는 사시도.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명에 따른 삼륜 자가균형 이동차가 주행하는 중에 경사로를 만났을 때 발판의 경사도가 가변되는 모습을 보여주는 도면.
도 6은 발판가변부의 작동원리를 설명하기 위한 개념도.
도 7은 본 발명에 따른 삼륜 자가균형 이동차의 조향부에 포함된 토크 센서의 설치구조를 보여주는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 삼륜 자가균형 이동차의 조향부에 포함된 모멘트 센서의 설치구조를 보여주는 도면.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 삼륜 자가균형 이동차의 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 일실시예를 설명함에 있어서 당업자라면 자명하게 이해할 수 있는 공지의 구성에 대한 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않도록 생략될 것이다. 또한 도면을 참조할 때에는 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있음을 고려하여야 한다.
한편 본 발명의 일실시예를 설명하며 사용된 전후, 좌우, 상하 등의 상대적인 위치와 방향을 지시하는 용어는 본 발명이 운송수단인 삼륜 자가균형 이동차에 관한 것임을 고려하여 탑승자의 시점을 기준으로 하여 설명될 것이다. 다만 이러한 상대적인 위치의 정의는 발명의 본질적인 부분에는 변경이 없이 이와 동등한 배치로 변경될 수도 있음을 유념해야 한다.
아울러 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능 또는 형상을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 삼륜 자가균형 이동차(10)는 크게 이동차(10)의 몸체인 플랫폼을 이루고 각종 장치가 장착되는 샤시부(100)와, 탑승자가 조향핸들(210)에 가하는 전후좌우 방향의 힘을 감지하여 이동차(10)의 운동을 제어할 수 있도록 하는 조향부(200)와, 이동차(10)에 추진력을 제공하는 구동부(300)와, 이동차(10)에 장착된 각종 장치의 동작을 제어하는 제어부(500) 및 전원공급을 위한 배터리(610)가 구비된 전원부(600)를 포함하며, 특히 본 발명은 탑승자가 선 자세로 올라타는 발판(120)의 수평을 유지시키는 발판가변부(400)를 포함한다.
샤시부(100)는 자가균형 이동차(10)의 플랫폼을 이루는데, 플랫폼의 전방 상면에는 고정힌지(110)에 회동가능하게 결합되어 피봇운동을 할 수 있는 발판(120)이 구비된다. 발판(120)은 이동차(10)에 올라 탄 사람이 딛고 서 있는 부분으로서, 그 하부에는 돌출길이가 선형적으로 변하는 가이드 플레이트(122)가 구비되어 있다.
그리고 플랫폼 후방 하면에는 적어도 하나 이상의 보조휠(130)이 장착된다. 보조휠(130)은 이동차(10)의 측면에 서로 마주보도록 구비되는 구동휠(320)과 협력하여 이동차(10)의 균형을 잡아주기 위한 것이다. 따라서 보조휠(130) 자체에는 구동력이 없으며, 구동휠(320)의 움직임에 따라 자유롭게 회전한다. 한편 상기 보조휠(130)이 하나가 구비되는 경우에는 보조휠(130)이 구동휠(320)과 이등변삼각형을 이루도록 배치하여 균형이 잘 잡히도록 하고, 또한 보조휠(130)은 샤시부(100)의 이동방향을 따라 지면에 대해 시계방향 또는 반시계방향으로 자유롭게 회전할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
조향부(200)는 고정힌지(110)의 전방에 위치하고 샤시부(100)의 하면에 고정된 T-자형의 조향핸들(210)을 포함한다. 탑승자는 조향핸들(210)에 힘을 가하여 이동차(10)가 원하는 방향과 속도로 운전되도록 조종하게 되는데, 조향핸들(210)에는 이러한 탑승자의 의도를 파악하기 위한 두 개의 센서가 장착된다. 이러한 두 개의 센서는 모두 기본적으로 스트레인 게이지를 이용하는 것인데, 조향핸들(210) 자체는 움직이지 않게 고정되어 있고 다만 스트레인 게이지로 측정되는 변형률에 따라 조향핸들(210)에 가해지는 힘과 토크를 측정하게 된다.
여기서 두 개의 센서 중 하나는 조향핸들(210)에 가해지는 좌우방향의 조향력을 감지하도록 조향핸들(210)에 설치된 토크 센서(220)다. 도 7은 본 발명에 적용된 토크 센서(220)를 개략적으로 보여준다. 토크 센서(220)는 휘트스톤 브리지를 이루는 4개의 스트레인 게이지(222)가 조향핸들(210)의 외면을 따라 90°간격으로 조향핸들(210)의 조향축에 대해 45°각도의 지그재그를 이루도록 배치된다. 이와 같이 4개의 스트레인 게이지(222)가 배치되면, 서로 대향하는 2개의 스트레인 게이지는 쌍을 이루어 한 쌍(예를 들면, 1/3 스트레인 게이지)은 순수한 압축력을 나머지 한 쌍은 순수한 인장력(예를 들면, 2/4 스트레인 게이지)을 받게 된다. 휘트스톤 브리지 회로는 인장·압축 상태의 스트레인 게이지(222) 사이의 값 차이에 따라 비틀림 토크의 크기와 방향을 감지하게 된다.
그리고 나머지 하나의 센서는 조향핸들(210)의 전후방향으로 가해지는 모멘트를 감지하도록 조향핸들(210)과 샤시부(100)의 연결부위에 설치된 모멘트 센서(230)이다. 도 8에 도시된 것처럼, 모멘트 센서(230)는 샤시부(100)의 전후방향을 따라 조향핸들(210)을 사이에 두고 대향하는 한 쌍의 스트레인 게이지(232)로 이루어져 있다. 따라서 조향핸들(210)에 전후방향의 힘이 가해지면 스트레인 게이지(232)는 서로 인장/압축 상태에 놓이게 되고, 이때의 값의 차이를 이용하여 모멘트의 방향과 크기를 측정하게 된다.
구동부(300)는 샤시부(100)의 내부공간의 양 측면에 각각 고정된 두 개의 직류모터(310)와, 직류모터(310)로부터 동력을 전달받아 각각 독립적으로 구동되는 한 쌍의 구동휠(320)을 포함한다. 직류모터(310)는 전원부(600)에 구비된 배터리(610)로부터 직류전원을 공급받아 정역회전되는데, 충분한 구동력을 얻을 수 있도록 직류모터(310)의 회전이 감속된 후 구동휠(320)에 전달되는 것이 바람직하다. 본 발명의 실시예에서 이러한 감속기구는 2단의 풀리-벨트(330) 타입으로 구성되었다. 여기서 2단의 풀리-벨트(330)의 각 단을 이루는 벨트는 아이들 롤러(Idle-roller)에 의해 장력이 조절되는 것이 바람직하다.
한편 발판가변부(400)는 고정힌지(110)를 기준으로 피봇운동을 하는 발판(120)의 경사도를 가변시키는 구성요소이다. 발판가변부(400)는 샤시부(100)의 하면에 회전가능하게 고정된 볼 스크류(410)와, 볼 스크류(410)를 정역회전시키는 구동모터(420)와, 볼 스크류(410)에 나사결합되어 볼 스크류(410)의 회전에 따라 전후방향으로 병진이송되고 발판(120)의 아래로 돌출된 가이드 플레이트(122)에 접하는 롤러(432)가 장착된 가이드 블록(430)을 포함한다. 이러한 구성을 갖는 발판가변부(400)에 의해 발판(120)의 경사도가 가변되는 원리가 도 5a 내지 도 5b에 나타나 있다.
도 5a는 평지를 주행할 때를, 도 5b와 도 5c는 각각 오르막길과 내리막길을 주행할 때의 상태를 보여준다. 도 5a에 도시된 것처럼 가이드 블록(430)의 롤러(432)가 가이드 플레이트(122)의 중간 영역에 있을 때 발판(120)이 중력방향에 대하여 수평을 이루고 있다면(이 상태를 중립상태라 칭한다), 가이드 블록(430)이 중립상태로부터 벗어나 전후방향으로 이송되면 발판(120)의 경사가 가변된다(도 5b 및 도 5c 참조). 이는 가이드 플레이트(122)의 돌출길이가 선형적으로 변하는 형상을 가지기 때문이며, 본 발명의 실시예에서는 탑승자의 체중이 가해진 발판(120)을 보다 작은 동력으로도 쉽게 상승시킬 수 있도록 고정힌지(110)를 기준으로 하여 후방으로 갈수록 가이드 플레이트(122)의 돌출길이가 증가되도록 하였다. 이러한 구성에 의하면 중립상태에서 가이드 블록(430)이 후진하면 발판(120)이 상승하고, 전진하면 발판(120)이 하강된다.
여기서 가이드 블록(430)의 이송거리, 다시 말하면 발판(120)의 승·하강 정도는 이동차(10)가 주행하는 길의 경사도와 연관되어 제어되어야만 발판(120)의 수평이 정확히 유지될 수 있다. 도 6은 가이드 블록(430)의 이송거리, 보다 정확하게는 가이드 블록(430)이 볼 스크류(410) 상의 어느 지점에 있어야 발판(120)의 수평이 유지되는지를 설명하기 위한 개념도이다. 가이드 플레이트(122)가 발판(120)의 평면과 이루는 각도가 φ이고, 샤시부(100)가 지면에 대하여 이루는 각도, 즉 지면의 경사가 θ2라고 한다면, 가이드 플레이트(122) 돌출의 시작점을 기준으로 하는 롤러(432)의 회전중심의 거리(X)는 b/tan(θ1)으로 정해지는 위치에 있어야 발판(120)의 수평이 유지된다. 여기서 b는 롤러(432)의 회전중심이 거리 X에 있을 때의 가이드 플레이트(122)의 돌출길이이고, θ1=φ-θ2를 의미하는데, b의 값은 X의 위치에 따라 결정된 함수이기 때문에 롤러(432)의 회전중심의 거리(X)는 계산이 가능하다. 설명되지 않은 부호 a는 고정힌지(110)의 축심으로부터 가이드 플레이트(122) 돌출의 시작점까지의 거리를 의미하는데, 만일 1차원 좌표인 롤러(432) 회전중심의 거리(X)의 기준점을 고정힌지(110)의 축심으로 할 때에는 b/tan(θ1)의 값에 a를 더해주면 된다. 그리고 본 발명의 실시예에서 지면의 경사 θ2는 샤시부(100)에 고정된 기울기 센서(510)로부터 측정되며, 도시되지는 않았지만 볼 스크류(410) 상에서의 가이드 블록(430)의 절대위치는 포텐시오미터 등의 공지된 기술을 이용하여 측정될 수 있다.
본 발명의 실시예에서 가이드 플레이트(122)는 고정힌지(110)에 인접한 위치로부터 시작하여 1차함수에 따라 선형적으로 증가하는 돌출길이를 가지도록 구성되었다. 그러나 가이드 플레이트(122)의 돌출길이는 반드시 1차함수여야 할 필요는 없으며, 선형적으로 증가하는 어떠한 함수, 예를 들면 포물면이나 타원면의 함수를 가져도 가능하다. 이러한 경우에도 가이드 플레이트(122) 돌출의 시작점을 기준으로 하는 롤러(432)의 회전중심의 거리(X)가 b/tan(θ1)으로 정해지는 것은 변함없으며, 단지 X의 위치에 따라 결정되는 b의 값이 달라질 뿐이다.
아울러 가이드 플레이트(122)의 말단에는 롤러(432)의 이동을 제한하는 스토퍼(124)가 더 구비되어, 롤러(432)가 가이드 플레이트(122)와의 접촉면으로부터 이탈되는 것이 방지되도록 하는 것이 바람직하다.
제어부(500)는 위에서 설명된 각종 센서(220, 230, 510)로부터 측정된 신호를 바탕으로 하여 각각의 구동기구(310, 420)를 제어하는 마이크로프로세서를 포함하는 구성요소이다. 우선 제어부(500)는 조향핸들(210)에 가해지는 힘의 크기와 방향을 토크 센서(220)와 모멘트 센서(230)로부터 입력되는 신호로 판단한 후 구동휠(320)을 돌리는 두 개의 직류모터(310)를 독립적으로 구동하여 샤시부(100)의 전후좌우 및 회전운동을 제어한다. 특히 제어부(500)는 토크 센서(220)로 감지된 조향력의 크기와 방향에 따라 두 개 구동모터(420) 각각의 구동력을 독립적으로 제어한다. 조향력이 큰 경우라면 좌우 구동휠(320)의 속도차를 크게 하여 조향각을 크게 할 수 있으며, 만일 정지상태, 즉 모멘트 센서(230)에 감지된 신호가 없거나 매우 작은 경우에 조향력이 가해지면 양쪽 구동휠(320)을 서로 반대방향으로 구동시켜 제자리에서 360°회전할 수도 있다.
그리고 제어부(500)는 상기 모멘트 센서(230)로 감지된 힘의 크기에 비례하여 구동모터(420)의 구동력을 제어한다. 이는 이동차(10)의 속도제어에 관한 것으로서, 조향핸들(210)의 전후방향으로 가해지는 힘이 클수록 빠른 속도로 움직이게 한다.
또한 제어부(500)는 샤시부(100)에 고정된 기울기 센서(510)로부터 입력되는 신호를 바탕으로 하여 샤시부(100)가 지면에 대하여 이루는 경사각을 판단하고, 전술한 계산식 b/tan(θ1)에 따른 지점(X)에 가이드 블록(430)이 위치하도록 발판가변부(400)의 구동모터(420)를 제어한다. 이에 따라 발판(120)은 중력방향에 대하여 수평을 이루도록 제어되고, 탑승자는 경사로를 주행하는 때에도 항상 편안한 자세를 유지할 수 있게 된다.
전원부(600)는 조향부(200), 구동부(300), 발판가변부(400) 및 제어부(500)에 전원을 공급하는 배터리(610)를 포함한다. 본 발명의 실시예에서 전원부(600)는 직류모터(310)의 후방에 배치되어 전체적으로 무게균형을 이룬다. 그리고 제어부(500)는 전원부(600)에 오프 신호가 입력되면 발판(120)이 중력방향에 대하여 수평을 이루는 위치(중립상태)에 있도록 가이드 블록(430)을 이송하는 것이 바람직하다. 이는 외부의 이물질이 승강 또는 하강된 발판(120)과 샤시부(100)의 상면 사이의 틈으로 빗물이나 각종 이물질이 침투하는 것을 최대한 방지하기 위함이다.
이상 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 또 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 삼륜 자가균형 이동차
100 : 샤시부 110 : 고정힌지
120 : 발판 122 : 가이드 플레이트
124 : 스토퍼 130 : 보조휠
200 : 조향부 210 : 조향핸들
220 : 토크 센서 222 : 토크 센서의 스트레인 게이지
230 : 모멘트 센서 232 : 모멘트 센서의 스트레인 게이지
300 : 구동부 310 : 직류모터
320 : 구동휠 330 : 2단 풀리-벨트
400 : 발판가변부 410 : 볼 스크류
420 : 구동모터 430 : 가이드 블록
432 : 롤러 500 : 제어부
510 : 기울기 센서 600 : 전원부
610 : 배터리

Claims (14)

  1. 자가균형 이동차의 플랫폼을 이루며, 상기 플랫폼의 전방 상면에 위치한 고정힌지에 회동가능하게 결합되고 하부에는 돌출길이가 선형적으로 변하는 가이드 플레이트가 구비된 발판과, 상기 플랫폼 후방 하면에 장착된 적어도 하나 이상의 보조휠을 포함하는 샤시부;
    상기 고정힌지의 전방으로 상기 샤시부의 하면에 고정된 T-자형의 조향핸들과, 상기 조향핸들에 가해지는 좌우방향의 조향력을 감지하도록 상기 조향핸들에 설치된 토크 센서와, 상기 조향핸들의 전후방향으로 가해지는 모멘트를 감지하도록 상기 조향핸들과 상기 샤시부의 연결부위에 설치된 모멘트 센서를 포함하는 조향부;
    상기 샤시부의 내부공간의 양 측면에 각각 고정된 두 개의 직류모터와, 상기 직류모터로부터 동력을 전달받아 구동되는 한 쌍의 구동휠을 포함하는 구동부;
    상기 샤시부의 하면에 회전가능하게 고정된 볼 스크류와, 상기 볼 스크류를 정역회전시키는 구동모터와, 상기 볼 스크류에 나사결합되어 상기 볼 스크류의 회전에 따라 전후방향으로 병진이송되고 상기 가이드 플레이트에 접하는 롤러가 장착된 가이드 블록을 포함하는 발판가변부;
    상기 조향핸들에 가해지는 힘의 크기와 방향을 상기 토크 센서와 모멘트 센서로부터 입력되는 신호로 판단한 후 상기 두 개의 직류모터를 독립적으로 구동하여 상기 샤시부의 전후좌우 및 회전운동을 제어하고, 상기 샤시부에 고정된 기울기 센서로부터 입력되는 신호로 상기 샤시부가 지면에 대하여 이루는 경사각을 판단한 후 상기 구동모터를 제어하여 상기 발판이 중력방향에 대하여 수평을 이루도록 제어하는 마이크로프로세서를 포함하는 제어부; 및
    상기 조향부, 구동부, 발판가변부 및 제어부에 전원을 공급하는 배터리를 포함하는 전원부;
    를 포함하는 삼륜 자가균형 이동차.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가이드 플레이트가 발판의 평면과 이루는 각도가 φ이고, 상기 샤시부가 지면에 대하여 이루는 각도가 θ2일 때, 상기 가이드 플레이트 돌출의 시작점을 기준으로 하는 상기 롤러의 회전중심의 거리(X)가 b/tan(θ1)으로 정해지는 위치에 있도록 상기 제어부가 상기 구동모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 삼륜 자가균형 이동차.
    (여기서 b는 롤러의 회전중심이 거리 X에 있을 때의 가이드 플레이트의 돌출길이이고, θ1=φ-θ2임)
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가이드 플레이트는 상기 고정힌지에 인접한 위치로부터 시작하여 1차함수에 따라 선형적으로 증가하는 돌출길이를 가지는 것을 특징으로 하는 삼륜 자가균형 이동차.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 가이드 블록의 롤러가 상기 가이드 플레이트의 중간 영역에 있을 때 상기 발판이 중력방향에 대하여 수평을 이루는 것을 특징으로 하는 삼륜 자가균형 이동차.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 가이드 플레이트의 말단에 상기 롤러의 이동을 제한하는 스토퍼가 더 구비된 것을 특징으로 하는 삼륜 자가균형 이동차.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 보조휠은 하나가 구비되고, 상기 하나의 보조휠은 상기 구동휠과 이등변삼각형을 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 삼륜 자가균형 이동차.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 보조휠은 상기 샤시부의 이동방향을 따라 자유롭게 회전할 수 있는 것을 특징으로 하는 삼륜 자가균형 이동차.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 직류모터로부터 상기 구동휠에 전달되는 동력은 2단의 풀리-벨트에 의하여 감속되어 전달되는 것을 특징으로 하는 삼륜 자가균형 이동차.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전원부는 상기 직류모터의 후방에 배치되는 것을 특징으로 하는 삼륜 자가균형 이동차.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 가이드 블록은 상기 전원부에 오프 신호가 입력되면 상기 발판이 중력방향에 대하여 수평을 이루는 위치로 이동하는 것을 특징으로 하는 삼륜 자가균형 이동차.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 토크 센서는 휘트스톤 브리지를 이루는 4개의 스트레인 게이지가 상기 조향핸들의 외면을 따라 90°간격으로 상기 조향핸들의 조향축에 대해 45°각도의 지그재그를 이루도록 배치된 것을 특징으로 하는 삼륜 자가균형 이동차.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 모멘트 센서는 상기 샤시부의 전후방향을 따라 상기 조향핸들을 사이에 두고 대향하는 한 쌍의 스트레인 게이지로 이루어진 것을 특징으로 하는 삼륜 자가균형 이동차.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 토크 센서로 감지된 조향력의 크기와 방향에 따라 상기 두 개 구동모터 각각의 구동력을 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 삼륜 자가균형 이동차.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 모멘트 센서로 감지된 힘의 크기에 비례하여 상기 구동모터의 구동력을 제어하는 것을 특징으로 하는 삼륜 자가균형 이동차.
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