KR20220072184A - 자동 자세제어 바이크 - Google Patents

Abstract

본 발명의 자동 자세제어 바이크는, 완구용 바이크로서 자이로스코프 원리를 이용하고 인공지능을 기반으로 한 강화학습 효과를 통하여 스스로 중심을 잡는 자세 제어를 함으로써 넘어지지 않는 것을 특징으로 하는 바이크를 제공하는 데 목적이 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 자동 자세제어 바이크는, 스스로 자세를 유지하여 쓰러지지 않으며 주행할 수 있는 완구용 바이크로써, 핸들이 구비되고 전방 및 후방에 각각 앞바퀴연결부와 뒷바퀴연결부가 구비되며 바이크의 프레임을 형성하는 바디부; 앞바퀴와 뒷바퀴로 구성되어 바디부에 연결되는 바퀴부; 바디부의 중앙에 장착되며 바디부가 기울어질 때 중심을 유지하도록 연산하고 제어하는 자이로부; 앞바퀴연결부의 일측에 구비되며 자이로부에 연결되어 앞바퀴의 진행 방향을 조절하는 조향부; 자이로부 및 조향부와 연결되어 바디부가 쓰러지지 않도록 자이로부 및 조향부를 조정하는 제어부; 및 바퀴부에 구동력을 인가하고 자이로부, 조향부 및 제어부에 전원을 인가하고 구동시키는 구동모터부;를 포함하는 것을 특징으로 하며, 제어부는, 바이크의 기울어짐 각도를 입력값으로 하고, 바이크가 기울어지는 각 상태 별로 필요한 보상값으로 세차운동 각도 및 상태값으로 회전각도를 스스로 산출하며, 입력값 대비 산출된 보상값 및 상태값을 누적하여 최적의 보상값 및 상태값을 인공지능 강화학습을 통해 스스로 산출해내는 인공지능부; 및 바이크의 균형 유지 및 자세 복원을 위해 필요한 보상값 및 상태값을 인공지능부에서 수신하여 자이로부 및 조향부에 전달하여 세차구동 및 조향 조절을 명령하는 세차구동부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

자동 자세제어 바이크{Automatic Postural Control Bike}

본 발명은 자동 자세제어 바이크에 관한 것으로서, 완구용 바이크로써 자이로스코프 원리를 이용하고 인공지능을 기반으로 한 강화학습 효과를 통하여 스스로 중심을 잡는 자세 제어를 함으로써 넘어지지 않는 것을 특징으로 하는 바이크에 관한 것이다.

보다 상세하게는 본 발명의 자동 자세제어 바이크는, 핸들과 앞바퀴, 뒷바퀴가 구비된 완구용 바이크 형상의 바디부에 자이로센서, 자이로회전체, 자이로서보모터로 구성되는 자이로부가 장착되어 바이크가 주행 중 중심을 잃고 넘어지려고 할 때 자이로센서가 바디부의 각도를 측정하면 제어부가 상기 각도를 입력값으로 하여 자이로서보모터로 하여금 자이로회전체각도를 변경시켜 세차운동(precession)의 영향으로 중심을 유지하도록 하고, 동시에 제어부가 바디부의 전방에 구비되는 조향부에 자세 복원을 위한 회전각도를 전달하여 조향서보모터로 하여금 핸들 및 앞바퀴연결부에 연결된 조향제어축을 회전 구동시켜 자이로회전체의 세차운동에 연동되어 바디부의 중심을 유지할 수 있도록 앞바퀴의 주행 방향을 조절하도록 하고, 상기 자이로부와 조향부의 연계된 동작을 통해 바디부가 중심을 잡고 유지하는 것에 대하여 제어부는 자이로부 및 조향부에 연계되어 각각의 측정 및 연산값을 수신하여 이를 근거로 바이크의 중심을 제어 할 수 있다.

또한 제어부는 바이크의 기울어진 각도에 따라 바디부의 균형 유지에 필요한 세차운동을 위해서 자이로부에서 연산한 각도 및 조향부의 회전각도를 저장하고 이를 인공지능(AI) 강화학습을 통해 각 상황별 바이크의 기울기 및 속도에 따라 필요로 하는 최적의 자이로 회전체 세차운동 각도 및 방향, 그리고 핸들 조향 방향과 회전속도를 스스로 산출할 수 있도록 하는 인공지능부가 구비되어 사용자의 임의의 조정 없이도 바이크가 넘어지지 않도록 스스로 중심을 잡고 자세를 제어할 수 있는 자동 자세제어 바이크에 관한 것이다.

바이크는 자전거, 오토바이 등 이륜 형 운송수단을 지칭하는 용어로써, 자전거는 1800년대 초반, 오토바이는 1800년대 후반에 개발되어 수많은 진화를 거듭하면서 인류의 교통 인프라 혁신 및 문화의 파급 효과를 제공하고 현재에 이르고 있다.

바이크는 1~2인의 적은 인원이 탑승하고 따라서 크기가 자동차 등에 비해 상대적으로 소형이며 폭이 좁고 전후방으로 앞바퀴와 뒷바퀴가 일직선으로 형성되면서 좁고 긴 형태로 제작되고 크기 대비 강력한 엔진과 모터로 제작되는 것이 일반적이기 때문에, 빠르게 이동할 수 있으면서 좁은 길도 자유롭게 다닐 수 있어 교통체증으로 인한 정체의 우려가 적고 높은 스피드를 낼 수 있어 교통용, 레저용, 스포츠용 등 다양하게 활용되고 있다.

그러나 바이크는 이륜으로 구동되는 형태적 특수성으로 인해 스스로 중심을 잡지 못하고 기울어지게 되어 있으며, 따라서 빠른 속도로 주행을 하는 경우에는 중심이 유지될 수 있으나 속도가 낮아지거나 정차하는 경우에는 중심을 잡기가 어렵고 특히 정지 시에는 별도의 고정장치를 이용하여 넘어지지 않도록 거치될 수 있어야 한다.

특히 바이크의 형태적 특성 상 탑승자가 외부에 노출된 상태이고 속도에 대한 체감이 높기 때문에 빠른 속도로 주행 중 중심을 잃고 바이크가 쓰러지게 되면 탑승자도 함께 쓰러지면서 주행 속도에 비례하여 지면 또는 타 물체와 강하게 충돌하기 때문에 매우 큰 부상 및 사고의 위험이 항상 존재하여 안전성 면에서는 매우 위험한 운송수단으로 인식되고 있다.

이에 따라 최근에는 해외 대학, 연구소, 기업체 등을 통해 넘어지지 않는 자전거 또는 오토바이가 개발되어 바이크의 안전도를 획기적으로 개선시키는 연구 및 제품 개발이 이뤄지고 있다.

상기 넘어지지 않는 바이크는 자이로스코프 원리를 이용하는 것으로서 바이크에 탄 사람이 흔들리거나 중심을 못 잡는 경우에도 안정적으로 직립상태를 유지하도록 도와주는 기능을 가지고 있다.

즉 종래에는 회전하는 자이로스코프가 바퀴에 부착되거나 바퀴에 연동되도록 구비되어 납작하고 무거운 원반과 같은 형태의 자이로스코프가 조향 및 중심과 관련된 바퀴 안에서 회전을 하게 되면 주행 중인 바이크의 바퀴는 자이로 효과, 즉 회전하는 회전체가 그 회전축을 일정하게 유지하려는 성질에 의해 바이크의 중심을 유지하려고 보상값이 작용되면서 바이크의 기울어진 몸체가 기울어진 방향과 반대 방향으로 힘이 작용되면서 바이크가 쉽게 넘어지지 않도록 유지시키고, 동시에 바퀴의 방향을 조정해주게 되면 바이크의 몸체는 정위치로 복원이 이뤄질 수 있게 된다.

상기와 같은 원리가 적용된 것으로서 국내에서는 주로 완구용 바이크가 시중에 출시되고 있으며 이는 자이로스코프의 구동에 따른 자이로 효과, 각운동량 보존법칙 등의 물리적 특성을 교육하기 위한 교구로서 주로 제작이 되어 보급이 이뤄지고 있다.

하지만 자이로 효과를 응용한 많은 과학교구들은 단순 원리에만 집중한 제품들로서 학생들의 흥미를 지속적으로 유발하고 탐구와 개선, 개발을 유도할 수 있는 요소가 부족한 측면이 많다.

또한 사전에 설정되고 저장된 입력값에 의해 정해진 각도에 따라 자이로스코프가 구동되어 바이크가 중심을 유지하는 수준에 그치고 있어, 바이크의 작동 중 사전 설정 범위를 벗어난 각도로 기울어졌을 때 바이크가 넘어지는 현상이 발생하고 이의 개선을 위해 학생들 스스로 대안을 찾고 개선시킬 수 있는 적용방안이 구비되지 않은 실정이다.

선행 특허로써 자이로를 이용한 전동식 무인 자전거(등록번호 제10-0407581호(2003년 12월01일))가 출원된 바 있는데, 상기 자이로 무인 자전거는 실제 탑승용으로써 전륜지지대, 후륜지지대, 페달지지대, 상하부연결대 등의 프레임을 구비하는 자전거로서, 상기 전륜지지대에 기어 등의 전동기구를 개재하여 연결되고, 배터리의 전기력을 모터의 회전력으로 변환하는 핸들구동기; 상기 페달지지대 하단의 페달축에 연결되고, 배터리의 전기력을 모터의 회전력으로 변환하는 페달구동기; 상기 프레임의 자세 변화에 따른 신호를 발생하도록 상기 상부연결대 상에 설치되는 자이로; 사용자의 발을 지지하도록 상기 하부연결대에 장착되는 발판; 및 상기 자이로의 신호에 따라 상기 핸들구동기 및 페달구동기를 구동하여 자동으로 주행하기 위한 알고리즘을 수행하는 제어기를 포함하여 이루어지고, 상기 제어기는 자동모드로 선택되는 동안 주기적으로 자이로의 출력을 수신하여 그 값이 제로이면 상기 페달구동기로만 소정의 출력을 발생하고, 제로가 아니면 상기 핸들구동기에도 동시에 소정의 출력을 발생하는 것을 특징으로 하고 있으며, 제어기는 자동모드로 선택되는 동안 주기적으로 자이로의 출력을 수신하여 그 값이 제로이면 상기 페달구동기로만 소정의 출력을 발생하고, 제로가 아니면 상기 핸들구동기에도 동시에 소정의 출력을 발생하는데, 자이로의 출력이 제로로 되는 동안은 자전거가 기울어지지 않은 상태이므로 핸들구동기의 출력은 정지된다. 반면 페달구동기의 출력은 자동모드인 동안 계속적으로 유지되며 별도의 속도조절 스위치에 의해서만 그 크기가 증감되지만, 경우에 따라서 돌발적인 도로상황이 발생하면 핸들구동기와 연동하여 순간적으로 증속시켜 자전거를 신속히 바로 세울 수 있는 구조를 가지는 것으로써. 자이로 효과를 적용하여 중심 제어가 용이하고 동력이 구비되어 페달의 자동구동과 핸들의 자동조향을 수행하여 주행의 편리성을 제공하는 것일 뿐 자이로스코프를 기반으로 하여 자이로 효과, 각속도량 보존의 법칙, 회전 관성을 이해하고 확장성 있는 추가 개발을 하기 위한 학습용으로는 적합하지 않은 실정이다.

이런 이유로 자이로 원리를 이용하여 과학 교구 용도의 스마트 완구를 만들어 학생들이 과학원리에 관심과 흥미를 가질 수 있게 하되, 단순히 자이로 효과의 확인에 그치는 것이 아니라 자이로 효과를 기반으로 하여 각운동량 보존의 법칙, 회전관성 등을 이해할 수 있고 자이로 효과가 적용되어 무게중심이 산출되는 바이크를 설계하고 3D 프린터 등을 활용하여 직접 제작하며 직접 코딩을 통해 바이크의 자세 제어를 다양한 방식으로 실행해 볼 수 있도록 함으로써 재미는 물론 과학적 지식 및 사고능력 까지 향상시킬 수 있는 자이로 기반 학습용, 완구용 교구가 필요한 상황이다.

대한민국 등록특허공보 10-0407581

본 발명은 상기 종래 기술상의 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 본 발명의 자동 자세제어 바이크는, 핸들과 앞바퀴, 뒷바퀴가 구비된 완구용 바이크 형상의 바디부에 자이로센서, 자이로회전체, 자이로서보모터로 구성되는 자이로부가 장착되어 바이크가 주행 중 중심을 잃고 넘어지려고 할 때 자이로센서가 바디부의 각도를 측정하면 제어부가 상기 각도를 입력값으로 하여 자이로서보모터로 하여금 자이로회전체각도를 변경시켜 세차운동(precession)의 영향으로 중심을 유지하도록 하고, 동시에 제어부가 바디부의 전방에 구비되는 조향부에 자세 복원을 위한 회전각도를 전달하여 조향서보모터로 하여금 핸들 및 앞바퀴연결부에 연결된 조향제어축을 회전 구동시켜 자이로회전체의 세차운동에 연동되어 바디부의 중심을 유지할 수 있도록 앞바퀴의 주행 방향을 조절하도록 하고, 상기 자이로부와 조향부의 연계된 동작을 통해 바디부가 중심을 잡고 유지하는 것에 대하여 제어부는 자이로부 및 조향부에 연계되어 각각의 측정 및 연산값을 수신하여 이를 근거로 바이크의 중심을 제어 할 수 있다.

또한 제어부는 바이크의 기울어진 각도에 따라 바디부의 균형 유지에 필요한 세차운동을 위해서 자이로부에서 연산한 각도 및 조향부의 회전각도를 저장하고 이를 인공지능(AI) 강화학습을 통해 각 상황별 바이크의 기울기 및 속도에 따라 필요로 하는 최적의 자이로 회전체 세차 각도 및 핸들 조향 방향과 회전속도를 스스로 산출할 수 있도록 하는 인공지능부가 구비되어 사용자의 임의의 조정 없이도 바이크가 넘어지지 않도록 스스로 중심을 잡고 자세를 제어할 수 있는 자동 자세제어 바이크를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 본 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위한 것으로,

본 발명의 실시예에 따른 자동 자세제어 바이크는, 스스로 자세를 유지하여 쓰러지지 않으며 주행할 수 있는 완구용 바이크로써, 핸들이 구비되고 전방 및 후방에 각각 앞바퀴연결부와 뒷바퀴연결부가 구비되며 바이크의 프레임을 형성하는 바디부; 앞바퀴와 뒷바퀴로 구성되어 바디부에 연결되는 바퀴부; 바디부의 중앙에 장착되며 바디부가 기울어질 때 중심을 유지하도록 연산하고 제어하는 자이로부; 앞바퀴연결부의 일측에 구비되며 자이로부에 연결되어 앞바퀴의 진행 방향을 조절하는 조향부; 자이로부 및 조향부와 연결되어 바디부가 쓰러지지 않도록 자이로부 및 조향부를 조정하는 제어부; 및 바퀴부에 구동력을 인가하고 자이로부, 조향부 및 제어부에 전원을 인가하고 구동시키는 구동모터부;를 포함하되, 자이로부는, 바디부의 경사를 감지하고 각도를 측정하는 자이로센서; 세차운동을 하는 자이로회전체; 및 자이로센서 및 제어부와 연결되어 자이로회전체를 회전 구동시키는 자이로서보모터;를 더 포함하고, 자이로회전체는, 무게 중심이 상부로 배치되면서 수평으로 위치하고 세차운동 제어 횟수가 최소화 되도록 형성되는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따르면, 조향부는, 자이로부 및 제어부의 조향 명령을 수신하고 조향제어축을 제어하여 앞바퀴의 방향을 조절하고 구동시키는 조향서보모터; 및 핸들 및 앞바퀴의 회전축과 연결되어 조향서보모터의 구동력 및 자이로부에서 연산한 회전각도를 전달하는 조향제어축;을 더 포함한다.

일 실시예에 따르면, 제어부는, 바이크의 기울어짐 각도를 입력값으로 하고, 바이크가 기울어지는 각 상태 별로 필요한 보상값으로 세차운동 각도 및 상태값으로 회전각도를 스스로 산출하며, 입력값 대비 산출된 보상값 및 상태값을 누적하여 최적의 보상값 및 상태값을 인공지능 강화학습을 통해 스스로 산출해내는 인공지능부; 및 바이크의 균형 유지 및 자세 복원을 위해 필요한 보상값 및 상태값을 인공지능부에서 수신하여 자이로부 및 조향부에 전달하여 세차구동 및 조향 조절을 명령하는 세차구동부;를 더 포함한다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 자동 자세제어 바이크에 의하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 자이로 원리를 이용하여 학생들이 직접 바이크를 설계하고 3D 프린팅을 통해 바디를 형성한 뒤 직접 코딩을 한 프로그램을 아두이노 보드에 입력하고 자동으로 자세 제어가 이뤄지는 바이크를 제작함으로써 과학원리에 재미를 느끼고 관심과 흥미를 가지며 지속적인 탐구와 학습을 유도할 수 있다.

둘째, 바이크의 구동 및 직접 제작을 통해 자이로스코프의 구성 및 원리, 각운동량 보존의 법칙, 회전 관성, 캐스터각, 캠버 스러스트(Camber Thrust) 등 다양한 물리학 법칙을 쉽고 재미있게 이해할 수 있다.

셋째, 자세제어 바이크를 구동시키고 제어하기 위한 자이로 서보모터, 조향 서보모터, 바퀴 구동모터 및 전원장치의 연계와 작동원리 등 기계공학 및 물리학의 연계 원리를 흥미롭게 이해할 수 있으며, 직접 코딩을 통해 바이크의 동작을 제어함으로써 소프트웨어 프로그램 코딩 실력을 향상시킬 수 있다.

넷째, 인공지능의 머신 러닝 과정을 이해하고 인공지능 프로그램을 직접 코딩하며 실제 구동에 응용함으로써 인공지능에 대한 이해를 깊게 할 수 있다.

다섯째, 단일체의 교구를 통해 물리학, 전자공학, 기계공학의 이해는 물론 직접 프로그램 코딩을 통해 소프트웨어 개발 능력을 키울 수 있으며, 인공지능을 이해하고 활용할 수 있는 능력을 키우는 등 광범위하고 깊이 있는 학습효과가 유발되며 흥미와 재미를 통해 장기 학습이 가능하고 팀별, 단체별 복합 프로젝트로서 학습용, 대회용, 실제 제품 생산용 등 다양한 범주로 활용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 자세제어 바이크의 전체 구성을 나타내는 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 자세제어 바이크의 외형을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 자세제어 바이크의 상면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 자세제어 바이크의 자이로부를 각 방위별로 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 자세제어 바이크의 인공지능부가 수행하는 인공지능 강화학습 과정을 개략적으로 도시한 구성도이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 여러 가지 형태로 변형되어 실시될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.

또한 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다.

각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 한정되지는 않는다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다.

어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 또는 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는" 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 자세제어 바이크의 전체 구성을 나타내는 측면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 자세제어 바이크의 외형을 도시한 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 자세제어 바이크의 상면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 자세제어 바이크의 자이로부를 각 방위별로 도시한 단면도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 자세제어 바이크의 인공지능부가 수행하는 인공지능 강화학습 과정을 개략적으로 도시한 구성도이다.

본 발명의 자동 자세제어 바이크(10)는 스스로 자세를 유지하여 쓰러지지 않으며 주행할 수 있는 완구용, 교구용 바이크로써 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자동 자세제어 바이크(10)는 바디부(100), 바퀴부(200), 자이로부(300), 조향부(400), 제어부(500), 구동모터부(미도시) 및 전원부(미도시)를 포함한다.

바디부(100)는 일반적인 오토바이의 프레임을 형성하는 외형을 가지며, 전방 상부에 핸들(110)이 구비되고 전방 하부에는 핸들(110)과 연결되어 방향이 조절될 수 있는 앞바퀴연결부(120)가 구비되며, 후방 하부에는 뒷바퀴연결부(130)가 구비될 수 있으며, 중앙부를 중심으로 전방과 후방에 핸들(110)과 앞바퀴연결부(120) 및 뒷바퀴연결부(130)가 직선형으로 이어지는 구조가 될 수 있다.

바디부(100)는 본 발명의 용도적 특성상 중앙부에 안장과 같은 형태의 거치대가 구비될 수 있으며 거치대 및 거치대 주변에 자이로부(300), 조향부(400), 제어부(500), 구동모터부 및 전원부가 장착될 수 있는 공간이 형성될 수 있다.

바디부(100)는 3D 프린팅을 이용하여 제작될 수 있으며, 필라멘트로는 친환경 소재로써 옥수수 전분에서 추출한 수지인 PLA(Poly Lactic Acid), 고무의 탄성을 가진 플라스틱 소재이되 약품을 첨가하지 않아 인체 및 환경에 영향을 주지 않는 TPU(Thermoplastic Polyurethane)가 사용될 수 있다.

구동모터부는 바이크의 구동축, 즉 바퀴가 연결된 회전축에 동력을 제공하는 장치로써 본 발명의 일 실시예로 서보 직류전동기(Servo/DC Motor)가 사용될 수 있다.

서보 직류전동기는 토크와 전류가 비례하여 선형제어계의 구성이 가능하므로 비교적 간단한 회로로 안정된 설계가 가능하므로 본 발명과 같이 교구용으로써 학생들이 직접 설계하고 코딩하며 아두이노 보드를 구성하는 데 있어 적합할 수 있다.

서보 직류전동기는 공지의 기술이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

구동모터부는 본 발명의 일 실시예로 바디부(100)의 중앙부 중 뒷바퀴연결부(130)에 인접하여 구비되어 뒷바퀴(220)의 회전축과 연결되어 뒷바퀴(220)를 구동시킬 수 있으며, 전원부는 구동모터부의 일측에 설치되어 구동모터부 및 제어부(500), 자이로부(300), 조향부(400)에 전기적, 기계적으로 연결되어 각 구성부에 전원을 공급할 수 있다.

바퀴부(200)는 앞바퀴(210)와 뒷바퀴(220)로 구성되어 각각 앞바퀴연결부(120)와 뒷바퀴연결부(130)에 회전 중심축이 연결될 수 있다.

앞바퀴(210)는 조향부(400) 및 핸들(110)에 연계되어 방향을 조절하는 기능을 하게 되며, 뒷바퀴(220)는 구동모터부와 연계되어 바이크가 이동할 수 있는 구동력을 인가받아 바이크를 주행시킬 수 있다.

자이로부(300)는, 본 발명의 일 실시예로 자이로센서(310), 자이로회전체(320) 및 자이로서보모터(330)를 포함하여 구성될 수 있다.

자이로센서(310)는 바디부(100)가 기울어진 경사를 감지하고 각도를 측정하는 기능을 하며, 본 발명의 일 실시예로 바디부(100) 상부에 배치될 수 있다.

자이로회전체(320)는 원반 형태로써 회전을 하면서 세차운동을 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예로써 자이로회전체(320)는 바디부(100)의 중앙에 거치되어 장착될 수 있는데, 지면에 대하여 수평으로 배치되어 세차운동 시 수직축을 기준으로 팽이와 같이 회전될 수 있도록 할 수 있다.

종래 자이로 이용 자전거, 오토바이 등은 자이로회전체(320)가 앞바퀴(210) 내주면에 장착되어 지면에 대하여 수직으로 위치되어져 세차운동을 하면서 균형을 잡는 역할을 하였는데 그렇게 되면 세차운동 제어가 더 빈번해지므로 안정감이 저해되어 균형을 잡는 자세 제어가 불안정해질 수 있다.

따라서 본 발명과 같이 자이로회전체(320)가 수평으로 위치하면서 세차운동을 하게 되면 수직으로 위치했을 때 보다 세차운동이 빈번한 조정과 제어 없이 안정적으로 이뤄지면서 자세가 제어될 수 있으므로 부드럽게 균형을 유지할 수 있다.

또한 본 발명의 자이로회전체(320)는 세차운동을 극대화하기 위하여 자이로회전체(320)의 무게 중심이 위로 가도록 구성할 수 있으며, 따라서 자이로회전체(320)가 소정 각도를 가지고 세차운동을 하게 되면 팽이처럼 형성되어 최적의 세차운동 효과를 가질 수 있다.

자이로서보모터(330)는 자이로센서(310) 및 자이로회전체(320)와 연결되고, 자이로회전체(320)를 회전 구동시키는 서보모터로써 기능할 수 있다.

자이로센서(310)에서 바디부(100)의 기울어짐을 감지하고 바디부(100)의 각도를 측정하면 상기 측정된 바디부(100)의 각도 값을 후술하는 제어부(500)에 송신하게 되고, 제어부(500)는 바디부(100)의 기울어진 각도를 입력값으로 하여 바디부(100)의 균형을 유지하기 위해 필요한 보상값, 즉 균형을 유지하기 위해 필요한 각도를 보상값으로 산출하고 이를 자이로서보모터(330)에 송신하면, 자이로서보모터(330)는 제어부(500)로부터 수신한 보상값으로서의 각도에 맞게 자이로회전체(320)를 기울여 회전시킴으로서 바디부(100)의 균형 유지를 위해 필요한 세차운동을 실시하게 된다.

조향부(400)는 앞바퀴연결부(120)의 일측에 구비되어 앞바퀴연결부(120) 및 핸들(110)과 연결될 수 있다.

조향부(400)는 제어부(500)의 제어를 통해서 바이크가 균형을 잡을 수 있도록 핸들(110)을 움직여 앞바퀴(210)의 진행방향을 조절하도록 기능할 수 있다.

이를 위해 조향부(400)는 조향서보모터(410) 및 조향제어축(420)으로 구성될 수 있다.

조향서보모터(410)는 자이로부(300) 및 제어부(500)에서 핸들(110)을 꺾어 앞바퀴(210)의 진행방향을 변화시키라고 하는 조향 명령을 수신하고 조향명령에 맞게 조향제어축(420)을 제어하여 핸들(110)과 앞바퀴연결부(120)를 소정 각도 회전시키면서 바이크의 진행 방향을 조절할 수 있고 따라서 바이크의 균형을 유지할 수 있게 된다.

조향제어축(420)은 핸들(110) 및 앞바퀴(210)의 회전축과 연결되어 조향서보모터(410)의 구동력 및 자이로부(300)에서 연산한 앞바퀴(210)의 회전각도를 핸들(110) 및 앞바퀴(210)에 전달하는 연결축으로서의 기능을 할 수 있다.

결국 바이크의 균형을 유지하기 위해 제어부(500)에서 자이로부(300)의 자이로회전체(320)를 구동시키면서 동시에 조향부(400)에 핸들(110) 각도를 포함한 조향명령을 송신하면, 상기 조향명령을 수신한 조향부(400)의 조향서보모터(410)는 조향제어축(420)을 상기 조향명령에 맞게 소정 각도 틀어줌으로써 핸들(110) 및 앞바퀴(210)가 소정 각도 회전되어 방향을 전환하면서 바이크가 넘어지지 않고 균형을 유지하도록 할 수 있다.

제어부(500)는 자이로부(300) 및 조향부(400)와 연결되어 바디부(100)가 쓰러지지 않도록 자이로부(300) 및 조향부(400)를 조정하는 기능을 할 수 있으며, 이 과정에서 바이크가 균형을 유지하기 위해서 필요한 세차운동의 각도 및 조향부(400)의 회전각도는 바이크의 기울어진 각도에 대하여 사전에 설정된 값이 매칭되어 저장된 후 기 저장된 값에 의해 균형을 유지하기 위한 제어가 이뤄지는 것이 아니라, 바이크가 기울어지게 되면 자이로센서(310)가 감지하고 측정한 각도를 입력값으로 하여 바이크의 정자세 복원을 위해 필요한 보상값을 산출해내고 상기 보상값에 의해 자이로부(300) 및 조향부(400)를 조정하여 바이크의 균형을 유지하되 이 과정을 반복하면서 누적된 보상값을 통해 인공지능에 의한 강화학습을 통해 스스로 자세를 제어할 수 있게 된다.

이를 위해 제어부(500)는 인공지능부(510) 및 세차구동부(520)를 포함하여 구성될 수 있다.

인공지능부(510)는 자이로센서(310)가 바디부(100)의 기울어짐을 감지하고 기울어진 각도를 측정한 후 송신해 오면 상기 기울어진 각도 값을 수신한 후, 기울어진 각도 및 바이크의 속도에 따라 바디부(100)가 정자세로 복원되며 균형을 유지하기에 필요로 하는 보상값을 산출하는 기능을 하게 된다.

상기 보상값은 자이로부(300)에서 자이로회전체(320)를 세차운동 할 때 사용되는 각도와 조향부(400)에서 핸들(110)의 방향을 전환시킬 때 사용되는 회전각도를 포함할 수 있다.

즉 인공지능부(510)는 바이크가 기울어져 넘어질 것으로 예상되면 자이로센서(310)에서 측정한 기울어짐 각도를 입력값으로 하여 바이크가 넘어지지 않고 균형을 유지할 수 있도록 필요한 자이로회전체(320)의 세차운동 각도 및 조향부(400)의 핸들(110) 회전각도를 보상값으로 산출한다.

그리고 상기 보상값으로서의 각도를 자이로부(300)에 송신하여 자이로서보모터(330)로 하여금 자이로회전체(320)를 소정 각도 기울어진 상태로 소정의 빠르기로 회전하게 하여 바이크가 넘어지지 않고 균형을 유지하도록 하고, 동시에 상기 보상값으로서의 회전각도를 조향부(400)에 송신하여 조향서보모터(410)로 하여금 조향제어축(420)을 소정 각도만큼 소정 방향으로 회전시키도록 하여 바이크를 정자세로 복원시키도록 할 수 있다.

이때 인공지능부(510)는 상기 보상값을 산출함에 있어서 바디부(100)의 기울어진 정도, 즉 자이로센서(310)에서 측정하는 기울어진 각도 값에 매칭되는 보상값을 기 저장한 상태에서 산출하지 않는다.

본 발명의 특징으로서 인공지능부(510)는 인공지능에 기반하여 강화학습을 통하여 바이크의 균형 유지 및 자세 복원을 위해 필요한 최적의 보상값을 산출하여 스스로 자세제어를 할 수 있다.

부연설명하면, 바이크가 구동되면서 주행을 하게 되면 소정의 이유로 인해 주행 중 균형을 잃고 기울어지게 되는데, 이때 자이로센서(310)가 기울어짐을 감지하고 기울어진 각도와 주행 속도를 측정하여 입력값(Action)으로서 각도를 산출하게 된다.

인공지능부(510)는 상기 입력값이 산출된 현재 상태를 새로운 환경으로 인식하고, 상기 새로운 환경, 즉 균형이 흐트러져 기울어져 특정한 각도를 가지는 해당 상태에서 바이크의 균형 유지 및 정자세 복원, 즉 정상 상태에 필요한 보상값(Reward) 및 상태값(State)을 산출해 낸다.

즉 인공지능부(510)는 보상값으로서 자이로회전체(320)의 세차운동 각도 값을 산출하고, 상태값으로서 회전각도를 산출하게 되며, 이를 각각 자이로부(300) 및 조향부(400)에 전달한다.

이때 인공지능부(510)는 상기 입력값에 대응되는 보상값 및 상태값을 기 저장한 후 측정된 입력값에 매칭되는 보상값 및 상태값을 호출하여 자이로부(300) 및 조향부(400)에 전달하는 것이 아니라, 특정 상태에서 측정되는 입력값에 필요한 보상값 및 상태값을 산출하여 자이로부(300) 및 조향부(400)에 적용하여 균형을 유지하게 하면서 수많은 입력값에 대해 산출되어 누적되는 보상값 및 상태값의 상관 관계를 강화학습을 통해 연산해 내면서 각 상태별 최적의 보상값 및 상태값을 스스로 도출해낼 수 있게 된다.

결국 인공지능부(510)는 인공지능을 기반으로 하여 반복된 강화학습을 통해 스스로 자세를 유지할 수 있는 최적화된 보상값 및 상태값을 산출하게 된다.

세차구동부(520)는 인공지능부(510)로부터 바이크의 균형 유지 및 자세 복원을 위해 필요한 보상값 및 상태값을 수신할 수 있다.

세차구동부(520)는 상기 보상값을 자이로부(300)에 전달하여 자이로서보모터(330)로 하여금 자이로회전체(320)를 상기 보상값으로 특정된 각도로 회전시키도록 하며, 동시에 상기 상태값을 조향부(400)에 전달하여 조향서보모터(410)로 하여금 상기 상태값으로 특정된 각도에 맞게 조향제어축(420)을 특정 방향으로 소정 각도 회전시키도록 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자동 자세제어 바이크(10)의 사용예는 다음과 같다.

본 발명이 자동 자세제어 바이크(10)의 핵심적인 특징은 인공지능 강화학습을 통해 자세를 제어할 수 있는데 있으며, 바이크가 중심을 유지하고 넘어지지 않기 위해 인공지능 강화학습으로 도출된 보상값으로서의 각도를 이용하여 자이로회전체(320)를 회전시켜 물리적으로 제어한다는 데 있다.

우선 본 발명의 자동 자세제어 바이크(10)의 작동원리를 설명하면 다음과 같다.

구동모터부가 사용자의 작동 조작에 의해 자동 자세제어 바이크(10)의 뒷바퀴(220)에 구동력을 인가하면 자동 자세제어 바이크(10)는 주행을 시작하고 속도를 가지게 되는데, 주행 과정에서 소정의 이유로 균형이 흐트러져 기울어지는 상황이 발생할 수 있다.

상기 기울어지는 상황에서 어떠한 복원력도 반작용으로서 제공되지 않으면 바이크는 그대로 넘어지게 된다.

본 발명의 자동 자세제어 바이크(10)는 상기 기울어지는 상황에서 바이크가 스스로 자세를 제어하면서 균형을 유지하고 정 자세로 복원할 수 있도록 하는데 인공지능과 자이로원리가 적용된 특징을 가지고 있다.

우선 자동 자세제어 바이크(10)가 주행 중 기울어지면 자이로센서(310)가 이를 감지하여 바디부(100)의 기울어지는 각도와 주행 속도가 결합된 각도를 입력값으로 산출하게 되며, 자이로부(300)는 상기 입력값을 제어부(500)에 송신한다.

제어부(500)는 인공지능부(510)가 상기 입력값인 각도를 근거로 하여 바디부(100)에 적용될 반작용으로써 바이크가 넘어지지 않고 균형을 유지할 수 있는 각도를 보상값으로 산출하고, 조향부(400)에서 핸들(110)의 각도를 꺾어서 바이크가 균형 유지 및 자세 복원을 할 수 있도록 안내하는 회전각도를 상태값으로 산출한다.

이 과정에서 인공지능부(510)는 인공지능을 기반으로 하여 상기 보상값 및 상태값을 수많은 입력값에 대해 실제 바이크의 균형 및 자세 복원을 통해 누적된 결과를 통해 입력값 대비 보상값 및 상태값의 상호 연관관계를 강화학습을 통해 도출하고 기울어진 상태 별로 적용될 최적화된 각도 및 회전각도를 보상값 및 상태값을 바이크에 적용함으로써 바이크가 스스로 자세를 제어할 수 있도록 한다.

이후 세차구동부(520)가 상기 보상값을 자이로부(300)에 전달하면 자이로서보모터(330)가 상기 보상값에 특정된 각도에 맞게 자이로회전체(320)를 기울여 회전시킴으로써 세차운동을 진행하게 된다.

동시에 세차구동부(520)는 상기 상태값을 조향부(400)에 전달하면 조향서보모터(410)는 상기 상태값에 특정된 회전각도에 맞게 조향제어축(420)을 특정 방향으로 소정 각도 회전시켜 바이크가 넘어지지 않고 균형을 유지하면서 정자세로 복원되도록 조절할 수 있다.

자이로회전체(320)는 무게중심이 위로 가도록 형성되고 수평으로 배치되면서 팽이 형태로 세차운동을 하며 바이크가 기울어진 상태에서도 완전히 넘어지지 않도록 균형을 유지하는 기능을 하게 되며, 수평으로 배치된 자이로회전체(320)는 수직으로 배치된 자이로회전체(320)에 비해 세차운동에 대한 제어가 덜 발생하는 안전성을 갖추게 된다.

다음으로 완구용 및 교구용 자동 자세제어 바이크(10)로서 본 발명의 사용예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 자이로 원리를 이용하여 교구 용도의 스마트완구를 만들어 학생들이 직접 3D 프린팅을 하여 바디부(100)를 모델링 하고, 인공지능(AI) 기반의 운영 소프트웨어를 직접 코딩하고 입력하고 작동되는 것을 경험함으로써 과학원리에 대해 관심과 흥미를 가질 수 있게 하는데 목적이 있다.

이 과정으로써 먼저 3D 프린터를 활용하여 바이크의 외형으로써 바디부(100)를 제작한다.

바디부(100) 제작 후 자이로회전축이 바디부(100) 중앙부에 거치되고, 자이로서보모터(330)는 자이로회전체(320)의 중심을 관통하는 측면에 배치되어 자이로회전체(320)의 세차운동 방향 및 각도를 제어하게 된다.

뒷바퀴(220)에는 구동모터부가 연결되어 서보 직류전동기가 뒷바퀴(220)를 회전시켜 바이크가 주행될 수 있도록 구성한다.

자이로센서(310)는 바디부(100) 중앙 상부에 배치하고 제어부(500) 및 자이로서보모터(330)와 연결한다.

조향제어축(420)은 앞바퀴연결부(120) 및 핸들(110)과 연결하고, 조향서보모터(410)는 조향제어축(420)에 연결한다.

제어부(500)는 아두이노 보드를 이용하여 제작될 수 있는데, 자세제어 소프트웨어 프로그램이 아두이노 보드에 코딩 입력된 후 바디부(100) 중앙 상부에 거치되어 장착될 수 있다.

전원부는 바디부(100) 하부 소정 위치에 장착되어 구동모터부, 제어부(500), 자이로부(300), 조향부(400)와 전기적으로 연결될 수 있다.

이제 전원부를 조작하여 자동 자세제어 바이크(10)를 작동시키면 구동모터부가 뒷바퀴(220)를 구동시켜 바이크를 주행시키게 되고, 주행과정 주에 바이크가 기울어지게 되었을 때 아두이노 보드에 코딩된 프로그램에 따라 제어부(500)가 자이로부(300) 및 조향부(400)를 제어하면서 자이로회전체(320)가 회전하고 핸들(110)이 조정되면서 바이크가 쓰러지지 않고 균형을 유지하면서 정 자세를 되찾는 과정이 이뤄질 수 있으며, 상기 과정의 반복을 통해 정교하게 개선된 인공지능 프로그램 코딩이 적용될 수 있으며 자이로 효과를 직접 눈으로 목격하면서 과학원리에 대한 이해의 폭과 재미 향상은 물론 프로그램 코딩 능력도 향상시킬 수 있다.

이상에서 설명된 본 발명의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다.

그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

10 : 자동 자세제어 바이크
100 : 바디부
110 : 핸들
120 : 앞바퀴연결부
130 : 뒷바퀴연결부
200 : 바퀴부
210 : 앞바퀴
220 : 뒷바퀴
300 : 자이로부
310 : 자이로센서
320 : 자이로회전체
330 : 자이로서보모터
400 : 조향부
410 : 조향서보모터
420 : 조향제어축
500 : 제어부
510 : 인공지능부
520 : 세차구동부

Claims (3)

1. 스스로 자세를 유지하여 쓰러지지 않으며 주행할 수 있는 완구용 바이크로써,
   핸들이 구비되고 전방 및 후방에 각각 앞바퀴연결부와 뒷바퀴연결부가 구비되며 바이크의 프레임을 형성하는 바디부;
   앞바퀴와 뒷바퀴로 구성되어 바디부에 연결되는 바퀴부;
   바디부의 중앙에 장착되며 바디부가 기울어질 때 중심을 유지하도록 연산하고 제어하는 자이로부;
   앞바퀴연결부의 일측에 구비되며 자이로부에 연결되어 앞바퀴의 진행 방향을 조절하는 조향부;
   자이로부 및 조향부와 연결되어 바디부가 쓰러지지 않도록 자이로부 및 조향부를 조정하는 제어부; 및
   바퀴부에 구동력을 인가하고 자이로부, 조향부 및 제어부에 전원을 인가하고 구동시키는 구동모터부;를 포함하되,
   자이로부는,
   바디부의 경사를 감지하고 각도를 측정하는 자이로센서;
   세차운동을 하는 자이로회전체; 및
   자이로센서 및 제어부와 연결되어 자이로회전체를 회전 구동시키는 자이로서보모터;를 더 포함하고,
   자이로회전체는,
   무게 중심이 상부로 배치되면서 수평으로 위치하고 세차운동 제어 횟수가 최소화 되도록 형성되는 것을 더 포함하는 자동 자세제어 바이크.
2. 제1항에 있어서,
   조향부는,
   자이로부 및 제어부의 조향 명령을 수신하고 조향제어축을 제어하여 앞바퀴의 방향을 조절하고 구동시키는 조향서보모터; 및
   핸들 및 앞바퀴의 회전축과 연결되어 조향서보모터의 구동력 및 자이로부에서 연산한 회전각도를 전달하는 조향제어축;을 더 포함하는 자동 자세제어 바이크.
3. 제1항에 있어서,
   제어부는,
   바이크의 기울어짐 각도를 입력값으로 하고, 바이크가 기울어지는 각 상태 별로 필요한 보상값으로 세차운동 각도 및 상태값으로 회전각도를 스스로 산출하며, 입력값 대비 산출된 보상값 및 상태값을 누적하여 최적의 보상값 및 상태값을 인공지능 강화학습을 통해 스스로 산출해내는 인공지능부; 및
   바이크의 균형 유지 및 자세 복원을 위해 필요한 보상값 및 상태값을 인공지능부에서 수신하여 자이로부 및 조향부에 전달하여 세차구동 및 조향 조절을 명령하는 세차구동부;를 더 포함하는 자동 자세제어 바이크.
   

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