KR101141947B1 - 차륜 장치 및 이를 구비한 복합 차륜 차량 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르는 차륜 장치는, 서로 연결되어 무한 궤도를 형성하는 궤도 어셈블리와 상기 궤도 어셈블리에 회전가능하게 연결되고, 제1 직경을 갖도록 형성되는 궤도 휠 및 상기 궤도 휠에 결합되고, 제1 직경보다 큰 제2 직경을 갖는 주행 휠을 포함함으로써, 주행 환경중 포장노면과 비포장노면이 혼재된 상황이라도 일정한 성능의 주행을 할 수 있다.

Description

차륜 장치 및 이를 구비한 복합 차륜 차량{WHEEL DEVICE AND COMPLEX WHEELED VEHICLE HAVING THE SAME}

본 발명의 일 실시예들은 무한 궤도를 이용하여 주행 가능하게 형성되는 복합 차륜 차량에 관한 것이다.

무한 궤도를 구비한 복합 차륜 차량이란, 전차와 같이 기동륜을 둘러싸고있는 궤도가 회전을 하면서 주행하는 차량으로, 예를 들어 장갑차, 전차 등 군용 장비에 많이 사용된다. 또한 산업 중장비 분야에도 이러한 궤도차량이 많이 사용되고 있다.

이와 같은, 무한 궤도 장치는 사용자가 원격으로 조정가능하게 이루어지는 원격 제어 차량, 소형의 무인 이동 차량, 또는 자율 이동 가능하게 형성되는 자율 이동 차량에도 적용될 수 있다.

도 1은 종래의 차륜형 로봇(10)의 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 차륜형 로봇은 각종 기능을 수행하는 몸체(12)와 이러한 몸체(12)에 연결되는 4개 내지 6개의 차륜(15)으로 이루어져 있다. 따라서, 차륜(15)은 구동, 제동, 조향 등의 기능을 수행하게 된다.

그러나, 이와 같은 차륜형 로봇(10)은 아스팔트, 콘크리트 포장 도로 위에서는 고속 주행성이 탁월한 반면, 비포장 도로, 험로, 야지 등에서는 미끄러지거나 교착상태에 빠지기 쉬운 단점이 있었다. 또한, 몸체(12)의 하중을 충분히 견디기 위해서는 큰 직경의 타이어 혹은 다수의 타이어가 필요하게 되어 경제성이 저하된다.

도 2는 종래의 궤도형 로봇(20)의 사시도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 궤도형 로봇(20)은 각종 기능을 수행하는 몸체(22)와 이러한 몸체에 연결되는 한쌍의 무한궤도(25)로 이루어져 있다. 따라서, 무한궤도(25)는 로봇의 원격 제어에 의한 이동 또는 자율 이동을 위한 구동, 제동, 조향 등의 기능을 수행하게 된다. 이와 같은 궤도형 로봇(20)은 경사면, 비포장도로, 야지, 험로 등에서 안정적인 주행성능을 발휘하고, 고하중의 몸체(22)를 충분히 지탱하는데 반해, 아스팔트, 콘크리트 포장 도로 위에서는 마찰저항이 크고 동력손실이 많아 고속 주행이 어렵다는 단점이 있었다.

관련 선행 기술 문헌으로서, 미국 특허문헌으로서 공개공보 US2011/0005847에는 고중량의 궤도형 자율주행 로봇이 개시되어 있고, 대한민국 특허 제 10-1041930호에는 차륜형 자율주행 로봇에 관한 구성이 개시되어 있다.

본 발명의 일 목적은 원격 제어 로봇, 자율 이동 로봇 또는 소형 무인 로봇에 사용될 수 있는 차륜 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 노면이 포장된 도로에서 고속 주행이 가능하고, 비포장된 도로에서는 저속으로 장애물을 극복하며 주행할 수 있는 차륜 장치를 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 차륜 장치는, 서로 연결되어 무한 궤도를 형성하는 궤도 어셈블리와 상기 궤도 어셈블리에 회전가능하게 연결되고, 제1 직경을 갖도록 형성되는 궤도 휠 및 상기 궤도 휠에 결합되고, 제1 직경보다 큰 제2 직경을 갖는 주행 휠을 포함할 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 주행 휠은, 지면과 접촉하는 상기 주행 휠의 외주를 감싸도록 형성되는 오링을 포함하여 형성될 수 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예는, 제1 주행 모드에서 지면에 접촉하여 구동될 수 있도록 형성되는 주행 휠 및 제2 주행 모드에서 상기 주행 휠과 함께, 지면에 접촉하여 구동될 수 있도록 형성되는 궤도부를 포함하고, 상기 궤도부는, 서로 연결되어 무한 궤도를 형성하는 궤도 어셈블리와, 상기 궤도 어셈블리에 회전가능하게 연결되고, 제1 직경을 갖도록 형성되는 궤도 휠을 포함하고, 상기 주행 휠은 상기 제1 직경보다 큰 제2 직경을 갖도록 형성되는 차륜 장치를 개시한다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1 주행 모드는 포장된 노면을 고속으로 주행하는 모드이고, 상기 제2 주행 모드는 상기 제1 주행 모드가 아닌 모드가 될 수 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예는, 동력 발생부를 구비하는 몸체와, 상기 몸체의 양 측면에 형성되고, 상기 동력 발생부에 연결되는 기동륜과 상기 기동륜에 의해 구동력을 전달받는 무한 궤도를 포함하는 궤도부들 및 상기 동력 발생부에 연결되고, 상기 궤도부를 지면으로부터 이격시키며, 고속 주행 모드에서 지면에 접촉하여 주행 가능하도록 형성되는 주행 휠들을 포함하는 복합 차륜 차량을 개시한다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 궤도부의 무한 궤도는, 제1 륜과 상기 제1 륜으로부터 이격되는 제2 륜을 서로 연결하며 감싸도록 형성되고, 상기 어느 하나의 륜은 기동륜으로 형성될 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 주행 휠들은, 각각 상기 제1 륜과 제2륜의 측면에 배치될 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1륜과 제2륜은 제1 직경을 갖도록 형성되고, 상기 주행 휠들은 제2 직경을 갖도록 형성될 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 주행 휠은, 지면과 접촉하는 상기 주행 휠의 외주를 감싸도록 형성되는 오링을 포함하여 형성될 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 주행 휠들은, 각각 상기 제1 륜과 제2륜에 결합되도록 형성될 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 기동륜들은 상기 동력 발생부에 연결되는 구동축으로부터 구동력을 전달받도록 형성될 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 구동축으로부터 구동력을 전달받도록 적어도 하나의 풀리(Pully)를 더 포함하고, 상기 주행 휠들은 상기 구동축과 풀리에 의해 연결되도록 형성될 수 있다.

상기와 같이, 본 발명의 일실시예에 따르는 복합형 차륜 차량의 차륜 장치에 의하면, 비포장노면에서는 주행 휠이 살짝 묻힌 상태로 궤도부과 함께 회전하기 때문에 궤도부의 넓은 접지면적과 접지력으로 안정된 주행을 할 수 있다. 또한, 복합형 차륜 차량의 주행 방향에 대한 측방향 미끄러짐을 방지할 수 있다. 아울러, 경사면에서도 쉽게 장애물을 극복할 수 있다.

그리고, 포장노면에서는 주행 휠만 노면에 접촉되므로 마찰저항을 최소로 한채 고속주행이 가능하게 된다. 따라서, 한정된 배터리로 운용되는 차량임을 감안할 때 불필요한 동력손실도 최소화할 수 있다.

또한, 차륜 장치가 원격 제어 로봇, 소형 무인 로봇, 또는 자율 이동 로봇에 장착되는 경우, 주행 환경중 포장노면과 비포장노면이 혼재된 상황이라도 일정한 성능의 주행이 가능한 장점이 있다.

도 1은 종래의 차륜형 로봇의 사시도.
도 2는 종래의 무한궤도형 로봇의 사시도.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 차륜 장치를 구비한 복합 차륜 차량의 사시도.
도 4는 도 3중 복합형 차륜이 비포장노면에 있을 때의 반단면도.
도 5는 도 3중 복합형 차륜이 포장노면에 있을 때의 반단면도.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 복합형 차륜의 부분 정면도.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 복합형 차륜의 반단면도.

이하, 본 발명의 일실시예에 따르는 차륜 장치 및 이를 구비한 복합 차륜 차량에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일?유사한 구성에 대해서는 동일?유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 차륜 장치를 구비한 복합 차륜 차량의 사시도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 복합 차륜 차량(30)은 작전을 수행하는 군사용 로봇, 생산을 담당하는 산업용 로봇, 경비보안용 로봇, 조사발굴용 로봇이 될 수 있다. 또한, 다른 이동 가능한 차량일 수 있다.

복합 차륜 차량(30)의 차륜 장치는 무한 궤도와 궤도 휠 및 주행 휠을 포함한다. 무한 궤도는 복수의 궤도 어셈블리가 서로 결합되어 형성된다.

궤도 휠은 기동륜, 유동륜 또는 보기륜 중 어느 하나일 수 있다. 기동륜은 동력 발생부의 구동력을 무한 궤도에 전달하도록 형성된다. 유동륜은 차체의 좌우측 전방에 위치하여 무한 궤도의 정렬을 유지하도록 형성될 수 있다. 보기륜은 지표면 압력과 무한 궤도의 정렬을 유지하도록 형성될 수 있다.

궤도 휠은 기동륜으로만 구성되거나, 유동륜 또는 보기륜 중 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있다.

주행 휠은 궤도부를 지면으로부터 이격시키도록 형성된다. 일 예로, 주행 휠은 궤도 힐보다 큰 직경을 갖도록 형성된다. 이 경우, 장애물이 없는 평지에서 노면은 주행 휠에만 접촉하므로, 고속으로 주행이 가능하다.

무한 궤도는 도 3에서 도시한 바와 같이, 서로 이격된 제1 륜과 제2 륜을 서로 연결하며, 적어도 일부를 감싸도록 형성된다.

주행 휠은 궤도 휠에 결합될 수 있다. 이렇게 결합된 주행 휠과 궤도 휠은 함께 복합형 차륜을 형성한다.

복합 차륜 차량(30)은 크게 각종 기능을 수행하기 위한 기기들이 설치된 몸체(32)와 복수개의 복합형 차륜(50, 51)으로 구분할 수 있다.

몸체는 모터, 엔진 등의 동력 발생부를 구비할 수 있다. 그리고 동력 발생부의 구동력을 전달하도록 구동축과 종동축을 포함할 수 있으며, 구동축이나 종동축에는 구동력을 각 휠에 전달할 수 있도록 풀리가 형성될 수 있다. 풀리는 기어나 벨트 등 축의 회전력을 다른 축에 전달할 수 있는 수단을 의미한다.

도 4는 도 3중 복합형 차륜(50, 51)이 비포장노면(70)에 있을 때의 반단면도이고, 도 5는 도 3중 복합형 차륜(50, 51)이 포장노면(72)에 있을 때의 반단면도이다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 엔진(미도시) 혹은 모터(미도시)나 변속기(미도시)와 연결된 구동축(53)이 복합형 차륜(50, 51)으로 구동력을 전달한다.

궤도부는 금속재질의 무한 궤도(52)를 포함하여 형성될 수 있다. 따라서, 도 4와 같이 무한 궤도(52)가 비포장노면(70)에 접촉하는 경우, 접지면적이 넓어서 접지력이 크게 된다.

주행 휠(60)은 알루미늄 합금 등과 같이 경량이면서 내마모성이 큰 금속으로 제작한다. 주행 휠(60)은 폭에 비해 직경이 매우 큰 디스크 형상이며, 직경은 무한 궤도의 곡률반경보다 5% 내지 20%정도 더 크다.

직경차가 커지면, 복합 차륜 차량의 속도는 무한 궤도만을 장착한 경우에 비해 크게 증가할 수 있지만, 모터의 토크는 증가하지 않으므로 구동력은 저하될 수 있다. 이와 반대로, 직경차가 줄어들면 직경차를 크게 한 경우보다 구동력은 상대적으로 크지만, 속도의 증가량은 보다 줄어들 수 있다.

이러한 주행 휠과 무한 궤도의 곡률반경과의 직경 차는 복합 차륜 차량의 속도 및 모터의 구동력 등을 감안하여 적절히 변경할 수 있다.

주행 휠(60)은 원형일 수도 있고, 경량화를 위해 도우넛 형태의 환형일 수도 있다. 도 3 내지 도 5와 같이, 주행 휠(60)이 환형인 경우, 내측면으로부터 4개 ~ 6개의 연결림(62)이 돌출된다.

연결림(62)은 주행 휠(60)과 같은 재질이며, 일체로 형성될 수 있다. 연결림(62)은 연장 돌출된 후, 끝단이 풀리의 측면과 연결된다. 연결림(62)과 풀리 사이의 연결은 영구체결(예 : 용접, 리벳 등)도 가능하나, 신속하고 용이한 분리체결(착탈 가능)을 위해 퀵스냅연결, 볼트너트연결 등이 적용될 수 있다.

그리고 도 4와 같은 비포장노면(70)은 예를 들어, 야산, 경사면, 비포장 도로, 밭, 개울, 야지, 험로, 흙 등이 될 수 있다. 그리고, 도 5와 같은 포장노면(72)은 콘크리트, 아스팔트, 실내 바닥, 나무, 마루, 빙판, 타일 등이 될 수 있다.

풀리는 무한 궤도를 구동하기 위한 것으로, 한개의 무한 궤도에 한쌍의 풀리가 구비되고, 중간에 복수의 아이들러 풀리가 구비되어 형성될 수 있다. 특히, 한쌍의 풀리는 엔진이나 모터로부터 회전력을 전달받는 구동풀리와 궤도편의 회전을 안내하는 피동풀리로 구분할 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 주행 휠(60)이 연결되는 풀리는 구동풀리와 피동풀리 모두가 될 수 있다.

도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 복합형 차륜의 부분 정면도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 구동축(53)과 동일축선상에 연결축(162)이 연결된다. 연결축(162)은 풀리를 통해 구동축(53)에 연결될 수도 있고, 풀리에 연결될 수도 있다.

타이어(160)는 고무재질의 타이어이며, 연결축(162)을 통해 회전된다. 타이어(160)의 직경은 무한 궤도의 직경보다 4 mm ~ 20 mm(동일한 반경차이의 2배) 정도 더 크다. 이러한 직경차는 도 6과 같이 포장노면(72)에서 무한 궤도를 살짝 띄우기 위한 것이다.

도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 복합형 차륜의 반단면도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 주행 휠(260)의 가장자리면에는 Y-자 단면의 수용홈(266)이 형성되어 있고, 수용홈(266)에는 오링(268)이 꽉 끼어져 있다.

이러한 오링(268)은 노면과의 마찰력을 증대시켜 주행 방향 미끄럼 뿐만 아니라 주행 방향에 대하여 교차하는 측방향 미끄럼을 방지하면서 정숙한 주행을 가능하게 한다.

오링(268)은 실리콘, 우레탄, 고무, 합성수지 등과 같은 재질로 제작한 뒤 수용홈(266)내에 탄성적으로 삽입할 수 있다.

본 발명의 변형례로서, 오링(268)외에 주행 휠(260)의 둘레에 톱니를 형성하여 마찰력을 증대시킬 수도 있다.

이하에서는 상기와 같은 구성을 갖는 궤도형 이동로봇의 복합형 차륜의 동작에 관하여 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하도록 한다.

우선, 도 4와 같이 비포장 노면(70)을 주행하는 상태의 동작을 설명한다. 비포장 노면(70)은 흙으로 이루어진 경우가 많기 때문에 표면이 무르다. 따라서, 주행 휠(60)의 하부가 비포장노면(70)을 파고 들어가면서 주행 휠 접촉부위(64)가 흙속에 생긴다.

그리고, 몸체(32)의 하중 대부분은 무한 궤도로 전달되어 살짝 비포장노면(70)을 파고 들어간다. 즉, 몸체(32)의 하중은 무한 궤도와 주행 휠(60)이 분담(비율은 조정가능함)하면서 주행하게 된다.

이 때, 주행 휠 접촉부위(64)가 흙속에 살짝 박히기 때문에 높은 마찰력은 발생하지 않고, 측방향 미끄럼이 발생하지 않음으로 인해 안정적인 조향 성능이 발휘되게 된다. 또한, 무한 궤도로 인하여 큰 접지면적과 높은 접지력으로 안정된 주행이 가능하게 된다.

그 다음, 도 5와 같이 포장노면(72)을 주행하는 상태의 동작을 설명한다. 포장노면(72)은 표면이 평활하고 경도가 높기 때문에 주행 휠(60)이 파고들어가지 않는다.

따라서, 도 5와 같이 주행 휠(60)만으로 몸체(32)의 하중을 지탱하게 된다. 이 때, 무한 궤도는 포장노면(72)으로부터 살짝 부상한 상태로 유지된다. 이 때, 부상한 간격의 크기는 무한 궤도가 포장노면(72)에 닿지 않을 정도면 족하다.

모터의 구동력이 충분한 경우 필요에 따라서는, 주행 휠의 직경을 크게 하여 기동 속도를 증가시킬 수 있다. 이로 인해, 포장노면(72)과의 접촉 마찰력이 최소화되고, 원주의 직경이 커져서 고속주행이 가능하게 된다.

특히, 도 7과 같이 오링(268)이 설치된 경우에는 오링(268)의 탄성변형을 통해 정숙하고 조용한 주행도 가능하여 특히, 실내에서 큰 효과를 얻을 수 있다.

도 6은 금속재의 주행 휠 대신에 타이어(160)를 설치한 실시예이다. 따라서, 타이어(160)가 포장노면(72)에 접촉하여 로봇의 하중을 전면적으로 지지하게 되고, 무한 궤도는 살짝 부상된 상태이다. 도 6과 같은 상태에서는 통상의 차륜형 로봇(차량)과 같은 주행조건이 되므로 고속 주행이 가능하고 주행 휠에 비해 더욱 안정된 코너링이나 제동 등이 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로, 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.

본 발명의 범위는 상세한 설명 보다는 후술하는 특허등록 청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허등록 청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 동력 발생부를 구비하는 몸체;
   상기 몸체의 양 측면에 형성되고, 비포장 도로를 주행하는 제1 모드에서 적어도 일부가 지면에 접촉하도록 무한 궤도를 형성하는 궤도 어셈블리;
   적어도 어느 하나는 상기 궤도 어셈블리에 대하여 구동력을 전달하도록 상기 동력 발생부에 연결되는 구동축에 결합되는 궤도 휠들; 및
   상기 궤도 어셈블리를 지면으로부터 이격시키며, 상기 궤도 어셈블리가 지면에 접촉하지 않는 제2 모드에서 지면에 접촉하여 주행 가능하도록 직경에 비해 그 폭이 작은 디스크 형상으로 형성되고, 상기 제2 모드에서 상기 제1 모드에 비해 고속으로 주행할 수 있도록 상기 구동축으로부터 구동력을 전달받는 풀리에 의해 연결되는 주행 휠들을 포함하고,
   상기 주행 휠은,
   그 가장자리면에 Y-자 단면으로 형성되는 수용홈;
   상기 수용홈에 밀착되어 상기 주행 휠의 외주를 감싸도록 형성되는 오링; 및
   상기 풀리에 착탈가능하게 연결되도록 내측면으로부터 상기 몸체를 향하여 돌출되는 연결림들을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 차륜 차량.
4. 제3항에 있어서,
   상기 궤도 휠들은 제1 륜과 제2 륜을 포함하고,
   상기 궤도 어셈블리는, 상기 제1 륜과 상기 제1 륜으로부터 이격되는 제2 륜을 서로 연결하며 감싸도록 형성되고,
   상기 어느 하나의 륜은 기동륜인 것을 특징으로 하는 복합 차륜 차량.
5. 제4항에 있어서,
   상기 주행 휠들은, 각각 상기 제1 륜과 제2륜의 측면에 배치되는 것을 특징으로 하는 복합 차륜 차량.
6. 삭제
7. 제4항에 있어서,
   상기 주행 휠들은,
   각각 상기 제1 륜과 제2륜에 결합되는 것을 특징으로 하는 복합 차륜 차량.
8. 삭제
9. 삭제

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