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KR102651044B1 - 선형 안정 시스템을 가지는 이륜 차량 - Google Patents

선형 안정 시스템을 가지는 이륜 차량 Download PDF

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KR102651044B1
KR102651044B1 KR1020207011957A KR20207011957A KR102651044B1 KR 102651044 B1 KR102651044 B1 KR 102651044B1 KR 1020207011957 A KR1020207011957 A KR 1020207011957A KR 20207011957 A KR20207011957 A KR 20207011957A KR 102651044 B1 KR102651044 B1 KR 102651044B1
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vehicle
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그렉 린
나사렛 에크멕지언
로시짜 코텔로바
제러드 스미스
에디 카릴로
아모스 앰블러
제임스 왕
카를로스 아스마트
조슈아 엘밴더
오노리노 디 탄나
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피아지오 패스트 포워드 인코포레이티드
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Abstract

이륜 차량이 개시된다. 이 이륜 차량은 섀시와, 이 섀시에 이동 가능하게 결합되어 이에 대해 종방향으로 변위할 수 있는 제1 휠 캐리지를 포함한다. 적어도 하나의 제1 휠이 제1 휠 캐리지에 장착되어, 제1 휠 캐리지를 통해 섀시에 결합된다. 이륜 차량은 제1 휠 캐리지에 결합되어 제1 휠 캐리지를 섀시에 대해 종방향으로 변위시키도록 구성되는 제1 선형 액튜에이터 시스템을 더 포함한다. 제1 모터가 제1 휠과 제1 휠 캐리지에 장착된다. 제1 모터는 제1 휠에 구동 에너지를 제공하며, 제1 휠이 제1 선형 액튜에이터 시스템에 의해 변위됨에 따라 제1 휠 캐리지와 함께 변위된다.

Description

선형 안정 시스템을 가지는 이륜 차량
본 발명은 일반적으로 차량에 관한 것으로, 배타적은 아니지만 더 구체적으로는 축방향으로 정렬된 휠(wheel)들을 가지는 이륜(two-wheeled) 차량에 관련된다.
상품의 운송 목적으로 사용이 가능한 차량 및/또는 로봇의 수가 증가하고 있다. 전형적인 차량 및/또는 로봇은 차량의 정상적 작동 동안 추진과 조향 제어를 제공하는 데 3륜, 4륜 또는 6륜을 사용한다. 이러한 차량 및/또는 로봇은 정적 안정성(static stability)에 의존하여 휠들의 위치를 통해 모든 작동 조건들에서의 안정성에 대해 설계한다. 종방향, 또는 후방 및 전방으로의 휠들 간의 분리 거리가 중력 또는 경사에 의해 인가된 토크(torque)를 밸런싱 한다(balanced out). 이에 따라, 전형적인 차량 안정성은 차량의 종방향으로의 휠들 간의 적절한 분리 거리를 구현하여 달성됨으로써 차량이 횡축을 따른 불균형(disruption)에 더 잘 견딜(resilient to) 수 있게 한다.
그러나 전통적인 종방향에 대해 횡방향, 즉 나란히(side-by-side) 위치하는 이륜 차량에 상품을 운송하려 시도하는 상황에 관심(issue)이 존재한다. 횡방향의 나란한 구조로 장착된 2륜만을 가지는 이륜 차량의 사용의 과제(challenge)는 정상적인 작동 동안의 동적 안정성(dynamic stability)의 유지에 있다.
본 발명(subject technology)의 여러 가지 국면(aspect)들에 따라 이륜 차량이 제공된다. 한 국면에 따르면, 이륜 차량은 섀시(chassis)와, 및 섀시에 결합되어 이에 대해 종방향으로 변위 가능한(displaceable) 제1 휠 캐리지(wheel carriage)를 포함한다. 적어도 제1 휠이 제1 휠 캐리지 상에 회전 가능하게(rotationally) 장착되어 제1 휠 캐리지를 통해 섀시에 결합된다. 이륜 차량은 제1 휠 캐리지에 결합되어 제1 휠 캐리지를 섀시에 대해 변위시키도록 구성된 제1 선형 액튜에이터 시스템(linear actuator system)을 더 포함한다. 제1 모터가 제1 휠과 제1 휠 캐리지에 장착된다. 제1 모터는 제1 휠에 구동 에너지(drive energy)를 제공하고, 제1 휠이 제1 선형 액튜에이터 시스템에 의해 변위됨에 따라 제1 휠 캐리지와 함께 변위되도록 구성된다.
일부 실시예(implementation)들에서, 이륜 차량은 제2 휠 캐리지 상에 장착된 제2 휠과, 제2 선형 액튜에이터 시스템과, 및 제2 모터를 더 포함한다. 제2 휠 캐리지는 이륜 차량의 제1 휠 캐리지의 반대쪽 측부에 위치한다. 제2 선형 액튜에이터 시스템은 이륜 차량의 제 1 선형 액튜에이터 반대쪽 측부에서 제2 휠 캐리지에 결합된다. 제2 선형 액튜에이터 시스템은 제2 휠 캐리지를 섀시에 대해 종방향으로 변위시키도록 구성된다. 제2 모터는 제2 휠에 구동 에너지를 제공하고 제2 휠이 제2 선형 액튜에이터 시스템에 의해 변위됨에 따라 제2 휠 캐리지와 함께 변위되도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 이륜 차량은 제1 선형 액튜에이터 시스템을 제2 선형 액튜에이터 시스템에 결합시키는 구동축(axle)과, 및 제3 모터를 더 포함한다. 제3 모터는 구동축을 통해 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템에 회전 가능하게 결합되어 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템들을 구동한다.
일부 실시예들에서, 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템은 각각, 제1 및 제2 풀리(pulley)와, 제1 및 제2 풀리를 서로 결합하는 벨트(belt)와, 및 적어도 하나의 레일(rail)을 포함한다. 제1 및 제2 풀리는 그 종방향을 따라 각각 섀시의 양 대향측에 위치하여 서로 결합되고, 제3 모터에 의해 구동된다. 벨트는 제1 및 제2 휠 캐리지의 각각에 더 결합되고, 제1 및 제3 풀리의 회전에 기반하여 병진(translate)하도록 구성된다. 이에 따라 벨트는 벨트가 결합된 캐리지를 섀시에 대해 종방향으로 병진시킨다. 적어도 하나의 레일은 그 종방향을 따라 섀시의 양측에 결합되고, 각 제1 및 제2 휠 캐리지가 벨트의 동작(motion)을 통해 적어도 하나의 레일을 따라 병진한다.
일부 실시예들에서, 이륜 차량은 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템들 중의 적어도 하나와 제3 모터의 작동을 제어하는 적어도 하나의 선형 액튜에이터 컨트롤러(controller)를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템은 각 제1 및 제2 휠 캐리지를 300mm/sec 이하(up to)의 속도로 병진시킨다.
일부 실시예들에서, 제2 모터는 제1 모터의 제1 휠에 대한 구동 에너지의 제공과 독립적으로 제2 휠에 구동 에너지를 제공한다.
일부 실시예들에서, 제1 및 제2 모터는 각각, 제1 및 제2 휠의 중앙에 장착되어 허브 모터의 해당 고정자(stator)를 통해 제1 및 제2 휠 캐리지에 결합되는 허브 모터(hub motor)를 구비한다.
일부 실시예들에서, 제1 및 제2 모터의 각각은 그 위에 위치한 일련의(a series of) 코일들을 구비하는 고정자와, 및 각 제1 및 제2 휠에 부착되거나 통합된 회전자(rotator)를 포함한다. 회전자는 일련의 자석들을 포함하고, 고정자의 외측에 대해 회전 가능하게 장착되도록 구성된다. 전기 에너지가 고정자에 공급되어 회전자와 각 제1 및 제2 휠들의 회전을 유발시킨다.
일부 실시예들에서, 이륜 차량은 섀시의 바닥면 상에 위치하여 제1 모터 및 제2 모터 중의 적어도 하나에 전기 에너지를 공급하는 배터리를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 이륜 차량은 제1 및 제2 모터 중의 적어도 하나의 작동을 제어하는 적어도 하나의 모터 컨트롤러를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 이륜 차량은 섀시 상에 위치하여 섀시의 피치 각(pitch angle)을 감지하는 피치 센서를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 이륜 차량은 피치 센서에 통신 가능하게 접속되고(communicatively coupled) 피치 센서의 출력에 따라 섀시에 대한 제1 및 제2 휠 캐리지 중의 적어도 하나의 변위를 제어하는 피치 컨트롤러를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 피치 컨트롤러는 제3 모터가 제1 및 제2 휠 캐리지 중의 적어도 하나를 섀시에 대해 변위시켜 수평에 대해 거의 일정한 섀시 방향(orientation)을 유지하게 제어하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 거의 일정한 섀시 방향은 수평에 대해 플러스 또는 마이너스 2도 이내로 유지되는 섀시의 피치 각이다.
일부 실시예들에서, 피치 센서는 경사계(inclinometer)와 관성 운동 유닛(inertial movement unit) 중의 적어도 하나이다.
일부 실시예들에서, 피치 센서는 섀시의 바닥면의 중앙에 위치한다.
일부 실시예들에서, 이륜 차량은 섀시에 의해 지지되는 화물 공간(cargo volume)을 더 포함한다.
본 발명의 다른 국면에 따르면, 제1 및 제2 휠 캐리지와, 섀시와, 제1 및 제2 휠과, 제1, 제2, 및 제3 모터와, 그리고 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템을 가지는 이륜 차량을 안정시키는 방법은, 차량의 작동 동안 섀시 상에 위치한 적어도 하나의 센서로 수평에 대한 섀시의 피치(pitch; 종방향 경사)를 측정하고 이에 기반하여 피치 신호를 출력하는 단계를 포함한다. 이에 추가하여, 방법은 차량 내에 위치한 컨트롤러에 의해 적어도 하나의 센서의 출력 피치 신호에 따라 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템 중의 적어도 하나가 제1 및 제2 휠 캐리지 중의 적어도 하나를 섀시에 대해 종방향으로 변위시켜 수평에 대해 거의 일정한 섀시 방향을 유지하도록 제어하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 컨트롤러는 감지된 차량의 가속에 기반하여 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템을 더 제어한다.
일부 실시예들에서, 컨트롤러는 비례 적분 미분(proportional-integral-derivative; PID) 컨트롤러 알고리즘 또는 PID 기반 컨트롤러 알고리즘을 실행한다.
더 깊은 이해를 위해 제공되며 이 명세서에 포함되어 그 일부를 구성하는 첨부 도면들은 본 발명의 국면들을 도시하며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 국면들을 설명하도록 기능한다.
이하의 도면들은 본 발명의 어떤 실시예들을 도시하는데, 배타적인 실시예들로 간주되어서는 안 된다. 본 발명의 주제(subject matter)는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 상당한 변경, 변형, 조합, 형태와 기능상의 등가물들이 가능하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른, 차량의 여러 가지 구성요소들의 상부 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른, 차량의 섀시 상에 장착된 여러 가지 구성요소들의 배면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른, 차량의 선형 액튜에이터 시스템의 여러 가지 구성요소들의 상부 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른, 선형 액튜에이터 시스템과, 허브 모터를 포함하는 휠 조립체의 여러 가지 구성요소들을 보이는 측면도이다.
도 5a는 본 발명의 제1 실시예에 따른, 차량의 섀시에 대한 휠 및 캐리지의 최대 전진 위치를 보이는 측면도이다.
도 5b는 본 발명의 제1 실시예에 따른, 차량의 섀시에 대한 휠 및 캐리지의 최대 후진 위치를 보이는 측면도이다.
도 6a는 본 발명의 제2 실시예에 따른, 차량의 선형 액튜에이터 시스템의 여러 가지 구성요소들을 보이는 상부 사시도이다.
도 6b는 본 발명의 제2 실시예에 따른, 차량의 선형 액튜에이터 시스템의 여러 가지 구성요소들을 보이는 측면도이다.
도 7a는 본 발명의 제3 실시예에 따른, 차량의 선형 액튜에이터 시스템의 여러 가지 구성요소들을 보이는 상부 사시도이다.
도 7b는 본 발명의 제3 실시예에 따른, 차량의 선형 액튜에이터 시스템의 여러 가지 구성요소들을 보이는 측면도이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른, 차량의 제어 시스템의 전기 블록도이다.
본 발명은 여러 가지 다른 형태의 실시예가 가능하지만, 이 실시예가 본 발명의 원리의 예시로 간주되고 본 발명의 광범위한 국면들을 예시된 실시예들로 한정할 것을 의도하지 않았다는 전제하에 본 발명의 상세한 실시예들이 도면들에 도시되어 이 명세서로 설명될 것이다.
상품의 운송 목적으로 사용이 가능한 차량(또는 로봇)의 수가 증가하고 있다. 전형적인 차량들은 차량의 정상적 작동 동안 추진과 조향 제어를 제공하는 데 3륜, 4륜 또는 6륜을 사용한다. 이러한 차량들은 정적 안정성(static stability)에 의존하여 휠(wheel)들의 위치를 통해 모든 작동 조건들에서의 안정성에 대해 설계한다. 종방향, 또는 후방 및 전방으로의 휠들 간의 분리 거리가 정상적 작동(예를 들어 제동, 가속, 및 감속) 동안 차량이 받게 되는 중력 또는 경사에 의해 인가되는 토크(torque)를 밸런싱 한다(balanced out). 분리 거리(휠베이스; wheelbase)가 커질수록 차량의 종축을 따른 불균형(disruption)에 더 잘 견딜(resilient to) 것이다.
이를 대체하는 접근방법은 횡방향, 즉 나란한(side-by-side) 방향에 위치하는 휠들을 가지는 이륜 차량(two-wheeled vehicle)의 사용을 포함한다. 두 휠들이 분리(decouple)되어 독립적으로 추진된다면 이러한 차량은 특히 조종이 쉬울(maneuverable) 것이다. 한 휠이 전진으로 추진되고 다른 휠이 후진으로 추진되면 선회 반경(turning radius)이 휠들 간의 거리의 절반으로 작아지고, 선회의 내측 및 외측 휠 간의 속도에 차이를 증가시킴으로써 더 큰 정도로 작아질 수 있다. 그러나 횡방향, 즉 나란한 방향으로 위치하는 휠들을 가지는 이러한 이륜 차량을 사용할 때의 과제(challenge)는 차량의 수직 방향을 유지하도록 동적으로 안정화되어야 한다는 것인데, 이는 대부분의 응용들에서의 요건이다. 이와 같이 횡방향으로 장착된 이륜 로봇의 차량 휠(들)의 중앙에 모터로 토크를 인가함으로써 달성되는데, 가능하기로 모터 성능의 최적화를 위해 기어박스(gearbox)가 구비된다. 이와는 달리 휠들이 림 구동(rim drive)으로 추진될 수도 있다.
능동 밸런싱(active balancing)으로도 지칭되는 동적 안정(dynamic stabilization)은 차량이 작동하는 동안 제어 시스템이 차량의 안정을 능동적으로 유지하는 기술이다. 본 발명의 여러 가지 실시예들에서 논의될 횡 배치 휠을 가지는(laterally-wheeled) 차량에서는, 차량의 피치(pitch) 방향이 지속적으로 감지되어 보정 토크(correcting torque)가 인가된다. 이러한 보정 토크를 인가하는 두 주된 수단들이 있는데, (1) 휠 모터들 자체를 통하거나, 또는 (2) 차량의 종방향의 전방 및 후방으로 평형추 이동(counterweight moving)의 동작(motion)을 통해서 이다.
이 명세서에 상세히 설명되는 본 발명의 여러 가지 실시예들에서, 동적 안정은 모터 토크와 평형추 양자를 통해 이뤄진다. 이 명세서에 참고로 포함된 PCT/US2016/057529 등의 기존에 개발된 안정화 시스템과 달리, 본 발명 실시예들에서는 별도의 평형추를 사용하는 대신, 휠들이 차량의 바디(body)에 대해 전체적으로 이동하여 바디 지체가 평형추로 작용한다. 그러면 차량 질량의 절반 이상이 (토크의) 팔 길이(lever arm)에 사용될 수 있으므로 현저히 더 많은 제어권(control authority)이 가능해질 것이다. 이 접근방법의 한 부산물(artifact)은 림 구동(rim drive)을 사용하는 대신 휠의 회전을 일으키는 추진력이 휠의 중심에 인가되는 것이다. 소위 허브 구동(hub drive)은 휠에 통합되거나 그 옆에 위치하는 모터에 의해 구동될 수 있다. 이 명세서에 설명된 여러 가지 실시예들에 따르면, 휠 대 모터의 질량비(mass ratio)는 적어도 1/3이어서 질량의 2/3를 제어에 제공할 수 있다.
본 발명의 여러 가지 국면들에 따라, (차량의) 항행(navigation)은 차량(또는 로봇)이 인간 또는 다른 차량에 가상으로 링크되어 동일한 경로를 실행하는 추종 모드(following mode)로 이뤄질 수 있다. 이외는 달리 (차량의) 항행이, 차량이 사전 설정된 경로점(waypoint)들 간을 주행하는 자율 모드(autonomous mode)를 통해 이뤄질 수도 있다. 양 경우들에서, 능동적 장애물 감지와 회피가 구현된다. 시각적인 SLAM(simultaneous localization and mapping; 동시적 위치추정 및 지도 작성)을 사용하여 실내 및 실외 작동이 이뤄질 수 있다.
이하에 차량의 여러 가지 실시예들이 개시된다. 도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른, 차량(100)의 여러 가지 구성요소들의 상부 사시도를 도시한다. 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른, 차량(100)의 섀시(chassis) 상에 장착된 여러 가지 구성요소들의 배면도를 도시한다. 도 1 및 도 2에서, 차량(100)은 섀시(15)를 포함한다. 섀시(15)는 차량(100)의 구조적 프레임으로, 섀시(15)에 결합된 구성요소들의 적어도 일부에 대해 보호 외각(protective sell)으로 작용한다.
어떤 실시예들에서, 섀시(15)는 도 2에 가장 잘 도시된 바와 같이 적하 공간(cargo cavity; 14)을 포함한다. 적하 공간(14)은 여러 가지 화물들이 저장될 수 있는 화물 공간(cargo volume; 16)을 지지하거나 그 지지를 촉진하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 화물 삽입물(cargo insert; 18)이 화물 공간(16) 내에 분리 가능하게 위치한다. 화물 삽입물(18)은 여러 가지 화물들을 지지 및/또는 고정하도록 설계된다. 화물 삽입물(18)은 화물 공간(16)으로부터 화물 삽입물(18)의 분리를 촉진하고, 또한 화물 공간(16)의 상부 모서리에 접촉하여 화물 삽입물(18)이 화물 공간(16) 내에 분리 가능하게 위치했을 때 화물 삽입물(18)과 화물 공간(16) 간의 확실한 맞물림을 촉진하는 립(lip; 19)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 어떤 화물이 적재되기 전의 차량(100)의 전체 중량은 20 내지 60 파운드이다. 또한 추가적인 사용자 인터페이스 특징부(feature)와 성능 특성들을 제공하기 위해 여러 가지 페어링(fairing)들이 차량에 추가될 수 있다.
일부 실시예들에서, 차량(100)은 도 2에 가장 잘 도시된 바와 같이 적어도 하나의 휠 캐리지(wheel carriage; 20)를 더 포함한다. 휠 캐리지(20)는 후술할 바와 같이, 섀시에 대해 이동 가능하게(moveably) 섀시에 결합되어 이에 대해 종방향으로 변위될 수 있다(displaceable). 휠 캐리지(20)에는 예를 들어 휠(25)들 등의 휠과 그 해당 모터(30)가 거기에 회전 가능하게(rotatably) 결합될 수 있다. 도 5a 및 5 b를 참조하여 후술할 바와 같이, 휠 캐리지(20)는 피치(pitch; 종방향 경사)를 보정하고 섀시(15)를 밸런싱(balancing) 하기 위해 이를 섀시의 종방향에서 앞뒤로 병진(translate)시키는 선형 액튜에이터 시스템(linear actuator system; 40)에 결합된다. 예를 들어 선형 액튜에이터 시스템(40)에 의해 휠 캐리지(20)가 제자리로 병진하면, 휠 캐리지(20) 상에 장착된 휠(25)이 휠 캐리지(20)와 함께 섀시(15)에 대해 병진한다. 이는 섀시(15)가 반대 방향으로 병진하도록 유발함으로써 평형추(counterweight)로 작용하여 섀시의 피치와 무게 중심(center of gravity)을 조정한다. 이에 따라, 본 발명은 차량(100)의 실제 바디를 평형추로 작용하도록 사용하여 섀시(15)를 예를 들어 휠(25) 등의 휠에 대해 이동시킴으로써 영이 아닌(non-zero) 피치 각을 유지할 수 있는 이점을 제공한다.
본 발명은 제1 휠(25)을 제공하고, 추가적으로 제2 휠(45)을 제공한다. "제2(second)"라는 용어로 기술된 곳에서, 이 "제2" 요소들의 각각은 "제1(first)"이라고 지칭된 요소와 거의 동일한 방식으로 연결, 및 기능한다. 전술한 바와 같이, 휠(25)은 제1 휠 캐리지(20)에 회전 가능하게 장착되고 제1 휠 캐리지(20)를 통해 섀시에 결합된다. 마찬가지로 휠(45)은 제2 휠 캐리지(50)에 회전 가능하게 장착되고 제2 휠 캐리지(50)를 통해 섀시에 결합된다. 휠(25, 45)들은 각각 기하학적 중심과 직경을 가진다. 휠 크기는 토크, 지상고(ground clearance), 및 차량(100)의 회전 중심에 대한 무게중심의 원하는 위치 등의 요구들에 따라 변화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 차량(100)의 크기는 12 내지 30 인치의 높이와 유사한 폭으로 변화될 수 있다. 도시된 도면들에서, 휠(25, 45)들의 직경은 차량(100)의 길이 및 높이보다 더 작은 것으로 도시되어 있다. 그러나 본 발명의 여러 가지 실시예들에서는 이에 제한되지 않는다. 어떤 경우에는 그 반대가 적용될 수 있다. 즉 휠(25, 45)들의 직경은 차량(100)의 길이 및 높이보다 더 커질 수 있다.
일부 실시예들에서, 휠(25, 45)들의 직경은 양단을 포함하여(inclusive) 12 내지 28 인치가 될 수 있다. 어떤 실시예들에서는, 휠(25, 45)들의 직경이 섀시(15) 및/또는 차량(100)의 높이, 길이, 폭, 및/또는 직경의 적어도 75%이다. 각 휠(25, 45)은 또한 휠(25, 45)의 외면을 대략 형성하는 림(rim)을 포함할 수 있다. 타이어(tire)가 각 림 둘레에 위치하고 림에 분리 가능하게 장착됨으로써 타이어가 림과 함께 회전할 수 있다. 타이어는 고무, 폴리머 또는 다른 어떤 적절한 재질로 구성될 수 있다. 타이어는 휠(25, 45)과 차량(100)을 보호하고, 또한 차량(100)의 성능을 향상시키도록 휠(25, 45)과 지면 간의 마찰 접촉을 제공한다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른, 차량(100)의 선형 액튜에이터 시스템의 여러 가지 구성요소들의 상부 사시도를 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 차량(100)은 예를 들어 제1 선형 액튜에이터 시스템(40) 등의 선형 액튜에이터 시스템을 더 포함할 수 있다. 제1 선형 액튜에이터 시스템(40)은 제1 휠 캐리지(20)에 결합되어 제1 휠 캐리지(20)와 휠(25)을 섀시(15)에 대해 종방향으로 변위시키도록 구성된다.
차량(100)은 제2 선형 액튜에이터 시스템(65)을 더 포함할 수 있는데, 그 구조와 기능은 제1 선형 액튜에이터 시스템(40)과 유사하다. 즉 제2 선형 액튜에이터 시스템(65)은 제1 선형 액튜에이터 시스템(40)에 반대쪽 측부에서 제2 휠 캐리지(50)에 결합될 수 있다. 예를 들어 제1 선형 액튜에이터 시스템(40)이 차량(100)의 좌측에 위치하는 한편, 제2 선형 액튜에이터 시스템(65)는 차량(100)의 우측에 위치하거나, 그 역으로 위치할 수 있다. 제2 선형 액튜에이터 시스템(65)는 유사하게 제2 휠 캐리지(50)를 섀시(15)에 대해 종방향으로 변위시키도록 구성될 수 있다. 구동축(axle; 70)이 제1 선형 액튜에이터 시스템(40)을 제2 선형 액튜에이터 시스템(65)에 결합한다. 제1 휠과 제2 휠에 유사하게 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템의 경우에도,"제2(second)"라는 용어로 기술된 곳에서, 이 "제2" 요소들의 각각은 "제1(first)"이라고 지칭된 요소와 거의 동일한 방식으로 연결, 및 기능한다.
일부 실시예들에서, 제3 모터(75)가 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(40, 65) 중의 적어도 하나에 결합되어 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(40, 65)을 구동할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(40, 65)의 각각은 제1 및 제2 풀리(pulley)(87, 89)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(40, 65)는 각각 섀시의 종방향을 따라 이에 결합되는 적어도 하나의 레일(rail)을 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 레일은 각각 섀시(15)에 결합되는 상부 및 하부 레일(82, 84)을 포함한다. 상부 및 하부 레일(82, 84)의 각각은 이를 관통하여 연장되고, 각 제1 및 제2 휠 캐리지(20, 50)이 제1 및 제2 풀리(87, 89)의 회전에 의해 이를 따라 병진하는 종방향 슬롯(slot)들을 포함한다. 제1 및 제2 휠 캐리지(20)는 각각 휠들이 레일들에 결합되는 하나 이상의 모서리들을 가져 감소된 마찰로 휠 캐리지(20, 50)와 휠의 전후방 이동을 촉진할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템들은 섀시의 각 측부에 단지 하나의 레일만을 포함한다.
제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(40, 65)들은 각각, 제1 및 제2 풀리(87, 89)의 외주를 따라 위치하는 각각의 벨트(81, 85)를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 벨트(81, 85)는 제1 및 제2 풀리(87, 89)들을 서로 결합시킨다, 벨트(81, 85)들은 제2 모터(75)로부터의 동력을 전달하여 각각 제1 및 제2 휠 캐리지(20, 50)를 섀시(15)에 대해 종방향으로 변위시키도록 구성된다.
일부 실시예들에 따라, 벨트(81, 85)들은 제3 모터로부터 전달된 회전 에너지로 유발된 풀리(87, 89)의 회전이 벨트의 동작으로 결과되도록 풀리(87, 89)의 외주에 분리 가능하게 부착될 수 있다. 벨트(81, 85)는 금속, 금속 합금, 세라믹, 폴리머, 복합 재료 또는 다른 적절한 재질로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서는, 벨트(81, 85) 대신에 체인(chain)이 사용될 수 있고, 풀리(87, 89) 대신에 톱니바퀴(cogwheel)들이 사용될 수 있다. 제1 및 제2 휠 캐리지(20, 50)들은, 벨트(85)의 동작이 제1 및 제2 휠 캐리지(20, 50)의 각각의 섀시(15)에 대한 종방향으로의 해당 동작을 유발하도록 각 벨트(85)에 결합된다. 후술할 바와 같이, 제1 및 제2 휠 캐리지(20, 50)의 동작은 모터(30, 55)를 포함하는 각 휠 조립체(wheel assembly)들이 차량(100)의 나머지에 대해 종방향에서 앞뒤로 병진하도록 유발한다. 그 효과는 섀시(15)(바디; body)를. 휠 캐리지(20, 50)가 각각의 휠(25, 45)과 함께 병진된 방향의 반대 방향으로 병진시키는 것이다.
작동에 있어서, 제1 및 제2 풀리(87, 89)는 제3 모터(75)에 직결된 구동 풀리 시스템(drive pulley system; 77)에 의해 구동 벨트(73)를 통해 구동된다. 모터(75)의 회전 에너지는 구동 풀리 시스템(77)의 벨트(73)를 통해 구동 풀리(79)로부터 구동 풀리 시스템(77)의 구동 풀리(79)로 전달된다. 그러면 구동 풀리 시스템(77)의 구동 풀리(79)는 벨트(73)로부터의 회전 에너지를 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(40, 65)의 풀리(87, 89)의 각각에 전달한다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른, 선형 액튜에이터 시스템과 허브 모터를 포함하는 휠 조립체의 여러 가지 구성요소들을 보이는 측면도를 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 차량(100)은 제1 휠(25)에 통합되어 제1 휠 캐리지(20)에 결합되는 제1 모터(30)를 더 포함한다. 모터(30)는 제1 축(35)을 통해 제1 휠 캐리지(20)에 결합되고, 제1 휠(25)에 구동 에너지를 제공하도록 구성된다. 모터(30)는 배터리(90)(도 3에 도시됨) 또는 연료전지(fuel cell)로부터 전기 에너지를 받음으로써 전원이 공급된다(powered). 배터리(90)는 섀시(15)의 바닥면의 중앙에 위치할 수 있다. 일부 실시예들에서, 모터(30)는 제1 휠(25)의 중앙에 직접 장착된 허브 모터(hub motor)이다. 이를 위해, 모터(30)는 일련의(a series of) 고정 코일들이 거기에 위치하는 고정자(stator; 52)를 구비하여 구성된다. 고정자는 제1 휠 캐리지(20)에 직결되어, 이를 통해 코일들에 전류가 제공될 수 있다. 회전자(rotor; 54)는 일련의 자석들을 포함하여, 배터리(90)로부터 인가된 전류가 전자기장을 생성함에 따라 고정자(52) 둘레를 회전하도록 고정자(52) 둘레에 회전 가능하게 장착된다. 회전하는 회전자(54)에 일체로 부착된 제1 휠(25)은 회전하는 회전자(54)와 함께 회전한다.
도 3에 가장 잘 보인 바와 같이, 차량(100)은 제2 휠(45)에 통합되어 제2 휠 캐리지(50)에 결합되는 제2 모터(55)를 더 포함할 수 있다. 제1 모터(30)와 유사하게 제2 모터(55)는 제2 축(60)을 통해 제2 휠 캐리지(50)에 부착되어, 제2 휠(45)에 구동 에너지를 제공하도록 구성될 수 있다. 제2 모터(55) 역시 배터리(90) 또는 연료전지로부터 전기 에너지를 받음으로써 전력이 공급된다. 제1 모터(30)에 대해 전술한 바와 같이, 제2 모터(55) 역시 제2 휠(45)의 중앙에 직접 장착된 허브 모터이다. 이를 위해, 제2 모터(55)는 제1 모터(30)의 고정자(52) 및 회전자(54)와 유사하게 구조 및 기능하는 고정자(52) 및 회전하는 회전자(54)를 구비하여 구성된다. 제1 및 제2 휠의 경우와 마찬가지로 제1 및 제2 모터들의 경우 역시, "제2(second)"라는 용어로 기술된 곳에서, 이 "제2" 요소들의 각각은 "제1(first)"이라고 지칭된 요소와 거의 동일한 방식으로 연결, 및 기능한다.
일부 실시예들에서, 허브 모터(30, 55)들은 서로 독립적이고, 자율 항행 컴퓨터(autonomy and navigation computer; 99)에 포함된 하나 이상의 모터 컨트롤러의 고유 채널을 통해 지령될 수 있다. 차량(100)은 자율 항행 컴퓨터(99)로부터 지령을 수신하여 이 지령들을 각각의 허브 모터(30, 55)를 통한 휠(30, 55)들의 전진 동작으로 변환한다(translate). 모터(30, 55)들의 독립성은 다양한 선회 모드를 가능하게 한다. 예를 들어, 차량(100)은 모터(30, 55)들을 다른 속도 또는 다른 방향으로 돌림으로써 제자리에서 선회할 수 있다. 이와는 달리, 차량(100)은 휠간 거리(wheel track)의 폭과 동일한 선회 반경으로 선회하도록 한 모터는 끄고 다른 모터만 돌림으로써 날카로운 각의 코너를 선회할 수 있다. 일부 실시예들에서, 차량(100)은 선회의 외측 궤적을 구르는 두 휠 중의 하나에 내측 궤적을 구르는 것보다 더 빠른 속도로 구르도록 지령함으로써 좁은 선회부터 넓은 선회(tight to broad turns)까지 수행할 수 있다. 이 기동성은 후술할 바와 같이, 피치 컨트롤러(98)와 결합되어 안정된 작동을 제공할 수 있다.
도 5a는 본 발명의 한 실시예에 따른 차량의 섀시에 대한 휠 및 캐리지의 최대 전진 위치(forward position)를 도시하고 도 5b는 차량의 섀시에 대한 휠 및 캐리지의 최대 후진 위치(backward position)를 도시한다. 일부 실시예들에 따라, 선형 액튜에이터 시스템(40, 65)들의 각각은 허브 모터(30, 55)를 포함하는 각 휠 조립체가 차량(100)의 나머지에 대해 앞뒤로 병진(translate)할 수 있게 한다. 그 효과는 휠 캐리지(20, 50)가 각 휠(25, 45)과 함께 병진하는 방향과 반대 방향으로 섀시(15)(바디)를 병진시키는 것이다. 어떤 실시예들에서, 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템들의 각각은 제1 및 제2 휠 캐리지의 각각을 섀시에 대해 300mm/sec 이하(up to)의 속도로 변위(displace)시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 차량(100)의 전체 섀시(15)의 중량이 차량(100)을 밸런싱하고(balance) 동적으로 안정시키는 평형추(counterweight)로 작용하여 횡으로 장착된 차량(100)의 수직 방향을 유지할 수 있게 하는 이점을 제공한다.
도 6a는 본 발명의 제2 실시예에 따른, 차량의 선형 액튜에이터 시스템의 여러 가지 구성요소들을 보이는 상부 사시도를 도시한다. 도 6b는 본 발명의 제2 실시예에 따른, 차량의 선형 액튜에이터 시스템의 여러 가지 구성요소들을 보이는 측면도를 도시한다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 차량(100)은 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(40, 65) 대신에 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(63, 67)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(63, 67)은 제3 모터(75) 대신에 제3 모터(72)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 제3 모터(72)는 제1 단(end)에서 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(63, 67) 중의 적어도 하나와 결합되어 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(63, 67)을 구동할 수 있다. 모터(72)는 그 제2단에서 섀시(15)에 장착될 수 있다. 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(40, 65)의 구성과 유사하게, 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(63, 67)의 각각은 제1 및 제2 풀리(87, 89)와, 및 각각 섀시(15)에 결합되는 상부 및 하부 레일(82, 84)들을 포함한다. 제3 모터(72)는 제1 및 제2 풀리(87, 89) 사이의 위치에서 섀시(15)에 장착되도록 구성된다. 상부 및 하부 레일(82, 84)의 각각은 이를 관통하여 연장되는 종방향 슬롯들을 포함하는데, 이를 따라 제1 휠 캐리지(도시 안 됨)와 제2 휠 캐리지(69)가 제1 및 제2 풀리(87, 89)의 회전을 통해 병진한다. 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(63, 67)은 제1 및 제2 풀리(87, 89)의 외주를 띠라 위치하는 각 벨트(81, 85)를 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 벨트(81, 85)들은 제1 및 제2 풀리(87, 89)들에 서로 결합된다. 구동축(70)과 유사한 구동축(axle)이 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(63, 67)의 제1 풀리(87)들에 서로 결합되어, 제3 모터(72)의 회전 에너지가 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(63, 67)의 제1 풀리(87)들 양자에 전달된다. 벨트(81, 85)들은 제3 모터(72)로부터의 동력을 전달하여 제1 휠(도시 안 됨)과 제2 휠(69)을 섀시(15)에 대해 종방향으로 변위시키도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 제2 선형 액튜에이터 시스템(67)은, 제2 선형 액튜에이터 시스템(67)을 제1 선형 액튜에이터 시스템(63)과 독립적으로 구동하도록 별도의 제4 모터(71)를 포함할 수 있다. 제4 모터(71)는 전술한 제3 모터(72, 75)들 중의 어느 것과 유사하게 기능할 수 있으며, 섀시(15)의 제3 모터(72) 반대측에 결합될 수 있다. 이 실시예들에서, 벨트(81)는 제3 모터(72)로부터의 동력을 제1 휠 캐리지(도 6a에는 도시 안 됨)가 섀시(15)에 대해 종방향으로 변위하게 전달하도록 구성된다. 벨트(85)는 제4 모터(71)로부터의 동력을 제2 휠 캐리지(69)가 섀시(15)에 대해 종방향으로 변위하게 전달하도록 구성된다.
일부 실시예들에 따라, 벨트(81, 85)는 각 풀리(87, 89)의 외주에 분리 가능하게 부착되어, 제3 및/또는 제4 모터(72 및/또는 71)로부터 전달된 회전 에너지에 의해 유발된 풀리(87, 89)의 회전이 벨트(81 및/또는 85)의 동작으로 결과되도록 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제3 및 제4 모터(72, 71)는 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(63, 67)의 동기화된(synchronized) 동작을 제공하도록 동기화될 수 있다.
도 3을 참조하여 전술한 바와 같이, 제1 휠 캐리지(도시 안 됨)와 제2 휠 캐리지(69)는 모터(30, 55)를 포함하는 휠 조립체가 차량(100)의 나머지에 대해 종방향 앞뒤로 병진하도록 유발한다. 그 효과는 제1 휠 캐리지(도시 안 됨)와 제2 휠 캐리지(69)가 각 휠(25, 45)과 함께 병진하는 방향과 반대 방향으로 섀시(15)(바디)를 병진시키는 것이다, 제1 및 제2 휠 캐리지의 경우에 "제2(second)"라는 용어로 기술된 곳에서, 이 "제2" 요소들의 각각은 "제1(first)"이라고 지칭된 요소와 거의 동일한 방식으로 연결, 및 기능한다.
도 7a는 본 발명의 제3 실시예에 따른, 차량의 선형 액튜에이터 시스템의 여러 가지 구성요소들을 보이는 상부 사시도를 도시한다. 도 7b는 본 발명의 제3 실시예에 따른, 차량의 선형 액튜에이터 시스템의 여러 가지 구성요소들을 보이는 측면도를 도시한다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 차량(100)은 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(40, 65) 대신에 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(88, 91)을 포함할 수 있다. 차량(100)은 제3 모터(75) 대신에 제3 모터(76)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제3 모터(76)는 제1단에서 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(88, 91) 중의 적어도 하나에 결합되어 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(88, 91) 중의 적어도 하나를 구동할 수 있다. 제3 모터(76)는 그 제2단에서 섀시(15)에 장착될 수 있다. 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(40, 65)의 구성과 유사하게, 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(89, 91)의 각각은 제1 및 제2 풀리(82, 84)와, 및 각각 섀시(15)에 결합된 상부 및 하부 레일(82, 84)을 포함할 수 있다. 제3 모터(76)는 섀시(15)에 장착되고 제2 풀리(89)들 중의 적어도 하나에 직결된다. 상부 및 하부 레일(82, 84)의 각각은 이를 관통하여 연장되는 종방향 슬롯들을 포함하는데, 이를 따라 제1 휠 캐리지(도시 안 됨)와 제2 휠 캐리지(69)가 제1 및 제2 풀리(87, 89)의 회전을 통해 병진된다. 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(88, 91)은 각각, 제1 및 제2 풀리(87, 89)의 외주를 따라 위치하는 각각의 벨트(81, 85)를 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 벨트(81, 85)들은 제1 및 제2 풀리(87, 89)들에 서로 결합된다. 구동축(70)과 유사한 구동축(axle)이 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(88, 91)의 제1 풀리(87)들에 서로 결합되어, 제3 모터(76)의 회전 에너지가 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(88, 91)의 제1 풀리(87)들 양자에 전달된다. 벨트(81 및/또는 85)들은 제3 모터(76)로부터의 동력을 전달하여 제1 휠(도시 안 됨) 및/또는 제2 휠(69)을 섀시(15)에 대해 종방향으로 변위시키도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 제1 선형 액튜에이터 시스템(88)은, 제1 선형 액튜에이터 시스템(88)을 제2 선형 액튜에이터 시스템(91)과 독립적으로 구동하도록 별도의 제4 모터(도시 안 됨)를 포함할 수 있다. 제4 모터(도시 안 됨)는 전술한 제3 모터(75, 76)들 중의 어느 것과 유사하게 기능할 수 있다. 이 실시예들에서, 벨트(85)는 제3 모터(76)로부터의 동력을 제2 휠 캐리지(69)가 섀시(15)에 대해 종방향으로 변위하게 전달하도록 구성된다. 벨트(81)는 제4 모터(도시 안 됨)로부터의 동력을 제1 휠 캐리지(도시 안 됨)가 섀시(15)에 대해 종방향으로 변위하게 전달하도록 구성된다.
일부 실시예들에 따라, 벨트(81, 85)는 각 풀리(87, 89)의 외주에 분리 가능하게 부착되어, 제3 및/또는 제4 모터로부터 전달된 회전 에너지에 의해 유발된 풀리(87, 89)의 회전이 벨트(81 및/또는 85)의 동작으로 결과되도록 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제3 및 제4 모터는 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(88, 91)의 동기화된 동작을 제공하도록 동기화될 수 있다.
도 3을 참조하여 전술한 바와 같이, 제1 휠 캐리지(도시 안 됨)와 제2 휠 캐리지(69)는 모터(30, 55)를 포함하는 휠 조립체가 차량(100)의 나머지에 대해 종방향 앞뒤로 병진하도록 유발한다. 그 효과는 제1 휠 캐리지(도시 안 됨)와 제2 휠 캐리지(69)가 각 휠(25, 45)과 함께 병진하는 방향과 반대 방향으로 섀시(15)(바디)를 병진시키는 것이다, 제1 및 제2 휠 캐리지의 경우에 "제2(second)"라는 용어로 기술된 곳에서, 이 "제2" 요소들의 각각은 "제1(first)"이라고 지칭된 요소와 거의 동일한 방식으로 연결, 및 기능한다.
어떤 다른 실시예들에 따라, 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(40, 65)들은 각각, 볼 스크루(ball screw), 롤러 스크루(roller screw), 보이스 코일(voice coil), 랙 앤 피니언(rack and pinion), 유압 실린더, 공압 실린더로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
다시 도 3-5b에서, 정상 작동 동안 차량(100)은 횡축 둘레로 피치 모멘트(pitch moment)를 받게 된다. 이 피치 모멘트는 차량(100)이 정확히 밸런싱 되지 않음에 의한 중력 유발(gravity-induced) 또는 가속 또는 제동에 희한 동적 유발(dynamically-induced) 중의 어느 하나에 기인한다. 밸런싱의 경우, 횡방향 장착 차량은 매우 짧은 정적(static) 안정성 여유(stability margin)를 가지는데, 이는 차량(100)의 종방향이고, 이에 대해 차량(100)이 종방향에서 전방 또는 후방으로의 피치(pitch; 종방향 경사)를 유발하지 않도록 무게중심(center of gravity)이 이동할 수 있다. 안정성 여유의 길이는 휠(25, 45)에서 떨어진(off) 타이어의 접촉면(contact patch)의 길이와 동등하다. 차량(100)의 섀시(15)의 무게중심이 정확한 위치에 고정되는 것(positioning)을 방지(avoid)하기 위해, 섀시(15)의 피치가 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(40, 65)의 적어도 하나를 사용하여 보정된다(corrected). 차량의 불균형을 감지하면 선형 액튜에이터(40, 65)의 각각은 자동으로 섀시(15)의 무게중심을 조정한다. 이는 가변적인(flexible) 중량 분포를 가지는 여러 가지 물품들이 화물 공간(16) 내에 위치될 수 있는 이점을 제공한다.
일부 실시예들에 따른, 선형 액튜에이터 시스템(40, 65)의 제어된 조정은 차량(100)이 자동으로 0이 아닌(non-zero) 피치 각(pitch angle)을 유지할 수 있게 한다. 수평에 대한 섀시(15) 또는 차량(100)의 피치 각은 피치 센서(96)를 사용하여 지속적으로 감지된다. 이 명세서에 사용된 수평은 지구의 중력(gravitational pull)에 직교하는(normal or perpendicular) 평면을 지칭한다. 일부 실시예들에서, 피치 센서(96)는 섀시(15) 상에 위치하는 경사계(inclinometer) 또는 관성 측정 유닛(inertial measurement unit) 중의 하나가 될 수 있다. 그러면 자율 항행 컴퓨터(99)가 감지된 데이터를 사용하여 휠(25, 45)의 평면 내에서 섀시(15) 또는 차량(100)의 회전 중심 둘레의 보정 토크(correction torque)를 제공함으로써 섀시(15)의 피치 각을 수평의 플러스 또는 마이너스 [2]도 이내로 유지하여 차량(100)의 안정된 작동을 가능하게 한다. 그 효과는 섀시(150 또는 차량(100)의 피치 각을 거의 0인(near zero) 피치 각으로 유지하는 것이다. 이에 따라 보정 토크가 캐리지(20, 50) 및 각 휠(25, 45)들에 대한 섀시(15)의 앞뒤로의 병진 동작에 의해 생성된다. (화물 공간(16) 내의 어떤 화물(payload)을 포함하는) 차량(100)의 소정의 질량에 대해, 차량(100)의 회전중심에 대한 편이(offset)의 증가는, 차량(100)의 정상적 작동 동안 겪게 되는 그 횡축 둘레의 피치 모멘트를 상쇄(counter)할 토크의 비례적 증가를 야기한다.
제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템들은 차량(100)이 전진 및 후진 동작과 선회 동작을 하는 동안, 즉 그 정상적 동작 동안 지속적으로 작동된다. 일부 실시예들에서, 정상적 동작은 복수의 출발과 정지, 및 선회로 구성되는데, 결과적인 감속과 가속이 차량의 안정성을 위해서는 보정(counter)되어야 할 피칭 모멘트(pitching moment)를 생성한다. 또한 차량은 경사(grade)들, 즉 차량(100)이 주행하는 평탄한 지형(level of a terrain) 상의 경사(slope)의 변화를 오르내릴 수 있어야 한다. 이러한 평탄면(level ground)으로부터의 지형의 변화는 차량(100)의 중력 벡터(vector)의 변화를 유도한다. 본 발명은 선형 액튜에이터 시스템(40, 65)의 지속적인 작동 덕분에, 지속적으로 작동하는 센서와 동적인 안정성 보정을 통해 차량(100)이 일부 실시예에서 20° 이상의 오르막과 내리막들을 오르내릴(accommodating and riding over) 수 있다.
일부 실시예들에서, 차량(100)의 무게중심(Cg)은 그 회전중심(Cr)보다 위 또는 아래에 위치할 수 있다. Cg가 Cr 밑에 위치하면 차량은 동적으로 안정되어, 어떤 요동(disruption)이라도 차량(100)이 종국에는 그 안정 상태(undisturbed state)로 복귀하도록 유발할 것이다. 그러나 가속과 제동을 포함하는 일상적 작동 동안 Cg가 Cr 위에 있다면, 차량(100)이 동적으로 불안정하여 요동(disturbance)은 요동에 따라 차량(100)이 전후방의 피칭을 계속하도록 유발할 것이다. 본 발명은 Cg가 Cr 위에 있을 때 지속적인 앞뒤의 피칭으로 유발되는 차량의 불안정성을 제어할 해법을 제공한다. 전술한 불안정성 문제는 본 발명의 여러 가지 실시예들에 따라 선형 액튜에이터 시스템(40, 65)들을 사용하여 섀시(15)의 앞뒤로의 병진으로 이뤄지는 능동적 제어를 통해 제어될 수 있을 것이다.
일부 실시예들에서, 두 선형 액튜에이터 시스템(40, 65)들의 작동은 적어도 하나의 선형 액튜에이터 컨트롤러(92)의 사용을 통해 제어된다. 예를 들어, 두 선형 액튜에이터 시스템(40, 65)들의 동작이 동기화될 수 있다. 그러나 본 발명의 구성은 이에 한정되지 않는다. 다른 실시예들에서는, 두 선형 액튜에이터 시스템(40, 65)들의 동작이 독립적, 즉 차량(100)의 원하는 동작에 따라 분리될 수 있다. 분리 동작은 휠(25, 45)들 중의 하나가 요철(bump) 또는 작은 경사 위를 지나갈 때 다른 휠이 평탄면 상에 머무르는 경우 유용하다. 분리 동작은 또한 가능하기로 고속 선회 작동에서도 필요하고 유용할 것이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른, 차량(100)의 제어 시스템의 전기 블록도를 도시한다. 차량(100)은 도 6에 가장 잘 도시된 바와 같이 하나 이상의 센서들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 센서들은 차량의 자율(항행)을 위한 두 초음파 센서들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 센서들은 차량(100) 및/또는 섀시(15)의 피치를 감지하는 피치 센서(96)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 센서들은 또한 차량(100) 및/또는 섀시(15)의 가속도를 감지하는 가속도계(accelerometer)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 센서들은 또한 차량(100) 및/또는 섀시(15)의 속도를 감지하는 속도 센서(83)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 센서들(80, 83, 96)은 섀시(15)의 외면에 위치 및/또는 고정될 수 있다. 컴퓨터(99)는 센서들(80, 83, 96) 중의 적어도 하나와 전자적으로 통신하는 선형 액튜에이터 컨트롤러(92)와, 모터 컨트롤러(94), 피치 컨트롤러(98), 및 메모리(97)를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서 컴퓨터는 차량(100)의 섀시(15)의 방향 또는 피치의 제어를 지속적으로 조절(modulate)하는 제어 루프 피드백 기구를 적용하는 비례 적분 미분 컨트롤러(proportional-integral-derivative controller; PID 컨트롤러) 또는 PID 기반 컨트롤러를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 피치 컨트롤러는 섀시의 피치 각을 지속적으로 조절 및 보정하여 차량(100)의 안정성을 유지하는 PID 컨트롤러를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따라, 2륜 차량(100)을 동적으로 안정시키는 방법은 차량(100)의 작동 동안 섀시(15) 상에 위치하는 센서들(80, 83, 96) 중의 적어도 하나로 수평에 대한 섀시(15)의 피치를 측정하여, 이에 기반하는 피치 신호를 출력하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 피치 컨트롤러(98)에 의해 적어도 하나의 센서(80, 83, 96)의 피치 신호 출력에 따라 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(40, 65) 중의 적어도 하나가 제1 및 제2 휠 캐리지(20, 50) 중의 하나를 섀시(15)에 대해 종방향으로 변위시킴으로써 거의 일정한 수평에 대한 섀시 방향을 유지하도록 제어하는 단계를 더 포함한다.
하나 이상의 센서(80, 83, 96)는 차량(100) 및/또는 섀시(15)의 상태의 측정치를 판단하여 출력한다. 이 판단은 메모리(97)와 컨트롤러(92)로 전송되는데, 컨트롤러는 제1 및 제2 선형 액튜에이터(40, 65)를 구동하는(power) 적어도 하나의 제3 모터(75)의 작동을 명령한다. 예를 들어, 피치 센서(96)가 차량(100) 및/또는 섀시(15)의 피치 값을 판단하고 측정된 피치를 메모리(97) 및 컨트롤러(92)로 출력하고, 컨트롤러는 제2 모터(75)의 작동을 지령한다. 이러한 방식으로, 차량(100)은 컨트롤러(92, 94, 98)에 의하고 센서들(80, 83, 96)의 데이터에 기반하여 차량(100) 및/또는 섀시(15)의 방향, 가속도, 또는 속도를 판단할 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서들(80, 83, 96)은 다른 시간들에 복수의 판단들을 하거나 또는 차량(100) 및/또는 섀시(15)의 방향, 가속도, 또는 속도를 지속적으로 판단할 수 있다.
일부 실시예들에서, 방향, 가속도, 또는 속도, 또는 차량(100) 및/또는 섀시(15)의 방향, 가속도, 또는 속도의 변화(또는 변화의 속도)에 대한 전술한 판단이 이뤄지고 나면, 컨트롤러(92) 및/또는 메모리(97)가 측정된 판단에 따라 제3 모터(75)를 제어하여 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(40, 65) 중의 적어도 하나를 이동시킨다. 한 실시예에서, 컨트롤러(92) 및/또는 메모리(97)는 제3 모터(75)를 제어하여 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템(40, 65) 중의 적어도 하나를 이동시킴으로써 차량(100) 및/또는 섀시(15)의 횡축 둘레의 차량(100) 및/또는 섀시(15)의 방향을 거의 일정하게 유지시킨다. 이에 따라 각 선형 액튜에이터 시스템(40, 65)은 허브 모터(30, 55)를 포함하는 각 휠 조립체를 차량(100)의 나머지 부분에 대해 종방향 앞뒤로 병진시킨다. 그 효과는 휠 캐리지(20, 50)가 각 휠(25, 45)과 함께 병진한 방향의 반대 방향으로 섀시(15)(바디)를 병진시키는 것이다. 이와 같이, 본 발명은 차량(100)의 전체 섀시(15)의 중량이 차량(100)을 밸런싱하고(balance) 동적으로 안정시키는 평형추(counterweight)로 작용하여 횡으로 장착된 차량(100)의 수직 방향을 유지할 수 있게 하는 이점을 제공한다.
전술한 바와 같이, 일부 실시예들에 따라 선형 액튜에이터 시스템(40, 65)의 제어된 조절은 차량(100)이 섀시(15)의 피치 각을 수평에 대해 플러스 또는 마이너스 [2]도 이내로 자동으로 유지하도록 해줌으로써 차량(100)의 안정된 작동을 가능하게 한다. 그 효과는 섀시(15) 또는 차량(100)의 피치를 거의 0인(near zero) 피치 각으로 유지하는 것이다. 섀시(15) 또는 차량(100)의 피치 각은 피치 센서(96)를 사용하여 지속적으로 감지되는데, 센서는 경사계 또는 관성 측정 유닛이 될 수 있다. 자율 항행 컴퓨터(99)가 피치 컨트롤러(98) 대신에 PID 컨트롤러를 포함하는 일부 실시예들에서, PID 컨트롤러는 감지된 데이터를 사용하여 휠(25, 45)의 평면에서 섀시(15) 또는 차량(100)의 회전중심 둘레의 보정 토크(correcting torque)를 제공한다. 이를 위해 PID 컨트롤러는 원하는 피치 각(즉 거의 0인 피치 각)과 차량(100)의 불안정성에 기반하여 실제 측정된 피치 간의 차이로서의 오류값을 지속적으로 연산한다. 이어서 PID 컨트롤러(98)는 원하는 (거의 0인) 피치 각과 감지 또는 측정된 피치 각 간의 차이를 최소화하기 위해 비례, 적분, 및 미분 항들에 기반하는 보정 계수(correction factor)를 적용한다. 이에 따라 일부 실시예들에서, 평형추로 작용할 섀시(15)의 동작이 비례 적분 미분(PID) 컨트롤러 알고리즘을 사용하여 결정될 수 있다.
섀시(15)의 피치 각을 거의 0인 피치 각으로 유지하기 위한 보정 토크가 적용되어 차량이 안정된 작동을 하도록 한다. 이에 따라 보정 토크가 캐리지(20, 50)와 각 휠(25, 45)에 대한 섀시(15)의 앞뒤로의 동작에 의해 생성된다. (화물 공간(16) 내의 어떤 화물(payload)을 포함한) 차량(100)의 소정 질량에 대해, 차량(100)의 회전중심으로부터의 편이(offset)의 증가는 차량(100)의 정상적 동작 동안 겪는 그 횡축 둘레의 피치 모멘트를 상쇄(counter)할 토크의 비례적인 증가를 생성한다.
본 발명의 여러 가지 실시예들은 종래기술에 비해, 전체 차량 섀시의 질량, 즉 허브 모터 및 휠들을 뺀 전체 차량의 질량이 차량(100)을 안정화 시킬 평형추로 기능하는 이점을 제공한다. 이는 종래 달성하던 것에 비해 현저한 양의 토크를 제공하여, 더 큰 가속과 감속, 및 이에 따른 더 짧은 제동 거리와 더 신속한 반응이 가능하게 한다. 또한 증가된 토크는 차량이 변화되는 경사의 지형을 오르내릴 때 더 우수한 성능을 가능하게 한다.
일부 실시예들에 따라, 예를 들어 2륜 차량(100) 등의 차량은 구동력을 생성하거나 및/또는 구동력을 차량의 휠들에 전달하도록 구성된 구동 시스템을 포함할 수 있다. 이 구동 시스템은 전기 모터인 모터를 포함한다. 일부 실시예들에서는 내연기관 역시 사용 가능하다. 모터는 배터리 또는 연료전지, 또는 연료 원 또는 연료 탱크로부터의 연료로부터 전기 에너지를 받는다. 모터는 모터와 구동 기어 사이에 위치하는 구동축(axle)을 통해 구동 기어를 회전시킨다. 변속기 또는 기어 박스 등의 추가적인 요소들이 모터와 구동 기어 사이에 위치하거나 및/또는 모터로부터의 구동력을 구동 기어에 이송할 수 있다. 구동 기어는 구동 기어와 함께 회전하고 이에 견고하게 고정되는 복수의 구동 기어 이빨들을 포함한다.
본 발명의 시스템과 방법들은 언급된 목적 및 이점들과 함께 그 고유한 목적 및 이점들을 달성하도록 잘 맞춰져 있다. 본 발명의 교시들은 당업계에 통상의 기술을 가진 자가 이 교시를 알고 나면 자명해질, 다르지만 동등한 방식으로 변형 또는 구현할 수 있을 것이므로, 위에 설명된 특정한 실시예들은 단순한 예시이다. 뿐만 아니라, 이 명세서에 보인 구조 또는 설계의 상세는 이하의 청구항에 기재된 것을 제외하고는 한정을 의도한 것이 아니다. 이에 따라 전술한 특정한 예시적 실시예들은 변경, 조합, 또는 변형될 수 있음이 자명하며, 이런 모든 변경들은 본 발명의 범위 내로 간주된다. 이 명세서에 예시적으로 기재된 시스템과 방법들은 이 명세서에 구체적으로 개시되지 않은 어떤 요소 및/또는 이 명세서에 기재된 선택적 요소가 없어도 적절히 구현될 수 있다. 조성과 방법들이 여러 가지 구성요소들 또는 단계들을 "구비한다(comprising)," "포함한다(containing)," 또는 "포함한다(including)"의 용어로 기재될 수 있는 한편, 조성 및 방법들은 또한 여러 가지 구성요소와 단계들로 "필수적으로 구성된다(consist essentially of)" 또는 "구성된다onsist of)" 등으로도 기재될 수 있다. 위에 기재된 모든 수치와 범위들은 약간 변경될 수 있다. 하한과 상한을 가지는 수치적 범위가 기재된 경우는 언제나, 이 범위에 포괄되는 어떤 수치나 어떤 포함된 범위 역시 구체적으로 기재된 갓이다. 특히 (이 명세서에 "약 a 내지 약 b(from about a to about b)," 또는 이와 동등하게 "약 a 내지 b(from approximately a to b)," 또는 이와 동등하게 "약 a-b(from approximately a-b)"라는 형식의) 값들의 범위는 모두, 더 넓은 값의 범위 내에 포괄되는 모든 수치와 범위를 규정한 것으로 이해되어야 한다. 또한 청구항들 내의 용어들은 특허권자에 의해 명시적이고 명확하게 달리 규정되지 않는 한 그 평범하고 일반적인 의미를 가진다. 뿐만 아니라 청구항에 사용된 "a" 또는 "an"의 부정관사는 이 명세서에서 이것이 기재한(introduced) 하나 또는 하나 이상의 요소를 의미하는 것으로 정의된다. 이 명세서와 이 명세서에 참고로 포함된 하나 이상의 특허 또는 문헌의 단어 또는 용어의 사용에 대해 어떤 상충(conflict)이 있다면, 이 명세서와 일치하는 정의가 채택되어야 한다.
이 명세서에서, 항목들의 어느 것의 구분에 "및(and)" 또는 "또는(or)"이라는 용어가 수반되는, 일련의 항목들에 선행하는 "적어도 하나의(at least one of)"라는 문구는 목록의 각 멤버(즉 각 항목)가 아니라 그 목록을 전체적으로 변경시킨다. "적어도 하나의(at least one of)"라는 문구는 항목들 중의 어느 것의 적어도 하나, 및/또는 항목들의 어떤 조합 중의 적어도 하나, 및/또는 항목들의 각각 중의 적어도 하나를 포함하는 의미를 허용한다. 예를 들어 "A, B, 및 C 중의 적어도 하나(at least one of A, B, and C)" 또는 "A, B, 또는 C 중의 적어도 하나(at least one of A, B, or C)"라는 문구는 A만, B만, 또는 C만; A, B, 및 C의 어떤 조합; 및/또는 A. B, 및 C의 각각 중의 적어도 하나를 각각 지칭한다.

Claims (23)

  1. 섀시와;
    상기 섀시에 이동 가능하게 결합되어 이에 대해 종방향으로 변위할 수 있는 제1 휠 캐리지와;
    상기 제1 휠 캐리지에 회전 가능하게 장착되어, 상기 제1 휠 캐리지를 통해 상기 섀시에 결합되는 적어도 하나의 제1 휠과;
    상기 제1 휠 캐리지에 결합되며, 상기 제1 휠 캐리지를 상기 섀시에 대해 종방향으로 변위시키도록 구성되는 제1 선형 액튜에이터 시스템과;
    상기 제1 휠과 상기 제1 휠 캐리지에 장착되며, 상기 제1 휠에 구동 에너지를 제공하고, 상기 제1 휠이 상기 제1 선형 액튜에이터 시스템에 의해 변위됨에 따라 상기 제1 휠 캐리지와 함께 변위되도록 구성된 제1 모터와;
    제2 휠 캐리지에 회전 가능하게 장착되는 제2 휠로, 상기 제2 휠 캐리지가 이륜 차량의 상기 제1 휠 캐리지의 반대쪽 측부에 위치하는 상기 제2 휠과;
    상기 이륜 차량의 상기 제1 휠 캐리지의 반대쪽 측부에 위치하는 상기 제2 휠 캐리지에 결합되며, 상기 제2 휠 캐리지를 상기 섀시에 대해 종방향으로 변위시키도록 구성되는 제2 선형 액튜에이터 시스템과;
    상기 제2 휠 및 상기 제2 휠 캐리지 상에 장착되며, 상기 제2 휠에 구동 에너지를 제공하고, 상기 제2 휠이 상기 제2 선형 액튜에이터 시스템에 의해 변위됨에 따라 상기 제2 휠 캐리지와 함께 변위되도록 구성된 제2 모터;
    상기 제1 선형 액튜에이터 시스템을 상기 제2 선형 액튜에이터 시스템에 결합하는 구동축; 및
    상기 구동축을 통해 상기 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템에 결합되어 상기 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템을 구동하는 제3 모터를
    구비하는 이륜 차량.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에서,
    상기 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템이 각각:
    상기 섀시의 양측에 그 종방향을 따라 서로 결합되어 위치하며, 상기 제3 모터에 의해 구동되는 제1 및 제2 풀리와;
    상기 제1 및 제2 풀리를 서로 결합하고, 상기 제1 및 제2 휠 캐리지의 각각에 더 결합되는 벨트로, 상기 제1 및 제2 풀리의 회전에 기반하여 병진함으로써 상기 벨트가 결합된 캐리지를 상기 섀시에 대해 종방향으로 병진시키는 상기 벨트와; 및
    상기 섀시의 양측에 그 종방향을 따라 결합되며, 상기 제1 및 제2 휠 캐리지의 각각이 상기 벨트의 동작으로 이를 따라 병진되는 적어도 하나의 레일을
    구비하는 이륜 차량.
  5. 청구항 1에서,
    상기 제2 모터가, 상기 제1 모터가 상기 제1 휠에 구동 에너지를 전달하는 것과 독립적으로 상기 제2 휠에 구동 에너지를 제공하는 이륜 차량.
  6. 청구항 1에서,
    상기 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템의 각각이 제1 및 제2 휠 캐리지의 각각을 상기 섀시에 대해 300mm/sec의 속도로 병진시키는 이륜 차량.
  7. 청구항 1에서,
    상기 제1 및 제2 모터가 각각, 상기 제1 및 제2 휠의 중앙에 장착되고 허브 모터의 해당 고정자를 통해 상기 제1 및 제2 휠 캐리지에 결합되는 상기 허브 모터를 구비하는 이륜 차량.
  8. 청구항 7에서,
    상기 제1 및 제2 모터가 각각:
    거기에 위치한 일련의 코일들을 가지도록 구성된 고정자와; 및
    상기 제1 및 제2 휠의 각각에 부착 또는 통합되며, 일련의 자석들을 포함하도록 구성되고, 상기 고정자의 외측에 대해 회전 가능하게 장착되는, 회전자를 구비하고,
    상기 고정자에 공급된 전기 에너지가 상기 회전자와 상기 각 제1 및 제2 휠의 회전을 유발하는 이륜 차량.
  9. 청구항 1에서,
    상기 섀시의 바닥면 상에 위치하여 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터 중의 적어도 하나에 전기 에너지를 공급하는 배터리를 더 구비하는 이륜 차량.
  10. 청구항 1에서,
    상기 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템 중의 적어도 하나와 상기 제3 모터의 작동을 제어하는 적어도 하나의 선형 액튜에이터 컨트롤러를 더 구비하는 이륜 차량.
  11. 청구항 1에서,
    상기 제1 및 제2 모터 중의 적어도 하나의 작동을 제어하는 모터 컨트롤러를 더 구비하는 이륜 차량.
  12. 청구항 1에서,
    상기 섀시 상에 위치하여 상기 섀시의 피치 각을 감지하는 피치 센서를 더 구비하는 이륜 차량.
  13. 청구항 12에서,
    상기 피치 센서에 통신 가능하게 접속되어 상기 피치 센서의 출력에 따라 상기 제1 및 제2 휠 캐리지 중의 적어도 하나의 상기 섀시에 대한 변위를 제어하는 피치 컨트롤러를 더 구비하는 이륜 차량.
  14. 청구항 13에서,
    상기 피치 컨트롤러가, 상기 제3 모터가 상기 제1 및 제2 휠 캐리지 중의 어느 하나를 상기 섀시에 대해 변위시킴으로써 수평에 대해 일정한 섀시 방향을 유지하게 제어하도록 구성되는 이륜 차량.
  15. 청구항 14에서,
    상기 일정한 섀시 방향이 수평에 대해 플러스 또는 마이너스 2도 이내로 유지되는 상기 섀시의 피치 각을 포함하는 이륜 차량.
  16. 청구항 12에서,
    상기 피치 센서가 경사계와 관성 운동 유닛 중의 적어도 하나를 구비하는 이륜 차량.
  17. 청구항 12에서,
    상기 피치 센서가 상기 섀시의 바닥면의 중앙에 위치하는 이륜 차량.
  18. 청구항 1에서,
    상기 섀시로 지지되는 화물 공간을 더 구비하는 이륜 차량.
  19. 제1 및 제2 휠 캐리지와, 섀시와, 제1 및 제2 휠과, 제1, 제2, 및 제3 모터와, 그리고 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템을 구비하는 이륜 차량을 동적으로 안정시키는 방법으로:
    상기 차량의 작동 동안, 상기 섀시 상에 위치하는 적어도 하나의 센서로, 수평에 대한 상기 섀시의 피치를 측정하여, 이에 기반하는 피치 신호를 출력하는 단계와; 그리고
    상기 적어도 하나의 센서의 출력 피치 신호에 따라, 상기 차량 내에 위치하는 컨트롤러에 의해, 상기 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템 중의 적어도 하나를 제어하여 상기 제1 및 제2 휠 캐리지 중의 적어도 하나를 상기 섀시에 대해 종방향으로 변위시킴으로써 수평에 대해 일정한 섀시 방향을 유지하되, 상기 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템을 구동하기 위해 축을 통해 상기 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템에 회전 가능하게 결합되는 제3 모터에 의해 상기 종방향으로의 변위가 발생되는 단계를
    구비하는 이륜 차량의 동적 안정 방법.
  20. 청구항 19에서,
    상기 일정한 섀시 방향을 유지하는 단계가 상기 섀시의 피치를 수평에 대해 플러스 또는 마이너스 2도 이내로 유지시키는 단계를 구비하는 이륜 차량의 동적 안정 방법.
  21. 청구항 19에서,
    상기 컨트롤러가 감지된 차량의 가속에 기반하여 상기 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템을 더 제어하는 이륜 차량의 동적 안정 방법.
  22. 청구항 19에서,
    상기 제3 모터가 상기 제1 및 제2 선형 액튜에이터 시스템을 작동시켜 상기 제1 휠을 상기 제2 휠과 독립적으로 이동시키는 이륜 차량의 동적 안정 방법.
  23. 청구항 19에서,
    상기 컨트롤러가 비례 적분 미분(PID) 컨트롤러 알고리즘 또는 PID 기반 컨트롤러 알고리즘을 실행하는 이륜 차량의 동적 안정 방법.
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