세그웨이 주행 로봇 다시 들여다 보기

세그웨이 자율 자세 제어로봇 다시 들여다 보기

1. 들어가는 말

2009년경이었는가 보다. 개인적인 호기심으로 세그웨이 주행로봇에 대한 특허를 검토한 적이 있었다. 그런 인연으로 세그웨이에 남다른 관심을 갖게 되었다.

세그웨이의 주행로봇은 거의 10년 전부터 1인용 운송수단으로 출시된 제품으로 미국의 Californai Baptist University에서 캠퍼스 경비원들의 교내 순찰용으로 사용되기도 하였으며, 2008년 베이징 올림픽 때 중국 경찰특공대 대테러 훈련용으로 사용되었고, 체코 프라하 같은 유럽 관광지에 세그웨이 주행로봇을 타고 여행하는 코스도 있다고 한다. 그러나 세그웨이 대당 가격이 비싸고 배터리의 용량 문제로 실제 주행 가능 거리가 짧다는 단점으로 현재까지도 운반수단으로의 실제 보급률은 낮다. 더군다나 과거 미국 조지 부시 대통령이 세그웨이를 타다가 넘어진 사고가 있었고, 2010년 세그웨이 영국 CEO인 지미 헤셀덴이 세그웨이를 타다 절벽에서 추락해 사망하는 사고가 발생하는 등 안정성에도 문제점을 드러냈다. 현재까지는 레저용이나 이벤트용으로 사용되고 있는 수준이다.

그럼에도 세그웨이의 주행로봇과 같은 자율 자세제어 주행로봇은 여전히 미래 교통수단으로 관심을 받기에 충분한 가능성을 갖고 있으며, 또 노령화 시대에 좋은 주행보조수단이 될 가능성이 높다고 생각한다. 여기서 세그웨이 자율 자세제어 주행로봇만이 답이라고 말하려는 것은 아니다. 단지 그와 같이 원리의 자율 자세제어 주행로봇에 다시 관심을 갖고 단점 들을 보완하여 좀 더 발전된 모습을 보았으면 하는 바램에서 이 글을 쓰는 것이다.

2. 세그웨이 주행로봇

세그웨이 주행로봇으로 처음 개발된 것은 아이봇(iBOT)란 모델로 바퀴가 4개 달린 전동휠체어이다. 아이로봇은 휠체어를 탄 장애인이 좁은 길에서 방향을 틀지 못하고 고생하는 걸 보고 스스로 균형을 잡을 수 있도록 고안된 휠체어로 2개의 바퀴를 이용해 달리거나 계단을 오르내릴 수도 있다. 이어 아이로봇에 사용된 균형장치를 개량하고 응용하여 일반인이 사용할 수 있는 주행로봇을 개발하였다. 그것이 세그웨이 PT(Segway Personal transporter)란 모델로 바퀴가 두 개 달린 전기스쿠터이다.

세그웨이의 위 두 모델은 모두 인간과 같이 자율적으로 균형을 잡는 로봇이라는 점에서 동일한 특징을 가지고 있다. 세그웨이는 별도의 액셀이나 브레이크 패달 없이 손잡이나 몸을 앞으로 밀면 가속되고, 손잡이나 몸을 뒤로 당기면 감속을 한다. 좌우로 움직이면 자동으로 회전도 가능하다. 그러나 넘어지지 않는다.

잠시 시간을 내어 아래 두 모델이 동작하는 영상을 관람하기 바란다. 왜 세그웨이의 주행로봇과 같은 형식의 주행로봇이 미래 운송수단으로 각광을 받을 만 한지 공감할 수 있을 것이다.

아이봇 유투브 동영상

세그웨이PT유투브 동영상

3. 세그웨이 주행로봇 작동 원리

세그웨이는 5개의 자이로 센서와 2개의 가속도 센서로 자신의 기울기와 가속도를 감지한다. 센서로 감지한 기울기를 이용하여 정밀한 제어로 균형을 맞춘다. 물리적으로 도립 진자(An inverted pendulum) 제어와 같은 원리로 제어가 이루어진다. 도립 진자란 아래 그림과 같이 무게를 가진 추가 회전 중심보다 위에 있는 진자를 말한다. 지팡이를 손바닥 위에 세워 놓고 손바닥을 앞뒤좌우로 움직여 중심을 잡는 모습을 떠올리면 된다.

아직 이해가 가지 않는다면 다음 영상을 보기 바란다. 도립진자제어를 잘 실감나게 표현하고 있는 영상이다.

도립진자제어실험 유투브 동영상

위 그림이나 동영상에서 하단의 움직이는 제어작동부가 세그웨이라고 생각하면 이해가 쉽다. 사용자가 손잡이나 몸을 앞으로 기울이면, 무게 중심이 앞으로 쏠리게 되고 세그웨이가 앞으로 이동하여 다시 무게 중심을 잡는 원리이다. 세그웨이는 무게 추, 즉 사람의 무게 중심을 정확하게 파악하기 위해서 5개의 자이로 센서를 사용하여 1초에 100번 자세를 제어한다.

사람이 움직이기 위해서 몸을 움직이고자 하는 방향으로 기울일 때, 인체가 중심을 잡는 원리와 비슷하다. 사람도 앞으로 몸을 기울이면 귀에 있는 달팽이 관에 차있는 액체가 균형이 잡히지 않았다는 신호를 뇌로 보내 기울여진 방향으로 다리를 뻗게 한다. 때문에 넘어지지 않고 한걸음씩 나가게 되는 것이다. 세그웨이는 다리대신 바퀴를, 근육대신 모터를, 뇌 대신 마이크로프로세서, 귀의 균형액 대신 기울기센서를 가졌다고 생각하면 신체와 다를 바 없다.

또한 이는 자이로스코프의 원리와 같다. 자이로스코에는 빙글빙글 돌고 있는 바퀴와 바퀴를 감싸고 있는 프레임이 있는 데, 자이로스코프의 바퀴와 그 바퀴를 감싸고 있는 프레임의 상대적인 위치를 계산하여 앞쪽으로 얼마나 기울었는지와 얼마나 빨리 기울이는가를 알 수 있다. 세그웨이에서는 그 자이로스코프를 실리콘을 이용한 고체상태의 각도측정센서 (solid-state angular rate sensor)라는 자이로스코프 센서가 대신한다고 생각하면 된다. 한편 기울기 센서는 달팽이관과 마찬가지로 전해액으로 가득차 있어서 기울기의 측정을 원할하게 한다.

세그웨이는 5개의 자이로스코프 센서와 2개의 기울기 센서를 가지고 있다. 자이로스코프 센서는 앞/뒤/좌/우 4개의 신호를 감지하기 위해 있으며 여분의 1개는 시스템 신뢰성을 위해 부착되어 있다.

모터는 몸을 앞으로 기울였을 때 바퀴를 앞으로 구동시키며 뒤로 기울였을 때는 뒤로 구동시킨다. 좌측이나 우측으로 도는 핸들을 조정했을 때는 한쪽의 모터가 빨리 돌아 회전을 가능하게 한다.

4. 세그웨이의 자율제어주행로봇 기본 특허

세그웨이는 자율제어 주행로봇에 대한 특허포트폴리오를 잘 갖추고 있다. 그 중에서 대표적인 특허를 들라고 하면 1995년에 출원된 USPN 5971091 A 일 것이다.

Transportation vehicles and methods (US 5971091 A, 이하 ‘091특허)

‘091특허의 대표청구항(아래 표)을 보면 기능적으로 기재하면서도 자이로스코프 및 도립진자제어의 작동원리를 서술하는 형식으로 작성되어 있다. 종래의 자이로스코프나 도립진자제어 기술과의 차이라고 하면 차량을 앞뒤로 기울여 자동으로 가속 이동하면서 자세의 균형을 잡는다는 점이다.

참고로 청구항 49항은 아이봇 전동휠체어의 작동을 포섭하는 대표청구항이다. 발명자는 Dean L. Kamen, Robert R. Ambrogi, Robert J. Duggan, Richard Kurt Heinzmann, Brian R. Key, Andrzej Skoskiewicz, Phyllis K. Kristal이다. 발명자 정보는 추후 제품개발이나 소송 시 고문으로 확보하여야 할 대상이 되기도 하므로 이 발명자 정보를 기초로 추적조사하는 것을 놓쳐서는 안된다.

이와 같이 '091특허는 개발한 제품의 작동원리를 종래 기술에 추가하는 방식으로 기재한 것으로 개념특허(종래기술을 결합하여 이용하되 새로운 개념을 제품을 탄생시키는 특허를 개념특허라고 칭한다)의 전형적인 기재방법이다.

에컨대, 애플의 아이폰이나 아이패드의 UI 핵심기술인 멀티터치 인터페이스 특허로 알려진 애플의 대표 특허 USPN 7,479,949 (이하 ‘949 특허)도 멀티터치스크롤에 관한 IBM의 선행특허 USPN 7,088,344 와 필립스 USPN 6,690,387 대비, 다음 이미지를 스크롤링하는 것과 이미지를 가로 지르는 스크롤링이 구분된다는 개념을 제외하고는 이미 모두 공지된 것이라는 것을 잘 알려진 내용이다. 제품에 새로운 기능을 추가하여 종래 제품과 차별화된 새로운 제품을 고안할 때, 애플이나 세그웨이의 특허 청구항을 샘플로 분석할 필요가 있다.

또한 이런 개념특허는 보통 발명자가 많고 발명의 상세한 설명을 기재한 페이지 수가 명세서보다 많다는 것이 특징을 가지고 있다. 이러한 실무가 등록에 얼마나 기여했는지에 대한 증거는 없으나 종종 유용한 실무이다.

What is claimed is:

1. A vehicle, for transporting a human subject over a surface that may be irregular, the vehicle comprising:

(a) a support for supporting the subject, the support having left and right sides and defining fore-aft and lateral planes;

(b) a ground-contacting module, including a pair of ground-contacting members, laterally disposed with respect to one another, movably attached to the support, for suspending the subject in the support over the surface, the support and the ground-contacting module being components of an assembly;

(c) a motorized drive arrangement, mounted to the assembly for causing locomotion of the assembly and the subject over the surface; and

(d) a control loop, in which the motorized drive is included, for dynamically maintaining stability in the fore-aft plane by operation of the motorized drive arrangement so that the net torque experienced by the assembly about the point of contact with the surface, taking into account torques caused by gravity as well as by all other external forces and by the motorized drive, causes a desired acceleration and sustained locomotion of the assembly, such stability being maintained even while the assembly experiences varying forces and accelerations;

wherein the control loop is configured so that fore and aft sustained motion of the vehicle is controlled by fore and aft leaning of the vehicle caused by the subject, and in maintaining stability in the fore-aft plane the control loop does not cancel out such leaning under normal conditions of locomotion

49. A vehicle for transporting a human subject over ground, the vehicle comprising:

(a) a support, having a base surface, for supporting the subject in a standing position, the support having left and right sides and defining fore-aft and lateral planes;

(b) a pair of ground-contacting members, laterally disposed with respect to one another and movably attached to the support in such a manner that the distance between the point of contact of each ground-contacting member with the ground and the base surface is sufficiently small as to permit a person to step from the ground onto the support, each ground-contacting member includes a cluster of wheels for contacting the ground, each cluster being rotatably mounted on and motor-driven about a laterally disposed central axis, and each of the wheels in each cluster being rotatably mounted about an axis parallel to the central axis, the wheels being capable of being motor-driven independently of the cluster, the members and the support being components of an assembly;

(c) a motorized drive arrangement, mounted to the assembly for causing locomotion of the assembly and the subject over the surface; and

(d) a control loop, in which the motorized drive is included, for dynamically maintaining stability in the fore-aft plane by operation of the motorized drive arrangement so that the net torque experienced by the assembly about the point of contact with the surface, taking into account torques caused by gravity as well as by all other external forces and by the motorized drive, causes a desired acceleration and sustained locomotion of the assembly, such stability being maintained even while the assembly experiences varying forces and accelerations