최근에 각광받고 있는 라스트 마일 모빌리티, 말 그대로 지하철역이나 버스 정류장에서 내려서 목적지까지 남은 마지막 1마일 정도 거리를 이동할 수 있는 이동 수단을 뜻합니다. 과거에는 마을버스 또는 자전거 정도가 라스트 마일 모빌리티였지만, 최근 마이크로프로세서, 배터리, 모터, 센서 등의 기술발전과 저렴한 가격으로 인해 세그웨이, 전동 킥보드 등이 新 라스트 마일 모빌리티로 주목받고 있습니다. 세그웨이는 전동휠이나 왕발통, 나인봇 등 상표명으로 부르는 사람도 많습니다.
세그웨이의 원리는 아래 그림과 같이 사람이 손 위에 막대기를 올려놓고 균형을 잡는 것으로 설명할 수 있습니다. 손끝에 막대기가 수직으로 올려져 있다고 상상을 해보겠습니다. 막대기가 앞으로 기울어지려고 하면 반사적으로 사람의 손도 앞으로 따라가게 되면서 균형을 맞추려고 할 것입니다. 막대기가 많이 기울어질수록 손은 더 빠르게 움직이려고 합니다. 만약, 손이 너무 앞으로 나아가 막대기가 반대로 뒤로 기울어진다면 손을 또 재빠르게 뒤로 움직여 균형을 잡으려 할 것입니다.
세그웨이는 물리적으로 inverted pendulum을 통해 원리를 설명하곤 합니다. Pendulum은 시게 추 같은 진자를 의미합니다. Inverted pendulum은 시계추 또는 진자의 고정점이 위가 아니라 밑에 있으며, 추는 중력에 의해 항상 아래 방향으로 떨어지려고 합니다. 떨어지려고 하는 추가 균형을 잡을 수 있도록 탈것을 제어하는 것이 이 시스템의 목적입니다.
Inverted pendulum
세그웨이의 구성은 아래 그림과 같습니다. 세그웨이 바닥에는 배터리, 기울기 센서, 제어기 등이 위치해 있습니다. 그리고 세그웨이의 구동은 BLDC 모터가 주로 사용되며, 휠 양쪽에 각각 1개씩 장착됩니다. 인디케이터는 배터리 잔량 또는 기울기 정도를 사용자에게 알려주는 역할을 합니다. 그리고 사용자가 잡고 다닐 수 있으며, 좌우 조향 역할을 하는 lean steer frame이 있습니다.
기울기 센서는 드론의 자세 측정하는 원리와 비슷하게 가속도를 측정하는 가속도 센서와 각속도를 측정하는 자이로 센서가 장착됩니다. 이를 융합하여 세그웨이의 기울기를 감지합니다. 기울기를 감지하는 방법은 아래 포스팅을 참고하면 자세하게 설명되어 있습니다.
세그웨이의 부품 구성
세그웨이는 전원을 끄면 혼자 제대로 서 있지 못합니다. 따라서 기울기 센서로 세그웨이의 기울기를 항상 감지하여 BLDC 모터를 움직여줘야 합니다. 그리고 이 원리를 이용하여 사용자는 세그웨이를 앞뒤로 제어할 수 있습니다. 사람이 몸을 기울여 전체적인 무게중심을 앞으로 이동시키면, 세그웨이는 균형을 잡기 위해서 앞으로 이동하게 됩니다. 사람이 몸을 많이 기울일수록 세그웨이의 속도는 증가하게 됩니다. 반대로, 무게 중심을 뒤쪽으로 이동시키면 같은 원리로 후진을 하게 됩니다.
세그웨이를 조향하기 위해서는 lean steer frame을 좌우로 조종하면 됩니다. Frame을 왼쪽으로 기울이면, 오른쪽 휠이 빠르게 돌고 왼쪽 휠은 천천히 돌면서 세그웨이 전체가 왼쪽으로 조향하게 됩니다.
세그웨이는 제어공학 관점으로 봤을 때 unstable system입니다. 즉, 전원을 끄면 혼자 서 있지 못합니다. 만약에 어떤 고장으로 인해 전원, 센서, 전동기, 제어기 중 동작을 안 하게 되거나 제어 불능 상태가 되면 세그웨이는 물리적으로 넘어질 수밖에 없기 때문에 fail-safe 설계가 어려운 시스템입니다. 그뿐만 아니라 세그웨이가 보편화 됨에 따라 주행 중 보행자 및 차량과의 사고 위험도 높아지고 있습니다. 이에 맞춰 세그웨이 및 전동 모빌리티를 안전하게 이용할 수 있는 다양한 고민이 필요해 보입니다.