KR100699951B1 - 다수의 모터를 이용한 구동장치의 토크증대 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수의 모터를 이용한 구동장치의 토크증대 방법에 관한 것으로 그 목적은 구동장치에 있어서, 구동장치의 축방향 길이가 짧으면서 저속의 고토크가 발생되도록 하는 구동방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 구성은 구동장치를 이루는 구동수단에 모터의 회전력을 저속의 고토크로 전달하는 방법에 있어서, 구동수단에 회전력을 전달하는 종동기어를 구비한 후, 저토크 모터와 축결합하여 구동력을 얻는 다수의 구동기어를 이 종동기어의 둘레 방향으로 물려 종동기어에 동시에 동력을 전달시켜 토크를 증대시키는 방법을 그 기술적 사상의 특징으로 한다.

토크, 구동수단, 구동모터, 구동기어, 토크증대, 저토크, 고토크

Description

다수의 모터를 이용한 구동장치의 토크증대 방법{method for increasing torque of driving gear using several motors and structure thereof}

도 1은 다수의 구동모터가 종동기어에 연결된 것을 보인 본 발명의 예시도이고,

도 2는 다수의 모터가 중공형 종동기어에 장치된 것을 보인 본 발명의 예시도이며,

도 3은 여러종류의 기어형태에 적용된 본 발명의 예시도이고,

도 4는 본 발명 바퀴이 적용된 주행 로봇의 구동장치 조립 예시도이며,

도 5는 본 발명 다수모터간의 결선도이고,

도 6은 종래 바퀴 주행 로봇의 구동장치 조립 예시도,

도 7은 일반적인 모터의 형태를 나타내는 사진이다.

본 발명은 다수의 모터를 이용한 구동장치의 토크증대 방법에 관한 것으로, 자세하게는 바퀴 주행 방식 로봇의 구동장치 등을 포함하는 각종 구동장치에 있어서 바퀴에 연결된 구동장치의 축방향 길이가 짧으면서 저속의 고토크가 제공되도록 하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 감속기가 없는 전기 모터의 정격 회전 속도는 원하는 속도 이상으로 빠르고 정격 토크는 원하는 토크 이하이기 마련이다. 따라서 저속의 고 토크 구동장치가 필요할 경우 감속기를 사용하게 되는데 감속기를 모터 전단에 배치하는 구동장치 구성방식으로는 구동장치의 길이가 길어지게 되는 단점이 있다. 이는 납작한 팬케이크 형태의 모터에 감속기를 결합할 경우에도 마찬가지이다.

상기와 같은 단점을 가진 구동장치 중 바퀴방식을 이용하여 구현한 종래 바퀴 주행 로봇의 구동장치 조립 예시도가 도 6에 개시되어 있는데, 이를 참조하여 보충 설명하자면 단일의 모터와 단일의 감속기가 일축상에서 연결되어 장치됨으로써 축방향으로 최소한도 이상의 설치공간이 확보되어야 한다는 단점이 있고, 이러한 조건에 따라 바퀴 주행 로봇의 구동장치의 축소설계시 제한을 받게 되어 소형화를 위한 다양한 설계가 어렵다는 문제점이 있다.

보다 자세히 설명하자면 도 6에서는 4륜구동이 아닌 2륜구동으로 구성하고 구동축이 아닌 바퀴에는 벨트를 사용하여 동력을 전달하는 구성을 도시하고 있는데, 감속기와 모터의 결합에 긴 공간이 필요하여 전후축 중 어느 한축상에 동시에 2쌍의 모터 및 감속기가 설치되지 못하고 전후축 각각에 한쌍의 감속기 및 모터만 설치된 구조를 보인다.

더욱이 만약 구동력을 증대시키기 위해서 4개의 바퀴를 각각 구동하는 4륜 구동일 경우 도시된 공간보다 2배 이상의 구동모터 및 감속기의 설치를 위한 폭방향 공간이 필요하게 된다.

또한 주행 바퀴를 직접 구동할 경우 직경은 바퀴보다 작으면서 길이가 짧은 구동장치가 있을 경우 바퀴에 직결할 수 있어서 기구부가 매우 간단해지는 장점이 있으나 모터 전단에 감속기를 배치하는 일반적인 구동장치 구성 방식으로는 이와 같은 형태를 가질 수 없다. 또한 이와 같은 형태의 특수한 모터를 소량으로 제작할 경우 높은 비용이 요구된다는 문제점이 있다.

또한 종래 단일 감속기와 구동모터로 이루어진 바퀴 주행 방식 로봇의 구동장치는 감속기 또는 모터 중 어느 하나의 고장에도 구동장치 전체가 작동을 멈춘다는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 구동장치에 있어서 그 구동장치의 축방향 길이가 짧으면서 저속의 고토크가 발생되도록 하는 구동방법을 제공하는 데 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 고가의 팬케이크(Pancake) 형태의 특수한 구동장치를 사용하는 대신 범용의 모터를 사용하여 감속기 없이 구동장치를 구동하는 방법을 제공하는 데 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 하나의 종동기어와 이를 구동시키는 다수개의 모터로 구성되어 다수의 모터 중 어느 하나가 고장 나더라도 구동장치가 지속적으로 구동될 수 있는 구동 방법을 제공하는 데 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 중공축을 가져 다양한 구동장치 구성이 가능하고, 백래시를 줄일 수 있고, 이의 크기를 작게 할 수 있어 구동기어와 종동기어의 감속비를 높일 수 있는 구동 방법을 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 구동장치를 이루는 구동수단에 모터의 회전력을 저속의 고토크로 전달하는 방법에 있어서,
구동수단에 회전력을 전달하는 종동기어를 구비한 후, 저토크 모터와 축결합하여 구동력을 얻는 다수의 구동기어를 이 종동기어의 둘레 방향으로 물려 동시에 동력을 전달시켜 토크를 증대시키는 방법으로 이루어지되, 여기서 토크의 증대비율은 (모터 갯수 n)× (감속비 g)로 증대시키고, 감속비(g)는 수식 "

"에 따라 결정하되, r₁은 구동모터의 회전축상에 설치된 구동기어의 반지름이고, r₂는 종동기어의 반지름이 되도록 하여 토크를 증대시키는 방법을 특징으로 한다.

삭제

상기 종동기어 및 다수의 구동기어는 스퍼어기어, 헬리컬기어, 베벨 기어, 스파이럴 베벨 기어, 워엄기어 중에서 선택된 하나로 구성하여 토크를 증대시키도록 구성한다.

더 큰 토크가 요구되는 경우 상기 구동모터와 구동기어 사이에 길이가 짧은 저 감속비의 감속기를 연결하여 토크를 더 증대시키도록 구성한다.

상기에서 종동기어와 맞물리는 구동수단은 바퀴, 궤도, 롤러, 링크 중에서 선택된 하나이다.

상기와 같은 토크 증대방법을 가지는 본 발명의 토크 증대구조체는 다음과 같다.

구동장치를 이루는 구동수단에 모터의 회전력을 저속의 고토크로 전달하는 동력전달구조에 있어서, 구동수단에 회전력을 전달하는 종동기어와; 이 종동기어의 둘레 방향에서 동일평면상에서 물리도록 설치된 다수의 구동기어와; 이 구동기어 각각에 구동력을 전달하도록 각각 축결합된 저토크모터로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 다수의 저토크모터는 균일한 동력전달이 이루어 지도록 하나의 고정브라킷 상에 설치한다.

상기 종동기어가 연결된 종동출력축은 축 중간으로 배선이 지나갈 필요가 있을 경우 중공 형태를 가지도록 구성할 수 있다.

이하 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 다수의 구동모터가 종동기어에 연결된 것을 보인 본 발명의 예시도이고, 도 2는 다수의 모터가 중공형 종동기어에 장치된 것을 보인 본 발명의 예시도인데, 그 구성을 보면 하나의 중공을 가지는 종동기어 둘레에 이 종동기어와 맞물리는 다수의 모터 회전축 끝단에 설치된 구동기어가 구동력을 제공토록 구성된다. 즉, 동일한 회전 특성을 가진 다수의 모터에 연결된 구동 기어들을 이용하여 하나의 종동 기어를 구동함으로써 토크를 증대시키는 구성이다.

상기에서 종동기어 및 구동기어는 스퍼어 기어이다.

이와 같은 본 발명 구조는 비교적 길이가 짧은 소형의 저 토크 모터를 다수 사용하여 동일한 종동 기어를 구동함으로써 토크를 증대시켜 길이가 짧은 고 토크의 구동 장치를 쉽게 구현하게 된다.

이때 토크의 증대 비율은 (모터 갯수 n)× (감속비 g)가 된다.

상기 감속비(g)를 나타내는 수식은 "

"이고, 여기서 r₁은 구동모터의 회전축상에 설치된 구동기어의 반지름이고, r₂는 종동기어의 반지름이다.

또한 상기와 같은 본 발명의 구성은 도 2에서 보는 바와 같이 다수의 구동 모터를 중공형 종동 기어 주변에 배치함으로써 케이블 배선 등에 용이한 중공 형태의 구동 장치를 쉽게 구현할 수 있다.

또한 도 2를 보면 다수의 모터가 회전시 진동을 저감하여 안정된 동력 전달이 이루어지도록 고정브라킷 상에 모터를 설치하였다.

상기와 같은 복수개의 모터를 사용하는 구성은 단일 모터와 감속기를 사용시 발생할 수 있는 모터나 감속기 어느 하나의 고장으로 일어날 수 있는 구동장치의 가동중단을 다수의 모터를 사용함으로써 일부 모터가 고장이 날 경우에도 나머지 모터의 구동력을 이용하여 구동하게 된다.

상기와 같은 본 발명의 구성은 종동 기어 하나에 여러 개의 구동기어가 맞물리기 때문에 종동기어의 백 래시를 크게 줄일 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 구성은 종동 기어의 구동력을 여러 개의 구동기어가 분산하여 제공하기 때문에 구동/종동기어의 이의 크기를 작게 할 수 있다.

또한 본 발명의 구동모터는 필요시 토크 증대를 위해서 구동기어와 구동모터 사이에 감속기가 결합된 모터를 사용할 수 있다.

상기에서 종동기어와 맞물리는 구동수단은 바퀴, 궤도, 롤러 등 어느 것으로 구성하여도 된다.

또한 도시된 바와 같이 중공축을 통해 케이블 배선이 통과 될 수 있어 장치구성의 다양한 설계가 가능하게 된다.

도 3은 여러종류의 기어형태에 적용된 본 발명의 예시도인데, 본 발명의 구동/종동기어는 도 1과 같은 스퍼어 기어 이외에도 헬리컬 기어에도 적용될 수 있으며, 또한 도 3의 예시처럼 (A)베벨 기어, (B)스파이럴 베벨 기어, (C)워엄휠 및 워엄기어로 적용할 수 있다.

도 4는 본 발명이 적용된 바퀴 주행 로봇의 구동장치 조립 예시도를 도시하고 있는데, 차체 양단 좌우 바퀴에 각각 결합되는 중공축을 가지는 한개의 종동기어와, 이 종동기어의 둘레에 형성된 기어이에 맞물리는 구동모터의 끝단에 형성된 구동기어가 다수개 형성되어 하나의 구동장치를 이루고, 이 구동장치는 동일축상에 2개가 동시에 설치된 것을 도시하고 있다.

또한 구동장치가 없는 비동력축 쪽 바퀴에는 각각 동력축으로부터 벨트가 연결되어 동력을 전달하도록 구성하였다.

따라서 동일축상에 2쌍의 구동장치가 설치될 수 있음을 보이고 있다.

이와 같은 본 발명의 구성은 4개의 바퀴가 각각 구동하는 전륜 구동방식에도 적용할 수 있는데, 종래에는 4륜구동으로 구성시 긴 감속기/모터의 결합구조가 필요하여 차체의 폭이 커져야 하는 반면, 본 발명은 전술한 바와 같이 동일축상에 2쌍의 구동장치가 설치될 수 있어서 4륜으로 구성하여도 특별한 공간상의 제약은 필요치 않게 된다.

도 5는 본 발명 다수모터간의 결선도를 도시하고 있는데, 본 발명의 다수개 구동모터 제어는 사용되는 DC모터의 특성이 동일할 경우 병렬 또는 직렬로 다수의 모터를 결선하여 하나의 모터처럼 구동하면 된다. 이와 같은 구동 방식 자체는 일반적인 결선 방법이다.

도 7은 일반적인 모터의 형태를 나타내는 사진으로 (a)는 일반적인 모터를 도시하고 있고, (b)는 팬케이크형 모터를 도시하고 있다. 도시된 바와 같은 팬 케 이크형 모터의 길이가 훨씬 짧은 것임을 알수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상기와 같은 본 발명은 바퀴 주행 방식 로봇의 구동장치에서 고가의 특수한 소량 생산된 팬 케이크 형태의 구동장치를 사용하는 대신 종동기어에 연결되는 모터를 범용의 모터를 사용하여 감속기 없이 저속의 고토크가 발생되면서 종동기어의 둘레에서 다수의 구동기어에 의한 동력전달방식으로 설치공간의 축소가 가능하여 전체적인 소형화 설계가 가능하다는 장점과,

종동기어와 이를 구동시키는 다수개의 모터로 구성되어 다수의 모터중 어느 하나가 고장 나더라도 구동장치가 지속적으로 구동될 수 있다는 장점과,

필요시 중공축을 가진 종동기어를 사용하여 다양한 구동장치 구성이 가능하고, 백래시를 줄일 수 있으며, 이의 크기를 작게 할 수 있어 구동기어와 종동기어의 감속비를 높일 수 있다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.

Claims (11)

1. 삭제
2. 구동장치를 이루는 구동수단에 모터의 회전력을 저속의 고토크로 전달하는 방법에 있어서,

   구동수단에 회전력을 전달하는 종동기어를 구비한 후, 저토크 모터와 축결합하여 구동력을 얻는 다수의 구동기어를 이 종동기어의 둘레 방향으로 물려 동시에 동력을 전달시켜 토크를 증대시키는 방법으로 이루어지되, 여기서 토크의 증대비율은 (모터 갯수 n)× (감속비 g)로 증대시키고, 감속비(g)는 수식 "

   

   "에 따라 결정하되, r₁은 구동모터의 회전축상에 설치된 구동기어의 반지름이고, r₂는 종동기어의 반지름이 되도록 하여 토크를 증대시키는 방법을 특징으로 하는 다수의 모터를 이용한 구동장치의 토크증대 방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 종동기어 및 다수의 구동기어는 스퍼어기어, 헬리컬기어, 베벨 기어, 스파이럴 베벨 기어, 워엄기어 중에서 선택된 하나로 구성하여 토크를 증대시키는 방법을 특징으로 하는 다수의 모터를 이용한 구동장치의 토크증대 방법.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 구동모터와 구동기어 사이에 감속기를 연결하여 토크를 더 증대시키는 방법을 특징으로 하는 다수의 모터를 이용한 구동장치의 토크증대 방법.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 종동기어와 맞물리는 구동수단은 바퀴, 궤도, 롤러 중에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 다수의 모터를 이용한 구동장치의 토크증대 방법.
6. 삭제
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