KR100800449B1

KR100800449B1 - 하모닉 감속기

Info

Publication number: KR100800449B1
Application number: KR1020070024805A
Authority: KR
Inventors: 조창현; 김문상
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2007-03-14
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2008-02-04

Abstract

본 발명은 하모닉 감속기에 관한 것으로서, 보다 상세하게 본 발명에 따른 하모닉 감속기는 복수 개의 원통형 내접 기어; 상기 각 내접 기어에 맞물리는 가요성 기어; 및 상기 가요성 기어의 내측에 설치되어 회전하면서 상기 가요성 기어를 변형시켜 하모닉 운동을 발생시키는 파동 발생부를 포함한다. 여기서, 상기 가요성 기어는, 상기 복수 개의 내접 기어에 일체로 맞물리게 형성됨으로써, 상기 복수 개의 내접 기어 중 어느 하나를 고정하고 나머지 내접 기어를 출력으로 취출할 때, 복수의 하모닉 운동을 중첩시켜 출력을 발생시킨다.

감속, 하모닉, 중첩, 기어

Description

하모닉 감속기 {HARMONIC DRIVE}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하모닉 감속기의 단면도이다.

도 2는 도 1에 도시된 하모닉 감속기 중 파동 발생부와 가요성 기어를 도시한 단면도이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하모닉 감속기의 파동 발생부를 나타낸 측면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10: 내접 기어 11: 제1 내접 기어

12: 제2 내접 기어 20: 가요성 기어

30: 파동 발생부 31: 입력축

32: 캠 33: 베어링부

40: 파동 발생부 41: 회전판

42: 회전 롤러 100: 하모닉 감속기

111: 제1 내접 치 121: 제2 내접 치

201: 제1 외접 치 202: 제2 외접 치

본 발명은 하모닉 감속기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가요성 기어를 이용하여 액추에이터를 감속시키는 하모닉 감속기에 관한 것이다.

일반적으로 하모닉 감속기는 원통형의 내접 기어, 컵 형태의 가요성 기어 및 파동 발생부로 구성되어 있다. 파동 발생부는 통상 타원 형상을 이루며 상기 가요성 기어의 내측에 장착된다. 이 파동 발생부가 장착된 가요성 기어는 상기 내접 기어의 내주면에 설치된다. 내접 기어와 가요성 기어는 서로 미끌림이 발생하지 않도록 서로 대응하는 치형이 가공되며, 가요성 기어의 치수(齒數)는 내접 기어의 치수(齒數)보다 적게 형성된다.

상기한 하모닉 감속기에서, 내접 기어를 고정시키고 파동 발생부를 회전시키면, 가요성 기어와 내접 기어의 치수(齒數) 차이로 인한 미세한 회전이 가요성 기어에서 발생하는데, 이를 하모닉 운동이라 한다. 이와 같은 하모닉 운동을 이용한 것이 바로 하모닉 감속기인 것이다.

이러한 운동이 가능하려면 컵 형태의 가요성 기어에 있어서, 컵의 입구에 해당되는 부분은 유연해야하고, 출력을 만드는 컵의 바닥에 해당되는 부분은 단단해야 한다. 즉, 하나의 부품에서 서로 다른 물리적인 성질을 가지도록, 제품을 설계 및 제작하는 것은 많은 어려움이 따른다.

이와 같은 문제점을 극복하기 위해, 띠 형태의 가요성 기어를 적용한 감속기가 개발되었다. 이때에는 띠 형태의 가요성 기어의 회전을 유효한 출력으로 만들기 위해, 추가의 내접 기어가 필요하다. 그런데, 추가의 내접 기어는 가요성 기어와 동일한 치수를 갖도록 설계되어 있기 때문에, 추가의 내접 기어와 띠 형태의 가요성 기어 사이에는 상대 회전 운동이 발생하지 않는다. 즉, 추가의 내접 기어는 가요성 기어의 회전을 그대로 전달하는 기능뿐이었다.

그러나, 가요성 기어는 타원형상으로 변형되므로 추가의 내접 기어와 가요성 기어 사이에는 반경 방향으로 상대운동이 발생할 수밖에 없다. 즉, 타원 형상의 파동 발생부의 장축과 단축의 차이만큼 상대운동이 발생하는 것이다.

상기와 같은 상대운동의 발생에 의해 추가의 내접 기어와 가요성 기어 사이에 이물림율이 저하되며, 백래쉬가 발생하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 설계 및 제작이 용이하며, 파동 발생부의 장축과 단축의 길이 차이만큼 발생하는 상대운동을 제거하여 백래쉬의 발생이 억제된 출력을 발생시키는 하모닉 감속기를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 하모닉 감속기는, 복수 개의 원통형 내접 기어; 상기 각 내접 기어에 맞물리는 가요성 기어; 및 상기 가요성 기어의 내측에 설치되어 회전하면서 상기 가요성 기어를 변형시켜 하모닉 운동을 발생시키는 파동 발생부를 포함한다. 여기서, 상기 가요성 기어는, 상기 복수 개의 내접 기어에 일체로 맞물리게 형성됨으로써, 상기 복수 개의 내접 기어 중 어느 하나를 고정하고 나머지 내접 기어를 출력으로 취출할 때, 복수의 하모닉 운동을 중첩시켜 출력을 발생시킨다.

또한, 상기 복수 개의 내접 기어는 서로 다른 피치 지름을 가질 수 있다.

또한, 상기 내접 기어는 병렬적으로 배치되는 제1 내접 기어와 제2 내접 기어로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 가요성 기어는 밴드 형태로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 가요성 기어는 상기 복수 개의 내접 기어의 서로 다른 피치지름에 대응하는 복수의 치열을 갖는다.

또한, 상기 내접 기어의 피치원 길이 대 상기 외접 기어의 피치원 길이의 비율은 서로 다르게 형성될 수 있다.

또한, 상기 파동 발생부는 구동부에 연결되는 회전판 및 상기 회전판의 둘레를 따라 복수 개로 설치되어 상기 가요성 기어와 접촉하면서 자유 회전하는 회전 롤러로 이루어질 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 하모닉 감속기를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하모닉 감속기의 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 하모닉 감속기 중 파동 발생부와 가요성 기어를 도시한 단면도이다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 하모닉 감속기(100)는 복수 개의 원통형 내접 기어(10), 가요성 기어(20) 및 파동 발생부(30)를 포함한다.

내접 기어(10)는 병렬적으로 배치되는 제1 내접 기어(11)와 제2 내접 기어(12)로 이루어지며, 그 내주면에는 각각 제1 내접 치(齒)(111)와 제2 내접 치(齒)(121)가 형성된다. 제1 내접 치(111)와 제2 내접 치(121)는 서로 다른 치수(齒數), 치형 또는 피치 지름을 가질 수 있다.

가요성 기어(20)는 상기 제1 내접 치(111)와 제2 내접 치(121)에 각각 맞물리는 제1 외접 치(201)와 제2 외접 치(202)를 외주면에 일체로 구비하고 있다. 가요성 기어(20)의 제1 외접 치(201)와 제2 외접 치(202)는 제1 내접 치(111)와 제2 내접 치(121)보다 각각 치수(齒數)가 적다. 이에 따라, 본 발명에 따른 하모닉 감속기(100)는 복수의 하모닉 운동을 중첩시켜 출력을 발생시킨다. 이에 대해서는 뒤에서 자세히 설명하기로 한다.

또한, 가요성 기어(20)는 일례로 밴드 형태로 이루어지며, 고무, 합성고무, 합금, 플라스틱 등 탄성을 가지는 재질로 이루어진다. 따라서, 가요성 기어(20)는 후술할 파동 발생부(30)의 회전에 의해 변형하면서 회전하게 된다.

파동 발생부(30)는 입력축(31)에 고정되는 타원 형상의 캠(32) 및 캠(32)의 외주면에 장착되는 베어링부(33)로 구성된다. 베어링부(33)는 도시된 바와 같이, 한 쌍으로 분리되어 형성될 수 있으나, 서로 일체로 형성될 수도 있다.

도 2를 참고하면, 가요성 기어(20)의 제1 외접 치(201)는 D1의 피치 지름을 가지며, 제2 외접 치(202)는 D2의 피치 지름을 가진다. 또한, 제1 외접 치(201)와 제2 외접 치(202)는 치수(齒數)를 서로 다르게 구성할 수 있다. 즉, 제1 내접 치(111)의 피치원 길이 대 제1 외접 치(201)의 피치원(일반적으로 타원) 길이 비율과 제2 내접 치(121)의 피치원 길이 대 제2 외접 치(202)의 피치원(일반적으로 타원) 길이의 비율을 다르게 구성한다. 이와 같이, 가요성 기어의 제1,2 외접 치(201)(202)의 피치 지름을 서로 다르게 구성하고, 이에 상응하는 내접 기어(10)의 상기 제1,2 내접 치(111)(121)를 구성함으로써, 본 발명에 따른 하모닉 감속기(100)는 복수의 하모닉 운동이 발생하고, 다양한 감속비를 구현할 수 있다.

상기와 같은 구성을 가진 하모닉 감속기(100)의 작용을 살펴보면, 제1 내접 기어(11)를 고정시키고 입력축(31)을 회전시키면 파동 발생부(30) 전체가 회전하게 된다. 파동 발생부(30)의 회전에 의해, 본 발명의 실시예에 따른 하모닉 감속기(100)는 제1 하모닉 운동과 제2 하모닉 운동을 중첩시켜 최종적으로 제2 내접 기어(12)로 출력을 발생시킨다.

먼저, 제1 하모닉 운동은 제1 내접 기어(11), 가요성 기어(20)의 제1 외접 치(201) 및 파동 발생부(30)에 의해 발생한다. 제1 내접 기어(11)는 고정되어 있다고 가정한다. 파동 발생부(30)가 회전하면, 가요성 기어(20)가 변형하면서 제1 내접 기어(201)와 제1 외접 치(201) 사이의 상호 작용으로 가요성 기어(20)는 파동 발생부(30)의 회전 방향과 반대 방향으로 회전하게 되며, 이로써 제1 하모닉 운동이 생성된다.

다음으로, 제2 하모닉 운동은 제2 내접 기어(12), 가요성 기어(20)의 제2 외접 치(202) 및 파동 발생부(30)에 의해 발생한다. 여기서, 가요성 기어(20)는 고정되었다고 가정한다. 파동 발생부(30)가 회전하면, 가요성 기어(20)가 변형하면서 제2 내접 기어(12)와 제2 외접 치(202) 사이의 상호 작용으로 제2 내접 기어(12)는 파동 발생부(30)의 회전 방향과 동일한 방향으로 회전하게 되며, 이로써 제2 하모닉 운동이 생성된다.

상기와 같은 제1 하모닉 운동과 제2 하모닉 운동은 가요성 기어(20)가 일체로 형성되어 있으므로 서로 합쳐지며, 이에 따라 최종적으로 제2 내접 기어(12)로 출력이 발생한다.

상기와 같은 구동 과정에서, 본 발명에 따른 하모닉 감속기는, 하모닉 운동을 한번 더 발생시킴으로써, 치수(齒數)를 동일하게 형성하여 단순히 동력 전달만을 목적으로 구성한 하모닉 감속기보다, 이물림률을 개선하고, 백래쉬를 감소시킬 수 있다. 즉, 본 발명은 기존 하모닉 감속기의 특징을 그대로 이용하면서 보다 안정된 출력을 취출할 수 있다.

상기에서는 제2 내접 기어(12)를 출력으로 취출하는 경우에 대해서 설명하였으나, 제1 내접 기어(11) 및 가요성 기어(20)로 출력을 취출할 수도 있다.

도 3을 참고하면, 파동 발생부(40)는 구동부(미도시)에 연결되어 회전하는 회전판(41) 및 회전판(41)의 둘레에 복수개로 설치되어 자유 회전하는 회전 롤 러(42)를 포함한다. 본 실시예에 따른 파동 발생부(40)는 질량을 줄일 수 있는 장점이 있다.

지금까지, 내접 기어가 2개인 경우에 대해서 설명하였으나, 내접 기어의 개수는 증가될 수 있다. 이때, 가요성 기어의 외접 치도 그에 따라 증가된다.

또한, 가요성 기어가 n개(2개 이상)의 서로 다른 피치 지름 또는 치수를 가지는 외접 치를 가지는 경우, 하나의 입력에 대하여 n-1개의 서로 다른 감속비를 갖는 출력을 구비할 수 있다. 즉, 가요성 기어의 외접 치와 내접 기어가 3개로 구성되는 경우, 고정되는 내접 기어를 제외한 2개의 내접 기어로부터 서로 다른 감속비를 갖는 출력을 얻을 수 있다.

그리고, 가요성 기어가 컵 형태로 이루어지는 경우에는 가요성 기어로부터도 출력을 얻을 수 있으므로, n개의 서로 다른 감속비를 갖는 출력을 얻을 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 하모닉 감속기는 복수의 하모닉 운동을 조합하여 출력을 발생시킴으로써, 이뮬림률을 개선하고 백래쉬를 방지할 수 있으며, 다양한 감속비를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 전체적으로 컴팩트하게 구성될 수 있는 장점이 있다.

Claims

복수 개의 원통형 내접 기어;

상기 각 내접 기어에 맞물리는 가요성 기어; 및

상기 가요성 기어의 내측에 설치되어 회전하면서 상기 가요성 기어를 변형시켜 하모닉 운동을 발생시키는 파동 발생부를 포함하며,

상기 가요성 기어는,

상기 복수 개의 내접 기어에 일체로 맞물리게 형성됨으로써, 상기 복수 개의 내접 기어 중 어느 하나를 고정하고 나머지 내접 기어를 출력으로 취출할 때, 복수의 하모닉 운동을 중첩시켜 출력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 하모닉 감속기.
제1항에 있어서,

상기 복수 개의 내접 기어는 동일 치형에 서로 다른 치수(齒數)를 가지는 것을 특징으로 하는 하모닉 감속기.
제1항에 있어서,

상기 복수 개의 내접 기어는 서로 다른 치형 및 피치 지름을 가지는 것을 특징으로 하는 하모닉 감속기.
제1항에 있어서,

상기 내접 기어는 병렬적으로 배치되는 제1 내접 기어와 제2 내접 기어로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하모닉 감속기.
제1항에 있어서,

상기 가요성 기어는 밴드 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하모닉 감속기.
제1항에 있어서,

상기 가요성 기어는 상기 복수 개의 내접 기어의 치형, 치수(齒數) 및 피치 지름에 대응하는 외접 기어로 구성되는 것을 특징으로 하는 하모닉 감속기
제6항에 있어서,

상기 내접 기어의 피치원 길이 대 상기 외접 기어의 피치원 길이의 비율이 서로 다르게 형성되는 것을 특징으로 하는 하모닉 감속기.
제1항에 있어서,

상기 파동 발생부는 구동부에 연결되는 회전판 및 상기 회전판의 둘레를 따라 복수 개로 설치되어 상기 가요성 기어와 접촉하면서 자유 회전하는 회전 롤러로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하모닉 감속기.
서로 다른 피치 지름을 가지는 복수 개의 원통형 내접 기어;

상기 각 내접 기어의 피치 지름에 대응하는 피치 지름을 가지며, 상기 각 내접 기어에 일체로 맞물리게 형성되어, 상기 복수 개의 내접 기어 중 어느 하나를 고정하고 나머지 내접 기어를 출력으로 취출할 때, 복수의 하모닉 운동을 중첩시키는 밴드형의 가요성 기어; 및

상기 가요성 기어의 내측에 설치되어 회전하면서 상기 가요성 기어를 변형시켜 하모닉 운동을 발생시키는 파동 발생부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하모닉 감속기.