KR101193240B1 - 휠모듈 - Google Patents

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KR101193240B1
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김봉석
황정훈
박창우
권준호
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전자부품연구원
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Abstract

본 발명은 휠모듈을 개시한다. 본 발명은, 휠이 설치되는 휠바디부와, 상기 휠바디부 내부에 삽입되어 구동되는 엑추에이터와, 상기 휠바디부 및 상기 엑추에이터에 설치되는 토크센서와, 상기 엑추에이터 및 상기 휠바디부에 설치되어 상기 엑추에이터의 구동력을 상기 휠바디부로 전달하는 감속기를 포함한다.

Description

휠모듈{Wheel module}
본 발명은 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 휠모듈에 관한 것이다.
일반적으로 이동 가능한 장치들은 휠과 휠을 구동시키는 구동장치를 포함할 수 있다. 이때, 상기와 같은 장치들은 일반적으로 휠의 외부에 구동장치를 배치한 후 구동장치와 휠을 복잡한 기계구성들에 의하여 연결함으로써 다양하게 구동시킬 수 있다. 특히 근래에는 로봇이나 다른 여타의 기구들의 경우 이동성이 강조되면서 구동장치를 통한 휠의 구동은 필수적인 요소이다. 또한, 근래에는 상기와 같은 기구들이 소형화를 통하여 공간의 제한을 극복하도록 설계되는 것이 일반적이다.
그러나, 상기와 같이 많은 기구들에 있어서 구동장치를 통하여 휠을 구동시키는 경우 구동장치의 부피나 설치 위치에 따라 많은 공간을 차지하게 된다. 따라서 구동장치의 소형화를 통하여 설치 위치의 제한을 회피하고 동일한 토크를 통하여 상기와 같은 기구들을 이동시키는 것은 상당히 중요한 문제이다.
한편, 구동장치에서 발생하는 구동력을 휠에 전달하는 경우 구동장치에서 발생하는 토크와 실제 휠에 전달되는 토크의 크기 차이가 상이함으로써 구동장치가 파손되거나 구동장치와 휠을 연결하는 기계구성들이 파손되는 경우가 발생할 수 있다. 또한, 휠에 실제 필요한 토크를 구동장치에서 생성하지 못하는 경우 기구들의 이동이 방해되거나 이동하지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 구동장치와 실제 휠 사이에 거동을 분석하여 휠이 무리 없이 작동하도록 구동장치를 제어하는 것이 상당히 중요하다.
본 발명의 실시예들은 토크센서를 내장하여 엑추에이터를 제어함으로써 정밀한 제어가 가능하고 협소한 공간에도 설치가 가능한 휠모듈을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면은, 휠바디부와, 상기 휠바디부 내부에 삽입되어 구동되며, 상기 휠바디부를 회전시키는 엑추에이터와, 상기 휠바디부와 상기 엑추에이터 사이에 배치되어 상기 엑추에이터를 감싸도록 상기 휠바디부 내측에 배치되는 내부케이스와, 상기 내부케이스 및 상기 엑추에이터에 설치되는 토크센서를 포함하는 휠모듈을 제공할 수 있다.
또한, 상기 휠바디부는, 내부에 공간이 형성되고, 양단이 개방되도록 형성되는 바디부와, 상기 엑추에이터의 회전축이 삽입되며, 상기 바디부 일면의 개구된 부분에 결합하는 제 1 커버와, 상기 제 1 커버와 반대방향에 배치되어 상기 바디부 타면의 개구된 부분에 결합하고, 상기 내부케이스의 일부가 삽입되는 제 2 커버를 포함할 수 있다.
또한, 상기 휠바디부와 상기 내부케이스 사이에 배치되어 상기 휠바디부와 상기 내부케이스에 접촉하는 제 1 베어링을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 베어링은 미끄럼베어링일 수 있다.
또한, 상기 엑추에이터는, 상기 엑추에이터의 내부에 배치되어 상기 엑추에이터의 작동을 제한하는 브레이크를 구비할 수 있다.
또한, 상기 휠바디부와 결합하고, 상기 엑추에이터의 회전축이 삽입되어 고정되는 키홀드를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 내부케이스는, 상기 휠바디부를 관통하여 배치되는 고정커버와,
상기 고정커버와 결합하고, 내부에 상기 엑추에이터가 배치되는 베어링커버와, 상기 베어링커버와 결합하고, 내부에 상기 엑추에이터가 배치되는 모터홀더와, 상기 모터홀더와 결합하고, 상기 토크센서가 설치되는 토크센서실과, 상기 토크센서실과 결합하는 토크센서실커버를 구비할 수 있다.
또한, 상기 휠바디부의 내부에 배치되어 상기 토크센서 및 상기 엑추에이터와 전기적으로 연결되어, 상기 토크센서에서 측정된 토크값을 근거로 상기 엑추에이터의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 토크센서를 내장하여 엑추에이터를 제어함으로써 외부의 조건에 따라 엑추에이터를 정밀하게 제어 가능하다. 또한, 본 발명의 실시예들은 바퀴의 내부에 엑추에이터 및 토크센서를 삽입하여 소형화가 가능하며 협소한 공간에도 용이하게 적용 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 휠모듈을 보여주는 분해사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 휠바디부를 보여주는 분해사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 내부케이스를 보여주는 분해사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 휠모듈을 보여주는 분해사시도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 휠모듈(100)을 보여주는 분해사시도이다.
도 1을 참고하면, 휠모듈(100)은 휠바디부(110)를 포함한다. 이때, 휠바디부(110)는 외부를 휠바디부커버(114)가 감싸도록 배치될 수 있다.
한편, 휠모듈(100)은 휠바디부(110) 내부에 삽입되어 구동되는 엑추에이터(140)를 포함한다. 이때, 엑추에이터(140)는 다양하게 형성될 수 있다. 구체적으로 엑추에이터(140)는 모터를 포함할 수 있다.
엑추에이터(140)는 상기 모터에 삽입되는 회전축(141)을 포함할 수 있다. 이때, 회전축(141)은 외부로 돌출되어 엑추에이터(140)의 구동에 따라 회전할 수 있다. 엑추에이터(140)는 엑추에이터(140) 내부에 배치되는 브레이크(미도시)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 브레이크는 엑추에이터(140)의 구동을 제한하여 회전축(141)의 회전을 제한할 수 있다.
또한, 상기 브레이크는 다양한 방법으로 작동할 수 있다. 예를 들면, 상기 블레이크는 외부로부터 전기를 공급받아 회전축(141)의 회전을 정지시킬 수 있다. 또한, 상기 브레이크는 외부로부터 신호를 전송 받아 회전축(141)을 마찰시켜 회전축(141)의 회전을 정지시킬 수 있다.
엑추에이터(140)는 엑추에이터(140) 내부에 배치되는 감속기(미도시)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 감속기는 일반적인 감속기 형태로 형성되어 모터(미도시)의 토크를 증폭하여 회전축(141)으로 전달할 수 있다.
한편, 휠모듈(100)은 휠바디부(110)와 엑추에이터(140) 사이에 배치되는 내부케이스(130)를 포함한다. 이때, 내부케이스(130)는 엑추에이터(140)를 감싸도록 휠바디부(110)의 내측에 배치될 수 있다.
휠모듈(100)은 휠바디부(110)와 내부케이스(130) 사이에 배치되는 제 1 베어링(150)을 포함할 수 있다. 이때, 제 1 베어링(150)은 휠바디부(110)의 내면과 접촉하고 내부케이스(130)의 외면과 접촉할 수 있다. 또한, 제 1 베어링(150)은 미끄럼베어링을 포함할 수 있다. 따라서 제 1 베어링(150)은 휠바디부(110)와 내부케이스(130)가 서로 접촉하지 않도록 하여 휠바디부(110)와 내부케이스(130)가 서로 상이한 방향으로 운동시킬 수 있다.
휠모듈(100)은 내부케이스(130) 및 엑추에이터(140)에 설치되는 토크센서(120)를 포함한다. 이때, 토크센서(120)는 일단이 내부케이스(130)와 결합하여 고정되고, 타단이 엑추에이터(140)와 결합하여 고정될 수 있다. 따라서 토크센서(120)는 내부케이스(130)와 엑추에이터(140)의 비틀림 정도를 정확하게 측정할 수 있다.
한편, 휠모듈(100)은 휠바디부(110)와 결합하는 키홀드(160)를 포함할 수 있다. 이때, 키홀드(160)는 회전축(141)이 삽입되어 고정될 수 있다. 또한, 키홀드(160)는 외부장치(미도시)에 삽입되어 결합할 수 있다. 특히 키홀드(160)는 회전축(141)의 회전에 따라 휠바디부(110)와 함께 회전할 수 있다.
휠모듈(100)은 휠바디부(110)의 일면과 내부케이스(130) 사이에 배치되는 제 2 베어링(180)을 포함할 수 있다. 또한, 휠모듈(100)은 내부케이스(130)와 토크센서(120) 사이에 배치되는 제 3 베어링(190)을 포함할 수 있다.
휠모듈(100)은 휠바디부(110)의 내부에 배치되는 제어부(170)를 포함할 수 있다. 이때, 제어부(170)는 토크센서(120) 및 엑추에이터(140)와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 제어부(170)는 토크센서(120)에서 측정된 토크값을 근거로 엑추에이터(140)의 작동을 제어할 수 있다. 따라서 제어부(170)는 토크센서(120)에서 측정된 토크값에 따라 엑추에이터(140)의 작동을 신속하고 정확하게 제어할 수 있다.
한편, 이하에서는 휠바디부(110)와 내부케이스(130)에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 도 1에 도시된 휠바디부(110)를 보여주는 분해사시도이다.
도 2를 참고하면, 휠바디부(110)는 내부에 공간이 형성되는 바디부(111)를 포함할 수 있다. 이때, 바디부(111)는 양단이 개구되도록 형성될 수 있다.
휠바디부(110)는 회전축(141)이 삽입되는 제 1 커버(112)를 포함할 수 있다. 이때, 제 1 커버(112)는 바디부(111) 일면의 개구된 부분에 결합하여 바디부(111) 일면을 폐쇄할 수 있다.
또한, 제 1 커버(112)에는 회전축(141)이 삽입될 수 있다. 이때, 제 1 커버(112)는 키홀드(160)에 결합할 수 있다. 따라서 제 1 커버(112)는 회전축(141)의 회전에 따라 키홀드(160)와 함께 회전할 수 있다.
한편, 휠바디부(110)는 바디부(111)와 결합하는 제 2 커버(113)를 포함할 수 있다. 이때, 제 2 커버(113)는 제 1 커버(112)와 반대편에 배치되어 바디부(111) 타면의 개구된 부분에 결합할 수 있다. 또한, 제 2 커버(113)는 내부케이스(130)의 일부가 삽입될 수 있다. 구체적으로 후술할 고정커버(135)가 삽입될 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 내부케이스(130)를 보여주는 분해사시도이다.
도 3을 참고하면, 내부케이스(130)는 휠바디부(110)를 관통하여 배치되는 고정커버(135)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 고정커버(135)는 상기에서 설명한 바와 같이 제 2 커버(113)를 관통하도록 배치될 수 있다.
고정커버(135)는 양단이 개방되도록 형성될 수 있다. 이때, 고정커버(135)의 일단에는 고정판(136)이 결합하여 고정커버(135)의 일단을 폐쇄시킬 수 있다.
한편, 내부케이스(130)는 고정커버(135)와 결합하는 베어링커버(134)와, 베어링커버(134)와 결합하는 모터홀더(133)를 포함할 수 있다. 이때, 엑추에이터(140)는 베어링커버(134)와 모터홀더(133)를 관통하도록 배치될 수 있다.
구체적으로 베어링커버(134)와 모터홀더(133)의 중앙부분에는 홀이 형성되어 엑추에이터(140)는 상기 홀에 삽입되도록 배치될 수 있다. 이때, 엑추에이터(140)는 베어링커버(134) 및 모터홀더(133)와 접촉하지 않도록 배치될 수 있다.
한편, 내부케이스(130)는 모터홀더(133)와 결합하고, 토크센서(120)가 설치되는 토크센서실(131)을 포함할 수 있다. 또한, 내부케이스(130)는 토크센서실(131)과 결합하는 토크센서실커버(132)를 포함할 수 있다.
이하에서는 휠모듈(100)의 결합관계 및 토크센서(120)의 측정방법에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 도 1에 도시된 휠모듈(100)을 보여주는 분해사시도이다.
도 4를 참고하면, 토크센서실커버(132)와 토크센서실(131)은 바디부(111)의 내측에 배치될 수 있다. 이때, 토크센서실커버(132)와 바디부(111) 사이에는 제 2 베어링(180)이 배치될 수 있다. 제 2 베어링(180)은 쓰러스트 니들 베어링(Thrust needle bearing)을 포함할 수 있다.
한편, 토크센서실커버(132)와 토크센서실(131)의 내부에는 엑추에이터(140) 및 토크센서(120)가 배치될 수 있다. 특히 토크센서(120)는 일단이 엑추에이터(140)와 결합하고, 타단이 토크센서실(131)과 결합하여 고정될 수 있다. 이때, 바디부(111)의 내측에는 제어부(170)가 설치될 수 있다.
한편, 토크센서(120)가 배치되는 경우, 토크센서실(131)과 토크센서(120) 사이에는 제 3 베어링(190)이 배치될 수 있다. 이때, 제 3 베어링(190)은 볼베어링을 포함할 수 있다.
상기와 같이 배치가 완료되면, 토크센서실커버(132)와 토크센서실(131)은 서로 결합하여 고정될 수 있다. 이때, 제 1 베어링(150)은 토크센서실커버(132) 및 토크센서실(131)과 바디부(111) 사이에 배치되어 토크센서실커버(132) 및 토크센서실(131)의 외면과 바디부(111)의 내면과 접촉할 수 있다.
한편, 토크센서실(131)의 일면에는 모터홀더(133)가 배치될 수 있다. 이때, 모터홀더(133)는 토크센서실(131)과 결합하여 고정될 수 있다. 또한, 모터홀더(133)의 일측에는 베어링커버(134)가 배치되어 모터홀더(133)와 결합하여 고정될 수 있다.
특히 베어링커버(134)와 바디부(111) 사이에는 제 1 베어링(150)이 배치될 수 있다. 이때, 제 1 베어링(150)은 바디부(111)의 내면과 베어링커버(134)의 외면과 접촉하도록 배치될 수 있다.
고정커버(135)는 베어링커버(134)의 일측에 배치될 수 있다. 이때, 고정커버(135)는 베어링커버(134)와 결합하여 고정될 수 있다. 또한, 고정커버(135)의 일단에는 고정판(136)이 결합하여 고정커버(135)를 폐쇄할 수 있다.
한편, 바디부(111)에는 제 1 커버(112)와 제 2 커버(113)가 결합하여 고정될 수 있다. 이때, 제 1 커버(112)는 회전축(141)이 결합할 수 있다. 또한, 제 2 커버(113)는 고정커버(135)가 외부로 돌출되도록 고정커버(135)가 삽입될 수 있다.
제 1 커버(112)가 바디부(111)에 조립되면, 제 1 커버(112)에 키홀드(160)를 결합하여 고정시킬 수 있다. 이때, 키홀드(160)는 회전축(141)의 일부가 삽입되어 고정될 수 있다.
한편, 상기와 같이 조립된 휠모듈(100)은 엑추에이터(140)의 작동에 의하여 회전할 수 있다. 구체적으로 외부로부터 신호가 인가되면, 엑추에이터(140)가 작동하게 된다.
이때, 회전축(141)이 회전하면서, 키홀드(160)와 제 1 커버(112)를 회전시킬 수 있다. 또한, 바디부(111)는 제 1 커버(112)와 결합하여 제 1 커버(112)와 함께 회전할 수 있다. 특히 바디부(111)의 회전에 의하여 제 2 커버(113)도 회전할 수 있다. 이때, 휠바디부(110)가 회전하면, 키홀드(160)에 결합하는 상기 외부장치가 이동하게 된다.
한편, 휠바디부(110)가 회전하는 경우 내부케이스(130)는 회전하지 않을 수 있다. 구체적으로 제 2 커버(113)와 고정커버(135)는 서로 접촉하지 않으므로 제 2 커버(113)가 회전하는 동안 고정커버(135)는 회전하지 않을 수 있다.
또한, 토크센서실(131), 토크센서실커버(132), 베어링커버(134)는 제 1 베어링(150)과 접촉하므로 휠바디부(110)가 회전하더라도 휠바디부(110)의 운동과 분리되어 회전하지 않을 수 있다. 특히 토크센서실커버(132)의 경우 제 1 커버(112)와 제 2 베어링(180)에 의하여 접촉하므로 제 1 커버(112)의 회전에 영향을 받지 않을 수 있다.
따라서 휠모듈(100)은 엑추에이터(140)에서 생성되는 구동력이 회전축(141)을 통하여 휠바디부(110)로 간편하게 전달할 수 있다. 또한, 휠모듈(100)은 휠바디부(110)에 엑추에이터(140) 등이 삽입됨으로써 소형화가 가능하면서 휠바디부(110)의 회전에 필요한 충분한 토크를 신속하게 생성할 수 있다.
한편, 휠모듈(100)이 상기와 같이 작동하는 동안, 외부로부터 휠모듈(100)에 외력이 가해질 수 있다. 구체적으로 휠모듈(100)이 언덕을 올라가는 경우, 장애물에 걸리는 경우 등과 같은 상황이 발생하면, 휠모듈(100)에 외력이 가해질 수 있다. 이때, 상기 외력이 휠모듈(100)에 가해지게 되면, 엑추에이터(140)의 출력이 휠바디부(110)로 완전히 전달되지 않을 수 있다.
예를 들면, 엑추에이터(140)에서 제공하는 힘은 F1인데, 휠바디부(110)에서 구현되는 힘은 F1보다 작은 F2일 수 있다. 상기와 같은 상황이 발생하면, 휠바디부(110)는 회전을 원활하게 하지 못하게 되고, 상기 외부장치가 상기 언덕이나 장애물 등을 넘을 수 없게 된다. 또한, 상기와 같은 상황이 발생하면, 회전축(141)과 휠바디부(110)의 회전이 상이하게 되어 엑추에이터(140)와 내부케이스(130)의 뒤틀림이 발생하게 된다.
이때, 토크센서(120)는 엑추에이터(140)와 내부케이스(130) 사이의 뒤틀림 정도를 측정할 수 있다. 토크센서(120)는 뒤틀림 정도를 측정하기 위하여 상기와 같은 상황에서 발생하는 토크값을 측정할 수 있다.
토크센서(120)는 상기 측정된 토크값을 제어부(170)로 전송할 수 있다. 제어부(170)는 전송된 상기 토크값을 근거로 엑추에이터(140)를 제어할 수 있다. 예를 들면, 제어부(170)는 상기 토크값을 기 설정된 토크값과 비교할 수 있다. 이때, 제어부(170)는 상기 토크값이 기 설정된 토크값보다 작은 것으로 판단되면, 엑추에이터(140)의 작동을 계속 유지시킬 수 있다. 반면, 제어부(170)는 상기 토크값이 기 설정된 토크값보다 큰 것으로 판단되면, 엑추에이터(140)의 출력을 높이도록 제어할 수 있다.
제어부(170)가 상기와 같이 상기 토크값을 근거로 엑추에이터(140)를 제어하는 방법은 상기에 한정되지 않고 다양하게 제어될 수 있다.
한편, 제어부(170)가 상기와 같이 상기 토크값을 근거로 엑추에이터(140)를 제어하는 경우, 휠모듈(100)은 언덕이나 장애물을 넘기 위하여 충분한 출력을 낼 수 있다. 특히 토크센서(120)를 통하여 필요한 출력을 계산함으로써 제어부(170)를 통하여 정확한 출력 제어가 가능하다.
따라서 휠모듈(100)은 토크센서(120)를 통하여 외부 상황에 따라 신속하고 정확한 대응이 가능하다. 또한, 휠모듈(100)은 토크센서(120)를 휠바디부(110) 내부에 삽입함으로써 소형화와 편의성을 제공할 수 있다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
100 : 휠모듈 133 : 모터홀더
110 : 휠바디부 134 : 베어링커버
111 : 바디부 135 : 고정커버
112 : 제 1 커버 136 : 고정판
113 : 제 2 커버 140 : 엑추에이터
120 : 토크센서 150 : 제 1 베어링
130 : 내부케이스 160 : 키홀드
131 : 토크센서실 170 : 제어부
132 : 토크센서실커버 180 : 제 2 베어링
190 : 제 3 베어링

Claims (8)

  1. 휠바디부와,
    상기 휠바디부 내부에 삽입되어 구동되며, 상기 휠바디부를 회전시키는 엑추에이터와,
    상기 휠바디부와 상기 엑추에이터 사이에 배치되어 상기 엑추에이터를 감싸도록 상기 휠바디부 내측에 배치되는 내부케이스와,
    상기 내부케이스 및 상기 엑추에이터에 설치되는 토크센서를 포함하는 휠모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 휠바디부는,
    내부에 공간이 형성되고, 양단이 개방되도록 형성되는 바디부와,
    상기 엑추에이터의 회전축이 삽입되며, 상기 바디부 일면의 개구된 부분에 결합하는 제 1 커버와,
    상기 제 1 커버와 반대방향에 배치되어 상기 바디부 타면의 개구된 부분에 결합하고, 상기 내부케이스의 일부가 삽입되는 제 2 커버를 포함하는 휠모듈.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 휠바디부와 상기 내부케이스 사이에 배치되어 상기 휠바디부와 상기 내부케이스에 접촉하는 제 1 베어링을 더 포함하는 휠모듈.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 1 베어링은 미끄럼베어링인 휠모듈.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 엑추에이터는,
    상기 엑추에이터의 내부에 배치되어 상기 엑추에이터의 작동을 제한하는 브레이크를 구비하는 휠모듈.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 휠바디부와 결합하고, 상기 엑추에이터의 회전축이 삽입되어 고정되는 키홀드를 더 포함하는 휠모듈.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 내부케이스는,
    상기 휠바디부를 관통하여 배치되는 고정커버와,
    상기 고정커버와 결합하고, 내부에 상기 엑추에이터가 배치되는 베어링커버와,
    상기 베어링커버와 결합하고, 내부에 상기 엑추에이터가 배치되는 모터홀더와,
    상기 모터홀더와 결합하고, 상기 토크센서가 설치되는 토크센서실과,
    상기 토크센서실과 결합하는 토크센서실커버를 구비하는 휠모듈.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 휠바디부의 내부에 배치되어 상기 토크센서 및 상기 엑추에이터와 전기적으로 연결되어, 상기 토크센서에서 측정된 토크값을 근거로 상기 엑추에이터의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함하는 휠모듈.
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