KR101201415B1 - 가동풀리를 이용한 액추에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가동풀리를 이용한 액추에이터에 관한 것으로서, 제1 모터 및 상기 제1 모터에 연결되어 회전하는 제1 고정풀리; 제2 모터 및 상기 제2 모터에 연결되어 회전하는 제2 고정풀리; 상기 제1 고정풀리 및 상기 제2 고정풀리에 양단이 감겨지는 와이어에 의해 상기 제1 고정풀리 및 상기 제2 고정풀리와 연결되는 가동풀리; 및 상기 가동풀리에 고정 연결되어 상기 가동풀리와 함께 움직이는 출력수단을 포함하며, 본 발명에 따른 액추에이터는 2개 이상의 모터 특성을 조합하여 고속에서는 낮은 힘, 저속에서는 높은 힘을 가지는 새로운 동작 특성을 지닐 수 있다.

Description

가동풀리를 이용한 액추에이터{ACTUATOR USING MOVABLE PULLEY}

본 발명은 가동풀리를 이용한 액추에이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 2개 이상의 모터의 동작 특성을 조합하여 새로운 동작 특성을 생성해 낼 수 있는 가동풀리를 이용한 액추에이터에 관한 것이다.

최근에는, 다양한 분야, 예를 들면 의료 분야 등에까지 로봇 기술이 응용되고 있다. 로봇에서는 인간의 팔 또는 다리와 같은 기능을 구현하는 것이 요구되며, 이를 위해 다양한 종류의 액추에이터가 사용되고 있다.

특히, 생체를 모방한 로봇 또는 재활을 목적으로 하는 로봇을 구동하기 위한 액추에이터는, 인간 및 동물의 근육의 작동 방식과 유사하게 동작할 필요가 있다. 모터를 사용하여 이러한 액추에이터를 구현하게 되면 모터의 크기 및 용량에 따라 최대로 발휘 할 수 있는 토크 및 속도에 한계가 있다.

인간 및 동물의 근육은 상황에 따라 큰 힘으로 작동하거나 빠르게 작동한다. 예를 들어 사람의 팔 동작은 무거운 물건을 들어 올릴 때에는 천천히 관절이 구동되며, 가벼운 물체를 옮길 때에는 관절이 빠르게 구동되는 것을 볼 수 있다. 이와 같이 신체의 근육과 유사하게 작동하는 로봇 및 기계장치를 구동하기 위한 액추에이터에 일반적인 모터를 사용하는 경우, 최대 구동속도와 최대 구동토크를 모두 만족하는 고용량의 모터의 사용이 불가피하고, 이는 액추에이터의 소형화에 방해가 될 뿐 아니라 비용 측면에서도 비효율적이라는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 개선하기 위해서는 고속에서는 낮은 토크를 생성 하더라도 저속에서는 높은 토크를 생성 할 수 있는 액추에이터가 필요하다.

이와 같은 이유로 모터를 사용한 액추에이터에서 기어비를 가변할 수 있는 변속장치가 요구된다. 자동차에 사용되는 변속장치는, 구동력을 생성하는 엔진과 이를 구동축인 바퀴에 전달하는 과정에서 기어비를 변경함으로써 저속에서는 높은 토크, 고속에서는 낮은 토크를 생성하고 있다. 자동차와 같이 구동력을 생성하는 엔진의 크기가 크며 일정한 방향으로 지속적인 회전력을 제공하는 기계장치에서는 기계적인 기어 변환에 의한 기어변속장치의 사용이 효율적일 수 있다. 하지만, 로봇의 경우에는 빈번한 기어비 변환 및 구동 방향의 변환의 필요성에 의해 기계적인 기어 변환에 의한 변속장치의 사용이 어려울 수 있으며, 액추에이터의 크기 등의 문제로 이와 같은 변속장치의 사용이 문제가 될 수 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 가동풀리의 특성을 이용하여 2개 이상의 모터의 동작 특성을 조합하여 고속에서는 낮은 힘, 저속에서는 높은 힘을 생성할 수 있는 가동풀리를 이용한 액추에이터를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여,

복수개의 모터;

상기 모터들에 각각 연결되어 회전하는 복수개의 고정풀리;

상기 복수개의 고정풀리 중 하나 이상의 한쌍의 고정풀리에 양단이 감겨지는 와이어에 의해 상기 한쌍의 고정풀리와 연결되는 하나 이상의 가동풀리; 및

상기 가동풀리에 고정 연결되어 상기 가동풀리와 함께 움직이는 하나 이상의 출력수단;을 포함하는 가동풀리를 이용한 액추에이터를 제공한다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면,

제1 모터 및 상기 제1 모터에 연결되어 회전하는 제1 고정풀리;

제2 모터 및 상기 제2 모터에 연결되어 회전하는 제2 고정풀리;

상기 제1 고정풀리 및 상기 제2 고정풀리에 양단이 감겨지는 와이어에 의해 상기 제1 고정풀리 및 상기 제2 고정풀리와 연결되는 가동풀리; 및

상기 가동풀리에 고정 연결되어 상기 가동풀리와 함께 움직이는 출력수단;을 포함하는 가동풀리를 이용한 액추에이터를 제공한다.

여기서, 상기 출력수단은 상기 가동풀리의 중심부에 연결될 수 있다.

또한, 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터의 구동력을 상기 제1 고정풀리 및 상기 제2 고정풀리에 각각 전달하는 동력전달수단을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 동력전달수단은 서로 맞물리는 기어세트일 수 있다.

또한, 상기 기어세트는 웜기어 및 웜휠을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터의 구동축에는 각각 제1 웜기어 및 제2 웜기어가 구비되고, 상기 제1 고정풀리 및 상기 제2 고정풀리는 상기 제1 웜기어 및 상기 제2 웜기어와 각각 맞물려 회전하는 제1 웜휠 및 제2 윔휠에 각각 고정 설치될 수 있다.

또한, 상기 제1 윔휠 및 상기 제2 웜휠의 잇수는 서로 상이한 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터의 최대 회전속도 및 최대 토크가 서로 동일한 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면,

액추에이터 프레임;

상기 액추에이터 프레임에 장착되는 제1 모터 및 제2 모터;

상기 액추에이터 프레임에 수용되며 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터에 각각 연결되어 회전하는 제1 고정풀리 및 제2 고정풀리;

상기 제1 고정풀리 및 상기 제2 고정풀리에 양단이 감겨지는 와이어에 의해 상기 제1 고정풀리 및 상기 제2 고정풀리와 연결되는 가동풀리; 및

상기 가동풀리가 장착되는 가동부;를 포함하고,

상기 가동부는 슬라이딩 바에 의해 상기 액추에이터 프레임에 대해 슬라이딩 가능하게 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 가동풀리를 이용한 액추에이터를 제공한다.

여기서, 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터의 구동축에는 각각 제1 웜기어 및 제2 웜기어가 구비되고, 상기 제1 고정풀리 및 상기 제2 고정풀리는 상기 제1 웜기어 및 상기 제2 웜기어와 각각 맞물려 회전하는 제1 웜휠 및 제2 윔휠에 각각 고정 설치될 수 있다.

또한, 상기 제1 웜휠 및 상기 제2 웜휠의 잇수는 서로 상이한 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 2개 이상의 모터의 동작 특성을 가동풀리의 원리를 이용하여 조합함으로써 다양한 동작 특성을 발휘할 수 있는 액추에이터를 제공할 수 있다. 본 발명에 따른 액추에이터는 종래의 자동차용 변속장치보다 기계적인 구성이 단순하여 컴팩트화가 요구되는 소형 로봇 등에 응용될 수 있다. 나아가, 본 발명에 따른 액추에이터는 생체를 모방한 로봇, 재활 로봇 등의 분야에서 인간의 근육과 유사한 특징을 가지는 관절에 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가동풀리를 이용한 액추에이터의 구조도이다.
도 2는 일반적인 모터의 회전속도와 토크의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3은 모터의 동작 특성과 이를 조합하여 얻어지는, 본 발명에 따른 액추에이터에서 생성되는 동작 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 액추에이터에서 생성되는 다양한 동작 특성의 예시를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가동풀리를 이용한 액추에이터의 구조도이다.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업게의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가동풀리를 이용한 액추에이터의 구조도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가동풀리를 이용한 액추에이터(10)는, 제1 모터(1a) 및 상기 제1 모터에 연결되어 회전하는 제1 고정풀리(2a); 제2 모터(1b) 및 상기 제2 모터에 연결되어 회전하는 제2 고정풀리(2b); 상기 제1 고정풀리 및 상기 제2 고정풀리에 양단이 감겨지는 와이어(3)에 의해 상기 제1 고정풀리 및 상기 제2 고정풀리와 연결되는 가동풀리(4); 및 상기 가동풀리에 고정 연결되어 상기 가동풀리와 함께 움직이는 출력수단(5);을 포함한다.

제1 고정풀리(2a) 및 제2 고정풀리(2b)는 각각 제1 모터(1a) 및 제2 모터(1b)에 연결되어 회전한다. 모터와 고정풀리 사이에는 생성되는 새로운 동작 특성에 맞게 상기 모터의 동작 특성(회전속도 및 토크)을 1차적으로 변화시키기 위한 동력전달수단(6)이 구비될 수 있다. 동력전달수단은, 일 예로서 서로 맞물리는 기어세트일 수 있으며, 바람직하게는 웜휠(8a, 8b) 및 웜기어(7a, 7b)를 포함할 수 있다.

이와 같이 동력전달수단으로서 웜휠 및 웜기어를 사용하면, 웜휠로부터 윔기어로의 동력전달이 방지되어 모터의 작동으로만 액추에이터를 구동시킬 수 있어, 액추에이터의 브레이크 기능까지 구현해 낼 수 있다.

제1 모터(1a)의 구동축에 구비된 제1 웜기어(7a)와 맞물리는 제1 웜휠(8a)에는 제1 고정풀리(2a)가 설치되고, 마찬가지로 제2 모터(1b)의 구동축에 구비된 제2 웜기어(7b)와 맞물리는 제2 웜휠(8b)에는 제2 고정풀리(2b)가 설치된다. 따라서, 웜휠과 이에 설치된 고정풀리는 동일한 회전수로 회전하게 된다.

가동풀리(4)는 제1 고정풀리(2a) 및 제2 고정풀리(2b)에 양단이 감겨지는 와이어(3)에 의해 제1 고정풀리 및 제2 고정풀리와 연결되어 있다. 그리고, 이 와이어(3)에 의해 가동풀리(4)는 병진운동을 하게 되고, 가동풀리(4)의 중앙부(4a)에 설치된 출력수단(5) 역시 가동풀리와 함께 움직이게 된다. 출력수단(5)은 일 예로서 와이어, 링크, 실린더 등이 될 수 있다.

본 발명에 따른 액추에이터는 다음과 같이 동작한다. 즉, 모터에 의해 발생되는 구동력이 직접 또는 동력전달수단에 의해 그 동작 특성이 1차적으로 변화되어 고정풀리에 전달되고, 고정풀리의 외주면에 감겨진 와이어에 의해 가동풀리가 병진운동을 하게 되며 가동풀리에 연결된 출력수단은 움직도르래의 원리에 의해 새로운 동작 특성을 출력하게 된다.

이하에서는 제1 모터 및 제2 모터의 동작 특성이 어떻게 조합되어 액추에이터의 동작 특성이 새롭게 생성되는지를 살펴보기로 한다.

제1 고정풀리(2a) 및 제2 고정풀리(2b)에 의해 감기는 미소 변화량을 δX_a 및 δX_b로 표현하고, 이 때의 힘을 각각 f_a 및 f_b라 하면 제1 모터(1a) 및 제2 모터(1b)가 미소 변화량에 대해 한 일은 다음과 같다.

또한, 움직도르래의 법칙에 의해 가동풀리(4)의 위치 변화는 다음과 같다.

미소 변화량에 대한 제1 모터 및 제2 모터가 한 일은 가동풀리의 중심점의 일과 같으므로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

수학식 3에 수학식 1을 대입하여 정리하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.

상기 수학식 1 내지 5를 이용하면, 가동풀리의 중심점에서의 미소 변화량과 힘을 아래와 같이 나타낼 수 있다.

수학식 6, 7의 미소 변화량을 각각의 속도로 표현하게 되면 다음과 같다.

수학식 8, 9를 이용하면, 제1 고정풀리 및 제2 고정풀리의 속도 및 힘을 입력으로 하여 새롭게 생성되는 가동풀리의 중심점(4a) 및 이에 연결된 출력수단(5)의 동작 특성(속도와 힘)을 알 수 있다.

도 2는 일반적인 모터의 회전속도와 토크에 관한 특성 그래프이다. 일반적으로 모터는 영역 B와 같은 회전속도-토크의 특성을 가지게 되는데, 이하에서는 간략화를 위해 모터가 영역 A와 같은 회전속도-토크의 특성을 가진다고 가정하여 조합된 액추에이터의 동작 특성을 설명할 것이다.

도 3의 (a)는 2개의 모터의 동작 특성을 나타낸 그래프이고, 도 3(b)는 이를 조합하여 새롭게 생성된 액추에이터 동작 특성을 나타낸 그래프이다.

동작 특성이 조합되는 2개의 모터는 서로 다른 사양(최대 회전속도 및 최대 토크)을 가질 수도 있고 또는 동일한 사양을 가질 수도 있다.

동일한 사양을 가진 2개의 모터를 일 예로 설명하면, 모터에 연결된 동력전달수단에 의해 모터의 최대 속도(또는 최대 회전속도) 및 최대 힘(또는 최대 토크)을 변화시킬 수 있다. 도 3(a)에서 도면부호 "11"과 도면부호 "12"는 각 모터에 연결된 웜휠의 잇수비가 1:2인 경우의 각 모터의 동작 특성을 나타낸다.

이와 같은 동작 특성을 가지는 모터를 조합하여 얻어지는 액추에이터의 동작특성은 도 3(b)의 도면부호 "13"으로 표시된다. 즉, 발휘되는 속도에서 비교적 힘의 특성이 일정한 모터의 동작 특성이, 본 발명에 따른 액추에이터에서는 낮은 힘이지만 고속으로 가동되며 저속에서는 큰 힘을 낼 수 있도록 속도와 힘의 특성 영역을 확장하여 새로운 동작 특성으로 변화되어 출력되는 것이다. 만약, 도면부호 "13"로 표현되는 최대 힘과 최대 속도를 일반적인 모터로 구현하기 위해서는 도면부호 "14"와 같은 동작 특성을 가지는 고용량의 모터를 사용해야 한다.

도 3(c)에서는 각 모터에 연결된 웜휠의 잇수비가 1:4인 경우를 나타내고 있으며, 이로부터 얻어지는 새로운 액추에이터의 동작 특성을 도면부호 "17"로 표시하고 있다.

도 4는 본 발명에 따른 액추에이터에서 생성되는 다양한 동작 특성의 예시를 나타낸 그래프이다. 즉, 사용되는 모터의 사양과 모터의 회전수를 변환시키는 동력전달수단을 적절히 설계하면, 원하는 작업환경에 맞는 동작 특성을 가지는 액추에이터를 설계할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 액추에이터는 기어 변속효과를 얻을 수 있으면서, 2개의 모터가 모두 구동력을 생성하는 데 사용되는 장점을 가지게 된다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가동풀리를 이용한 액추에이터(20)의 구조도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 가동풀리를 이용한 액추에이터(20)는, 액추에이터 프레임(21); 상기 액추에이터 프레임에 장착되는 제1 모터(22a) 및 제2 모터(22b); 상기 액추에이터 프레임에 수용되며 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터에 각각 연결되어 회전하는 제1 고정풀리(23a) 및 제2 고정풀리(23b); 상기 제1 고정풀리 및 상기 제2 고정풀리에 양단이 감겨지는 와이어(28)에 의해 상기 제1 고정풀리 및 상기 제2 고정풀리와 연결되는 가동풀리(24); 및 상기 가동풀리가 장착되는 가동부(25);를 포함한다. 그리고, 상기 가동부(25)는 슬라이딩 바(26)에 의해 상기 액추에이터 프레임에 대해 슬라이딩 가능하게 연결되어 있다.

액추에이터 프레임(21)은 액추에이터 본체에 해당되는 것으로서 여기에는 모터 및 고정풀리가 장착 또는 설치된다. 도 5에 도시된 액추에이터에서는 그 부피를 최소화하기 위해 각 고정풀리가 서로 상하방향으로 이격되게 위치하도록 배열되어 있으며, 와이어(28)에 의해 한쌍의 고정풀리(23a, 23b)와 연결되는 가동풀리(24)는 가동부(25)에 경사지게 설치되어 있다. 각 모터의 구동축에는 웜기어(미도시)가 구비되어 있으며, 이 웜기어와 맞물리는 웜휠(미도시)이 고정풀리(23a, 23b)에 설치되어 있다. 그리고, 이 웜휠의 잇수를 조절하여 고정풀리의 회전수를 변화시킬 수 있다. 구체적인 액추에이터의 작동 메커니즘은 도 1에 도시된 것과 실질적으로 동일하므로, 자세한 설명은 생략하기로 한다.

가동부(25)는 액추에이터(20)의 출력수단에 해당되는 것으로, 모터의 구동시 이 가동부가 슬라이드 바(26)의 길이방향을 따라 직선운동을 하게 된다.

한편, 액추에이터 프레임(21)에는 모터의 회전수 또는 가동부의 이동량을 검출하기 위한 엔코더(27)가 더 설치될 수 있다.

이와 같이 구성되는 액추에이터는 소형의 모터 2개를 조합하여 실제 사용환경에서 요구되는 다양한 동작 특성을 생성해 낼 수 있다.

지금까지는 2개의 모터를 이용하여 모터의 동작 특성을 조합하여 새로운 동작 특성을 생성하는 액추에이터에 대해 살펴보았으나, 반드시 모터의 개수가 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 액추에이터는 다수개의 모터와 이에 연결된 다수개의 고정풀리, 하나 이상의 한쌍의 고정풀리와 와이어에 의해 연결된 하나 이상의 가동풀리를 이용하여 하나 이상의 출력수단을 포함할 수 있으며, 다수개의 모터와 이에 연결되는 다수개의 고정 풀리 및 다수개의 가동풀리를 조합하여 다양한 동작 특성을 생성해 내는 출력수단을 포함할 수 있다.

본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (12)

1. 제1 모터 및 상기 제1 모터에 연결되어 회전하는 제1 고정풀리;
   제2 모터 및 상기 제2 모터에 연결되어 회전하는 제2 고정풀리;
   상기 제1 고정풀리 및 상기 제2 고정풀리에 양단이 감겨지는 와이어에 의해 상기 제1 고정풀리 및 상기 제2 고정풀리와 연결되는 가동풀리;
   상기 가동풀리에 고정 연결되어 상기 가동풀리와 함께 움직이는 출력수단; 및
   상기 제1 모터 및 상기 제2 모터의 구동력을 상기 제1 고정풀리 및 상기 제2 고정풀리에 각각 전달하는 동력전달수단;을 포함하고,
   상기 제1 모터 및 상기 제2 모터가 함께 구동될 때, 그 동작 특성이 상기 동력전달수단에 의해 각각 변화된 후 다시 상기 가동풀리에 의해 조합되는 것을 특징으로 하는 가동풀리를 이용한 액추에이터.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 출력수단은 상기 가동풀리의 중심부에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 가동풀리를 이용한 액추에이터.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 동력전달수단은 서로 맞물리는 기어세트인 것을 특징으로 하는 가동풀리를 이용한 액추에이터.
6. 제5항에 있어서,
   상기 기어세트는 웜기어 및 웜휠을 포함하는 것을 특징으로 하는 가동풀리를 이용한 액추에이터.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1 모터 및 상기 제2 모터의 구동축에는 각각 제1 웜기어 및 제2 웜기어가 구비되고,
   상기 제1 고정풀리 및 상기 제2 고정풀리는 상기 제1 웜기어 및 상기 제2 웜기어와 각각 맞물려 회전하는 제1 웜휠 및 제2 윔휠에 각각 고정 설치된 것을 특징으로 하는 가동풀리를 이용한 액추에이터.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제1 윔휠 및 상기 제2 웜휠의 잇수는 서로 상이한 것을 특징으로 하는 가동풀리를 이용한 액추에이터.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제1 모터 및 상기 제2 모터의 최대 회전속도 및 최대 토크가 서로 동일한 것을 특징으로 하는 가동풀리를 이용한 액추에이터.
10. 액추에이터 프레임;
    상기 액추에이터 프레임에 장착되는 제1 모터 및 제2 모터;
    상기 액추에이터 프레임에 수용되며 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터에 각각 연결되어 회전하는 제1 고정풀리 및 제2 고정풀리;
    상기 제1 고정풀리 및 상기 제2 고정풀리에 양단이 감겨지는 와이어에 의해 상기 제1 고정풀리 및 상기 제2 고정풀리와 연결되는 가동풀리; 및
    상기 가동풀리가 장착되는 가동부;를 포함하고,
    상기 가동부는 슬라이딩 바에 의해 상기 액추에이터 프레임에 대해 슬라이딩 가능하게 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 가동풀리를 이용한 액추에이터.
11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 모터 및 상기 제2 모터의 구동축에는 각각 제1 웜기어 및 제2 웜기어가 구비되고,
    상기 제1 고정풀리 및 상기 제2 고정풀리는 상기 제1 웜기어 및 상기 제2 웜기어와 각각 맞물려 회전하는 제1 웜휠 및 제2 윔휠에 각각 고정 설치된 것을 특징으로 하는 가동풀리를 이용한 액추에이터.
12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 웜휠 및 상기 제2 웜휠의 잇수는 서로 상이한 것을 특징으로 하는 가동풀리를 이용한 액추에이터.

Images