KR101261978B1 - 모터와 브레이크가 일체형으로 구성된 하이브리드 구동기 및 구동 방법 - Google Patents

모터와 브레이크가 일체형으로 구성된 하이브리드 구동기 및 구동 방법 Download PDF

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유지환
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Abstract

본 발명은 모터, 상기 모터와 일체형으로 구성되는 브레이크, 및 상기 모터가 구동을 중지하는지 여부를 감지하고, 상기 감지된 중지시간이 일정시간을 경과한 경우, 상기 모터로 공급되는 전력을 차단하고, 상기 브레이크로의 전력 공급을 지속시키는 제어부를 포함하는 모터와 브레이크가 일체형으로 구성된 하이브리드 구동기를 제공한다.

Description

모터와 브레이크가 일체형으로 구성된 하이브리드 구동기 및 구동 방법{HYBRID ACTUATOR COMPOSED OF INTEGRATED MOTOR AND BRAKE, AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 휠체어나 근력보조기구에 사용되는 모터와 브레이크를 효율적으로 사용하기 위한 방안에 관한 것이다.
일반적으로, 노약자 장애인을 위한 전동휠체어 및 근력보조기구(일본공개특허 제2011-218026호)는 그 차륜축에 모터가 장착되고, 축전지로부터 전력을 인가받아 구동된다. 즉, 종래의 휠체어는 차륜축에 각각 장착된 모터가 정회전과 역회전함에 따라 전진하거나 후진하고, 일측 모터가 정지한 채 타측 모터가 구동함에 따라 좌, 우로 방향을 전환하게 된다.
이러한, 휠체어나 근력보조기구에 사용되어 오던 전동 구동기는 전동 모터만을 기반으로 제작되어 왔기 때문에, 큰 질량을 견디기 위해서는 크기가 큰 모터를 사용해야 했다. 이 때문에, 전체적인 휠체어나 근력보조기구의 크기가 증가하고, 지속적으로 모터에 전력이 공급되어야 하기 때문에 에너지 소비도 상당히 컸다.
본 발명의 일실시예는 모터와 브레이크를 일체형으로 제작함으로써, 하이브리드 구동기가 포함된 장치의 크기를 줄일 수 있는, 모터와 브레이크가 일체형으로 구성된 하이브리드 구동기 및 구동 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예는 모터가 정해진 시간 동안 동작하지 않을 경우 모터로의 전력을 차단함으로써, 에너지 소비를 줄일 수 있는, 모터와 브레이크가 일체형으로 구성된 하이브리드 구동기 및 구동 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예는 브레이크로의 전력이 공급되는 시점부터 선정된 시간 이후에 모터를 비동기화하여 상기 모터로 공급되는 전력을 차단함으로써, 상기 브레이크의 응답지연특성을 해소할 수 있는, 모터와 브레이크가 일체형으로 구성된 하이브리드 구동기 및 구동 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예는 출력축에 장착되는 토크센서를 이용하여 모터의 토크를 예측하는 피드 포워드로 활용함으로써, 브레이크가 동작하는 동안 질량 변화가 발생하더라도 모터가 신속히 자연스런 모션을 획득할 수 있는, 모터와 브레이크가 일체형으로 구성된 하이브리드 구동기 및 구동 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예는 토크센서의 신호값이 문턱값을 넘는 경우 브레이크를 동작시킴으로써, 외부의 갑작스런 충격으로부터 사용자를 보호할 수 있는, 모터와 브레이크가 일체형으로 구성된 하이브리드 구동기 및 구동 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 모터와 브레이크가 일체형으로 구성된 하이브리드 구동기는 모터, 상기 모터와 일체형으로 구성되는 브레이크, 및 상기 모터가 구동을 중지하는지 여부를 감지하고, 상기 감지된 중지시간이 일정시간을 경과한 경우, 상기 모터로 공급되는 전력을 차단하고, 상기 브레이크로의 전력 공급을 지속시키는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는 상기 브레이크로의 전력이 공급되는 시점으로부터 선정된 시간 이후에 상기 모터를 비동기화하여 상기 모터로 공급되는 전력을 차단할 수 있다.
상기 하이브리드 구동기는 출력축에 장착되는 토크센서를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부는 상기 토크센서로부터 출력되는 토크신호를 피드 포워드 텀으로 이용하여, 상기 모터의 구동을 제어할 수 있다.
상기 하이브리드 구동기는 상기 모터의 회전각도를 측정하는 위치센서를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부는 상기 토크신호의 신호값과 상기 위치센서의 출력값을 이용하여 상기 모터의 토크를 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기 토크신호의 신호값이 문턱치를 초과하는 경우, 상기 브레이크로 전력을 공급할 수 있다.
상기 제어부는 질량과 상기 토크신호의 신호값을 시간으로 적분한 적분값 및 현재위치를 이용하여 상기 모터의 구동을 제어할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 구동기 구동 방법은 모터와 브레이크를 일체형 모듈로 제작하는 단계, 상기 모터가 구동을 중지하는지 여부를 감지하는 단계, 및 상기 감지된 중지시간이 일정시간을 경과한 경우, 상기 모터로 공급되는 전력을 차단하고, 상기 브레이크로의 전력 공급을 지속시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 모터와 브레이크를 일체형으로 제작함으로써, 하이브리드 구동기가 포함된 장치의 크기를 줄일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 모터가 정해진 시간 동안 동작하지 않을 경우 모터로의 전력을 차단함으로써, 에너지 소비를 줄일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 브레이크로의 전력이 공급되는 시점부터 선정된 시간 이후에 모터를 비동기화하여 상기 모터로 공급되는 전력을 차단함으로써, 상기 브레이크의 응답지연특성을 해소할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 출력축에 장착되는 토크센서를 이용하여 모터의 토크를 예측하는 피드 포워드로 활용함으로써, 브레이크가 동작하는 동안 질량 변화가 발생하더라도 모터가 신속히 자연스런 모션을 획득할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 토크센서의 신호값이 문턱값을 넘는 경우 브레이크를 동작시킴으로써, 외부의 갑작스런 충격으로부터 사용자를 보호할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 모터와 브레이크가 일체형으로 구성된 하이브리드 구동기의 구성을 도시한 구성도이다.
도 2는 모터와 브레이크가 일체형으로 구성된 하이브리드 구동기를 구현하는 실시예를 도시한 도면이다.
도 3은 모터와 브레이크가 일체형으로 구성된 하이브리드 구동기에 질량 변화에 따른 구동 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 구동기 구동 방법의 순서를 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 모터와 브레이크가 일체형으로 구성된 하이브리드 구동기의 구성을 도시한 구성도이다.
도 1을 참고하면, 모터와 브레이크가 일체형으로 구성된 하이브리드 구동기(100, 이하 '하이브리드 구동기'라 함)는 모터(110), 브레이크(120), 위치센서(130), 토크센서(140), 제어부(150), 및 출력축(160)을 포함할 수 있다.
모터(110)와 브레이크(120)는 일체형으로 구성된다.
현재 사용되고 있는 전동 휠체어용 구동장치의 대부분은 주요 3개의 부분인 모터부, 감속기부 및 브레이크부가 각기 독립적으로 구성되어있고, 각부를 연결/조립하여 구동부를 구성하고 있다. 이러한 구조는 휠체어의 자중을 무겁게 하고 형태가 커짐으로 인하여 자가 운전자에 의한 승용차 운반 및 이송이 사실상 불가능하다는 문제점이 있었다.
이러한, 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 모터(110)와 브레이크(120)를 일체형으로 구성함으로써, 하이브리드 구동기(100)가 장착된 장치의 크기를 줄일 수 있다.
제어부(150)는 모터(110)가 구동을 중지하는지 여부를 감지하고, 상기 감지된 중지시간이 일정시간을 경과한 경우, 모터(110)로 공급되는 전력을 차단하고, 브레이크(120)로의 전력 공급을 지속시킨다.
이렇게, 모터(110)와 브레이크(120)의 전력 공급을 동시에 할 경우, 일반적으로 브레이크(120)의 특성인 30msec 정도의 응답지연특성에 의하여 원하는 위치를 일정하게 유지하지 못하는 현상이 발생할 수 있다.
따라서, 상기와 같은 브레이크(120)의 응답지연특성을 해소하기 위하여, 제어부(150)는 브레이크(120)로의 전력이 공급되는 시점으로부터 선정된 시간 이후에 모터(110)를 비동기화하여 모터(110)로 공급되는 전력을 차단할 수 있다. 예컨대, 제어부(150)는 브레이크(120)로의 전력이 공급되는 시점으로부터 30msec 이후에, 모터(110)를 비동기화하여 모터(110)로 공급되는 전력을 차단할 수 있다.
도 2는 모터와 브레이크가 일체형으로 구성된 하이브리드 구동기를 구현하는 실시예를 도시한 도면이다.
도 2를 참고하면, 하이브리드 구동기(100)는 모터, 브레이크(120), 토크센서(140), 및 출력축(160)을 시리얼 구조로 연결하여 구성할 수 있다.
하이브리드 구동기(100)는 휠체어 또는 근력보조기구에 사용될 수 있는데, 휠체어에 하이브리드 구동기(100)가 장착된 경우, 브레이크(120)에 전력이 공급되는 동안, 사람이 탑승하거나, 무거운 짐을 올려놓아 질량이 변화할 수 있다. 이 경우, 이후 브레이크(120)로의 전력 공급을 중지하고, 모터(110)로의 전력을 공급하게 되면, 갑작스런 질량 변화로 인해 모터(110)가 신속히 응답하여 원하는 성능을 발휘하기 어렵다는 단점이 있었다.
이러한, 단점을 보완하기 위해, 제어부(150)는 토크센서(Torque Sensor, 140)를 이용하여 모터(110)의 구동을 제어할 수 있다.
도 3은 모터와 브레이크가 일체형으로 구성된 하이브리드 구동기에 질량 변화에 따른 구동 예를 도시한 도면이다.
도 3과 같이, 출력축(160)에 질량(M)을 부가하는 경우, 제어부(150)는 토크센서(140)로부터 출력되는 토크신호를 피드 포워드(Feed forward) 텀으로 이용하여, 모터(110)의 구동을 제어할 수 있다. 즉, 제어부(150)는 토크센서(140)로부터 출력되는 토크신호를 이용하여 모터의 토크를 예측하는 피드 포워드로 활용함으로써, 브레이크(120)가 동작하는 동안 질량 변화가 발생하더라도 모터가 신속히 자연스런 모션을 획득할 수 있다.
위치센서(130)는 모터(110)의 회전각도를 측정할 수 있다. 또한, 도시하지는 않았지만, 모터(110)와 토크센서(140) 사이에는 감속기(decelerator)가 포함될 수 있다.
예컨대, 제어부(150)는 상기 토크신호의 신호값과 위치센서(130)의 출력값을 이용하여 모터(110)의 토크를 제어할 수 있다. 즉, 제어부(150)는 상기 토크신호의 신호값과 위치센서(130)의 출력값을 합하면 원하는 모터(110)의 토크를 얻을 수 있다.
실시예로, 제어부(150)는 상기 토크신호의 신호값이 문턱치를 초과하는 경우, 브레이크(120)로 전력을 공급할 수 있다. 예컨대, 하이브리드 구동기(100)가 휠체어에 장착된 경우, 제어부(150)는 외부의 갑작스런 충격으로부터 휠체어에 탄 사용자를 보호하고, 하이브리드 구동기(100)의 갑작스런 원치 않는 동작으로부터 사용자를 보호하기 위하여, 상기 토크신호의 신호값이 문턱치를 초과하는 경우, 브레이크(120)로 전력을 공급하여 브레이크(120)를 "ON" 시킴으로써, 하이브리드 구동기(100)를 보호할 수 있다.
다른 실시예로, 제어부(150)는 토크센서(140)를 활용하여 사용자의 의도를 인지하고, 원하는 방향으로 자연스러운 모션을 유도할 수 있다. 이를 위해, 제어부(150)는 질량(M)과 상기 토크신호의 신호값(Torque)을 시간(T)으로 적분한 적분값 및 현재위치를 이용하여 모터(110)의 구동을 제어할 수 있다.
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즉, 제어부(150)는 현재위치와 질량과 상기 토크신호의 신호값을 시간으로 적분한 적분값을 합산하여 모터(110)의 구동을 제어함으로써, 원하는 위치를 획득할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 구동기 구동 방법의 순서를 도시한 흐름도이다.
도 4를 참고하면, 단계 S10에서, 하이브리드 구동기 구동 방법(이하, '구동 방법'이라 함)은 브레이크와 일체형인 모터가 구동을 중지하는지 여부를 감지한다. 여기서, 모터와 브레이크를 일체형으로 제작함으로써, 하이브리드 구동기가 포함된 장치의 크기를 줄일 수 있다.
단계 S20에서, 상기 구동 방법은 상기 감지된 중지시간이 일정시간을 경과하는지 여부를 판단한다. 상기 모터와 상기 브레이크의 전력 공급을 동시에 할 경우, 일반적으로 브레이크의 특성인 30msec 정도의 응답지연특성에 의하여 원하는 위치를 일정하게 유지하지 못하는 현상이 발생할 수 있다.
따라서, 상기 중지시간이 일정시간(30msec)을 경과한 경우, 단계 S30에서, 상기 구동 방법은 모터(110)로 공급되는 전력을 차단하고, 상기 브레이크로의 전력 공급을 지속시킨다.
이때, 상기 구동 방법은 브레이크(120)로의 전력이 공급되는 시점으로부터 선정된 시간(30msec) 이후에 모터(110)를 비동기화하여 모터(110)로 공급되는 전력을 차단함으로써, 브레이크(120)의 응답지연특성을 해소할 수 있다.
실시예로, 상기 구동 방법은 출력축에 장착되는 토크센서를 구성하고, 상기 토크센서로부터 출력되는 토크신호를 피드 포워드 텀으로 이용하여, 상기 모터의 구동을 제어할 수 있다. 예컨대, 상기 구동 방법은 상기 토크신호의 신호값과 상기 모터의 회전각도를 측정하는 위치센서의 출력값을 이용하여 상기 모터의 토크를 제어함으로써, 원하는 모터의 토크를 획득할 수 있다.
다른 실시예로, 상기 구동 방법은 상기 토크신호의 신호값이 문턱치를 초과하는 경우, 브레이크로 전력을 공급함으로써, 외부의 갑작스런 충격으로부터 하이브리드 구동기를 장착한 장치에 탄 사용자를 보호할 수 있다.
또 다른 실시예로, 상기 구동 방법은 질량과 상기 토크신호의 신호값을 시간으로 적분한 적분값 및 현재위치를 이용하여 상기 모터의 구동을 제어함으로써, 원하는 방향으로 자연스러운 모션을 유도할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 하이브리드 구동기
110: 모터
120: 브레이크
130: 위치센서
140: 토크센서
150: 제어부
160: 출력축

Claims (12)

  1. 모터;
    상기 모터와 일체형으로 구성되는 브레이크;
    상기 모터가 구동을 중지하는지 여부를 감지하고, 상기 감지된 중지시간이 일정시간을 경과한 경우, 상기 모터로 공급되는 전력을 차단하고, 상기 브레이크로의 전력 공급을 지속시키는 제어부; 및
    출력축에 장착되는 토크센서(Torque Sensor)를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 토크센서로부터 출력되는 토크신호를 피드 포워드(Feed forward) 텀으로 이용하여, 상기 모터의 구동을 제어하는, 모터와 브레이크가 일체형으로 구성된 하이브리드 구동기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 브레이크로의 전력이 공급되는 시점으로부터 선정된 시간 이후에 상기 모터를 비동기화하여 상기 모터로 공급되는 전력을 차단하는, 모터와 브레이크가 일체형으로 구성된 하이브리드 구동기.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 모터의 회전각도를 측정하는 위치센서
    를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 토크신호의 신호값과 상기 위치센서의 출력값을 이용하여 상기 모터의 토크를 제어하는, 모터와 브레이크가 일체형으로 구성된 하이브리드 구동기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 토크신호의 신호값이 문턱치를 초과하는 경우, 상기 브레이크로 전력을 공급하는, 모터와 브레이크가 일체형으로 구성된 하이브리드 구동기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    질량과 상기 토크신호의 신호값을 시간으로 적분한 적분값 및 현재위치를 이용하여 상기 모터의 구동을 제어하는, 모터와 브레이크가 일체형으로 구성된 하이브리드 구동기.
  7. 브레이크와 일체형인 모터가 구동을 중지하는지 여부를 감지하는 단계;
    상기 감지된 중지시간이 일정시간을 경과한 경우, 상기 모터로 공급되는 전력을 차단하고, 상기 브레이크로의 전력 공급을 지속시키는 단계;
    출력축에 장착되는 토크센서를 구성하는 단계; 및
    상기 토크센서로부터 출력되는 토크신호를 피드 포워드 텀으로 이용하여, 상기 모터의 구동을 제어하는 단계
    를 포함하는 하이브리드 구동기 구동 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 모터로 공급되는 전력을 차단하는 단계는,
    상기 브레이크로의 전력이 공급되는 시점으로부터 선정된 시간 이후에 상기 모터를 비동기화하여 상기 모터로 공급되는 전력을 차단하는 단계
    를 포함하는 하이브리드 구동기 구동 방법.
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서,
    상기 모터의 구동을 제어하는 단계는,
    상기 토크신호의 신호값과 상기 모터의 회전각도를 측정하는 위치센서의 출력값을 이용하여 상기 모터의 토크를 제어하는 단계
    를 포함하는 하이브리드 구동기 구동 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 모터의 구동을 제어하는 단계는,
    상기 토크신호의 신호값이 문턱치를 초과하는 경우, 상기 모터로 공급되는 전력을 차단하고, 상기 브레이크로 전력을 공급하는 단계
    를 포함하는 하이브리드 구동기 구동 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 모터의 구동을 제어하는 단계는,
    질량과 상기 토크신호의 신호값을 시간으로 적분한 적분값 및 현재위치를 이용하여 상기 모터의 구동을 제어하는 단계
    를 포함하는 하이브리드 구동기 구동 방법.
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