KR101319714B1 - 리액션휠을 이용한 진동제거장치 - Google Patents

리액션휠을 이용한 진동제거장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 리액션휠을 이용한 진동제거장치는, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 대상물체의 진동에 의해 생성되는 상기 대상물체의 각속도의 크기 및 방향을 검출하기 위한 각속도 검출부; 상기 대상물체에 장착되는 리액션 몸체부; 상기 리액션 몸체부에 구비되는 적어도 하나의 리액션휠; 상기 리액션휠을 구동시키기 위한 휠구동부; 및 상기 각속도 검출부에 의해 검출된 상기 대상물체의 각속도의 크기 및 방향에 기초하여 상기 리액션휠이 상기 대상물체의 진동에 의해 생성되는 각운동량과 반대되는 방향으로 각운동량을 상기 대상물체에 제공하도록 상기 휠구동부를 제어하는 컨트롤러;를 포함한다. 본 발명에 의하면, 다양한 방향 및 크기로 발생하는 대상물체의 진동을 효율적이고 안정적으로 제거할 수 있다.

Description

리액션휠을 이용한 진동제거장치{Vibration removal apparatus with reaction wheel}
본 발명은, 대상물체에 장착되어 대상물체에 발생하는 진동을 제거하기 위한 리액션휠을 이용한 진동제거장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 대상물체에 발생하는 진동을 제거하기 위한 리액션휠의 구조 및 구동 제어에 관한 것이다.
카메라, 비행기, 배 등에 있어서 발생하는 진동 혹은 흔들림을 제거 혹은 억제하기 위해, 자이로스태빌라이저 시스템(gyrostabilizer system)이 많이 적용되고 있다.
그런데, 통상의 자이로스태빌라이저 시스템은 진동을 제거하고자 하는 대상물체의 상태를 고려하지 않고 일정한 각운동량을 생성하여 진동을 줄이는 방식이기 때문에, 대상물체의 무게중심을 제외한 부분에 일정한 힘이 가해지는 경우에 적절히 대응하지 못하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 다양한 방향 및 크기로 발생하는 대상물체의 진동을 효율적이고 안정적으로 제거할 수 있는 리액션휠을 이용한 진동제거장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 대상물체의 진동에 의해 생성되는 상기 대상물체의 각속도의 크기 및 방향을 검출하기 위한 각속도 검출부; 상기 대상물체에 장착되는 리액션 몸체부; 상기 리액션 몸체부에 구비되는 적어도 하나의 리액션휠; 상기 리액션휠을 구동시키기 위한 휠구동부; 및 상기 각속도 검출부에 의해 검출된 상기 대상물체의 각속도의 크기 및 방향에 기초하여 상기 리액션휠이 상기 대상물체의 진동에 의해 생성되는 각운동량과 반대되는 방향으로 각운동량을 상기 대상물체에 제공하도록 상기 휠구동부를 제어하는 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리액션휠을 이용한 진동제거장치에 의해 달성된다.
상기 컨트롤러는, 상기 각속도 검출부에 의해 검출된 상기 대상물체의 각속도의 방향에 따라 상기 리액션휠의 회전 방향을 결정하고, 상기 대상물체의 각속도의 크기에 따라 상기 리액션휠의 각속도의 크기를 결정할 수 있다.
상기 각속도 검출부는, 상기 대상물체에 대해 롤(roll), 피치(pitch) 및 요우(yaw) 방향의 각속도를 측정할 수 있다.
상기 각속도 검출부는, 자이로 센서를 포함할 수 있다.
상기 휠구동부는, 상기 리액션휠을 정역방향으로 회전시키기 위한 토크를 발생시키는 회전 모터; 및 상기 회전 모터에 의해 발생하는 토크를 증가시켜 상기 리액션휠에 전달하는 기어 박스;를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 리액션휠은 복수 개의 리액션휠로 마련되고, 상기 컨트롤러는, 상기 각속도 검출부에 의해 상기 대상물체의 검출된 각속도의 크기 및 방향에 기초하여 상기 복수 개의 리액션휠 중 적어도 하나를 선택하고 상기 선택된 리액션휠의 회전 방향 및 각속도를 결정할 수 있다.
상기 적어도 하나의 리액션휠은, 롤 방향으로 회전하도록 상기 리액션 몸체부에 구비되는 제1 리액션휠; 피치 방향으로 회전하도록 상기 리액션 몸체부에 구비되는 제2 리액션휠; 및 요우 방향으로 회전하도록 상기 리액션 몸체부에 구비되는 제3 리액션휠;을 포함할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 각속도 검출부에 의해 상기 대상물체의 검출된 각속도의 크기 및 방향에 기초하여 상기 제1 내지 제3 리액션휠 중 적어도 하나를 선택하고 상기 선택된 리액션휠의 회전 방향 및 각속도를 결정할 수 있다.
본 발명은, 리액션휠이 단순히 일정한 방향 및 각속도로 회전하는 것, 즉 일정한 각운동량을 생성하는 것이 아니라, 대상물체의 진동에 의해 생성되는 대상물체의 각속도의 크기 및 방향을 검출한 후, 이에 기초하여 리액션휠이 대상물체의 진동에 의해 생성되는 각운동량과 반대되는 방향으로 각운동량을 대상물체에 제공하도록 능동적으로 제어함으로써, 다양한 방향 및 크기로 발생하는 대상물체의 진동을 효율적이고 안정적으로 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리액션휠을 이용한 진동제거장치의 개략적인 정면도이다.
도 2는 도 1의 리액션휠을 이용한 진동제거장치의 사시도이다.
도 3은 도 2의 A-A선에 따른 리액션휠을 이용한 진동제거장치의 개략적인 단면도이다.
도 4는 도 1의 리액션휠을 이용한 진동제거장치의 제어 흐름을 설명하기 위한 블록도이다.
도 5는 도 1의 리액션휠을 이용한 진동제거장치의 작동 예를 설명하기 위한 상태도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리액션휠을 이용한 진동제거장치의 개략적인 정면도이고, 도 2는 도 1의 리액션휠을 이용한 진동제거장치의 사시도이며, 도 3은 도 2의 A-A선에 따른 리액션휠을 이용한 진동제거장치의 개략적인 단면도이고, 도 4는 도 1의 리액션휠을 이용한 진동제거장치의 제어 흐름을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 리액션휠(reaction wheel)을 이용한 진동제거장치(100)는, 리액션휠(131~133)을 이용하여 대상물체(10)에 발생하는 진동을 제거하기 위한 장치로, 각속도 검출부(110), 리액션 몸체부(120), 리액션휠(131~133), 휠구동부(141~143) 및 컨트롤러(150)를 포함할 수 있다.
한편, 첨부된 도면들에서 대상물체(10)는 설명의 편의를 위해 단순히 플레이트 형상으로 도시하였지만, 본 발명에서 대상물체는 카메라, 비행기, 선박, 컨테이너 크레인, 폭격조준기, 포신조준기 등의 진동을 제거할 필요가 있는 모든 물체, 특히 공중에서 움직임 제어가 필요한 물체를 포함한다. 이때, 리액션휠을 이용한 진동제거장치(100)는 대상물체의 내부 또는 외부에 장착되어 그 기능을 수행할 수 있다.
각속도 검출부(110)는 대상물체(10)의 진동에 의해 생성되는 대상물체(10)의 각속도의 크기 및 방향을 검출한다. 구체적으로, 각속도 검출부(110)는 대상물체(10)에 대해 롤(roll), 피치(pitch) 및 요우(yaw) 방향의 각속도를 측정할 수 있다. 이러한 각속도 검출부(110)는 일반적으로 자이로스코프(gyroscope)를 이용한 자이로 센서로 쉽게 구현될 수 있다. 즉, 각속도 검출부(110)는 대상물체(10)에 대해 롤(roll), 피치(pitch) 및 요우(yaw) 방향의 각속도를 측정할 수 있는 자이로 센서를 포함할 수 있다. 이때, 자이로스코프는 각운동량 보존법칙에 근거하여 방향의 측정 또는 유지에 사용되는 기구로 축이 어느 방향으로든지 놓일 수 있는 회전하는 바퀴를 말한다. 한편, 각속도 검출부(110)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 대상물체(10)에 장착 고정된 리액션 몸체부(120)에 구비되지만, 이와 다르게 각속도 검출부(110)는 대상물체(10)에 직접 부착되어도 무방하다.
리액션 몸체부(120)는 대상물체(10)에 장착 고정되는 것으로, 리액션휠(131~133), 휠구동부(141~143), 컨트롤러(150) 등이 설치되는 공간을 제공할 수 있다. 본 실시예에서 리액션 몸체부(120)는 휠구동부(141~143), 컨트롤러(150) 등을 수납할 수 있도록 속이 빈 하우징 구조로 마련되고 육면체 외관 형상을 가지나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며 리액션 몸체부(120)의 형상은 적절히 변경될 수 있음은 물론이다.
리액션휠(131~133)은 대상물체(10)의 진동에 의해 생성되는 각운동량과 반대되는 방향의 각운동량을 대상물체(10)에 제공하기 위한 수단이다. 이때, 리액션휠(131~133)에 의해 제공되는 각운동량은 리액션휠(131~133)의 질량과 리액션휠(131~133)의 회전시 각속도에 따라 결정되므로, 대상물체(10)의 질량, 휠구동부(141~143)의 최대 토크 등을 고려하여 알맞은 질량을 갖는 리액션휠(131~133)을 선택하는 것이 바람직하다. 리액션휠(131~133)은 휠(wheel) 또는 디스크(disk) 형상으로 리액션 몸체부(120)에 회전 가능하게 마련될 수 있다. 다만, 본 발명에서 리액션휠(131~133)은 그 명칭에 따라 휠(wheel) 형상에 한정되는 것은 아니며 그 형상은 적절히 변경 선택될 수 있다.
리액션휠(131~133)은 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 롤(roll) 방향으로 회전하도록 리액션 몸체부(120)에 마련되는 제1 리액션휠(131)과, 피치(pitch) 방향으로 회전하도록 리액션 몸체부(120)에 마련되는 제2 리액션휠(132)과, 요우(yaw) 방향으로 회전하도록 리액션 몸체부(120)에 마련되는 제3 리액션휠(133)로 구분될 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 리액션휠을 이용한 진동제거장치(100)는 X축, Y축 및 Z축을 각 회전축으로 갖는 3개의 리액션휠(131~133)을 포함하고 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 리액션휠을 이용한 진동제거장치(100)는 롤(roll), 피치(pitch) 및 요우(yaw) 방향, 그리도 이들의 조합으로 정의되는 모든 방향에 대해 대상물체(10)에 각운동량을 제공할 수 있으므로, 대상물체(10)가 어떠한 궤적으로 움직이든지 대상물체(10)의 진동에 의해 생성되는 대상물체(10)의 각운동량과 정확히 반대되는 방향의 각운동량을 만들어낼 수 있는 것이다. 다만, 이러한 이점에도 불구하고 본 발명에서 리액션휠의 개수 및 배치 구조는 본 실시예에서 개시된 것에 한정되지 아니하고 적절히 선택 변경될 수 있다.
휠구동부(141~143)는 리액션휠(131~133)을 구동시키기 위한 수단으로, 컨트롤러(150)로부터 전달받은 제어신호에 기초하여 리액션휠(131~133) 정방향 또는 역방향으로 회전시킬 수 있다. 휠구동부(141~143)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 제1 리액션휠(131)을 구동시키기 위한 제1 휠구동부(141)와, 제2 리액션휠(132)을 구동시키기 위한 제2 휠구동부(142)와, 제3 리액션휠(133)을 구동시키기 위한 제3 휠구동부(143)로 구분될 수 있다.
그리고, 제1 내지 제3 휠구동부(141~143) 각각은 리액션휠(131~133)을 정역방향으로 회전시키기 위한 토크를 발생시키는 회전 모터(141a~143a)와, 회전 모터(141a~143a)에 의해 발생하는 토크를 증가시켜 리액션휠(131~133)에 전달하는 기어 박스(141b~143b)를 포함할 수 있다. 이때, 휠구동부(141~143)의 회전축은 도 3에 도시된 바와 같이 리액션 몸체부(120)의 측벽을 관통하여 리액션휠(131~133)에 결합될 수 있다. 이처럼, 휠구동부(141~143)는 기어 박스(141b~143b)를 이용하여 회전 모터(141a~143a)의 토크를 높여주는 것이 가능하므로, 상황에 따라 회전 모터(141a~143a)에서 발생하는 토크가 작더라도 리액션휠(131~133)에서 요구되는 토크에 대응할 수 있다. 결과적으로, 상대적으로 최대 토크가 작은 회전 모터(141a~143a)를 사용하는 것이 가능해진다. 다만, 이와 다르게 휠구동부(141~143)는 기어 박스(141b~143b) 없이 회전 모터(141a~143a)가 리액션휠(131~133)과 직접 연결되는 구조로 마련될 수도 있다.
한편, 휠구동부(141~143)에서 필요한 전력은 배터리(160)에 의해 공급될 수 있다. 이때, 배터리(160)는 첨부된 도면들에는 도시되지 않았지만 리액션 몸체부(120)에 장착될 수 있다. 또한, 배터리(160)는 각속도 검출부(110), 컨트롤러(150) 등에 필요한 소정의 전력을 공급할 수 있다.
도 5는 도 1의 리액션휠을 이용한 진동제거장치의 작동 예를 설명하기 위한 상태도이다.
컨트롤러(150)는 각속도 검출부(110)에 의해 검출된 대상물체(10)의 각속도의 크기 및 방향에 기초하여 리액션휠(131~133)이 대상물체(10)의 진동에 의해 생성되는 각운동량과 반대되는 방향으로 각운동량을 대상물체(10)에 제공하도록 휠구동부(141~143)를 제어한다. 여기서, 컨트롤러(150)는 각속도 검출부(110)에 의해 검출된 대상물체(10)의 각속도의 방향에 따라 리액션휠(131~133)의 회전 방향을 결정하고, 대상물체(10)의 각속도의 크기에 따라 리액션휠(131~133)의 각속도의 크기를 결정할 수 있다. 참고로, 대상물체(10)의 진동을 제거하기 위해 요구되는 리액션휠(131~133)의 각속도의 크기는 일반적인 각운동량 보존법칙을 통해 산출될 수 있는데, 구체적으로 대상물체(10)의 진동에 의해 생성되는 각운동량의 크기와 리액션휠(131~133)에 의해 대상물체(10)에 제공되는 각운동량의 크기가 서로 같아지도록, 이미 알고 있는 대상물체(10)의 질량과 리액션휠(131~133)의 질량, 각속도 검출부(110)에 의해 검출된 대상물체(10)의 각속도의 크기 등으로부터 산출될 수 있다.
본 실시예와 같이 리액션휠(131~133)이 복수 개로 마련되는 경우, 컨트롤러(150)는 각속도 검출부(110)에 의해 대상물체(10)의 검출된 각속도의 크기 및 방향에 기초하여 복수 개의 리액션휠(131~133) 중 적어도 하나를 선택하고 선택된 리액션휠의 회전 방향 및 각속도를 결정할 수 있다.
예컨대, 도 5에 도시된 바와 같이 대상물체(10)가 어느 시점에서 화살표①과 같은 피치 방향의 각속도가 발생한 것으로 각속도 검출부(110)에 의해 확인되면, 컨트롤러(150)는 3개의 리액션휠(131~133) 중 피치 방향으로 회전 가능한 제2 리액션휠(132)을 선택하고, 제2 리액션휠(132)이 화살표③과 같이 회전하도록 제2 휠구동부(142)에 제어신호를 보낸다. 이때, 도 5에 도시된 바와 같이 대상물체(10)의 회전 방향과 제2 리액션휠(132)의 회전 방향이 동일하여야 하는데, 그래야 작용·반작용의 원리에 따라 제2 리액션휠(132)이 대상물체(10)의 진동에 의해 생성되는 각운동량과 반대되는 방향으로 각운동량을 대상물체(10)에 제공할 수 있기 때문이다. 즉, 제2 리액션휠(132)의 회전 방향이 화살표③과 같으면, 작용·반작용의 원리에 따라 진동제거장치(100) 전체적으로는 화살표①과는 반대되는 화살표②와 같은 피치 방향의 각속도를 만들어낼 수 있기 때문이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 리액션휠을 이용한 진동제거장치는, 리액션휠이 단순히 일정한 방향 및 각속도로 회전하는 것, 즉 일정한 각운동량을 생성하는 것이 아니라, 대상물체의 진동에 의해 생성되는 대상물체의 각속도의 크기 및 방향을 검출한 후, 이에 기초하여 리액션휠이 대상물체의 진동에 의해 생성되는 각운동량과 반대되는 방향으로 각운동량을 대상물체에 제공하도록 능동적으로 제어함으로써, 다양한 방향 및 크기로 발생하는 대상물체의 진동을 효율적이고 안정적으로 제거할 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100 : 진동제거장치
110 : 각속도 검출부
120 : 리액션 몸체부
131,132,133 : 리액션휠
141,142,143 : 휠구동부
150 : 컨트롤러
160 : 배터리

Claims (8)

  1. 대상물체의 진동에 의해 생성되는 상기 대상물체의 각속도의 크기 및 방향을 검출하기 위한 각속도 검출부;
    상기 대상물체에 장착되는 리액션 몸체부;
    상기 리액션 몸체부에 회전 가능하게 마련되는 적어도 하나의 리액션휠;
    상기 리액션휠을 구동시키기 위한 휠구동부; 및
    상기 각속도 검출부에 의해 검출된 상기 대상물체의 각속도의 크기 및 방향에 기초하여 상기 리액션휠이 상기 대상물체의 진동에 의해 생성되는 각운동량과 반대되는 방향으로 각운동량을 상기 대상물체에 제공하도록 상기 휠구동부를 제어하는 컨트롤러;를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 리액션휠은 복수 개의 리액션휠로 마련되고,
    상기 컨트롤러는, 상기 각속도 검출부에 의해 상기 대상물체의 검출된 각속도의 크기 및 방향에 기초하여 상기 복수 개의 리액션휠 중 적어도 하나를 선택하고 상기 선택된 리액션휠의 회전 방향 및 각속도를 결정하는 것을 특징으로 하는 리액션휠을 이용한 진동제거장치.
  2. 삭제
  3. 대상물체의 진동에 의해 생성되는 상기 대상물체의 각속도의 크기 및 방향을 검출하기 위한 각속도 검출부;
    상기 대상물체에 장착되는 리액션 몸체부;
    상기 리액션 몸체부에 회전 가능하게 마련되는 적어도 하나의 리액션휠;
    상기 리액션휠을 구동시키기 위한 휠구동부; 및
    상기 각속도 검출부에 의해 검출된 상기 대상물체의 각속도의 크기 및 방향에 기초하여 상기 리액션휠이 상기 대상물체의 진동에 의해 생성되는 각운동량과 반대되는 방향으로 각운동량을 상기 대상물체에 제공하도록 상기 휠구동부를 제어하는 컨트롤러;를 포함하며,
    상기 각속도 검출부는, 상기 대상물체에 대해 롤(roll), 피치(pitch) 및 요우(yaw) 방향의 각속도를 측정하는 것을 특징으로 하는 리액션휠을 이용한 진동제거장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 각속도 검출부는,
    자이로 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 리액션휠을 이용한 진동제거장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 휠구동부는,
    상기 리액션휠을 정역방향으로 회전시키기 위한 토크를 발생시키는 회전 모터; 및
    상기 회전 모터에 의해 발생하는 토크를 증가시켜 상기 리액션휠에 전달하는 기어 박스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리액션휠을 이용한 진동제거장치.
  6. 삭제
  7. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 리액션휠은,
    롤 방향으로 회전하도록 상기 리액션 몸체부에 구비되는 제1 리액션휠;
    피치 방향으로 회전하도록 상기 리액션 몸체부에 구비되는 제2 리액션휠; 및
    요우 방향으로 회전하도록 상기 리액션 몸체부에 구비되는 제3 리액션휠;을 포함하는 것을 특징으로 하는 리액션휠을 이용한 진동제거장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 각속도 검출부에 의해 상기 대상물체의 검출된 각속도의 크기 및 방향에 기초하여 상기 제1 내지 제3 리액션휠 중 적어도 하나를 선택하고 상기 선택된 리액션휠의 회전 방향 및 각속도를 결정하는 것을 특징으로 하는 리액션휠을 이용한 진동제거장치.
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