KR101357599B1

KR101357599B1 - 3차원 구체 구동 장치

Info

Publication number: KR101357599B1
Application number: KR1020130097677A
Authority: KR
Inventors: 강우용; 김대관; 최홍택
Original assignee: 한국항공우주연구원
Priority date: 2013-08-19
Filing date: 2013-08-19
Publication date: 2014-02-05

Abstract

본 발명에 따른 3차원 구체 구동 장치(1000)는 내부에 구체(10)가 위치하는 메인프레임(100); 상기 메인프레임(100) 상에 상기 구체(10)의 중심을 통과하는 제1축의 원주방향을 따라 배열 설치되며 자기장을 형성하여 상기 구체(10)를 상기 제1축의 원주방향으로 구동시키는 다수의 전자석(200); 상기 메인프레임(100)을 상기 제1축을 구동축으로 하여 구동시키는 제1구동수단(300); 및 상기 메인프레임(100)을 상기 제1축에 수직하는 수직축을 구동축으로 하여 구동시키는 제2구동수단(400);을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

3차원 구체 구동 장치{Device for three dimensional rigid ball actuation}

본 발명은 위성체의 자세를 제어하기 위해 사용되는 3차원 구체 구동 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 위성체의 자세를 3축방향으로 제어하기 위하여 하나의 축의 원주방향에만 전자석을 설치하여 구체의 자세를 제어할 수 있는 3차원 구체 구동 장치에 관한 것이다.

지구 주위의 일정 궤도를 돌면서 필요한 정보를 취득하는 인공위성과 같은 위성체에는 주어진 궤도를 따라 임무를 수행할 수 있도록 자세제어 장치가 구비되는데, 이러한 자세제어 장치는 필요에 따라 반작용 휠이나 추력기 등에 의해 생성된 구동력을 위성체에 적정 방향으로 가함으로써 위성체의 자세를 제어하게 된다.

최근, 구체를 X, Y, Z축의 3축 방향으로 각각 구동력을 가하기 위해서 반작용휠이나 추력기 등을 각 축에 배치하지 않고 하나의 구동기를 이용하여 임의의 3축 방향의 자세 제어를 수행하는 장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

도 1 내지 도 2는 종래의 구체 구동 장치를 설명하기 위한 개략도이다.

도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 위성체의 자세를 정확하고 정밀하게 제어하기 위해서는 X, Y, Z축의 3축 방향으로 각각 구동력을 가하여야 하는데, 중심부에 구체를 위치시키고, 이러한 구체의 주위에 90ㅀ간격을 두고 복수 개의 전자석을 배치하여 이 전자석에 주기적으로 전류를 인가하며, 이에 의해 구체에 회전자기장이 형성되도록 하고, 그 결과 구체에 로렌츠(Lorentz)력이 생성되어 이에 의해 3개의 축에 구동력이 동시에 가해지도록 함으로써 하나의 구동기만으로 위성체의 자세를 제어하는 방식이다.

그러나 위와 같은 구조의 자세제어 장치에서는 구체를 제1축, 제2축, 제3축 방향으로 회전시키기 위하여, 제1축의 원주방향, 제2축의 원주방향, 제3축의 원주방향마다 4개의 전자석들이 설치됨으로써, 총 12개, 즉, 많은 수의 전자석이 설치되어야 되는 문제점이 있다.

따라서 상술한 문제점을 해결하기 위한 다양한 3차원 구체 구동 장치의 개발이 필요한 실정이다.

한편, 위와 관련된 기술로서, 본 출원인은 한국등록특허 제1193917호의 가속도계를 이용한 구체의 회전속도 측정방법을 제시한 바 있다.

한국등록특허 제1193917호 (2012.10.17)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 하나의 축의 원주방향에만 전자석을 설치하여 구체의 자세를 제어할 수 있는 3차원 구체 구동 장치를 제공하기 위한 것이다.

또한, 상기 메인프레임(100)은 상기 제1축의 원주방향으로 둥글게 형성되며 상기 전자석(200)들이 설치되는 원주유닛(110), 및 상기 원주유닛(110)에서 상기 제1축을 향하여 각각 연장 형성되며, 각자의 단부가 서로 연결되는 다수의 연장유닛(120)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1구동수단(300)은 상기 제1축으로 길게 형성되어 상기 연장유닛(120)들 각자의 단부가 서로 연결된 부위에 결합되는 제1회동자(310), 및 상기 제1회동자(310)에 결합되는 제1모터(320)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2구동수단(400)은 상기 제1회동자(310)에 힌지결합되며, 일단 및 타단이 각각 상기 원주유닛(110)의 외측둘레에 배치되는 가이드유닛(410), 상기 제1축에 수직하는 수직축으로 길게 형성되어 상기 가이드유닛(410)의 일단 및 타단에 각각 결합되는 한 쌍의 제2회동자(420), 및 상기 제2회동자(420)에 결합되는 제2모터(430)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 3차원 구체 구동 장치(1000)는 무중력 상태에서 작동되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 3차원 구체 구동 장치(1000)는 상단이 상기 제2회동자(420)와 힌지 결합되는 지주(500);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명에 따른 3차원 구체 구동 장치는 내부에 구체가 위치하는 메인프레임; 상기 메인프레임 상에 상기 구체의 중심을 통과하는 제1축의 원주방향을 따라 배열 설치되며 자기장을 형성하여 상기 구체를 상기 제1축의 원주방향으로 구동시키는 다수의 전자석; 상기 메인프레임을 상기 제1축을 구동축으로 하여 구동시키는 제1구동수단; 및 상기 메인프레임을 상기 제1축에 수직하는 수직축을 구동축으로 하여 구동시키는 제2구동수단;을 포함하여 구성됨으로써, 상기 다수의 전자석이 배열된 제1축의 원주방향으로 상기 구체가 회전되도록 안내하되, 상기 제1구동수단과 제2구동수단을 이용하여 상기 메인프레임을 자유롭게 구동시키는 것으로 상기 다수의 전자석이 배열된 제1축의 원주방향을 자유롭게 조절하여 구체의 자세를 제어할 수 있는 효과가 있다.

즉, 본 발명에 따른 3차원 구체 구동 장치는 하나의 축의 원주방향에만 전자석을 설치하여 구체의 자세를 제어할 수 있는 효과가 있다.

도 1 내지 도 2는 종래의 구체 구동 장치를 설명하기 위한 개략도
도 3은 본 발명에 따른 3차원 구체 구동 장치의 사시도
도 4는 본 발명에 따른 3차원 구체 구동 장치의 구체를 제외한 사시도
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구체 구동 장치의 사시도

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.

첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 위성체의 자세를 제어하기 위해 사용되는 3차원 구체 구동 장치에 관한 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 3차원 구체 구동 장치(1000)의 사시도, 도 4는 본 발명에 따른 3차원 구체 구동 장치(1000)의 구체(10)를 제외한 사시도이다.

도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 3차원 구체 구동 장치(1000)는 메인프레임(100), 다수의 전자석(200), 제1구동수단(300), 제2구동수단(400)을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 메인프레임(100)은 내부가 중공된 구조체로서, 내부에 구체(10)가 위치하게 된다.

이 때, 상기 메인프레임(100)의 하측에는 상기 구체(10)의 자기부상을 위한 별도의 전자석(200)이 설치될 수 있으며, 상기 구체(10)는 상기 별도의 전자석(200)에서 생성된 자기장에 의해 자기 부상되어 상기 메인프레임(100)의 내부에 위치될 수 있다.

또한, 상기 메인프레임(100)은 무중력 상태에 설치되어 내부에 구체(10)가 위치될 수 있다.

상기 다수의 전자석(200)은 상기 메인프레임(100) 상에 상기 구체(10)의 중심을 통과하는 제1축의 원주방향을 따라 배열 설치되며 자기장을 형성하여 상기 구체(10)를 상기 제1축의 원주방향으로 구동시키는 역할을 한다.

좀 더 상세하게, 상기 다수의 전자석(200)에서 형성되는 자기장에 의해 그 표면에 와전류가 생성되어 상기 구체(10)가 상기 제1축의 원주방향으로 구동되는 것이다. 여기에서 제1축은 최초 시작 위치에서 높이방향 축이 될 수 있다.

이 때, 상기 구체(10)의 회전속도는 상기 전자석(200)에 가해지는 전력의 크기에 의해 조절될 수 있다.

상기 제1구동수단(300)은 상기 메인프레임(100)을 상기 제1축을 구동축으로 하여 구동시켜 상기 메인프레임(100) 상에 설치된 다수의 전자석(200)의 위치를 변경시키는 역할을 한다.

상기 제2구동수단(400)은 상기 메인프레임(100)을 상기 제1축에 수직하는 수직축을 구동축으로 하여 구동시켜 상기 메인프레임(100) 상에 설치된 다수의 전자석(200)의 위치와 상기 제1구동수단(300)의 위치를 변경시키는 역할을 한다.

이에 따라, 본 발명에 따른 3차원 구체 구동 장치(1000)는 내부에 구체(10)가 위치하는 메인프레임(100); 상기 메인프레임(100) 상에 상기 구체(10)의 중심을 통과하는 제1축의 원주방향을 따라 배열 설치되며 자기장을 형성하여 상기 구체(10)를 상기 제1축의 원주방향으로 구동시키는 다수의 전자석(200); 상기 메인프레임(100)을 상기 제1축을 구동축으로 하여 구동시키는 제1구동수단(300); 및 상기 메인프레임(100)을 상기 제1축에 수직하는 수직축을 구동축으로 하여 구동시키는 제2구동수단(400);을 포함하여 구성됨으로써, 상기 다수의 전자석(200)이 배열된 제1축의 원주방향으로 상기 구체(10)가 회전되도록 안내하되, 상기 제1구동수단(300)과 제2구동수단(400)을 이용하여 상기 메인프레임(100)을 자유롭게 구동시키는 것으로 상기 다수의 전자석(200)이 배열된 제1축의 원주방향을 자유롭게 조절하여 구체(10)의 자세를 제어할 수 있는 효과가 있다.

즉, 본 발명에 따른 3차원 구체 구동 장치(1000)는 하나의 축의 원주방향에만 전자석(200)을 설치하여 구체(10)의 자세를 제어할 수 있는 효과가 있다.

한편, 상기 메인프레임(100)은 상기 구체(10)의 절반을 둘러싸는 구조로 형성될 수 있으며, 원주유닛(110), 및 다수의 연장유닛(120)을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 원주유닛(110)은 상기 제1축의 원주방향으로 둥글게 형성되며, 상기 전자석(200)들이 상기 제1축의 원주방향을 따라 배열 설치된다. 이 때, 상기 전자석(200)들은 2 ~ 4개 설치될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니한다.

상기 연장유닛(120)은 상기 원주유닛(110)에서 상기 제1축을 향하여 각각 연장 형성되는 구성으로, 각자의 단부가 서로 연결된다. 이 때, 상기 연장유닛(120)들 각자의 단부가 서로 연결된 부위는 상기 제1축 상에 형성되는 것이 바람직하다.

이에 따라, 상기 메인프레임(100)은 원주유닛(110)과 다수의 연장유닛(120)을 포함하는 매우 간단한 구조로 형성되어 제작비용이 매우 저렴한 장점이 있다.

또한, 상기 제1구동수단(300)은 제1회동자(310), 및 제1모터(320)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 제1회동자(310)는 상기 제1축으로 길게 형성되어 상기 연장유닛(120)들 각자의 단부가 서로 연결된 부위에 결합된다.

상기 제1모터(320)는 상기 제1회동자(310)에 결합되어 상기 제1회동자(310)와 메인프레임(100)을 연동 구동시키는 역할을 한다.

이에 따라, 상기 제1구동수단(300) 역시 제1회동자(310)와 제1모터(320)를 포함하는 매우 간단한 구조로 형성되어 제작비용이 매우 저렴한 장점이 있다.

또한, 상기 제2구동수단(400)은 가이드유닛(410), 한 쌍의 제2회동자(420), 및 제2모터(430)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 가이드유닛(410)은 중심부위가 상기 제1회동자(310)의 구동을 간섭하지 않도록 힌지 결합되며, 일단 및 타단이 각각 상기 원주유닛(110)의 외측둘레에 배치된다. 이때, 상기 가이드유닛(410)의 중심부위와 상기 제1회전자의 외면 사이에는 상기 제1회동자(310)의 구동에 의한 마찰이 발생하지 않도록 고무패킹이 설치될 수 있다.

상기 한 쌍의 제2회동자(420)는 상기 제1축에 수직하는 수직축으로 길게 형성되어 상기 가이드 유닛의 일단 외측 및 타단 외측에 각각 결합된다.

상기 제2모터(430)는 상기 제2회동자(420)에 결합되어, 상기 제2회동자(420), 상기 가이드유닛(410), 및 상기 메인프레임(100)을 연동 구동시키는 역할을 한다.

이에 따라, 상기 제2구동수단(400) 역시 가이드유닛(410), 제2회동자(420), 및 제2모터(430)를 포함하는 매우 간단한 구조로 형성되어 제작비용이 매우 저렴한 장점이 있다.

한편, 본 발명에 따른 3차원 구체 구동 장치(1000)는 위성체가 무중력 상태에서 작동되는 것을 감안하여 무중력 상태에서 작동 될 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구체 구동 장치(1000)의 사시도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구체 구동 장치(1000)는 지주(500)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기 지주(500)는 상단이 상기 제2회동자(420)와 힌지 결합되어 상기 메인프레임(100), 제1구동수단(300), 및 제2구동수단(400)을 지지하는 역할을 한다.

즉, 상기 지주(500)는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구체 구동 장치(1000)가 지면 상 또는 우주선 상에 고정되게 하는 역할을 한다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

10 : 구체
1000 : 본 발명에 따른 3차원 구체 구동 장치
100 : 메인프레임
110 : 원주유닛
120 : 연장유닛
200 : 전자석
300 : 제1구동수단
310 : 제1회동자
320 : 제1모터
400 : 제2구동수단
410 : 가이드유닛
420 : 제2회동자
430 : 제2모터
500 : 지주

Claims

내부에 구체(10)가 위치하는 메인프레임(100);
상기 메인프레임(100) 상에 상기 구체(10)의 중심을 통과하는 제1축의 원주방향을 따라 배열 설치되며 자기장을 형성하여 상기 구체(10)를 상기 제1축의 원주방향으로 구동시키는 다수의 전자석(200);
상기 메인프레임(100)을 상기 제1축을 구동축으로 하여 구동시키는 제1구동수단(300); 및
상기 메인프레임(100)을 상기 제1축에 수직하는 수직축을 구동축으로 하여 구동시키는 제2구동수단(400);을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 구체 구동 장치(1000).
제1항에 있어서, 상기 메인프레임(100)은
상기 제1축의 원주방향으로 둥글게 형성되며 상기 전자석(200)들이 설치되는 원주유닛(110), 및
상기 원주유닛(110)에서 상기 제1축을 향하여 각각 연장 형성되며, 각자의 단부가 서로 연결되는 다수의 연장유닛(120)을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 구체 구동 장치(1000).
제2항에 있어서, 상기 제1구동수단(300)은
상기 제1축으로 길게 형성되어 상기 연장유닛(120)들 각자의 단부가 서로 연결된 부위에 결합되는 제1회동자(310), 및
상기 제1회동자(310)에 결합되는 제1모터(320)를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 구체 구동 장치(1000).
제3항에 있어서, 상기 제2구동수단(400)은
상기 제1회동자(310)에 힌지결합되며, 일단 및 타단이 각각 상기 원주유닛(110)의 외측둘레에 배치되는 가이드유닛(410),
상기 제1축에 수직하는 수직축으로 길게 형성되어 상기 가이드유닛(410)의 일단 및 타단에 각각 결합되는 한 쌍의 제2회동자(420), 및
상기 제2회동자(420)에 결합되는 제2모터(430)를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 구체 구동 장치(1000).
제1항 내지 제4항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서, 상기 3차원 구체 구동 장치(1000)는
무중력 상태에서 작동되는 것을 특징으로 하는 3차원 구체 구동 장치(1000).
제4항에 있어서, 상기 3차원 구체 구동 장치(1000)는
상단이 상기 제2회동자(420)와 힌지 결합되는 지주(500);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 구체 구동 장치(1000).