KR101690151B1 - 나선각을 갖는 공액 이중 싸이클로이드 치형 감속기 - Google Patents

나선각을 갖는 공액 이중 싸이클로이드 치형 감속기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나선각을 갖는 헬리컬 타입 공액 이중 싸이클로이드 감속기에 관한 것으로서, 듀얼 에피 내접기어 또는 듀얼 하이포 내접기어로 구성되어 치합되며, 상기 듀얼 에피 내접기어 또는 듀얼 하이포 내접기어를 동일한 나선방향 및 같은 크기의 나선각을 갖도록 구성된 헬리컬 에피 내접기어 또는 헬리컬 하이포 내접기어로 한 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명에 따르면 싸이클로이드 감속기의 외륜 또는 내륜의 롤러 치형 기어를 동종의 에피 기어 또는 동종의 하이포 기어로 대신하여 구성한 내접기어 쌍에 나선각을 적용하여 내구성 및 정숙성을 갖춘 공액 이중 싸이클로이드 감속기를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

나선각을 갖는 공액 이중 싸이클로이드 치형 감속기{Speed reducer with helical conjugate dual cycloid tooth profile}
본 발명은 나선각을 갖는 공액 이중 싸이클로이드 치형 감속기에 관한 것으로, 상세히는 나선각(helix angle)을 갖는 외치 및 내치 에피 기어 또는 외치 및 내치 하이포 기어를 헬리컬 기어로 만들어 치합한 듀얼 에피 내접기어 또는 듀얼 하이포 내접기어를 이용하여 공액 이중 싸이클로이드 치형을 구현한 나선각을 갖는 공액 이중 싸이클로이드 치형 감속기에 관한 것이다.
일반적으로 감속기라 함은 동력장치에서 입력되는 고속의 저 토크를 소정 비율로 감속하여 저속의 고 토크로 출력되도록 하기 위한 장치로서, 사용하고자 하는 용도에 따라, 다양한 형태를 이루게 된다.
특히, 싸이클로이드 감속기(cycloid reducer)는 작은 부피에도 큰 토크의 전달이 가능하고 감속비가 크며 구름 접촉으로 효율이 높기 때문에 각종 기계장치에서 감속기구로 사용되어 왔으며 현재도 그 적용처가 확대되고 있다.
이러한 싸이클로이드 감속기는 입력축, 싸이클로이드 디스크인 외치 기어, 상기 외치 기어와 치합하는 구름핀을 갖는 내치 기어, 편심축, 그리고 출력축을 포함하여 구성된다.
한편 최근에는 기존 감속시스템 대비 고감속, 초정밀, 초소형 등 특정 용도에 부합하는 특화형 감속기 개발을 위한 일환으로 새로운 치형설계 기술 연구가 활발히 진행되고 있으나, 아직까지 이들을 활용한 대부분의 감속기들은 내구성이 떨어지고 수명이 짧을 뿐만 아니라 폭 넓은 감속비를 구현하는데 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-0582446호 대한민국 공개특허공보 제2011-095618호 미국 등록특허공보 US 4,922,781
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 싸이클로이드 감속기의 외륜 또는 내륜의 롤러 치형 기어를 동종의 에피 기어 또는 동종의 하이포 기어로 대신하여 치합한 내접기어로 구성하고, 상기 내접기어의 외치 및 내치 에피 기어 또는 외치 및 내치 하이포 기어를 동일한 비틀림 방향 및 같은 크기의 나선각(helix angle)을 갖는 외치 및 내치 에피 기어 또는 외치 및 내치 하이포 기어로 구성하여, 상기 나선각(helix angle)을 갖는 외치 및 내치 에피 기어 또는 외치 및 내치 하이포 기어를 치합한 듀얼 내접기어를 헬리컬 내접기어로 재구성함으로써 이를 통해 내구성 및 정숙성이 향상된 감속기를 구현할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 나선각을 갖는 공액 이중 싸이클로이드 치형 감속기는, 내치 에피 기어와 동종의 외치 에피 기어의 치합으로 구성된 듀얼 에피 내접기어를 이용한 감속기에 있어서, 상기 내치 에피 기어와 동종의 외치 에피 기어를 동일한 나선방향 및 같은 크기의 나선각을 갖는 내치 에피 기어와 외치 에피 기어로 각각 재구성하여, 이들을 치합시킨 헬리컬 에피 내접기어를 상기 듀얼 에피 내접기어에 적용한 것을 특징으로 하고 있다.
또 내치 하이포 기어와 동종의 외치 하이포 기어의 치합으로 구성된 듀얼 하이포 내접기어를 이용한 감속기에 있어서, 상기 내치 하이포 기어와 동종의 외치 하이포 기어를 동일한 나선방향 및 같은 크기의 나선각을 갖는 내치 하이포 기어와 외치 하이포 기어로 각각 재구성하여, 이들을 치합시킨 헬리컬 하이포 내접기어를 상기 듀얼 하이포 내접기어에 적용한 것을 다른 특징으로 하고 있다.
또 상기 내치 에피 기어와 동종의 외치 에피 기어의 설계제원 편심(E1, E2)과 설계제원 롤러 치반경(Rr1, Rr2)은 각각 동일하고, 설계제원 롤러 피치원 반경(R)과 설계제원 잇수(N)의 비를 반경 모듈(m)이라 할 때, 내치 에피 기어의 반경 모듈 m1 = R1/N1 과 동종의 외치 에피 기어의 반경 모듈 m2 = R2/N2는 동일하도록 구성하는 것이 바람직하다.
또 상기 내치 에피 기어와 동종의 외치 에피 기어 사이의 편심량(CDe)은 내치 에피 기어의 설계제원 잇수(N1)와 동종의 외치 에피 기어의 설계제원 잇수(N2)의 치수차가 (k = N1-N2)일 때, (k×m(반경 모듈))로 결정되도록 나선각을 갖는 듀얼 에피 내접기어를 구성하는 것이 바람직하다.
또 상기 나선각을 갖는 외치 에피 기어 내에 구성된 출력 홀 및 출력 축과 연결되어 상기 출력 홀에 삽입된 출력 핀 사이의 직경 차이는 나선각을 갖는 듀얼 에피 내접기어의 편심량의 2배가 되도록 구성하는 것이 바람직하다.
또 상기 내치 하이포 기어와 동종의 외치 하이포 기어의 설계제원 편심(E1, E2)과 설계제원 롤러 치반경(Rr1, Rr2)은 각각 동일하고, 설계제원 롤러 피치원 반경(R)과 설계제원 잇수(N)의 비를 반경 모듈(m)이라 할 때, 내치 하이포 기어의 반경 모듈 m1 = R1/N1과 동종의 외치 하이포 기어의 반경 모듈 m2 = R2/N2는 동일하도록 구성하는 것이 바람직하다.
또 상기 내치 하이포 기어와 동종의 외치 하이포 기어 사이의 편심량(CDh)은 내치 하이포 기어의 설계제원 잇수(N1)와 동종의 외치 하이포 기어의 설계제원 잇수(N2)의 치수차가 (k = N1-N2)일 때, (k×m(반경 모듈))로 결정되도록 나선각을 갖는 듀얼 하이포 내접기어를 구성하는 것이 바람직하다.
또 상기 나선각을 갖는 외치 하이포 기어 내에 구성된 출력 홀 및 출력 축과 연결되어 상기 출력 홀에 삽입된 출력 핀 사이의 직경 차이는 나선각을 갖는 듀얼 하이포 내접기어의 편심량의 2배가 되도록 구성하는 것이 바람직하다.
또 상기 나선각은 15°∼30° 범위 내에 있도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 나선각을 갖는 공액 이중 싸이클로이드 치형 감속기에 의하면, 싸이클로이드 감속기의 외륜 또는 내륜의 롤러 치형 기어를 동종의 에피 기어 또는 동종의 하이포 기어로 대신하여 구성한 내접기어를 다양한 싸이클로이드 감속기에 적용함으로써, 폭넓은 감속비를 구현할 수 있을 뿐만 아니라 이들 내접기어에 동일 비틀림 방향 및 같은 크기의 나선각(helix angle)을 적용하여 재구성한 헬리컬 내접기어를 통해 내구성 및 정숙성이 향상된 감속기를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 싸이클로이드 감속기를 나타낸 도면
도 2는 종래 하이포-싸이클로이드 감속기를 나타낸 도면
도 3은 본 발명에 따른 공액 이중 싸이클로이드 치형을 갖는 듀얼 에피 내접기어를 나타낸 도면
도 4는 본 발명에 따른 공액 이중 싸이클로이드 치형을 갖는 듀얼 하이포 내접기어를 나타낸 도면
도 5는 본 발명에 따른 듀얼 에피 내접기어로 구성한 공액 이중 싸이클로이드 감속기를 나타낸 도면
도 6은 본 발명에 따른 듀얼 하이포 내접기어로 구성한 공액 이중 싸이클로이드 감속기를 나타낸 도면
도 7은 본 발명에 따른 나선각을 갖는 듀얼 에피 내접기어를 나타낸 도면
도 8은 본 발명에 따른 나선각을 갖는 듀얼 하이포 내접기어를 나타낸 도면
이하, 본 발명에 따른 나선각을 갖는 공액 이중 싸이클로이드 치형 감속기의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
먼저 본 발명의 싸이클로이드 감속기의 기어에 적용되는 트로코이드 곡선은 크게 기초 원(base circle) 외부를 또 다른 구름 원(rolling circle)이 구를 때 구름 원 위의 한 점의 궤적에 의해 생성되는 에피 트로코이드(epitrochoid) 곡선과, 기초원 내부를 구름 원이 구를 때 구름 원 위의 한 점의 궤적에 의해 생성되는 하이포 트로코이드(hypotrochoid) 곡선으로 구분된다.
또한 상기 생성된 에피 트로코이드 및 하이포 트로코이드 곡선의 오프셋(offset) 곡선을 각각 유사-에피 트로코이드(epitrochoid-like) 및 유사-하이포 트로코이드(hypotrochoid-like) 곡선으로 칭하며, 통상 싸이클로이드 감속기의 치형으로 이들 곡선들이 사용되고 있다.
도 1은 치 반경(Rr), 잇수(N) 개, 피치원 반경(R)에 위치하는 핀 또는 롤러 치형 기어(roller gear)와, 이와 공액인 유사-에피 트로코이드(conjugate epitrochoid-like) 치형 기어(이하 ′에피 기어')로 구성된 싸이클로이드 감속기(이하 '에피 감속기')를 나타낸 것으로서, 도 1에 도시한 바와 같이 에피 기어의 중심(Oe)은 고정 롤러 치형 링 기어의 중심(Or)과 일정 편심(E)되어 위치하며, 이에 의해 에피 기어는 공전과 자전운동을 하며, 통상의 싸이클로이드 감속기는 도 1의 에피 감속기 원리를 이용하고 있다.
그리고 도 2는 도시된 도 1과 유사하게 치 반경(Rr), 잇수(N) 개, 피치원 반경(R)에 위치하는 핀 또는 롤러 치형 기어(roller gear)와, 이와 공액인 유사-하이포 트로코이드(conjugate hypotrochoid-like) 치형 링 기어(이하 '하이포 기어')로 구성된 싸이클로이드 감속기(이하 '하이포 감속기')를 나타낸 것으로서, 도 2에 도시한 바와 같이 롤러 치형 기어의 중심(Or)은 하이포 감속기 중심에 해당하는 하이포 기어의 중심(Oh)과 일정 편심(E)되어 위치하며, 이에 의해 롤러 치형 기어는 공전과 자전운동을 하며, 통상의 하이포-싸이클로이드 감속기는 도 2의 하이포 감속기 원리를 이용하고 있다.
본 발명의 공액 이중 싸이클로이드 감속기(10a 또는 10b)는 도시된 도 1의 에피 감속기에서 외륜의 롤러 치형 기어를 대신하여 도 3에 도시한 바와 같이 동종의 에피 기어의 치합에 의한 내접기어(dual epi internal gear pair, 이하 '듀얼 에피 내접기어') 시스템을 구성하는 것과, 도 2의 하이포 감속기에서 내륜의 롤러 치형 기어를 대신하여 도 4에 도시한 같이 동종의 하이포 기어의 치합에 의한 내접기어(dual hypo internal gear pair, 이하 '듀얼 하이포 내접기어') 시스템을 구성하는 것에 일단 일차적인 특징이 있다.
이때 도 3 및 도 4의 상기 내치 에피 기어(31a) 또는 내치 하이포 기어(31b) 및 동종의 외치 에피 기어(32a) 또는 외치 하이포 기어(32b)의 설계제원 편심(E1, E2)과 설계제원 롤러 치반경(Rr1, Rr2)은 각각 동일하고 설계제원 롤러 피치원 반경(R)과 설계제원 잇수(N)의 비를 반경 모듈(m)이라 할 때, 내치 에피 기어(31a) 또는 내치 하이포 기어(31b)의 반경 모듈 m1 = R1/N1 과 동종의 외치 에피 기어(32a) 또는 외치 하이포 기어(32b)의 반경 모듈 m2 = R2/N2 는 각각 동일하게 형성된다.
또한 상기 내치 에피 기어(31a) 또는 내치 하이포 기어(31b)와 동종의 외치 에피 기어(32a) 또는 외치 하이포 기어(32b) 사이의 편심 CDe 또는 CDh(35a 또는 35b)는 내치 에피 기어(31a) 또는 내치 하이포 기어(31b)의 설계제원 잇수(N1)와 동종의 외치 에피 기어(32a) 또는 외치 하이포 기어(32b)의 설계제원 잇수(N2)의 치수차가 (k = N1-N2)일 때 (k×m(반경 모듈))로 결정된다.
한편 상기 기술한 방법을 통해 구성한 도 5의 듀얼 에피 내접기어 및 도 6의 듀얼 하이포 내접기어 기반 공액 이중 싸이클로이드 감속기의 외치 기어(32a 또는 32b)는 그 중심이 내치 기어(31a 또는 31b)와 CDe 또는 CDh 만큼 편심 되어 구름 회전접촉하며, 내치 기어(31a 또는 31b)와 외치 기어(32a 또는 32b)의 치수차는 임의 k 치수차 설계가 자유롭게 가능하기 때문에 다양한 감속비를 얻을 수 있는 장점이 있다.
또한 도 1 및 도 2와 같이 롤러(또는 핀)기어 개수만큼 온 접촉하는 기존 싸이클로이드 감속기와 달리 본 발명의 내접기어는 이론적으로 한 점에서 접촉하기 때문에 제작 및 조립이 용이한 장점이 있지만 낮은 비틀림 강성(torsional rigidity)으로 인해 내구성 측면에서 다소 불리한 점이 있다. 이에 본 발명에서는 이를 극복하고자 이차적인 특징으로 상기한 바와 같이 구성한 듀얼 에피 내접기어(30a)를 도 7에 도시한 같이 이폭 방향으로 동일한 비틀림 방향 및 같은 크기의 나선각을 갖는 외치 에피 기어(33a) 및 내치 에피 기어(34a)의 헬리컬 기어로 구성함으로써, 상기 나선각을 갖는 내치 에피 기어(33a) 및 외치 에피 기어(34a)를 치합한 듀얼 에피 내접기어가 헬리컬 에피 내접기어(36a)로 되도록 하는 것이 바람직하다. 또한 상기한 바와 같이 구성한 듀얼 하이포 내접기어(30b)를 도 8에 도시한 같이 이폭 방향으로 동일한 비틀림 방향 및 같은 크기의 나선각을 갖는 내치 하이포 기어(33b) 및 외치 하이포 기어(34b)의 헬리컬 기어로 구성함으로써, 상기 나선각을 갖는 외치 하이포 기어(33b) 및 내치 하이포 기어(34b)를 치합한 듀얼 하이포 내접기어가 헬리컬 하이포 내접기어(36b)로 되도록 하는 것이 바람직하다.
이렇게 되면 새롭게 구성된 헬리컬 에피 내접기어(36a) 또는 헬리컬 하이포 내접기어(36b)의 나선각을 갖는 내치 에피 또는 하이포 기어(33a 또는 33b)의 헬리컬 내치 기어와 외치 에피 또는 하이포 기어(34a 또는 34b)의 헬리컬 외치 기어가 맞물려 회전할 때, 이빨의 한쪽 끝에서 먼저 접촉하기 시작하여 회전이 계속됨에 따라 접촉이 이폭 방향으로 확대된다. 그러므로 이가 점진적으로 맞물리어 나선각이 0°인 종래의 듀얼 에피 내접기어 또는 듀얼 하이포 내접기어의 물림에 비해 더 부드럽고 더 정숙하게 작동하며, 이러한 점진적인 맞물림은 더 낮은 동적계수와 더 높은 회전속도를 허용한다. 또 본 발명과 같이 평행 축상에서 맞물리는 헬리컬 에피 또는 하이포 내접기어는 반드시 같은 나선각을 갖고 동일 비틀림 방향임에 주의하여야 한다. 비틀림 방향은 축 추력의 방향을 고려하여 설정되며, 나선각의 값은 표준화되지 않았지만 15°∼30° 범위가 통상적이며 나선각이 작을수록 추력은 작아지고, 반면 나선각이 커지면 보다 부드럽게 작동된다.
또한 상기 나선각을 갖도록 구성한 헬리컬 내접기어 쌍에 있어서, 상기 나선각을 갖는 외치 에피 기어(34a) 또는 상기 나선각을 갖는 외치 하이포 기어(34b) 내에 구성된 출력 홀(40) 및 출력 축(미도시)과 연결되어 상기 출력 홀(40)에 삽입된 출력 핀(50) 사이의 직경 차이(60)는 상기 나선각을 갖는 내치 기어(33a 또는 33b)와 나선각을 갖는 동종의 외치 기어(34a 또는 34b) 사이의 편심량(35a 또는 35b)의 2배가 되도록 구성하여야 입력과 출력의 원활한 연결이 이루어진다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명인 나선각을 갖는 공액 이중 싸이클로이드 치형 감속기를 설명함에 있어 특정형상 및 방향을 위주로 설명하였으나, 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10a : 듀얼 에피 내접기어로 구성된 공액 이중 싸이클로이드 감속기
10b : 듀얼 하이포 내접기어로 구성된 공액 이중 싸이클로이드 감속기
20 : 입력 편심축 결합 내경
30a : 듀얼 에피 내접기어
30b : 듀얼 하이포 내접기어
31a : 내치 에피 기어
31b : 내치 하이포 기어
32a : 외치 에피 기어
32b : 외치 하이포 기어
33a : 나선각이 적용된 내치 에피 기어
33b : 나선각이 적용된 내치 하이포 기어
34a : 나선각이 적용된 외치 에피 기어
34b : 나선각이 적용된 외치 하이포 기어
35a : 듀얼 에피 내접기어 편심량
35b : 듀얼 하이포 내접기어 편심량
36a : 헬리컬 에피 내접기어
36b : 헬리컬 하이포 내접기어
40 : 출력 홀
50 : 출력 핀
60 : 출력 홀과 출력 핀 사이의 직경 차이

Claims (10)

  1. 내치 에피 기어와 동종의 외치 에피 기어의 치합으로 구성된 듀얼 에피 내접기어를 이용한 감속기에 있어서,
    상기 내치 에피 기어와 동종의 외치 에피 기어를 동일한 나선방향 및 같은 크기의 나선각을 갖는 내치 에피 기어와 외치 에피 기어로 각각 구성하여, 이들을 치합시킨 헬리컬 에피 내접기어를 상기 듀얼 에피 내접기어에 적용한 것을 특징으로 하는 나선각을 갖는 공액 이중 싸이클로이드 치형 감속기.
  2. 내치 하이포 기어와 동종의 외치 하이포 기어의 치합으로 구성된 듀얼 하이포 내접기어를 이용한 감속기에 있어서,
    상기 내치 하이포 기어와 동종의 외치 하이포 기어를 동일한 나선방향 및 같은 크기의 나선각을 갖는 내치 하이포 기어와 외치 하이포 기어로 각각 구성하여, 이들을 치합시킨 헬리컬 하이포 내접기어를 상기 듀얼 하이포 내접기어에 적용한 것을 특징으로 하는 나선각을 갖는 공액 이중 싸이클로이드 치형 감속기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 내치 에피 기어와 동종의 외치 에피 기어의 설계제원 편심(E1, E2)과 설계제원 롤러 치반경(Rr1, Rr2)은 각각 동일하고, 설계제원 롤러 피치원 반경(R)과 설계제원 잇수(N)의 비를 반경 모듈(m)이라 할 때, 내치 에피 기어의 반경 모듈 m1 = R1/N1 과 동종의 외치 에피 기어의 반경 모듈 m2 = R2/N2는 동일하도록 구성한 것을 특징으로 하는 나선각을 갖는 공액 이중 싸이클로이드 치형 감속기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 내치 에피 기어와 동종의 외치 에피 기어 사이의 편심량(CDe)은 내치 에피 기어의 설계제원 잇수(N1)와 동종의 외치 에피 기어의 설계제원 잇수(N2)의 치수차가 (k = N1-N2)일 때, (k×m(반경 모듈))로 결정되도록 나선각을 갖는 듀얼 에피 내접기어를 구성한 것을 특징으로 하는 나선각을 갖는 공액 이중 싸이클로이드 치형 감속기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나선각을 갖는 외치 에피 기어 내에 구성된 출력 홀 및 출력 축과 연결되어 상기 출력 홀에 삽입된 출력 핀 사이의 직경 차이는 나선각을 갖는 듀얼 에피 내접기어의 편심량의 2배가 되도록 구성한 것을 특징으로 하는 나선각을 갖는 공액 이중 싸이클로이드 치형 감속기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 나선각은 15°∼30° 범위 내에 있도록 한 것을 특징으로 하는 나선각을 갖는 공액 이중 싸이클로이드 치형 감속기.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 내치 하이포 기어와 동종의 외치 하이포 기어의 설계제원 편심(E1, E2)과 설계제원 롤러 치반경(Rr1, Rr2)은 각각 동일하고, 설계제원 롤러 피치원 반경(R)과 설계제원 잇수(N)의 비를 반경 모듈(m)이라 할 때, 내치 하이포 기어의 반경 모듈 m1 = R1/N1과 동종의 외치 하이포 기어의 반경 모듈 m2 = R2/N2는 동일하도록 구성한 것을 특징으로 하는 나선각을 갖는 공액 이중 싸이클로이드 치형 감속기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 내치 하이포 기어와 동종의 외치 하이포 기어 사이의 편심량(CDh)은 내치 하이포 기어의 설계제원 잇수(N1)와 동종의 외치 하이포 기어의 설계제원 잇수(N2)의 치수차가 (k = N1-N2)일 때, (k×m(반경 모듈))로 결정되도록 나선각을 갖는 듀얼 하이포 내접기어를 구성한 것을 특징으로 하는 나선각을 갖는 공액 이중 싸이클로이드 치형 감속기.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 나선각을 갖는 외치 하이포 기어 내에 구성된 출력 홀 및 출력 축과 연결되어 상기 출력 홀에 삽입된 출력 핀 사이의 직경 차이는 나선각을 갖는 듀얼 하이포 내접기어의 편심량의 2배가 되도록 구성한 것을 특징으로 하는 나선각을 갖는 공액 이중 싸이클로이드 치형 감속기.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 나선각은 15°∼30° 범위 내에 있도록 한 것을 특징으로 하는 나선각을 갖는 공액 이중 싸이클로이드 치형 감속기.
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