KR101948842B1 - 공압 구동을 위한 압축공기 재순환 시스템 및 모바일 로봇 - Google Patents

공압 구동을 위한 압축공기 재순환 시스템 및 모바일 로봇 Download PDF

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이신영
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중앙대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 공압 구동을 위한 압축공기 재순환 시스템 및 모바일 로봇에 관한 것이다. 본 발명은 공압 구동에 필요한 압축공기를 생성하는 압축기; 상기 압축기에서 생성된 압축공기가 유입되는 공압 액츄에이터; 상기 공압 액츄에이터에 공급되는 공기압을 설정 및 조절하는 레귤레이터; 및 상기 공압 액츄에이터에서 사용되고 배출되는 압축공기를 상기 압축기로 보내는 재순환 밸브를 포함하고, 상기 재순환 밸브는 배출되는 압축공기의 압력을 조절하는데, 압축공기가 모두 배출된 경우 외부공기를 추가로 유입시켜 상기 압축기로 보낼 수 있다.

Description

공압 구동을 위한 압축공기 재순환 시스템 및 모바일 로봇{COMPRESSED AIR RECIRCULATION SYSTEM FOR PNEUMATIC DRIVING AND MOBILE ROBOT}
본 발명은 공압 구동을 위한 압축공기 재순환 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공압을 구동하는 과정에서 압축공기를 재순환하기 위한 시스템 및 이를 적용한 모바일 로봇에 관한 것이다.
최근 로봇 기술의 발달에 따라 다양한 분야에서 로봇의 이용성이 높아지고 있으며, 특히 인간이 수행하기 어렵거나 또는 위험한 작업을 로봇이 대신 수행하는 경우가 늘어나고 있다.
이러한 로봇 중에 공압 구동에 의해 작동되는 로봇들은 효율이 낮고 공압을 이용하기 위한 추가 장치들의 무게가 커서 모빌리티를 위한 효율이 떨어지는 문제가 있었고, 압축공기의 배출 시 소음으로 인하여 사람들에게 거부감이 들게 하는 문제도 있었다.
따라서, 공압 구동 시스템의 효율을 증가시켜 가벼운 무게의 추가 장치를 이용함으로써 공압 구동 모바일 로봇의 전체 무게를 줄일 수 있고 소음도 감소할 수 있는 공압 구동 시스템의 개발이 필요한 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1110748호(2012.01.20)
본 발명은 시스템의 효율을 높이고 소음이 감소될 수 있는 구조를 가진 공압 구동을 위한 압축공기 재순환 시스템 및 모바일 로봇을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 공압 액츄에이터에서 압축기로 압축공기가 배출되는 속도를 높일 수 있는 구조를 가진 공압 구동을 위한 압축공기 재순환 시스템 및 모바일 로봇을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 재순환 밸브 내에 잔류압력이 발생하는 것을 방지할 수 있는 구조를 가진 공압 구동을 위한 압축공기 재순환 시스템 및 모바일 로봇을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 의한 압축공기 재순환 시스템은 공압 구동에 필요한 압축공기를 생성하는 압축기; 상기 압축기에서 생성된 압축공기가 유입되는 공압 액츄에이터; 상기 공압 액츄에이터에 공급되는 공기압을 설정 및 조절하는 레귤레이터; 및 상기 공압 액츄에이터에서 사용되고 배출되는 압축공기를 상기 압축기로 보내는 재순환 밸브를 포함하고, 상기 재순환 밸브는 배출되는 압축공기 압력을 조절하는데, 압축공기가 모두 배출된 경우 외부공기를 추가로 유입시켜 상기 압축기로 보낼 수 있다.
상기 재순환 밸브는, 밸브 몸체; 상기 밸브 몸체의 내부에 이동가능하게 설치되는 피스톤; 상기 피스톤의 후단에 회전가능하게 연결되는 링크부재; 및 상기 피스톤과 수직한 방향으로 탄성력을 제공하고, 상기 링크부재가 단부에 회전가능하게 연결되는 탄성부재를 포함할 수 있다.
상기 밸브 몸체에는, 상기 레귤레이터를 통해 압축공기가 유입되는 유입포트; 및 상기 압축기로 보내지는 압축공기가 배출되는 배출포트가 구비될 수 있다.
상기 배출포트는 2개가 상기 피스톤의 이동방향을 따라 배치되는데, 상기 피스톤의 선단은 최전방으로 이동되었을 때 상기 배출포트 중 적어도 하나 이상이 상기 밸브 몸체의 내부와 연통될 수 있다.
상기 피스톤의 후단에 대응되는 상기 밸브 몸체는 외부공기가 유입될 수 있도록 적어도 일부가 개방될 수 있다.
상기 재순환 밸브는, 밸브 몸체; 상기 밸브 몸체의 내부에 이동가능하게 설치되는 피스톤; 및 상기 피스톤의 후단에 연결되어 연동가능한 비선형 스프링을 포함할 수 있다.
상기 압축공기 재순환 시스템을 모바일 로봇에 적용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 공압 액츄에이터에서 사용하고 배출되는 압축공기를 가벼운 추가장치인 재순환 밸브를 통해 압축기로 보내도록 시스템을 구현함으로써, 시스템의 효율을 높이고 소음이 감소될 수 있다.
또한, 피스톤-스프링 매커니즘으로 재순환 밸브를 구현함으로써, 공압 액츄에이터에서 압축기로 압축공기가 배출되는 속도를 높일 수 있다.
또한, 재순환 밸브의 스프링의 탄성계수가 비선형적이 되도록 링크 매커니즘을 구현함으로써, 재순환 밸브 내에 잔류압력이 발생하는 것을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 구동을 위한 압축공기 재순환 시스템의 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 재순환 밸브의 사시도.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 재순환 밸브가 작동되는 것을 보인 도면.
도 5는 일반적인 공압 시스템과 본 발명의 일 실시예에 따른 압축공기 재순환 시스템에서 사이클 당 압축기가 작동하지 않은 시간을 비율로 나타낸 그래프.
도 6은 일반적인 공압 시스템과 본 발명의 일 실시예에 따른 압축공기 재순환 시스템이 같은 명령을 얼마나 빨리 수행할 수 있는 지를 비교한 것을 나타낸 그래프.
도 7은 일반적인 공압 시스템과 본 발명의 일 실시예에 따른 압축공기 재순환 시스템의 발생 소음을 비교한 것을 나타낸 그래프.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 의한 공압 구동을 위한 압축공기 재순환 시스템 및 모바일 로봇의 일 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공압 구동을 위한 압축공기 재순환 시스템의 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 재순환 밸브의 사시도이며, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 재순환 밸브가 작동되는 것을 보인 도면이다.
이에 도시된 바에 따르면, 본 발명에 의한 공압 구동을 위한 압축공기 재순환 시스템은 공압 구동에 필요한 압축공기를 생성하는 압축기(10); 상기 압축기(10)에서 생성된 압축공기가 유입되는 공압 액츄에이터(30); 상기 공압 액츄에이터(30)에 공급되는 공기압을 조절하는 레귤레이터(20); 및 상기 공압 액츄에이터(30)에서 사용되고 배출되는 압축공기를 상기 압축기(10)로 보내는 재순환 밸브(40)를 포함할 수 있다.
압축기(10)는 공압 구동을 위해 공기를 압축하여 압축공기를 생성하는 역할을 한다. 압축기(10)의 후단에는 공기저장부(14)가 구비된다. 공기저장부(14)는 압축기(10)에서 생성된 압축공기를 저장하였다가 레귤레이터(20)로 보내는 역할을 한다. 공기저장부(14)는 일반적으로 압축기(10) 내에 구비되는데, 본 실시예에서는 소형의 압축기(10)를 사용하여 별도의 공기저장부(14)를 둔 것이다.
공기저장부(14)의 후단에 배치된 레귤레이터(20)는 유입된 압축공기의 공기압을 설정 및 조절하는 부분이다. 한편, 압축기(10)와 레귤레이터(20)는 전원공급부(12)와 전기적으로 연결되어 전원 공급을 받게 된다. 또한, 레귤레이터(20)에서의 공기압 설정 및 조절은 레귤레이터(20)와 전기적으로 연결된 제어부(22)에 의해 제어될 수 있다.
다음으로, 레귤레이터(20)에서 배출된 압축공기는 미리 설정된 공기압으로 공압 액츄에이터(30)로 유입된다. 공압 액츄에이터(30)는 압축기(10)로부터 동력을 공급받고 그것을 변위, 힘, 토크 등의 기계적 동력으로 변환하여 부하를 구동할 목적으로 사용되는 기기로서, 본 실시예에서는 공압 인공 근육(PAM)으로서 사용될 수 있다.
일반적인 공압 액츄에이터(30)의 경우 사용하고 배출되는 압축공기는 외부로 배출되고 압축공기가 배출되는 과정에서 소음이 발생하는 문제를 가지고 있다. 하지만, 본 실시예에서는 공압 액츄에이터(30)에서 사용하고 배출되는 압축공기가 레귤레이터(20)를 통해 재순환 밸브(40)로 유입되도록 구성하였다. 이와 같이 유입된 압축공기는 재순환 밸브(40) 내의 비선형 매커니즘을 거쳐 압축기(10)로 재공급된다. 따라서, 압축기(10)에서는 이미 압축된 공기를 추가하여 압축공기를 생성하기 때문에 전체적인 시스템의 효율이 증대될 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이 압축공기가 외부로 배출되지 않고 압축기(10)로 재공급되기 때문에 소음이 감소하는 장점이 있다.
도 2를 참조하면, 재순환 밸브(40)는, 밸브 몸체(42); 상기 밸브 몸체(42)의 내부에 이동가능하게 설치되는 피스톤(44); 상기 피스톤(44)의 후단에 회전가능하게 연결되는 링크부재(52); 및 상기 피스톤(44)과 수직한 방향으로 탄성력을 제공하고, 상기 링크부재(52)가 단부에 회전가능하게 연결되는 탄성부재(60)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서 재순환 밸브(40)는 단순히 공기유로의 개폐 역할만 수행하는 것이 아니고, 비선형 피스톤-스프링 매커니즘을 통하여 배출되는 압축공기의 압력을 조절함으로써 재순환 밸브(40) 내에 잔류압력이 생기는 것을 최소화하였다. 또한, 외부전력이 필요없는 비선형 피스톤-스프링 매커니즘을 활용함으로써, 전체적인 전력 소비도 최소화하였다.
밸브 몸체(42)는 내부에 피스톤(44)이 이동가능하도록 설치되는 공간이 형성되어 있고, 밸브 몸체(42)의 단부 일측에는 압축공기가 배출되는 2개의 배출포트(46,47)가 구비된다. 그리고, 밸브 몸체(42)의 선단에는 공압 액츄에이터(30)로부터 레귤레이터(20)를 통해 압축공기가 유입되는 유입포트(48)가 구비된다.
본 실시예에서는 배출포트(46,47)가 2개가 배치되는데, 제1 배출포트(46)는 제2 배출포트(47)보다 상대적으로 전방에 배치된다. 피스톤(44)이 도 3에서와 같이 최후방으로 이동하였을 때에는 유입된 압축공기가 배출포트(46,47) 모두를 통해 배출될 수 있다. 반면에, 피스톤(44)이 도 4에서와 같이 최전방으로 이동하였을 때에는 피스톤(44)이 제1 배출포트(46)와 제2 배출포트(47)의 사이에 위치하게 된다.
이와 같이 되면 공기홀(50)을 통해 외부공기가 유입될 수 있고, 유입된 외부공기는 제2 배출포트(47)를 통해서만 압축기(10)로 보내질 수 있다. 이때에도 제1 배출포트(46)는 밸브 몸체(42) 내부와 연통되기 때문에 압축공기 중 잔류한 것이 배출될 수 있다. 참고로, 공기홀(50)은 밸브 몸체(42)의 적어도 일부가 개방되어 외부공기가 유입될 수 있는 정도로만 형성되면 충분하다.
밸브 몸체(42)의 후단에는 탄성부재(60)가 설치되는 보조 몸체(52)가 결합된다. 보조 몸체(52)는 실질적으로 밸브 몸체(42)와 일체로 형성될 수 있다. 보조 몸체(52)는 대략 'ㄴ'자 형상으로 제작되는데, 일측에는 밸브 몸체(42)의 내부공간과 연통되어 피스톤(44)이 이동되는 피스톤 이동부(54)가 형성되고 구부러진 타측에는 탄성부재(60)가 이동가능하게 설치되는 탄성부재 이동부(56)가 형성된다.
탄성부재(60)는 일단이 탄성부재 이동부(56)에 고정되고, 타단에 결합된 결합단(62)에 링크부재(64)의 일단이 회전가능하게 연결된다. 링크부재(64)의 타단은 피스톤(44)의 후단에 회전가능하게 연결되어 피스톤(44)과 탄성부재(60)가 서로 비선형적으로 이동되게 하는 매개체 역할을 한다. 따라서, 공압 액츄에이터(30) 내에 잔류압력을 최소화하여 공압 액츄에이터(30)의 성능 저하를 감소시킬 수 있다. 본 실시예에서는 탄성부재(60)가 피스톤(44)과 수직한 방향으로 이동되도록 구성하고 링크부재(64)로 연동시켜 비선형적인 움직임이 이루어지도록 구성하였으나, 이에 제한되는 것은 아니고 탄성부재(60) 자체가 비선형 스프링으로 제작되어 피스톤(44)의 후단에 연결되는 구성도 가능하다.
이상에서 설명한 재순환 밸브(40)에서는 압축공기의 양이 충분한 경우에는 비선형적으로 작동하면서 압축공기의 배출량을 조절하고, 압축공기가 모두 배출된 경우 도 4에서와 같이 외부공기를 유입시켜 압축기(10) 쪽으로 보내지도록 함으로써, 재순환 시스템의 전체 효율이 향상되도록 하였다.
도 5는 일반적인 공압 시스템과 본 발명의 일 실시예에 따른 압축공기 재순환 시스템에서 사이클 당 압축기가 작동하지 않은 시간을 비율로 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 본 그래프는 압축기(10)가 공기를 압축할 때 공기저장부(14)의 압력이 일정값(3.2bar) 이상 넘어가면 정지하도록 설정을 하고 레귤레이터(20)에서 공압 액츄에이터(30)가 5초간 2.8bar로 유지, 3초간 0bar로 유지를 여러 번 반복하도록 설정을 하였을 때 총 시간 중에 압축기(10)가 작동하지 않은 시간을 백분율로 나타낸 것이다. 참고로, k는 탄성부재(60)의 탄성계수를 나타낸다.
그래프 결과에서 알 수 있듯이, 재순환 밸브(40)가 구비되지 않은 경우(normal)에 비하여 탄성부재(60)가 포함된 재순환 밸브(40)가 구비되면 재순환 시스템의 효율이 향상될 수 있다.
도 6은 일반적인 공압 시스템과 본 발명의 일 실시예에 따른 압축공기 재순환 시스템이 같은 명령을 얼마나 빨리 수행할 수 있는 지를 비교한 것을 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 본 그래프는 일반적인 공압 시스템(a)에 비하여 본 발명에 의한 재순환 시스템(b)이 총 시간 동안에 같은 명령을 얼마나 빨리 수행할 수 있는지를 보여주는 그래프이다. 즉, (b)에 도시된 그래프를 참조하면, 본 재순환 시스템에서 공압 액츄에이터(30)가 같은 명령을 일반적인 공압 시스템에 비하여 빨리 수행하는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 일반적인 공압 시스템과 본 발명의 일 실시예에 따른 압축공기 재순환 시스템의 발생 소음을 비교한 것을 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 본 그래프는 일반적인 공압 시스템(a)에 비하여 본 발명에 의한 재순환 시스템(b)이 소음이 감소하는 것을 보여주는 그래프이다. 즉, (b)에 도시된 그래프를 참조하면, 본 재순환 시스템에서 소음이 상당히 감소하는 것을 확인할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 특정의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 압축기 12 : 전원공급부
14 : 공기저장부 20 : 레귤레이터
22 : 제어부 30 : 공압 액츄에이터
40 : 재순환 밸브 42 : 밸브 몸체
44 : 피스톤 46 : 제1 배출포트
47 : 제2 배출포트 48 : 유입포트
50 : 공기홀 52 : 보조 몸체
54 : 피스톤 이동부 56 : 탄성부재 이동부
60 : 탄성부재 62 : 결합단
64 : 링크부재

Claims (7)

  1. 공압 구동에 필요한 압축공기를 생성하는 압축기;
    상기 압축기에서 생성된 압축공기가 유입되는 공압 액츄에이터;
    상기 공압 액츄에이터에 공급되는 공기압을 설정 및 조절하는 레귤레이터; 및
    상기 공압 액츄에이터에서 사용되고 배출되는 압축공기를 상기 레귤레이터를 통해 상기 압축기로 보내는 재순환 밸브를 포함하고,
    상기 재순환 밸브는 배출되는 압축공기의 압력을 조절하는데, 압축공기가 모두 배출된 경우 외부공기를 추가로 유입시켜 상기 압축기로 보내며,
    상기 재순환 밸브는,
    밸브 몸체;
    상기 밸브 몸체의 내부에 이동가능하게 설치되는 피스톤;
    상기 피스톤의 후단에 회전가능하게 연결되는 링크부재; 및
    상기 피스톤과 수직한 방향으로 탄성력을 제공하고, 상기 링크부재가 단부에 회전가능하게 연결되는 탄성부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 공압 구동을 위한 압축공기 재순환 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 밸브 몸체에는,
    상기 공압 액츄에이터로부터 상기 레귤레이터를 통해 압축공기가 유입되는 유입포트; 및
    상기 압축기로 보내지는 압축공기가 배출되는 배출포트가 구비되는 것을 특징으로 하는 공압 구동을 위한 압축공기 재순환 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배출포트는 2개가 상기 피스톤의 이동방향을 따라 배치되는데,
    상기 피스톤의 선단은 최전방으로 이동되었을 때 상기 배출포트 중 적어도 하나 이상이 상기 밸브 몸체의 내부와 연통되는 것을 특징으로 하는 공압 구동을 위한 압축공기 재순환 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 피스톤의 후단에 대응되는 상기 밸브 몸체는 외부공기가 유입될 수 있도록 적어도 일부가 개방되는 것을 특징으로 하는 공압 구동을 위한 압축공기 재순환 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 재순환 밸브는,
    밸브 몸체;
    상기 밸브 몸체의 내부에 이동가능하게 설치되는 피스톤; 및
    상기 피스톤의 후단에 연결되어 연동가능한 비선형 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 공압 구동을 위한 압축공기 재순환 시스템.
  7. 제1항, 제3항, 제4항, 제5항 또는 제6항 중 어느 한 항에 따른 압축공기 재순환 시스템을 적용한 모바일 로봇.
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