KR101954316B1 - 외전형 모터의 브레이크 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 외전형 모터의 브레이크 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전원 오프(off) 시에도 브레이크 마찰 패드가 외전형 모터의 로터(rotor)면을 누르는 마찰 토크에 의해서 로터가 정지하도록 하는 외전형 모터의 브레이크 장치에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 저가의 전자 브레이크 시스템을 제공하는 효과가 있으며, 또한 홈 로봇 등의 머리 또는 관절을 구동하는 외전형 모터의 전원을 오프 시키더라도 로봇의 머리 등과 같이 움직이는 부위의 자세가 갑자기 흐트러지지 않고 오프되기 전의 상태로 유지되며, 또한 전원 오프 상태에서도 사용자가 로봇의 움직이는 부위에 가벼운 외력을 가할 경우에는 경직되어 있지 않고 사용자의 의도에 따르는 방향으로 움직임을 나타내며, 또한 외력을 멈출 경우에는 또한 그 순간의 자세를 유지하면서 정지되어 있도록 함으로써, 로봇의 전원 오프 시에도 로봇에 터치하는 사용자의 의도를 만족시켜 줄 수 있는 감성적 브레이크 장치를 제공한다.

Description

외전형 모터의 브레이크 장치{BRAKE APPARATUS OF EXTERNAL-ROTOR MOTOR}
본 발명은 외전형 모터의 브레이크 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전원 오프(off) 시에도 브레이크 마찰 패드가 외전형 모터의 로터(rotor)면을 누르는 마찰 토크에 의해서 로터가 정지하도록 하는 외전형 모터의 브레이크 장치에 관한 것이다.
전기자동차 시대가 다가오면서, 전기자동차에 장착되는 브레이크 시스템에 대한 개발도 활발히 이루어지고 있다. 전기자동차의 경우, 전원 오프시에는 자동차가 움직이지 않도록 브레이크 시스템이 작동해야 하는데, 자동차의 무게 및 안전을 고려할 때, 자동차가 확실하게 정지상태를 유지할 수 있도록 매우 강력한 구속력을 발휘하는 전자 브레이크 시스템이 필요하다.
그러나 전자 브레이크 시스템은 이러한 전기자동차와 같은 큰 규모의 장치에만 사용되는 것은 아니다. 예를 들어, 완구 등과 같이 가정에서 여러가지 용도로 쓰이는 소형 로봇, 이른바 홈 로봇(home robot) 시대가 도래하고 있는데, 이와 같은 홈 로봇에도 브레이크 장치가 사용될 수 있다.
도 1은 그와 같은 홈 로봇(50)의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 1에서, 홈 로봇(50)의 머리(51) 또는 관절을 직접 또는 간접적으로(외전형 모터의 돌출된 축과 로봇의 머리 또는 관절 사이에 기어 또는 다른 기구물들로 연결되어 구동되는 경우) 구동하는 구동원으로 사용하는 외전형 모터의 전원이 켜진(on) 상태에서는 정면을 보거나 필요에 따라 다양한 각도로 움직일 수 있다. 만약 전원이 꺼진(off) 상태가 된 경우, 머리(51)는 힘없이 회전하여 아래를 향하여 처지거나, 홈 로봇(50)을 움직이게 함에 따라 향방없이 이리저리로 움직이게 되는 문제점이 있었다.
이를 방지하기 위해 전기자동차에 사용되는 브레이크 장치를 쓰는 것은 지나치게 복잡하고 고가일 뿐만 아니라, 또한 브레이크 작동시 머리(51) 등의 움직임이 전혀없이 경직되게 되어, 전원 오프 상태에서는 사람이 가벼운 터치 등을 하더라도 홈 로봇의 움직임을 발생시킬 수 없는 문제점이 있었다.
KR 10-2014-0011973 A
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 저가의 전자 브레이크 시스템을 제공할 뿐 아니라, 홈 로봇 등의 머리 또는 관절을 구동하는 외전형 모터의 전원을 오프 시키더라도 로봇의 머리 등과 같이 움직이는 부위의 자세가 갑자기 흐트러지지 않고 오프되기 전의 상태로 유지되며, 또한 전원 오프 상태에서도 사용자가 로봇의 움직이는 부위에 가벼운 외력을 가할 경우에는 경직되어 있지 않고 사용자의 의도에 따르는 방향으로 움직임을 나타내며, 또한 외력을 멈출 경우에는 또한 그 순간의 자세를 유지하면서 정지되어 있도록 하는 브레이크 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 외전형 모터의 브레이크 장치는, 외전형 모터의 로터(rotor)면에 제동력을 전달하는 프레임; 상기 프레임 상의 특정 위치에서 상기 프레임을 지지하면서, 상기 프레임의 운동 축의 역할을 담당하는 피봇 축부; 상기 프레임의 일단부에 결합되어, 제동시 상기 프레임의 움직임에 따라 외전형 모터의 로터(rotor)면과 접촉하는 마찰 패드; 상기 프레임의 타단부의 스프링 접촉부에, 미는 힘을 작용하는 스프링; 전기 구동 장치; 상기 전기 구동 장치에 결합되어, 상기 전기 구동 장치의 구동에 따라 회전하는 리드 스크류; 및 상기 리드 스크류에 맞물리도록 구비되어, 상기 전기 구동 장치의 구동으로 상기 리드 스크류가 회전함에 따라 상기 리드 스크류 위에서 병진 운동을 하며, 상기 프레임의 상기 스프링 접촉부에, 상기 스프링의 미는 힘에 저항하는 힘을 작용하는 슬라이더를 포함한다.
전원 오프(off) 시에, 상기 리드 스크류는 상기 슬라이더가 상기 전기 구동장치에서 멀어지는 방향으로 이동하도록 회전하고, 상기 스프링이 프레임의 스프링 접촉부를 미는 힘에 의해 프레임은, 일단부의 마찰 패드가 외전형 모터의 로터(rotor)면에 접촉하도록 움직이며, 전원 온(on) 시에, 상기 리드 스크류는 상기 슬라이더가 상기 전기 구동장치에 가까와지는 방향으로 이동하도록 회전하고, 상기 슬라이더가 상기 프레임의 스프링 접촉부를 미는 힘에 의해 프레임은, 일단부의 마찰 패드가 외전형 모터의 로터(rotor)면에서 떨어지도록 움직일 수 있다.
전원 오프시에 상기 슬라이더의 최종 위치는, 상기 스프링의 미는 힘에 의해 상기 프레임 스프링 접촉부가 이동하는 한계점이 될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 외전형 모터의 브레이크 장치는, 외전형 모터의 로터(rotor)면에 제동력을 전달하는 프레임; 상기 프레임 상의 특정 위치에서 상기 프레임을 지지하면서, 상기 프레임의 운동 축의 역할을 담당하는 피봇 축부; 상기 프레임의 일단부에 결합되어, 제동시 상기 프레임의 움직임에 따라 외전형 모터의 로터(rotor)면과 접촉하는 마찰 패드; 상기 프레임의 타단부의 스프링 접촉부에, 미는 힘을 작용하는 스프링; 전기 구동 장치; 상기 전기 구동 장치에 결합되어, 상기 전기 구동 장치의 구동에 따라 회전하는 리드 스크류; 상기 리드 스크류에 맞물리도록 구비되어, 상기 전기 구동 장치의 구동으로 상기 리드 스크류가 회전함에 따라 상기 리드 스크류 위에서 병진 운동을 하는 슬라이더; 상기 리드 스크류 옆에 상기 리드 스크류와 평행하게 배치되는 레일 샤프트; 및 상기 레일 샤프트 상에 위치하여, 상기 리드 스크류 상의 슬라이더의 병진운동에 따라 함께 병진운동하는 슬라이더(이하 '제2 슬라이더'라 한다)를 포함한다.
전원 오프(off) 시에, 상기 리드 스크류는 상기 슬라이더가 상기 전기 구동장치에서 멀어지는 방향으로 이동하도록 회전하고, 상기 스프링이 프레임의 스프링 접촉부를 미는 힘에 의해 프레임은, 일단부의 마찰 패드가 외전형 모터의 로터(rotor)면에 접촉하도록 움직이며, 전원 온(on) 시에, 상기 리드 스크류는 상기 슬라이더가 상기 전기 구동장치에 가까와지는 방향으로 이동하도록 회전하고, 상기 슬라이더와 함께 병진운동하는 상기 제2 슬라이더가 상기 프레임의 스프링 접촉부를 미는 힘에 의해 프레임은, 일단부의 마찰 패드가 외전형 모터의 로터(rotor)면에서 떨어지도록 움직일 수 있다.
상기 제2 슬라이더 하부에는, 상기 제2 슬라이더의 위치를 파악하기 위하여 상기 제2 슬라이터의 이동을 감지하는 슬라이더 센서를 더 구비할 수 있다.
상기 제2 슬라이더에는 수직 방향의 바(bar)가 부착되고, 상기 슬라이더 센서는, 상기 제2 슬라이더의 위치를 파악하기 위하여 상기 바(bar)의 이동을 감지할 수 있다.
리드 스크류 상의 슬라이더가 안정되게 리드 스크류 톱니에 맞물려서 이동하도록, 상기 리드 스크류 상의 슬라이더를 리드 스크류에 압착하는 역할을 수행하는 토션(torsion) 스프링을 더 포함할 수 있다.
상기 외전형 모터의 브레이크 장치는, 상기 외전형 모터의 브레이크 장치와, 상기 외전형 모터의 브레이크 장치를 제어하는 제어장치 간의 제어신호를 전달하는 역할을 담당하는 FPCB(flexible PCB)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 저가의 전자 브레이크 시스템을 제공하는 효과가 있으며, 또한 홈 로봇 등의 머리 또는 관절을 구동하는 외전형 모터의 전원을 오프 시키더라도 로봇의 머리 등과 같이 움직이는 부위의 자세가 갑자기 흐트러지지 않고 오프되기 전의 상태로 유지되며, 또한 전원 오프 상태에서도 사용자가 로봇의 움직이는 부위에 가벼운 외력을 가할 경우에는 경직되어 있지 않고 사용자의 의도에 따르는 방향으로 움직임을 나타내며, 또한 외력을 멈출 경우에는 또한 그 순간의 자세를 유지하면서 정지되어 있도록 함으로써, 로봇의 전원 오프 시에도 로봇에 터치하는 사용자의 의도를 만족시켜 줄 수 있는 감성적 브레이크 장치를 제공하는 효과가 있다.
도 1은 가정에서 사용되는 홈 로봇(home robot)의 일 실시예를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 외전형 모터의 브레이크 장치를 비스듬히 내려다본 사시도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 외전형 모터의 브레이크 장치를 측면에서 바라본 측면도.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 외전형 모터의 브레이크 장치를 위에서 내려다본 평면도.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 외전형 모터의 브레이크 장치를 아래에서 올려다본 저면도.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 외전형 모터의 브레이크 장치의 작동 메커니즘을 정량적으로 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 외전형 모터의 브레이크 장치를 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 외전형 모터의 브레이크 장치에 FPCB가 구비된 상태를 나타내는 도면.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 외전형 모터의 브레이크 장치(100)를 비스듬히 내려다본 사시도이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 외전형 모터의 브레이크 장치(100)를 측면에서 바라본 측면도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 외전형 모터의 브레이크 장치(100)를 위에서 내려다본 평면도이고, 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 외전형 모터의 브레이크 장치(100)를 아래에서 올려다본 저면도이고, 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 외전형 모터의 브레이크 장치의 작동 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
우선 주요 구조의 개요를 정리하면 다음과 같다.
프레임(130)은 외전형 모터(110)의 로터(rotor)면에 제동력을 전달하고, 피봇 축부(140)는 프레임(130) 상의 특정 위치에서 상기 프레임을 지지하면서, 프레임(130)의 운동 축의 역할을 담당한다. 마찰 패드(150)는 프레임(130)의 일단부에 결합되어, 제동시 외전형 모터의 로터(rotor)면과 접촉하여 제동이 일어나도록 한다.
또는 외전형 모터 대신, 전동기와 감속 기어 장치를 하나로 조합한 기어드 모터(geared motor)를 사용할 수도 있다.
마찰 패드(150)는, 러버 라이닝(rubber lining), SUS(스테인리스), 브레이크 패드 등 마찰에 의한 제동력을 발휘할 수 있는 다양한 소재 및 형태가 가능하다. 스프링(170)은 프레임(130)이 제동력을 발휘하도록 프레임(130)을 미는 힘을 발휘한다.
전기 구동부(120)는, 전기 구동 장치(121)와, 전기 구동 장치(121)에 결합되어, 전기 구동 장치(121)의 구동에 따라 회전하는 리드 스크류(122), 및 브레이크가 걸릴 때 프레임(130)의 움직임을 일정 라인에서 제한하거나, 브레이크가 해제될 때 프레임(130)을 일정방향으로 미는 슬라이더(123)를 구비한다. 이하에서 기술하는 '전기 구동 장치(121)'는, 스테핑모터, 일반모터, 기어드모터, 솔레노이드 등 다양한 구동 장치를 포함하는 용어로 사용하기로 한다.
일 실시예로서, 홈 로봇의 머리 또는 관절을 직접 또는 간접적으로(외전형 모터의 돌출된 축과 로봇의 머리 또는 관절 사이에 기어 또는 다른 기구물들로 연결되어 구동되는 경우) 구동하는 구동원으로 사용하는 외전형 모터의 '전원 on' 시에 전기 구동 장치(121)의 구동에 따라 리드 스크류(122)를 회전시키고, 이에 맞물려 있는 슬라이더(123)를 이동시킴으로써 프레임(130)이 외전형 모터의 로터(rotor)면에서 떨어지도록 함으로써 브레이크가 풀리도록 한다. 프레임(130)은 프레임 좌측부(131), 프레임 우측부(132), 프레임 스프링 접촉부(133) 및 샤프트 결합부(134)가 일체화된 구조로 되어 있다. 리드 스크류(122)는 전기 구동 장치(121)의 구동시에, 스프링(170)의 미는 힘에 대항하여 슬라이더(123)가 프레임을 미는 나사 추력을 강화하는 역할을 수행한다.
이하에서는 외전형 모터의 브레이크 장치(100)의 작동 및 구조에 대한 더욱 상세한 설명을 하기로 한다.
외전형 모터(110)는 외전형 모터의 브레이크 장치(100)가 장착된 장치, 예를 들어 로봇 등의 장치를 구동하는 모터이다. 로봇에서 움직이는 부위, 예를 들어 도 1을 참조하여 전술한 바와 같은 머리 부위가 움직이도록 구동한다고 할 때, 그와 같은 구동을 담당한다. 본 발명의 외전형 모터의 브레이크 장치(100)는, 이하에서 후술하는 바와 같이 프레임(130) 일측에 부착된 마찰 패드(150)가 이러한 외전형 모터(110)의 로터(rotor)면(111)을 누르는 경우에 발생하는 마찰 토크에 의해서 로터가 정지하도록 함으로써 브레이크로서 작동을 하게 된다.
본 발명의 외전형 모터의 브레이크 장치(100)에서 브레이크가 풀리거나 잠기는 원리를 이하에서 설명한다.
본 발명의 외전형 모터의 브레이크 장치(100)의 프레임(130)은, 고정되어 있는 피봇(pivot) 축부(140)를 받침점으로 하여 지렛대와 같이 움직인다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이 프레임(130)은, 샤프트 결합부(134)의 중심에 피봇 축부(140)의 샤프트(141)가 관통하는 방식으로 샤프트(141)에 결합되어 있어, 샤프트(141)를 축으로 하여 움직이게 된다. 이것은 시소(see-saw) 놀이 기구가 중간의 받침점을 축으로 서로 상하 반대방향으로 움직이는 것과 같은 원리이다. 샤프트 결합부(134)와 샤프트(141)은 일체화 되어 있다. 샤프트 가이드(142)는 샤프트(141) 위에서 샤프트(141)를 지지하고 있으며, 홀더(143)는 샤프트(141)가 관통하는 홀을 구비하여, 여기에 관통된 샤프트(141)를 지지한다. 홀더(143) 내에서 샤프트(141)가 관통하고 있는 관과 샤프트(141) 사이에는 베어링(미도시)이 구비되어, 샤프트가 원활하게 회전운동을 할 수 있게 한다. 베어링으로는 볼베어링, 소결베어링 등이 사용될 수 있다. 그러나 반드시 베어링이 사용되어야 하는 것은 아니며, 예를 들어 메탈 컨택, 플라스틱 컨택 등의 경우와 같이 베어링이 없는 상태로의 구현도 가능하다.
전기 구동 장치(121) 및 리드 스크류(122)의 회전에 따라 슬라이더(123)가 전기 구동 장치(121) 쪽으로 움직이면서(31, 도 4 참조), 프레임 스프링 접촉부(133)를 전기 구동 장치(121) 쪽으로 밀게 되면, 프레임(130)에서 피봇 축인 샤프트(141)의 좌측부분인 프레임 좌측부(131)는 외전형 모터(110)에서 멀어지는 방향(11, 도 4 참조)으로 움직이게 되며, 이에 따라 마찰 패드(150)가 외전형 모터(110)의 로터(rotor)면(111)과 떨어지게 되어 브레이크가 풀리게 된다.
또한 반대로 프레임(130)에서 샤프트(141)의 우측부분인 프레임 우측부(132) 및 프레임 스프링 접촉부(133)가, 스프링(170)의 미는 힘에 따라 전기 구동 장치(121) 반대쪽으로 움직이면(32, 도 4 참조), 프레임(130)에서 피봇 축인 샤프트(141)의 좌측부분인 프레임 좌측부(131)는 외전형 모터(110)와 가까와지는 방향(12, 도 4 참조)으로 움직이게 되며, 이에 따라 마찰 패드(150)가 외전형 모터(110)의 로터(rotor)면과 접촉하게 되어 브레이크가 걸리게 된다. 이때 샤프트 결합부(134)로부터 프레임 스프링 접촉부(133)까지의 거리가, 샤프트 결합부(134)로부터 프레임 좌측부(131)의 마찰 패드(150)까지의 거리보다 훨씬 길도록 구성되어 있어, 지렛대의 원리에 의해 스프링(170)에서 가해지는 적은 힘으로도 마찰 패드(150)에 큰 힘을 가할 수 있게 되어, 효율적인 브레이크 걸림을 구현할 수 있게 된다.
본 도면에서는 외전형 모터(110)의 로터(rotor)면이 로터의 측면부가 되도록 도시되었으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 로터의 상면, 측면 또는 하면부가 되도록 구성할 수도 있다.
이하에서는 도 2 내지 도 5를 참조하여, 외전형 모터의 전원 온,오프 시의 동작 메커니즘을 설명한다.
일 실시예로서, 홈 로봇의 머리 또는 관절을 직접 또는 간접적으로(외전형 모터의 돌출된 축과 로봇의 머리 또는 관절 사이에 기어 또는 다른 기구물들로 연결되어 구동되는 경우) 구동하는 구동원으로 사용하는 외전형 모터의 '전원 오프(off)' 시에, 전기 구동 장치(121) 및 리드 스크류(122)는, 리드 스크류(122)의 톱니에 맞물려 있는 슬라이더(123)가 전기 구동 장치(121) 반대쪽으로 진행하도록 하는 방향(32, 도 4 참조)으로 회전하도록 제어된다. 즉, 전원 오프시에 전기 구동 장치(121) 및 리드 스크류(122)는, 리드 스크류(122)의 톱니에 맞물려 있는 슬라이더(123)를 전기 구동 장치(121) 반대쪽(32)으로 일정거리만큼 이동시킨 후 멈추게 되도록 제어되는 것이다. 이에 따라 스프링(170)의 미는 힘에 의해 프레임 스프링 접촉부(133)는 슬라이더(123)의 위치지점까지 이동하고, 프레임 좌측부(131)는 외전형 모터(110)와 가까와지는 방향(12, 도 4 참조)으로 움직이게 되며, 이에 따라 마찰 패드(150)가 외전형 모터(110)의 로터(rotor)면과 접촉하게 되어 브레이크가 걸리게 된다.
스프링(170)의 역할은, 전술한 바와 같이 전원 오프시에 프레임 스프링 접촉부(133)를 밀어줌으로써 프레임 좌측부(131)의 마찰 패드(150)가 외전형 모터(110)의 로터(rotor)면과 접촉하게 되어 브레이크가 걸리게 되도록 하는 것이다. 이러한 스프링(170)의 선택시, 적절한 탄성계수 값을 갖는 스프링(170)을 선택함으로써, 마찰 패드(150)가 외전형 모터(110)의 로터(rotor)면과 접촉시 지나치게 강력하게 접촉하지 않도록 하여, 최종적으로 로터(110)가 멈춘 상태에서도, 그 구속력이 지나치게 강하지 않도록 유지시켜주도록 조절할 수 있다. 이것은 마치 일반 접착 테이프는 종이와 일단 접착되면, 종이를 파손시키지 않고는 떼어내기 힘든 강한 접착력을 갖는데 반해, 소위 '포스트잇'은 그보다 약한 접착력을 유지하여 붙이는 종이를 상하지 않고도 여러번 붙였다 떼었다를 반복할 수 있는 것과 유사한데, 그 역할을 적절한 탄성계수를 갖는 스프링(170)을 선택하여 설치함으로써 이루어지게 한다.
또한 이와 같이 브레이크가 걸리는 동작시 슬라이더(123)는, 프레임 스프링 접촉부(133)가 일정 라인 이상으로 넘어가지 않도록 차단하여, 마찰 패드(150)가 외전형 모터(110)의 로터(rotor)면과 지나치게 강하게 밀착되는 것을 방지해준다. 또한 프레임 가이드(160) 역시 브레이크가 걸리는 동작시에 프레임 우측부(132)가 움직이는 한계선을 설정해준다.
이러한 '약한 제동력 유지'의 장점은 다음과 같다.
전기자동차와 같은 제품의 브레이크는 브레이크가 걸리면 결코 풀리지 않아야 하는 안정성을 필요로 하는 반면, 예를 들어 전술한 바와 같은 '홈 로봇' 또는 '소셜 로봇' 등의 경우에는, 그와 같은 약한 제동력을 갖는 것이 더욱 바람직하다.
홈 로봇의 전원이 오프된 경우, 전원이 온(on) 시에 구동되어 움직이던 '머리' 부분은, 만약 브레이크 장치가 없다면 고개를 떨구는 것과 같은 형태로 힘없이 특정 방향으로 돌아가게 될 것이다. 그러나 본 발명과 같이 전원 오프시에 자동으로 브레이크가 구동된다면 그와 같이 되지 않고 적절하게 멈출 수 있다. '적절하게' 멈춘다 함은, 전원이 오프됨에 따라 갑자기 얼어붙듯이 동작을 멈추지 않고, 약간 움직이는 듯 하면서 자연스럽게 멈추게 된다는 것을 의미한다. 본 발명이 그렇게 할 수 있는 이유는, 전원 오프시, 전술한 바와 같은 스프링(170)이, 프레임(130)의 급작스러운 움직임으로 인해 마찰 패드(150)가 갑자기 로터(rotor)면(111)에 급격히 접촉함으로써 얼어붙듯이 멈추는 것을 방지하기 때문이다. 즉, 스프링(170)에 의해 프레임(130) 이동에 의한 로터(rotor)면(111)에의 접촉 동작이 부드럽게 일어나게 되고, 그에 따라 홈 로봇의 머리도 약간의 움직임을 거쳐 자연스럽게 멈추게 되는 것이다.
또한 전원 오프에 의하여 최종적으로 정지한 상태에서도, 사용자가 홈 로봇의 머리를 살짝 미는 등의, 로봇과의 상호 작용을 위한 '외력'을 가하였을 때, 전술한 바와 같은 본 발명의 외전형 모터의 브레이크 장치(100)의 스프링(170)의 작용에 의한 '약한 제동 상태'로 인해 로봇의 머리가 부드럽게 움직일 수 있게 된다. 외력을 멈추면 다시 자연스럽게 움직임을 멈추게 된다.
이러한 방식으로 사용자는 전원 오프 상태라 할지라도 터치 등의 방식에 자연스러운 행동으로 반응하는 로봇으로 인해, 더욱 로봇과의 이질감 없는 자연스러운 상호 작용을 경험하게 되며, 본 발명의 외전형 모터의 브레이크 장치는 그와 같은 '감성적' 브레이크 시스템을 구현하고 있는 것이다.
이후, 일 실시예로서, 홈 로봇의 머리 또는 관절을 직접 또는 간접적으로(외전형 모터의 돌출된 축과 로봇의 머리 또는 관절 사이에 기어 또는 다른 기구물들로 연결되어 구동되는 경우) 구동하는 구동원으로 사용하는 외전형 모터의 전원이 온(on) 된 경우, 전기 구동부(120)가 작동하여 브레이크가 해제된다. 전원이 온(on) 된 경우, 전기 구동 장치(121) 및 리드 스크류(122)의 회전 방향은, 리드 스크류(122)의 톱니에 맞물려 있는 슬라이더(slider,123)가 전기 구동 장치(121) 쪽으로 이동하도록 하는 방향(31, 브레이크 풀림시 프레임 이동방향, 도 4의 화살표)으로 설정된다. 이와 같이 이동하는 슬라이더(123)는, 프레임 스프링 접촉부(133)를 전기 구동 장치(121) 방향(31)으로 밀게 된다. 이에 따라 샤프트(141)를 지렛대 축으로 하여 프레임 좌측부(131)는 로터(110)에서 멀어지는 방향(11)으로 움직이게 되어 브레이크가 해제되는 것이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 외전형 모터의 브레이크 장치의 작동 메커니즘을 정량적으로 설명하기 위한 도면이다.
이하에서 설명하는 수치는 일 실시예로서의 값일 뿐이며, 필요에 따라 변경될 수 있음은 물론이다.
도 6(a)는 일 실시예로서, 홈 로봇의 머리 또는 관절을 직접 또는 간접적으로(외전형 모터의 돌출된 축과 로봇의 머리 또는 관절 사이에 기어 또는 다른 기구물들로 연결되어 구동되는 경우) 구동하는 구동원으로 사용하는 외전형 모터의 '전원 오프(off)' 시에 브레이크가 작동하는 경우를 나타낸다. 전원 오프와 함께 전기 구동 장치(121) 및 리드 스크류(122)의 회전 방향은, 슬라이더(123)가 좌측 방향, 즉 전기 구동 장치(121)에서 멀어지는 방향으로 이동하도록 제어된다. 도 6(a)에서는, 슬라이더(123)가 외전형 모터(110)의 중심선으로부터 1.35mm 떨어지도록 이동하였다. 이에 따라 스프링(도 2 내지 도 5에서 170, 도 6에서는 미도시)은 프레임 스프링 접촉부(133)를 왼쪽으로 밀어 슬라이더(123)까지 이르도록 하여, 마찰 패드(150)가 외전형 모터(110)의 로터(rotor)면에 접촉하고 있다. 이와 같이 브레이크가 걸리는 동작시 슬라이더(123)는, 프레임 스프링 접촉부(133)가 일정 라인 이상으로 넘어가지 않도록 차단하여, 마찰 패드(150)가 외전형 모터(110)의 로터(rotor)면과 지나치게 강하게 밀착되는 것을 방지해준다. 또한 프레임 가이드(160) 역시 브레이크가 걸리는 동작시에 프레임 우측부(132)가 움직이는 한계선을 설정해준다.
도 6(a)에서 스프링에 외력이 가해지지 않았을 때의 길이를 L이라 하고, 브레이크가 걸린 상태에서의 스프링의 변형량을 △L, 스프링의 탄성계수를 k라 하면, 스프링(170)의 복원력은,
Figure 112017115948516-pat00001
이다.
샤프트(141)로부터 마찰 패드(150)까지의 수직거리를 y2, 샤프트(141)로부터 스프링까지의 수직거리를 y1, 마찰 패드(150)에 로터(110)의 중심방향으로 수직으로 걸리는 수직하중을 N이라 하면, 토크 평형을 이루기 위해서는
Figure 112017115948516-pat00002
가 성립하고, 이로부터
Figure 112017115948516-pat00003
가 된다.
외전형 모터(110) 표면과 마찰 패드(150) 간의 최대정지마찰계수를 μ라 하면, 브레이크가 걸린 상태에서 마찰 패드(150)에 의해 외전형 모터(110) 표면에 작용하는 최대정지 마찰력은
Figure 112017115948516-pat00004
이고, 이에 따라 브레이크가 걸린 상태에서 외전형 모터(110) 표면에 작용하는 마찰 토크 T는, 외전형 모터(110)의 반경을 r이라 할 때,
Figure 112017115948516-pat00005
이 된다. 이에 따라 수학식 5에 수학식 4 및 수학식 3을 적용하면,
Figure 112017115948516-pat00006
이 되고, 이로부터
Figure 112017115948516-pat00007
이 된다. 수학식 7에 수학식 1을 적용하면,
Figure 112017115948516-pat00008
와 같이 된다. 즉, 이로부터 마찰 토크 T와 최대정지마찰계수 μ, 레버비 (y1/y2) 및 외전형 모터(110)의 반경 r이 설정되어 있다면, 여기에 스프링(170)의 탄성계수 k를 미리 설정하여 필요한 △L을 산출하거나, 또는 △L을 미리 설정하여 필요로 하는 스프링의 탄성계수 k를 산출해낼 수도 있다.
도 6(a)에서는 L=8mm이고, △L=3.45mm, k=20gf/mm이고, 레버비 (y1/y2)=3.2, r=1.6cm, μ=0.6인 경우이다.
여기서 스프링의 복원력은 수학식 1에 의해 F = k·△L = 20 x 3.45 = 69gf이고, 수직하중은 수학식 3에 의해 N = (y1/y2)·F = 3.2 x 69 = 220.8gf이며, 마찰력은 수학식 4에 의해 f = μ·N = 0.6 x 220.8 = 132.5gf이다. 마찰 토크는 수학식 5에 의해 T = f·r = 132.5 x 1.6 = 212gf·cm가 된다.
도 6(b)는 일 실시예로서, 홈 로봇의 머리 또는 관절을 직접 또는 간접적으로(외전형 모터의 돌출된 축과 로봇의 머리 또는 관절 사이에 기어 또는 다른 기구물들로 연결되어 구동되는 경우) 구동하는 구동원으로 사용하는 외전형 모터의 '전원 온(on)' 시에 브레이크가 해제되는 경우를 나타낸다. 전원 온(on)과 함께 전기 구동 장치(121) 및 리드 스크류(122)의 회전 방향은, 슬라이더(123)가 우측 방향, 즉 전기 구동 장치(121)에 가까와지는 방향으로 이동하도록 제어된다.
도 6(b)에서는 L=8mm이고, △L=4.56mm, k=20gf/mm이고 스프링의 복원력은 수학식 1에 의해 F = k·△L = 20 x 4.56 = 91.2gf이다.
도 6(b)에서는, 슬라이더(123)가 외전형 모터(110)의 중심선으로부터 2.68mm 떨어지도록 이동하였다. 이것은 도 6(a)의 브레이크 걸림상태보다 1.33mm 만큼 오른쪽으로 더 이동한 것이다. 이로부터 슬라이더(123)는 프레임 스프링 접촉부(133)를 오른쪽으로 밀게 되고, 마찰 패드(150)가 외전형 모터(110)의 로터(rotor)면 접촉점으로부터 0.45mm 만큼 이격된 거리(브레이크 해제변위)를 유지하도록 하게 된다.
이와 같이 전기 구동 장치(121) 및 리드 스크류(122)의 회전에 의해 오른쪽으로 이동하는 슬라이더(123)가, 스프링(170)에 저항하여 프레임 스프링 접촉부(133)를 밀도록 하기 위한 전기 구동 장치의 추력, 즉 나사 추력의 최소값은 다음 식으로 구할 수 있다.
Figure 112017115948516-pat00009
이에 따라 도 6(b)에서 최소 필요 나사 추력은 91.2(스프링 부하) + 15(프레임 무게부하) = 106.2gf 가 된다. 전기 구동 장치의 추력은 리드 스크류의 회전에 의해 증폭되는데, 이와 같이 전기 구동 장치 및 리드 스크류 회전에 의해 브레이크를 해제하기 위한 나사 추력은 106.2gf 이상의 값을 유지하면 된다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 외전형 모터의 브레이크 장치(200)를 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명의 외전형 모터의 브레이크 장치에 FPCB(250)가 구비된 상태를 나타내는 도면이다.
도 7의 외전형 모터의 브레이크 장치(200)는, 리드 스크류 슬라이더(221)의 형태가 제1 실시예에 따른 외전형 모터의 브레이크 장치(100)의 슬라이더(123)와 달리, 뒤집어놓은 'U'자형 형태이다. 리드 스크류 슬라이더(221)는 토션(torsion) 스프링(222)에 의해 리드 스크류(227)에 더욱 압착하게 됨으로써 안정되게 리드 스크류 톱니에 맞물려서 이동할 수 있게 된다. 도 7에는 그와 같이 리드 스크류 슬라이더(221)가 토션 스프링 단부(223)에 의해 압착되어 있는 상태가 도시되어 있다.
또한 도 7의 외전형 모터의 브레이크 장치(200)는, 리드 스크류(227) 옆에 리드 스크류(227)와 평행하게 배치되는 레일 샤프트(229)를 구비하는데, 레일 샤프트(229)는 슬라이더 가이드(228)에 의해 지지된다. 레일 샤프트(229) 상에는 리드 스크류 슬라이더(221)의 이동에 따라 함께 움직이는 슬라이더(이하 '제2 슬라이더'라 한다)(224)를 구비하며, 전원 온(on)에 따른 브레이크 해제시, 리드 스크류 슬라이더(221)가 이동하면서 레일 샤프트(229) 상의 제2 슬라이더(224)를 이동시키고, 이에 따라 레일 샤프트(229) 상의 제2 슬라이더(224)가 프레임(230)을 밀게 된다. 이때 제2 슬라이더(224) 하부에 구비된 바(bar, 225)의 이동을 감지하는 'U'자형의 슬라이더 센서(226)에 의해 슬라이더(224)의 위치를 파악하여, 어느 지점에서 슬라이더(224)를 멈추게 할 지를 결정하여 이동을 제어하게 된다.
또한 도 7의 마찰 패드(240)는, 러버 라이닝(rubber lining) 구조이다.
도 8(a)는, 본 발명의 외전형 모터의 브레이크 장치에 FPCB(250)가 구비된 상태의 평면도, 도 8(b)는 본 발명의 외전형 모터의 브레이크 장치에 FPCB(250)가 구비된 상태의 저면도, 도 8(c)는 본 발명의 외전형 모터의 브레이크 장치에 FPCB(250)가 구비된 상태의 사시도를 나타낸다. 도 8에서의 FPCB(250)는, 본 발명의 제1 실시예에 따른 외전형 모터의 브레이크 장치(100) 및 제2 실시예에 따른 외전형 모터의 브레이크 장치(200)에 모두 설치될 수 있다.
도 8에서 FPCB(flexible PCB)(250)는, 본 발명의 외전형 모터의 브레이크 장치(100,200)와, 상기 외전형 모터의 브레이크 장치(100,200)를 제어하는 제어장치(미도시) 간의 제어신호 등을 전달하는 역할을 담당한다. 여기서 제어신호에는, 제어장치가 외전형 모터의 브레이크 장치(100,200)를 제어하는 신호와, 외전형 모터의 브레이크 장치(100,200)에서 감지되어 제어장치로 전달되는 각종 동작신호가 포함된다.
50: 종래 가정에서 사용하는 홈 로봇
51: 홈 로봇의 움직이는 머리
100: 본 발명의 제1 실시예에 따른 외전형 모터의 브레이크 장치
110: 외전형 모터
111: 외전형 모터의 로터(rotor)면
120: 전기 구동부
121: 전기 구동 장치
122: 리드 스크류
123: 슬라이더(slider)
130: 프레임
131: 프레임 좌측부
132: 프레임 우측부
133: 프레임 스프링 접촉부
134: 샤프트 결합부
140: 피봇(pivot) 축부
141: 샤프트(shaft)
142: 샤프트 가이드(guide)
143: 홀더(holder)
150: 마찰 패드
160: 프레임 가이드
170: 스프링
180: 브라켓(bracket)
11,31: 브레이크 풀림시 프레임 이동방향
12,32: 브레이크 작동시 프레임 이동방향
200: 본 발명의 제2 실시예에 따른 외전형 모터의 브레이크 장치
221: 리드 스크류 슬라이더
222: 토션(torsion) 스프링
223: 토션 스프링 단부
224: 제2 슬라이더
225: 슬라이더 하부 바(bar)
226: 슬라이더 센서
227: 리드 스크류
228: 슬라이더 가이드
229: 레일 샤프트
230: 프레임
240: 마찰 패드

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 외전형 모터의 브레이크 장치로서,
    외전형 모터의 로터(rotor)면에 제동력을 전달하는 프레임;
    상기 프레임 상의 특정 위치에서 상기 프레임을 지지하면서, 상기 프레임의 운동 축의 역할을 담당하는 피봇 축부;
    상기 프레임의 일단부에 결합되어, 제동시 상기 프레임의 움직임에 따라 외전형 모터의 로터(rotor)면과 접촉하는 마찰 패드;
    상기 프레임의 타단부의 스프링 접촉부에, 미는 힘을 작용하는 스프링;
    전기 구동 장치;
    상기 전기 구동 장치에 결합되어, 상기 전기 구동 장치의 구동에 따라 회전하는 리드 스크류; 및
    상기 리드 스크류에 맞물리도록 구비되어, 상기 전기 구동 장치의 구동으로 상기 리드 스크류가 회전함에 따라 상기 리드 스크류 위에서 병진 운동을 하며, 상기 프레임의 상기 스프링 접촉부에, 상기 스프링의 미는 힘에 저항하는 힘을 작용하는 슬라이더를 포함하고,
    전원 오프(off) 시에,
    상기 리드 스크류는 상기 슬라이더가 상기 전기 구동장치에서 멀어지는 방향으로 이동하도록 회전하고,
    상기 스프링이 프레임의 스프링 접촉부를 미는 힘에 의해 프레임은, 일단부의 마찰 패드가 외전형 모터의 로터(rotor)면에 접촉하도록 움직이며,
    전원 온(on) 시에,
    상기 리드 스크류는 상기 슬라이더가 상기 전기 구동장치에 가까와지는 방향으로 이동하도록 회전하고,
    상기 슬라이더가 상기 프레임의 스프링 접촉부를 미는 힘에 의해 프레임은, 일단부의 마찰 패드가 외전형 모터의 로터(rotor)면에서 떨어지도록 움직이는 것
    을 특징으로 하는 외전형 모터의 브레이크 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    전원 오프시에 상기 슬라이더의 최종 위치는,
    상기 스프링의 미는 힘에 의해 상기 프레임의 스프링 접촉부가 이동하는 한계점이 되는 것
    을 특징으로 하는 외전형 모터의 브레이크 장치.
  4. 외전형 모터의 브레이크 장치로서,
    외전형 모터의 로터(rotor)면에 제동력을 전달하는 프레임;
    상기 프레임 상의 특정 위치에서 상기 프레임을 지지하면서, 상기 프레임의 운동 축의 역할을 담당하는 피봇 축부;
    상기 프레임의 일단부에 결합되어, 제동시 상기 프레임의 움직임에 따라 외전형 모터의 로터(rotor)면과 접촉하는 마찰 패드;
    상기 프레임의 타단부의 스프링 접촉부에, 미는 힘을 작용하는 스프링;
    전기 구동 장치;
    상기 전기 구동 장치에 결합되어, 상기 전기 구동 장치의 구동에 따라 회전하는 리드 스크류;
    상기 리드 스크류에 맞물리도록 구비되어, 상기 전기 구동 장치의 구동으로 상기 리드 스크류가 회전함에 따라 상기 리드 스크류 위에서 병진 운동을 하는 슬라이더;
    상기 리드 스크류 옆에 상기 리드 스크류와 평행하게 배치되는 레일 샤프트; 및
    상기 레일 샤프트 상에 위치하여, 상기 리드 스크류 상의 슬라이더의 병진운동에 따라 함께 병진운동하는 슬라이더(이하 '제2 슬라이더'라 한다)
    를 포함하는 외전형 모터의 브레이크 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    전원 오프(off) 시에,
    상기 리드 스크류는 상기 슬라이더가 상기 전기 구동장치에서 멀어지는 방향으로 이동하도록 회전하고,
    상기 스프링이 프레임의 스프링 접촉부를 미는 힘에 의해 프레임은, 일단부의 마찰 패드가 외전형 모터의 로터(rotor)면에 접촉하도록 움직이며,
    전원 온(on) 시에,
    상기 리드 스크류는 상기 슬라이더가 상기 전기 구동장치에 가까와지는 방향으로 이동하도록 회전하고,
    상기 슬라이더와 함께 병진운동하는 상기 제2 슬라이더가 상기 프레임의 스프링 접촉부를 미는 힘에 의해 프레임은, 일단부의 마찰 패드가 외전형 모터의 로터(rotor)면에서 떨어지도록 움직이는 것
    을 특징으로 하는 외전형 모터의 브레이크 장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 제2 슬라이더 하부에는,
    상기 제2 슬라이더의 위치를 파악하기 위하여 상기 제2 슬라이더의 이동을 감지하는 슬라이더 센서를 더 구비하는 것
    을 특징으로 하는 외전형 모터의 브레이크 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2 슬라이더에는 수직 방향의 바(bar)가 부착되고,
    상기 슬라이더 센서는,
    상기 제2 슬라이더의 위치를 파악하기 위하여 상기 바(bar)의 이동을 감지하는 것
    을 특징으로 하는 외전형 모터의 브레이크 장치.
  8. 청구항 4에 있어서,
    리드 스크류 상의 슬라이더가 안정되게 리드 스크류 톱니에 맞물려서 이동하도록, 상기 리드 스크류 상의 슬라이더를 리드 스크류에 압착하는 역할을 수행하는 토션(torsion) 스프링
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외전형 모터의 브레이크 장치.
  9. 청구항 2 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 외전형 모터의 브레이크 장치와, 상기 외전형 모터의 브레이크 장치를 제어하는 제어장치 간의 제어신호를 전달하는 역할을 담당하는 FPCB(flexible PCB)
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외전형 모터의 브레이크 장치.
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