KR101991954B1

KR101991954B1 - 직렬 탄성 구동기

Info

Publication number: KR101991954B1
Application number: KR1020180084771A
Authority: KR
Inventors: 손창우
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2018-07-20
Filing date: 2018-07-20
Publication date: 2019-06-24

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기는, 무빙 동력원; 무빙 동력원에 연결되어 축 방향으로 이동하는 무빙 하우징; 무빙 하우징에 회전 가능하게 수용되고 무빙 하우징과 함께 무빙하는 제1바디와, 제1바디와 함께 회전 및 이동하며 하우징의 외측에 위치한 제2바디를 포함하는 이너 회전바디; 제2바디의 외둘레에 구비된 복수개의 이너 마그넷; 이너 회전바디에 연결되어 이너 회전바디를 회전시키는 회전 동력원; 이너 회전바디와 동일한 축을 중심으로 회전하고, 제2바디가 삽입되는 중공부를 갖는 아우터 회전바디; 및 중공부의 내둘레에 구비되고, 아우터 회전바디의 반경 방향으로 이너 마그넷과 오버랩되는 중첩영역을 갖는 복수개의 아우터 마그넷을 포함할 수 있고, 중첩 영역의 면적은 무빙 하우징 및 이너 회전바디의 이동에 따라 조절될 수 있다.

Description

직렬 탄성 구동기{SERIES ELASTIC ACTUATOR}

본 발명은 직렬 탄성 구동기에 관한 것으로, 좀 더 상세히는 탄성계수가 가변되는 직렬 탄성 구동기에 관한 것이다.

직렬 탄성 구동기(SEA: Series Elastic Actuator)는 일반적으로 모터와 같은 동력원의 구동축에 소정의 탄성체를 직렬로 연결한 구동기이다. 결합된 탄성체로 인해 구동기가 외력에 유연하게 적응할 수 있고, 탄성체의 변위를 측정하면 구동기의 토크를 알아낼 수 있어, 이를 구동기의 피드백 제어에 이용하여 구동 강성을 가변적으로 제어할 수 있다.

이러한 직렬 탄성 구동기는 토크측정을 위해 일반적으로 토션 스프링 또는 인장-압축 스프링을 사용한다. 그러나, 스프링의 탄성계수는 고정되어 있으므로 시스템의 부하, 환경상황, 제품의 특징 등에 따라 스프링의 탄성계수를 변경시킬 수 없는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 선행문헌 US 2013/0074635 A1 는 기구적 메커니즘에 의해 스프링의 탄성계수가 가변되는 직렬 탄성 구동기를 개시하였다. 그러나, 스프링의 탄성계수를 가변하기 위해 기구적 메커니즘을 사용하여 시스템의 구조가 복잡한 문제점이 있다.

US 2013/0074635 A1 (2013.03.28 공개)

본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는, 탄성계수를 용이하게 가변시킬 수 있는 직렬 탄성 구동기를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 비접촉식으로 구동되며 탄성계수를 변경 가능한 직렬 탄성 구동기를 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기는, 이너 마그넷에 대한 아우터 마그넷의 중첩 영역의 면적이 무빙 하우징 및 이너 회전바디의 이동에 따라 조절됨으로써, 직렬 탄성 구동기의 탄성계수가 가변될 수 있다.

좀 더 상세히, 본 발명의 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기는, 무빙 동력원; 상기 무빙 동력원에 연결되어 축 방향으로 이동하는 무빙 하우징; 상기 무빙 하우징에 회전 가능하게 수용되고 상기 무빙 하우징과 함께 무빙하는 제1바디와, 상기 제1바디와 함께 회전 및 이동하며 상기 하우징의 외측에 위치한 제2바디를 포함하는 이너 회전바디; 상기 제2바디의 외둘레에 구비된 복수개의 이너 마그넷; 상기 이너 회전바디에 연결되어 상기 이너 회전바디를 회전시키는 회전 동력원; 상기 이너 회전바디와 동일한 축을 중심으로 회전하고, 상기 제2바디가 삽입되는 중공부를 갖는 아우터 회전바디; 및 상기 중공부의 내둘레에 구비되고, 상기 아우터 회전바디의 반경 방향으로 상기 이너 마그넷과 오버랩되는 중첩영역을 갖는 복수개의 아우터 마그넷을 포함할 수 있고, 상기 중첩 영역의 면적은 상기 무빙 하우징 및 이너 회전바디의 이동에 따라 조절될 수 있다.

상기 무빙 하우징의 내둘레와 상기 제1바디의 외둘레 사이에는 베어링이 구비될 수 있다.

상기 제2바디 및 중공부의 적어도 일부는 스틸 재질로 형성될 수 있다.

상기 무빙 하우징 및 이너 회전바디가 상기 아우터 회전 바디를 향해 이동하면 상기 중첩 영역의 면적이 증가하고, 상기 무빙 하우징 및 이너 회전바디가 상기 아우터 회전 바디와 멀어지는 방향으로 이동하면 상기 중첩 영역의 면적이 감소할 수 있다.

아우터 회전 바디의 적어도 일부가 회전 가능하게 수용되는 아우터 하우징을 더 포함하고, 상기 아우터 하우징 내둘레와 상기 아우터 회전 바디의 외둘레 사이에는 베어링이 구비될 수 있다.

상기 아우터 마그넷은 상기 아우터 회전바디의 반경 방향으로 상기 이너 마그넷과 이격될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기는, 축방향에 대한 제1마그넷과 제2마그넷 사이의 거리가 무빙 하우징 및 제1회전바디의 이동에 따라 조절됨으로써, 직렬 탄성 구동기의 탄성계수가 가변될 수 있다.

좀 더 상세히, 본 발명의 다른 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기는, 무빙 동력원; 상기 무빙 동력원에 연결되어 축 방향으로 이동하는 무빙 하우징; 적어도 일부가 상기 무빙 하우징에 회전 가능하게 수용된 제1회전바디; 상기 제1회전바디에 제1가상원을 따라 배치된 복수개의 제1마그넷; 상기 제1회전바디에 연결되어 상기 제1회전바디를 회전시키는 회전 동력원; 상기 제1회전바디와 동일한 축을 중심으로 회전하는 제2회전바디; 상기 제2회전바디에 제2가상원을 따라 배치되고, 축방향에 대해 상기 제1마그넷을 마주보는 복수개의 제2마그넷을 포함하고, 축방향에 대한 상기 제1마그넷과 상기 제2마그넷 사이의 거리는 상기 무빙 하우징 및 제1회전바디의 이동에 따라 조절될 수 있다.

상기 무빙 하우징의 내둘레와 상기 제1회전바디의 외둘레 사이에는 베어링이 구비될 수 있다.

상기 제1회전바디 및 제2회전바디의 적어도 일부는 스틸 재질로 형성될 수 있다.

제2회전 바디의 적어도 일부가 회전 가능하게 수용되는 아우터 하우징을 더 포함하고, 상기 아우터 하우징의 내둘레와 상기 제2회전 바디의 외둘레 사이에는 베어링이 구비될 수 있다.

상기 제2마그넷은 축방향으로 상기 제1마그넷과 이격될 수 있다.

상기 무빙 동력원은, 상기 무빙 하우징의 축 방향과 나란한 방향으로 길게 형성된 스크류 축; 및 상기 스크류 축을 따라 이동하며 상기 무빙 하우징과 체결된 무빙부를 포함할 수 있다.

상기 무빙 동력원은, 상기 스크류축을 회전시키는 모터를 더 포함할 수 있다.

상기 무빙 동력원은, 코일; 상기 코일을 감싸는 고정 코어; 상기 무빙 하우징과 체결되고, 상기 코일에 전류가 인가되면 상기 고정 코어에서 멀어지는 방향으로 이동하는 무빙 코어를 포함할 수 있다.

상기 무빙 동력원은, 상기 무빙 코어가 상기 고정 코어와 멀어지는 방향으로 탄성력을 작용하는 탄성부재를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 무빙 하우징 및 이너 회전바디(제1회전바디)의 이동에 의해 이너 마그넷과 아우터 마그넷 사이의 중첩 면적 또는 거리가 달라질 수 있고, 이로써 직렬 탄성 구동기의 탄성계수가 가변될 수 있다.

또한, 이너 마그넷과 아우터 마그넷 사이의 중첩 면적 또는 거리가 가변됨에 따라, 직렬 탄성 구동기의 탄성계수가 선형적으로 가변되므로, 상기 탄성계수를 용이하게 조절할 수 있다.

또한, 스프링의 초기길이를 가변하는 종래의 직렬 탄성 구동기와 비교하여, 탄성계수의 가변을 위한 메커니즘이 간단해지는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기의 내부가 개략적으로 도시된 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 이너 마그넷의 오프셋 위치가 변경된 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 이너 회전바디와 아우터 회전바디 사이의 각변위차가 없을 경우의 도면이다.
도 4는 이너 회전바디와 아우터 회전바디 사이의 각변위차가 발생한 경우의 도면이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기의 작용 개념도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기의 내부가 개략적으로 도시된 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 이너 마그넷의 오프셋 위치가 변경된 상태를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기의 내부가 개략적으로 도시된 도면이다.
도 9는 도 8에 도시된 제1마그넷의 오프셋 위치가 변경된 상태를 도시한 도면이다.
도 10은 제1회전바디 및 복수개의 제1마그넷이 도시된 도면이다.
도 11은 제2회전바디 및 복수개의 제2마그넷이 도시된 도면이다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면과 함께 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기의 내부가 개략적으로 도시된 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 이너 마그넷의 오프셋 위치가 변경된 상태를 도시한 도면이고, 도 3은 이너 회전바디와 아우터 회전바디 사이의 각변위차가 없을 경우의 도면이고, 도 4는 이너 회전바디와 아우터 회전바디 사이의 각변위차가 발생한 경우의 도면이다.

본 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기는, 회전 동력원(10)과, 아우터 하우징(12)과, 이너 회전 바디(40)와, 아우터 회전바디(50)와, 마그넷 모듈(70)을 포함할 수 있다.

회전 동력원(10)은 이너 회전바디를 회전시킬 수 있다. 회전 동력원(10)의 회전축(11)은 이너 회전바디(40)에 연결될 수 있고, 이너 회전바디(40)는 회전 동력원(10)의 회전축(11)과 함께 회전할 수 있다.

회전 동력원(10)은 모터를 포함할 수 있다. 도 1 및 도 2에는 회전 동력원(10)의 회전축(11)이 모터의 회전축이고, 이너 회전바디(40)가 모터의 회전축(11)에 직접 연결되도록 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 모터의 회전축(11)은 기어 박스 등의 트랜스미션(미도시)에 연결되고, 상기 트랜스미션과 이너 회전바디(40)가 연결되는 구성도 가능하다. 즉, 회전 동력원(10)은 트랜스미션을 더 포함할 수 있으며, 상기 트랜스미션에 의해 모터의 회전력이 이너 회전바디(40)로 전달될 수 있다.

아우터 하우징(12)은 직렬 탄성 구동기의 외관을 형성할 수 있다.

아우터 하우징(12)은 일 방향으로 길게 형성된 중공통 형상을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 일 방향은 직렬 탄성 구동기의 축방향을 의미할 수 있고, 회전 동력원(10)의 회전축(11) 방향과 나란할 수 있다.

아우터 하우징(12)의 내부에는 이너 회전바디(40)가 수용될 수 있다. 또한, 아우터 하우징(12)의 내부에는 후술할 무빙 동력원(20)과, 무빙 하우징(30)과, 이너 하우징(24)이 수용될 수 있다. 또한, 아우터 하우징(12)에는 아우터 회전 바디(50)가 회전 가능하게 연결될 수 있다.

도 1, 2에는 회전 동력원(10)이 아우터 하우징(12)의 외부에 배치되도록 도시되어 있으나, 회전 동력원(10)이 아우터 하우징(12)의 내부에 수용되는 구성도 가능함은 물론이다.

이너 회전바디(40)는 대략 원통 형상으로 형성될 수 있다.

이너 회전바디(40)는 회전 동력원, 좀 더 상세히는 회전 동력원(10)의 회전축(11)에 연결될 수 있고, 상기 회전축(11)과 함께 회전할 수 있다. 즉, 이너 회전바디(40)는 회전 동력원(10)의 동력이 입력되어 회전하는 입력 로터리부일 수 있다.

좀 더 상세히, 이너 회전바디(40)에는 회전축(11)이 끼워지는 관통공(40A)이 형성될 수 있다. 관통공(40A)은 이너 회전바디(40)의 축방향으로 관통 형성될 수 있다. 관통공(40A)는 이너 회전바디(40)의 중심부에 형성될 수 있다. 회전축(11)이 관통공(40A)에 끼워져 회전축(11)과 이너 회전바디(40)가 함께 회전할 수 있다.

이너 회전바디(40)는 가상의 중심축(C)을 중심으로 회전할 수 있으며, 상기 가상의 중심축(C)은 회전 동력원(10)의 회전축(11)의 중심을 통과하며 상기 회전축(11)과 나란할 수 있다.

이너 회전바디(40)는 제1바디(41) 및 제1바디(41)와 함꼐 회전하며 아우터 회전바디(50)의 내부로 삽입되는 제2바디(42)를 포함할 수 있다.

제2바디(42)는 아우터 회전바디(50)의 내부로 삽입될 수 있다. 좀 더 상세히, 제2바디(42)는 아우터 회전바디(50)의 후술할 제1중공부(51)로 삽입될 수 있다. 제2바디(42)는 아우터 회전바디(50)의 제1중공부(51)에 위치한 상태에서 중심축(C)을 중심으로 회전할 수 있다.

제2바디(42)의 외둘레에는 후술할 복수개의 이너 마그넷(71)이 구비될 수 있다.

제1바디(41)는 아우터 회전바디(50)의 외부에 위치할 수 있다. 제1바디(41)의 적어도 일부는 무빙 하우징(30)의 내측에 회전 가능하게 수용될 수 있다.

제1바디(41)와 무빙 하우징(30)의 사이에는 베어링(81)이 구비될 수 있다. 좀 더 상세히 베어링(81)은 제1바디(41)의 외둘레와 무빙 하우징(30)의 내둘레 사이에 구비될 수 있다. 이로써, 제1바디(41)는 무빙 하우징(30) 내에서 중심축(C)을 중심으로 원활하게 회전할 수 있다.

제1바디(41)의 직경은 제2바디(42)의 직경보다 클 수 있다. 아우터 회전바디(50)의 제1중공부(51)의 내경은 제2바디(42)의 직경보다 크고 제1바디(41)의 직경보다 작을 수 있다. 이로써, 제2바디(42)는 아우터 회전바디(50)의 제1중공부(51)로 삽입될 수 있고, 제1바디(41)는 제1중공부(51)로 삽입되지 않을 수 있다.

또한, 제1바디(41)에는 스토퍼(43)가 형성될 수 있다. 스토퍼(43)는 제1바디(41)의 외둘레에서 제1바디(41)의 반경 외측 방향으로 돌출되어 형성될 수 있다.

스토퍼(43)는 이너 회전바디(40)의 축방향으로 아우터 회전바디(50)에 접근하거나 멀어질 수 있다. 스토퍼(43)는 제2바디(42)가 아우터 회전바디(50)의 제1중공부(51)에 최대로 삽입된 경우에 아우터 회전바디(50)에 접할 수 있고, 제2바디(42)가 제1중공부(51)로 더 이상 삽입되는 것을 막을 수 있다.

이너 회전바디(40)의 회전력은 마그넷 모듈(70)의 자기력에 의해 아우터 회전바디(50)로 전달될 수 있고, 아우터 회전바디(50)가 이너 회전바디(40)와 함께 회전할 수 있다.

아우터 회전바디(50)와 이너 회전바디(40)는 동일한 중심축(C)을 중심으로 회전할 수 있다.

아우터 회전바디(50)의 적어도 일부는 아우터 하우징(12)의 내부에 회전 가능하게 수용될 수 있다. 아우터 회전바디(50)와 아우터 하우징(12)의 사이에는 베어링(82)이 구비될 수 있다. 좀 더 상세히, 상기 베어링(82)은 아우터 회전바디(50)의 외둘레와 아우터 하우징(12)의 내둘레 사이에 구비될 수 있다. 이로써, 아우터 회전바디(50)는 아우터 하우징(12)의 내부에서 원활하게 회전할 수 있다.

아우터 회전바디(50)에는 부하(load)가 연결될 수 있고, 아우터 회전바디(50)는 상기 부하에 회전력을 전달할 수 있다. 예를 들어, 아우터 회전바디(50)는 휠체어나 유모차 등의 바퀴에 연결될 수 있고, 상기 바퀴는 아우터 회전바디(50)와 함께 회전할 수 있다.

아우터 회전바디(50)는 부하에 직접 연결될 수 있고, 기어 등의 트랜스 미션을 통해 부하에 연결되는 것도 가능하다.

부하에 의해 작용하는 외력에 의해 이너 회전바디(40)와 아우터 회전바디(50)에 작용하는 회전력은 서로 다를 수 있다.

아우터 회전 바디(50)는 대략 중공통 형상을 가질 수 있다. 좀 더 상세히, 아우터 회전 바디(50)에는 이너 회전바디(40)의 제2바디(42)가 삽입되는 제1중공부(51)와, 회전 동력원(10)의 회전축(11)이 회전 가능하게 연결되는 제2중공부(52)가 형성될 수 있다.

제1중공부(51)는 아우터 회전 바디(50)의 일면에서 아우터 회전 바디(50)의 축방향으로 함몰 형성될 수 있다.

제1중공부(51)에는 이너 회전바디(40)의 제2바디(42)가 삽입될 수 있다. 제1중공부(51)의 내경은 제2바디(42)의 직경보다 클 수 있다.

제1중공부(51)의 내둘레에는 후술할 아우터 마그넷(72)이 구비될 수 있다.

제2중공부(52)는 제1중공부(51)에서 아우터 회전바디(50)의 축방향으로 함몰되어 형성될 수 있다. 제2중공부(52)는 아우터 회전 바디(50)의 중심부에 형성될 수 있다.

제2중공부(52)에는 회전 동력원(10)의 회전축(11)이 삽입될 수 있다. 좀 더 상세히, 회전 동력원(10)의 회전축(11)은 이너 회전바디(40)의 관통공(40A)을 통과하여 제2중공부(52) 내부에 위치할 수 있다.

회전축(11)과 제2중공부(52) 사이에는 베어링(83)이 구비될 수 있다. 이로써, 아우터 회전바디(50)는 회전축(11)을 중심으로 회전하되, 회전축(11)과 서로 다른 속도로 원활하게 회전하는 것이 가능하다.

한편, 마그넷 모듈(70)은 이너 회전바디(40)와 아우터 회전바디(50)의 사이에 배치되고, 이너 회전바디(40)와 아우터 회전바디(50)의 회전력 차이에 따라 코깅 토크(cogging torque, 이하, '토크')를 발생시킬 수 있다. 토크는 이너 마그넷(71)과 아우터 마그넷(72) 사이의 자기력에 의해 발생할 수 있다.

좀 더 상세히, 마그넷 모듈(70)은 이너 회전바디(40)의 제2바디(42)의 외둘레에 구비된 복수개의 이너 마그넷(71)과, 아우터 회전 바디(50)의 제1중공부(51)의 내둘레에 구비된 복수개의 아우터 마그넷(72)을 포함할 수 있다.

복수개의 이너 마그넷(71)은 이너 회전바디(40)와 함께 회전할 수 있고, 복수개의 아우터 마그넷(72)은 아우터 회전바디(50)와 함께 회전할 수 있다.

이너 마그넷(71)과 아우터 마그넷(72)은 이너 회전바디(40) 또는 아우터 회전바디(50)의 반경방향에 대해 서로 마주볼 수 있다. 이너 마그넷(71)과 아우터 마그넷(72)은 이너 회전바디(40) 또는 아우터 회전바디(50)의 반경 방향에 대해 서로 이격될 수 있다. 즉, 이너 마그넷(71)과 아우터 마그넷(72)의 사이에는 에어 갭(g)이 형성될 수 있다.

복수개의 이너 마그넷(71)과 복수개의 아우터 마그넷(72)은 자기력으로 각각 커플링 될 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 복수개의 이너 마그넷(71)은 이너 N극 마그넷(71A)과, 이너 S극 마그넷(71B)을 포함할 수 있다. 즉, 복수개의 이너 마그넷(71) 중 일부는 이너 N극 마그넷(71A)일 수 있고, 다른 일부는 이너 S극 마그넷(71B)일 수 있다.

이너 N극 마그넷(71A)과 이너 S극 마그넷(71B)은 이너 회전바디(40)의 외둘레를 따라 서로 번갈아가며 일정 간격 이격되게 배치될 수 있다.

복수개의 아우터 마그넷(72)은 아우터 N극 마그넷(72A)과, 아우터 S극 마그넷(72B)을 포함할 수 있다. 즉, 복수개의 아우터 마그넷(72) 중 일부는 아우터 N극 마그넷(72A)일 수 있고, 다른 일부는 아우터 S극 마그넷(72B)일 수 있다.

아우터 N극 마그넷(72A)과 아우터 S극 마그넷(72B)은 아우터 회전바디(50)의 내둘레를 따라 서로 번갈아가며 일정 간격 이격되게 배치될 수 있다.

아우터 N극 마그넷(72A)은 이너 S극 마그넷(71B)과 커플링되고, 아우터 S극 마그넷(72B)은 이너 N극 마그넷(71A)과 커플링될 수 있다.

아우터 N극 마그넷(72A)은 이너 S극 마그넷(71B)을 마주보고, 아우터 S극 마그넷(72B)은 이너 N극 마그넷(71A)을 마주보게 배치될 수 있다. 즉, 커플링되는 아우터 마그넷(72)과 이너 마그넷(71)은 서로 반대 극성을 가질 수 있다.

이너 마그넷(71)과 아우터 마그넷(72)이 자기력에 의해 서로 커플링됨으로써, 이너 마그넷(71)과 아우터 마그넷(72) 중 어느 하나의 회전이 다른 하나의 회전에 영향을 끼쳐 마치 탄성체와 유사하게 작동할 수 있다. 즉, 이너 마그넷(71)과 아우터 마그넷(72) 사이에 각변위차(θ)(도 4 참조)가 발생하면 마그넷 모듈(70)에는 토크가 작용할 수 있다. 상기 각변위차(θ)는 이너 마그넷(71)과 아우터 마그넷(72)의 회전 방향에 대한 변위량의 차이를 나타낼 수 있다.

상기 각변위차(θ)와 토크의 관계에 따라 마그넷 모듈(70)의 탄성계수(k)가 정의될 수 있다. 마그넷 모듈(70)의 탄성계수(k)는 서로 커플링되는 아우터 마그넷(72)과 이너 마그넷(71) 사이의 각변위차(θ)가 선형 각변위차 범위(bandwidth) 내인 경우에 선형성을 유지할 수 있고, 이 경우 탄성계수(k)는 토크를 각변위차로 나눈 값을 의미할 수 있다.

이너 마그넷(71)과 아우터 마그넷(72)이 비접촉된 상태에서 상호간 자기력이 전달되므로, 스프링을 사용하는 종래의 직렬 탄성 구동기와 비교하여, 마찰력으로 인한 동력 손실등이 줄어들고, 스프링의 피로 문제가 발생하지 않으며, 히스테리시스 손실(hysterisis loss)이 발생하지 않아 이너 회전바디(40)와 아우터 회전바디(50)의 각변위차(θ)와 그로 인해 발생하는 토크 사이의 선형성이 확보될 수 있다.

이너 회전 바디(40) 및 아우터 회전 바디(50)는 스틸 재질의 백 요크를 포함할 수 있다. 일례로, 이너 마그넷(71)이 구비되는 이너 회전바디(40)의 제2바디(42)의 외둘레부와, 아우터 마그넷(72)이 구비되는 아우터 회전 바디(50)의 제1중공부(51)의 내둘레부는 스틸 재질로 형성될 수 있다. 이너 회전바디(40) 및 아우터 회전 바디(50)의 적어도 일부가 스틸 재질로 형성되는 구성도 가능함은 물론이다. 이로써, 이너 마그넷(71)과 아우터 마그넷(72)에 의해 발생하는 자기장의 플럭스(flux)가 상기 백 요크에 의해 가이드될 수 있다.

각 이너 마그넷(71)은 이너 회전바디(40)의 제2바디(42)의 외둘레 방향으로 길게 형성된 호 형상일 수 있고, 각 아우터 마그넷(72)은 아우터 회전바디(50)의 제1중공부(51)의 내둘레 방향으로 길게 형성된 호 형상일 수 있다.

이너 마그넷(71)과 아우터 마그넷(72)의 각도는 동일할 수 있다. 좀 더 상세히, 회전 모듈(39)의 중심축(C)을 중심으로 각 이너 마그넷(71)의 양 단부가 이루는 각도는, 회전 모듈(39)의 중심축(C)을 중심으로 각 아우터 마그넷(72)의 양 단부가 이루는 각도와 동일할 수 있다.

이너 마그넷(71) 및 아우터 마그넷(72)의 각도에 따라 마그넷 모듈(70)의 허용 토크 및 허용 각변위차 범위가 달라질 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이 이너 회전바디(40)와 아우터 회전바디(50)에는 서로 다른 회전력이 작용할 수 있고, 이로 인해 이너 회전바디(40)와 아우터 회전바디(50) 사이에는 각변위차가 발생할 수 있다. 즉, 이너 마그넷(71)과 아우터 마그넷(72) 사이에 각변위차(θ)가 발생할 수 있다.

각변위차(θ)가 없을 경우, 서로 커플링되는 이너 마그넷(71)과 아우터 마그넷(72)의 각 일 단부는 회전 모듈(39)의 중심축(C)을 통과하는 제1가상직선(L1) 상에 위치할 수 있고, 이너 마그넷(71)과 아우터 마그넷(72)의 각 타 단부는 회전 모듈(39)의 회전축(C)을 통과하는 제2가상직선(L2) 상에 위치할 수 있다.

아우터 마그넷(72)은 이너 마그넷(71)에 대해 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있다. 아우터 마그넷(72)은 이너 마그넷(71)을 기준으로 제1위치(p1)에서 제2위치(p2)로 이동할 수 있고, 이 경우 아우터 마그넷(72)과 이너 마그넷(71) 사이의 각변위차(θ)는 상기 제1위치(p1)와 상기 제2위치(p1)가 회전 모듈(39)의 중심축(C)에 대해 이루는 각도를 의미할 수 있다.

서로 커플링되는 아우터 마그넷(72)과 이너 마그넷(71)은 둘 사이의 각변위차(θ)가 허용 각변위차 범위 내에서만 커플링을 유지할 수 있다. 일례로, 허용 각변위차 범위는 +30도 내지 -30도일 수 있다. 이 경우, +와 -가 회전 방향을 의미함은 자명하다.

각변위차(θ)가 상기 허용 각변위차 범위의 경계에 다다른 경우, 일 아우터 마그넷(72)의 일 단부는 상기 일 아우터 마그넷(72)과 커플링되는 이너 마그넷(71)의 중앙에 대응되는 지점에 위치할 수 있다. 즉, 일 아우터 마그넷(72)의 일 단부와 회전 모듈(39)의 중심축(C)을 연결하는 가상 직선(L)은 상기 일 아우터 마그넷(72)과 커플링되는 이너 마그넷(71)의 중앙을 통과할 수 있다.

아우터 회전바디(50)에 과도한 토크가 작용하여, 서로 커플링되는 아우터 마그넷(72)과 이너 마그넷(71) 사이의 각변위차(θ)가 상기 허용 각변위차 범위를 벗어나면, 상기 아우터 마그넷(72)과 상기 이너 마그넷(71) 사이의 커플링은 해제되고, 토크 슬립이 발생할 수 있다.

토크 슬립의 발생시, 아우터 S극 마그넷(72B)은 원래 커플링되어 있던 이너 N극 마그넷(71A)과 가장 인접한 다른 이너 N극 마그넷(71A)과 새로이 커플링될 수 있고, 아우터 N극 마그넷(72A)은 원래 커플링되어 있던 이너 S극 마그넷(71B)과 가장 인접한 다른 이너 S극 마그넷(71B)과 새로이 커플링될 수 있다.

이로써, 회전 모듈(39)은 토크 리미터의 역할을 수행할 수 있고, 직렬 탄성 구동기에 과도한 토크가 작용하는 것이 방지될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기는, 이너 하우징(24)과, 무빙 가이드(25)와, 무빙 동력원(20)과, 무빙 하우징(30)을 더 포함할 수 있다.

이너 하우징(24)은 아우터 하우징(12)의 내부에 배치될 수 있다. 이너 하우징(24)은 직렬탄성 구동기의 축방향으로 이너 회전바디(40) 및 아우터 회전 바디(50)와 이격될 수 있다.

이너 하우징(24)은 일 방향에 대해 길게 형성된 중공통 형상을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 일 방향은 직렬 탄성 구동기의 축방향과 나란할 수 있다.

이너 하우징(24)에는 무빙 가이드(25)가 삽입되어 이동하는 중공(S1)이 형성될 수 있다.

또한, 회전 동력원(10)의 회전축(11)은 상기 중공(S1)을 통과할 수 있다. 이 경우, 이너 하우징(24)에는 상기 회전축(11)을 회전가능하게 지지하는 베어링(84)이 구비될 수 있다.

무빙 가이드(25)는 후술할 무빙 코어(23)의 이동을 가이드할 수 있다. 무빙 가이드(25)는 이너 하우징(24)의 중공(S1)으로 삽입된 상태에서 직렬 탄성 구동기의 축방향으로 이동할 수 있다.

회전 동력원(10)의 회전축(11)은 무빙 가이드(25)를 통과할 수 있다. 다만, 회전축(11)의 회전력은 무빙 가이드(25)에 전달되지 않을 수 있다.

무빙 동력원(20)은 무빙 하우징(30) 및 이너 회전바디(40)를, 이너 회전바디(40)의 축방향에 대해 이동시킬 수 있다. 좀 더 상세히, 무빙 동력원(20)은 무빙 하우징(30)에 연결되어 무빙 하우징(30)을 축방향에 대해 이동시킬 수 있고, 이너 회전바디(40)는 무빙 하우징(30)과 함께 축방향에 대해 이동할 수 있다.

무빙 동력원(20)은 회전 동력원(10)과 독립적으로 구동될 수 있다.

무빙 동력원(20)의 종류는 한정되지 않는다. 일례로 본 실시예의 경우, 무빙 동력원(20)은 코일(21)과, 고정 코어(22)와, 무빙 코어(23)를 포함할 수 있다.

코일(21)은 솔레노이드 코일일 수 있다. 코일(21)은 이너 하우징(24)의 외둘레에 감길 수 있고, 고정 코어(22)에 의해 커버될 수 있다.

고정 코어(22)는 이너 하우징(24)의 외둘레를 마주보도록 이너 하우징(24)을 둘러쌀 수 있고, 고정 코어(22)와 이너 하우징(24)의 사이에는 코일(21)이 구비될 수 있다. 즉, 고정 코어(22)는 코일(21)을 감쌀 수 있다.

고정 코어(22)는 스틸 등과 같은 금속 재질로 형성될 수 있으며, 코일(21)에 전류가 인가되면 고정 코어(22)는 자기장을 형성할 수 있고, 이로써 무빙 코어가(23) 고정 코어(22)를 향해 이동할 수 있다.

무빙 코어(23)는 직렬 탄성 구동기의 축방향에 대해 고정 코어(22)와 이격되어 배치될 수 있다. 무빙 코어(23)는 스틸 등과 같은 금속 재질로 형성될 수 있으며, 무빙 코어(23)에 자기장이 형성되면 상기 자기장에 의해 고정 코어(22)를 향해 이동할 수 있다.

무빙 코어(23)에는 무빙 하우징(30) 및 무빙 가이드(25)가 연결될 수 있다. 무빙 코어(23)는 무빙 하우징(30) 및/또는 무빙 가이드(25)와 일체로 형성될 수 있다.

무빙 가이드(25)는 이너 하우징(24)의 중공(S1) 내에서 이동하며 무빙 코어(23)의 이동을 가이드할 수 있다. 이너 하우징(24)의 중공(S1)에는 무빙 가이드(25)에 탄성력을 제공하는 탄성부재(26)가 구비될 수 있고, 상기 탄성부재(26)는 무빙 코어(23)가 고정 코어(22)에서 멀어지는 방향으로 탄성력을 제공할 수 있다.

따라서, 코일(21)에 전류가 인가되면 무빙 코어(23)가 고정 코어(22)를 향해 이동하며 무빙 가이드(25)가 탄성 부재(26)를 압축시킬 수 있고, 코일(21)에 인가되던 전류가 차단되면 탄성 부재(26)가 무빙 가이드(25)를 밀어내어 무빙 코어(23)가 고정 코어(22)로부터 멀어지는 방향으로 이동할 수 있다.

무빙 하우징(30)은 무빙 코어(23)와 함께 이동할 수 있고, 이너 회전바디(40)는 무빙 하우징(30)과 함께 이동할 수 있다.

이너 회전바디(40)의 축방향 이동에 따라, 마그넷 모듈(70)의 탄성 계수(k)가 가변될 수 있다.

좀 더 상세히, 각 아우터 마그넷(72)은 아우터 회전바디(50)의 반경 방향으로 이너 마그넷(71)과 오버랩되는 중첩영역(A)을 포함할 수 있다. 이 경우, 중첩 영역(A)의 면적이 넓을수록 서로 커플링된 아우터 마그넷(72)과 이너 마그넷(71) 사이에서 정의되는 탄성계수(k)가 커질 수 있다.

즉, 중첩 영역(A)의 면적이 상대적으로 넓으면, 서로 커플링된 아우터 마그넷(72)과 이너 마그넷(71) 사이의 각변위차(θ)에 따라 발생하는 토크가 상대적으로 클 수 있다. 반면, 중첩 영역(A)의 면적이 상대적으로 좁으면, 서로 커플링된 아우터 마그넷(72)과 이너 마그넷(71) 사이의 각변위차(θ)에 따라 발생하는 토크가 상대적으로 작을 수 있다.

중첩 영역(A)의 면적은 무빙 하우징(30) 및 이너 회전바디(40)의 이동에 따라 조절될 수 있다.

좀 더 상세히, 코일(21)에 전류가 인가되지 않는 경우에는 탄성 부재(26)의 탄성력에 의해 무빙 하우징(30) 및 이너 회전바디(40)가 아우터 회전바디(50)를 향해 이동할 수 있고, 이너 회전바디(40)의 제2바디(42)가 아우터 회전바디(50)의 제1중공부(51)로 깊게 인입될 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이 아우터 마그넷(72)의 중첩 영역(A)의 면적이 증가할 수 있다.

반면, 코일(21)에 전류가 인가되면 무빙 코어(23)가 고정 코어(22)측으로 이동하며, 무빙 하우징(30) 및 이너 회전바디(40)가 아우터 회전바디(50)에서 멀어지는 방향으로 이동할 수 있다. 따라서, 이너 회전바디(40)의 제2바디(42)가 아우터 회전바디(50)의 제1중공부(51)에서 일부 빠져나올 수 있고, 도 2에 도시된 바와 같이 아우터 마그넷(72)의 중첩 영역(A)의 면적이 감소할 수 있다. 다만, 이너 회전바디(40)의 제2바디(42)는 아우터 회전바디(50)의 제1중공부(51)에서 완전히 이탈되지 않고, 적어도 일부가 제1중공부(51) 내에 위치할 수 있다.

즉, 직렬 탄성 구동기는 아우터 마그넷(72)에 대한 이너 마그넷(71)의 오프셋 위치를 변경하여 마그넷 모듈(70)의 탄성계수(k)를 조절할 수 있다.

중첩 영역(A)의 면적과 마그넷 모듈(70)의 탄성계수(k)는 선형적 관계를 가질 수 있으며, 이로써 마그넷 모듈(70)의 탄성계수(k)가 용이하게 제어될 수 있다.

마그넷 모듈(70)의 탄성계수(k)가 커지면 직렬 탄성 구동기가 부하에 전달하는 토크를 제어하기 용이해지며, 응답성이 향상될 수 있다. 반면, 마그넷 모듈(70)의 탄성계수(k)가 작아지면 응답성은 떨어지는 대신 부하에 걸리는 토크에 의한 충격을 용이하게 흡수할 수 있다.

도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기의 작용 개념도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기의 회전 동력원(10) 및 무빙 동력원(20)은 컨트롤러에 의해 제어될 수 있다. 상기 컨트롤러는 직렬 탄성 구동기에 구비되거나, 직렬 탄성 구동기를 포함하는 기구에 구비될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기는, 회전 동력원(10)의 동력에 따라 구동되는 능동 제어와, 부하에 작용하는 외력에 따라 구동되는 피드백 제어와, 무빙 동력원(20)의 동력에 따라 구동되는 탄성계수 가변제어를 수행할 수 있다.

이하, 능동 제어에 따른 직렬 탄성 구동기의 작용에 대해 설명한다.

회전 동력원(20)가 작동하면, 회전 동력원(20)의 회전축(11) 및 그에 연결된 이너 회전바디(40)가 회전할 수 있다.

이너 회전바디(40)의 회전력은 마그넷 모듈(70)에 의해 아우터 회전바디(50)로 전달되어 아우터 회전바디(50)가 회전할 수 있다. 따라서, 아우터 회전 바디(50)에 연결된 부하에 회전력이 전달되고, 부하가 회전할 수 있다.

이하, 피드백 제어에 따른 직렬 탄성 구동기의 작용에 대해 설명한다.

부하에 외력이 작용하면 아우터 회전 바디(50)에 토크가 작용할 수 있고, 이너 회전바디(40)와 아우터 회전 바디(50)의 사이에 각변위차(θ)가 발생할 수 있다. 즉, 마그넷 모듈(70)의 이너 마그넷(71)과 아우터 마그넷(72) 사이에는 각변위차(θ)가 발생할 수 있다.

마그넷 모듈(70)에는 로터리 엔코더(미도시)가 구비될 수 있고, 상기 로터리 엔코더는 이너 마그넷(71)과 아우터 마그넷(72) 사이의 각변위차(θ)를 측정할 수 있다. 컨트롤러는 로터리 엔코더의 측정값을 전달받아 부하에 작용하는 토크를 추정할 수 있고, 부하에 작용하는 토크에 근거하여 회전 동력원(10)을 제어할 수 있다.

이하, 탄성계수 가변제어에 따른 직렬 탄성 구동기의 작용에 대해 설명한다.

무빙 동력원(20)이 작동하면, 그에 연결된 무빙 하우징(30)이 직렬 탄성 구동기의 축방향으로 이동할 수 있고, 이너 회전바디(40)가 무빙 하우징(30)과 함께 이동할 수 있다.

이너 회전바디(40)가 이동하면 이너 마그넷(71)과 오버랩되는 아우터 마그넷(72)의 중첩 영역(A)이 변화하고, 이로써 마그넷 모듈(70)의 탄성계수(k)가 선형적으로 가변될 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기의 내부가 개략적으로 도시된 도면이고, 도 7은 도 6에 도시된 이너 마그넷의 오프셋 위치가 변경된 상태를 도시한 도면이다.

이하, 본 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기는, 무빙 동력원(20`) 및 그와 관련된 구성을 제외하고는 앞서 설명한 일 실시예와 동일하므로, 중복되는 내용은 생략하고 차이점을 중심으로 설명한다.

본 실시예에 따른 무빙 동력원(20`)은 볼 스크류(Ball screw)를 포함할 수 있다. 좀 더 상세히, 무빙 동력원(20`)은 모터(21`)와, 모터(21`)의 회전력을 전달받아 회전하는 스크류축(22B)과, 스크류축(22B)을 따라 이동하는 무빙부(23`)를 포함할 수 있다.

모터(21`)의 회전축에는 제1기어(21A)가 연결될 수 있고, 스크류축(22B)에는 제1기어(21A)와 기어 결합되는 제2기어(22A)가 연결될 수 있다. 이로써 모터(21`)의 회전력이 스크류축(22B)으로 전달될 수 있다.

다만 이에 한정되는 것은 아니며, 모터(21`)의 회전축에는 제1폴리가 연결되고 스크류축(22B)에는 상기 제1폴리와 밸트 또는 체인으로 연결된 제2폴리가 연결되는 구성도 가능하다. 또한, 무빙 동력원(20`)이 모터(21`)를 포함하지 않고 사용자가 수동으로 스크류축(22B)을 회전시키는 구성도 가능하다.

스크류축(22B)은 직렬 탄성 구동기의 축방향과 나란한 방향으로 길게 형성될 수 있다.

스크류축(22B)은 고정부(22C)에 회전 가능하게 연결될 수 있고, 상기 고정부(22C)는 아우터 하우징(12)의 외면에 고정될 수 있다.

무빙부(23`)는 스크류축(22B)의 회전에 의해 스크류축(22B)을 따라 이동할 수 있다. 무빙부(23`)는 볼 스크류의 너트부를 포함할 수 있다.

무빙부(23`)는 직렬 탄성 구동기의 축방향에 대해 이너 하우징(24)와 이격되어 배치될 수 있다. 스크류 축(22B)이 회전하면, 무빙부(23`)는 이너 하우징(24)을 향해 이동할 수 있다.

아우터 케이스(12)에는 무빙부(23`)와의 간섭을 방지하는 회피부(12A)가 형성될 수 있으며, 상기 회피부(12A)는 무빙부(23`)가 이동하는 범위 내에서 무빙부(23`)와 간섭되지 않는 크기로 형성될 수 있다.

무빙부(23`)에는 무빙 하우징(30) 및 무빙 가이드(25)가 연결될 수 있다. 무빙부(23`)는 무빙 하우징(30) 및/또는 무빙 가이드(25)와 일체로 형성될 수 있다.

무빙 가이드(25)는 이너 하우징(24)의 중공(S1) 내에서 이동하며 무빙부(23`)의 이동을 가이드할 수 있다.

스크류축(22B)이 일 방향으로 회전하면 무빙부(23`)가 이너 하우징(24)를 향해 이동할 수 있고, 스크류축(22B)이 타 방향으로 회전하면 무빙부(23`)가 이너 하우징(24)에서 멀어지는 방향으로 이동할 수 있다.

무빙 하우징(30)은 무빙부(23`)와 함께 이동할 수 있고, 이너 회전바디(40)는 무빙 하우징(30)과 함께 이동할 수 있다. 이너 회전바디(40)의 축방향 이동에 따라, 마그넷 모듈(70)의 탄성 계수(k)가 가변될 수 있다.

도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기의 내부가 개략적으로 도시된 도면이고, 도 9는 도 8에 도시된 제1마그넷의 오프셋 위치가 변경된 상태를 도시한 도면이고, 도 10은 제1회전바디 및 복수개의 제1마그넷이 도시된 도면이고, 도 11은 제2회전바디 및 복수개의 제2마그넷이 도시된 도면이다.

본 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기는 마그넷 모듈(70`)의 구성을 제외하고는 앞서 설명한 일 실시예와 동일하므로, 중복되는 내용은 생략하고 차이점을 중심으로 설명한다.

앞서 설명한 일 실시예에 따른 직렬탄성 구동기의 마그넷 모듈(70)은 라디얼(radial) 타입이고, 본 실시예에 따른 직렬탄성 구동기의 마그넷 모듈(70`)은 엑시얼(axial) 타입일 수 있다.

이하, 이너 회전바디(40)는 제1회전바디로, 아우터 회전바디(50)는 제2회전바디로 명명한다.

본 실시예에 따른 마그넷 모듈(70`)은 제1회전바디(40)에 구비된 복수개의 제1마그넷(71`)과, 제2회전바디(50)에 구비된 복수개의 제2마그넷(72`)을 포함할 수 있다.

복수개의 제1마그넷(71`)은 제1회전바디(40`)에 제1가상원(R1)을 따라 배치될 수 있고, 복수개의 제2마그넷(72`)은 제2회전바디(50`)에 제2가상원(R2)을 따라 배치될 수 있다. 상기 제1가상원(R1)과 상기 제2가상원(R2)의 중심은 제1회전바디(40) 및 제2회전바디(50)의 중심축(C) 상에 위치할 수 있다. 상기 제1가상원(R1)과 상기 제2가상원(R2)의 반경은 동일할 수 있다.

복수개의 제1마그넷(71`)은 제1회전바디(40)와 함께 회전할 수 있고, 복수개의 제2마그넷(72`)은 제2회전바디(50)와 함께 회전할 수 있다.

제1마그넷(71`)과 제2마그넷(72`)은 제1회전바디(40) 및 제2회전바디(50)의 축 방향에 대해 서로 마주볼 수 있다. 제1마그넷(71`)과 제2마그넷(72`)은 제1회전바디(40) 및 제2회전바디(50)의 축방향에 대해 소정의 거리(d)만큼 서로 이격될 수 있다.

복수개의 제1마그넷(71`)과 복수개의 제2마그넷(72`)은 자기력으로 각각 커플링 될 수 있고, 제1마그넷(71`)과 제2마그넷(72`) 중 어느 하나의 회전이 다른 하나의 회전에 영향을 끼쳐 마치 탄성체와 유사하게 작동할 수 있다. 즉, 제1마그넷(71`)과 제2마그넷(72`) 사이에 각변위차가 발생하면 마그넷 모듈(70`)에는 토크가 작용할 수 있다. 상기 각변위차는 제1마그넷(71`)과 제2마그넷(72`)의 회전 방향에 대한 변위량의 차이를 나타낼 수 있다.

상기 각변위차와 토크의 관계에 따라 마그넷 모듈(70`)의 탄성계수(k)가 정의될 수 있다. 이에 대해서는 앞서 설명한 일 실시예의 마그넷 모듈(70)을 기준으로 설명하였으므로 당업자는 본 실시예의 마그넷 모듈(70`)에 대해서도 용이하게 이해할 수 있을 것이다.

제1마그넷(71`)과 제2마그넷(72`)이 비접촉된 상태에서 상호간 자기력이 전달되므로, 스프링을 사용하는 종래의 직렬 탄성 구동기와 비교하여, 마찰력으로 인한 동력 손실등이 줄어들고, 스프링의 피로 문제가 발생하지 않으며, 히스테리시스 손실(hysterisis loss)이 발생하지 않아 제1회전바디(40`)와 제2회전바디(50`)의 각변위 차이와 그로 인해 발생하는 토크 사이의 선형성이 확보될 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 엑시얼(axial) 타입의 회전 모듈(39`)은 라디얼 타입(radial)의 회전 모듈(39)보다 각 마그넷(71`)(72`)의 크기가 상대적으로 커질 수 있으므로, 회전 모듈(39`)의 허용 토크가 커질 수 있는 이점이 있다.

각 제1마그넷(71`)은 제1가상원(R1)의 둘레 방향으로 길게 형성된 호 형상일 수 있고, 각 제2마그넷(72`)은 제2가상원(R2)의 둘레 방향으로 길게 형성된 호 형상일 수 있다. 제1마그넷(71`)과 제2마그넷(72`)의 각도는 동일할 수 있다.

복수개의 제1마그넷(71`)은 제1 N극 마그넷(71A`)과, 제1 S극 마그넷(71B`)을 포함할 수 있다. 즉, 복수개의 제1마그넷(71`) 중 일부는 제1 N극 마그넷(71A`)일 수 있고, 다른 일부는 제1 S극 마그넷(71B`)일 수 있다.

제1 N극 마그넷(71A`)과 제1 S극 마그넷(71B`)은 제1가상원(R1)을 따라 서로 번갈아가며 일정 간격 이격되게 배치될 수 있다.

복수개의 제2마그넷(72`)은 제2 N극 마그넷(72A`)과, 제2 S극 마그넷(72B`)을 포함할 수 있다. 즉, 복수개의 제2마그넷(72`) 중 일부는 제2 N극 마그넷(72A`)일 수 있고, 다른 일부는 제2 S극 마그넷(72B`)일 수 있다.

제2 N극 마그넷(72A`)과 제2 S극 마그넷(72B`)은 제2가상원(R2)를 따라 서로 번갈아가며 일정 간격 이격되게 배치될 수 있다.

제2 N극 마그넷(72A`)은 제1 S극 마그넷(71B`)과 커플링되고, 제2 S극 마그넷(72B`)은 제1 N극 마그넷(71A`)과 커플링될 수 있다.

제1회전 바디(40) 및 제2회전 바디(50)의 축방향에 대해, 제2 N극 마그넷(72A`)은 제1 S극 마그넷(71B`)을 마주보고, 제2 S극 마그넷(72B`)은 제1 N극 마그넷(71A`)을 마주보게 배치될 수 있다. 즉, 커플링되는 제2마그넷(72`)과 제1마그넷(71`)은 서로 반대 극성을 가질 수 있다.

한편, 무빙 하우징(30) 및 그에 연결된 제1회전바디(40)의 축방향 이동에 따라, 마그넷 모듈(70`)의 탄성 계수(k)가 가변될 수 있다.

좀 더 상세히, 제1회전바디(40) 및 제2회전바디(50)의 축방향에 대한 제1마그넷(71`)과 제2마그넷(72`) 사이의 거리(d)는 무빙 하우징(30) 및 제1회전바디(40)의 이동에 따라 조절될 수 있다. 이 경우, 상기 거리(d)가 가까울수록 서로 커플링된 제2마그넷(72`)과 제1마그넷(71`) 사이에서 정의되는 탄성계수(k)가 커질 수 있다.

즉, 상기 거리(d)가 상대적으로 가까우면, 서로 커플링된 제2마그넷(72`)과 제1마그넷(71`) 사이의 각변위차(θ)에 따라 발생하는 토크가 상대적으로 클 수 있다. 반면, 상기 거리(d)가 상대적으로 멀면, 서로 커플링된 제2마그넷(72`)과 제1마그넷(71`) 사이의 각변위차(θ)에 따라 발생하는 토크가 상대적으로 작을 수 있다.

상기 거리(d)는 무빙 하우징(30) 및 제1회전바디(40)의 이동에 따라 조절될 수 있다.

무빙 하우징(30) 및 제1회전바디(40)가 제2회전바디(50)를 향해 이동하면 상기 거리(d)는 가까워질 수 있다. 반면 무빙 하우징(30) 및 제1회전바디(40)가 제2회전바디(50)에서 멀어지는 방향으로 이동하면 상기 거리(d)는 멀어질 수 있다. 무빙 하우징(30) 및 제1회전바디(40)의 이동에 관한 자세한 설명은 중복되는 내용이므로 생략한다.

즉, 직렬 탄성 구동기는 제2마그넷(72`)에 대한 제1마그넷(71`)의 오프셋 위치를 변경하여 마그넷 모듈(70`)의 탄성계수(k)를 조절할 수 있다.

제1마그넷(71`)과 제2마그넷(72`) 사이의 거리(d)와 마그넷 모듈(70)의 탄성계수(k)는 선형적 관계를 가질 수 있으며, 이로써 마그넷 모듈(70)의 탄성계수(k)가 용이하게 제어될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 예를 들어, 엑시얼(axial) 타입의 마그넷 모듈(70`)과, 볼 스크류를 포함하는 무빙 동력원(20`)을 포함하는 직렬 탄성 구동기도 본 발명의 범위에 포함됨이 자명하다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 회전 동력원 11: 회전축
12: 아우터 하우징 20: 무빙 동력원
21: 코일 22: 고정 코어
23: 무빙 코어 24: 이너 하우징
25: 무빙 가이드 26: 탄성부재
30: 무빙 하우징 40: 이너 회전바디
41: 제1바디 42: 제2바디
50: 아우터 회전바디 51: 제1중공부
52: 제2중공부 70: 마그넷 모듈
71: 이너 마그넷 72: 아우터 마그넷
A: 중첩영역

Claims

무빙 동력원;
상기 무빙 동력원에 연결되어 축 방향으로 이동하는 무빙 하우징;
상기 무빙 하우징에 회전 가능하게 수용되고 상기 무빙 하우징과 함께 무빙하는 제1바디와, 상기 제1바디와 함께 회전 및 이동하며 상기 하우징의 외측에 위치한 제2바디를 포함하는 이너 회전바디;
상기 제2바디의 외둘레에 구비된 복수개의 이너 마그넷;
상기 이너 회전바디에 연결되어 상기 이너 회전바디를 회전시키는 회전 동력원;
상기 이너 회전바디와 동일한 축을 중심으로 회전하고, 상기 제2바디가 삽입되는 중공부를 갖는 아우터 회전바디; 및
상기 중공부의 내둘레에 구비되고, 상기 아우터 회전바디의 반경 방향으로 상기 이너 마그넷과 오버랩되는 중첩영역을 갖는 복수개의 아우터 마그넷을 포함하고,
상기 중첩 영역의 면적은 상기 무빙 하우징 및 이너 회전바디의 이동에 따라 조절되는 직렬 탄성 구동기.
제 1 항에 있어서,
상기 무빙 하우징의 내둘레와 상기 제1바디의 외둘레 사이에는 베어링이 구비된 직렬 탄성 구동기.
제 1 항에 있어서,
상기 제2바디 및 중공부의 적어도 일부는 스틸 재질로 형성된 직렬 탄성 구동기.
제 1 항에 있어서,
상기 무빙 하우징 및 이너 회전바디가 상기 아우터 회전 바디를 향해 이동하면 상기 중첩 영역의 면적이 증가하고,
상기 무빙 하우징 및 이너 회전바디가 상기 아우터 회전 바디와 멀어지는 방향으로 이동하면 상기 중첩 영역의 면적이 감소하는 직렬 탄성 구동기.
제 1 항에 있어서,
아우터 회전 바디의 적어도 일부가 회전 가능하게 수용되는 아우터 하우징을 더 포함하고,
상기 아우터 하우징 내둘레와 상기 아우터 회전 바디의 외둘레 사이에는 베어링이 구비된 직렬 탄성 구동기.
제 1 항에 있어서,
상기 아우터 마그넷은 상기 아우터 회전바디의 반경 방향으로 상기 이너 마그넷과 이격된 직렬 탄성 구동기.
무빙 동력원;
상기 무빙 동력원에 연결되어 축 방향으로 이동하는 무빙 하우징;
적어도 일부가 상기 무빙 하우징에 회전 가능하게 수용된 제1회전바디;
상기 제1회전바디에 제1가상원을 따라 배치된 복수개의 제1마그넷;
상기 제1회전바디에 연결되어 상기 제1회전바디를 회전시키는 회전 동력원;
상기 제1회전바디와 동일한 축을 중심으로 회전하는 제2회전바디;
상기 제2회전바디에 제2가상원을 따라 배치되고, 축방향에 대해 상기 제1마그넷을 마주보는 복수개의 제2마그넷을 포함하고,
축방향에 대한 상기 제1마그넷과 상기 제2마그넷 사이의 거리는 상기 무빙 하우징 및 제1회전바디의 이동에 따라 조절되는 직렬 탄성 구동기.
제 7 항에 있어서,
상기 무빙 하우징의 내둘레와 상기 제1회전바디의 외둘레 사이에는 베어링이 구비된 직렬 탄성 구동기.
제 7 항에 있어서,
상기 제1회전바디 및 제2회전바디의 적어도 일부는 스틸 재질로 형성된 직렬 탄성 구동기.
제 7 항에 있어서,
제2회전 바디의 적어도 일부가 회전 가능하게 수용되는 아우터 하우징을 더 포함하고,
상기 아우터 하우징의 내둘레와 상기 제2회전 바디의 외둘레 사이에는 베어링이 구비된 직렬 탄성 구동기.
제 7 항에 있어서,
상기 제2마그넷은 축방향으로 상기 제1마그넷과 이격된 직렬 탄성 구동기.
제 1 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 무빙 동력원은,
상기 무빙 하우징의 축 방향과 나란한 방향으로 길게 형성된 스크류 축; 및
상기 스크류 축을 따라 이동하며 상기 무빙 하우징과 체결된 무빙부를 포함하는 직렬 탄성 구동기.
제 12 항에 있어서,
상기 무빙 동력원은,
상기 스크류축을 회전시키는 모터를 더 포함하는 직렬 탄성 구동기.
제 1 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 무빙 동력원은,
코일;
상기 코일을 감싸는 고정 코어;
상기 무빙 하우징과 체결되고, 상기 코일에 전류가 인가되면 상기 고정 코어에서 멀어지는 방향으로 이동하는 무빙 코어를 포함하는 직렬 탄성 구동기.
제 14 항에 있어서,
상기 무빙 동력원은,
상기 무빙 코어가 상기 고정 코어와 멀어지는 방향으로 탄성력을 작용하는 탄성부재를 더 포함하는 직렬 탄성 구동기.