KR102004484B1

KR102004484B1 - 회전 액추에이터

Info

Publication number: KR102004484B1
Application number: KR1020180065616A
Authority: KR
Inventors: 구자춘; 이영민; 이혁진; 문형필; 최혁렬
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2018-06-07
Filing date: 2018-06-07
Publication date: 2019-07-26

Abstract

회전 액추에이터에 관한 발명이 개시된다. 본 발명에 따른 회전 액추에이터는: 내부공간이 구비되는 강체부; 강체부에 장착되고, 내부공간으로 유입되는 유체에 의해 팽창되는 유연체부; 유연체부의 중심부에서 강체부를 향해 와선형을 이루도록 유연체부에 삽입되고, 단부가 강체부에 고정되는 섬유부; 및 유연체부에 고정되고, 팽창되는 유연체부를 따라 회전되는 샤프트부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

회전 액추에이터{ROTARY ACTUATOR}

본 발명은 회전 액추에이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유체에 의해 팽창되는 유연체부에 의해 샤프트부를 회전 가능하게 하는 회전 액추에이터에 관한 것이다.

기존의 공압 인공 근육(Pneuamtic Artificial Muscle)은 직선 운동에 특화되어 있다. 공압 인공 근육을 사용하여 회전 운동을 만들어내기 위해서는 통상적으로 길항근(antagonistic) 배열을 사용하지만, 공압 인공 근육을 서로 연결하기 위해 쓰는 줄의 비선형성과 공간과 환경 등의 제약으로 실제 산업에서 쓰이기에 적절치 않다. 또한 기존 공압 근육의 격자 무늬로 배열된 메쉬(mesh)를 한 방향의 사선 무늬로만 배치하여 회전 가능하도록 만든 공압 근육이 있지만, 이는 강성이 적어 동력 전달에 어려운 문제점이 있다. 따라서 이를 개선할 필요성이 요청된다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10-1639520호(2016.07.07 등록, 발명의 명칭: 공압식 인공근육 구동기)에 개시되어 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 유체에 의해 팽창되는 유연체부에 의해 샤프트부를 회전 가능하게 하는 회전 액추에이터를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 회전 액추에이터는: 내부공간이 구비되는 강체부; 상기 강체부에 장착되고, 상기 내부공간으로 유입되는 유체에 의해 팽창되는 유연체부; 상기 유연체부의 중심부에서 상기 강체부를 향해 와선형을 이루도록 상기 유연체부에 삽입되고, 단부가 상기 강체부에 고정되는 섬유부; 및 상기 유연체부에 고정되고, 팽창되는 상기 유연체부를 따라 회전되는 샤프트부를 포함한다.

본 발명에서 상기 강체부는, 상기 내부공간이 구비되고, 외측면에 유체를 공급받는 유체공급부가 형성되는 강체몸체부; 상기 내부공간에 홈 형상으로 형성되고, 상기 유연체부의 단부를 수용하는 유연체수용부; 상기 강체몸체부의 중심부에 상기 샤프트부가 삽입 가능하게 관통 형성되는 관통부; 및 상기 강체몸체부의 외측면에 홈 형상으로 형성되고, 상기 섬유부의 단부가 고정되는 섬유고정부를 포함한다.

본 발명에서 상기 섬유고정부는 상기 섬유부의 와선 방향을 따라 형성된다.

본 발명에서 상기 유연체부는, 상기 유연체수용부에 삽입되고, 상기 유연체수용부에 고정되는 유연체고정부; 상기 유연체고정부에서 연장되어 상기 내부공간을 커버하고, 상기 섬유부가 삽입되며, 상기 내부공간에 유입되는 유체에 의해 팽창되는 팽창부; 및 상기 팽창부의 중심부에 형성되고, 상기 샤프트부의 외측면에 고정되는 샤프트고정부를 포함한다.

본 발명에서 상기 샤프트고정부는 상기 관통부에 고정된다.

본 발명에서 상기 섬유부의 단부가 고정된 상기 섬유고정부를 커버하는 덮개부를 더 포함한다.

본 발명에서 상기 관통부와 상기 샤프트부 사이에 개재되고, 상기 샤프트부의 회전을 지지하는 베어링부를 더 포함한다.

본 발명에서 상기 강체몸체부에 고정되고, 상기 샤프트부가 관통 가능하게 개구되며, 상기 관통부를 폐쇄하여 상기 베어링부의 이탈을 차단하는 차폐부를 더 포함한다.

본 발명에 따른 회전 액추에이터에 의하면, 유체에 의해 팽창되는 유연체부에 의해 샤프트부로 회전동력 전달을 용이하게 할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면 반도체 공정의 클린룸과 같이 기체 방출과 전자기장에 민감한 환경에 적용이 가능하다.

또한 본 발명에 따르면 유체압에 따라 유연체부의 팽창을 조절하여 샤프트부의 회전을 조절할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 액추에이터를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 액추에이터를 개략적으로 나타내는 조립 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 액추에이터를 절개하여 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 액추에이터를 개략적으로 나타내는 정단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 액추에이터의 작동을 개략적으로 나타내는 정단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시에 따른 회전 액추에이터의 작동을 개략적으로 나타내는 평면도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 회전 액추에이터의 일 실시예를 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 액추에이터를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 액추에이터를 개략적으로 나타내는 조립 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 액추에이터를 절개하여 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 액추에이터를 개략적으로 나타내는 정단면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 액추에이터의 작동을 개략적으로 나타내는 정단면도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시에 따른 회전 액추에이터의 작동을 개략적으로 나타내는 평면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 액추에이터는 강체부(100), 유연체부(200), 섬유부(300), 샤프트부(400)를 포함한다.

강체부(100)는 내부공간(111)이 구비되는 것으로, 내부공간(111)은 유압부(1000)에서 유입되는 유체를 수용한다. 본 발명의 일 실시예에서 강체부(100)는 질량이 가벼우면서 유체의 압력에 의해 변형되지 않는 강도를 가지는 플라스틱 재질을 포함하여 이루어진다. 강체부(100)는 강체몸체부(110), 유연체수용부(120), 관통부(130), 섬유고정부(140)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서 유압부(1000)에서 공급되는 유체는 오일 또는 공기로 이루어질 수 있다. 즉, 본 발명은 유압 또는 공압에 의해 작동된다.

강체몸체부(110)는 내부공간(111)이 구비되고, 외측면에 유압부(1000)로부터 유체를 공급받는 유체공급부(113)가 관통 형성된다. 유체공급부(113)는 유압부(1000)에 연결된 유체유로부(1100)와 연결된다. 유체유로부(1100)에는 밸브(1300)가 설치된다. 밸브(1300)의 개폐에 의해, 유체공급부(113)로 유압부(1000)의 유체가 공급 또는 차단된다. 또한 밸브(1300)의 개폐 정도에 따라 유체공부(113)로 공급되는 유체의 양이 조절된다. 또한 밸브(1300)의 작동에 의해 유체공급부(113)로 유체가 내부공간(111)으로 공급되거나, 유체공급부(113)를 통해 내부공간(111)의 유체가 배출된다.

유연체수용부(120)는 내부공간(111)에 홈 형상으로 형성되고, 유연체부(200)의 단부(도 3 기준 외측단부)를 수용한다. 유연체수용부(120)는 유연체부(200)의 단부 폭에 대응되게 형성된다. 유연체수용부(120)는 유연체부(200)의 단부와 본딩에 의해 결합된다.

관통부(130)는 강체몸체부(110)의 중심부에 샤프트부(400)가 삽입 가능하게 관통 형성된다. 관통부(130)는 샤프트부(400)가 회전 가능하도록, 관통부(130)의 내경은 샤프트부(400)의 외경보다 더 크게 형성된다.

섬유고정부(140)는 강체몸체부(110)의 외측면에 홈 형상으로 형성되고, 섬유부(300)의 단부(도 2 기준 외측단부)가 고정된다. 섬유고정부(140)는 섬유부(300)의 와선 방향을 따라 와선 방향에 대응되게 형성된다. 섬유부(300)의 단부는 섬유고정부(140)에 본딩에 의해 결합된다.

유연체부(200)는 강체부(100)에 장착되고, 강체부(100)의 내부공간(111)으로 유입되는 유체에 의해 팽창된다. 유연체부(200)는 탄성 변형 가능한 재질을 포함하여 이루어진다. 유연체부(200)는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane:PDMS), 실리콘, 아라미드 또는 나일론 등을 적어도 하나 이상 포함하여 이루어질 수 있다. 또는 유연체부(200)는 실리콘 재질로 에코 플렉스(Ecoflex) 또는 드래곤 스킨(Dragon skin)을 포함하여 이루어질 수 있다.

유연체부(200)는 유연체고정부(210), 팽창부(220), 샤프트고정부(230)를 포함한다. 유연체고정부(210)는 유연체수용부(120)에 삽입되고, 유연체수용부(120)에 고정된다. 유연체고정부(210)는 유연체수용부(120)에 본딩에 의해 결합된다.

팽창부(220)는 유연체고정부(210)에서 연장되어 내부공간(111)을 커버한다. 팽창부(220)의 내부에는 섬유부(300)가 삽입되어 섬유부(300)와 일체를 이룬다. 팽창부(220)는 내부공간(111)에 유입되는 유체에 의해 일측(도 4 기준 상측)으로 팽창된다. 팽창부(220)는 유체의 의해 상측으로 팽창되면서 와선형의 섬유부(300)를 따라 트위스트되면서 회전된다.

샤프트고정부(230)는 팽창부(220)의 중심부에 일방향(도 4 기준 하측방향)으로 돌출 형성된다. 샤프트고정부(230)는 샤프트부(400)의 외측면과 접하고, 샤프트부(400)와 고정된다. 샤프트고정부(230)는 샤프트부(400)와 본딩에 의해 결합된다.

샤프트고정부(230)는 관통부(130)에 회전 가능하게 고정된다. 샤프트고정부(230)의 단부(도 4 기준 하측단부)는 관통부(130)에 삽입되어, 관통부(130)의 원주방향을 따라 회전될 수 있다.

강체부(100)의 내부공간(111)에 유입된 유체에 의해 팽창부(220)가 팽창될 때, 샤프트고정부(230)는 관통부(130)에 회전 가능하게 고정되어 샤프트부(400)가 상측으로 이동되는 것을 방지한다.

섬유부(300)는 유연체부(200)의 중심부에서 강체부(100)를 향해 와선형을 이루도록 유연체부(200)에 삽입된다. 섬유부(300)의 단부(도 1 기준 외측단부)는 강체부(100)의 섬유고정부(140)에 고정된다. 섬유부(300)의 단부는 섬유고정부(140)에 본딩에 의해 고정된다. 섬유부(300)의 와선형은 아르키메데스 와선(산술 와선) 공식을 따른다. 아르키메데스 와선 공식은 r = a + bθ (여기서 a와 b는 실수)로 이루어진다. 매개변수 a를 바꾸면 와선이 돌아가며, b는 와선의 폭을 바꾼다. 섬유부(300)는 섬유 형태로 이루어지는 것으로, 탄소섬유, 그라핀, 탄소나노튜브 또는 탄소를 적어도 하나 이상 포함하여 이루어진다.

섬유부(300)는 단부가 섬유고정부(140)에 고정되고, 와선형으로 형성되므로, 팽창부(220)는 섬유부(300)의 와선 형상을 따라 회전되면서 상측으로 팽창된다.

샤프트부(400)는 원기둥 형상으로 형성되는 것으로, 유연체부(200)의 샤프트고정부(230)에 고정된다. 샤프트부(400)는 유체의 공급에 의해 팽창되는 유연체부(200)의 팽창부(220)를 따라 회전된다.

본 발명의 일 실시예에서 회전 액추에이터는 덮개부(500)를 더 포함한다. 덮개부(500)는 섬유부(300)의 단부(도 3 기준 외측단부)가 고정된 섬유고정부(140)를 커버한다. 덮개부(500)가 섬유고정부(140)를 커버하여 외부로 섬유부(300)가 노출되는 것을 방지한다.

덮개부(500)에는 원주방향을 따라 복수개의 제1체결홀부(510)가 관통 형성된다. 제1체결홀부(510)에 제1체결부재(800)가 관통되고, 제1체결부재(800)에 의해 덮개부(500)는 강체부(100)의 강체몸체부(110)에 고정된다. 제1체결부재(800)는 핀, 볼트, 나사 등으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 회전 액추에이터는 베어링부(600)를 더 포함한다. 베어링부(600)는 관통부(130)와 샤프트부(400) 사이에 개재되고, 샤프트부(400)의 회전을 지지한다. 베어링부(600)는 니들 베어링으로 이루어질 수 있다. 베어링부(600)는 회전되는 샤프트부(400)의 마찰력을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 회전 액추에이터는 차폐부(700)를 더 포함한다. 차폐부(700)는 강체몸체부(110)에 고정되고, 샤프트부(400)가 관통 가능하게 개구되게 형성된다. 차폐부(700)는 개구된 관통부(130)를 폐쇄하여, 베어링부(600)가 도 4 기준 하측방향으로 이탈되는 것을 차단한다. 차폐부(700)에는 원주방향을 따라 복수개의 제2체결홀부(710)가 관통 형성된다. 제2체결홀부(710)에 제2체결부재(900)가 관통되고, 제2체결부재(900)에 의해 차폐부(700)가 강체부(100)의 강체몸체부(110)에 고정된다. 제2체결부재(900)는 핀, 볼트, 나사 등으로 이루어질 수 있다.

도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 액추에이터의 작동을 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 회전 액추에이터의 작동 전 상태를 도시한 것이다. 밸브(1300)는 유체유로부(1100)를 폐쇄하여 강체부(100)의 내부공간(111)으로 유체가 공급되지 않는다.

도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 회전 액추에이터의 작동을 도시한 것이다. 밸브(1300)가 유체유로부(1100)를 개방하여 유압부(1000)로부터 유체가 유체공급부(113)를 통해 공급된다.

내부공간(111)으로 유입된 유체는 유연체부(200)의 팽창부(220)를 상측방향으로 팽창시킨다. 이때 팽창부(220)는 팽창되면서 강체부(100)에 고정된 와선형의 섬유부(300)에 의해 회전된다.

팽창되면서 회전되는 팽창부(220)에 의해 샤프트고정부(230)에 고정된 샤프트부(400)도 회전된다. 샤프트부(400)의 회전양은 유압부(1000)로부터 공급되는 유체의 양에 따라 조절될 수 있다.

본 발명에 따른 회전 액추에이터에 의하면, 유체에 의해 팽창되는 유연체부(200)에 의해 샤프트부(400)로 회전동력 전달을 용이하게 할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면 유체압에 따라 유연체부(200)의 팽창을 조절하여 샤프트부의 회전을 조절할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

100: 강체부 110: 강체몸체부
111: 내부공간 113: 유체공급부
120: 유연체수용부 130: 관통부
140: 섬유고정부 200: 유연체부
210: 유연체고정부 220: 팽창부
230: 샤프트고정부 300: 섬유부
400: 샤프트부 500: 덮개부
510: 제1체결홀부 600: 베어링부
700: 차폐부 710: 제2체결홀부
800: 제1체결부재 900: 제2체결부재
1000: 유압부 1100: 유체유로부
1300: 밸브

Claims

내부공간이 구비되는 강체부;
상기 강체부에 장착되고, 상기 내부공간으로 유입되는 유체에 의해 팽창되는 유연체부;
상기 유연체부의 중심부에서 상기 강체부를 향해 와선형을 이루도록 상기 유연체부에 삽입되고, 단부가 상기 강체부에 고정되는 섬유부; 및
상기 유연체부에 고정되고, 팽창되는 상기 유연체부를 따라 회전되는 샤프트부를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 액추에이터.
제1항에 있어서,
상기 강체부는,
상기 내부공간이 구비되고, 외측면에 유체를 공급받는 유체공급부가 형성되는 강체몸체부;
상기 내부공간에 홈 형상으로 형성되고, 상기 유연체부의 단부를 수용하는 유연체수용부;
상기 강체몸체부의 중심부에 상기 샤프트부가 삽입 가능하게 관통 형성되는 관통부; 및
상기 강체몸체부의 외측면에 홈 형상으로 형성되고, 상기 섬유부의 단부가 고정되는 섬유고정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 액추에이터.
제2항에 있어서,
상기 섬유고정부는 상기 섬유부의 와선 방향을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 회전 액추에이터.
제2항에 있어서,
상기 유연체부는,
상기 유연체수용부에 삽입되고, 상기 유연체수용부에 고정되는 유연체고정부;
상기 유연체고정부에서 연장되어 상기 내부공간을 커버하고, 상기 섬유부가 삽입되며, 상기 내부공간에 유입되는 유체에 의해 팽창되는 팽창부; 및
상기 팽창부의 중심부에 형성되고, 상기 샤프트부의 외측면에 고정되는 샤프트고정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 액추에이터.
제4항에 있어서,
상기 샤프트고정부는 상기 관통부에 고정되는 것을 특징으로 하는 회전 액추에이터.
제2항에 있어서,
상기 섬유부의 단부가 고정된 상기 섬유고정부를 커버하는 덮개부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 액추에이터.
제2항에 있어서,
상기 관통부와 상기 샤프트부 사이에 개재되고, 상기 샤프트부의 회전을 지지하는 베어링부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 액추에이터.
제7항에 있어서,
상기 강체몸체부에 고정되고, 상기 샤프트부가 관통 가능하게 개구되며, 상기 관통부를 폐쇄하여 상기 베어링부의 이탈을 차단하는 차폐부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 액추에이터.