KR102012234B1 - 통합구동장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일실시예는 정확한 출력 응답을 얻을 수 있는 통합구동장치를 제공한다. 여기서, 통합구동장치는 구동부, 하모닉 드라이브부, 출력부, 센싱부, 고정하우징부 그리고 처리부를 포함한다. 구동부는 고정자 및 회전자를 가지고, 회전자와 결합되는 구동축을 회전시킨다. 출력부는 구동축과 결합되는 하모닉 드라이브부와 결합되어 회전하면서 제1회전력을 출력하는 제1출력부와, 제1출력부와 일체로 형성되고 제1출력부보다 큰 지름으로 형성되어 제2회전력을 출력하는 제2출력부를 가진다. 센싱부는 고정하우징부의 내측에 수용되고 하모닉 드라이브부 및 출력부의 사이에 구비되며, 제1출력부가 회전한 제1총회전각도 및 제2출력부가 회전한 제2총회전각도를 센싱한다. 처리부는 제1총회전각도 및 제2총회전각도의 차로부터 출력부에 적용되는 토크를 산출한다.
Description
본 발명은 통합구동장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 정확한 출력 응답을 얻을 수 있는 통합구동장치에 관한 것이다.
하모닉 드라이브(Harmonic Drive)는 감속기의 일종으로서 소형, 경량이면서도 고감속비를 얻을 수 있고, 전달 토크의 용량이 크며, 백래시(Backlash)가 작기 때문에 정밀한 감속비를 얻기 위한 장치, 예를 들면, 여러 분야의 로봇 등에 널리 이용되고 있다.
일반적으로, 하모닉 드라이브는 원통형의 서큘러 스플라인(Circular Spline), 컵 형태의 플렉스 스플라인(Flex Spline) 및 웨이브 제너레이터(Wave Generator)로 구성된다. 웨이브 제너레이터는 통상 타원 형상을 이루며 플렉스 스플라인의 내측에 설치된다. 웨이브 제너레이터가 장착된 플렉스 스플라인은 서큘러 스플라인의 내주면에 설치된다. 일반적으로 서큘러 스플라인 내주면과 플렉스 스플라인 외주면에는 치형이 가공되어 미끌림이 발생되지 않도록 구성된다.
최근에는 산업현장에서 주로 활용되던 로봇의 사용 영역이 확장되고 있으며, 특히 고령화 사회를 앞두고 거동이 불편한 노인이나 환자, 장애인들이 활용할 수 있는 재활치료용 로봇으로 보급 및 활용되고 있다. 재활치료용 로봇은 사용자가 반복 훈련이 가능하도록 하는 반복성과, 의사 또는 치료사가 요구하는 동작을 정확하게 구현하여 사용자가 훈련할 수 있도록 하는 정확성과, 사용자의 반응 및 치료효과 등을 수치화하여 측정할 수 있는 정량성의 장점으로 인해 활용 범위가 넓어지고 있다.
한편, 재활치료용 로봇 중, 뇌졸중으로 마비된 손, 팔 어깨 등 상지 재활치료나, 무릎, 골반 등의 관절 재활 치료 등에 사용되는 재활치료용 로봇은 사용자와 로봇의 물리적 상호작용을 중요하다. 예를 들어, 사용자의 관절 운동력이 충분하지 못한 경우에는 사용자의 부상을 방지하기 위하여 관절 운동 방향으로 회전되도록 동력을 제공함으로써 부하를 줄여주는 것이 필요하다. 또한, 사용자의 관절 운동력이 충분한 경우에는 운동 효과가 증가될 수 있도록 관절 운동의 반대 방향으로 부하를 증가시키는 등의 제어가 필요하다. 따라서 사용자의 운동력을 감지하고, 이에 따라 신속하고 다양하게 출력을 피드백 할 수 있는 구동장치가 요구된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 정확한 출력 응답을 얻을 수 있는 통합구동장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 고정자 및 회전자를 가지고, 상기 회전자와 결합되는 구동축을 회전시키는 구동부; 상기 구동축과 결합되는 하모닉 드라이브부; 상기 하모닉 드라이브부와 결합되어 회전하면서 제1회전력을 출력하는 제1출력부와, 상기 제1출력부와 일체로 형성되고 상기 제1출력부보다 큰 지름으로 형성되어 제2회전력을 출력하는 제2출력부를 가지는 출력부; 상기 하모닉 드라이브부 및 상기 출력부의 사이에 구비되고, 상기 제1출력부가 회전한 제1총회전각도 및 상기 제2출력부가 회전한 제2총회전각도를 센싱하는 센싱부; 상기 센싱부가 내측에 수용되는 고정하우징부; 그리고 상기 제1총회전각도 및 상기 제2총회전각도의 차로부터 상기 출력부에 적용되는 토크를 산출하는 처리부를 포함하는 통합구동장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 센싱부는 상기 제1출력부에 결합되고, 상기 제1출력부와 함께 회전하는 제1마그넷부와, 상기 제2출력부에 결합되고, 상기 제2출력부와 함께 회전하는 제2마그넷부와, 상기 고정하우징부에 고정 설치되고, 회전하는 상기 제1마그넷부의 제1자기량 변화를 감지하는 제1센서부와, 회전하는 상기 제2마그넷부의 제2자기량 변화를 감지하는 제2센서부가 구비되는 기판부를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1센서부는 상기 제1마그넷부가 360도 회전한 제1총회전수를 센싱하는 제1센서와, 상기 제1센서가 상기 제1총회전수를 센싱한 시점에서, 상기 제1마그넷부가 0도 초과 및 360도 미만의 각도범위에서 회전한 제1추가회전각도를 센싱하는 제2센서를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1총회전각도는 상기 제1센서에서 센싱되는 상기 제1총회전수를 각도로 환산한 제1메인회전각도 및 상기 제2센서에서 센싱되는 상기 제1추가회전각도의 합일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1센서 및 상기 제2센서는 상기 제1마그넷부의 중심 지름에 대응되는 가상의 제1원을 따라 제1각도 간격으로 이격되어 구비될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2센서부는 상기 제2마그넷부가 360도 회전한 제2총회전수를 센싱하는 제3센서와, 상기 제3센서가 상기 제2총회전수를 센싱한 시점에서, 상기 제2마그넷부가 0도 초과 및 360도 미만의 각도범위에서 회전한 제2추가회전각도를 센싱하는 제4센서를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2총회전각도는 상기 제3센서에서 센싱되는 상기 제2총회전수를 각도로 환산한 제2메인회전각도 및 상기 제4센서에서 센싱되는 상기 제2추가회전각도의 합일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제3센서 및 상기 제4센서는 상기 제2마그넷부의 중심 지름에 대응되는 가상의 제2원을 따라 제2각도 간격으로 이격되어 구비될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2각도는 상기 제1각도와 동일할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 하모닉 드라이브부는 상기 구동축에 결합되고, 상기 구동축과 함께 일체로 회전하는 웨이브 제너레이터부와, 상기 웨이브 제너레이터부의 외주면과 이격된 상태로 상기 웨이브 제너레이터부의 외주면을 감싸도록 구비되는 서큘러 스플라인부와, 상기 웨이브 제너레이터부 및 상기 서큘러 스플라인부의 사이에 구비되고, 상기 웨이브 제너레이터부의 제1회전력을 전달받아 상기 서큘러 스플라인부와 부분적으로 결합되면서 회전하며, 상기 제1출력부와 결합되어 제1출력부에 제1회전력을 전달하는 플렉스 스플라인부를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1출력부의 외주면에는 원주방향을 따라 제1단차부가 형성되고, 상기 제1마그넷부는 상기 제1단차부에 결합될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2마그넷부는 절곡 형성되어 상기 제2출력부의 일측면 및 내주면에 밀착 결합될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 고정하우징부의 내주면에는 원주방향을 따라 제2단차부가 형성되고, 상기 기판부는 상기 제2단차부에 결합될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1출력부가 회전한 제1총회전각도 및 제2출력부가 회전한 제2총회전각도의 차로부터 출력부에 적용되는 토크를 정확하게 산출 수 있다. 그리고, 이를 기초로 구동축의 회전방향 및 분당회전수 중 하나 이상이 조절되도록 제어할 수 있으며, 이를 통해, 사용자와 물리적 상호작용 및 다양한 출력 응답이 가능할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 통합구동모듈을 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 통합구동모듈을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 통합구동모듈에서 구동부를 중심으로 나타낸 단면사시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 통합구동모듈에서 하모닉 드라이브부를 중심으로 나타낸 단면사시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 통합구동모듈에서 센싱부를 중심으로 나타낸 분해사시도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 통합구동모듈에서 센싱부를 중심으로 나타낸 단면사시도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 통합구동모듈에서 센싱부를 나타낸 예시도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 통합구동모듈에서 하모닉 드라이브부, 센싱부 및 출력부를 중심으로 나타낸 단면사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 통합구동모듈을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 통합구동모듈에서 구동부를 중심으로 나타낸 단면사시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 통합구동모듈에서 하모닉 드라이브부를 중심으로 나타낸 단면사시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 통합구동모듈에서 센싱부를 중심으로 나타낸 분해사시도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 통합구동모듈에서 센싱부를 중심으로 나타낸 단면사시도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 통합구동모듈에서 센싱부를 나타낸 예시도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 통합구동모듈에서 하모닉 드라이브부, 센싱부 및 출력부를 중심으로 나타낸 단면사시도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결(접속, 접촉, 결합)”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 “간접적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 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 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 통합구동모듈을 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 통합구동모듈을 나타낸 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 통합구동모듈에서 구동부를 중심으로 나타낸 단면사시도이다.
도 1 내지 도 4에서 보는 바와 같이, 통합구동모듈은 구동부(100), 하모닉 드라이브부(200), 출력부(300), 센싱부(400), 고정하우징부(350) 그리고 처리부(500)를 포함할 수 있다.
구동부(100)는 고정자(110) 및 회전자(111)를 가질 수 있다.
고정자(110)는 전자력이 발생되도록 코일이 감겨진 형태일 수 있으며, 코일에 전류가 흐르게 되면 전자력이 발생될 수 있다.
회전자(111)는 자석(Magnet)일 수 있으며, 고정자(110)에서 발생되는 전자력에 의해 회전될 수 있다. 회전자(111)는 구동축(120)과 결합될 수 있으며, 이를 통해, 회전자(111)가 회전하게 되면, 구동축(120)은 회전자(111)와 함께 회전될 수 있다.
회전자(111)의 일측으로 구동축(120)의 외주면에는 제1중간링(121)이 구비될 수 있으며, 제1중간링(121)의 외주면에는 제1베어링(122)이 결합될 수 있다.
그리고, 회전자(111)의 타측으로 구동축(120)의 외주면에는 제2베어링(123)이 결합될 수 있다. 제2베어링(123)은 구동축(120)의 외주면에 돌출 형성되는 걸림부(124)에 밀착되도록 구비될 수 있다. 또한, 제2베어링(123) 및 회전자(111)의 사이에는 제2중간링(125)이 구비될 수 있다. 제2베어링(123)은 걸림부(124) 및 제2중간링(125)에 의해 양측이 가압되어 구동축(120)에 견고하게 고정되도록 할 수 있다.
구동축(120)은 축방향으로 관통 형성되는 관통홀(126)을 가지도록 형성될 수 있으며, 관통홀(126)에는 코어튜브부(130)가 구비될 수 있다.
코어튜브부(130)는 구동축(120)과 동일한 중심축을 가지도록 구비될 수 있다. 또한, 코어튜브부(130)는 코어튜브부(130)의 외주면이 구동축(120)의 내주면과 이격되도록 구비될 수 있다. 이를 통해 구동축(120)은 코어튜브부(130)와 독립적으로 회전될 수 있다.
코어튜브부(130)는 축방향으로 관통 형성되는 통로부(131)를 가질 수 있다. 통로부(131)는 내측으로 케이블(미도시)이 지나가도록 하는 통로 기능을 할 수 있다. 상기 케이블은 전원케이블 및 통신케이블을 포함할 수 있다. 또한, 코어튜브부(130)는 일단부에 코어튜브부(130)의 외측으로 형성되는 플랜지부(132)를 가질 수 있다. 플랜지부(132)에는 원주방향을 따라 미리 정해진 간격으로 제1체결공(133)이 관통 형성될 수 있다.
그리고, 구동부(100)는 제1하우징(140), 제2하우징(150) 및 커버하우징(160)을 가질 수 있다.
제1하우징(140)의 일단부에는 제1체결공(133)에 대응되도록 제2체결공(141)이 형성될 수 있으며, 제1체결공(133) 및 제2체결공(141)에는 제1체결부재(142)가 결합될 수 있다. 또한, 제1하우징(140)의 타단부는 제1베어링(122)에 결합되는 결합부(170)에 결합될 수 있다. 제1하우징(140)은 코어튜브부(130)의 플랜지부(132) 및 결합부(170)에 결합되어 고정될 수 있다.
제2하우징(150)은 내측에 고정자(110) 및 회전자(111)가 수용되도록 형성될 수 있으며, 결합부(170)와 결합될 수 있다. 제2하우징(150)의 일단부에는 결합부(170)에 형성되는 제3체결공(171)에 대응되도록 제4체결공(151)이 형성될 수 있다. 그리고, 제2하우징(150)의 타단부에는 원주방향을 따라 미리 정해진 간격으로 제5체결공(152)이 형성될 수 있다. 제3체결공(173) 및 제4체결공(151)에는 제2체결부재(153)가 결합될 수 있으며, 이를 통해, 제2하우징(150)은 결합부(170)와 결합되어 고정될 수 있다.
커버하우징(160)의 일단부에는 제2하우징(150)의 제5체결공(152)에 대응되도록 제6체결공(161)이 형성될 수 있다. 제5체결공(152) 및 제6체결공(161)에는 제3체결부재(162)가 결합될 수 있으며, 이에 따라 커버하우징(160)은 제2하우징(150)과 결합될 수 있다. 커버하우징(160)의 타단부는 제2베어링(123)에 결합될 수 있다.
이를 통해, 구동부(100)의 회전자(111)가 회전하게 되면, 코어튜브부(130), 제1하우징(140), 제2하우징(150) 및 커버하우징(160)이 고정된 상태에서, 제1베어링(122) 및 제2베어링(123)에 의해 구동축(120)은 회전할 수 있게 된다.
또한, 커버하우징(160)에는 원주방향을 따라 제7체결공(163)이 미리 정해진 간격으로 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 통합구동모듈에서 하모닉 드라이브부를 중심으로 나타낸 단면사시도이다.
도 5에서 보는 바와 같이, 하모닉 드라이브부(200)는 구동축(120)과 결합될 수 있다. 하모닉 드라이브부(200)는 웨이브 제너레이터부(210), 서큘러 스플라인부(230) 및 플렉스 스플라인부(250)를 가질 수 있다.
웨이브 제너레이터부(210)는 결합링부(211) 및 회전링부(215)를 가질 수 있다.
결합링부(211)는 구동축(120)의 걸림부(124)에 결합될 수 있다. 그리고, 결합링부(211)에는 구동축(120)의 걸림부(124)에 원주방향을 따라 미리 정해진 간격으로 형성되는 제3결합공(127)에 대응되는 제4결합공(212)이 형성될 수 있다. 제4결합공(212) 및 제3결합공(127)에는 제2결합부재(213)가 결합될 수 있으며, 이를 통해 결합링부(211)는 구동축(120)에 결합되어 구동축(120)과 함께 회전할 수 있다.
회전링부(215)는 결합링부(211)의 외주면에 구비될 수 있다. 회전링부(215)는 베어링일 수 있다. 회전링부(215)는 타원형상으로 형성될 수 있다.
그리고, 서큘러 스플라인부(230)는 웨이브 제너레이터부(210)의 외주면, 구체적으로는 회전링부(215)의 외주면과 이격된 상태로 회전링부(215)의 외주면을 감싸도록 구비될 수 있다. 서큘러 스플라인부(230)의 내주면에는 치형(미도시)이 형성될 수 있다. 또한, 서큘러 스플라인부(230)에는 커버하우징(160)에 형성되는 제7체결공(163)에 대응되는 제8체결공(231)이 관통 형성될 수 있다. 제8체결공(231) 및 제7체결공(163)에는 제4체결부재(232)가 결합될 수 있으며, 이를 통해, 서큘러 스플라인부(230)는 회전하지 않도록 고정될 수 있다.
플렉스 스플라인부(250)는 기어부(251), 제1연결부(252), 제2연결부(253) 및 회전중량부(254)를 가질 수 있다.
기어부(251)는 웨이브 제너레이터부(210)의 회전링부(215) 및 서큘러 스플라인부(230)의 사이에 구비될 수 있다. 기어부(251)는 웨이브 제너레이터부(210)의 회전링부(215)로부터 회전력을 전달받아 서큘러 스플라인부(230)와 부분적으로 맞물리는 기어 결합되어 회전할 수 있다. 구체적으로, 기어부(251)의 외주면에는 서큘러 스플라인부(230)의 내주면에 형성되는 치형과 맞물리는 치형(미도시)이 형성될 수 있다. 따라서, 구동축(120)이 회전하게 되면 결합링부(211)와 함께 타원형상의 회전링부(215)가 회전하면서 기어부(251)에서 회전링부(215)의 장축 부분에 가압되는 부분이 순차적으로 외측으로 밀려나게 된다. 그러면, 기어부(251)에서 외측으로 밀리는 부분이 서큘러 스플라인부(230)의 치형과 맞물리게 된다. 기어부(251)의 치형의 개수는 서큘러 스플라인부(230)의 치형의 개수보다 적을 수 있으며, 따라서, 기어부(251)는 웨이브 제너레이터부(210)의 회전량보다 작은 회전량으로 웨이브 제너레이터부(210)의 회전방향과 반대방향으로 회전할 수 있다.
제1연결부(252)는 기어부(251)와 연결될 수 있으며, 구동축(120)과 평행하게 형성될 수 있다. 그리고, 제2연결부(253)는 제1연결부(252)와 연결될 수 있으며, 구동축(120)의 중심 방향으로 형성될 수 있다.
그리고, 회전중량부(254)는 제2연결부(253)에 연결될 수 있다. 회전중량부(254)에는 원주방향을 따라 복수의 제5결합공(255)이 관통 형성될 수 있다.
회전중량부(254)는 연결지지부(600)와 결합될 수 있으며, 연결지지부(600)는 회전중량부(254)의 회전을 지지할 수 있다.
연결지지부(600)는 고정연결부(610) 및 회전연결부(620)를 가질 수 있다. 고정연결부(610)는 코어튜브부(130)에 결합 고정될 수 있으며, 외주면에는 제3베어링(611)이 결합될 수 있다.
그리고, 회전연결부(620)는 제3베어링(611)에 결합될 수 있으며, 이를 통해, 회전연결부(620)는 고정연결부(610)에 회전 가능하도록 결합될 수 있다. 회전연결부(620)는 플렉스 스플라인부(250)의 회전중량부(254)의 내주면에 밀착 결합될 수 있다. 또한, 회전연결부(620)에는 회전중량부(254)에 형성되는 제5결합공(255)에 대응되는 제6결합공(621)이 형성될 수 있다. 제5결합공(255) 및 제6결합공(621)에는 제3결합부재(622)가 결합될 수 있으며, 이를 통해, 회전연결부(620)는 플렉스 스플라인부(250)와 함께 회전될 수 있다.
또한, 고정연결부(610)의 외주면에는 원주방향을 따라 그루브(612)가 형성될 수 있다. 그루브(612)는 고정연결부(610)의 축방향을 따라 복수개가 형성될 수 있다.
플렉스 스플라인부(250)의 내측 공간(S)과, 구동축(120) 및 코어튜브부(130)의 사이 공간에는 구동축(120)의 회전이 원활하게 이루어지도록 작동유가 채워질 수 있다. 고정연결부(610)에 형성되는 복수의 그루브(612)는 작동유의 일부가 수용되도록 하여 구동축(120)의 회전 시에 발생하는 열에 의해 작동유의 점성이 낮아지더라도 작동유가 필요 이상으로 유동되는 것이 방지되도록 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 통합구동모듈에서 센싱부를 중심으로 나타낸 분해사시도이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 통합구동모듈에서 센싱부를 중심으로 나타낸 단면사시도이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 통합구동모듈에서 센싱부를 나타낸 예시도이고, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 통합구동모듈에서 하모닉 드라이브부, 센싱부 및 출력부를 중심으로 나타낸 단면사시도이다.
도 6 내지 도 9에서 보는 바와 같이, 출력부(300)는 제1출력부(310) 및 제2출력부(320)를 가질 수 있다.
제1출력부(310)는 플렉스 스플라인부(250)의 회전중량부(254)와 결합될 수 있다. 제1출력부(310)는 제1지름을 가지도록 형성될 수 있으며, 제1출력부(310)에는 플렉스 스플라인부(250)의 회전중량부(254)에 형성되는 제5결합공(255)에 대응되는 제7결합공(311)이 관통 형성될 수 있다. 또한, 제1출력부(310)의 내주면 일부에는 연결지지부(600)의 회전연결부(620)가 밀착될 수 있다. 그리고, 제7결합공(311), 제5결합공(255) 및 제6결합공(621)에는 제3결합부재(622)가 결합될 수 있으며, 이를 통해, 제1출력부(310)는 플렉스 스플라인부(250)와 함께 회전될 수 있다. 제1출력부(310)에서는 플렉스 스플라인부(250)로부터 제공되는 제1회전력이 출력될 수 있다.
제2출력부(320)는 상기 제1지름보다 큰 제2지름을 가지도록 형성될 수 있으며, 변형부(330)에 의해 제1출력부(310)와 연결될 수 있다. 제1출력부(310), 변형부(330) 및 제2출력부(320)는 일체로 형성될 수 있다.
제2출력부(320)에는 원주방향을 따라 제8결합공(321)이 미리 정해진 간격으로 형성될 수 있다. 제8결합공(321)에는 회전되는 대상물이 결합부재(미도시)에 의해 결합될 수 있다. 상기 대상물은 통합구동장치가 설치되어 출력부(300)에서 출력되는 회전력을 전달하는 대상일 수 있다.
제1출력부(310)에서 출력되는 제1회전력은 변형부(330)를 통해 제2출력부(320)로 전달되고, 제2출력부(320)가 회전되면서 상기 대상물도 회전될 수 있다. 한편, 상기 대상물은 회전되도록 구성되지만 자체적으로 가지고 있는 마찰력, 관성력, 또는 상기 대상물과 연결된 구성(예를 들면, 재활 환자)의 근력 등에 의한 반력이 발생되기 때문에, 제2출력부(320)에서는 제1회전력이 모두 출력되지 못하고 제2회전력이 출력될 수 있다. 제1회전력 및 제2회전력은 서로 다른 크기를 가질 수 있으며, 이에 따라, 변형부(330)에서는 변형이 발생하게 되고, 제1출력부(310)의 제1총회전각도와 제2출력부(320)의 제2총회전각도는 차이가 날 수 있다.
센싱부(400)는 하모닉 드라이브부(200) 및 출력부(300)의 사이에 구비될 수 있으며, 제1출력부(310)가 회전한 제1총회전각도 및 제2출력부(320)가 회전한 제2총회전각도를 센싱할 수 있다.
센싱부(400)는 제1마그넷부(410), 제2마그넷부(420) 및 기판부(430)를 가질 수 있다.
제1마그넷부(410)는 링 형상으로 형성될 수 있다.
제1마그넷부(410)는 제1출력부(310)의 외주면에 원주방향을 따라 형성되는 제1단차부(312)에 결합될 수 있다. 제1마그넷부(410)는 제1단차부(312)에 끼움 결합될 수 있으나, 더욱 견고한 결합력이 제공되도록 제1마그넷부(410) 및 제1단차부(312)의 사이에는 접착제가 더 마련될 수 있다. 제1출력부(310)가 회전되면 제1마그넷부(410)는 제1출력부(310)와 함께 회전될 수 있다.
제2마그넷부(420)는 링 형상으로 형성될 수 있으며, 원주방향에 수직한 단면형상이 절곡된 형상으로 형성될 수 있다. 제2마그넷부(420)는 제2출력부(320)의 일측면 및 내주면에 밀착 결합될 수 있다. 제2마그넷부(420) 및 제2출력부(320) 사이에 견고한 결합력이 제공되도록 제2마그넷부(420) 및 제2출력부(320)의 사이에는 접착제가 더 마련될 수 있다. 제2출력부(320)가 회전되면 제2마그넷부(420)는 제2출력부(320)와 함께 회전될 수 있다.
고정하우징부(350)는 제2출력부(320)의 외주면에 구비되는 제4베어링(340) 의 외주면에 결합될 수 있다. 고정하우징부(350)은 내측에 출력부(300) 및 센싱부(400)를 수용할 수 있다.
고정하우징부(350)의 일단부에는 서큘러 스플라인부(230)의 제8체결공(231)에 대응되도록 제9체결공(351)이 관통 형성될 수 있다. 그리고, 고정하우징부(350)의 타단부에는 제10체결공(352)이 원주방향을 따라 미리 정해진 간격으로 형성될 수 있다.
고정하우징부(350)의 타단부에는 고정링(360)이 결합될 수 있다. 고정링(360)은 제4베어링(340)의 일측면을 가압하여 제4베어링(340)의 이탈이 방지되도록 구비될 수 있다. 고정링(360)에는 고정하우징부(350)의 제10체결공(352)에 대응되도록 제11체결공(361)이 관통 형성될 수 있으며, 제11체결공(361) 및 제10체결공(352)에는 제5체결부재(362)가 결합될 수 있다.
고정하우징부(350)의 내주면에는 원주방향을 따라 제2단차부(353)가 형성될 수 있다. 그리고, 기판부(430)는 제2단차부(353)에 결합되어 고정될 수 있다.
기판부(430)는 제1센서부(431) 및 제2센서부(435)를 가질 수 있다.
그리고, 제1센서부(431)는 제1센서(432) 및 제2센서(433)를 가질 수 있다.
제1센서(432) 및 제2센서(433)는 제1마그넷부(410)의 중심 지름에 대응되는 가상의 제1원(441)을 따라 이격되어 마련될 수 있다. 제1센서(432) 및 제2센서(433)는 제1각도(A1) 간격으로 이격될 수 있다.
제1센서(432) 및 제2센서(433)는 서로 수직한 형태로 마련될 수 있으며, 이를 통해, 제1마그넷부(410)가 회전하게 되면 사인 곡선 및 코사인 곡선 출력 신호를 생성할 수 있으며, 이를 통해, X축 및 Y축 방향의 제1자기량 변화를 감지할 수 있다.
제1센서(432)는 제1마그넷부(410)가 360도 회전한 제1총회전수를 센싱할 수 있다.
그리고, 제2센서(433)는 제1센서(432)가 제1총회전수를 센싱한 시점에서, 제1마그넷부(410)가 0도 초과 및 360도 미만의 각도범위에서 회전한 제1추가회전각도를 센싱할 수 있다.
이로부터, 제1마그넷부(410)가 회전된 제1총회전각도가 산출될 수 있으며, 제1총회전각도는 제1센서(432)에서 센싱되는 제1총회전수를 각도로 환산한 제1메인회전각도 및 제2센서(433)에서 센싱되는 제1추가회전각도의 합일 수 있다.
예를 들어, 제1마그넷부(410)가 360도 회전을 100번 한 경우, 제1총회전수는 100일 수 있으며, 제1총회전각도를 각도로 환산한 제1메인회전각도는 36,000도 일 수 있다. 그리고, 제1마그넷부(410)가 360도 회전을 100번 하고 15도 더 회전한 경우, 제1추가회전각도는 15도 일 수 있다. 따라서, 제1총회전각도는 36,015도 일 수 있다.
제2센서부(435)는 제3센서(436)및 제4센서(437)를 가질 수 있다.
제3센서(436) 및 제4센서(437)는 제2마그넷부(420)의 중심 지름에 대응되는 가상의 제2원(442)을 따라 이격되어 마련될 수 있다. 제3센서(436) 및 제4센서(437)는 제2각도(A2) 간격으로 이격될 수 있다.
제3센서(436) 및 제4센서(437)는 서로 수직한 형태로 마련될 수 있으며, 이를 통해, 제2마그넷부(420)가 회전하게 되면 사인 곡선 및 코사인 곡선 출력 신호를 생성할 수 있으며, 이를 통해, X축 및 Y축 방향의 제2자기량 변화를 감지할 수 있다.
제3센서(436)는 제2마그넷부(420)가 360도 회전한 제2총회전수를 센싱할 수 있다.
그리고, 제4센서(437)는 제3센서(436)가 제2총회전수를 센싱한 시점에서, 제2마그넷부(420)가 0도 초과 및 360도 미만의 각도범위에서 회전한 제2추가회전각도를 센싱할 수 있다.
이로부터, 제2마그넷부(420)가 회전된 제2총회전각도가 산출될 수 있으며, 제2총회전각도는 제3센서(436)에서 센싱되는 제2총회전수를 각도로 환산한 제2메인회전각도 및 제4센서(437)에서 센싱되는 제2추가회전각도의 합일 수 있다.
예를 들어, 제2마그넷부(420)가 360도 회전을 100번 한 경우, 제2총회전수는 100일 수 있으며, 제2총회전각도를 각도로 환산한 제2메인회전각도는 36,000도 일 수 있다. 그리고, 제2마그넷부(420)가 360도 회전을 100번 하고 12도 더 회전한 경우, 제2추가회전각도는 12도 일 수 있다. 따라서, 제2총회전각도는 36,012도 일 수 있다.
여기서, 제2각도(A2)는 제1각도(A1)와 동일할 수 있으며, 이를 통해, 동일한 기준상태에서 제1마그넷부(410) 및 제2마그넷부(420)가 각각 회전한 제1총회전각도 및 제2총회전각도가 정확하게 측정될 수 있다.
처리부(500)는 제1총회전각도 및 제2총회전각도의 차로부터 출력부(300)에 적용되는 토크(Torque)를 산출할 수 있으며, 이를 통해 정확한 출력 응답을 얻을 수 있다.
그리고, 처리부(500)에서 산출되는 토크를 기초로, 구동축(120)의 회전방향 및 분당회전수(RPM) 중 하나 이상이 조절되도록 제어될 수 있다.
처리부(500) 및 센싱부(400)는 유선 또는 무선으로 연결될 수 있다. 처리부(500) 및 센싱부(400)가 유선으로 연결되는 경우, 처리부(500) 및 센싱부(400)를 연결하는 케이블은 코어튜브부(130)의 통로부(131)를 활용하여 연결될 수 있다. 그리고, 처리부(500) 및 센싱부(400)가 무선으로 연결되는 경우, 처리부(500) 및 센싱부(400) 간의 통신을 위한 별도의 통신모듈이 더 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 통합구동장치는 다른 구성과 결합되어 사용될 수 있다. 예를 들면, 통합구동장치는 재활치료용 로봇에 사용될 수 있다. 상기 재활치료용 로봇이 손, 팔 어깨 등 상지 재활치료나, 무릎, 골반 등의 관절 재활치료를 위한 로봇인 경우, 제1회전력은 통합구동장치에서 출력되는 힘이고, 제2회전력은 사용자의 근력에 의해 상쇄되어 출력되는 힘일 수 있다.
사용자의 관절 운동력이 충분하지 못한 경우에는 사용자의 부상을 방지하기 위하여 관절 운동 방향으로 회전되는 회전력을 제공함으로써 부하를 줄여주는 것이 필요하다. 이 경우, 구동부(100)를 제어하여 제2회전력과 제1회전력의 차이가 적어지도록 제1회전력의 출력이 조정될 수 있다. 그리고, 사용자의 관절 운동력이 충분한 경우에는 운동 효과가 증가될 수 있도록 부하를 증가시킬 수 있다. 이 경우, 구동부(100)를 제어하여 제2회전력과 제1회전력의 차이가 커지도록 제1회전력의 출력이 조정될 수 있다. 이처럼, 출력부(300)를 통해 출력되는 제1회전력 및 제2회전력을 조절할 수 있으며, 이를 통해, 사용자와 물리적 상호작용 및 다양한 출력 응답이 가능할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 구동부 110: 고정자
111: 회전자 120: 구동축
130: 코어튜브부 140: 제1하우징
150: 제2하우징 160: 커버하우징
200: 하모닉 드라이브부 210: 웨이브 제너레이터부
230: 서큘러 스플라인부 250: 플렉스 스플라인부
300: 출력부 310: 제1출력부
320: 제2출력부 330: 변형부
350: 고정하우징부 400: 센싱부
410: 제1마그넷부 420: 제2마그넷부
430: 기판부 431: 제1센서부
435: 제2센서부 500: 처리부
600: 연결지지부
111: 회전자 120: 구동축
130: 코어튜브부 140: 제1하우징
150: 제2하우징 160: 커버하우징
200: 하모닉 드라이브부 210: 웨이브 제너레이터부
230: 서큘러 스플라인부 250: 플렉스 스플라인부
300: 출력부 310: 제1출력부
320: 제2출력부 330: 변형부
350: 고정하우징부 400: 센싱부
410: 제1마그넷부 420: 제2마그넷부
430: 기판부 431: 제1센서부
435: 제2센서부 500: 처리부
600: 연결지지부
Claims (13)
- 고정자 및 회전자를 가지고, 상기 회전자와 결합되는 구동축을 회전시키는 구동부;
상기 구동축과 결합되는 하모닉 드라이브부;
상기 하모닉 드라이브부와 결합되어 회전하면서 제1회전력을 출력하는 제1출력부와, 상기 제1출력부와 일체로 형성되고 상기 제1출력부보다 큰 지름으로 형성되어 제2회전력을 출력하는 제2출력부를 가지는 출력부;
상기 하모닉 드라이브부 및 상기 출력부의 사이에 구비되고, 상기 제1출력부가 회전한 제1총회전각도 및 상기 제2출력부가 회전한 제2총회전각도를 센싱하는 센싱부;
상기 센싱부가 내측에 수용되는 고정하우징부; 그리고
상기 제1총회전각도 및 상기 제2총회전각도의 차로부터 상기 출력부에 적용되는 토크를 산출하는 처리부를 포함하고,
상기 센싱부는 상기 제1출력부에 결합되고, 상기 제1출력부와 함께 회전하는 제1마그넷부와, 상기 고정하우징부에 고정 설치되고, 회전하는 상기 제1마그넷부의 제1자기량 변화를 감지하는 제1센서부가 구비되는 기판부를 가지고,
상기 제1센서부는 상기 제1마그넷부가 360도 회전한 제1총회전수를 센싱하는 제1센서와, 상기 제1센서가 상기 제1총회전수를 센싱한 시점에서, 상기 제1마그넷부가 0도 초과 및 360도 미만의 각도범위에서 회전한 제1추가회전각도를 센싱하는 제2센서를 가지는 것을 특징으로 하는 통합구동장치. - 제1항에 있어서,
상기 센싱부는
상기 제2출력부에 결합되고, 상기 제2출력부와 함께 회전하는 제2마그넷부를 가지고,
상기 기판부는
회전하는 상기 제2마그넷부의 제2자기량 변화를 감지하는 제2센서부를 가지는 것을 특징으로 하는 통합구동장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1총회전각도는 상기 제1센서에서 센싱되는 상기 제1총회전수를 각도로 환산한 제1메인회전각도 및 상기 제2센서에서 센싱되는 상기 제1추가회전각도의 합인 것을 특징으로 하는 통합구동장치. - 제2항에 있어서,
상기 제1센서 및 상기 제2센서는 상기 제1마그넷부의 중심 지름에 대응되는 가상의 제1원을 따라 제1각도 간격으로 이격되어 구비되는 것을 특징으로 하는 통합구동장치. - 제5항에 있어서,
상기 제2센서부는
상기 제2마그넷부가 360도 회전한 제2총회전수를 센싱하는 제3센서와,
상기 제3센서가 상기 제2총회전수를 센싱한 시점에서, 상기 제2마그넷부가 0도 초과 및 360도 미만의 각도범위에서 회전한 제2추가회전각도를 센싱하는 제4센서를 가지는 것을 특징으로 하는 통합구동장치. - 제6항에 있어서,
상기 제2총회전각도는 상기 제3센서에서 센싱되는 상기 제2총회전수를 각도로 환산한 제2메인회전각도 및 상기 제4센서에서 센싱되는 상기 제2추가회전각도의 합인 것을 특징으로 하는 통합구동장치. - 제6항에 있어서,
상기 제3센서 및 상기 제4센서는 상기 제2마그넷부의 중심 지름에 대응되는 가상의 제2원을 따라 제2각도 간격으로 이격되어 구비되는 것을 특징으로 하는 통합구동장치. - 제8항에 있어서,
상기 제2각도는 상기 제1각도와 동일한 것을 특징으로 하는 통합구동장치. - 제1항에 있어서,
상기 하모닉 드라이브부는
상기 구동축에 결합되고, 상기 구동축과 함께 일체로 회전하는 웨이브 제너레이터부와,
상기 웨이브 제너레이터부의 외주면과 이격된 상태로 상기 웨이브 제너레이터부의 외주면을 감싸도록 구비되는 서큘러 스플라인부와,
상기 웨이브 제너레이터부 및 상기 서큘러 스플라인부의 사이에 구비되고, 상기 웨이브 제너레이터부의 제1회전력을 전달받아 상기 서큘러 스플라인부와 부분적으로 결합되면서 회전하며, 상기 제1출력부와 결합되어 제1출력부에 제1회전력을 전달하는 플렉스 스플라인부를 가지는 것을 특징으로 하는 통합구동장치. - 제1항에 있어서,
상기 제1출력부의 외주면에는 원주방향을 따라 제1단차부가 형성되고, 상기 제1마그넷부는 상기 제1단차부에 결합되는 것을 특징으로 하는 통합구동장치. - 제2항에 있어서,
상기 제2마그넷부는 절곡 형성되어 상기 제2출력부의 일측면 및 내주면에 밀착 결합되는 것을 특징으로 하는 통합구동장치. - 제1항에 있어서,
상기 고정하우징부의 내주면에는 원주방향을 따라 제2단차부가 형성되고, 상기 기판부는 상기 제2단차부에 결합되는 것을 특징으로 하는 통합구동장치.
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