KR102055946B1 - 직렬 탄성 구동기 - Google Patents

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KR102055946B1
KR102055946B1 KR1020180084757A KR20180084757A KR102055946B1 KR 102055946 B1 KR102055946 B1 KR 102055946B1 KR 1020180084757 A KR1020180084757 A KR 1020180084757A KR 20180084757 A KR20180084757 A KR 20180084757A KR 102055946 B1 KR102055946 B1 KR 102055946B1
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손창우
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엘지전자 주식회사
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/10—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
    • H02K7/116—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with gears

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기는, 모터를 포함하는 회전 동력원; 회전 동력원에 연결되어 회전하는 이너 회전바디; 이너 회전바디와 동일한 축을 중심으로 회전하고 상기 이너 회전바디의 외둘레 적어도 일부를 이격되게 둘러싸는 아우터 회전 바디; 이너 회전바디와 아우터 회전 바디의 사이에 배치되고, 이너 회전바디와 아우터 회전 바디의 회전력 차이에 따라 코깅 토크를 발생시키는 마그넷 모듈을 포함할 수 있다. 마그넷 모듈은, 이너 회전바디의 외둘레에 구비된 복수개의 이너 마그넷; 및 아우터 회전 바디의 내둘레에 구비되고 아우터 회전 바디의 반경방향에 대해 이너 마그넷과 이격되어 이너 마그넷을 마주보게 배치된 복수개의 아우터 마그넷을 포함할 수 있다.
서로 이격된 복수개의 이너 마그넷과 복수개의 아우터 마그넷이 자기력에 의해 서로 커플링되어 회전력을 전달할 수 있고, 이로써 직렬 탄성 구동기가 비 접촉식으로 구동될 수 있다.

Description

직렬 탄성 구동기{SERIES ELASTIC ACTUATOR}
본 발명은 직렬 탄성 구동기에 관한 것으로, 좀 더 상세히는 토크가 작용하는 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, 히스테리시스 손실(hysterisis loss)에 의해, 토션 스프링은 감김 방향 및 풀림 방향의 강성 및 사용가능 범위가 상이하고 인장-압축 스프링은 인장 방향과 압축 방향의 강성 및 사용가능 범위가 상이하다. 따라서, 스프링의 양쪽 방향을 모두 사용할 경우 정밀한 토크 측정에 부적합한 문제점이 있었다. 또한, 스프링의 기구적 접촉에 의해 강도 및 피로와 관련된 문제점이 있었다.
US 2011/0067517 A1 (2011.03.24 공개) KR 10-2017-0037442 A (2017.04.04 공개)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 비접촉식으로 구동되는 직렬 탄성 구동기를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기는, 서로 이격된 복수개의 이너 마그넷과 복수개의 아우터 마그넷이 자기력에 의해 서로 커플링되어 회전력을 전달할 수 있고, 이로써 직렬 탄성 구동기가 비 접촉식으로 구동될 수 있다.
좀 더 상세히, 본 발명의 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기는, 모터를 포함하는 회전 동력원; 상기 회전 동력원에 연결되어 회전하는 이너 회전 바디; 상기 이너 회전바디와 동일한 축을 중심으로 회전하고 상기 이너 회전바디의 외둘레 적어도 일부를 이격되게 둘러싸는 아우터 회전 바디; 상기 이너 회전바디와 상기 아우터 회전 바디의 사이에 배치되고, 상기 이너 회전바디와 상기 아우터 회전 바디의 회전력 차이에 따라 코깅 토크를 발생시키는 마그넷 모듈을 포함하고, 상기 마그넷 모듈은, 상기 이너 회전 바디의 외둘레에 구비된 복수개의 이너 마그넷; 및 상기 아우터 회전 바디의 내둘레에 구비되고, 상기 아우터 회전 바디의 반경방향에 대해 상기 이너 마그넷과 이격되어 상기 이너 마그넷을 마주보게 배치된 복수개의 아우터 마그넷을 포함할 수 있다.
상기 이너 회전 바디 및 아우터 회전 바디의 적어도 일부는 스틸 재질로형성될 수 있다.
상기 이너 마그넷은 상기 이너 회전바디의 둘레 방향으로 길게 형성된 호 형상이고, 상기 아우터 마그넷은 상기 아우터 회전바디의 둘레 방향으로 길게 형성된 호 형상일 수 있다.
상기 회전 동력원은, 상기 모터의 구동력을 상기 이너 회전바디로 전달하는 적어도 하나의 기어를 더 포함할 수 있다.
상기 아우터 회전바디에는, 상기 아우터 회전 바디에서 축방향으로 돌출된 중공부가 형성될 수 있다.
상기 이너 회전바디에는, 상기 이너 회전바디에서 축방향으로 돌출되고 상기 중공부의 내부에 위치한 돌출부가 형성될 수 있다.
상기 중공부와 상기 돌출부의 사이에는 베어링이 구비될 수 있다.
상기 복수개의 이너 마그넷은, 상기 이너 회전바디의 외둘레를 따라 서로 번갈아가며 이격 배치된 복수개의 이너 N극 마그넷 및 이너 S극 마그넷을 포함하고, 상기 복수개의 아우터 마그넷은, 상기 아우터 회전바디의 내둘레를 따라 서로 번갈아가며 이격 배치된 복수개의 아우터 N극 마그넷 및 아우터 S극 마그넷을 포함하고, 상기 아우터 N극 마그넷은 상기 이너 S극 마그넷을 마주보고, 상기 아우터 S극 마그넷은 상기 이너 N극 마그넷을 마주볼 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기는, 서로 이격된 복수개의 제1마그넷과 복수개의 제2마그넷이 자기력에 의해 서로 커플링되어 회전력을 전달할 수 있고, 이로써 직렬 탄성 구동기가 비 접촉식으로 구동될 수 있다.
좀 더 상세히, 본 발명의 다른 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기는, 모터를 포함하는 회전 동력원; 상기 회전 동력원에 연결되어 회전하는 제1회전 바디; 상기 이너 회전바디와 동일한 축을 중심으로 회전하고 상기 제1회전바디와 축방향으로 이격되어 상기 제1회전바디를 마주보는 제2회전 바디; 상기 이너 회전바디와 상기 아우터 회전 바디의 사이에 배치되고, 상기 이너 회전바디와 상기 아우터 회전 바디의 회전력 차이에 따라 코깅 토크를 발생시키는 마그넷 모듈을 포함하고, 상기 마그넷 모듈은, 상기 제1회전 바디의 일면에 제1가상원을 따라 배치된 복수개의 제1마그넷; 및 상기 제2회전 바디의 일면에 제2가상원을 따라 배치되고 상기 제1마그넷과 축방향으로 이격되어 상기 제1마그넷을 마주보게 배치된 복수개의 제2마그넷을 포함할 수 있다.
상기 제1회전 바디 및 제2회전 바디의 적어도 일부는 스틸 재질로 형성될 수 있다.
상기 제1마그넷은 상기 제1가상원을 따라 길게 형성된 호 형상이고, 상기 제2마그넷은 상기 제2가상원을 따라 길게 형성된 호 형상일 수 있다.
상기 회전 동력원은, 상기 모터의 구동력을 상기 제1회전바디로 전달하는 적어도 하나의 기어를 더 포함할 수 있다.
상기 복수개의 제1마그넷은, 상기 제1가상원을 따라 서로 번갈아가며 이격 배치된 복수개의 제1 N극 마그넷 및 제1 S극 마그넷을 포함하고, 상기 복수개의 제2마그넷은, 상기 제2가상원을 따라 서로 번갈아가며 이격 배치된 복수개의 제2 N극 마그넷 및 제2 S극 마그넷을 포함하고, 상기 제2 N극 마그넷은 상기 제1 S극 마그넷을 마주보고, 상기 제2 S극 마그넷은 상기 제1 N극 마그넷을 마주볼 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 이너 마그넷(제1마그넷)과 아우터 마그넷(제2마그넷)이 비접촉된 상태에서 상호간 자기력이 전달되므로, 스프링을 사용하는 종래의 직렬 탄성 구동기와 비교하여, 마찰력으로 인한 동력 손실등이 줄어들고, 스프링의 피로 문제가 발생하지 않는 이점이 있다.
또한, 스프링을 사용하는 종래의 직렬 탄성 구동기와 비교하여, 스프링의 히스테리시스 손실(hysterisis loss)이 발생하지 않아 이너 회전바디(제1회전바디)와 아우터 회전바디(제2회전바디)의 각변위차와 그로 인해 발생하는 토크 사이의 선형성이 확보될 수 있는 이점이 있다.
또한, 마그넷 모듈에 허용 토크를 넘는 토크가 가해지면 토크 슬립이 발생하므로, 마그넷 모듈은 토크 리미터의 역할을 수행할 수 있고, 직렬 탄성 구동기에 과도한 토크가 작용하는 것이 방지될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기의 절개 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마그넷 모듈이 도시된 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 6 및 도 7는 각 이너 마그넷 및 아우터 마그넷의 길이에 따른 회전과 토크의 관계를 도시한 도면이다.
도 8은 회전 동력원의 다른 예가 도시된 도면이다.
도 9은 본 발명의 다른 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기의 회전 모듈이 도시된 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1회전바디 및 복수개의 제1마그넷이 도시된 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 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 절개 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마그넷 모듈이 도시된 도면이다.
본 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기는, 회전 동력원(10) 및 회전 모듈(39)을 포함할 수 있다.
회전 동력원(10)은 회전 모듈(39)을 회전시킬 수 있다.
회전 동력원(10)은 모터(20)를 포함할 수 있다.
모터(20)는 스테이터(21)와, 스테이터(21)에 의해 회전하는 로터(22)와, 로터(22)와 함께 회전하는 회전축(23)을 포함할 수 있다. 모터(20)의 구성은 주지기술이므로 상세한 설명은 생략한다.
회전 동력원(10)은 기어 박스(30)를 더 포함할 수 있다.
기어 박스(30)는 적어도 하나의 기어를 포함할 수 있으며, 모터(20)의 구동력을 회전 모듈(39)로 전달할 수 있다. 즉, 기어 박스(30)는 트랜스미션(transmission)으로 기능할 수 있다.
다만, 회전 동력원(10)이 기어 박스(30)를 포함하지 않고 회전 모듈(39)이 모터(20)에 직접 연결되어 회전하는 구성도 가능함은 물론이다.
기어 박스(30)의 하우징(30A)은 대략 내부에 중공이 형성된 원통 형상으로 형성될 수 있다. 하우징(30A)의 내부에는 적어도 하나의 기어가 수용될 수 있다.
기어 박스(30)에 포함된 기어의 종류, 개수 및 연결관계는 필요에 따라 달라질 수 있다. 이하에서는 기어 박스(30)가 유성기어(Planetary gear)를 포함하는 경우를 예로 들어 설명한다.
기어 박스(30)는 썬 기어(31)와, 플래닛 기어(32)와, 링기어(35)와 캐리어(36)를 포함할 수 있다.
썬 기어(31)는 모터(20)의 회전축(23)에 연결되어, 상기 회전축(23)과 함께 회전할 수 있다. 썬 기어(31)는 복수개(예를 들어, 3개)의 플래닛 기어(32)와 기어 결합될 수 있다.
썬 기어(31)는 캐리어(36)의 내부에 배치될 수 있다.
플래닛 기어(32)는 썬 기어(31)와 기어 결합되고, 썬 기어(31)의 주위를 공전하며 동시에 자전할 수 있다.
플래닛 기어(32)는 썬 기어(31)와 기어 결합되는 제1기어부(33)와, 상기 제1기어부(33)와 함께 회전하며 제1기어부(33)보다 작은 직경을 갖는 제2기어부(34)를 포함할 수 있다. 제1기어부(33)와 제2기어부(34)는 일체로 형성될 수 있다.
링 기어(35)는 고리 형상으로 형성될 수 있다. 링 기어(35)는 썬 기어(31)를 중심으로 공전하는 각 플래닛 기어(32)를 외측에서 가이드할 수 있다. 링 기어(35)는 하우징(30A)에 고정되어 회전하지 않을 수 있다.
링 기어(35)는 캐리어(36)의 외부에 위치할 수 있다. 링 기어(35)는 캐리어(36)의 외둘레를 둘러싸도록 배치될 수 있다.
링 기어(35)는 각 플래닛 기어(32)와 기어 체결될 수 있다. 좀 더 상세히, 링 기어(35)는 각 플래닛 기어(32)의 제2기어부(34)와 기어 체결될 수 있다.
다만, 필요에 따라 플래닛 기어(32)가 제2기어부(34)를 포함하지 않고 링 기어(35)가 제1기어부(33)에 기어 결합되는 구성도 가능함은 물론이다.
캐리어(36)는 복수개의 플래닛 기어(32)에 연결되어, 복수개의 플래닛 기어(32)의 공전에 따라 회전할 수 있다.
캐리어(36)의 회전축은 썬기어(31)의 회전축과 동일할 수 있다. 즉, 캐리어(36)의 회전축은 모터(20)의 회전축(23)과 동일할 수 있다. 다만, 썬기어(31)의 회전 속도와 캐리어(36)의 회전 속도는 상이할 수 있다.
캐리어(36)는 회전 모듈(39)과 연결되어 회전 모듈(39)을 회전시킬 수 있다.
캐리어(36)는 회전 모듈(39)을 향하는 제1캐리어 바디(36A)와, 모터(20)를 향하는 제2캐리어 바디(36B)와, 제1캐리어 바디(36A)와 제2캐리어 바디(36B)를 연결하는 연결부(36C)를 포함할 수 있다.
제1, 2캐리어 바디(36A)(36B)는 대략 원판 형상을 가질 수 있다.
제1캐리어 바디(36A)와 제2캐리어 바디(36B)는 캐리어(36)의 축방향으로 서로 이격될 수 있다.
제1캐리어 바디(36A)는 회전 모듈(39)을 향하게 배치되며, 회전 모듈(39)과 연결될 수 있다. 즉, 제1캐리어 바디(36A)에는 후술할 이너 회전바디(40)과 연결되는 이너 회전바디 연결부(37)가 형성될 수 있다. 상기 이너 회전바디 연결부(37)는 제1캐리어 바디(36A)에서 회전 모듈(39)을 향해 돌출 형성될 수 있다.
제1, 2캐리어 바디(36A)(36B)에는 모터(20)의 회전축(23)을 회전 가능하게 지지하는 베어링(81)(82)이 장착되는 베어링 장착부(38A)(38B)가 형성될 수 있다. 각 베어링 장착부(38A)(38B)는 제1, 2캐리어 바디(36A)(36B)의 중심부에 관통 형성될 수 있다. 베어링(81)(82)에 의해 모터(20)의 회전축(23) 및 캐리어(36)는 서로 다른 회전 속도로 각각 원활하게 회전할 수 있다.
연결부(36C)는 캐리어(36)의 축방향과 나란한 방향으로 길게 형성되며, 서로 이격된 제1캐리어 바디(36A)와 제2캐리어 바디(36B)를 연결할 수 있다.
연결부(36C)는 플래닛 기어(32)와 간섭되지 않는 위치에 형성될 수 있다.
연결부(36C)는 캐리어(36)의 둘레 방향을 따라 서로 이격된 복수개가 형성될 수 있으며, 복수개의 연결부(36C) 중 적어도 일부는 플래닛 기어(32)의 자전축으로 기능할 수 있다. 이로써, 플래닛 기어(32)는 연결부(36C)를 중심으로 자전하는 동시에 썬기어(31)를 중심으로 공전하므로, 연결부(36C) 또한 플래닛 기어(32)를 따라 회전하게 되어 캐리어(36)가 회전할 수 있다.
한편, 회전 모듈(39)은 회전 동력원(10)에 의해 회전할 수 있다. 좀 더 상세히, 회전 모듈(39)은 기어 박스(30)의 캐리어(36)에 연결되어 회전할 수 있다.
회전 모듈(39)은 이너 회전바디(40)와, 아우터 회전바디(50)와, 마그넷 모듈(70)을 포함할 수 있다.
이너 회전바디(40)는 대략 원통 형상으로 형성될 수 있다.
이너 회전바디(40)는 회전 동력원(10), 좀 더 상세히는 캐리어(36)에 연결될 수 있고, 캐리어(36)와 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 캐리어(36)의 이너 회전바디 연결부(37)에 연결되는 입력부(41)가 형성될 수 있다. 입력부(41)는 이너 회전바디(40)에서 캐리어(36)를 향해 돌출되어 형성될 수 있으며, 이너 회전바디 연결부(37)에 끼워져 고정될 수 있다.
이너 회전바디(40)는 아우터 회전바디(50)의 내부로 삽입될 수 있고, 아우터 회전바디(50)는 대략 중공통 형상으로 형성될 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. 상기 중심축(C)은 가상의 축일 수 있다.
즉, 회전 모듈(39)은 상기 중심축(C)을 중심으로 회전할 수 있으며, 직렬 탄성 구동기의 축방향은 상기 중심축(C)과 나란한 방향을 의미할 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.
이너 회전바디(40)에는 돌출부(42)가 형성될 수 있고, 아우터 회전바디(50)에는 돌출부(42)가 삽입되는 중공부(52)가 형성될 수 있다. 좀 더 상세히, 돌출부(42)는 이너 회전바디(40)에서 축방향으로 돌출될 수 있고, 중공부(52)는 아우터 회전 바디(50)에서 축방향으로 돌출될 수 있다. 돌출부(42)는 이너 회전바디(40)의 중심부에 형성될 수 있고, 중공부(52)는 아우터 회전바디(50)의 중심부에 형성될 수 있다.
돌출부(42)는 중공부(52)의 내부에 위치할 수 있으며, 돌출부(42)와 중공부(52) 사이에는 베어링(83)이 구비될 수 있다. 이로서, 이너 회전바디(40)와 아우터 회전바디(50)에 서로 다른 회전력이 작용하더라도 이너 회전바디(40)와 아우터 회전바디(50)는 동일 중심축(C)을 중심으로 각각 원활하게 회전할 수 있다.
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 외둘레에 구비된 복수개의 이너 마그넷(71)과, 아우터 회전 바디(50)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 회전 모듈(39)의 반경방향에 대해 서로 마주볼 수 있다. 이너 마그넷(71)과 아우터 마그넷(72)은 회전 모듈(39)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 있고, 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. 이에 대해서는 이후 자세히 설명한다.
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 각변위 차이와 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 외둘레부와, 아우터 마그넷(72)이 구비되는 아우터 회전 바디(50)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 둘레 방향으로 길게 형성된 호 형상일 수 있고, 각 아우터 마그넷(72)은 아우터 회전바디(50)의 둘레 방향으로 길게 형성된 호 형상일 수 있다. 이너 마그넷(71)과 아우터 마그넷(72)의 길이는 동일 또는 유사할 수 있다.
이너 마그넷(71) 및 아우터 마그넷(72)의 길이에 따라 마그넷 모듈(70)의 허용 토크 및 허용 각변위차 범위가 달라질 수 있다. 이에 대해서는 이후 자세히 설명한다.
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.
도 3은 이너 회전바디와 아우터 회전바디 사이의 각변위차가 없을 경우의 도면이고, 도 4는 이너 회전바디와 아우터 회전바디 사이의 각변위차가 발생한 경우의 도면이다.
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.
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.
한편, 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.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기의 작용 개념도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기의 회전 동력원(10)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 제어를 수행할 수 있다.
이하, 능동 제어에 따른 직렬 탄성 구동기의 작용에 대해 설명한다.
모터(20)가 작동하면, 모터(20)의 회전축(23) 및 그에 연결된 썬 기어(31)가 회전할 수 있다. 따라서, 썬 기어(31)와 기어 체결된 복수개의 플래닛 기어(32)는 썬기어(31)를 중심으로 링 기어(35)의 내둘레를 따라 공전할 수 있다. 또한, 복수개의 플래닛 기어(32)에 연결된 캐리어(36)는 복수개의 플래닛 기어(32)의 공전에 따라 회전할 수 있다. 이로써, 캐리어(36)에 연결된 이너 회전바디(40)는 캐리어(36)와 함께 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), 좀 더 상세히는 모터(20)를 제어할 수 있다.
도 6 및 도 7는 각 이너 마그넷 및 아우터 마그넷의 길이에 따른 회전과 토크의 관계를 도시한 도면이다.
좀 더 상세히, 도 6(a)은 이너 마그넷(71)과 아우터 마그넷(72)의 각도가 상대적으로 작은 회전 모듈(39)이 도시된 도면이고, 도 6(b)에는 도 6(a)의 회전 모듈(39)에 대한 각변위차와 토크의 관계가 도시된 그래프이다. 또한, 도 7(a)은 이너 마그넷(71)과 아우터 마그넷(72)의 각도가 상대적으로 큰 회전 모듈(39)이 도시된 도면이고, 도 7(b)에는 도 7(a)의 회전 모듈(39)에 대한 각변위차와 토크의 관계가 도시된 그래프이다.
마그넷 모듈(70)의 각변위차(θ)(도 4 참조)와 토크에 따라 마그넷 모듈(70)의 탄성 계수(k)가 정의될 수 있다. 탄성 계수(k)는 도 7(a) 및 도 7(b)에 도시된 그래프에 접하는 접선의 기울기를 의미할 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 있다.
상기 선형 각변위차 범위(bandwidth)는 앞서 설명한 허용 각변위차 범위의 대략 절반일 수 있다. 일례로, 허용 각변위차 범위는 +30도 내지 -30도이고, 선형 각변위차 범위(bandwidth)는 +15도 내지 -15도일 수 있다.
마그넷 모듈(70)에서 측정된 각변위차(θ)로부터 용이하게 토크를 산출하기 위해, 회전 모듈(39)은 선형 각변위차 범위(bandwidth) 이내에서 작동함이 바람직할 것이다.
선형 각변위차 범위(bandwidth)는 이너 마그넷(71) 및 아우터 마그넷(72)의 각도와 비례할 수 있다. 즉, 이너 마그넷(71) 및 아우터 마그넷(72)의 각도가 커지면 선형 각변위차 범위(bandwidth)가 넓어질 수 있고, 허용 각변위차 범위 또한 넓어질 수 있다.
예를 들어, 이너 마그넷(71) 및 아우터 마그넷(72)의 각도가 대략 60도인 경우, 허용 각변위차 범위는 대략 +30도 내지 -30도이고, 선형 각변위차 범위(bandwidth)는 대략 +15도 내지 -15도일 수 있다. 반면, 이너 마그넷(71) 및 아우터 마그넷(72)의 각도가 대략 30도인 경우, 허용 각변위차 범위는 대략 +15도 내지 -15도이고, 선형 각변위차 범위(bandwidth)는 대략 +7.5도 내지 -7.5도일 수 있다.
또한, 허용 토크는 이너 마그넷(71) 및 아우터 마그넷(72)의 각도와 반비례할 수 있다. 즉, 이너 마그넷(71) 및 아우터 마그넷(72)의 각도가 커지면 허용 토크가 감소할 수 있다. 상기 허용 토크란 토크 슬립이 일어나지 않는 범위 내의 토크를 의미할 수 있다.
또한, 선형 각변위차 범위(bandwidth) 이내에서 탄성 계수(k)는 선형 각변위차 범위(bandwidth)는 이너 마그넷(71) 및 아우터 마그넷(72)의 각도와 반비례할 수 있다. 즉, 이너 마그넷(71) 및 아우터 마그넷(72)의 각도가 커지면 마그넷 모듈(70)의 탄성계수(k)가 작아질 수 있다.
도 8은 회전 동력원의 다른 예가 도시된 도면이다.
본 실시예에 따른 회전 동력원(10`)은 모터(20`) 및 모터(20`)의 동력을 회전 모듈(39)(도 1 참조)로 전달하는 기어 박스(30`)를 포함할 수 있다. 또한, 기어 박스(30`)는 적어도 하나의 기어(31`)(32`)(33`)(34`)(35`)를 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 기어(31`)(32`)(33`)(34`)(35`)는 평기어일 수 있다.
일례로, 기어 박스(30`)는 모터(20`)의 회전축에 연결되어 모터(20`)의 회전축과 함께 회전하는 제1기어(31`)와, 제1기어(31`)와 기어결합된 제2기어(32`)와, 제2기어(32`)와 기어 결합된 제3기어(33`)와, 제3기어(33`)와 기어 결합된 제4기어(34`)를 포함할 수 있다. 기어 박스(30`)에 포함된 기어의 개수는 필요에 따라 달라질 수 있음은 자명하다.
제2,3,4기어(32`)(33`)(34`)는 이웃한 일 기어로부터 회전력을 입력받는 입력 기어부와, 입력 기어부와 함께 회전하고 이웃한 타 기어로 회전력을 전달하는 출력 기어부를 포함할 수 잇다. 이 경우, 상기 입력 기어부와 상기 출력 기어부의 직경은 서로 다를 수 있다. 즉, 상기 입력 기어부와 상기 출력 기어부의 기어비는 서로 상이할 수 있다.
예를 들어, 제2기어(32`)의 입력 기어부는 제2기어(32`)의 출력 기어부 및 제1기어(31`)보다 큰 직경을 가질 수 있다. 또한, 제3기어(33`)의 입력 기어부는 제3기어(33`)의 출력 기어부 및 제2기어(32`)의 출력 기어부보다 큰 직경을 가질 수 있다. 또한, 제4기어(34`)의 입력 기어부는 제4기어(34`)의 출력 기어부 및 제3기어(33`)의 출력 기어부보다 큰 직경을 가질 수 있다.
따라서, 동력 전달 방향을 따라 모터에서 멀리 떨어진 기어일수록 회전 속도가 느려질 수 있다. 좀 더 상세히, 제4기어(34`)의 회전 속도는 제3기어(33`)의 회전 속도보다 느리고, 제3기어(33`)의 회전 속도는 제2기어(32`)의 회전 속도보다 느리고, 제2기어(32`)의 회전속도는 제1기어(31`)의 회전 속도보다 느릴 수 있다.
또한, 기어 박스(30`)는 제4기어(34`)와 기어 결합된 제5기어(35`)를 더 포함할 수 있다. 제5기어(35`)는 제4기어(34`)의 입력 기어부와 기어 결합될 수 있으며, 제4기어(34`)의 입력 기어부보다 작은 직경을 가질 수 있다. 따라서, 제5기어(35`)의 회전 속도는 제4기어(34`)의 회전 속도보다 빠를 수 있다.
한편, 도 8에는 도시되지 않았으나, 앞서 설명한 회전 모듈(39)은 기어 박스(30`)에 연결되어 회전력을 전달받을 수 있다.
회전 모듈(39)은 기어 박스(30`)에 포함된 기어 중 어느 하나에 연결될 수 있다. 예를 들어, 회전 모듈(39)은 제1,2,3,4,5기어(31`)(32`)(33`)(34`)(35`) 중 어느 하나와 연결되어 회전력을 전달받을 수 있다.
회전 모듈(39)은 제1,2,3,4,5기어(31`)(32`)(33`)(34`)(35`) 중 어느 하나와 함께 회전할 수 있다. 회전 모듈(39)의 중심축(C)(도 1 참조)은 회전 모듈(39)과 연결되는 기어의 회전축과 일치할 수 있다. 즉, 도 8을 기준으로 회전 모듈(39)의 중심축(C)은 상하 방향으로 길게 배치될 수 있다.
회전 모듈(39)에 연결된 기어(예를 들어, 제2기어)가 동력전달방향을 따라 모터(20`)와 인접하면 회전 모듈(39)의 허용 토크가 커지고, 허용 각변위차 범위가 작아질 수 있다. 반면, 회전 모듈(39)에 연결된 기어(예를 들어, 제4기어)가 동력전달방향을 따라 모터(20`)와 멀게 위치하면 회전 모듈(39)의 허용 토크가 작아지고, 허용 각변위차 범위가 커질 수 있다.
도 9은 본 발명의 다른 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기의 회전 모듈이 도시된 도면이고, 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1회전바디 및 복수개의 제1마그넷이 도시된 도면이고, 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2회전바디 및 복수개의 제2마그넷이 도시된 도면이다.
본 실시예에 따른 직렬 탄성 구동기는 회전 모듈(39`)의 구성을 제외하고는 앞서 설명한 직렬 탄성 구동기와 동일하므로, 중복되는 내용은 생략하고 차이점을 중심으로 설명한다.
앞서 설명한 일 실시예에 따른 직렬탄성 구동기의 회전 모듈(39)은 라디얼(radial) 타입이고, 본 실시예에 따른 직렬탄성 구동기의 회전 모듈(39`)은 엑시얼(axial) 타입일 수 있다.
회전 모듈(39`)은 제1회전바디(40`)와, 제2회전바디(50`)와, 마그넷 모듈(70`)을 포함할 수 있다.
제1회전바디(40`)는 대략 원판 또는 원판 고리 형상으로 형성될 수 있다.
제1회전바디(40`)는 회전 동력원(10)(도 1 참조)에 연결될 수 있다. 즉, 제1회전바디(40`)는 회전 동력원(10)의 동력이 입력되어 회전하는 입력 로터리부일 수 있다.
제1회전바디(40`)는 제2회전바디(50`)를 마주보게 배치될 수 있다. 좀 더상세히, 제1회전 바디(40`)와 제2회전 바디(50`)는 회전 모듈(39`)의 축방향에 대해 서로 이격되어 마주볼 수 있다.
제2회전바디(50`)는 대략 원판 또는 원판 고리 형상으로 형성될 수 있다.
제1회전바디(40`)의 회전력은 마그넷 모듈(70`)의 자기력에 의해 제2회전바디(50`)로 전달될 수 있고, 제2회전바디(50`)가 제1회전바디(40`)와 함께 회전할 수 있다.
제2회전바디(50`)와 제1회전바디(40`)는 동일한 중심축(C`)을 중심으로 회전할 수 있다. 상기 중심축(C`)은 가상의 축일 수 있다.
즉, 회전 모듈(39`)은 상기 중심축(C`)을 중심으로 회전할 수 있다.
제2회전바디(50`)에는 부하(load)가 연결될 수 있고, 제2회전바디(50`)는 상기 부하에 회전력을 전달할 수 있다. 예를 들어, 제2회전바디(50`)는 휠체어나 유모차 등의 바퀴에 연결될 수 있고, 상기 바퀴는 제2회전바디(50`)와 함께 회전할 수 있다.
제2회전바디(50`)는 부하에 직접 연결될 수 있고, 기어 등의 트랜스 미션을 통해 부하에 연결되는 것도 가능하다.
부하에 의해 작용하는 외력에 의해 제1회전바디(40`)와 제2회전바디(50`)에 작용하는 회전력은 서로 다를 수 있다.
마그넷 모듈(70`)은 제1회전바디(40`)와 제2회전바디(50`)의 사이에 배치되고, 제1회전바디(40`)와 제2회전바디(50`)의 회전력 차이에 따라 코깅 토크(cogging torque, 이하, '토크')를 발생시킬 수 있다. 토크는 제1마그넷(71`)과 제2마그넷(72`) 사이의 자기력에 의해 발생할 수 있다.
좀 더 상세히, 마그넷 모듈(70`)은 제1회전바디(40`)의 일면에 구비된 복수개의 제1마그넷(71`)과, 제2회전 바디(50)의 일면에 구비된 복수개의 제2마그넷(72`)을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제1회전바디(40`)의 일면과 상기 제2회전바디(50`)의 일면은 서로 마주볼 수 있다.
복수개의 제1마그넷(71`)은 제1회전바디(40`)의 일면에 제1가상원(R1)을 따라 배치될 수 있고, 복수개의 제2마그넷(72`)은 제2회전바디(50`)의 일면에 제2가상원(R2)을 따라 배치될 수 있다. 상기 제1가상원(R1)과 상기 제2가상원(R2)의 중심은 회전 모듈(39`)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 회전 모듈(39`)의 축 방향에 대해 서로 마주볼 수 있다. 제1마그넷(71`)과 제2마그넷(72`)은 회전 모듈(39`)의 축방향에 대해 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.
제1회전 바디(40`) 및 제2회전 바디(50`)는 스틸 재질의 백 요크를 포함할 수 있다. 일례로, 제1마그넷(71`)이 구비되는 제1회전바디(40`)의 일면과, 제2마그넷(72`)이 구비되는 제2회전 바디(50`)의 일면은 스틸 재질로 형성될 수 있다. 제1회전바디(40`) 및 제2회전 바디(50`) 전체가 스틸 재질로 형성되는 구성도 가능함은 물론이다. 이로써, 제1마그넷(71`)과 제2마그넷(72`)에 의해 발생하는 자기장의 플럭스(flux)가 상기 백 요크에 의해 가이드될 수 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 길이는 동일 또는 유사할 수 있다.
제1마그넷(71`) 및 제2마그넷(72`)의 길이에 따라 마그넷 모듈(70`)의 허용 토크 및 허용 각변위차 범위가 달라질 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.
회전 모듈(39`)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.
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.
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 20: 모터
30: 기어 박스 39: 회전 모듈
40: 이너 회전바디 50: 아우터 회전바디
70: 마그넷 모듈 71: 이너 마그넷
71A: 이너 N극 마그넷 71B: 이너 S극 마그넷
72: 아우터 마그넷 72A: 아우터 N극 마그넷
72B: 아우터 S극 마그넷

Claims (13)

  1. 모터를 포함하는 회전 동력원;
    상기 회전 동력원에 연결되어 회전하는 이너 회전 바디;
    상기 이너 회전바디와 동일한 축을 중심으로 회전하고 상기 이너 회전바디의 외둘레 적어도 일부를 이격되게 둘러싸는 아우터 회전 바디;
    상기 이너 회전바디와 상기 아우터 회전 바디의 사이에 배치되고, 상기 이너 회전바디와 상기 아우터 회전 바디의 회전력 차이에 따라 코깅 토크를 발생시키는 마그넷 모듈을 포함하고,
    상기 마그넷 모듈은,
    상기 이너 회전 바디의 외둘레에 구비된 복수개의 이너 마그넷; 및
    상기 아우터 회전 바디의 내둘레에 구비되고, 상기 아우터 회전 바디의 반경방향에 대해 상기 이너 마그넷과 이격되어 상기 이너 마그넷을 마주보게 배치된 복수개의 아우터 마그넷을 포함하고,
    상기 이너 회전바디의 외둘레부 및 상기 아우터 회전 바디의 내둘레부는 스틸 재질의 요크를 형성하며, 상기 요크는 상기 이너 마그넷과 상기 아우터 마그넷에 의해 발생하는 자기장의 플럭스를 가이드하는
    직렬 탄성 구동기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이너 마그넷은 상기 이너 회전바디의 둘레 방향으로 길게 형성된 호 형상이고, 상기 아우터 마그넷은 상기 아우터 회전바디의 둘레 방향으로 길게 형성된 호 형상인 직렬 탄성 구동기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 동력원은, 상기 모터의 구동력을 상기 이너 회전바디로 전달하는 적어도 하나의 기어를 더 포함하는 직렬 탄성 구동기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 아우터 회전바디에는,
    상기 아우터 회전 바디에서 축방향으로 돌출된 중공부가 형성된 직렬 탄성 구동기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 이너 회전바디에는,
    상기 이너 회전바디에서 축방향으로 돌출되고 상기 중공부의 내부에 위치한 돌출부가 형성된 직렬 탄성 구동기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 중공부와 상기 돌출부의 사이에는 베어링이 구비된 직렬 탄성 구동기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 이너 마그넷은, 상기 이너 회전바디의 외둘레를 따라 서로 번갈아가며 이격 배치된 복수개의 이너 N극 마그넷 및 이너 S극 마그넷을 포함하고,
    상기 복수개의 아우터 마그넷은, 상기 아우터 회전바디의 내둘레를 따라 서로 번갈아가며 이격 배치된 복수개의 아우터 N극 마그넷 및 아우터 S극 마그넷을 포함하고,
    상기 아우터 N극 마그넷은 상기 이너 S극 마그넷을 마주보고, 상기 아우터 S극 마그넷은 상기 이너 N극 마그넷을 마주보는 직렬 탄성 구동기.
  9. 모터를 포함하는 회전 동력원;
    상기 회전 동력원에 연결되어 회전하는 제1회전 바디;
    상기 제1회전바디와 동일한 축을 중심으로 회전하고 상기 제1회전바디와 축방향으로 이격되어 상기 제1회전바디를 마주보는 제2회전 바디;
    상기 제1회전바디와 상기 제2회전 바디의 사이에 배치되고, 상기 제1회전바디와 상기 제2회전 바디의 회전력 차이에 따라 코깅 토크를 발생시키는 마그넷 모듈을 포함하고,
    상기 마그넷 모듈은,
    상기 제1회전 바디의 일면에 제1가상원을 따라 배치된 복수개의 제1마그넷; 및
    상기 제2회전 바디의 일면에 제2가상원을 따라 배치되고 상기 제1마그넷과 축방향으로 이격되어 상기 제1마그넷을 마주보게 배치된 복수개의 제2마그넷을 포함하고,
    상기 제1회전 바디의 상기 일면 및 상기 제2회전 바디의 상기 일면은 스틸 재질의 요크를 형성하며, 상기 요크는 상기 제1마그넷과 상기 제2마그넷에 의해 발생하는 자기장의 플럭스를 가이드하는
    직렬 탄성 구동기.
  10. 삭제
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1마그넷은 상기 제1가상원을 따라 길게 형성된 호 형상이고, 상기 제2마그넷은 상기 제2가상원을 따라 길게 형성된 호 형상인 직렬 탄성 구동기.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 회전 동력원은, 상기 모터의 구동력을 상기 제1회전바디로 전달하는 적어도 하나의 기어를 더 포함하는 직렬 탄성 구동기.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수개의 제1마그넷은, 상기 제1가상원을 따라 서로 번갈아가며 이격 배치된 복수개의 제1 N극 마그넷 및 제1 S극 마그넷을 포함하고,
    상기 복수개의 제2마그넷은, 상기 제2가상원을 따라 서로 번갈아가며 이격 배치된 복수개의 제2 N극 마그넷 및 제2 S극 마그넷을 포함하고,
    상기 제2 N극 마그넷은 상기 제1 S극 마그넷을 마주보고, 상기 제2 S극 마그넷은 상기 제1 N극 마그넷을 마주보는 직렬 탄성 구동기.
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