KR102322499B1 - 양방향 회전 액추에이터 - Google Patents

양방향 회전 액추에이터 Download PDF

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이영민
오동준
문형필
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

양방향 회전 액추에이터에 대한 발명이 개시된다. 본 발명의 양방향 회전 액추에이터는: 샤프트부; 샤프트부에 회전 가능하게 설치되는 제1회전부; 샤프트부에 회전 가능하게 설치되는 제2회전부; 샤프트부에 이동 가능하게 설치되는 이동부; 샤프트부가 관통되고, 제1회전부와 이동부에 연결되고, 유체가 주입됨에 따라 팽창되면서 회전되는 제1유연 챔버부; 및 샤프트부가 관통되고, 제2회전부와 이동부에 연결되고, 유체가 주입됨에 따라 팽창되면서 제1유연 챔버부와 반대방향으로 회전되는 제2유연 챔버부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

양방향 회전 액추에이터{BIDIRECTIONAL ROTARY ACTUATOR}
본 발명은 양방향 회전 액추에이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양방향 구동이 가능하고, 축방향 강성을 감소시켜 에너지 효율을 극대화할 수 있는 양방향 회전 액추에이터에 관한 것이다.
일반적으로 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 있다.
그러나, 종래의 액추에이터는 유체를 주입하여 정방향 구동이 가능하나, 역방향 구동시에는 엘라스토머가 원상태로 수축되기를 기다려야 했다. 따라서, 액추에이터의 역방향 구동 제어가 어려웠다.
또한, 종래의 액추에이터는 정방향 구동 시간에 비해 역방향 구동 시간이 현저히 길어지므로, 정방향 구동과 역방향 구동이 주기적으로 이루어질 수 없다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10-1639520호(2016.07.07 등록, 발명의 명칭: 공압식 인공근육 구동기)에 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 양방향 구동이 가능하고, 축방향 강성을 감소시켜 에너지 효율을 극대화할 수 있는 양방향 회전 액추에이터를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 양방향 회전 액추에이터는: 샤프트부; 상기 샤프트부에 회전 가능하게 설치되는 제1회전부; 상기 샤프트부에 회전 가능하게 설치되는 제2회전부; 상기 샤프트부에 이동 가능하게 설치되는 이동부; 상기 샤프트부가 관통되고, 상기 제1회전부와 상기 이동부에 연결되고, 유체가 주입됨에 따라 팽창되면서 회전되는 제1유연 챔버부; 및 상기 샤프트부가 관통되고, 상기 제2회전부와 상기 이동부에 연결되고, 유체가 주입됨에 따라 팽창되면서 상기 제1유연 챔버부와 반대방향으로 회전되는 제2유연 챔버부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1유연 챔버부는 상기 제1회전부와 상기 이동부에 연결되고, 유체가 주입됨에 따라 팽창되는 제1유연체부; 및 상기 제1유연체부에 방사상으로 와선형을 이루도록 배치되고, 상기 제1유연체부의 팽창시 상기 제1유연체부를 회전시키는 복수의 제1섬유부를 포함할 수 있다.
상기 제2유연 챔버부는 상기 제2회전부와 상기 이동부에 연결되고, 유체가 주입됨에 따라 팽창되는 제2유연체부; 및 상기 제2유연체부에 방사상으로 와선형을 이루도록 배치되고, 상기 제2유연체부의 팽창시 상기 제2유연체부를 상기 제1유연체부와 반대방향으로 회전시키는 복수의 제2섬유부를 포함할 수 있다.
상기 제1유연체부는 상기 제1회전부와 상기 이동부 측으로 수렴되는 형태로 형성될 수 있다.
상기 제1유연체부는 중심부에서 상기 제1회전부와 상기 이동부 측으로 경사지게 형성될 수 있다.
상기 제2유연체부는 상기 제2회전부와 상기 이동부 측으로 수렴되는 형태로 형성될 수 있다.
상기 제2유연체부는 중심부에서 상기 제2회전부와 상기 이동부 측으로 경사지게 형성될 수 있다.
상기 제1유연체부와 상기 제2유연체부는 상기 샤프트부와 동심을 이루도록 배치될 수 있다.
상기 제1섬유부는 상기 제2섬유부에 대하여 와선형이 반대방향으로 배치될 수 있다.
상기 제1회전부는 상기 제1유연 챔버부의 일측에 배치되는 제1디스크부; 상기 제1디스크부와 함께 상기 제1유연 챔버부의 일측을 압착하여 밀봉시키는 제1압착부재; 및 상기 제1압착부재와 상기 샤프트부의 단부 사이에 설치되는 제1베어링부를 포함할 수 있다.
상기 제2회전부는 상기 제2유연 챔버부의 일측에 배치되는 제2디스크부; 상기 제2디스크부와 함께 상기 제2유연 챔버부의 일측을 압착하여 밀봉시키는 제2압착부재; 및 상기 제2압착부재와 상기 샤프트부의 단부 사이에 설치되는 제2베어링부를 포함할 수 있다.
상기 이동부는 상기 제1유연 챔버부와 상기 제2유연 챔버부를 밀봉시키도록 상기 제1유연 챔버부의 타측과 상기 제2유연 챔버부의 타측을 압착하는 홀더부; 및 상기 홀더부의 내측에 상기 샤프트부를 따라 이동되도록 설치되는 리니어 부시부를 포함할 수 있다.
상기 이동부는 상기 샤프트부와 상기 홀더부 사이의 틈새를 밀봉시키는 패킹부를 더 포함할 수 있다.
상기 홀더부는 상기 리니어 부시부가 내부에 배치되는 홀더 바디부; 상기 홀더 바디부의 외측면에 원주방향을 따라 형성되는 홀더 플랜지부; 상기 홀더 플랜지부와 함께 상기 제1유연 챔버부의 일측을 압착하는 제1압착링부; 및 상기 홀더 플랜지부와 함께 상기 제2유연 챔버부의 일측을 압착하는 제2압착링부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 유체가 제1유연 챔버부와 제2유연 챔버부에 주입됨에 따라 제1유연 챔버부와 제2유연 챔버부가 정방향과 역방향으로 각각 회전될 수 있다. 따라서, 액추에이터의 양방향 회전 구동이 유체 주입에 의해 능동적으로 제어가 가능하고, 양방향 회전 구동 속도가 빨라짐에 따라 높은 주파수의 구동이 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면, 제1유연 챔버부와 제2유연 챔버부에 주입되는 유량이 달라짐에 따라 제1유연 챔버부와 제2유연 챔버부의 팽창량의 편차에 의해 이동부가 샤프트부를 따라 이동될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 제1유연 챔버부와 제2유연 챔버부가 직렬로 배열되고 높이 방향으로 팽창 및 수축되므로, 기존의 유체 인공 근육에 비해 높이 방향의 강성을 현저히 감소시킬 수 있다. 높이 방향 강성이 감소됨에 따라 에너지 효율을 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 회전 액추에이터를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 회전 액추에이터를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 회전 액추에이터에서 이동부를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 회전 액추에이터에서 이동부를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 회전 액추에이터에서 이동부를 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 회전 액추에이터를 개략적으로 도시한 측면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 회전 액추에이터에서 제1유연 챔버부와 제2유연 챔버부가 회전되는 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 회전 액추에이터에서 제1유연 챔버부와 제2유연 챔버부가 팽창됨에 따라 이동부가 이동되는 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 양방향 회전 액추에이터의 일 실시예를 설명한다. 양방향 회전 액추에이터를 설명하는 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 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 양방향 회전 액추에이터를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 회전 액추에이터를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 회전 액추에이터에서 이동부를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 회전 액추에이터에서 이동부를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 회전 액추에이터에서 이동부를 개략적으로 도시한 분해 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 회전 액추에이터를 개략적으로 도시한 측면도이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 회전 액추에이터(100)는 샤프트부(110), 제1회전부(120), 제2회전부(130), 이동부(140), 제1유연 챔버부(150) 및 제2유연 챔버부(160)를 포함한다.
샤프트부(110)는 원형봉 또는 다각봉 형태로 형성될 수 있다. 샤프트부(110)는 양방향 회전 액추에이터(100)의 중심축 상에 배치된다. 샤프트부(110)는 합성수지 재질이나 금속 재질과 같은 강체로 형성될 수 있다.
제1회전부(120)는 샤프트부(110)의 일측에 회전 가능하게 설치된다. 제1회전부(120)는 샤프트부(110)의 일측 단부에 샤프트부(110)와 동심을 이루도록 결합된다. 제1회전부(120)는 샤프트부(110)의 길이방향으로는 이동되지 않는다. 제1회전부(120)에는 유체가 주입되도록 제1주입관부(125)가 연결된다. 제1회전부(120)는 합성수지 재질이나 금속 재질과 같은 강체로 형성될 수 있다.
제2회전부(130)는 샤프트부(110)의 타측에 회전 가능하게 설치된다. 제2회전부(130)는 샤프트부(110)의 일측 단부에 샤프트부(110)와 동심을 이루도록 결합된다. 제2회전부(130)는 샤프트부(110)의 길이방향으로는 이동되지 않는다. 제2회전부(130)에는 유체가 주입되도록 제2주입관부(135)가 연결된다. 제2회전부(130)는 합성수지 재질이나 금속 재질과 같은 강체로 형성될 수 있다.
이동부(140)는 샤프트부(110)에 이동 가능하게 설치된다. 이때, 이동부(140)는 샤프트부(110)에 회전 되지 않도록 설치된다. 이동부(140)는 샤프트부(110)의 길이방향 중심부에 샤프트부(110)와 동심을 이루도록 결합된다. 이동부(140)는 합성수지 재질이나 금속 재질과 같은 강체로 형성될 수 있다.
제1유연 챔버부(150)는 샤프트부(110)가 관통되고, 제1회전부(120)와 이동부(140)에 연결되고, 유체가 주입됨에 따라 팽창되면서 회전된다. 제1유연 챔버부(150)가 유체에 의해 팽창될 때에 제1유연 챔버부(150)의 일측이 이동부(140)에 의해 회전되지 않게 고정되므로, 제1유연 챔버부(150)가 샤프트부(110)를 중심으로 비틀어지면서 회전되고, 제1유연 챔버부(150)의 타측과 함께 제1회전부(120)가 회전된다. 또한, 제1유연 챔버부(150)에서 유체가 배출되면, 제1유연 챔버부(150)는 원상태로 복귀되면서 유체 주입시와 반대방향으로 회전된다. 제1유연 챔버부(150)의 회전 각도와 회전 속도는 제1유연 챔버부(150)에 주입되는 유체의 유량 및 유속에 의해 제어될 수 있다.
제2유연 챔버부(160)는 샤프트부(110)가 관통되고, 제2회전부(130)와 이동부(140)에 연결되고, 유체가 주입됨에 따라 팽창되면서 제1유연 챔버부(150)와 반대방향으로 회전된다. 제2유연 챔버부(160)는 제1유연 챔버부(150)와 직렬로 배치된다. 제2유연 챔버부(160)가 유체에 의해 팽창될 때에 제2유연 챔버부(160)의 일측이 이동부(140)에 의해 회전되지 않으므로, 제2유연 챔버부(160)가 샤프트부(110)를 중심으로 비틀어지면서 회전되고, 제2유연 챔버부(160)의 타측과 함께 제2회전부(130)가 회전된다. 또한, 제2유연 챔버부(160)에서 유체가 배출되면, 제2유연 챔버부(160)는 원상태로 복귀되면서 유체 주입시와 반대방향으로 회전된다. 제2유연 챔버부(160)의 회전 각도 및 회전 속도는 제2유연 챔버부(160)에 주입되는 유체의 유량과 유속에 의해 제어될 수 있다.
또한, 제1유연 챔버부(150)와 제2유연 챔버부(160)에 주입되는 유체의 유량이 다른 경우, 제1유연 챔버부(150)와 제2유연 챔버부(160)의 팽창량이 달라짐에 따라 이동부(140)가 샤프트부(110)를 따라 이동되고, 제1유연 챔버부(150)와 제2유연 챔버부(160)의 회전각 역시 달라진다.
이와 같이, 유체가 제1유연 챔버부(150)와 제2유연 챔버부(160)에 주입됨에 따라 제1유연 챔버부(150)와 제2유연 챔버부(160)가 정방향과 역방향으로 각각 회전된다. 또한, 제1유연 챔버부(150)와 제2유연 챔버부(160)에 주입되는 유량이 달라짐에 따라 제1유연 챔버부(150)와 제2유연 챔버부(160)의 팽창량의 편차에 의해 이동부(140)가 샤프트부(110)를 따라 이동되고, 제1유연 챔버부(150)와 제2유연 챔버부(160)의 회전각도 다르게 제어될 수 있다. 또한, 샤프트부(110)는 제1유연 챔버부(150)와 제2유연 챔버부(160)의 팽창량이 동일하거나 달라지더라도 제1유연 챔버부(150)와 제2유연 챔버부(160)의 높이의 합을 일정하게 유지시킨다.
따라서, 액추에이터(100)의 양방향 회전 구동이 유체 주입에 의해 능동적으로 제어가 가능하고, 양방향 회전 구동 속도가 빨라짐에 따라 높은 주파수의 구동이 가능하다. 나아가, 제1유연 챔버부(150)와 제2유연 챔버부(160)가 직렬로 배열되고 높이 방향(샤프트부의 길이방향)으로 팽창 및 수축되므로, 기존의 유체 인공 근육(Pneumatic Artificial Muscle)에 비해 높이 방향의 강성(stiffness)을 현저히 감소시킬 수 있다. 높이 방향 강성이 감소됨에 따라 에너지 효율을 극대화할 수 있다.
제1회전부(120)는 제1유연 챔버부(150)의 일측에 배치되는 제1디스크부(121)와, 제1디스크부(121)와 함께 제1유연 챔버부(150)의 일측을 압착하여 밀봉시키는 제1압착부재(122)와, 제1압착부재(122)와 샤프트부(110)의 단부 사이에 설치되는 제1베어링부(123)를 포함한다. 제1디스크부(121)와 제1압착부재(122)는 복수의 제1체결부재(126)에 의해 체결된다. 제1압착부재(122)에는 제1베어링부(123)가 삽입되도록 제1베어링홈부가 형성되고, 제1베어링부(123)에는 샤프트부(110)의 단부가 압입된다. 제1유연 챔버부(150)가 팽창되면서 비틀어짐에 따라 제1디스크부(121)와 제2압착부재(132)가 회전된다.
제2회전부(130)는 제2유연 챔버부(160)의 일측에 배치되는 제2디스크부(131)와, 제2디스크부(131)와 함께 제2유연 챔버부(160)의 일측을 압착하여 밀봉시키는 제2압착부재(132)와, 제2압착부재(132)와 샤프트부(110)의 단부 사이에 설치되는 제2베어링부(133)를 포함한다. 제2디스크부(131)와 제2압착부재(132)는 복수의 제2체결부재(136)에 의해 체결된다. 제2압착부재(132)에는 제2베어링부(133)가 삽입되도록 제2베어링홈부가 형성되고, 제2베어링부(133)에는 샤프트부(110)의 단부가 압입된다. 제2유연 챔버부(160)가 팽창되면서 비틀어짐에 따라 제2디스크부(131)와 제2압착부재(132)가 회전된다.
이동부(140)는 제1유연 챔버부(150)와 제2 유연 챔버부를 밀봉시키도록 제1유연 챔버부(150)의 타측과 제2유연 챔버부(160)의 타측을 압착하는 홀더부(141)와, 홀더부(141)의 내측에 샤프트부(110)를 따라 이동되도록 설치되는 리니어 부시부(147)를 포함한다. 홀더부(141)는 샤프트부(110)와 동심을 이루도록 설치된다. 리니어 부시부(147)는 제1유연 챔버부(150)와 제2유연 챔버부(160)의 팽창량 편차가 발생됨에 따라 샤프트부(110)를 따라 이동된다.
이동부(140)는 샤프트부(110)와 홀더부(141) 사이의 틈새를 밀봉시키는 패킹부(148)를 더 포함한다. 패킹부(148)로는 유체의 압력에 의해 리브가 틈새를 차단하는 유압 리브 패킹을 제시한다. 패킹부(148)가 샤프트부(110)와 홀더부(141) 사이의 틈새를 밀봉시키므로, 제1유연 챔버부(150)와 제2유연 챔버부(160)의 유체가 샤프트부(110)와 홀더부(141) 사이의 틈새를 통해 이동되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 제1유연 챔버부(150)와 제2유연 챔버부(160)의 팽창량이 개별적으로 정확하게 제어될 수 있다.
홀더부(141)는 리니어 부시부(147)가 내부에 배치되는 홀더 바디부(142)와, 홀더 바디부(142)의 외측면에 원주방향을 따라 형성되는 홀더 플랜지부(143)와, 홀더 플랜지부(143)와 함께 제1유연 챔버부(150)의 일측을 압착하는 제1압착링부(144)와, 홀더 플랜지부(143)와 함께 제2유연 챔버부(160)의 일측을 압착하는 제2압착링부(145)를 포함한다. 홀더 플랜지부(143), 제1압착링부(144) 및 제2압착링부(145)는 환형으로 형성된다. 홀더 플랜지부(143)와 제1압착링부(144)는 복수의 제1압착볼트(144a)에 의해 체결되고, 홀더 플랜지부(143)와 제2압착링부(145)는 복수의 제2압착볼트(145a)에 의해 체결된다. 홀더부(141)는 제1유연 챔버부(150)와 제2유연 챔버부(160)를 차폐시킨다.
제1유연 챔버부(150)는 제1유연체부(151)와 복수의 제1섬유부(153)를 포함한다.
제1유연체부(151)는 제1회전부(120)와 이동부(140)에 연결되고, 유체가 주입됨에 따라 팽창된다. 제1유연체부(151)는 압력에 의해 탄성적으로 팽창될 수 있는 엘라스토머(elastomer)로 형성된다. 제1유연체부(151)는 폴리디메틸실록산(PDMS: polydimethylsiloxane), 실리콘, 아미드 또는 나일론 등을 적어도 1종 이상 포함할 수 있다.
복수의 제1섬유부(153)는 제1유연체부(151)에 방사상으로 와선형을 이루도록 배치되고, 제1유연체부(151)의 팽창시 제1유연체부(151)를 회전시킨다. 제1섬유부(153)는 탄소섬유, 그래핀, 탄소나노튜브 및 탄소 중 적어도 1종 이상을 포함한다. 복수의 제1섬유부(153)가 제1유연체부(151)를 와선형으로 지지하므로, 제1유연체부(151)가 복수의 제1섬유부(153)의 와선 형상을 따라 스파이럴 형태(spiral)로 회전되면서 팽창된다. 제1유연체부(151)가 팽창될 때에 복수의 제1섬유부(153)의 와선 형상을 따라 스파이럴 형태로 회전되므로, 제1회전부(120)가 제1유연체부(151)와 함께 회전될 수 있다.
제2유연 챔버부(160)는 제2유연체부(161) 및 복수의 제2섬유부(163)를 포함한다.
제2유연체부(161)는 제2회전부(130)와 이동부(140)에 연결되고, 유체가 주입됨에 따라 팽창된다. 제2유연체부(161)는 압력에 의해 탄성적으로 팽창될 수 있는 엘라스토머(elastomer)로 형성된다. 제2유연체부(161)는 폴리디메틸실록산(PDMS: polydimethylsiloxane), 실리콘, 아미드 또는 나일론 등을 적어도 1종 이상 포함할 수 있다.
복수의 제2섬유부(163)는 제2유연체부(161)에 방사상으로 와선형을 이루도록 배치되고, 제2유연체부(161)의 팽창시 제2유연체부(161)를 제1유연체부(151)와 반대방향으로 회전시킨다. 복수의 제2섬유부(163)의 와선방향은 복수의 제1섬유부(153)의 와선방향과 반대방향으로 형성된다. 제2섬유부(163)는 탄소섬유, 그래핀, 탄소나노튜브 및 탄소 중 적어도 1종 이상을 포함한다. 복수의 제2섬유부(163)가 제2유연체부(161)를 와선형으로 지지하므로, 제2유연체부(161)가 복수의 제2섬유부(163)의 와선 형상을 따라 스파이럴 형태로 회전되면서 팽창된다. 제2유연체부(161)가 팽창될 때에 복수의 제2섬유부(163)의 와선 형상을 따라 스파이럴 형태로 회전되므로, 제2회전부(130)가 제2유연체부(161)와 함께 회전될 수 있다.
복수의 제1섬유부(153)와 복수의 제2섬유부(163)는 아르키메데스의 산술 와선 공식에 따라 와선형으로 형성된다. 아르키메데스의 와선 공식은
Figure 112021063200356-pat00001
(여기서 a와 b는 실수)이다. 매개변수 a를 바꾸면 와선이 돌아가며, 매개변수 b는 와선의 폭을 바꾼다.
제1유연체부(151)는 제1회전부(120)와 이동부(140) 측으로 각각 수렴되는 형태로 형성된다. 예들 들면, 제1유연체부(151)는 중심부에서 제1회전부(120)와 이동부(140) 측으로 경사지게 형성된다. 이때, 제1유연체부(151)는 중심부를 기준으로 제1상측 경사면부(151a)과 제1하측 경사면부(151b)가 형성된다. 이러한 제1유연체부(151)의 단면은 상하측 모서리부가 절단된 마름모 형태를 갖는다.
제2유연체부(161)는 제2회전부(130)와 이동부(140) 측으로 각각 수렴되는 형태로 형성된다. 예들 들면, 제2유연체부(161)는 중심부에서 제2회전부(130)와 이동부(140) 측으로 경사지게 형성된다. 이때, 제2유연체부(161)는 중심부를 기준으로 제2상측 경사면부(161a)과 제2하측 경사면부(161b)가 형성된다. 이러한 제2유연체부(161)의 단면은 상하측 모서리부가 절단된 마름모 형태를 갖는다.
제1유연체부(151)와 제2유연체부(161)가 축방향 양측으로 수렴되게 형성되므로, 제1유연체부(151)와 제2유연체부(161)가 높이 방향(샤프트 길이방향)으로 팽창 및 수축된다. 따라서, 기존의 유체 인공 근육에 비해 높이 방향의 강성을 현저히 감소시킬 수 있다. 높이 방향 강성이 감소됨에 따라 에너지 효율을 극대화할 수 있다.
제1유연체부(151)와 제2유연체부(161)는 샤프트부(110)와 동심을 이루도록 배치된다. 따라서, 제1유연체부(151)와 제2유연체부(161)의 팽창량을 정확하게 조절함으로써, 제1유연체부(151)와 제2유연체부(161)의 회전 각도를 정확하게 제어할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 회전 액추에이터의 작동에 관해 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 회전 액추에이터에서 제1유연 챔버부와 제2유연 챔버부가 회전되는 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7을 참조하면, 유체가 제1주입관부(125)와 제2주입관부(135)를 통해 동일한 유속 및 유량으로 공급되면, 제1유연 챔버부(150)와 제2유연 챔버부(160)는 동일한 속도로 팽창되면서 회전된다. 이때, 복수의 제2섬유부(163)의 와선방향은 복수의 제1섬유부(153)의 와선방향과 반대방향으로 형성되므로, 제1유연체부(151)와 제2유연체부(161)가 반대방향으로 비틀어지면서 회전된다. 따라서, 제1회전부(120)는 제1유연체부(151)에 의해 정방향으로 회전되고, 제2회전부(130)는 제2유연체부(161)는 에 의해 역방향으로 회전된다. 또한, 제1회전부(120)와 제2회전부(130)는 서로 반대방향으로 동일한 각도만큼 회전된다. 또한, 제1유연체부(151)와 제2유연체부(161)의 높이의 합은 샤프트부(110)에 의해 일정하게 유지된다.
또한, 제1주입관부(125)와 제2주입관부(135)에 공급되는 유체의 총 유량은 동일하지만 서로 다른 유속으로 공급되면, 제1유연 챔버부(150)와 제2유연 챔버부(160)는 서로 다른 속도로 팽창되면서 회전된다. 이때, 제1유연 챔버부(150)의 팽창 속도와 회전 속도는 제2유연 챔버부(160)의 팽창 속도와 회전 속도와 달라지게 된다. 따라서, 제1회전부(120)와 제2회전부(130)는 회전각은 동일하지만 회전 속도가 다르게 제어될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 회전 액추에이터에서 제1유연 챔버부와 제2유연 챔버부가 팽창됨에 따라 이동부가 이동되는 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 8을 참조하면, 제1유연 챔버부(150)와 제2유연 챔버부(160)에 주입되는 유체의 유량이 다른 경우, 제1유연체부(151)의 팽창량과 제2유연체부(161)의 팽창량이 달라진다. 예들 들면, 제1유연체부(151)에 주입되는 유량이 제2유연체부(161)에 주입되는 유량보다 많은 경우, 제1유연체부(151)의 팽창량이 제2유연체부(161)의 팽창량보다 증가되어 이동부(140)가 샤프트부(110)의 길이방향 중심부에서 제2유연체부(161) 측으로 이동된다. 이때, 제1유연체부(151)의 회전각이 제2유연체부(161)의 회전각 보다 커지게 된다. 또한, 제1유연체부(151)에 주입된 유량이 제2유연체부(161)에 주입되는 유량보다 작은 경우, 이동부(140)가 샤프트부(110)의 길이방향 중심부에서 제1유연체부(151) 측으로 이동된다. 이때, 제1유연체부(151)의 회전각이 제2유연체부(161)의 회전각 보다 작아지게 된다.
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 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100: 양방향 회전 액추에이터 110: 샤프트부
120: 제1회전부 121: 제1디스크부
122: 제1압착부재 123: 제1베어링부
125: 제1주입관부 126: 제1체결부재
130: 제2회전부 131: 제2디스크부
132: 제2압착부재 133: 베어링부
135: 제2주입관부 136: 제2체결부재
140: 이동부 141: 홀더부
142: 홀더 바디부 143: 홀더 플랜지부
144: 제1압착링부 144a: 제1압착볼트
145: 제2압착링부 145a: 제2압착볼트
147: 리니어 부시부 148: 패킹부
150: 제1유연 챔버부 151: 제1유연체부
151a: 제1상측 경사면부 151b: 제1하측 경사면부
153: 제1섬유부 160: 제2유연 챔버부
161: 제2유연체부 161a: 제2상측 경사면부
161b: 제2하측 경사면부 163: 제2섬유부

Claims (14)

  1. 샤프트부;
    상기 샤프트부에 회전 가능하게 설치되는 제1회전부;
    상기 샤프트부에 회전 가능하게 설치되는 제2회전부;
    상기 샤프트부에 이동 가능하게 설치되는 이동부;
    상기 샤프트부가 관통되고, 상기 제1회전부와 상기 이동부에 연결되고, 유체가 주입됨에 따라 팽창되면서 회전되는 제1유연 챔버부; 및
    상기 샤프트부가 관통되고, 상기 제2회전부와 상기 이동부에 연결되고, 유체가 주입됨에 따라 팽창되면서 상기 제1유연 챔버부와 반대방향으로 회전되는 제2유연 챔버부를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 회전 액추에이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1유연 챔버부는,
    상기 제1회전부와 상기 이동부에 연결되고, 유체가 주입됨에 따라 팽창되는 제1유연체부; 및
    상기 제1유연체부에 방사상으로 와선형을 이루도록 배치되고, 상기 제1유연체부의 팽창시 상기 제1유연체부를 회전시키는 복수의 제1섬유부를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 회전 액추에이터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2유연 챔버부는,
    상기 제2회전부와 상기 이동부에 연결되고, 유체가 주입됨에 따라 팽창되는 제2유연체부; 및
    상기 제2유연체부에 방사상으로 와선형을 이루도록 배치되고, 상기 제2유연체부의 팽창시 상기 제2유연체부를 상기 제1유연체부와 반대방향으로 회전시키는 복수의 제2섬유부를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 회전 액추에이터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1유연체부는 상기 제1회전부와 상기 이동부 측으로 수렴되는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 양방향 회전 액추에이터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1유연체부는 중심부에서 상기 제1회전부와 상기 이동부 측으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 양방향 회전 액추에이터.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제2유연체부는 상기 제2회전부와 상기 이동부 측으로 수렴되는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 양방향 회전 액추에이터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2유연체부는 중심부에서 상기 제2회전부와 상기 이동부 측으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 양방향 회전 액추에이터.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 제1유연체부와 상기 제2유연체부는 상기 샤프트부와 동심을 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 양방향 회전 액추에이터.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 제1섬유부는 상기 제2섬유부에 대하여 와선형이 반대방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 양방향 회전 액추에이터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1회전부는,
    상기 제1유연 챔버부의 일측에 배치되는 제1디스크부;
    상기 제1디스크부와 함께 상기 제1유연 챔버부의 일측을 압착하여 밀봉시키는 제1압착부재; 및
    상기 제1압착부재와 상기 샤프트부의 단부 사이에 설치되는 제1베어링부를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 회전 액추에이터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2회전부는,
    상기 제2유연 챔버부의 일측에 배치되는 제2디스크부;
    상기 제2디스크부와 함께 상기 제2유연 챔버부의 일측을 압착하여 밀봉시키는 제2압착부재; 및
    상기 제2압착부재와 상기 샤프트부의 단부 사이에 설치되는 제2베어링부를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 회전 액추에이터.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 이동부는,
    상기 제1유연 챔버부와 상기 제2유연 챔버부를 밀봉시키도록 상기 제1유연 챔버부의 타측과 상기 제2유연 챔버부의 타측을 압착하는 홀더부; 및
    상기 홀더부의 내측에 상기 샤프트부를 따라 이동되도록 설치되는 리니어 부시부를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 회전 액추에이터.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 샤프트부와 상기 홀더부 사이의 틈새를 밀봉시키는 패킹부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 회전 액추에이터.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 홀더부는,
    상기 리니어 부시부가 내부에 배치되는 홀더 바디부;
    상기 홀더 바디부의 외측면에 원주방향을 따라 형성되는 홀더 플랜지부;
    상기 홀더 플랜지부와 함께 상기 제1유연 챔버부의 일측을 압착하는 제1압착링부; 및
    상기 홀더 플랜지부와 함께 상기 제2유연 챔버부의 일측을 압착하는 제2압착링부를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 회전 액추에이터.
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