KR102541988B1 - 액추에이터 장치 및 이의 제어방법 - Google Patents

액추에이터 장치 및 이의 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액추에이터 장치 및 이의 제어방법에 관한 것으로, 내부에 제1유체 및 제2유체가 충진되는 압력 챔버부와, 입력 변위를 생성하여 압력 챔버부의 압력 값을 가변시키는 입력부와, 압력 챔버부의 압력 변화에 연동되어 출력 변위를 생성하는 출력부와, 입력부로부터 생성되는 입력 변위와, 출력부로부터 생성되는 출력 변위를 측정하는 측정부 및 측정부로부터 측정된 값을 통해 출력부의 출력 힘을 산출하고, 산출된 출력 힘을 바탕으로 입력부의 동작을 피드백 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

액추에이터 장치 및 이의 제어방법{ACTUATOR APPARATUS AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 액추에이터 장치 및 이의 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공압 및 수압을 이용한 액추에이터 장치 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 액추에이터는 물리화학적 에너지를 기계적인 변위, 또는 힘으로 바꾸는 변환 장치이며, 종래부터 다양한 기계를 작동시키는 구동원으로서 널리 이용되고 있다.
종래의 액추에이터는 고가의 힘/토크 센서 또는 전류 센서를 통해 출력되는 힘을 추정 및 제어하는 방식을 사용하며, 유압 등을 활용한 액추에이터의 경우 압력 센서가 필요하다. 이에 따라, 종래의 액추에이터는 제작에 따른 비용이 과다하게 소모되고, 워킹 로드 단에서 높은 강성을 가짐으로 인해 낮은 컴플라이언스 값을 가진다는 한계가 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10-0983028호(2010.09.13 등록, 발명의 명칭: 공압 및 유압을 이용한 구동기)에 개시되어 있다.
본 발명은 입력단의 변위 조절만으로 워킹 로드 단의 힘의 제어가 가능한 액추에이터 장치 및 이의 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 물, 공기의 비율에 따라 워킹 로드 단에서의 컴플라이언스 값을 조절할 수 있는 액추에이터 장치 및 이의 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 액추에이터 장치는: 내부에 제1유체 및 제2유체가 충진되는 압력 챔버부와; 입력 변위를 생성하여 상기 압력 챔버부의 압력 값을 가변시키는 입력부와; 상기 압력 챔버부의 압력 변화에 연동되어 출력 변위를 생성하는 출력부와; 상기 입력부로부터 생성되는 상기 입력 변위와, 상기 출력부로부터 생성되는 상기 출력 변위를 측정하는 측정부; 및 상기 측정부로부터 측정된 값을 통해 상기 출력부의 출력 힘을 산출하고, 산출된 상기 출력 힘을 바탕으로 상기 입력부의 동작을 피드백 제어하는 제어부;를 포함한다.
또한, 상기 입력부는, 상기 압력 챔버부와 연통되는 제1실린더부와; 상기 제1실린더부에 이동 가능하게 설치되는 제1피스톤부; 및 상기 제1피스톤부에 외력을 가해 상기 제1피스톤부를 이동시키는 변위입력부;를 포함한다.
또한, 상기 입력 변위는 상기 제1피스톤부가 상기 제1실린더부의 내부에서 이동된 거리이다.
또한, 상기 입력부는, 상기 제1실린더부의 내부를 외부와 연통시키는 제1포트;를 더 포함한다.
또한, 상기 출력부는, 상기 압력 챔버부와 연통되는 제2실린더부; 및 상기 제2실린더부에 이동 가능하게 설치되고, 상기 압력 챔버부의 압력 변화에 연동되어 이동되는 제2피스톤부;를 포함한다.
또한, 상기 출력 변위는 상기 제2피스톤부가 상기 제2실린더부의 내부에서 이동된 거리이다.
또한, 상기 출력부는, 상기 제2실린더부의 내부를 외부와 연통시키는 제2포트;를 더 포함한다.
또한, 상기 압력 챔버부는, 상기 입력부 및 상기 출력부의 사이에 구비되는 압력 챔버; 및 상기 압력 챔버의 내부로 상기 제1유체 및 상기 제2유체를 공급하거나 배출하는 제3포트;를 포함한다.
또한, 상기 압력 챔버는, 상기 입력부와 연통되는 제1챔버와; 상기 출력부와 연통되는 제2챔버; 및 상기 제1챔버와 상기 제2챔버를 연결시키고, 상기 제3포트와 연통되는 연결부;를 포함한다.
또한, 상기 제어부는 산출된 상기 출력 힘이 기설정된 상기 출력 힘과 일치되도록 상기 입력부의 입력 변위를 조절한다.
또한, 본 발명에 따른 액추에이터 장치의 제어방법은: 압력 챔버에 충진되는 제1유체 및 제2유체의 비율을 조정하는 단계와; 입력부를 동작시켜 입력 변위와 출력 변위를 생성하는 단계와; 상기 입력 변위와 상기 출력 변위를 통해 출력부의 출력 힘을 산출하는 단계; 및 산출된 상기 출력 힘을 바탕으로 상기 입력부의 동작을 피드백 제어하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 산출하는 단계는 하기 수학식 1을 통해 상기 출력 힘을 산출한다.
[수학식 1]
Figure 112021068811270-pat00001
Figure 112021068811270-pat00002
여기서,
Figure 112021068811270-pat00003
은 출력 힘,
Figure 112021068811270-pat00004
는 제2피스톤부의 질량,
Figure 112021068811270-pat00005
은 제2피스톤부의 가속도,
Figure 112021068811270-pat00006
는 압력 챔버부의 초기 압력,
Figure 112021068811270-pat00007
는 입력 변위,
Figure 112021068811270-pat00008
는 출력 변위,
Figure 112021068811270-pat00009
은 제1피스톤부 일측의 단면적,
Figure 112021068811270-pat00010
는 제2피스톤부 일측의 단면적,
Figure 112021068811270-pat00011
은 제2피스톤부 타측의 단면적을 의미한다.
또한, 상기 제어하는 단계는, 산출된 상기 출력 힘과 기설정된 상기 출력 힘의 일치 여부를 판단하는 단계; 및 산출된 상기 출력 힘과 기설정된 상기 출력 힘이 일치하지 않는 경우, 상기 입력부를 동작시켜 상기 입력 변위와 상기 출력 변위를 가변시키는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 액추에이터 장치 및 이의 제어방법은 고가의 힘, 토크 센서 없이도 입력부의 입력 변위의 조절만으로 출력부의 출력 힘을 제어할 수 있음에 따라 제작에 따른 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 액추에이터 장치 및 이의 제어방법은 제3포트를 통해 압력 챔버부 내부에 충진되는 제1유체와 제2유체의 비율을 조절할 수 있음에 따라 출력부에서의 원하는 컴플라이언스를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터 장치의 작동 상태를 개략적으로 나타내는 작동도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터 장치의 제어방법의 순서를 개략적으로 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 액추에이터 장치의 일 실시예를 설명한다.
이 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.
또한, 본 명세서에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(또는 접속)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결(또는 접속)"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결(또는 접속)"되어 있는 경우도 포함한다. 본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(또는 구비)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 "포함(또는 구비)"할 수 있다는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭할 수 있다. 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 특정 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 그 부호들은 다른 도면을 토대로 설명될 수 있다. 또한, 특정 도면에 참조 부호가 표시되지 않은 부분이 있더라도, 그 부분은 다른 도면들을 토대로 설명될 수 있다. 또한, 본 출원의 도면들에 포함된 세부 구성요소들의 개수, 형상, 크기 및 크기의 상대적인 차이 등은 이해의 편의를 위해 설정된 것으로서, 실시예들을 제한하지 않으며 다양한 형태로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이며, 도 3, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터 장치의 작동 상태를 개략적으로 나타내는 작동도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터 장치(1)는 압력 챔버부(100), 입력부(200), 출력부(300), 측정부(400), 제어부(500)를 포함한다.
압력 챔버부(100)는 내부에 제1유체(10) 및 제2유체(20)가 충진된다. 여기서, 제1유체(10)와 제2유체(20)는 각각 물과 공기로 예시될 수 있다. 압력 챔버부(100)는 내부에 충진된 제1유체(10)와 제2유체(20)의 부피 변화에 따라 발생되는 압력에 의해 후술하는 입력부(200)로부터 가해지는 구동력을 출력부(300)로 전달한다. 압력 챔버부(100)는 내부에 충진되는 제1유체(10)와 제2유체(20)의 비율을 조절 가능하게 구비될 수 있다. 압력 챔버부(100)는 제1유체(10)와 제2유체(20)의 비율에 따라 서로 다른 강성 또는 응답 특성을 제공할 수 있다. 예를 들어, 제1유체(10)와 제2유체(20)가 각각 물과 공기로 예시되는 경우, 제1유체(10)의 비율을 높여 강성을 높임으로써 보다 빠른 응답성을 확보할 수 있고, 제2유체(20)의 비율을 높여 강성을 낮춤으로써 외부 충돌에 대한 안전을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압력 챔버부(100)는 압력 챔버(110), 제3포트(120)를 포함한다.
압력 챔버(110)는 압력 챔버부(100)의 개략적인 외관을 형성하며, 입력부(200) 및 출력부(300)의 사이에 구비된다. 압력 챔버(110)는 내부에 충진된 제1유체(10)와 제2유체(20)의 압력에 의한 파손이 방지될 수 있도록 금속, 플라스틱과 같은 높은 강성을 지닌 재질로 구비될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 챔버(110)는 제1챔버(111), 제2챔버(112), 연결부(113)를 포함한다.
제1챔버(111)는 압력 챔버(110)의 일측에 구비되고, 입력부(200)와 연통된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제1챔버(111)는 내부가 비어있도록 형성되는 실린더의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 제1챔버(110)의 길이 방향 일측(도 2 기준 우측 단부)은 개구되어 후술하는 입력부(200)의 제1실린더부(210)와 연통된다. 이에 따라 제1챔버(110)는 내부에 제1유체(10) 및 제2유체(20)가 수용될 수 있는 공간을 마련함과 동시에 후술하는 제1피스톤부(220)의 이동 경로를 제공할 수 있다. 제1챔버(110)의 단면 형상은 원형 이외에도 다각형, 타원형 등 다양한 형상으로 설계 변경이 가능하다.
제2챔버(112)는 압력 챔버(110)의 타측에 구비되고, 출력부(300)와 연통된다. 본 발명의 일 실시예에 제2챔버(112)는 제1챔버(111)와 마찬가지로 내부가 비어있도록 형성되는 실린더의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 제2챔버(112)는 제1챔버(111)와 이격되어 배치된다. 제2챔버(112)의 길이 방향 일측(도 2 기준 좌측 단부)은 개구되어 후술하는 출력부(200)의 제2실린더부(210)와 연통된다. 이에 따라 제2챔버(112)는 내부에 제1유체(10) 및 제2유체(20)가 수용될 수 있는 공간을 마련함과 동시에 후술하는 제2피스톤부(230)의 이동 경로를 제공할 수 있다. 제2챔버(112)의 단면 형상은 원형 이외에도 다각형, 타원형 등 다양한 형상으로 설계 변경이 가능하다.
연결부(113)는 제1챔버(111)와 제2챔버(112)를 연결시킨다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연결부(113)는 양단이 각각 제1챔버(111)의 내부와 제2챔버(112)의 내부와 연통되는 관의 형태로 형성될 수 있다. 연결부(113)는 제1유체(10) 및 제2유체(20)가 제1챔버(111)로부터 제2챔버(112), 또는 제2챔버(112)로부터 제1챔버(111)로 이동할 수 있는 통로로서 기능한다. 이에 따라 연결부(113)는 입력부(200)로부터 발생되는 구동력이 출력부(300)로 전달되도록 할 수 있다.
제3포트(120)는 압력 챔버(110)와 연통되고, 압력 챔버(110)의 내부로 제1유체(10) 및 제2유체(20)를 공급하거나 배출한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제3포트(120)는 일측이 연결부(130)와 연통되는 관의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 제3포트(120)는 타측이 펌프, 터빈 등의 유체공급수단과 연결되어 압력 챔버(110)의 내부로 제1유체(10) 및 제2유체(20)를 공급하거나, 압력 챔버(110)의 내부로부터 제1유체(10) 및 제2유체(20)를 배출한다. 이에 따라 사용자는 제3포트(120)에 의해 압력 챔버(110)의 내부에 충진된 제1유체(10)와 제2유체(20)의 비율을 임의로 조절할 수 있다. 제3포트(120)에는 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터 장치(1)의 작동 시 압력 챔버(110) 내부에 충진된 제1유체(10) 및 제2유체(20)가 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있도록 솔레노이드 밸브와 같은 개폐 수단이 설치될 수 있다.
입력부(200)는 입력 변위(Δx1)를 생성하여 압력 챔버부(100)의 압력 값을 가변시킨다. 본 발명의 일 실시예에 따른 입력부(200)는 제1실린더부(210), 제1피스톤부(220), 변위입력부(230), 제1포트(240)를 포함할 수 있다.
제1실린더부(210)는 압력 챔버부(100)와 연통되며, 후술하는 제1피스톤부(220)의 이동을 안내한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제1실린더부(210)는 내부가 비어있도록 형성되는 실린더의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 제1실린더부(210)의 길이 방향 일측(도 2 기준 좌측 단부)은 개구되어 제1챔버(111)와 연통된다. 제1실린더부(210)의 직경은 제1챔버(111)의 직경에 대응되는 값을 갖도록 형성될 수 있다. 제1실린더부(210)의 일측은 제1챔버(111)의 일측과 일체로 연결될 수 있다. 즉, 제1실린더부(210)와 제1챔버(111)는 길이 방향을 따라 연속적으로 연장되는 단일한 실린더를 이루도록 형성될 수 있다. 제1실린더부(210)의 직경은 제1챔버(111)의 직경 및 후술하는 제1피스톤부(220)의 직경 등에 따라 다양한 값으로 설계 변경이 가능하다.
제1피스톤부(220)는 제1실린더부(210)에 이동 가능하게 설치된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제1피스톤부(220)는 제1실린더부(210)의 내부에서 제1실린더부(210)의 길이 방향과 나란한 방향으로 슬라이드 이동되는 피스톤의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 제1피스톤부(220)의 일측(도 2 기준 좌측)은 제1실린더부(210)의 내경에 대응되는 직경을 갖도록 형성되고, 제1실린더부(210)의 내주면에 슬라이드 이동 가능하게 접촉된다. 제1피스톤부(220)의 타측(도 2 기준 우측)은 제1실린더부(210)의 내경보다 작은 직경을 갖도록 형성되고, 제1실린더부(210)의 길이 방향 타측(도 2 기준 우측 단부)을 수직하게 관통하여 제1실린더부(210)의 외부로 돌출된다. 제1피스톤부(220)는 제1실린더부(210)와 제1챔버(111)가 동일한 직경을 갖도록 구비됨에 따라, 제1실린더부(210)로부터 제1챔버(111) 또는 제1챔버(111)로부터 제1실린더부(210)로 연속적으로 이동될 수 있다.
제1피스톤부(220)는 제1실린더부(210)의 길이 방향과 나란한 방향으로 슬라이드 이동되고, 제1챔버(111) 내부에 충진된 제1유체(10) 및 제2유체(20)를 가압 또는 가압 해제함으로써 압력 챔버부(100)의 압력을 가변시킨다. 이 경우, 입력 변위(Δx1)는 제1피스톤부(220)가 제1실린더부(210)의 내부에서 초기 위치로부터 이동된 거리를 의미할 수 있다.
제1피스톤부(220)의 일측 둘레에는 제1실링부(221)가 구비될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제1실링부(221)는 고무, 실리콘 등 탄성 변형 가능한 재질로 구비되는 링의 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 제1실링부(221)는 내주면이 제1피스톤부(220)의 일측 둘레에 고정되고, 외주면이 제1실린더부(210)의 내주면에 밀착되어 제1챔버(111)에 충진된 제1유체(10) 및 제2유체(20)가 제1실린더부(210)로 유출되는 것을 방지한다.
변위입력부(230)는 입력부(200)가 입력 변위(Δx1)를 생성할 수 있도록 제1피스톤부(220)에 외력을 가해 제1피스톤부(220)를 이동시킨다. 본 발명의 일 실시예에 따른 변위입력부(230)는 변위입력부(230)는 정밀 위치제어가 가능한 다양한 종류의 리니어 액추에이터로 예시될 수 있다. 변위입력부(230)는 제1실린더부(210)의 외부로 돌출된 제1피스톤부(220)의 타측 단부에 연결된다. 변위입력부(230)는 구동력을 발생시켜 제1피스톤부(220)의 타측 단부를 가압 또는 가압 해제함으로써 제1피스톤부(220)를 제1실린더부(210)의 길이 방향과 나란한 방향으로 슬라이드 이동시킨다.
제1포트(240)는 제1실린더부(210)의 내부를 외부와 연통시킨다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제1포트(240)는 제1실린더부(210)를 관통하는 홀의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 제1포트(240)는 제1실린더부(210)의 내부, 보다 구체적으로 피스톤부(220)의 일측 후방의 압력을 제1실린더부(210)의 외부 압력과 동일하게 유지시킨다. 이에 따라 제1포트(240)는 제1피스톤부(220)의 이동에 따른 제1실린더부(210)의 내부 압력의 변화를 방지할 수 있어 제1피스톤부(220)가 보다 정확한 입력 변위(Δx1)값을 생성하도록 유도할 수 있다. 제1포트(240)는 제1실린더부(210)의 타측 단부의 외주면 또는 타측 단부면에 배치될 수 있다. 이에 따라 제1포트(240)는 제1피스톤부(220)의 이동 범위와 관계 없이 제1챔버(111)의 내부에 충진된 제1유체(10) 및 제2유체(20)가 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다.
출력부(300)는 압력 챔버부(100)의 압력 변화에 연동되어 출력 변위(Δx2)를 생성한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 출력부(300)는 제2실린더부(310), 제2피스톤부(320), 제2포트(330)를 포함한다.
제2실린더부(310)는 압력 챔버부(100)와 연통되며, 후술하는 제2피스톤부(320)의 이동을 안내한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제2실린더부(310)는 내부가 비어있도록 형성되는 실린더의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 제2실린더부(310)의 길이 방향 일측(도 2 기준 우측 단부)은 개구되어 제2챔버(112)와 연통된다. 제2실린더부(310)의 직경은 제2챔버(112)의 직경에 대응되는 값을 갖도록 형성될 수 있다. 제2실린더부(310)의 일측은 제2챔버(112)의 일측과 일체로 연결될 수 있다. 즉, 제2실린더부(310)와 제2챔버(112)는 길이 방향을 따라 연속적으로 연장되는 단일한 실린더를 이루도록 형성될 수 있다. 제2실린더부(310)의 직경은 제2챔버(112)의 직경 및 후술하는 제2피스톤부(320)의 직경 등에 따라 다양한 값으로 설계 변경이 가능하다.
제2피스톤부(320)는 제2실린더부(310)에 이동 가능하게 설치되고, 압력 챔버부(100)의 압력 변화에 연동되어 이동된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제2실린더부(310)는 제2실린더부(310)의 내부에서 제2실린더부(310)의 길이 방향과 나란한 방향으로 슬라이드 이동되는 피스톤의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 제2피스톤부(320)의 일측(도 2 기준 우측)은 제2실린더부(310)의 내경에 대응되는 직경을 갖도록 형성되고, 제2실린더부(310)의 내주면에 슬라이드 이동 가능하게 접촉된다. 제2피스톤부(320)의 타측(도 2 기준 좌측)은 제2실린더부(310)의 내경보다 작은 직경을 갖도록 형성되고, 제2실린더부(310)의 길이 방향 타측(도 2 기준 좌측 단부)을 수직하게 관통하여 제2실린더부(310) 외부로 돌출된다. 제2피스톤부(320)는 제2실린더부(310)와 제2챔버(112)가 동일한 직경을 갖도록 구비됨에 따라, 제2실린더부(310)로부터 제2챔버(112) 또는 제1챔버(111)로부터 제2실린더부(310)로 연속적으로 이동될 수 있다.
제2피스톤부(320)는 제1피스톤부(220)의 입력 변위(Δx1)로 인한 제2챔버(112)의 압력 변화에 연동되어 제2실린더부(310)의 길이 방향과 나란한 방향으로 슬라이드 이동된다. 이 경우, 출력 변위(Δx2)는 제2피스톤부(320)가 제2실린더부(310)의 내부에서 초기 위치로부터 이동된 거리를 의미할 수 있다.
제2피스톤부(320)의 일측 둘레에는 제2실링부(321)가 구비될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제2실링부(321)는 고무, 실리콘 등 탄성 변형 가능한 재질로 구비되는 링의 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 제2실링부(321)는 내주면이 제2피스톤부(320)의 일측 둘레에 고정되고, 외주면이 제2실린더부(310)의 내주면에 밀착되어 제2챔버(112)에 충진된 제1유체(10) 및 제2유체(20)가 제2실린더부(310)로 유출되는 것을 방지한다.
제2포트(330)는 제2실린더부(310)의 내부를 외부와 연통시킨다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제2포트(330)는 제2실린더부(310)를 관통하는 홀의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 제2포트(330)는 제2실린더부(310)의 내부, 보다 구체적으로 피스톤부(220)의 일측 전방의 압력을 제2실린더부(310)의 외부 압력과 동일하게 유지시킨다. 이에 따라 제2포트(330)는 제2피스톤부(320)의 이동에 따른 제2실린더부(310)의 내부 압력의 변화를 방지할 수 있어 제2피스톤부(320)가 보다 정확한 출력 변위(Δx2)값을 생성하도록 유도할 수 있다. 제2포트(330)는 제2실린더부(310)의 타측 단부의 외주면 또는 타측 단부면에 배치될 수 있다. 이에 따라 제2포트(330)는 제2피스톤부(320)의 이동 범위와 관계 없이 제2챔버(112)의 내부에 충진된 제1유체(10) 및 제2유체(20)가 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다.
측정부(400)는 입력부(200)로부터 생성되는 입력 변위(Δx1)와, 출력부(300)로부터 생성되는 출력 변위(Δx2)의 값을 측정한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 측정부(400)는 레이저, 전류 등을 이용하여 제1피스톤부(220)와 제2피스톤부(320)가 초기 위치로부터 이동된 거리를 측정할 수 있는 다양한 종류의 변위센서를 포함할 수 있다. 제2피스톤부(320)가 출력 변위(Δx2)를 생성하는 과정에서 가속도가 발생되는 경우, 측정부(400)는 가속도센서를 더 포함할 수 있다. 측정부(400)는 복수개로 구비되어 입력부(200)로부터 생성되는 입력 변위(Δx1)와, 출력부(300)로부터 생성되는 출력 변위(Δx1)를 개별적으로 측정할 수 있고, 이와 달리 단일 개수로 구비되어 입력부(200)로부터 생성되는 입력 변위(Δx1)와, 출력부(300)로부터 생성되는 출력 변위(Δx2)를 동시에 측정하는 것도 가능하다.
제어부(500)는 측정부(400)로부터 측정된 값을 통해 출력부(300)의 출력 힘(F)을 산출한다. 제어부(500)는 산출된 출력 힘(F)을 바탕으로 입력부(200)의 동작을 피드백 제어한다. 보다 구체적으로, 산출된 출력 힘(F)이 기설정된 출력 힘과 일치되도록 입력부(200)의 입력 변위(Δx1)를 조절한다. 즉, 제어부(500)는 산출된 출력 힘(F)을 기설정된 출력 힘을 비교하고, 산출된 출력 힘(F)이 기설정된 출력 힘과 동일한 값을 나타내는 시점까지 변위입력부(230)를 동작을 조절하여 제1피스톤부(220)가 생성하는 입력 변위(Δx1) 값을 가변시킨다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(500)는 측정부(400)로부터 측정된 측정값을 무선 또는 유선으로 전달받는 통신모듈과, 전달받은 측정값을 처리 및 판단하고, 판단된 정보에 의해 변위입력부(230)의 동작을 제어하는 마이크로프로세서 등을 포함할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터 장치(1)의 제어방법을 상세하게 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터 장치의 제어방법의 순서를 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 우선 압력 챔버부(100) 내부에 충진되는 제1유체(10) 및 제2유체(20)의 비율을 조정한다(S100).
보다 구체적으로, S100단계는 제3포트(120)를 통해 제1유체(10) 및 제2유체(20)를 압력 챔버(110)의 내부로 공급하거나 압력 챔버(110)의 내부로부터 배출하는 방식에 의해 수행될 수 있다
압력 챔버(110)의 내부로 충진되는 제1유체(10) 및 제2유체(20)의 비율에 의해 압력 챔버부(100)의 강성값이 조절된다. 예를 들어, 압력 챔버부(100)의 빠른 응답성이 요구되는 경우, 물로 예시되는 제1유체(10)의 비율을 높여 강성을 높일 수 있다. 또한, 외부 충돌에 대한 안전의 확보가 요구되는 경우, 공기로 예시되는 제2유체(20)의 비율을 높여 강성을 낮출 수 있다.
압력 챔버부(100) 내부에 충진되는 제1유체(10) 및 제2유체(20)가 원하는 비율로 조정된 이후에는 솔레노이드 밸브에 의해 제3포트(120)를 폐쇄한다. 이에 따라 액추에이터 장치(1)의 동작 시 압력 챔버(110)의 외부로 제1유체(10) 및 제2유체(20)가 유출되는 것을 방지할 수 있다.
S100 단계 이후, 입력부(200)를 동작시켜 입력 변위(Δx1)와 출력 변위(Δx2)를 생성한다(S200).
보다 구체적으로, 제어부(500)는 변위입력부(230)를 동작시켜 소정 값의 구동력을 발생시킨다.
제1피스톤부(220)는 변위입력부(230)로부터 가해지는 구동력에 의해 제1실린더부(210)의 길이 방향을 따라 슬라이드 이동되며 입력 변위(Δx1)를 생성한다.
제1피스톤부(220)로부터 생성된 입력 변위(Δx1)에 의해 제1챔버(111) 내부에 충진된 제1유체(10) 및 제2유체(20)는 압축된다.
제1챔버(111) 내부에 충진된 제1유체(10) 및 제2유체(20)의 압축에 의해 발생되는 압력은 연결부(113)와 제2챔버(112)를 순차적으로 거쳐 제2피스톤부(320)에 전달된다.
제2피스톤부(320)는 이러한 압력에 의해 제2실린더부(310)의 길이 방향을 따라 슬라이드 이동되며 출력 변위(Δx2)를 생성한다.
생성된 입력 변위(Δx1)와 출력 변위(Δx2)는 측정부(400)에 의해 측정된다.
이후, 제어부(500)는 측정부(400)에 의해 측정된 력 변위(Δx1)와 출력 변위(Δx2)를 통해 출력부(300)의 출력 힘(F)을 산출한다(S300).
출력부(300)의 출력 힘(F)은 하기의 수학식 1에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112021068811270-pat00012
Figure 112021068811270-pat00013
여기서,
Figure 112021068811270-pat00014
은 출력 힘,
Figure 112021068811270-pat00015
는 제2피스톤부(320)의 질량,
Figure 112021068811270-pat00016
은 제2피스톤부(320)의 가속도,
Figure 112021068811270-pat00017
는 압력 챔버부(100)의 초기 압력,
Figure 112021068811270-pat00018
는 입력 변위,
Figure 112021068811270-pat00019
는 출력 변위,
Figure 112021068811270-pat00020
은 제1피스톤부(220) 일측의 단면적,
Figure 112021068811270-pat00021
는 제2피스톤부(320) 일측의 단면적,
Figure 112021068811270-pat00022
은 제2피스톤부(320) 타측의 단면적을 의미한다.
특히, 수학식 1은 제2피스톤부(320)의 가속도가 매우 작은 경우 하기의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112021068811270-pat00023
즉, 출력부(300)의 출력 힘(F)은 초기 조건 이외에 입력부(200)의 입력 변위(Δx1)와 출력부(300)의 출력 변위(Δx2) 값에 의해 결정된다.
이후, 제어부(500)는 산출된 출력 힘(F)을 바탕으로 입력부(300)의 동작을 피드백 제어한다(S400).
S400 단계를 보다 구체적으로 살펴보면, 우선 제어부(500)는 산출된 출력 힘(F)과 기설정된 출력 힘의 일치 여부를 판단한다(S410).
산출된 출력 힘(F)과 기설정된 출력 힘이 일치하지 않는 경우, 제어부(500)는 입력부(300)를 동작시켜 입력 변위(Δx1)와 출력 변위(Δx2)를 가변시킨다(S420). 즉, 제어부(500)는 산출된 출력 힘(F)이 기설정된 출력 힘과 동일한 값을 나타내는 입력 변위(Δx1)와 출력 변위(Δx2)를 얻는 시점까지 변위입력부(230)의 동작을 조절한다.
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 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
1 : 액추에이터 장치 10 : 제1유체
20 : 제2유체 100 : 압력 챔버부
110 : 압력 챔버 111 : 제1챔버
112 : 제2챔버 113 : 연결부
120 : 제3포트 200: 입력부
210 : 제1실린더부 220 : 제1피스톤부
221 : 제1실링부 230 : 변위입력부
240 : 제1포트 300 : 출력부
310 : 제2실린더부 320 : 제2피스톤부
321 : 제2실링부 330 : 제2포트
400 : 측정부 500 : 제어부

Claims (13)

  1. 내부에 제1유체 및 제2유체가 충진되는 압력 챔버부;
    입력 변위를 생성하여 상기 압력 챔버부의 압력 값을 가변시키는 입력부;
    상기 압력 챔버부의 압력 변화에 연동되어 출력 변위를 생성하는 출력부;
    상기 입력부로부터 생성되는 상기 입력 변위와, 상기 출력부로부터 생성되는 상기 출력 변위를 측정하는 측정부; 및
    상기 측정부로부터 측정된 값을 통해 상기 출력부의 출력 힘을 산출하고, 산출된 상기 출력 힘을 바탕으로 상기 입력부의 동작을 피드백 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는 하기 수학식 1을 통해 상기 출력 힘을 산출하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 장치.
    [수학식 1]
    Figure 112023018260859-pat00040

    Figure 112023018260859-pat00041

    여기서,
    Figure 112023018260859-pat00042
    은 출력 힘,
    Figure 112023018260859-pat00043
    는 제2피스톤부의 질량,
    Figure 112023018260859-pat00044
    은 제2피스톤부의 가속도,
    Figure 112023018260859-pat00045
    는 압력 챔버부의 초기 압력,
    Figure 112023018260859-pat00046
    는 입력 변위,
    Figure 112023018260859-pat00047
    는 출력 변위,
    Figure 112023018260859-pat00048
    은 제1피스톤부 일측의 단면적,
    Figure 112023018260859-pat00049
    는 제2피스톤부 일측의 단면적,
    Figure 112023018260859-pat00050
    은 제2피스톤부 타측의 단면적을 의미한다.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 입력부는,
    상기 압력 챔버부와 연통되는 제1실린더부;
    상기 제1실린더부에 이동 가능하게 설치되는 제1피스톤부; 및
    상기 제1피스톤부에 외력을 가해 상기 제1피스톤부를 이동시키는 변위입력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 입력 변위는 상기 제1피스톤부가 상기 제1실린더부의 내부에서 이동된 거리인 것을 특징으로 하는 액추에이터 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 입력부는,
    상기 제1실린더부의 내부를 외부와 연통시키는 제1포트;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 출력부는,
    상기 압력 챔버부와 연통되는 제2실린더부; 및
    상기 제2실린더부에 이동 가능하게 설치되고, 상기 압력 챔버부의 압력 변화에 연동되어 이동되는 제2피스톤부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 출력 변위는 상기 제2피스톤부가 상기 제2실린더부의 내부에서 이동된 거리인 것을 특징으로 하는 액추에이터 장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 출력부는,
    상기 제2실린더부의 내부를 외부와 연통시키는 제2포트;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 압력 챔버부는,
    상기 입력부 및 상기 출력부의 사이에 구비되는 압력 챔버; 및
    상기 압력 챔버의 내부로 상기 제1유체 및 상기 제2유체를 공급하거나 배출하는 제3포트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 압력 챔버는,
    상기 입력부와 연통되는 제1챔버;
    상기 출력부와 연통되는 제2챔버; 및
    상기 제1챔버와 상기 제2챔버를 연결시키고, 상기 제3포트와 연통되는 연결부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는 산출된 상기 출력 힘이 기설정된 상기 출력 힘과 일치되도록 상기 입력부의 입력 변위를 조절하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 장치.
  11. 압력 챔버에 충진되는 제1유체 및 제2유체의 비율을 조정하는 단계;
    입력부를 동작시켜 입력 변위와 출력 변위를 생성하는 단계;
    상기 입력 변위와 상기 출력 변위를 통해 출력부의 출력 힘을 산출하는 단계; 및
    산출된 상기 출력 힘을 바탕으로 상기 입력부의 동작을 피드백 제어하는 단계;를 포함하고,
    상기 산출하는 단계는 하기 수학식 1을 통해 상기 출력 힘을 산출하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 장치의 제어방법.
    [수학식 1]
    Figure 112023018260859-pat00024

    Figure 112023018260859-pat00025

    여기서,
    Figure 112023018260859-pat00026
    은 출력 힘,
    Figure 112023018260859-pat00027
    는 제2피스톤부의 질량,
    Figure 112023018260859-pat00028
    은 제2피스톤부의 가속도,
    Figure 112023018260859-pat00029
    는 압력 챔버부의 초기 압력,
    Figure 112023018260859-pat00030
    는 입력 변위,
    Figure 112023018260859-pat00031
    는 출력 변위,
    Figure 112023018260859-pat00032
    은 제1피스톤부 일측의 단면적,
    Figure 112023018260859-pat00033
    는 제2피스톤부 일측의 단면적,
    Figure 112023018260859-pat00034
    은 제2피스톤부 타측의 단면적을 의미한다.
  12. 삭제
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는,
    산출된 상기 출력 힘과 기설정된 상기 출력 힘의 일치 여부를 판단하는 단계; 및
    산출된 상기 출력 힘과 기설정된 상기 출력 힘이 일치하지 않는 경우, 상기 입력부를 동작시켜 상기 입력 변위와 상기 출력 변위를 가변시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 장치의 제어방법.
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