KR102668515B1

KR102668515B1 - 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템 및 작동방법

Info

Publication number: KR102668515B1
Application number: KR1020220038876A
Authority: KR
Inventors: 이기욱; 류재욱
Original assignee: 중앙대학교 산학협력단
Priority date: 2022-03-29
Filing date: 2022-03-29
Publication date: 2024-05-23
Also published as: KR20230140645A

Abstract

본 발명은 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템 및 작동방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 케이블의 풀림과 당김 구동을 위한 액추에이션 시스템으로서, 제1방향과 제2방향 회전구동이 가능한 모터와 모터의 중심축에 결합된 모터기어와, 상기 모터기어와 맞물리는 무빙기어; 상기 모터기어 축은 고정단에 결합되며, 상기 무빙기어는 상기 모터기어축을 기준으로 공전이동이 가능하도록 모터기어와 상기 무빙기어를 연결하는 기어연결부; 및상기 무빙기어 양단 각각에 소정간격 이격되어 배치되며 외면에 기어를 가지며, 케이블이 권취되는 한 쌍의 풀리유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템에 관한 것이다.

Description

하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템 및 작동방법{Single actuator with versatile controllability of 2-DOF assistance for exosuits via a novel moving gear mechanism}

본 발명은 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템 및 작동방법에 관한 것이다.

소프트 외골격 로봇이 많이 개발 중이며 편한 착용 및 동작을 위해 케이블을 통한 보조가 자주 이용된다. 외골격 로봇에서 무게는 성능에 큰 영향을 미치는데 그 무게의 대부분은 액추에이터와 배터리가 차지하고 있다. 하지 보조는 겹치는 동작과 겹치지 않는 동작이 둘 다 발생하며 겹치는 정도가 변하기 때문에 현재 대부분의 로봇은 양쪽을 보조하기 위해 각각의 액추에이터를 이용해 보조를 하고 있다.

종래기술 1(특허출원 10-2015-7010079)은 인간의 움직임에 대한 보조를 위한 소프트 엑소슈트로서 케이블을 활용한 일반적인 형태의 엑소슈트이다. 하나의 모터로 풀리를 돌리고, 풀리에 연결된 케이블을 감아서 하나의 관절을 보조하는 형태로, 보조 관절이 많아지면 그만큼 많은 모터가 필요해 시스템의 전체 무게가 증가하게 된다.

종래 기술 2(특허출원 10-2016-018659)는 보조 가요성 수트들, 가요성 수트 시스템들, 및 사람의 이동을 돕기 위해서 이들을 만들고 제어하는 방법들로서, 다중-랩 풀리 시스템으로 양다리를 하나의 모터로 보조하는 시스템을 기재하고 있다. 하지만 다중-랩 풀리 시스템은 단순히 풀리를 결합한 형태로 한 방향으로 회전 시 하나의 케이블은 감기고 하나의 케이블은 풀리는 형태이다. 따라서 하나의 모터로 양다리의 보조는 가능하지만 보조프로파일이 겹치는 동작을 수행할 수 없다.

종래 기술 3(Ankle exoskeleton system and method for assisted mobility and rehabilitation, 미국 공개특허 US 2019/0282424)은 double-wrap side-hole pulleys을 이용해 하나의 모터로 하나의 발목의 양 방향 회전(배측굴곡, 저측굴곡)을 보조하는 시스템이다. 배측굴곡을 위한 케이블이 당겨질 때 저측굴곡을 위한 케이블이 풀어지고, 저측굴곡을 위한 케이블이 당겨질 때 배측굴곡을 위한 케이블이 풀어지는 동작을 한다. 이처럼 종래기술 3은 겹치는 프로파일이 가능하지만 겹치는 정도가 고정돼 있기 때문에 겹치는 정도의 변경이나 겹치지 않는 프로파일 보조가 불가능하다.

즉, 종래기술 1은 하나의 모터로 하나의 동작만을 보조하기 때문에 보조 동작이 늘어날수록 많은 수의 모터를 이용해야 해서 시스템의 무게가 증가하는 단점이 있다. 종래기술 2는 다중-랩 풀리 시스템을 이용해 하나의 모터로 양다리 보조가 가능하지만 겹치는 프로파일 보조가 불가능하다. 종래기술 3은 단 하나의 겹치는 프로파일 보조가 가능하며 겹치는 정도가 다르거나 겹치지 않는 프로파일 보조가 불가능하다.

공개특허 10-2015-0077413 공개특허 10-2016-0098354 US공개특허 2019-0282424 등록특허 10-0440377

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 하나의 액추에이터로 겹치는 동작과 겹치지 않는 동작이 둘 다 보조하며 겹치는 정도 조절도 가능하며, 이를 통해 더 가벼운 무게로 동일한 보조가 가능하며 액추에이터 수의 감소로 제어가 단순해지고 배터리 사용량의 감소까지도 기대해볼 수 있는, 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템 및 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 모터의 회전방향에 따라 무빙기어가 양쪽 풀리 사이를 이동하면서 풀리를 각각 회전시켜 케이블을 감고 태엽스프링으로 케이블을 풀어줌으로써 겹치는 동작과 겹치지 않는 동작을 둘 다 보조하고 겹치는 정도까지 조절이 가능하며, 이를 통해 더 가벼운 무게로 동일한 보조가 가능하며 액추에이터 수의 감소로 제어가 단순해지고 배터리 사용량의 감소까지도 기대해볼 수 있는, 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템 및 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따르면, 하나의 액추에이터로 겹치는 동작과 겹치지 않는 동작이 둘 다 보조하며 겹치는 정도까지 조절 가능하여, 이를 통해 보조를 위해 각 관절마다 모터를 이용해야 하는 시스템보다 가벼운 무게로 동일한 보조가 가능하며, 액추에이터 수의 감소로 제어가 단순해지고 배터리 사용량의 감소까지도 기대해볼 수 있는, 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템 및 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 제1목적은 케이블의 풀림과 당김 구동을 위한 액추에이션 시스템으로서, 제1방향과 제2방향 회전구동이 가능한 모터와 모터의 중심축에 결합된 모터기어와, 상기 모터기어와 맞물리는 무빙기어; 상기 모터기어 축은 고정단에 결합되며, 상기 무빙기어는 상기 모터기어축을 기준으로 공전이동이 가능하도록 모터기어와 상기 무빙기어를 연결하는 기어연결부; 및 상기 무빙기어 양단 각각에 소정간격 이격되어 배치되며 외면에 기어를 가지며, 케이블이 권취되는 한 쌍의 풀리유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템으로서 달성될 수 있다.

그리고 무빙기어와, 기어연결부, 풀리유닛은 커버과 프레임이 결합된 내부공간 내에 장착되며, 상기 모터기어축은 상기 프레임과 커버에 결합되나, 상기 무빙기어축은 상기 기어연결부에만 결합되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 풀리 유닛은, 상기 무빙기어의 일측에 소정간격 이격되어 배치되며 외면에 제1풀리기어가 형성된 제1풀리와, 상기 제1풀리가 제1회전방향으로 회전하면 탄성에너지를 저장하는 제1태엽스프링을 갖는 제1풀리유닛(40)과, 상기 무빙기어의 타측에 소정간격 이격되어 배치되며 외면에 제2풀리기어가 형성된 제2풀리와, 상기 제2풀리가 제2회전방향으로 회전하면 탄성에너지를 저장하는 제2태엽스프링을 갖는 제2풀리유닛을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 모터의 제1회전방향 구동, 제2회전방향 구동을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 제어부가 상기 모터를 제1회전방향으로 구동시키면, 모터기어와 맞물린 무빙기어가 제2회전방향으로 회전하는 동시에, 모터기어축 중심으로 제1회전방향으로 공전하여 상기 모터기어가 상기 제1풀리기어와 맞물려 상기 제1풀리에 권취된 케이블이 당김구동되고 제1태엽스프링에서 탄성에너지가 저장되고, 당김구동 후, 상기 모터를 제2회전방향으로 구동시키면, 상기 제1풀리기어와 상기 무빙기어의 맞물림이 해제되고, 상기 탄성에너지가 방출되어 상기 제1풀리에 귄취된 케이블이 풀림구동되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 제어부가 상기 모터를 제2회전방향으로 구동시키면, 모터기어와 맞물린 무빙기어가 제1회전방향으로 회전하는 동시에, 모터기어축 중심으로 제2회전방향으로 공전하여 상기 모터기어가 상기 제2풀리기어와 맞물려 상기 제2풀리에 권취된 케이블이 당김구동되고 제2태엽스프링에서 탄성에너지가 저장되고, 당김구동 후, 상기 모터를 제1회전방향으로 구동시키면, 상기 제2풀리기어와 상기 무빙기어의 맞물림이 해제되고, 상기 탄성에너지가 방출되어 상기 제2풀리에 귄취된 케이블이 풀림구동되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 제어부는 모터 구동을 제어하여 구동중, 상기 무빙기어가 제1풀리기어와 제2풀리기어 모두에 맞물리지 않는 시간을 조절하여 양쪽 케이블 프로파일이 겹치는 정도를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 커버와 프레임 내부 공간에 상기 제1풀리 외면과 접촉되는 제1피더유닛과, 제2풀리 외면과 접촉되는 제2피더유닛을 포함하여, 상기 케이블 풀림 구동, 당김구동시 케이블이 이송을 가이드하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 제1태엽스프링 일측 끝단은 프레임축에 결합되고 타측 끝단은 제1풀리 내부에 결합되어 상기 제1풀리가 제1회전방향으로 회전되면 탄성에너지를 저장하고, 상기 제2태엽스프링 일측 끝단은 프레임축에 결합되고 타측 끝단은 제2풀리 내부에 결합되어 상기 제2풀리가 제2회전방향으로 회전되면 탄성에너지를 저장하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은 케이블의 풀림과 당김 구동을 위한 제1목적에 따른 액추에이션 시스템의 작동방법으로서, 제어부가 모터를 제1회전방향으로 구동시켜, 무빙기어가 모터기어에 맞물려 제2회전방향으로 자전회전을 시작하는 단계; 무빙기어가 모터기어축을 기준으로 제1회전방향으로 공전이동하여 제1풀리기어와 맞물리는 단계; 제1풀리가 제1회전방향으로 회전되어 제1풀리에 권취된 케이블을 당김구동하고, 제1태엽스프링에 탄성에너지가 저장되는 단계; 제어부가 상기 모터를 제2회전방향으로 회전시킨 후 정지하여, 무빙기어와 제1풀리기어의 맞물림이 해제되어, 제1태엽스프링의 탄성에너지에 의해 제1풀리에 권취된 케이블이 풀림구동되는 단계; 상기 제어부가 상기 모터를 제2회전방향으로 구동시켜, 무빙기어가 모터기어에 맞물려 제1회전방향으로 자전회전을 시작하는 단계; 무빙기어가 모터기어축을 기준으로 제2회전방향으로 공전이동하여 제2풀리기어와 맞물리는 단계; 제2풀리가 제2회전방향으로 회전되어 제2풀리에 권취된 케이블을 당김구동하고, 제2태엽스프링에 탄성에너지가 저장되는 단계; 및 제어부가 상기 모터를 제1회전방향으로 회전시킨 후 정지하여, 무빙기어와 제2풀리기어의 맞물림이 해제되어, 제2태엽스프링의 탄성에너지에 의해 제2풀리에 권취된 케이블이 풀림구동되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템의 작동방법으로서 달성될 수 있다.

그리고 상기 케이블이 풀림구동되는 단계에서, 상기 제어부는 상기 무빙기어가 제1풀리기어와 제2풀리기어 모두에 맞물리지 않는 시간을 조절하여 양쪽 케이블 프로파일이 겹치는 정도를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 커버와 프레임 내부 공간에 상기 제1풀리 외면과 접촉되는 제1피더유닛과, 제2풀리 외면과 접촉되는 제2피더유닛을 포함하여, 상기 케이블 풀림 구동, 당김구동시 케이블이 이송을 가이드하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템 및 작동방법에 따르면, 하나의 액추에이터로 겹치는 동작과 겹치지 않는 동작이 둘 다 보조하며 겹치는 정도 조절도 가능하며, 이를 통해 더 가벼운 무게로 동일한 보조가 가능하며 액추에이터 수의 감소로 제어가 단순해지고 배터리 사용량의 감소까지도 기대해볼 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템 및 작동방법에 따르면, 모터의 회전방향에 따라 무빙기어가 양쪽 풀리 사이를 이동하면서 풀리를 각각 회전시켜 케이블을 감고 태엽스프링으로 케이블을 풀어줌으로써 겹치는 동작과 겹치지 않는 동작을 둘 다 보조하고 겹치는 정도까지 조절이 가능하며, 이를 통해 더 가벼운 무게로 동일한 보조가 가능하며 액추에이터 수의 감소로 제어가 단순해지고 배터리 사용량의 감소까지도 기대해볼 수 있는 효과를 갖는다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템 및 작동방법에 따르면, 하나의 액추에이터로 겹치는 동작과 겹치지 않는 동작이 둘 다 보조하며 겹치는 정도까지 조절 가능하여, 이를 통해 보조를 위해 각 관절마다 모터를 이용해야 하는 시스템보다 가벼운 무게로 동일한 보조가 가능하며, 액추에이터 수의 감소로 제어가 단순해지고 배터리 사용량의 감소까지도 기대해볼 수 있는 장점을 갖는다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템의 사시도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템의 분해 사시도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 로터, 모터기어, 기어연결부, 무빙기어가 결합된 구조의 사시도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템의 작동방법의 흐름도,
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템의 단순 단면도,
도 5b는 도 5a에서 모터기어가 시계방향으로 회전되어, 무빙기어가 제1풀리 기어와 맞물린 상태의 단면도,
도 5c는 도 5b에서 모터기어가 반시계방향으로 회전되어, 무빙기어와 제1풀리기어의 맞물림이 해제된 상태의 단면도,
도 5d는 도 5c에서 모터기어가 계속 반시계방향으로 회전되어, 무빙기어가 제2풀리기어와 맞물린 상태의 단면도,
도 5e는 도 5d에서 모터기어가 시계방향으로 회전되어, 무빙기어와 제2풀리기어의 맞물림이 해제된 상태의 단면도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 풀리와 피더 유닛 결합 부분을 나타낸 부분 사시도와 피더 유닛의 분해 사시도,
도 7은 피더유닛이 없는 경우 케이블과 프레임 내면의 마찰력 발생을 나타낸 모식도,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 피더 유닛 적용시 케이블과 프레임 사이 접촉이 발생되지 않는 상태를 나타낸 모식도를 도시한 것이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템과 그 작동방법에 대해 설명하도록 한다.

먼저, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템의 사시도를 도시한 것이다. 그리고 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템의 분해 사시도를 도시한 것이다. 또한 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 로터(22), 모터기어(31), 기어연결부(33), 무빙기어(32)가 결합된 구조의 사시도를 도시한 것이다.

도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템은, 전체적으로 커버(13), 프레임(10), 풀리유닛, 모터(20), 기어세트(30) 등을 포함하여 구성됨을 알 수 있다.

이러한 구성들은 모두 프레임(10)과 커버(13)가 결합되어 형성되는 내부 공간에 장착되게 된다. 프레임(10)에는 기어세트 장착단(11)과 양측에 풀리장착단(12)이 형성되며, 커버(13)에도 모터 삽입단(14)과 풀리 삽입단(15)이 형성된다.

본 발명의 실시예에서는 모터(20)의 스테이터(21)는 커버(13)에, 로터(22)는 기어세트(30)에 고정된다.

모터(20)는 제1방향과 제2방향 회전구동이 가능하도록 구성되며, 이러한 회전방향과 구동은 제어부에 의해 제어된다. 모터기어(31)는 모터(20)의 중심축에 결합되며, 무빙기어(32)는 이러한 모터기어(31)와 맞물리도록 마련된다.

또한 도 3에 도시된 바와 같이, 모터기어(31) 축은 고정단으로 프레임(10)과 커버(13)에 결합되나, 무빙기어(32)는 모터기어(31)축을 기준으로 공전이동이 가능하도록 모터기어(31)와 무빙기어(32)를 연결하는 기어연결부(33)에만 결합되어 진다.

또한 한 쌍의 풀리유닛은 무빙기어(32) 양단 각각에 소정간격 이격되어 배치되며 외면에 기어를 가지며, 케이블(1)이 권취되어진다.

풀리 유닛은 제1풀리유닛(40)과 제2풀리유닛(50)을 포함하며, 제1풀리유닛(40)은 무빙기어(32)의 일측(도 1 기준 좌측)에 소정간격 이격되어 배치되며 외면에 제1풀리기어(42)가 형성된 제1풀리(41)와, 제1풀리(41)가 제1회전방향으로 회전하면 탄성에너지를 저장하는 제1태엽스프링(43)을 갖고 있다.

또한 제2풀리유닛(50)은 무빙기어(32)의 타측(도 1 기준 우측)에 소정간격 이격되어 배치되며 외면에 제2풀리기어(52)가 형성된 제2풀리(51)와, 이러한 제2풀리(51)가 제2회전방향으로 회전하면 탄성에너지를 저장하는 제2태엽스프링(53)을 갖고 있다. 제어부는 모터(20)의 제1회전방향 구동, 제2회전방향 구동을 제어하게 된다.

제1태엽스프링(43) 일측 끝단은 프레임(10)축에 결합되고 타측 끝단은 제1풀리(41) 내부에 결합되어 제1풀리(41)가 제1회전방향으로 회전되면 탄성에너지를 저장하게 된다.

또한 제2태엽스프링(53) 일측 끝단은 프레임(10)축에 결합되고 타측 끝단은 제2풀리(51) 내부에 결합되어 제2풀리(51)가 제2회전방향으로 회전되면 탄성에너지를 저장한다.

그리고 후에 설명되는 바와 같이, 커버(13)와 프레임(10) 내부 공간에 제1풀리(41) 외면과 접촉되는 제1피더유닛과, 제2풀리(51) 외면과 접촉되는 제2피더유닛을 포함하여, 케이블(1) 풀림 구동, 당김구동시 케이블(1)이 이송을 가이드하도록 구성되다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템(100)의 작동방법에 대해 설명하도록 한다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템(100)의 작동방법의 흐름도를 도시한 것이다.

먼저 도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템의 단순 단면도를 도시한 것이다.

제어부가 모터(20)를 제1회전방향(시계방향)으로 구동시켜, 무빙기어(32)가 모터기어(31)에 맞물려 제2회전방향으로 자전회전을 시작하게 된다(S1). 동시에 무빙기어(32)가 모터기어(31)축을 기준으로 제1회전방향으로 공전이동하여(S2) 제1풀리기어(42)와 맞물리게 된다(S3). 도 5b는 도 5a에서 모터기어(31)가 시계방향으로 회전되어, 무빙기어(32)가 제1풀리 기어(42)와 맞물린 상태의 단면도를 도시한 것이다. 즉, 무빙기어(32) 축이 고정되어 있지 않기 때문에 모터(20)가 제1회전방향(시계방향)으로 충분히 회전하면 무빙기어(32)가 왼쪽으로 이동 및 반시계방향으로 회전하게 된다.

그리고 제1풀리(41)가 제1회전방향으로 회전되어 제1풀리(41)에 권취된 케이블(1)을 당김구동하고, 제1태엽스프링(43)에 탄성에너지가 저장되게 된다(S4). 즉, 도 5b에 도시된 바와 같이, 무빙기어(32)는 제1풀리유닛(40)을 시계방향으로 돌리고 제1풀리유닛(40)은 케이블(1)을 당기고 제1태엽스프링(43)은 탄성에너지를 저장하게 된다.

이러한 제1풀리유닛(40)에 의한 케이블(1) 당김구동을 종료하고자 하는 경우(S5), 제어부는 모터(20)를 제2회전방향(반시계방향)으로 회전시킨 후 정지하여(S6), 무빙기어(32)와 제1풀리기어의(42) 맞물림이 해제되어, 제1태엽스프링(43)의 탄성에너지에 의해 제1풀리(41)에 권취된 케이블(1)이 풀림구동되도록 한다(S7).

도 5c는 도 5b에서 모터기어(31)가 반시계방향으로 회전되어, 무빙기어(32)와 제1풀리기어(42)의 맞물림이 해제된 상태의 단면도를 도시한 것이다.

도 5c에 도시된 바와 같이, 모터(20)가 반시계방향으로 살짝 회전한 후 정지하면 무빙기어(32)가 제1풀리기어(42)에서 빠져 중간에 머무르게 된다. 그러면 제1태엽스프링(43)에 저장된 에너지가 방출되면서 제1풀리유닛(40)을 반시계방향을 회전시키고 케이블(1)이 풀리게 된다. 케이블(1)이 풀리는 속도는 제1태엽스프링(43)을 맞춤화하여 조절가능한다.

이때 제어부는 무빙기어(32)가 제1풀리기어(42)와 제2풀리기어(52) 모두에 맞물리지 않는 시간을 조절하여 양쪽 케이블 프로파일이 겹치는 정도를 제어할 수 있다.

제1풀리유닛(40)에 의한 풀림 구동 후, 다시, 제1풀리유닛(40)에 의한 당김구동이 필요한 경우 S1 내지 S4를 다시 진행하게 된다.

그리고 제2풀리유닛(50)에 의한 케이블(1) 당김구동이 필요한 경우 제어부는 모터(20)를 제2회전방향(반시계방향)으로 회전구동을 계속하여 무빙기어(32)가 모터기어(31)에 맞물려 제1회전방향으로 자전회전하고 동시에 무빙기어(32)가 모터기어(31)축을 기준으로 제2회전방향으로 공전이동하여(S8) 제2풀리기어(52)와 맞물리게 된다. 도 5d는 도 5c에서 모터기어(31)가 계속 반시계방향으로 회전되어, 무빙기어(32)가 제2풀리기어(52)와 맞물린 상태의 단면도를 도시한 것이다.

그리고 제2풀리(51)가 제2회전방향으로 회전되어 제2풀리(51)에 권취된 케이블(1)을 당김구동하고(S9), 제2태엽스프링(53)에 탄성에너지가 저장되게 된다(S10).

제2풀리유닛(50)에 의한 케이블(1) 당김구동을 종료하고자 하는 경우(S11) 제어부는 모터(20)를 제1회전방향으로 회전시킨 후 정지하여(S12), 무빙기어(32)와 제2풀리기어(52)의 맞물림이 해제하여, 제2태엽스프링(53)의 탄성에너지에 의해 제2풀리(51)에 권취된 케이블(1)이 풀림구동되도록 한다(S13). 도 5e는 도 5d에서 모터기어(31)가 시계방향으로 회전되어, 무빙기어(32)와 제2풀리기어(52)의 맞물림이 해제된 상태의 단면도를 도시한 것이다. 케이블(1)이 풀리는 속도는 제2태엽스프링(53)을 맞춤화하여 조절가능한다.

이때도, 제어부는 무빙기어(32)가 제1풀리기어(42)와 제2풀리기어(52) 모두에 맞물리지 않는 시간을 조절하여 양쪽 케이블 프로파일이 겹치는 정도를 제어할 수 있다.

제2풀리유닛(50)에 의한 케이블(1) 풀림구동 후, 제1풀리유닛(40)에 의한 케이블(1) 당김이 필요한 경우 S1 ~ S4를 진행하고, 제2풀리유닛(50)에 의한 케이블(1) 당김구동이 필요한 경우 S8 ~ S10을 진행하게 된다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 풀리와 피더 유닛 결합 부분을 나타낸 부분 사시도와 피더 유닛의 분해 사시도를 도시한 것이다. 그리고 도 7은 피더유닛이 없는 경우 케이블(1)과 프레임(10) 내면의 마찰력 발생을 나타낸 모식도를 도시한 것이다. 또한 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 피더 유닛 적용시 케이블(1)과 프레임(10) 사이 접촉이 발생되지 않는 상태를 나타낸 모식도를 도시한 것이다.

앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 하나의 액추에이터로 두 케이블(1)의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템(100)은 커버(13)와 프레임(10) 내부 공간에 제1풀리(41) 외면과 접촉되는 제1피더유닛과, 제2풀리(51) 외면과 접촉되는 제2피더유닛을 포함하여, 케이블(1) 풀림 구동, 당김구동시 케이블(1)이 이송을 가이드하도록 구성된다.

즉, 본 발명의 실시예에서는, 스프링의 힘으로 케이블(1)을 풀기 때문에 케이블(1)과 프레임(10) 사이에 마찰을 최소화하기 위해 피더유닛(60)을 추가하였다.

이러한 피더유닛(60)은 도 6에 도시된 바와 같이, 피더기어(62)와, 피더기어(62)축에 삽입되는 원웨이베어링(63)과, 피더(61)를 포함하여 구성됨을 알 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 케이블(1)이 풀릴 때 피더유닛(60)이 없으면 케이블(1)이 프레임(10)과 많은 면적을 접촉하게 되어 마찰력이 발생하지만, 도 8에 도시된 바와 같이, 피더유닛(60)이 있으면 케이블(1)이 프레임(10)이 아닌 피더(61)와 접촉을 하게 되며 피더(61)가 회전하면서 케이블(1)이 빠지는 방향으로 밀어주게 되어 마찰이 감소하게 됨을 알 수 있다. 또한 모터(20)에 의해 케이블(1)이 감길 땐(당김구동), 원웨이 베어링(63)에 의해 케이블(1)을 안쪽으로 밀어 넣진 않게 된다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

1:케이블
10:프레임
11:기어세트 장착단
12:풀리장착단
13:커버
14:모터 삽입단
15:풀리 삽입단
20:모터
21:스테이터
22:로터
30:기어세트
31:모터기어
32:무빙기어
33:기어연결부
40:제1풀리유닛
41:제1풀리
42:제1풀리기어
43:제1태엽스프링
50:제2풀리유닛
51:제2풀리
52:제2풀리기어
53:제2태엽스프링
60:피더유닛
61:피더
62:피더기어
63:원웨이 베어링
100:하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템

Claims

케이블의 풀림과 당김 구동을 위한 액추에이션 시스템으로서,
제1방향과 제2방향 회전구동이 가능한 모터와 모터의 중심축에 결합된 모터기어와, 상기 모터기어와 맞물리는 무빙기어;
상기 모터기어 축은 고정단에 결합되며, 상기 무빙기어는 상기 모터기어축을 기준으로 공전이동이 가능하도록 모터기어와 상기 무빙기어를 연결하는 기어연결부; 및
상기 무빙기어 양단 각각에 소정간격 이격되어 배치되며 외면에 기어를 가지며, 케이블이 권취되는 한 쌍의 풀리유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템.
제 1항에 있어서,
무빙기어와, 기어연결부, 풀리유닛은 커버와 프레임이 결합된 내부공간 내에 장착되며,
상기 모터기어축은 상기 프레임과 커버에 결합되나, 상기 무빙기어축은 상기 기어연결부에만 결합되는 것을 특징으로 하는 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템.
제 2항에 있어서,
상기 풀리 유닛은,
상기 무빙기어의 일측에 소정간격 이격되어 배치되며 외면에 제1풀리기어가 형성된 제1풀리와, 상기 제1풀리가 제1회전방향으로 회전하면 탄성에너지를 저장하는 제1태엽스프링을 갖는 제1풀리유닛과,
상기 무빙기어의 타측에 소정간격 이격되어 배치되며 외면에 제2풀리기어가 형성된 제2풀리와, 상기 제2풀리가 제2회전방향으로 회전하면 탄성에너지를 저장하는 제2태엽스프링을 갖는 제2풀리유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템.
제 3항에 있어서,
상기 모터의 제1회전방향 구동, 제2회전방향 구동을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템.
제 4항에 있어서,
상기 제어부가 상기 모터를 제1회전방향으로 구동시키면, 모터기어와 맞물린 무빙기어가 제2회전방향으로 회전하는 동시에, 모터기어축 중심으로 제1회전방향으로 공전하여 상기 모터기어가 상기 제1풀리기어와 맞물려 상기 제1풀리에 권취된 케이블이 당김구동되고 제1태엽스프링에서 탄성에너지가 저장되고,
당김구동 후, 상기 모터를 제2회전방향으로 구동시키면, 상기 제1풀리기어와 상기 무빙기어의 맞물림이 해제되고, 상기 탄성에너지가 방출되어 상기 제1풀리에 귄취된 케이블이 풀림구동되는 것을 특징으로 하는 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 제어부가 상기 모터를 제2회전방향으로 구동시키면, 모터기어와 맞물린 무빙기어가 제1회전방향으로 회전하는 동시에, 모터기어축 중심으로 제2회전방향으로 공전하여 상기 모터기어가 상기 제2풀리기어와 맞물려 상기 제2풀리에 권취된 케이블이 당김구동되고 제2태엽스프링에서 탄성에너지가 저장되고,
당김구동 후, 상기 모터를 제1회전방향으로 구동시키면, 상기 제2풀리기어와 상기 무빙기어의 맞물림이 해제되고, 상기 탄성에너지가 방출되어 상기 제2풀리에 귄취된 케이블이 풀림구동되는 것을 특징으로 하는 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템.
제 6항에 있어서,
상기 제어부는 모터 구동을 제어하여 구동중, 상기 무빙기어가 제1풀리기어와 제2풀리기어 모두에 맞물리지 않는 시간을 조절하여 양쪽 케이블 프로파일이 겹치는 정도를 제어하는 것을 특징으로 하는 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템.
제 6항에 있어서,
상기 커버와 프레임 내부 공간에 상기 제1풀리 외면과 접촉되는 제1피더유닛과, 제2풀리 외면과 접촉되는 제2피더유닛을 포함하여, 상기 케이블 풀림 구동, 당김구동시 케이블이 이송을 가이드하는 것을 특징으로 하는 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 제1태엽스프링 일측 끝단은 프레임축에 결합되고 타측 끝단은 제1풀리 내부에 결합되어 상기 제1풀리가 제1회전방향으로 회전되면 탄성에너지를 저장하고,
상기 제2태엽스프링 일측 끝단은 프레임축에 결합되고 타측 끝단은 제2풀리 내부에 결합되어 상기 제2풀리가 제2회전방향으로 회전되면 탄성에너지를 저장하는 것을 특징으로 하는 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템.
케이블의 풀림과 당김 구동을 위한 제 3항 내지 제 9항 내지 어느 한 항에 따른 액추에이션 시스템의 작동방법으로서,
제어부가 모터를 제1회전방향으로 구동시켜, 무빙기어가 모터기어에 맞물려 제2회전방향으로 자전회전을 시작하는 단계;
무빙기어가 모터기어축을 기준으로 제1회전방향으로 공전이동하여 제1풀리기어와 맞물리는 단계;
제1풀리가 제1회전방향으로 회전되어 제1풀리에 권취된 케이블을 당김구동하고, 제1태엽스프링에 탄성에너지가 저장되는 단계;
제어부가 상기 모터를 제2회전방향으로 회전시킨 후 정지하여, 무빙기어와 제1풀리기어의 맞물림이 해제되어, 제1태엽스프링의 탄성에너지에 의해 제1풀리에 권취된 케이블이 풀림구동되는 단계;
상기 제어부가 상기 모터를 제2회전방향으로 구동시켜, 무빙기어가 모터기어에 맞물려 제1회전방향으로 자전회전을 시작하는 단계;
무빙기어가 모터기어축을 기준으로 제2회전방향으로 공전이동하여 제2풀리기어와 맞물리는 단계;
제2풀리가 제2회전방향으로 회전되어 제2풀리에 권취된 케이블을 당김구동하고, 제2태엽스프링에 탄성에너지가 저장되는 단계; 및
제어부가 상기 모터를 제1회전방향으로 회전시킨 후 정지하여, 무빙기어와 제2풀리기어의 맞물림이 해제되어, 제2태엽스프링의 탄성에너지에 의해 제2풀리에 권취된 케이블이 풀림구동되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템의 작동방법.
제 10항에 있어서,
상기 케이블이 풀림구동되는 단계에서,
상기 제어부는 상기 무빙기어가 제1풀리기어와 제2풀리기어 모두에 맞물리지 않는 시간을 조절하여 양쪽 케이블 프로파일이 겹치는 정도를 제어하는 것을 특징으로 하는 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템의 작동방법.
제 11항에 있어서,
상기 커버와 프레임 내부 공간에 상기 제1풀리 외면과 접촉되는 제1피더유닛과, 제2풀리 외면과 접촉되는 제2피더유닛을 포함하여, 상기 케이블 풀림 구동, 당김구동시 케이블이 이송을 가이드하는 것을 특징으로 하는 하나의 액추에이터로 두 케이블의 다양한 프로파일 구현이 가능한 액추에이션 시스템의 작동방법.