KR200482156Y1 - 두 개의 입력 특성을 이용한 유성 기어 장치 및 이의 기어 모듈 - Google Patents

두 개의 입력 특성을 이용한 유성 기어 장치 및 이의 기어 모듈 Download PDF

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Abstract

두 개의 모터 특성을 이용하여 기어 변속의 효과를 갖는 두 개의 입력 특성을 이용한 유성 기어 장치 및 이를 갖는 기어 모듈이 개시된다. 본 고안의 실시예에 따른 기어 장치 제 1 기어부, 상기 제 1 기어부와 맞물려 돌아가도록 형성된 제 2 기어부, 상기 제 1 기어부 또는 제 2 기어부 중 적어도 하나와 맞물려 돌아가도록 형성된 제 3 기어부, 그리고 구동력을 발생시키는 구동원을 포함하고, 상기 제 1 내지 제 3 기어부 중 두 개의 기어부가 상기 구동원으로부터 각각의 구동력을 전달 받는 입력파트가 되고, 나머지 하나의 기어부가 상기 각각의 구동력이 합성된 합력을 내보내는 출력파트가 된다. 이와 같은 구성에 의해 두 개의 입력 특성을 조합하여 필요에 따라 고속-저토크 또는 저속-고토크의 출력을 생산할 수 있어 소형 로봇이라도 자유 자재로 출력 특성을 변화시킬 수 있다.

Description

두 개의 입력 특성을 이용한 유성 기어 장치 및 이의 기어 모듈{PLANETARY GEAR APPARATUS USING TWO INPUT CHARACTERISTIC AND GEAR MODULE THEREOF}
두 개의 입력 특성을 이용한 유성 기어 장치 및 이를 갖는 기어 모듈이 개시된다. 보다 자세하게는 두 개의 모터 특성을 이용하여 기어 변속의 효과를 갖는 두 개의 입력 특성을 이용한 유성 기어 장치 및 이를 갖는 기어 모듈이 개시된다.
일반적으로 로봇 및 기계 장치을 설계 할 때 이를 구동하기 위한 모터 및 감속 기어 비의 선택이 중요하다. 즉, 로봇 및 기계 장치이 작동하기 위해서 최대 속도 및 최대 토크를 선정하고 이를 만족하는 모터를 선택하여야 한다. 하지만 대부분의 기계 장치의 경우 큰 부하(하중)에서의 구동(고 토크)은 저속으로, 작은 부하(하중)에서의 구동(저 토크)은 고속으로 동작하는 경우가 많다. 예를 들어 사람의 팔의 동작 및 이를 모방한 로봇 팔의 경우 춤을 추는 동작(무거운 물체를 들지 않는 경우)은 빠른 속도로 관절을 구동하며, 무거운 물체를 들어서 옮기는 동작에서는 저속으로 구동한다.
이와 같은 경우는 자동차의 주행에서도 볼 수 있다. 정지 상태에서의 가속 또는 오르막길 주행 등에서는 높은 토크가 필요하기 때문에 높은 감속기어로써 저속으로 주행하며, 가속 후 또는 평지 주행에서는 낮은 감속 기어를 사용하여 고속으로 주행한다.
이러한 이유로 로봇 및 기계 장치을 구동하는 엑추에이터는 고속-저 토크 운동 및, 저속- 고 토크 운동을 할 수 있어야 한다. 만약 고속에서도 고 토크를 생성할 수 있는 엑추에이터를 사용한다면 이와 같은 구동 요건을 모두 만족 시킬 수 있지만, 이를 위해서는 고 용량의 모터를 사용해야 하는 단점이 있다. 고 용량의 모터 사용은 장치의 무게 및 크기를 증가 시키는 요인 이 된다. 또한, 장치을 소형으로 제작하기 어렵게 하는 요소가 된다.
따라서 자동차의 경우 엔진의 회전력을 주행 바퀴에 전달하는 과정에서 변속 기어 장치를 사용하여 고속-저 토크, 저속-고 토크의 특성을 만족 하도록 하고 있다. 또한 변속 기어 장치의 사용은 에너지 효율적인 엔진의 회전수로 구동할 수 있게 하기 때문에 그 효율성이 더욱 높다.
그러나 빈번하게 구동 방향 및 구동 속도가 변화될 필요성이 있는 로봇에는 기계적인 기어 변환에 의한 변속 장치의 사용은 사실상 어렵다.
따라서, 모터로 구동되는 소형 로봇 및 기계 장치에도 이와 같은 변속 기어 장치의 효과를 적용 할 필요성이 있으며, 이로 인해 로봇의 최대 구동 토크 및 최대 구동 속도를 향상 시킬 수 있으며, 에너지 측면에서 효율적인 구동을 할 수 있을 것이다.
본 고안의 실시예에 따르면, 서로 다른 특성을 갖는 두 개의 구동유닛으로부터 각각의 구동력을 입력 받아 두 개의 구동력의 합력을 출력하는 두 개의 입력 특성을 이용한 유성 기어 장치, 이를 갖는 기어 모듈이 제공된다.
또한, 두 개의 입력 특성을 조합하여 필요에 따라 고속-저토크 또는 저속-고토크의 출력을 생산할 수 있는 두 개의 입력 특성을 이용한 유성 기어 장치, 이를 갖는 기어 모듈이 제공된다.
또한, 소형 모터를 사용하여 소형 장치에도 효과적으로 채용될 수 있고, 비용절감 및 대량생산이 가능하도록 모듈화가 용이한 두 개의 입력 특성을 이용한 유성 기어 장치, 이를 갖는 기어 모듈이 제공된다.
본 고안의 실시예에 따른 기어 장치는 제 1 기어부, 상기 제 1 기어부와 맞물려 돌아가도록 형성된 제 2 기어부, 상기 제 1 기어부 또는 제 2 기어부 중 적어도 하나와 맞물려 돌아가도록 형성된 제 3 기어부, 그리고 구동력을 발생시키는 구동원을 포함하고, 상기 제 1 내지 제 3 기어부 중 두 개의 기어부가 상기 구동원으로부터 각각의 구동력을 전달 받는 입력파트가 되고, 나머지 하나의 기어부가 상기 각각의 구동력이 합성된 합력을 내보내는 출력파트가 된다.
본 고안의 실시예에 따른 기어 모듈은 제 1 구동력이 전달되는 제 1 기어부, 제 2 구동력이 전달되는 제 2 기어부, 그리고 상기 제 1 기어부 또는 제 2 기어부 중 적어도 하나와 맞물려 돌아가도록 형성된 제 3 기어부를 포함하고, 상기 제 3 기어부를 통하여 상기 제 1 기어부 및 제 2 기어부에 입력된 구동력의 합력이 출력된다.
본 고안의 실시예에 따르면, 기어 장치가 서로 다른 특성을 갖는 두 개의 구동 유닛으로부터 구동력을 입력 받아 그 합력을 출력함으로써, 필요에 따라 다양한 속도, 토크 조합의 출력을 제공할 수 있다. 이로 인해 기어 변속의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 두 개의 입력 특성을 조합하여 필요에 따라 고속-저토크 또는 저속-고토크의 출력을 생산할 수 있어 소형 로봇이라도 자유 자재로 출력 특성을 변화시킬 수 있다.
또한, 소형 모터를 사용하여 소형 장치에도 효과적으로 채용될 수 있고, 비용절감 및 대량생산이 가능하도록 모듈화가 용이하다.
또한, 사용 모터의 크기 및 무게에 비해 최대 속도 및 최대 토크가 증가할 수 있고, 모터의 부하에 따라 에너지 사용을 조절할 수 있어 에너지 효율이 좋아진다.
도 1은 본 고안의 일 실시예에 따른 기어 장치의 개략적인 모습을 도시한 사시도,
도 2는 도 1의 기어 장치을 개략적으로 도시한 분해사시도,
도 3 내지 도 5는 두 개의 입력 특성을 이용한 유성 기어 장치의 입출력 관계를 개략적으로 도시한 사시도,
도 6 및 도 7은 본 고안의 일 실시예에 따른 기어 장치의 힘의 합성 원리를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면, 및
도 8은 기어 장치의 작동에 따른 합성된 토크-속도 그래프이다.
도 9는 본 고안의 제2 실시예에 따른 기어 장치의 하나의 구동유닛에 백드라이브를 방지하기 위한 구성이 장착된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10은 고안의 제3 실시예에 따른 기어 장치의 하나의 구동유닛에 백드라이브를 방지하기 위한 플라이휠이 장착된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11은 본 고안의 제4 실시예에 따른 기어 장치에서 구동력을 입력하기 위한 하나의 구동원이 수동 입력으로 적용된 상태를 도시한 도면이다.
도 12는 본 고안의 제5 실시예에 따른 기어 장치에 차동기어가 적용된 상태를 도시한 도면이다.
이하, 본 고안의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 고안의 제1 실시예에 따른 기어 장치(100)는 서로 다른 두 개의 구동유닛의 특성을 합성하여 다양한 출력을 낼 수 있는 장치이다. 이러한 기어 장치(100)는 상황에 따라 출력 특성의 변화가 필요한 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 즉, 하나의 기어 장치(100)를 통하여 고속-저토크의 출력 또는 저속-고토크의 출력을 자유 자재로 변환할 수 있는 것이다.
본 고안의 제1 실시예에 따른 기어 장치(100)는 제 1 기어부(110), 제 2 기어부(120), 그리고 제 3 기어부(130)를 포함한다. 특히, 이 중 두 개의 기어부가 구동력이 입력되는 입력파트가 되고, 나머지 하나의 기어부가 구동력의 합력이 출력되는 출력파트가 된다.
보다 자세한 설명을 위해 도 1 및 도 2를 제시한다. 도 1은 본 고안의 제1 실시예에 따른 기어 장치의 개략적인 모습을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 기어 장치를 개략적으로 도시한 분해사시도이다.
제 1 기어부(110)와 제 2 기어부(120)는 서로 맞물려 돌아가도록 위치된다. 그리고 제 3 기어부(130)는 제 1 기어부(110) 또는 제 2 기어부(120)중 적어도 하나와 맞물려 돌아가도록 형성된다.
이하 실시예 에서는 제 1 기어부 내지 제 3 기어부(110, 120, 130)을 유성기어의 선기어, 캐리어에 연결된 유성기어, 그리고 링기어로 예시한다. 즉 본 고안의 제1 실시예에 따른 기어 장치(100)에 선기어, 캐리어, 유성기어 및 링기어로 이루어진 유성기어유닛이 사용되는 것으로 예시한다. 그러나 두 개의 기어부가 입력파트가 되는 다른 형상의 기어가 사용될 수 있음은 당연하다. 이하는 유성기어유닛이 사용되는 것으로 예시하여 설명한다.
제 1 기어부(110)는 선기어(111) 및 선기어(111)와 연결되어 구동력을 선기어(111)에 전달하거나 선기어(111)로부터 구동력을 전달받는 선기어축(112)를 포함할 수 있다. 제 2 기어부(120)는 캐리어(122)와 캐리어(122)어의 일측 상에 안착된 상태로 자전할 수 있는 적어도 하나 이상의 유성기어(121), 및 캐리어(122)의 타측으로 연결 형성되어 구동력을 전달하는 캐리어축(123)을 포함할 수 있다.
선기어(111)는 유성기어(121)의 사이에 게재되어 각각이 서로 맞물려 돌아가는 형상을 취한다. 따라서 일반적으로 선기어(111)의 회전방향과 유성기어(121)의 회전방향은 반대가 된다. 그리고 제 2 기어부(120)는 캐리어(122)의 회전으로 인해 유성기어(121)의 자전 및 공전을 가능하게 한다.
제 3 기어부(130)는 링기어가 된다. 이러한 링기어는 링 형상의 내부에 내접기어가 형성되게 형성되는 것이 바람직하다. 링기어로 예시되는 제 3 기어부(130)는 제 2 기어부(120)의 유성기어의 외측에 외접하여 맞물리게 위치된다. 따라서, 제 2 기어부(120)의 회전에 의해 제 3 기어부(130)가 회전한다.
이러한 서로간의 맞물림으로 인하여 각각의 기어부의 회전이 서로 영향을 받아 입력된 힘이 합성되어 출력된다.
이때 제 1 기어부 내지 제 3 기어부(110, 120, 130) 중 두 개의 기어부가 입력파트가 된다. 즉, 구동유닛으로부터 구동력을 전달받는 기어부가 두 개가 되는 것이다.
보다 구체적인 설명을 위해 도 3 내지 도 5를 제시한다. 도 3 내지 도 5는 두 개의 입력 특성을 이용한 유성 기어 장치의 입출력 관계를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3을 참고하면, 제 1 기어부(110) 및 제 2 기어부(120)가 입력파트가 되어 상기 두 개의 기어부(110, 120)를 통해 구동력이 입력(In1, In2)된다. 이렇게 입력된 구동력의 합력이 제 3 기어부(130)를 통하여 출력(Out)된다. 따라서 제 1 기어부(110) 및 제 2 기어부(120)의 기어 특성을 조절하거나 이러한 기어부(110, 120)에 전달되는 구동력의 특성을 조절하면서 다양한 출력을 제 3 기어부(130)를 통하여 발생시킬 수 있다.
도 4를 참고하면, 제 1 기어부(110) 및 제 3 기어부(130)가 입력파트가 되어 구동력을 입력(In1, In2)하고, 제 2 기어부(120)가 출력파트가 되어 합력을 출력(Out)한다. 또한, 도 5를 참고하면, 제 2 기어부(120) 및 제 3 기어부(130)가 입력파트가 되어 구동력을 입력(In1, In2)하고, 제 1 기어부(110)가 출력파트가 되어 합력을 출력(Out)한다. 이렇게 입출력 파트에 해당하는 기어부는 기어 장치가 적용되는 대상의 특성 및 제작 방법 등에 따라 변할 수 있으며, 힘의 전달 원리는 위에 설명한 것과 같다.
이하는 선기어(111)를 포함하는 제 1 기어부(110) 및 유성기어(121)와 캐리어(122)를 포함하는 제 2 기어부(120)가 입력파트가 되고 링기어로 예시되는 제 3 기어부(130)가 출력파트가 되는 예를 기준으로 설명한다.
제 1 기어부(110) 및 제 2 기어부(120)는 서로 다른 구동원(140)으로부터 각각의 구동력을 전달 받는 것이 바람직하다. 이때 구동원은 제 1 구동유닛(141) 및 제 2 구동유닛(142)를 포함할 수 있다. 이러한 구동원(140)은 구동력을 전달할 수 있는 모터, 펌프, 실린더 등 다양한 구동력 전달 유닛이 사용될 수 있다. 이하 실시예 에서는 모터가 사용되는 것으로 예시한다.
제 1 구동유닛(141)은 제 1 기어부(110)에 구동력을 입력한다. 이때, 제 1 구동유닛의 회전에 의해 제 1 연결기어(113)가 회전하고, 이에 따라 선기어축(112)이 회전하면서 선기어(111)가 회전한다.
이와 마찬가지로, 제 2 구동유닛(142)은 제 2 연결기어(124)를 통해 제 2 기어부(120)에 구동력을 입력한다.
제 1 구동유닛(141) 및 제 2 구동유닛(142)은 서로 다른 출력을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어 모터로 예시되는 제 1 구동유닛(141) 및 제 2 구동유닛(142)은 서로 다른 용량을 갖거나 서로 다른 감속비를 갖는 것이 바람직하다.
보다 자세하게, 제 1 구동유닛(141)은 최대 구동 속도는 낮으나 최대 구동 토크는 높은 특성(저속-고 토크)을 갖게 설정하고, 제 2 구동유닛(142)은 최대 구동속도는 높으나 최대 구동 토크는 낮은 특성(고속-저 토크)을 갖게 설정할 수 있다. 즉, 제 1 구동유닛(141)과 제 2 구동유닛(142)의 특성을 서로 반대되게 설정할 수 있다. 따라서, 각각의 구동력의 특성을 조절하여 제 3 기어부(130)로 출력되는 구동 합력의 특성을 제어할 수 있는 것이다.
한편, 제 1 구동유닛(141) 또는 제 2 구동유닛(142) 중 적어도 하나는 웜기어(143, 144)를 통해 구동력을 입력할 수 있다. 이러한 웜기어(143, 144)는 각각 제 1 연결기어(113) 및 제 2 연결기어(124)와 연결될 수 있다. 이러한 웜기어(143, 144)를 통하여 두 개의 입력간의 간섭으로 인한 구동유닛의 백드라이브를 방지할 수 있다. 즉, 두 개의 모터를 사용하는 경우에 낮은 감속 전달 비를 가지는 모터는 높은 감속 전달 비를 가지는 모터의 구동에 의해 백드라이브가 발생할 수 있다. 따라서 두 개의 모터의 감속 전달 비의 차이가 큰 경우에는 웜기어(143, 144)를 더 추가하여 백드라이브를 방지할 수 있는 것이다.
그 외에 구동력이 입력으로 전달될 때 평기어, 베벨기어, 벨트 구동 등 일반적인 모든 동력 전달 장치을 사용할 수 있다.
제 1 구동유닛(141) 및 제 2 구동유닛(142)으로부터 구동력을 입력받아 제 1 기어부(110) 및 제 2 기어부(120)가 구동력을 합성하고, 이렇게 합성된 구동력은 제 3 기어부(130)를 통해 출력된다. 제 3 기어부(130)의 회전에 의해 제 3 연결기어(131)이 회전하고, 이와 맞물린 출력기어(132)가 회전하면서 출력축(133)을 통해 구동력이 출력된다. 따라서 출력축(133)과 연결된 다양한 로봇, 기계 장치 등을 구동할 수 있다.
한편, 도시하지는 않았으나, 구동유닛의 구동 속도 및 각도를 측정하기 위해 각각의 구동유닛의 출력축에 엔코더를 장착할 수 있다. 또한, 각각의 기어와 축 사이에는 베어링이 구비될 수 있으며, 유성기어유닛의 위치는 고정되되 회전은 자유롭게 하는 것이 바람직하다.
일측에 따르면, 기어 장치(100)는 제 1 구동력이 전달되는 제 1 기어부(110), 제 2 구동력이 전달되는 제 2 기어부(120), 그리고 상기 제 1 구동력 및 제 2 구동력을 합성력을 출력하는 제 3 기어부(130)로 이루어지는 기어 모듈 형태일 수 있다. 이때 제 1 구동력 및 제 2 구동력은 서로 다른 출력 특성을 갖는 것이 바람직하다.
이러한 모듈화로 인해, 크기, 무게, 생산 비용을 줄일 수 있고 대량생산이 가능할 수 있다. 이러한 기어 모듈은 필요에 따라 다양한 구동유닛(모터 등)을 연결해 사용할 수 있다. 또는, 특정 기어 비를 갖는 모터를 포함하여 일체로 모듈화 할 수도 있다. 기어 모듈은 연결되는 구동유닛의 백드라이브를 방지하기 위해 웜기어를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 두 개의 입력 특성을 이용한 유성 기어 장치(100)의 작동 및 제어 방법을 설명하기 위해 도 6 내지 도 8을 제시한다.
도 6 및 도 7은 본 고안의 제1 실시예에 따른 기어 장치(100)의 힘의 합성 원리를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이고, 도 8은 기어 장치(100)의 작동에 따른 합성된 토크-속도 그래프이다.
도 6을 참고하면, 제 1 구동유닛(141) 및 제 2 구동유닛(142)은 각각 제 1 회전각속도(
Figure 112015011731070-utm00001
) 및 제 2 회전각속도(
Figure 112015011731070-utm00002
)를 갖고, 제 1 기어 비(r1) 및 제 2 기어 비(r2)를 갖는다. 이때, 제 1 구동유닛(141) 또는 제 2 구동유닛(142)에는 감속 기어(145, 146)가 더 포함될 수 있다.
제 1 기어부(110)의 선기어(110)의 잇수를 za 라고 하고 링기어로 예시되는 제 3 기어부(130)의 잇수를 zc 라고 한다. 이때 구동유닛(141, 142)의 회전력이 입력파트인 기어부(110, 120)에 입력(In1, In2)로 전달되는 과정에서 기어비와 잇수를 조절하여 다양한 출력(Out) 특성을 생성할 수 있다.
도 7의 (a)는 제 1 구동유닛(141)만을 구동시키고 제 2 구동유닛(142)은 정지한 생태를 개략적으로 나타낸다. 이를 참고하면, 제 1 구동유닛(141)이 일정각도(
Figure 112015011731070-utm00003
) 회전하고, 제 2 구동유닛은 회전하지 않는다. 제 1 구동유닛(141)의 회전에 의해 선기어(111)가 특정 방향으로 회전하게 되고 이에 의해 제 3 기어부(130)가 특정 출력각도(
Figure 112015011731070-utm00004
)를 갖는다.
제 1 구동유닛(141)의 회전 각도에 대한 제 3 기어부(130)의 미소 출력각도는 아래와 같다.
Figure 112015011731070-utm00005
상기 수학식 1의 미소 출력각도를 속도로 변환하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.
Figure 112015011731070-utm00006
따라서, 제 1 구동유닛(141)의 회전각속도와 제 1 및 제 3 기어부(110, 130)의 기어 잇수에 의해 출력 특성이 결정된다.
도 7의 (b)는 제 2 구동유닛(142)만을 구동시키고 제 1 구동유닛(141)은 정지한 생태를 개략적으로 나타낸다. 이를 참고하면, 제 2 구동유닛(142)이 일정각도(
Figure 112015011731070-utm00007
) 회전하고, 제 1 구동유닛은 회전하지 않는다. 제 2 구동유닛(142)의 회전에 의해 유성기어(121)가 특정 방향으로 회전하게 되고 이에 의해 제 3 기어부(130)가 특정 출력각도(
Figure 112015011731070-utm00008
)를 갖는다.
제 2 구동유닛(142)의 회전 각도에 대한 제 3 기어부(130)의 미소 출력각도는 아래와 같다.
Figure 112015011731070-utm00009
상기 수학식 3의 미소 출력각도를 속도로 변환하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.
Figure 112015011731070-utm00010
따라서, 제 2 구동유닛(142)의 회전각속도와 제 2 및 제 3 기어부(120, 130)의 기어 잇수에 의해 출력 특성이 결정된다.
도 7의 (c)는 제 1 및 제 2 구동유닛(141, 142)이 모두 구동하는 경우를 나타낸다. 이 경우 두개의 구동유닛(141, 142)의 입력에 대한 출력 속도 식은 아래와 같다.
Figure 112015011731070-utm00011
수학식 5를 이용하면 두개의 모터 특성을 합성하여 출력을 얻을 수 있다. 이와 같은 두개의 모터 특성을 합성한 그래프를 도 8을 통해 확인 할 수 있다.
도 8의 그래프(a)는 높은 감속비 특성으로 인해 최대 구동 속도는 낮으나 최대 구동 토크는 높은 모터의 토크-속도 그래프이다. 그리고 그래프(b)는 낮은 감속비 특성으로 인해 최대 구동 속도는 높으나 최대 구동 토크는 낮은 모터의 토크-속도 그래프이다.
결국, 제 1 구동유닛(141)이 높은 감속비 특성을 갖고, 제 2 구동유닛(142)이 낮은 감속비 특성을 갖는 경우에는 두 개의 입력을 합성하여 그래프(c)와 같이 고속도-저토크 또는 저속도-고토크의 출력을 모두 생성할 수 있는 것이다.
즉, 1개 구동유닛(예를 들어 1개의 모터)을 사용하는 경우에는 그래프(a) 또는 그래프(b)와 같이 높은 속도 또는 높은 토크의 어느 한 특성만을 나타낼 수 밖에 없다. 그러나 두 개의 구동유닛을 통한 두 개의 서로 다른 입력 특성을 합성함으로 인해 높은 속도를 갖거나 높은 토크를 갖는 모든 경우가 가능해 진 것이다. 그래프(c)는 자동차와 같은 변속 기어를 사용한 경우 2단 변속 기어의 특성 그래프와 유사한 형태를 나타내는데, 본 고안에 따른 기어 장치(100)의 경우 2개의 소형 모터 만을 사용하여 이러한 특성 결과를 얻을 수 있는 것이다.
일반적인 로봇의 구동은 낮은 부하에서는 빠른 속도(고속도-저토크), 높은 부하에서는 낮은 속도(저속도-고토크)로 구동되기 때문에 보통 그래프(c)와 같은 영역에서만 주로 동작하게 된다. 따라서 자동차의 변속 기어 장치와 같이 복잡하고 대형의 기어 장치이나, 고용량의 모터를 사용할 필요 없이, 소형 모터 두 개만을 이용하여 이들의 특성을 적절히 합성하는 것에 의해 기어 변속 효과를 냄으로써 소형 로봇 장치에 효율적으로 적용될 수 있는 기어장치을 제공할 수 있는 것이다.
이렇게 두 개의 입력 특성이 합성된 출력 특성은, 각각의 구동유닛의 특성 및 회전력을 입력파트에 전달하는 과정에서, 기어 비 및 기어의 기어 잇수 등에 의해 다양한 특성을 가질 수 있다.
또한, 2단 변속 기어와 유사한 효과 및 특성을 얻음으로 인해, 부하(또는 구동 토크)에 따라 최적의(효율 적인인) 속도로 구동됨으로써 전류의 소비가 적도록 할 수 있다. 즉, 높은 토크로 구동하는 경우에는 높은 기어 감속 효과(저속-고 토크)를 가지는 하나의 구동유닛만을 구동하여 제 1 기어부(110) 또는 제 2 기어부(120) 중 하나의 기어부만을 통하여 구동력을 입력하는 제어방법을 통해, 구동 토크 대비 낮은 전류를 사용하도록 할 수 있다. 뿐만 아니라, 빠른 속도가 필요할 경우에는 고속-저 토크 특성을 갖는 구동유닛만을 구동하거나 두 개의 구동유닛을 모두 구동하여 제 1 기어부(110) 및 제 2 기어부(120)에 동시에 구동력을 입력하는 제어방법을 통해, 빠른 속도를 갖는 출력을 제공할 수 있다.
한편, 기어 장치가 고속-중 토크로 구동하는 경우, 즉 고속-저 토크를 갖는 구동유닛의 최대 토크보다 작은 토크 영역에서 구동하는 경우에는, 두 개의 구동유닛의 전류를 동일하게 사용하도록 제어하는 것이 바람직하다. 따라서 두 개의 구동유닛이 동시에 동일한 토크를 생성한다. 이렇게 두 개의 구동유닛(모터)이 동일한 토크를 생성하도록 하여, 가능한 범위 내에서 동일한 힘을 내기 위해 두 개의 모터가 똑 같은 힘을 내는 것이 에너지 효율 측면에서 바람직하다.
상기와 같은 제어 방법으로 인해 모터의 과부하 등에 의한 많은 전류의 소모를 방지할 수 있다.
이러한 기어 장치(100) 또는 기어 모듈은 다양한 소형 로봇, 장치, 장치에 채용될 수 있다. 또한, 회전 형 바퀴 구동이나 관절 구동 등 다양한 힘 또는 속도로 회전하는 장치이 필요한 다양한 분야에 적용될 수 있다.
한편, 이하에서는 본 고안의 제2 실시예에 따른 기어 장치에 대해 상술하되, 전술한 제1 실시예의 기어 장치와 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 9는 본 고안의 제2 실시예에 따른 기어 장치의 하나의 구동유닛에 백드라이브를 방지하기 위한 구성이 장착된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 기어 장치(200)는 전술한 제1 실시예의 기어 장치(100, 도 1 참조)와 달리 백드라이브를 방지할 수 있는 웜기어(143, 144, 도 2 참조)가 적용되지 않고, 다른 구성이 적용되며, 따라서 에너지 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
전술한 것처럼, 고 토크를 출력으로 할 수 있는 제1 구동유닛(241)의 모터를 구동하여 높은 토크를 출력할 경우, 상대적으로 저 토크를 출력을 하는 제2 구동유닛(242)의 모터가 스스로 회전하는 백드라이브가 발생될 수 있다. 그러면, 고 토크 특성이 출력으로 나오지 않을 수 있다.
따라서 이와 같은 현상을 방지하기 위해, 제2 구동유닛(242)의 모터에 역전류를 인가하여 백드라이브를 억제하거나, 또는 도 9에 도시된 것처럼, 별도의 구성을 제2 구동유닛(242)의 모터에 장착할 수 있다.
여기서, 제2 구동유닛(242)의 모터에 장착할 수 있는 구성(243)으로는, 브레이크 타입의 전자 브레이크 또는 기계적인 작동에 의해 브레이킹을 하는 기계 브레이크가 적용될 수 있으며, 또한 베어링 타입의 원-웨이(one-way) 베어링 또는 클러치 베어링이 적용될 수 있다.
부연 설명하면, 전자 브레이크는 전자력을 이용하여 제동하는 방식이 적용되는 브레이크로서 이러한 작동에 의해 백드라이브를 방지할 수 있다. 그리고 원-웨이 베어링 및 클러치 베어링은 일방향으로만 회전력을 제공하고 타방향으로의 회전은 일반 베어링처럼 자유롭게 회전하는 특성이 있다. 따라서 원웨이 베어링을 고정 부위(회전이 일어 나지 않는 부분)과 제2 구동 유닛(242)에 장착함으로써 일방향으로는 모터의 회전력을 유성기어장치(200)에 전달 하고, 제 2 구동 유닛(242)을 구동하지 않는 경우 제 1 구동 유닛(241)만을 구동 할 때 역방향으로의 회전(백드라이브)를 방지 할 수 있다.
이와 같이, 본 고안의 제2 실시예의 경우, 상대적으로 저 토크 출력을 갖는 제2 구동유닛(242)에 별도의 브레이크 또는 베어링과 같은 구성(243)을 장착함으로써 백드라이브가 발생되는 것을 저지할 수 있으며, 다른 기어들에 비해(일반적인 평기어 등)에 비해 우수한 에너지 효율을 얻을 수 있다.
한편, 이하에서는 본 고안의 제3 실시예에 따른 기어 장치에 대해 상술하되, 전술한 실시예들의 기어 장치와 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 10은 고안의 제3 실시예에 따른 기어 장치의 하나의 구동유닛에 백드라이브를 방지하기 위한 플라이 휠이 장착된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
이에 도시된 것처럼, 본 실시예의 기어 장치(300)는 백드라이브를 방지하기 위해 회전 관성이 큰 플라이 휠(343)이 제2 구동유닛(342)의 모터에 장착된다. 이러한 플라이 휠(343)은 현재의 운동 현상을 유지하는 경향이 있기 때문에 고 토크를 갖는 제1 구동유닛(341)의 모터의 회전이 출력 파트인 제3 기어부(330)에 전달되는 과정에서 저 토크를 갖는 제2 구동유닛(342)에 결합된 제2 기어부(320)가 백드라이브되는 현상을 감소 또는 방지할 수 있다. 따라서, 이러한 플라이 휠(343)이 적용되는 경우 별도의 브레이크 없이도 역전류만을 인가함으로써 백드라이브를 방지할 수 있다.
플라이 휠(343)의 특성을 이용하여 백드라이브를 저지하는 방법에 대해 추가적으로 설명하면, 일반적으로 플라이 휠(343)은 큰 회전 관성을 갖기 때문에 예를 들면 자동차의 경우 엔진의 회전력을 유지하는 용도로 사용된다. 따라서 일반적인 모터 장치(모터 1개에 의해 구동축을 구동하는 장치)에서 플라이 휠이 결합되면 그만큼 관성이 추가되어 모터의 속도 변환 특성이 악화될 수 있다.
그러나, 본 실시예의 모터 장치, 즉 기어 장치(300)는 두 개의 모터를 이용하여 하나의 출력을 만들어 내는 것이기 때문에 순간적인 가속 및 급격한 속도 변화는 가감속의 특성이 우수한 모터, 즉 제1 구동유닛(341)의 모터를 이용하고, 가감속의 특성이 낮은 모터, 즉 제2 구동유닛(342)의 모터는 1회 가속시킨 후 급격하게 속도를 변화시키기 않고 일정한 속도를 유지하면서 제1 구동유닛(341)의 모터의 속도 변화를 이용하여 전체적인 출력 속도를 조절할 수 있으며, 이로 인해 고속 주행 중에 발생하는 고속 모터의 급격한 속도 변화에 따른 에너지 손실을 줄일 수 있다.
또한, 본 실시예의 기어 장치(300)는 2개의 입력이 하나의 출력으로 나오는 여유자유도 장치이기 때문에, 두 개의 구동유닛(341, 342)의 모터를 특정한 속도로 제어함으로써 최종 출력이 발생되지 않게 할 수도 있다. 부연 설명하면, 플라이 휠(343)이 장착된 제2 구동유닛(342)의 모터를 가속시킬 때 실제의 출력에 부하가 발생되지 않고 플라이 휠(343)만을 가속시킬 수 있으며, 이로 인해 플라이 휠(343)이 장착된 제2 구동유닛(342)의 모터의 가속이 보다 용이하게 이루어지고, 한번 가속된 플라이 휠(343)의 회전력을 이용하여 실제 부하를 구동할 때 정지 상태에서 구동되는 것보다 전류 소모를 적게 할 수 있다. 이와 같은 전류 소모로 인해 에너지 효율은 높아지고, 또한 정지 상태에서 가속을 위한 필요 토크가 작아짐으로써 소용량의 모터를 적용할 수 있게 된다.
한편, 이하에서는 본 고안의 제4 실시예에 따른 기어 장치에 대해 상술하되, 전술한 실시예들의 기어 장치과 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 11은 본 고안의 제4 실시예에 따른 기어 장치에서 구동력을 입력하기 위한 하나의 구동원이 수동 입력으로 적용된 상태를 도시한 도면이다.
이에 도시된 것처럼, 본 실시예의 경우 제2 기어부(420)에 구동유닛이 결합되는 것이 아니라 제2 기어부(420)에는 작업자의 수동 동작에 의해 가해지는 구동력이 입력될 수 있다. 자전거의 페달 구조를 예를 들어 설명하면, 제2 기어부(420)에 가해지는 구동력은 자전거의 페달과 같은 수동 장치(442)에 의해 가해질 수 있는 것이다.
이러한 구성에 의해, 수동 장치(442)만으로 출력축을 구동할 수 있으며, 제1 구동유닛(441)의 모터 그리고 수동 장치(442)를 동시에 사용하여 제3 기어부(430), 즉 출력축을 구동할 수도 있다.
여기서, 수동 장치(442)에 의한 구동력 입력 시 제1 구동유닛(441)의 모터가 출력축을 반대 방향으로 회전시키기 위한 방향으로 회전하면 실제 수동 입력에 대한 출력축의 속도가 감소되기 때문에 기어비의 변환 효과를 발생시킬 수 있다. 따라서, 특정한 영역 내에서 무한 변속 기어와 같은 기능을 발생시킬 수 있다.
한편, 이하에서는 본 고안의 제5 실시예에 따른 기어 장치에 대해 상술하되, 전술한 실시예들의 기어 장치와 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 12는 본 고안의 제5 실시예에 따른 기어 장치에 차동기어가 적용된 상태를 도시한 도면이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 기어 장치(500)는, 두 개의 기어부에 의해 발생하는 2개의 입력이 하나의 기어부를 통해 출력을 발생하는 차동 기어 장치로서, 제1 기어부(510) 및 제2 기어부(520) 각각은 상호 대응되는 차동사이드 기어(511, 521)를 포함하고, 제3 기어부(530)는 제1 기어부(510) 및 제2 기어부(520)의 차동사이드 기어(511, 521)의 사이에 결합되는 한 쌍의 차동피니언 기어(531)가 결합되는 링기어(532)를 포함한다. 또한 링기어(532)는 구동축(550)의 구동피니언 기어(551)와 맞물림 결합되어 링기어(532)의 회전을 통해 구동축(550)을 회전시킬 수 있다.
여기서, 제1 기어부(510)의 차동사이드 기어(511), 제2 기어부(520)의 차동사이드 기어(521)가 구동원으로부터 각각의 구동력을 전달 받는 입력파트가 되고, 제3 기어부(530)가 각각의 구동력이 합성된 합력을 출력으로 내보내는 출력파트가 될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 3개의 기어부(510, 520, 530)가 선택적으로 2개의 입력 파트 및 1개의 출력 파트가 될 수 있음은 당연하다.
이러한 차동 기어 장치(500)는 전술한 제1 실시예의 유성기어 장치(100, 도 1 참조)와 마찬가지로 3개의 회전축과 내부에 구비되는 1개의 축을 갖기 때문에 2개의 회전축을 입력으로 하고 하나의 회전축을 출력으로 하면 2개의 입력이 1개의 출력으로 합성될 수 있다.
이와 같이, 전술한 실시예들에서 제시되는 2개의 모터 특성을 합성하는 방법은 제작 방법 또는 사용 목적에 따라 유성기어 또는 차동기어에 적용되지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 세 개의 구동축과 내부에 1개의 축이 존재하는 모든 기어 장치에 적용할 수 있음은 당연하다.
한편, 전술한 기어 모듈, 즉 2개의 입력이 하나의 출력으로 생성되는 기어 모듈은 운송 장치에 구비되어 사용될 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 운송 장치는, 서로 다른 입력 특성이 전달 가능한 제1 기어부 및 제2 기어부 그리고 이들의 합력이 출력으로 생성되는 제3 기어부를 갖는 기어 모듈과, 제1 기어부 또는 제2 기어부로 전달되는 구동력을 선택적으로 제어하여 제3 기어부로 출력되는 구동력을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
이러한 운송 장치는 적어도 하나의 기어부가 전기로 구동되는 전기 자전거일 수 있다. 이러한 전기 자전거의 경우, 제1 기어부로 입력되는 제1 구동력은 사용자가 조절하여 입력할 수 있는 수동 입력일 수 있고, 제2 기어부로 입력되는 제2 구동력은 전기 공급에 의해 생성되는 구동력일 수 있다. 따라서, 평지 또는 언덕 등의 장소에 따라 제1 기어부 또는 제2 기어부를 선택적으로 구동시킬 수 있어 에너지 효율을 높일 수 있다. 가령, 언덕 등을 오를 때 수동 입력에 의한 제1 기어부를 사용하는 것보다 전기 공급에 의해 구동되는 제2 기어부를 사용하는 것이 바람직하다. 이 때, 제2 기어부로는 저속-고토크 특성을 갖는 모터가 사용될 수 있다.
다만, 기어 모듈이 적용되는 운송 장치는 전기 자전거에 한정되는 것은 아니며, 다른 운송 장치 또는 이동 수단에 적용될 수 있음은 당연하다. 또한, 구동력을 입력하는 2개의 기어부 중 하나의 기어부가 수동 입력을 위한 기어부이고 다른 하나의 기어부가 전기 공급에 의해 구동력을 입력하는 기어부라 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 2개의 기어부가 모두 수동 입력으로 구동되는 기어부로 구성되어도 무방하고, 2개의 기어부가 전기 공급에 의해 구동력을 생성하는 기어부로 구성되어도 무방하다.
한편, 전술한 기어 장치, 즉 제1 기어부 및 제2 기어부가 구동원으로부터 각각의 구동력을 받아 입력파트가 되고 제3 기어부가 각각의 구동력이 합산된 합력을 내보내는 출력파트가 되는 기어 장치 역시 운송 장치에 구비되어 사용될 수 있다. 부연 설명하면, 운송 장치는, 이러한 기어부들을 포함하는 기어 장치와, 기어부 중 선택된 기어부들로 전달되는 구동력을 각각 제어하여 출력을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
운송 장치는, 예를 들면, 입력파트인 제1 기어부 및 제2 기어부 중 적어도 하나의 기어부가 전기로 구동되는 전기 자전거일 수 있다. 전기 자전거의 경우, 제1 기어부로 입력되는 구동력은 사용자가 조절할 수 있는 수동 입력일 수 있고, 제2 기어부로 입력되는 구동력은 전기 공급에 의해 생성되는 구동력일 수 있다. 따라서, 제1 기어부 또는 제2 기어부를 선택적으로 구동시킬 수 있어 에너지 효율을 높일 수 있다. 예를 들면, 언덕 등을 오를 때 수동 입력에 의한 제1 기어부를 사용하는 것보다 전기 공급에 의해 구동되는 제2 기어부를 사용할 수 있다. 이 때, 제2 기어부로는 저속-고토크 특성을 갖는 모터가 사용될 수 있다.
다만, 여기서도 마찬가지로, 전술한 기어 장치가 적용 가능한 운송 수단은 전기 자전거에 한정되는 것은 아니며, 다른 운송 장치에 적용될 수 있음은 당연하다. 또한, 제1 기어부 및 제2 기어부에 입력되는 구동력은 각각 다른 수동 입력일 수 있으며, 또는 모두 전기 공급에 의해 발생되는 구동력일 수도 있다.
이상과 같이 본 고안은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 고안은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 고안이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 고안의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 기어 장치 110: 제 1 기어부
111: 선기어 112: 선기어축
113: 제 1 연결기어 120: 제 2 기어부
121: 유성기어 122: 캐리어
123: 캐리어축 124: 제 2 연결기어
130: 제 3 기어부 140: 구동원
141: 제 1 구동유닛 142: 제 2 구동유닛
143, 144: 웜기어 145, 146: 감속 기어

Claims (10)

  1. 선기어를 포함하는 제 1 기어부;
    상기 선기어와 맞물려 돌아가도록 형성된 유성기어 및, 캐리어를 포함하는 제 2 기어부;
    상기 선기어 또는 상기 유성기어 중 적어도 하나와 맞물려 돌아가도록 형성된 링기어를 포함하는 제 3 기어부; 및
    구동력을 발생시키며, 상호 다른 출력을 갖는 제1 구동유닛 및 제2 구동유닛을 갖는 구동원;을 포함하고,
    상기 제 1 내지 제 3 기어부 중 두 개의 기어부가 상기 구동원으로부터 각각의 구동력을 전달 받는 입력파트가 되고, 나머지 하나의 기어부가 상기 각각의 구동력이 합성된 합력을 내보내는 출력파트가 되며,
    상기 제1 구동유닛 및 상기 제2 구동유닛은 각각 모터를 포함하고,
    상기 제1 구동유닛 또는 상기 제2 구동유닛 중 적어도 하나는 백드라이브 방지 수단을 더 포함하고,
    상기 모터 중 하나는 저속-고 토크 특성을 갖고, 다른 하나는 고속-저 토크 특성을 가지는
    기어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 백드라이브 방지 수단은
    웜기어이거나, 전자 브레이크 또는 기계 브레이크이거나, 원-웨이(one-way) 베어링 또는 클러치 베어링인 기어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 모터는 서로 다른 용량을 갖거나 서로 다른 감속비를 갖는 기어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 선기어 및 캐리어가 입력파트가 되고, 상기 링기어가 출력파트가 되는 기어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 선기어 및 링기어가 입력파트가 되고, 상기 캐리어가 출력파트가 되는 기어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 링기어 및 캐리어가 입력파트가 되고, 상기 선기어가 출력파트가 되는 기어 장치.
  7. 제 1 기어부;
    상기 제 1 기어부와 맞물려 돌아가도록 형성된 제 2 기어부;
    상기 제 1 기어부 또는 제 2 기어부 중 적어도 하나와 맞물려 돌아가도록 형성된 제 3 기어부; 및
    구동력을 발생시키며, 상호 다른 출력을 갖는 제1 구동유닛 및 제2 구동유닛을 갖는 구동원;
    을 포함하고, 상기 제 1 내지 제 3 기어부 중 두 개의 기어부가 상기 구동원으로부터 각각의 구동력을 전달 받는 입력파트가 되고, 나머지 하나의 기어부가 상기 각각의 구동력이 합성된 합력을 내보내는 출력파트가 되며,
    상기 제1 구동유닛 및 상기 제2 구동유닛은 각각 모터를 포함하고,
    상기 모터 중 하나는 저속-고 토크 특성을 갖고, 다른 하나는 고속-저 토크 특성을 가지며,
    상기 제 1 구동유닛 또는 제 2 구동유닛 중 적어도 하나는 백드라이브를 방지하도록 웜기어를 통해 구동력을 전달하거나, 전자 브레이크 또는 기계 브레이크가 결합되거나, 원-웨이(one-way) 베어링 또는 클러치 베어링이 결합되는
    기어 장치.
  8. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제1 구동유닛 또는 상기 제2 구동유닛 중 적어도 어느 하나에는 관성을 갖는 플라이 휠이 결합되는 기어 장치.
  9. 제1 구동력 및 제2 구동력을 발생시키며, 상호 다른 출력을 갖는 제1 구동유닛 및 제2 구동유닛을 갖는 구동원;
    제 1 구동력이 전달되는 제 1 기어부와, 제 2 구동력이 전달되는 제 2 기어부와, 상기 제 1 기어부 또는 상기 제 2 기어부 중 적어도 하나와 맞물려 돌아가도록 형성되어 상기 제 1 기어부 및 상기 제 2 기어부에 입력된 구동력의 합력이 출력되는 제 3 기어부를 포함하는 기어 모듈; 및
    상기 제1 기어부로 전달되는 상기 제1 구동력 또는 상기 제2 기어부로 전달되는 제2 구동력을 선택적으로 제어하여 상기 제3 기어부로 출력되는 구동력을 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 제1 구동유닛 및 상기 제2 구동유닛은 각각 모터를 포함하고,
    상기 제1 구동유닛 또는 상기 제2 구동유닛 중 적어도 하나는 백드라이브 방지 수단을 더 포함하고,
    상기 모터 중 하나는 저속-고 토크 특성을 갖고, 다른 하나는 고속-저 토크 특성을 가지며,
    상기 제 1 기어부는 선기어를 포함하고,
    상기 제 2 기어부는 유성기어 및 캐리어를 포함하고,
    상기 제 3 기어부는 링기어를 포함하고,
    상기 선기어, 상기 캐리어 및 상기 링기어 중 2개가 입력파트가 되고, 상기 선기어, 상기 캐리어 및 상기 링기어 중 나머지 1개가 출력파트가 되는
    운송 장치.
  10. 삭제
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